ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014 Adrian Chmielewski 1, Kamil Lubikowski 2, Stanisław Radkowski 3 SPOSOBY ZWIĘKSZANIA SPRAWNOŚCI SILNIKA SPALINOWEGO Z ZASTOSOWANIEM UKŁADÓW KOGENERACYJNYCH 1. Wstęp Obostrzenia środowiskowe oraz coraz wyższe normy spalin nakładane przez Unię Europejską [1] powodują, że ciągle poszukuje się nowych rozwiązań poprawiających sprawność silników spalinowych [2]. Pakiet europejski [1] dla krajów członkowskich zawiera wytyczne dotyczące efektywniejszego wykorzystania paliw kopalnych [1]. Wyjście na przeciw oczekiwaniom Unii Europejskiej mogą stanowić układy kogeneracyjne wykorzystujące termoelektryczne generatory oraz silnik cieplny Stirlinga [3 9]. Dają one możliwość zwiększenia sprawności istniejącego układu bez utraty efektywności jego pracy. W artykule zostaną przedstawione pomiary wstępne w układzie wylotowym. Są to badania wstępne, rozpoznawcze przed budową stanowiska kogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga, silnikiem spalinowym oraz termoelektrycznymi generatorami. 2. Przedstawienie stanowiska pomiarowego Do wykonania pomiarów użyto stanowiska laboratoryjnego z silnikiem ECOTEC X18XE, które znajduje się na wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej w Zintegrowanym Środowiskowym Laboratorium Systemów Mechatronicznych Pojazdów i Maszyn Roboczych (rysunek 1). Badania przeprowadzono dla różnych prędkości obrotowych sinika spalinowego, który pracował na biegu jałowym. Użyte zostały dwie termopary pomiarowe typu K, które zostały umieszczone przy bloku silnika (może na bloku silnika przy kolektorze wylotowym) (rysunek 1a) oraz na układzie wylotowym za kolektorem (rysunek 1b). 1 Mgr inż. Adrian Chmielewski, doktorant na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych PW 2 Mgr inż. Kamil Lubikowski, doktorant na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych PW 3 Prof. dr hab. inż. Stanisław Radkowski, Dziekan Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych PW 63

2 a) b) c) Rys. 1. Zdjęcie stanowiska z termoparami pomiarowymi a) termopara umieszczona przy bloku silnika, b) termopara umieszczona w układzie wylotowym, c) widok termopar z przodu. 2.1 Wyniki badań stanowiskowych Na rysunkach 2, 3, 4, 5, 6 pokazano przebiegi temperatur dla wzrastających prędkości obrotowych z 750 obr/min do 3750 obr/min. Z rysunków wynika, że wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika spalinowego wzrasta temperatura spalin zarówno przy bloku silnika jak i w układzie wylotowym. Dla prędkości 750 obr/min (rysunek 2) temperatura przy bloku silnika wynosi 530 C, natomiast w układzie wylotowym wynosi ona 350 C. Po ustaleniu zadanej prędkości obrotowej temp. mierzono przez 10 min aby obserwować bezwładność temperaturową układu. Rys. 2. Zmiana temperatury przy bloku silnika oraz w układzie wylotowym dla ustalonej prędkości obrotowej bieg jałowy. Prędkość obrotowa n = 750 obr/min. 64

3 Wzrost prędkości obrotowej silnika spalinowego powoduje wzrost strumienia przepływu spalin (wzrasta ilość spalanego paliwa w jednostce czasu) co powoduje, wzrost temperatury spalin i w konsekwencji bloku silnika i układu wylotowego. Dla prędkości obrotowej n = 1500 obr/min (rysunek 3) temperatura przy bloku wynosi około 560 C natomiast w układzie wylotowym temperatura spalin wynosi blisko 450 C (wzrost temperatury spalin w układzie wylotowym w stosunku do n = 750 obr/min o blisko 100 C). Rys. 3. Zmiana temperatury przy bloku silnika oraz w układzie wylotowym w zależności od prędkości obrotowej bieg jałowy. Prędkość obrotowa n = 1500 obr/min. Rys. 4. Zmiana temperatury przy bloku silnika oraz w układzie wylotowym w zależności od prędkości obrotowej bieg jałowy. Prędkość obrotowa n = 2250 obr/min. 65

4 Dla prędkości obrotowej n = 2250 obr/min (rysunek 4) temperatura spalin przy bloku zmienia się nieznacznie względem prędkości n = 1500 obr/min. Wzrasta natomiast temperatura spalin w układzie wylotowym do 490 C. Dla prędkości obrotowej silnika n = 3000 obr/min (rysunek 5) intensywny wzrost temperatury obserwowany jest w układzie wylotowym (wynosi ona 525 C). Temperatura przy bloku zmienia się nieznacznie (oscyluje w granicach C). Rys. 5. Zmiana temperatury przy bloku silnika oraz w układzie wylotowym w zależności od prędkości obrotowej bieg jałowy. Prędkość obrotowa n = 3000 obr/min. Przy prędkości obrotowej silnika spalinowego n =3750 obr/min (Rys. 6) temperatura przy bloku znacząco wzrosła, uzyskując wartość 675 C, wzrosła również temperatura spalin w układzie wylotowym do wartości 590 C). Rys. 6. Zmiana temperatury przy bloku silnika oraz w układzie wylotowym w zależności od prędkości obrotowej bieg jałowy. Prędkość obrotowa n= 3750 obr/min. 66

5 3. Możliwości użycia układu kogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga Informacje o temperaturze w układzie wylotowym silnika spalinowego (w tym przypadku z zapłonem ZI) są niezwykle ważne z punktu widzenia możliwości kogeneracyjnego wykorzystania odpadowego i niewykorzystanego ciepła niesionego przez spaliny. Podobne badania temperaturowe dla temperatur panujących na powierzchni układu wydechowego opisano w artykule [10], gdzie przedstawiono mapy temperaturowe. Dla temperatury spalin powyżej 500 C możliwe jest zastosowanie układu kogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga (rysunek 7) [1]. Na rysunku 8 przedstawiono stanowisko z silnikiem Stirlinga. Zaznaczono na nim termopary pomiarowe, które zostały umieszczone w przestrzeni sprężania T c, przestrzeni rozprężania T e, od strony chłodnicy T rc oraz od strony nagrzewnicy T rh na regeneratorze. Rys. 7. Przebiegi zmian temperatur w: przestrzeni rozprężania T h, na regeneratorze strona gorąca T rh oraz stronie zimnej T rc a także na dolnym źródle (przestrzeni sprężania) T c podczas obciążania silnika Stirlinga. Gaz roboczy azot (p = 7 bar). 67

6 Rys. 8. Stanowisko badawcze z silnikiem Stirlinga [3] Na rysunku 9 przedstawiono przykład przebiegu możliwej do odzyskania mocy elektrycznej z układu kogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga dla ciśnienia p = 7 bar. Maksymalna moc możliwa do odzyskania przy p = 7 bar wynosi 104 Waty. 68

7 Rys. 9. Przebieg mocy elektrycznej w funkcji obciążenia na silniku elektrycznym. Gaz roboczy azot (p = 7 bar) dla temperatury nagrzewnicy/paleniska [3] 4. Możliwości użycia termoelektrycznych generatorów (TEG) W celu zastosowania układów odzyskiwania energii cieplnej opartych na termoelektrycznych generatorach należy przewidzieć takie środowisko pracy, które nie spowoduje uszkodzenia ogniw [10]. Producenci ogniw Peltiera podają dane, w których górna granica temperatury z reguły wynosi 200 C. Po przekroczeniu tej temperatury uszkodzeniu ulegają złącza półprzewodnikowe (tellurek bizmutu Bi 2 Te 3 ), które są podstawą do odzysku energii w termoelektrycznych generatorach. Również inne układy odzyskiwania energii wykorzystujące technologię półprzewodnikową są w tych warunkach termicznych narażone na uszkodzenia. Rysunek 10 a, b) przedstawia stanowisko pomiarowe z TEG wmontowanymi w układ wylotowy. Na rysunku 11 przedstawiono charakterystyki napięciowe TEG ów. a) b) Rys.10. a) zdjęcie stanowiska pomiarowego energii odzyskiwanej z TEG wmontowanej w układ wydechowy, b) zdjęcie stanowiska pomiarowego służącego do badań i analiz TEG. 69

8 Rys. 11. Charakterystyka napięciowa badanego TEG dla zwiększających temperatur strony ciepłej i zimnej. 5. Podsumowanie W pracy przedstawione zostały badania temperatury w układzie wylotowym silnika spalinowego. Do wykonania pomiarów użyto stanowisko laboratoryjne z silnikiem ECOTEC X18XE, które znajduje się na wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej w Zintegrowanym Środowiskowym Laboratorium Systemów Mechatronicznych Pojazdów i Maszyn Roboczych. Badania przeprowadzono dla różnych prędkości obrotowych sinika spalinowego, który pracował na biegu jałowym. Celem badań było zdobycie informacji o temperaturze spalin w różnych miejscach układu wylotowego. Przy bloku silnika gdzie temperatura przewyższa 500 C możliwe jest wykorzystanie silnika Stirlinga, w dalszej części układu wylotowego stosowane mogą być ogniwa Peltiera, silnik termoakustyczny (temperatura pracy poniżej 250 C [5]). Termoelektryczne generatory (TEG) mogą być umiejscowione również w układzie chłodzącym [4]. Najbardziej efektywne użycie silnika Stirlinga i TEG jest w układach kogeneracyjnych stacjonarnych rozproszonych (stałe warunki pracy temp. otoczenia, obroty, obciążenie) mogą być one szeregowo umieszczone względem siebie. W przyszłości autorzy pracy zamierzają przeprowadzić badania temperatury oraz strumienia przepływu spalin w celu wyznaczenia strumienia cieplnego spalin, którego ciepło efektywnie można będzie odzyskiwać poprzez zmiany postaci energii z wykorzystaniem odpowiednio dobranych układów kogeneracyjnych z silnikiem cieplnym Stirlinga oraz ogniwami termoelektrycznymi. Literatura: [1] aktualizacja 2014, [2] Radkowski S., Lubikowski K., Piętak A., Vibration energy harvesting In The transportation system: a review, Diagnostyka, Nr 4(64), 2012, [3] europe.com/ aktualizacja 2014, 70

9 [4] Lubikowski K., Radkowski S., Szczurowski S., Wikary M., Analysis of possibility of use Peltier module In task of energy scavenging, Key Engineering Materials Vol. 588, pp. 1 11, 2014, [5] Chmielewski A., Lubikowski K., Radkowski S., Szczurowski K., Research and simulationwork of the TEG In Cogeneration task of the Exhaust system, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 20, No. 2, pp , 2013, [6] Chmielewski A., GumińskiR., Lubikowski K., Radkowski S., Szulim P., Bench Testing and Simulation Model of a Cogeneration System with a Stirling Engine, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 20, No. 3, pp , 2013, [7] Chmielewski A., Modelowanie procesu kogeneracji energii z wykorzystaniem badań stanowiskowych na silniku Stirlinga, Praca Magisterska, Warszawa 2013, [8] Martins J., Brito F., Antuntes J., Goncalves L.M.,,Thermoelectric Exhaust Recovery with Temperature Control through Heat Pipes'', SAE International, Universidade do Minho, Portugal, 2011, [9] Ling Y. H., Ke H. B., TaoW. Q., Cui F.Q.,,Explanations on the onset and damping behaviors in a standing wave thermoacoustic engine", Elsevier, Applied Thermal Engineering, Nb. 58, pp , [10] Dybała J., Lubikowski K., Rokicki K., Szulim P., Wikary M., Thermal Analyses of Exhaust System on Combustion Engine, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 19, No. 4, pp , Streszczenie W niniejszej pracy przedstawiono badania temperatury spalin silnika spalinowego z zapłonem iskrowym. Termopary umieszczono przy bloku silnika oraz za. Badania wykonano dla wzrastających prędkości obrotowych od 750 obr/min do 3750 obr/min na biegu jałowym silnika spalinowego. Wyniki badań odniesiono do układów kogeneracyjnych z silnikiem Stirlinga oraz ogniwami termoelektrycznymi TEG. Wskazano możliwości zastosowania układów kogeneracyjnych z silnikiem Stirlinga oraz termogeneratorów TEG w celu zwiększenia sprawności silnika spalinowego wykorzystując odpadowe ciepło gazów spalinowych z układu wylotowego. Przedstawiono także wartości mocy elektrycznej kogenerowanej przez silnik Stirlinga przy temperaturze T > 500 C przy ciśnieniu 7 bar dla azotu. Zaprezentowano także wartości osiąganych mocy dla termogeneratorów elektrycznych umieszczonych w układzie wydechowym silnika ZI. Słowa kluczowe: Silnik Stirlinga, temperatura, TEG. METHODS OF INCREASING EFFICIENCY OF ICE ENGINE WITH USING COGENERATION SYSTEMS Abstract The paper presents research ICE exhaust temperature. Thermocouples were provided at the engine block and exhaust manifold. Research performed for increasing speed of 750 rpm to 3750 rpm during idling ICE. The results are referenced to cogeneration systems with Stirling engine and TEG (thermoelectric generator). The paper presents the possibility of the use of cogeneration systems with a Stirling engine and TEG in order to increase the efficiency of internal combustion engine by using the waste heat of the exhaust gases from the exhaust system. The article presents the values 71

10 of electric power cogenerated from Stirling engine for temperature heat source higher than 500 C at the pressure of 7 bar. The results was showed for Nitrogen which was working gas. Also presented electric power for TEG which was placed in the exhaust system. Keywords: Stirling engines, exhaust gas temperature, TEG. 72