Przedstawiona w poprzednich rozdziałach analiza literatury w zakresie przyjętych trendów zwiększenia efektywności i ograniczania zużycia paliwa silnikowych układów napędowych realizowana przez modyfikacje jego konstrukcji oraz odzysk energii gazów wylotowych stanowi genezę niniejszej rozprawy doktorskiej. Na tej podstawie sformułowano cel główny pracy, którym jest:
Doświadczalna analiza możliwości zwiększenia efektywności spalinowego układu napędowego przez rekuperację strumienia
energii gazów wylotowych
Aby zrealizować główny cel rozprawy doktorskiej konieczne jest wykonanie szeregu prac, które podzielono na trzy najważniejsze etapy:
a) wyznaczenie potencjału odzysku strumienia energii gazów wylotowych silników ZI i ZS,
b) dobór i opracowanie metody rekuperacji strumienia energii gazów wylotowych, c) ocena wpływu opracowanej metody na efektywność wybranych silnikowych
układów napędowych ZI i ZS.
W celu zrealizowania wskazanych etapów dysertacji doktorskiej konieczne było opracowanie autorskiej metody badawczej, ponieważ brak jest kompletnego narzędzia badawczego, które mogłoby zostać wykorzystane do osiągnięcia zakładanych celów.
Aby wyznaczyć potencjał odzysku strumienia energii gazów wylotowych, należało określić przebieg temperatury i ciśnienia oraz masowe natężenie przepływu gazów wylotowych w układzie wylotowym pojazdów samochodowych. W tym przypadku najbardziej miarodajne są badania wykonywane w warunkach rzeczywistej eksploatacji, ponieważ uwzględniają wpływ tych warunków na parametry termodynamiczne gazów wylotowych. W tym celu zastosowano metodykę RDE (Real Driving Emission) wykorzystującą przyrządy z grupy PEMS (Portable Emission Measurement System) Semtech DS i Semtech-Ecostar umożliwiające pomiar masowego natężenia przepływu gazów wylotowych. Do pomiaru przebiegu temperatury wykorzystano termopary oraz przetwornikiem sygnału IOTECH PERSONAL DAQ 3000. Przyrządy z grupy PEMS oprócz pomiaru masowego natężenia przepływu gazów wylotowych służyły także do rejestracji prędkości i położenia pojazdu oraz danych z sieci diagnostycznej silnika (OBD, CAN). Dzięki temu zdefiniowano rzeczywiste cykle jezdne pojazdu w funkcji V = f(t), które następnie odwzorowano na dynamicznym silnikowym stanowisku hamulcowym AVL DynoRoad 120. Na podstawie pomiarów wykonanych w warunkach rzeczywistej eksploatacji zdefiniowano również punkty pracy silnika 1,2 TSI znajdującego się na statycznym silnikowym stanowisku hamulcowym. Dzięki temu na etapie opracowywania prototypu generatora ATEG do odzysku energii gazów wylotowych, możliwe było wykonywanie na bieżąco badań weryfikacyjnych przyjętych założeń konstrukcyjnych układu. Pozwoliło to na wprowadzanie zmian i poprawek bez konieczności instalacji prototypu w układzie wylotowym pojazdu. Należy wspomnieć, że silnikowe stanowiska hamulcowe z silnikami ZI i ZS wyposażono w kompletne układy wylotowe dedykowane dla danego typu silnika. Przed opracowaniem prototypu generatora ATEG wykonano obliczenia numeryczne dotyczące rozkładu prędkości i temperatury gazów wylotowych przy wykorzystaniu narzędzi komputerowej mechaniki płynów CFD, w których jako warunki początkowe przyjęto wartości uzyskane w badaniach drogowych.
Na podstawie przedstawionych obszarów badawczych i metodyki dedykowanej dla przeprowadzenia prac zmierzających do zrealizowania głównego celu rozprawy doktorskiej sformułowano następujące cele szczegółowe:
a) przeprowadzenie analizy wybranych aspektów termodynamicznych w układach wylotowych pojazdów samochodowych (osobowe, użytkowe):
badania przebiegu temperatury, ciśnienia i masowego natężenia przepływu gazów wylotowych na silnikowych stanowiskach hamulcowych wyposażonych w hamownię statyczną i dynamiczną dla silników ZI i ZS,
badania przebiegu temperatury i masowego natężenia przepływu gazów wylotowych w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdu dla różnych grup pojazdów,
b) opracowanie metody wyznaczania straty wylotu na podstawie wykonanych badań:
określenie sposobu wyznaczania strumienia energii gazów wylotowych,
walidacja przyjętej metody obliczania zużycia paliwa z pomiarami wykonanymi na silnikowych stanowiskach hamulcowych przy wykorzystaniu metody wagowej,
walidacja przyjętej metody obliczania zużycia paliwa z zarejestrowanymi wartościami z sieci diagnostycznej pojazdu samochodowego,
c) wyznaczenie strumienia energii gazów wylotowych możliwej do odzyskania dla różnych grup pojazdów na podstawie przeprowadzonych pomiarów:
pojazdów kategorii PC i LDV z silnikami ZI i ZS,
pojazdów kategorii HDV – autobusy komunikacji miejskiej,
d) opracowanie założeń oraz wykonanie generatora ATEG do odzysku strumienia energii gazów wylotowych przy wykorzystaniu narzędzi komputerowych,
e) wykonanie prototypów (układów rzeczywistych) generatora ATEG do odzysku energii gazów wylotowych wykorzystującego moduły TEM:
opracowanie układu chłodzenia strony zimnej TZ modułów TEM,
dobór komercyjnych modułów TEM ze względu na współczynnik efektywności termoelektrycznej ZT i zakres pracy strony gorącej TG modułu,
opracowanie układu do pomiaru napięcia i natężenia prądu wygenerowanego przez moduły TE,
f) badania weryfikacyjne określające całkowity strumień energii gazów wylotowych możliwy do odzyskania z układu wylotowego w celu zwiększenia efektywności spalinowego układu napędowego:
pomiary na dynamicznym silnikowym stanowisku hamulcowym z silnikiem 1,3 SDE w teście homologacyjnym NEDC i odzwierciedlonym cyklu jezdnym pojazdu,
pomiary na statycznym silnikowym stanowisku hamulcowym w zdefiniowanych punktach pracy silnika 1,2 TSI,
g) wyznaczenie parametrów determinujących pracę generatora ATEG:
wyznaczenie przebiegu temperatury na ściankach wymiennika ciepła generatora ATEG,
określenie strumienia energii gazów wylotowych w wymienniku ciepła generatora ATEG,
wyznaczenie sprawności odzysku strumienia energii odpadowej przez generator ATEG – sprawność generatora ATEG,
określenie wpływu temperatury cieczy chłodzącej na sprawność generatora ATEG.
Mając na uwadze przedstawione w pracy aspekty oraz zagadnienia, podjęto próbę udowodnienia tezy:
Zastosowanie generatora ATEG w układzie wylotowym może wpłynąć na zwiększenie efektywności spalinowego układu napędowego wskutek
rekuperacji strumienia energii gazów wylotowych
Udowodnienie postawionej tezy badawczej będzie możliwe w przypadku osiągnięcia założonego celu głównego pracy oraz zrealizowania celów szczegółowych, które określono powyżej. Sposób rozwiązania problemu naukowego rozprawy doktorskiej przedstawiono schematycznie na rysunku 5.1.
Rys. 5.1. Schemat rozwiązania postawionego problemu naukowego
Postawienie problemu
Wprowadzenie – zdefiniowanie podstawowych pojęć związanych z tematyką rozprawy
Analiza uwarunkowań prawnych dotyczycących limitów emisji drogowej CO2 z floty pojazdów
Opracowanie metody wyznaczania straty wylotu Metodyka badawcza
Analiza teoretyczna i literaturowaGenezaBadania eksperymentalneWnioski
1
Wpływ generatora ATEG na efektywność spalinowego układu napędowego
Podsumowanie, wnioski i kierunki dalszych badań 10 7
9 Metody zwiększenia efektywności współczesnych spalinowych
układów napędowych przez zmiany ich konstrukcji i możliwości odzysku energii gazów wylotowych
3
Zjawisko termoelektryczne w aspekcie fizycznym oraz analiza
modułów TEM i generatorów ATEG 4
Silnikowe stanowiska hamulcowe
Warunki rzeczywistej eksploatacji RDE
Badania odzysku energii gazów wylotowych
Parametry generatora ATEG Sprawność odzysku energii odpadowej (sprawność ATEG)