气动燃油混合动力车混合效能分析及其电控气动发动机的研究

【摘要】：石油危机及环境问题导致电动汽车、生物质燃料汽车、燃气汽车等各种新能源汽车得到了发展,车用动力能源进入了一个多元化时代。以压缩空气或液氮作为储能介质的气动汽车近年来也受到了很多关注。纯气动汽车虽然具有不需要消耗石油以及行驶过程中无污染的优点,但由于车载能源的储能密度以及气动发动机的能量转换效率等问题,其使用范围受到了一定的限制。将气动动力系统与内燃机组成混合动力能够达到两种动力的优势互补。气动燃油混合动力汽车不仅能够充分发挥气动和内燃两种动力源的动力性能优势,还能够通过取消怠速、优化内燃机的工作区域、内燃机小型化、车辆制动能量回收以及利用内燃机的废热等途径实现车辆的节油、节能和减排。作为一种探索性研究工作,本文以一种较容易实现的充气式并联气动燃油混合汽车为研究对象,展开了电控气动发动机、动力参数设计匹配以及控制策略的研究,分析了其所能达到的节油、节能以及减排效果。主要工作和结论如下： 气动发动机电控气动可变气门的研究。为了满足气动燃油混合动力汽车对气动发动机快速转换工作模式的要求,设计了一种利用气动发动机减压过程中浪费的能量驱动的新型电控气动可变气门系统,运用热力学以及动力学的理论建立了该气门的工作过程模型,并对该模型进行了试验验证。理论计算及试验结果均表明：所设计的可变气门系统能够满足气动发动机转速为2000 r/min的开闭频率要求。通过建立以该可变气门系统作为进气门的电控气动发动机变质量热力学模型,重点分析了气门设计参数及运行参数对气门动态特性的影响,为该类型气门的设计以及工作参数的优化提供了理论依据。 气动发动机电控系统开发及性能评估试验。将一台195柴油机改制成了电控气动发动机试验样机,开发了其电控系统,搭建了其测控试验平台。对该样机进行的可行性评估试验结果表明：应用所设计的电控气动气门作为气动发动机的进气门是可行且合适的。针对电控气动发动机理论模型所进行的验证试验表明：所建立的理论模型用于分析研究气门参数对气门动态特性的影响以及电控气动发动机的性能具有足够的精度。 气动燃油混合动力汽车的建模与动力系统参数设计方法研究。参考ADVISOR软件的建模方式,运用MATLAB/SIMULINK软件搭建了并联型气动燃油混合动力汽车的仿真分析平台。提出了充气式并联气动燃油混合动力汽车动力参数的设计理论,结合实例给出了运用正交优化理论进行气动燃油混合动力汽车动力参数优化设计的方法。 并联型气动混合动力汽车控制策略研究。通过对充气型并联气动燃油混合动力汽车的工作特性的分析,提出了该种混合动力汽车控制策略的开发原则。根据该原则,开发了一种将逻辑门限值与混合工作模式下转矩分配比实时优化相结合的控制策略,并进行了该控制策略仿真验证分析。结果表明：该控制策略能够合理分配两种动力源的输出以满足车辆按照工况循环行驶的要求,且内燃机也被限定在其高效低排工作区域内工作,同时气动发动机的经济性能也得到了保证。 并联型气动燃油混合动力汽车混合效能分析。采用与传统柴油轿车进行仿真对比的方式,分析了气动混合动力汽车的混合效能。结果表明：在NEDC、UDDS、HWFET和JAPAN10-15四种工况循环下,并联型气动燃油混合动力车分别能够实现节油48.34%、44.96%、20.66%和55.15%,减低排放58.84%、38.76%、14.54%和66.59%,但却分别需要增加消耗压缩空气99.73 kg/100 km、87.39 kg/100 km、55.60 kg/100 km和90.59 kg/100km；以柴油当量作为气动燃油混合动力汽车能耗的评价指标,在四种工况循环下,混合动力车可分别实现节能13.12%、14.06%、-6.27%和28.06%。进行了气动燃油混合动力汽车取消怠速、优化内燃机工作区域、内燃机小型化、利用内燃机排气废热以及制动能量回收这五种混合途径对整车混合效能的贡献分析。结果表明：对于平均车速较为接近的NEDC和UDDS工况,各种混合途径对节油的影响比重排序为“优化内燃机工作区域取消怠速内燃机小型化利用内燃机排气废热制动能量回收”,对于怠速时间最长JAPAN 10-15工况,取消怠速的比重变为最大,对于平均车速最高的HWFET工况,利用内燃机排气废热对节油效果的比重变为最大；各种途径对减排效果的影响与节油效果大致相同；利用内燃机排气废热和取消怠速对节能的影响最大,其次是内燃机小型化,但利用内燃机排气废热起到增加能耗的作用；所采用制动能量回收方式以及热交换器的效率不高,需要进一步进行优化和设计。