Abstract

Propõe-se um novo motor de ar comprimido sem cames, que pode tornar a energia do ar comprimido razoavelmente distribuída. Através da análise do motor de ar comprimido sem cames, foi criado um modelo matemático dos processos de trabalho. Usando o software MATLAB/Simulink para simulação, a pressão, temperatura e massa de ar do cilindro foram obtidas. A fim de verificar a precisão do modelo matemático, os experimentos foram conduzidos. Além disso, foi introduzida a análise de desempenho para projetar o motor de ar comprimido. Os resultados mostram que, em primeiro lugar, os resultados da simulação têm boa consistência com os resultados experimentais. Em segundo lugar, sob diferentes pressões de admissão, a maior potência de saída é obtida quando a velocidade da manivela atinge 500 rpm, o que também fornece o torque máximo de saída. Finalmente, uma maior eficiência na utilização da energia pode ser obtida com a menor velocidade, pressão de admissão e ângulo de duração da válvula. Esta pesquisa pode se referir ao projeto da válvula sem cames do motor de ar comprimido.

1. Introdução

As questões ambientais como neblina, névoa, efeito estufa e chuvas ácidas têm sido amplamente preocupantes. A queima de combustíveis fósseis em motores de combustão interna (ICE) para transporte é a principal fonte de questões ambientais. Novas fontes de energia como o vento, energia solar, ar comprimido que pode substituir o combustível fóssil são uma solução óbvia para resolver questões ambientais . Com respeito à proteção ambiental, a questão do gasto de energia tem sido enfatizada . Alguns estudiosos acreditam que os automóveis tradicionais serão substituídos por veículos com novas energias no futuro. Até agora, existem alguns veículos novos de energia, nomeadamente, veículos eléctricos, veículos híbridos eléctricos, motores de ar comprimido (CAE), etc. O CAE é o produto típico dos veículos sem poluição, que tem sido estudado por muitos estudiosos e instituições .

Para garantir um funcionamento suave e uma resposta rápida, o fluxo de ar é controlado por um mecanismo de came simples em muitos sistemas CAE . Os trens de válvulas mecânicos convencionais geralmente utilizam temporizadores e elevadores de válvulas que são fixados dependendo do desenho do mecanismo de came. A falta de flexibilidade do comando de válvulas baseado no eixo de comando para variar a temporização, duração e elevação das válvulas de admissão é uma das desvantagens . Como o CAE faz trabalho mecânico expandindo o ar comprimido, o fluxo de ar comprimido deve ser controlado para melhorar a eficiência energética. É óbvio que o mecanismo de cames é difícil de satisfazer a demanda. A fim de otimizar a eficiência energética, as técnicas de válvulas de admissão variáveis têm sido utilizadas no CAE .

As técnicas de válvulas de admissão variáveis têm o potencial de serem amplamente utilizadas em motores de combustão interna para reduzir as perdas de energia e o consumo de combustível . Estudos anteriores têm focado principalmente em simulações e integrações de sistemas baseados em válvulas de mecanismo de came. Poucos estudos têm sido relatados sobre as investigações de válvulas de admissão variáveis em CAE.

Este trabalho foca as influências no desempenho do CAE pela elevação e duração variável da válvula de admissão. Assim, modelos matemáticos detalhados para descrever o processo de trabalho são construídos e verificados por experimentos. Este trabalho está organizado da seguinte forma. Na Seção 2, modelos matemáticos detalhados são discutidos. Na Secção 3, os resultados da simulação e dos experimentos reais são obtidos e comparados para verificar a exatidão dos modelos teóricos. Na Seção 4, são analisadas as influências sobre o desempenho da CAE pelo elevador e a duração da válvula de admissão variável. Finalmente, as conclusões são apresentadas na Seção 5.

2. Análise Teórica

Para entender o processo de trabalho da EAC, precisamos estudar o processo em cilindros, o que é ilustrado na Figura 1. O tanque de gás fornece a fonte de energia. A pressão de admissão é regulada pela unidade de controle de pressão. O fluxo de ar é controlado por uma válvula solenóide. Existem principalmente três componentes: o cilindro, as válvulas e o tanque. A seguir, construímos estes modelos com base na termodinâmica e cinemática do pistão. Para uma CAE tipo pistão de estágio único, o ar comprimido entra no cilindro através da válvula de admissão e o pistão é empurrado por ar comprimido. Em seguida, a válvula de admissão é fechada após um ângulo de manivela específico, enquanto o ar comprimido continua a empurrar o pistão para baixo e o trabalho de saída. Quando o pistão atinge o ponto morto inferior (BDC), a válvula de escape abre para que o ar com a pressão residual descarregue. O pistão move-se do BDC para o ponto morto superior (TDC); o CAE completa um ciclo de trabalho.

2.1. Fluxo da válvula

Porque o efeito de estrangulamento da válvula de admissão ou escape é responsável pelas perdas de energia, o fluxo da válvula é crítico para a CAE. O fluxo da válvula é considerado como um fluxo isentrópico unidimensional .

Se , o fluxo de massa é dado por

Se , o fluxo é sufocado, e o fluxo de massa é dado por onde está a velocidade do som de estagnação a montante.

A área de vazão da válvula é representada por , que pode ser expressa pela seguinte equação:

A relação entre a área de vazão da válvula e o seu elevador é definida pela seguinte equação:

O fator de escala “” é definido por onde é a área de vazão máxima da válvula.

Nós podemos caracterizar o movimento da válvula sem cames pelo ângulo (ou abertura) , elevação máxima , e duração de cada válvula de admissão. Para simplificar, o modelo do perfil de elevação da válvula de admissão e escape sem cames é apresentado pelas seguintes equações: onde e são fixados no domínio do tempo. Uma transformação de coordenadas para o domínio do ângulo da manivela resulta em diferentes perfis de válvulas a diferentes velocidades do motor. O perfil de elevação da válvula é mostrado na Figura 2.

2.2. In-Cylinder Process

O conteúdo do cilindro é um processo de troca de energia. A pressão e temperatura do ar comprimido dentro do cilindro são calculadas por um balanço energético global: onde está a taxa de energia interna do ar dentro do cilindro, é a taxa de calor transferido da parede do cilindro para o conteúdo do cilindro, e é a taxa de trabalho feito pelo sistema aberto (que é igual a ).

A energia interna do ar pode ser expressa em qualquer lugar , .

Substituindo (9) em (8) rendimentos em qualquer lugar , , .

A taxa de variação da pressão no interior do cilindro é obtida pela lei ideal do gás:

2.3. Transferência de calor

Para avaliar a interacção instantânea do calor entre o conteúdo do cilindro, o coeficiente de transferência de calor deve ser definido. De acordo com a literatura , assumindo que a velocidade do gás é proporcional à velocidade média do pistão , o coeficiente de transferência de calor pode ser expresso com a seguinte equação:

A velocidade média do pistão pode ser expressa pela seguinte equação:

A transferência de calor correspondente é onde a área total de superfície pode ser expressa com o ângulo da manivela como segue:

2.4. Atrito do Anel do Pistão

O elemento diferencial de trabalho de atrito para o anel de compressão pode ser expresso onde está o curso do pistão através do qual esta força age.

Esta expressão é integrada ao longo de um ciclo completo do motor para contabilizar o trabalho perdido por atrito, que é então subtraído do trabalho do ciclo líquido.

3. Simulação e Validação Experimental

3.1. Simulação da CAE

As características de trabalho da CAE são determinadas pela análise teórica mencionada na Secção 2. As equações diferenciais não lineares e acopladas são modeladas em MATLAB/Simulink. A Tabela 1 mostra os valores iniciais dos parâmetros.

Figuras 3(a), 3(b), e 3(c) mostram os resultados da simulação. A pressão do ar do cilindro é mostrada na Figura 3(a), a temperatura do ar do cilindro é plotada contra o ângulo da manivela na Figura 3(b), e a Figura 3(c) mostra o fluxo de massa de ar da curva do cilindro.

Como mostrado na Figura 3, a pressão, temperatura e massa no interior do cilindro do CAE mudam periodicamente. A válvula de admissão abre quando o pistão atinge o TDC; o ar comprimido do tanque de alta pressão flui rapidamente para dentro do cilindro. A pressão no interior do cilindro aumenta rapidamente para a pressão de admissão. Entretanto, a massa e a temperatura no interior do cilindro aumentam. Quando a vazão de massa é menor que o volume do cilindro, a pressão do cilindro cai drasticamente. Entretanto, o ar comprimido no interior do cilindro expande-se e leva à temperatura do cilindro a partir do seu pico.

O ar comprimido já não flui para dentro do cilindro, quando a válvula de admissão está fechada. Neste momento, o fluxo de massa de ar cai para zero. O pistão é empurrado para o BDC, dependendo do ar comprimido dentro da expansão do cilindro. A temperatura e a pressão no interior do cilindro cai drasticamente.

A válvula de escape abre quando o pistão atinge o BDC. O residual comprimido no interior do cilindro é descarregado, e a massa no interior do cilindro diminui a partir do seu topo. Enquanto isso, a temperatura e a pressão dentro do cilindro cai para o fundo.

O processo acima é repetido e a energia mecânica pode ser produzida continuamente.

Segundo a Figura 3(b), a temperatura do cilindro atinge 240 K, que pode sofrer formação de gelo, então a troca de calor deve ser usada.

3.2. Verificação Experimental

As experiências foram realizadas para verificar a precisão do modelo matemático. O aparelho experimental é mostrado na Figura 4, que consiste de um tanque de alta pressão, um regulador (IR3020-03BC), um tanque de baixa pressão, uma válvula de acelerador (AS3001F), duas válvulas solenóides de porta, um motor de reequipamento com parâmetros básicos mostrados na Tabela 2, uma placa de aquisição de dados (PCI1711) pela Advantech, um sensor de deslocamento angular absoluto e um controlador lógico de programa (PLC) pela Siemens. No experimento, um motor a gasolina a 4 tempos foi reformado para um motor a ar comprimido pelo orifício de admissão e válvula solenóide do orifício de escape. As especificações do motor são mostradas na Tabela 2.

Nesta experiência, em primeiro lugar, a fonte de ar comprimido funcionou e a pressão de saída do regulador foi ajustada para o valor fixo. Em segundo lugar, o tanque de baixa pressão manteve a pressão após um período de tempo, em seguida, ajustar a válvula do acelerador que pode deixar o ar comprimido esgotar-se de forma constante do tanque. O orifício de admissão e as válvulas solenóides do orifício de escape foram controladas por PLC com ângulo de eixo que foi detectado pelo valor absoluto do sensor angular. A válvula solenóide do orifício de admissão abriu quando o pistão atingiu o TDC e fechou completamente em ângulo de manivela. Em seguida, o ar comprimido no interior do cilindro se expande. Durante este processo, o solenóide da porta de escape permaneceu fechado, e o pistão foi empurrado do TDC em direção ao BDC pelo ar comprimido de entrada, produzindo o curso de potência. A válvula solenóide de escape abriu quando o pistão atingiu o BDC. Durante o processo, a válvula solenóide de admissão permaneceu fechada. O ar comprimido dentro do cilindro era descarregado do cilindro, e o pistão movia-se do BDC em direção ao TDC. O ângulo da manivela foi medido pelo valor absoluto do sensor de deslocamento angular. O último estágio foi a aquisição e armazenamento de dados.

O equipamento de teste foi construído como mostrado na Figura 5. Os principais parâmetros do cilindro são apresentados na Tabela 2.

Como mostrado na Figura 6, a tendência da curva de simulação é consistente com a tendência da curva experimental, e o modelo matemático acima pode ser verificado. Entretanto, existem três diferenças entre os resultados da simulação e os resultados experimentais: (1) a pressão máxima é diferente; (2) a curva experimental é deslocada para trás em relação à curva de simulação; (3) o valor da pressão de escape experimental é maior do que o valor da pressão de escape simulada.

As principais razões para as diferenças são resumidas como se segue. Considerando a pequena área efetiva de escoamento no solenóide de admissão, o efeito de estrangulamento será bastante evidente. Entretanto, cada válvula solenóide experimenta um atraso no movimento, mas o tempo de atraso é diferente em situações diferentes. Neste trabalho, a simulação é baseada na suposição de que o tempo de atraso é constante por simplicidade. Portanto, a curva de pressão do experimento é deslocada para trás em relação à curva de simulação. E quando o fluxo de massa de ar de exaustão é menor que a taxa de volume do cilindro, a pressão dentro do cilindro aumentará durante o processo de exaustão.

Curvas de torque de saída e de simulação são mostradas na Figura 7. É óbvio que as curvas experimental e de simulação têm tendências similares. Ambas as curvas de torque de saída diminuem quando a velocidade de rotação aumenta. Mas a perda por estrangulamento não é considerada no processo de simulação, portanto o torque de saída na simulação é maior do que o valor do experimento em diferentes velocidades de manivela. É óbvio que as diferenças entre os resultados experimentais e numéricos são aumentadas com o aumento da velocidade da manivela. Isto porque o torque de fricção dos rolamentos, auxiliares e perdas de torque das engrenagens não são considerados no cálculo numérico. Estes torques aumentarão junto com o aumento da velocidade da manivela.

A potência e o torque de saída da CAE são obtidos por simulação em várias IVL, como mostrado nas Figuras 10(a) e 10(b). A potência de saída aumenta com a velocidade da manivela. Mas quando a velocidade da manivela é inferior a 400 rpm, a potência de saída tem pouca variação em várias IVL. Isto porque na baixa velocidade da manivela a massa do fluxo de ar é quase estável com diferentes IVL. Entretanto, no início, o torque de saída aumenta com o aumento da velocidade da manivela e atinge seus picos em diferentes velocidades da manivela e IVL. A eficiência energética diminuiria com a velocidade da manivela e uma IVL grande é benéfica para melhorar a eficiência energética que pode ser expressa na Figura 10(c). O efeito de estrangulamento diminuirá em grandes IVL.

5. Conclusões

Neste trabalho, o modelo matemático foi construído. Simulação e estudos experimentais sobre o CAE foram feitos, e as conclusões são resumidas a seguir.(1)A pressão do ar comprimido dentro do cilindro e o torque de saída têm a mesma tendência de mudança tanto na curva de simulação quanto na curva experimental.(2)A maior potência de saída é obtida a 500 rpm, e a maior torque de saída é obtida a 300 rpm em diferentes pressões de entrada e diferentes ângulos IVD.(3)Quando a velocidade da manivela é superior a 200 rpm, maior eficiência na utilização de energia pode ser obtida na menor velocidade, pressão de entrada e IVD.(4)O torque de saída aumenta com o aumento da velocidade da manivela e atinge seus picos em diferentes velocidades da manivela e IVL. E uma IVL grande é benéfica para melhorar a eficiência energética.

Nomenclatura

Subscritos

Atmosfera

Lado a jusante

Enterrar

Sair

Utilização redundante da abertura

Duração da abertura da válvula de admissão

>

Válvula

>

>

Suprimento de CAE

>

> Tanque

>

>

>

Lado a montante

>
>

>

Válvula.

Conflito de interesses

Os autores declaram que não há conflito de interesses em relação à publicação deste artigo.