CN104454137B - 发动机装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发动机装置，包括：发动机本体；涡轮增压器；中间传动机构，所述中间传动机构至少包括第一传动部件和第二传动部件，所述第一传动部件与所述第二传动部件联动，所述第一传动部件与所述涡轮机之间设置有第一动力开关，所述第一传动部件与所述压气机之间设置有第二动力开关；第一电动发电机；小压气机；蒸汽换热器、蒸汽涡轮机和第二电动发电机；电池模块，所述电池模块分别与所述第一电动发电机和所述第二电动发电机相连。根据本发明的发动机装置，能够使得发动机本体的废气能量得到充分利用。

Description

发动机装置

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，特别涉及一种发动机装置。

背景技术

相关技术中的发动机内燃料燃烧产生的能量只有少部分参与了推动活塞、带动曲轴旋转的运动，其余能量一部分被发动机冷却系统带走，一部分以排气的方式排放到大气中，约占总能量的40％左右。因此，内燃机的热效率很低，即使是高性能的四冲程发动机，其热效率也不到30％。而发动机本身的热效率很难有大幅的进步，所以应该尽可能利用这些排气中的能量。

目前发动机对废气能量的利用是采用涡轮增压器或依托朗肯循环的废气能量回收系统，未能对发动机排气能量进行充分的利用。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种发动机装置，以充分利用发动机产生的废气能量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种发动机装置，包括：发动机本体；涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：涡轮机和压气机，所述涡轮机能够利用来自所述发动机本体排出的废气所具有的废气能量驱动所述压气机对进入到所述压气机内的空气进行增压、所述压气机将经过增压后的所述空气输出至所述发动机本体；中间传动机构，所述中间传动机构至少包括第一传动部件和第二传动部件，所述第一传动部件与所述第二传动部件联动，所述第一传动部件与所述涡轮机之间设置有用于接合或断开所述第一传动部件与所述涡轮机的第一动力开关，所述第一传动部件与所述压气机之间设置有用于接合或断开所述第一传动部件与所述压气机的第二动力开关；第一电动发电机，所述第一电动发电机与所述第二传动部件相连；小压气机，所述小压气机与所述第一电动发电机之间设置有用于接合或断开所述第一电动发电机与所述小压气机的第三动力开关，所述小压气机设置在所述压气机的进气侧且可将压缩后的空气输出给所述压气机；蒸汽换热器、蒸汽涡轮机和第二电动发电机，所述蒸汽换热器分别与所述涡轮机和所述蒸汽涡轮机相连，所述蒸汽涡轮机与所述第二电动发电机相连；电池模块，所述电池模块分别与所述第一电动发电机和所述第二电动发电机相连。

进一步地，所述第一动力开关、所述第二动力开关和所述第三动力开关均为离合器。

进一步地，所述第一传动部件为第一齿轮，所述第二传动部件为第二齿轮，所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合传动。

进一步地，所述压气机、所述涡轮机与所述第一齿轮同轴布置，所述第二齿轮、所述第一电动发电机与所述小压气机同轴布置。

进一步地，根据本发明的发动机装置还包括：废气分流阀，所述废气分流阀分别与所述发动机本体以及所述蒸汽换热器相连。

进一步地，所述废气分流阀的开度可调。

进一步地，根据本发明的发动机装置还包括：进气分流阀，所述进气分流阀分别连接在所述小压气机的进气侧和所述压气机的进气侧。

进一步地，所述进气分流阀的开度可调。

进一步地，根据本发明的发动机装置还包括：冷却装置，所述冷却装置设置在所述蒸汽涡轮机与所述蒸汽换热器之间，所述冷却装置用于接收来自所述蒸汽涡轮机的蒸汽且对所述蒸汽进行冷却后输出给所述蒸汽换热器。

进一步地，所述第二电动发电机适于与变速器的输入端相连。

相对于现有技术，本发明所述的发动机装置具有以下优势：

本发明所述的发动机装置通过将涡轮增压系统、电动增压系统和废气再利用系统结合在一起，且将涡轮增压器、电动增压器通过齿轮连接在起来，在涡轮机和压气机之间设置一个或多个离合器，实现了对增压的多工况控制。

此外，增压系统回收的电能与废气再利用系统回收增压后的废气产生的电能储存到同一个蓄电池中，最大限度的回收了废气中的能量。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例所述的发动机装置的示意图；

图2为本发明另一个实施例所述的发动机装置的示意图；

图3为本发明再一个实施例所述的发动机装置的示意图；

图4为本发明再一个实施例所述的发动机装置的示意图；

图5为本发明再一个实施例所述的发动机装置的示意图；

图6为本发明再一个实施例所述的发动机装置的示意图。

附图标记说明：

100-发动机装置，1-发动机本体，3-中间传动机构，4-第一电动发电机，5-小压气机，6-电池模块，7-蒸汽换热器，8-蒸汽涡轮机，9-第二电动发电机，10-变速器，21-涡轮机，22-压气机，23-第一离合器，24-第二离合器，31-第一齿轮，32-第二齿轮，45-第三离合器，51-进气分流阀，87-冷却装置，211-废气分流阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图1至图6并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明实施例的发动机装置100可以包括：发动机本体1、涡轮增压器、中间传动机构3、第一电动发电机4、小压气机5、电池模块6以及蒸汽换热器7、蒸汽涡轮机8和第二电动发电机9。

其中，发动机本体1是车辆的动力源，发动机本体1多利用燃料(例如汽油、柴油、天然气等)与空气燃烧产生的热能驱动车辆行驶。

涡轮增压器是通过发动机本体1排出的废气能量推动涡轮增压器实现增压，即将空气在进入气缸之前预先压缩，以提高空气密度、增加进气量。由此，不仅可以改善燃油经济性，还可以回收部分废气能量。

在一些实施例中，涡轮增压器可以包括涡轮机21和压气机22，涡轮机21能够利用来自发动机本体1排出的废气所具有的废气能量驱动压气机22对进入到压气机22内的空气进行增压，压气机22将经过增压后的空气输出至发动机本体1。换言之，由发动机本体1排出的高温高压废气进入涡轮机21后，废气会推动涡轮机21的涡轮高速旋转，从而将至少部分废气能量转换为涡轮的动能，涡轮可驱动压气机22的叶轮旋转，从而叶轮能够对进入到压气机22壳体内的空气进行压缩，实现增压目的。

如图1至图6所示，中间传动机构3至少包括第一传动部件(例如，第一齿轮31)和第二传动部件(例如，第二齿轮32)，第一传动部件与第二传动部件联动。换言之，当第一传动件运动时，第二传动部件也随之运动。

优选地，第一传动部件可为第一齿轮31，第二传动部件可为第二齿轮32，第一齿轮31和第二齿轮32啮合传动。由此使得动力传输平稳，提高了中间传动机构3工作的可靠性。

如图1至图6所示，第一传动部件与涡轮机21之间设置有用于接合或断开第一传动部件与涡轮机21的第一动力开关(例如，第一离合器23)，第一传动部件与压气机22之间设置有用于接合或断开第一传动部件与压气机22的第二动力开关(例如，第二离合器24)。

换言之，第一动力开关可以单独控制第一传动部件与涡轮机21的接合或断开，第二动力开关可以单独控制第一传动部件与压气机22的接合或断开。第一动力开关的工作状态与第二动力开关的工作状态可以是互不影响的。

参照图1-图6所示，第一电动发电机4与第二传动部件相连，且由于第一传动部件与第二传动部件联动，因此第一传动部件的动力可以通过第二传动部件传递给第一电动发电机4，即第一电动发电机4可以利用来自第一传动部件的动力进行发电。

如图1至图6所示，小压气机5与第一电动发电机4之间设置有第三动力开关(例如，第三离合器45)，第三动力开关用于接合或断开第一电动发电机4与小压气机5。当第三动力开关接合第一电动发电机4与小压气机5时，第一电动发电机4可以作为发动机为小压气机5提供动力。

可选地，第一电动开关、第二电动开关和第三动力开关均可为离合器，但不限于此。换言之，如图1至图6所示，第一电动开关为第一离合器23，第二电动开关为第二离合器24，第三电动开关为第三离合器45。通过控制各个离合器的开闭来使得离合器两端的元件连接或断开，进而满足发动机在不同工况下对进气的要求。

如图1至图6所示，小压气机5设置在压气机22的进气侧且可将压缩后的空气输入给压气机22，可以理解的是，小压气机5和压气机22构成了二级压缩机构，例如经过小压气机5初步压缩后的空气可以输出给压气机22，由压气机22进一步压缩，从而增加进气密度，改善燃烧效率。

如图1至图6所示，蒸汽换热器7、蒸汽涡轮机8和第二电动发电机9组成一个循环，液态水在蒸汽换热器7中吸收发动机排出的废气的能量转变为水蒸气，水蒸汽在蒸汽涡轮机8中膨胀做功，推动涡轮转动，进而带动第二电动发电机9发电。由此，更加充分地利用了废气中的能量。

电池模块6分别与第一电动发电机4和第二电动发电机9相连，第一电动发电机4和/或第二电动发电机9作为发电机时，第一电动发电机4和/或第二电动发电机9产生的电量可以储存在电池模块6中。当第一电动发电机4或第二电动发电机9作为电动机时，电池模块6可以为第一电动发电机4或第二电动发电机9提供电能。

可选地，第二电动发电机9适于与变速器10的输入端相连。由此，电池模块6可以为第二电动发电机9提供电力，第二电动发电机9产生的机械能传递给变速器10，为车辆提供动力，此时发动机本体1可以处于停机状态，车辆的动力可以全部由第二电动发电机9提供。

根据本发明实施例的发动机装置100，使得发动机本体1的废气能量得到充分利用，大幅度提升了发动机本体1的热效率，提高了发动机本体1低速性能，满足了发动机在大部分工况下对进气的要求，且在变工况过程中无响应迟滞性。

在本发明的示例中，如图1至图6所示，压气机22、涡轮机21与第一齿轮31同轴布置，第一离合器23连接涡轮机21和第一齿轮31且第二离合器24连接第一齿轮31和压气机22时，压气机22、涡轮机21和第一齿轮31能够同轴转动，涡轮机21的动力可以直接通过第一齿轮31传递给压气机22，进而实现对空气的压缩，满足发动机本体1的进气需求，提高发动机本体1的热效率。

第二齿轮32、第一电动发电机4与小压气机5同轴布置。第三离合器45连接第一电动发电机4和小压气机5时，通过第一电动发电机4带动小压气机5工作可以对进气加压，为发动机提供充足的空气。

第二齿轮32也可以将动力传递给第一电动发电机4，此时第一电动发电机4作为发电机进行发电。具体地，第一离合器23连接涡轮机21和第一齿轮31，第一齿轮31和第二齿轮32啮合，废气能量传递给涡轮机21，涡轮机21上的能量通过第一齿轮31和第二齿轮32传递给第一电动发电机4，第一电动发电机4利用该能量进行发电。

在本发明的一些示例中，根据本发明的发动机装置100还可以包括废气分流阀211，废气分流阀211分别与发动机本体1以及蒸汽换热器7相连。

优选地，废气分流阀211的开度可调。换言之，废气分流阀211的开度可以从零调整到最大，即从关闭到最大开度可以连续调节。由此，可以根据不同的工况有选择地对废气分流阀211的开度进行调节，更好地利用废气能量，保护涡轮增压器。

例如，当发动机本体1处于低负荷工作时，从发动机本体1排出的废气不足以带动涡轮机21转动，这时可以调节废气分流阀211打开，将废气直接排放至蒸汽换热器7，加热水产生高温水蒸气。

或者，当发动机本体1处于高负荷工作时，发动机本体1排出的废气可能会导致涡轮增压器转动过快，为了避免涡轮增压器部产生超速的情况，保证涡轮增压器安全地工作，可以调节废气分流阀211打开，将一部分废气直接排放至蒸汽换热器7，加热水产生高温水蒸气。

在本发明的一些示例中，根据本发明的发动机装置100还可以包括进气分流阀51，进气分流阀51分别连接在小压气机5的进气侧和压气机22的进气侧。

优选地，进气分流阀51的开度可调。换言之，进气分流阀51的开度可以从零调整到最大，即，从关闭到最大开度可以连续调节。由此，可以根据不同的工况选择是否调节进气分流阀51对气体进行分流，进而调节发动机本体1的进气。

例如，当发动机本体1处于高负荷工作时，发动机本体1排出的废气带动涡轮机21高速旋转，进而带动压气机22高速转动，压气机22压缩空气可能使得空气的压力过大，这时调节进气分流阀51的开度可以减小进气压力，保护发动机本体1。

可选地，废气分流阀211和进气分流阀51可以为电磁阀。电磁阀根据涡轮机21废气的压力或空气的进气压力对废气分流阀211和进气分流阀51的开度进行调节。

在本发明的一些示例中，如图1至图6所示，根据本发明的发动机装置100还可以包括冷却装置87，冷却装置87设置在蒸汽涡轮机8与蒸汽换热器7之间，冷却装置87用于接收来自蒸汽涡轮机8的蒸汽且对蒸汽进行冷却后输出给蒸汽换热器7，使得该循环系统中的水可以循环地被使用。

下面参照图1至图6对发动机装置100的典型工况进行详细描述。

低速工况：

如图1所示，在低速工况下，发动机本体1排放的废气不足以带动涡轮机21转动，因此可以将第一离合器23和第二离合器24断开，将废气分流阀211打开，进气分流阀51关闭，废气直接通过废气分流阀211进入到蒸汽换热器7中，通过加热蒸汽换热器7中的水产生的高温水蒸气带动蒸汽涡轮机8转动，进而对第二电动发电机9发电，第二电动发电机9产生的电量储存到电池模块6中。

同时，第三离合器45闭合，第一电动发电机4带动小压气机5转动对进气进行加压，将加压后的空气提供给发动机本体1。

中等负荷工况：

如图2所示，在中等负荷工况下，发动机本体1排放的废气有一定的能量带动涡轮机21转动，将第一离合器23、第二离合器24和第三离合器45闭合，废气分流阀211和进气分流阀51关闭，第一电动发电机4带动小压气机5转动对进气进行加压，将加压后的空气提供给压气机22。涡轮机21带动压气机22转动，对来自小压气机5的进气作进一步加压，将进一步加压后的空气提供给发动机本体1。

同时，经过涡轮机21的废气可以进入到蒸汽换热器7中，加热蒸汽换热器7中的水产生的高温水蒸气带动蒸汽机涡轮8转动，进而对第二电动发电机9发电，第二电动发电机9产生的电量储存到电池模块6中。

高等负荷工况：

如图3所示，在高等负荷工况下，发动机本体1排放的废气能量充足，除带动涡轮增压器工作外，还有多余的能量可以被利用。因此，将第一离合器23和第二离合器24闭合，第三离合器45断开，废气分流阀211关闭，进气分流阀51打开，发动机本体1排放的废气的一部分能量推动涡轮机21转动，通过第一离合器23和第二离合器24带动压气机22转动，对进气进行加压。为防止进气压力过大，可以打开进气分流阀51降压。同时，发动机本体1排放的废气的另一部分能量通过第一齿轮31和第二齿轮32传递给第一电动发电机4，第一电动发电机4利用这部分能量进行发电，第一电动发电机4产生的电量储存到电池模块6中。

经过涡轮机21的废气可以进入到蒸汽换热器7中，加热蒸汽换热器7中的水产生的高温水蒸气带动蒸汽涡轮机转动，进而对第二电动发电机9发电，第二电动发电机9产生的电量储存到电池模块6中。

最高负荷工况：

如图4所示，此工况与高等负荷工况相似，但由于废气的能量过大，可能会导致涡轮增压器转速过快，损坏涡轮增压器。因此与上一工况不同之处在于需将废气分流阀211打开，将一部分废气直接排放至蒸汽换热器7，加热水产生高温水蒸气，带动涡轮蒸汽机转动，进而带动第二电动发电机9发电，产生的电量储存到电池模块6中。

经过涡轮机21的废气同样可以进入到蒸汽换热器7中，加热蒸汽换热器7中的水产生的高温水蒸气带动蒸汽涡轮8机转动，进而对第二电动发电机9发电，第二电动发电机9产生的电量储存到电池模块6中。

高负荷减速工况：

如图5所示，此工况下发动机本体1的转速还没有达到最低，涡轮增压器的转速也未达到最低，发动机本体1排出的废气还有较大的利用价值。因此，将第一离合器23闭合，第二离合器24和第三离合器45断开，废气推动涡轮机21转动，涡轮机21带动第一齿轮31和第二齿轮32转动，进而带动第一电动发电机4发电，第一电动发电机4产生的电量储存到电池模块6中。经过涡轮机21的废气以进入到蒸汽换热器7中，加热蒸汽换热器7中的水产生的高温水蒸气带动蒸汽涡轮8机转动，进而带动第二电动发电机9发电，第二电动发电机9产生的电量储存到电池模块6中。

纯电动工况：

在该工况下，电池模块6储存了较多的电量，此时，切断发动机的进油，电池模块6直接为第二电动发电机9供电，第二电动发电机9与变速器10的输入端相连，第二电动发电机9产生的机械能直接传递给变速器10，为汽车提供动力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发动机装置(100)，包括：

发动机本体(1)；

涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：涡轮机(21)和压气机(22)，所述涡轮机(21)能够利用来自所述发动机本体(1)排出的废气所具有的废气能量驱动所述压气机(22)对进入到所述压气机(22)内的空气进行增压、所述压气机(22)将经过增压后的所述空气输出至所述发动机本体(1)；

中间传动机构(3)，所述中间传动机构(3)至少包括第一传动部件和第二传动部件，所述第一传动部件与所述第二传动部件联动，所述第一传动部件与所述涡轮机(21)之间设置有用于接合或断开所述第一传动部件与所述涡轮机(21)的第一动力开关；

第一电动发电机(4)，所述第一电动发电机(4)与所述第二传动部件相连；

其特征在于，所述第一传动部件与所述压气机(22)之间设置有用于接合或断开所述第一传动部件与所述压气机(22)的第二动力开关；

所述发动机装置(100)还包括：

小压气机(5)，所述小压气机(5)与所述第一电动发电机(4)之间设置有用于接合或断开所述第一电动发电机(4)与所述小压气机(5)的第三动力开关，所述小压气机(5)设置在所述压气机(22)的进气侧且可将压缩后的空气输出给所述压气机(22)；

蒸汽换热器(7)、蒸汽涡轮机(8)和第二电动发电机(9)，所述蒸汽换热器(7)分别与所述涡轮机(21)和所述蒸汽涡轮机(8)相连，所述蒸汽涡轮机(8)与所述第二电动发电机(9)相连；

电池模块(6)，所述电池模块(6)分别与所述第一电动发电机(4)和所述第二电动发电机(9)相连。

2.根据权利要求1所述的发动机装置(100)，其特征在于，所述第一动力开关、所述第二动力开关和所述第三动力开关均为离合器。

3.根据权利要求1所述的发动机装置(100)，其特征在于，所述第一传动部件为第一齿轮，所述第二传动部件为第二齿轮，所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合传动。

4.根据权利要求3所述的发动机装置(100)，其特征在于，所述压气机(22)、所述涡轮机(21)与所述第一齿轮同轴布置，所述第二齿轮、所述第一电动发电机(4)与所述小压气机(5)同轴布置。

5.根据权利要求1所述的发动机装置(100)，其特征在于，还包括：废气分流阀，所述废气分流阀分别与所述发动机本体(1)以及所述蒸汽换热器(7)相连。

6.根据权利要求5所述的发动机装置(100)，其特征在于，所述废气分流阀的开度可调。

7.根据权利要求1所述的发动机装置(100)，其特征在于，还包括：进气分流阀，所述进气分流阀分别连接在所述小压气机(5)的进气侧和所述压气机(22)的进气侧。

8.根据权利要求7所述的发动机装置(100)，其特征在于，所述进气分流阀的开度可调。

9.根据权利要求1所述的发动机装置(100)，其特征在于，还包括：冷却装置(87)，所述冷却装置(87)设置在所述蒸汽涡轮机(8)与所述蒸汽换热器(7)之间，所述冷却装置(87)用于接收来自所述蒸汽涡轮机(8)的蒸汽且对所述蒸汽进行冷却后输出给所述蒸汽换热器(7)。

10.根据权利要求1所述的发动机装置(100)，其特征在于，所述第二电动发电机(9)适于与变速器(10)的输入端相连。