CN101629512A

CN101629512A - 发动机废气涡轮发电系统

Info

Publication number: CN101629512A
Application number: CN200910144336A
Authority: CN
Inventors: 范礼; 施法佳; 黄灿宏
Original assignee: WUHU JAPHL POWERTRAIN SYSTEMS CO Ltd
Current assignee: WUHU JAPHL POWERTRAIN SYSTEMS CO Ltd
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2010-01-20

Abstract

本发明公开了一种发动机废气涡轮发电系统，包括涡轮壳(2)、涡轮(3)和涡轮轴(21)，所述的涡轮壳(2)上设有涡壳进口(1)和涡壳出口(4)，所述的涡轮轴(21)的伸出端部与发电机(15)的轴通过联轴器(14)同轴紧固连接；所述的涡壳进口(1)与发动机的排气歧管连接。采用上述技术方案，可以高效回收发动机废气能量并确保回收的废气被充分合理的利用，不仅可以提高发动机效率，降低发动机燃油消耗，还可以降低温室气体排放，促进环境保护，能带来很大的经济效益、环境效益和社会效益。

Description

发动机废气涡轮发电系统

技术领域

本发明属于汽车构造的技术领域，涉及汽车发动机的结构，更具体地说，本发明涉及一种发动机废气涡轮发电系统。

背景技术

传统汽油发动机燃料做功部分一般只占燃烧总能量的30％左右，即汽油发动机热效率在30％左右；柴油发动机热效率稍高，在40％左右。另外，35％左右的能量通过发动机冷却系统被带走，其余大约35％的能量被发动机废气带走。如果能回收这些能量，就可以提高发动机的效率，降低发动机的油耗并降低温室气体的排放。对发动机冷却系统和排气系统带走的能量进行回收，已经引起了人们的广泛注意。

在发动机冷却系统带走的能量和发动机废气带走的能量中，发动机废气中的能量更可以被充分利用。将发动机废气中的热能和动能转化为机械能并最终转化为电能，是充分高效利用发动机废气能量的一个重要途径。

一般来说，质量流量为0.05kg/s、流速在60m/s的800℃气体提供的能量足够使涡轮发电机转速达到8万至10万rpm，产生的电能达到5～6KW。如果利用发动机废气涡轮回收的能量可以满足汽车电力系统所需能量，还可以进一步取消发动机中的发电机及其驱动系统，可以进一步提高发动机效率。

传统的发动机废气能量回收系统中，要么结构过于复杂，不能真正用于工程应用；要么结构过于简单，仅适用于特定系统，没有普遍推广价值，且能量回收效率低。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种发动机废气涡轮发电系统，其目的是高效回收发动机废气能量并充分加以利用，提高发动机效率，降低发动机燃油消耗。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的这种发动机废气涡轮发电系统，包括涡轮壳、涡轮和涡轮轴，所述的涡轮壳上设有涡壳进口和涡壳出口，所述的涡轮轴的伸出端部与发电机的轴通过联轴器同轴紧固连接；所述的涡壳进口与发动机的排气歧管连接。

所述的发电机为开关磁阻发电机。

所述的发电机通过整流电路与蓄电池连接。

在所述的涡轮壳与发电机之间，设有中间壳，所述的涡轮轴由中间壳支承，所述的中间壳上，设有润滑油路和冷却水套。

所述的冷却水套设冷却水进口和冷却水出口，所述的冷却水进口和冷却水出口与发动机的循环水系统连通。

所述的涡轮轴与中间壳之间，设半浮动轴承。

在所述的中间壳的两端，分别设有活塞环A和活塞环B。

在所述的中间壳中设推力垫片和推力轴承，所述的推力轴承固定安装在中间壳上，所述的推力轴承和高速旋转的涡轮轴之间通过衬套过渡衔接。

所述的润滑油路设润滑油进口和润滑油出口。

所述的中间壳内远离涡壳出口的一端，通过背板密封；所述的背板的中心孔通过推力套与涡轮轴衔接；所述的背板周边与所述的中间壳之间装有橡胶密封圈；所述的背板通过四个螺栓连接在中间壳内的螺栓孔上；所述的中间壳和涡轮壳通过卡箍连接在一起。

本发明采用上述技术方案，可以高效回收发动机废气能量并确保回收的废气被充分合理的利用，不仅可以提高发动机效率，降低发动机燃油消耗，还可以降低温室气体排放，有利于环境保护，其带来的经济效益、环境效益和社会效益是相当巨大的；本发明的结构简单，很容易推广并快速产业化；保证了润滑效果，又减少了轴与轴承间的摩擦，因此本发明的机械效率高达95％以上；循环冷却水套可以充分冷却中间壳内的润滑油，保证润滑油不会温度过高而结焦，因此本发明不仅适用于排气温度较高的柴油发动机，而且适用于排气温度更高的汽油发动机；使用的高速发电机是开关磁阻发电机；采用开关磁阻发电机，其外形简单、成本低、易于制造、在高速下运行可靠，这种能量回收系统的功率密度是普通交流发电机的三倍。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中的中间壳结构剖视示意图。

图中标记为：

1、涡壳进口，2、涡轮壳，3、涡轮，4、涡壳出口，5、活塞环A，6、挡圈，7、半浮动轴承，8、润滑油进口，9、推力垫片，10、推力轴承，11、衬套，12、密封圈，13、推力套，14、联轴器，15、发电机(开关磁阻发电机SRG)，16、整流电路，17、蓄电池，18、活塞环B，19、背板，20、中间壳，21、涡轮轴，22、润滑油出口，23、卡箍，24、冷却水套，25、螺栓孔，26、冷却水进口，27、冷却水出口。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所表达的本发明的结构，为一种发动机废气涡轮发电系统，包括涡轮壳2、涡轮3和涡轮轴21，所述的涡轮壳2上设有涡壳进口1和涡壳出口4。在涡轮轴21上设有挡圈6，限制涡轮轴21在涡轮壳2上的轴向移动。

要提高能量回收效率并真正具备工程应用价值，必须改进涡轮涡壳的设计、提高传动系统的机械效率，选用结构简单、运行可靠的发电机系统，保证回收的能量可以被充分合理利用的能量管理系统，保证整个能量回收系统的结构强度及耐久性，可以满足发动机装配在汽车上运行的复杂工况。

为了解决在本说明书背景技术部分所述的目前公知技术存在的问题并克服其缺陷，实现高效回收发动机废气能量并充分加以利用，提高发动机效率，降低发动机燃油消耗的发明目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的这种发动机废气涡轮发电系统，所述的涡轮轴21的伸出端部与发电机15的轴通过联轴器14同轴紧固连接；所述的涡壳进口1与发动机的排气歧管连接。

试验表明：把涡轮发电能量回收系统放在排气系统不同位置，回收的能量是不同的。如果放置位置远离发动机排气歧管，废气将损失较多的能量，则能量回收的效率偏低；如果把涡轮发电能量回收系统紧紧放在排气歧管后面，则可以尽可能多的回收能量。

所以，本发明中用于回收能量的涡轮的涡壳进口1端紧紧置于发动机排气歧管后面。发动机排放的高温高压气体经过排气歧管从涡壳进口1进入涡轮壳2内，高温高压气体推动涡轮3高速旋转做功，经过能量回收后的废气从涡壳出口4流向三元催化器，最后通过排气系统排放到大气中。

本发明提供的系统所回收的发动机废气能量，可以产生12V到600V的电压，产生的电能达到2W到6KW，该能量足够用于汽车加热、照明、空调及音响等汽车电力系统使用。由于本系统可以为上述设备提供充足的电能，因此凸轮带、驱动带和交流发电机可以被废弃。由于没有轮带等摩擦损失消耗能量，发动机效率将进一步提高。对于一般普通家用轿车，轮带摩擦损失消耗的功率高达6KW，而在卡车和其它大空间汽车中，消耗的功率则会更高。通过消除这种能量损失，发动机消耗的燃油可以降低5％～10％并全面降低温室气体排放。

本系统产生的多余电能还可以用于高级发动机的相关零部件用电需求，如电磁阀、电控执行器、电子控制进气管、进气冷却、电力驱动的机械增压器和电控排气后处理等用电环节。

本发明整合了涡轮增压、机电、能源、混合动力等领域的最新技术，开发了一种简单却富有创造性的、用于回收发电机废气能量的涡轮-发电能量回收系统。本能量回收系统基于现有技术，完全适合于乘用车和商用车等多方面的工程应用。本能量回收系统将涡轮端、中间壳总成和高速发电机集成于一体，结构简单，很容易推广并快速产业化。

本发明使用的涡轮端和中间壳总成采用涡轮增压器行业中的结构和零部件，开发周期短、成本低廉。

为了保证回收的能量能够被合理分配并被充分利用，本发明采用的能量管理系统，类似于新型混合动力系统中的能量管理系统。

汽车在高速公路上行驶时，可以利用的废气能量高，回收的能量就高，除了供汽车电力系统用电外，过剩的能量将被储存在蓄电池里。当发动机处于低速低负荷时或怠速时，可以利用的废气能量低，电力系统可以在电池供电模式下运行。本发明采用的能量管理系统将确保回收的废气被充分合理的利用。

虽然把涡轮发电能量回收系统放置在排气歧管后可以充分回收废气中的能量，但是此处的温度高，必须避免过多热量通过涡轮轴传递到发电机上而影响发电机的性能和寿命。

本发明采用集成的涡轮-发电机气体能量回收系统回收发动机的废气能量。其系统结构如图1所示。

以下是本发明提出的具体实施示例，供本领域的技术人员在实施本发明时参考和应用：

一、发电机的类型：

本发明所述的发电机15为开关磁阻发电机(SRG)。

本发明使用的高速发电机是开关磁阻发电机。开关磁阻发电机外形简单、成本低、易于制造、在高速下运行可靠。

由于发动机在实际运行时工况是不断变化的，排气能量也是不断变化的，因此涡轮的转速也是不断变化的，为了充分适应这种变工况的情况，本发明采用发电机是开关磁阻发电机。与感应发电机相比，开关磁阻发电机具有结构和控制系统简单、控制性能好、转子上没有绕组，不会有异步电机的笼型转子铸造不良、疲劳故障及最高转速的限制问题。它转动惯量小，系统有良好的动态响应特性，在涡轮转速较低时也可以发电。采用开关磁阻发电机的能量回收系统的功率密度是普通交流发电机的三倍。

另外，开关磁阻发电机控制灵活、方便，通过控制相绕组的接通、开断时间就能得到满意的工作特性。开关磁阻发电机系统在较宽的转速范围内具有较高的系统效率，所以特别适合于发动机的多变工况。

二、发电机的能量储存方式：

本发明所述的发电机15通过整流电路16与蓄电池17连接。

涡轮3与涡轮轴21一起高速旋转，并经过联轴器14带动开关磁阻发电机15旋转并发电，发出的电能经过整流电路16储存在蓄电池17中，供汽车照明、发动机启动点火等使用。

三、中间壳结构：

在本发明所述的涡轮壳2与发电机15之间，设有中间壳20，所述的涡轮轴21由中间壳20支承，所述的中间壳20上，设有润滑油路和冷却水套24。

在靠近涡轮端的中间壳20内布置了循环冷却水套，可以充分冷却中间壳内的润滑油，保证润滑油不会温度过高而结焦，因此本发明不仅适用于排气温度较高的柴油发动机，而且适用于排气温度更高的汽油发动机。

本发明在承载涡轮轴的中间壳20总成中采用润滑油润滑冷却并结合水冷却的方式保证涡轮端热量不会传递到发电机15上。中间壳20内充满润滑油润滑并冷却高速旋转的涡轮轴21等中间内零部件，

一般柴油发动机的排气温度在800℃左右，而汽油发动机的排气温度更高。对于常用的2.0L汽油发动机来说，在额定功率时发动机的排气温度达到950℃左右，排气压力达到150KPa左右，质量流量在0.15kg/s左右，如此高能量的气体将使得涡轮发电系统中的涡轮转速达到15万rpm左右。这对系统中的涡轮和涡轮轴提出了严格的要求，本发明对涡轮轴21进行充分润滑并利用水冷，同时在涡轮和轴承之间采用油膜润滑的方式，这样不仅解决了高速旋转的涡轮轴21磨损问题，提高了涡轮轴21的寿命，还大大提高了系统的机械效率。

四、冷却水套结构

本发明所述的冷却水套24设冷却水进口26和冷却水出口27，所述的冷却水进口26和冷却水出口27与发动机的循环水系统连通。

中间壳20内靠近涡轮端的冷却水套24用于冷却从涡轮端传来的热量，避免润滑油温度过高而结焦，来自发动机的循环水经过冷却水进口26流入冷却水套24，再从冷却水出口流出27流回到发动机的循环水系统。

五、涡轮轴21与中间壳20的轴承结构：

本发明所述的涡轮轴21与中间壳20之间，设半浮动轴承7。

为了减少涡轮轴21与中间壳20之间的磨损，在涡轮轴21和中间壳20之间安装一个耐磨损的半浮动轴承7。当涡轮轴21高速旋转时，半浮动轴承7和涡轮轴21之间充满了润滑油膜，这样既保证了润滑效果，又减少了轴与轴承间的摩擦，极大的提高了机械效率。因此本发明的机械效率高达95％以上。

六、中间壳两端的活塞环结构：

在本发明所述的中间壳20的两端，分别设有活塞环A5和活塞环B18。

为了避免中间壳20内的润滑油通过涡轮轴21周边间隙渗透出去并保证涡轮轴21在中间壳20的两端有一定的支撑作用，在中间壳20的两端分别安装了活塞环A5和活塞环B18。

七、涡轮的推力支承结构：

在本发明所述的中间壳20中设推力垫片9和推力轴承10，所述的推力轴承10固定安装在中间壳20上，所述的推力轴承10和高速旋转的涡轮轴21之间通过衬套11过渡衔接。

涡轮所受到的轴向推力经过推力垫片9传向推力轴承10，并通过推力轴承10传递到中间壳20上，固定不动的推力轴承10和高速旋转的涡轮轴21之间通过衬套11过渡衔接。

八、润滑油路的结构：

本发明所述的润滑油路设润滑油进口8和润滑油出口22。

中间壳20内的结构和零部件主要是保证高速旋转的涡轮轴21具有良好的润滑和冷却效果。从发动机主油道引入的机油经过润滑油进口8进入中间壳20内，润滑并冷却中间壳20内的半浮动轴承7、涡轮轴21、推力垫片9、推力轴承10、衬套11和推力套13等部件。

九、中间壳的支承及密封结构：

本发明所述的中间壳20内远离涡壳出口4的一端，通过背板19密封；所述的背板19的中心孔通过推力套13与涡轮轴21衔接；所述的背板19周边与所述的中间壳20之间装有橡胶密封圈12；所述的背板19通过四个螺栓连接在中间壳20内的螺栓孔25上；所述的中间壳20和涡轮壳2通过卡箍23连接在一起。

中间壳20内远离涡轮端的一端通过背板19密封。背板19中心孔通过推力套13与涡轮轴21衔接；背板19周边与中间壳之间装有橡胶密封圈12，这样可以保证背板和中间壳20之间良好的密封性能。背板19通过四个螺栓连接在中间壳20内的螺栓孔25上，中间壳20和涡轮壳2通过卡箍23连接在一起。

此外，本发明也可用于混合动力汽车中，作为混合动力汽车的一种新的动力源。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种发动机废气涡轮发电系统，包括涡轮壳(2)、涡轮(3)和涡轮轴(21)，所述的涡轮壳(2)上设有涡壳进口(1)和涡壳出口(4)，其特征在于：所述的涡轮轴(21)的伸出端部与发电机(15)的轴通过联轴器(14)同轴紧固连接；所述的涡壳进口(1)与发动机的排气歧管连接。

2、按照权利要求1所述的发动机废气涡轮发电系统，其特征在于：所述的发电机(15)为开关磁阻发电机。

3、按照权利要求1或2所述的发动机废气涡轮发电系统，其特征在于：所述的发电机(15)通过整流电路(16)与蓄电池(17)连接。

4、按照权利要求1或2所述的发动机废气涡轮发电系统，其特征在于：在所述的涡轮壳(2)与发电机之间，设有中间壳(20)，所述的涡轮轴(21)由中间壳(20)支承，所述的中间壳(20)上，设有润滑油路和冷却水套(24)。

5、按照权利要求4所述的发动机废气涡轮发电系统，其特征在于：所述的冷却水套(24)设冷却水进口(26)和冷却水出口(27)，所述的冷却水进口(26)和冷却水出口(27)与发动机的循环水系统连通。

6、按照权利要求4所述的发动机废气涡轮发电系统，其特征在于：所述的涡轮轴(21)与中间壳(20)之间，设半浮动轴承(7)。

7、按照权利要求4所述的发动机废气涡轮发电系统，其特征在于：在所述的中间壳(20)的两端，分别设有活塞环A(5)和活塞环B(18)。

8、按照权利要求4所述的发动机废气涡轮发电系统，其特征在于：在所述的中间壳(20)中设推力垫片(9)和推力轴承(10)，所述的推力轴承(10)固定安装在中间壳(20)上，所述的推力轴承(10)和高速旋转的涡轮轴(21)之间通过衬套(11)过渡衔接。

9、按照权利要求4所述的发动机废气涡轮发电系统，其特征在于：所述的润滑油路设润滑油进口(8)和润滑油出口(22)。

10、按照权利要求4所述的发动机废气涡轮发电系统，其特征在于：所述的中间壳(20)内远离涡壳出口(4)的一端，通过背板(19)密封；所述的背板(19)的中心孔通过推力套(13)与涡轮轴(21)衔接；所述的背板(19)周边与所述的中间壳(20)之间装有橡胶密封圈(12)；所述的背板(19)通过四个螺栓连接在中间壳(20)内的螺栓孔(25)上；所述的中间壳(20)和涡轮壳(2)通过卡箍(23)连接在一起。