Yhteenveto

Ehdotetaan uutta nokkatonta paineilmamoottoria, joka voi tehdä paineilman energiasta kohtuullisesti jaetun. Nokkatonta paineilmamoottoria analysoimalla laadittiin matemaattinen malli työprosesseista. Käyttämällä MATLAB/Simulink-ohjelmistoa simulointia varten saatiin sylinterin paine, lämpötila ja ilmamassa. Matemaattisen mallin tarkkuuden todentamiseksi tehtiin kokeita. Lisäksi otettiin käyttöön suorituskykyanalyysi paineilmamoottorin suunnittelua varten. Tulokset osoittavat, että ensinnäkin simulointitulokset ovat hyvin yhdenmukaisia kokeellisten tulosten kanssa. Toiseksi eri imupaineissa suurin teho saadaan, kun kampiakselin kierrosluku on 500 rpm, jolloin saadaan myös suurin vääntömomentti. Lopuksi voidaan todeta, että korkeampi energiankäytön hyötysuhde saavutetaan alhaisemmalla kierrosnopeudella, imupaineella ja venttiilin kestokulmalla. Tämä tutkimus voi viitata paineilmamoottorin nokkattoman venttiilin suunnitteluun.

1. Johdanto

Ympäristökysymykset, kuten sumu, usva, kasvihuoneilmiö ja happosateet, ovat olleet laajasti esillä. Fossiilisten polttoaineiden polttaminen polttomoottoreissa (ICE) liikenteessä on suurin ympäristöongelmien lähde . Uudet energialähteet, kuten tuuli, aurinkoenergia ja paineilma, jotka voivat korvata fossiiliset polttoaineet, ovat ilmeinen ratkaisu ympäristöongelmien ratkaisemiseksi. Ympäristönsuojelussa on korostettu energiankulutusta. Jotkut tutkijat uskovat, että perinteiset autot korvataan tulevaisuudessa uusilla energia-autoilla. Toistaiseksi on olemassa joitakin uusia energia-ajoneuvoja, nimittäin sähköajoneuvoja, hybridisähköajoneuvoja, paineilmamoottoreita (CAE) ja niin edelleen. CAE on nollapäästöisten ajoneuvojen tyypillinen tuote, jota monet tutkijat ja laitokset ovat tutkineet .

Tasaisen kulun ja nopean vasteen varmistamiseksi ilmavirtausta ohjataan monissa CAE-järjestelmissä yksinkertaisella nokkamekanismilla . Perinteisissä mekaanisissa venttiilikoneistoissa käytetään yleensä venttiilien ajoituksia ja nostoja, jotka ovat kiinteitä nokkamekanismin suunnittelun mukaan. Yksi nokka-akselipohjaisten venttiilikoneistojen haittapuolista on se, että nokka-akselipohjaiset venttiilikoneistot eivät ole niin joustavia, että imuventtiilien ajoitusta, kestoa ja nostoa voitaisiin muuttaa. Koska CAE tekee mekaanisen työn paisuttamalla paineilmaa, paineilmavirtaa on säädettävä energiatehokkuuden parantamiseksi. On selvää, että nokkamekanismilla on vaikea vastata kysyntään. Energiatehokkuuden optimoimiseksi CAE:ssä on käytetty muuttuvia imuventtiilitekniikoita .

Muuttuvia imuventtiilitekniikoita voidaan käyttää laajasti polttomoottoreissa energiahäviöiden ja polttoaineenkulutuksen vähentämiseksi . Aiemmissa tutkimuksissa on keskitytty lähinnä nokkamekanismiventtiiliin perustuviin simulointeihin ja järjestelmäintegraatioihin. Muuttuvan imuventtiilin tutkimuksista CAE:ssä on raportoitu vain vähän tutkimuksia.

Tässä artikkelissa keskitytään muuttuvan imuventtiilin noston ja keston vaikutuksiin CAE:n suorituskykyyn. Näin ollen työprosessia kuvaavat yksityiskohtaiset matemaattiset mallit rakennetaan ja todennetaan kokeellisesti. Tämä työ on järjestetty seuraavasti. Jaksossa 2 käsitellään yksityiskohtaisia matemaattisia malleja. Jaksossa 3 saadaan simuloinnin ja todellisten kokeiden tuloksia, joita verrataan teoreettisten mallien tarkkuuden todentamiseksi. Jaksossa 4 analysoidaan, miten muuttuvan imuventtiilin nosto ja kesto vaikuttavat CAE:n suorituskykyyn. Lopuksi jaksossa 5 esitetään johtopäätökset.

2. Teoreettinen analyysi

Ymmärtääksemme CAE:n toimintaprosessin, meidän on tutkittava sylinterin sisäistä prosessia, joka on esitetty kuvassa 1. Kaasusäiliö tarjoaa energianlähteen. Imupaine säädetään paineensäätöyksiköllä. Ilman virtausta ohjataan magneettiventtiilillä. Järjestelmässä on pääasiassa kolme komponenttia: sylinteri, venttiilit ja säiliö. Seuraavassa rakennetaan nämä mallit termodynamiikan ja männän kinematiikan perusteella. Yksivaiheisessa mäntätyyppisessä CAE:ssä paineilma tulee sylinteriin imuventtiilin kautta ja paineilma työntää mäntää. Tämän jälkeen imuventtiili sulkeutuu tietyn kampikulman jälkeen, kun taas paineilma jatkaa männän työntämistä alaspäin ja tuottaa työtä. Kun mäntä saavuttaa alimman kuolleen pisteen (BDC), pakoventtiili aukeaa, jolloin jäännöspaineinen ilma poistuu. Mäntä liikkuu BDC:stä ylimpään kuolleeseen pisteeseen (TDC); CAE suorittaa työkierron.

Kuva 1

sylinterisäiliö-malli. Venttiilivirtaus

Koska imu- tai pakoventtiilin kuristusvaikutus aiheuttaa energiahäviöitä, venttiilivirtaus on CAE:n kannalta kriittinen. Venttiilivirtausta tarkastellaan yksiulotteisena isentrooppisena virtauksena .

Jos , massavirta on annettu

Jos , virtaus on kuristettu, ja massavirta on annettu missä on virtaussuunnan ylävirran pysähtymisäänen nopeus.

Venttiilin virtauspinta-alaa edustaa , joka voidaan ilmaista seuraavalla yhtälöllä:

Venttiilin virtauspinta-alan ja venttiilin nostokorkeuden välinen suhde määritellään seuraavalla yhtälöllä:

Mittakaavakerroin ”” määritellään byjossa on venttiilin maksimivirtauspinta-ala.

Voidaan luonnehtia nokkatonta venttiilin liikettä kulman (tai avautumiskulman) , maksiminnostokorkeuden ja keston avulla kunkin imuventtiilin osalta. Yksinkertaisuuden vuoksi nokkaton imu- ja pakoventtiilin nostoprofiilimalli esitetään seuraavilla yhtälöillä: missä ja ovat kiinteitä aika-alueella. Koordinaattimuunnos kampikulma-alueelle johtaa erilaisiin venttiiliprofiileihin eri moottorin nopeuksilla. Venttiilien nostoprofiili on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2

Venttiilien nostoprofiili.

2.2. Venttiilien nostoprofiili. Sylinterin sisäinen prosessi

Sylinterin sisältö on energianvaihtoprosessi. Sylinterin sisällä olevan paineistetun ilman paine ja lämpötila lasketaan globaalin energiataseen avulla: jossa on sylinterin sisällä olevan ilman sisäisen energian määrä, on sylinterin seinämästä sylinterin sisältöön siirtyvän lämmön määrä ja on avoimen järjestelmän tekemän työn määrä (joka on yhtä suuri kuin ).

Areenan sisäinen energia voidaan ilmaista seuraavasti: missä , ,

Substituoimalla (9) kohtaan (8) saadaanmissä , , ,

Painemuutoksen nopeus sylinterin sisällä saadaan ideaalikaasulain avulla:

2.3. Lämmönsiirto

Sylinterin sisällön välisen hetkellisen lämpövuorovaikutuksen arvioimiseksi on määriteltävä lämmönsiirtokerroin. Kirjallisuuden mukaan olettaen, että kaasun nopeus on verrannollinen männän keskinopeuteen, lämmönsiirtokerroin voidaan ilmaista seuraavalla yhtälöllä:

Keskimääräinen männän nopeus voidaan ilmaista seuraavalla yhtälöllä:

Vastaava lämmönsiirtokerroin onjos kokonaispinta-ala voidaan ilmaista kampikammiokulman kanssa seuraavasti:

2.4. Lämmönsiirtokerroin:

2.4. Lämmönsiirtokerroin:

2.5. Männänrenkaan kitka

Puristusrenkaan kitkatyön differentiaalielementti voidaan ilmaista seuraavasti: missä on männän isku, jonka kautta tämä voima vaikuttaa.

Tämä lauseke integroidaan täydellisen moottorikierroksen ajaksi, jotta otetaan huomioon kitkan vuoksi menetetty työ, joka vähennetään sitten kierroksen nettotyöstä.

3. Simulointi ja kokeellinen validointi

3.1. Simulointi ja kokeellinen validointi

. CAE:n simulointi

CAE:n toimintaominaisuudet määritetään 2 kohdassa mainitun teoreettisen analyysin avulla. Epälineaariset ja kytketyt differentiaaliyhtälöt mallinnetaan MATLAB/Simulink-ohjelmalla. Taulukossa 1 esitetään parametrien alkuarvot.

Kuvissa 3(a), 3(b) ja 3(c) esitetään simulointitulokset. Sylinterin ilmanpaine on esitetty kuvassa 3(a), sylinterin ilman lämpötila on piirretty kampikulman suhteen kuvassa 3(b), ja kuvassa 3(c) on esitetty sylinterin ilmamassavirran käyrä.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

Kuva 3

Painekäyrä, lämpötilakäyrä ja sylinterin massakäyrä.

Kuten kuvasta 3 käy ilmi, CAE:n sylinterin sisällä oleva paine, lämpötila ja massa muuttuvat jaksoittain. Imuventtiili aukeaa, kun mäntä saavuttaa TDC:n. Korkeapainesäiliöstä virtaa nopeasti paineilmaa sylinteriin. Paine sylinterin sisällä nousee nopeasti imupaineeseen. Samaan aikaan sylinterin sisällä oleva massa ja lämpötila kasvavat. Kun massavirta on pienempi kuin sylinterin tilavuus, sylinterin paine laskee dramaattisesti. Samaan aikaan sylinterin sisällä oleva paineilma laajenee ja johtaa sylinterin lämpötilan laskuun huippulämpötilasta.

Puristettua ilmaa ei enää virtaa sylinteriin, kun imuventtiili suljetaan. Tällöin ilman massavirta laskee nollaan. Mäntä työnnetään BDC:hen sylinterin sisällä olevan paineilman laajenemisesta riippuen. Lämpötila ja paine sylinterin sisällä laskevat dramaattisesti.

Pakoventtiili avautuu, kun mäntä saavuttaa BDC-arvon. Sylinterin sisällä oleva puristettu jäännös purkautuu, ja sylinterin sisällä oleva massa pienenee sen yläpäästä. Samaan aikaan sylinterin sisällä oleva lämpötila ja paine laskevat alareunaansa.

Yllä oleva prosessi toistuu, ja mekaanista tehoa voidaan tuottaa jatkuvasti.

Kuvan 3(b) mukaan sylinterin lämpötila nousee 240 K:n lämpötilaan, jossa voi esiintyä jäätymistä, joten lämmönvaihtoa on käytettävä.

3.2. Lämmönsiirto. Kokeellinen todentaminen

Kokeet suoritettiin matemaattisen mallin tarkkuuden todentamiseksi. Kokeellinen laite on esitetty kuvassa 4. Se koostuu korkeapainesäiliöstä, säätimestä (IR3020-03BC), matalapainesäiliöstä, kuristusventtiilistä (AS3001F), kahdesta porttimagneettiventtiilistä, uudelleensovitusmoottorista, jonka perusparametrit on esitetty taulukossa 2, Advantechin tiedonkeruukortista (PCI1711), absoluuttisesta kulmasiirtymäanturista ja Siemensin ohjelmalogiikkaohjaimesta (PLC). Kokeessa 4-tahtinen bensiinimoottori uudistettiin paineilmamoottoriksi imu- ja pakoaukon magneettiventtiilin avulla. Moottorin tekniset tiedot esitetään taulukossa 2.

Moottorin malli DJ139FMA Moottorin malli Yksisylinterinen, 4-tahtinen, kipinäsytytteinen, ilma-jäähdytetty moottori sylinterin isku/reikä 50/52 mm Tilavuus Tilavuus 100 cm3

Taulukko 2

Moottorin tekniset tiedot.

Kuva 4

Koelaitteen konfiguraatio.

Tässä kokeessa paineilmalähde toimi ensin ja säätimen ulostulopainetta säädettiin kiinteään arvoon. Toiseksi, matalapainesäiliö säilytti paineen jonkin ajan kuluttua, sitten säädettiin kuristusventtiiliä, joka voi päästää paineilman poistumaan tasaisesti säiliöstä. Imuaukon ja pakoaukon magneettiventtiileitä ohjattiin PLC:llä akselikulmalla, joka havaittiin kulma-anturin absoluuttisen arvon avulla. Imuaukon magneettiventtiili avautui, kun mäntä saavutti pisteen TDC, ja sulkeutui kokonaan kampikammiokulmalla. Tällöin sylinterin sisällä oleva paineilma laajenee. Tämän prosessin aikana pakoaukon magneettiventtiili pysyi suljettuna, ja mäntä työnnettiin TDC:stä kohti BDC:tä sisään tulevan paineilman avulla, mikä tuotti iskun. Pakosähkömagneettiventtiili avautui, kun mäntä saavutti BDC-arvon. Prosessin aikana imusähkömagneettiventtiili pysyi kiinni. Sylinterin sisällä oleva paineilma purkautui sylinteristä, ja mäntä liikkui BDC:stä kohti TDC:tä. Kampiakselin kulma mitattiin kulmasiirtymäanturin absoluuttisen arvon avulla. Viimeinen vaihe oli tiedonkeruu ja tallennus.

Testauslaitteisto on rakennettu kuvan 5 mukaisesti. Sylinterin tärkeimmät parametrit on esitetty taulukossa 2.

Kuva 5

Kokeilu ilmakäyttöisestä moottorista.

Kuten kuvasta 6 nähdään, simulointikäyrän trendi on yhdenmukainen kokeellisen käyrän trendin kanssa, ja edellä esitetty matemaattinen malli voidaan todentaa. Simulointitulosten ja kokeellisten tulosten välillä on kuitenkin kolme eroa: (1) maksimipaine on erilainen; (2) kokeellinen käyrä on taaksepäin siirtynyt simulointikäyrään nähden; (3) kokeellinen pakokaasupaineen arvo on suurempi kuin simuloinnin pakokaasupaineen arvo.

(a)

(b)

(a)
(b)

Kuva 6

Sylinteripaineen kokeelliset ja simulointikäyrät.

Erojen tärkeimmät syyt on tiivistetty seuraavasti. Kun otetaan huomioon imusolenoidin pieni tehollinen virtausalue, kuristusvaikutus on varsin ilmeinen. Samalla jokainen magneettiventtiili kokee liikkeen viiveen, mutta viiveaika on erilainen eri tilanteissa. Tässä asiakirjassa simulointi perustuu oletukseen, että viiveaika on yksinkertaisuuden vuoksi vakio. Siksi kokeen painekäyrä on taaksepäin siirtynyt simulointikäyrään nähden. Ja kun pakoilman massavirta on pienempi kuin sylinterin tilavuuden nopeus, paine sylinterin sisällä kasvaa pakoprosessin aikana.

Kokeelliset ja simulointikäyrät ulostulovääntömomentin osalta on esitetty kuvassa 7. On selvää, että kokeellisilla ja simulointikäyrillä on samanlainen suuntaus. Molemmat lähtömomenttikäyrät pienenevät, kun pyörimisnopeus kasvaa. Simuloinnissa ei kuitenkaan oteta huomioon kuristushäviötä, joten simuloinnin lähtömomentti on suurempi kuin kokeen arvo eri kampinopeuksilla. On selvää, että kokeellisten ja numeeristen tulosten väliset erot kasvavat kampin nopeuden kasvaessa. Tämä johtuu siitä, että laakereiden kitkamomenttia, apulaitteiden ja vaihteiden vääntömomenttihäviöitä ei oteta huomioon numeerisessa laskennassa. Nämä vääntömomentit kasvavat kampiakselin kierrosluvun kasvaessa.

Kuva 7

Lähdön vääntömomentin kokeilu- ja simulointikäyrät.

4. SUORITUSKYKY-ANALYYSI

Energiatehokkuuden arvioinnin arviointikriteeristö polttomoottorille ei ole sovelias, mutta ei kuitenkaan CAE:lle.

Energiahyötysuhde voidaan ilmaista byjossa IT ilmaisee vääntömomentin.

Ohjattu vääntömomentti voidaan ilmaista

Edellisen keskustelun perusteella CAE:n suorituskyky voidaan saada eri imupaineilla, IVD:llä ja IVL:llä. Parametrien lähtöarvot on esitetty taulukossa 1. Imupaine, IVD ja IVL voidaan muuttaa vertailua varten, kun taas kaikki muut parametrit pidetään vakiona.

Kuvissa 8(a) ja 8(b) esitetään CAE:n tuottama teho ja vääntömomentti eri syöttöpaineilla. Suurin teho, 0,3345 kW, saadaan 7 baarin paineella ja 500 rpm:n kierrosluvulla. Suurin vääntömomentti, 8,4727 Nm, saadaan 7 baarin paineessa ja 300 kierrosta minuutissa. Suurimmalla syöttöpaineella saadaan suurin vääntömomentti ja teho.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

Kuva 8

Syöttöpaineen ja CAE:n suorituskyvyn suhde.

Energiatehokkuudet eri imupaineilla ja kampikammionopeuksilla on esitetty kuvassa 8(c). Pienin kampikammion kierrosluku johtaa korkeimpaan energiatehokkuuteen. Ja alhaisin ilmanpaine tuottaa korkeimman hyötysuhteen.

On selvää, että syöttöpaineen kasvattaminen on hyödyllistä suuremman tehon ja vääntömomentin tuottamiseksi. Menetelmä kuitenkin vähentää energiatehokkuutta.

Kuvassa 9 esitetään CAE:n suorituskyky eri IVD-kulmilla 5 barin imupaineella.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

Kuva 9

InvD:n ja CAE:n suorituskyvyn suhde.

CAE:n tuottama teho ja vääntömomentti saadaan simuloimalla eri IVD-kulmilla, kuten kuvissa 9(a) ja 9(b) on esitetty. Suurin teho saadaan 500 rpm:n kierrosluvulla kaikissa IVD-kulmissa. Lähtömomentti kasvaa IVD-kulman myötä. Lähtöteho ja vääntömomentti ovat samat eri IVD-kulmissa 500 rpm:n käyntinopeudella. Energiatehokkuus pienenee IVD:n myötä, ja se voidaan ilmaista kuvassa 9(c). Mutta kun IVD on 20 astetta, hyötysuhde laskee kampiakselin nopeudella 100 rpm. Tämä johtuu siitä, että mitä enemmän paineilmaa CAE:hen pääsee pienimmällä kampiakselin kierrosluvulla, sitä korkeampi on pakokaasupaine.

Kuvassa 10 esitetään CAE:n suorituskyky eri IVL:llä 5 baarin imupaineella.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

Kuva 10

InvL:n ja CAE:n suorituskyvyn suhde.

CAE:n tuottama teho ja vääntömomentti saadaan simuloimalla eri IVL:llä, kuten kuvissa 10(a) ja 10(b) on esitetty. Lähtöteho kasvaa kampiakselin kierrosluvun myötä. Mutta kun kampiakselin kierrosluku on alle 400 rpm, lähtöteho ei juuri muutu eri IVD:llä. Tämä johtuu siitä, että alhaisella kampikammion kierrosnopeudella ilmavirran massa on lähes vakaa eri IVL:llä. Alussa lähtövääntömomentti kasvaa kampiakselin kierrosluvun kasvaessa ja saavuttaa huippunsa eri kampiakselin kierrosluvuilla ja IVL:llä. Energiatehokkuus heikkenisi kampikammionopeuden kasvaessa, ja suuri IVL parantaa energiatehokkuutta, mikä voidaan ilmaista kuvassa 10 c). Kuristusvaikutus vähenee, kun IVL on suuri.

5. Johtopäätökset

Tässä työssä rakennettiin matemaattinen malli. CAE:llä tehtiin simulointi- ja kokeellisia tutkimuksia, ja johtopäätökset on tiivistetty seuraavasti: (1)Sylinterin sisäisellä paineistetun ilman paineella ja lähtövääntömomentilla on sama muutostendenssi sekä simulointikäyrässä että kokeellisessa käyrässä.(2)Suurin teho saadaan 500 rpm:n kierrosluvulla ja suurin lähtövääntömomentti 300 rpm:n kierrosluvulla erilaisilla imupaineilla ja erilaisilla IVD-kulmilla.(3)Kun kampiakselin kierrosluku on suurempi kuin 200 rpm, saadaan korkeampi energiankäytön hyötysuhde pienemmällä kierrosluvulla, imupaineella ja IVD:llä.(4)Lähtömomentti kasvaa kampiakselin kierrosluvun kasvaessa ja saavuttaa huippunsa eri kampiakselin kierrosluvuilla ja IVL:llä. Ja suuresta IVL:stä on hyötyä energiatehokkuuden parantamiseksi.

Nimikkeistö

Alaotsikot

Atmosfääri

Virtaussuunta Alavirran puoli

Sisäänmeno

Lähtö

Redundantti käyttö avautuminen

Saantoventtiilin avautumisen kesto

Venttiili

Tarjonta CAE:n

Säiliö

Virtaussuuntaan

Venttiili.

Eintressiristiriita

Tekijät ilmoittavat, ettei tämän artikkelin julkaisemiseen liittyen ole eturistiriitaa.