劉凌寶，陳平錄，許 靜，匡 鵬

(江西農(nóng)業(yè)大學工學院，江西南昌 330045)

0 引言

純氣動汽車由于壓縮空氣的儲能密度以及能量利用率低兩方面的限制，致使其應用受到了極大的限制［1］。然而，由于氣動發(fā)動機和內(nèi)燃機在工作過程中存在優(yōu)勢互補:由于氣動發(fā)動機能夠很方便的實現(xiàn)制動能量回收、工作過程中沒有有害氣體排放以及能夠有效利用內(nèi)燃機的余熱等方面的優(yōu)勢，同時內(nèi)燃機驅(qū)動汽車又能夠解決純氣動汽車的續(xù)駛里程不足的問題，使得氣動燃油混合動力汽車能與電動混合動力一樣，通過制動能量回收、取消怠速、優(yōu)化內(nèi)燃機工作區(qū)域以及減小內(nèi)燃機以及利用內(nèi)燃機排氣余熱等手段實現(xiàn)車輛的節(jié)能減排。相比與電動混合動力，該混合動力具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于維護、便于在傳統(tǒng)汽車的基礎上改裝等優(yōu)勢［2］。

氣動燃油混合動力汽車作為一種新型式的車用動力系統(tǒng)近年來備受關注。國外還有許多獨特的氣動復合循環(huán)方案設計，包括法國的MDI公司的雙燃料發(fā)動機、美國加利福尼亞洛杉磯分校Tsu－Chin Tsao教授和福特汽車公司顧問Michael M．Schechter合作研發(fā)的氣動/內(nèi)燃復合循環(huán)發(fā)動機［3］以及美國Scuderi公司設計的“分離沖程式”復合循環(huán)技術(shù)［4］等。我國浙江大學和臺灣大葉大學對氣動混合動力系統(tǒng)也進行了大量的研究［5］。臺灣大葉大學K．David Huang等給出了一種與串聯(lián)型電動燃油混合動力汽車相似內(nèi)燃/氣動復合循環(huán)式發(fā)動機［6］。不論是哪一種混合動力系統(tǒng)，為了使氣動和內(nèi)燃兩種動力系統(tǒng)能夠協(xié)同工作，控制策略的研究是必須解決的關鍵技術(shù)之一。筆者針對前期所提出一種用于并聯(lián)型混合動力汽車的邏輯門限值控制策略［7］，通過采用正交優(yōu)化方法探尋該控制策略的柴油機開啟轉(zhuǎn)矩門限值、柴油機開啟轉(zhuǎn)速門限值以及在混合模式下氣動發(fā)動機占總功率的轉(zhuǎn)矩分配比的組合優(yōu)化技術(shù)。

1 并聯(lián)型氣動燃油混合動力汽車邏輯門限值控制策略

為了便于在柴油車基礎上改制，筆者所選用的并聯(lián)型氣動燃油混合動力汽車的結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)以原有柴油機動力系統(tǒng)為基礎，增加了一套氣動輔助動力系統(tǒng)，其中的熱交換器用于氣動發(fā)動機的進氣與柴油機的熱交換。在車輛制動過程中，氣動發(fā)動機可以轉(zhuǎn)換為壓氣機模式，實現(xiàn)制動能量回收。為了提高制動能量回收效率，回收后的壓縮空氣由三通閥充入制動儲氣罐。

圖1 并聯(lián)壓縮空氣燃油混合動力汽車布置［7］

并聯(lián)型氣動燃油混合動力汽車邏輯門限值總體控制策略詳見參考文獻［7］，概括描述如下:

(1)若動力傳動系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)矩Tr＞0且需求轉(zhuǎn)矩Tr和需求轉(zhuǎn)速nr均大于門限值Tlim和nlim，此時內(nèi)燃機進入工作狀態(tài)，為了利用內(nèi)燃機廢熱，氣動發(fā)動機同時參與工作。此時為混合驅(qū)動模式。

(2)若動力傳動系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)矩Tr＞0，且Tr或者需求轉(zhuǎn)速nr小于各自的門限值Tlim和nlim，由氣動發(fā)動機單獨驅(qū)動車輛行駛。但若此時高壓儲氣罐以及制動儲氣罐內(nèi)的壓縮氣體的能量不足以滿足車輛行駛所需的轉(zhuǎn)矩Tr時，考慮到驅(qū)動優(yōu)先的原則，處于低效工作狀態(tài)的內(nèi)燃機必須承擔起驅(qū)動車輛行駛的任務。

(3)若動力傳動系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)矩Tr＜0，則轉(zhuǎn)入車輛制動模式，根據(jù)車輛的狀況不同，制動模式可分為制動能量回收模式，機械制動模式以及兩者的混合制動模式。

(4)為了提高制動能量回收效率，氣動發(fā)動機在工作過程中，優(yōu)先利用制動儲氣罐內(nèi)的壓縮空氣。

2 并聯(lián)型氣動燃油混合動力汽車控制參數(shù)的正交優(yōu)化

在上述邏輯門限值控制策略中，存在著三個重要的控制參數(shù)，柴油機開始工作的轉(zhuǎn)速門限值nlim，柴油機開始工作的轉(zhuǎn)矩門限值Tlim以及在混合模式工作時轉(zhuǎn)矩分配比R，其中轉(zhuǎn)矩門限值Tlim和轉(zhuǎn)矩分配比R分別表示如下:

式中:K為柴油機開啟轉(zhuǎn)矩系數(shù)，取值范圍為0～1。

上述三個參數(shù)的合理優(yōu)化組合，直接影響整車的動力性和經(jīng)濟性。正交優(yōu)化設計是解決參數(shù)優(yōu)化組合的一種實用方法。

2．1 優(yōu)化的目標函數(shù)

評價整車動力性能的指標有最高車速、加速時間以及最大爬坡度。對并聯(lián)型氣動燃油混合動力汽車，其邏輯門限值控制策略中轉(zhuǎn)速門限值nlim、轉(zhuǎn)矩門限值Tlim還是轉(zhuǎn)矩分配比R對上述指標影響最大的為原地起步加速時間，因此，本文動力性指標取為車輛從0～100 km每小時的加速時間作為動力性的評價指標。

并聯(lián)型氣動燃油混合動力汽車在工作過程中不僅要消耗燃油，同時還要消耗壓縮空氣，為此，其經(jīng)濟性評價指標分別用百公里氣耗率Qa(kg/100 km)和百公里油耗Qe(L/100 km)表示。

2．2 控制參數(shù)優(yōu)化分析

分析所采用的整車仿真模型及車輛參數(shù)設定詳見參考文獻［8］，仿真計算采用的循環(huán)工況為NEDC工況，采用三因素四水平正交表安排仿真計算，各因素的水平值見表1，計算結(jié)果如表2。

表1 因素水平表

表2 正交仿真計算方案及結(jié)果

2．2．1 百公里耗油量Qe的結(jié)果分析

如圖2所示，隨著柴油機開啟轉(zhuǎn)矩系數(shù)K、柴油機開啟轉(zhuǎn)速門限值nlim以及轉(zhuǎn)矩分配比R的增大，柴油機參與驅(qū)動的比重均降低，而且柴油機工作點的平均效率也會升高，因此，百公里油耗量Qe均隨著三因素的水平值增大而減小。從三因素的極差對比可以看出，三因素對Qe的影響比重為:K＞R＞nlim。最優(yōu)組合為:K=0．35，nlim=1 100，R=0．48，對應的 Qe=1．22 L/100 km?？梢姡瑥慕档陀秃某霭l(fā)，各因素應盡可能取最大值。

圖2 百公里耗油量Q e的結(jié)果分析

2．2．2 百公里耗氣量Qa的結(jié)果分析

氣動燃油混合動力系統(tǒng)節(jié)油是靠空氣動力的輔助才能實現(xiàn)的。若柴油機開啟門限轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速越高，則耗氣量就會增大，如圖3所示，百公里耗氣量Qa均隨三因素的水平值的增大而增大。從三因素的極差對比可以看出，三因素對Qa的影響比重為:R＞K＞nlim。最優(yōu)組合為:K=0．2，nlim=800，R=0．12，對應的Qa=85．79 kg/100 km?？梢姡瑥慕档秃臍饬砍霭l(fā)，各因素應盡可能取最小值。

圖3 百公里耗氣量Q a的結(jié)果分析

2．2．3 原地起步加速時間t100的結(jié)果分析

如圖4所示，影響原地起步加速時間的主要因素為轉(zhuǎn)矩分配比R，從縮短原地起步時間考慮，最優(yōu)組合為 K=0．2，nlim=800，R=0．12，對應的 t100=11．9 s。

圖4 原地起步加速時間t100的分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)從優(yōu)化結(jié)果可看出，從節(jié)油考慮，柴油機開啟的轉(zhuǎn)矩門限值、開啟轉(zhuǎn)速門限值以及轉(zhuǎn)矩分配比均應提高。

(2)當柴油機開啟轉(zhuǎn)矩門限值、開啟轉(zhuǎn)速門限值以及轉(zhuǎn)矩分配比提高時，柴油機的工作區(qū)域減小，這勢必增大氣動發(fā)動機工作的比重，壓縮空氣的消耗量必然會增大，同時，由于筆者所采用的混合動力結(jié)構(gòu)仍以柴油機為主，氣動為輔，氣動發(fā)動機的功率較小，柴油機工作區(qū)域的減小勢必會降低整車的動力性能。

［1］ 劉 昊，陶國良，陳 鷹，等．氣動汽車動力系統(tǒng)分析［J］．浙江大學學報(工學版)，2006，40(4):694－698．

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［3］ Tai C，Tsao T．Using Camless Valvetrain for Air Hybrid Optimization［J］．SAE Technical Paper 2003－01－0038，2003．

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［6］ Huang K D，Tzeng SC．Developmentof a Hybrid Pneumatic－power vehicle［J］．Applied Energy，2005，80(1):47－59．

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［8］ Pinglu Chen，Xiaoli Yu，Xianghong Nie，et al．Modeling and Simulation Analysis on Parallel Hybrid Air－fuel Vehicle［J］．Frontiersof Energy and Power Engineering in China，2010，4(4):553－559．