CC BY
11УДК 621.43
И.Л. Захаров, В.Л. Химич, А.Н. Тарасов, Л.А. Захаров
ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНОГО ПОРШНЕВОГО МНОГОТОПЛИВНОГО ДВС С ПЕРЕМЕННОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ
НА РАННЕЙ СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Приведены результаты термодинамических испытаний «методом научного исследования» рядного четырехцилиндрового двигателя ЗМЗ-4021.10 рабочим объемом 2,445 л, работающий на низкооктановом бензине А-76 с переменной степенью сжатия, на топливе различного химического состава и с применением рабочего тела трех, двух и одноатомным химическим составом. Подвод теплоты от теплоисточника к массе рабочего тела осуществлялся по циклу Отто и Карно. С применением этих данных по геометрической модели и геометрическим характеристикам численными расчетами определены принципиально неустранимые тепловые потери по второму закону термодинамики и пути их уменьшения. Рассматриваются физическая, термодинамическая и математическая модели совершенствования термодинамического рабочего цикла. Выявлено благоприятное влияние на улучшение термодинамических показателей энергетических, экономических и экологических поршневого ДВС при работе на номинальных нагрузках.
Ключевые слова: рабочие термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания, степень сжатия, род рабочего тела, среднее давление цикла, форсировка ДВС с благоприятной экономичностью.
Поршневые ДВС по требованиям европейских стандартов оцениваются эксплуатационными, эффективными, индикаторными и термодинамическими показателями. Главная задача при создании многотопливных ПДВС с переменной степенью сжатия на ранней стадии проектирования - анализ исследования и расчет термодинамических показателей.
Термодинамические показатели поршневого ДВС характеризуют термодинамический рабочий цикл и определяются «методом научного исследования» изменения параметров состояния рабочего тела в цилиндре поршневого ДВС за время рабочего цикла. К ним относятся среднее термодинамическое давление Pt, термодинамическая мощность Nt, крутящий момент Mt, термодинамический КПД nt, удельный термодинамический расход топлива gt, часовой термодинамический расход топлива Gt, степень форсировки (благоприятное соотношение, обеспечивающее условия получения низкого расхода
pZ - максимальное давление цикла
топлива -> 7,0).
pt - среднее давление цикла
Объект исследования - рядный четырехцилиндровый поршневой двигатель: рабочим объемом Vh=2,445 л, с порядком работы цилиндров 1-2-4-3, диаметром цилиндра D=0,092 м, ходом поршня £=0,092 м, степенью сжатия 8=6,7:1, эффективной номинальной мощностью Ne=66,2 кВт, эффективным удельным расходом топлива ge=0,300 кг/(кВтч), номинальной частотой вращения коленчатого вала двигателя n=4500 мин-1, низшей теплотой
Дж
сгорания применяемого топлива 0н=44013798-, теоретически необходимым коли-
кг топлива
кг воздуха
чества воздуха для полного сгорания одного килограмма топлива l0= 14,828 -.
кг топлива
Допущения при исследовании термодинамических показателей поршневого ДВС с переменной степенью сжатия, работающий по циклу Отто, на топливе с различным химическим составом, принимаются:
© Захаров И.Л., Химич В.Л., Тарасов А.Н., Захаров Л.А., 2012.
1) рабочее тело в цилиндре термодинамического поршневого ДВС воздух - считать идеальным газом, нормальные термодинамические условия которого - удельное давление
3 3
101332 Па, удельный объем »=0,773395 м /кг, плотность р=1,293 кг/м , абсолютная температура 7=273,16 К;
2) количество массы рабочего тела помещенного в полный объем цилиндра (диаметр
цилиндра D=0,092 м, ход поршня 5=0,092 м, степень сжатия 8=7:1)
( 2 \ _ ТЛ2
= const •;
ma = Va 'Р = COnst или ma
% D s
• S---р
4 s-1
3) теоретически необходимое количество воздуха для обеспечения полного сгорания одного килограмма топлива и его низшая теплота сгорания QH, зависящие от элементарного массового состава топлива;
4) количество массы топлив с различным элементарным массовым химическим составом, которое может полностью «сгореть» в массе воздуха [ma по пункту 2)] в цилиндре термодинамического поршневого ДВС,
m
a
mrj, = , кг ;
T l l0
5) количество теплоты Qj, которое сообщается рабочему телу в цилиндре поршневого термодинамического ДВС:
Q1 = mT - QH = const ;
6) величины термодинамических показателей поршневого ДВС с переменной степенью сжатия (8=14:1, 8 =21:1, 8 =28:1) определяющие параметры, полученные для степени сжатия 8 =7:1 (ma=const, m#const, QJ=const) сохраняются постоянными и неизменными.
Математические формулы для определения термодинамических показателей поршневого термодинамического ДВС с переменной степенью сжатия на номинальном режиме работы n=4500 мин-1.
Термодинамическая мощность поршневого двигателя:
1 11 , или
Nt = Ma--Г" Q " ' П "ТХ
a-10 m 60
Nt =
%D2 0 s
--s---л • Р
4 s-1 н F
1 ^ 1 1 D
--Q -л^.-1 — n--, Вт
а- н tx m 60
'0
является функцией диаметра цилиндра Б, хода поршня Л, степени сжатия 8, коэффициента наполнения пн, плотность рабочего тела р, коэффициент избытка воздуха а, теоретически необходимое количество воздуха ¡0, низшей теплоты сгорания топлива Qн, термодинамический
КПД % числа цилиндров г, тактности т и частоты следования циклов п ■ —.
60
Крутящий термодинамический момент поршневого двигателя:
М = 9,55--, Н ■ м .
1 п
Часовой расход топлива поршневого термодинамического ДВС за час работы на номинальном режиме:
2
пБ 8 1 . 1 „ кг
^ =--Л---^ ■ р---г---п ■ 60, -.
1 4 8 -1 н а ■ ¡0 т час
Термодинамический КПД поршневого ДВС
\
/
Л,= 1 -
к -1
Удельный термодинамический расход топлива поршневого ДВС
ёг =
О„
кг
N кВт•ч
Среднее термодинамическое давление рабочего тела в цилиндре термодинамического поршневого ДВС
Рг =
Ц Ц
-г-= -Л. мпа.
V - V ■ V
тах тт я
Степень форсировки термодинамического поршневого ДВС
Ф,
Ра Рг
> 7
Рис. 1. Теоретический поршневой двигатель, работающий по циклу Отто, в V, р и S, Тдиаграммах для степеней сжатия 7 и 28:
а - закрытая термодинамическая система (теоретический поршневой ДВС); б -рV — работа, совершенная произвольным количеством рабочего тела ЗТДС; в - Т,Б — теплота, подведенная к рабочему телу, в ЗТДС; г - р( — среднее термодинамическое давление рабочего тела в ЗТДС
Исследование и расчет термодинамических показателей термодинамического поршневого ДВС с переменной степенью сжатия, работающий на топливах различного химического состава [1, 2, 3]:
• разрабатываем и строим геометрическую, физическую, термодинамическую и математическую модели, рис. 1, а;
• определяем параметры состояния рабочего тела для ключевых точек процессов цикла Карно и Отто;
• определяем термодинамические характеристики рабочих процессов цикла Карно и Отто;
• определяем изменение термодинамического КПД поршневого термодинамического
1
е
ДВС, работающего по циклу Карно и Отто в зависимости от степени сжатия 8 и показателя адиабаты к;
• строим, по результатам расчета параметров состояния рабочего тела, теоретический цикл двигателя Карно и Отто (рис.1) в У,р и Л,Т диаграммах для степеней сжатия 7 и 28;
• строим, по результатам расчета термодинамического КПД поршневого ДВС Карно и Отто, в координатах ЭБ поверхности изменения термодинамического КПД цг от степени сжатия «8» и показателя адиабаты «к» в программном пакете Ма1ЬаЬ, рис. 2;
• рассчитываем по математическим формулам термодинамические показатели поршневого теоретического ДВС Карно и Отто.
Рис. 2. Графики изменения термического КПД от степени сжатия 8 и показателя адиабаты к циклов поршневых ДВС Отто и Карно
Рис. 3. График изменения термодинамических показателей, полученных по математическим моделям поршневого ДВС Карно и Отто:
Лг = /(8; к); К, = /(8; к) ; М1 = /(8; к); р1 = /(8; к); & = /(8; к)
Далее строим, по результатам расчета термодинамические показатели в координатах 3Б поверхности изменения термодинамических показателей N рг, Ог, gt, Фг от степени сжатия 8 и показателя адиабаты к в программном пакете MatLab, рис. 3;
- анализ теоретических циклов двигателей Карно и Отто, рис. 1, показывает изменения параметров состояния рабочего тела, полезной работы циклов, среднего давления циклов.
Таблица 1
Основные термодинамические показатели поршневого ДВС Отто, работающего на топливе разного химического состава
Параметры 8 =7:1 8 =14:1 8 =21:1 8 =28:1
Пылевидное углеродное топливо к=1,4 Чг 0,5408 0,6520 0,7041 0,7363
N 222 247 260 269
Ъ 43,644798 129 %
gt 0,196 0,177 0,168 0,163
Тяжелое топливо к=1,4 Чг 0,5408 0,6520 0,7041 0,7363
N 222 247 260 269
Ъ 36,370665 107,5 %
gt 0,163 0,147 0,140 0,135
Дизельное топливо к=1,4 Чг 0,5408 0,6520 0,7041 0,7363
N 222 247 260 269
Ъ 34,848172 103,0 %
gt 0,157 0,141 0,134 0,130
Бензин к=1,4 Чг 0,5408 0,6520 0,7041 0,7363
N 222 247 260 269
Ъ 33,833177 ф 100 %
gt 0,152 0,137 0,130 0,126
Метан к=1,4 Чг 0,5408 0,6520 0,7041 0,7363
N 222 247 260 269
Ъ 29,570197 87,4 %
gt 0,133 0,120 0,114 0,110
Водород к=1,4 Чг 0,5408 0,6520 0,7041 0,7363
N 222 247 260 269
Ъ 14,548266 43,0 %
gt 0,065 0,059 0,056 0,054
Затем анализ изменений термодинамических КПД от степени сжатия 8 и показателя адиабаты к циклов поршневых ДВС Карно и Отто показывает степень приближения КПД цикла Отто к циклу Карно, рис. 2;
- анализ изменения термодинамических показателей поршневых ДВС Карно и Отто показывает основные направления совершенствования поршневого ДВС Отто;
- анализ термодинамических зависимостей, позволил вывести математические уравнения и построить математические-геометрические поверхности для поршневых ДВС Карно и
Отто, по которым можно определять основные термодинамические показатели на ранней стадии проектирования ДВС рис. 3; с использованием САПР ДВС: для цикла Отто:
Л, =-1,866374• к2 -0,013819• к-8 + 0,000127-82 + 6,566462• к + 0,020783-8-4,924325; для цикла Карно:
Л, = -1,147984 • к2 + 3,808762 • к + 0,002955 • 8 - 2,325508.
н=0,25 28
00,0; Н=1,0
Рис. 4. График изменения термодинамической топливной экономичности поршневого ДВС Отто, работающего на топливе с различным химическим составом = с и Н)
Практическая ценность метода заключается в выборе низшей теплоты сгорания
топлив с разным химическим составом, позволяющая системно и целенаправленно повышать основные термодинамические показатели поршневого ДВС на ранней стадии проектирования, рис. 4 и табл. 1.
Анализ рис.4 и табл. 1 показывает, что при постоянной массе рабочего тела в цилиндре термодинамического поршневого ДВС Отто, работающего на топливе с различным химическим составом получаем:
1) одинаковые термодинамические показатели (мощности, крутящего момента, КПД, среднее давление);
2) различные термодинамические показатели (часовой и удельный расход топлива);
3) наибольшую топливную экономичность можно получить, при работе термодинамического поршневого ДВС Отто на метане и водороде, а наименьшую - на пылевидном углеродном топливе, рис. 4 и табл. 1.
4) термодинамические показатели являются максимальными - предельными значениями, с которыми сравниваются оптимальные индикаторные, эффективные и эксплуатационные показатели действительного поршневого двигателя.
Реализация метода
Материалы методики используются: • при создании новых и модернизации серийных поршневых ДВС на моторных предприятиях;
• на кафедре «Энергетические установки и тепловые двигатели» НГТУ им. Р.Е. Алексеева при выполнении курсовых, дипломных и магистерских работ по специальности ДВС.
Библиографический список
1. Захаров, Л.А. Метод оценки термодинамических показателей поршневого двигателя работающего по циклу Отто на ранней стадии проектирования / Л.А. Захаров, И.Л. Захаров, А Н. Тарасов // Журнал ААИ. 2011. №2(67)С. 42-47.
2. Захаров, Л.А. Повышение топливной экономичности дизельного двигателя за сче снижения механических потерь / Л.А. Захаров, И.Л. Захаров, А.В. Сеземин // Журнал ААИ. 2011. №3(68). С. 41-43.
3. Захаров, Л.А. Методика исследования и расчет термодинамических циклов поршневого ДВС с переменной степенью сжатия / Л.А. Захаров [и др.] // Сборник научных трудов международной студенческой научно-технической конференции по технической термодинамике для ДВС, посвященной 50-летию ЗФ НГТУ им. Р.Е. Алексеева - НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2010.
4. Захаров, Л.А. Исследование и расчет термодинамических показателей поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Отто, методом технической термодинамики: метод. указ. / сост.: Л.А. Захаров [и др.]; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Новгород, 2010. - 33 с.
5. Захаров, Л.А. Исследование и расчет термодинамических показателей поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Карно, методом технической термодинамики: метод. указ. / сост.: Л.А. Захаров [и др.]; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2010. - 14 с.
Дата поступления в редакцию 16.10.2012
I.L. Zakharov, V.L Khimich, A.N. Tarasov, L.A. Zakharov
IMPROVING PERFORMANCE TECHNICAL PERSPECTIVE PISTON MULTIFUEL ENGINE WITH VARIABLE COMPRESSION RATIO AT AN EARLY STAGE
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alexeev
The results of the thermodynamic test "method of scientific research" inline four-cylinder engine ZMZ-4021.10 a working volume of 2.445 liters, working on low-octane gasoline A-76 with a variable compression ratio, the fuel of different chemical composition and the use of the working bodies of three, two, and monatomic chemical composition. Supply of heat from heat sources to the mass of the working fluid was carried out by Otto and Carnot cycle. With the use of these data according to a geometric model and the geometric characteristics of the numerical calculations are determined principally unavoidable heat losses by the second law of thermodynamics and the ways to reduce them. The physical, thermodynamic and mathematical models to improve the thermodynamic work cycle. Found a beneficial effect on improving the thermodynamic performance of power, economic and environmental reciprocating internal combustion engine when operating at rated load.
Key words: working thermodynamic cycle internal combustion engine compression ratio, type of working fluid, the average pressure of the cycle, forcing the ICE with a favorable economy.
