- Abstract
- 1. Úvod
- 2. Teoretická analýza
- 2.1 Model válce-nádrž. Průtok ventilem
- 2.3. Přenos tepla
- 2.4. Součinitel přestupu tepla Tření v pístním kroužku
- 3. Simulace a experimentální ověření
- 3.1. Simulace a experimentální ověření Simulace CAE
- 3.2. Výměna tepla Experimentální ověření
- 4. Analýza výkonnosti
- 5. Závěry
- Název
- Střet zájmů
Abstract
Navrhuje se nový bezvačkový motor na stlačený vzduch, který dokáže rozumně rozložit energii stlačeného vzduchu. Prostřednictvím analýzy bezvačkového motoru na stlačený vzduch byl sestaven matematický model pracovních procesů. Pomocí softwaru MATLAB/Simulink pro simulaci byly získány hodnoty tlaku, teploty a hmotnosti vzduchu ve válci. Za účelem ověření přesnosti matematického modelu byly provedeny experimenty. Kromě toho byla zavedena analýza výkonu pro návrh motoru na stlačený vzduch. Výsledky ukazují, že zaprvé výsledky simulace jsou v dobrém souladu s výsledky experimentů. Za druhé, při různých sacích tlacích je nejvyššího výstupního výkonu dosaženo, když otáčky kliky dosáhnou 500 ot/min, což zajišťuje také maximální výstupní točivý moment. A konečně, vyšší účinnosti využití energie lze dosáhnout při nižších otáčkách, sacím tlaku a úhlu trvání ventilů. Tento výzkum se může týkat konstrukce bezvačkového ventilu motoru na stlačený vzduch.
1. Úvod
Problémy životního prostředí, jako jsou mlha, opar, skleníkový efekt a kyselé deště, jsou předmětem širokého zájmu. Spalování fosilních paliv ve spalovacích motorech (ICE) pro dopravu je hlavním zdrojem environmentálních problémů . Nové zdroje energie, jako je vítr, sluneční energie, stlačený vzduch, které mohou nahradit fosilní paliva, jsou zřejmým řešením problémů životního prostředí . S ohledem na ochranu životního prostředí se klade důraz na otázku výdajů za energii . Někteří vědci se domnívají, že tradiční automobily budou v budoucnu nahrazeny novými energetickými vozidly . Zatím existují některá nová energetická vozidla, a to elektromobily, hybridní elektromobily, motory na stlačený vzduch (CAE) atd. CAE je typickým produktem vozidel s nulovým znečištěním, který byl studován mnoha vědci a institucemi .
Pro zajištění hladkého chodu a rychlé odezvy je v mnoha systémech CAE proud vzduchu řízen jednoduchým vačkovým mechanismem. Konvenční mechanické ventilové rozvody obvykle používají časování a zdvihy ventilů, které jsou pevně stanoveny v závislosti na konstrukci vačkového mechanismu. Nedostatečná flexibilita ventilových rozvodů založených na vačkových hřídelích, která umožňuje měnit časování, dobu trvání a zdvih sacích ventilů, je jednou z nevýhod . Protože CAE vykonává mechanickou práci rozpínáním stlačeného vzduchu, musí být průtok stlačeného vzduchu řízen, aby se zlepšila energetická účinnost. Je zřejmé, že vačkový mechanismus je obtížné uspokojit. Za účelem optimalizace energetické účinnosti byly v CAE použity techniky variabilních sacích ventilů .
Techniky variabilních sacích ventilů mají potenciál pro široké využití ve spalovacích motorech ke snížení energetických ztrát a spotřeby paliva . Předchozí studie se zaměřovaly především na simulace a systémové integrace založené na vačkovém mechanismu ventilu. O zkoumání variabilního sacího ventilu v CAE bylo publikováno jen málo studií.
Tento článek se zaměřuje na vlivy variabilního zdvihu a trvání sacího ventilu na výkon CAE. Proto jsou sestaveny podrobné matematické modely popisující pracovní proces a ověřeny experimenty. Tento článek je uspořádán následovně. V části 2 jsou popsány podrobné matematické modely. V oddíle 3 jsou získány a porovnány výsledky simulací a reálných experimentů, aby se ověřila přesnost teoretických modelů. V oddíle 4 jsou analyzovány vlivy zdvihu a doby trvání variabilního sacího ventilu na výkon CAE. Nakonec jsou v oddíle 5 uvedeny závěry.
2. Teoretická analýza
Pro pochopení pracovního procesu CAE je třeba prozkoumat proces uvnitř válce, který je znázorněn na obrázku 1. Na obrázku 1 je znázorněno, jak CAE funguje. Plynová nádrž poskytuje zdroj energie. Tlak v sání je regulován řídicí jednotkou tlaku. Průtok vzduchu je řízen elektromagnetickým ventilem. Jedná se především o tři součásti: válec, ventily a nádrž. V následujícím textu sestavíme tyto modely na základě termodynamiky a kinematiky pístu. U jednostupňového pístového CAE vstupuje stlačený vzduch do válce přes sací ventil a píst je tlačen stlačeným vzduchem. Poté se sací ventil po dosažení určitého úhlu natočení kliky uzavře, zatímco stlačený vzduch nadále tlačí píst dolů a vykonává výstupní práci. Když píst dosáhne spodního mrtvého bodu (BDC), otevře se výfukový ventil, takže vzduch se zbytkovým tlakem se vypustí. Píst se pohybuje z BDC do horního mrtvého bodu (TDC); CAE dokončí pracovní cyklus.
2.1 Model válce-nádrž. Průtok ventilem
Protože škrticí účinek sacího nebo výfukového ventilu představuje energetické ztráty, je průtok ventilem pro CAE rozhodující. Průtok ventilem se uvažuje jako jednorozměrné izentropické proudění .
Jestliže , je hmotnostní průtok dán vztahem
Jestliže , je proudění škrcené a hmotnostní průtok je dán kdekoliv je stagnační rychlost zvuku proti proudu.
Průtočná plocha ventilu je reprezentována vztahem , který lze vyjádřit následující rovnicí:
Vztah mezi průtočnou plochou ventilu a zdvihem ventilu je definován následující rovnicí:
Součinitel měřítka „“ je definován vztahem kdekoliv je maximální průtoková plocha ventilu.
Pohyb ventilů bez vačky můžeme charakterizovat úhlem (nebo otevřením) , maximálním zdvihem a dobou trvání každého sacího ventilu. Pro zjednodušení je model profilu zdvihu sacích a výfukových ventilů bez vačky prezentován následujícími rovnicemi:kde a jsou pevně stanoveny v časové oblasti. Transformace souřadnic do oblasti úhlu kliky vede k různým profilům ventilů při různých otáčkách motoru. Profil zdvihu ventilů je znázorněn na obrázku 2.
Obsahem válce je proces výměny energie. Tlak a teplota stlačeného vzduchu uvnitř válce se vypočítá pomocí globální energetické bilance:kde je míra vnitřní energie vzduchu uvnitř válce, je míra tepla předaného ze stěny válce obsahu válce a je míra práce vykonané otevřenou soustavou (která je rovna ).
Vnitřní energii vzduchu lze vyjádřit jako kde , .
Sestavením (9) do (8) získáme kde , , .
Rychlost změny tlaku uvnitř válce získáme podle zákona ideálního plynu:
2.3. Přenos tepla
Pro vyhodnocení okamžitého vzájemného působení tepla mezi obsahem válce je třeba definovat součinitel přestupu tepla. Podle literatury , za předpokladu, že rychlost plynu je úměrná průměrné rychlosti pístu, lze součinitel přestupu tepla vyjádřit následující rovnicí:
Průměrnou rychlost pístu lze vyjádřit následující rovnicí:
Příslušný přestup tepla jek celkové ploše lze vyjádřit s úhlem kliky takto:
2.4. Součinitel přestupu tepla Tření v pístním kroužku
Diferenciální prvek třecí práce pro kompresní kroužek lze vyjádřit jakokde je zdvih pístu, kterým tato síla působí.
Tento výraz se integruje na celý cyklus motoru, aby se zohlednila práce ztracená třením, která se pak odečte od čisté práce cyklu.
3. Simulace a experimentální ověření
3.1. Simulace a experimentální ověření Simulace CAE
Pracovní charakteristiky CAE jsou určeny teoretickou analýzou uvedenou v oddíle 2. Simulace CAE se provádí na základě experimentů. Nelineární a spřažené diferenciální rovnice se modelují v prostředí MATLAB/Simulink. Počáteční hodnoty parametrů jsou uvedeny v tabulce 1.
Na obrázcích 3(a), 3(b) a 3(c) jsou uvedeny výsledky simulace. Tlak vzduchu ve válci je zobrazen na obrázku 3(a), teplota vzduchu ve válci je vynesena v závislosti na úhlu natočení kliky na obrázku 3(b) a na obrázku 3(c) je znázorněn průběh hmotnostního průtoku vzduchu válcem.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Jak ukazuje obrázek 3, tlak, teplota a hmotnost uvnitř válce CAE se periodicky mění. Sací ventil se otevře, když píst dosáhne TDC; do válce rychle proudí stlačený vzduch z vysokotlakého zásobníku. Tlak uvnitř válce se rychle zvýší na hodnotu sacího tlaku. Mezitím se zvyšuje hmotnost a teplota uvnitř válce. Když je hmotnostní průtok menší než objem válce, tlak ve válci prudce klesne. Mezitím se stlačený vzduch uvnitř válce rozpíná a vede k poklesu teploty válce od jejího maxima.
Stlačený vzduch již do válce neproudí, když je sací ventil uzavřen. V tomto okamžiku klesne hmotnostní průtok vzduchu na nulu. Píst je tlačen k BDC v závislosti na expanzi stlačeného vzduchu uvnitř válce. Teplota a tlak uvnitř válce dramaticky klesají.
V okamžiku, kdy píst dosáhne BDC, se otevře výfukový ventil. Zbytek stlačeného vzduchu uvnitř válce se vypustí a hmotnost uvnitř válce od jeho vrcholu klesá. Mezitím teplota a tlak uvnitř válce klesnou na své dno.
Výše uvedený proces se opakuje a mechanický výkon může být vyvozován nepřetržitě.
Podle obrázku 3b) teplota válce dosáhne 240 K, což může způsobit námrazu, takže je nutné použít výměnu tepla.
3.2. Výměna tepla Experimentální ověření
Experimenty byly provedeny za účelem ověření přesnosti matematického modelu. Experimentální zařízení je znázorněno na obrázku 4, které se skládá z vysokotlaké nádrže, regulátoru (IR3020-03BC), nízkotlaké nádrže, škrticího ventilu (AS3001F), dvou portových elektromagnetických ventilů, přeplňovaného motoru se základními parametry uvedenými v tabulce 2, karty pro sběr dat (PCI1711) firmy Advantech, absolutního snímače úhlového posunu a programového logického automatu (PLC) firmy Siemens. Při experimentu byl čtyřdobý benzinový motor přestavěn na motor se stlačeným vzduchem pomocí elektromagnetického ventilu sacího a výfukového portu. Specifikace motoru jsou uvedeny v tabulce 2.
|
||||||||||||
V tomto experimentu nejprve pracoval zdroj stlačeného vzduchu a výstupní tlak regulátoru byl nastaven na pevnou hodnotu. Za druhé, nízkotlaká nádrž udržovala tlak po určitou dobu, pak se nastavil škrticí ventil, který může nechat stlačený vzduch plynule odtékat z nádrže. Elektromagnetické ventily sacího a výfukového portu byly řízeny PLC s úhlem hřídele, který byl zjišťován absolutní hodnotou úhlového snímače. Solenoidový ventil sacího portu se otevřel, když píst dosáhl TDC, a zcela se uzavřel při úhlu kliky. Pak se stlačený vzduch uvnitř válce rozpíná. Během tohoto procesu zůstal elektromagnetický ventil výfukového portu uzavřen a píst byl přiváděným stlačeným vzduchem tlačen od TDC směrem k BDC, čímž vznikl výkonový zdvih. Když píst dosáhl BDC, solenoidový ventil výfukového potrubí se otevřel. Během tohoto procesu zůstal sací elektromagnetický ventil uzavřen. Stlačený vzduch uvnitř válce byl z válce vypouštěn a píst se pohyboval od BDC směrem k TDC. Úhel klikového hřídele se měřil pomocí absolutní hodnoty snímače úhlového posunu. Poslední fází byl sběr a ukládání dat.
Zkušební zařízení je sestrojeno podle obrázku 5. Hlavní parametry válce jsou uvedeny v tabulce 2.
Jak ukazuje obrázek 6, průběh simulační křivky odpovídá průběhu experimentální křivky a výše uvedený matematický model lze ověřit. Mezi výsledky simulace a experimentálními výsledky však existují tři rozdíly: (1) maximální tlak je odlišný; (2) experimentální křivka je vůči simulační křivce posunutá dozadu; (3) experimentální hodnota výfukového tlaku je vyšší než simulační hodnota výfukového tlaku.
(a)
(b)
(a)
(b)
Hlavní důvody rozdílů jsou shrnuty následovně. Vzhledem k malé efektivní průtočné ploše v sací cívce bude škrticí účinek zcela zřejmý. Mezitím dochází u každého elektromagnetického ventilu ke zpoždění pohybu, ale doba zpoždění je za různých situací různá. V tomto článku je simulace pro zjednodušení založena na předpokladu, že doba zpoždění je konstantní. Proto je experimentální tlaková křivka zpětně posunuta oproti simulační křivce. A když je hmotnostní průtok výfukového vzduchu menší než objem válce, tlak uvnitř válce se během výfukového procesu zvýší.
Experimentální a simulační křivky výstupního točivého momentu jsou znázorněny na obrázku 7. Je zřejmé, že experimentální a simulační křivky mají podobné trendy. Obě křivky výstupního točivého momentu se při zvyšování otáček snižují. Při simulaci se však neuvažují ztráty škrcením, takže výstupní točivý moment v simulaci je při různých otáčkách kliky větší než experimentální hodnota. Je zřejmé, že rozdíly mezi experimentálními a numerickými výsledky se zvyšují s rostoucími otáčkami kliky. Je to proto, že při numerickém výpočtu se neuvažuje třecí moment ložisek, pomocná zařízení a ztráty točivého momentu převodovek. Tyto momenty se zvyšují s rostoucími otáčkami kliky.
4. Analýza výkonnosti
Kritérium hodnocení energetické účinnosti pro ICE není vhodné, ale ne pro CAE. V této části je stručně představeno nové hodnocení energetické účinnosti, a to vzduchový výkon, pro hodnocení energetické účinnosti CAE.
Vzduchový výkon je vyjádřen pomocí dostupné energie , která je vyjádřena jakokde je objem vzduchu ve standardním stavu.
Energetickou účinnost lze vyjádřit pomocíkde IT udává točivý moment.
Ukázaný točivý moment lze vyjádřit pomocí
Z předchozího pojednání vyplývá, že výkon CAE lze získat při různém sacím tlaku, IVD a IVL. Výchozí hodnoty parametrů jsou uvedeny v tabulce 1. Sací tlak, IVD a IVL lze pro srovnání měnit, zatímco všechny ostatní parametry zůstávají konstantní.
Obrázky 8(a) a 8(b) ukazují výkon a točivý moment CAE při různých dodávaných tlacích. Nejvyššího výkonu 0,3345 kW je dosaženo při tlaku 7 barů a 500 ot/min. Nejvyššího točivého momentu 8,4727 Nm je dosaženo při tlaku 7 barů a 300 ot/min. Při nejvyšším dodávaném tlaku se dosáhne nejvyššího točivého momentu a výkonu.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Energetická účinnost při různých sacích tlacích a otáčkách kliky je znázorněna na obrázku 8(c). Nejnižší otáčky kliky vedou k nejvyšší energetické účinnosti. A nejnižší tlak vzduchu poskytuje nejvyšší účinnost.
Je zřejmé, že zvýšení přívodního tlaku je výhodné pro dosažení vyššího výkonu a točivého momentu. Tento způsob však sníží energetickou účinnost.
Obrázek 9 ukazuje výkonnost CAE při různých úhlech IVD při sacím tlaku 5 barů.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Výstupní výkon a točivý moment CAE jsou získány simulací při různých úhlech IVD, jak je znázorněno na obrázcích 9(a) a 9(b). Nejvyššího výkonu je dosaženo při 500 ot/min v jakémkoli úhlu IVD. Výstupní točivý moment roste s úhlem IVD. Výstupní výkon a točivý moment jsou při různých úhlech IVD při 500 ot/min stejné. Energetická účinnost by se snižovala s IVD a lze ji vyjádřit na obrázku 9(c). Když se však IVD rovná 20 stupňům, účinnost klesá při otáčkách kliky 100 ot/min. Je to proto, že čím více stlačeného vzduchu vstupuje do CAE při nejnižších otáčkách kliky, tím vyšší je tlak výfukových plynů.
Obrázek 10 ukazuje účinnost CAE při různých IVL při sacímu tlaku 5 barů.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Výstupní výkon a točivý moment CAE jsou získány simulací při různých IVL, jak je znázorněno na obrázcích 10(a) a 10(b). Výstupní výkon roste s otáčkami kliky. Když jsou však otáčky kliky nižší než 400 ot/min, výstupní výkon se při různých IVD mění jen málo. Je to proto, že při nízkých otáčkách kliky je hmotnostní průtok vzduchu při různých IVL téměř stabilní. Mezitím na začátku roste výstupní točivý moment s rostoucími otáčkami kliky a dosahuje svých maxim při různých otáčkách kliky a IVL. Energetická účinnost by klesala s otáčkami kliky a velká hodnota IVL je výhodná pro zlepšení energetické účinnosti, což lze vyjádřit na obrázku 10c). Účinek škrcení se sníží při velkém IVL.
5. Závěry
V tomto článku byl sestaven matematický model. Byly provedeny simulační a experimentální studie CAE a závěry jsou shrnuty následovně: (1) Tlak stlačeného vzduchu uvnitř válce a výstupní točivý moment mají stejnou tendenci změny jak v simulační křivce, tak v experimentální křivce (2) Nejvyššího výkonu je dosaženo při 500 ot/min a nejvyššího točivého momentu je dosaženo při 300 ot/min při různých sacích tlacích a různých úhlech IVD.(3) Při otáčkách kliky vyšších než 200 ot/min lze dosáhnout vyšší účinnosti využití energie při nižších otáčkách, sacích tlacích a IVD. (4) Výstupní točivý moment se zvyšuje s nárůstem otáček kliky a dosahuje svých maxim při různých otáčkách kliky a IVL. A velká IVL je výhodná pro zlepšení energetické účinnosti.
Název
Podnázev
.
Střet zájmů
Autoři prohlašují, že v souvislosti s publikováním tohoto článku nedošlo ke střetu zájmů
.