The Pneumatic Hybrid Vehicle - A New Concept for Fuel Consumption Reduction

Abstract

Urban traffic involves frequent acceleration and deceleration. During deceleration, the energy previously used to accelerate the vehicle is mainly wasted on heat generated by the friction brakes. If this energy that is wasted in traditional internal combustion engines (ICE) could be saved, the fuel economy would improve. Today there are several solutions to meet the demand for better fuel economy and one of them is the pneumatic hybrids. The idea with pneumatic hybridization is to reduce the fuel consumption by taking advantage of the, otherwise lost, brake energy.

In the work presented in this study heavy duty Scania engines were converted to operate as pneumatic hybrid engines. During pneumatic hybrid operation the engine can be used as a 2-stroke compressor for generation of compressed air during vehicle deceleration (compressor mode) and during vehicle acceleration the engine can be operated as an air-motor driven by the previously stored pressurized air (air-motor mode). The compressed air is stored in a pressure tank connected to one of the inlet ports. One of the engine inlet valves has been modified to work as a tank valve in order to control the pressurized air flow to and from the pressure tank.

In order to switch between different modes of engine operation there is a need for a fully variable valve actuation (FVVA) system. The engines used in this study are equipped with pneumatic valve actuators that use compressed air in order to drive the valves and the motion of the valves is controlled by a combination of electronics and hydraulics.

Initial testing concerning the different pneumatic hybrid engine modes of operation was conducted. Both compressor mode (CM) and air-motor mode (AM) were executed successfully. Optimization of CM and AM with regards to valve timing and valve geometry has been done with great improvements in regenerative efficiency which is defined as the ratio between the energy extracted during AM and the energy consumed during CM.

A model of the pneumatic hybrid engine was developed in the engine simulation package GT-Power and validated against real experimental data. After a successful validation process, the model was used for parameter studies. In this way the influence of important parameters such as tank valve diameter, tank valve opening and closing could, together with their effect on the pneumatic hybrid engine performance, be investigated.

A pneumatic hybrid vehicle model was developed in Matlab™/Simulink. The engine part of the vehicle model consisted of engine data obtained from the GT-Power model. Vehicle drive cycle simulations showed that the fuel consumption of a conventional bus could be reduced by up to 58% when converted to a pneumatic hybrid bus.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Dagens samhälle är väldigt beroende av fordon av olika slag. Aldrig förr har människor rest till olika delar av världen, så mycket som idag. Den enorma mängden resors och transporter som sker varje dag är en tung belastning för vår natur. Bilar och lastbilar, som ökar i antal varje dag, släpper ut giftiga avgaser på vägarna och flygplan förbrukar enorma mängder fossilt bränsle. På senare år har medvetenheten om effekten av föroreningar på miljö och klimat ökat markant. Denna medvetenhet har lett till att man nu letar efter alternativ till dagens transportsätt med mindre miljöpåverkan. Lagkraven för mängden giftiga avgaser som får släppas ut från olika fordon blir allt strängare och det finns numera en diskussion om att även lagstifta krav på lägre koldioxid (CO2) utsläpp. Koldioxid är en växthusgas som bidrar till klimatförändringar. Krav på lägre avgasutsläpp tillsammans med ökade bränslepriser leder till att efterfrågan på fordon med lägre bränsleförbrukning ökar och på så sätt tvingas fordonstillverkarna all undersöka effektivare alternativ till dagens fordon.

Idag finns det många olika lösningar för att uppnå lägre bränsleförbrukning. Den kanske idag mest kända är hybridisering av fordon och då framförallt den elektriska hybriden. Till skillnad från ett vanligt fordon är elhybriden utrustad med både en förbränningsmotor och en elmotor. Idén är att man på detta sätt kan låta motorn jobba i de lastområden där den är som mest effektiv och elmotorn antigen bidrar med extra kraft till hjulen eller lagrar överskottet av energi i ett batteri. Med elhybriden har man även möjlighet att ta tillvara på den energi som försvinner i form av värme till bromsarna under en inbromsning och lagra det i ett batteri för användning vid ett senare tillfälle. Idag arbetar nästan alla biltillverkare på att få fram en egen elhybrid, och några har redan en produkt på marknaden. Elhybrider erbjuder imponerande sänkningar i bränsleförbrukning med upp till 60%. Dvs om en normal bil förbrukar 1 liter bensin/mil, så är motsvarande siffra 0.4 liter/mil för en elhybrid.

Tyvärr finns det även nackdelar med dagens elhybrid fordon, där de viktigaste är att de kräver ett ytterligare framdrivningssystem i kombination med den konventionella förbränningsmotorn och dessutom så kräver den stora, tunga och dyra batterier med en begränsad livslängd. Allt detta göra att tillverkningskostnaden ökar markant vilket lederna till att priset som kunden i slutändan får betala är väldigt högt och kan jämföras med priset för mer exklusiva bilar av konventionell typ.

Ett sätt att hålla den extra kostnaden vid hybridisering av fordon så låg som möjligt är introduktionen av den pneumatiska hybriden. Den kräver inget ytterligare framdrivningssystem och den fungerar på ett liknande sätt som elhybriden. Under inbromsning av fordonet, används motorn som en kompressor som omvandlar fordonets rörelseenergi till energi i form av tryckluft som sedan förvaras i en trycktank. När bilen ska drivas efter att ha varit stillastående, används motorn som en luft-motor som drivs av tryckluften som finns lagrad i trycktanken och på så sätt accelerera fordonet. Systemet stödjer så kallad stop/start funktionalitet, vilket innebär att motorn kan stängas av när fordonet står helt still och därmed kan man eliminera de förluster som förknippas med tomgång. En ytterligare funktion som förknippas med den pneumatiska hybriden är elimineringen av s.k. ”turbo-lag” som uppstår i samband med turbo-laddade motorer. Detta görs genom att man tillför tryckluft från tanken till motorn under förbränningen vilket leder till att högre last kan åstadkommas.

Ett viktigt mått som används när man utvärderar den pneumatiska hybrid motorns prestanda är den regenerativa verkningsgraden som berättar hur stor del av den lagrade energin i trycktanken som kan användas för att uträtta positivt arbete. Experiment utförda av författaren har visat att man kan åstadkomma en regenerative verkningsgrad på över 48% vilket betyder att nästan hälften av den energin som lagras i trycktanken under en inbromsning kan återföras till de drivande hjulen vid ett senare tillfälle. Författaren har även utvecklat fordonsmodeller baserade på experimentell data. Med hjälp av dessa modeller har man kunnat utvärdera ett pneumatiskt hybrid fordon och jämföra med motsvarande konventionellt fordon över olika standardiserade körcykler. Resultaten visar att en minskning i bränsleförbrukning på upp till 58% kunde åstadkommas för en viss körcykel och i genomsnitt ligger minskningen i bränsleförbrukning på ca 30% för de testade cyklerna, vilket tydligt demonstrerar den pneumatiska hybridens potential som ett värdigt alternativ till dagens elhybrid.

• author: Trajkovic, Sasa
• supervisor: Per Tunestål
• opponent: Prof. Filipi, Zoran, W.E. Lay Automotive Lab, Ann Arbor, USA.
• organization: Combustion Engines; Lund University, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Mechanical Engineering
• keywords: VVA, Regenerative, Air-motor, Compressor, Pneumatic, Hybrid, Vehicle, Electric Hybrid, Drive Cycle, GT-Power, Simulink, FPGA
• pages: 302 pages
• defense location: Lecture hall M:B, M-Building, Ole Römersväg. 1, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-01-21 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-072-2
• project: Pneumatic Hybrid Engine
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b39e24a1-59f4-4018-8253-f60975126a03 (old id 1748970)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:08:36
• date last changed: 2018-11-21 21:18:32