Exergetic Evaluation of Speed and Load Effects in Spark Ignition Engines Évaluation exergétique des effets de la vitesse et de la charge dans les moteurs àallumage par étincelle

Abstract

This study investigates the effects of various operating conditions in spark ignition engines via an exergy analysis. A thermodynamic cycle model including compression, combustion and expansion processes was used for investigation. Induction and exhaust processes were computed with a simple approximation method. The principles of the second law were applied to the cycle model to perform the exergy analysis. Exergetic variables, i.e., the exergy transfers with heat and work, irreversibilities, thermomechanical exergy, fuel chemical exergy and total exergy were calculated in the exergy analysis. Variation of the exergetic parameters and the distribution of them into the fuel exergy were determined for various operating conditions, i.e., engine speed and load. The first and second law efficiencies and specific fuel consumption were also computed to reveal the optimum operating conditions. The results show that the exergy transfer with heat decreases and the exergy transfer with exhaust gases increases with increasing engine speed. Engine speed of 3 000 rpm gives the maximum exergy transfer as work, the minimum irreversibility and the best efficiency and fuel consumption. Exergy transfers with heat, work and exhaust and irreversibilities increase with increasing engine load. Additionally, the first and second law efficiencies increase and fuel consumption decreases with increasing engine load, so a high engine load gives the best efficiency and fuel consumption. Cette étude examine les effets des différentes conditions de fonctionnement de moteurs à allumage commandé via une analyse exergétique. Un modèle de cycle thermodynamique comprenant les processus de compression, combustion et détente a été utilisé. Les processus d’admission et d’échappement sont modélisés à l’aide d’une méthode simple d’approximation. Les principes de la deuxième loi de la thermodynamique ont été appliqués au modèle de cycle pour effectuer l’analyse exergétique. Des variables exergétiques comme les transferts exergétiques de chaleur et de travail, les irréversibilités, l’exergie thermomécanique, l’exergie chimique du carburant et l’exergie totale ont été calculées dans l’analyse exergétique. La variation des paramètres exergétiques et leur distribution dans l’exergie du combustible ont été déterminées pour différentes conditions de fonctionnement, c’est à dire différentes vitesses du moteur et différentes charges. L’efficacité déduite, d’une part, de la première et la deuxième loi de la thermodynamique et, d’autre part, de la consommation spécifique de carburant ont également été calculées pour révéler les conditions optimales de fonctionnement. Les résultats montrent que le transfert exergétique de chaleur diminue et que le transfert exergétique par l’échappement augmente avec la vitesse du moteur. Le régime moteur de 3 000 tr/min donne le transfert d’exergie maximal de travail, les irréversibilités minimales, les meilleurs rendements et la moindre consommation de carburant. Les transferts exergétiques avec la chaleur, le travail et l’échappement et ainsi que les irréversibilités augmentent avec la charge du moteur. En outre, l’efficacité déduite de la première et la seconde loi de la thermodynamique augmente et la consommation de carburant diminue avec la charge du moteur, donc une charge du moteur élevée donne les meilleurs rendements et la moindre consommation de carburant.