BILANS ENERGETYCZNY TŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO W ASPEKCIE MODELOWANIA I REZERW SPRAWNO CI

Transkrypt

1 BILANS ENERGETYCZNY TŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO W ASPEKCIE MODELOWANIA I REZERW SPRAWNOCI ANDRZEJ SADOWSKI, BOGDAN ÓŁTOWSKI, TOMASZ KAŁACZYSKI, MICHAŁ LISS Streszczenie Bilansem cieplnym silnika nazywamy rozdział ciepła wydzielajcego si podczas procesu spalania na poszczególne składowe (uytecznie wykorzystane ciepło i róne postacie strat ciepła). Bilans ten pozwala oceni uyteczno wykorzystywanego ciepła, straty ciepła i moliwoci ich zmniejszenia, efektywno wykorzystania energii spalin wylotowych, okreli kierunki doskonalenia i poprawy wskaników pracy silnika oraz dokonywa obliczenia układu chłodzenia silnika. Bilans sporzdza si eksperymentalnie dla rónych warunków pracy silnika. W literaturze spotka mona dwa rodzaje bilansów cieplnych silnika tłokowego: zewntrzny oraz wewntrzny bilans energetyczny (cieplny) silnika. W w artykule przedstawiono zagadnienia teoretyczne, niezbdne do okrelania bilansów, a take rónice w ich przeprowadzaniu. Słowa kluczowe: Bilans energii, silnik spalinowy, straty energii Wprowadzenie Prowadzenie bada zwizanych z okreleniem przyczyn strat energii w silnikach spalinowych wymaga szczegółowej analizy procesu spalania (procesów zachodzcych podczas przemiany paliwa w energi mechaniczn). W tym celu zachodzi konieczno poznania poszczególnych kanałów dystrybucji energii w tym ich strat oraz wzajemne powizanie. Dlatego kluczowym zadaniem jest zapoznanie z technik sporzdzania bilansu energetycznego który jest algebraiczn sum energii doprowadzonej do silnika i energii z niego odprowadzonej. S to wartoci tych rodzajów energii, które bior udział w procesie premiany energii zawartej w paliwie (energii chemicznej paliwa) na prac uyteczn silnika. W literaturze spotka mona dwa rodzaje bilansów cieplnych silnika tłokowego [1, 2, 4, 7, 9, 10, 11, 12]: zewntrzny oraz wewntrzny bilans energetyczny (cieplny) silnika. Celem głównym niniejszej publikacji jest okrelenie znanych ju z literatury procedur sporzdzania bilansów energetycznych silników spalinowych ich porównanie oraz okrelenie wpływu poszczególnych czynników na przyczyny powstawanie strat energii w silniku. 1. Zewntrzny bilans energetyczny Zewntrzny bilans cieplny (bilans cieplny całego silnika) opiera si na pomiarach energii mechanicznej oraz energii cieplnej oddawanej przez silnik na zewntrz. Aby okreli poszczególne składniki bilansu, naley zmierzy te parametry, które s potrzebne do ich obliczenia. Jednak w praktyce nie jest moliwe wykonanie tych pomiarów, w oparciu, o które mona by obliczy lub ustali w inny sposób wszystkie pozycje bilansu. W zwizku z tym pewne wielkoci wystpujce w bilansie przyjmuje si umownie np.: jako dopełnienie do 100%. Bilans energetyczny silnika spalinowego składa si z trzech głównych pozycji do których nale: ciepło doprowadzone z paliwem, praca uyteczna, 214

2 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, 2016 straty: wewntrzne, niezupełnego spalania, wylotowe, mechaniczne, tarcia i napdów pomocniczych, chłodzenie i inne. Cały bilans mona odnie do jednostki czasu, czyli podzieli wszystkie pozycje wystpujce w bilansie przez czas wykonania bilansu. Uzyskany zostanie wówczas bilans strumieni energii, a je- eli czas pomiaru dy do zera to bdzie to bilans mocy. Najczciej jednak bilans odnosi si do energii doprowadzonej z paliwem, któr przyjmuje si za 100%, wyraajc nastpnie poszcze-gólne pozycje bilansu jako procentowe składniki. Wtedy stosunek pracy uytecznej do ciepła doprowadzonego daje sprawno ogóln silnika spalinowego. Do graficznego przedstawienia bilansu cieplnego słuy wykres Sankey a, który przedstawiono na rysunku 1. Obrazuje on drogi rozpływu energii dostarczonej w paliwie na zewntrz silnika. Z tego wykresu oprócz poszczególnych najwaniejszych strat okreli mona te ich wzajemne powizania, ródło: [7]. Rysunek 1. Wykres Sankey a przedstawiajcy bilans energetyczny (cieplny) silnika Bilans energetyczny silników tłokowych stosowanych w pojazdach mechanicznych, które pracuj przy zmiennej prdkoci obrotowej, wykonuje si w ten sposób, i ustala si prdko obrotow, a nastpnie przy stałym obcieniu wykonuje si pomiary. Zmieniajc obcienie, cigle przy stałej prdkoci obrotowej, wykonuje si kolejne pomiary, co pozwala zestawi seri bilansów, dla jednej prdkoci obrotowej. Wykonujc nastpnie podobne serie pomiarowe, dla innych prdkoci obrotowych, mona zestawi bilanse energetyczne silnika, dla całego zakresu zmian prdkoci i obcienia [13]. Pozwala to na wybranie optymalnych warunków pracy silnika spalinowego oraz okrelenie wielkoci strat energetycznych, a przez porównanie z analogicznymi wielkociami innych silników, ustalenie sposobów zmniejszenia tych start. 215

3 Andrzej Sadowski, Bogdan ółtowski, Tomasz Kałaczyski, Michał Liss Bilans energetyczny tłokowego silnika spalinowego w aspekcie modelowania i rezerw sprawnoci Zasadnicze zestawienie bilansowe mona przedstawi równaniem [1, 2, 4, 7, 10, 12, 13]: lub (1) (2) strumie energii cieplnej dostarczonej z paliwem, kw, strumie energii uytecznej, moc uyteczna, zmierzona, kw, suma strat, kw, Schl strumie cieplny chłodzenia, strata chłodzenia, kw, Sodl strumie cieplny odprowadzonych spalin, strata wylotowa, kw, SCO strumie cieplny niezupełnego spalania, strata niezupełnego spalania, kw, Sm straty mechaniczne, kw, Sstr inne straty, kw. Moc ciepln uzyskan ze spalenia paliwa, tzn. strumie ciepła dostarczony przez paliwo, opisuje równanie [3, 7, 10]: G e godzinowe zuycie paliwa, kg/h, W d warto opałowa paliwa, J/kg. (3) Pomiar mocy uytecznej, czyli uytecznego strumienia ciepła, jest wykonywany na dynamometrycznych stanowiskach badawczych (hamowni silnikowej). Hamownia silnikowa pozwala na dokonanie pomiaru momentu obrotowego, a do okrelenia mocy uytecznej dokonuje si równie pomiaru prdkoci obrotowej [8]. Strat chłodzenia, czyli strumie ciepła unoszony przez czynnik chłodzcy (np.: powietrze, lub ciecz chłodzca), oblicza si na podstawie pomiarów temperatury chłodziwa i strumienia jego masy przepływajcego przez układ chłodzenia z zalenoci [3, 4, 7, 10 ]: (4) strumie masy płynu chłodzcego, kg/s, cw rednie ciepło właciwe płynu chłodzcego, kj/kgk, Tw1 temperatura płynu dopływajcego do układu chłodzenia, K, Tw2 temperatura płynu wypływajcego z układu chłodzenia, K. 216

4 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, 2016 Podczas bada naley uwzgldni wyposaenie badanego silnika we wszystkie rodzaje układów chłodzenia zarówno powietrzem, płynem chłodniczym jak i olejem. Strata wylotowa nazywana take strat wylotow fizyczn Ewf spowodowana jest tym, i temperatura reakcji spalania Ts jest wysza od temperatury otoczenia Tot, a wic spaliny odprowadzaj ze sob strumie ciepła wikszy od strumienia ciepła teoretycznie koniecznego do odprowadzenia. Strat wylotow oblicza si mnoc mas poszczególnych składników spalin przez ich ciepło właciwe przy stałym cinieniu. Nastpnie sumujc si te iloczyny i mnoc przez rónic temperatury [3, 4, 10]: (5) T s temperatura produktów spalania (spalin), K, T ot temperatura otoczenia, K, m i masa i-tego składnika spalin, kg i-tego składnika/kg paliwa, c pi ciepło właciwe przy stałym cinieniu i-tego składnika, kj/kgk. W praktyce czsto wygodniej jest wprowadzi do wzoru entalpi molow poszczególnych składników spalin i ich udziały molowe. Wzór na strat odlotow przyjmuje wówczas nastpujc posta [4, 6, 10]: (6) G e godzinowe zuycie paliwa, kg/h, n ss jednostkowa ilo spalin suchych, kmol/kg paliwa, n H2O jednostkowa ilo pary wodnej w spalinach, kmol/kg paliwa, [N 2] s, [O 2] s, [CO] s, [CO 2] s udziały molowe składników w spalinach suchych, (Mh) i entalpia molowa składnika spalin liczona od temperatury otoczenia, kj/kmol. Znajc masowy udział wgla w paliwie C i masowy udział palnego wodoru w paliwie H (wyraane w kg/kg paliwa) mona okreli jednostkow ilo spalin suchych n ss i jednostkow ilo wody n H2O w spalinach mokrych. Jednostkowa ilo spalin mokrych wyraa si wzorem: (7) n s jednostkowa ilo spalin mokrych, kmol/kg, n ss jednostkowa ilo spalin suchych, kmol/kg paliwa, n H2O jednostkowa ilo pary wodnej w spalinach, kmol/kg paliwa. Pomiar składu spalin uproszczonym aparatem Orsata pozwala na uzyskanie zawartoci w spalinach suchych dwutlenku wgla [CO2]s i tlenu [O2]s. Nastpnie wykorzystujc wykres Oswalda dla danego paliwa przedstawiony na rysunku 2., mona odczyta zawarto tlenku wgla w spalinach suchych [CO] s wówczas [10, 11]: (8) 217

5 Andrzej Sadowski, Bogdan ółtowski, Tomasz Kałaczyski, Michał Liss Bilans energetyczny tłokowego silnika spalinowego w aspekcie modelowania i rezerw sprawnoci (9) (10) C, H udziały masowe w paliwie, odpowiednio wgla i wodoru w kg/kg paliwa ródło: [3]. Rysunek 2. Wykres Oswalda dla benzyny o składzie C-85%, H-15% Straty niezupełnego spalania (strumie cieplny niezupełnego spalania), nazywane take chemiczn wylotow strat energii, wynikaj z faktu, e spaliny zawieraj gazy palne. Strat t oblicza si jako iloczyn danego składnika palnego przez jego warto opałow, a nastpnie sumuje si te iloczyny dla wszystkich składników palnych spalin. Zwykle zawartoci w spalinach metanu CH 4 i wodoru H 2 s znikome i wystarczy uwzgldni jedynie obecno wgla CO. W odniesieniu do jednostki iloci paliwa otrzymuje si zaleno [5, 9]: (11) G e godzinowe zuycie paliwa, dm 3 /h, n ss jednostkowa ilo spalin suchych, kmol/kg, [CO] s udział molowy składnika tlenku wgla w spalinach suchych, (MQw)CO molowe ciepło spalania tlenku wgla CO, kj/kmol, (MQw)CO =28300kJ/kmol Straty mechaniczne (strumie strat mechanicznych) powstaj na skutek pokonania oporów tarcia w mechanizmach silnika spalinowego oraz konieczno napdu mechanizmów pomocniczych do których zaliczy mona: mechanizm rozrzdu, pompy zasilajce (wodn i olejow), wentylator, 218

6 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, 2016 alternator i inne. Straty te mona obliczy jako rónic midzy moc indykowan i moc uyteczn. Warto tych strat mona opisa zalenoci [4, 10, 13]: (12) S m straty mechaniczne, kw, N i moc indykowana silnika, kw, N u moc uyteczna, kw, P i rednie cinienie indykowane, kpa, V s objto skokowa jednego cylindra, m 3, n s prdko obrotowa silnika, s -1, liczba obrotów wału korbowego na jeden suw pracy ( =1 silniki dwusu-wowe, =2 silniki czterosuwowe), i 1 liczba cylindrów. rednie cinienie indykowane wyznacza si przez planimetrowanie wykresu indykatorowego i oblicza si ze wzoru [4, 10]: A pole powierzchni wykresu indykatorowego, mm 2, l długo podstawy wykresu, mm, µ podziałka wykresu, mm/kpa, Równanie bilansu energetycznego silnika spalinowego mona take przedstawi w innej postaci, odnoszc wszystkie składniki bilansu do energii doprowadzonej z paliwem, wyraajc nastpnie poszczególne pozycje bilansu jako procentowe składniki. Wtedy stosunek pracy uytecznej do ciepła doprowadzonego daje sprawno ogóln silnika spalinowego [4, 10, 13]. (13) (14) (15) 219

7 Andrzej Sadowski, Bogdan ółtowski, Tomasz Kałaczyski, Michał Liss Bilans energetyczny tłokowego silnika spalinowego w aspekcie modelowania i rezerw sprawnoci 2. Wewntrzny bilans energetyczny Bilans ten przedstawia rozdział ciepła odbywajcego si bezporednio wewntrz cylindra silnika [6, 7, 13]. Wewntrzny bilans cieplny opiera si na dokładnie wyznaczonym wykresie indykatorowym. Bilans ten pozwala na bardziej wnikliw analiz pracy silnika i wpływu na niego rónych czynników. Jednak bilans ten jest duo trudniejszy do sporzdzenia ze wzgldu na konieczno posiadania odpowiedniej aparatury pomiarowej przedstawionej na rysunku 3. ródło: [6,7]. Rysunek 3. Schemat układu pomiarowego do indykacji silnika spalinowego Ogólne równanie wewntrznego bilansu energetycznego silnika spalinowego zapisa mona w postaci [4, 5, 10, 13]: (16) (17) W bilansie tym zamiast ciepła uytecznego Q e wystpuje ciepło zamienione na prac indykowan. Poprzez wykonanie dodatkowego pomiaru mocy uytecznej mona rozdzieli Q i na ciepło uyteczne Q e i ciepło strat oporów ruchu Q r. W przypadku tym równanie bilansu wewntrznego przyjmuje nastpujc posta [5, 11]: (18) 220

8 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, 2016 Poniewa Q e = Ne oraz Q r = N r, to wyznaczy mona straty oporów ruchu silnika. Stanowi to rónic midzy moc indykowan, a moc uyteczn silnika tłokowego [5, 10, 11]: (19) Zaznaczy naley, i straty wylotu Q w w bilansie wewntrznym zawiera w sobie straty niezupełnego i niecałkowitego spalania. Jednoczenie człon Q ch obejmujcy straty chłodzenia w bilansie wewntrznym róni si nieznacznie od podobnego członu w równaniu zewntrznego bilansu energetycznego silnika spalinowego. 3. Podsumowanie Posta bilansu cieplnego w znacznym stopniu zaley od warunków pracy silnika. Zmiany obcienia, prdkoci obrotowej, temperatury w układzie chłodzenia itd. powoduj zmiany rozdziału ciepła i dlatego w celu uzyskania pełnego obrazu rozdziału ciepła wyznacza si bilanse cieplne dla rónych warunków pracy. Wartoci strat wylotu i chłodzenia zale od warunków eksploatacyjnych i od konstrukcji silnika. Na przykład, ze wzrostem prdkoci obrotowej silnika malej straty chłodzenia wskutek skrócenia czasu zetknicia gorcych gazów ze ciankami cylindra, natomiast straty wylotu wzrastaj z tej samej przyczyny. Wyodrbnienie składowych strat ciepła umoliwia okrelenie wpływu poszczególnych czynników na prace silnika w rónych warunkach i ustalenie rodków prowadzcych do zwikszenia jej efektywnoci. Bibliografia [1] Abedin M.J., i in., 2013, Energy balance of internal combustion engines using alternative fuels, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier. [2] Abedin M.J., i in., 2015, Thermal Balancing of a Multi-Cylinder Diesel Engine Operating on Diesel, B5 and Palm Biodiesel Blends, Journal of Clean Energy Technologies, Vol. 3, No. 2. [3] Krakowski R. 2012, Wpływ podwyszonej temperatury i cinienia płynu chłodzcego na parametry pracy tłokowego silnika spalinowego i działanie jego układu chłodzenia, Zeszyty naukowe akademii morskiej w Gdyni, nr 76, Gdynia. [4] Niewiarowski K., 1983, Tłokowe silniki spalinowe. T. 1. WKiŁ., Warszawa. [5] Pastucha L., Mielczarek E., 1998, Podstawy termodynamiki technicznej, Wydawnictwo Politechniki Czstochowskiej, Czstochowa. [6] Przybyła G., Postrzednik S., Piernikarski D.,: Analiza czynników majcych wpływ na popraw procesu konwersji energii w silnikach spalinowych, 30th International Scientific Conference on Internal Combustion Engines KONES 2004 Zakopane - Materiały Konferencyjne. [7] Sadowski A., ółtowski B., 2011, Badanie rozpływu energii pojazdu samochodowego, Studia i Materiały Polskiego Stowarzyszenia Zarzdzania Wiedz nr 48, Bydgoszcz. [8] Sadowski A. i in., 2014, Badanie mocy samochodu terenowego w warunkach eksploatacyjnych, Logistyka 6/

9 Andrzej Sadowski, Bogdan ółtowski, Tomasz Kałaczyski, Michał Liss Bilans energetyczny tłokowego silnika spalinowego w aspekcie modelowania i rezerw sprawnoci [9] Szargut J., 2000, Termodynamika techniczna, Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice. [10] Wajand A. J., Wajand J.T., 2005, Tłokowe silniki spalinowe, rednio i szybkoobro-towe, WNT, Warszawa. [11] Yingjian L., i in., 2014, Energy balance and efficiency analysis for power generation in internal combustion engine sets using biogas, Sustainable Energy Technologies and Assessments, ElsevierDrucker P.F., [12] ółtowski B., wik Z.: Leksykon diagnostyki technicznej, Bydgoszcz [13] PN-ISO : Silniki spalinowe tłokowe Okrelenie i metoda pomiaru mocy silnika Wymagania ogólne. PKN, Warszawa INTERNAL COMBUSTION ENGINE ENERGY BALANCE MODELLING IN TERMS AND PROVISIONS OF EFFICIENCY Summary The engines thermal balance is understood as heat chapter, emitted on individual component during combustion process (divided into effective energy and radiation energy losses). This balance lets us to estimate of heat usefulness as well as heat losses and indicate the ways of losses reduction by utilization of exhaust gases. The thermal balance also indicate the ways of engine coefficient improvements as well as cooling system development and improvement. The thermal balance is draw up during experimental investigations for chosen different conditions of engine work. We could find in literature two types of combustion engine thermal balances: internal and external. In this paper were introduced theoretical issue connected with thermal balance indication and the differences between this types of balance were talk over. Keywords: energy balance, combustion engine, energy loss Andrzej Sadowski Bogdan ółtowski Tomasz Kałaczyski Michał Liss Zakład Pojazdów i Diagnostyki Wydział Inynierii Mechanicznej Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy a.sadowski@utp.edu.pl 222