CN103754103B - 涡轮活塞混合动力系统和车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮活塞混合动力系统和车辆。该涡轮活塞混合动力系统包括：发动机；第一涡轮增压器；燃气轮机；第一阀、第二阀和控制器，控制器控制第一阀以使第一涡轮增压器增压后的空气供给至发动机且控制第二阀以将发动机的排气供给至第一涡轮增压器；或者控制器控制第一阀以使由第二涡轮增压器增压后的空气供给至燃烧室且控制第二阀以将燃烧室的排气供给至第二涡轮增压器；或者控制器控制第一阀以使第二涡轮增压器增压后的空气分别供给燃烧室和发动机且控制第二阀以将发动机和燃烧室的排气一同供给至第二涡轮增压器。根据本发明实施例的涡轮活塞混合动力系统，具有三种不同的工作模式，实现了涡轮活塞混合动力系统正常稳定地运行。

Description

涡轮活塞混合动力系统和车辆

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其是涉及一种涡轮活塞混合动力系统和车辆。

背景技术

重型工程车辆及相关特种车辆综合运行油耗高、体积和质量功率密度小、环境适应性能差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种涡轮活塞混合动力系统，该涡轮活塞混合动力系统具有三种不同的工作模式，可以适应于不同工况。

本发明另一方面还需要提供具有上述涡轮活塞混合动力系统的车辆。

根据本发明第一方面实施例的涡轮活塞混合动力系统包括：发动机；第一涡轮增压器，所述第一涡轮增压器利用来自所述发动机的排气的能量对进入所述第一涡轮增压器的空气进行增压，并将由所述第一涡轮增压后的空气供给所述发动机；燃气轮机，所述燃气轮机包括燃烧室、第二涡轮增压器和动力涡轮，所述第二涡轮增压器利用来自所述燃烧室和所述发动机的排气的能量对进入所述第二涡轮增压器的空气进行增压，并将由所述第二涡轮增压器增压后的空气分别供给所述燃烧室和所述发动机，或者所述第二涡轮增压器利用来自所述燃烧室的排气的能量对进入所述第二涡轮增压器的空气进行增压，并将由所述第二涡轮增压器增压后的空气供给所述燃烧室，其中所述动力涡轮由流经所述第二涡轮增压器的排气驱动；第一阀、第二阀和控制器，所述控制器分别与所述第一阀和所述第二阀相连，其中所述控制器控制所述第一阀以使由所述第一涡轮增压器增压后的空气供给至所述发动机且控制所述第二阀以将所述发动机的排气供给至所述第一涡轮增压器；或者所述控制器控制所述第一阀以使所述由所述第二涡轮增压器增压后的空气供给至所述燃烧室且控制所述第二阀以将所述燃烧室的排气供给至所述第二涡轮增压器；或者所述控制器控制所述第一阀以使由所述第二涡轮增压器增压后的空气分别供给所述燃烧室和所述发动机且控制所述第二阀以将所述发动机和所述燃烧室的排气一同供给至所述第二涡轮增压器。

根据本发明实施例的涡轮活塞混合动力系统，通过将发动机和燃气轮机有机地组合在一起，从而使得涡轮活塞混合动力系统集成了发动机和燃气轮机彼此的优点，使得涡轮活塞混合动力系统具有三种不同的工作模式，从而实现了涡轮活塞混合动力系统在不同工况条件下均可以正常稳定地运行。此外，根据本发明实施例的涡轮活塞混合动力系统在不同的工作模式下排出的高温高压废气的压力能和热能都可以被充分转化为机械能用以压缩空气或对外输出机械功，提高了燃油的能量利用率。

另外，根据本发明的实施例的涡轮活塞混合动力系统，还可具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述第一涡轮增压器包括第一压气机和用于驱动所述第一压气机的第一涡轮机，所述第二涡轮增压器包括第二压气机和用于驱动所述第二压气机的第二涡轮机。

根据本发明的一个实施例，所述第一阀和所述第二阀均为电磁阀。

根据本发明的一个实施例，所述第一阀和所述第二阀中的每一个均具有第一阀口、第二阀口和第三阀口，所述第一阀的第一阀口与所述发动机相连，所述第一阀的第二阀口与第一压气机相连，所述第一阀的第三阀口分别与所述燃烧室的进口和所述第二压气机相连，所述第二阀的第一阀口与所述发动机相连，所述第二阀的第二阀口与所述第一涡轮机相连，所述第二阀的第三阀口分别与所述燃烧室的出口和所述第二涡轮机相连。

根据本发明的一个实施例，所述涡轮活塞混合动力系统还包括：中冷器，所述中冷器设在所述第一阀的第一阀口与所述发动机之间。

根据本发明的一个实施例，所述第一涡轮机的尺寸小于所述第二涡轮机的尺寸，所述第一压气机的尺寸小于所述第二压气机的尺寸。

根据本发明的一个实施例，所述燃烧室为环管燃烧室。

根据本发明的一个实施例，所述发动机为柴油机。

根据本发明第二方面实施例的车辆具有上述的涡轮活塞混合动力系统，由于上述的涡轮活塞混合动力系统具有三种不同的工作模式，可以在不同工况条件正常稳定地运行及较高的能量利用率。因此，根据本发明实施例的车辆也具有上述的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的涡轮活塞混合动力系统的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的发动机独立工作状态示意图；

图3是根据本发明一个实施例的发动机和燃气轮机同时工作状态示意图；

图4是根据本发明一个实施例的燃气轮机独立工作状态示意图；

图5是图1中G区域的局部放大图；

图6是图1中H区域的局部放大图。

附图标记：

涡轮活塞混合动力系统100；

发动机10；

第一涡轮增压器20；第一压气机21；第一涡轮机22；

燃气轮机30；燃烧室31；第二涡轮增压器32；第二压气机321；第二涡轮机322；动力涡轮33；

第一阀40；

第二阀50；

控制器60；

中冷器70。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考图1-图6，描述根据本发明第一方面实施例的涡轮活塞混合动力系统100。该涡轮活塞混合动力系统100可用于重型工程车辆以及需要机电复合驱动的特种车辆等要求在极端环境下工作的机械设备，但本发明并不限于此。如图1所示，根据本发明实施例的涡轮活塞混合动力系统100可以包括：发动机10、第一涡轮增压器20、燃气轮机30、第一阀40、第二阀50和控制器60。应当理解，涡轮活塞混合动力系统100还可以包括供油系统（图未示出），供油系统可用于向燃烧室31和发动机10的气缸内供入可燃油，例如柴油。

具体地，第一涡轮增压器20可以利用来自发动机10的排气的能量对进入第一涡轮增压器20的空气进行增压，并将由第一涡轮增压器20增压后的空气供给发动机10。

燃气轮机30可以包括：燃烧室31、第二涡轮增压器32和动力涡轮33。第二涡轮增压器32可以利用来自燃烧室31和发动机10的排气的能量对进入第二涡轮增压器32的空气进行增压，并将第二涡轮增压器32增压后的空气分别供给燃烧室31和发动机10。换言之，经过第二涡轮增压器32增压后的空气可以同时进入燃烧室31和发动机10内进行燃烧，而燃烧室31和发动机10排出的高温高压废气混合后进入第二涡轮增压器32内进行近似等熵膨胀做功。

此外，第二涡轮增压器32也可以利用来自燃烧室31的排气的能量对进入第二涡轮增压器32的空气进行增压，并将由第二涡轮增压器32增压后的空气供给燃烧室31，其中动力涡轮33由流经第二涡轮增压器32的排气驱动。其中，燃烧室31可以为环管燃烧室31，由此可以提高燃烧面积，增大输出功率，但不限于此。

由此，根据本发明实施例的涡轮活塞混合动力系统100可以包括三种不同的工作模式，分别为发动机10独立工作、燃气轮机30不工作，如图2所示；发动机10和燃气轮机30同时工作，如图3所示；燃气轮机30独立工作，发动机10不工作，如图4所示。

涡轮活塞混合动力系统100的三种不同工作模式可以通过控制器60切换第一阀40和第二阀50来实现。其中，控制器60分别与第一阀40和第二阀50连接。

根据本发明的一个实施例，发动机10可以为柴油机。柴油机在中低功率的工况下具有相对较低的燃油消耗率，但柴油机在高速大负荷工况下则具有较高的燃油消耗率，且柴油机在低温低压条件下启动性能差；而燃气轮机30具有与柴油机相反的特点，在额定工作状况下具有极高的功率密度，较低的燃油消耗率，同时，在低温低压条件下具有出色的启动性能。因此，根据本发明实施例的涡轮活塞混合动力系统100通过将柴油机和燃气轮机30有机地组合在一起，使得该涡轮活塞混合动力系统100在不同工况条件下均可以正常稳定地运行，且具有改善燃油消耗率。

下面详细描述根据本发明实施例的涡轮活塞混合动力系统100的三种不同的工作模式。当控制器60控制第一阀40以使由第一涡轮增压器20增压后的空气供给至发动机10且控制第二阀50以将发动机10的排气供给至第一涡轮增压器20时，发动机10工作，燃气轮机30不工作，气体流动方向如图2所示，此时，涡轮活塞混合动力系统100可为中低功率的工作模式。

当控制器60控制第一阀40以使由第二涡轮增压器32增压后的空气供给至燃烧室31且控制第二阀50以将燃烧室31的排气供给第二涡轮增压器32时，发动机10不工作，燃气轮机30工作，气体流动方向如图4所示，此时，涡轮活塞混合动力系统100可为冷启动或发电的工作模式。

当控制器60控制第一阀40以使由第二涡轮增压器32增压后的空气分别供给燃烧室31和发动机10且控制第二阀50以将发动机10和燃烧室31的排气一同供给至第二涡轮增压器32时，发动机10和燃气轮机30同时工作，气体流动方向如图3所示，此时，涡轮活塞混合动力系统100可进入大功率工作模式。

简言之，根据本发明实施例的涡轮活塞混合动力系统100，通过将发动机10和燃气轮机30有机地组合在一起，从而使得涡轮活塞混合动力系统100集成了发动机10和燃气轮机30彼此的优点，使得涡轮活塞混合动力系统100具有三种不同的工作模式，从而实现了涡轮活塞混合动力系统100在不同工况条件下均可以正常稳定地运行。此外，根据本发明实施例的涡轮活塞混合动力系统100在不同的工作模式下排出的高温高压废气的压力能和热能都可以被充分转化为机械能用以压缩空气或对外输出机械功，提高了燃油的能量利用率。

在本发明的一些实施例中，第一涡轮增压器20可以包括第一压气机21和用于驱动第一压气机21的第一涡轮机22，第二涡轮增压器32可以包括第二压气机321和用于驱动第二压气机321的第二涡轮机322。可以理解的是，第一涡轮机22的叶轮的外周上间隔开设有多个第一叶片，第一涡轮机22的蜗壳上设有第一进气口和第一排气口，且第一进气口与发动机10的排气歧管相连。同样地，第二涡轮机322的叶轮的外周上也间隔设有多个第二叶片，第二涡轮机322的蜗壳上设有第二进气口和第二排气口，且第二进气口可分别与发动机10的排气歧管和燃气室31的排气管连接。这样，废气可以推动多个第一叶片和多个第二叶片以带动第一涡轮机22内的涡轮或第二涡轮机内的涡轮322旋转，进而驱动与第一涡轮机22同轴相连的第一压气机21或与第二涡轮机322同轴相连的第二压气机321旋转。由此，实现对第一压气机21或第二压气机321内的空气进行增压。但是，应当理解的是，第一涡轮增压器20和第二涡轮增压器32的具体构造不限于此。

在本发明的一个具体实施例中，第一涡轮机22的尺寸可以小于第二涡轮机322的尺寸，第一压气机21的尺寸可以小于第二压气机321的尺寸。由此，更好地利用涡轮活塞混合动力系统100在不同工况下排出的废气所具有的能量，从而提高了废气能量的利用率，使每个涡轮增压器的效率提高，同时保证进气压力不至于过高，避免了由于进气压力过高造成涡轮超速，利于涡轮增压器稳定工作，不易损坏，降低了使用维护成本。

在本发明的另一些实施例中，第一阀40和第二阀50可以均为电磁阀。其中，第一阀40和第二阀50中的每一个均具有第一阀口（如图5中的A1所示）、第二阀口（如图5中的A2所示）和第三阀口（如图5中的A3所示），第一阀40的第一阀口与发动机10相连，第一阀40的第二阀口与第一压气机21相连，第一阀40的第三阀口可以分别与燃烧室31的进口和第二压气机321相连，第二阀50的第一阀口（如图6中的B1所示）与发动机10相连，第二阀50的第二阀口（如图6中的B2所示）与第一涡轮机22相连，第二阀50的第三阀口（如图6中的B3所示）分别与燃烧室31的出口和第二涡轮机322相连。由此，控制器60可以通过控制第一阀40和第二阀50的各个阀口的导通状态，实现上述三种模式的切换。

具体地，参照图2所示，第一阀40的A2和A3导通，第二阀50的B2和B3导通。参照图3所示，第一阀40的A1和A3导通，第二阀50的B1和B3导通。参照图4所示，第一阀40的A1、A2和A3互不导通，第二阀50的B1、B2和B3互不导通。

进一步地，涡轮活塞混合动力系统100还可以包括中冷器70。中冷器70设在第一阀40的第一阀口与发动机10之间。通过设置中冷器70可以用于冷却经压气机增压后的空气，从而提高进入发动机10内的空气密度，配合喷油系统额外的燃油喷射，使发动机10的升功率明显提升。

根据本发明第二方面实施例的车辆（图未示出）具有上述的涡轮活塞混合动力系统100，由于上述的涡轮活塞混合动力系统100具有三种不同的工作模式，可以在不同工况条件正常稳定地运行及较高的能量利用率。因此，根据本发明实施例的车辆也具有上述的优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种涡轮活塞混合动力系统，其特征在于，包括：

发动机；

第一涡轮增压器，所述第一涡轮增压器利用来自所述发动机的排气的能量对进入所述第一涡轮增压器的空气进行增压，并将由所述第一涡轮增压器增压后的空气供给至所述发动机；

燃气轮机，所述燃气轮机包括燃烧室、第二涡轮增压器和动力涡轮，所述第二涡轮增压器利用来自所述燃烧室和所述发动机的排气的能量对进入所述第二涡轮增压器的空气进行增压，并将由所述第二涡轮增压器增压后的空气分别供给所述燃烧室和所述发动机，或者所述第二涡轮增压器利用来自所述燃烧室的排气的能量对进入所述第二涡轮增压器的空气进行增压，并将由所述第二涡轮增压器增压后的空气供给所述燃烧室，其中所述动力涡轮由流经所述第二涡轮增压器的排气驱动；

第一阀、第二阀和控制器，所述控制器分别与所述第一阀和所述第二阀相连，其中

所述控制器控制所述第一阀以使由所述第一涡轮增压器增压后的空气供给至所述发动机且控制所述第二阀以将所述发动机的排气供给至所述第一涡轮增压器；或者

所述控制器控制所述第一阀以使所述由所述第二涡轮增压器增压后的空气供给至所述燃烧室且控制所述第二阀以将所述燃烧室的排气供给至所述第二涡轮增压器；或者

所述控制器控制所述第一阀以使由所述第二涡轮增压器增压后的空气分别供给所述燃烧室和所述发动机且控制所述第二阀以将所述发动机和所述燃烧室的排气一同供给至所述第二涡轮增压器。

2.根据权利要求1所述的涡轮活塞混合动力系统，其特征在于，所述第一涡轮增压器包括第一压气机和用于驱动所述第一压气机的第一涡轮机，所述第二涡轮增压器包括第二压气机和用于驱动所述第二压气机的第二涡轮机。

3.根据权利要求2所述的涡轮活塞混合动力系统，其特征在于，所述第一阀和所述第二阀均为电磁阀。

4.根据权利要求3所述的涡轮活塞混合动力系统，其特征在于，所述第一阀和所述第二阀中的每一个均具有第一阀口、第二阀口和第三阀口，所述第一阀的第一阀口与所述发动机相连，所述第一阀的第二阀口与第一压气机相连，所述第一阀的第三阀口分别与所述燃烧室的进口和所述第二压气机相连，所述第二阀的第一阀口与所述发动机相连，所述第二阀的第二阀口与所述第一涡轮机相连，所述第二阀的第三阀口分别与所述燃烧室的出口和所述第二涡轮机相连。

5.根据权利要求4所述的涡轮活塞混合动力系统，其特征在于，还包括：中冷器，所述中冷器设在所述第一阀的第一阀口与所述发动机之间。

6.根据权利要求3所述的涡轮活塞混合动力系统，其特征在于，所述第一涡轮机的尺寸小于所述第二涡轮机的尺寸，所述第一压气机的尺寸小于所述第二压气机的尺寸。

7.根据权利要求1所述的涡轮活塞混合动力系统，其特征在于，所述燃烧室为环管燃烧室。

8.根据权利要求1所述的涡轮活塞混合动力系统，其特征在于，所述发动机为柴油机。

9.一种车辆，其特征在于，包括根据权利要求1-8中任一项所述的涡轮活塞混合动力系统。