气动/燃油混合动力能量回收利用研究
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摘要
气动发动机是以液氮或压缩空气储能的一种新型动力机械。它以完全无燃烧、零排放且不依赖矿物燃料等特性,而逐渐受到各国的重视。但是气动发动机本身储能密度低、续驶里程短,能量转换效率低,大大限制了其实用化。内燃机可以弥补气动发动机续驶里程短的缺陷,而且其排气和冷却水的废热可以用来提高气动发动机的能量转换效率。因此将两者结合起来,形成一种新型混合动力。气动发动机与内燃机的混合动力不仅可以弥补气动发动机的不足,还具有优化内燃机工作区域、取消怠速、易实现能量回收等优势。
论文课题以提高气动发动机能量转换效率为工作目标,开展的主要研究工作及其所得结论如下：
(1)采用经典热力学理论,分析了气动发动机的单级开式朗肯循环可用能损失分布,得到排气是系统可用能损失在主要环节之一。由于受环境温度的限制,循环效率难以提高。研究得到采用再热系统、气动发动机与内燃机联合循环等可以消减环境因素制约,是提高气动发动机循环效率的可行途径。
(2)采用生命循环效率分析法研究了多种动力形式汽车的总效率,结果表明气动发动机与内燃机的混合动力与汽油电动混合动力的生命循环效率相当,高于其他动力汽车,说明气动发动机与内燃机的混合动力方案具有可行性和竞争性。
(3)采用变质量热力学理论,建立了气动发动机缸内工作模型,通过对漏气模型的补充,得到与试验更加接近的计算结果。在完善了工作模型的基础上,研究了各项运行参数和结构参数对气动发动机动力性和经济性的影响,并对关键参数进行优化。
(4)首次建立了完整的气动发动机、内燃机、气动发动机进气与内燃机循环冷却水换热系统以及相关管路的耦合模型。研究了不同的混合动力方案下气动发动机性能变化和内燃机冷却系统状态变化,并对不同混合动力方案进行改进设计和匹配研究。结果表明采用回收冷却水能量的气动发动机与内燃机的混合动力模式可以实现两个目的,是通过回收内燃机循环冷却水的热量,气动发动机的动力性和经济性与其单独工作时相比,得到了明显提高；二是通过匹配设计内燃机冷却系统无需散热器、风扇等装置,通过混合动力系统中的水空换热器也达到了冷却要求,不仅简化了传统内燃机冷却系统结构,也节省了风扇对内燃机功率的消耗。
(5)首次对回收冷却水能量的气动发动机与内燃机的混合动力进行了台架试验研究,从气动发动机的性能变化、内燃机冷却水状态和能量回收情况等方面进行了分析。结果表明,利用冷却水加热气动发动机进气的混合动力方案是可行的,气动发动机的动力性与经济性与其单独做功相比均有明显改善,同时通过匹配混合方案,内燃机的冷却系统在无散热器、风扇等装置的条件下,达到了冷却要求。
本文基于前人研究成果,提出气动发动机效率提高的多种方案,探讨了气动发动机与内燃机混合的可行性,搭建了基于冷却水能量回收的气动发动机与内燃机的混合动力发动机仿真模型和试验平台,为气动发动机与内燃机混合动力发动机的研制开发提供了坚实的理论基础。
Air powered engine (APE) is a new type engine, using compressed air or liquid nitrogen as storage medium. With no combustion, zero pollution and none fossil consumption, APE gets people's more and more attention. But its practicality of APE is limited by energy density, continues distance of driving and efficiency restricted by environment. Internal combustion engine (ICE) can eliminate disadvantage of APE such as short continues distance of driving. Besides, the heat of exhaust and cooling water of ICE can improve the efficiency of APE. So it is an effective solution to combine APE and ICE. The hybrid of APE and ICE also can optimize the working condition of ICE, cancel idle condition and recovery energy easily.
Improving APE efficiency is the idea at the beginning. Then a series of theoretical and experimental research were done, summarized as follows:
1. Base on classical thermodynamics, it researched lost exergy distribution in the opening Rankin cycle and got that exhaust is one of the key lost exergy part. Limited by environment temperature, cycle efficiency is hardly improved. Reheat system, the combined APE and ICE are the feasible program that can eliminate the restriction of environment and improve the APE efficiency.
2. Based on life cycle efficiency analysis method, the efficiency study of a variety of power forms for automobile results that the hybrid of APE and ICE has quite equal efficiency with the hybrid of HEV and their efficiency is higher that others. So the hybrid of APE and ICE is feasible and competitive.
3. Based on variable mass thermodynamics the model of working process in cylinder was modified with leak model. The simulation result is more close to the experiment result. The influence of working parameters and structure parameters on permormance of APE is analysised. The key pareamemeters were optimized.
4. Combined model of APE, ICE, and the heat exchanger between cooling system pipes of ICE and inlet air pipes of APE was formed. The APE performance and ICE cooling system status have been changed in different programs. And the improvement and matching of different programs were researched. The result shows that the hybrid of APE and ICE can achieve two objectives. Firstly, the dynamic and economic performances of APE are improved by recycling the heat of cooling water, comparing to working alone. Secondly, the cooling system without radiator and fan can satisfy the cooling requirement. The system can not only simplify the cooling system structure, but also can reduce the energy consumption by fan.
5. The test bench of hybrid system including APE, ICE and heat exchanger system was set up. Experiment result shows that the hybrid based on the heat recovery from cooling water is feasible.
Based on the previous work, the thesis put forward a variety of solutions improving the APE efficiency. It discussed the feasibility of hybrid of APE and ICE. And it established the simulation and experiment platform for hybrid of APE and ICE based on heat energy recovery from cooling water. The work provides the theory foundation for further research.
论文课题以提高气动发动机能量转换效率为工作目标,开展的主要研究工作及其所得结论如下：
(1)采用经典热力学理论,分析了气动发动机的单级开式朗肯循环可用能损失分布,得到排气是系统可用能损失在主要环节之一。由于受环境温度的限制,循环效率难以提高。研究得到采用再热系统、气动发动机与内燃机联合循环等可以消减环境因素制约,是提高气动发动机循环效率的可行途径。
(2)采用生命循环效率分析法研究了多种动力形式汽车的总效率,结果表明气动发动机与内燃机的混合动力与汽油电动混合动力的生命循环效率相当,高于其他动力汽车,说明气动发动机与内燃机的混合动力方案具有可行性和竞争性。
(3)采用变质量热力学理论,建立了气动发动机缸内工作模型,通过对漏气模型的补充,得到与试验更加接近的计算结果。在完善了工作模型的基础上,研究了各项运行参数和结构参数对气动发动机动力性和经济性的影响,并对关键参数进行优化。
(4)首次建立了完整的气动发动机、内燃机、气动发动机进气与内燃机循环冷却水换热系统以及相关管路的耦合模型。研究了不同的混合动力方案下气动发动机性能变化和内燃机冷却系统状态变化,并对不同混合动力方案进行改进设计和匹配研究。结果表明采用回收冷却水能量的气动发动机与内燃机的混合动力模式可以实现两个目的,是通过回收内燃机循环冷却水的热量,气动发动机的动力性和经济性与其单独工作时相比,得到了明显提高；二是通过匹配设计内燃机冷却系统无需散热器、风扇等装置,通过混合动力系统中的水空换热器也达到了冷却要求,不仅简化了传统内燃机冷却系统结构,也节省了风扇对内燃机功率的消耗。
(5)首次对回收冷却水能量的气动发动机与内燃机的混合动力进行了台架试验研究,从气动发动机的性能变化、内燃机冷却水状态和能量回收情况等方面进行了分析。结果表明,利用冷却水加热气动发动机进气的混合动力方案是可行的,气动发动机的动力性与经济性与其单独做功相比均有明显改善,同时通过匹配混合方案,内燃机的冷却系统在无散热器、风扇等装置的条件下,达到了冷却要求。
本文基于前人研究成果,提出气动发动机效率提高的多种方案,探讨了气动发动机与内燃机混合的可行性,搭建了基于冷却水能量回收的气动发动机与内燃机的混合动力发动机仿真模型和试验平台,为气动发动机与内燃机混合动力发动机的研制开发提供了坚实的理论基础。
Air powered engine (APE) is a new type engine, using compressed air or liquid nitrogen as storage medium. With no combustion, zero pollution and none fossil consumption, APE gets people's more and more attention. But its practicality of APE is limited by energy density, continues distance of driving and efficiency restricted by environment. Internal combustion engine (ICE) can eliminate disadvantage of APE such as short continues distance of driving. Besides, the heat of exhaust and cooling water of ICE can improve the efficiency of APE. So it is an effective solution to combine APE and ICE. The hybrid of APE and ICE also can optimize the working condition of ICE, cancel idle condition and recovery energy easily.
Improving APE efficiency is the idea at the beginning. Then a series of theoretical and experimental research were done, summarized as follows:
1. Base on classical thermodynamics, it researched lost exergy distribution in the opening Rankin cycle and got that exhaust is one of the key lost exergy part. Limited by environment temperature, cycle efficiency is hardly improved. Reheat system, the combined APE and ICE are the feasible program that can eliminate the restriction of environment and improve the APE efficiency.
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3. Based on variable mass thermodynamics the model of working process in cylinder was modified with leak model. The simulation result is more close to the experiment result. The influence of working parameters and structure parameters on permormance of APE is analysised. The key pareamemeters were optimized.
4. Combined model of APE, ICE, and the heat exchanger between cooling system pipes of ICE and inlet air pipes of APE was formed. The APE performance and ICE cooling system status have been changed in different programs. And the improvement and matching of different programs were researched. The result shows that the hybrid of APE and ICE can achieve two objectives. Firstly, the dynamic and economic performances of APE are improved by recycling the heat of cooling water, comparing to working alone. Secondly, the cooling system without radiator and fan can satisfy the cooling requirement. The system can not only simplify the cooling system structure, but also can reduce the energy consumption by fan.
5. The test bench of hybrid system including APE, ICE and heat exchanger system was set up. Experiment result shows that the hybrid based on the heat recovery from cooling water is feasible.
Based on the previous work, the thesis put forward a variety of solutions improving the APE efficiency. It discussed the feasibility of hybrid of APE and ICE. And it established the simulation and experiment platform for hybrid of APE and ICE based on heat energy recovery from cooling water. The work provides the theory foundation for further research.
引文
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