Możliwości odzysku energii z gazów wylotowych z nowoczesnych silników spalinowych

Transkrypt

1 FUĆ Paweł 1 MERKISZ Jerzy 2 BAJERLEIN Maciej LIJEWSKI Piotr ZIÓŁKOWSKI Andrzej 3 RYMANIAK Łukasz DOBRZYŃSKI Michał Możliwości odzysku energii z gazów wylotowych z nowoczesnych silników spalinowych WSĘP Ograniczenie energochłonności układów napędowych współczesnych pojazdów samochodowych jest jednym z głównych czynników determinujących ich rozwój [3, 4, 9]. Pod pojęciem ograniczenie energochłonności układów napędowych należy rozumieć wszystkie zabiegi, których efektem będzie zmniejszenie zużycia energii przez pojazd. We współczesnych pojazdach realizuje się to przez zmiany konstrukcyjne tłokowych silników spalinowych i ich osprzętu, stosowanie układów odzyskujących energię cieplną z gazów wylotowych oraz stosowanie wszelkiego rodzaju dodatkowych układów i systemów mających na celu ograniczenie zużycie paliwa. Nowoczesne tłokowe silniki spalinowe charakteryzują się przede wszystkim dużymi objętościowymi wskaźnikami mocy, które są o wiele większe niż w przypadku starszych generacji. Jako przykład można tutaj przedstawić benzynowy silnik spalinowy firmy FIA o pojemności skokowej 0,9 dm 3, którego wskaźnik wynosi 70 kw/dm 3. We wcześniejszej generacji silników tego producenta występowały jednostki charakteryzujące się objętościowym wskaźnikiem mocy nie przekraczającym 50 kw/dm 3. Uzyskanie wskaźnika na poziomie 70kW/dm 3 było możliwe dzięki zastosowaniu downsizingu, który w tym przypadku zrealizowano przez ograniczenie objętości skokowej silnika do 0,9 dm 3, zmniejszenie liczby cylindrów do dwóch, zastosowanie turbosprężarkowego układu doładowania oraz nowej konstrukcji układu rozrządu [10]. Przez ograniczenie liczby cylindrów, a tym samym objętości skokowej silnika, zmniejszeniu ulegają straty mechaniczne, szczególnie w węźle tłok-cylinder. Zastosowanie doładowania umożliwiło dostarczenie większej ilości świeżego ładunku do cylindra, dzięki czemu możliwe jest spalenie większej ilości paliwa. Przekłada się to na poprawę wskaźników pracy silnika takich jak moc użyteczna czy moment obrotowy. Kolejnym sposobem ograniczenia energochłonności układu napędowego jest możliwość odzysku energii cieplnej z gazów wylotowych [7]. Należy zwrócić uwagę na fakt, że sprawność współczesnych tłokowych silników spalinowych nie przekracza 40%. Z tego wynika, że jedynie 40% energii dostarczonej z paliwem jest zamienia na pracę mechaniczną. Pozostała część energii jest tracona głównie przez układ chłodzenia i układ wylotowy. W artykule przedstawiono metody odzysku energii cieplnej z gazów wylotowych ze szczególnym uwzględnieniem metod konwersji energii cieplnej na energię elektryczną. 1. PODZIAŁ MEOD ODZYSKU ENERGII CIEPLNEJ W pracy Dingel O. i inni [1] dokonano podziału metod odzysku energii cieplnej, które są obecnie stosowane w pojazdach samochodowych (rys. 1). Najpowszechniejszą formą odzysku energii cieplnej jest obecnie stosowanie doładowania silników spalinowych realizowanego za pomocą układów 1 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i ransportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, el: (+48) , fax: (+48) , pawel.fuc@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i ransportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, el: (+48) , fax: (+48) , jerzy.merkisz@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i ransportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, el: (+48) , fax: (+48) , andrzej.wo.ziolkowski@doctorate.put.poznan.pl 1829

2 turbosprężarkowych montowanych w układzie wylotowym silnika. Praktycznie każdy silnik nowoczesnych o zapłonie samoczynnym wyposażony jest w tego typu układ. Również w przypadku silników o zapłonie iskrowym coraz częściej stosowane są układy turbosprężarkowe, ze względu na stosowanie wspominanego wcześniej dowsizingu. Obok wykorzystywania metod konwersji energii cieplnej na mechaniczną stosowane są układy, których zadaniem jest konwersja energii cieplnej na elektryczną. Należy tutaj wymienić wszelkiego rodzaju generatory elektryczne turbogeneratory, generatory EG etc. ego typu układy mogąc stosowane w pojazdach samochodowych posiadających zarówno konwencjonalny układ napędowy, jak i hybrydowy składający się w tym przypadku z silnika spalinowego i elektrycznego. Energia cieplna ransport Konwersja Magazynowanie Energia mechaniczna Energia elektryczna Doładowanie urbocompound Obieg silnika Rankine Stirling Generatory urobogenerator EG Joule Rys. 1. Podział metod odzysku energii cieplnej w tłokowych silnikach spalinowych [1] AMEC 2. CHARAKERYSKA URBOGENERAORÓW O ZASOSOWANIACH MOORYZACYJNYCH W pracy Dziubański S. i inni [2] przedstawiono autorski projekt turbogeneratora, którego założeniem było zbudowanie takiego układu, który w części lub w całości będzie pokrywał zapotrzebowanie na energie elektryczną pojazdu. Dzięki temu możliwe stanie się całkowite wyeliminowanie klasycznego źródła energii elektrycznej w pojeździe jakim jest alternator. Opracowany turbogenerator stanowił połączenie turbiny spalinowej z szybkoobrotowym generatorem prądu eklektycznego (rys. 2). Zasada jego działania jest zbliżona do działania typowej turbosprężarki wirnik turbiny napędzany jest strumieniem gazów wylotowych i jest on połączony wspólnym wałem poprzez sprzęgło z wirnikiem szybkoobrotowego generatora. Ze względu na duże prędkości obrotowe jakie osiąga turbozespół w tym układzie konieczne było również zastosowanie sterownika napięcia. Jego zadaniem jest utrzymanie napięcia na poziomie 14 V niezbędnym do współpracy z akumulatorem pojazdu. W przypadku nie zastosowania tego sterownika generowane napięcie wynosi 180 V na jedną fazę. Przeprowadzone przez autora badania wykonane dla silnika badawczego typu FIRE o pojemności skokowej 1,2 dm 3 i mocy maksymalnej 59 kw wykazały, że zastosowanie opracowanego turbogeneratora w układzie wylotowym wpływa korzystnie na wskaźniki pracy silnika: moc użyteczną i sprawność ogólną. W analizowanych punktach pracy silnika uzyskano maksymalny wzrost mocy użytecznej o 4% i sprawności ogólnej o 1,3%. 1830

3 Rys. 2. Schemat ideowy układu turbogeneratora [2] 3. MOŻLIWOŚCI APLIKACYJNE GENERAORÓW EROMOELEKRYCZNYCH EG W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3.1. Charakterystyka generatorów EG Generatory EG służą do konwersji energii cieplnej na elektryczną przy wykorzystaniu zjawisk termoelektrycznych. Wyróżnia się trzy podstawowe zjawiska termoelektryczne: a) Seebecka można je zaobserwować w zamkniętym obwodzie elektrycznym, który jest zbudowany z różnych przewodników, a miejsca ich połączeń są utrzymywane w różnych temperaturach. Powstaje wtedy siła termoelektryczna, która wywołuje przepływ prądu; b) Peltiera przepływ prądu elektrycznego w obwodzie składającym się z różnych przewodników powoduje wymianę ciepła z otoczeniem w punktach ich styku. Kierunek przepływu decyduje o tym, na którym styku zachodzi wydzielanie, a na którym pochłanianie ciepła. Zjawisko Peltiera jest odwrotnością procesu opisanego przez Seebecka; c) homsona polega ono na pochłanianiu lub wydzielaniu ciepła wskutek przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik, w którym występuje spadek (gradient) temperatury. Generator EG zbudowany jest z wymiennika ciepła, którego zadaniem jest transfer strumienia energii cieplnej do modułów termoelektrycznych E, w których wytwarzane jest napięcie elektryczne (rys. 3). Moduły E zbudowane są z wielu elementów półprzewodnikowych typu N i typu P, czyli odpowiednio z nadmiarem i niedoborem elektronów. Są one połączone szeregowo w celu osiągnięcia odpowiedniego napięcia i mocy. Rys. 3. Zasada działania modułów termoelektrycznych E [6] 1831

4 Komercyjnie dostępne moduły E mają zazwyczaj kształt płaskich prostokątnych płytek ceramicznych i wykonane są z półprzewodnikowych materiałów termoelektrycznych (zwykle stopów Bi 2 e 3 i Sb 2 e 3 ). Rodzaj zastosowanych materiałów termoelektrycznych ma wpływ na zakres temperatur oraz wydajność konwersji energii. Sprawność generatorów termoelektrycznych ηc zależy od sprawności Carnota η c = ( H C )/ C oraz od właściwości materiałów termoelektrycznych, które zostały użyte. Można ją obliczyć na podstawie równania (1), gdzie parametr Z, jest bezwymiarowym współczynnikiem efektywności termoelektrycznej i może być obliczony z równania (2). Z powyższego równania wynika, że dobry materiał termoelektryczny powinien charakteryzować się wysokim współczynnikiem Seebecka a, wysoką przewodnością elektryczną σ i niską przewodnością cieplną λ [8]. Z H C g max (1) C C 1 1 Z 1 H Z 2 aver (2) 3.2. Przykłady konstrukcji generatorów EG Zespół naukowców z Instytutu Silników Spalinowych i ransportu Politechniki Poznańskiej oraz z Akademii Górniczo-Hutniczej opracował pierwsze w Polsce konstrukcję generatorów termoelektrycznych EG. W pierwszej wersji opracowano generator składający się z prostopadłościennego wymiennika ciepła, na którym zainstalowano moduły termoelektryczne E wraz z układem chłodzenia strony zimnej modułów (rys. 4). Mimo prostoty budowy i niskich kosztów wykonania prototyp ten nie został wdrożony do zastosowań motoryzacyjnych ze względu na nieefektywne wykorzystanie energii cieplnej otrzymanej z gazów wylotowych, nierównomierny rozkład temperatur wzdłuż wymiennika ciepła, asymetrii pomiędzy górną i dolną częścią wymiennika ciepła przy dużych temperaturach etc. a) b) Wlot cieczy chłodzącej Punkty pomiaru temperatur Chłodnica Wylot cieczy chłodzącej d1 d2 d3 Wymiennik ciepła g1 g2 g3 Wlot spalin g4 g5 g6 Wylot spalin d4 d5 d6 Chłodnica Materiały termoelektryczne Rys. 4. Prototyp I-generacji generatora EG: a) model rzeczywisty, b) schemat ideowy Bazując na wcześniejszych doświadczeniach opracowano nową konstrukcję generatora termoelektrycznego EG, który składa się z wymiennika ciepła o przekroju heksagonalnym z symetrycznie rozłożonymi żebrami o zmiennej geometrii (rys. 5). Ma to na celu zapewnienie równomiernego rozkładu temperatury wzdłuż całego wymiennika. Wymiennik wykonano z aluminium ze względu na jego właściwości fizyczne do których zaliczyć można: wysokie przewodnictwo cieplne, mały ciężar oraz względną odporność na korozję. Generator zawiera 24 komercyjne moduły termoelektryczne E oparte na Bi 2 e 3 Sb 2 e 3 (tab. 1). Zainstalowane są one 1832

5 między wymiennikiem, a układem chłodzenia. Każdy moduł jest przymocowany do oddzielnej chłodnicy za pomocą śruby dociskowej, która jednocześnie służy do przytwierdzenia modułu do wymiennika ciepła [8]. a) b) Rys. 5. Prototyp II-generacji generatora EG: a) model rzeczywisty, b) schemat ideowy [8] ab. 1. Parametry generatora termoelektrycznego EG [8] Wymiary całkowite 280 mm x 555 mm Wymiary wymiennika ciepła 110 mm x 311 mm Wewnętrzna powierzchnia wymiany ciepła 0,574 m 2 Materiał wymiennika ciepła Stop aluminium Liczba modułów termoelektrycznych 24 Moc nominalna jednego modułu E 7 W ( c =50 C, H =175 C ) Całkowita moc nominalna modułów E 168 W U oc napięcie ( in = 250 C) 280 V Maksymalna temperatura pracy modułów 200 C Masa całkowita ~ 1260 g 3.3. Analiza parametrów użytecznych generatorów EG Według badań empirycznych zaprezentowanych w pracy Hase S. [5] prototyp generatora termoelektrycznego EG zamontowany w układzie wylotowym pojazdu podczas jazdy z prędkością stałą wynoszącą 85 km/h wygenerował 161 W energii elektrycznej. Przy prędkości 60 km/h ilość tej energii była znacznie mniejsza i wyniosła 78 W, czyli o połowę mniej niż w przypadku jazdy z prędkością 85 km/h. W przypadku większej prędkości temperatura gazów wylotowych na wlocie do układu EG wynosiła 550 o C, na wylocie 280 o C, natomiast ciecz chłodząca miała 20 o C. W tym miejscu należy zaznaczyć, że prototyp generatora EG opracowano w 2001 roku. Zastosowano w nim 16 komercyjnych modułów termoelektrycznych E 12,5W-Bie (rys. 6). Rys. 6. Widok generatora termoelektrycznego EG [5] 1833

6 WNIOSKI W artykule przedstawiono podział metod odzysku energii cieplnej z gazów wylotowych pojazdów samochodowych i możliwości jej konwersji. Szczegółowej analizie poddano wyłącznie wybrane sposoby konwersji energii cieplnej na elektryczną przy wykorzystaniu turbogeneratorów i generatorów termoelektrycznych EG. Z powyższej analizy wynika, że tematyka odzysku energii cieplnej z gazów wylotowych i jej konwersja na energię elektryczną jest obecnie realizowana przez szereg ośrodków naukowo-badawczych. Jednak na typ etapie zastosowanie turbogeneratorów i generatorów termoelektrycznych EG w pojazdach samochodowych jest znacznie ograniczone. W przypadku generatorów EG wynika to bezpośrednio z relatywnie małej sprawności komercyjnych modułów termoelektrycznych E, która wynosi 3%. Drugim znaczącym ograniczeniem jest maksymalna temperatura strony ciepłej tych modułów w obecnych rozwiązaniach temperatura ta nie może przekraczać 200 o C. Dlatego generatory EG muszą być umieszczane w końcowej części układu wylotowego pojazdu. Jednak znane są już prototypy modułów E, których sprawność będzie wynosić nawet 10% i będą mogły one pracować w większym zakresie maksymalnych temperatur [8]. o przyczyni się do dynamicznego rozwoju tematyki wykorzystania generatorów EG w pojazdach samochodowych. Prace sfinansowano z funduszy Narodowego Centrum Nauki projekt badawczy (umowa nr UMO-2011/01/B/S8/07241). he research was funded by the National Science Centre (Narodowe Centrum Nauki) research project (contract No. UMO-2011/01/B/S8/07241). Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane metody odzysku energii cieplnej z gazów wylotowych pojazdów samochodowych. Szczególną uwagę poświęcono sposobom konwersji energii cieplnej na elektryczną przy wykorzystaniu m.in. generatorów termoelektrycznych EG. a tematyka jest niezwykle ważna, ponieważ w bilansie energetycznym współczesnych tłokowych silników spalinowych około 30% stanowią straty energii cieplnej gazów wylotowych. Opracowanie metody odzysku części tej energii przyczyniłoby się do zwiększenia sprawności ogólnej silników spalinowych. Spowodowałoby to ograniczenie zużycia paliwa oraz emisji szkodliwych składników gazów wylotowych. he possibilities of exhaust heat recovery from modern combustion engines Abstract he paper presents selected methods of energy recovery from exhaust gases of vehicles. Particular attention is given to ways of conversion heat energy into electricity using thermoelectric generators like turbogenerator and generator EG. his theme is very important, because in the energy balance of modern internal combustion engines about 30% of heat loss are of exhaust gasarees. Development of a method of recovery this part of energy would increase the overall efficiency of combustion engines. his would reduce fuel consumption and exhaust emissions from vehicles. BIBLIOGRAFIA 1. Dingel O, Semper, Ambrosius V., Seebode J.: Waste Heat Recovery: What are the Alternatives to the thermoelectric Generator?. hermoelectrics Goes Automotive II (hermoelectrics III), pp , Dziubański S., Jantos J., Mamala J.: Wykorzystanie energii spalin do napędu turbogeneratora w silniku ZI. Czasopismo echniczne z. 7-M/2008. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Fuć P.: Studium pasywnej regeneracji filtrów cząstek stałych w silnikach o zapłonie samoczynnym. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań

7 4. Fuc P., Rymaniak L., Ziolkowski A.: he correlation of distribution of PM number emitted under actual conditions of operation by PC and HDV vehicles, WI ransactions on Ecology and the Environment. WI Press, Vol Str ISBN: WI Press, Hase S.: Prospects for EG Practical Applications, by Physical Evaluation in varied Heat Recovery echnologies. hermoelectrics Goes Automotive II (hermoelectrics III), pp , Jeffrey Snyder G., oberer E. S.: Complex thermoelectric materials. Nature Materials 7, pp (2008). 7. Singh, S., Garg, A., Gupta, A., and Permude, A., Analysis of hermal Balance of Diesel Engine and Identification of Scope for Waste Heat Recovery, SAE echnical Paper , Wojciechowski, k.t., et. al. Prototypical thermoelectric generator for waste heat conversion from combustion engines. Combustion Engines. 2013, 154(3), ISSN Walsh M. P.: Global trends in motor vehicle pollution control; a 2011 update. Part 1. Combustion Engines / Silniki Spalinowe nr 2/2011 (145), pp , Dane producenta. 1835