CN108506094A - 燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机的机油泵(1)配备有机油泵涡轮(2)，燃气涡轮发动机排出的废气经由机油泵涡轮(2)驱动机油泵(1)。本发明的机油泵涡轮与机油泵全程连接，作用时间更长，还可设置精确的逻辑由ECU来控制机油压力，同时配有旁路进行泄压，其控制精确度更高。此外，还可以在驱动机油泵涡轮的同时驱动电机。此时，电机具有发电功能，可以对电瓶进行充电，因此能够更充分地利用发动机尾气中的动能。

Description

燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及一种燃气涡轮发动机。更具体地说，涉及一种利用排出的废气中的能量驱动机油泵的燃气涡轮发动机。

背景技术

众所周知，发动机排出的废气具有极大的机械能和热能，其中大部分机械能和热能未能被充分利用。为了利用上述机械能和热能，现已广泛使用涡轮增压发动机。然而，涡轮增压发动机排出的废气中仍然有很大一部分动能未被利用。

具体来说，带涡轮增压的发动机在部分工况下其涡轮处于不工作状态。当涡轮不工作时，废气排出阀处于打开位置。此时，发动机排出的废气不对涡轮做功，而是直接进入排气管。因此，大部分废气的能量未得到利用。在高负荷工况下，虽然废气对涡轮做功，但被利用的能量也只是少部分，其余废气仍然有极大的动能可供利用。

例如，中国专利申请CN201410588990.5典型地公开了一种转换燃气发动机废气动能为输出动力的装置。该装置在发动机转子旋转体排气口至后端轴承之间轴段设有一个齿轮装置和至少一个自由涡轮，齿轮装置动力输入轴和动力输出轴为中空轴并通过前轴承和后单向轴承套在发动机转轴上，自由涡轮固定在齿轮装置动力输入轴端，齿轮装置固定在发动机机匣上。当燃气发动机排出废气冲击自由涡轮转动时，通过齿轮装置和单向轴承传动驱动发动机转轴，将燃气发动机废气动能转换为发动机输出动力的其中一部分。

在上述专利申请中，改进要点主要集中在将发动机排出的废气的动能转换为发动机的输出动力。但正如先前所述，如此的改进没有充分地利用所排出的废气中的能量，会造成极大的能源浪费。因此，本领域的技术人员仍然致力于研究如何进一步利用发动机排出的废气的动能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用排出的废气中的能量驱动机油泵的燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机能够更有效地利用发动机排出的废气的动能。

本发明的第一方面涉及一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机的机油泵配备有机油泵涡轮，其中，燃气涡轮发动机排出的废气经由机油泵涡轮驱动机油泵。

在本发明的第一较佳实施例中，机油泵可以通过轴与电机相关联，电机利用齿轮组同轴地连接到机油泵涡轮。

具体来说，电机和机油泵涡轮可以位于机油泵同一侧，并且经由轴共同地对机油泵做功。

在本发明的第二较佳实施例中，机油泵一方面通过轴与电机相关联，另一方面利用齿轮组同轴地连接到机油泵涡轮。

具体来说，电机和机油泵涡轮位于机油泵的两侧，并且经由轴分别对机油泵做功。

更佳的是，机油泵涡轮可以设置在燃气涡轮发动机的排气管路中，且位于燃气涡轮发动机的涡轮下游。

本发明的第二方面在于一种利用上述权利要求所述的燃气涡轮发动机驱动机油泵的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(i)启动燃气涡轮发动机，并且使ECU通电；

(ii)判断实测机油压力值P是否小于理论计算压力值Y，如果P<Y的话，则电机做功，由电机驱动机油泵；如果P>Y的话，则电机不做功，电机转变为发电机。

较佳的是，还可以包括以下步骤：

(iii)判断实测机油压力值P是否小于燃气涡轮发动机允许的最大机油压力，如果P小于燃气涡轮发动机允许的最大机油压力的话，则电机仍然作为发电机；如果P大于燃气涡轮发动机允许的最大机油压力的话，则由ECU控制旁路管路中的泄压阀打开，以降低机油压力。

更佳的是，燃气涡轮发动机允许的最大机油压力可以为380kpa。

另外，燃气涡轮发动机的机油压力可以满足以下方程式：

Y＝0.02X+190

其中，Y为理论计算压力值；

X为发动机转速；

P为实测机油压力值。

本发明的技术方案优于现有技术之处在于以下几个方面：

1.现有技术从排气管路中分出支路以引出排气至涡轮，这会影响排气主路中涡轮的工作效果。与之相比，本发明将机油泵涡轮安装在涡轮下游，不会对涡轮的运行产生不利影响。

2.现有技术通过连断装置连接机油泵涡轮与机油泵。此时，如果只可选择连接或断开连接将无法对机油泵产生的机油压力进行控制。当涡轮转速过高时，必定会导致机油压力过大。与之相比，本发明的机油泵涡轮与机油泵全程连接，作用时间更长，还可设置精确的逻辑由ECU来控制机油压力，同时配有旁路进行泄压，其控制精确度更高。

3.本发明还可以在驱动机油泵涡轮的同时驱动电机。此时，电机具有发电功能，可以对电瓶进行充电，因此能够更充分地利用发动机尾气中的动能。

附图说明

为了进一步说明根据本发明的燃气涡轮发动机，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，其中：

图1是根据本发明的燃气涡轮发动机的结构示意图；

图2示出了根据本发明的第一实施例，其中简要地示出了燃气涡轮发动机的机油泵、机油泵涡轮和电机之间的连接关系；

图3示出了根据本发明的第二实施例，其中简要地示出了燃气涡轮发动机的机油泵、机油泵涡轮和电机之间的连接关系；

图4是本发明第一实施例的燃气涡轮发动机的涡轮转速随时间变化的示意图；

图5是根据本发明的燃气涡轮发动机的工作原理图；

图6是本发明第一实施例的燃气涡轮发动机利用机油泵涡轮驱动机油泵的流程图；以及

图7是本发明第二实施例的燃气涡轮发动机利用机油泵涡轮驱动机油泵的流程图。

附图标记

1 机油泵

1a 进油管

1b 出油管

2 机油泵涡轮

2a 涡轮转速传感器

3 电机

4 减速齿轮组

4' 电磁离合器

5 轴

6 机油压力传感器

7 泄压阀

8 旁通管路

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的燃气涡轮发动机的结构及其运行原理，其中，相同的部件由相同的附图标记进行标示。

众所周知，燃气涡轮发动机主要包括压缩机、燃烧室、涡轮、启动系统、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。

在润滑系统中，机油泵1的作用通常是将机油提高到一定压力后，强制地压送到发动机各零件的运动表面上。现有的机油泵主要由曲轴驱动，因而会消耗发动机的部分动力。

在动力系统中，涡轮是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械。在大部分公况下，涡轮只使用了废气的小部分能量，而浪费了其中的大部分能量。

(第一实施例)

图1是根据本发明的燃气涡轮发动机的结构示意图，而图2则示出了根据本发明的第一实施例，其中简要地示出了燃气涡轮发动机的机油泵1、机油泵涡轮2和电机3之间的连接关系。

在本发明的第一实施例中，主要利用电机3驱动机油泵1，并且以机油泵涡轮2的动力作为电机3的补充动力。

具体来说，在第一实施例的燃气涡轮发动机中，机油泵1通过轴5与电机3相关联，而电机3则利用减速齿轮组4和电磁离合器4'同轴地连接到机油泵涡轮2。还可以设置涡轮转速传感器2a来检测机油泵涡轮2的转速。此时，电机3和机油泵涡轮2位于机油泵1的同一侧，并且经由轴5共同地对机油泵1做功。

机油泵涡轮2设置在燃气涡轮发动机的排气管路中，且位于燃气涡轮发动机的涡轮(如果有的话)下游。这样，就不需要从排气管路中分出支路以将排气引入机油泵涡轮2，因此避免对原排气管路中涡轮的正常运行产生影响。

机油泵1的入口与进油管1a相连，而出口则与出油管1b。这样，润滑油可通过进油管1a泵入机油泵1，并通过出油管1b离开机油泵1。在进油管1a和出油管1b之间可以设置有旁通管路8，在旁通管路8上可设有泄压阀7和与泄压阀7相关联的机油压力传感器6。泄压阀7根据机油压力传感器6检测到的压力数据P来控制其打开或关闭动作。

在一个较佳示例中，电机3和电磁离合器4'由ECU控制，电机3既可以做功也可以发电。

在另一个较佳示例中，机油泵涡轮2的转速与机油泵1的转速之间的比值可以借助减速齿轮组4进行调节。例如，如果希望机油泵涡轮2的转速为50000-150000转/分，且机油泵1的转速为1000-4000转/分的话，可以将减速齿轮组4的直径比设置为50:1左右。

在本实施例中，燃气涡轮发动机利用电机3作为驱动机油泵2的主要动力，并且以机油泵涡轮2的动力作为电机3的补充动力。因此，只设置一个电机3就能够满足驱动机油泵2之需，而不必为机油泵2专门再设置一个发电机。这样，不仅提高了发动机尾气中的动能的利用率，而且可以降低制造燃气涡轮发动机的成本。

(第二实施例)

图3示出了根据本发明的第二实施例，其中简要地示出了燃气涡轮发动机的机油泵1、机油泵涡轮2和电机3之间的连接关系。

在本发明的第二实施例中，主要利用机油泵涡轮2的动力驱动机油泵1，并且以电机3的动力作为补充动力，且同时利用剩余动能驱动电机3发电。

具体来说，在第二实施例的燃气涡轮发动机中，机油泵1一方面通过轴5与电机3相关联，另一方面则利用减速齿轮组4同轴地连接到机油泵涡轮2。此时，不同于第一实施例的是，电机3和机油泵涡轮2位于机油泵1的两侧，并且经由轴5分别对机油泵1做功。

机油泵涡轮2设置在燃气涡轮发动机的排气管路中，且位于燃气涡轮发动机的涡轮(如果有的话)下游。与第一实施例相同，这样可以起到不需要从排气管路中分出支路以将排气引入机油泵涡轮2的作用，因此避免对原排气管路中涡轮的正常运行产生影响。

同样地，机油泵1的入口与进油管1a相连，而出口则与出油管1b。这样，润滑油可通过进油管1a泵入机油泵1，并通过出油管1b离开机油泵1。在进油管1a和出油管1b之间可以设置有旁通管路8，在旁通管路8上可设有泄压阀7和与泄压阀7相关联的机油压力传感器6。泄压阀7根据机油压力传感器6检测到的压力数据P来控制其打开或关闭动作。

在一个较佳示例中，电机3由ECU控制，其既可以做功也可以发电。这样，在驱动机油泵涡轮2的同时也驱动了电机3。此时，电机3可以作为发电机对电瓶充电。

在另一个较佳示例中，机油泵涡轮2的转速与机油泵1的转速之间的比值可以借助齿轮组4进行调节。例如，如果希望机油泵涡轮2的转速为50000-150000转/分，且机油泵1的转速为1000-4000转/分的话，可以将齿轮组的直径比设置为50:1左右。

下面将介绍本发明的第一和第二实施例的燃气涡轮发动机的工作原理。

首先请参见图4，该图是根据本发明第一实施例的燃气涡轮发动机的工作原理图。

可以看到，机油泵涡轮2的转速处于长期波动状态。该实施例的燃气涡轮发动机只能在转速M(即，机油泵涡轮2驱动机油泵1所需的最低转速)以上的区域B进行闭合离合，并利用机油泵涡轮2进行驱动。因此，图4中位于转速M以下的区域A无法得到利用，且电磁离合的频繁开闭会浪费较多动能并且产生热量。

然后请参见图5，该图是根据本发明第二实施例的燃气涡轮发动机的工作原理图。

如图5所示，发动机正常运转通常所需的机油压力为190～380kpa，并且随发动机转速的升高而略微升高。因此，发动机机油压力应当满足以下方程式：

Y＝0.02X+190

其中，Y为理论计算压力值；

X为发动机转速；

P为实测机油压力值。

在本发明第二实施例的燃气涡轮发动机中，由于涡轮全程驱动机油泵，因此涡轮产生的机械能被全部吸收用于驱动涡轮及电机发电。因此，与第一实施例相比，本发明第二实施例的燃气涡轮发动机所获得的优点将更为显著。

图6是本发明第一实施例的燃气涡轮发动机利用机油泵涡轮驱动机油泵的流程图，图7是本发明第二实施例的燃气涡轮发动机利用机油泵涡轮驱动机油泵的流程图。

请参见图6，在第一实施例的流程图中，首先使发动机启动，并且使ECU通电。

判断机油泵涡轮2的涡轮转速T是否小于机油泵涡轮2驱动机油泵1的最小转速M(通常为100000转/分，其根据发动机排量的变化而变化)。如果T<M的话(即，图4中的区域A)，则电机做功。此时，电磁离合器4'断开，由电机3驱动机油泵1。如果T>M的话(即，图4中的区域B)，则电机不做功。此时，电磁离合器4'闭合，由机油泵涡轮2驱动机油泵1。

然后判断实测机油压力值P是否小于380kpa(即，发动机允许的最大机油压力)。如果P<380kpa的话，则电机3仍然作为发电机并为电瓶充电。此时，由机油泵涡轮2驱动机油泵1。如果P>380kpa的话，则由ECU控制旁路管路8中的泄压阀7打开，以降低机油压力，直至实测机油压力值P重新小于380kpa为止。

类似地，请参见图7，在第二实施例的流程图中，首先使发动机启动，并且使ECU通电。

判断实测机油压力值P是否小于理论计算压力值Y。如果P<Y的话(即，图5中的区域A₁)，则电机做功。此时，由电机3驱动机油泵1。如果P>Y的话(即，图5中的区域B₁)，则电机不做功。此时，电机3转变为发电机并为电瓶充电，以储存电能。

然后判断实测机油压力值P是否小于380kpa(即，发动机允许的最大机油压力)。如果P<380kpa的话(即，图5中的区域B₁)，则电机3仍然作为发电机并为电瓶充电。此时，由机油泵涡轮2驱动机油泵1。如果P>380kpa的话(即，图5中的区域C₁)，则由ECU控制旁路管路8中的泄压阀7打开，以降低机油压力，直至实测机油压力值P重新小于380kpa为止。

虽然以上结合了若干实施例对本发明的燃气涡轮发动机的结构和工作原理进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行修改和变型，这些修改和变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机的机油泵(1)配备有机油泵涡轮(2)，所述燃气涡轮发动机排出的废气经由所述机油泵涡轮(2)驱动所述机油泵(1)。

2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述机油泵(1)通过轴(5)与电机(3)相关联，所述电机(3)利用齿轮组(4)同轴地连接到所述机油泵涡轮(2)。

3.如权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述电机(3)和所述机油泵涡轮(2)位于所述机油泵(1)同一侧，并且经由所述轴(5)共同地对所述机油泵(1)做功。

4.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述机油泵(1)一方面通过轴(5)与电机(3)相关联，另一方面利用齿轮组(4)同轴地连接到所述机油泵涡轮(2)。

5.如权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述电机(3)和所述机油泵涡轮(2)位于所述机油泵(1)的两侧，并且经由所述轴(5)分别对所述机油泵(1)做功。

6.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述机油泵涡轮(2)设置在所述燃气涡轮发动机的排气管路中，且位于所述燃气涡轮发动机的涡轮下游。

7.一种利用权利要求1所述的燃气涡轮发动机驱动机油泵(1)的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(i)启动所述燃气涡轮发动机，并且使ECU通电；

(ii)判断实测机油压力值P是否小于理论计算压力值Y，如果P<Y的话，则所述电机(3)做功，由所述电机(3)驱动所述机油泵(1)；如果P>Y的话，则所述电机(3)不做功，所述电机(3)转变为发电机。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

(iii)判断实测机油压力值P是否小于所述燃气涡轮发动机允许的最大机油压力，如果P小于所述燃气涡轮发动机允许的最大机油压力的话，则所述电机(3)仍然作为发电机；如果P大于所述燃气涡轮发动机允许的最大机油压力的话，则由所述ECU控制旁路管路(8)中的泄压阀(7)打开，以降低机油压力。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮发动机允许的最大机油压力为380kpa。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述燃气涡轮发动机的机油压力满足以下方程式：

Y＝0.02X+190

其中，Y为理论计算压力值；

X为发动机转速；

P为实测机油压力值。