Rezumat
Se propune un nou motor cu aer comprimat fără came, care poate face ca energia aerului comprimat să fie distribuită în mod rezonabil. Prin analiza motorului cu aer comprimat fără came, a fost stabilit un model matematic al proceselor de lucru. Utilizând software-ul MATLAB/Simulink pentru simulare, au fost obținute presiunea, temperatura și masa de aer din cilindru. Pentru a verifica acuratețea modelului matematic, au fost efectuate experimente. În plus, a fost introdusă analiza performanțelor pentru a proiecta motorul cu aer comprimat. Rezultatele arată că, în primul rând, rezultatele simulării au o bună concordanță cu rezultatele experimentale. În al doilea rând, sub diferite presiuni de admisie, cea mai mare putere de ieșire este obținută atunci când turația manivelei ajunge la 500 rpm, ceea ce asigură, de asemenea, cuplul maxim de ieșire. În cele din urmă, o eficiență mai mare de utilizare a energiei poate fi obținută la turații, presiuni de admisie și unghiuri de durată a supapelor mai mici. Această cercetare se poate referi la proiectarea supapei fără came a motorului cu aer comprimat.
1. Introducere
Problemele de mediu, cum ar fi ceața, ceața, efectul de seră și ploile acide, au fost pe larg îngrijorătoare. Arderea combustibililor fosili în motoarele cu ardere internă (ICE) pentru transport este sursa majoră a problemelor de mediu . Noile surse de energie, cum ar fi energia eoliană, energia solară, aerul comprimat, care pot înlocui combustibilul fosil, reprezintă o soluție evidentă pentru a rezolva problemele de mediu . În ceea ce privește protecția mediului, s-a pus accentul pe problema cheltuielilor energetice . Unii cercetători consideră că automobilele tradiționale vor fi înlocuite în viitor de vehicule cu energie nouă. Până în prezent, există unele vehicule cu energie nouă, și anume, vehicule electrice, vehicule electrice hibride, motoare cu aer comprimat (CAE) și așa mai departe. CAE este produsul tipic al vehiculelor cu poluare zero, care a fost studiat de mulți cercetători și instituții .
Pentru a asigura o funcționare lină și un răspuns rapid, fluxul de aer este controlat de un mecanism simplu cu came în multe sisteme CAE . Trenurile de supape mecanice convenționale utilizează, în general, timpii și înălțimile supapelor care sunt fixate în funcție de proiectarea mecanismului cu came. Lipsa de flexibilitate a trenurilor de supape bazate pe arborele cu came pentru a varia temporizarea, durata și înălțimea supapelor de admisie este unul dintre dezavantaje . Deoarece CAE efectuează lucrul mecanic prin expansiunea aerului comprimat, debitul de aer comprimat trebuie să fie controlat pentru a îmbunătăți eficiența energetică. Este evident că mecanismul cu came este dificil de satisfăcut cererea. Pentru a optimiza eficiența energetică, tehnicile de supapă de admisie variabilă au fost utilizate în CAE .
Tehnicile de supapă de admisie variabilă au potențialul de a fi utilizate pe scară largă în motoarele cu ardere internă pentru a reduce pierderile de energie și consumul de combustibil . Studiile anterioare s-au axat în principal pe simulări și integrări de sistem bazate pe supapa cu mecanism cu came. Puține studii au fost raportate cu privire la investigațiile privind supapa de admisie variabilă în CAE.
Această lucrare se concentrează asupra influențelor asupra performanțelor CAE prin ridicarea și durata supapelor de admisie variabile. Astfel, sunt construite și verificate prin experimente modele matematice detaliate pentru a descrie procesul de lucru. Această lucrare este organizată după cum urmează. În secțiunea 2, sunt discutate modelele matematice detaliate. În secțiunea 3, rezultatele simulării și ale experimentelor reale sunt obținute și comparate pentru a verifica acuratețea modelelor teoretice. În secțiunea 4, sunt analizate influențele asupra performanțelor CAE de către înălțimea și durata supapelor de admisie variabile. În cele din urmă, concluziile sunt prezentate în secțiunea 5.
2. Analiza teoretică
Pentru a înțelege procesul de funcționare a CAE, trebuie să studiem procesul din interiorul cilindrului, care este ilustrat în figura 1. Rezervorul de gaz asigură sursa de energie. Presiunea de admisie este reglată de unitatea de control al presiunii. Fluxul de aer este controlat de o supapă solenoidală. Există în principal trei componente: cilindrul, supapele și rezervorul. În cele ce urmează, construim aceste modele pe baza termodinamicii și a cinematicii pistonului. Pentru un CAE de tip piston cu o singură treaptă, aerul comprimat intră în cilindru prin supapa de admisie, iar pistonul este împins de aerul comprimat. Apoi, supapa de admisie s-a închis după un anumit unghi al manivelei, în timp ce aerul comprimat continuă să împingă pistonul în jos și să producă muncă. Când pistonul ajunge la punctul mort inferior (BDC), supapa de evacuare se deschide, astfel încât aerul cu presiune reziduală se descarcă. Pistonul se deplasează de la PMB la punctul mort superior (PMS); CAE încheie un ciclu de lucru.
2.1. Debitul supapelor
Pentru că efectul de strangulare de la supapa de admisie sau de evacuare reprezintă pierderi de energie, debitul supapelor este esențial pentru CAE. Debitul supapei este considerat ca un debit izentropic unidimensional .
Dacă , debitul masic este dat de
Dacă , debitul este strangulat, iar debitul masic este dat de unde este viteza sunetului de stagnare în amonte.
Aria de curgere a supapei este reprezentată de , care poate fi exprimată prin următoarea ecuație:
Relația dintre aria de curgere a supapei și înălțimea supapei este definită de următoarea ecuație:
Factorul de scară „” este definit de unde este aria maximă de curgere a supapei.
Potem caracteriza mișcarea supapei fără came prin unghiul (sau deschiderea) , înălțimea maximă și durata fiecărei supape de admisie. Pentru simplitate, modelul profilului de ridicare a supapei de admisie și de evacuare fără came este prezentat prin următoarele ecuații: unde și sunt fixate în domeniul timpului. O transformare a coordonatelor în domeniul unghiului manivelei are ca rezultat profile diferite ale supapelor la diferite turații ale motorului. Profilul de ridicare a supapei este prezentat în figura 2.
2.2. Procesul în cilindru
Contenitul cilindrului este un proces de schimb de energie. Presiunea și temperatura aerului comprimat din interiorul cilindrului se calculează printr-un bilanț energetic global:unde este rata energiei interne a aerului din interiorul cilindrului, este rata de căldură transferată de la peretele cilindrului la conținutul cilindrului și este rata de lucru efectuată de sistemul deschis (care este egală cu ).
Energia internă a aerului poate fi exprimată ca unde , .
Substituind (9) în (8) se obține unde , , .
Rata de variație a presiunii în interiorul cilindrului se obține prin legea gazelor ideale:
2.3. Transferul de căldură
Pentru a evalua interacțiunea termică instantanee dintre conținutul cilindrului, trebuie definit coeficientul de transfer de căldură. Conform literaturii de specialitate , presupunând că viteza gazului este proporțională cu viteza medie a pistonului , coeficientul de transfer de căldură poate fi exprimat cu următoarea ecuație:
Viteza medie a pistonului poate fi exprimată prin următoarea ecuație:
Transferul de căldură corespunzător esteîn cazul în care suprafața totală poate fi exprimată cu unghiul manivelei după cum urmează:
2.4. Frecarea inelului de piston
Elementul diferențial al lucrului de frecare pentru inelul de compresie poate fi exprimat caunde este cursa pistonului prin care acționează această forță.
Această expresie este integrată pe parcursul unui ciclu complet al motorului pentru a lua în considerare lucrul pierdut din cauza frecării, care este apoi scăzut din lucrul net al ciclului.
3. Simulare și validare experimentală
3.1. Simularea CAE
Caracteristicile de funcționare ale CAE sunt determinate de analiza teoretică menționată în secțiunea 2. Ecuațiile diferențiale neliniare și cuplate sunt modelate în MATLAB/Simulink. Tabelul 1 prezintă valorile inițiale ale parametrilor.
Figurile 3(a), 3(b) și 3(c) prezintă rezultatele simulării. Presiunea aerului din cilindru este prezentată în figura 3(a), temperatura aerului din cilindru este reprezentată în funcție de unghiul manivelei în figura 3(b), iar figura 3(c) prezintă curba debitului masic de aer din cilindru.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Așa cum se arată în figura 3, presiunea, temperatura și masa din interiorul cilindrului din CAE se modifică periodic. Supapa de admisie se deschide atunci când pistonul ajunge la TDC; aerul comprimat din rezervorul de înaltă presiune curge rapid în cilindru. Presiunea din interiorul cilindrului crește rapid până la presiunea de admisie. Între timp, masa și temperatura din interiorul cilindrului cresc. Atunci când debitul masic este mai mic decât debitul de volum al cilindrului, presiunea din cilindru scade dramatic. Între timp, aerul comprimat din interiorul cilindrului se dilată și duce la scăderea temperaturii cilindrului de la valoarea sa maximă.
Aerul comprimat nu mai intră în cilindru, atunci când supapa de admisie este închisă. În acest moment, debitul masic de aer scade la zero. Pistonul este împins până la BDC în funcție de expansiunea aerului comprimat din interiorul cilindrului. Temperatura și presiunea din interiorul cilindrului scad dramatic.
Supapa de evacuare se deschide atunci când pistonul ajunge la BDC. Reziduul comprimat din interiorul cilindrului este evacuat, iar masa din interiorul cilindrului scade de la partea sa superioară. Între timp, temperatura și presiunea din interiorul cilindrului scad până la partea lor inferioară.
Procesul de mai sus se repetă și puterea mecanică poate fi furnizată în mod continuu.
Conform figurii 3(b), temperatura cilindrului ajunge la 240 K, ceea ce poate duce la formarea de gheață, astfel încât trebuie utilizat schimbul de căldură.
3.2. Verificare experimentală
Experimentele au fost efectuate pentru a verifica acuratețea modelului matematic. Aparatura experimentală este prezentată în figura 4, care constă dintr-un rezervor de înaltă presiune, un regulator (IR3020-03BC), un rezervor de joasă presiune, o supapă de accelerație (AS3001F), două supape solenoide de port, un motor de refulare cu parametrii de bază prezentați în tabelul 2, o placă de achiziție de date (PCI1711) de la Advantech, un senzor de deplasare unghiulară absolută și un controler logic cu program (PLC) de la Siemens. În cadrul experimentului, un motor pe benzină în 4 timpi a fost reformat într-un motor cu aer comprimat prin intermediul supapelor solenoide ale orificiului de admisie și ale orificiului de evacuare. Specificațiile motorului sunt prezentate în tabelul 2.
|
||||||||||||
În acest experiment, în primul rând, a funcționat sursa de aer comprimat și presiunea de ieșire a regulatorului a fost setată la valoarea fixă. În al doilea rând, rezervorul de joasă presiune a menținut presiunea după o perioadă de timp, apoi se reglează supapa de accelerație care poate lăsa aerul comprimat evacuat în mod constant din rezervor. Supapele solenoide ale portului de admisie și ale portului de evacuare au fost controlate de PLC cu unghiul arborelui care a fost detectat prin valoarea absolută a senzorului unghiular. Electrovalva portului de admisie s-a deschis atunci când pistonul a ajuns la TDC și s-a închis complet la un unghi al manivelei. Apoi, aerul comprimat din interiorul cilindrului se dilată. În timpul acestui proces, solenoidul portului de evacuare a rămas închis, iar pistonul a fost împins de la TDC spre BDC de către aerul comprimat care intra, producând cursa de putere. Supapa solenoidală de evacuare s-a deschis atunci când pistonul a ajuns la BDC. În timpul procesului, supapa solenoidală de admisie a rămas închisă. Aerul comprimat din interiorul cilindrului a fost evacuat din cilindru, iar pistonul s-a deplasat de la BDC spre TDC. Unghiul manivelei a fost măsurat prin valoarea absolută a senzorului de deplasare unghiulară. Ultima etapă a fost achiziția și stocarea datelor.
Echipamentul de testare este construit după cum se arată în figura 5. Parametrii principali ai cilindrului sunt prezentați în tabelul 2.
Cum se arată în figura 6, tendința curbei de simulare este în concordanță cu tendința curbei experimentale, iar modelul matematic de mai sus poate fi verificat. Cu toate acestea, există trei diferențe între rezultatele simulării și rezultatele experimentale: (1) presiunea maximă este diferită; (2) curba experimentală este decalată înapoi față de curba de simulare; (3) valoarea presiunii de evacuare experimentală este mai mare decât valoarea presiunii de evacuare de simulare.
(a)
(b)
(a)
(b)
Principalele motive ale diferențelor sunt rezumate după cum urmează. Având în vedere suprafața efectivă mică de curgere în solenoidul de admisie, efectul de strangulare va fi destul de evident. Între timp, fiecare supapă solenoidală suferă o întârziere în mișcare, dar timpul de întârziere este diferit în situații diferite. În această lucrare, simularea se bazează pe ipoteza că timpul de întârziere este constant pentru simplitate. Prin urmare, curba de presiune experimentală este decalată înapoi față de curba de simulare. Și atunci când debitul masic al aerului de evacuare este mai mic decât rata volumului cilindrului, presiunea din interiorul cilindrului va crește în timpul procesului de evacuare.
Curbele de experiment și de simulare a cuplului de ieșire sunt prezentate în figura 7. Este evident că curbele experimentale și cele de simulare au tendințe similare. Ambele curbe ale cuplului de ieșire scad atunci când viteza de rotație a crescut. Dar pierderea de strangulare nu este luată în considerare în procesul de simulare, astfel încât cuplul de ieșire din simulare este mai mare decât valoarea experimentală la diferite turații ale manivelei. Este evident că diferențele dintre rezultatele experimentale și cele numerice cresc odată cu creșterea turației manivelei. Acest lucru se datorează faptului că pierderile de cuplu de frecare a rulmenților, a dispozitivelor auxiliare și a angrenajelor nu sunt luate în considerare în calculele numerice. Aceste cupluri vor crește odată cu creșterea turației manivelei.
4. Analiza performanțelor
Criteriul de evaluare a eficienței energetice la ICE nu este potrivit, dar nu și pentru CAE. În această secțiune, o nouă evaluare a eficienței energetice, și anume, puterea aerului, este introdusă pe scurt pentru a evalua eficiența energetică a CAE.
Puterea aerului este exprimată folosind energia disponibilă , care este exprimată ca unde este volumul de aer în stare standard.
Eficiența energetică poate fi exprimată prinunde IT indică cuplul.
Cuplul indicat poate fi exprimat prin
Din discuția anterioară, performanța CAE poate fi obținută la diferite presiuni de admisie, IVD și IVL. Valorile inițiale ale parametrilor sunt prezentate în tabelul 1. Presiunea de admisie, IVD și IVL pot fi modificate pentru comparație, în timp ce toți ceilalți parametri sunt menținuți constanți.
Figurile 8(a) și 8(b) arată puterea și cuplul de ieșire de la CAE la diferite presiuni de alimentare. Cea mai mare putere de ieșire de 0,3345 kW este obținută la 7 bar și 500 rpm. Cel mai mare cuplu de ieșire de 8,4727 Nm este obținut la 7 bar și 300 rpm. La cea mai mare presiune de alimentare se va obține cel mai mare cuplu și cea mai mare putere de ieșire.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Eficiența energetică la diferite presiuni de admisie și turații ale manivelei sunt prezentate în figura 8(c). Cea mai mică turație a manivelei conduce la cea mai mare eficiență energetică. Iar cea mai mică presiune a aerului asigură cea mai mare eficiență.
Este clar că o creștere a presiunii de alimentare este benefică pentru a produce mai multă putere și cuplu. Cu toate acestea, metoda va reduce eficiența energetică.
Figura 9 prezintă performanța CAE în diferite unghiuri IVD la o presiune de admisie de 5 bar.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Puterea și cuplul de ieșire de la CAE sunt obținute prin simulare la diferite unghiuri IVD, așa cum se arată în figurile 9(a) și 9(b). Cea mai mare putere de ieșire este obținută la 500 rpm în orice unghi IVD. Cuplul de ieșire crește odată cu IVD. Puterea și cuplul de ieșire sunt egale în diferite unghiuri IVD la 500 rpm. Eficiența energetică ar scădea odată cu IVD și poate fi exprimată în figura 9(c). Dar atunci când IVD este egal cu 20 grade, eficiența va scădea la o turație a manivelei de 100 rpm. Acest lucru se datorează faptului că, cu cât mai mult aer comprimat intră în CAE la cea mai mică turație a manivelei, cu atât mai mare este presiunea de evacuare.
Figura 10 prezintă performanța CAE în diferite IVL la o presiune de admisie de 5 bar.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Puterea și cuplul de ieșire de la CAE sunt obținute prin simulare la diferite IVL, așa cum se arată în figurile 10(a) și 10(b). Puterea de ieșire crește odată cu turația manivelei. Dar atunci când turația manivelei este mai mică de 400 rpm, puterea de ieșire are puține modificări la diferite IVD. Acest lucru se datorează faptului că, la turații mici ale manivelei, masa fluxului de aer este aproape stabilă la diferite IVL. Între timp, la început, cuplul de ieșire crește odată cu creșterea turației manivelei și atinge vârfurile sale la diferite turații ale manivelei și IVL. Eficiența energetică ar scădea odată cu turația manivelei, iar IVL mare este benefică pentru îmbunătățirea eficienței energetice, care poate fi exprimată în figura 10(c). Efectul de strangulare va scădea în cazul unui IVL mare.
5. Concluzii
În această lucrare, a fost construit modelul matematic. S-au efectuat studii de simulare și experimentale pe CAE, iar concluziile sunt rezumate după cum urmează: (1)Presiunea aerului comprimat în interiorul cilindrului și cuplul de ieșire au aceeași tendință de schimbare atât în curba de simulare, cât și în curba experimentală. (2)Cea mai mare putere de ieșire este obținută la 500 rpm, iar cel mai mare cuplu de ieșire este obținut la 300 rpm la diferite presiuni de admisie și diferite unghiuri IVD.(3)Atunci când turația manivelei este mai mare de 200 rpm, se poate obține o eficiență mai mare de utilizare a energiei la turație, presiune de admisie și IVD mai mici.(4)Cuplul de ieșire crește odată cu creșterea turației manivelei și atinge vârfurile la diferite turații ale manivelei și IVL. Iar IVL mare este benefic pentru a îmbunătăți eficiența energetică.
Nomenclatură
Subscripte
.
Utilizarea redundantă a deschiderii.
Conflict de interese
Autorii declară că nu există niciun conflict de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.
.