CN108457744A - 一种装备机电耦合增压器的发动机余热回收*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种装备机电耦合增压器的发动机余热回收***，机电耦合增压器、增压器控制器、高压电池、ISG和ISG控制器串联在同一根高压总线上，通过ECU的控制，使得电能通过高压总线，在各部件之间流转，机电耦合增压器包括涡轮增压器和集成在涡轮增压器上的电机‑发电机，涡轮增压器包括涡轮机和压气机，涡轮机连接在发动机的排气管上，压气机工作时将新鲜空气压缩后经中冷器送至发动机的进气总管；ISG与发动机连接。与现有技术相比，本发明的有益效果是：整个***不需要第三方工质参与工作，由此省略了一系列管路***，***简单，并且包含能量回收以及能量反馈功能，可以提升发动机热效率，提高发动机低速扭矩和瞬态响应能力。
Description
技术领域
本发明属于内燃机领域，涉及一种装备机电耦合增压器的发动机余热回收***。
背景技术
内燃机是通过燃料在发动机内部燃烧，把燃料化学能转换成热能，然后再通过曲轴连杆机构把热能转换成机械能的动力机械。其中燃料燃烧发出的能量只有一部分转换为有效机械功对外输出，其余部分则以废气余热，冷却水余热的形式排出了发动机外。目前汽油机最高有效热效率大约在35~40%，而柴油机热效率则处于45~50%之间，对于汽油机来说大约有60~65%的能量被废气余热和冷却水余热带走，这个数据在柴油机上约为55~50%。因此，发动机的余热耗散是相当可观的，如果能回收其中一部分，则对有效热效率的提升有相当大的帮助。
目前，发动机余热回收方法主要有三种：温差发电、余热制冷，余热做功。温差发电就是利用半导体的塞贝克效应进行发电，目前效率较低，实际热点转换效率约为2.12%。余热制冷是用发动机余热作为能源驱动汽车空调工作的技术，制冷方式主要有三种：吸收式、吸附式和喷射式，发动机余热制冷***存在单位质量制冷剂产生的制冷功率小，***笨重，余热利用率低等缺陷。由于前两种方式技术难度高效果差，运用很少，主流的是余热做功。余热做功是通过吸收发动机余热能量，产生机械功的方法来回收余热能量的技术。余热做功有多种方法，包括动力涡轮、有机郎肯循环、斯特林循环等等。
典型的方案如以下专利所述：
中国专利CN200810232218.4，公开了一种适用于车用发动机余热回收的热力循环***，其热力循环***为用于回收发动机冷却水余热的低温卡琳娜循环和用于回收发动机排气余热及润滑油余热的高温有机朗肯循环的耦合，包括排气换热器，膨胀机，换热器，泵，润滑油热交换器，润滑油循环泵，冷却水热交换器，冷却水循环泵，回热器，节流阀，分离器，膨胀机，低压冷凝器和泵。本发明能够克服传统的发动机余热利用方法中余热利用率不高的缺点，从而显著的提高车用发动机的余热回收效率。
中国专利CN201110340791.9，公开了发动机余热分类回收***，其***组成为：高温换热器与低温换热器气侧的进、出口并联，发动机排气总管分为两根歧管，两根歧管分别串接第一节气门和第二节气门。发动机排气歧管作为高、低温换热器的气侧通道，高、低温换热器、气侧的进口与出口并联。由换热器、膨胀机、冷凝器以及循环泵，构成高、低温侧两个工质循环回路，所不同的是低温侧还串接了冷却水换热器和电加热器。两侧发电机的信号线均接至第一电控单元。通过高低温两个换热器分类回收发动机排气和冷却水余热，可使发动机的余热得到充分而有效地回收利用，既可以提高发动机的效率及功率，又可有效的减少有害排放，由此提高***热效率和输出功率。
中国专利CN201610008226.5，公开了往复发动机余热回收***及方法，所述***包括第一换热器、第二换热器、蒸发器、膨胀机、发电机、油分离器、冷凝器、液体泵、循环泵、预热器；所述第一换热器设有烟气进口，并通过该烟气进口连接往复发动机，第一换热器还设有烟气出口；第二换热器设有分别与往复发动机连接的缸套水进口、缸套水出口；蒸发器、膨胀机、油水分离器、冷凝器、液体泵、预热器依次连接，预热器连接蒸发器，膨胀机连接发电机；第二换热器、第一换热器、蒸发器、预热器、循环泵依次连接，形成环路，载流介质在该环路内循环。本发明提出的往复发动机余热回收***及方法，可利用往复发动机的余热发电，节能环保。
以上三种方案都采用有机郎肯循环的方式回收能量，需要用第三方工质的热力循环来吸收废热做功，由此需要一套独立封闭的管路***，包括蒸发器、冷凝器、循环泵、膨胀机等，才能工作，造成***复杂，可靠性低。并且只包含回收能量功能，不包括回收后能量如何利用的功能。
发明内容
本发明需要解决的问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种装备机电耦合增压器的发动机余热回收***。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种装备机电耦合增压器的发动机余热回收***，包括机电耦合增压器、增压器控制器、高压电池、ISG、ISG控制器和ECU，机电耦合增压器、增压器控制器、高压电池、ISG和ISG控制器串联在同一根高压总线上，增压器控制器控制机电耦合增压器，ISG控制器控制ISG，ECU通过控制线束分别与增压器控制器、高压电池和ISG控制器连接，通过ECU的控制，使得电能通过高压总线，在各部件之间流转，机电耦合增压器包括涡轮增压器和集成在涡轮增压器上的电机-发电机，涡轮增压器包括涡轮机和压气机，涡轮机连接在发动机的排气管上，压气机工作时将新鲜空气压缩后经中冷器送至发动机的进气总管；ISG与发动机连接。
高压总线上还连接有其他负载，其他负载通过控制线束与ECU连接，其他负载包括大灯照明、车载音响、启动电路、电子点火或电动助力转向。
在发动机废气能量充足时，废气推动涡轮机，电机-发电机为发电机模式，吸收废气能量发电，电能通过高压总线优先供给高压电池充电，电池充满后供给ISG，ISG把电能转换为机械能驱动发动机的曲轴。
在发动机废气能量不足时，且高压电池电量充足时，高压电池放电，电能通过高压总线传出，供给机电耦合增压器和ISG，电机-发电机转换为电机模式，驱动涡轮机旋转，提高发动机的进气量，与此同时ISG直接驱动发电机的曲轴，两者共同作用，快速提升发动机的扭矩。
在发动机废气能量不足时，且高压电池亏电时，则ISG处于发电模式，发出电能供给高压电池充电和供给机电耦合增压器使用，快速提升发动机增压压力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用机电耦合增压器作为发动机废气能量回收部件，配合其他部件：高压电池、电源总线、ISG（Integrated Starterand Generator集成式启动发电机）、控制器等，组成整个余热回收***。属于通过吸收发动机余热能量，产生机械功的方法。机电耦合增压器，是通过在传统涡轮增压器上集成了电机-发电机，在发动机废气能量充足时吸收废气能量驱动发电机发电，在发动机废气能量不足时转换为电机模式通电驱动增压器旋转来提高增压压力。整个***不需要第三方工质参与工作，由此省略了一系列管路***，***简单，并且包含能量回收以及能量反馈功能，可以提升发动机热效率，提高发动机低速扭矩和瞬态响应能力。
附图说明
图1是CN 200810232218.4 的适用于车用发动机余热回收的热力循环***的结构示意图；
图2是CN 201110340791.9 的发动机余热分类回收***的结构示意图；
图3是CN 201610008226.5 的往复发动机余热回收***的结构示意图；
图4是本发明的装备机电耦合增压器的发动机余热回收***的结构示意图。
其中，1-发动机，2-进气总管，3-排气管，4-中冷器，5-压气机，6-涡轮机，7-电机-发电机，8-增压器控制器，9-其他负载，10-高压电池，11-高压总线，12-ISG，13-ISG控制器，14-ECU，15-控制线束，18-机电耦合增压器。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
图中包括以下特征：发动机1、进气总管2、排气管3、中冷器4、压气机5、涡轮机6、电机-发电机7、增压器控制器8、其他负载9、高压电池10、高压总线11、 ISG12、 ISG控制器13、ECU14、控制线束15和机电耦合增压器18。
名词解释：ISG（Integrated Starter and Generator）集成式启动发电机，ECU(Electronic Control Unit)电子控制单元,又称“行车电脑”、“车载电脑”，电机-发电机（Motor-Generator）。
如图4所示，一种装备机电耦合增压器的发动机余热回收***，包括机电耦合增压器、增压器控制器、高压电池、ISG、ISG控制器和ECU，机电耦合增压器、增压器控制器、高压电池、ISG和ISG控制器串联在同一根高压总线上，增压器控制器控制机电耦合增压器，ISG控制器控制ISG，ECU通过控制线束分别与增压器控制器、高压电池和ISG控制器连接，通过ECU的控制，使得电能通过高压总线，在各部件之间流转，机电耦合增压器包括涡轮增压器和集成在涡轮增压器上的电机-发电机，涡轮增压器包括涡轮机和压气机，涡轮机连接在发动机的排气管上，压气机工作时将新鲜空气压缩后经中冷器送至发动机的进气总管；ISG与发动机连接。
高压总线上还连接有其他负载，其他负载通过控制线束与ECU连接，其他负载包括大灯照明、车载音响、启动电路、电子点火或电动助力转向。
在发动机废气能量充足时，废气推动涡轮机，电机-发电机为发电机模式，吸收废气能量发电，电能通过高压总线优先供给高压电池充电，电池充满后供给ISG，ISG把电能转换为机械能驱动发动机的曲轴。
在发动机废气能量不足时，且高压电池电量充足时，高压电池放电，电能通过高压总线传出，供给机电耦合增压器和ISG，电机-发电机转换为电机模式，驱动涡轮机旋转，提高发动机的进气量，与此同时ISG直接驱动发电机的曲轴，两者共同作用，快速提升发动机的扭矩。
在发动机废气能量不足时，且高压电池亏电时，则ISG处于发电模式，发出电能供给高压电池充电和供给机电耦合增压器使用，快速提升发动机增压压力。
本***可以运行于以下7种模式：
1、随动模式
机电耦合增压器18和ISG 12不起作用时，随着发动机运转的运转，高压总线11中没有电流，***处于待机状态。
2、增压器发电充电模式
当发动机处于高转速高负荷模式时，废气能量充足，涡轮机5有剩余能量驱动电机-发电机7发电，所发出的电能用于给高压电池10充电。
3、增压器发电驱动模式
当发动机处于高转速高负荷模式时，废气能量充足，涡轮机5有剩余能量驱动电机-发电机7发电，而高压电池10处于满电状态，所发出的电能用于驱动ISG 12，给发动机1补充动力。
4、ISG发电充电模式
当发动机处于低转速模式时，废气能量不足，涡轮机5没有剩余能量驱动电机-发电机7，而高压电池10处于亏电状态，则ISG 12处于发电模式，发出电能供给高压电池10充电。
5、ISG发电驱动模式
当发动机处于低转高负荷速模式，或者发动机处于低速瞬态响应状态时，急需增压压力提高，而废气能量不足且高压电池10处于亏电状态，则ISG 12处于发电模式，发出电能供给机电耦合增压器18使用，用于快速提升发动机增压压力。
6、电池驱动增压器模式
当发动机处于低转高负荷速模式，或者发动机处于低速瞬态响应状态时，继续增压压力提高，而废气能量不足，但是高压电池10电量充足，高压电池10供电。驱动机电耦合增压器18运转，用于快速提升发动机增压压力。
7、电池驱动ISG模式
当发动机处于低转高负荷速模式，或者发动机处于低速瞬态响应状态时，继续增压压力提高，而废气能量不足，但是高压电池10电量充足，高压电池10供电。驱动ISG运转，用于快速提升发动机扭矩。
以上7种模式只是简单的功能列举，实际上在特定条件下某些功能可以同时发生，比如需要急加速时，功能模式6和模式7可以同时进行，其他组合模式不一一列举。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种装备机电耦合增压器的发动机余热回收***，其特征在于：包括机电耦合增压器、增压器控制器、高压电池、ISG、ISG控制器和ECU，机电耦合增压器、增压器控制器、高压电池、ISG和ISG控制器串联在同一根高压总线上，增压器控制器控制机电耦合增压器，ISG控制器控制ISG，ECU通过控制线束分别与增压器控制器、高压电池和ISG控制器连接，通过ECU的控制，使得电能通过高压总线，在各部件之间流转，机电耦合增压器包括涡轮增压器和集成在涡轮增压器上的电机-发电机，涡轮增压器包括涡轮机和压气机，涡轮机连接在发动机的排气管上，压气机工作时将新鲜空气压缩后经中冷器送至发动机的进气总管；ISG与发动机连接。
2.根据权利要求1所述的装备机电耦合增压器的发动机余热回收***，其特征在于：高压总线上还连接有其他负载，其他负载通过控制线束与ECU连接，其他负载包括大灯照明、车载音响、启动电路、电子点火或电动助力转向。
3.根据权利要求1所述的装备机电耦合增压器的发动机余热回收***，其特征在于：在发动机废气能量充足时，废气推动涡轮机，电机-发电机为发电机模式，吸收废气能量发电，电能通过高压总线优先供给高压电池充电，电池充满后供给ISG，ISG把电能转换为机械能驱动发动机的曲轴。
4.根据权利要求1所述的装备机电耦合增压器的发动机余热回收***，其特征在于：在发动机废气能量不足时，且高压电池电量充足时，高压电池放电，电能通过高压总线传出，供给机电耦合增压器和ISG，电机-发电机转换为电机模式，驱动涡轮机旋转，提高发动机的进气量，与此同时ISG直接驱动发电机的曲轴，两者共同作用，快速提升发动机的扭矩。
5.根据权利要求1所述的装备机电耦合增压器的发动机余热回收***，其特征在于：在发动机废气能量不足时，且高压电池亏电时，则ISG处于发电模式，发出电能供给高压电池充电和供给机电耦合增压器使用，快速提升发动机增压压力。
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