Politechnika Poznańska
Wydział Maszyn Roboczych i Transportu
Rozprawa doktorska
Andrzej Ziółkowski
ZWIĘKSZENIE EFEKTYWNOŚCI
SPALINOWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO PRZEZ ZASTOSOWANIE GENERATORA
TERMOELEKTRYCZNEGO
Promotor: prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz
Poznań 2016
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
OŚWIADCZENIE DOTYCZĄCE PROMOCJI PROJEKTU pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 PO KL realizowanego w latach 2012-2013
Oświadczam, że byłem stypendystą w ramach projektu pt.: „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
I declare that I was a scholarship holder within the project “Scholarship support
for Ph.D. students specializing in majors strategic for Wielkopolska’s development”,
Sub-measure 8.2.2 Human Capital Operational Programme, co-financed by European
Union under the European Social Fund.
Spis treści
Streszczenie ... 5
Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń ... 6
1. Wstęp ... 9
2. Uwarunkowania prawne dotyczące limitów emisji drogowej CO
2... 13
3. Tendencje rozwoju silnikowych układów napędowych w aspekcie zwiększania efektywności i ograniczenia zużycia paliwa ... 19
3.1. Zmiany konstrukcyjne ... 19
3.2. Metody odzysku energii gazów wylotowych ... 28
4. Charakterystyka generatorów termoelektrycznych o zastosowaniach motoryzacyjnych ... 38
4.1. Zjawisko termoelektryczne ... 38
4.1.1. Efekt Seebecka ... 38
4.1.2. Efekt Peltiera ... 40
4.1.3. Efekt Thomsona ... 41
4.2. Właściwości modułów termoelektrycznych ... 41
4.3. Rozwiązania konstrukcyjne generatorów termoelektrycznych ... 46
4.4. Podsumowanie przeglądu literatury ... 53
5. Cel, teza i zakres pracy ... 55
6. Program i metodyka badań własnych ... 58
6.1. Opis aparatury pomiarowej ... 58
6.1.1. Aparatura do badań energochłonności i emisji zanieczyszczeń ... 58
6.1.2. Aparatura do pomiaru temperatury i ciśnienia gazów wylotowych ... 62
6.1.3. Układ do pomiaru napięcia i natężenia prądu generowanego przez moduły termoelektryczne ... 62
6.2. Opis stanowisk badawczych wykorzystanych do badań ... 63
6.2.1. Dynamiczne silnikowe stanowisko hamulcowe z silnikiem ZS ... 63
6.2.2. Statyczne silnikowe stawisko hamulcowe z silnikiem ZI ... 65
6.3. Zakres badań ... 66
6.3.1. Badania w warunkach rzeczywistej eksploatacji ... 66
6.3.2. Testy dynamiczne dedykowane dla silnika ZS użytego do badań ... 70
6.3.3. Dobór punktów pracy silnika ZI użytego do badań ... 72
6.3.4. Pomiary odzysku strumienia energii gazów wylotowych ... 73
7. Opracowanie metody wyznaczania straty wylotu silników spalinowych ... 74
7.1. Metoda wyznaczania podstawowych parametrów gazów wylotowych... 74
7.2. Straty wylotu na podstawie badań na hamowni silnikowej ... 75
7.2.1. Straty wylotu w testach dynamicznych wykonanych dla silnika ZS ... 75
7.2.2. Straty wylotu w statycznych punktach pracy silnika ZI ... 79
7.3. Straty wylotu na podstawie badań pojazdów w warunkach rzeczywistej eksploatacji... 83
8. Charakterystyka opracowanych generatorów termoelektrycznych ... 97
8.1. Opis konstrukcji generatorów termoelektrycznych ... 97
8.2. Obliczenia przepływowe przy wykorzystaniu narzędzi numerycznej mechaniki płynów ... 99
9. Analiza odzysku strumienia energii gazów wylotowych ... 110
9.1. Parametry termodynamiczne układu wylotowego ... 110
9.1.1. Przebiegi temperatury w układzie bez generatora termoelektrycznego .... 110
9.1.2. Przebiegi temperatury w układzie z generatorem termoelektrycznym ... 112
9.1.3. Rozkład temperatury na ściankach generatora termoelektrycznego ... 116
9.2. Wpływ zastosowania generatora termoelektrycznego na efektywność spalinowego układu napędowego ... 119
9.2.1. Sprawność generatora termoelektrycznego ... 119
9.2.2. Efektywności układu napędowego z silnikiem 1,3 SDE ... 125
9.2.3. Efektywności układu napędowego z silnikiem 1,2 TSI ... 127
10. Podsumowanie i wnioski ... 131
10.1. Wnioski ... 131
10.2. Kierunki dalszych prac ... 132
Literatura ... 133
Summary ... 141
Streszczenie
W rozprawie doktorskiej przedstawiono doświadczalną analizę możliwości zwiększenia efektywności spalinowych układów napędowych przez rekuperację energii gazów wylotowych. W pierwszej części pracy stanowiącej jej genezę zaprezentowano uwarunkowania prawne obligujące producentów pojazdów samochodowych do ograniczania zużycia paliwa – przepisy regulujące emisję drogową CO
2z floty pojazdów. Następnie przeprowadzono analizę możliwości ograniczenia zużycia paliwa (zwiększenia efektywności spalinowego układu napędowego) i przedstawiono sposoby, które są wykorzystywane przez światowe koncerny motoryzacyjne w celu spełnienia wymogów prawnych w tym zakresie. Na początku skupiono się na zmianach konstrukcyjnych, które przyczyniają się do ograniczenia zużycia paliwa i emisji zanieczyszczeń. Wykazano, że większość producentów realizuje strategię rozwoju downsizingu w produkowanych przez siebie jednostkach napędowych. Oprócz zmian konstrukcyjnych w silnikach spalinowych wdrażane są innowacyjne rozwiązania, które ograniczają występujące w nich straty cieplne i mechaniczne. Z tego względu opracowuje się metody odzysku energii gazów wylotowych. W pracy przedstawiono aktualne wykorzystywane technologie oraz przykładowe rozwiązania dotyczące tego typu układów. Największą uwagę poświecono generatorom termoelektrycznym o zastosowaniach motoryzacyjnych.
Część badawczą pracy podzielono na trzy etapy. Pierwszy z nich dotyczy
wyznaczenia straty wylotu silników spalinowych pojazdów różnych kategorii na
podstawie pomiarów zrealizowanych w warunkach rzeczywistej eksploatacji i na
silnikowych stanowiskach hamulcowych. Na potrzeby dysertacji opracowano metodę
wyznaczania strumienia energii w układach wylotowych oraz strumienia energii
dostarczanej z paliwem do silnika spalinowego. Uzyskane wyniki umożliwiły
określenie wstępnych założeń do projektu prototypu generatora termoelektrycznego. Na
ich podstawie wykonano jego układ rzeczywisty. Był to drugi etap części badawczej
rozprawy. Ostatnim etapem pracy były pomiary odzysku energii gazów wylotowych
dwóch silników spalinowych ZI i ZS przy wykorzystaniu opracowanej konstrukcji. Dla
silnika ZS badania wykonano na dynamicznym silnikowym stanowisku hamulcowym w
teście homologacyjnym NEDC i w odzwierciedlonym cyklu jezdnym. W przypadku
silnika ZI badania wykonano w zdefiniowanych punktach pracy silnika na statycznym
silnikowym stanowisku hamulcowym. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów
wyznaczono sprawność odzysku energii odpadowej i wykazano pozytywny wpływ
zastosowania generatora termoelektrycznego na efektywności spalinowych układów
napędowych wykorzystujących badane silniki spalinowe.
Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń
ATEG
–automotive thermoelectric generator – generator termoelektryczny o zastosowaniach motoryzacyjnych
AVS – Audi valvelift system – układ zmiennego wzniosu zaworów stosowany w silnikach Audi
Bi
2Te
3– tellurek bizmutu
CD
–cylinder deactivation – system wyłączania cylindrów
CFD
–computational fluid dynamics – komputerowa mechanika płynów DOC
–diesel oxidation catalyst – utleniający reaktor katalityczny
DPF
–diesel particulate filter – filtr cząstek stałych e
–ładunek elektryczny
E
F –energia Fermiego
EGR
–exhaust gas recirculation – recyrkulacja gazów wylotowych
EMCON
–engine monitoring and control – system monitorowania i kontroli dynamicznej hamowni silnikowej AVL DynoRoad 120
E
n –energia orbitala n-tego elektronu
ERS
–Energy recovery system – układ odzysku energii stosowany w bolidach F1
EUDC
–extra urban driving cycle – pozamiejski europejski test jezdny
FEM
–fuel economy meter – moduł przyrządu Semtech-Ecostar do pomiaru CO
2, CO, HC
FIA
–Federation Internationale de l’Automobile – Międzynarodowa Federacja Samochodowa
FID
–flame ionization detector – analizator płomieniowo-jonizacyjny g
e –jednostkowe zużycie paliwa
G
e –sekundowe zużycie paliwa
GHGs
–greenhouse gasses – gazy cieplarniane GM
–General Motors – koncern motoryzacyjny
GPS
–global positioning system – układ pozycjonowania pojazdu GW
–gazy wylotowe
H
–operator Hamiltona
ħ
–zredukowana stała Plancka HC
–węglowodory
HDD
–heavy duty diesel – silnik ZS do pojazdów ciężkich HDV
–heavy duty vehicle – ciężki pojazd samochodowy I
–natężenie prądu
KE
–Komisja Europejska
KERS
–kinetic energy recovery system – układ odzysku energii kinetycznej stosowany w bolidach F1
L
–liczba Lorentza
LDV
–light duty vehicle – lekki pojazd samochodowy L
e –praca użyteczna
L
i –praca indykowana L
t –praca teoretyczna
m
–masa
M
–masa pojazdu
M
0 –średnia masa nowych pojazdów z 3 lat poprzedzających zakładany okres nowelizacji rozporządzenia dotyczącego emisji drogowej CO
2MDE
–Midsize Diesel Engine – grupa silników ZS koncernów GM i Opel
MES
–metoda elementów skończonych
MGU-H
–motor generator unit-heat – moduł odzysku energii z gazów wylotowych stosowany w bolidach F1
MGU-K
–motor generator unit-kinetic – moduł odzysku energii kinetycznej stosowany w bolidach F1
MOS
–metoda objętości skończonych M
o –moment obrotowy silnika
ṁ
gw –masowe natężenie przepływu gazów wylotowych n
–prędkość obrotowa wału korbowego silnika n
e –liczba elektronów
NCBR
–Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
NDIR
–non-dispersive infrared – analizator niedyspersyjny na podczerwień NDUV
–non-dispersive ultraviolet – analizator niedyspersyjny na ultrafiolet N
e –moc użyteczna
NEDC
–New European Driving Cycle – nowy europejski cykl jezdny N
i –moc indykowana
N
MT –moc maszyny tłokowej
NRMM
–non-road mobile machinery – pojazdy samojezdne nieporuszające się po drogach
N
TP –moc turbiny parowej
N
v –objętościowy wskaźnik mocy
OICA
–Organisation Internationale des Constructeurs d’Automobiles – Międzynarodowa Organizacja Producentów Pojazdów Samochodowych
ORC
–organic Rankine cycle – organiczny cykl Rankine’a p
e –średnie ciśnienie użyteczne
p
i –średnie ciśnienie indykowane PC
–passenger car – samochód osobowy
PDM
–power distribution module – moduł zasilający przyrząd Semtech- Ecostar
PEMS
–portable emission measurement system – przyrząd do pomiaru emisji zanieczyszczeń w warunkach rzeczywistej eksploatacji
PTO
–power take-off – przystawka odbioru mocy
PUMA
–test bed and measurement automatic – system sterujący dynamiczną hamownią silnikową AVL DynoRoad 120
PWr
–współczynnik definiujący stosunek mocy użytecznej silnika do masy własnej pojazdu
Q
–ciepło, strumień ciepła
Q
gw –strumień energii gazów wylotowych
RDE
–real driving emission – pomiary emisji zanieczyszczeń w warunkach rzeczywistej eksploatacji
SCR
–selective catalyst reduction – układ selektywnej redukcji katalitycznej SDE
–Small Diesel Engine – grupa silników ZS koncernu Fiat
SGE
–Small Gasoline Engines – grupa silników ZI koncernów GM i Opel SULEV
–super ultra low emission vehicle – pojazd o superniskiej emisji SUV
–sport utility vehicle – pojazd samochodowy sportowo-użytkowy TEG
–thermoeletric generator – generator termoelektryczny
TEGS
–thermoelectric generation system – układ odzysku energii odpadowej wykorzystujący generator termoelektryczny
TEM
–thermoelectric module – moduł termoelektryczny
TFSI
–turbo fuel stratified injection – turbodoładowany silnik ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny koncernu Volkswagen
T
G –temperatura strony gorącej modułu termoelektrycznego
TSI
–turbo stratified injection – turbodoładowany silnik ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny koncernu Volkswagen
TWC
–three way catalyst – trójfunkcyjny reaktor katalityczny T
Z –temperatura strony zimnej modułu termoelektrycznego U
–napięcie elektryczne
U
AB –różnica potencjałów Galvaniego
UDC
–urban driving cycle – miejski europejski test jezdny UE
–Unia Europejska
VED
–variable displacement engine – zmienna objętość skokowa silnika VGT
–variable geometry turbocharger – turbosprężarka o zmiennej
geometrii łopatek kierownicy V
ss –objętość skokowa silnika W
–praca wyjścia elektronu WE
–Wspólnota Europejska
WLTP
–Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures – światowe ujednolicone procedury badawcze dla lekkich pojazdów samochodowych
W
op –wartość opałowa paliwa
ZT
–współczynnik efektywności termoelektrycznej α
–wskaźnik Seebecka
ε
–stopień sprężania
ε
k –składowa kontaktowa siły elektromotorycznej ε
T –siła elektromotoryczna
η
c –sprawność cieplna η
i –sprawność indykowana η
m –sprawność mechaniczna η
o –sprawność ogólna η
t –sprawność teoretyczna
λ
–współczynnik przewodności cieplnej, przewodnictwa cieplnego λ
e –współczynnik przewodnictwa gazu elektronowego
λ
f –przewodnictwo cieplne sieci krystalicznej λ
n –długość fali
Π
AB –współczynnik proporcjonalności Peltiera ρ
–opór właściwy
σ
–współczynnik przewodności elektrycznej, przewodność elektryczna
τ
–współczynnik proporcjonalności Thompsona
1. Wstęp
Jednym ze skutków globalnego rozwoju cywilizacyjnego jest zwiększone zapotrzebowanie na podstawowe surowce energetyczne. Wiąże się to przede wszystkim z ciągłym wzrostem liczby ludności, którego największy efekt widać w tzw. krajach rozwijających się – należą do nich Chiny, Indie oraz Brazylia. Określenie zasobów światowych konwencjonalnych złóż kopalnych surowców energetycznych jest obecnie przedmiotem wielu prac i analiz [2, 26, 27]. Ostatnie badania organizacji odpowiedzialnych za światową gospodarkę energetyczną wskazują na nadmierne wykorzystywanie kopalnych surowców energetycznych, co jest przyczyną ich systematycznego wyczerpywania. Według raportu opublikowanego przez Międzynarodową Agencję Energetyczną IEA (International Energy Agency) zapotrzebowanie energetyczne na świecie w latach 1971–2015 r. sukcesywnie wzrastało (rys. 1.1). Głównym wykorzystywanym surowcem była ropa naftowa, której udział w bilansie w 2015 r. wyniósł 31,1%. Na drugim miejscu znajdowały się węgiel (28,9%) i gaz ziemny (21,4%). Udział energii odnawialnej nie przekraczał 10% [2].
Z tego względu wprowadzono szereg aktów prawnych zmierzających do ograniczenia wykorzystania konwencjonalnych źródeł energii oraz pozyskiwania energii ze źródeł alternatywnych. Dotyczy to wszystkich gałęzi przemysłu. Działania te określane są mianem polityki zrównoważonego rozwoju [124].
Rys. 1.1. Światowe zużycie energii wyrażone w Mtoe (toe – ekwiwalent tony oleju, jednostka stosowana przez Międzynarodową Agencję Energetyczną); 1 – uwzględnia torf i łupki bitumiczne,
2 – uwzględnia energię geotermalną, słoneczną, wiatrową i cieplną [2]
Rozwój technologiczny społeczeństw odzwierciedla się także we wzroście mobilności ludności. Na podstawie danych zaprezentowanych przez Międzynarodową Organizację Producentów Pojazdów Samochodowych (OICA – Organisation Internationale des Constructeurs d’Automobiles) na świecie w 2014 r. wyprodukowano 89,75 mln samochodów wszystkich typów i klas. To o 2,6% więcej niż w 2013 r.
Produkcja samochodów osobowych wyniosła 67,5 mln sztuk (o 2,9% więcej niż w 2013 r.), z czego 39,2 mln w Azji (wzrost o 5,4%), 18 mln w Europie (o 2,4% więcej niż rok wcześniej) i 9,8 mln w obu Amerykach (spadek o 5,7%).
W Afryce wyprodukowano 0,5 mln pojazdów samochodowych, o 16,5% więcej niż
w 2013 r. Natomiast w krajach UE (Unia Europejska) liczba ta wyniosła 15,2 mln sztuk
i była większa o 3,9% niż w roku poprzednim [52]. Według Głównego Urzędu Statystycznego w Polsce w 2014 r. eksploatowanych było 26 472 274 pojazdów samochodowych (rys. 1.2). Z tego ponad 75% (20 003 863 sztuk) stanowiły samochody osobowe [108].
Rys. 1.2. Liczba pojazdów samochodowych eksploatowanych w Polsce w 2014 r. [52]
W większości eksploatowane są pojazdy samochodowe z konwencjonalnym układem napędowym, który stanowi tłokowy silnik spalinowy. Jego sprawność ogólna wynosi obecnie 30–40%. Z bilansu energii trakcyjnych silników spalinowych wykorzystywanych w pojazdach samochodowych wynika, że jedynie 30–40% energii chemicznej dostarczonej z paliwem zamieniana jest na pracę mechaniczną. Pozostała część jest tracona wskutek:
a) strat cieplnych odprowadzanych przez układ chłodzenia, b) strat cieplnych odprowadzanych z gazami wylotowymi, c) strat niezupełnego lub niecałkowitego spalania,
d) pozostałych strat cieplnych.
Rozważając straty cieplne odprowadzane z gazami wylotowymi, należy zdefiniować podstawowe terminy, które będą wykorzystywane w rozprawie doktorskiej. Zgodnie z definicją strat cieplnych odprowadzanych z gazami wylotowymi przyjętą przez T. Rychtera i A. Teodorczyka [96] w układzie wylotowym silnika energia unoszona jest w postaci strumienia entalpii ze spalinami i dalej rozpraszana jest w atmosferze. Z tego strumienia można wydzielić entalpię unoszoną w postaci niecałkowitego i niezupełnego spalania paliwa. Jest to definicja używana przede wszystkim w termodynamice. W literaturze naukowej [121, 124] spotykane jest również określenie tej formy energii jako odpadowej. Jest to energia bezużytecznie odprowadzana do otoczenia, pomimo że nadaje się do dalszego wykorzystania w sposób ekonomicznie opłacalny
.Z tego względu w dysertacji (w analizie literatury) używane będą zamiennie terminy energii gazów wylotowych i energii odpadowej.
W badawczej części pracy, ze względu na formę przyjętych obliczeń, stosowane będą
zamiennie terminy strumienia energii gazów wylotowych i strumienia energii odpadowej.
Od wielu dziesięcioleci prowadzone są intensywne prace naukowo-badawcze mające na celu wykorzystanie energii z gazów wylotowych, zmierzające do zwiększenia sprawności ogólnej tłokowych silników spalinowych. Do tej pory podstawowym sposobem wykorzystania tej energii było stosowanie turbosprężarek, szczególne w silnikach o zapłonie samoczynnym. K. Wisłocki w monografii [117]
przedstawił stopień wykorzystania energii gazów wylotowych w turbosprężarkach.
W systemach pulsacyjnych energia ta składa się z części kinetycznej i energii ciśnienia (ciepło wykorzystane w turbinie). Natomiast w systemie stałego ciśnienia część energii kinetycznej zamieniana jest na energię ciśnienia. Zgodnie z bilansem energii z gazów wylotowych dla obu systemów, w drugim z nich większa cześć energii odpadowej wykorzystywana jest w turbinie i stanowi 63% całkowitej energii.
Układy turbosprężarkowe poddawane są ciągłym modyfikacjom ze względu na dynamiczny rozwój konstrukcji tłokowych silników spalinowych, który ukierunkowany jest na ograniczenie zużycia paliwa oraz emisji związków toksycznych gazów wylotowych. Głównym czynnikiem determinującym rozwój silników spalinowych jest potrzeba ograniczenia ich emisyjności. Podstawowym narzędziem wykorzystywanym przez ustawodawców w celu wymuszenia na producentach pojazdów samochodowych spełnienia w/w czynników są normy emisji gazów wylotowych, które określają zarówno limity związków toksycznych, jak i procedury przeprowadzania pomiarów.
Dotyczą one jednak emisji zanieczyszczeń. W celu ograniczenia zużycia paliwa jednostek napędowych, a tym samym energochłonności układu napędowego, wprowadzono regulacje prawne dotyczące limitów indywidualnej emisji drogowej CO
2z floty pojazdów danego producenta.
Oprócz układów doładowania turbosprężarkowego, stosowanych jest obecnie wiele innych rozwiązań wykorzystujących energię gazów wylotowych. Zaliczyć do nich można generatory termoelektryczne TEG (Thermoeletric Generator). Na potrzeby niniejszej rozprawy jako generatora ATEG (Automotive Thermoeletric Generator) zdefiniowano generator termoelektryczny o zastosowaniach motoryzacyjnych. Jest to urządzenie instalowane w układzie wylotowym silnika, służące do konwersji energii z gazów wylotowych na energię elektryczną. Generator ATEG składa się z wymiennika ciepła, na którego powierzchni przymocowane są moduły termoelektryczne (w pracy przyjęto nazwę moduły TEM), oraz z układu chłodzenia modułów. Do celów badawczych wyposażono go dodatkowo w układ pomiarowy rejestrujący temperaturę, ciśnienie w wymienniku oraz napięcie i natężenie prądu wygenerowane przez moduły termoelektryczne.
Nadrzędnym zadaniem generatora ATEG jest zwiększenie efektywności
spalinowych układów napędowych. Jest to realizowane przez wykorzystanie energii
chemicznej zawartej w paliwie pod postacią strumienia energii odprowadzanej z gazami
wylotowymi. Wskutek zjawiska termoelektrycznego moduły TEM wytwarzają prąd
elektryczny, który wspomaga działanie sieci elektrycznej pojazdu prowadząc do
zmniejszenia mocy i rozmiarów klasycznego alternatora, co przekłada się na redukcję
zużycia paliwa i emisji CO
2. W celu określenia wpływu generatora ATEG na
efektywność spalinowego układu napędowego konieczne jest uwzględnienie
w obliczeniach zarówno energii wytworzonej, jak i strat mocy wynikających z oporów
przepływu występujących w wymienniku ciepła. W rozprawie doktorskiej skupiono się
przede wszystkim na pierwszym z przytaczanych parametrów. Takie podejście
wynikało z zastosowania komercyjnych niskotemperaturowych modułów TEM, które
generują relatywnie małą moc. Aby określić wartość odzyskanego strumienia energii
gazów wylotowych zdefiniowano sprawność generatora ATEG, która nazywana jest również sprawnością odzysku energii odpadowej. Jest ona stosunkiem mocy wygenerowanej przez moduły TEM do strumienia energii gazów wylotowych występującego w wymienniku ciepła. Przyjęto, że wyznaczenie energii odpadowej w generatorze ATEG obrazuje potencjał wykorzystania energii traconej w układzie wylotowym silnika. Uzyskanie wysokiej sprawności generatora ATEG stanowi duże wyzwanie ze względu na wspominaną małą moc generowaną przez moduły TEM.
W ostatnich latach nastąpił jednak dynamiczny rozwój tego typu układów i w czasie powstawania niniejszej rozprawy maksymalna moc pojedynczego modułu TEM (bazującego głównie na Bi
2Te
3) wzrosła dwukrotnie, z ~10 W do ~20 W. Jest to związane z rozwojem dziedziny inżynierii materiałowej, szczególnie z zakresu materiałów termoelektrycznych [3, 4, 8, 13, 17, 38, 47, 51, 67, 91]. Zgodnie z tymi trendami w najbliższej dekadzie możliwe jest znaczące zwiększenie sprawności odzysku energii odpadowej przez zastosowanie w generatorze ATEG innowacyjnych modułów TEM.
Dzięki wykorzystaniu energii gazów wylotowych z współczesnych silników spalinowych możliwe jest ograniczenie zużycia paliwa oraz emisji zanieczyszczeń.
Czołowe światowe koncerny motoryzacyjne, takie jak BMW, Toyota czy Volkswagen
przewidują spełnienie limitów indywidualnej emisji drogowej CO
2właśnie przez
zastosowanie układów odzysku energii odpadowej. Dzięki temu ograniczony zostanie
zarówno negatywny wpływ sektora motoryzacji na środowisko naturalne, jak
i spełnione będą główne postulaty polityki zrównoważonego rozwoju. W kolejnym
rozdziale przedstawiono założenia polityki zrównoważonego rozwoju, ze szczególnym
uwzględnieniem postulatów obejmujących sektor przemysłu motoryzacyjnego –
ograniczenie emisji drogowej CO
2.
2. Uwarunkowania prawne dotyczące limitów emisji drogowej CO
2Polityka zrównoważonego rozwoju definiowana jest jako rozwój społeczno- -gospodarczy, w którym integrowane są działania mające na celu wzrost gospodarczy z zachowaniem równowagi przyrodniczej i trwałości podstawowych procesów przyrodniczych [124]. Wymaga to traktowania zasobów środowiska jak ograniczonych zasobów gospodarczych oraz wykorzystywania kapitału przyrodniczego w sposób pozwalający na zachowanie funkcji ekosystemów w perspektywie długookresowej.
W UE (Unia Europejska) przyjęto postulat zrównoważonego rozwoju jako jeden z priorytetów Strategii Europa 2020 [26]. Zrównoważony rozwój definiowany jest tutaj jako [27]:
a) budowanie bardziej konkurencyjnej gospodarki niskoemisyjnej, która będzie korzystać z zasobów w sposób racjonalny i oszczędny,
b) ochrona środowiska naturalnego, ograniczanie emisji gazów cieplarnianych (GHGs – Greenhouse Gases) i zapobieganie utracie bioróżnorodności,
c) wykorzystanie pierwszoplanowej pozycji Europy do opracowania nowych, przyjaznych dla środowiska technologii i metod produkcji,
d) wprowadzenie efektywnych, inteligentnych sieci energetycznych,
e) wykorzystanie sieci obejmujących całą UE do zapewnienia dodatkowej przewagi rynkowej firmom europejskim (zwłaszcza małym przedsiębiorstwom produkcyjnym),
f) poprawianie warunków rozwoju przedsiębiorczości, zwłaszcza w odniesieniu do małych i średnich przedsiębiorstw,
g) pomaganie konsumentom w dokonywaniu świadomych wyborów.
Zrównoważony rozwój zdeterminowany jest przez szereg czynników i uwarunkowań społeczno-politycznych. Jednym z nich jest całkowite uzależnienie krajów UE od konwencjonalnych (kopalnych) źródeł energii jakimi są ropa naftowa, gaz ziemny oraz węgiel kamienny. Zachwianie równowagi zasoby–eksploatacja złóż energetycznych może przełożyć się na bardzo duży wzrost ich cen, co będzie odczuwalne zarówno przez przedsiębiorców, jak i przez zwykłych mieszkańców UE.
Spalanie paliw kopalnych jest również podstawowym źródłem emisji GHGs, która wpływa niekorzystnie na klimat [26, 27]. Jako najważniejszy ze szkodliwych gazów cieplarnianych uznawany jest CO
2. W odniesieniu do przemysłu motoryzacyjnego emisja ta będzie stanowiła jeden z wyznaczników wdrażania zrównoważonego rozwoju.
Według Arena i in. [9] emisja CO
2z sektora transportu drogowego stanowi 16,4%
całkowitej emisji. Do zasilania pojazdów samochodowych wykorzystywane jest obecnie aż 38% rocznego światowego zapotrzebowania na ropę naftową [2, 9]. Z tego względu konieczne było wprowadzenie aktów prawnych, które bezpośrednio wpłynęły na obniżenie energochłonności sektora transportu drogowego (ograniczenie zużycia paliwa przez pojazdy) oraz emisji CO
2. Są to ściśle związane ze sobą parametry, ponieważ emisja CO
2uzależniona jest od zużycia paliwa. W związku z tym na świecie przyjęto dwa sposoby regulacji energochłonności transportu drogowego. Pierwszy dotyczy wprowadzenia norm emisji drogowej CO
2, a drugi norm zużycia paliwa (rys.
2.1). W 2013 r. normy te obejmowały ponad 70% nowych pojazdów kategorii PC (Passenger Car) i LDV (Light Duty Vehicle) produkowanych na świecie [9, 77].
Dotychczas przepisy te były obowiązkowe w krajach rozwiniętych gospodarczo –
Stanach Zjednoczonych, Kanadzie, Japonii oraz krajach UE. Jednak w ostatnich latach
kraje rozwijające się takie jak, Chiny, Indie, Meksyk oraz Brazylia również
wprowadziły akty prawne regulujące emisję drogową CO
2lub zużycie paliwa (tab. 2.1).
Rys. 2.1. Inicjatywy dotyczące emisji drogowej CO2 i zużycia paliwa na świecie [9]
Tab. 2.1. Przepisy dotyczące emisji drogowej CO2 i zużycia paliwa [9]
Kraj lub region
Rok
wprowadzenia Typ normy Limit Test
pomiarowy Kary
UE 2015
CO2 130 g/km NEDC (WLTP
od 2017 r.) Finansowe
2021 90 g/km WLTP
Japonia
2015
Zużycie paliwa
16,8 km/dm3
JC08
Finansowe
2020 20,3 km/dm3 Proklamacja
publiczna Kanada
2016 CO2 +
pozostałe GHGs
217 g/mi
Kombinowany US
Finansowe 2025
(propozycja) b.d. Ograniczenie
sprzedaży Indie
od 2016
CO2
130 g/km NEDC dla pojazdów o małej mocy
Brak
2021 113 g/km
Chiny
2015
Zużycie paliwa
6,9 dm3/100 km
NEDC
Finansowe 2020
(propozycja) 5 dm3/100 km Publiczna
proklamacja
USA
2016 Zużycie
paliwa / CO2 + pozostałe
GHGs
36,2 mpg
lub 225 g/km Kombinowany US
Finansowe
2025 56,2 mpg
lub 143 g/km
Ograniczenie sprzedaży Korea
Południowa 2015
Zużycie paliwa / CO2
+ pozostałe GHGs
17 km/dm3 lub 140 g/km
Kombinowany US
Proklamacja publiczna
Meksyk 2016
Zużycie paliwa / CO2
+ pozostałe GHGs
39,3 mpg lub 140 g/km
Kombinowany
US Finansowe
W UE wprowadzono normy emisji drogowej CO
2regulowane rozporządzeniami
WE 443/2009 [94] i WE 510/2011 [95]. Zawierają się one w ramowej konwencji
Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu. W 2007 r. KE (Komisja
Europejska) zaproponowała redukcję o 30% emisji gazów cieplarnianych w krajach
rozwiniętych do 2020 r. oraz, że sama UE powinna podjąć indywidualne zobowiązanie
do osiągnięcia co najmniej 20% redukcji emisji tych gazów. Są to główne cele
zrównoważonego rozwoju w ramach Strategii Europa 2020 [27]. Wprowadzenie limitów emisji drogowej CO
2oprócz korzystnego wpływu na środowisko naturalne ma na celu przyspieszenie i ułatwienie wprowadzenia na rynek pojazdów SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle) przez producentów WE (Wspólnota Europejska).
Rozporządzenie WE 443/2009 jest stosowane dla pojazdów kategorii M1, natomiast WE 510/2011 jest dedykowane dla pojazdów kategorii N1. Oba akty prawne ustalają dopuszczalne limity emisji drogowej CO
2oraz ewentualne okresy przejściowe i odstępstwa od nich. W przepisach tych ściśle określono również sposób naliczania kar dla koncernów motoryzacyjnych, które przekroczą dopuszczalne limity. Pomiar emisji CO
2z obu grup pojazdów wykonywany jest według metodyki zawartej w rozporządzeniu WE 715/2007 [93]. Na rysunku 2.2. przedstawiono limity emisji drogowej CO
2w latach 2000–2025 dla producentów pojazdów w UE na tle pozostałych regionów świata.
Rys. 2.2. Emisja drogowa CO2 w teście NEDC w latach 2000–2025 [9]
W rozporządzeniach WE 443/2009 i WE 510/2011 emisję CO
2zdefiniowano jako:
a) indywidualną emisję drogową CO
2oznaczającą poziom z pojazdu samochodowego, mierzoną zgodnie z rozporządzeniem WE 715/2007 i określoną w certyfikacie zgodności jako wielkość CO
2(wartość uśredniona) dla pojazdów kompletnych lub skompletowanych,
b) średnią indywidualną emisję drogową CO
2oznaczającą, w odniesieniu do producenta, średnią indywidualnych poziomów emisji CO
2wszystkich nowych pojazdów wytworzonych przez danego producenta,
c) docelową indywidualną emisję oznaczającą, w odniesieniu do producenta, średnią indywidualnych orientacyjnych poziomów emisji CO
2, określoną zgodnie z załącznikiem I dla każdego nowego pojazdu, którego jest on producentem lub – w przypadku gdy producentowi przyznano odstępstwo na mocy artykułu 11 – docelowy indywidualny poziom emisji określony zgodnie z tym odstępstwem.
Pojazd skompletowany oznacza pojazd, któremu udzielono homologacji typu
w wyniku procesu wielostopniowej homologacji typu zgodnie z dyrektywą
2007/46/WE. Natomiast pojazd kompletny nie musi być skompletowany w celu spełnienia stosowanych wymogów technicznych tej dyrektywy.
Średnia indywidualna emisja drogowa CO
2nie może być większa niż ustanowiona docelowa indywidualna emisja według przyjętych rozporządzeń. Sumaryczny poziom emisji CO
2dla producenta w danym roku kalendarzowym oblicza się jako średnią indywidualną emisję drogową CO
2. Dla nowych pojazdów kategorii M1 indywidualną emisję drogową CO
2ustalono według zależności (2012–2015 r.):
) M (M a 130
CO
2
0(2.1)
gdzie: M – masa pojazdu, M
0– średnia masa nowych pojazdów kategorii M1 wynosząca 1372 kg, a – współczynnik równy 0,0457.
Od 2016 r. nastąpiła zmiana wartości M
0. Jest to średnia masa nowych pojazdów z 3 lat poprzedzających zakładany okres nowelizacji rozporządzenia WE 443/2009. Dla pojazdów N1 przyjęto, że od 2014 do 2017 r. indywidualna emisja drogowa CO
2obliczana będzie według zależności (2.2). Od 2018 r. zmianie ulegnie wartość M
0, która zostanie określona według takiej samej zasady, jak w przypadku pojazdów kategorii M1.
) M (M a 175
CO
2
0(2.2)
gdzie: M
0= 1706 kg, a = 0,093.
W rozporządzeniu WE 333/2014 określono warunki osiągnięcia docelowego zmniejszenia indywidualnej emisji drogowej CO
2z nowych samochodów osobowych po 2020 r. Ten dokument zmienia rozporządzenie WE 443/2009. W celu umożliwienia przemysłowi motoryzacyjnemu realizowania długoterminowych inwestycji i innowacji konieczne jest zapewnienie wskazówek co do tego, jakie zmiany będą wprowadzone do rozporządzenia WE 443/2009 w odniesieniu do okresu po 2020 r. Zgodnie z tym aktem prawym KE została zobowiązana do przeprowadzenia oceny procedur badań, aby odpowiednio odzwierciedlały one rzeczywistą indywidualną emisję drogową CO
2z pojazdów samochodowych. Przyjęto, że należy zmienić obwiązujący test NEDC (New European Driving Cycle) na test, który będzie odzwierciedlał rzeczywiste warunki ruchu w celu uniknięcia niedoszacowania rzeczywistego poziomu emisji drogowej CO
2i zużycia paliwa. Działania w tym kierunku polegają na jak najszybszym wdrożeniu opracowanych procedur WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures) do wyznaczania indywidualnej emisji drogowej CO
2z nowych pojazdów samochodowych. W związku z tym w załączniku I do rozporządzenia WE 443/2009 ustanowiono dopuszczalne wartości emisji drogowej CO
2na 2020 r. mierzone zgodnie z wytycznymi zawartymi w rozporządzeniu WE 715/2007 i załączniku XII do rozporządzenia WE 692/2008. Po zmianie procedur badawczych wartości graniczne określone w załączniku I do rozporządzenia WE 443/2009 powinny zostać zmienione w celu zapewnienia porównywalnych ograniczeń dla producentów i klas pojazdów.
W związku z tym KE będzie zobowiązana do przeprowadzenia wszechstronnej analizy korelacji między NEDC a WLTP, tak aby nowe procedury odzwierciedlały rzeczywiste warunki jazdy. Od 2020 r. indywidualna emisja drogowa CO
2będzie wyznaczana na podstawie zależności:
) M (M a 95
CO
2
0(2.3)
gdzie: M
0– stanowić będzie średnią masę nowych pojazdów kategorii M1 z 3 lat poprzedzających zakładany okres nowelizacji rozporządzenia, a – współczynnik równy 0,0333.
Dla pojazdów kategorii N1 wartość indywidualnej emisji drogowej CO
2z nowych pojazdów od 2020 r. obliczana będzie zgodnie z równaniem (2.4), które określono w rozporządzeniu WE 253/2014:
) M (M a 147
CO
2
0(2.4)
gdzie: M
0– stanowić będzie średnią masę nowych pojazdów kategorii N1 z 3 lat poprzedzających zakładany okres nowelizacji rozporządzenia, a – współczynnik równy 0,096.
Najważniejszą nowelizacją obowiązujących procedur homologacyjnych pojazdów PC i LDV w zakresie pomiarów emisji związków toksycznych oraz CO
2będzie zastąpienie cyklu jezdnego NEDC procedurami WLTP. Zakładają one globalną harmonizację testów badawczych stosowanych do badań pojazdów samochodowych wykonywanych na hamowniach podwoziowych. W dokumencie [109] zaprezentowano propozycję nowych testów badawczych, które będą wdrożone w 2017 r. Określono w nim trzy typy testów badawczych dla pojazdów sklasyfikowanych według jednostkowego wskaźnika mocy (stosunek mocy użytecznej silnika do masy własnej pojazdu – współczynnik PWr) [34]:
a) klasa 1 – pojazdy o małej mocy, PWr ≤ 22, b) klasa 2 – pojazdy z zakresu 22 < PWr ≤ 34, c) klasa 3 – pojazdy o dużej mocy, PWr > 34.
Dla pojazdów klasy 1 test WLTC złożony jest z dwóch części reprezentujących warunki jazdy z małą i średnią prędkością (rys. 2.3a).
Rys 2.3. Testy jezdne WLTC dla pojazdów: a) klasy 1, b) klasy 2, c) klasy 3 [109]
Test przeznaczony dla pojazdów klasy 2 posiada dodatkową fazę reprezentującą duże prędkości (rys. 2.3b). Jego całkowity czas wynosi 1477 s i pojazd pokonuje dystans 14,66 km. Najbardziej rozbudowany jest cykl WLTC dla pojazdów klasy 3 (rys. 2.3c).
Składa się on z czterech faz. Pojazd rozwija w ostatniej części testu prędkość maksymalną 131,3 km/h [34, 109]. W odniesieniu do testu NEDC jest to wzrost o 10%.
Łączny czas testu WLTC dla tej klasy pojazdów wynosi 1800 s. Porównanie testów WLTC i NEDC pozwala zauważyć zasadniczą różnicę, która dotyczy przebiegu profilu prędkości – test NEDC składa się z powtarzalnych segmentów, a testy WLTC składają się z różnych profili prędkości, które stanowią reprezentację rzeczywistego cyklu jezdnego pojazdu. Charakterystyczna jest tutaj duża zmienność przyspieszenia, gdzie w przypadku testu NEDC obserwowane były stałe wartości przyspieszenia (tab. 2.2).
Tab. 2.2. Porównanie testów NEDC i WLTC [75, 109]
Parametr Rodzaj testu
NEDC WLTC Klasa 1 WLTC Klasa 2 WLTC Klasa 3
Czas [s] 1 180 1 022 1 477 1 800
Dystans [m] 11 007 8 091 14 664 23 262
Udział postoju [%] 33 19,9 15,8 13,4
Prędkość max. [km/h] 120,0 64,4 85,2 131,4
Prędkość średnia [km/s] 33,6 28,5 35,7 46,5
Przyspieszenie max. [m/s2] 1,0 0,8 1,0 1,6
Z zaprezentowanej analizy norm prawnych dotyczących emisji drogowej CO
2wynika, że producenci pojazdów samochodowych zobowiązani są do sukcesywnego ograniczania energochłonności układów napędowych przez zwiększenie efektywności.
W związku z tym zmianom ulega konstrukcja jednostek napędowych i osprzęt. Oprócz
tego poszukiwane są innowacyjne rozwiązania, które w znaczący sposób ułatwią
spełnienie obowiązujących i przyszłych limitów emisji drogowej CO
2. Zaliczyć do nich
można: zastosowanie paliw alternatywnych, hybrydowych i elektrycznych układów
napędowych oraz układów rekuperacji energii gazów wylotowych.
3. Tendencje rozwoju silnikowych układów napędowych w aspekcie zwiększania efektywności
i ograniczenia zużycia paliwa 3.1. Zmiany konstrukcyjne
Zwiększenie efektywności i ograniczenie zużycia paliwa silnikowych układów napędowych jest złożonym wieloaspektowym procesem, który każdy producent pojazdów samochodowych realizuje według samodzielnej opracowanej i przyjętej strategii. Wymaga to często dużych zmian konstrukcyjnych zarówno samego silnika, jak i jego osprzętu. Ze względu na cykliczne zmiany przepisów dotyczących emisji zanieczyszczeń producenci zobligowani są dostosować swoje produkty do wyznaczonych limitów. Przepisy te są głównym czynnikiem determinującym rozwój jednostek napędowych. W aspekcie efektywności kluczowe są limity średniej indywidualnej emisji drogowej CO
2. Właśnie ograniczenie zużycia konwencjonalnych źródeł energii (przede wszystkim benzyny i oleju napędowego) w sektorze transportu drogowego jest obecnie jednym z głównych wyzwań, które czeka producentów pojazdów samochodowych. Wdrażanie normy emisji Euro 6 w przypadku pojazdów kategorii PC i LDV oraz wprowadzenie normy Euro VI dla pojazdów kategorii HDV (Heavy Duty Vehicle) wymagało zastosowania rozbudowanego układu oczyszczania gazów wylotowych składającego się z szeregu reaktorów katalitycznych i filtra cząstek stałych. Każdy z tych elementów generuje straty mocy wynikające z wewnętrznych oporów przepływu gazów wylotowych, zwiększając tym samym udział straty wylotu, co powoduje także zwiększenie zużycia paliwa przez silnik. W pracy [33] porównano technologie stosowane w silnikach spalinowych z propozycjami pozasilnikowych układów oczyszczania gazów wylotowych. Dobór konfiguracji tych układów jest ściśle związany z charakterystyką pracy silnika. Jest to jeden z wielu przykładów problemów dostosowania układów napędowych do obowiązujących standardów. Większość układów oczyszczania gazów wylotowych stosowanych w pojazdach HDV również jest stosowana w pojazdach NRMM (Non-Road Mobile Machinery) [66].
Oprócz dostosowania układów napędowych do tych standardów konstruktorzy muszą sprostać oczekiwaniom klientów, którzy wybór pojazdu samochodowego warunkują przede wszystkim kosztem jego eksploatacji i niezawodnością. W przypadku kosztów głównie brane pod uwagę jest zużycie paliwa oraz okres między wymianą materiałów i płynów eksploatacyjnych. Jest to szczególnie ważne dla grupy pojazdów użytkowych, które w ciągu roku pokonują często dystans przekraczający 100 000 km.
Pod pojęciem niezawodności w przypadku silników spalinowych należy rozumieć ich trwałość (silnik, osprzęt, układ oczyszczania gazów wylotowych) oraz prawdopodobieństwo wystąpienia usterki, bądź poważnej awarii.
Wszystkie koncerny motoryzacyjne mają mapę drogową rozwoju układów
napędowych, jednak wiele technologii jest stosowanych powszechnie przez dużą grupę
producentów pojazdów. Jako przykład można wymienić downsizing i downspeeding,
których założenia są wykorzystywane przy projektowaniu nowych silników
spalinowych. Brzeżański w pracy [16] definiuje downsizing, od strony praktycznej, jako
zmniejszenie wymiarów głównych silnika, a w konsekwencji objętości skokowej przy
zachowaniu podstawowych wskaźników pracy. Zabieg taki możliwy jest jedynie przy
zwiększonych wartościach wskaźników jednostkowych, tzn. odniesionych do jednostki
objętości skokowej lub do jednego cylindra. W tym miejscu zasadnym staje się
zdefiniowanie objętościowego wskaźnika mocy N
v, który jest stosunkiem mocy
użytecznej silnika N
edo jego objętości skokowej V
ss(3.1) Wartość N
Vwskazuje na stopień wykorzystania objętości skokowej silnika [83].
ss e
V
V
N N (3.1)
W konstrukcji silników dąży się do jak największego wykorzystania V
ss, a więc do dużej wartości N
V. Wprowadzając do licznika wzoru (3.1) rozwinięcie mocy użytecznej N
e, uzyskuje się zależność (3.10). Ponieważ τ jest wielkością stałą, objętościowy wskaźnik mocy N
Vjest funkcją p
ei n: N
V= f(p
e, n). Wskaźnik ten jest wykorzystywany jako porównawczy dla silników różnych producentów.
τ n V p
τ n V p V
N N
ess ss e ss
e
V
(3.2)
gdzie: n – prędkość obrotowa wału korbowego silnika, τ – współczynnik uwzględniający liczbę suwów na cykl, τ = 1 dla dwusuwu i τ = 0,5 dla czterosuwu.
Brzeżański w pracy [16] wprowadza podział downsizingu na statyczny i dynamiczny. Oba rodzaje stosowane są w silnikach ZI i ZS. Downsizing dynamiczny polega na zmianie objętości skokowej silnika (VED – Variable Displacement Engine) przez odłączanie poszczególnych cylindrów CD (Cylinder Deactivation). Ta procedura do niedawna stosowana była przeważnie w jednostkach o dużej liczbie cylindrów i > 6.
Obecnie CD stosowane jest już w 4-cylindrowych silnikach. Downsizing statyczny polega natomiast na zmniejszeniu wymiarów geometrycznych silnika, co często wiąże się ze zmniejszeniem liczby cylindrów [88].
W celu zachowania lub zwiększenia objętościowego wskaźnika mocy N
Vkonieczne jest zastosowanie odpowiedniego systemu doładowania, który dostarcza do silnika większą ilość świeżego ładunku, co umożliwia dostarczenie większej ilości paliwa.
Skutkuje to zwiększeniem mocy użytecznej silnika N
eoraz średniego ciśnienia użytecznego p
e. Zastosowanie downsizingu powoduje zmniejszenie zużycia paliwa.
Dzieje się tak, ponieważ zmianie ulega zakres pracy silnika – następuje przeniesienie punktów pracy z zakresu małych i średnich obciążeń w zakres dużych obciążeń, gdzie silnik uzyskuje relatywnie duże wartości sprawności ogólnej. Maleją natomiast straty cieplne, szczególnie w fazie nagrzewania, gdyż zmniejszeniu ulega powierzchnia wymiany ciepła w silniku, co skraca czas jego nagrzania. Ograniczane są również straty mechaniczne oraz masa jednostki napędowej w stosunku do wielocylindrowych silników. Zastosowanie downsizingu wymaga wykonania głowicy, tulei cylindrowych i układu korbowo-tłokowego z materiałów o większej wytrzymałości mechanicznej i cieplnej.
Jako przykład wykorzystania downsizingu w silnikach ZI i ZS analizie poddano
rozwiązania stosowane przez koncerny BMW, GM (General Motors), Opel oraz
Volkswagen. Koncern BMW w przypadku silników ZI wdrożył technologię TwinPower
Turbo Gasoline Engine Technology, która wykorzystuje doładowanie
turbosprężarkowe, układ rozrządu wraz ze zmiennym wzniosem zaworów
VALVETRONIC i Bi-VANOS oraz wysokociśnieniowy bezpośredni wtrysk benzyny
[68]. Klauer i in. [56] prognozowali, że technologia ta będzie wystarczająca do
spełnienia wymogów normy Euro 6 i limitów emisji drogowej CO
2w Europie oraz
SULEV w Stanach Zjednoczonych. W silnikach rzędowych 4- i 6-cylindrowych
(rys. 3.1) zastosowano jedną turbosprężarkę. W przypadku silników typu widlastych
typu V wykorzystano dwie turbosprężarki [56]. W niewielkiej odległości od wylotu gazów wylotowych z turbosprężarki umieszczono układ katalityczny, co wpływa na szybsze osiągnięcie temperatury light-off. Jest to temperatura, przy której reaktor katalityczny uzyskuję 50%. stopień konwersji.
Jak przedstawiają Klauer i in. [56] w silniku 4-cylindrowym o objętości V
ss= 2,0 dm
3przyjęto strategię ograniczania strat cieplnych w układzie wylotowym i z tego względu podczas fazy nagrzewania reaktora katalitycznego strumień gazów wylotowych jest kierowany przez zawór upustowy (wastegate) w turbosprężarce do jego nośnika bez przejścia przez wirnik turbiny (rys. 3.2).
R4, VSS = 2,0 dm3 R6, VSS = 3,0 dm3 V8, VSS = 4,4 dm3 Rys. 3.1. Przyjęte konfiguracje turbosprężarek w silnikach koncernu BMW wykonanych
w technologii TwinPower Turbo Gasoline Engine Technology [56]
Rys. 3.2. Symulacje CFD przepływu i temperatury gazów wylotowych na wlocie do reaktora katalitycznego po przejściu przez zawór upustowy w turbosprężarce [56]
Mattes i in. [67] zaprezentowali 3-cylindrowy silnik TwinPower Turbo Gasoline
Engine, który zastosowano w pojazdach hybrydowych BMW i8. Jest to jednostka
o objętości skokowej V
ss= 1,5 dm
3o mocy użytecznej N
e= 170 kW (231 KM) oraz
generująca moment obrotowy M
o= 320 N∙m. Jest to silnik wykonany zgodnie
z założeniami downsizingu i jego objętościowy wskaźnik mocy wynosi
N
v= 113,3 kW/dm
3, a stopień sprężania ε = 9,5. W celu osiągnięcia tak wysokiego
wskaźnika konstruktorzy opracowali wysokociśnieniowy układ bezpośredniego wtrysku benzyny, którego maksymalne ciśnienie wtrysku paliwa wynosi 20 MPa. Wtrysk realizowany jest przez wtryskiwacze wielootworowe, których otworki wykonane są techniką wiercenia laserowego (rys. 3.3). Otworki wykonane w ten sposób polepszają jakość rozpylenia paliwa, przez co uzyskiwana jest bardziej ujednorodniona mieszanka (rys. 3.4). Jak wykazały prace symulacyjne przy wykorzystaniu narzędzi CFD (Computer Fluid Dynamics), mniejszym obciążeniom cieplnym poddawane jest denko tłoka oraz ściany komory spalania, czego powodem jest redukcja penetracji strugi oraz ilości kropel trafiających na ścianki komory spalania tulei cylindrowej.
Oprócz technologii downsizingu dla silników ZI koncern BMW przyjął ją również dla silników ZS – TwinPower Turbo Diesel Engine Technology. Taka polityka producenta doprowadziła do wdrożenia modułowej budowy silników spalinowych obu typów. Koncepcja ta zakłada przyjęcie standardowej objętości pojedynczego cylindra (dla silników ZI i ZS), która wynosi ~0,5 dm
3. Następnie na tej bazie budowany jest silnik – przykładowo trzy cylindry tworzą silnik o objętości skokowej V
ss= 1,5 dm
3, a cztery V
ss= 2,0 dm
3(rys. 3.5). Umożliwia to zastosowanie dużej liczby wspólnych części dla każdego typu silnika.
Rys. 3.3. Schemat wtryskiwacza wielootworkowego z otworkami wierconymi laserowo [56]
Rys. 3.4. Ujednorodnienie mieszanki paliwowo-powietrznej [56]
Według Nefischera i in. [81] liczba modułowych elementów i części dla danego typu silnika musi stanowić ponad 60% całkowitej ich liczby. Zakłada się także wykorzystanie wspólnych części dla silników ZI i ZS w przedziale 30–40%.
Modułowość budowy silników przyczyni się do ograniczenia indywidualnego poziomu emisji drogowej CO
2, przez co łatwiej będzie spełnić wymagania legislacyjne w tym zakresie. Z porównania podstawowych parametrów silników ZS 3- i 4-cylindrowych wykonanych w koncepcji modułowej wynika, że większość parametrów jest taka sama (tab. 3.1).
Rys. 3.5. Strategia budowy silników ZI i ZS firmy BMW [81]
Nefischer i in. [81] zaprezentowali również wyniki badań pojazdów samochodowych produkowanych przez koncern BMW – Mini oraz X3. Pierwszy z pojazdów należy do grupy hatchback, a drugi kategorii SUV (Sport Utility Vehicle).
W obu przypadkach zastosowanie nowoczesnych silników ZS (rys. 3.6) spowodowało zmniejszenie emisji drogowej CO
2, a tym samym zużycia paliwa przy zwiększonych osiągach – prędkości maksymalnej, przyspieszenia oraz elastyczności w zakresie 80–120 km/h. Potwierdza to słuszność stosowania downsizingu w przypadku redukcji liczby cylindrów z 4 do 3.
Tab. 3.1. Porównanie silników ZS firmy BMW wykonywanych w technologii modułowej [81]
Parametr Jednostka 3-cylindrowy 4-cylindrowy
Wymiary geometryczne silnika
Objętość silnika cm3 1496 1995
Średnica cylindra mm 84
Skok tłoka mm 90
Objętość jednego cylindra cm3 499
Długość korbowodu mm 142,5 138
Wysokość kadłuba mm 289
Stopień sprężania – 16,5
Odstęp między cylindrami mm 91
Łożysko główne
Średnica mm 55
Szerokość mm 25
Łożysko korbowe
Średnica mm 45 50
Szerokość mm 24
Zawory
Średnica wlot/wylot mm 27,2/24,6
Wznios wlot/wylot mm 8,5/8,5
Rys. 3.6. Wpływ downsizingu na ograniczenie zużycia paliwa pojazdów różnej kategorii koncernu BMW [81]
Koncern GM również zastosował technologię downsizingu w swoich silnikach.
Przykładem jest silnik ZI 1,0 dm
3EcoBoost, który zdobył tytuł International Engine of the Year Awards 2015 w kategorii silnika o objętości skokowej poniżej 1,0 dm
3[133].
Tytuł ten przyznawany był dla tej jednostki napędowej także w 2012, 2013 i 2014 r.
Silnik ten został wykonany w technologii, w której konstruktorzy połączyli turbodoładowanie z bezpośrednim wtryskiem benzyny oraz zmiennymi fazami rozrządu [127]. Jest to 3-cylindrowy silnik oferowany w dwóch wariantach mocy maksymalnej o objętościowym wskaźniku mocy N
v= 74 kW/dm
3i 92 kW/dm
3(tab. 3.2). Według danych producenta silnik o mocy N
e= 73,5 kW zastosowany w pojeździe Ford Focus uzyskał w teście NEDC emisję drogową CO
2wynoszącą 109 g/km. W przypadku mocniejszego wariantu uzyskano 114 g/km CO
2[133].
Tab. 3.2. Charakterystyka silnika 1,0 dm3 EcoBoost koncernu GM [133]
Parametr Jednostka Wartość
Objętość skokowa cm3 999
Układ/liczba cylindrów – rzędowy/3
Średnica cylindra mm 71,9
Skok tłoka mm 82
Stopień sprężania – 10
Moc maksymalna kW 73,5 92
Moment znamionowy N∙m 170 175
(lub 200)
Silniki ZI EcoBoost zawierają się w przyjętej przez koncerny GM i Opel strategii wprowadzenia grupy silników SGE (Small Gasoline Engines) na wszystkich rynkach.
Podobnie jak w przypadku koncernu BMW konstruktorzy wdrożyli modułową budowę silników (rys. 3.7). Ułatwia to wprowadzanie na rynek nowych wariantów jednostek napędowych. Przykładem jest tutaj opracowanie nowego silnika 4-cylindrowego o objętości skokowej V
ss= 1,4 dm
3, który według Alty i in. [6] zawiera się w nowym trendzie rozwoju silników spalinowych – rightsizingu.
R4, Vss = 1,4 dm3 Wspólne części R3, Vss = 1,0 dm3 Rys. 3.7. Modułowa budowa silników Small Gasoline Engines koncernów GM i Opel [6]
Rightsizing według konstruktorów GM i Opla ma na celu wprowadzenie równowagi między spełnieniem wymagań legislacyjnych a oczekiwaniami stawianymi przez użytkowników pojazdów samochodowych. W związku z tym nowy silnik będzie generował większy maksymalny moment obrotowy niż jego poprzednik, który będzie wynosił M
o= 235 N∙m. Zwiększeniu ulegnie również moc użyteczna, N
e= 155 kW.
Bardzo dużą uwagę konstruktorzy skupili na ograniczeniu hałasu pochodzącego
z jednostki napędowej i jego osprzętu przez [6]:
a) izolację wysokiśnieniowych wtryskiwaczy od głowicy silnika, co ogranicza przenoszenie pulsacji energii i generowanej fali akustycznej z wtryskiwacza na głowicę i kadłub silnika (odizolowano akustycznie także pompę i zasobnik paliwa), b) zmianę konstrukcji łańcucha oraz pozostałych elementów układu rozrządu,
c) zmianę konstrukcji kolektora dolotowego, d) zastosowanie kutego wału korbowego,
e) efektywniejsze wygłuszenie silnika i komory silnikowej.
Oprócz wprowadzenia nowej grupy silników ZI konstruktorzy GM i Opla opracowali także nowy silnik ZS – MDE (Midsize Diesel Engine). Przykładem takiej jednostki jest 4-cylindrowy silnik o objętości skokowej V
ss= 1,6 dm
3spełniający normę emisji Euro 6 (tab. 3.3)/
Tab. 3.3. Charakterystyka silnika 1,6 dm3 Midsize Diesel Engine [6]
Parametr Jednostka Wartość
Objętość skokowa cm3 1598
Układ/liczba cylindrów – rzędowy/4
Średnica cylindra mm 79,7
Skok tłoka mm 80,1
Stopień sprężania – 16
Moc maksymalna kW 100 przy
3500–4000 obr/min Moment znamionowy N∙m 320 przy 2000 obr/min
Norma emisji – Euro 6
Boretto i in. [14] stwierdzają, że prezentowany silnik MDE zaprojektowano w celu zachowania parametrów użytecznych, podobnych jak w jednostkach 2,0 dm
3przy zmniejszeniu emisji drogowej CO
2o 10%. Zrealizowano to przez zastosowanie downsizingu i downspeedingu. Objętościowy wskaźnik mocy silnika wynosi N
v= 66,7 kW/dm
3. Kadłub silnika 1,6 MDE wykonano z aluminium. Wybór materiału podyktowany był zmniejszeniem masy silnika. Jego dobór uzależniono od szeregu parametrów użytecznych silnika – przyjęto, że konstrukcja musi być odporna pod względem wytrzymałości cieplnej i mechanicznej dla maksymalnego ciśnienia p = 0,18 MPa. Wał korbowy silnika wykonano z kutej stali wraz z 4 przeciwciężarami w celu ograniczenia masy. Wymiary czopów głównych i korbowych dobrano tak, aby zapewnić równowagę między sztywnością a wytrzymałością na zginanie i skręcanie. Zapewniono także optymalną grubość filmu olejowego w celu ograniczenia strat tarcia w węzłach ruchomych. Napęd układu rozrządu zrealizowano za pomocą przekładni zębatej napędzanej przez wał korbowy silnika (rys. 3.8).
Rys. 3.8. Wał korbowy silnika 1,6 dm3 MDE wraz z kołem zębatym do napędu układu rozrządu [14]
Silnik wyposażono w wysokociśnieniowy układ wtrysku common rail o maksymalnym ciśnieniu wtrysku paliwa 200 MPa (rys. 3.9) oraz w zintegrowany układ EGR (Exhaust Gas Recirculation) z turbosprężarką o zmiennej geometrii łopatek kierownic VGT (Variable Geometry Turbocharger). Obudowę pompy paliwa wysokiego ciśnienia wraz z zaworem dolotowym na jej wlocie wykonano z aluminium (rys. 3.10). Takie rozwiązanie pozwala na dostarczenie wymaganej dawki paliwa przy ograniczeniu strat energii związanych z regulacją ciśnienia paliwa.
Technologia ta jest szczególnie efektywna przy małych obciążeniach silnika, co przekłada się na obniżenie zużycia paliwa oraz emisji CO
2podczas eksploatacji pojazdu samochodowego w warunkach jazdy miejskiej.
Rys. 3.9. Wysokociśnieniowy układ wtryskowy common rail [14]
Rys. 3.10. Turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek kierownic VGT i układ recyrkulacji gazów wylotowych EGR [14]