基于压缩空气的车辆制动能量回收与内燃机循环工况优化

Aiming to improve the fuel consumption and emissions of internal combustion engine(ICE), we proposed a novel concept of combining the braking energy recovery with ICE cycle optimization based on compressed air. Focusing on the ICE of urban cycle vehicle, both numerical simulation and bench test are adopted. Vehicle braking energy recovery with engine regenerative braking, compressed air starting and supercharging are explored systematically and thoroughly. The key scientific points to be settled are the high efficiency energy conversion mechanism and operating strategy between mechanical energy and compressed air energy. By investigating the optimal mechanism of coordinating braking energy recovery and ICE improvement in its low efficiency and high emission working conditions, we summarized the theoretical foundation of the combined pneumatic-fuel cycle based on thermodynamic modeling and bench test verification. As a particular application example, a systematic approach to apply this novel thermodynamic cycle is proposed and validated, to improve fuel efficiency and reduce emissions of ICE in typical urban driving cycles with frequent stops and starts.

项目从降低内燃机油耗和排放角度出发，创新性地提出了将车辆制动能量回收利用与内燃机工作循环优化相结合的学术思想，以城市道路车辆内燃机为主要研究对象，通过数值仿真分析与模拟试验验证手段相结合的方法，深入研究基于压缩空气的车辆制动能量回收方法和内燃机气动起动、增压补气等利用方法，重点探索瞬变过程机械动能与压缩空气势能之间的双向高效转化机制及其能量动态管理策略，解明车辆制动能量回收利用与内燃机低效高污染工况改善之间的协同机制，提出新的压缩空气-燃油复合热力循环设计理论，为改善内燃机车辆频繁起-停工况的燃油消耗和污染物排放提供新的技术指引。

项目从降低内燃机油耗和排放角度出发，以城市道路车辆内燃机为主要研究对象，提出以压缩空气储能回收制动能量，用于起动、加速等工况下内燃机循环性能优化的方法，旨在探索内燃机车辆制动能量回收利用的高效循环组织方式及其优化控制策略，为改善车辆频繁起-停工况的能量利用效率提供新的技术指引。根据制定的技术路线，项目组开展并完成了以下工作：.1、能量流分布规律研究。完成了整车模型的搭建，获得了城市工况内燃机及车辆的能量分布规律；.2、基于压缩空气的制动能量高效回收理论研究。对比分析了多种内燃机压缩空气制动热力循环，获得了优选循环方案；建立了制动能量回收工作过程模型并进行了试验验证，分析了循环特性变化规律以及参数影响规律，揭示了能量回收与制动力需求之间的协同关系，获得了制动能量回收的优化策略。.3、基于压缩空气的能量梯级利用与内燃机瞬变工况优化理论研究。提出了将高压的压缩空气用于辅助内燃机起动和低压的压缩空气用于辅助内燃机补气增压的能量梯级利用方案；建立了压缩空气辅助内燃机起动过程模型并进行了试验验证，获得了循环特性变化规律以及关键参数的影响规律；建立了增压内燃机工作过程及压缩空气补气系统模型并进行了试验验证，获得了补气位置、策略以及参数对内燃机性能的影响规律；.4、基于压缩空气的气动-内燃复合循环理论研究。搭建了内燃机压缩空气制动-起动联合仿真模型，建立了系统控制策略，获得了该种形式混合动力车辆在不同驾驶循环工况下的节油效果；搭建了内燃机压缩空气制动-补气增压联合仿真模型，优化了补气控制策略，分析了补气系统性能的优化效果，并在驾驶循环工况下验证了该种形式混合动力系统的可行性。.本课题的研究中，发表学术论文11篇，其中国内高水平学术论文7篇，国外高水平学术论文4篇（SCI收录3篇，EI会议收录1篇）；申请发明专利6项（授权2项）；培养博士后1名，博士研究生8名，硕士研究生4名。