[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于发电装置设计技术领域，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。

背景技术

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)一些专家学者和发明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)另一些专家学者和发明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。

发明内容

本发明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。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

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；

所述电机转速监控，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。

进一步地，本发明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；

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。

进一步地，本发明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。