- Abstract
- 1. Wprowadzenie
- 2. Analiza teoretyczna
- 2.1. Przepływ zaworowy
- 2.2. Procesy wewnątrzcylindrowe
- 2.3. Wymiana ciepła
- 2.4. Tarcie pierścienia tłokowego
- 3. Symulacja i walidacja eksperymentalna
- 3.1. Simulation of the CAE
- 3.2. Weryfikacja eksperymentalna
- 4. Analiza wydajności
- 5. Wnioski
- Nomenklatura
- Konflikt interesów
Abstract
A new camless compressed air engine is proposed, which can make the compressed air energy reasonably distributed. Poprzez analizę bezkrzywkowego silnika sprężonego powietrza, stworzono model matematyczny procesów roboczych. Używając oprogramowania MATLAB/Simulink do symulacji, uzyskano ciśnienie, temperaturę i masę powietrza w cylindrze. W celu sprawdzenia poprawności modelu matematycznego przeprowadzono eksperymenty. Ponadto wprowadzono analizę wydajności w celu zaprojektowania silnika na sprężone powietrze. Wyniki pokazują, że po pierwsze, wyniki symulacji są zgodne z wynikami eksperymentalnymi. Po drugie, przy różnych ciśnieniach wlotowych, największą moc wyjściową uzyskuje się, gdy prędkość obrotowa korby osiąga 500 obr/min, co zapewnia również maksymalny wyjściowy moment obrotowy. Wreszcie, wyższą sprawność wykorzystania energii można uzyskać przy niższej prędkości obrotowej, ciśnieniu dolotowym i kącie otwarcia zaworu. Badania te mogą odnosić się do konstrukcji zaworu bezkrzywkowego silnika na sprężone powietrze.
1. Wprowadzenie
Kwestie środowiskowe, takie jak mgła, zamglenie, efekt cieplarniany i kwaśne deszcze były szeroko dotyczące. Spalanie paliw kopalnych w silnikach spalinowych (ICE) w transporcie jest głównym źródłem problemów środowiskowych. Nowe źródła energii, takie jak wiatr, energia słoneczna, sprężone powietrze, które mogą zastąpić paliwa kopalne są oczywistym rozwiązaniem dla rozwiązania problemów środowiskowych. W odniesieniu do ochrony środowiska, kwestia wydatków na energię została podkreślona. Niektórzy uczeni uważają, że tradycyjne samochody zostaną w przyszłości zastąpione przez pojazdy napędzane nową energią. Do tej pory istnieją pewne nowe pojazdy energetyczne, a mianowicie pojazdy elektryczne, hybrydowe pojazdy elektryczne, silniki na sprężone powietrze (CAE) i tak dalej. CAE jest typowym produktem pojazdów o zerowej emisji zanieczyszczeń, który był badany przez wielu uczonych i instytucje .
Aby zapewnić płynną pracę i szybką reakcję, przepływ powietrza jest kontrolowany przez prosty mechanizm krzywkowy w wielu systemach CAE . W konwencjonalnych mechanicznych układach rozrządu zaworów zazwyczaj stosuje się rozrządy i wzniosy zaworów, które są ustalone w zależności od konstrukcji mechanizmu krzywkowego. Brak elastyczności układu rozrządu opartego na wałku rozrządu w zakresie zmiany rozrządu, czasu trwania i wzniosu zaworów wlotowych jest jedną z jego wad. Ponieważ CAE wykonuje pracę mechaniczną poprzez rozprężanie sprężonego powietrza, przepływ sprężonego powietrza musi być kontrolowany w celu poprawy efektywności energetycznej. Jest oczywiste, że mechanizm krzywkowy jest trudny do spełnienia. W celu optymalizacji efektywności energetycznej, techniki zmiennych zaworów wlotowych zostały wykorzystane w CAE .
Techniki zmiennych zaworów wlotowych mają potencjał, aby być szeroko stosowane w silnikach spalinowych w celu zmniejszenia strat energii i zużycia paliwa . Poprzednie badania koncentrowały się głównie na symulacjach i integracji systemów opartych na zaworze mechanizmu krzywkowego. Niewiele badań zostało zgłoszonych na temat zmiennego zaworu wlotowego badań w CAE.
Ten artykuł koncentruje się na wpływie na wydajność CAE przez zmienny zawór wlotowy podnoszenia i trwania. W związku z tym zbudowano szczegółowe modele matematyczne opisujące proces pracy i zweryfikowano je eksperymentalnie. Niniejsza praca jest zorganizowana w następujący sposób. W rozdziale 2 omówiono szczegółowe modele matematyczne. W rozdziale 3 uzyskano i porównano wyniki symulacji i rzeczywistych eksperymentów w celu zweryfikowania dokładności modeli teoretycznych. W rozdziale 4 przeanalizowano wpływ wzniosu i czasu trwania zmiennego zaworu dolotowego na działanie CAE. Na koniec, w sekcji 5 przedstawiono wnioski.
2. Analiza teoretyczna
Aby zrozumieć proces działania CAE, musimy zbadać proces zachodzący w cylindrze, który zilustrowano na rysunku 1. Zbiornik gazu stanowi źródło energii. Ciśnienie wlotowe jest regulowane przez jednostkę sterującą ciśnieniem. Przepływ powietrza jest kontrolowany przez zawór elektromagnetyczny. Istnieją głównie trzy elementy: cylinder, zawory i zbiornik. W dalszej części budujemy te modele w oparciu o termodynamikę i kinematykę tłoka. W przypadku jednostopniowego tłokowego CAE, sprężone powietrze dostaje się do cylindra przez zawór wlotowy, a tłok jest popychany przez sprężone powietrze. Następnie zawór wlotowy zamyka się po określonym kącie wykorbienia, a sprężone powietrze nadal popycha tłok w dół i wytwarza pracę. Gdy tłok osiągnie dolny martwy punkt (BDC), otwiera się zawór wydechowy, aby powietrze z ciśnieniem resztkowym mogło się rozładować. Tłok porusza się od BDC do górnego martwego punktu (TDC); CAE kończy cykl pracy.
2.1. Przepływ zaworowy
Ponieważ efekt dławienia z zaworu wlotowego lub wylotowego odpowiada za straty energii, przepływ zaworowy jest krytyczny dla CAE. Przepływ przez zawór jest uważany za jednowymiarowy przepływ izentropowy
Jeśli masowe natężenie przepływu jest określone przez
Jeśli przepływ jest zdławiony, a masowe natężenie przepływu jest określone przezwhere is upstream stagnation sound speed.
Obszar przepływu zaworu jest reprezentowany przez , co można wyrazić następującym równaniem:
Zależność między obszarem przepływu zaworu a wzniosem zaworu jest określona następującym równaniem:
Współczynnik skali „” jest określony przezwhere jest maksymalnym obszarem przepływu zaworu.
Możemy scharakteryzować bezkrzywkowy ruch zaworu przez kąt (lub otwarcie), maksymalny wznios i czas trwania każdego zaworu wlotowego. Dla uproszczenia, model profilu wzniosu bezkrzywkowego zaworu dolotowego i wylotowego przedstawiają następujące równania:gdzie i są stałe w dziedzinie czasu. Przekształcenie współrzędnych do dziedziny kąta obrotu korby daje różne profile zaworów przy różnych prędkościach obrotowych silnika. Profil wzniosu zaworu przedstawiono na rysunku 2.
2.2. Procesy wewnątrzcylindrowe
Zawartość cylindra jest procesem wymiany energii. Ciśnienie i temperaturę sprężonego powietrza wewnątrz cylindra oblicza się za pomocą globalnego bilansu energetycznego:gdzie jest współczynnikiem energii wewnętrznej powietrza wewnątrz cylindra, jest współczynnikiem ciepła przekazywanego ze ścianki cylindra do zawartości cylindra i jest współczynnikiem pracy wykonanej przez układ otwarty (który jest równy ).
Energię wewnętrzną powietrza można wyrazić jako gdzie , .
Podstawiając (9) do (8) otrzymujemy gdzie , , .
Szybkość zmiany ciśnienia wewnątrz cylindra otrzymujemy z prawa gazu idealnego:
2.3. Wymiana ciepła
W celu oceny chwilowej interakcji cieplnej pomiędzy zawartością cylindra należy zdefiniować współczynnik wymiany ciepła. Zgodnie z literaturą, zakładając, że prędkość gazu jest proporcjonalna do średniej prędkości tłoka, współczynnik wymiany ciepła można wyrazić następującym równaniem:
Średnią prędkość tłoka można wyrazić następującym równaniem:
Odpowiednia wymiana ciepła jest tam, gdzie całkowita powierzchnia może być wyrażona za pomocą kąta wykorbienia w następujący sposób:
2.4. Tarcie pierścienia tłokowego
Różnicowy element pracy tarcia dla pierścienia ściskającego można wyrazić jako gdzie jest skok tłoka, przez który działa ta siła.
Wyrażenie to jest całkowane przez pełny cykl pracy silnika, aby uwzględnić pracę utraconą na tarcie, która jest następnie odejmowana od pracy netto cyklu.
3. Symulacja i walidacja eksperymentalna
3.1. Simulation of the CAE
Właściwości robocze CAE są określone przez analizę teoretyczną wspomnianą w rozdziale 2. Nieliniowe i sprzężone równania różniczkowe są modelowane w programie MATLAB/Simulink. Tabela 1 przedstawia wartości początkowe parametrów.
Rysunki 3(a), 3(b), i 3(c) przedstawiają wyniki symulacji. Ciśnienie powietrza w cylindrze pokazano na rysunku 3(a), temperaturę powietrza w cylindrze wykreślono względem kąta obrotu korby na rysunku 3(b), a na rysunku 3(c) przedstawiono masowy przepływ powietrza na krzywej cylindra.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Jak pokazano na rysunku 3, ciśnienie, temperatura i masa wewnątrz cylindra CAE zmieniają się okresowo. Zawór wlotowy otwiera się, gdy tłok osiąga TDC; sprężone powietrze ze zbiornika wysokociśnieniowego gwałtownie wpływa do cylindra. Ciśnienie wewnątrz cylindra gwałtownie wzrasta do poziomu ciśnienia wlotowego. W międzyczasie wzrasta masa i temperatura wewnątrz cylindra. Gdy masowe natężenie przepływu jest mniejsze niż objętość cylindra, ciśnienie w cylindrze gwałtownie spada. W międzyczasie sprężone powietrze wewnątrz cylindra rozszerza się i prowadzi do spadku temperatury cylindra od jej wartości szczytowej.
Sprężone powietrze nie wpływa już do cylindra, gdy zawór wlotowy jest zamknięty. W tym momencie masowy strumień powietrza spada do zera. Tłok jest popychany do BDC w zależności od rozprężania się sprężonego powietrza wewnątrz cylindra. Temperatura i ciśnienie wewnątrz cylindra gwałtownie spadają.
Zawór wydechowy otwiera się, gdy tłok osiąga BDC. Resztki sprężonego wewnątrz cylindra są rozładowywane, a masa wewnątrz cylindra zmniejsza się od jego szczytu. W międzyczasie temperatura i ciśnienie wewnątrz cylindra spadają do dolnej części.
Powyższy proces jest powtarzany i moc mechaniczna może być wytwarzana w sposób ciągły.
Zgodnie z rys. 3(b) temperatura cylindra osiąga 240 K, co może powodować oblodzenie, dlatego należy stosować wymianę ciepła.
3.2. Weryfikacja eksperymentalna
Doświadczenia przeprowadzono w celu weryfikacji dokładności modelu matematycznego. Aparaturę eksperymentalną pokazano na rysunku 4, która składa się ze zbiornika wysokociśnieniowego, regulatora (IR3020-03BC), zbiornika niskociśnieniowego, przepustnicy (AS3001F), dwóch portowych zaworów elektromagnetycznych, zmodernizowanego silnika o podstawowych parametrach przedstawionych w tabeli 2, karty akwizycji danych (PCI1711) firmy Advantech, czujnika absolutnego przemieszczenia kątowego oraz sterownika programowo-logicznego (PLC) firmy Siemens. W eksperymencie czterosuwowy silnik benzynowy został przekształcony w silnik na sprężone powietrze za pomocą zaworu elektromagnetycznego w porcie wlotowym i wylotowym. Dane techniczne silnika przedstawiono w tabeli 2.
|
||||||||||||
W tym eksperymencie, po pierwsze, pracowało źródło sprężonego powietrza, a ciśnienie wylotowe regulatora było ustawione na stałą wartość. Po drugie, zbiornik niskociśnieniowy utrzymywał ciśnienie po pewnym czasie, a następnie regulował przepustnicę, która może pozwolić sprężonemu powietrzu wydostawać się równomiernie ze zbiornika. Zawory elektromagnetyczne portu wlotowego i wylotowego były sterowane przez PLC z kątem obrotu wału, który był wykrywany przez wartość bezwzględną czujnika kątowego. Zawór elektromagnetyczny portu dolotowego otwierał się w momencie osiągnięcia przez tłok pozycji TDC i zamykał się całkowicie przy kącie obrotu korby. Wówczas sprężone powietrze wewnątrz cylindra rozpręża się. Podczas tego procesu zawór elektromagnetyczny portu wydechowego pozostawał zamknięty, a tłok był popychany od TDC w kierunku BDC przez napływające sprężone powietrze, wytwarzając suw mocy. Zawór elektromagnetyczny wydechu został otwarty, gdy tłok osiągnął BDC. Podczas tego procesu zawór elektromagnetyczny wlotu pozostawał zamknięty. Sprężone powietrze znajdujące się w cylindrze było odprowadzane z cylindra, a tłok przesuwał się od punktu BDC w kierunku TDC. Kąt obrotu korbowodu mierzony był wartością bezwzględną czujnika przemieszczenia kątowego. Ostatnim etapem była akwizycja i archiwizacja danych.
Stanowisko badawcze zostało zbudowane w sposób przedstawiony na rysunku 5. Główne parametry siłownika przedstawiono w tabeli 2.
Jak pokazano na rysunku 6, trend krzywej symulacji jest zgodny z trendem krzywej eksperymentalnej, a powyższy model matematyczny można zweryfikować. Istnieją jednak trzy różnice pomiędzy wynikami symulacji a wynikami eksperymentalnymi: (1) maksymalne ciśnienie jest inne; (2) krzywa eksperymentalna jest przesunięta do tyłu w stosunku do krzywej symulacji; (3) wartość ciśnienia wydechowego w eksperymencie jest większa niż wartość ciśnienia wydechowego w symulacji.
(a)
(b)
(a)
(b)
Główne przyczyny różnic można podsumować następująco. Biorąc pod uwagę małą efektywną powierzchnię przepływu w cewce wlotowej, efekt dławienia będzie dość oczywisty. Tymczasem każdy zawór elektromagnetyczny doświadcza opóźnienia w ruchu, ale czas opóźnienia jest różny w różnych sytuacjach. W tym artykule symulacja opiera się na założeniu, że czas opóźnienia jest stały dla uproszczenia. Dlatego krzywa ciśnienia w eksperymencie jest przesunięta do tyłu w stosunku do krzywej symulacji. A gdy przepływ masy powietrza wylotowego jest mniejszy niż objętość cylindra, ciśnienie wewnątrz cylindra wzrośnie podczas procesu wydechu.
Krzywe doświadczalne i symulacyjne wyjściowego momentu obrotowego przedstawiono na rysunku 7. Jest oczywiste, że krzywe eksperymentalne i symulacyjne mają podobne tendencje. Obie krzywe wyjściowego momentu obrotowego maleją wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Jednak straty dławienia nie są uwzględniane w procesie symulacji, więc wyjściowy moment obrotowy w symulacji jest większy niż wartość eksperymentalna przy różnych prędkościach obrotowych korby. Jest oczywiste, że różnice pomiędzy wynikami eksperymentalnymi i numerycznymi zwiększają się wraz ze wzrostem prędkości obrotowej korby. Wynika to z faktu, że w obliczeniach numerycznych nie uwzględniono momentu tarcia łożysk, urządzeń pomocniczych i strat momentu obrotowego kół zębatych. Momenty te będą rosły wraz ze wzrostem prędkości obrotowej korby.
4. Analiza wydajności
Kryterium oceny efektywności energetycznej dla ICE nie jest odpowiednie, ale nie dla CAE. W tej sekcji, nowa ocena efektywności energetycznej, a mianowicie, moc powietrza, jest krótko wprowadzony do oceny efektywności energetycznej CAE.
Moc powietrza jest wyrażona przy użyciu dostępnej energii, która jest wyrażona jakowhere jest objętość powietrza w stanie standardowym.
Sprawność energetyczna może być wyrażona przez gdzie IT oznacza moment obrotowy.
Wyznaczony moment obrotowy może być wyrażony przez
Z poprzedniej dyskusji wynika, że wydajność CAE można uzyskać przy różnym ciśnieniu wlotowym, IVD i IVL. Wartości początkowe parametrów przedstawiono w tabeli 1. Ciśnienie wlotowe, IVD i IVL mogą być zmieniane dla porównania, podczas gdy wszystkie inne parametry są utrzymywane na stałym poziomie.
Rysunki 8(a) i 8(b) pokazują moc i moment obrotowy uzyskane z CAE przy różnych ciśnieniach zasilania. Największą moc wyjściową 0,3345 kW uzyskuje się przy ciśnieniu 7 barów i prędkości obrotowej 500 obr/min. Największy wyjściowy moment obrotowy wynoszący 8,4727 Nm uzyskuje się przy ciśnieniu 7 barów i 300 obr/min. Najwyższe ciśnienie zasilania zapewnia uzyskanie najwyższego momentu obrotowego i mocy wyjściowej.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Sprawności energetyczne przy różnych ciśnieniach dolotowych i prędkościach obrotowych korby przedstawiono na rysunku 8(c). Najniższa prędkość obrotowa korby prowadzi do najwyższej sprawności energetycznej. A najniższe ciśnienie powietrza zapewnia najwyższą sprawność.
Jasne jest, że zwiększenie ciśnienia zasilania jest korzystne dla uzyskania większej mocy i momentu obrotowego. Jednakże, metoda ta zmniejszy sprawność energetyczną.
Rysunek 9 pokazuje wydajność CAE w różnych kątach IVD przy ciśnieniu dolotowym 5 bar.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Moc i moment obrotowy uzyskiwane przez CAE są uzyskiwane w wyniku symulacji przy różnych kątach IVD, jak pokazano na rysunkach 9(a) i 9(b). Największą moc wyjściową uzyskuje się przy 500 obr/min przy dowolnym kącie IVD. Wyjściowy moment obrotowy wzrasta wraz z IVD. Moc wyjściowa i moment obrotowy są równe dla różnych kątów IVD przy 500 obr/min. Sprawność energetyczna maleje wraz z IVD i można ją wyrazić na rysunku 9(c). Jednak gdy IVD wynosi 20 stopni, sprawność spada przy prędkości obrotowej korby wynoszącej 100 obr/min. Wynika to z faktu, że im więcej sprężonego powietrza wchodzi do CAE przy najniższej prędkości obrotowej korby, tym wyższe jest ciśnienie wylotowe.
Rysunek 10 przedstawia wydajność CAE w różnych IVL przy ciśnieniu wlotowym 5 barów.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Na podstawie symulacji uzyskano moc i moment wyjściowy CAE przy różnych IVL, jak pokazano na rysunkach 10(a) i 10(b). Moc wyjściowa rośnie wraz z prędkością obrotową korby. Jednak gdy prędkość obrotowa korby jest mniejsza niż 400 obr/min, moc wyjściowa niewiele się zmienia przy różnych IVD. Wynika to z faktu, że przy niskich prędkościach obrotowych korby masa przepływającego powietrza jest prawie stała przy różnych IVL. Tymczasem początkowo moment obrotowy rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej korby i osiąga wartości szczytowe przy różnych prędkościach obrotowych korby i IVL. Sprawność energetyczna maleje wraz ze wzrostem prędkości obrotowej korby, a duży IVL sprzyja poprawie sprawności energetycznej, co można przedstawić na rys. 10(c). Efekt dławienia będzie się zmniejszał przy dużym IVL.
5. Wnioski
W niniejszej pracy zbudowano model matematyczny. Przeprowadzono badania symulacyjne i eksperymentalne CAE, a wnioski podsumowano w następujący sposób. (1) Ciśnienie sprężonego powietrza wewnątrz cylindra i wyjściowy moment obrotowy mają taką samą tendencję zmian zarówno w krzywej symulacji, jak i krzywej eksperymentalnej. (2) Największą moc wyjściową uzyskuje się przy 500 obr/min, a największy wyjściowy moment obrotowy uzyskuje się przy 300 obr/min przy różnych ciśnieniach wlotowych i różnych kątach IVD.(3) Gdy prędkość obrotowa korby jest wyższa niż 200 obr/min, wyższą sprawność wykorzystania energii można uzyskać przy niższej prędkości obrotowej, ciśnieniu wlotowym i IVD. (4) Wyjściowy moment obrotowy wzrasta wraz ze wzrostem prędkości obrotowej korby i osiąga wartości szczytowe przy różnych prędkościach obrotowych korby i IVL. A duży IVL jest korzystny dla poprawy efektywności energetycznej.
Nomenklatura
Skrypty
.
.
Konflikt interesów
Autorzy oświadczają, że nie występuje konflikt interesów dotyczący publikacji niniejszej pracy.
.