Design Methodology of Camshaft Driven Charge Valves for Pneumatic Engine Starts

Méthodologie pour le design des valves de chargement opérées par arbre à cames

Institute for Dynamic Systems and Control, ETH Zurich, Sonneggstrasse 3, 8092 Zurich – Switzerland
e-mail: mimoser@ethz.ch – voserc@ethz.ch – onder@ethz.ch – lguzzella@ethz.ch

^* Corresponding author

Abstract

Idling losses constitute a significant amount of the fuel consumption of internal combustion engines. Therefore, shutting down the engine during idling phases can improve its overall efficiency. For driver acceptance a fast restart of the engine must be guaranteed. A fast engine start can be performed using a powerful electric starter and an appropriate battery which are found in hybrid electric vehicles, for example. However, these devices involve additional cost and weight. An alternative method is to use a tank with pressurized air that can be injected directly into the cylinders to start the engine pneumatically. In this paper, pneumatic engine starts using camshaft driven charge valves are discussed. A general methodology for an air-optimal charge valve design is presented which can deal with various requirements. The proposed design methodology is based on a process model representing pneumatic engine operation. A design example for a two-cylinder engine is shown, and the resulting optimized pneumatic start is experimentally verified on a test bench engine. The engine’s idling speed of 1200 rpm can be reached within 350 ms for an initial pressure in the air tank of 10 bar. A detailed system analysis highlights the characteristics of the optimal design found.

Résumé

Les pertes à vide représentent une partie essentielle de la consommation des moteurs à combustion interne. La mise à l’arrêt du moteur pendant la marche à vide peut, par conséquent, en améliorer son efficacité générale. Pour être accepté par le conducteur, le redémarrage du moteur doit être rapide. On peut réaliser ce démarrage rapide du moteur, moyennant un démarreur électrique puissant conjointement avec un accumulateur approprié, solution retenue par exemple, pour les véhicules à système hybride électrique. Cependant, ces derniers augmentent le coût et le poids. Une alternative consiste dans le démarrage pneumatique du moteur en utilisant de l’air comprimé stocké dans un réservoir sous pression et injecté directement dans les cylindres. Cette étude présente le démarrage pneumatique du moteur en utilisant des valves de chargement commandées par arbre à cames. On présente une méthodologie visant à une consommation de l’air optimale en mesure de respecter des exigences différentes. La démarche proposée s’appuie sur le modèle d’un processus représentant l’opération pneumatique du moteur. La vérification expérimentale du démarrage pneumatique est réalisée et optimisée sur un moteur 2 cylindres sur banc d’essai. Avec une pression initiale de 10 bar dans le tank d’air, la vitesse de rotation à vide de 1 200 tr.min⁻¹ peut être atteinte en 350 ms Une analyse détaillée confirme les caractéristiques du système optimisé.