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：
　　 ⑴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。
　　 ⑵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。
　　 ⑶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。
　　 ⑷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。
　　 ⑸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JAPAN10-15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。

目录

文摘

英文文摘

致谢

插图目录

表格目录

1 绪论

1.1 气动/燃油混合动力汽车的提出及意义

1.1.1 传统汽车与石油危机

1.1.2 传统汽车与环境问题

1.1.3 气动燃油混合动力汽车节能减排途径

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 纯气动汽车的研究现状

1.2.2 气动混合动力汽车的研究现状

1.3 论文的研究思路及主要内容

1.3.1 论文的研究思路

1.3.2 论文主要研究内容

1.4 本章小结

2 气动发动机电控气动可变气门的研究

2.1 总体方案的研究

2.1.1 方案的选择

2.1.2 总体结构设计及工作原理

2.2 电控气动可变气门机构的动态特性研究

2.2.1 电控气动气门动力学模型的建立

2.2.2 建模参数的确定

2.2.3 模型的验证试验

2.2.4 动态特性的参数影响分析

2.3 本章小结

3 气动发动机电控系统开发及性能评估试验

3.1 气动发动机样机的改制

3.2 电控系统的研究

3.2.1 电控气动发动机进气门开闭控制策略分析

3.2.2 电控系统的硬件开发

3.2.3 电控系统软件开发

3.3 电控气动发动机评估试验研究

3.3.1 台架测控系统介绍

3.3.2 试验结果分析

3.3.3 电控气动发动机模型的验证

3.4 本章小结

4 气动混合动力汽车的建模与动力系统参数设计方法研究

4.1 气动燃油混合动力的结构选型

4.2 分析模型建立

4.2.1 内燃机分析模型

4.2.2 气动发动机分析模型

4.2.3 制动储气罐的分析模型

4.2.4 换热器的建模

4.2.5 车身动力学分析模型

4.3 气动燃油混合动力汽车动力参数的设计方法研究

4.3.1 内燃机功率的选择

4.3.2 气动发动机功率的选择

4.3.3 转矩合成器的速比选择

4.3.4 传动系参数的选择

4.3.5 动力参数的优化匹配

4.3.6 制动储气罐参数的确定

4.4 本章小结

5 并联型气动混合动力汽车控制策略研究

5.1 气动燃油混合动力汽车工作特性分析

5.2 控制策略的开发

5.2.1 控制策略的开发原则

5.2.2 总体控制策略

5.2.3 混合工作模式下的转矩分配

5.3 控制策略的仿真分析

5.4 本章小结

6 并联型气动燃油混合动力汽车混合效能分析

6.1 混合效能研究思路和评价指标

6.2 分析工况的选择

6.3 混合效能分析

6.3.1 综合性能对比分析

6.3.2 取消怠速的效能

6.3.3 制动能量回收的效能

6.3.4 利用内燃机排气废热的效能

6.3.5 优化内燃机工作区域的效能

6.3.6 内燃机小型化的效能

6.3.7 各种混合途径的贡献比重分析

6.4 本章小结

7 全文工作总结与展望

7.1 工作总结及结论

7.2 主要创新点

7.3 研究展望

参考文献

作者简历