一种优化排放及能效水平的内燃机车发电机组的制作方法

1.本发明涉及内燃机车领域，并且更具体地，涉及一种内燃机车发电机组，其优化了排放及能效水平。


背景技术：

2.内燃机车的发电机组在稳定转速下运行时，其效率及排放均能实现较好控制，但在转速提升时，因为惯性原因，发电机组实际转速需要一定时间才能达到控制目标转速值，而在实际转速与控制目标转速值差异较大的时间段，因实际转速与内燃机的喷油量、喷油时机不能匹配，导致该段时间内燃油不能充分燃烧，能效及排放情况均处于较差水平，此时内燃发电机组动态性能也较差。
3.目前较为成熟的方案是对内燃机最低转速和最高转速之间的区段进行细分，对应的给每个转速级匹配最适合的喷油量和喷油时机。
4.但这种方式需要对内燃机进行长时间的调教，拖慢产品研发周期，并且依然无法避开内燃机特性中低能效的转速区段。
5.因此，需要一种优化了排放及能效水平的内燃机车发电机组。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术不足，本发明的目的在于提供一种内燃机车发电机组，其设计环保，可使内燃机车在内燃机转速提升的过程中保持优秀的排放及能效水平，并优化内燃发电机组动态性能。
7.基于上述目的，采用如下技术方案：
8.根据本发明，提供一种内燃机车发电机组，包含：
9.内燃机；
10.交流电机，交流电机与内燃机主轴相连；
11.变流器，变流器包含交流侧和直流侧；变流器的交流侧与交流电机相连；变流器的直流侧与机车直流母线相连；
12.储能设备，储能设备接到机车直流母线上，以为变流器供能和/或从机车直流母线获取电能。
13.进一步地，当内燃机车发电机组处于起动过程：
14.储能设备释放电能，电能通过机车直流母线传入变流器的直流侧，形成直流电；
15.直流电经变流器逆变为交流电且控制交流电机转动；
16.内燃机被交流电机带动旋转且不喷油；
17.当内燃机达到起动转速(起动转速为内燃机装车后的最低运行转速)时，内燃机按起动转速对应喷油量开始喷油并输出能量，变流器控制交流电机使其进入发电状态，内燃发电机组进入发电状态。
18.进一步地，当内燃机车发电机组处于升速过程：
19.内燃机停止喷油；
20.储能设备释放电能，电能通过机车直流母线传入变流器的直流侧，形成直流电；
21.直流电经变流器逆变为交流电，且控制交流电机提升转速；
22.内燃机被交流电机带动旋转直至达到目标转速值后，内燃机按照目标转速值对应的喷油量进行喷油并输出能量，变流器控制交流电机使其进入发电状态，内燃发电机组进入发电状态。
23.进一步地，当内燃机车发电机组处于稳定的输出能量的过程：
24.内燃机输出的机械能经交流电机转化为电能；再通过变流器整流后供给机车直流母线；
25.储能设备可选择地从机车直流母线吸收电能。
26.进一步地，当所述内燃机车发电机组处于减速过程：
27.内燃机停止喷油；
28.变流器控制交流电机工作于发电状态(即回馈制动状态)，直至内燃机转速降至目标转速后，内燃机按照目标转速值对应的喷油量恢复喷油并输出能量，变流器控制交流电机使其进入发电状态，内燃发电机组进入发电状态。
29.进一步地，当内燃机车发电机组处于停机过程：
30.内燃机停止喷油，内燃机转速自然降至零。
31.进一步地，交流电机为同步电机。
32.进一步地，交流电机为异步电机。
33.进一步地，变流器为可四象限运行的变流器(即可控制电能从变流器的直流侧流向变流器的交流侧，也可控制电能从交流侧流向直流侧)。
34.进一步地，变流器的交流侧与交流电机通过三相电缆或铜排相连，以实现电能传递。
35.根据本发明，还提供一种内燃机车，包含如上所述的内燃机车发电机组。
36.一般地，与转速对应的喷油量在内燃机设计阶段就可以确定。为保证内燃发电机组的高效可靠运行，其喷油量是在内燃机研发设计过程中通过反复多次的仿真计算和实验确定的，因此其在确定工况下的喷油量是固定的。
37.本发明的内燃机车发电机组可提升内燃机车提升功率的响应速度，提高其柴油发电机组的能效和排放环保水平。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施案例，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他的附图。
39.图1为本发明实施例的内燃机车发电机组的示意图。
40.附图标记列表：
[0041]1‑
内燃机；2
‑
主轴；3
‑
同步电机；4
‑
三相电缆；5
‑
变流器；6
‑
储能设备；7
‑
机车直流母线。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
[0043]
如图1所示，内燃机车发电机组主要由内燃机、交流电机(在本实施例中为同步电机)、可四象限运行的变流器、直流环节储能设备组成。
[0044]
同步电机与内燃机主轴相连；变流器包含交流侧和直流侧；变流器的交流侧与同步电机相连；变流器的直流侧与机车直流母线相连；储能设备接到机车直流母线上，以为变流器供能和/或从机车直流母线获取电能。
[0045]
在另一个优选实施例，交流电机可以是异步电机。本实施例中涉及的同步电机可根据实际需求变更为异步电机，虽然异步电机从能效上通常不如同步电机，但也可实现本发明带来的效果。
[0046]
内燃机与同步电机直接通过主轴相连，即为本领域通常构造：交流电机转子轴与内燃机(柴油发电机)动力输出轴通过联轴器相连。在另一个优选实施例，可通过保证机械能专递的其他形式的连接方式实现内燃机与同步电机的连接，例如交流电机与内燃机主轴通过齿轮箱或万向轴连接。
[0047]
在另一个优选实施例中，变流器的交流侧与交流电机通过三相电缆或铜排相连，以实现电能传递。
[0048]
本发明对内燃机型式、燃料形式、储能设备型式不作要求，变流器仅满足可实现四象限运行即可。
[0049]
如图1所示，按图1构建的内燃发电机组，其调速流程(含起动、升速、降速、停机流程)如下：
[0050]
1)当内燃机车发电机组处于起动过程，如图1所示，能量从储能设备到内燃机流动：
[0051]
储能设备释放电能，电能通过机车直流母线传入变流器的直流侧，形成直流电；
[0052]
直流电经变流器逆变为交流电且控制交流电机转动，实现电能转化为机械能；
[0053]
此时内燃机不立刻喷油，仅被同步电机带动旋转；
[0054]
当达到内燃机起动转速时，内燃机按起动转速对应喷油量开始喷油并输出能量，变流器控制交流电机使其进入发电状态，内燃发电机组进入发电状态(输出能量的状态)。
[0055]
2)当内燃机车发电机组处于升速过程，如图1所示，能量从储能设备到内燃机流动：
[0056]
内燃机停止喷油；
[0057]
储能设备释放电能，电能通过机车直流母线传入变流器的直流侧，形成直流电；
[0058]
直流电经变流器逆变为交流电，且控制交流电机提升转速；
[0059]
内燃机被同步电机带动旋转直至达到目标转速值后，内燃机按照目标转速值对应的喷油量进行喷油并输出能量，变流器控制交流电机使其进入发电状态，内燃发电机组进入发电状态。
[0060]
3)当内燃机车发电机组处于稳定的输出能量的过程，如图1所示，能量从内燃机到储能设备流动：
[0061]
内燃机输出的机械能经交流电机转化为电能；再通过变流器整流后供给机车直流
母线，从而为机车的用电设备供能；
[0062]
储能设备可选择地从机车直流母线吸收电能；例如，若此时能量储存装置能量不足，则会从机车直流母线处吸收能量。
[0063]
4)当内燃机车发电机组处于减速过程，如图1所示，能量从内燃机流动到储能设备：
[0064]
内燃机停止喷油；
[0065]
变流器控制交流电机工作于发电状态(即回馈制动状态，回馈制动状态是指电机旋转方向不变，但却提供的是制动力，会将机械能转变为电能，此时可认为电机充当发电机)，直至内燃机转速降至目标转速后，内燃机按照目标转速值对应的喷油量恢复喷油并输出能量，变流器控制交流电机使其进入发电状态，内燃发电机组进入发电状态。
[0066]
内燃发电机组降速过程中，在达到目标转速之前是存在很大的惯性，利用这个惯性可以继续发电，发电同时也能快速让内燃机转速降低至目标速度。
[0067]
5)当内燃机车发电机组处于停机过程，从内燃机供能超过需求的工况到“供需平衡”的工况的变化，这个过程无需改变同步电机和变流器工况，只需内燃机停止喷油直到转速达到目标值(停机过程的目标值为0)，再进行停机后操作即可。
[0068]
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
[0069]
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
[0070]
上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0071]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。