Θερμοδυναμικός Χαρακτηρισμός Ροών Εξάτμισης Κινητήρα για Ανάκτηση Ενέργειας Απόβλητης Εξάτμισης (Εξεργία)

Η βιομηχανία κινητήρων βαρέως τύπου στις Ηνωμένες Πολιτείες αντιμετωπίζει μια δύσκολη πρόκληση στην επίδειξη τεχνολογιών κινητήρων για την επίτευξη θερμικής απόδοσης πέδησης 55% (BTE) για μελλοντικούς κινητήρες ντίζελ βαρέως τύπου υπό την αιγίδα του συνεχιζόμενου προγράμματος SuperTruck II του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (ΗΠΑ DOE, 2017). Το BTE είναι ένα μέτρο της μετατροπής της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε χρήσιμη ισχύ στον άξονα του κινητήρα. Ως μέρος του χαρτοφυλακίου των στρατηγικών που εξετάζονται για τη λειτουργία υψηλού BTE, σημαντικές είναι οι διάφορες προηγμένες στρατηγικές καύσης σε χαμηλές θερμοκρασίες και η ανάκτηση απόβλητης ενέργειας (WER).

Καθώς οι ερευνητές εργάζονται σκληρά για να συμπιέσουν και την τελευταία ποσοστιαία μονάδα BTE του κινητήρα εσωτερικής καύσης (IC), γίνεται όλο και πιο σημαντικό είτε να αποτρέψουν είτε να ανακτήσουν τη χημική ενέργεια του καυσίμου που σπαταλάται. Δύο βασικοί παράγοντες που συμβάλλουν στην αναποτελεσματικότητα του κινητήρα είναι η ενέργεια που μεταφέρεται με τη μορφή μεταφοράς θερμότητας στο ψυκτικό του κινητήρα και η ενέργεια που χάνεται με τα καυτά καυσαέρια που εξέρχονται από την πολλαπλή εξαγωγής του κινητήρα. Αυστηρά μιλώντας, δεν είναι η ενέργεια Αυτό είναι σημαντικό εδώ, αλλά το χρήσιμο μέρος της ενέργειας, που τεχνικά ονομάζεται «εξεργία», το οποίο ορίζεται πάντα σε σχέση με ένα περιβάλλον (γνωστό, κάπως δραματικά, ως «νεκρή κατάσταση», η οποία εξ ορισμού έχει μηδενική εξέργεια) (βλ. Bejan, 2016).

«Παγκόσμιες» αναλύσεις εξεργίας των διεργασιών του κινητήρα έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για τον ποσοτικό προσδιορισμό των κλασμάτων της χημικής ενέργειας του καυσίμου που χάνονται λόγω μη αναστρέψιμων διεργασιών (οι περισσότερες «πραγματικές» διαδικασίες μετατροπής ενέργειας είναι «μη αναστρέψιμες»). Η καταστροφή της εξεργίας συμβαίνει στη διαδικασία καύσης και η εξέργεια χάνεται επίσης με τη μεταφορά θερμότητας στο ψυκτικό και με τη ροή καυσαερίων έξω από τον κινητήρα. Οι παγκόσμιες αναλύσεις εξεργίας παρέχουν ποσοστιαία κατανομή της εξεργίας σε διάφορα κανάλια, εντοπίζοντας έτσι τις πηγές των μη αναστρέψιμων. Ωστόσο, απαιτούνται πιο λεπτομερείς πληροφορίες για τη μείωση της καταστροφής της εξεργίας από αυτές τις διάφορες πηγές. Για παράδειγμα, είναι απαραίτητο να ποσοτικοποιηθεί ο χρόνος (ή η γωνία του στρόφαλου) των ροών εξάτμισης της εξάτμισης του κινητήρα για να καθοριστεί ο τρόπος εξαγωγής χρήσιμου έργου, αλλά καμία προηγούμενη μελέτη δεν είχε εξετάσει αυτή τη σημαντική πτυχή των ροών εξεργίας στα καυσαέρια.

Πρόσφατα, οι Mahabadipur et al. (2018) πραγματοποίησε τον πρώτο χαρακτηρισμό των ροών εξεργίας με ανάλυση γωνίας στροφάλου στην εξάτμιση ενός κινητήρα ντίζελ από την οπτική γωνία της εξάτμισης WER. Σε αυτήν την εργασία, οι συγγραφείς εισήγαγαν μια νέα μεθοδολογία που αξιοποίησε πειραματικές μετρήσεις πίεσης καυσαερίων υψηλής ταχύτητας με προσομοιώσεις κινητήρα σε επίπεδο συστήματος για τον υπολογισμό της εξεργίας εξάτμισης με ανάλυση γωνίας στροφάλου.

Παρουσίασαν επίσης τα πρώτα αποτελέσματα που ποσοτικοποιούν τα θερμικά (δηλαδή λόγω θερμοκρασίας) και τα μηχανικά (λόγω πίεσης) συστατικά της εξαγωγής καυσαερίων, καθώς και την κατανομή της ενέργειας μεταξύ διαφορετικών χρονικών φάσεων της διεργασίας καυσαερίων, όπως το "blowdown" και το φάσεις «μετατόπισης». Αν και αυτά τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν μόνο για την καύση ντίζελ σε έναν μονοκύλινδρο ερευνητικό κινητήρα, η τεχνική προσέγγιση που εισήχθη σε αυτήν τη μελέτη είναι εφαρμόσιμη για τον προσδιορισμό των τύπων συσκευών WER εξάτμισης που είναι πιο κατάλληλες για διαφορετικές διαμορφώσεις κινητήρα και συνθήκες λειτουργίας.

Έχουν εξεταστεί διάφορες προσεγγίσεις για την εξάτμιση WER από κινητήρες IC. Για παράδειγμα, η υπερσυμπίεση, η οποία ανακτά την ενέργεια των καυσαερίων χρησιμοποιώντας έναν στρόβιλο για την κίνηση ενός συμπιεστή για τη συμπίεση του φρέσκου αέρα στην εισαγωγή του κινητήρα, είναι μια καθιερωμένη στρατηγική WER εξάτμισης. Η υπερσυμπίεση, η οποία χρησιμοποιεί τη θερμική συνιστώσα της εξαγωγής καυσαερίων, είναι πανταχού παρούσα στους σύγχρονους κινητήρες ντίζελ και γίνεται ολοένα και πιο κοινή στους κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα.

Μια άλλη στρατηγική WER εξάτμισης που ανακτά τη θερμική συνιστώσα της εξαγωγής καυσαερίων χρησιμοποιεί έναν «κύκλο πυθμένα» που βασίζεται στον οργανικό κύκλο Rankine (ORC). Ουσιαστικά, οι κύκλοι πυθμένα με βάση το ORC είναι πολύ παρόμοιοι με τους κύκλους Rankine που χρησιμοποιούνται σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς, εκτός από το ότι οι κύκλοι ORC χρησιμοποιούν οργανικά υγρά εργασίας (π.χ. μίγματα ψυκτικών) αντί για ατμό. Σε αντίθεση με τους κύκλους υπερσυμπίεσης και ORC, άλλες «άμεσες» συσκευές WER (π.χ. διαστολείς θετικής μετατόπισης) προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν άμεσα το μηχανικό στοιχείο της εξαγωγής καυσαερίων.

Συνοπτικά, οι Mahabadipur et al. παρέχει μια συστηματική προσέγγιση, σταθερά ριζωμένη σε θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές, για τους σχεδιαστές κινητήρων να προσδιορίζουν τους καλύτερους δυνατούς τρόπους ανάκτησης της εξάτμισης για διάφορους κινητήρες και συνθήκες λειτουργίας για να επιτύχουν δυνητικά σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Crank angle-resolved exergy analysis of exhaust flows in a diesel engine from the exhaust waste power recovery, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Energy . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Hamidreza Mahabadipur, Kalyan Kumar Srinivasan και Sundar Rajan Krishnan από το Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα και Swaminathan Subramanian από την Εταιρική Έρευνα και Τεχνολογία της Eaton.

Αναφορές:

1. Bejan, A. (2016). Προηγμένη Θερμοδυναμική Μηχανικής , 4 Έκδοση, Wiley, ISBN 978-1119052098
2. Mahabadipur, H., Srinivasan, K.K., Krishnan, S.R., Subramanian, S. (2018). Ανάλυση εξεργίας με ανάλυση γωνίας στροφάλου των ροών καυσαερίων σε κινητήρα ντίζελ από την προοπτική της ανάκτησης ενέργειας απορριμμάτων καυσαερίων. Εφαρμοσμένη ενέργεια , 216 , 31-34, (https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.02.037.)
3. US DOE (2017). SupertTruck II, Πρόγραμμα Γραφείου Τεχνολογιών Οχημάτων Ευρείες επιλογές για την Επιτάχυνση της Ανάπτυξης Καινοτόμων Τεχνολογιών. https://www.energy.gov/articles/energy-department-announces-137-million-investment-commercial-and-passenger-vehicle (πρόσβαση στις 2 Απριλίου 2018)