基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置及设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置及其设计方法，该发电装置包括第二级涡轮、第二级涡轮端调节阀、控制模块、电机转速监测模块、发电机装置、电机减振装置、超越离合器、行星减速器及浮环轴承；其中，第二级涡轮用于连接发动机第一级涡轮排气口，第二级涡轮端调节阀并联于第二级涡轮的两端；第二级涡轮的涡轴转子由浮环轴承支撑，并通过末端花键连接行星变速器，所述行星变速器通过超越离合器连接发电机。本发明专利技术发电装置能够实现解决车辆内燃发动机排气废气动能充分利用问题，且能适应于不同的海拔高度。且能适应于不同的海拔高度。且能适应于不同的海拔高度。

【技术实现步骤摘要】
基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置及设计方法


[0001]本专利技术属于发电装置设计
，特别是指一种基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置及其设计方法。

技术介绍

[0002]截止到2021年，我国机动车保有量接近4亿辆，这些内燃机发动机工作时向大气排出了大量的具有一定动能和高温的废气，由于没有加以合理利用，造成了巨大的能源浪费。现有国内外提出的发动机废气涡轮发电装置设计方案存在如下问题：(1)一些专家学者和专利技术人提出的废气涡轮发电装置设计方案中，电机转子与超高转速涡轮转子直联，造成发电装置支撑轴承高速摩擦过热无法正常工作而失效，且电机控制系统在超高转速范围内也无法正常工作；(2)另一些专家学者和专利技术人提出的废气涡轮发电装置设计方案过于复杂，造成其传动系统在超高转速范围内极易发生转子系统共振而无法正常工作。因此，急需研究开发一种机电结构简单、能充分利用内燃发动机废气动能的绿色发电技术，将对我国实现碳中和、碳达峰和节能环保目标作出贡献。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决车辆内燃发动机排气废气动能充分利用问题，提出一种基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置及其设计方法。
[0004]本专利技术方法是通过下述技术方案实现的：
[0005]一方面，一种基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置，包括第二级涡轮、第二级涡轮端调节阀、控制模块、电机转速监测模块、发电机装置、电机减振装置、超越离合器、行星减速器及浮环轴承；其中，第二级涡轮用于连接发动机第一级涡轮排气口，第二级涡轮端调节阀并联于第二级涡轮的两端；第二级涡轮的涡轴转子由浮环轴承支撑，并通过末端花键连接行星变速器，所述行星变速器通过超越离合器连接发电机，所述发电机装置由电机减振装置支撑；
[0006]所述电机转速监控，用于采集电机的转速信息；
[0007]所述控制模块，用于根据所述转速信息、海拔数据及车辆行驶工况，基于预设的第二级涡轮旁通阀执行器的控制率及第二级涡轮旁通阀放气率，对第二级涡轮旁通阀执行器及第二级涡轮旁通阀进行控制。
[0008]进一步地，本专利技术所述控制模块用于根据第二级涡轮旁通阀执行器的控制律u实现对执行器的控制；
[0009][0010][0011]其中，N
T
为第一级涡轮增压器排放的废气施加给第二级涡轮的驱动力矩；J
T
为涡轮
‑
涡轮轴的转动惯量；J
G
为行星变速器转动部件等效转动惯量；J
D
为发电机的转动惯量；i为第二级涡轮转子轴转速与发电机转子转速之间的速比(i也可表示为第二级涡轮转子轴角速度与发电机转子角速度之间的速比)，k1、k2和β为预设常数，ω
Td
第二级涡轮转子轴目标角速度，e为输出误差，C
T
为第二级涡轮转子轴浮环轴承的阻尼系数；C
G
为第二级涡轮转子轴陀螺力系数，C
mesh
为行星变速器齿轮啮合运动的阻尼系数，C
D
为电机转子旋转阻尼系数。
[0012]进一步地，本专利技术所述控制模块用于根据第二级涡轮旁通阀放气率实现对旁通阀的控制：
[0013][0014]其中，H代表海拔高度，n代表发动机转速。
[0015]另一方面，一种基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置设计方法，该方法所设计的发电装置可以适用于不同海拔高度，具体步骤包括：
[0016]在系统仿真软件上搭建发动机的热力学模型；
[0017]获取不同海拔高度发动机排气流量与车辆工况的关系，基于所述关系计算在不同车辆行驶工况下，第一级涡轮的相关参数；
[0018]基于所述第一级涡轮的相关参数，设计第二级涡轮、浮环轴承及行星变速器；
[0019]在所述控制模块中预设第二级涡轮旁通阀执行器的控制率及第二级涡轮旁通阀放气率；
[0020]搭建包括所述第二级涡轮、第二级涡轮端调节阀、所述控制模块、电机转速监测模块、发电机装置、电机减振装置、超越离合器、所述行星减速器及所述浮环轴承，完成机电耦合发电装置的设计。
[0021]进一步地，本专利技术所述第二级涡轮旁通阀执行器的控制律u设计为：
[0022][0023][0024]其中，N
T
为第一级涡轮增压器排放的废气施加给第二级涡轮的驱动力矩(即涡轮输出功率)；J
T
为第二级涡轮及涡轮转子轴的转动惯量；J
G
为行星变速器转动部件等效转动惯量；J
D
为发电机的转动惯量；i为第二级涡轮转子轴转速与发电机转子转速之间的速比，k1、k2和β为预设常数，ω
Td
涡轮转子轴目标角速度，e为输出误差，C
T
为第二级涡轮转子轴浮环轴承的阻尼系数；C
G
为第二级涡轮转子轴陀螺力系数，C
mesh
为行星变速器齿轮啮合运动的阻尼系数，C
D
为电机转子旋转阻尼系数。
[0025]进一步地，本专利技术所述第二级涡轮旁通阀放气率设计为：
[0026][0027]其中，H代表海拔高度，n代表发动机转速。
[0028]进一步地，本专利技术根据第二级涡轮传递功率及最高转速，设计涡轮转子轴和浮环轴承。
[0029]进一步地，本专利技术根据转子轴传递扭矩及最高转速，设计行星变速器装置。
[0030]有益效果
[0031]第一，本专利技术发电装置的第二级涡轮利用第一级涡轮增压器产生的废气动能，驱动其涡轮转子轴旋转；与此同时，固定在涡轮转子轴另一端的行星变速器太阳轮通过齿轮啮合带动行星变速器的系杆转动，并把动力通过超越离合器传输给发电机，实现发电功能；该发电装置适应各种海拔高度的涡轮机械
‑
电学耦合式发电机装置，结构简单紧凑、重量轻，振动噪声也较低。
[0032]第二、本专利技术发电装置的第二级涡轮利用第一级涡轮增压器产生的废气动能驱动其涡轮转子轴旋转，达到了低碳绿色环保的要求。
[0033]第三，本专利技术通过对预设的第二级涡轮旁通阀执行器的控制率及第二级涡轮旁通阀放气率进行设计，可以使发电装置稳定的运行。
[0034]第四，利用本专利技术研制的发电机装置，只需对我国不同海拔高度的机动车辆稍加改动后就可以直接使用。
附图说明
[0035]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0036]图1为本专利技术实施方式的基于车用发动机废气的涡轮动能的机械
‑
电学耦合式发电机装置构成图；
[0037]其中，1
‑
第二级涡轮；2
‑
第二级涡轮端调节阀；3
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置，其特征在于，包括第二级涡轮、第二级涡轮端调节阀、控制模块、电机转速监测模块、发电机装置、电机减振装置、超越离合器、行星减速器及浮环轴承；其中，第二级涡轮用于连接发动机上的第一级涡轮排气口，第二级涡轮端调节阀并联于第二级涡轮的两端；第二级涡轮的涡轴转子由浮环轴承支撑，并通过末端花键连接行星变速器，所述行星变速器通过超越离合器连接发电机装置，所述发电机装置由电机减振装置支撑；所述电机转速监测模块，用于采集电机的转速信息；所述控制模块，用于根据所述转速信息、海拔数据及车辆行驶工况，基于预设的第二级涡轮旁通阀执行器的控制律及第二级涡轮旁通阀放气率，对第二级涡轮旁通阀执行器及第二级涡轮旁通阀进行控制。2.根据权利要求1所述基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置，其特征在于，所述控制模块用于根据第二级涡轮旁通阀执行器的控制律u实现对执行器的控制；述控制模块用于根据第二级涡轮旁通阀执行器的控制律u实现对执行器的控制；其中，N
T
为第一级涡轮增压器排放的废气施加给第二级涡轮的驱动力矩；J
T
为涡轮
‑
涡轮轴的转动惯量；J
G
为行星变速器转动部件等效转动惯量；J
D
为发电机的转动惯量；i为第二级涡轮转子轴转速与发电机转子转速之间的速比，k1、k2和β为预设常数，ω
Td
涡轮转子轴转速，e为输出误差，C
T
为涡轮转子轴浮环轴承的阻尼系数；C
G
为涡轮转子轴陀螺力系数，C
mesh
为行星变速器齿轮啮合运动的阻尼系数，C
D
为电机转子旋转阻尼系数。3.根据权利要求1或2所述基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置，其特征在于，所述控制模块用于根据第二级涡轮旁通阀放气率实现对旁通阀的控制：其中，H代表海拔高度，n代表发动机转速。4.一种基于发动机废气涡轮动能的机电耦合发电装置设计方法，其特征在于，具体步骤包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：李惠彬，
申请(专利权)人：李惠彬，
类型：发明
国别省市：