- Abstract
- 1. Bevezetés
- 2. Elméleti elemzés
- 2.1. A henger-tartály modell. Szelepáramlás
- 2.2. ábra. Hengeren belüli folyamat
- 2.3. Hőátadás
- 2.4. Hőátadási együttható: 2.4. Hőátadási együttható. Dugattyúgyűrűs súrlódás
- 3. Szimuláció és kísérleti validálás
- 3.1. Szimuláció és kísérleti validálás 3.1. A kompressziós gyűrű súrlódási munkája. A CAE szimulációja
- 3.2. A henger hőmérséklete eléri a 240 K-t, ami jegesedést okozhat, ezért hőcserét kell alkalmazni. 3.2. A henger hőmérséklete csökken. Kísérleti ellenőrzés
- 4. Performance Analysis
- 5. Következtetések
- Nómenklatúra
- Érdekütközés
Abstract
A sűrített levegős motor új, bütyök nélküli motorja javasolt, amely képes a sűrített levegő energiáját ésszerűen elosztani. A bütyök nélküli sűrített levegős motor elemzésén keresztül felállítottuk a munkafolyamatok matematikai modelljét. A MATLAB/Simulink szoftver segítségével a szimulációhoz a henger nyomását, hőmérsékletét és légtömegét kaptuk meg. A matematikai modell pontosságának ellenőrzése érdekében kísérleteket végeztek. Ezenkívül teljesítményelemzést vezettek be a sűrített levegős motor tervezéséhez. Az eredmények azt mutatják, hogy először is a szimulációs eredmények jó összhangban vannak a kísérleti eredményekkel. Másodszor, különböző szívónyomás mellett a legnagyobb kimenő teljesítményt akkor kapjuk, amikor a forgattyús fordulatszám eléri az 500 fordulat/perc értéket, ami a maximális kimenő nyomatékot is biztosítja. Végül, alacsonyabb fordulatszám, szívónyomás és szelepidőtartam-szög mellett nagyobb energiafelhasználási hatásfok érhető el. Ez a kutatás vonatkozhat a sűrített levegős motorok bütyök nélküli szelepének kialakítására.
1. Bevezetés
Az olyan környezeti problémák, mint a köd, a pára, az üvegházhatás és a savas esők széles körben érintettek. A fosszilis tüzelőanyagok belső égésű motorokban (ICE) történő elégetése a közlekedéshez a környezeti problémák fő forrása . Az új energiaforrások, mint a szél, a napenergia, a sűrített levegő, amelyek helyettesíthetik a fosszilis tüzelőanyagokat, nyilvánvaló megoldást jelentenek a környezeti problémák megoldására. A környezetvédelem tekintetében az energiaköltségek kérdését hangsúlyozták . Egyes tudósok úgy vélik, hogy a hagyományos gépjárműveket a jövőben új energiával működő járművek fogják felváltani. Eddig van néhány új energia járművek, nevezetesen elektromos járművek, hibrid elektromos járművek, sűrített levegős motorok (CAE), és így tovább. A CAE a nulla szennyezőanyag-kibocsátású járművek tipikus terméke, amelyet számos tudós és intézmény tanulmányozott .
A sima futás és a gyors reagálás biztosítása érdekében a levegő áramlását számos CAE rendszerben egy egyszerű bütykös mechanizmussal szabályozzák. A hagyományos mechanikus szelepvezérlések általában olyan szelepvezérlési időzítéseket és emeléseket használnak, amelyek a vezérműtengely kialakításától függően rögzítettek. A beömlőszelepek időzítésének, időtartamának és emelésének változtatására vonatkozó rugalmasság hiánya az egyik hátránya a vezérműtengelyen alapuló szelephajtásoknak. Mivel a CAE a mechanikai munkát sűrített levegő tágításával végzi, a sűrített levegő áramlását szabályozni kell az energiahatékonyság javítása érdekében. Nyilvánvaló, hogy a vezérműtengely-mechanizmus nehezen tud megfelelni az igényeknek. Az energiahatékonyság optimalizálása érdekében a CAE-ben a változó szívószelep technikákat alkalmazták .
A változó szívószelep technikák széles körben alkalmazhatók a belsőégésű motorokban az energiaveszteségek és az üzemanyag-fogyasztás csökkentése érdekében . A korábbi tanulmányok főként a szimulációkra és a rendszerintegrációkra összpontosítottak, amelyek a bütykös mechanizmusú szelepen alapulnak. Kevés tanulmány számolt be a változó szívószelep vizsgálatokról a CAE-ben.
Ez a cikk a változó szívószelep emelés és időtartam által a CAE teljesítményére gyakorolt hatásokra összpontosít. Így részletes matematikai modellek épülnek a működési folyamat leírására, amelyeket kísérletekkel igazolnak. A dolgozat a következőképpen szerveződik. A 2. szakaszban a részletes matematikai modelleket tárgyaljuk. A 3. szakaszban szimulációs és valós kísérleti eredményeket kapunk és hasonlítjuk össze az elméleti modellek pontosságának ellenőrzésére. A 4. szakaszban a változó szívószelep emelése és időtartama által a CAE teljesítményére gyakorolt hatásokat elemezzük. Végül az 5. szakaszban következtetések kerülnek bemutatásra.
2. Elméleti elemzés
A CAE működési folyamatának megértéséhez meg kell vizsgálnunk a hengeren belüli folyamatot, amelyet az 1. ábra szemléltet. A gáztartály biztosítja az energiaforrást. A szívónyomást a nyomásszabályozó egység szabályozza. A levegő áramlását mágnesszelep szabályozza. Elsősorban három komponensből áll: a henger, a szelepek és a tartály. A következőkben ezeket a modelleket a termodinamika és a dugattyú kinematikája alapján építjük fel. Az egyfokozatú dugattyús CAE esetében a sűrített levegő a szívószelepen keresztül lép be a hengerbe, és a dugattyút a sűrített levegő tolja. Ezután a szívószelep egy adott forgattyúszög után bezárul, miközben a sűrített levegő továbbra is lefelé nyomja a dugattyút és munkát ad le. Amikor a dugattyú eléri az alsó holtpontot (BDC), a kipufogószelep kinyílik, így a maradéknyomású levegő távozik. A dugattyú a BDC-től a felső holtpontig (TDC) halad; a CAE egy munkaciklust végez el.
2.1. A henger-tartály modell. Szelepáramlás
Miatt a szívó- vagy kipufogószelep fojtóhatása felelős az energiaveszteségekért, a szelepáramlás kritikus fontosságú a CAE szempontjából. A szelepáramlást egydimenziós izentróp áramlásnak tekintjük .
Ha , a tömegáramlást a
Ha , az áramlás fojtott, és a tömegáramlást az adja, ahol az upstream stagnációs hangsebesség.
A szelepáramlási területet a , amely a következő egyenletben fejezhető ki:
A szelepáramlási terület és a szelepemelés közötti kapcsolatot a következő egyenlet határozza meg:
A méretezési tényezőt “” határozza meg byhol a maximális szelepáramlási terület.
A bütyök nélküli szelepmozgást az egyes szívószelepek szöge (vagy nyitása) , maximális emelése és időtartamával jellemezhetjük. Az egyszerűség kedvéért a bütyök nélküli szívó- és kipufogószelep-emelkedés profiljának modelljét a következő egyenletekkel mutatjuk be: ahol és az időtartományban rögzítettek. A forgattyúszög-tartományba történő koordinátatranszformáció különböző szelepprofilokat eredményez különböző motorfordulatszámok esetén. A szelepemelési profil a 2. ábrán látható.
2.2. ábra. Hengeren belüli folyamat
A henger tartalma energiacsere folyamat. A hengerben lévő sűrített levegő nyomását és hőmérsékletét globális energiamérleggel számoljuk ki:ahol a hengerben lévő levegő belső energiájának mértéke, a henger faláról a henger tartalmára átadott hő mértéke, és a nyitott rendszer által végzett munka mértéke (ami egyenlő ).
A levegő belső energiája kifejezhetőmivel , .
A (9)-t a (8)-ba behelyettesítve megkapjukmivel , , .
A palackon belüli nyomásváltozás mértékét az ideális gáztörvény alapján kapjuk:
2.3. Hőátadás
A palack tartalma közötti pillanatnyi hőkölcsönhatás értékeléséhez meg kell határozni a hőátadási együtthatót. A szakirodalom szerint , feltételezve, hogy a gázsebesség arányos a dugattyú átlagsebességével , a hőátadási együttható a következő egyenlet segítségével fejezhető ki:
Az átlagos dugattyúsebesség a következő egyenlet segítségével fejezhető ki:
A megfelelő hőátadás ahol a teljes felület a következőképpen fejezhető ki a forgattyúszöggel:
2.4. Hőátadási együttható:
2.4. Hőátadási együttható. Dugattyúgyűrűs súrlódás
A súrlódási munka differenciális eleme a kompressziós gyűrűre vonatkozóan kifejezhető,
ahol a dugattyú löket, amelyen keresztül ez az erő hat.
Ezt a kifejezést egy teljes motorciklusra integráljuk, hogy figyelembe vegyük a súrlódás miatt elveszett munkát, amelyet aztán levonunk a nettó ciklusmunkából.
3. Szimuláció és kísérleti validálás
3.1. Szimuláció és kísérleti validálás
3.1. A kompressziós gyűrű súrlódási munkája. A CAE szimulációja
A CAE működési jellemzőit a 2. szakaszban említett elméleti elemzés határozza meg. A nemlineáris és kapcsolt differenciálegyenletek modellezése a MATLAB/Simulink programban történik. Az 1. táblázat mutatja a paraméterek kezdeti értékeit.
A 3(a), 3(b) és 3(c) ábrák a szimulációs eredményeket mutatják. A 3(a) ábrán a henger légnyomása látható, a 3(b) ábrán a henger léghőmérséklete van ábrázolva a forgattyúszög függvényében, a 3(c) ábra pedig a henger légtömegáramának görbéjét ábrázolja.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Amint a 3. ábrán látható, a CAE hengerében a nyomás, a hőmérséklet és a tömeg periodikusan változik. A szívószelep kinyílik, amikor a dugattyú eléri a TDC-t. A nagynyomású tartályból sűrített levegő gyorsan áramlik a hengerbe. A hengerben lévő nyomás gyorsan megnő a szívónyomásig. Eközben a hengerben lévő tömeg és hőmérséklet növekszik. Amikor a tömegáramlás mértéke kisebb, mint a henger térfogatának mértéke, a henger nyomása drámaian lecsökken. Eközben a hengerben lévő sűrített levegő kitágul, és a henger hőmérséklete a csúcsértékről lecsökken.
A beszívószelep zárásakor a hengerbe már nem áramlik sűrített levegő. Ekkor a levegő tömegáramlása nullára csökken. A dugattyút a hengerben lévő sűrített levegő függvényében a BDC-ig tolja a henger tágulása. A henger belsejében a hőmérséklet és a nyomás drámaian lecsökken.
A kipufogószelep kinyílik, amikor a dugattyú eléri a BDC értéket. A henger belsejében lévő maradék sűrített levezetésre kerül, és a henger belsejében lévő tömeg a henger tetejétől csökken. Eközben a henger belsejében a hőmérséklet és a nyomás az aljára csökken.
A fenti folyamat megismétlődik, és a mechanikai teljesítmény folyamatosan leadható.
A 3. b) ábra szerint a henger hőmérséklete eléri a 240 K-t, ami jegesedést okozhat, ezért hőcserét kell alkalmazni.
3.2. A henger hőmérséklete eléri a 240 K-t, ami jegesedést okozhat, ezért hőcserét kell alkalmazni.
3.2. A henger hőmérséklete csökken. Kísérleti ellenőrzés
A matematikai modell pontosságának ellenőrzésére kísérleteket végeztünk. A kísérleti berendezés a 4. ábrán látható, amely egy nagynyomású tartályból, egy szabályozóból (IR3020-03BC), egy alacsonynyomású tartályból, egy fojtószelepből (AS3001F), két port mágnesszelepből, egy újratöltött motorból a 2. táblázatban megadott alapparaméterekkel, egy Advantech adatgyűjtő kártyából (PCI1711), egy abszolút szögeltolódás érzékelőből és egy Siemens gyártmányú programozott logikai vezérlőből (PLC) áll. A kísérletben egy 4 ütemű benzinmotort alakítottak át sűrített levegős motorrá a szívónyílás és a kipufogónyílás mágnesszelepével. A motor specifikációit a 2. táblázat tartalmazza.
|
|||||||||||||
A kísérletben először a sűrített levegőforrás működött és a szabályozó kimeneti nyomását a rögzített értékre állították. Másodszor, az alacsony nyomású tartály egy idő után fenntartotta a nyomást, majd beállította a fojtószelepet, amely lehetővé teszi, hogy a sűrített levegő folyamatosan kimenjen a tartályból. A szívónyílás és a kipufogónyílás mágnesszelepeit PLC vezérelte a tengelyszöggel, amelyet a szögérzékelő abszolút értéke érzékelt. A szívónyílás mágnesszelepe kinyílt, amikor a dugattyú elérte a TDC-t, és teljesen bezárult a forgattyúszögnél. Ekkor a hengerben lévő sűrített levegő kitágul. E folyamat során a kipufogónyílás mágnesszelep zárva maradt, és a dugattyút a beáramló sűrített levegő a TDC-től a BDC felé tolta, létrehozva a teljesítményütemet. A kipufogó mágnesszelep kinyílt, amikor a dugattyú elérte a BDC értéket. A folyamat során a szívó mágnesszelep zárva maradt. A hengerben lévő sűrített levegő kiürült a hengerből, és a dugattyú a BDC-től a TDC felé mozdult. A forgattyúszöget a szögelfordulás-érzékelő abszolút értékével mértük. Az utolsó lépés az adatgyűjtés és tárolás volt.
A vizsgálóberendezés az 5. ábrán látható módon épült fel. A henger főbb paramétereit a 2. táblázat tartalmazza.
A 6. ábrán látható, hogy a szimulációs görbe trendje összhangban van a kísérleti görbe trendjével, és a fenti matematikai modell igazolható. Három különbség van azonban a szimulációs és a kísérleti eredmények között: (1) a maximális nyomás eltérő; (2) a kísérleti görbe hátrafelé eltolódik a szimulációs görbéhez képest; (3) a kísérleti kipufogónyomás értéke nagyobb, mint a szimulációs kipufogónyomás értéke.
(a)
(b)
(a)
(b)
A különbségek fő okai a következőkben foglalhatók össze. Figyelembe véve a kis effektív áramlási felületet a szívószolenoidban, a fojtóhatás meglehetősen nyilvánvaló lesz. Eközben minden mágnesszelep késleltetett mozgást tapasztal, de a késleltetési idő különböző helyzetekben eltérő. Ebben a dokumentumban a szimuláció azon a feltételezésen alapul, hogy a késleltetési idő az egyszerűség kedvéért állandó. Ezért a kísérleti nyomásgörbe visszafelé eltolódik a szimulációs görbéhez képest. És ha a kipufogógáz-levegő tömegáram kisebb, mint a henger térfogatának mértéke, akkor a hengeren belüli nyomás megnő a kipufogási folyamat során.
A kimeneti nyomaték kísérleti és szimulációs görbéjét a 7. ábra mutatja. Nyilvánvaló, hogy a kísérleti és a szimulációs görbék hasonló tendenciát mutatnak. Mindkét kimeneti nyomatékgörbe csökken, amikor a fordulatszám növekszik. A fojtási veszteséget azonban nem veszik figyelembe a szimulációs folyamatban, ezért a kimeneti nyomaték a szimulációban nagyobb, mint a kísérleti érték a különböző forgattyúsebességeknél. Nyilvánvaló, hogy a kísérleti és a numerikus eredmények közötti különbségek a forgattyúsebesség növekedésével nőnek. Ez azért van, mert a csapágyak súrlódási nyomatékát, a segédberendezések és a fogaskerekek nyomatékveszteségét nem veszik figyelembe a numerikus számítások során. Ezek a nyomatékok a forgattyús fordulatszám növekedésével együtt nőnek.
4. Performance Analysis
Az energiahatékonyság értékelési kritériuma ICE-re nem alkalmas, de a CAE-re nem. Ebben a szakaszban röviden bemutatunk egy új energiahatékonysági értékelési módszert, nevezetesen a légteljesítményt, a CAE energiahatékonyságának értékelésére.
A légteljesítményt a rendelkezésre álló energia felhasználásával fejezzük ki, amely kifejezve, ahol a levegő térfogata a normál állapotban.
Az energiahatékonyság kifejezhetővalahol IT jelzi a nyomatékot.
A jelzett nyomaték kifejezhető
A korábbi értekezésből a CAE teljesítménye különböző szívónyomás, IVD és IVL esetén kapható. A paraméterek kezdeti értékeit az 1. táblázat tartalmazza. A szívónyomás, az IVD és az IVL változtatható az összehasonlítás érdekében, míg az összes többi paramétert állandó értéken tartjuk.
A 8(a) és 8(b) ábrák a CAE által leadott teljesítményt és nyomatékot mutatják különböző tápfeszültségi nyomáson. A legnagyobb teljesítményt, 0,3345 kW-ot 7 bar és 500 fordulat/perc mellett kapjuk. A legnagyobb, 8,4727 Nm nyomaték 7 bar nyomáson és 300 fordulat/perc fordulatszámon érhető el. A legnagyobb tápfeszültségi nyomáson érhető el a legnagyobb nyomaték és teljesítmény.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
A 8. ábra c) pontja mutatja az energiahatékonyságokat különböző szívónyomás és forgattyúsebesség mellett. A legalacsonyabb forgattyúsebesség a legmagasabb energiahatékonyságot eredményezi. A legalacsonyabb légnyomás pedig a legmagasabb hatásfokot biztosítja.
Egyértelmű, hogy a tápnyomás növelése előnyös a nagyobb teljesítmény és nyomaték leadásához. A módszer azonban csökkenti az energiahatékonyságot.
A 9. ábra a CAE teljesítményét mutatja különböző IVD-szögek esetén 5 bar szívónyomás mellett.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
A CAE kimenő teljesítményét és nyomatékát különböző IVD-szögek mellett szimulációval kapjuk, amint azt a 9(a) és 9(b) ábra mutatja. A legnagyobb kimenő teljesítmény 500 fordulat/percnél érhető el bármely IVD-szögben. A kimeneti nyomaték az IVD-vel együtt nő. A kimenő teljesítmény és nyomaték különböző IVD-szögek esetén 500 fordulat/percnél megegyezik. Az energiahatékonyság az IVD-vel csökkenne, és a 9. ábra c) pontjában látható. Ha azonban az IVD 20 fokos, a hatásfok 100 fordulat/perc forgattyúsebességnél csökken. Ez azért van, mert minél több sűrített levegő kerül a CAE-be a legalacsonyabb forgattyús fordulatszámon, annál nagyobb a kipufogógázok nyomása.
A 10. ábra a CAE teljesítményét mutatja különböző IVL esetén 5 bar szívási nyomáson.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
A CAE kimenő teljesítményét és nyomatékát különböző IVL mellett szimulációval kaptuk meg, amint azt a 10(a) és 10(b) ábra mutatja. A kimenő teljesítmény a forgattyús fordulatszámmal nő. Ha azonban a forgattyúshajtómű fordulatszáma 400 fordulat/percnél alacsonyabb, a kimenő teljesítmény különböző IVD-k mellett alig változik. Ez azért van, mert alacsony forgattyúsebességnél a levegő áramló tömege a különböző IVL-ek mellett szinte stabil. Eközben kezdetben a kimeneti nyomaték a forgattyús fordulatszám növekedésével nő, és különböző forgattyús fordulatszámok és IVL mellett éri el a csúcsértékét. Az energiahatékonyság csökkenne a forgattyúsebességgel, és a nagy IVL kedvezően hat az energiahatékonyság javítására, ami a 10. ábra c) pontjában látható. A fojtóhatás nagy IVL esetén csökken.
5. Következtetések
Ebben a tanulmányban a matematikai modellt építettük fel. A CAE-n szimulációs és kísérleti vizsgálatokat végeztünk, és a következtetéseket a következőkben foglaljuk össze: (1)A hengeren belüli sűrített levegő nyomása és a kimeneti nyomaték ugyanolyan változó tendenciát mutat mind a szimulációs, mind a kísérleti görbén.(2)A legnagyobb teljesítményt 500 rpm-nél, a legnagyobb nyomatékot pedig 300 rpm-nél kapjuk különböző szívási nyomások és különböző IVD-szögek esetén.(3)Ha a forgattyús fordulatszám nagyobb, mint 200 rpm, nagyobb energiafelhasználási hatásfok érhető el alacsonyabb fordulatszám, szívónyomás és IVD mellett.(4)A kimeneti nyomaték a forgattyús fordulatszám növekedésével nő, és különböző forgattyús fordulatszámok és IVL esetén éri el a csúcsértékét. A nagy IVL pedig előnyös az energiahatékonyság javításához.
Nómenklatúra
Aláírások
Érdekütközés
A szerzők kijelentik, hogy e cikk publikálásával kapcsolatban nem áll fenn érdekellentét.