Τεχνολογίες Εκμετάλλευσης της Θερμότητας Καυσαερίων σε Kινητήρες Diesel

Abstract

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η θεωρητική διερεύνηση των ακόλουθων τεχνολογιών ανακομιδής θερμότητας καυσαερίου κινητήρων Diesel: (α) Διάταξη στροβιλουπερπλήρωσης με ηλεκτρική γεννήτρια στον άξονα του υπερπληρωτή. (β) Σύνθετη στροβιλουπερπλήρωση με στρόβιλο ισχύος τοποθετημένο μετά το στρόβιλο του υπερπληρωτή. (γ) Θερμοηλεκτρική γεννήτρια. (δ) Κύκλος Rankine με εργαζόμενο μέσο H2O ή R245ca. Στην περίπτωση του οργανικού μέσου χρησιμοποιείται και ανακομιστής θερμότητας για την αύξηση του θερμοδυναμικού βαθμού απόδοσης του κύκλου. Στην πληρέστερη εκδοχή του συστήματος περιλαμβάνονται δυο πρόσθετοι εναλλάκτες για την ανάκτηση της θερμότητας του ανακυκλοφορούντος καυσαερίου (EGR) και του ψυγείου αέρα. Αναπτύχθηκε μοντέλο προσομοίωσης της σύνθετης στροβιλουπερπλήρωσης ενσωματώνοντας τους χάρτες λειτουργίας του κατασκευαστή για το συμπιεστή, το στρόβιλο του υπερπληρωτή και το στρόβιλο ισχύος. Με αυτό τον τρόπο έγινε εκτίμηση της πραγματικής επίδρασης της λειτουργίας του στροβίλου ισχύος στον υπερπληρωτή και στον κινητήρα. Για την προσομοίωση της θερμοηλεκτρικής γεννήτριας αναπτύχθηκε θεωρητικό μοντέλο αξιοποιώντας βιβλιογραφικά δεδομένα για τις ιδιότητες των θερμοηλεκτρικών υλικών. Η θεωρητική διερεύνηση της εγκατάστασης του κύκλου Rankine σε κινητήρα Diesel βασίστηκε στην ανάπτυξη πρωτότυπου θερμοδυναμικού μοντέλου προσομοίωσης. Σε κάθε σημείο λειτουργίας του κινητήρα εκτιμήθηκε ο βέλτιστος θερμοδυναμικός κύκλος Rankine για τη μεγιστοποίηση της παραγόμενης ισχύος αλλά και τον περιορισμό της απορριπτόμενης θερμότητας από το σύστημα στο περιβάλλον. Επιπροσθέτως παρέχεται η δυνατότητα υπολογισμού των διαστάσεων των εναλλακτών θερμότητας του συστήματος. Από τη διερεύνηση των εξεταζόμενων τεχνικών ανακομιδής θερμότητας προέκυψαν τα ακόλουθα: Η ανάκτηση τμήματος της θερμότητας του καυσαερίου μέσω του υπερπληρωτή με ηλεκτρογεννήτρια στον άξονα του επιφέρει σημαντική βελτίωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου μόνο στην περίπτωση χρήσης υπερπληρωτή με αυξημένο βαθμό απόδοσης. Η σύνθετη στροβιλουπερπλήρωση επιφέρει μεγαλύτερη βελτίωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου συγκριτικά με την προηγούμενη διάταξη σε όλα τα φορτία του κινητήρα. Η παραγόμενη ισχύς της θερμοηλεκτρικής γεννήτριας είναι ελάχιστη λόγω του χαμηλού βαθμού απόδοσης των θερμοηλεκτρικών υλικών αλλά και της δυσκολίας απορρόφησης της θερμότητας καυσαερίου. Tο μέγιστο όφελος στην ειδική κατανάλωση καυσίμου επιτυγχάνεται μέσω του οργανικού κύκλου Rankine, που ανακτά ταυτόχρονα θερμότητα από το κύριο καυσαέριο, το EGR και τον αέρα υπερπλήρωσης. Η σημαντική αύξηση της απορριπτόμενης θερμότητας από τον κινητήρα Diesel και τον κύκλο Rankine στο περιβάλλον αποτελεί βασικό μειονέκτημα της εγκατάστασης. Η μείωση των διαστάσεων της απαιτούμενης ψυκτικής διάταξης είναι εφικτή με την τροποποίηση της λειτουργίας του συστήματος Rankine στο πλήρες φορτίο. Η χρήση του κύκλου Rankine για τον έλεγχο της θερμοκρασίας καυσαερίου αποδείχτηκε ιδιαίτερα χρήσιμη για τη βελτίωση της απόδοσης του καταλύτη SCR και την προστασία του από τις υψηλές θερμοκρασίες καυσαερίου κατά την ενεργητική αναγέννηση της παγίδας αιθάλης. Η διαστασιολόγηση των κυριότερων εξαρτημάτων του κύκλου Rankine απέδειξε ότι είναι εφικτή η εγκατάσταση του συστήματος στο αμάξωμα βαρέως οχήματος.

The main purpose of the thesis is the study of Exhaust Gas Heat Recovery Techniques in Diesel Truck Engines. The examined heat recovery technologies are the following: (a) Electrical turbocompounding with an electric generator installed on the turbocharger shaft (b) The other examined arrangement of turbocompounding includes a power turbine placed downstream of the turbocharger turbine. (c) Thermoelectric generator for the direct conversion of the extracted exhaust gas heat to electrical energy. (d) Rankine cycle system operating with H2O or R245ca as working medium. A heat recuperator is installed to improve the thermodynamic efficiency of the organic Rankine cycle. The potential use of EGR and charge air cooler as major components of Rankine cycle system is also examined. A turbocompounding simulation model has been developed by including operating charts for turbocharger and power turbine. Thus, an estimation of the power turbine operation on turbocharger and engine performance. A separate finite element model has been also conducted to evaluate the performance of a thermoelectric generator installed in a diesel engine. A thermodynamic simulation model for Rankine cycle has been developed including a sub-model for the description of heat transfer between the hot fluid and the working medium. The developed simulation tool provides the optimum Rankine cycle operating points at each engine load. Thus, the model estimates the dimensions of the system heat exchangers.

The theoretical analysis provided the following results: The electrical turbocompound improves the overall bsfc when the turbocharger efficiency increases. The installation of a power turbine downstream of the turbocharger turbine reduces further the overall bsfc compared to the previous technique at all engine loads. The improvement of specific fuel consumption is negligible when using thermoelectric generators for exhaust gas heat recovery. The maximum reduction in the overall bsfc is achieved with the installation of the organic Rankine cycle system for heat exploitation from exhaust gas, EGR and charge air cooler. The significant increase of the total rejected heat from Rankine cycle and diesel engine to the ambience is the major disadvantage of the system. The size reduction of the required cooling system is feasible with the modification of Rankine cycle operation at full engine load. The use of Rankine cycle system for exhaust gas temperature management proved to be beneficial for the improvement of SCR catalyst efficiency and its protection during active filter regeneration. The size estimation of the Rankine cycle components proved that the installation of the system on a heavy duty truck is feasible.