汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻系统及方法

1.本发明涉及汽车尾气利用技术领域与主动流动控制技术领域，尤其是一种汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻系统及方法。


背景技术：

2.现代社会，汽车几乎是人类出行必不可少的工具，随着汽车数量逐年增多，汽车总耗能显著增加，同时其带来的尾气污染也是城市大气污染的主要来源。因此汽车节能减排一直是一个极具意义的重大社会问题，同时也是汽车领域研究的重点和热点。尽管国内外专家总结提出了许多创新性节能减排方案，包括汽车整车节能技术、汽车发动机节能技术、汽车机内污染物净化技术以及汽车机外污染物净化技术等，但总结而言，汽车仍然存在尾气能量损耗严重以及汽车阻力难以减小等关键问题。


技术实现要素：

3.本发明提供一种汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻系统及方法，用于克服现有技术中尾气能量损耗严重以及汽车阻力难以减小等缺陷。
4.为实现上述目的，本发明提出一种汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻的系统，所述系统由尾气废热温差发电模块以及主动流动控制减阻模块组成；
5.尾气废热温差发电模块，用于利用流经的汽车尾气的热能进行温差发电，得到的电能用于支持所述主动流动控制减阻模块以及汽车其他用电系统的工作；
6.主动流动控制减阻模块，包括若干自持式合成双射流激励器和激励器驱动电源，以流经所述尾气废热温差发电模块的汽车尾气为气源，用于抑制汽车尾部分离区流场以实现减阻。
7.为实现上述目的，本发明还提出一种汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻的方法，利用上述所述减阻系统进行汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻。
8.与现有技术相比，本发明的有益效果有：
9.本发明提供的汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻系统由尾气废热温差发电模块以及主动流动控制减阻模块组成，尾气废热温差发电模块利用汽车尾气中的热能，通过温差发电将其转换为可使用的电能，所得电能可为主动流动控制减阻模块提供电能；主动流动控制减阻模块以汽车尾气为气源，利用自持式合成双射流激励器来抑制汽车尾部分离区流场以实现减阻。本发明提供的减阻系统无需额外提供能量和气源，就能低碳、环保、高效的同时实现对汽车尾气的综合利用和自适应流动控制减阻。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
11.图1为汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻系统结构图；
12.图2为尾气废热温差发电模块结构图；
13.图3为控制子模块的示意图；
14.图4a为采用传统闭环pid控制下的汽车尾部流场仿真结果；
15.图4b为采用本发明的控制子模块控制下的汽车尾部流场仿真结果；
16.图5为采用本发明提供的汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻系统控制前、后汽车尾部流场风洞试验结果。
17.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
20.本发明提出一种汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻系统，如图1和图2所示，由尾气废热温差发电模块以及主动流动控制减阻模块组成；
21.尾气废热温差发电模块，用于利用流经的汽车尾气的热能进行温差发电，得到的电能用于支持所述主动流动控制减阻模块以及汽车其他用电系统的工作；
22.主动流动控制减阻模块，包括若干自持式合成双射流激励器和激励器驱动电源，以流经尾气废热温差发电模块的汽车尾气为气源，用于抑制汽车尾部分离区流场以实现减阻。
23.在其中一个实施例中，尾气废热温差发电模块由若干赛贝克片、集热翅片与散热翅片组成；
24.集热翅片，布置在所述赛贝克片与汽车尾气通道之间，用于收集汽车尾气中的热量并传导给赛贝克片；
25.赛贝克片，一端布置集热翅片，另一端布置散热翅片，用于实现热能向电能的转换；
26.散热翅片，通过与空气对流实现赛贝克片的散热。
27.在另一个实施例中，赛贝克片型号为tehp1-12730h；各赛贝克片之间采用串联方式，通过螺纹或胶粘连接；集热翅片加工成矩形排列方式，材料为铝合金；散热翅片加工成矩形排列方式，材料为铝合金；赛贝克片与散热翅片之间通过螺纹或胶粘连接。
28.在下一个实施例中，自持式合成双射流激励器为带开口的单膜双腔结构，膜片采用pzt压电振子，通过膜片在腔体内振动压缩腔体产生射流。
29.在另一个实施例中，自持式合成双射流激励器的腔体分上、下两个腔体，上、下两个腔体间通过燕尾槽实现密封，汽车尾气通过自持增压口进入上、下两个腔体以对腔体内
的气体升温增压，以进一步增强形成的射流强度，从而抑制汽车尾部分离区流场。
30.在某个实施例中，主动流动控制减阻模块由4个自持式合成双射流激励器组成，其中2个自持式合成双射流激励器安装在汽车尾部上侧，另外2个分别安装在汽车尾部左、右两侧；4个自持式合成双射流激励器的射流方向为切向45度，均指向汽车尾部分离区。实际使用时可根据具体需要增加或减少自持式合成双射流激励器的数量或改变安装位置。
31.在下一个实施例中，主动流动控制减阻模块还包括控制子模块，用于控制所述自持式合成双射流激励器。
32.在某一个实施例中，控制子模块由pid自校正控制器、汽车流体动力学单元以及rbf神经网络辨识单元组成，汽车流体动力学单元包括合成双射流与汽车流场耦合动力学系统，如图3所示，采用rbf神经网络辨识单元对减阻系统进行实时辨识，并利用辨识结果对pid自校正控制器中增量式pid算子进行实时更新，保证减阻系统具有良好的快速性、准确性、稳定性，相比于其他传统控制框架，本发明采用局部精度极高的rbf神经网络进行实时辨识，不仅避免了离线建模的低精度问题，更为实现实时精准控制提供了有力依据。图3中r为系统目标；u为合成双射流的系统控制参数；y为监测得到的阻力值；ym为rbf神经网络辨识单元中rbf神经网络模型预测得到的阻力值。
33.所述pid自校正控制器采用增量式pid控制算法，如下：
34.δu(k)＝k
p
(k-1)x
c1
(k)+ki(k-1)x
c2
(k)+kd(k-1)x
c3
(k)
35.式中，k
p
，ki，kd为pid调节算子；
36.pid参数为：u(k)＝u(k-1)+δu(k)；
37.取性能指标函数为：以ec(k)最小化为优化目标，采用梯度下降法调整pid参数；
38.采用rbf神经网络辨识单元对汽车流体动力学单元进行实时辨识，取rbf神经网络辨识单元中的输入为减阻系统的多步输入输出，则有：
[0039][0040]
对比传统闭环pid控制以及上述本发明提供的控制子模块，流场对比结果如图4a和图4b所示。在施加控制0.05s后，闭环pid控制使阻力系数下降为0.71，本发明自适应控制使阻力系数下降为0.68，说明本发明自适应控制可以使汽车阻力更快降低至目标值，具有更好的快速性。
[0041]
图5展示了将本发明中减阻系统应用于汽车模型的风洞试验结果，在减阻系统关闭即无控制时，汽车尾部存在较大的分离区，此时汽车的阻力系数较大，而在减阻系统开始工作后，汽车尾部分离区被显著抑制，汽车阻力系数也相应减小。
[0042]
影响汽车油耗的因素大致包括车辆自身因素以及汽车车速、道路条件和交通状况等方面。本发明不考虑道路条件和交通状况的影响，采用百公里燃油消耗量作为评价采用本发明系统控制前后改善情况的重要指标，在尽可能吻合实际驾驶的前提下，着重考虑风阻系数对汽车燃油经济性的影响。
[0043]
选用计算公式如下所示，该公式包含速度的平方项和倒数项，更接近于实际情况：
[0044][0045]
式中：q为汽车模型的百公里油耗(l/100km)，cd为汽车阻力系数，v为汽车速度(m/s)，a，b，c为回归参数，其中a＝0.022，b＝156.85，c＝1.77。
[0046]
来流速度为15m/s，即54km/h，未施加控制时阻力系数为0.75，代入公式计算得百公里预测油耗约15.94l/100km。施加控制后，阻力系数降低为0.59，百公里预测油耗为15.15l/100km，节能效果初步显现出来，但是由于车速较小，来流速度较低对应的最优合成双射流流速较小，控制能力有限，阻力系数降低较少。随着车速提高，以阻力最小为优化目标，采用遗传算法对控制参数进行优化，得到20m/s、25m/s、30m/s速度下所能达到的最小阻力系数为0.56、0.58、0.59，由表1可见，节能效果随车数提高后显著提升。随着车速增大，风阻在汽车行驶中的损失占比逐渐提升，即使随着速度增加风阻也逐渐增加，但合成双射流的控制效率也随之提升，进而可提升节能效率。
[0047]
表1流动控制减阻节能效果展示
[0048][0049]
本发明还提出一种汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻的方法，利用上述所述减阻系统进行汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻。
[0050]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻系统，其特征在于，所述系统由尾气废热温差发电模块以及主动流动控制减阻模块组成；尾气废热温差发电模块，用于利用流经的汽车尾气的热能进行温差发电，得到的电能用于支持所述主动流动控制减阻模块以及汽车其他用电系统的工作；主动流动控制减阻模块，包括若干自持式合成双射流激励器和激励器驱动电源，以流经所述尾气废热温差发电模块的汽车尾气为气源，用于抑制汽车尾部分离区流场以实现减阻。2.如权利要求1所述的减阻系统，其特征在于，所述尾气废热温差发电模块由若干赛贝克片、集热翅片与散热翅片组成；集热翅片，布置在所述赛贝克片与汽车尾气通道之间，用于收集汽车尾气中的热量并传导给赛贝克片；赛贝克片，一端布置集热翅片，另一端布置散热翅片，用于实现热能向电能的转换；散热翅片，通过与空气对流实现赛贝克片的散热。3.如权利要求2所述的减阻系统，其特征在于，赛贝克片型号为tehp1-12730h；各赛贝克片之间采用串联方式，通过螺纹或胶粘连接；集热翅片加工成矩形排列方式，材料为铝合金；散热翅片加工成矩形排列方式，材料为铝合金；赛贝克片与散热翅片之间通过螺纹或胶粘连接。4.如权利要求1所述的减阻系统，其特征在于，所述自持式合成双射流激励器为带开口的单膜双腔结构，膜片采用pzt压电振子，通过膜片在腔体内振动压缩腔体产生射流。5.如权利要求1或4所述的减阻系统，其特征在于，所述自持式合成双射流激励器的腔体分上、下两个腔体，上、下两个腔体间通过燕尾槽实现密封，汽车尾气通过自持增压口进入上、下两个腔体以对腔体内的气体升温增压，以进一步增强形成的射流强度，从而抑制汽车尾部分离区流场。6.如权利要求1所述的减阻系统，其特征在于，所述主动流动控制减阻模块由4个自持式合成双射流激励器组成，其中2个自持式合成双射流激励器安装在汽车尾部上侧，另外2个分别安装在汽车尾部左、右两侧；4个自持式合成双射流激励器的射流方向为切向45度，均指向汽车尾部分离区。7.如权利要求1所述的减阻系统，其特征在于，所述主动流动控制减阻模块还包括控制子模块，用于控制所述自持式合成双射流激励器。8.如权利要求7所述的减阻系统，其特征在于，所述控制子模块由pid自校正控制器、汽车流体动力学单元以及rbf神经网络辨识单元组成；所述pid自校正控制器采用增量式pid控制算法，如下：δu(k)＝k
p
(k-1)x
c1
(k)+k
i
(k-1)x
c2
(k)+k
d
(k-1)x
c3
(k)式中，k
p
，k
i
，k
d
为pid调节算子；pid参数为：u(k)＝u(k-1)+δu(k)；取性能指标函数为：以e
c
(k)最小化为优化目标，采用梯度下降法调整pid参数；采用rbf神经网络辨识单元对汽车流体动力学单元进行实时辨识，取rbf神经网络辨识
单元中rbf神经网络的输入为减阻系统的多步输入输出，则有：9.一种汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻的方法，其特征在于，利用权利要求1～8任一项所述减阻系统进行汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻。

技术总结
本发明公开一种汽车尾气能量综合利用与自适应流动控制减阻系统及方法，该减阻系统由尾气废热温差发电模块以及主动流动控制减阻模块组成，尾气废热温差发电模块利用汽车尾气中的热能，通过温差发电将其转换为可使用的电能，所得电能可为主动流动控制减阻模块提供电能；主动流动控制减阻模块以汽车尾气为气源，利用自持式合成双射流激励器来抑制汽车尾部分离区流场以实现减阻。本发明提供的减阻系统无需额外提供能量和气源，就能低碳、环保、高效的同时实现对汽车尾气的综合利用和自适应流动控制减阻。动控制减阻。动控制减阻。


技术研发人员：谢玮 罗振兵 赵志杰 康赢 周岩 刘强 赵朦
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/5/26