摘 要

随着石油的消耗和环境问题的愈演愈烈，天然气汽车进入到人们的视野，但是其面临充气时间长和充气能耗大的问题。针对这一问题本文采用瞬时建模方法对双模NGV进行建模，建立了充气时间和能耗的目标函数。然后使用计算平台MATLAB和贪婪算法来解决问题。通过选择各气缸之间最小的压力比来选择压缩气缸的位置。气缸位置又实现了缩短充气时间和降低能耗的目的。所得结果对优化充气过程具有重要的指导意义。

本文主要研究基于贪婪算法的单缸多级压缩系统的时间和能量优化问题。本文主要做了以下几方面的工作：

1. 建立了天然气汽车充气模型。分别建立了压缩气缸模型，气阀模型，储气罐模型，并整合成了完整的充气过程。
2. 对天然气充气时间进行了优化。本文基于贪心算法，通过MATLAB平台对天然气充气时间进行了优化计算，并成功缩短了充气时间。
3. 对天然气充气能耗进行了优化。本文基于贪心算法，通过MATLAB平台对天然气充气能耗进行了优化计算，并成功降低了充气能耗。

关键词:贪心算法；双模NGV；压缩气缸位置；充气时间和能耗

Abstract

As oil consumption and environmental problems intensify, natural gas vehicles enter people's field of vision, but they face the problem of long inflation time and high energy consumption. To solve this problem,In this dissertation, the instantaneous modeling method is used to model the dual-mode NGV, and the objective function of the inflation time and energy consumption is established. Then use the computing platform MATLAB and the greedy algorithm to solve the problem. The position of the compression cylinder is selected by selecting the minimum pressure ratio between the cylinders. The cylinder position also achieves the purpose of shortening the charging time and reducing the energy consumption. The obtained results have important guiding significance for optimizing the aeration process.

This paper mainly studies the time and energy optimization of single-cylinder multi-stage compression system based on greedy algorithm. This article mainly does the following work:

(1) Established a natural gas vehicle inflation model. Compressed cylinder models, gas valve models, gas tank models were built and integrated into a complete aeration process.

(2) The natural gas inflation time was optimized. Based on the greedy algorithm, this paper optimizes the natural gas inflation time through the MATLAB platform and successfully shortens the inflation time.

(3) The gas consumption of natural gas is optimized. Based on the greedy algorithm, this paper optimizes the natural gas charging energy consumption through the MATLAB platform and successfully reduces the gas energy consumption.

Key Words：greedy algorithm; dual mode NGV; position of compression cylinder; inflation time and energy consumption

目录

第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2国内外研究现状 2

1.3 基本内容及技术方案 3

1.3.1基本内容 3

1.3.2基本内容 3

第2章 充气工作过程建模及计算分析 4

2.1问题分析 4

2.2双模NGV模型确定 4

2.3充气过程数学建模及验证 5

2.3.1压缩气缸模型 6

2.3.2气阀模型 7

2.3.3储气罐模型 8

2.3.4能耗模型 8

2.3.5模型的验证与完善 8

2.3.6 计算条件 10

2.4未优化充气时间计算 12

2.5本章总结 13

第3章 基于贪心算法对充气过程时间的优化 14

3.1 问题分析及模型建立 14

3.1.1模型的建立 15

3.1.2目标函数的建立 15

3.2 贪心算法在充气过程中的应用及实现 15

3.2.1 贪心算法 15

3.2.2 明确问题的求解目标 17

3.2.3 分析问题所包含约束条件 17

3.2.4 建立优化函数 18

3.2.5 制定贪婪准则 18

3.2.6 贪心算法流程图 20

3.3 结论分析 21

3.4本章小结 21

第4章 基于贪心算法对充气过程能耗的优化 22

4.1 问题分析 22

4.2 目标函数的建立 22

4.3 贪心算法流程图 22

4.4 结论分析 24

4.5 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

5.1总结 25

5.2展望 25

第1章 绪论

概述

在过去的两三年里，中国商用天然气汽车的销量迅速增长，主要是因为其使用成本相对较低^[1]。以重型卡车为例,虽然重型天然气卡车的价格比普通重型柴油卡车高出大概三成,但它天燃气的成本要比柴油车低30％ - 40％这使得许多重卡客户对重型天然气卡车青睐。从2014年10月至今，包括油价大幅下跌和天然气价格持续上涨，商用天然气汽车的优势逐渐减少，尤其是重型天然气卡车的销售在没有达到市场预期的情况下大幅下降。使用天然气汽车有许多优点。

第一点就是我国的天然气资源丰富，储存有大量天然气，并且探测技术先进，未来天然气储量还会不断增长。其次，使用天然气更经济，与传统石油相比，天然气的C.H比更高，同等条件下其能够释放更多热量，也就是说天然气更便宜。另外，使用天然气更环保，石油燃烧会产生很多的碳的不完全燃烧产物，硫的氧化物，甲烷等温室气体，对大气产生污染。而相比之下，天然气的燃烧产物多是二氧化碳，以及含量较低的C.H化合物，对环境比较友好。

2015年1月至9月，CNG乘用车（Compressed Natural Gas）的销量为10,818辆，而2014年前三季度为13,601辆，下降了20.46％。 2015年1月至9月，CNG巴士超过13601辆。 2015年同期，售出10,818辆汽车，少2,783辆，下降20.46％，成为2015年1月至9月乘用车市场放缓的重要因素。

表1.1 2013-2017年中国汽车保有量变化图

从中国天然气汽车的发展趋势来看，到2020年，预计中国的汽油车数量将首次突破千万，其中液化天然气汽车将达到40万至50万辆，占当年全国汽车保有量的5%以上，液化天然气加气站将大幅度增加。彼时，中国的汽油和公共汽车将占总量的50％以上，液化天然气重型货车预计将增加到30％以上。

作为汽车燃料，天然气是最受欢迎的汽车燃料之一，它具有资源丰富，成本低，燃烧排放低的优点^[2]。在这个阶段，天然气是满足工业发展对能源的高需求的理想替代燃料。同时，它可以解决住宅燃料和运输燃料的短缺和高污染等诸多问题。政府也在积极鼓励汽油车。它的发展可以满足那些期望发动机替代燃料的人的期望。研究人员预测，天然气将在21世纪的许多能源中发挥重要作用，作为汽车燃料越来越受到重视，天然气汽车将宣布黄金发展的到来。然而，目前限制天然气车辆发展的问题主要反映在发动机的低功率和不完全气体填充系统中^[3]。其中一个主要问题是加油站建设的延误，特别是天然气加油站的分配延迟。间隙可能导致诸如车辆加油不方便和低效的问题。 CNG双模式发动机将多缸发动机的一个或多个汽缸转换成压缩汽缸，并且使用通常用作动力源的汽缸，让天然气汽车从管道加注私人天然气成为可能^[4]。本课题旨在双模NGV充气方法基础上寻求一种缩短充气时间和减少能耗的优化计算。

1.2国内外研究现状

1. 国内研究现状

中国的NGV探索始于20世纪60年代，在20世纪80年代后期，中国对NGV进行了广泛而详细的调查。 那时，从新西兰的天然气汽车进口了一批改装零件。 从那时起，天然气汽车在中国迅速发展。 天然气公交车首先在中国的许多城市使用，并取得了良好的效果。 中国的发展相对较快，但天然气发动机技术与国外仍有很多差距。 目前，许多中国学者和公司从事发动机研发，逐步消除对外国技术的依赖。

2000年，吉林大学改造了直喷式柴油机，实现柴油点火CNG的燃烧，并对燃烧特性进行了初步的实验研究^[5]。 然后，四川工业大学对柴油发动机进行了一系列改造，并将其变成了CNG点火发动机^[6]。 武汉理工大学将增压柴油发动机改造为单点电控柴油/ CNG双燃料发动机，但一般工况下的天然气替代率约为50％左右^[7]。

截至2017年年底，中国天然气汽车保有量为608万辆，加气站保有量达8400座，均居世界首位。据统计显示，我国天然气探明储量由2010年底的3.8万亿立方米增长至2016年底的5.4万亿立方米^[8]。

（2）国外研究现状

在20世纪30年代早期，第一个NGV出现在意大利，并开始研究NGV^[9] 。然而，在过去的半个世纪中，NGV的发展停滞不前，无法达到预期的效果; NGV发展的最大障碍是当时制造技术的局限，电子控制行业的发展。和天然气开采。少量和其他因素不会受到这个问题的困扰。

随着全球石油危机在19世纪80年代的来临，许多科学家试图用新型能源来替代石油，以减轻资源紧张的压力，即改变汽车天然气的研究方向。电子控制方向的技术进步使NGV得以高速发展，满足了环境保护和经济适用性的各种要求。美国的底特律柴油机公司已将电子控制气缸中的天然气喷射系统应用于改进的双燃料发动机^[10]。日本本田开发了一种改进汽油发动机的专用CNG发动机，增加了带电子控制多点输入的顺序喷射系统^[11][12]，并在低速时改进了进气歧管和排气系统。与原始汽油发动机相比，最大性能大于原汽油发动机。

1.3 基本内容及技术方案

1.3.1基本内容

本文主要进行双模NGV充气方法的研究，旨在缩短充气时间。为今后天然气汽车的普及奠定基础。研究内容主要包括：

1. 建立数学模型。根据天然气充气过程，可分为缸内，进排气阀，储罐。分别建立缸内模型，进排气阀模型和储罐模型，将天然气管道、车载储罐与充气气缸形成通路，能根据需要进行多次压缩以达到车载CNG储罐的压力要求。

（2）建立目标函数，利用MATLAB软件对充气过程方程组进行计算和求解，分析充气过程各参数变化特征。

（3）利用贪心算法计算。通过改变储罐位置和储罐目标压力模拟充气过程，再利用贪心算法计算充气时间和能耗，进而对系统进行优化。

1.3.2基本内容

在确定了研究的基本内容以及国内外的研究现状后，需要构建一种数学模型来对天然气汽车的充气过程进行分析。在查阅了相关文献报告后，准备分别建立缸内模型，进排气阀模型和储罐模型。

在所有模型建立完成后，对其进行连接，随后利用MATLAB对函数进行求解，最后利用贪心算法求最优解。

第2章 充气工作过程建模及计算分析

2.1问题分析

在节能减排的大背景下，NGV获得较大的发展空间，但供气体系不完善仍限制着NGV的普及和推广。目前国内外已经有相关的解决技术，但其实际应用却存在一定的局限性，主要是加气站太少，城市尚可推广，但在广大城乡实施较为困难，而且燃气运输贮存要求高于燃油，同时燃气热值也低于燃油，气瓶容量有限，续驶里程低于燃油。已有的充气装置可以从家用天然气管道取气进行压缩实现NGV的燃料加注，但该类产品在占地面积、加气时间和价格方面有各自特点，小型设备体积小但加气时间长，大型设备加气快但占地面积较大并且价格昂贵。在这种情况下，研究天然气汽车的充气过程，并对充气系统进行优化就显得极为重要。

2.2双模NGV模型确定

天然气作为一种汽车燃料因其自身相对优势具有推广价值，但目前天然气汽车发展受阻，原因之一就是充气体系不完善——我国CNG加气站建设滞后且站点布局不能较好的满足天然气汽车用户的需求。虽然目前已有多种家用天然气充气设备，然而由于其产品的局限性并不能直接解决天然气汽车充气困难这一问题。CNG双模发动机具有一种新的充气模式，能有效规避上述局限性。本章建立了天燃气充气模型，并用MATLAB对越级压缩这一充气方式进行了计算。

1）储罐及管路系统：根据天然气初始压力和储罐目标压力的要求以及天然气压缩，得出储罐数量为四时，既能满足充气要求，又能节省空间。即可建立如图2-1所示的A、B、C、三级增压储罐以及管路阀门系统。