电动增压及涡轮发电混合增压系统的研究

作     者：杨南杰 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张卫波

授予年度：2018年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：混合增压系统 涡轮发电 控制策略 柴油机台架试验 

摘      要：随着我国机动车数量的持续增多,能源安全与环境保护问题日益严重。内燃机是汽车的核心零部件,同时它也是把石油化学能转化为机械能的重要工具,但转化比例只有30%～40%。如何节能减排和回收剩余能量,成为当前内燃机领域的研究热点。本文特色在于针对增压柴油发动机存在低速工况下转矩不足、瞬态响应特性差、加速冒黑烟和能源利用率低的问题,采用电动增压系统与原增压器并联的结构,代替原增压器进行快速进气。采用涡轮发电系统与原增压器串联的结构,把多余废气能量转化为电能,从而提高发动机总输出功。该研究对能源节约和环境保护都具有重大实际意义。本文主要研究工作如下:通过理论分析和仿真建模验证余热利用技术的可行性。对比增压发动机和复合涡轮增压发动机理想的工作循环图与恒压T-S图,验证了增加复合涡轮后,可减小换气损失,提高能量利用率。基于GT-power软件搭建余热发电系统模型,并分析模型的余动能,余热能,余压能和排气总能,以此验证该技术的可行性。混合增压系统的结构设计。采用电动增压器和涡轮发电机与原增压器并、串联结构,设计一种新型盖板结构,解决了电动增压器转子轴过长、压气机与电机同轴度不足和连接螺母易松动的问题。同时本文灵活利用了涡轮轴端部的光轴部分与传动螺母内孔配合,解决了涡轮轴与联轴器同轴度与跳动度不足的问题。混合增压系统的硬件电路设计。以Altium Designer为硬件开发平台,采用模块化的设计思路,实现了模拟地、数字地与功率地的分离,避免信号之间的干扰,增强了系统稳定性。完成了硬件电路的设计,包括STM32芯片最小工作系统、传感器输入模块、输出模块和界面显示等,最后完成PCB板的设计与制作。混合增压系统的软件设计。以Keil-uVision5为软件开发平台,提出了一种新型智能控制策略,基于电增压系统-进气压力MAP图,以发动机进气压力为基本目标,采用模糊PID控制器,实时控制电动增压器转速,使发动机得到期望的进气压力值。发动机排气端则采用旁通阀来实时控制涡轮发电机的工作状态。基于增压柴油机台架试验方法,设计了电动增压试验、涡轮发电试验和两种系统协同工作的三种试验方案,以研究混合增压系统对柴油机整体性能的影响。试验结果表明:混合增压两子系统独立试验时分别可改善柴油机的动力性、排放性和燃油经济性,同时回收多余废气能量,提高发动机的输出总功率。混合增压系统的两子系统联合工作,可使发电功率和发动机总功率得到进一步提高。