Abstract
Ein neuer nockenloser Druckluftmotor wird vorgeschlagen, der die Energie der Druckluft vernünftig verteilen kann. Durch die Analyse des nockenlosen Druckluftmotors wurde ein mathematisches Modell der Arbeitsprozesse erstellt. Mit Hilfe der Software MATLAB/Simulink wurden Druck, Temperatur und Luftmasse des Zylinders simuliert. Um die Genauigkeit des mathematischen Modells zu überprüfen, wurden Experimente durchgeführt. Außerdem wurde eine Leistungsanalyse zur Auslegung des Druckluftmotors eingeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass erstens die Simulationsergebnisse gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Zweitens wird bei verschiedenen Ansaugdrücken die höchste Ausgangsleistung erreicht, wenn die Kurbelgeschwindigkeit 500 U/min erreicht, was auch das maximale Ausgangsdrehmoment ergibt. Schließlich kann bei niedrigeren Drehzahlen, Ansaugdrücken und Ventildauerwinkeln eine höhere Energieausnutzung erzielt werden. Diese Forschung kann sich auf die Konstruktion des nockenlosen Ventils eines Druckluftmotors beziehen.
1. Einleitung
Umweltprobleme wie Nebel, Dunst, Treibhauseffekt und saurer Regen sind weithin ein Thema. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe in Verbrennungsmotoren (ICE) für den Verkehr ist die Hauptursache für Umweltprobleme. Neue Energiequellen wie Wind, Solarenergie und Druckluft, die fossile Brennstoffe ersetzen können, sind eine offensichtliche Lösung für die Umweltprobleme. Im Hinblick auf den Umweltschutz wurde die Frage des Energieaufwands hervorgehoben. Einige Wissenschaftler sind der Meinung, dass herkömmliche Automobile in Zukunft durch Fahrzeuge mit neuer Energie ersetzt werden. Bisher gibt es einige Fahrzeuge mit neuer Energie, nämlich Elektrofahrzeuge, Hybridelektrofahrzeuge, Druckluftmotoren (CAE) und so weiter. Der CAE ist das typische Produkt von schadstofffreien Fahrzeugen, das von vielen Wissenschaftlern und Institutionen untersucht wurde.
Um einen reibungslosen Betrieb und ein schnelles Ansprechen zu gewährleisten, wird der Luftstrom in vielen CAE-Systemen durch einen einfachen Nockenmechanismus gesteuert. Konventionelle mechanische Ventiltriebe verwenden in der Regel Ventilsteuerzeiten und -hübe, die je nach Konstruktion des Nockenmechanismus festgelegt sind. Die mangelnde Flexibilität von Ventiltrieben auf Nockenwellenbasis, um Steuerzeiten, Dauer und Hub der Einlassventile zu variieren, ist einer der Nachteile. Da das CAE mechanische Arbeit durch die Expansion von Druckluft verrichtet, muss der Druckluftstrom zur Verbesserung der Energieeffizienz gesteuert werden. Es liegt auf der Hand, dass der Nockenwellenmechanismus den Anforderungen nur schwer gerecht werden kann. Um die Energieeffizienz zu optimieren, wurde die Technik des variablen Einlassventils im CAE eingesetzt.
Die Technik des variablen Einlassventils hat das Potenzial, in Verbrennungsmotoren weit verbreitet zu werden, um Energieverluste und Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Bisherige Studien haben sich hauptsächlich auf Simulationen und Systemintegrationen auf der Grundlage von Nockenwellenventilen konzentriert. Nur wenige Studien wurden über das variable Einlassventil Untersuchungen in CAE.
Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Einflüsse auf die Leistung des CAE durch die variable Einlassventil Hub und Dauer. Dazu werden detaillierte mathematische Modelle zur Beschreibung des Arbeitsprozesses erstellt und durch Experimente verifiziert. Diese Arbeit ist wie folgt aufgebaut. In Abschnitt 2 werden die detaillierten mathematischen Modelle erörtert. In Abschnitt 3 werden Simulations- und reale Versuchsergebnisse erzielt und verglichen, um die Genauigkeit der theoretischen Modelle zu überprüfen. In Abschnitt 4 werden die Einflüsse von Hub und Dauer des variablen Einlassventils auf die Leistung des CAE analysiert. In Abschnitt 5 werden schließlich Schlussfolgerungen gezogen.
2. Theoretische Analyse
Um den Arbeitsprozess des CAE zu verstehen, müssen wir den Prozess im Zylinder untersuchen, der in Abbildung 1 dargestellt ist. Der Gastank dient als Energiequelle. Der Ansaugdruck wird durch ein Drucksteuergerät geregelt. Der Luftstrom wird durch ein Magnetventil gesteuert. Es gibt hauptsächlich drei Komponenten: den Zylinder, die Ventile und den Tank. Im Folgenden bauen wir diese Modelle auf der Grundlage der Thermodynamik und der Kolbenkinematik auf. Bei einem einstufigen Kolben-CAE gelangt die Druckluft durch das Einlassventil in den Zylinder und der Kolben wird durch die Druckluft verschoben. Dann wird das Einlassventil nach einem bestimmten Kurbelwinkel geschlossen, während die Druckluft den Kolben weiter nach unten drückt und Arbeit abgibt. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt (UT) erreicht, öffnet sich das Auslassventil, so dass die Luft mit Restdruck ausströmt. Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt (OT) zum oberen Totpunkt (OT); das CAE vollendet einen Arbeitszyklus.
2.1. Ventilströmung
Da die Drosselwirkung des Einlass- oder Auslassventils für die Energieverluste verantwortlich ist, ist die Ventilströmung für das CAE entscheidend. Die Ventilströmung wird als eindimensionale isentrope Strömung betrachtet.
Wenn der Massendurchsatz durch
gegeben ist, ist die Strömung gedrosselt, und der Massendurchsatz ist gegeben durchwobei die Stagnationsschallgeschwindigkeit stromaufwärts ist.
Der Ventildurchflussbereich wird durch dargestellt, was durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:
Die Beziehung zwischen dem Ventildurchflussbereich und dem Ventilhub wird durch die folgende Gleichung definiert:
Der Skalierungsfaktor „“ ist definiert durchwobei der maximale Ventildurchflussbereich ist.
Wir können die nockenlose Ventilbewegung durch den Winkel (oder die Öffnung) , den maximalen Hub und die Dauer jedes Einlassventils charakterisieren. Der Einfachheit halber wird das nockenlose Einlass- und Auslassventilhubprofilmodell durch die folgenden Gleichungen dargestellt:wobei und im Zeitbereich fest sind. Eine Koordinatentransformation in den Kurbelwinkelbereich führt zu unterschiedlichen Ventilprofilen bei verschiedenen Motordrehzahlen. Das Ventilhubprofil ist in Abbildung 2 dargestellt.
2.2. In-Zylinder-Prozess
Der Zylinderinhalt ist ein Energieaustauschprozess. Der Druck und die Temperatur der komprimierten Luft im Inneren des Zylinders werden durch eine globale Energiebilanz berechnet: wobei die Rate der inneren Energie der Luft im Inneren des Zylinders, die Rate der von der Zylinderwand auf den Zylinderinhalt übertragenen Wärme und die Rate der vom offenen System geleisteten Arbeit (die gleich ist) ist.
Die innere Energie der Luft kann ausgedrückt werden alswobei , .
Setzt man (9) in (8) ein, so ergibt sich , , .
Die Rate der Druckänderung im Inneren des Zylinders erhält man durch das ideale Gasgesetz:
2.3. Wärmeübertragung
Um die momentane Wärmewechselwirkung zwischen dem Zylinderinhalt zu bewerten, muss der Wärmeübergangskoeffizient definiert werden. Nach der Literatur kann der Wärmeübergangskoeffizient unter der Annahme, dass die Gasgeschwindigkeit proportional zur durchschnittlichen Kolbengeschwindigkeit ist, mit der folgenden Gleichung ausgedrückt werden:
Die durchschnittliche Kolbengeschwindigkeit kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Der entsprechende Wärmeübergang istwo die Gesamtoberfläche mit dem Kurbelwinkel wie folgt ausgedrückt werden kann:
2.4. Kolbenringreibung
Das Differentialelement der Reibungsarbeit für den Kompressionsring kann wie folgt ausgedrückt werden:
Dieser Ausdruck wird über einen kompletten Motorzyklus integriert, um die durch Reibung verlorene Arbeit zu berücksichtigen, die dann von der Nettozyklusarbeit subtrahiert wird.
3. Simulation und experimentelle Validierung
3.1. Simulation des CAE
Die Arbeitscharakteristiken des CAE werden durch die in Abschnitt 2 erwähnte theoretische Analyse bestimmt. Die nichtlinearen und gekoppelten Differentialgleichungen werden in MATLAB/Simulink modelliert. Tabelle 1 zeigt die Anfangswerte der Parameter.
Die Abbildungen 3(a), 3(b) und 3(c) zeigen die Simulationsergebnisse. Der Luftdruck des Zylinders ist in Abbildung 3(a) dargestellt, die Lufttemperatur des Zylinders ist in Abbildung 3(b) gegen den Kurbelwinkel aufgetragen, und in Abbildung 3(c) ist der Luftmassenstrom der Zylinderkurve dargestellt.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Wie in Abbildung 3 dargestellt, ändern sich Druck, Temperatur und Masse im Inneren des Zylinders des CAE periodisch. Das Einlassventil öffnet sich, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht; Druckluft aus dem Hochdrucktank strömt schnell in den Zylinder. Der Druck im Zylinder steigt schnell auf den Einlassdruck an. Gleichzeitig steigen die Masse und die Temperatur im Zylinder an. Wenn der Massendurchsatz geringer ist als das Volumen des Zylinders, fällt der Druck im Zylinder drastisch ab. Gleichzeitig dehnt sich die komprimierte Luft im Zylinder aus und führt dazu, dass die Temperatur des Zylinders von ihrem Höchstwert abfällt.
Wenn das Einlassventil geschlossen ist, strömt keine Druckluft mehr in den Zylinder. Zu diesem Zeitpunkt sinkt der Luftmassenstrom auf Null. Der Kolben wird in Abhängigkeit von der Ausdehnung der komprimierten Luft im Zylinderinneren bis zum oberen Totpunkt geschoben. Die Temperatur und der Druck im Inneren des Zylinders sinken drastisch.
Das Auslassventil öffnet sich, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Die restliche komprimierte Luft im Inneren des Zylinders wird ausgestoßen, und die Masse im Inneren des Zylinders nimmt von oben her ab. In der Zwischenzeit sinken die Temperatur und der Druck im Inneren des Zylinders nach unten.
Der oben beschriebene Vorgang wird wiederholt und die mechanische Leistung kann kontinuierlich abgegeben werden.
Nach Abbildung 3(b) erreicht die Temperatur des Zylinders 240 K, was zu einer Vereisung führen kann, so dass ein Wärmeaustausch erforderlich ist.
3.2. Experimentelle Verifizierung
Die Experimente wurden durchgeführt, um die Genauigkeit des mathematischen Modells zu überprüfen. Die Versuchsvorrichtung ist in Abbildung 4 dargestellt und besteht aus einem Hochdrucktank, einem Regler (IR3020-03BC), einem Niederdrucktank, einem Drosselventil (AS3001F), zwei Anschlussmagnetventilen, einem umgerüsteten Motor mit den in Tabelle 2 angegebenen Grundparametern, einer Datenerfassungskarte (PCI1711) von Advantech, einem absoluten Winkelverschiebungssensor und einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) von Siemens. Im Experiment wurde ein 4-Takt-Benzinmotor durch ein Einlass- und ein Auslassmagnetventil in einen Druckluftmotor umgewandelt. Die technischen Daten des Motors sind in Tabelle 2 aufgeführt.
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In diesem Versuch arbeitete erstens die Druckluftquelle, und der Ausgangsdruck des Reglers wurde auf den festen Wert eingestellt. Zweitens hielt der Niederdrucktank den Druck nach einer gewissen Zeit aufrecht, dann wurde das Drosselventil eingestellt, das die Druckluft gleichmäßig aus dem Tank ablassen kann. Die Magnetventile des Einlass- und des Auslassanschlusses wurden von einer SPS gesteuert, wobei der Wellenwinkel durch den Absolutwert des Winkelsensors ermittelt wurde. Das Magnetventil des Einlasskanals öffnete sich, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreichte, und schloss sich vollständig bei einem Kurbelwinkel. Dann dehnt sich die komprimierte Luft im Inneren des Zylinders aus. Während dieses Vorgangs blieb das Magnetventil des Auslasskanals geschlossen, und der Kolben wurde durch die einströmende Druckluft vom oberen Totpunkt in Richtung des unteren Totpunkts geschoben, wodurch der Arbeitstakt erzeugt wurde. Das Auslassmagnetventil öffnete sich, als der Kolben den oberen Totpunkt erreichte. Während dieses Vorgangs blieb das Einlassmagnetventil geschlossen. Die Druckluft im Zylinder wurde aus dem Zylinder abgelassen, und der Kolben bewegte sich vom oberen Totpunkt zum oberen Totpunkt. Der Kurbelwinkel wurde durch den absoluten Wert des Drehwinkelsensors gemessen. Der letzte Schritt war die Datenerfassung und -speicherung.
Der Prüfstand ist wie in Abbildung 5 dargestellt aufgebaut. Die wichtigsten Parameter des Zylinders sind in Tabelle 2 dargestellt.
Wie in Abbildung 6 gezeigt, stimmt die Tendenz der Simulationskurve mit der Tendenz der experimentellen Kurve überein, und das oben genannte mathematische Modell kann verifiziert werden. Allerdings gibt es drei Unterschiede zwischen den Simulationsergebnissen und den experimentellen Ergebnissen: (1) der maximale Druck ist unterschiedlich; (2) die experimentelle Kurve ist rückwärts versetzt zur Simulationskurve; (3) der experimentelle Abgasdruckwert ist größer als der simulierte Abgasdruckwert.
(a)
(b)
(a)
(b)
Die Hauptgründe für die Unterschiede lassen sich wie folgt zusammenfassen. In Anbetracht der kleinen effektiven Durchflussfläche im Ansaugmagneten ist der Drosseleffekt recht deutlich. Gleichzeitig erfährt jedes Magnetventil eine Bewegungsverzögerung, aber die Verzögerungszeit ist je nach Situation unterschiedlich. In dieser Arbeit basiert die Simulation der Einfachheit halber auf der Annahme, dass die Verzögerungszeit konstant ist. Daher ist die experimentelle Druckkurve gegenüber der Simulationskurve nach hinten versetzt. Wenn der Abluftmassenstrom geringer ist als das Zylindervolumen, steigt der Druck im Zylinder während des Abgasprozesses an.
Die Kurven des Ausgangsdrehmoments in Experiment und Simulation sind in Abbildung 7 dargestellt. Es ist offensichtlich, dass die experimentellen und simulierten Kurven ähnliche Trends aufweisen. Beide Kurven des Ausgangsdrehmoments nehmen ab, wenn die Drehzahl erhöht wird. Allerdings wird der Drosselverlust bei der Simulation nicht berücksichtigt, so dass das Ausgangsdrehmoment in der Simulation bei verschiedenen Kurbelwellengeschwindigkeiten größer ist als der Versuchswert. Es ist offensichtlich, dass die Unterschiede zwischen den experimentellen und numerischen Ergebnissen mit zunehmender Kurbelgeschwindigkeit größer werden. Das liegt daran, dass das Reibungsmoment der Lager, die Nebenaggregate und die Drehmomentverluste des Getriebes in der numerischen Berechnung nicht berücksichtigt wurden. Diese Drehmomente nehmen mit zunehmender Kurbelwellendrehzahl zu.
4. Leistungsanalyse
Das Bewertungskriterium für die Energieeffizienz ist für ICE nicht geeignet, aber nicht für das CAE. In diesem Abschnitt wird eine neue Bewertung der Energieeffizienz, nämlich die Luftleistung, kurz vorgestellt, um die Energieeffizienz des CAE zu bewerten.
Die Luftleistung wird durch die verfügbare Energie ausgedrückt, die wie folgt ausgedrückt wird:
Das Luftvolumen ist das Volumen der Luft im Standardzustand.
Die Energieeffizienz kann ausgedrückt werden durchwobei IT das Drehmoment angibt.
Das angegebene Drehmoment kann ausgedrückt werden durch
Aus der vorangegangenen Diskussion kann die Leistung des CAE bei unterschiedlichem Ansaugdruck, IVD und IVL ermittelt werden. Die Ausgangswerte der Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Ansaugdruck, IVD und IVL können zu Vergleichszwecken geändert werden, während alle anderen Parameter konstant gehalten werden.
Die Abbildungen 8(a) und 8(b) zeigen die Leistungs- und Drehmomentabgabe des CAE bei verschiedenen Versorgungsdrücken. Die höchste Ausgangsleistung von 0,3345 kW wird bei 7 bar und 500 U/min erreicht. Das höchste Ausgangsdrehmoment von 8,4727 Nm wird bei 7 bar und 300 U/min erreicht. Der höchste Versorgungsdruck ergibt das höchste Drehmoment und die höchste Leistung.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Die Energieeffizienzen bei verschiedenen Ansaugdrücken und Kurbelwellendrehzahlen sind in Abbildung 8(c) dargestellt. Die niedrigste Kurbelwellendrehzahl führt zum höchsten Wirkungsgrad. Und der niedrigste Luftdruck liefert den höchsten Wirkungsgrad.
Es ist klar, dass eine Erhöhung des Ansaugdrucks vorteilhaft ist, um mehr Leistung und Drehmoment auszugeben. Die Methode verringert jedoch die Energieeffizienz.
Abbildung 9 zeigt die Leistung des CAE in verschiedenen IVD-Winkeln bei 5 bar Ansaugdruck.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Die vom CAE abgegebene Leistung und das Drehmoment werden durch Simulation bei verschiedenen IVD-Winkeln ermittelt, wie in den Abbildungen 9(a) und 9(b) dargestellt. Die höchste Ausgangsleistung wird bei 500 U/min in jedem IVD-Winkel erreicht. Das Ausgangsdrehmoment nimmt mit dem IVD-Winkel zu. Die Ausgangsleistung und das Drehmoment sind bei verschiedenen IVD-Winkeln bei 500 U/min gleich. Die Energieeffizienz nimmt mit dem IVD-Winkel ab und kann in Abbildung 9(c) dargestellt werden. Wenn der IVD-Winkel jedoch 20 Grad beträgt, sinkt der Wirkungsgrad bei einer Kurbelwellendrehzahl von 100 U/min. Das liegt daran, dass je mehr komprimierte Luft bei der niedrigsten Kurbelwellendrehzahl in den CAE eintritt, desto höher ist der Abgasdruck.
Abbildung 10 zeigt die Leistung des CAE in verschiedenen IVL bei 5 bar Ansaugdruck.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Die vom CAE abgegebene Leistung und das Drehmoment werden durch Simulation bei verschiedenen IVL ermittelt, wie in den Abbildungen 10(a) und 10(b) dargestellt. Die Ausgangsleistung nimmt mit der Kurbelwellendrehzahl zu. Wenn die Kurbelwellendrehzahl jedoch unter 400 U/min liegt, ändert sich die Ausgangsleistung bei verschiedenen IVD kaum. Das liegt daran, dass bei niedriger Kurbelwellendrehzahl die Luftmasse bei verschiedenen IVL nahezu stabil ist. Das Ausgangsdrehmoment steigt mit zunehmender Kurbelwellendrehzahl an und erreicht seine Spitzenwerte bei verschiedenen Kurbelwellendrehzahlen und IVL. Die Energieeffizienz nimmt mit der Kurbelwellendrehzahl ab, und eine große IVL ist vorteilhaft für die Verbesserung der Energieeffizienz, wie in Abbildung 10(c) dargestellt. Der Drosseleffekt nimmt bei großer IVL ab.
5. Schlussfolgerungen
In dieser Arbeit wurde das mathematische Modell erstellt. Es wurden Simulationen und experimentelle Studien zum CAE durchgeführt, und die Schlussfolgerungen sind wie folgt zusammengefasst:(1) Der Druckluftdruck im Zylinder und das Ausgangsdrehmoment haben die gleiche Veränderungstendenz in der Simulationskurve und der experimentellen Kurve.(2) Die höchste Ausgangsleistung wird bei 500 U/min und das höchste Ausgangsdrehmoment bei 300 U/min bei verschiedenen Ansaugdrücken und verschiedenen IVD-Winkeln erreicht.(3) Wenn die Kurbelwellendrehzahl höher als 200 U/min ist, kann bei niedrigerer Drehzahl, geringerem Ansaugdruck und geringerem IVD eine höhere Energieausnutzung erzielt werden.(4) Das Ausgangsdrehmoment steigt mit zunehmender Kurbelwellendrehzahl und erreicht seine Spitzenwerte bei verschiedenen Kurbelwellendrehzahlen und IVL. Und ein großer IVL ist vorteilhaft, um die Energieeffizienz zu verbessern.
Nomenklatur
Indizes
Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass es keinen Interessenkonflikt in Bezug auf die Veröffentlichung dieser Arbeit gibt.