Pneumatic-Combustion Hybrid Engine: A Study of the Effect of the Valvetrain Sophistication on Pneumatic Modes

Moteur hybride pneumatique: une étude de l’effet de la complexité de la distribution sur les modes pneumatiques

Université d’Orléans – PRISME/EPM, 8 rue Léonard de Vinci, 45072 Orléans Cedex 09 - France

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Abstract

Although internal combustion engines display high overall maximum global efficiencies, this potential cannot be fully exploited in automotive applications: in real conditions, the average engine load (and thus efficiency) is quite low and the kinetic energy during a braking phase is lost. This work presents a hybrid pneumatic-combustion engine and the associated thermodynamic cycles, which is able to store and recover energy in the form of compressed air. The study focuses on the two major pneumatic modes: pneumatic pump mode and pneumatic motor mode. For each of them, three valvetrain technologies are considered: 4-stroke mode, 4-stroke mode with one camshaft disengaged, and 2-stroke fully variable.

The concept can be adapted to SI or CI engines. In any case the valvetrain technology is the key to best fuel economy. A kinematic model of the charging valve’s actuator is introduced, and implemented in a quasi dimensional model of the pneumatic-combustion hybrid engine. Simulation results are presented for each pneumatic mode, for each valvetrain technology, in order to determine the best valve train configuration, and to show the impact of the kinematic valve actuator on the performance of the engine The tradeoffs between valvetrain sophistication and fuel economy will be presented for each case.

Résumé

Bien que le rendement total d’un moteur à combustion interne soit élevé, ce potentiel ne peut être pleinement exploité sur une automobile : dans les conditions réelles d’utilisation, la charge moteur moyenne (et donc le rendement) est souvent faible. De plus, l’énergie cinétique en phase de freinage est totalement dissipée sous forme de chaleur. Cet article présente un concept de moteur hybride pneumatique, et les cycles thermodynamiques associés, capable de stocker de l’énergie (et de la réutiliser) sous forme d’air comprimé. Le concept est adaptable au moteur à allumage commandé aussi bien qu’au moteur à allumage par compression. Dans tous les cas, les gains de consommation sont étroitement liés à la performance de la distribution. Cette étude se focalise sur les deux modes pneumatiques majeurs: le mode pompe pneumatique et le mode moteur pneumatique. Pour chacun d’entre eux, trois différents types de distribution sont envisagés: type 4 temps, type 4 temps avec un arbre à came débrayable et type 2 temps entièrement variable.

Un modèle cinématique de l’actuateur de la soupape de charge est présenté et implémenté dans un modèle zéro-dimensionnel du moteur hybride pneumatique. Les résultats issus de la simulation, pour chacun des 2 modes pneumatiques, et pour chacun des 3 types de distribution envisagés, sont présentés avec pour objectif d’identifier la meilleure configuration de la distribution, et de montrer l’impact de la cinématique de l’actuateur de la soupape de charge sur les performances de la machine. Les compromis entre la complexité de la distribution et les gains de consommation sont présentés dans chacun des cas.