CN111322150B - 涡轮复合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮复合系统，其回收由内燃机废弃的动力，本发明的实施例的涡轮复合系统包括：增压器，其包括利用由内燃机排出的废气的压力旋转的涡轮机和利用所述涡轮机的旋转动力旋转而向所述内燃机压缩供应新的外部空气的压缩机；电动机兼发电机，其利用所述增压器的压缩机的旋转动力旋转来发电或向所述增压器的压缩机补充旋转动力；动力传动轴，其连接所述增压器的压缩机和所述电动机兼发电机；以及变速器，其设置于所述动力传动轴而对所述动力传动轴的转速进行变速。

Description

涡轮复合系统
技术领域
本发明涉及一种涡轮复合系统(Turbo-compounding system)，更详细而言，涉及一种回收由内燃机废弃的动力的涡轮复合系统。
背景技术
近来，由于因令人瞩目的技术开发的成果而具有较高效率的内燃机中被弃的能量也相当大，因而对回收废气能量的研究正开展得如火如荼。当前，为回收废气能量而进行得最为活跃的研究的领域有回收废气的动能的涡轮复合系统(Turbo-compounding system)和蓝金蒸汽循环(Rankine Steam Cycle)。其中，涡轮复合系统(Turbo-compoundingsystem)因比别的废气能量回收方法更易于适用，且废气能量回收效率也相当高，因而正热火朝天地进行大量的研究开发。
涡轮复合系统(Turbo-compounding system)通常被区分为机械涡轮复合系统和电涡轮复合系统，机械涡轮复合系统采用通过涡轮机轴和齿轮将由增压器的涡轮机生成的动力传递至曲轴的方式，电涡轮复合系统采用将由增压器的涡轮机生成的动力转换为电能来利用的方式。
电涡轮复合系统(Electric Turbo-compounding system，E-TCS)是一种在现有的增压器(Turbocharger)中结合了电动机兼发电机的技术。另外，电涡轮复合系统又可以被区分为一体式和分离式。在分离式电涡轮复合系统中，现有的增压器(Turbocharger)的涡轮机(Turbine)和电动机兼发电机被单独分离，而在一体式电涡轮复合系统中，增压器(Turbocharger)和电动机兼发电机被设置为一个构成要素。
就分离式电涡轮复合系统而言，涡轮迟滞(Turbo Lag)相对严重，且需要追加额外的电动机和用于驱动电动机的逆变器等结构，以提高发动机的输出和燃料效率。因此，制造成本上升，且在维护和封装方面也相对不利。
就一体式电涡轮复合系统而言，由于增压器和电动机兼发电机形成一个结构，因而在封装方面有利。但是，在以往的一体式电涡轮复合系统中，通常，电动机兼发电机位于增压器的涡轮机与压缩机之间，因而存在由于涡轮机的温度较高而导致电动机兼发电机的耐久性不佳的问题。此外，虽然要求用于冷却受涡轮机的较高温度的影响的电动机兼发电机的另外的冷却系统，但由于较窄的空间，难以实现冷却系统。此外，由于涡轮机的转速与电动机兼发电机的转速一致，要求一种适合于涡轮机所具有的较高转速的电动机兼发电机。但是，通常的电动机兼发电机所存在的问题是，在涡轮机的转速方面不够效率。
发明内容
技术课题
本发明的实施例提供一种提高了发电效率、冷却效率以及耐久性的涡轮复合系统(Turbo-compounding system)。
技术方案
根据本发明的实施例，回收由内燃机废弃的动力的涡轮复合系统(Turbo-compounding system)包括：增压器，其包括利用由内燃机排出的废气的压力旋转的涡轮机和利用所述涡轮机的旋转动力旋转而向所述内燃机压缩供应新的外部空气的压缩机；电动机兼发电机，其利用所述增压器的压缩机的旋转动力旋转来发电或向所述增压器的压缩机补充旋转动力；动力传动轴，其连接所述增压器的压缩机和所述电动机兼发电机；以及变速器，其设置于所述动力传动轴而对所述动力传动轴的转速进行变速。
当所述增压器的转速低于已设定的目标转速时，所述电动机兼发电机可以以电动模式进行动作而向所述增压器的压缩机补充旋转动力；当所述增压器的转速为所述目标转速以上时，所述电动机兼发电机可以以发电模式进行动作而从所述增压器的压缩机接收旋转动力来发电。
所述变速器可以在所述电动机兼发电机以所述发电模式进行动作时将所述电动机兼发电机的转速维持为所述目标转速。
此外，所述变速器可以在所述电动机兼发电机发电时使所述电动机兼发电机以低于所述压缩机的转速旋转。
所述电动机兼发电机可以与所述增压器的所述压缩机相对靠近，且与所述涡轮机相对较远地隔开。
此外，所述涡轮复合系统还可以包括：功率转换控制装置，其转换及控制由所述电动机兼发电机产生的功率；以及能量储存装置，其储存由所述功率转换控制装置转换的功率。
储存在所述能量储存装置的功率可以被供应至冷却风扇、冷却水泵、空调以及空气压缩机中的一个以上。
发明的效果
根据本发明的实施例，涡轮复合系统(Turbo-compounding system)能够提高发电效率、冷却效率以及耐久性。
附图说明
图1是本发明的一实施例的涡轮复合系统的结构图。
图2是示出图1的涡轮复合系统的动作过程的顺序图。
图3是示出使用于图1的涡轮复合系统的电动机兼发电机的转速所对应的效率的映射图。
符号说明
100：内燃机，101：涡轮复合系统，200：增压器，210：涡轮机，230：压缩机，300：电动机兼发电机，400：动力传动轴，500：变速器，700：功率转换控制装置，800：能量储存装置，910：冷却风扇，920：冷却水泵，930：空调，940：空气压缩机。
具体实施方式
下面参考附图对本发明的实施例进行详细说明，以便本发明所属技术领域中的一般的技术人员容易实施。本发明可以被实现为多种不同的方式，并不限于此处所说明的实施例。
需要指出的是，附图是示意性的，并未按比例图示。为了图中的清楚性和方便性，图中所示部分的相对尺寸及比例在其大小上被夸张或缩小而图示，任意的尺寸均只是示例性的，而不是限定性的。另外，对于出现在两个以上图中的相同的结构物、要素或部件，使用相同的参照符号，以体现相似的特征。
本发明的实施例具体地示出本发明的理想的实施例。其结果，预想得到图解的多样的变形。因此，实施例不局限于所图示区域的特定方式，例如，也包括制造所致的方式的变形。
下面参照图1至图3对本发明的一实施例的涡轮复合系统101(Turbo-compoundingsystem)进行说明。
本发明的一实施例的涡轮复合系统101用于回收由内燃机100废弃的动力，其在汽油发动机和柴油发动机中均可适用。具体地，例如，涡轮复合系统101不但可以利用于挖掘机、轮式装载机、叉车、钻孔机等各种工程机械，而且还可以利用于公共汽车、卡车、船舶以及发电机等。
如图1所图示，本发明的一实施例的涡轮复合系统101(Turbo-compoundingsystem)包括增压器200、电动机兼发电机300、动力传动轴400以及变速器500。
此外，本发明的一实施例的涡轮复合系统101还可以包括功率转换控制装置700和能量储存装置800。
增压器200包括涡轮机210和压缩机230。涡轮机210利用由内燃机100排出的废气的压力旋转。压缩机230从涡轮机210接收旋转动力旋转而向内燃机100压缩供应新的外部空气。此时，涡轮机210与压缩机230可以同轴连接。即，涡轮机210和压缩机230以相同的转速旋转。
电动机兼发电机300可以利用增压器200的压缩机230的旋转动力旋转来生成电能，或反过来向增压器200的压缩机230补充旋转动力。具体地，当增压器200的转速低于已设定的目标转速时，电动机兼发电机300以电动(motoring)模式进行动作而向增压器200的压缩机230补充旋转动力。即，电动机兼发电机300使压缩机230的转速增加。相反，当增压器200的转速为已设定的目标转速以上时，电动机兼发电机300以发电(generating)模式动作而从增压器200的压缩机230接收旋转动力来发电。这里，目标转速被设定为使电动机兼发电机300具有最优的能量转换效率及发电效率的转速。至于设定目标转速的具体的方法，将在后面进行描述。
动力传动轴400连接增压器200的压缩机230和电动机兼发电机300。即，通过动力传动轴400，可以向电动机兼发电机300传递压缩机230的旋转动力，或反过来向压缩机230传递电动机兼发电机300的旋转动力。从而，电动机兼发电机300可以从增压器200回收废气能量来产生功率，或向增压器200补充旋转动力来提高增压器200的性能。
如此，在本发明的一实施例中，不在增压器200的涡轮机210与压缩机230之间配置电动机兼发电机300。即，电动机兼发电机300虽然通过动力传动轴400与压缩机230连接，但距离上与涡轮机210隔开。电动机兼发电机300与压缩机230和涡轮机210中的压缩机230相对靠近，而与涡轮机210相对较远地隔开。从而，根据本发明的一实施例，电动机兼发电机300可以少受些涡轮机210的较高温度的影响。此外，由于电动机兼发电机300脱离增压器200的涡轮机210与压缩机230之间的狭小的空间而设置，因而也可以相对有余裕地确保用于实现用于冷却电动机兼发电机300的冷却系统的空间。
从而，本发明的一实施例的涡轮复合系统101可以大大提高冷却效率和耐久性。
变速器500设置于动力传动轴400而对动力传动轴400的转速进行变速。具体地，变速器500可以在电动机兼发电机300发电时使电动机兼发电机300以低于压缩机230的转速旋转。即，变速器500可以在电动机兼发电机300发电时对压缩机230向电动机兼发电机300传递的旋转动力的转速进行减速。
此外，变速器500可以在电动机兼发电机300以发电模式进行动作时将电动机兼发电机300的转速减少为使电动机兼发电机300具有最大发电效率或最大能量转换效率的转速，即目标转速。
另一方面，若变速器500不对向电动机兼发电机300传递的转速进行减速，从结果而言，电动机兼发电机300将以与增压器200的涡轮机210相同的转速旋转。然而，使电动机兼发电机300以最优的效率进行动作的转速与增压器200的涡轮机210的转速不同。例如，增压器200的涡轮机210通常具有120,000rpm以上的转速。这样的涡轮机210的转速比使电动机兼发电机300具有最大发电效率或最大能量转换效率的转速甚高。然而，在本发明的一实施例中，可以使用变速器500将压缩机230向电动机兼发电机300传递的旋转动力的转速减速为使电动机兼发电机300具有最大发电效率或最大能量转换效率的转速。
从而，本发明的一实施例的涡轮复合系统101可以使发电效率最大化。
功率转换控制装置700转换及控制由电动机兼发电机300产生的功率。具体地，功率转换控制装置700将由电动机兼发电机300生成的功率转换为已设定的电压和电流。此时，可以根据由电动机兼发电机300产生的功率的使用用途来决定已设定的电压和电流。此外，功率转换装置700可以使电动机兼发电机300被驱动为电动机模式来向压缩机230提供动力。功率转换装置700具备多个功率控制元件，通过该功率控制元件的切换控制，可以使电动机兼发电机300被启动为发电模式或电动机模式。
能量储存装置800储存由功率转换控制装置700转换的功率。例如，能量储存装置800可以是充电电池。储存在能量储存装置800的功率可以被供应至使用于适用涡轮复合系统101的挖掘机、轮式装载机、叉车、钻孔机等各种工程机械或公共汽车、卡车、船舶以及发电机等的冷却风扇910、冷却水泵920、空调930以及空气压缩机940中的一个以上。
控制装置600根据增压器200的当前转速来使电动机兼发电机300作为电动机进行动作或作为发电机进行动作。此外，控制装置600可以通过电动机兼发电机300的当前转速与已设定的目标转速的比较来控制变速器500。这样的电动机兼发电机300的电动机模式及发电模式的驱动的驱动转换可以通过由控制装置600切换控制功率转换装置700的功率控制元件来进行。这样的控制装置600可以与功率转换装置700一体地构成。在这种情况下，为了进行电动机兼发电机300的控制而输入至控制装置600的各种信号可以被输入至一体地构成的功率转换装置700。此外，为了进行功率转换装置700的控制，控制装置600可以接收所反馈的功率转换装置700内的功率控制元件的切换结果，且可以接收所输入的对功率转换装置700内的电压/电流的传感信号。
另一方面，控制装置600可以从内置于增压器200及电动机兼发电机300的速度传感器接收增压器200的转速或电动机兼发电机300的转速信息，或通过另行安装的旋转传感器来接收增压器200的转速或电动机兼发电机300的转速信息。
通过这样的结构，本发明的一实施例的涡轮复合系统101能够提高发电效率、冷却效率以及耐久性。
下面参照图2和图3示例性地对本发明的一实施例的涡轮复合系统101的动作过程进行说明。
如图2所图示，首先，本发明的一实施例的涡轮复合系统101测量增压器200的转速。
经测量增压器200的转速，当增压器200的转速低于电动机兼发电机300的已设定的目标转速时，电动机兼发电机300以电动(motoring)模式进行动作。由于增压器200起提高内燃机100的性能的作用，因而增压器200的转速低于目标转速意味着增压器200当前无法对提高内燃机100的性能做出较大的贡献。此时，使电动机兼发电机300以电动模式进行动作来向增压器200的压缩机230补充旋转动力，从而提高压缩机230的转速。另外，若压缩机230的转速增加，则内燃机100的性能得到提高。
经测量增压器200的转速，当增压器200的转速为电动机兼发电机300的目标转速以上时，电动机兼发电机300以发电(generating)模式进行动作。增压器200的转速高于电动机兼发电机300的目标转速意味着在内燃机100中产生了被废弃的能量。此时，电动机兼发电机300以发电模式进行动作而回收废气能量。
然后，当电动机兼发电机300进行动作时，测量电动机兼发电机300的转速，并比较电动机兼发电机300的当前转速是否为可以达到最大发电效率或最大能量转换效率的目标转速。经比较，当电动机兼发电机300的当前转速不是目标转速时，控制变速器500将电动机兼发电机300的转速改变为目标转速。
此外，在本发明的一实施例中，可以持续测量变速后的电动机兼发电机300的转速，并对变速器500进行反馈控制，以使电动机兼发电机300的当前转速追随目标转速。
另一方面，电动机兼发电机300的目标转速可以根据电动机兼发电机300的规格、性能及动作条件来预先设定为具有最优的能量转换效率及发电效率的转速。例如，可以利用如图3所图示的映射图来设定电动机兼发电机300的目标转速。具体地，图3是示出电动机兼发电机300的不同转速所对应的发电功率和能量转换效率的图表。这样的映射图可以通过试验性地使电动机兼发电机300进行动作来准备。
此外，使电动机兼发电机300具有最大发电效率或最大能量转换效率的目标转速可以随着电动机兼发电机300的动作条件变更而变化。从而，当电动机兼发电机300的动作条件变更时，可以利用前述映射图来实时变更目标转速，并对变速器500进行反馈控制，以追随变更后的目标转速。
通过如前所述的动作过程，本发明的一实施例的涡轮复合系统101可以使电动机兼发电机300以具有最大发电效率或最大能量转换效率的转速进行动作。
尽管上面参照附图对本发明的实施例进行了说明，但本发明所属技术领域中的一般的技术人员可以理解在不改变本发明的技术思想或必备特征的前提下，可以以其他具体方式实施本发明。
因此，以上所描述的实施例在所有方面均应理解为是示例性的，而不是限定性的，本发明的范围由后面的权利要求书体现，从权利要求书的意义、范围及其等价概念中导出的所有变更或变型的方式应解释为落入本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种涡轮复合系统，其回收由内燃机废弃的动力，所述涡轮复合系统的特征在于，包括：
增压器，其包括利用由内燃机排出的废气的压力旋转的涡轮机和利用所述涡轮机的旋转动力旋转而向所述内燃机压缩供应新的外部空气的压缩机；
电动机兼发电机，其利用所述增压器的压缩机的旋转动力旋转来发电或向所述增压器的压缩机补充旋转动力；
动力传动轴，其连接所述增压器的压缩机和所述电动机兼发电机；以及
变速器，其设置于所述动力传动轴而对所述动力传动轴的转速进行变速，
当所述增压器的转速低于已设定的目标转速时，所述电动机兼发电机以电动模式进行动作而向所述增压器的压缩机补充旋转动力；
当所述增压器的转速为所述目标转速以上时，所述电动机兼发电机以发电模式进行动作而从所述增压器的压缩机接收旋转动力来发电，
所述目标转速通过表示所述电动机兼发电机的不同转速所对应的发电功率和能量转换效率的映射图来设定，
所述电动机兼发电机的动作条件变更时，通过所述映射图来实时变更所述目标转速，并对变速器进行反馈控制，以追随变更后的所述目标转速。
2.根据权利要求1所述的涡轮复合系统，其特征在于，
所述变速器在所述电动机兼发电机以所述发电模式进行动作时将所述电动机兼发电机的转速维持为所述目标转速。
3.根据权利要求1所述的涡轮复合系统，其特征在于，
所述变速器在所述电动机兼发电机发电时使所述电动机兼发电机以低于所述压缩机的转速旋转。
4.根据权利要求1所述的涡轮复合系统，其特征在于，
所述电动机兼发电机与所述增压器的所述压缩机相对靠近，且与所述涡轮机相对较远地隔开。
5.根据权利要求1所述的涡轮复合系统，其特征在于，还包括：
功率转换控制装置，其转换及控制由所述电动机兼发电机产生的功率；以及
能量储存装置，其储存由所述功率转换控制装置转换的功率。
6.根据权利要求5所述的涡轮复合系统，其特征在于，
储存在所述能量储存装置的功率被供应至冷却风扇、冷却水泵、空调以及空气压缩机中的一个以上。
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