3. Tendencje rozwoju silnikowych układów napędowych w aspekcie zwiększania
3.2. Metody odzysku energii gazów wylotowych
Oprócz zmian konstrukcji silników spalinowych mających na celu zwiększenie efektywności układów napędowych, ograniczenie zużycia paliwa i emisji CO2
opracowywane są układy odzysku energii gazów wylotowych. Dingel i in. [23]
dokonali podziału metod wykorzystania tej formy energii, które są stosowane w pojazdach samochodowych (rys. 3.15). Najpowszechniejsze obecnie jest stosowanie doładowania silników spalinowych realizowane za pomocą turbosprężarek montowanych w układzie wylotowym silnika. W większości nowoczesnych silników ZS stosowane są turbosprężarki o zmiennej geometrii łopatek kierownicy VGT.
Również w przypadku silników ZI coraz częściej stosowane są tego typu układy ze względu na wybór wspominanej wcześniej technologii dowsizingu.
Rys. 3.15. Podział metod wykorzystania energii gazów wylotowych stosowanych w tłokowych silnikach spalinowych [23]
Za wyjątkiem używania klasycznych układów doładowania silników w pojazdach ciężkich stosowane są układy turbocompound (turbowspomaganie). Założeniem tego układu jest konwersja energii gazów wylotowych na energię mechaniczną. Pawlak w pracy [87] w swojej pracy przedstawił analizę konstrukcji układów turbocompound stosowanych w pojazdach ciężkich koncernu Scania. Pierwszy z nich wdrożono w 1991 r. w silniku DTC11 01 o objętości skokowej Vss = 11 dm3 (rys. 3.16).
Zbudowany był z dodatkowej turbiny mocy umieszczonej za turbosprężarką i połączonej z wałem korbowym silnika za pomocą przekładni mechanicznej wraz ze sprzęgłem hydrokinetycznym. Zadaniem przekładni jest redukcja prędkości obrotowej turbiny z 50 000 obr/min do prędkości obrotowej wału korbowego silnika. Silnik DTC11 01 osiągał maksymalną moc użyteczną Ne = 294 kW (400 KM) przy n = 1900 obr/min. Maksymalny moment obrotowy silnika to Mo = 1750 N∙m w zakresie n = 1200–1500 obr/min. Układ turbocompound zastosowano także w nowszych silnikach spełniających normy emisji Euro III i IV. W przypadku jednostek napędowych spełniających normę Euro III w układ ten wyposażono silnik DT12 06 o objętości skokowej Vss = 12 dm3 i mocy użytecznej Ne = 346 kW (470 KM).
Zastosowanie układu turbocompound skutkowało zwiększeniem mocy użytecznej o 36 kW (50 KM) bazowego silnika, którym była jednostka DT12 11. Oprócz wymienionych jednostek napędowych rozwiązanie to wykorzystano w silnikach DT12 12 (Vss = 12 dm3, Ne = 309 kW) i DT12 17 (Vss = 12 dm3, Ne = 353 kW) spełniających normę Euro IV (rys. 3.17) [84, 129].
Rys. 3.16. Silnik Scania DTC11 01 wyposażony w układ turbocompound
z 1991 r. [135]
Rys. 3.17. Silnik Scania DT12 12 wraz z układem turbocompound spełniający normę emisji Euro IV [135]
W Europie układ turbocompound w swoich pojazdach stosuje również koncern Volvo – w silnikach D12D o mocy użytecznej Ne = 368 kW (500 KM). Rozwiązanie to różni się jednak od oferowanego przez Scanię (rys. 3.18). W przypadku układu Volvo drugą dodatkową turbinę umieszczono w jednej obudowie z turbiną standardowej turbosprężarki (rys. 3.19). Śliwiński w pracy [105] stwierdził, że w tym rozwiązaniu maksymalny odzysk energii gazów wylotowych nie przekracza 20%.
Zastosowanie dodatkowego elementu w układzie wylotowym silnika powoduje wzrost oporu przepływu. Zwiększenie przeciwciśnienia w układzie wylotowym skutkuje wzrostem pracy układu wymiany ładunku oraz współczynnika reszty gazów wylotowych. Zjawiska te wymuszają wewnętrzną recyrkulację gazów, która w warunkach maksymalnego obciążenia silnika powoduje zmniejszenie jego mocy użytecznej. Wpływ na wartość odzysku energii odpadowej ma również sprawność przekładni mechanicznej, której zadaniem jest redukcja prędkości obrotowej turbiny (70 000 obr/min) do maksymalnej prędkości obrotowej wału korbowego silnika wynoszącej 1800 obr/min. Wynika z tego, że aby określić całkowity przyrost energii
użytecznej należy odjąć energię straconą w opisanych wyżej procesach. Bilans energetyczny całego systemu wskazuje na wzrost sprawności ogólnej o o = 5% i mocy użytecznej Ne = 10% [43].
Rys. 3.18. Silnik Volvo D12D o mocy użytecznej Ne = 368 kW z układem turbocompound [136]
Rys. 3.19. Układ turbocompund firmy Volvo stosowany w silnikach D12D [136]
W pojazdach samochodowych i maszynach roboczych stosowane są również układy odzysku energii z gazów wylotowych wykorzystujące obieg termodynamiczny Clausiusa-Rankine’a. Obieg ten najpowszechniej występuje w siłowniach parowych konwencjonalnych i jądrowych (rys. 3.20). Porównawczy obieg Rankine’a składa się z następujących przemian (rys. 3.21):
a) 1–2 – izentropowe rozprężanie pary (s = idem) w turbinie parowej (w rzeczywistości występuje nieodwracalne rozprężanie adiabatyczne),
b) 2–3 – izobaryczno-izotermiczne (p = idem, T = idem) odprowadzenie ciepła qod w skraplaczu,
c) 3–4 – izochoryczne (v = idem) sprężanie kondensatu w pompie,
d) 4–1 – izobaryczne (p = idem) doprowadzenie ciepła qd w kotle parowym.
W zastosowaniach motoryzacyjnych obieg Clausiusa-Rankine’a nazywany jest ORC (Organic Rankine Cycle) [12, 23, 57]. W związku z tym w dalszej części pracy przyjęto oznaczenie tego obiegu jako ORC.
Rys. 3.20. Schemat ideowy siłowni parowej działającej według obiegu Clausiusa-Rankine’a [132]
Rys. 3.21. Obieg Clausiusa-Rankine’a w układzie T-s
Konstruktorzy koncernu Robert Bosch GmbH prowadzą intensywne prace rozwojowe dotyczące wdrożenia układów odzysku energii z gazów wylotowych przy wykorzystaniu ORC. Seher i in. w pracy [98] zaprezentowali koncepcje takiego układu dedykowanego dla pojazdów kategorii HDV (rys. 3.22). Składa się on z dwóch
parowników, tłokowej maszyny parowej lub turbiny parowej, skraplacza, pompy kondensatu, zbiornika na kondensat, pompy czynnika roboczego oraz z trzech zaworów – upustowego, rozdzielczego i regulującego przepływ. Wyposażony jest również w czujniki temperatury oraz ciśnienia. W celu zapewnienia sprawnego funkcjonowania całego układu ORC opracowano system sterujący, który działa autonomicznie albo może być zintegrowany ze sterownikiem silnika spalinowego. Czynnikiem roboczym w układzie odzysku energii jest woda lub etanol. Obieg ORC realizowany jest w następujący sposób: czynnik roboczy podgrzewany jest w dwóch parownikach i powstały strumień pary kierowany jest do maszyny tłokowej lub turbiny, a kolejno do skraplacza. Gdy ciśnienie pary jest za wysokie, trafia ona przez zawór upustowy bezpośrednio do skraplacza. Za pomocą pompy kondensat jest tłoczony do zbiornika.
Z niego, również przy zastosowaniu pompy, dostarczany jest do parowników, przepływając uprzednio przez rozdzielacz i zawór regulujący przepływ.
Rys. 3.22. Koncepcja układu odzysku energii z gazów wylotowych wykorzystującego ORC firmy Robert Bosch GmbH [98]
Jeżeli w układzie odzysku energii zastosowana zostanie tłokowa maszyna parowa, wytworzona w niej energia mechaniczna może być przekazywana bezpośrednio do silnika bądź za pomocą przekładni pasowej. W przypadku gdy w układzie wykorzystywana jest turbina parowa prędkość obrotowa wirnika może być skierowana za pomocą przekładni zębatej do wału korbowego silnika. Istnieje również możliwość połączenia turbiny parowej z generatorem elektrycznym, wskutek czego wytwarzana jest energia elektryczna, która może być wprowadzana bezpośrednio do sieci elektrycznej pojazdu lub magazynowana w akumulatorze.
Zaprezentowane w pracy [74] badania dla silnika pojazdu kategorii HDV o objętości skokowej Vss = 12 dm3 w teście homologacyjnym ESC w punkcie pracy B75 (prędkość obrotowa wału korbowego B i 75% obciążenia) wykazały, że moc wytworzona przez parową maszynę tłokową wyniosła NMT = 12 kW, a w punkcie B100 (prędkość obrotowa wału korbowego B i 100% obciążenia) NMT = 18,2 kW.
W przypadku turbiny parowej moc wyprodukowana przez nią w punkcie B75 wynosiła
NTP = 10,1 kW, a w B100 NTP = 16,1 kW. Dla obu rozwiązań moc przez nie wytworzona stanowiła 5% mocy wygenerowanej przez silnik spalinowy.
Oprócz koncernu Robert Bosch GmbH prace nad wdrożeniem do seryjnej produkcji układów wykorzystujących ORC prowadzi wiele innych producentów. Jako kolejny przykład przedstawiono projekt rozwiązania zaproponowanego przez koncern Cummis (rys. 3.23). Koeberlein w swojej pracy [57] przedstawił główne założenia projektu Cummins SuperTruck Program, w którym konstruktorzy koncernu Cummins i Peterbilt pracują nad stworzeniem nowoczesnego ciągnika siodłowego o ograniczonej emisji zanieczyszczeń oraz energochłonności – zużyciu paliwa i emisji CO2. W celu ograniczenia zużycia paliwa silników Cummins ISX 15 dm3 zaproponowano instalację układu odzysku energii gazów wylotowych wykorzystującego ORC. Założono, że silnik wyposażony zostanie w dwa dodatkowe wymienniki ciepła w układzie wylotowym (jeden przed zaworem EGR, a drugi za układem katalitycznym) oraz parownik, w którym czynnik roboczy przechodzi ze stanu ciekłego w stan gazowy (rys. 3.24).
Powstała w ten sposób para napędza turbinę, która za pomocą przekładni mechanicznej przekazuje odzyskaną energię gazów wylotowych do wału korbowego silnika. Para kondensuje się w skraplaczu za turbiną i następnie kondensat kierowany jest do dodatkowej chłodnicy układu odzysku energii. Następnie czynnik roboczy, w zależności od jego parametrów termodynamicznych i warunków pracy silnika, jest kierowany za pomocą pompy do parownika po uprzednim przejściu przez jeden lub dwa wymienniki ciepła. Według Koeberleina [57] zastosowanie układu ORC w silniku Cummins ISX 15 dm3 spowodowało zwiększenie sprawności ogólnej o 2,7% oraz ograniczenie zużycia paliwa o 6%.
Rys. 3.23. Silnik Cummins ISX 15l z układem odzysku energii z gazów wylotowych [57]
Rys. 3.24. Schemat układu odzysku energii z wykorzystaniem ORC koncernu Cummins [57]
Do producentów pojazdów kategorii HDV wdrażających do swoich jednostek napędowych układy odzysku energii gazów wylotowych przy wykorzystaniu ORC można zaliczyć także koncerny Renault Trucks oraz Iveco SpA [45, 59, 134]. Renault Trucks opracowało ciężki pojazd doświadczalny Optifuel Lab 2 (rys. 3.25a), w którego jednostce napędowej zastosowano układ odzysku energii gazów wylotowych wykorzystujący ORC (rys. 3.25b). Zgodnie z założeniami przyjętymi przez konstruktorów koncernu układ ten ma za zadanie konwersję energii odpadowej na elektryczną, która następnie jest wykorzystywana w pojeździe. Z tego względu turbinę napędzaną parą wytworzoną z czynnika roboczego układu ORC połączono z generatorem prądu, tworząc turbogenerator. Wytworzona w tym układzie energia
elektryczna wspomaga działanie klasycznego alternatora zastosowanego w silniku spalinowym redukując jednocześnie jego wydatek energetyczny, co przekłada się na zmniejszenie zużycia paliwa i wzrost efektywności układu napędowego.
a) b)
Rys. 3.25. Pojazd doświadczalny koncernu Renault Trucks Optifuel Lab 2 (a) z zastosowanym układem odzysku energii gazów wylotowych z wykorzystaniem ORC (b) [134]
Konstruktorzy koncernu Iveco SpA opracowali układ ORC dedykowany dla ciągnika siodłowego Iveco Stralis. Różni się on od rozwiązania oferowanego przez Renault Trucks. W przypadku Iveco zastosowano tłokową maszynę parową, która przekazuje wytworzony moment obrotowy za pomocą przekładni pasowej do przystawki odbioru mocy PTO (Power Take-Off). Krahenbuhl i in. [59] przedstawili wyniki pomiarów zrealizowane na stanowisku badawczym opracowanym przez Iveco SpA oraz AVL List GmbH, na którym zainstalowano silnik Cursor 11 FTP Euro VI z układem ORC (rys. 3.26). Stanowisko to wyposażono w specjalnie opracowany system sterujący i integrujący działanie silnika spalinowego z układem odzysku energii gazów wylotowych. Wykonano na nim badania weryfikujące przeprowadzone wcześniej prace symulacyjne przy wykorzystaniu narzędzi CFD. Wykazały one, że korzystniejsze jest zastosowanie etanolu jako czynnika roboczego niż wody czy R245fa (czynnik z grupy hydrofluorowęglowodorów). W przypadku zastosowania etanolu, według obliczeń symulacyjnych, maksymalna moc wytworzona przez układ odzysku energii wynosi 4,4 kW. Dla wody moc ta wyniosła 3,6 kW, a dla R245fa 2,2 kW.
Krahenbuhl i in. [59] zdefiniowali również sprawność układu ORC jako stosunek ilości energii wytwornej przez tłokową maszynę parową do ilości ciepła dostarczonego do niej przez czynnik roboczy. Największą sprawność wynoszącą 9% uzyskano dla etanolu, a najmniejszą 6,1% dla R245fa. Zastosowanie opisywanego układu odzysku energii gazów wylotowych wpływa na obniżenie zużycia paliwa o 3,5% w testach wykonanych na stanowisku pomiarowym.
W pojazdach PC układy odzysku energii odpadowej przy wykorzystaniu ORC są rzadziej stosowane niż w pojazdach HDV i NRMM. Hase w pracy [44] stwierdził na podstawie badań doświadczalnych, że stosowanie układu odzysku energii gazów wylotowych wykorzystującego ORC w pojazdach kategorii PC nie jest korzystne ze względu na małą ilość energii wygenerowanej przy zmiennych warunkach jazdy. Przy stałych parametrach ruchu układ opracowany przez autora generuje 400 W dla prędkości samochodu V = 80 km/h i 500 W dla V = 90 km/h. Z tego względu zasadnym staje się stosowanie układów ORC w pojazdach kategorii HDV, szczególnie długodystansowych, które poruszają się w większości ze stałą prędkością, dzięki czemu sprawność odzysku energii odpadowej będzie większa niż w przypadku pojazdów osobowych.
Rys. 3.26. Stanowisko badawcze silnika spalinowego koncernu Iveco dedykowanego dla pojazdu
Stralis wraz z układem odzysku energii z gazów wylotowych wykorzystującym ORC [59]
Najbardziej znanym układem wykorzystującym ORC w pojazdach PC jest Turbosteamer opracowany przez koncern BMW. Założenia konstrukcyjne tego układu opublikowano w pracy [31] i są podobne do rozwiązań stosowanych w pojazdach kategorii HDV. Turbosteamer składa się z wymiennika ciepła wraz z bypassem, turbiny parowej z generatorem i skraplacza (rys. 3.27). Ciecz robocza za pomocą pompy (Wp 1→2) jest tłoczona do wymiennika ciepła (parownika), w którym następuje jej odparowanie i kierowana jest pod wysokim ciśnieniem do turbiny parowej (Qwej. 2→3).
Para napędza turbinę (Wtp 3→4), która jest połączona z generatorem elektrycznym.
Następnie para kierowana jest do drugiego wymiennika ciepła (skraplacza), w którym następuje jej skroplenie (Qwyj. 3→4).
Rys. 3.27. Układ odzysku energii gazów wylotowych Turbosteamer opracowany przez koncern BMW [30]
Freymann i in. [30] przedstawili wyniki badań eksperymentalnych przeprowadzonych dla układu Turbosteamer zamontowanego w układzie wylotowym pojazdu samochodowego BMW serii 5 wyposażonego w doładowany 4-cylindrowy silnik ZI. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że przy prędkości 150 km/h układ odzysku energii wygenerował moc NT = 2000 W – cały strumień gazów wylotowych był kierowany przez układ Turbosteamer (rys. 3.28). Powyżej tej prędkości jedynie jego cześć jest kierowana do układu, pozostała za pomocą bypassu trafia do układu wylotowego.
Rys. 3.28. Charakterystyka ogólna silnika pojazdu BMW serii 5 wraz z zastosowanym układem odzysku energii gazów wylotowych Turbosteamer [30]
Przy prędkościach 70–150 km/h Turbosteamer wytwarza energię stanowiącą 3–5%
mocy maksymalnej silnika. Autorzy przewidują, że w całym zakresie pracy układ wygeneruje około 6% mocy mechanicznej silnika, co przełoży się bezpośrednio na zmniejszenie zużycia paliwa [30].
Kolejną grupą układów odzysku energii odpadowej z gazów wylotowych stanowią turbogeneratory. Są to maszyny, w których dochodzi do zmiany energii z gazów wylotowych na energię elektryczną. Turbogenerator składa się z turbiny i generatora elektrycznego umieszczonych w jednym korpusie (rys. 3.29). Turbina połączona jest wałem poprzez sprzęgło z wirnikiem szybkoobrotowego generatora elektrycznego, który na jedną fazę wytwarza napięcie do wartości U = 180 V. Wynika to z dużej wartości prędkości obrotowej turbozespołu, która może wynosić 100 000 obr/min.
Z tego względu konieczne jest zastosowanie przetwornika napięcia AC/DC, którego nadrzędnym zadaniem będzie utrzymywanie napięcia U = 14 V w celu współpracy z akumulatorowym zasobnikiem energii w pojeździe [24].
a) b)
Rys. 3.29. Schemat ideowy turbogeneratora zastosowanego w układzie wylotowym silnika:
a) bez turbosprężarki, b) z turbosprężarką
W silnikach bolidów F1 (Formuła 1) od 2014 r. stosowane są turbogeneratory jako dodatkowe źródło odzysku energii, co związane było z wprowadzeniem przez FIA (Federation Internationale de l’Automobile) nowych regulacji. Zakładały one zastąpienie w bolidach dotychczasowego wolnossącego silnika V8 o objętości skokowej
Vss = 2,4 dm3 doładowaną jednostką V6 o Vss = 1,6 dm3[1]. Wdrożenie nowego silnika spalinowego miało na celu zmniejszenie energochłonności i szkodliwego oddziaływania na środowisko naturalne pojazdów F1 podczas wyścigów. Z tego względu ustalono dopuszczalną masę paliwa wynoszącą 100 kg jaką może zużywać bolid podczas jednego wyścigu [1]. W latach poprzedzających nowelizację przepisów tego typu limit nie obowiązywał – według danych Renault Sport F1 pojazdy zużywały średnio 160 kg paliwa podczas wyścigu [86]. Od 2009 r. do bolidów F1 wdrożono układ odzysku energii kinetycznej KERS (Kinetic Energy Recovery System), który dostarczał maksymalnie 60 kW mocy przez 7 sekund podczas jednego okrążenia [1, 129].
W związku z przytaczaną zmianą konfiguracji jednostek napędowych układ KERS został rozbudowany o turbogenerator MGU-H (Motor Generator Unit-Heat – rys. 3.30), który może ładować akumulatorowe zasobniki energii pojazdu lub bezpośrednio przekazywać energię do MGU-K (Motor Generator Unit-Kinetic) i dalej do kół pojazdu. Umieszczony jest on za turbosprężarką, dzięki czemu może pełnić również funkcję zaworu upustowego wastegate zabezpieczającego silnik przed dostarczeniem nadmiernej ilości świeżego ładunku do komory spalania. MGU-H posiada także możliwość ograniczenia występowania zjawiska tzw. turbodziury, dzięki dostarczaniu energii do napędu sprężarki w momencie, kiedy jest zbyt mała ilość gazów wylotowych wykorzystywanych do napędu turbiny. Obecnie układ odzysku energii w bolidach F1 nazywany jest ERS (Energy Recovery System). Jego moc maksymalna wynosi Ne = 120 kW, a moment obrotowy Mo = 200 Nm.
Rys. 3.30. Układ odzysku energii ERS stosowany w bolidach Formuły 1 od 2014 r.:
MGU-K – moduł odzysku energii kinetycznej podczas hamownia, MGU-H – moduł odzysku energii z gazów wylotowych [1]
Zespoły F1 w swoich bolidach zastosowały różne konstrukcje turbogeneratorów MGU-H. Konstruktorzy Renault Sport F1 opracowali MGU-H zintegrowany z turbosprężarką (sprężarka połączona jest z wirnikiem generatora), który może pracować jako prądnica lub silnik elektryczny (rys. 3.31). Jeżeli zespół pracuje jako prądnica, wytwarzane jest napięcie elektryczne, które przekazywane jest do akumulatorowego zasobnika energii i następnie przez MGU-K do kół pojazdu. MGU-H może pełnić również funkcję silnika, który napędza sprężarkę w celu sprężenia świeżego ładunku przy niewystarczającej ilości gazów wylotowych napędzających turbinę. Dzięki temu możliwe jest ograniczenie zjawiska tzw. turbodziury [90, 128].
W przypadku bolidów zespołów Ferrari, Hondy i Mercedesa przyjęto odmienną strategię usytuowania MGU-H niż w przypadku Renault Sport F1 (rys. 3.32).
Umieszczono go między turbiną a sprężarką (rys. 3.33) w zwartej obudowie. Nie
zmieniła się jednak rola całego układu – jest taka sama jak w przypadku połączenia sprężarki z MGU-H stosowanego w bolidach Renault Sport F1.
Rys. 3.31. Schemat ideowy układu odzysku energii ERS opracowany przez Renault Sport F1 [90]
Rys. 3.32. Konfiguracje układu ERS stosowane przez zespoły F1 [128]
Rys. 3.33. MGU-H firmy Magneti Marelli stosowany w bolidach Ferrari [130]
Przedstawione rozwiązania mające na celu zwiększenie efektywności spalinowych układów napędowych i ograniczenie zużycia paliwa oraz emisji drogowej CO2
zawierają się aktualnie w strategii rozwoju układów napędowych wdrażanej przez producentów pojazdów samochodowych. W przypadku zmian konstrukcji tłokowych silników spalinowych trendem dominującym jest stosowanie downsizigu i w ostatnim czasie rigtsizingu. Oprócz tych zmian opracowywane są innowacyjne rozwiązania odzysku energii gazów wylotowych oraz mechanicznej. Nadrzędnym zadaniem tych układów jest konwersja energii odpadowej na pracę użyteczną bądź energię elektryczną.
W przypadku układów odzysku energii gazów wylotowych niewiele rozwiązań jest obecnie wdrożonych do seryjnej produkcji. W większości prowadzone są prace rozwojowe ukierunkowane na ich zastosowanie w układach napędowych pojazdów.
W niniejszym rozdziale zaprezentowano przykładowe prototypowe rozwiązania takich układów oraz wyniki badań. Z ich analizy wynika, że układy odzysku energii gazów wylotowych cechują się wysoki potencjałem wdrożeniowym. Do konwersji tej formy energii wykorzystywane są także generatory termoelektryczne TEG. Ich szczegółową analizę przeprowadzono w kolejnym rozdziale pracy.