УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, КОТОРЫЙ РАБОТАЕТ НА ГЕНЕРАТОРНОМ ГАЗЕ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

THERMODYNAMIC ANALYSIS

Статья поступила в редакцию 30.04.13. Ред. рег. № 1629

The article has entered in publishing office 30.04.13. Ed. reg. No. 1629

УДК 662.76

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, КОТОРЫЙ РАБОТАЕТ НА ГЕНЕРАТОРНОМ ГАЗЕ

Д. С. Довженко

Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, ул. Красногвардейская, 20 А, Киев, Украина, 02094, Тел. +38 044 206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net

Заключение совета рецензентов: 06.05.13 Заключение совета экспертов: 13.05.13 Принято к публикации: 15.05.13

Проанализированы возможные термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания, которые используют в качестве топлива генераторный газ. Выбран оптимальный термодинамический цикл. Дана методика расчета выбранного термодинамического цикла.

Ключевые слова: генераторный газ, термодинамический цикл, двигатель внутреннего сгорания, методика расчета термодинамического цикла.

IMPROVEMENT OF CALCULATION METHODOLOGY OF THERMODYNAMIC CYCLE OF ENGINE, WORKING ON PRODUCER GAS

D.S. Dovzhenko

Institute of Renewable Energy, National Ukrainian Academy of Sciences 20А Krasnogvardejska St., Kiev, 02094, Ukraine Tel./fax: +38 044 206-28-09 Е -mail: renewable@ukr.net

Referred 06.05.13 Expertise: 13.05.13 Accepted: 15.05.13

Possible thermodynamic cycles of internal combustion engines that use producer gas as fuel have been analyzed. Optimum thermodynamic cycle has been chosen. Methodology of thermodynamic cycle calculating has been done.

Keywords: producer gas, thermodynamic cycle, internal combustion engine, thermodynamic cycle calculating methodology.

Введение 2.

Рассмотрим термодинамический замкнутый (идеальный) цикл двигателя внутреннего сгорания, который работает на генераторном газе. 3.

При этом под замкнутым (идеальным) циклом двигателя внутреннего сгорания понимаем действительный рабочий цикл, схематизированный к ряду последовательных беспрерывных процессов, при которых термодинамическая система, которая 4. состоит из источника подвода теплоты, неизменного количества идеального рабочего тела и источника отвода теплоты, возвращается к своему первоначальному состоянию.

Замкнутый идеальный цикл имеет такие основные особенности:

1. Рабочим телом в цикле является идеальный

газ с постоянной теплоемкостью, состав 5. которого не изменяется.

Количество рабочего тела за цикл не изменяется. В цикле отсутствуют процессы очистки цилиндра от отработанных газов и наполнение его свежим зарядом. Потери теплоты в окружающую среду отсутствуют, и процессы сжатия и расширения рабочего тела протекают адиабатически, т.е. обеспечивают

максимальное использование тепла. Процессы сгорания топлива, теплоотдачи и очистки цилиндра заменены соответственно подводом теплоты Ql от горячего источника и отводом теплоты Q2 к холодному источнику или при постоянном объеме для

карбюраторного двигателя, или при постоянном давлении (Р=тош^) для дизельного двигателя.

Превращение теплоты в механическую работу (использование тепла) в замкнутом идеальном

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

цикле максимально возможное, т.е. величина термодинамического коэффициента полезного действия идеального цикла в сравнении с коэффициентом полезного действия реального рабочего цикла - максимальная.

Целью данной работы является определение особенностей термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания, который работает на генераторном газе и разработка методики расчета этого цикла.

Для определения характеристик

термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания, который работает на генераторном газе, рассмотрим термодинамический цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (У=сош1) - по этому циклу работают двигатели внутреннего сгорания с искровым воспалением воздушно-топливной смеси (цикл Отто). Этот цикл наиболее подходит для двигателей, конструкция которых разрешает сжигать генераторный газ, так как:

1) рабочая смесь воздуха и генераторного газа нуждается в принудительном воспалении,

2) рабочая смесь воздуха и генераторного газа имеет небольшую скорость распространения пламени в цилиндре,

3) рабочая смесь воздуха и генераторного газа имеет невысокие антидетонационные свойства.

Охарактеризуем предложенный цикл с подведением теплоты при постоянном объеме (У=сош1) (Цикл Отто). Этот цикл схематично изображен на РУ-диаграмме (рис. 1).

Рис. 1. Цикл Отто Fig. 1. Otto cycle

На первой стадии рассматриваемого термодинамического процесса имеет место процесс впуска, при этом поршень двигается слева направо, и через впускной клапан «А» в цилиндр поступает смесь воздуха с газом при постоянном давлении (линия СП).

Когда поршень окажется в крайнем правом положении, клапан «А» закрывается. Потом поршень, двигаясь справа налево (процесс сжатия), сжимает горючую смесь. Происходит адиабатическое сжатие (линия ПЕ), так как благодаря скорости движения поршня теплообмен между газом и стенками цилиндра почти не происходит. Когда поршень оказывается в крайнем левом положении, происходит воспаление горючей смеси искрой от свечи зажигания. Нагревание образованных продуктов сгорания происходит мгновенно. Увеличение давления происходит при постоянном объеме - изохорно.

При следующем движении поршня слева направо (процесс расширения) происходит адиабатическое расширение (линия ЕО). В крайнем правом положении приоткрывается выпускной клапан В, и газы начинают выходить при постоянном объеме (линия ОП). При следующем движении справа налево (процесс выпуска) газы продолжают выходить при постоянном давлении (линия ПС).

Площадь КЕОЬК представляет собой работу, осуществленную газом при процессе расширения, а ЕБЬКЕ - работу, израсходованную на сжимание газа во время процесса сжатия. Полезная работа двигателя выражается заштрихованной площадью ЕОБЕ. Следует отметить, что работа, которая получена во время процесса впуска, равняется работе израсходованной во время процесса выпуска, а их суммарная работа равна нулю [1].

Для расчетов рассмотренного

термодинамического цикла с подведением теплоты при постоянном объеме (У=сош1) (цикл Отто) предлагается усовершенствовать существующий метод расчета термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания.

Суть этого усовершенствованного метода сводится к следующим этапам выполнения расчетов:

- на первом этапе определяются параметры рабочего тела на момент начала процесса сжатия;

- на втором этапе последовательно рассматриваются термодинамические процессы идеального цикла: процесс сжатия рабочего тела, процесс подвода теплоты к этому телу, процесс расширения рабочего тела. Для указанных процессов рассчитываются параметры рабочего тела в характерных точках замкнутого идеального цикла. На основе этих параметров строится диаграмма замкнутого идеального цикла;

- на третьем этапе рассчитываются экономические показатели и показатели эффективности идеального цикла двигателя внутреннего сгорания. Это: термический

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

коэффициент полезного действия; среднее давление в цилиндре двигателя, средняя мощность двигателя, удельные затраты топлива.

Подчеркнем, что все ниже использованные зависимости и формулы усовершенствованной методики пригодны для использования только при расчетах рассматриваемого цикла с подводом теплоты при постоянном объеме рабочего тела [2, 10, 11].

Ра=1 кг/см , а температура рабочего тела (оптимальная рабочая температура двигателя внутреннего сгорания) представляет: Та=355°К или Та=82°С.

Что же касается объема цилиндра на момент начала сжатия, то этот объем, согласно изложенному в [3, 4, 5, 6], рассчитывается с помощью следующих формул:

V = б ; VA - Vc = Vh ; Vh =

ОБЩ

(1)

где УА - объем цилиндра на момент начала сжатия; Ус - объем камеры сгорания (цилиндра) в момент конца сжатия рабочего тела; е - степень сжатия двигателя. Уь - рабочий объем одного цилиндра двигателя; УОБщ - общий объем цилиндров двигателя; 1 - количество цилиндров.

Определение параметров рабочего тела в характерных точках замкнутого идеального цикла

1. Параметры в точке С (рис. 2), т.е. на момент окончания процесса сжатия. Процесс сжатия является изотропным или адиабатным, т.е. процессом, который осуществляется в отсутствии подвода или отвода теплоты. Параметры в точке С, т. е. на момент окончания процесса сжатия рабочего тела в цилиндре, рассчитываются по следующим известным формулам [4, 7]:

Р = Р •

rC ГЛ

„K .

Т = Т

А п — Ад

ck-1 . к = М-СР

'О , IV — -

ЦСл

(2)

Рис. 2. P-V и Т-V диаграммы идеального цикла четырехтактного карбюраторного двигателя, который

работает на генераторном газе Fig. 2. P-V and Т-V diagrams of ideal cycle of four stroke carburetor engine, working on producer gas

Определение параметров рабочего тела на момент начала процесса сжатия

Точка начала сжатия (точка А, рис. 2) характеризуется следующими параметрами:

РА - величина давления в рабочем теле на момент начала процесса сжатия;

VA - объем цилиндра на момент начала процесса сжатия;

ТА - температура рабочего тела на момент начала процесса сжатия.

В связи с тем, что потери теплоты в окружающую среду отсутствуют, и процессы сжатия и расширения рабочего тела протекают адиабатически, т.е. обеспечивают максимальное использование тепла, считается, что давление в рабочем теле на момент начала сжатия равняется атмосферному, т.е.

где Рс - величина давления в рабочем теле на момент окончания процесса сжатия; к - показатель адиабат сжатия и расширения. Показатель адиабаты

- это отношение теплоемкости при постоянном давлении (Ср) к теплоемкости при постоянном

объеме (Су). Для идеального цикла показатель адиабаты к =const [8], поэтому термодинамический ККД цикла с подводом теплоты при (У=сош^) зависит от одного параметра - степени сжатия; цСР

- мольная изобарная теплоемкость рабочего тела; дСу - мольная изохорная теплоемкость рабочего тела.; Тс - температура рабочего тела на момент окончания процесса сжатия.

2. Параметры в точке Ъ (рис. 2), т.е. на момент окончания процесса подвода теплоты. Процесс подвода теплоты проходит при постоянном объеме рабочего тела.

Параметры в точке Ъ, т. е. на момент окончания процесса подвода теплоты к рабочему телу,

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

рассчитываются формулам [3, 5]:

по следующим известным

_ _ Q1 (к-1)

Р7 _ РД. Тz _ ТсХ. X _--

Z C * Z C * R T

*-с

p

Q _ QHXA3 .

Lo

L

^O -

^ВОЗ

1О _—1-

О 0,21

•Е-

n + m-r\-CH O

4 2

n m r

(3)

где СпИтОг - частицы химических элементов, из которых состоит топливо. Нужно отметить, что коэффициенты п, т, г означают число атомов в молекулах, из которых состоит рассматриваемый нами газ. 1О - теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания топлива [9]; дВОЗ -молекулярный вес воздуха, составляет

28,95 кг/кмоль. Lr

теоретическое количество

8,315

или

1,986 ккал/кмоль-°К.

Р _ Pz

Рв _ 8K

Т _

в

Т

„K-1

(4)

термодинамического цикла относятся:

1) термический коэффициент полезного действия;

2) удельная работа цикла; 3) средняя мощность двигателя; 4) удельные затраты топлива.

1. Термический коэффициент полезного действия, . Как показано выше, в идеальном цикле

двигателя отсутствуют любые потери теплоты за исключением обязательного оттока теплоты к холодному источнику. Обязательный отток теплоты к холодному источнику характеризуется термодинамическим коэффициентом полезного действия идеального цикла. Термодинамическим коэффициентом полезного действия называется отношение количества теплоты, преобразованной в механическую работу, к общему количеству теплоты, подведенной к рабочему телу.

Указанный коэффициент рассчитывается по следующей известной формуле [4, 5]:

воздуха, необходимое для сгорания топлива в молях на килограмм топлива; - количество теплоты,

которая подводится в идеальном цикле; РНГАЗ -низшая теплота сгорания топлива; Я -

универсальная газовая постоянная, принятая равной кДж

_1 - ¡¿-г

(5)

кмоль • К

X - степень повышения давления (отношение объемов во время изохорного подведения теплоты). Другие условные обозначения соответствуют ранее принятым.

3. Параметры в точке В (рис. 2), т.е. на момент окончания процесса расширения рабочего тела в цилиндре. Процесс расширения рабочего тела проходит при отсутствии подвода или отвода теплоты, т. е. является изотропным или адиабатным процессом.

Параметры в точке В, т. е. на момент окончания процесса расширения рабочего тела, рассчитываются по следующим известным формулам [4, 5, 7]:

Условные обозначения в формуле (5) соответствуют ранее принятым.

2. Среднее условно постоянное на протяжении цикла давление (средняя удельная работа). Средним на протяжении цикла давлением называется такое условно постоянное (индикаторное) давление, которое действует на поршень и перемещает его в рабочем ходу от одной мертвой точки к другой, выполняет работу, которая равняется работе идеального цикла.

Указанное давление рассчитывается по следующей известной формуле [6]:

^ ^ £к X — 1

Р t _ РА • 8—1 • к—Т • V

(6)

где Р2 - величина давления в рабочем теле на момент окончания процесса подвода теплоты; Тв -температура рабочего тела на момент окончания процесса расширения. Другие условные обозначения соответствуют ранее принятым.

Расчеты эффективных и экономических показателей

К рассчитываемым экономическим показателям и показателям эффективности замкнутого идеального

Условные обозначения в формуле (6) соответствуют ранее принятым.

Нужно подчеркнуть, что среднее условно постоянное на протяжении цикла давление численно равняется удельной работе замкнутого идеального цикла. Удельной работой замкнутого идеального цикла называется отношение количества теплоты, которая превратилась в механическую работу, к рабочему объему цилиндра. Обычно удельная работа выражается в Дж/м3.

3. Средняя мощность двигателя, который работает по идеальному циклу. Средняя мощность двигателя, который работает по идеальному циклу, рассчитывается по следующей зависимости [3, 5, 7]:

N _Р. • V, • i•-,

t h 2

(7)

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 04/1 (123) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

где 1 - количество цилиндров двигателя; п - частота вращения коленчатого вала. Другие условные обозначения соответствуют ранее принятым.

4. Удельные затраты топлива, которые необходимы для обеспечения подвода теплоты в цикле. Удельные затраты топлива рассчитываются по следующей зависимости [3]:

в =-^-, (8)

Ч н.газ

Выводы

1. Доказано, что для генераторного газа подходит термодинамический цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (У=const) - по этому циклу работают двигатели внутреннего сгорания с искровым воспалением воздушно-топливной смеси (цикл Отто).

2. Усовершенствована методика расчета термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания, в котором сжигается генераторный газ с принудительным воспалением рабочей смеси.

где п, - термический коэффициент полезного действия; QH г - теплота сгорания топлива.

Список литературы

References

1. Коллеров Л.К. Газомоторные установки. М.: Машгиз. 1951.

2. Забарний Г.М., Кудря С.О., Кондратюк Т.Г., Четверик Г.О. Термодинашчна ефектившсть та ресурси рiдкого бiопалива Украши. Ки1в: 1нститут вщновлювально! енергетики НАНУ. 2006.

3. Бальян С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели. Ленинград: Машиностроение. 1973.

4. Дьяченко Н.Х., Костин А.К., Мельников Г.В., Петров В.М., Харитонов Б.А. Теория двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение. 1965.

5. Тареев В.М. Справочник по тепловому расчету рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания. Ленинград: Речной транспорт. 1961.

6. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа. 1980.

7. Расчет рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания. Справочное пособие. Издание второе. Под общей редакцией Орлина А. С. М.: Машгиз. 1958.

8. Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания. Харьков: ХНаДу. 2009.

9. Тимченко 1.1., Гутаревич Ю.Ф., Долганов К.£., Муждобаев М.Р. Автомобшьш двигуни: Шдручник. Харьков: Основа. 1995.

10. Кюнэ Г., Кох Ф. Испытания автомобильных газогенераторов. Пер. с нем. П.П. Москвина; ред. М.Д. Артамонова. М.: Гостранстехиздат. 1938.

11. Волошенко Ф.П. Теоретические диаграммы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Куйбышев: Машгиз. 1962.

1. Kollerov L.K. Gazomotornye ustanovki. M.: Masgiz. 1951.

2. Zabarnij G.M., Kudrâ S.O., Kondratûk T.G., Cetverik G.O. Termodinamicna efektivnist' ta resursi ridkogo biopaliva Ukraïni. Kiïv: Institut vidnovlûval'noï energetiki NANU. 2006.

3. Bal'ân S.V. Tehniceskaâ termodinamika i teplovye dvigateli. Leningrad: Masinostroenie. 1973.

4. D'âcenko N.H., Kostin A.K., Mel'nikov G.V., Petrov V.M., Haritonov B.A. Teoriâ dvigatelej vnutrennego sgoraniâ. M.: Masinostroenie. 1965.

5. Tareev V.M. Spravocnik po teplovomu rascetu rabocego processa dvigatelej vnutrennego sgoraniâ. Leningrad: Recnoj transport. 1961.

6. Kolcin A.I., Demidov V.P. Rascet avtomobil'nyh i traktornyh dvigatelej. M.: Vyssaâ skola. 1980.

7. Rascet rabocih processov v dvigatelâh vnutrennego sgoraniâ. Spravocnoe posobie. Izdanie vtoroe. Pod obsej redakciej Orlina A.S. M.: Masgiz. 1958.

8. D'âcenko V.G. Teoriâ dvigatelej vnutrennego sgoraniâ. Har'kov: HNADU. 2009.

9. Timcenko I.I., Gutarevic Û.F., Dolganov K.G.. Muzdobaev M.R. Avtomobil'ni dviguni: Pidrucnik. Har'kov: Osnova. 1995.

10. Kûnè G., Koh F. Ispytaniâ avtomobil'nyh gazogeneratorov. Per. s nem. P.P. Moskvina; red. M.D. Artamonova. M.: Gostranstehizdat. 1938.

11.Volosenko F.P. Teoreticeskie diagrammy porsnevyh dvigatelej vnutrennego sgoraniâ. Kujbysev: Masgiz. 1962.

r>n

-TATA —

IwXj

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 04/1 (123) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013