Study of Energy Management of Hybrid Pneumatic Power System 魏世弘、張舜長
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ABSTRACT
In this research, we proposing an innovative Hybrid Pneumatic Power System (HPPS), the best feature of this system are which stores “high pressure and temperature pneumatic energy” instead of storing electrochemical energy of the battery, to optimum the management and application of the energy, and achieve the goal of environmental protection and economize energy. This system can make the internal combustion engine operation in the sweet spot and use the energy merge device to make compressed air and engine exhaust energy to complete mixed and to push the air motor to generate power, this purpose is recycle the amount of engine exhaust energy and change it to a useful mechanical energy, and to compensate the low air density problem. So it can be enhance engine heat efficiency apparently and reduce exhaust pollution、fuel economy and manufacturing expenses. This study mainly utilizes the FLUENT software to solve questions with the numerical simulation method. In regard to the structure of merge device with three-dimension. We set up an internal combustion engine exhaust periodicity pressure and an air motor performance curve to correspond the situation of HPPS system works with the structure of merge device is controlled and adjusted, the transient
phenomenon of converge state and heat transfer will also be analyzed. In addition, the change in the structure of merge device of the downstream will be observed. Through the energy merge device, these two different energies can be complete mixed and combined, and the key point is HPPS system can recycle the exhaust energy in the internal combustion engine and transform it to a useful mechanical energy. If the pressure of compressed air is too strong, it will prevent the exhaust energy from transmitting and mixing smoothly. Furthermore, it will affect the total power of air motor greatly. Therefore, in order to enable these two different energies can be complete mixed and combined, so that the tube of merge device will be active controlled and adjusted by ECU to produce Venturi effect, and to enhance air density and entire HPPS system efficiency apparently.
Keywords : Hybrid Pneumatic Power System ; Sweet Spot ; Exhaust Energy Recycling ; Energy Merge Table of Contents
目錄 封面內頁 簽名頁 授權書 iii 中文摘要 iv 英文摘要 viii 誌謝 viii 目錄 viii 圖目錄 x 表目錄 xiii 符號表 xv 第一章 緒論 1.1 前言 1 1.2 研究目的 13 第二章 國內外有關本問題之研究情況 2.1 空氣車 16 2.2 液態氮推進系統 18 2.3 氣動馬達 19 2.4 廢能 的利用 21 2.5 氣壓技術的特徵與應用 23 2.6 複合式氣動系統的發展 25 第三章 研究方法與進行步驟 3.1 設計理念 28 3.2 基 本架構 29 3.3 分析模型 30 3.4 基本假設 32 3.5 統御方程式 33 3.6 紊流模式 34 3.7 邊界條件 36 3.8 模擬設定 40 3.9 數值模擬 流程 43 3.10 網格建立 45 第四章 結果與討論 4.1 能量匯流管理 46 4.2 模擬結果探討 78 4.3 能量管理策略 88 第五章 結論與 建議 5.1 結論 94 5.2 建議事項與未來研究 96 參考文獻 98 附錄A 101 圖目錄 圖1.1 車輛能源效率圖 2 圖1.2 複合氣動系統基 本架構圖 8 圖1.3 內燃機引擎制動燃油消耗率BSFC圖 10 圖1.4 複合氣動系統達33%能源使用率 14 圖1.5 匯流裝置模擬示意 圖 15 圖2.1 氣動引擎MDI 17 圖2.2 氣動引擎MDI (P-V圖) 17 圖2.3 液態氮動力車 18 圖2.4 液態氮推進系統 19 圖2.5 氣動馬 達構造圖 21 圖2.6 固態氧化物燃料電池搭配氣渦輪機之應用 22 圖2.7 熱管熱交換器在公車上之應用 23 圖2.8 複合式氣動動 力系統ITI-SIM模型 26 圖2.9 乙類機車行車型態模擬圖 26 圖3.1 廢能回收示意圖 29 圖3.2 匯流管示意圖 31 圖3.3 匯流管幾 何模型側視圖 31 圖3.4 匯流管幾何模型上視圖 32 圖3.5 邊界條件設定圖 36 圖3.6 內燃機廢能輸出之模擬設定 38 圖3.7 氣動 馬達性能曲線模擬 39 圖3.8 儲氣瓶的節流閥開度 41 圖3.9 匯流管的調整 42 圖3.10 數值模擬流程圖 43 圖4.1 管內探討點的 偵測位置 47 圖4.2 不同節流閥開度之壓力場分佈(管徑未調整/5bar) 54 圖4.3 不同節流閥開度之溫度場分佈(管徑未調 整/5bar) 55 圖4.4 不同節流閥開度之速度場分佈(管徑未調整/5bar) 56 圖4.5 不同節流閥開度之壓力場分佈(管徑未調 整/10bar) 57 圖4.6 不同節流閥開度之溫度場分佈(管徑未調整/10bar) 58 圖4.7 不同節流閥開度之速度場分佈(管徑未調 整/10bar) 59 圖4.8 不同節流閥開度之壓力場分佈(管徑調整6mm/5bar) 60 圖4.9 不同節流閥開度之溫度場分佈(管徑調 整6mm/5bar) 61 圖4.10 不同節流閥開度之速度場分佈(管徑調整6mm/5bar) 62 圖4.11 不同節流閥開度之壓力場分佈(管徑調 整6mm/10bar) 63 圖4.12 不同節流閥開度之溫度場分佈(管徑調整6mm/10bar) 64 圖4.13 不同節流閥開度之速度場分佈(管徑 調整6mm/10bar) 65 圖4.14 不同節流閥開度之壓力場分佈(管徑調整12mm/5bar) 66 圖4.15 不同節流閥開度之溫度場分佈(管 徑調整12mm/5bar) 67 圖4.16 不同節流閥開度之速度場分佈(管徑調整12mm/5bar) 68 圖4.17 不同節流閥開度之壓力場分佈(
管徑調整12mm/10bar) 69 圖4.18 不同節流閥開度之溫度場分佈(管徑調整12mm/10bar) 70 圖4.19 不同節流閥開度之速度場 分佈(管徑調整12mm/10bar) 71 圖4.20 不同節流閥開度之壓力場分佈(管徑調整18mm/5bar) 72 圖4.21 不同節流閥開度之溫 度場分佈(管徑調整18mm/5bar) 73 圖4.22 不同節流閥開度之速度場分佈(管徑調整18mm/5bar) 74 圖4.23 不同節流閥開度之
壓力場分佈(管徑調整18mm/10bar) 75 圖4.24 不同節流閥開度之溫度場分佈(管徑調整18mm/10bar) 76 圖4.25 不同節流閥開 度之速度場分佈(管徑調整18mm/10bar) 77 圖4.26 匯流裝置出口端壓力(壓縮空氣輸入為5 bar) 82 圖4.27 匯流裝置出口端壓 力(壓縮空氣輸入為10 bar) 82 圖4.28 匯流裝置出口端溫度(壓縮空氣輸入為5 bar) 83 圖4.29 匯流裝置出口端溫度(壓縮空氣輸 入為10 bar) 83 圖4.30 匯流裝置出口端焓值(壓縮空氣輸入為5 bar) 84 圖4.31 匯流裝置出口端焓值(壓縮空氣輸入為10 bar) 84 圖4.32 匯流裝置出口端流速(壓縮空氣輸入為5 bar) 85 圖4.33 匯流裝置出口端流速(壓縮空氣輸入為10 bar) 85 圖4.34 匯流裝 置出口端質量流率(壓縮空氣輸入為5 bar) 86 圖4.35 匯流裝置出口端質量流率(壓縮空氣輸入為10 bar) 86 圖4.36 匯流裝置出 口端熱能功率(壓縮空氣輸入為5 bar) 87 圖4.37 匯流裝置出口端熱能功率(壓縮空氣輸入為10 bar) 87 圖4.38 複合氣動系統控 制策略流程圖 92 圖4.39 複合氣動系統控制策略流程圖(續) 93 圖A.1 引擎動力測試平台實體圖 102 圖A.2 四行程125cc引擎性 能曲線圖 103 圖A.3 四行程125cc引擎制動燃油消耗率圖 103 圖A.4 引擎廢氣中CO含量圖 104 圖A.5 引擎廢氣中HC含量圖 104 表目錄 表2.1 各種空壓馬達的比較 20 表3.1 匯流裝置模擬設定 40 表4.1 各點壓力數值偵測(管徑未調整/5bar) 54 表4.2 各點溫度數值偵測(管徑未調整/5bar) 55 表4.3 各點速度數值偵測(管徑未調整/ 5bar) 56 表4.4 各點壓力數值偵測(管徑未調 整/10bar) 57 表4.5 各點溫度數值偵測(管徑未調整/10bar) 58 表4.6 各點速度數值偵測(管徑未調整/10bar) 59 表4.7 各點壓力 數值偵測(管徑調整6mm/5bar) 60 表4.8 各點溫度數值偵測(管徑調整6mm/5bar) 61 表4.9 各點速度數值偵測(管徑調
整6mm/5bar) 62 表4.10 各點壓力數值偵測(管徑調整6mm/10bar) 63 表4.11 各點溫度數值偵測(管徑調整6mm/10bar) 64 表4.12 各點速度數值偵測(管徑調整6mm/10bar) 65 表4.13 各點壓力數值偵測(管徑調整12mm/5bar) 66 表4.14 各點溫度數值 偵測(管徑調整12mm/5bar) 67 表4.15 各點速度數值偵測(管徑調整12mm/5bar) 68 表4.16 各點壓力數值偵測(管徑調
整12mm/10bar) 69 表4.17 各點溫度數值偵測(管徑調整12mm/10bar) 70 表4.18 各點速度數值偵測(管徑調整12mm/10bar) 71 表4.19 各點壓力數值偵測(管徑調整18mm/5bar) 72 表4.20 各點溫度數值偵測(管徑調整18mm/5bar) 73 表4.21 各點速度數值 偵測(管徑調整18mm/5bar) 74 表4.22 各點壓力數值偵測(管徑調整18mm/10bar) 75 表4.23 各點溫度數值偵測(管徑調 整18mm/10bar) 76 表4.24 各點速度數值偵測(管徑調整18mm/10bar) 77
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