CN115539198A - 一种电辅助增压柴油机废气能量回收系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种电辅助增压柴油机废气能量回收系统及方法，包括发动机、涡轮、压气机、动力涡轮、电动机、发电机、充电主回路、放电主回路、锂电池组，涡轮与压气机同轴，发动机的进气管和排气管分别连接压气机和涡轮，动力涡轮串联布置在涡轮下游，动力涡轮与发电机通过传动机构连接，发电机、充电主回路、锂电池组、放电主回路、电动机依次相连，电动机连接压气机。本发明电动机和发电机分开来使得调控更加方便，更加适合复杂多变的工况，可以有效地改善低工况，优化高工况，提高燃油经济性，降低油耗，通过主控制模块各个部分功能，实现整个系统工作的稳定性，具有很高的可靠性和良好的匹配特性、高瞬态响应特性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种发动机，具体地说是发动机的废气能量回收系统及回收方法。
背景技术
所谓内燃机增压就是通过提高内燃机进气压力，增加内燃机功率的措施。提高进气压力(又称增压压力)可增大进入气缸的气体密度，使进入缸内的空气量增加。因此可以燃烧更多的燃料，达到大幅度地提高功率的目的，还可以改善内燃机的燃料经济性；若使增压空气受到冷却还能减少排气中的有害成分。增压技术在内燃机上的应用是内燃机发展进程中的一次突破性的技术进步。
当前增压方式有很多种，主要有涡轮增压、机械增压、气波增压和复合增压等四类。涡轮增压目前应用最广泛，涡轮增压的原理是：涡轮增压器是一种利用内燃机运作所产生的废气通过同轴的两个叶轮组成的结构驱动的空气压缩机。与机械增压器功能相似，两者都可增加进入内燃机或锅炉的空气流量，从而提升燃烧效率。利用排出废气的热量及流量，涡轮增压器能提升内燃机的输出功率或者在同等输出功率下提升燃油经济性。其特点是涡轮增压器和内燃机之间没有机械联接，它们之间靠气路连接。内燃机排出的废气，经过涡轮膨胀做功后排往大气，涡轮带动压气机转动，保证压气机和涡轮的功率平衡很重要。目前涡轮增压方式的加速性能差些，热负荷问题比较严重，对大气温度和排气背压比较敏感，多适用于小功率柴油机和汽油机，多向高增压方向发展；当发动机低工况时流向涡轮的排气能量较少，供给燃烧室的空气的压力增加得少，即“涡轮滞后”，应该设法提高压气机转速；不管是汽油机还是柴油机器械，解决用电需求用电短缺也是重要的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供可以有效地改善低工况，优化高工况，提高燃油经济性，降低油耗，具有很高的可靠性和良好的匹配特性、高瞬态响应特性的一种电辅助增压柴油机废气能量回收系统及方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种电辅助增压柴油机废气能量回收系统，其特征是：包括发动机、涡轮、压气机、动力涡轮、电动机、发电机、充电主回路、放电主回路、锂电池组，涡轮与压气机同轴，发动机的进气管和排气管分别连接压气机和涡轮，动力涡轮串联布置在涡轮下游，动力涡轮与发电机通过传动机构连接，发电机、充电主回路、锂电池组、放电主回路、电动机依次相连，电动机连接压气机。
本发明一种电辅助增压柴油机废气能量回收系统还可以包括：
1、还包括STM32核心板、预警系统、液晶显示屏幕，STM32核心板分别连接预警系统、充电主回路、液晶显示屏幕，发电机与充电主回路之间设置整流模块和电源模块，电源模块连接液晶显示屏幕，液晶显示屏幕显示锂电池组充电电流和充电电压，预警系统监测STM32核心板温度和电流。
本发明一种电辅助增压柴油机废气能量回收方法，其特征是：当发动机处于发动阶段或者低工况时，锂电池组提供能量给放电主回路，放电电路采用PWM方式控制电动机转速，电动机驱动压气机；当发动机处于高工况时，涡轮废气通入动力涡轮，动力涡轮带动发电机转动，产生的三相交流电储存在锂电池组中；同时，过量的废气能量通过涡轮的排气阀排出，实现发动机与增压器的全范围工况匹配。
本发明的优势在于：本发明在能量回收效率方面有了很大的提高，电动机和发电机分开来使得调控更加方便，更加适合复杂多变的工况，对于发电机和电动机都有保护措施，可以有效地改善低工况，优化高工况，提高燃油经济性，降低油耗，通过主控制模块各个部分功能，实现整个系统工作的稳定性，具有很高的可靠性和良好的匹配特性、高瞬态响应特性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，本发明包括发动机1、排气管道2、中冷器3、进气管道4、涡轮5、压气机6、电动机7、动力涡轮8、发电机9、整流模块10、电源模块11、充电主回路12、锂电池组13、液晶显示14、输出检测模块15、STM32核心板16、预警系统17、放电主回路等。
涡轮5通过排气管2连接发动机1,压气机6通过中冷器3、进气管道4接到发动机1，电动机7通过传动机构接到压气机6，涡轮5出气端连接到动力涡轮8，动力涡轮8通过传动机构连接到发电机9，发出的三相交流的通过整流模块10，成为一定电压的直流电供给电源模块11，电源模块11一是向STM32核心板16和液晶显示屏14供电，二是将主要电能送入充电主回路12中，通过核心板12的PWM调控达到恒流恒压要求向锂电池组13充电，压气机6转速低时锂电池组13释放电能到放电主回路18，通过PWM调控电动机转速，提高压气机6转速，发动机包括汽油机或柴油机。
涡轮增压器的进口与大气相连，动力涡轮出口与大气相连。
图1中与增压器相连接的指示箭头都是气体流动的方向，其他带有方向的箭头为电信号/电能传递方向。
本发明一方面在增压器压气机端加入了电动机，由放电主板实现控制，替换了原来需要由鼓风机提高压气机进气量，电动机的电能由锂电池组来提供，控制下的电动机当发动机起动或者低工况时控制系统具有调速作用控制压气机工作，带动压气机旋转，加大压气机的进气量，减少进气阻力，使发动机进气更顺畅，整机效率更高，起动性能好，有利于缸内燃料充分燃烧。
在发动机1处于高工况时，动力涡轮高速转动带动发电机9发电，通过控接下来一系列的模块将电能送到锂电池组13中储存，整个过程可检测可调控；高工况下增压器转速太高，难免影响电动机7的工作状态，同时也会有更多废气能量流失，涡轮5废气能量排入动力涡轮8膨胀做功，带动发电机19发电并将电能通过整流滤波、调试成为恒流恒压的稳定电能供给锂电池组，既保护了压气机端电动机正常运行，又进一步提高了能量回收效率，此外获得的更多电能也可以供给其他部件用电，解决用电紧张问题。
本发明电动机和发电机的布置方式大大减小了增压器涡轮端高温对于电动机/发电机正常工作的影响；同时，能量储存装置采用能量密度高的锂离子电池组，大大延长了使用时限而且符合国家环保标准要求。充电主回路和放电主回路分开，尽量减少二者间电气影响，使得能量的转化输入和能量的转化输出互不影响，出现问题可以方便查找；采用STM系列的核心板，通过软件程序编写，对于电路部分的控制更加方便。通过输出信号的采集，利用ADC模数转换器，采用了液晶屏幕显示实时的锂电池组充电电流和充电电压，采用PWM(脉冲宽度调制)控制充电电流的变化，自动调控的同时也可以通过手动进行电流改动；利用预警系统对于主板温度或电流进行监测，出现情况其内蜂鸣器会鸣响。
本发明当发动机处于发动阶段或者低工况时，控制系统中的锂电池组提供能量给放电主回路，放电电路采用PWM方式控制电机转速，电动机驱动压气机，转速增加，减少进气阻力，提高进气密度，有助于缸内燃料充分燃烧，进而提高发动机效率；当发动机处于高工况时，涡轮废气通入动力涡轮，动力涡轮的高速转动带动发电机转动，产生的三相交流电，通过控制系统各个模块来实现回收废气能量，储存在锂电池组中；同时，过量的废气能量通过涡轮排气阀打开适当角度排出，可操作性强，实现柴油机与增压器的全范围工况匹配。该废气能量回收系统通过充电主回路和放电主回路实现能量回收和驱动电机控制转速，将涡轮部分剩余能量输出给发电机，锂电池组充电，避免涡轮废气能量的浪费，提高发动机效率。采用电辅助增压柴油机废气能量回收系统的设计，可以提高废气能量的回收利用，可以有效地改善发动机启动阶段响应迟缓或低工况工作条件恶化现象，优化高工况，对废气能量回收利用，提高整机效率，降低燃料消耗。
Claims (3)
1.一种电辅助增压柴油机废气能量回收系统，其特征是：包括发动机、涡轮、压气机、动力涡轮、电动机、发电机、充电主回路、放电主回路、锂电池组，涡轮与压气机同轴，发动机的进气管和排气管分别连接压气机和涡轮，动力涡轮串联布置在涡轮下游，动力涡轮与发电机通过传动机构连接，发电机、充电主回路、锂电池组、放电主回路、电动机依次相连，电动机连接压气机。
2.根据权利要求1所述的一种电辅助增压柴油机废气能量回收系统，其特征是：还包括STM32核心板、预警系统、液晶显示屏幕，STM32核心板分别连接预警系统、充电主回路、液晶显示屏幕，发电机与充电主回路之间设置整流模块和电源模块，电源模块连接液晶显示屏幕，液晶显示屏幕显示锂电池组充电电流和充电电压，预警系统监测STM32核心板温度和电流。
3.一种电辅助增压柴油机废气能量回收方法，其特征是：当发动机处于发动阶段或者低工况时，锂电池组提供能量给放电主回路，放电电路采用PWM方式控制电动机转速，电动机驱动压气机；当发动机处于高工况时，涡轮废气通入动力涡轮，动力涡轮带动发电机转动，产生的三相交流电储存在锂电池组中；同时，过量的废气能量通过涡轮的排气阀排出，实现发动机与增压器的全范围工况匹配。
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