CN108286467A - 一种适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，包括：发动机；以及高压级涡轮，其进气管与发动机的排气管连通，出气管与低压级涡轮的进气管连通；高压级压气机，其出气管与发动机的进气管连通，进气管与低压级压气机的出气管连通，所述高压级涡轮与高压级压气机刚性连接；低压级涡轮，其与行星联轴器的齿圈连接，与其并联设置有第一旁通阀；低压级压气机，其与行星联轴器的太阳轮连接，与其并联设置有第二旁通阀；发电电动机，其与行星联轴器的行星架连接。本发明所述的适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，通过各旁通阀及制动系统制动，实现多种不同工况，提高发动机燃油利用率和经济性。

Description

一种适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统
技术领域
本发明涉及汽车发动机节能技术领域，更具体的是，本发明涉及一种适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统。
背景技术
混合动力汽车目的是车辆在常用工况使用时发动机工作在高效区域，降低燃油消耗率并改善排放。混合动力汽车发动机要降低油耗，除了发动机工作在高效区域之外，还必须充分利用排气能量，采用涡轮复合或涡轮发电技术；汽车使用工况变化范围大，当车辆克服高负荷比如长距离爬坡时，需要发动机持续输出高功率，此时为保证动力性，需采用高增压技术。目前，混合动力车发动机只采用传统增压技术，不能充分挖掘混合动力传动节油潜力，同时也不能兼顾车辆多工况使用需求。
发明内容
本发明的目的是设计开发了一种适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，通过各旁通阀及制动系统制动，实现多种不同工况，提高发动机燃油利用率和经济性。
本发明提供的技术方案为：
一种适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，包括：
发动机；以及
高压级涡轮，其进气管与发动机的排气管连通，出气管与低压级涡轮的进气管连通；
高压级压气机，其出气管与发动机的进气管连通，进气管与低压级压气机的出气管连通，所述高压级涡轮与高压级压气机刚性连接；
低压级涡轮，其与行星联轴器的齿圈连接，与其并联设置有第一旁通阀；
低压级压气机，其与行星联轴器的太阳轮连接，与其并联设置有第二旁通阀；
发电电动机，其与行星联轴器的行星架连接；
行星联轴器，其包括：
行星齿轮，其绕自身轴线旋转同时绕太阳齿轮公转；
太阳齿轮，其与所述行星齿轮啮合，其绕自身轴线旋转，其上设置有第一制动块；
齿圈，其与所述行星齿轮啮合，其绕太阳齿轮轴线旋转，其上设置有第二制动块；
行星架，其连接四个所述行星齿轮，其上设置有第三制动块；
其中，当第二旁通阀旁通，第一制动块锁定，第二制动块制动，第三制动块制动正转时进入涡轮发电模式；当第一、二制动块制动，第三制动块制动正转时进入涡轮增压和涡轮发电模式；当第三制动块锁定，第一、二制动块制动时，进入双级涡轮增加模式；当第一、二制动块制动，第三制动块制动反转时进入涡轮增压和电增压模式；当第一旁通阀旁通，第二制动块锁定，第一制动块制动，第三制动块制动反转时进入电增压模式。
优选的是，还包括：
第一中冷器，其设置在所述高压级压气机和所述低压级压气机之间；
第二中冷器，其设置在所述高压级压气机和所述发动机进气管之间。
优选的是，与所述发电电动机连接设置有电池。
优选的是，所述发电电动机通过一个增速齿轮与所述行星联轴器的行星架连接。
优选的是，所述第一旁通阀的一端与所述低压级涡轮的进气管连通，另一端与所述低压级涡轮的出气管连通。
优选的是，所述第二旁通阀的一端与所述低压级压气机的进气管连通，另一端与所述低压级压气机的出气管连通。
优选的是，还包括制动系统，其与所述第一旁通阀、第二旁通阀、第一制动块、第二制动块、第三制动块和发电电动机电连接，用于控制所述第一旁通阀、第二旁通阀、第一制动块、第二制动块、第三制动块和发电电动机工作。
本发明所述的有益效果为：
本发明所述的适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，通过各旁通阀及制动系统制动，实现五种不同工况；通过将低压级压气机旁通，并进行制动，由低压级涡轮通过行星联轴器单独带动发电机工作，实现涡轮发电工况，提高余热利用发动机经济性；利用行星联轴器实现涡轮机带动压气机及发电机，实现涡轮增压与涡轮发电工况；通过关闭低压级压气机旁通，由低压级涡轮通过行星联轴器带动低压级压气机工作，实现涡轮增压工况，提高发动机功率；利用行星联轴器实现电动机与涡轮机共同带动压气机，实现涡轮增压与电增压共同工作工况；通过打开低压级涡轮旁通，由电动机通过行星联轴器带动低压级压气机工作，实现电增压工况，降低排气背压，进一步提高发动机功率。
附图说明
图1为本发明所述余热利用系统结构的示意图。
图2为本发明所述行星联轴器的示意图。
图3为本发明所述余热利用系统涡轮发电工况示意图。
图4为本发明所述余热利用系统涡轮增压和涡轮发电工况示意图。
图5为本发明所述余热利用系统涡轮增压工况示意图。
图6为本发明所述余热利用系统涡轮增压和电增压工况示意图。
图7为本发明所述余热利用系统电增压工况示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。
如图1、2所示，本发明提供一种适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，包括：发动机200；以及高压级涡轮150，其进气管与发动机200的排气管210连通，出气管与低压级涡轮120的进气管连通；高压级压气机160，其出气管与发动机200的进气管220连通，进气管与低压级压气机130的出气管连通，所述高压级涡轮150与高压级压气机刚性连接160，所述高压级压气机160由高压级涡轮150直接驱动，组成传统的涡轮增压器；低压级涡轮120，其与行星联轴器110的齿圈112连接，与其并联设置有第一旁通阀121，当第一旁通阀121打开时，尾气流经第一旁通阀而低压级涡轮120不工作；低压级压气机130，其与行星联轴器110的太阳轮111连接，与其并联设置有第二旁通阀131，当第二旁通阀131打开时，空气流经第二旁通阀而低压级压气机130不工作；发电电动机140，其与行星联轴器110的行星架113连接，所述发电机\电动机140为同一部件，当其正向旋转时为发电机，反向旋转时为电动机；行星联轴器110，其包括：行星齿轮(图中未示出)，其绕自身轴线旋转同时绕太阳齿轮111公转；太阳齿轮111，其与所述行星齿轮啮合，其绕自身轴线旋转，其上设置有第一制动块1111；齿圈112，其与所述行星齿轮啮合，其绕太阳齿轮111轴线旋转，其上设置有第二制动块1121；行星架113，其连接四个所述行星齿轮，其上设置有第三制动块1131；其中，当第二旁通阀131旁通，第一制动块1111锁定，第二制动块1121制动，第三制动块1131制动正转时进入涡轮发电模式；当第一、二制动块1111、1121制动，第三制动块1131制动正转时进入涡轮增压和涡轮发电模式；当第三制动块1131锁定，第一、二制动块1111、1121制动时，进入双级涡轮增加模式；当第一、二制动块1111、1121制动，第三制动块制1131动反转时进入涡轮增压和电增压模式；当第一旁通阀121旁通，第二制动块1121锁定，第一制动块1111制动，第三制动块1131制动反转时进入电增压模式
本实施例中，还包括：第一中冷器170，其设置在所述高压级压气机160和低压级压气机120之间，用于冷却经低压级压气机120压缩后的空气，使这部分空气的温度降低，从而提高进入高压级压气机160中的空气密度；第二中冷器180，其设置在所述高压级压气机160和所述发动机200的进气管220之间，用于冷却经高压级压气机160压缩后的空气，使这部分空气的温度降低，从而提高了进入发动机200汽缸内的空气密度，使发动机200的功率明显提升。
本实施例中，所述发电电动机140通过一个增速齿轮(图中未示出)与所述行星联轴器110的行星架113连接；与所述发电电动机140连接设置有电池141，发电时向电池141充电，电动机时由电池141供电；所述第一旁通阀121的一端与所述低压级涡轮120的进气管连通，另一端与所述低压级涡轮120的出气管连通；所述第二旁通阀131的一端与所述低压级压气机130的进气管连通，另一端与所述低压级压气机130的出气管连通；当然还包括制动系统(图中未示出)，其与所述第一旁通阀121、第二旁通阀131、第一制动块1111、第二制动块1121、第三制动块1131和发电电动机140电连接，用于控制所述第一旁通阀121、第二旁通阀131、第一制动块1111、第二制动块1121、第三制动块1131和发电电动机140工作。
余热利用系统在不同工况下的工作原理为：
(1)涡轮发电工况
如图3所示，打开第二旁通阀131，将低压级压气机130旁通，第一制动块1111锁定，第二制动块1121制动，第三制动块1131制动正转，由低压级涡轮120通过行星联轴器110单独带动发电电动机140工作，实现涡轮发电工况，此时高压级增压器(即高压级涡轮150和高压级压气机160)工作，发电电动机140转入发电机工况，低压级压气机130不工作，低压级涡轮120发电，充分利用了排气能量，提高余热利用发动机200的经济性。
(2)涡轮增压和涡轮发电工况
如图4所示，第一、二制动块1111、1121制动，第三制动块1131制动正转，利用行星联轴器110实现低压级涡轮120带动低压级压气机130及发电电动机140，实现涡轮增压与涡轮发电工况，此时高压级增压器(即高压级涡轮150和高压级压气机160)工作，发电电动机140转入发电机工况，低压级压气机130由低压级涡轮120驱动，发动机进气压比增大，输出功率提高，同时低压级涡轮120带动发电机140发电。
(3)涡轮增压工况
如图5所示，第三制动块1131锁定，第一、二制动块1111、1121制动，低压级涡轮120通过行星联轴器110带动低压级压气机130工作，实现涡轮增压工况，此时高压级增压器(即高压级涡轮150和高压级压气机160)工作，发电电动机140不工作，余热利用系统形成传统的两级涡轮增压系统，大幅提高进气压比，提高发动机功率。
(4)涡轮增压和电增压工况
如图6所示，第一、二制动块1111、1121制动，第三制动块制1131动反转，利用行星联轴器110实现发电电动机140与低压级涡轮120共同带动低压级压气机130，实现涡轮增压与电增压共同工作工况，此时高压级增压器(即高压级涡轮150和高压级压气机160)工作，发电电动机140转入电动机工况，输出功至低压级压气机130，提高低压级压气机130的进气压比，进一步提高发动机200输出功率。
(5)电增压工况
如图7所示，打开第一旁通阀121，将低压级涡轮120旁通，第二制动块1121锁定，第一制动块1111制动，第三制动块1131制动反转，由发电电动机140通过行星联轴器110带动低压级压气机130工作，实现电增压工况，此时高压级增压器(即高压级涡轮150和高压级压气机160)工作，发电电动机140转入电动机工况，低压级涡轮120旁通不工作，低压级压气机130由电动机140通过行星联轴器110直接驱动，由于低压级涡轮120旁通，排气背压降低，发动机200泵气损失减小，进一步提高发动机200功率。
本发明所述的适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，通过各旁通阀及制动系统制动，实现多种不同工况，提高发动机燃油利用率和经济性；通过将低压级压气机旁通，并进行制动，由低压级涡轮通过行星联轴器单独带动发电机工作，实现涡轮发电工况，提高余热利用发动机经济性；利用行星联轴器实现涡轮机带动压气机及发电机，实现涡轮增压与涡轮发电工况；通过关闭低压级压气机旁通，由低压级涡轮通过行星联轴器带动低压级压气机工作，实现涡轮增压工况，提高发动机功率；利用行星联轴器实现电动机与涡轮机共同带动压气机，实现涡轮增压与电增压共同工作工况；通过打开低压级涡轮旁通，由电动机通过行星联轴器带动低压级压气机工作，实现电增压工况，降低排气背压，进一步提高发动机功率。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，其特征在于，包括：
发动机；以及
高压级涡轮，其进气管与发动机的排气管连通，出气管与低压级涡轮的进气管连通；
高压级压气机，其出气管与发动机的进气管连通，进气管与低压级压气机的出气管连通，所述高压级涡轮与高压级压气机刚性连接；
低压级涡轮，其与行星联轴器的齿圈连接，与其并联设置有第一旁通阀；
低压级压气机，其与行星联轴器的太阳轮连接，与其并联设置有第二旁通阀；
发电电动机，其与行星联轴器的行星架连接；
行星联轴器，其包括：
行星齿轮，其绕自身轴线旋转同时绕太阳齿轮公转；
太阳齿轮，其与所述行星齿轮啮合，其绕自身轴线旋转，其上设置有第一制动块；
齿圈，其与所述行星齿轮啮合，其绕太阳齿轮轴线旋转，其上设置有第二制动块；
行星架，其连接四个所述行星齿轮，其上设置有第三制动块；
其中，当第二旁通阀旁通，第一制动块锁定，第二制动块制动，第三制动块制动正转时进入涡轮发电模式；当第一、二制动块制动，第三制动块制动正转时进入涡轮增压和涡轮发电模式；当第三制动块锁定，第一、二制动块制动时，进入双级涡轮增加模式；当第一、二制动块制动，第三制动块制动反转时进入涡轮增压和电增压模式；当第一旁通阀旁通，第二制动块锁定，第一制动块制动，第三制动块制动反转时进入电增压模式。
2.如权利要求1所述的适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，其特征在于，还包括：
第一中冷器，其设置在所述高压级压气机和所述低压级压气机之间；
第二中冷器，其设置在所述高压级压气机和所述发动机进气管之间。
3.如权利要求1所述的适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，其特征在于，与所述发电电动机连接设置有电池。
4.如权利要求1所述的适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，其特征在于，所述发电电动机通过一个增速齿轮与所述行星联轴器的行星架连接。
5.如权利要求1所述的适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，其特征在于，所述第一旁通阀的一端与所述低压级涡轮的进气管连通，另一端与所述低压级涡轮的出气管连通。
6.如权利要求1所述的适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，其特征在于，所述第二旁通阀的一端与所述低压级压气机的进气管连通，另一端与所述低压级压气机的出气管连通。
7.如权利要求1所述的适用于混合动力车辆的发动机余热利用系统，其特征在于，还包括制动系统，其与所述第一旁通阀、第二旁通阀、第一制动块、第二制动块、第三制动块和发电电动机电连接，用于控制所述第一旁通阀、第二旁通阀、第一制动块、第二制动块、第三制动块和发电电动机工作。
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