Przebiegi temperatury w układzie z generatorem termoelektrycznym

Ze względu na niskie temperatury gazów wylotowych uzyskane w odzwierciedlonym teście homologacyjnym NEDC i odzwierciedlonym cyklu jezdnym generator ATEG2 usytuowano za utleniającym reaktorem katalitycznym DOC (rys. 9.6), przed tłumikiem końcowym. W układzie wylotowym umieszczono pięć czujników temperatury: za reaktorem katalitycznym t1 – punkt 1), przed i za generatorem ATEG2 (t_wlot i t_wyl) oraz przed i za tłumikiem (t₂ – punkt 2, t₃ – punkt 3).

Rys. 9.6. Rozmieszczenie punktów pomiaru temperatury w układzie wylotowym silnika 1,3 SDE wraz z zamontowanym generatorem ATEG2

W pomiarach wykonanych na dynamicznym silnikowym stanowisku hamulcowym z silnikiem 1,3 SDE temperatura w punkcie t₁, za utleniającym reaktorem katalitycznym DOC, nie przekroczyła 250^oC (rys. 9.7 i 9.8). Na wlocie do generatora ATEG2 wyniosła maksymalnie 200^oC. Zaobserwowano również, że zmierzona temperatura wzrastała wraz z upływem czasu. Związane to było ze stabilizacją cieplną układu wylotowego, którą osiągnięto w teście homologacyjnym NEDC po 200 s, a w odzwierciedlonym cyklu jezdnym po 400 s. Maksymalny spadek temperatury zarówno w generatorze ATEG2, jak i w tłumiku dla obu testów był zbliżony i wyniósł odpowiednio: 50 i 53^oC oraz 31^oC. Generator ATEG2 był oddalony od końca utleniającego reaktora katalitycznego o 50 cm, co wynikało z ukształtowania silnikowego stanowiska hamulcowego.

Rys. 9.7. Przebiegi temperatury w układzie wylotowym silnika 1,3 SDE z generatorem ATEG2 na dynamicznym silnikowym stanowisku hamulcowym w odzwierciedlonym teście homologacyjnym

NEDC: a) w punktach t₁–t3 i t_wlot–twyl, b) różnice t₁ – t3, t_wyl – twlot oraz t₂ – t3

Rys. 9.8. Przebiegi temperatury w układzie wylotowym silnika 1,3 SDE z generatorem ATEG2 na dynamicznym silnikowym stanowisku hamulcowym w odzwierciedlonym cyklu jezdnym:

a) w punktach t₁–t3 i t_wlot–twyl, b) różnice t₁ – t3, t_wyl – twlot oraz t₂ – t3

Silnik 1,2 TSI

Zgodnie z przyjętymi założeniami w poprzednim podrozdziale generator ATEG2 umieszczono w obszarze oddalonym o 15 cm od drugiego tłumika wchodzącego w skład układu wylotowego silnika 1,2 TSI (rys. 9.9). Pierwszy z tłumików został usunięty, ale punkty pomiaru temperatury t2 i t3 pozostawiono w miejscach, na których były one umieszczone w pomiarach bez generatora ATEG2. Miało to za zadanie potwierdzenie wpływu tłumika na przebieg temperatury w układzie wylotowym silnika.

Pomiary wykonano również zgodnie z przyjętą wcześniej metodyką badawczą.

Szczegółowej analizie poddano te same punkty pracy, co w poprzednim podrozdziale.

Jednak na kolejnym etapie przygotowania rozprawy doktorskiej uwzględniono zarejestrowane parametry we wszystkich punktach pracy.

Rys. 9.9. Rozmieszczenie punktów pomiaru temperatury w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI wraz z zamontowanym generatorem ATEG2

Wybór przykładowych punktów pracy silnika 1,2 TSI do analizy był związany przede wszystkim z uzyskaniem stałych przebiegów temperatury, podobnie jak w przypadku pomiarów wykonanych dla układu wylotowego bez generatora ATEG2.

W pierwszej kolejności wykazano, że w tłumiku następuje znaczący spadek temperatury gazów wylotowych. Potwierdził to zarejestrowany przebieg temperatury w punktach t2 i t3 dla rozpatrywanego obszaru pracy silnika spalinowego. W przypadku gdy w układzie wylotowym zainstalowany był tłumik, różnica temperatury między t2 i t₃ zmieniała się w zakresie 40–80^oC. Usunięcie tłumika skutkowało zmniejszeniem tej różnicy. Dla poszczególnych charakterystyk obciążeniowych przy Mo = 60 N∙m wyniosła ona maksymalnie:

a) n = 1800 obr/min: t₂ – t3 = 17,5^oC, b) n = 2200 obr/min: t2 – t3 = 10,7^oC, c) n = 2600 obr/min: t2 – t3 = 6,2^oC.

Na wejściu do generatora ATEG2 uzyskano temperaturę gazów wylotowych zbliżoną do wartości zarejestrowanych przed drugim tłumikiem. Dla n = 1800 obr/min i Mo = 60 N∙m wyniosła ona twlot 390^oC (rys. 9.10). Natomiast przy obciążeniu Mo = 100 Nm wartość ta była wyższa o 100^oC (rys. 9.11). W pozostałych rozpatrywanych punktach pracy silnika temperatura na wlocie do generatora ATEG2 nie przekroczyła 500^oC. Osiągnięty zatem został założony cel dotyczący umiejscowienia generatora ATEG2 w układzie wylotowym silnika. Temperatury te były znacząco wyższe niż zarejestrowane w odzwierciedlonym teście homologacyjnym NEDC i odzwierciedlonym cyklu jezdnym wykonanych na dynamicznym silnikowym stanowisku hamulcowym z silnikiem 1,3 SDE.

Rys. 9.10. Przebiegi temperatury w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI z generatorem ATEG na statycznym silnikowym stanowisku hamulcowym przy n = 1800 obr/min i M_o = 60 N∙m:

a) w punktach t₁–t3 i t_wlot–twyl, b) różnice t1 – twyl, t₂ – t3 oraz t_wyl – twlot

Przy maksymalnych analizowanych obciążeniach silnika wystąpiła największa różnica temperatury między punktami t_wlot i t_wyl. Przy n = 2200 obr/min i Mo = 60 N∙m wyniosła ona twyl – twlot = 140^oC (rys. 9.12). W ostatnim punkcie pomiarowym różnica była większa o ~1^oC (rys. 9.13). Rozpatrując pozostałe punkty pracy silnika, w których wykonano pomiary, stwierdzono, że różnica temperatury w generatorze ATEG2 mieściła się w przedziale 90–140^oC. Była zdecydowanie większa niż w przypadku różnicy zarejestrowanej na tłumiku końcowym. Spowodowane to było przede wszystkim intensywniejszym przejmowaniem energii z gazów wylotowych przez wymiennik ciepła generatora ATEG2.

Większa strumienia energii przejmowanej przez moduły TEM oraz wydłużenie układu wylotowego przełożyły się bezpośrednio na zmniejszenie temperatury w ostatnim punkcie pomiarowym t_wyl w stosunku do temperatury zarejestrowanej

w układzie bez generatora ATEG2. W standardowej konfiguracji układu wylotowego maksymalny spadek temperatury nie przekraczał 320^oC. Jednak w większości punktów pracy silnika mieścił się w granicach 260–280^oC.

Rys. 9.11. Przebiegi temperatury w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI z generatorem ATEG na statycznym silnikowym stanowisku hamulcowym przy n = 1800 obr/min i M_o = 100 N∙m:

a) w punktach t₁–t3 i t_wlot–twyl, b) różnice t1 – twyl, t₂ – t3 oraz t_wyl – twlot

Rys. 9.12. Przebiegi temperatury w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI z generatorem ATEG na statycznym silnikowym stanowisku hamulcowym przy n = 2200 obr/min i M_o = 60 N∙m:

a) w punktach t1–t3 i twlot–twyl, b) różnice t1 – twyl, t2 – t3 oraz twyl – twlot

Rys. 9.13. Przebiegi temperatury w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI z generatorem ATEG na statycznym silnikowym stanowisku hamulcowym przy n = 2600 obr/min i Mo = 60 N∙m:

a) w punktach t₁–t3 i t_wlot–twyl, b) różnice t1 – twyl, t₂ – t3 oraz t_wyl – twlot

Zastosowanie generatora ATEG2 w znaczący sposób zmieniło przebiegi temperatury w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI. Przyjęto wariant, że został on umieszczony w jego ostatnim odcinku. Taka konfiguracja możliwa była na silnikowym stanowisku hamulcowym. W przypadku montażu układu odzysku energii w pojeździe

samochodowym należy rozważyć jego umiejscowienie między tłumikami. Aby zabezpieczyć generator ATEG przed przegrzaniem, konieczne będzie zastosowanie układu regulującego przepływ gazów wylotowych. Jednym z potencjalnych rozwiązań może być przepustnica z upustem gazów wylotowych. W przypadku przekroczenia maksymalnej temperatury pracy przepustnica będzie zamykała dopływ strumienia gazów wylotowych do generatora ATEG i kierowała go przez bypass do tłumika końcowego.