SŁAWOMIR DZIUBAŃSKI, JERZY JANTOS, JAROSŁAW MAMALA WYKORZYSTANIE ENERGII SPALIN DO NAPĘDU TURBOGENERATORA W SILNIKU ZI USING EXHAUST GAS ENERGY TO DRIVE A TURBO-GENERATOR IN THE SI ENGINE Streszczenie Abstract Głównym celem niniejszego artykułu jest analiza możliwości wykorzystania silnika ZI do napędu generatora elektrycznego. Na podstawie przeprowadzonych rozważań, które zawierały własne obliczenia, jak i badania na hamowni silnikowej, można stwierdzić, że taka możliwość istnieje i niezbędne są dalsze badania w tym zakresie. Słowa kluczowe: silnik ZI, turbogenerator, hamownia silnikowa Study about using a gas energy to propulsion a turbogenerator in SI engine is a reason why this article was made. After analysed the research results which was made by a theoretical premise and real researches on the engine break why can say that the propultion turbogenerator by a SI engine is possible. This is a reason why must have a deeper research to get a more informations. Keywords: turbogenerator, SI engine, engine break Mgr inż. Sławomir Dziubański, dr hab. inż. Jerzy Jantos, dr inż. Jarosław Mamala, Katedra Pojazdów Drogowych i Rolniczych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Opolska.
216 1. Wstęp Rozwój techniki nowoczesnych konstrukcji w pojazdach codziennego użytku oraz warunek spełnienia wyśrubowanych norm z zakresu ochrony środowiska, ograniczone zasoby ropy naftowej na rynkach światowych wszystko to decyduje o konieczności racjonalnego i efektywnego gospodarowania paliwem. Rys. 1. Bilans energetyczny silnika spalinowego [1] Fig. 1. Combustion engine energy balance Jednak w przypadku tłokowych silników spalinowych mamy do czynienia ze stratami podczas przemiany zawartej w paliwie energii na energię użyteczną silnika. Gazy wylotowe oraz układ chłodzenia stanowią największy procent strat energii zawartej w paliwie. Obecnie w wielu ośrodkach naukowo-badawczych prowadzi się badania nad wykorzystaniem odzysku tego typu energii [7 11]. Teoretyczny opis strat energetycznych silnika opisuje ogólne równanie bilansu energii silnika [2] Q = Q e + Q ch + Q w + Q n + Q r (1) Q ciepło dostarczone do silnika [J/s], Q e ciepło użyteczne [J/s], Q ch straty chłodzenia [J/s], Q w straty wylotu [J/s], Q n straty niezupełnego spalania [J/s], Q r reszta bilansu [J/s]. Energię dostarczoną do silnika wraz z paliwem można obliczyć z wzoru E = G e W d (2) G e zużycie paliwa [kg/s], W d wartość opałowa paliwa [kj/kg], natomiast moc użyteczna silnika jest tylko niewielką składową energii dostarczonej do silnika i można ją wyrazić następująco
217 N e = 2πnM o (3) N e moc użyteczna [W], M o moment obrotowy silnika [Nm], n prędkość obrotowa silnika [s -1 ]. Moc użyteczna silnika jest uzależniona od chwilowych parametrów pracy silnika, przede wszystkim od momentu obrotowego i prędkości. W niniejszym artykule podjęto próbę wyliczenia mocy silnika na drodze obliczeniowej, porównując jej wyniki z wynikami otrzymanymi dla silnika doświadczalnego zamontowanego na hamowni silnikowej. Dla opisanego silnika sprawdzono możliwość wykorzystania energii spalin do napędu turbogeneratora. 2. Napełnienie silnika i moc silnika Celem układu dolotowego jest możliwość jednakowego napełnienia świeżym ładunkiem każdego cylindra silnika spalinowego. Wskazane jest, aby doprowadzona masa powietrza pozwalała na osiągnięcie optymalnych parametrów pracy silnika, minimalnego zużycia paliwa i niskiej emisji składników toksycznych spalin. Parametry geometryczne układu dolotowego mają wpływ na współczynnik napełnienia. Na wartość maksymalnego współczynnika napełnienia oddziaływują stopień sprężania, budowa komory spalania, intensywność chłodzenia silnika, geometria układu korbowo-tłokowego. Wartość stanu obciążenia silnika uzależniona jest od jego prędkości oraz współczynnika napełnienia silnika przy zachowaniu wymagań odnośnie do składu mieszaniny palnej λ [3] i możemy ją wyrazić wzorami (4), (5): moc efektywna zpv1 ωo Ne =ηη e vw d ε n a,min ( MR ) T λ moment obrotowy M zp V η e sprawność efektywna, η v stopień napełnienia cylindra, W d wartość opałowa paliwa [J/kg], z liczba cylindrów silnika, p o ciśnienie obiegu [N/m 2 ], V 1 objętość [m 3 ], ε stopień sprężania, n' o,min ilość materii [kmol], (MR) uniwersalna stała gazowa, 8314,3 J/(kmol K), T o temperatura obiegu [K], prędkość kątowa [rad/s]. ω o 1 o =ηη e vwd 2 πεn a,min( MR) T λ 1 (4) (5)
218 Z zależności (4) i (5) możemy policzyć moc i moment obrotowy silnika przy następujących podstawowych założeniach: V ss = 1242 cm 3, prędkość obrotowa w zakresie 1 6 1/min. Pozostałe współczynniki dobrano z literatury [2, 6], tj.: współczynnik napełnienia (η v ), ciśnienie użyteczne (p e ), ciśnienie końca rozprężania (p 5 ), temperatura końca rozprężania (T 5 ), uchylenie przepustnicy (ϕ). 6 5 Moc Moc silnika silnika, [kw] 4 3 1 6 54 48 4 36 Prędkość Prędkość obrotowa, [1/min] obr/min 24 18 1 5 8 4 Uchylenie przepustnicy, % [%] Rys. 2. Wykres mocy silnika wykonany na podstawie założeń teoretycznych Fig. 2. Engine power diagram on the basis of theoretical assumptions Po podstawieniu do zależności (4) powyższych wartości otrzymano wykres przedstawiony na rys. 2. 3. Silnik badawczy Do określenia charakterystyki mocy silnika wykorzystano hamownię silnikową, na której zainstalowany został silnik spalinowy ZI o określonych parametrach (tab. 1). Do odwzorowania charakterystyki zastosowano bibliotekę nntools z programu Matlab wykorzystującą sztuczne sieci neuronowe. Do odwzorowania użyto sieci radialnej, która charakteryzuje się dwoma wejściami prędkość obrotowa wału korbowego silnika i uchylenie przepustnicy w kolektorze dolotowym, oraz jednym wyjściem, którym mogą być moment obrotowy silnika, strumień paliwa, stężenie związków toksycznych w spalinach. T a b e l a 1 Parametry techniczne silnika ZI Nazwa Parametr Typ silnika 188A5 Pojemność skokowa [cm 3 ] 1242 Moc maksymalna wg DIN [kw] 59 Prędkość obrotowa mocy maksymalnej [1/min] 5 Maksymalny moment obrotowy wg DIN [Nm] 144 Prędkość obrotowa maksymalnego momentu [1/min] 4
Wyznaczoną charakterystykę dla badanego silnika przedstawiono na rys. 3. 219 6 5 Moc Moc silnika silnika, [kw] kw 4 3 1 8 54 48 4 36 Prędkość obrotowa, [1/min] obr/min 24 18 5 Uchylenie Uchylenie przepustnicy przepustnicy, [%] % Rys. 3. Wykres mocy silnika 188A5 wykonany na podstawie badań własnych Fig. 3. Power diagram for 188A5 engine on the basis of performed tests Obliczona na podstawie założeń teoretycznych moc silnika (rys. 2) jest nieco zaniżona w stosunku do rzeczywistej mocy (rys. 3) tego silnika o ok. 5%. Jest to związane z zastosowanymi do obliczeń założeniami i uproszczeniami. 4. Wykorzystanie energii spalin Prawidłowo skonstruowany układ wylotowy pozwala na optymalne wykorzystanie energii spalin do napędu turbiny spalinowej. Istnieją trzy sposoby wykorzystania energii spalin do napędu turbiny [4, 6]: stałego ciśnienia, czyli ustalonego ciśnienia spalin na wlocie do turbiny, pulsacyjny, czyli zmiennego ciśnienia spalin na wlocie do turbiny, zasilanie jednoprzewodowe [6]. Na rysunku 4 przedstawiono sposób wykorzystania energii spalin w zależności od sposobu doładowania. Turbiny promieniowe budowane są zwykle jako urządzenia jednostopniowe [5], gdzie czynnik przepływa od kolektora zbiorczego na zewnętrznej stronie wirnika przez kierownice turbiny, promieniowo przez łopatki wirnika, do kolektora wewnętrznego, odprowadzającego spaliny na zewnątrz. Moc takiej turbiny wyraża się wzorem κ 1 t. κ 1 κt t Nt =ηiztηmt mt RT t 3 1 t 1 (6) κ πt
2 η izt sprawność izentropowa turbiny, η mt sprawność mechaniczna turbiny, m masowe natężenie przepływu spalin, t κ t wykładnik izentropy, R t stała gazowa spalin, π t rozpręż w turbinie, T 3 temperatura spalin przed turbiną. Rys. 4. Sposób wykorzystania energii spalin [5]: E 1 energia wykorzystana jedynie w układzie pulsacyjnym, E 2 energia wykorzystana w układzie pulsacyjnym i stałego ciśnienia, E 3 energia wykorzystana jedynie w układzie stałego ciśnienia Fig. 4. Way of using the exhaust gas energy [5], E 1 energy used only in a pulsatory system, E 2 energy used both in a pulsatory system and in a constant pressure system, E 3 energy used only in a constant pressure system 7 6 Moc turbiny [W] Moc turbiny, W 5 4 1 6 54 48 4 36 Prędkość obrotowa, obr/min [1/min] 24 18 1 5 8 4 Rys. 5. Wykres mocy turbiny spalinowej dokonany na podstawie założeń teoretycznych Fig. 5. Internal combustion turbine power diagram based on theoretical assumptions Uchylenie przepustnicy przepustnicy, [%] % Uchylenie
221 Na podstawie założeń teoretycznych zaczerpniętych z literatury [6] dokonano obliczenia mocy turbiny spalinowej, którą przedstawiono na rys. 5. Analizując rys. 5, można stwierdzić, że moc maksymalna turbiny, którą generuje silnik spalinowy o pojemności 1242 cm 3 wynosi ok. 6 kw. W celu sprawdzenia prawidłowości wykonanych obliczeń mocy turbiny spalinowej dokonano pomiarów rzeczywistych (rys. 6). 7 6 5 Moc Moc turbiny, [W] W 4 1 54 48 4 36 Prędkość obrotowa, obr/min [1/min] 24 18 5 8 Uchylenie przepustnicy Uchylenie [%] przepustnicy, % Rys. 6. Wykres mocy turbiny spalinowej wykonany na podstawie zmierzonych wartości Fig. 6. International combustion turbine power diagram based on measured values Moc turbiny, która została określona na podstawie badań własnych, jest o ok. 8% wyższa niż w przypadku obliczeń teoretycznych. 4.1. Turbogenerator Koncepcja rozwiązania turbogeneratora, czyli połączenie turbiny spalinowej z szybkoobrotowym generatorem prądu, została przedstawiona na rys. 7. Wał Rys. 7. Koncepcja rozwiązania turbiny spalinowej z generatorem prądu Fig. 7. The idea of an international combustion turbine with an electric generator
222 Zaletą rozwiązania jest prostota konstrukcji, mała liczba elementów, stosunkowo nieduża masa i niskie koszty wykonania. Do wad zaliczyć należy to, że wszystkie turbiny gazowe generują mały moment obrotowy, co oznacza niskie natężenie prądu wytwarzanego przez generator. Wszystkie turbiny pracują z dużą prędkością obrotową rzędu 1 1/min. Urządzenie spełniające warunek pracy z dużymi prędkościami obrotowymi i mające niewielkie opory własne to silnik bezszczotkowy, który może pełnić funkcję generatora prądu. Przedstawione w artykule obliczenia dowodzą, że dalsze prace nad turbogeneratorem są celowe. 5. Wnioski Przeprowadzone powyżej wykresy mocy turbiny wskazują na możliwość wykorzystania energii spalin do napędu turbogeneratora. Podstawiając moc max turbiny do wzoru na moc generatora elektrycznego, można uzyskać prawie 6 kw mocy elektrycznej. Oczywiście, moc elektryczna wahałaby się w zależności od prędkości obrotowej turbiny i obciążenia silnika spalinowego. Literatura [1] Karri M.A., Thatcher E.F., Helenbrook B.T., Campeau M.S., Thermoelectrical energy recovery from the exhaust of a light truck, Mechanical and Aeronautical Department, 3. [2] N i e w i a r o w s k i K., Tłokowe silniki spalinowe, WKiŁ, Warszawa 1983. [3] Postrzednik S., Ż mudka Z., Termodynamiczne oraz ekologiczne uwarunkowania eksploatacji tłokowych silników spalinowych, Gliwice 7. [4] M y s ł o w s k i J., Doładowanie silników, WKiŁ, Warszawa 2. [5] Kowalewicz A., Doładowanie samochodowych silników spalinowych, Politechnika Radomska, Radom 1998. [6] W a j a n d J.A., W a j a n d J.T., Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe. [7] H o f m a n n U., Diesel engine waste heat recovery utilizing electric turbocompound technology, DEER Conference, 2. [8] Hopmann U., Diesel engine waste heat recovery utilizing electric turbocompound technology, DEER Conference, 4. [9] S e n d y k a B., S o c z ó w k a J., Recovery of exhaust gases energy by means of turbocompound, Politechnika Krakowska. [1] C h o w A., W y s z y n s k i M.L., Thermodynamic modelling of complete engine system a review, School of Manufacturing and Mechanical Engineering, University of Birmingham, UK 1999. [11] Gleszler A., Diesel Turbo-compound technology, ICCT/NESCCAF Workshop, Improving the fuel Economy of Heavy-Duty Fleets II, 8.