2.1 Các chu trình và các hệ thống trong động cơ
2.1.4Hệ thống thu hồi nhiệt khí thải
Tổn thất nhiệt thải phát sinh cả do sự kém hiệu quả của thiết bị và do những hạn chế về nhiệt động lực học trên thiết bị và quy trình. Ví dụ, nhu cầu về nhiều hệ thống loại bỏ nhiệt như một sản phẩm phụ của hoạt động của chúng là cơ bản của các định luật nhiệt động lực học. Hình 2.19 cho thấy sự cân bằng năng lượng của động cơ vi mạch. Tuy nhiên, thay vì bị "lãng phí" do thải ra mơi trường xung quanh, đơi khi nhiệt thải (hoặc lạnh) có thể được sử dụng bởi một quá trình khác (chẳng hạn như sử dụng chất làm mát động cơ nóng để làm nóng xe), hoặc một phần nhiệt khác sẽ có thể được tái sử dụng trong cùng một quá trình nếu nhiệt bù được bổ sung vào hệ thống. Hiện nay, có tới 65% nhiệt năng sinh ra trong động cơ đốt trong (ICE), dù là xăng hay dầu diesel đều bị lãng phí. Nhiệt thải là nguồn năng lượng thải lớn nhất trong các ICE [30].
Hình 2.19 Sơ đồ khối để cân bằng năng lượng động cơ vi mạch
Tuy nhiên, thiếu thơng tin nghiêm trọng về nguồn gây thất thốt nhiệt thải lớn nhất trong các lĩnh vực và quy trình khác nhau và bản chất của các nguồn nhiệt thải khác nhau (ví dụ, chất lượng nhiệt thải và thành phần hóa học) - kiến thức về các yếu tố này là rất quan trọng trong xác định tính khả thi và mức độ cơ hội thu hồi nhiệt thải. Nghiên cứu này tóm tắt các chủ đề chính cùng với những tiến bộ và phát triển gần đây về các loại hệ thống thu hồi nhiệt thải trực tiếp và gián tiếp, chất lượng thu hồi năng lượng của chúng và lĩnh vực ứng dụng cho động cơ đốt trong. Nghiên cứu này có thể được sử dụng sâu hơn bởi các nhà nghiên cứu làm việc trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển lĩnh vực thu hồi nhiệt thải của động cơ đốt trong.
2.1.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính khả thi của việc thu hồi nhiệt thải
Đánh giá tính khả thi của yêu cầu thu hồi nhiệt thải đặc trưng cho nguồn nhiệt thải và dịng mà nhiệt sẽ được truyền. Các thơng số dòng thải quan trọng mà phải được xác định bao gồm:
• Số lượng nhiệt
• Nhiệt độ
• chất lượng nhiệt
• Thành phần
• Nhiệt độ tối thiểu cho phép
Lịch trình hoạt động, tính khả dụng và các hoạt động hậu cần khác. Các thơng số này cho phép phân tích chất lượng và số lượng của luồng và cũng cung cấp thông tin chi tiết về các vật liệu thiết kế có thể có những hạn chế.
2.1.4.2 Công nghệ thu hồi nhiệt thải cho động cơ
• Bộ chuyển đổi nhiệt thành điện năng
Một TEG thường bao gồm các cặp loại n và p được pha tạp chất bán dẫn mắc song song nhiệt điện và mắc điện trong hàng loạt. Khi một trong các điểm nối ở nhiệt độ khác khác, dòng điện một chiều chạy trong mạch. Các độ lớn của dòng điện phụ thuộc vào nhiệt điện riêng tính chất của hai vật liệu và sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối. Phạm vi nhiệt độ hoạt động của một TEG phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng.
Ví dụ, một Hệ thống bismuth-tellurium phù hợp với mức tương đối thấp nhiệt độ hoạt động (nhiệt độ phòng đến 200° C), trong khi hợp kim silicon-germani hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ cao ứng dụng (> 800° C). Đối với nhiệt độ vừa phải (T = 500 đến 800° C), các nguồn nhiệt như khí thải của xe và cơng nghiệp nhiệt thải, loại nửa Heusler là vật liệu được lựa chọn. Vào năm 2015, một cuộc trình diễn về khả năng chuyển đổi nhiệt thải của xe thành điện của TEG đã được thực hiện cho Army's TARDEC (Nghiên cứu, phát triển Ơ tơ xe tăng và Trung tâm Kỹ thuật). Đối với chương trình đó, GMZ Năng lượng thành công đã chứng minh một TEG 1.000 W được thiết kế cho động cơ diesel tái thu nhiệt khí thải. Cơng ty tích hợp năm TEG 200W vào một giải pháp động cơ diesel 1.000 W duy nhất trực tiếp chuyển đổi nhiệt thải thành năng lượng điện, làm tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm chi phí tổng thể.
• Hệ thống thu hồi nhiệt khí thải (EGHR)
Hệ thống này lần đầu tiên được sử dụng trên Chevrolet Malibu 2016 Hỗn hợp. Không giống như các cơng nghệ khác, nó khơng tạo ra điện năng lượng từ nhiệt thải để sạc lại pin. Thay vào đó, Malibu điện khí hóa sử dụng nhiệt thải để làm ấm nội thất cabin như cũng như động cơ, nâng cấp sau lên hoạt động cao nhất nhiệt độ nhanh chóng, và giữ nó ở đó. Trong khi đó có thể là tất cả âm thanh hấp dẫn, thúc đẩy tiết kiệm nhiên liệu - đặc biệt là trong những tháng lạnh hơn - có thể đo lường được. Nó cũng cho phép một khử NO2 , gần như là một đối thủ lớn để làm sạch khơng khí như carbon. Hệ thống EGHR trên Chevrolet Malibu 2016 là loại giống như hiệu trưởng người Mỹ bản địa cũ về việc sử dụng mọi phần của con trâu; những gì đã từng là lãng phí khơng cịn lãng phí nữa.
Hình 2.21 Chu trình Rankine
Tạo ra năng lượng thông qua công việc cơ học Hệ Thống Chu kỳ Rankine dựa trên quá trình tạo hơi nước trong một hệ thống thứ cấp mạch sử dụng năng lượng nhiệt khí thải để sản xuất bổ sung cấp điện bằng thiết bị giãn nở hơi nước.
Một trường hợp đặc biệt của thấp hệ thống tạo năng lượng nhiệt độ sử dụng một số chất lỏng hữu cơ nhất định thay vì nước trong cái gọi là Chu trình Rankine hữu cơ (ORC). Điều này kỹ thuật này có lợi thế hơn so với phương pháp ghép lãi kép điều đó khơng có tác động quá quan trọng đến việc bơm động cơ tổn thất và liên quan đến vật liệu nhiệt điện cung cấp hiệu suất cao hơn trong việc sử dụng năng lượng nhiệt dư các nguồn. Thu hồi nhiệt thải từ chu trình rankine hoạt động ở mức thấp chênh lệch nhiệt độ sử dụng chất lỏng khác thường (chất làm lạnh, CO2 , hỗn hợp nhị phân) được thể hiện trong Hình 2.19. Ở nhiệt độ rất thấp nhiệt độ nguồn, chu trình CO2 xuyên tới hạn tạo ra cao nhất sản lượng điện rịng. Kỹ thuật chu trình tạo đáy Rankine tối đa hóa hiệu quả năng lượng; giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải khí nhà kính. Thu hồi nhiệt thải của động cơ có thể đạt được thông qua nhiều phương pháp. Nhiệt có thể được tái sử dụng trong cùng một quá trình hoặc chuyển sang nhiệt, điện hoặc cơ khí khác quy trình. Phân tích cho thấy rằng áp suất thiết bị bay hơi mang lại tốt hơn hiệu quả. Nhiệt độ điểm chụm, chi phí trao đổi nhiệt, nhiệt độ tới hạn của chất lỏng làm việc sẽ là một hạn chế đối với áp suất làm việc lớn nhất của chu trình. Các chu trình xếp hạng hữu cơ như trong các đơn vị nhiệt và công suất kết hợp là các tùy chọn để cải thiện tổng hiệu quả và giảm chi phí. Thu hồi nhiệt thải bằng cách sử dụng Chu trình rankine hữu cơ là một phương pháp hiệu quả so với các kỹ thuật khác; vì vậy các nhà sản xuất Ơ tơ sử dụng phương pháp này để nâng cao hiệu quả của các sản phẩm của họ. Sự phục hồi nhiệt có thể được thực hiện và tăng lên khi tăng lưu lượng khí thải phù hợp [31].
• Chu kỳ Stirling
Động cơ Stirling là động cơ nhiệt hoạt động theo chu kỳ nén và giãn nở khơng khí hoặc khí khác, chất lỏng làm việc, ở các mức nhiệt độ khác nhau để có một chuyển đổi rịng của nhiệt năng thành cơng cơ học. Piston Stirling tự do Động cơ được thể hiện trong Hình 2.20. Sự phát triển của loại gamma Động cơ Stirling hoạt động ở nhiệt độ chênh lệch cao để tìm ra sự chênh lệch nhiệt độ tối ưu tại mơ hình nào sẽ cho hiệu suất nhiệt tối đa [32]. Thải nhiệt phục hồi từ động cơ đốt trong được phân tích với hai các chất lỏng khác nhau bằng cách sử dụng chu trình rankine hữu cơ. Cặp đôi động cơ Stirling piston tự do với một xi lanh khí nén và kết quả
bằng mơ phỏng cho thấy công suất đầu ra từ mô phỏng số cao hơn so với công suất thực nghiệm theo các giả định lý thuyết [33]. Gamma loại động cơ Stirling được thiết kế và phát triển để ứng dụng hệ thống thu hồi nhiệt thải. Hiệu suất của nhiệt độ thấp sự khác biệt của động cơ Stirling đã được điều tra. Một piston điện đơi cấu hình gamma vi sai nhiệt độ thấp Động cơ Stirling được thử nghiệm với khơng khí khơng áp suất bằng cách sử dụng bộ mô phỏng năng lượng mặt trời và kết luận rằng động cơ Stirling hoạt động với mức tương đối thấp nhiệt độ khơng khí là động cơ tương lai có khả năng phát triển. Hình 2.20 trình bày nguyên lý cấu tạo của chu trình Stirling piston tự do.
Hình 2.22 Chu trình Piston tự do Stirling 2.1.5 Hệ thống bơi chơn 2.1.5 Hệ thống bơi chơn
2.1.5.1 Sử dụng hệ thống hâm nóng dầu bơi chơn
Các thử nghiệm thực nghiệm đã được hoàn thành để đánh giá khả năng tiết kiệm nhiên liệu tối đa của việc làm nóng dầu động cơ thường bắt đầu với giả định rằng chênh lệch tiêu thụ nhiên liệu 10–15% giữa thử nghiệm NEDC lạnh và nóng là
khả năng tiết kiệm nhiên liệu tối đa khi làm nóng bất kỳ. các biện pháp và mặc dù khả năng làm nóng của động cơ là một yếu tố chính góp phần vào yếu tố lạnh hoặc nóng, nhưng cũng có một số yếu tố khác góp phần vào yếu tố lạnh-nóng. Điều quan trọng nhất trong số các yếu tố này là sự khởi động của hộp số (đặc biệt là hộp số tự động có hiệu suất thấp hơn hộp số tay), các hiệu ứng hiệu chuẩn cần thiết để làm nóng chất xúc tác để đáp ứng các quy định pháp luật về khí thải (ví dụ: tăng tốc độ khơng tải hoặc khởi động nguội chậm), nhiệt độ lốp, ma sát của trục truyền động còn lại và ổ trục bánh xe. Điều đó thường dẫn đến giả định chung rằng việc làm nóng dầu có thể phù hợp cụ thể đối với các chu kỳ truyền động ngắn bao gồm khởi động nguội nhưng sẽ không phù hợp lắm đối với các chu kỳ truyền động ấm hơn và dài hơn như EUDC. Farrant [34] đã dự đoán khả năng cải thiện mức tiết kiệm nhiên liệu tối đa chỉ là 2% đối với EUDC nếu thử nghiệm hoàn chỉnh sẽ được tiến hành với nhiệt độ dầu động cơ 94° C. Vì vậy, hầu hết các cách tiếp cận đều tập trung vào việc tăng nhiệt độ động cơ trong phần đầu tiên của chu trình truyền động nhưng khơng q nhiều ở phần thứ hai, cũng bởi vì chất làm mát - khác với dầu - đạt nhiệt độ vận hành sớm trong EUDC.
Để khảo sát tiềm năng chung của việc tăng nhiệt độ bôi trơn bằng cách sử dụng các thử nghiệm xe thải nhiệt bị lãng phí với bộ trao đổi nhiệt khí thải đã được thực hiện. Kết quả ban đầu đã được trình bày trong [35], [36]. Năm cuộc thử nghiệm xe của NEDC đã được thực hiện ở hai cấu hình khác nhau, có và khơng có bộ trao đổi nhiệt khí xả hoạt động. Xe đã được kiểm tra lực kế khung xe trong phịng thí nghiệm khí thải được cơng nhận theo tiêu chuẩn ISO9000 và ISO17025, chi tiết của thiết bị thử nghiệm đã được mô tả chi tiết trong nhiều ấn phẩm khác nhau [21], [42]. Kết quả của năm bài kiểm tra NEDC được tính trung bình cho mỗi cấu hình hệ thống và so sánh cho hai cấu hình khác nhau. Mức tiêu thụ nhiên liệu đã giảm 7,3% đối với chu trình truyền động kết hợp, và đối với phần đơ thị, mức tiêu thụ nhiên liệu thậm chí cịn giảm 7,8% (Hình 2). Đối với phần đơ thị, kết quả thấp hơn nhiều so với mơ phỏng của Farrant bởi vì mặc dù nhiệt độ đầu vào động cơ với bộ trao đổi nhiệt khí xả (HE) cao hơn tới 60°C so với khơng có HE, nhưng đối với hầu hết các phần của chu trình truyền động, nhiệt độ dầu là vẫn thấp hơn nhiều so
với nhiệt độ làm ấm hoàn toàn của Farrant là 94°C. Mối quan tâm đặc biệt là các cải thiện tiết kiệm nhiên liệu cao ở mức 6,9% đối với EUDC. Kết quả này chứng minh rằng tiềm năng tiết kiệm nhiên liệu tối đa thông qua việc tăng nhiệt độ dầu động cơ lớn hơn nhiều so với chỉ yếu tố lạnh / nóng nếu nhiệt độ dầu có thể được tăng lên mức cao hơn, ví dụ lên đến 120° C như trong ví dụ này. Nhiệt độ dầu cao hơn ở EUDC có thể do tốc độ dịng khí thải cao hơn nhiều so với phần đơ thị của chu trình lái xe do tốc độ xe cao hơn nhiều. Do tác dụng bậc hai của tốc độ xe trên đường tải của xe mà tốc độ và tải trọng động cơ cũng cao hơn nhiều. Tốc độ động cơ cao hơn làm tăng ma sát tuyệt đối nhưng cũng theo tỷ lệ phần trăm của tổng năng lượng sử dụng và do đó, mang lại tiềm năng tối ưu hóa hiệu quả hơn với nhiệt độ dầu cao hơn.
Hình 2.23 Biểu đồ Cải thiện tiết kiệm nhiên liệu với bộ trao đổi nhiệt dầu và khí thải 2.1.5.2 Cấu hình hệ thống bơi trơn mới (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Việc phân tích trước đó kết hợp với kết quả thử nghiệm với bộ trao đổi nhiệt khí xả đã dẫn đến một cấu hình hệ thống mới để việc truyền nhiệt đến dầu động cơ có thể được điều chỉnh và kiểm sốt tùy thuộc vào các thơng số nhất định [38]. Nó có thể được tối đa hóa trong điều kiện vận hành mà độ nhớt của dầu quá thấp để giảm ma sát và nó có thể được giảm xuống đối với tải và tốc độ động cơ cao khi nhiệt độ dầu cần được giới hạn để ngăn hiện tượng kết dính, do đó nhu cầu về bộ làm mát dầu động cơ có thể đã bị loại trừ. Một ưu điểm khác của cấu hình này là khối lượng nhiệt của các phần dầu khác nhau được tách ra một phần, giúp làm nóng dầu trong các phòng chứa dầu nhanh hơn nhiều. Sơ đồ hệ thống được trình bày trong Hình 8. Tương tự như một số máy bơm dầu biến đổi, hệ thống có một đường dẫn dầu được điều khiển bởi một van. Sự khác biệt là nó là một vịng tránh bên
ngồi khơng được tích hợp trong bơm dầu. Đường vòng nối bộ chứa dầu đầu xi lanh với đầu vào của bơm dầu.
Hình 2. 24 Cấu hình hệ thống bơi trơn mới - bỏ qua dầu đầu xi lanh với bộ trao đổi nhiệt
khí/dầu
Khi van được mở, áp suất dầu giảm và tốc độ dòng dầu qua đầu xi lanh tăng lên. Cấu hình trong Hình 2.24 cũng cho thấy một bộ trao đổi nhiệt khí thải/dầu tương tự như bộ trao đổi nhiệt đã được thử nghiệm trong [35], [36], mặc dù hệ thống mang lại những lợi ích mà khơng có bộ trao đổi nhiệt như vậy. Các thành phần được thêm vào cấu hình tiêu chuẩn như được mơ tả trước đây được hiển thị trong màu đỏ.
Các lợi ích tiết kiệm nhiên liệu được kỳ vọng sẽ tương tự như các kết quả được thảo luận trong [35], [36]. Nền tảng lý thuyết sẽ được thảo luận trong trường hợp nghiên cứu sau. Tổng nhiệt cần thiết để làm nóng dầu trong quá trình thử nghiệm NEDC đã được chứng minh [44].
2.1.5.3 Các lợi ích và rủi ro
Lợi ích của cấu hình đường vịng mới là độ phức tạp rất thấp để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu tương đối lớn. Các bộ phận bổ sung duy nhất được yêu cầu là một ống rẽ nhánh - cũng có thể được tích hợp trong đầu và khối xi lanh nếu động cơ mới được thiết kế - và van chuyển tiếp bao gồm bộ điều khiển và chiến lược điều khiển. Lợi ích tối đa có thể đạt được nếu một bộ trao đổi nhiệt khí xả cũng được lắp đặt trong ống dẫn dầu đầu xi lanh mới. Cấu hình như vậy có lợi thế là khí thải lạnh hơn sau HE có thể được sử dụng làm khí tuần hồn khí thải (EGR) để giảm phát thải NOx hơn nữa. Tuy nhiên, nếu sự ngưng tụ nước nên được sử dụng ở mức độ