柴油机串联发电复合涡轮全历程能流回路能效优化策略研究

发电复合涡轮技术是回收内燃机排气能量的一种颇具前景的技术手段。复合涡轮与内燃机之间存在强烈的耦合现象,其自身具有显著的动态特性。如何在道路工况中实际发挥其节油潜力,是这项技术应用所面临的重要问题。本文以重型柴油机为基础,构建由动力涡轮发电、蓄电池储电和热管理用电的全历程能流回路,揭示该回路的耦合效应、动态效应以及工况适应性,从系统总能效率优化角度研究面向系统总能效率提升和增大车辆油箱里程数的匹配原则和能量管理策略。研究工作旨在为发电复合涡轮系统的匹配与回路能量管理提供参考依据。首先,建立了用于系统基本特性和能量管理策略研究的全历程能流回路试验平台和应用全历程动态仿真平台。试制了动力涡轮机和超高速三相交流永磁发电机,解决了4万转涡轮机与超高速发电机的集成问题,研制了额定发电功率为20kW的柴油机串联发电复合涡轮余热回收系统原理性样机。选配了电能存储单元,集成调试了柴油机主动热管理用能系统,建成了完整的产能-储能-用能全历程能流回路试验平台。以全历程能流回路工况适应性和能量管理策略研究为目的,采用数据建模和详细机理建模相结合的方法,建立了包含柴油机模型、动力涡轮发电模型、热管理用电模型、车辆模型、司机和道路工况模型的应用全历程动态仿真平台。其次,在试验平台上研究揭示了串联复合涡轮与内燃机之间的耦合效应及关键状态变量对耦合效应的影响规律。动力涡轮回收废气能量以泵气损失和360°指示功损失为代价,其中泵气损失是主要矛盾。系统净功率取决于损失代价与回收功率的盈亏平衡状况:发动机小负荷为负收益区,中大负荷为正收益区。负荷越大,正收益越高。涡轮机效率和膨胀比是决定盈亏平衡的关键状态变量。研究发现,存在保证串联复合涡轮技术有效和系统总能效率最高的动力涡轮临界膨胀比和最优膨胀比,在临界膨胀比范围内存在保证总能效率正收益的动力涡轮效率界限。膨胀比在两级涡轮机之间的合理分配至关重要,随着动力涡轮效率降低,最佳增压涡轮与动力涡轮膨胀比之比升高。内燃机与涡轮机之间的耦合效应使得调控不可或缺。采用仿真和试验结合的方法细化研究了动力涡轮旁通阀门开度、动力涡轮转速和喷油正时对耦合效应的调控规律。结果表明,在负收益区,旁通阀门需要全开以避免总能效率的恶化;在正收益区,旁通阀门全闭时系统总能效率最高。高速发电机和涡轮机效率随转速变化显著,一定废气流量条件下存在对应系统总能效率最高的动力涡轮转速。喷油正时影响研究显示,在当前涡轮机效率水平下,通过推迟喷油增大废气能量的方式不能提高系统总能效率。再次,基于应用全历程动态仿真平台研究了全历程能流回路的动态效应、工况适应性和能量管理基本原则。提出描述系统动态特性的累计动态因子,动力涡轮循环平均效率随累计动态因子升高而降低,驾驶循环中动力涡轮平均效率降低至46%-66%。提出了利用产能过驱系数修正的百公里综合油耗改善比例指标衡量全历程能流回路工况适应性。分析结果显示,全历程能流回路适用于平均车速高的驾驶循环。随着平均车速升高发动机大负荷工况比例增大,百公里综合油耗改善比例升高,但增幅逐渐减小。稳态和驾驶循环背景下产能与用能匹配分析显示,在应用全历程背景下保持产能与用能平衡是最大化车辆油箱里程数的必要条件。最后,建立了柴油机串联发电复合涡轮系统简化效率模型,提出了基于效率模型的全历程能流回路总能效率优化双层能量管理策略。在规划层中调用效率模型,通过遍历求解规划决策变量;在执行层中采用“旁通阀门最小时间窗口”策略和根据电池荷电状态在线调整的电能燃油能量等效因子,提升动力涡轮时间平均效率,保证产能用能平衡。仿真验证表明,相比基础发动机车辆,基于规则管理的全历程能流回路在HWFET驾驶循环下能够降低百公里油耗5.7%。使用所提出的能量管理策略能够可以使HWFET驾驶循环下累计动态因子从0.25降低到0.19,动力涡轮循环时间平均效率由57.9%提高至67.3%,在前述基础上通过实现产能用能的平衡进一步提高百公里油耗改善比例至6.6%。验证了所提出的基于效率模型的双层能量管理策略的有效性。