Odzysk energii cieplnej z gazów wylotowych silnika ZS przy wykorzystaniu generatora TEG w teście wykonanym na hamowni dynamicznej

Transkrypt

1 FUĆ Paweł 1 MERKISZ Jerzy 2 LIJEWSKI Piotr ZIÓŁKOWSKI Andrzej 3 WOJCIECHOWSKI Krzysztof T. Odzysk energii cieplnej z gazów wylotowych silnika ZS przy wykorzystaniu generatora TEG w teście wykonanym na hamowni dynamicznej WSTĘP Ograniczenie energochłonności układów napędowych współczesnych pojazdów samochodowych jest jednym z głównych czynników determinujących ich rozwój [1-2, 10]. 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 silników starszych generacji. Pozwala to zredukować objętość skokową silników, co w wielu przypadkach wiąże się ze zmniejszeniem liczby cylindrów. To ogranicza straty tarcia w mechanizmie korbowo-tłokowym, a szczególnie w węźle tłok-cylinder. Dzięki temu możliwe jest obniżenie zużycia paliwa. Kolejnym sposobem ograniczenia energochłonności układu napędowego jest możliwość odzysku energii cieplnej z gazów wylotowych [1, 4]. W pracy Dingel O. i inni [5] dokonano podziału metod odzysku energii cieplnej, które są obecnie stosowane w pojazdach samochodowych. Najpowszechniejszą formą odzysku energii cieplnej jest obecnie stosowanie doładowania silników spalinowych realizowanego za pomocą układów turbosprężarkowych montowanych w układzie wylotowym silnika. Praktycznie każdy nowoczesny silnik ZS wyposażony jest w tego typu układ. Również w przypadku silników ZI coraz częściej stosowane są układy turbosprężarkowe, ze względu na stosowanie dowsizingu [6]. Obok wykorzystywania metod konwersji energii cieplnej na mechaniczną stosowane są także układy, których zadaniem jest konwersja energii cieplnej na elektryczną. Należy tutaj wymienić wszelkiego rodzaju generatory elektryczne turbogeneratory, generatory TEG etc. Tego typu układy mogą być stosowane w pojazdach samochodowych posiadających zarówno konwencjonalny układ napędowy, jak i hybrydowy składający się w tym przypadku z silnika spalinowego i elektrycznego. W artykule przedstawiono analizę wpływu zastosowania prototypowego generatora TEG w układzie wylotowym silnika spalinowego ZS. Badania wykonano w opracowanym teście badawczym na silnikowym stanowisku hamulcowym wyposażonym w hamownię dynamiczną. Test ten stanowił odwzorowanie rzeczywistego profilu ruchu zarejestrowanego podczas badań w typowo miejskich i podmiejskich warunkach drogowych przy wykorzystaniu nowoczesnej aparatury z grupy PEMS (PortableEmissionMeasurement System). Oprócz profilu ruchu, uwzględniono także parametry układu przeniesienia napędu (sprzęgło, skrzynia biegów), parametry konstrukcyjnych pojazdu oraz zachowania kierującego. 1 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel: (+48) , fax: (+48) , paweł.fuc@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel: (+48) , fax: (+48) , jerzy.merkisz@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel: (+48) , fax: (+48) , andrzej.wo.ziolkowski@doctorate.put.poznan.pl 3679

2 1 PROCEDURA BADAWCZA Badania odzysku energii z gazów wylotowych przy wykorzystaniu generatora TEG przeprowadzono w teście odwzorowującym rzeczywisty cykl jezdny na silnikowym stanowisku AVL DynoRoad 120 kw, na którym zamontowany był silnik 1.3 SDE. Jest to silnik o zapłonie samoczynnym, mocy maksymalnej 66 kw generującej maksymalny moment obrotowy 200 Nm oraz spełniający normę emisji Euro 4 (rys. 1a). Szczegółowe dane techniczne silnika przedstawiono we wcześniejszej publikacji autorów [3]. a) b) Rys. 1. Stanowisko badawcze AVL DynoRoad 120 przygotowane do badań: a) silnik 1.3 SDE, b) widok układu wylotowego z zamontowanym generatorem TEG zaznaczony czerwoną ramką Na stanowisku badawczym zastosowano kompletny układ wylotowy dedykowany dla tego silnika stosowany w pojazdach samochodowych. W jego skład wchodzi utleniający reaktor katalityczny oraz tłumik. Długość całego układu była zbliżona do rzeczywistych wymiarów. Generator TEG umieszczono w końcowej części układu wylotowego (rys. 1b), przed tłumikiem, ponieważ w pojeździe samochodowym w tym miejscu istnieje możliwość montażu generatora. Cały układ osłonięto specjalną matą izolacyjną, która miała za zadanie ograniczyć spadek temperatury gazów wylotowych na całej długości układu. Podczas badań dokonano pomiarów następujących parametrów układu wylotowego i jego składowych: masowe natężenie przepływu gazów wylotowych przyrząd SEMTECH DS (szczegółowy opis aparatury przedstawiono w publikacjach autorów [7-9]), temperatura i ciśnienie gazów wylotowych schemat przedstawiono na rysunku 2, parametry generatora TEG: temperaturę wewnątrz generatora w czerech punktach (t g1, t g2, t g3, t g4 ) oraz na wejściu i wyjściu (t gin, t gout ), temperaturę cieczy chłodzącej na wejściu i na wyjściu z układu chłodzenia generatora, napięcie i natężenie wygenerowanego prądu. t t g1 t g2 t g3 t g4 t 1 p gin tgout 1 p 2 t 2 t 3 p 3 Silnik DOC TEG Tłumik Rys. 2. Rozmieszczenie punktów pomiaru temperatury i ciśnienia gazów wylotowych Rysunek 3 przedstawia schemat skonstruowanego prototypowego TEG. Wymiennik ciepła wykonano z aluminium, ze względu na specyficzne zalety tego materiału, takie jak: wysokie 3680

3 przewodnictwo cieplne, niski ciężar i względną odporność na korozję powodowaną przez gazy wylotowe w temperaturach do 300 C (tab. 1). Na całej długości wymiennika umieszczono żebra w celu poprawienia sprawności wymiany ciepła. Ponadto, dla poprawy jednorodności temperatury wzdłuż wymiennika, co było problemem w poprzednim prototypie, zastosowano zmienną geometrię żeber. Generator zawiera 24 komercyjne moduły TE oparte na materiałach termoelektrycznych Bi 2 Te 3 Sb 2 Te 3, zainstalowane między wymiennikiem ciepła a chłodnicami. Każdy moduł jest przymocowany do oddzielnej chłodnicy za pomocą śruby dociskowej, która jednocześnie służy do przytwierdzenia modułu do wymiennika ciepła. Jako czynnik chłodzący zastosowano wodę lub ciecz chłodzącą używaną w zewnętrznym układzie chłodzenia silnika [11]. Rys. 3. Widok generatora termoelektrycznego TEG Tab. 1. Parametry generatora TEG [11] Parametr Wartość Wymiary całkowite 280 mm x 555 mm Wymiary wymiennika ciepła 110 mm x 311 mm Wewnętrzna powierzchnia wymiennika ciepła 0,574 m 2 Materiał wymiennika ciepła Stop aluminium Liczba modułów TE 24 Moc nominalna jednego modułu TE 7 W (T c =50 C, T H =175 C ) Całkowita moc nominalna modułów TE 168 W U oc napięcie (T in = 250 C) 280 V Maksymalna temperature pracy modułów TE 200 C Masa całkowita ~ 1260 g Pomiary przeprowadzono w cyklu jezdnym odwzorowującym rzeczywiste warunki eksploatacji pojazdu zarejestrowanym w warunkach ruchu miejskiego w Poznaniu. Cykl jezdny charakteryzuje się dużymi zmianami prędkości pojazdu, a co się z tym wiąże również przyspieszenia. Łączna jego długość wynosi 11 km, a czas trwania 1441 sekund. Szczegółowy opis tego cyklu przedstawiono we wcześniejszej publikacji autorów [3]. 2 WYNIKI BADAŃ ANALIZA I DYSKUSJA Podczas testu przeprowadzonego na silnikowym stawisku hamulcowym AVL DynoRoad 120 silnik spalinowy wygenerował maksymalny moment obrotowy wynoszący 213 Nm oraz uzyskał moc maksymalną równą 46 kw (rys. 4). Wartości te zarejestrowano podczas maksymalnego wzrostu prędkości przyspieszenia odwzorowywanego pojazdu. Zarejestrowano także ujemne wartości momentu obrotowego i mocy, co oznacza, że w tym momencie następowało hamowanie silnikiem hamownia napędzała silnik. Średnie wartości obu parametrów, z uwzględnieniem ujemnych wartości, kształtowały się następująco: M o = 21,4 Nm i N e = 3,9 kw. Tak mała wartość średniej mocy 3681

4 użytecznej silnika spalinowego oraz duży udział hamowania silnikiem (wynoszący 30%,) świadczy przede wszystkim o relatywnie małej energochłonności cyklu jezdnego. Ze względu na ten fakt pozostałe mierzone parametry uśredniono z krokiem 10. sekundowym, co miało na celu lepsze zobrazowanie uzyskanych danych. a) b) Rys. 4. Przebiegi momentu obrotowego (a) i mocy (b) silnika oraz prędkości odwzorowywanego pojazdu Relatywnie mała energochłonność przejazdu miała bezpośrednie przełożenie na parametry termodynamiczne gazów wylotowych, a w szczególności na ich temperaturę. Największe wartości temperatury we wszystkich punktach pomiarowych wystąpiły od 350. sekundy testu i wynikały głównie z większej prędkości przejazdu tego etapu. W pierwszej części testu prędkość pojazdu nie przekraczała 32 km/h. Maksymalna wartość temperatury wystąpiła w pierwszym punkcie pomiarowym i wyniosła t 1 = 224,2 o C (rys. 5). Temperatura gazów wylotowych na wejściu do generatora TEG była zdecydowanie niższa i wyniosła maksymalnie t gin = 153,6 o C. Na uwagę zasługuję fakt, że temperatura na wyjściu z generatora TEG była najniższa ze wszystkich punktów pomiarowych temperatury t 2 i t 3 przed i za tłumikiem umieszczonym za generatorem, osiągnęły większe wartości. Spowodowane to było umiejscowieniem czujnika termorezystancyjnego poza osią przepływu masowego strumienia gazów wylotowych. Na podstawie rozkładu temperatury w generatorze TEG stwierdzono, że moduły termoelektryczne TE nie osiągnęły maksymalnej sprawności, ponieważ na ich stronie gorącej temperatura nie przekraczała 60 o C (rys. 6). Dopuszczalna maksymalna wartość tej temperatury dla użytych modułów termoelektrycznych wynosi 200 o C. Średni spadek temperatur w generatorze TEG (t gin t gout ) wyniósł 41,4 o C. Temperatura cieczy chłodzącej nie przekraczała 12 o C. Rys. 5. Rozkład temperatury w układzie wylotowym badanego silnika z zainstalowanym generatorem TEG 3682

5 Rys. 6. Rozkład temperatury w generatorze TEG Niska temperatura gazów wylotowych w generatorze TEG przełożyła się na małe wartości wygenerowanego napięcia U TEG przez moduły termoelektryczne TE (rys. 7). Jego średnia wartość ze wszystkich modułów wyniosła wyłącznie 33,7 V, gdzie maksymalna napięcie generowane przez pojedynczy moduł TE wynosi 12 V. W wyniku tego, w całym teście generator TEG wygenerował sumarycznie P TEG = 1388,6 W. Ze względu na małą wartość sumarycznej mocy generatora TEG zdecydowano wykonać dodatkowy pomiar w zakresie pełnej mocy badanego silnika spalinowego (n = 2500 obr/min, M o = 120 Nm). W tym punkcie pracy maksymalna temperatura gazów wylotowych t gin = 301,2 o C, a średnia temperatura na stronie gorącej modułów TE wynosiła o C. Skutkowało to wygenerowaniem przez generator TEG znacząco większego napięcia (U TEG = V), co przełożyło się na większą maksymalną moc, która wyniosła P TEG = W. W odniesieniu do maksymalnej mocy uzyskanej w cyklu jezdnym stanowiło to wzrost o 85%. Rys. 7. Napięcie oraz moc wygenerowane przez generator TEG wraz z przebiegiem prędkości 3683

6 WNIOSKI Odwzorowanie rzeczywistego cyklu jezdnego na silnikowym stanowisku hamulcowym z uwzględnieniem kompletnego układu przeniesienia napędu, parametrów konstrukcyjnych pojazdu oraz zachowań kierującego umożliwia wyznaczenie wpływu zastosowania generatora TEG w układzie wylotowym na sprawność ogólną silnika spalinowego w zróżnicowanych warunkach eksploatacji. Do tej pory badania wykonywane na hamowniach silnikowych były jedynie symulacją pojedynczych punktów pracy silnika, które stanowiły przybliżone odwzorowanie rzeczywistych warunków jego eksploatacji. Przeprowadzone badania wykazały, że zastosowanie generatora TEG w końcowej części układu wylotowego badanego silnika nie wpłynęło korzystnie na polepszenie jego sprawności ogólnej. W odwzorowanych warunkach jazdy typowo miejskiej i podmiejskiej generator TEG wygenerował łącznie W, ponieważ jak wykazała analiza charakterystyki pracy silnika spalinowego, pracował on głównie w zakresie małych i średnich obciążeń. Przełożyło się to na parametry termodynamiczne gazów wylotowych, a szczególnie na rozkład temperatury w układzie wylotowym silnika. Ze względu niezadawalające wyniki dla silników o ZS, opracowano nową konstrukcję generatora TEG, który wyposażony jest w wymiennik ciepła charakteryzujący się większą sprawnością odbioru ciepła oraz mniejszymi oporami przepływu niż konstrukcja przedstawiana w artykule. Prace projektowe oparte były przede wszystkim na badaniach modelowych wykorzystujących metody numerycznej mechaniki płynów, dzięki którym opracowano nową konstrukcję generatora TEG. Obecnie prowadzone są badania weryfikacyjne na prototypie generatora. Wyniki tych badań zostaną przedstawione w kolejnych publikacjach autorów. Streszczenie W artykule przedstawiono analizę odzysku energii cieplnej z gazów wylotowych przy zastosowaniu generatora termoelektrycznego TEGw rzeczywistych cyklu jezdnym odwzorowanym na silnikowym stanowisku badawczym wyposażonym w hamownię dynamiczną. Pomiary wykonano dla silnika ZS o objętości 1,3 dm 3 i mocy 66kW.Generator TEG zamontowano w układzie wydechowym pojazdu. W celu oceny strat energii cieplnej w układzie wylotowym wykorzystano nowoczesne narzędzia badawcze z grupy PEMS SEMTECH DS. Oprócz emisji zanieczyszczeń analizator umożliwia pomiar masowego natężenia przepływu i temperaturę gazów wylotowych.trudności związane z prowadzeniem pomiarów w rzeczywistych warunkach eksploatacji, szczególnie, w aspekcie odzysku energii cieplnej z pojazdów samochodowych z zamontowanym generatorem TEG przyczyniły się do opatentowanej metody odwzorowania rzeczywistego cyklu jezdnego opisanego funkcją V= f(t) na hamowni dynamicznej. Cykl ten miał długość 11 km The analysis of exhaust gas thermal energy recovery from diesel engine through a TEG generator in test performed on a dynamic engine test bed Abstract The paper presents an analysis of thermal energy recovery trough a proprietary thermoelectric generator in an actual vehicle driving cycle reproduced on a dynamic engine test bed. The tests were performed on a 1.3 liter 66 kw diesel engine. The TEG generator was fitted in the vehicle exhaust system.in order to assess the thermal energy losses in the exhaust system advanced PEMS research tools were used such as Semtech DS. by Sensors Inc. Aside from the exhaust emissions the mentioned analyzer measures the exhaust mass flow and exhaust temperature, vehicle driving parameters and reads and records the parameters of the engine.the difficulty related to the measurements under actual traffic conditions, particularly when passenger vehicles and thermoelectric generators are used in the aspect of energy recovery, spurred the authors to develop a proprietary method of transposing the actual driving cycle as a function V = f(t) onto the engine test bed. On the said test bed the driving profile, previously recorded in the city traffic was reproduced. The length of the cycle was 11 km. 3684

7 BIBLIOGRAFIA 1. Aixala L., Monnet V., Cinclusion of RENOTER Project (Waste HeatRecovery for Trucks and PassengerCars). Thermoelectrics Goes Automotive II (Thermoelectrics III), pp , Bajerlein M., Rymaniak L., The Reduction of FuelConsumption on the Example of EcologicalHybridBuses. Applied Mechanics and Materials Vol. 518 (2014) pp Bajerlein M., Fuc P., Lijewski P., Rymaniak L., Ziolkowski A., Dobrzynski M: Simulation of vehiclework in real conditionsatengine test bed. CombustionEngines. 2013, 154(3), pp Buschamn G., von Essen C., TEGs in Context of Future Drive Concepts. Thermoelectrics Goes Automotive II (Thermoelectrics III), pp. 1-10, Dingel O., T. SemperT., AmbrosiusV., SeebodeJ., Waste HeatRecovery: Whatare the Alternatives to the thermoelectric Generator?. Thermoelectrics Goes Automotive II (Thermoelectrics III), pp , FaustH., Powertrain Systems of the Future. Engine, transmission and dampersystems for downspeeding, downsizing and cylinder deactivation. SchaefflerSymposiumbook, pp 25-41, MerkiszJ. and FucP., The Exhaust Emission from LightDutyVehicles in Road Test in Urban Traffic, SAE Int. J. FuelsLubr. 3(2): , MerkiszJ., FucP., LijewskiP., ZiolkowskiA., The on-roadexhaustemissions from vehiclesfitted with the start-stop system. Applied Mechanics and Materials Vol. 390 (2013), pp MerkiszJ., FucP., LijewskiP., ZiolkowskiA., The application of nanometriccomposite materials in a diesel engine in the aspect of improvement of deepbedfiltration in a Diesel ParticulateFilter. International Congress of FISITA 2012, F2012-A04-031, Bejing WalshM. P., Global trends in motor vehiclepollutioncontrol; a 2011 update. Part 1. CombustionEngines / Silniki Spalinowe nr 2/2011 (145), pp , WojciechowskiK.T., et. al. Prototypicalthermoelectric generator for waste heatconversion from combustionengines. CombustionEngines. 2013, 154(3), pp ISSN