- Abstract
- 1 verwijzen. Inleiding
- 2. Theoretische analyse
- 2.1. Klepstroming
- 2.2. In-Cilinder Proces
- 2.3. Warmteoverdracht
- 2.4. De wrijving van de zuigerring
- 3. Simulatie en experimentele validatie
- 3.1. Simulatie van de CAE
- 3.2. Experimentele verificatie
- 4. Performance Analysis
- 5. Conclusies
- Nomenclatuur
- Belangenverstrengeling
Abstract
Een nieuwe nokkenloze persluchtmotor wordt voorgesteld, die de persluchtenergie redelijk kan verdelen. Door analyse van de nokkenloze persluchtmotor werd een mathematisch model van de werkingsprocessen opgesteld. Met behulp van de software MATLAB/Simulink voor de simulatie werden de druk, temperatuur en luchtmassa van de cilinder verkregen. Om de nauwkeurigheid van het wiskundige model te verifiëren, werden experimenten uitgevoerd. Bovendien werd de prestatie-analyse ingevoerd om de persluchtmotor te ontwerpen. De resultaten tonen aan dat, ten eerste, de simulatieresultaten een goede consistentie hebben met de experimentele resultaten. Ten tweede wordt bij verschillende inlaatdrukken het hoogste uitgangsvermogen verkregen wanneer het toerental van de krukas 500 omw/min bereikt, wat ook het hoogste uitgangskoppel oplevert. Ten slotte kan een hogere energiebenuttingsefficiëntie worden verkregen bij een lager toerental, lagere inlaatdruk en een kleinere klepduurhoek. Dit onderzoek kan naar het ontwerp van de nokkelloze klep van samengeperste lucht engine.
1 verwijzen. Inleiding
Milieukwesties zoals mist, nevel, broeikaseffect, en zure regens zijn wijd verontrustend geweest. Het verbranden van fossiele brandstoffen in verbrandingsmotoren (ICE) voor het vervoer is de belangrijkste bron van milieuproblemen. Nieuwe energiebronnen zoals wind, zonne-energie en perslucht, die de fossiele brandstoffen kunnen vervangen, zijn een voor de hand liggende oplossing om de milieuproblemen op te lossen. Met betrekking tot milieubescherming is de kwestie van de energie-uitgaven benadrukt. Sommige geleerden geloven dat traditionele auto’s in de toekomst zullen worden vervangen door nieuwe energievoertuigen. Tot dusver zijn er enkele nieuwe energievoertuigen, namelijk elektrische voertuigen, hybride elektrische voertuigen, persluchtmotoren (CAE), enzovoort. De CAE is het typische product van nul-vervuilingsvoertuigen, dat door vele geleerden en instellingen is bestudeerd.
Om een soepele loop en een snelle reactie te verzekeren, wordt de luchtstroom in veel CAE-systemen geregeld door een eenvoudig nokkenmechanisme. Conventionele mechanische klepbedieningen maken over het algemeen gebruik van kleptimingen en -liften die afhankelijk van het ontwerp van het nokkenmechanisme vastliggen. Het gebrek aan flexibiliteit van nokkenasgebaseerde klepbedieningen om timing, duur en lift van inlaatkleppen te variëren is een van de nadelen. Omdat de CAE mechanisch werk verricht door samengeperste lucht uit te breiden, moet de stroom samengeperste lucht worden gecontroleerd om de energie-efficiëntie te verbeteren. Het is duidelijk dat het nokkenmechanisme moeilijk aan de vraag kan voldoen. Om de energie-efficiëntie te optimaliseren, zijn de technieken van de variabele inlaatklep gebruikt in de CAE .
De technieken van de variabele inlaatklep hebben het potentieel om op grote schaal te worden gebruikt in interne verbrandingsmotoren om de energieverliezen en het brandstofverbruik te verminderen . Eerdere studies hebben zich voornamelijk gericht op simulaties en systeemintegraties op basis van nokkenmechanisme klep. Weinig studies zijn gerapporteerd over de variabele inlaatklep onderzoeken in CAE.
Dit artikel richt zich op de invloeden op de prestaties van de CAE door de variabele inlaatklep lift en duur. Daarom worden gedetailleerde wiskundige modellen gebouwd om het werkingsproces te beschrijven en door experimenten geverifieerd. Dit document is als volgt georganiseerd. In Sectie 2 worden de gedetailleerde wiskundige modellen besproken. In Sectie 3 worden de resultaten van simulatie en echte experimenten verkregen en vergeleken om de nauwkeurigheid van de theoretische modellen te verifiëren. In sectie 4 worden de invloeden op de prestaties van de CAE door de lift en duur van de variabele inlaatklep geanalyseerd. Tenslotte worden conclusies gepresenteerd in hoofdstuk 5.
2. Theoretische analyse
Om het werkproces van de CAE te begrijpen, moeten we het in-cylinder proces bestuderen, dat wordt geïllustreerd in figuur 1. De gastank levert de energiebron. De inlaatdruk wordt geregeld door een drukregelaar. De luchtstroom wordt geregeld door een magneetklep. Er zijn hoofdzakelijk drie componenten: de cilinder, de kleppen en de tank. In het onderstaande bouwen wij deze modellen op basis van thermodynamica en zuigerkinematica. Bij een eentraps zuigercompressor komt de perslucht door de inlaatklep in de cilinder en wordt de zuiger door de perslucht geduwd. Vervolgens sluit de inlaatklep na een bepaalde krukhoek, terwijl de perslucht de zuiger naar beneden blijft duwen en arbeid blijft leveren. Wanneer de zuiger het onderste dode punt (BDC) bereikt, opent de uitlaatklep, zodat de lucht met restdruk wordt afgevoerd. De zuiger beweegt van het BDC naar het bovenste dode punt (TDC); de CAE voltooit een arbeidscyclus.
2.1. Klepstroming
Omdat het smoringseffect van de inlaat- of uitlaatklep verantwoordelijk is voor de energieverliezen, is de klepstroming van cruciaal belang voor de CAE. Klepstroming wordt beschouwd als eendimensionale isentropische stroming.
Als , de massastroom wordt gegeven door
Als , de stroming wordt gesmoord, en de massastroom wordt gegeven doorwhere is upstream stagnatie geluidssnelheid.
Het klepstroomgebied wordt weergegeven door , die kan worden uitgedrukt door de volgende vergelijking:
Het verband tussen het klepstroomgebied en de kleplift wordt gedefinieerd door de volgende vergelijking:
De schaalfactor “” wordt gedefinieerd doorwhere is het maximale klepstroomgebied.
We kunnen de nokkenloze klepbeweging karakteriseren door hoek (of opening) , maximale lift , en duur van elke inlaatklep. Voor de eenvoud wordt de nokkenloze in-en uitlaatklep lift profiel model gepresenteerd door de volgende vergelijkingen: waar en zijn vastgesteld in het tijddomein. Een coördinatentransformatie naar het krukhoekdomein resulteert in verschillende klepprofielen bij verschillende motortoerentallen. Het klepliftprofiel is weergegeven in figuur 2.
2.2. In-Cilinder Proces
De cilinderinhoud is een energie-uitwisselingsproces. De druk en temperatuur van de samengeperste lucht in de cilinder worden berekend met behulp van een globale energiebalans:waarin de snelheid van de interne energie van de lucht in de cilinder, de snelheid van de warmteoverdracht van de cilinderwand naar de cilinderinhoud, en de snelheid van de arbeid van het open systeem (die gelijk is aan ).
De inwendige energie van de lucht kan worden uitgedrukt als , .
Het substitueren van (9) in (8) levert op , , .
De snelheid van de drukverandering binnen de cilinder wordt verkregen door de ideale gaswet:
2.3. Warmteoverdracht
Om de ogenblikkelijke warmte-interactie tussen de inhoud van de cilinder te evalueren, moet de warmteoverdrachtscoëfficiënt worden gedefinieerd. Volgens de literatuur , ervan uitgaande dat de gassnelheid evenredig is met de gemiddelde zuigersnelheid , kan de warmteoverdrachtscoëfficiënt met de volgende vergelijking worden uitgedrukt:
De gemiddelde zuigersnelheid kan met de volgende vergelijking worden uitgedrukt:
De overeenkomstige warmteoverdracht iswaarbij de totale oppervlakte als volgt met de krukhoek kan worden uitgedrukt:
2.4. De wrijving van de zuigerring
Het differentieel element van de wrijvingsarbeid voor de compressiering kan worden uitgedrukt als: de zuigerslag waardoor deze kracht werkt.
Deze uitdrukking wordt geïntegreerd over een volledige motorcyclus om rekening te houden met de arbeid die verloren gaat aan wrijving, die vervolgens wordt afgetrokken van de netto cyclusarbeid.
3. Simulatie en experimentele validatie
3.1. Simulatie van de CAE
De werkingskarakteristieken van de CAE worden bepaald door de theoretische analyse vermeld in hoofdstuk 2. De niet-lineaire en gekoppelde differentiaalvergelijkingen worden gemodelleerd in MATLAB/Simulink. Tabel 1 toont de beginwaarden van de parameters.
Figuren 3(a), 3(b), en 3(c) tonen de simulatieresultaten. De luchtdruk van de cilinder wordt getoond in figuur 3(a), de luchttemperatuur van de cilinder wordt uitgezet tegen de krukhoek in figuur 3(b), en figuur 3(c) geeft de luchtmassastroom van de cilindercurve weer.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Zoals figuur 3 laat zien, veranderen de druk, de temperatuur en de massa in de cilinder van de CAE periodiek. De inlaatklep gaat open wanneer de zuiger TDC bereikt; de perslucht uit de hogedruktank stroomt snel de cilinder in. De druk in de cilinder stijgt snel tot de inlaatdruk. Ondertussen nemen de massa en de temperatuur in de cilinder toe. Wanneer de massastroom kleiner is dan de snelheid van het cilindervolume, daalt de druk van de cilinder dramatisch. Intussen zet de samengeperste lucht in de cilinder uit en daalt de temperatuur van de cilinder van zijn piek.
Er stroomt geen samengeperste lucht meer in de cilinder, wanneer de inlaatklep gesloten is. Op dat moment daalt de massastroom van lucht tot nul. De zuiger wordt naar het BDC geduwd, afhankelijk van de expansie van de perslucht in de cilinder. De temperatuur en de druk in de cilinder dalen drastisch.
De uitlaatklep opent wanneer de zuiger het BDC bereikt. De resterende samengeperste lucht binnenin de cilinder wordt afgevoerd, en de massa binnenin de cilinder neemt vanaf de top af. Intussen dalen de temperatuur en de druk in de cilinder tot de bodem.
Het bovenstaande proces wordt herhaald en het mechanisch vermogen kan ononderbroken worden afgegeven.
Volgens figuur 3(b) bereikt de temperatuur van de cilinder 240 K, waardoor ijsvorming kan optreden, zodat warmtewisseling moet worden toegepast.
3.2. Experimentele verificatie
De experimenten werden uitgevoerd om de nauwkeurigheid van het mathematische model te verifiëren. De experimentele apparatuur wordt getoond in figuur 4, die bestaat uit een hogedruktank, een regelaar (IR3020-03BC), een lagedruktank, een smoorklep (AS3001F), twee poortmagneetkleppen, een ombouwmotor met basisparameters vermeld in tabel 2, een gegevensverwervingskaart (PCI1711) van Advantech, een absolute hoekverplaatsingssensor, en een programmaregelaar (PLC) van Siemens. In het experiment werd een 4-takt benzinemotor omgevormd tot een persluchtmotor door de magneetklep van de inlaatpoort en uitlaatpoort. De specificaties van de motor zijn vermeld in tabel 2.
|
||||||||||||
In dit experiment werkte in de eerste plaats de persluchtbron en werd de uitlaatdruk van de regelaar op de vaste waarde ingesteld. Ten tweede, handhaafde de lagedruktank de druk na een periode van tijd, dan pas gasklep aan die samengeperste lucht kan laten gestaag uitgeput van de tank. De magneetkleppen van de inlaatpoort en de uitlaatpoort werden bestuurd door PLC met een ashoek die werd gedetecteerd door de absolute waarde van de hoeksensor. De magneetklep van de inlaatpoort ging open wanneer de zuiger TDC bereikte en sloot volledig bij een krukashoek. Dan zet de samengeperste lucht in de cilinder uit. Tijdens dit proces bleef de magneetklep van de uitlaatpoort gesloten, en de zuiger werd van TDC naar BDC geduwd door de binnenkomende perslucht, waardoor de krachtslag werd geproduceerd. De magneetklep van de uitlaatpoort ging open wanneer de zuiger het BDC bereikte. Tijdens dit proces bleef de inlaat-magneetklep gesloten. De perslucht in de cilinder werd uit de cilinder afgevoerd, en de zuiger bewoog van BDC naar TDC. De krukashoek werd gemeten aan de hand van de absolute waarde van de hoekverplaatsingssensor. De laatste fase was de verwerving en opslag van gegevens.
De testopstelling is gebouwd zoals afgebeeld in figuur 5. De belangrijkste parameters van de cilinder zijn vermeld in tabel 2.
Zoals figuur 6 laat zien, is de simulatiekromme trend consistent met de experimentele kromme trend, en kan het bovenstaande wiskundige model worden geverifieerd. Er zijn echter drie verschillen tussen de simulatieresultaten en de experimentele resultaten: (1) de maximumdruk is verschillend; (2) de experimentele kromme is achterwaarts verschoven ten opzichte van de simulatiekromme; (3) de experimentele uitlaatdrukwaarde is groter dan de simulatie uitlaatdrukwaarde.
(a)
(b)
(a)
(b)
De belangrijkste redenen voor de verschillen kunnen als volgt worden samengevat. Gezien het kleine effectieve stromingsgebied in de inlaatsolenoïde, zal het smoringseffect vrij duidelijk zijn. Ondertussen ondervindt elke magneetklep vertraging in de beweging, maar de vertragingstijd is verschillend onder verschillende situatie. In dit document, is de simulatie gebaseerd op de veronderstelling dat de vertragingstijd constant is voor de eenvoud. Daarom is de experimentele drukkromme achterwaarts verschoven ten opzichte van de simulatiekromme. En wanneer de uitlaatgasmassastroom kleiner is dan de snelheid van het cilindervolume, zal de druk in de cilinder tijdens het uitlaatproces toenemen.
Experiment- en simulatiecurven van het uitgangskoppel worden getoond in figuur 7. Het is duidelijk dat de experimentele en simulatiekrommen vergelijkbare tendensen vertonen. Beide krommen van het uitgangskoppel nemen af wanneer de draaisnelheid toeneemt. Maar bij de simulatie wordt geen rekening gehouden met smoorverlies, zodat het uitgangskoppel in de simulatie groter is dan de experimentele waarde bij verschillende kruksnelheden. Het is duidelijk dat de verschillen tussen de experimentele en numerieke resultaten groter worden naarmate het toerental toeneemt. Dat komt omdat het wrijvingskoppel van de lagers, de hulpaggregaten en de koppelverliezen van de tandwielen niet in de numerieke berekening zijn meegenomen. Deze koppels zullen toenemen naarmate het toerental toeneemt.
4. Performance Analysis
Energie-efficiëntie evaluatiecriterium om ICE is niet geschikt, maar niet voor de CAE. In deze sectie wordt een nieuwe evaluatie van de energie-efficiëntie, namelijk het luchtvermogen, kort geïntroduceerd om de energie-efficiëntie van de CAE te evalueren.
Het luchtvermogen wordt uitgedrukt met behulp van de beschikbare energie , die wordt uitgedrukt als waar het volume van lucht in de standaardtoestand is.
De energie-efficiëntie kan worden uitgedrukt door waar IT het koppel aangeeft.
Het aangegeven koppel kan worden uitgedrukt door
Uit de voorgaande bespreking kunnen de prestaties van de CAE worden verkregen bij verschillende inlaatdruk, IVD, en IVL. De beginwaarden van de parameters zijn vermeld in tabel 1. Inlaatdruk, IVD, en IVL kunnen worden gewijzigd ter vergelijking, terwijl alle andere parameters constant worden gehouden.
Figuren 8(a) en 8(b) tonen het vermogen en koppel van de CAE bij verschillende toevoerdrukken. Het hoogste uitgangsvermogen van 0,3345 kW wordt verkregen bij 7 bar en 500 omw/min. Het hoogste koppel van 8,4727 Nm wordt verkregen bij 7 bar en 300 omw/min. De hoogste toevoerdruk verkrijgt het hoogste koppel en vermogen.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
De energie-efficiëntie bij verschillende inlaatdrukken en krukastoerentallen is weergegeven in figuur 8(c). Het laagste toerental leidt tot de hoogste energie-efficiëntie. En de laagste luchtdruk levert de hoogste efficiëntie.
Het is duidelijk dat verhoging van de toevoerdruk gunstig is om meer vermogen en koppel te produceren. De methode zal echter de energie-efficiëntie verminderen.
Figuur 9 toont de prestaties van de CAE in verschillende IVD hoeken bij 5 bar inlaatdruk.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
De vermogens- en koppelafgifte van de CAE wordt verkregen door simulatie bij verschillende hoeken van de IVD, zoals weergegeven in figuur 9(a) en 9(b). Het hoogste uitgangsvermogen wordt verkregen bij 500 omw/min in elke IVD-hoek. Het uitgangskoppel neemt toe met de IVD. Het uitgangsvermogen en -koppel zijn gelijk in verschillende IVD-hoeken bij 500 omw/min. De energie-efficiëntie neemt af met de IVD en komt tot uiting in figuur 9(c). Maar wanneer de IVD gelijk is aan 20°, zal de efficiëntie dalen bij een krukas toerental van 100 omw/min. Dat komt omdat hoe meer samengeperste lucht er in de CAE komt bij het laagste krukastoerental, hoe hoger de druk van de uitlaten is.
Figuur 10 toont de prestaties van de CAE in verschillende IVL bij 5 bar inlaatdruk.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Het vermogen en koppel van de CAE worden verkregen door simulatie bij verschillende IVL, zoals weergegeven in figuur 10(a) en 10(b). Het uitgangsvermogen neemt toe met het toerental van de krukas. Maar wanneer het toerental lager is dan 400 omw/min, is er weinig verandering in het uitgangsvermogen bij verschillende IVL. Dat komt omdat bij een laag toerental de luchtmassa bijna stabiel is bij verschillende IVL. Ondertussen neemt in het begin het uitgangskoppel toe met het toenemen van het toerental en bereikt het zijn pieken bij verschillende toerentallen en IVL. De energie-efficiëntie zou afnemen met het toerental en een grote IVL is gunstig voor de verbetering van de energie-efficiëntie die kan worden uitgedrukt in figuur 10 (c). Het smooreffect neemt af bij grote IVL.
5. Conclusies
In dit document werd het mathematisch model gebouwd. Simulatie en experimentele studies op de CAE werden gedaan, en de conclusies worden als volgt samengevat.(1)De samengeperste luchtdruk in de cilinder en het uitgaande koppel hebben dezelfde veranderende tendens in zowel de simulatiekromme als de experimentele kromme.(2)Het hoogste vermogen wordt verkregen bij 500 omw/min, en het hoogste koppel wordt verkregen bij 300 omw/min bij verschillende inlaatdrukken en verschillende IVD-hoeken.(3) Wanneer het krukastoerental hoger is dan 200 omw/min, kan een hogere energiebenuttingsefficiëntie worden verkregen bij een lager toerental, inlaatdruk en IVD. (4) Het uitgangskoppel neemt toe met het toenemen van het krukastoerental en bereikt zijn hoogtepunten bij verschillende krukastoerentallen en IVL. En grote IVL is voordelig om de energieefficiency te verbeteren.
Nomenclatuur
Subscripts
Belangenverstrengeling
De auteurs verklaren dat er geen sprake is van belangenverstrengeling met betrekking tot de publicatie van dit artikel.