Jurnl f KOES Pwertrin nd Trnsprt, Vl. 3,. 3 THE COPARISO OF THE WORKIG CYCLES OF PETROL FUELLED AD HYDROGE FUELLED ITERAL COBUSTIO EGIE Andrej Amrik, Tms Amrik, Pitr gwski Technicl University f Kielce Alej Tysicleci Pstw Plskieg 7,-3 Kielce, Plnd Phne: + 33 fx:+ 330, e-mil: sils@eden.tu.kielce.pl Astrkt The depletin f crude il, cl nd nturl gs stimultes intensive reserch in feeding pistn internl cmustin engines with lterntive fuels. Owing t its unlimited resurces nd dvntgeus prperties s energy surce, hydrgen mkes ne f future lterntive fuels. The pper presents the energetic scheme f n internl cmustin pistn engine tht is hydrgen fuelled nd uses the Ott cycle. Bsed n thermdynmic clcultins the munt nd cmpsitin f the wrking medium hs een evluted tgether with the thermdynmic prmeters in the chrcteristic pints f the cycle. Het utilitin efficiency in the discussed hydrgen fuelled engine hve een evluted n the sis f the clculted vlues f the indicted efficiency nd perfrmtive efficiency s well s ther sic wrking cycle indictrs. Clcultins hve een dne fr different vlues f the excess ir cefficient nd different vlues f the cmpressin rti. The results presented in the pper cnfirm the usefulness f further reserch. It shuld fcus n th numericl, simultin clcultins fr wrking cycles f hydrgen fuelled engine nd ls experimentl investigtins. Specil emphsis must e put n tking indictr digrms nd their nlysis imed t determining het relese chrcteristics. Keywrds: internl cmustin engines, wrking cycles f pistn internl cmustin engines, indictr digrm, hydrgen, thermdynmic prmeters PORÓWAIE CYKLI PRACY SILIKA SPALIOWEGO ZASILAEGO BEZY I WODORE Strescenie Wycerpywnie si sów rpy nftwej, wgl r gu iemneg wymus intensywne dni nd silniem tkwych silników sinwych iwmi lterntywnymi. Ze wgldu n niegrnicne sy r krystne wsnci energetycne jednym prysciwych iw lterntywnych jest wdór. W refercie predstwin schemt energetycny tkweg silnik sinweg silneg wdrem prcujceg wg cyklu Ott. W prciu liceni termdynmicne wyncn il i skd cynnik rceg r prmetry termdynmicne w chrkterystycnych punktch cyklu. Efektywn wykrystni ciep w rwnym silniku wdrwym cenin w prciu licne wrtci sprwnci indykwnej i sprwnci efektywnej r inne pdstwwe wskniki cyklu prcy. Oliceni preprwdn dl rónych wrtci wspócynnik ndmiru pwietr i rónych wrtci stpni sprni. Otrymne wyniki ptwierdj celw i ptre prwdeni równ numerycnych, symulcyjnych lice cykli prcy silnik silneg wdrem jk i eksperymentlnych d tkieg silnik e scególnym uwgldnieniem dejmwni wykresów indyktrwych i ich nliy ukierunkwnej n wyncenie chrkterystyk wydielni ciep. Slw klucwe: silniki sinwe, cykle prcy tkwych silników sinwych, wykres indyktrwy, wdór, prmetry termdynmicne.
A. Amrik, T. Amrik, P. gwski. Wprwdenie Z wiku wycerpujcymi si smi rpy nftwej, wgl r gu iemneg cr intensywniej prwdne s dni nd silniem tkwych silników sinwych iwmi lterntywnymi []. Dlteg te pjwi si prlem psukiwni nwych iw wytwrnych w rmch ptencjlnych surwców energetycnych. Jednym tkich iw, mliwym d stswni w trnsprcie smchdwym jest wdór. Perspektyw stswni wdru d silni silników smchdwych wynik prede wsystkim jeg eklgicnej cystci, niegrnicnci i dstpnci d jeg sów, niskich kstów trnsprtu i w kcu jeg wsnci silnikwych. Stwr t mliw jeg serkieg stswni d silni wspócesnych silników, e sdnicej ich mdernicji. Wdór jk iw silnikwe dnc si seregiem krystnych wciwci. Zstswnie jednk wdru wymg dknywni dpwiedniej nliy i ceny cyklu prcy silnik. Wdór jest jednym njrdiej pjemnych energetycnie iw. Jeg wrt pw jest prwie try ry wiks ni iw wglwdrwych i wynsi 0* 3 kj/kg [3]. W teli predstwin pdstwwe silnikwe wsnci wdru i enyny. T.. Pdstwwe wsnci wdru i enyny T.. Bsic prperties f hydrgen nd petrl Wciw (wsn) Wdór Benyn Energi pnu mj 0,0 0, Odleg gseni, cm 0,0 >0, Tempertur pnu, 0 C 30 30 Grnice pnu, % (wg jtci),7 7, 0,9,0 Wspócynnik dyfuji, cm /s 0,3 0,08 Prdk rprestrenini pmieni, cm/s ~70 ~30 Wrt pw, kj/kg 0* 3 * 3 Stechimetrycn il pwietr n kg iw, kg/kg 3,,9 Wrt pw miesnki pry =: w miesninie pwietrem, kj/m 3 380 37 w miesninie tlenem, kj/kg,3 - Tempertur wreni, 0 C -, 3-8 W rtykule predstwin wyniki lice pdstwwych wskników cyklu prcy silnik silneg enyn i wdrem i prcujceg wg cyklu Ott, pry eniu tkiej smej ilci ciep dprwdneg d cyklu prcy.. Oiekt i cel prcy Oliceni cieplne preprwdn dl silnik AD3. któreg pdstwwe dne predstwin w teli.. Celem rtykuu jest cen prównwc wskników cyklu prcy w/w
The Cmprisn f the Wrking Cycles f Petrl Fuelled nd Hydrgen Fuelled Internl Cmustin Engine silnik silneg iwem minerlnym r wdrem. Oliceni cyklu prcy silnik preprwdn pry eniu, e stpie npenieni cylindr jest tki sm dl u rwnych prypdków. Wrunek ten spenin pry wspócynniku ndmiru pwietr =. pry silniu silnik wdrem i pry = w prypdku silni g enyn. Prdk rtw wu krweg silnik w u prypdkch y jednkw, r tki sm y kt wypredeni pnu. Zkres lice ejmw wyncenie pdstwwych prmetrów termdynmicnych w chrkterystycnych punktch rwneg cyklu prcy silnik, sprwnci, rednieg cinieni indykwneg, mcy indykwnej, jednstkweg uyci iw r mksymlnych wrtci cinieni i tempertury cynnik rceg. T.. Pdstwwe dne technicne dneg silnik T.. Bsic technicl dt f the engine Wielk Syml Jednstk Wrt Il cylindrów - 3 rednic cylindr D mm 9, Skk tk S mm 7 Pjemn skkw V dm 3,0 ksymln mc silnik, kw 3, pry prdkci rtwej n r/min 0 ksymlny mment rtwy m 8 pry prdkci rtwej n r/min 30000 Stpie sprni -, Kt dynmicneg pctku tceni t OWK Kt twrci wru dltweg d OWK 3 pred GP Kt mknici wru dltweg d OWK 3 DP Kt twrci wru wyltweg w OWK pred DP Kt mknici wru wyltweg w OWK GP 3. Oliceni teretycneg cyklu prcy silnik Oliceni cyklu prcy silnik silneg w/w iwmi preprwdn pry eniu, e wdór dprwdny jest d klektr dltweg i e jest t cykl Ott.
A. Amrik, T. Amrik, P. gwski Rys.. Cykl prcy tkweg silnik sinweg pnie wymusnym w ukdie p-v i T-s, gdie: (c) prces sprni, (c) prces dprwdeni ciep (snie) pry V = cnst, () prces rprni i () prces dprwdeni ciep pry V = cnst. Fig.. The wrking cycle f internl cmustin pistn engine with the frced ignitin in the p-v nd T-s scheme, where :(c) cmpressin prcess, (c) het input prcess (cmustin)with V=cnst, () decmpressin prcess nd () het utput prcess with V=cnst Oliceni pry wyej predstwinych enich preprwdn dl prdkci rtwej wu krweg n = 00r/min. Pry tej prdkci rtwej wspócynnik npenieni cylindr v m tk sm wrt dl u rptrywnych prypdków. Dwk wdru n cykl prcy licn wrunku równci ciepe dprwdnych d cyklu prcy silnik, tj: g W u cw g c () Wuw gdie: g cw i g c dpwiedni dwk wdru lu enyny dprwdnej d cyklu prcy silnik, W u wrt pw enyny, W uw wrt pw wdru 3.. Oliceni ilci cynnik rceg w cylindre pry silniu silnik enyn Il wieej miesnki nej pry sniu jedneg kilgrm enyny []: () ckwit il miesnki nej uwgldnieniem restek sin: (3) gdie: ms mlw iw, teretycn il kilmli pwietr ptreneg d ckwiteg i upeneg sni kg iw: C H O ; 0, 3 kml pwietr kg enyny gdie: C, H, O udiy mswe wgl, wdru i tlenu w iwie. Ilci pscególnych skdników cynnik rceg wyrne w kml, memy wyri równie w wielkcich ewymirwych, dnsc te ilci d ilci pwietr kniecneg d seni kg iw. Uwgldnijc pwyse, wielk wyrn jk wielk ewymirw jest: ()
The Cmprisn f the Wrking Cycles f Petrl Fuelled nd Hydrgen Fuelled Internl Cmustin Engine ~ () Bewymirw il wieej miesnki nej jest: ~ () Prdukty sni pwste e sni kg iw pry s: 0,79 ; ~ 0, 79 (7) O 0, ; ~ O 0, (8) H H H O ; ~ H O (9) C C CO ; ~ CO () Il restek sin jest: r, () ich wrt ewymirw jest: ~ r () gdie: ; ~ CnHm ~ (3) Il cynnik rceg w punkcie,, (rys. ) jest równ: () ~ ~ () Ckwit il kmli sin pwstych e seni kg enyny jest równ: () ~ (7) Zmin ilci kilmli gów pdcs prcesu sni w silnikch sinwych ceni wspócynnik min mlwych : (8) 3
A. Amrik, T. Amrik, P. gwski 3.. Oliceni pdstwwych prmetrów termdynmicnych cynnik rceg w chrkterystycnych punktch cyklu prcy silnik r wskników indykwnych cyklu. Zgdnie sd chwni energii, dl pscególnych prcesów cyklu (rys.) memy npis: pcvc pv dl prcesu -c: 0 Uc U (9) n dl prcesu c-: Q U U (0) pv pv dl prcesu -: ( w) Q U U () n dl prcesu -: Q U U () gdie: wspócynnik efektywneg wydielni ciep pdcs prcesu c. Energie wewntrne w pscególnych chrkterystycnych punktch cyklu licn lenci: U i i c viti (3) gdie len kreljc mlwe ciep wciwe, w pstci liniwej lenci d tempertury jest: T T c vi i i () Prmetry cynnik rceg wine s midy s równniem stnu: P i V i = i RT i () P prekstceniu uwgldnieniem równni stnu i równ d (9) d () trymujemy równni d wyncni wykdnik plitrpy sprni i tempertury w punkcie dpwidjcym kcwi prcesu sprni: R n n i T c T () Tc T v v gdie: v i v wspócynniki mlweg ciep wciweg, R - uniwersln st gw Równnie ilnsu energii dl prcesu c - jest: W T u ncjc: W T T cvctc (7) Wu T c vctc 0 (8) u c vc T trymujemy: c T T 0 (30) Rwiujc równnie (30) trymujemy wór n mksymln tempertur cyklu T : (9)
The Cmprisn f the Wrking Cycles f Petrl Fuelled nd Hydrgen Fuelled Internl Cmustin Engine X T (3) mksymlne cinienie cyklu jest []: p = p p c (3) gdie: p stpie wrstu cinieni pdcs prcesu sni. Dl prcesu - lenci suce d wyncni wykdnik plitrpy rprni i tempertury w punkcie dpwidjcym twrciu wru wyltweg mj pst []: R(T T ) T n i T (33) n u gdie: ciep dprwdne d cynnik rceg pdcs sni uwgldnieniem strt ciep dprwdneg d cinek prestreni sni: u wciw energi wewntrn cynnik rceg w punkcie,, (rys. ): Wu ( w) u (3); u ( T )T (3) ( L )( ) gdie: u wciw energi wewntrn w punkcie,,, w il ciep prekneg pre cynnik rcy d cinek prestreni sni. d cinek kmry sni. W chrkterystycnych punktch wykresu indyktrweg prmetry termdynmicne cynnik rceg licn krystjc równni stnu. Rys. predstwi wyjciwy, chwilwy i kcwy skd cynnik rceg, wyrny w wielkcich ewymirwych pry silniu silnik enyn. 0 ~ i ~~ ~ ~ ~ ~ CnHm ~, O O ~ CO, H O, O O restki 0,7 ~ CO, ~ H, ~ O siny 0, 0 s Ukd dltwy CYLIDE R c Ukd wyltw prce w Rys.. Wgldne ilci i skd cynnik rceg silnik silneg enyn w pscególnych chrkterystycnych punktch cyklu prcy silnik, reliwneg pry =.0 i =. Fig.. The relevnt munts nd cmpsitin f the wrking medium f the petrl fuelled engine in the prticulr cnstituent pints f the engine wrking cycle, tht is relied with =.0 nd =, when ne kilgrm f petrl is cmusted. Oliceni cyklu prcy silnik silneg wdrem r jeg prmetrów termdynmicnych w chrkterystycnych punktch cyklu i jeg wskników indykwnych licn nlgicnie jk dl silnik silneg enyn, pry eniu, e sny jest kml
A. Amrik, T. Amrik, P. gwski wdru. Pdnie jk dl silnik silneg enyn w prypdku silni silnik wdrem il i skd cynnik rceg licn równie jk wielkci ewymirwe. Jednk w tym prypdku wielk ewymirwe dnsne s d ilci sneg wdru, wyrnej w kilmlch, gdnie definicj: i ~ (3) H gdie: i il skdnik, H il kilmli sneg wdru, Rys. 3 predstwi wyjciwy, chwilwy i kcwy skd cynnik rceg w wielkcich wgldnych, silnik silneg wdrem i prcujceg pry =. i =. dcinku s- pkn skd cynnik rceg w klektre dltwym (który npyw d cylindr), n dcinku w skd sin w ukdie wyltwym. ~ i ~ ~ ~ r ~ r ~ 3 H H H O H H O H O O O O O 0 prces s c w Rys. 3. Wgldne ilci i skd cynnik rceg silnik wdrweg w pscególnych punktch skdwych cyklu prcy silnik, reliwneg pry =. i = rptrujc snie kml wdru. Pic.3 The relevnt munts nd cmpsitin f the wrking medium f the hydrgen fuelled engine in the prticulr cnstituent pints f the engine wrking cycle, tht is relied with =. nd =, when ne kml f hydrgen is cmusted.. Wyniki lice Ukd dltwy CYLIDER Ukd wyltwy W teli 3 predstwin licne wrtci prmetrów cynnik rceg w pscególnych chrkterystycnych punktch teretycneg cyklu prcy silnik AD3. pry silniu g enyn i wdrem dl rónych stpni sprni i pry =., w prypdku silni silnik wdrem i = w prypdku silni silnik enyn. Wrunek ten pewni jednkw il ciep dprwdneg d cyklu prcy silnik w u rwnych prypdkch.
The Cmprisn f the Wrking Cycles f Petrl Fuelled nd Hydrgen Fuelled Internl Cmustin Engine T. 3. Wrtci prmetrów cynnik rceg wyncne w chrkterystycnych punktch teretycneg cyklu prcy silnik AD3. silneg enyn i wdrem dl rónych stpni sprni r pry =. w prypdku silni silnik wdrem i = pry silniu silnik enyn, r pry tkiej smej ilci ciep dprwdneg d cyklu T 3.The vlues f the wrking medium prmeters evluted in the chrcteristic thereticl pints f the wrking cycle f the AD3. petrl nd hydrgen fuelled engine fr different cmpressin rtis nd with =. fr the hydrgen fuelled engine nd = fr the petrl fuelled engine, with the sme het input in the cycle. p, P T, K V, m 3, kml/cykl = 8 = = = 8 = = = 8 = = = 8 = = Pliw Punkt 9. 9. 9. 3.8 33. 33. 9.3 9.7 9.098 3.8 3.7 3.0 c.. 7.3 9.9.89 7.8 793.3 83..9. 779.9 88. 8.8.9 9.7 9.7 7.8 7.8 3.8 3.83 3.7 3.7 3.0 3. Benyn.9.7.3.9 3.9 93. 9.3 9.7 9.098 3.83 3.7 3. 9. 9. 9. 3.8 33. 33. 9.3 9.7 9.098.33.3.87 c.9.9 7. 9.77.9 78.8 807. 8..9.0 833.7 883. 9..9 9.7 9.7 7.8 7.8.33 3.8.3 3.779.87 3.7 Wdór..7.08 8, 8.8 8.3 9.3 9.7 9.098 3.8 3.779 3.7 7
A. Amrik, T. Amrik, P. gwski T.. Wrtci wskników indykwnych silnik AD3. pry silniu g enyn r wdrem, dl rónych stpni sprni, r pry tkiej smej ilci ciep dprwdneg w csie jedneg cyklu prcy silnik T.. The vlues f the indicted indexes f the AD3. engine with petrl nd hydrgen fuelling, fr different cmustin rtis, nd with the sme het input in ne engine wrking cycle Pliw Benyn =.0 Wdór =. Wskniki Stpie sprni = 8 = = p i, P,7,8,3 i, kw 3, 37,088 39,9 i, m 8,733,97 7,3 g i, g/kwh 7,7 0,78 9,089 t 0,373 0,8 0,3 i 0,383 0,3 0,3 e 0,307 0,33 0,39 p i, P 0,939 0,98,0 i, kw 7, 8,9 9,8 i, m 87, 9,7 03,3 g i, g/kwh 97,8 93,78 90,9 t 0,9 0,8 0,0 i 0,307 0,3 0,33 e 0, 0, 0,. Wniski Anli wyników lice predstwinych w telch i n wykresch, pwl sfrmuw nstpujce wniski: ) Pry silniu silnik wdrem uyskn wikse mksymlne wrtci cinie i tempertur cyklu. ) Zsiljc silnik wdrem uyskn wikse wrtci cinie i tempertur w pscególnych chrkterystycnych punktch cyklu prcy. 3) Pry silniu silnik wdrem uyskn mniejse wrtci rednieg cinieni indykwneg, mcy efektywnej i mmentu rtweg w prównniu silniem silnik enyn. ) Wrtci sprwnci indykwnej i i efektywnej e, pry silniu silnik wdrem s mniejse ni m t miejsce pry silniu silnik enyn, ntmist sprwn teretycneg cyklu prcy t dl wdru jest wiks ni pry silniu silnik enyn. ) Wrst stpni sprni pwduje wiksenie wrtci wsystkich wskników cyklu prcy dl u rptrywnych prypdków wyjtkiem jednstkweg uyci iw które mlej wr e wrstem stpni sprni. Z pwyseg wynik celw prwdeni dlsych liceniwych d cyklu prcy wg predstwinej metdyki jk równie lice uwgldnieniem prw wydielni ciep pdcs sni rptrywneg pre Wiee. 8
The Cmprisn f the Wrking Cycles f Petrl Fuelled nd Hydrgen Fuelled Internl Cmustin Engine Litertur [] Amrik A.: Wyrne gdnieni prcesów cieplnych w tkwych silnikch sinwych, Wydwnictw Plitechniki witkryskiej w Kielcch, Kielce 003. [] Grnwic J.: Ochrn rdwisk w trnsprcie ldwym. Wydwnictw Instytutu Technlgii Ekspltcji. Pn Rdm 00 [3] erkis J., Pielech I.: Alterntywne iw i ukdy npdwe pjdów. Wydwnictw Plitechniki Pnskiej, Pn 00. [] Jkuck.: Bdni prcesu sni iw wdrweg w silniku pnie iskrwym. Jurnl f KOES Vl.,, Wrsw Pn 99r. [] Winiewski.: Ocieni cieplne silników tkwych. Wydwnictw Kmunikcji i cnci. Wrsw 97r. 9