- Abstract
- 1. Introduzione
- 2. Analisi teorica
- 2.1. Flusso della valvola
- 2.2. Processo nel cilindro
- 2.3. Trasferimento di calore
- 2.4. L’attrito dell’anello del pistone
- 3. Simulazione e convalida sperimentale
- 3.1. Simulazione del CAE
- 3.2. Verifica sperimentale
- 4. Analisi delle prestazioni
- 5. Conclusioni
- Nomenclatura
- Conflitto di interessi
Abstract
Si propone un nuovo motore ad aria compressa senza camme, che può rendere l’energia dell’aria compressa ragionevolmente distribuita. Attraverso l’analisi del motore ad aria compressa senza camme, è stato creato un modello matematico dei processi di lavoro. Utilizzando il software MATLAB/Simulink per la simulazione, sono state ottenute la pressione, la temperatura e la massa d’aria del cilindro. Per verificare la precisione del modello matematico, sono stati condotti degli esperimenti. Inoltre, l’analisi delle prestazioni è stata introdotta per progettare il motore ad aria compressa. I risultati mostrano che, in primo luogo, i risultati della simulazione hanno una buona coerenza con i risultati sperimentali. In secondo luogo, sotto diverse pressioni di aspirazione, la potenza di uscita più alta si ottiene quando la velocità della manovella raggiunge i 500 rpm, che fornisce anche la coppia di uscita massima. Infine, una maggiore efficienza di utilizzo dell’energia può essere ottenuta a velocità, pressione di aspirazione e angolo di durata della valvola più bassi. Questa ricerca può riferirsi alla progettazione della valvola senza camme del motore ad aria compressa.
1. Introduzione
Le questioni ambientali come la nebbia, la foschia, l’effetto serra e le piogge acide sono state ampiamente considerate. La combustione di combustibili fossili nei motori a combustione interna (ICE) per il trasporto è la principale fonte di problemi ambientali. Nuove fonti di energia come il vento, l’energia solare, l’aria compressa che possono sostituire il combustibile fossile sono una soluzione ovvia per risolvere i problemi ambientali. Per quanto riguarda la protezione dell’ambiente, la questione della spesa energetica è stata enfatizzata. Alcuni studiosi ritengono che le automobili tradizionali saranno sostituite in futuro da nuovi veicoli energetici. Finora, ci sono alcuni nuovi veicoli energetici, vale a dire, veicoli elettrici, veicoli elettrici ibridi, motori ad aria compressa (CAE), e così via. Il CAE è il prodotto tipico dei veicoli a zero inquinamento, che è stato studiato da molti studiosi e istituzioni .
Per garantire un funzionamento regolare e una risposta veloce, il flusso d’aria è controllato da un semplice meccanismo a camme in molti sistemi CAE . I treni valvole meccanici convenzionali usano generalmente tempi e alzate delle valvole che sono fissate in base al design del meccanismo a camme. La mancanza di flessibilità dei treni di valvole basati sull’albero a camme per variare tempi, durata e alzata delle valvole di aspirazione è uno degli svantaggi. Poiché il CAE fa un lavoro meccanico espandendo l’aria compressa, il flusso di aria compressa deve essere controllato per migliorare l’efficienza energetica. È ovvio che il meccanismo a camme è difficile da soddisfare la domanda. Al fine di ottimizzare l’efficienza energetica, le tecniche della valvola di aspirazione variabile sono state utilizzate nel CAE.
Le tecniche della valvola di aspirazione variabile hanno il potenziale per essere ampiamente utilizzate nei motori a combustione interna per ridurre le perdite di energia e il consumo di carburante. Gli studi precedenti si sono concentrati principalmente su simulazioni e integrazioni di sistema basate sul meccanismo della valvola a camme. Pochi studi sono stati riportati sulle indagini della valvola di aspirazione variabile in CAE.
Questo documento si concentra sulle influenze sulle prestazioni del CAE dalla valvola di aspirazione variabile lift e durata. Così, modelli matematici dettagliati per descrivere il processo di lavoro sono costruiti e verificati da esperimenti. Questo articolo è organizzato come segue. Nella sezione 2, vengono discussi i modelli matematici dettagliati. Nella sezione 3, i risultati della simulazione e degli esperimenti reali sono ottenuti e confrontati per verificare l’accuratezza dei modelli teorici. Nella Sezione 4, vengono analizzate le influenze sulle prestazioni del CAE da parte dell’alzata e della durata della valvola di aspirazione variabile. Infine, le conclusioni sono presentate nella sezione 5.
2. Analisi teorica
Per capire il processo di funzionamento del CAE, dobbiamo studiare il processo all’interno del cilindro, che è illustrato nella figura 1. Il serbatoio del gas fornisce la fonte di energia. La pressione di aspirazione è regolata dall’unità di controllo della pressione. Il flusso d’aria è controllato dall’elettrovalvola. Ci sono principalmente tre componenti: il cilindro, le valvole e il serbatoio. Nel seguito, costruiamo questi modelli basati sulla termodinamica e la cinematica del pistone. Per un CAE a pistone monostadio, l’aria compressa entra nel cilindro attraverso la valvola di aspirazione e il pistone viene spinto dall’aria compressa. Poi la valvola di aspirazione si chiude dopo un determinato angolo di manovella, mentre l’aria compressa continua a spingere il pistone verso il basso e a produrre lavoro. Quando il pistone raggiunge il punto morto inferiore (BDC), la valvola di scarico si apre in modo che l’aria con pressione residua si scarichi. Il pistone si muove dal PMI al punto morto superiore (PMS); il CAE completa un ciclo di lavoro.
2.1. Flusso della valvola
Perché l’effetto di strozzamento dalla valvola di aspirazione o di scarico rappresenta le perdite di energia, il flusso della valvola è critico per il CAE. Il flusso della valvola è considerato come un flusso isentropico unidimensionale.
Se la portata di massa è data da
Se il flusso è strozzato, e la portata di massa è data da dovunque sia la velocità del suono di stagnazione a monte.
L’area di flusso della valvola è rappresentata da , che può essere espressa dalla seguente equazione:
La relazione tra l’area di flusso della valvola e l’alzata della valvola è definita dalla seguente equazione:
Il fattore di scala “” è definito dawhere è l’area massima di flusso della valvola.
Possiamo caratterizzare il movimento della valvola senza camme per angolo (o apertura), alzata massima, e durata di ogni valvola di aspirazione. Per semplicità, il modello del profilo di alzata delle valvole di aspirazione e di scarico senza camme è presentato dalle seguenti equazioni: dove e sono fissati nel dominio del tempo. Una trasformazione delle coordinate nel dominio dell’angolo di manovella dà come risultato diversi profili di valvole a diverse velocità del motore. Il profilo dell’alzata della valvola è mostrato nella figura 2.
2.2. Processo nel cilindro
Il contenuto del cilindro è un processo di scambio di energia. La pressione e la temperatura dell’aria compressa all’interno del cilindro sono calcolate da un bilancio energetico globale: dove è il tasso di energia interna dell’aria all’interno del cilindro, è il tasso di calore trasferito dalla parete del cilindro al contenuto del cilindro, ed è il tasso di lavoro fatto dal sistema aperto (che è uguale a ).
L’energia interna dell’aria può essere espressa comewhere , .
Sostituendo la (9) nella (8) si ottiene dove , , .
Il tasso di variazione della pressione all’interno della bombola è ottenuto dalla legge dei gas ideali:
2.3. Trasferimento di calore
Per valutare l’interazione istantanea di calore tra il contenuto della bombola, è necessario definire il coefficiente di trasferimento di calore. Secondo la letteratura, supponendo che la velocità del gas sia proporzionale alla velocità media del pistone, il coefficiente di trasferimento di calore può essere espresso con la seguente equazione:
La velocità media del pistone può essere espressa dalla seguente equazione:
Il trasferimento di calore corrispondente è dove la superficie totale può essere espressa con l’angolo di manovella come segue:
2.4. L’attrito dell’anello del pistone
L’elemento differenziale del lavoro di attrito per l’anello di compressione può essere espresso comewhere è la corsa del pistone attraverso cui questa forza agisce.
Questa espressione è integrata su un ciclo completo del motore per tenere conto del lavoro perso per attrito, che è poi sottratto dal lavoro netto del ciclo.
3. Simulazione e convalida sperimentale
3.1. Simulazione del CAE
Le caratteristiche di funzionamento del CAE sono determinate dall’analisi teorica menzionata nella sezione 2. Le equazioni differenziali non lineari e accoppiate sono modellate in MATLAB/Simulink. La tabella 1 mostra i valori iniziali dei parametri.
Le figure 3(a), 3(b), e 3(c) mostrano i risultati della simulazione. La pressione dell’aria del cilindro è mostrata nella figura 3(a), la temperatura dell’aria del cilindro è tracciata contro l’angolo di manovella nella figura 3(b), e la figura 3(c) rappresenta il flusso di massa dell’aria della curva del cilindro.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Come mostrato nella figura 3, la pressione, la temperatura e la massa all’interno del cilindro della CAE cambiano periodicamente. La valvola di aspirazione si apre quando il pistone raggiunge il PMS; l’aria compressa dal serbatoio ad alta pressione entra rapidamente nel cilindro. La pressione all’interno del cilindro aumenta rapidamente fino alla pressione di aspirazione. Nel frattempo, la massa e la temperatura all’interno del cilindro aumentano. Quando la portata della massa è inferiore alla portata del volume del cilindro, la pressione del cilindro scende drasticamente. Nel frattempo, l’aria compressa all’interno del cilindro si espande e porta la temperatura del cilindro a scendere dal suo picco.
L’aria compressa non fluisce più nel cilindro, quando la valvola di aspirazione è chiusa. In questo momento, il flusso di massa dell’aria scende a zero. Il pistone è spinto verso il BDC in funzione dell’espansione dell’aria compressa all’interno del cilindro. La temperatura e la pressione all’interno del cilindro scendono drasticamente.
La valvola di scarico si apre quando il pistone raggiunge il BDC. Il residuo compresso all’interno del cilindro viene scaricato, e la massa all’interno del cilindro diminuisce dalla sua cima. Nel frattempo, la temperatura e la pressione all’interno del cilindro scendono al loro fondo.
Il processo di cui sopra viene ripetuto e la potenza meccanica può essere prodotta continuamente.
Secondo la figura 3(b), la temperatura del cilindro raggiunge 240 K che può sperimentare la formazione di ghiaccio, quindi lo scambio di calore deve essere usato.
3.2. Verifica sperimentale
Gli esperimenti sono stati condotti per verificare la precisione del modello matematico. L’apparato sperimentale è mostrato nella Figura 4, che consiste in un serbatoio ad alta pressione, un regolatore (IR3020-03BC), un serbatoio a bassa pressione, una valvola a farfalla (AS3001F), due elettrovalvole di porta, un motore refit con i parametri di base indicati nella Tabella 2, una scheda di acquisizione dati (PCI1711) di Advantech, un sensore di spostamento angolare assoluto e un controllore logico di programma (PLC) di Siemens. Nell’esperimento, un motore a benzina a 4 tempi è stato riformato in un motore ad aria compressa dalla porta di aspirazione e dall’elettrovalvola della porta di scarico. Le specifiche del motore sono mostrate nella tabella 2.
|
||||||||||||
L’impianto di prova è stato costruito come mostrato nella figura 5. I parametri principali del cilindro sono presentati nella tabella 2.
Come mostrato nella Figura 6, l’andamento della curva di simulazione è coerente con l’andamento della curva sperimentale, e il modello matematico sopra può essere verificato. Tuttavia, ci sono tre differenze tra i risultati della simulazione e i risultati sperimentali: (1) la pressione massima è diversa; (2) la curva sperimentale è spostata all’indietro rispetto alla curva di simulazione; (3) il valore della pressione di scarico dell’esperimento è maggiore del valore della pressione di scarico della simulazione.
(a)
(b)
(a)
(b)
Le ragioni principali delle differenze sono riassunte come segue. Considerando la piccola area di flusso effettivo nel solenoide di aspirazione, l’effetto di strozzamento sarà abbastanza evidente. Nel frattempo, ogni elettrovalvola sperimenta un ritardo nel movimento, ma il tempo di ritardo è diverso in situazioni diverse. In questo documento, la simulazione si basa sul presupposto che il tempo di ritardo sia costante per semplicità. Pertanto, la curva di pressione dell’esperimento è spostata all’indietro rispetto alla curva di simulazione. E quando il flusso di massa dell’aria di scarico è inferiore al tasso di volume del cilindro, la pressione all’interno del cilindro aumenterà durante il processo di scarico.
Le curve di sperimentazione e simulazione della coppia di uscita sono mostrate nella Figura 7. È ovvio che le curve sperimentali e di simulazione hanno tendenze simili. Entrambe le curve di coppia in uscita diminuiscono quando la velocità di rotazione aumenta. Ma la perdita di potenza non è considerata nel processo di simulazione, quindi la coppia di uscita nella simulazione è maggiore del valore dell’esperimento a diverse velocità di rotazione. È ovvio che le differenze tra i risultati sperimentali e numerici aumentano con l’aumento della velocità di rotazione. Questo perché la coppia di attrito dei cuscinetti, gli ausiliari e le perdite di coppia degli ingranaggi non sono considerati nel calcolo numerico. Queste coppie aumentano con l’aumento della velocità della manovella.
4. Analisi delle prestazioni
Il criterio di valutazione dell’efficienza energetica per ICE non è adatto ma non per il CAE. In questa sezione, una nuova valutazione dell’efficienza energetica, cioè la potenza dell’aria, è brevemente introdotta per valutare l’efficienza energetica del CAE.
La potenza dell’aria è espressa usando l’energia disponibile, che è espressa comewhere è il volume di aria allo stato standard.
L’efficienza energetica può essere espressa dawhere IT indica la coppia.
La coppia indicata può essere espressa da
Dalla discussione precedente, le prestazioni di CAE possono essere ottenute in diverse pressioni di aspirazione, IVD e IVL. I valori iniziali dei parametri sono indicati nella tabella 1. La pressione di aspirazione, IVD e IVL possono essere cambiati per il confronto mentre tutti gli altri parametri sono tenuti costanti.
Le figure 8(a) e 8(b) mostrano la potenza e la coppia prodotte dal CAE a varie pressioni fornite. La potenza più alta di 0,3345 kW è ottenuta a 7 bar e 500 rpm. La coppia massima erogata di 8,4727 Nm è ottenuta a 7 bar e 300 rpm. La pressione più alta fornita otterrà la coppia e la potenza più alte.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Le efficienze energetiche sotto varie pressioni di aspirazione e velocità di manovella sono mostrate nella Figura 8(c). La più bassa velocità di manovella porta alla più alta efficienza energetica. E la pressione dell’aria più bassa fornisce l’efficienza più alta.
È chiaro che aumentare la pressione di alimentazione è vantaggioso per produrre più potenza e coppia. Tuttavia, il metodo ridurrà l’efficienza energetica.
La figura 9 mostra le prestazioni del CAE in vari angoli IVD a 5 bar di pressione di aspirazione.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
La potenza e la coppia prodotte dal CAE sono ottenute dalla simulazione a vari angoli IVD, come mostrato nelle figure 9(a) e 9(b). La potenza più alta è ottenuta a 500 rpm in qualsiasi angolo IVD. La coppia di uscita aumenta con l’IVD. La potenza di uscita e la coppia sono uguali in diversi angoli IVD a 500 rpm. L’efficienza energetica diminuisce con l’IVD e può essere espressa nella Figura 9(c). Ma quando l’IVD è uguale a 20 gradi, l’efficienza diminuisce alla velocità della manovella di 100 rpm. Questo perché più l’aria compressa entra nel CAE alla più bassa velocità di manovella, più alta è la pressione degli scarichi.
La figura 10 mostra le prestazioni del CAE in vari IVL a 5 bar di pressione di aspirazione.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
La potenza e la coppia in uscita dal CAE sono ottenute dalla simulazione a varie IVL, come mostrato nelle figure 10(a) e 10(b). La potenza di uscita aumenta con la velocità della manovella. Ma quando la velocità della manovella è inferiore a 400 rpm, la potenza di uscita ha pochi cambiamenti a varie IVD. Questo perché a bassa velocità di manovella la massa del flusso d’aria è quasi stabile con diversi IVL. Nel frattempo, all’inizio, la coppia di uscita aumenta con l’aumento della velocità di manovella e raggiunge i suoi picchi a diverse velocità di manovella e IVL. L’efficienza energetica diminuisce con la velocità della manovella e un grande IVL è utile per migliorare l’efficienza energetica che può essere espressa nella Figura 10(c). L’effetto throttling diminuirà in caso di IVL grande.
5. Conclusioni
In questo articolo, il modello matematico è stato costruito. La simulazione e gli studi sperimentali sul CAE sono stati fatti, e le conclusioni sono riassunte come segue.(1)La pressione dell’aria compressa all’interno del cilindro e la coppia di uscita hanno la stessa tendenza a cambiare sia nella curva di simulazione che in quella sperimentale.(2)La potenza più alta è ottenuta a 500 rpm, e la coppia più alta è ottenuta a 300 rpm con diverse pressioni di aspirazione e diversi angoli IVD.(3) Quando la velocità della manovella è superiore a 200 rpm, l’efficienza di utilizzo dell’energia più alta può essere ottenuta a velocità, pressione di aspirazione e IVD inferiori. (4) La coppia di uscita aumenta con l’aumento della velocità della manovella e raggiunge i suoi picchi a diverse velocità della manovella e IVL. E un grande IVL è vantaggioso per migliorare l’efficienza energetica.
Nomenclatura
Pedici
Conflitto di interessi
Gli autori dichiarano che non c’è conflitto di interessi riguardo alla pubblicazione di questo articolo.