Resumen

Se propone un nuevo motor de aire comprimido sin levas, que puede hacer que la energía del aire comprimido se distribuya razonablemente. Mediante el análisis del motor de aire comprimido sin levas, se estableció un modelo matemático de los procesos de trabajo. Utilizando el software MATLAB/Simulink para la simulación, se obtuvieron la presión, la temperatura y la masa de aire del cilindro. Para verificar la exactitud del modelo matemático, se llevaron a cabo los experimentos. Además, se introdujo el análisis de rendimiento para diseñar el motor de aire comprimido. Los resultados muestran que, en primer lugar, los resultados de la simulación tienen una buena consistencia con los resultados experimentales. En segundo lugar, bajo diferentes presiones de admisión, la mayor potencia de salida se obtiene cuando la velocidad del cigüeñal alcanza las 500 rpm, lo que también proporciona el máximo par de salida. Por último, se puede obtener una mayor eficiencia de utilización de la energía a menor velocidad, presión de admisión y ángulo de duración de la válvula. Esta investigación puede referirse al diseño de la válvula sin levas del motor de aire comprimido.

1. Introducción

Los problemas ambientales como la niebla, la bruma, el efecto invernadero y las lluvias ácidas han sido ampliamente preocupantes. La quema de combustibles fósiles en motores de combustión interna (ICE) para el transporte es la principal fuente de problemas ambientales . Las nuevas fuentes de energía, como el viento, la energía solar o el aire comprimido, que pueden sustituir a los combustibles fósiles, son una solución obvia para resolver los problemas medioambientales. Con respecto a la protección del medio ambiente, se ha hecho hincapié en la cuestión del gasto energético. Algunos estudiosos creen que los automóviles tradicionales serán sustituidos por vehículos de nueva energía en el futuro. Hasta ahora, hay algunos vehículos de nueva energía, a saber, vehículos eléctricos, vehículos eléctricos híbridos, motores de aire comprimido (CAE), etc. El CAE es el producto típico de los vehículos de contaminación cero, que ha sido estudiado por muchos académicos e instituciones.

Para garantizar un funcionamiento suave y una respuesta rápida, el flujo de aire se controla mediante un simple mecanismo de levas en muchos sistemas CAE . Los trenes de válvulas mecánicos convencionales suelen utilizar tiempos y elevaciones de válvulas que se fijan en función del diseño del mecanismo de levas. La falta de flexibilidad de los trenes de válvulas basados en el árbol de levas para variar la sincronización, la duración y la elevación de las válvulas de admisión es una de las desventajas. Dado que el CAE realiza el trabajo mecánico mediante la expansión del aire comprimido, el flujo de aire comprimido debe ser controlado para mejorar la eficiencia energética. Es obvio que el mecanismo de levas es difícil de satisfacer la demanda. Con el fin de optimizar la eficiencia energética, las técnicas de la válvula de admisión variable se han utilizado en el CAE .

Las técnicas de la válvula de admisión variable tienen el potencial de ser ampliamente utilizado en los motores de combustión interna para reducir las pérdidas de energía y el consumo de combustible . Los estudios anteriores se han centrado principalmente en las simulaciones y las integraciones de sistemas basados en la válvula de mecanismo de leva. Pocos estudios se han reportado sobre las investigaciones de la válvula de admisión variable en CAE.

Este trabajo se centra en las influencias sobre el rendimiento de la CAE por la elevación de la válvula de admisión variable y la duración. Así, se construyen modelos matemáticos detallados para describir el proceso de trabajo y se verifican mediante experimentos. Este trabajo está organizado de la siguiente manera. En la Sección 2, se discuten los modelos matemáticos detallados. En la Sección 3, se obtienen y comparan los resultados de la simulación y de los experimentos reales para verificar la exactitud de los modelos teóricos. En la Sección 4, se analizan las influencias en el rendimiento del CAE por la elevación y la duración de la válvula de admisión variable. Finalmente, las conclusiones se presentan en la sección 5.

2. Análisis teórico

Para entender el proceso de funcionamiento del CAE, necesitamos estudiar el proceso dentro del cilindro, que se ilustra en la figura 1. El depósito de gas proporciona la fuente de energía. La presión de admisión es regulada por la unidad de control de presión. El flujo de aire es controlado por la válvula solenoide. Hay principalmente tres componentes: el cilindro, las válvulas y el tanque. A continuación, construimos estos modelos basándonos en la termodinámica y la cinemática del pistón. Para un CAE de tipo pistón de una etapa, el aire comprimido entra en el cilindro a través de la válvula de admisión y el pistón es empujado por el aire comprimido. A continuación, la válvula de admisión se cierra después de un determinado ángulo de giro del cigüeñal, mientras que el aire comprimido sigue empujando el pistón hacia abajo y produciendo trabajo. Cuando el pistón alcanza el punto muerto inferior (BDC), la válvula de escape se abre para que el aire con presión residual se descargue. El pistón se mueve desde el PMI hasta el punto muerto superior (PMS); el CAE completa un ciclo de trabajo.

2.1. Flujo de válvulas

Debido a que el efecto de estrangulamiento de la válvula de admisión o de escape representa las pérdidas de energía, el flujo de válvulas es crítico para el CAE. El flujo de la válvula se considera como un flujo isentrópico unidimensional.

Si , el caudal másico está dado por

Si , el flujo está estrangulado, y el caudal másico está dado pordonde está la velocidad del sonido de estancamiento aguas arriba.

El área de flujo de la válvula está representada por , que puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

La relación entre el área de flujo de la válvula y la elevación de la válvula está definida por la siguiente ecuación:

El factor de escala «» está definido pordonde es el área máxima de flujo de la válvula.

Podemos caracterizar el movimiento de la válvula sin leva por el ángulo (o apertura) , la elevación máxima y la duración de cada válvula de admisión. Para simplificar, el modelo de perfil de elevación de las válvulas de admisión y escape sin levas se presenta mediante las siguientes ecuaciones:donde y se fijan en el dominio del tiempo. Una transformación de coordenadas al dominio del ángulo del cigüeñal da como resultado diferentes perfiles de válvulas a diferentes velocidades del motor. El perfil de elevación de la válvula se muestra en la Figura 2.

2.2. Proceso en el cilindro

El contenido del cilindro es un proceso de intercambio de energía. La presión y la temperatura del aire comprimido en el interior del cilindro se calculan mediante un balance energético global:donde es la tasa de energía interna del aire en el interior del cilindro, es la tasa de calor transferida desde la pared del cilindro al contenido del mismo, y es la tasa de trabajo realizado por el sistema abierto (que es igual a ).

La energía interna del aire puede expresarse comodonde ,

Sustituyendo (9) en (8) se obtienedonde , ,

La tasa de cambio de presión dentro del cilindro se obtiene por la ley de los gases ideales:

2.3. Transferencia de calor

Para evaluar la interacción térmica instantánea entre el contenido del cilindro, es necesario definir el coeficiente de transferencia de calor. Según la literatura , suponiendo que la velocidad del gas es proporcional a la velocidad media del pistón , el coeficiente de transferencia de calor puede expresarse con la siguiente ecuación:

La velocidad media del pistón puede expresarse con la siguiente ecuación:

La transferencia de calor correspondiente esen la superficie total puede expresarse con el ángulo del cigüeñal como sigue:

2.4. Fricción del anillo del pistón

El elemento diferencial del trabajo de fricción para el anillo de compresión puede expresarse comodonde es la carrera del pistón a través de la cual actúa esta fuerza.

Esta expresión se integra a lo largo de un ciclo completo del motor para tener en cuenta el trabajo perdido por la fricción, que luego se resta del trabajo neto del ciclo.

3. Simulación y validación experimental

3.1. Simulación del CAE

Las características de funcionamiento del CAE se determinan mediante el análisis teórico mencionado en la sección 2. Las ecuaciones diferenciales no lineales y acopladas se modelan en MATLAB/Simulink. La tabla 1 muestra los valores iniciales de los parámetros.

Las figuras 3(a), 3(b) y 3(c) muestran los resultados de la simulación. La presión del aire del cilindro se muestra en la Figura 3(a), la temperatura del aire del cilindro se traza contra el ángulo del cigüeñal en la Figura 3(b), y la Figura 3(c) representa el flujo de masa de aire de la curva del cilindro.

Como se muestra en la figura 3, la presión, la temperatura y la masa dentro del cilindro del CAE cambian periódicamente. La válvula de admisión se abre cuando el pistón alcanza el TDC; el aire comprimido del tanque de alta presión fluye rápidamente hacia el cilindro. La presión dentro del cilindro aumenta rápidamente hasta la presión de admisión. Mientras tanto, la masa y la temperatura dentro del cilindro aumentan. Cuando la tasa de flujo de masa es menor que la tasa de volumen del cilindro, la presión del cilindro cae drásticamente. Mientras tanto, el aire comprimido dentro del cilindro se expande y hace que la temperatura del cilindro baje de su pico.

El aire comprimido ya no fluye hacia el cilindro, cuando la válvula de admisión se cierra. En este momento, el flujo de masa de aire cae a cero. El pistón es empujado hasta el punto muerto en función de la expansión del aire comprimido en el interior del cilindro. La temperatura y la presión dentro del cilindro caen drásticamente.

La válvula de escape se abre cuando el pistón llega al PMI. El residuo comprimido dentro del cilindro es descargado, y la masa dentro del cilindro disminuye desde su parte superior. Mientras tanto, la temperatura y la presión en el interior del cilindro caen a sus fondos.

El proceso anterior se repite y la potencia mecánica puede ser la salida de forma continua.

De acuerdo con la Figura 3(b), la temperatura del cilindro alcanza 240 K que puede experimentar la formación de hielo, por lo que el intercambio de calor debe ser utilizado.

3.2. Verificación experimental

Los experimentos se realizaron para verificar la exactitud del modelo matemático. El aparato experimental se muestra en la Figura 4, que consiste en un tanque de alta presión, un regulador (IR3020-03BC), un tanque de baja presión, una válvula de mariposa (AS3001F), dos válvulas solenoides de puerto, un motor refit con los parámetros básicos mostrados en la Tabla 2, una tarjeta de adquisición de datos (PCI1711) de Advantech, un sensor de desplazamiento angular absoluto y un controlador lógico de programa (PLC) de Siemens. En el experimento, un motor de gasolina de 4 tiempos fue reformado a un motor de aire comprimido por el puerto de admisión y la válvula solenoide del puerto de escape. Las especificaciones del motor se muestran en la Tabla 2.

En este experimento, en primer lugar, la fuente de aire comprimido funcionaba y la presión de salida del regulador se ajustaba al valor fijo. En segundo lugar, el tanque de baja presión mantuvo la presión después de un período de tiempo, a continuación, ajustar la válvula de mariposa que puede dejar que el aire comprimido agotado de manera constante desde el tanque. Las válvulas solenoides del puerto de admisión y del puerto de escape fueron controladas por el PLC con el ángulo del eje que fue detectado por el valor absoluto del sensor angular. La válvula solenoide del puerto de admisión se abría cuando el pistón alcanzaba el TDC y se cerraba por completo en el ángulo del cigüeñal. Entonces, el aire comprimido dentro del cilindro se expande. Durante este proceso, el solenoide del puerto de escape permaneció cerrado, y el pistón fue empujado desde el TDC hacia el BDC por el aire comprimido entrante, produciendo la carrera de potencia. La electroválvula de escape se abrió cuando el pistón llegó al PMI. Durante el proceso, la válvula solenoide de admisión permaneció cerrada. El aire comprimido en el interior del cilindro se descargaba del mismo, y el pistón se desplazaba desde el PMI hacia el PMD. El ángulo del cigüeñal se midió mediante el valor absoluto del sensor de desplazamiento angular. La última etapa fue la adquisición y el almacenamiento de datos.

El banco de pruebas se construye como se muestra en la figura 5. Los principales parámetros del cilindro se presentan en la Tabla 2.

Como se muestra en la Figura 6, la tendencia de la curva de simulación es consistente con la tendencia de la curva experimental, y el modelo matemático anterior puede ser verificado. Sin embargo, hay tres diferencias entre los resultados de la simulación y los experimentales: (1) la presión máxima es diferente; (2) la curva experimental está desplazada hacia atrás con respecto a la curva de simulación; (3) el valor de la presión de escape del experimento es mayor que el valor de la presión de escape de la simulación.

Las principales razones de las diferencias se resumen como sigue. Considerando la pequeña área efectiva de flujo en el solenoide de admisión, el efecto de estrangulamiento será bastante evidente. Mientras tanto, cada válvula de solenoide experimenta un retraso en el movimiento, pero el tiempo de retardo es diferente bajo diferentes situaciones. En este trabajo, la simulación se basa en la suposición de que el tiempo de retardo es constante para simplificar. Por lo tanto, la curva de presión del experimento está desplazada hacia atrás a la curva de simulación. Y cuando el flujo de masa de aire de escape es menor que la tasa de volumen del cilindro, la presión dentro del cilindro aumentará durante el proceso de escape.

Las curvas de experimento y simulación del par de salida se muestran en la Figura 7. Es evidente que las curvas experimentales y de simulación tienen tendencias similares. Ambas curvas de par de salida disminuyen cuando la velocidad de rotación aumenta. Pero la pérdida de aceleración no se considera en el proceso de simulación, por lo que el par de salida en la simulación es mayor que el valor del experimento a diferentes velocidades del cigüeñal. Es obvio que las diferencias entre los resultados experimentales y numéricos se incrementan con el aumento de la velocidad del cigüeñal. Esto se debe a que el par de fricción de los rodamientos, los auxiliares y las pérdidas de par de los engranajes no se consideran en el cálculo numérico. Estos pares aumentarán con el aumento de la velocidad del cigüeñal.

4. Análisis del rendimiento

El criterio de evaluación de la eficiencia energética para el ICE no es adecuado, pero no para el CAE. En esta sección, se introduce brevemente una nueva evaluación de la eficiencia energética, a saber, la potencia del aire, para evaluar la eficiencia energética del CAE.

La potencia del aire se expresa utilizando la energía disponible , que se expresa comodonde está el volumen de aire en el estado estándar.

La eficiencia energética puede ser expresada pordonde es el par motor.

El par motor indicado puede ser expresado por

A partir de la discusión anterior, el rendimiento del CAE puede ser obtenido en diferentes presiones de admisión, DIV, e IVL. Los valores iniciales de los parámetros se muestran en la Tabla 1. La presión de admisión, IVD, y IVL pueden ser cambiados para la comparación, mientras que todos los otros parámetros se mantienen constantes.

Las figuras 8(a) y 8(b) muestran la potencia y el par de salida del CAE en varias presiones suministradas. La potencia más alta de 0,3345 kW se obtiene a 7 bar y 500 rpm. El par más alto de 8,4727 Nm se obtiene a 7 bar y 300 rpm. La presión más alta suministrada obtendrá el par y la potencia más elevados.

Las eficiencias energéticas bajo varias presiones de admisión y velocidades del cigüeñal se muestran en la Figura 8(c). La velocidad más baja del cigüeñal conduce a la mayor eficiencia energética. Y la presión de aire más baja proporciona la mayor eficiencia.

Está claro que el aumento de la presión de alimentación es beneficioso para producir más potencia y par. Sin embargo, el método reducirá la eficiencia energética.

La figura 9 muestra el rendimiento del CAE en varios ángulos de DIV a una presión de admisión de 5 bares.

La potencia y el par de salida del CAE se obtienen por simulación en varios ángulos de DIV, como se muestra en las figuras 9(a) y 9(b). La mayor potencia de salida se obtiene a 500 rpm en cualquier ángulo DIV. El par de salida aumenta con el DIV. La potencia de salida y el par son iguales en diferentes ángulos del DIV a 500 rpm. La eficiencia energética disminuye con el DIV y puede expresarse en la Figura 9(c). Pero cuando el DIV es igual a 20 grados, la eficiencia caerá a la velocidad del cigüeñal de 100 rpm. Eso es porque cuanto más el aire comprimido entra en el CAE a la velocidad más baja del cigüeñal, los escapes de presión son más altos.

La Figura 10 muestra el rendimiento del CAE en varios IVL a 5 bar de presión de admisión.

La potencia y el par de salida del CAE se obtienen por simulación a varios IVL, como se muestra en las figuras 10(a) y 10(b). La potencia de salida aumenta con la velocidad del cigüeñal. Pero cuando la velocidad del cigüeñal es inferior a 400 rpm, la potencia de salida tiene poco cambio en varios IVL. Esto es porque en la baja velocidad del cigüeñal la masa de flujo de aire es casi estable con diferentes IVL. Mientras tanto, al principio, el par de salida aumenta con el aumento de la velocidad del cigüeñal y alcanza sus picos en diferentes velocidades del cigüeñal y IVL. La eficiencia energética disminuiría con la velocidad del cigüeñal y un IVL grande es beneficioso para mejorar la eficiencia energética que puede ser expresada en la Figura 10(c). El efecto de estrangulamiento disminuirá en un IVL grande.

5. Conclusiones

En este trabajo se construyó el modelo matemático. Se realizaron estudios de simulación y experimentales sobre el CAE, y las conclusiones se resumen como sigue.(1)La presión del aire comprimido dentro del cilindro y el par de salida tienen la misma tendencia de cambio tanto en la curva de simulación como en la curva experimental.(2)La mayor potencia de salida se obtiene a 500 rpm, y el mayor par de salida se obtiene a 300 rpm a diferentes presiones de admisión y diferentes ángulos de DIV.(3)Cuando la velocidad del cigüeñal es superior a 200 rpm, se puede obtener una mayor eficiencia en la utilización de la energía a menor velocidad, presión de admisión y IVD.(4)El par de salida aumenta con el aumento de la velocidad del cigüeñal y alcanza sus picos a diferentes velocidades del cigüeñal y IVL. Y un IVL grande es beneficioso para mejorar la eficiencia energética.

Nomenclatura

Subíndices

Atmósfera

Lado de la corriente

Entrando

Saliendo

Uso redundante de la apertura

Duración de la apertura de la válvula de admisión

Válvula

Suministro de CAE

Tanque

Lado de aguas arriba

Válvula.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no existe ningún conflicto de intereses en relación con la publicación de este trabajo.