本实用新型涉及内燃机领域，尤其是涡轮增压发动机领域，涉及一种基于储能飞轮的涡轮增压器系统以及内燃发动机。
背景技术：
目前车辆普遍都采用内燃机作为动力，内燃机基本工作原理是吸入空气，然后空气在气缸中与燃料发生反应，推动活塞做功，从而驱动曲轴输出功率。因此进入内燃发动机气缸助燃的空气流量是限制发动机性能的重要因素，大气压力往往不足以提供所需的空气量来保证发动机的正常工作。因此内燃机中经常采用一个或多个涡轮增压器来压缩空气，提高吸入气缸的空气密度，从而保证内燃机的输出功率。涡轮增压器可以补偿内燃发动机由于高海拔造成的功率不足，也可以增大内燃发动机的有效功率，提高其功重比和性价比。
涡轮增压器通常由发动机废气驱动的涡轮和由涡轮驱动的压气机组成。涡轮和压气机采用同轴设计。气缸排出的废气经管路进入涡轮入口，膨胀做功后驱动涡轮高速旋转，进而驱动同轴的压气机高速旋转，从而压缩吸入空气。经过压缩后，空气经由进气管路输入到内燃机燃烧室中。传统的涡轮增压器存在几个问题，首先，涡轮增压器实现有效增压一般需要比较长的时间，进而才能增加内燃发动机功率。因此，当内燃发动机需要较大的瞬时加速功率时，涡轮增压器却很难提供足够大的瞬时加速响应。如果采用单纯的蓄电池作为蓄能装置驱动涡轮增压器，会存在包括低温启动性能不佳、维护复杂、体积和重量较大、使用寿命较短等问题。同时功率变换器本身也有较大的功率损耗，电气线路也容易腐蚀，造成系统可靠性降低。
另一方面，车辆随着路况波动，车辆发动机的运行状态时刻变化，车辆在停车或者减速时，有大量的动能被转换为刹车盘的热量浪费掉，这部分能量没有得到合理的回收，同时车辆从停止状态到启动，发动机需要一定的时间到达额定工况，因此启动时内燃机效率较低，同时匹配的增压器也需要较长的时间来达到增压的效果，因此对于涡轮增压的内燃机，在当今交通拥堵、交通信号灯日渐增多的现状下，需要不断地频繁启停，发动机启动性能大幅下降，会消耗大量的燃料。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
为了回收车辆降速过程中的动能，同时提升车辆启停时，涡轮增压器的响应速度，本实用新型提出了一种基于储能飞轮的涡轮增压器系统以及内燃发动机。
(二)技术方案
本实用新型提供了一种基于储能飞轮的涡轮增压器系统，包括：涡轮增压器、第一级电机、第二级电机和储能飞轮；其中，第一级电机安装在涡轮增压器内部，第二级电机安装在储能飞轮上并与第一级电机电气连接；涡轮增压器的部分能量通过第一级电机和第二级电机储存至储能飞轮，实现能量回收；储能飞轮回收的能量通过第一级电机和第二级电机输出至涡轮增压器，实现能量释放，提升涡轮增压器的响应速度。
优选地，涡轮增压器包括：同轴设置的涡轮、压气机以及连接涡轮和压气机的涡轮轴，第一级电机安装在涡轮轴中部；第一级电机作为发电机运行，第二级电机作为电动机运行，以实现能量回收。
优选地，第二级电机作为发电机运行，第一级电机作为电动机运行，以实现能量释放。
优选地，当涡轮增压器处于有效增压状态时，涡轮轴驱动第一级电机旋转，第一级电机输出电能驱动第二级电机，第二级电机驱动储能飞轮旋转，实现能量回收。
优选地，当涡轮增压器处于非有效增压状态时，储能飞轮驱动第二级电机旋转，第二级电机输出电能驱动第一级电机，第一级电机驱动涡轮轴旋转，实现能量释放。
优选地，内燃发动机包括发动机本体；涡轮增压器系统还包括：传感器组和控制器，传感器组安装于发动机本体，控制器与传感器组、第一级电机和第二级电机电气连接；传感器组检测内燃发动机的参数，控制器根据内燃发动机的参数控制第一级电机和第一级电机，防止压气机发生喘振和超转。
优选地，还包括：电动/发电机、蓄电池，电动/发电机连接内燃发动机的输出轴，蓄电池分别电气连接电动/发电机和第二级电机；当车辆减速或下坡时，内燃发动机的输出轴带动电动/发电机旋转，将车辆的减速动能转化为电能，并回收存储到蓄电池中；当车辆短暂停车时，蓄电池驱动第二级电机驱动储能飞轮升速，储能飞轮充能；当车辆启动并且当储能飞轮的转速达到额定转速时，储能飞轮放能驱动第二级电机发电，第二级电机驱动第一级电机带动涡轮增压器加速，使涡轮增压器快速达到增压状态。
优选地，内燃发动机包括：发动机本体、进气管路和排气管路，发动机本体的输出轴连接驱动桥；涡轮通过排气管路与发动机本体连接，压气机通过进气管路与发动机本体连接。
本发明还提供了一种内燃发动机，包括上述涡轮增压器系统。
优选地，还包括：发动机本体、进气管路和排气管路，发动机本体的输出轴连接驱动桥。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本实用新型的基于储能飞轮的涡轮增压器系统以及内燃发动机具有以下有益效果：
(1)与传统增压器系统相比，在有效增压时，通过回收电能提高了发动机整体能效，降低了发动机油耗；在非有效增压时，通过储能飞轮放电增加涡轮增压器出力，提升了涡轮增压器的响应速度，改进了内燃发动机的性能；
(2)能够回收车辆减速过程中的动能，将这部分能量作为启动能量或者驻车能量，从而减少了车辆的油耗，并且蓄电池无大电流发电，延长了蓄电池寿命。
附图说明
图1为本实用新型第一实施例的基于储能飞轮的涡轮增压器系统的结构示意图。
【符号说明】
1-发动机本体；2-进气管路；3-电动/发电机；4-驱动桥；5-排气管路；6-涡轮；7-涡轮轴；8-压气机；9-第一级电机；10-控制器；11-第二级电机；12-储能飞轮；13-蓄电池；14-传感器组。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、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，对本实用新型进一步详细说明。
参见图1，本实用新型第一实施例的基于储能飞轮的涡轮增压器系统，内燃发动机包括：发动机本体1、进气管路2和排气管路5，发动机本体的输出轴连接驱动桥4；涡轮增压器系统包括：涡轮增压器以及第一级电机9、第二级电机11和储能飞轮12；其中，
涡轮增压器包括：同轴设置的涡轮6、压气机8以及连接二者的涡轮轴7，涡轮6通过排气管路5与发动机本体1连接，压气机8通过进气管路2与发动机本体1连接；第一级电机9安装在涡轮轴中部，第二级电机11安装在储能飞轮12上，并且与第一级电机9进行电气连接，第一级电机9和第二级电机11均可以作为发电机或电动机运行，当第一级电机9作为发电机运行时，第二级电机11作为电动机运行，当第二级电机11作为发电机运行时，第一级电机9作为电动机运行。
本实用新型第一实施例的涡轮增压器系统，在内燃发动机处于运行状态时，内燃发动机的气缸产生的高温高压废气通过排气管路进入涡轮，并驱动涡轮高速旋转做功。涡轮通过涡轮轴带动压气机高速旋转。压气机从空气入口吸入空气并将其压缩，然后将压缩空气从内燃发动机的进气管路压入气缸进行燃烧。当涡轮增压器处于有效增压状态时，第一级电机作为发电机运行，第二级电机作为电动机运行，涡轮轴高速旋转驱动第一级电机发电，第一级电机输出电能驱动第二级电机旋转，第二级电机驱动储能飞轮旋转升速，将第一级电机输出的电能转化为旋转动能储存在储能飞轮中，实现储能飞轮的高速旋转充电。
当涡轮增压器出力不足或者不能有效增压时，比如内燃发动机处于高负荷、高转矩、低速运行模式下，或者涡轮增压器处于启动加速状态时，第二级电机作为发电机运行，第一级电机作为电动机运行，储能飞轮驱动第二级电机发电并降速，第二级电机将储能飞轮储存的旋转动能转化为电能并驱动第一级电机旋转，第一级电机通过涡轮轴加快涡轮增压器的转速，使涡轮增压器快速到达有效增压状态，从而实现涡轮增压器的快速有效增压，快速提高内燃发动机功率。
本实用新型第一实施例的涡轮增压器系统还可以包括：传感器组14和控制器10，传感器组14安装于发动机本体1，控制器10与传感器组14、第一级电机9和第二级电机11电气连接，用于协调涡轮增压器和储能飞轮。
控制器接收传感器组的信号，并根据传感器组的信号控制第一级电机和第一级电机，使涡轮增压器产生足够的空气，防止压气机发生喘振和超转。
其中，传感器组可以通过检测内燃发动机的多种参数，例如升压、发动机转速、缸内压力、烟雾不透明度、二氧化碳排放率、一氧化碳和氮氧化物、排气再循环率、废气温度、燃烧爆震、火焰速度、发电机转速、发电机电流、进气管路绝对压力、油门位置、油门指令信号、燃油输送的停留时间、发动机启动信号、涡轮速度，功率需求、燃料的使用、海拔、气压、进气温度等信号，实现对第一级电机和第一级电机的控制，以防止压气机发生喘振和超转。
由此可见，本实用新型实施例的涡轮增压器系统，与传统增压器系统相比，在有效增压时，通过回收电能提高了发动机整体能效，降低了发动机油耗；在非有效增压时，通过储能飞轮放电增加涡轮增压器出力，提升了涡轮增压器的响应速度，改进了内燃发动机的性能。即本实用新型的涡轮增压器系统，通过将处于有效增压状态的涡轮增压器的多余机械能进行回收存储，当涡轮增压器在非有效增压状态时，利用该回收存储的机械能驱动涡轮增压器，使涡轮增压器能够快速达到有效增压状态，从而一方面提高了能量利用率，避免了涡轮增压器机械能的浪费，另一方面提高了涡轮增压器的响应速度，即发动机的响应速度，提升了发动机的性能。
本实用新型第二实施例的基于储能飞轮的涡轮增压器系统，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
涡轮增压器系统还包括：电动/发电机3、以及蓄电池13，电动/发电机3连接内燃发动机的输出轴，蓄电池13分别电气连接电动/发电机3和第二级电机11。
本实用新型第二实施例的涡轮增压器系统，当车辆减速、刹车或下坡时，内燃发动机的输出轴带动电动/发电机转动，将车辆的减速动能和刹车动能转化为电能，并回收存储到蓄电池中。当车辆处于短时间停车时，蓄电池驱动第二级电机带动储能飞轮升速，给储能飞轮充能。当车辆启动并且当储能飞轮的转速达到额定转速时，储能飞轮快速放能，驱动第二级电机发电，第二级电机输出电能驱动第一级电机带动涡轮增压器迅速加速，使涡轮增压器快速达到增压状态，提高了发动机起动特性。
在车辆的运行过程中，发动机的状态经常变化，尤其在交通拥堵日益严重的今天，车辆经常在减速、刹车、启动等状态间转换，发动机的状态变化尤其频繁。在没有装备本实用新型涡轮增压器系统的车辆中，在车辆刹车、下坡、减速等过程中，车辆的减速动能只能被转换为刹车盘的热量浪费掉，无法得到合理的回收。而对于具有本实用新型涡轮增压器系统的车辆，能够通过蓄电池将车辆的减速动能回收至储能飞轮，并将储能飞轮回收的减速动能作为车辆的启动能量或者驻车能量，从而将减速动能充分利用起来，避免了能量的白白浪费，从而可以减少车辆的油耗；并且涡轮增压器系统工作过程中，蓄电池无大电流发电，延长了蓄电池寿命。
本实用新型第三实施例提供了一种内燃发动机，其包括发动机本体1以及上述实施例所述的涡轮增压器系统，发动机本体通过排气管路5与涡轮6连接，发动机本体通过进气管路2连接压气机8。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型的用于内燃发动机的涡轮增压器系统以及内燃发动机有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换；实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围；上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。