La disconnessione dell'energia in Otto Cycle Engines

Le operazioni delle flotte dipendono dai motori a combustione interna che seguono il ciclo Otto, ma queste centrali sono compromessi termodinamici. Anche con un secolo di sviluppo, un tipico motore a benzina converte solo il 25-30 per cento dell'energia chimica del combustibile in utile lavoro meccanico. Il resto - 60 - 70 per cento - è respinto come calore attraverso i sistemi di scarico e raffreddamento.

L’efficienza teorica del ciclo di Otto dipende dal rapporto di compressione, ma i motori reali cadono a corto di attrito, perdite di pompaggio e combustione incompleta. La perdita dominante, tuttavia, è il rifiuto del calore. Le temperature di combustione possono superare i 2.000 °C, mentre i materiali limitano le pareti del cilindro a circa 200 °C. Il motore deve perdere il calore aggressivamente attraverso il refrigerante e lo scarico.

Esaurimento e raffreddamento: due flussi di energia distinti

Il gas di scarico lascia il motore a 400–800 °C, portando l'energia termica di alta qualità ideale per la conversione di potenza. Il sistema di raffreddamento opera a 90–110 °C, limitandone il potenziale termodinamico per l'estrazione del lavoro. Tuttavia, il calore refrigerante è abbondante e stabile, rendendolo prezioso per applicazioni di bassa qualità come il riscaldamento della cabina, il preriscaldamento del carburante, o il riscaldamento del motore durante le partenze fredde.

Una strategia di successo WHRS tipicamente si rivolge al flusso di scarico prima a causa del suo alto contenuto di eergia. Anche dopo il convertitore catalitico, un motore a benzina da 2.0 litri sotto carico autostradale può avere 30-40 kW di calore disponibile. Per i veicoli della flotta che operano a velocità di autostrada sostenute, questo rappresenta un flusso di energia costante. Il sistema di scarico è anche il più accessibile per il retrofitting, che corre lungo il sottocorpo con lo spazio per gli scambiatori di calore.

Generatori termoelettrici: Potenza silenziosa dalla differenza di temperatura

I generatori termoelettrici (TEG) sfruttano l'effetto Seebeck per produrre corrente diretta da un differenziale di temperatura. Un modulo termoelettrico posto tra il tubo di scarico caldo e un dissipatore di calore più fresco genera elettricità senza parti mobili. I prototipi TEG automobilistici sono stati sviluppati da produttori tra cui BMW, Ford e General Motors. La loro natura a stato solido offre un funzionamento silenzioso e privo di manutenzione, attraente per flotte che privilegiano l'affidabilità.

Le prime unità prodotte solo poche centinaia di watt, ma i progressi materiali hanno spinto le efficienze più elevate. La carta SAE 2012-01-1600 documenta un gasolio di scarico TEG che garantisce fino a 1 kW; le applicazioni a benzina mostrano tendenze simili. L'elettricità può offload del graditore alternante, riducendo il carico parassita, o carica una batteria ibrida.

Ciclo di Rankine Organico: Potenza del Vapor per Gains superiori

Il ciclo di Rankine Organico (ORC) utilizza un fluido di lavoro con un punto di ebollizione basso, come refrigeranti o idrocarburi, per recuperare il calore di scarico. Il vapore di scarico vaporizza il fluido in uno scambiatore di calore; il vapore si espande attraverso una turbina o un espansore a scorrimento collegato a un generatore; quindi il fluido viene condensato e pompato indietro.

Il progetto Turbosteamer di BMW ha applicato un doppio circuito ORC a un motore a quattro cilindri da 1,8 litri, catturando il calore di scarico in un circuito ad alta temperatura e il calore refrigerante in un circuito a bassa temperatura, entrambi alimentando un singolo espandente.

Turbo-Compounding e recupero elettrico

La turbina, che si compone di estratti di energia dal flusso di scarico tramite una seconda turbina a valle del turbocompressore principale, può essere accoppiata meccanicamente all'albero motore o attaccata a un generatore elettrico.

Durante la decelerazione, l'energia elettrica in eccesso può caricare una batteria; durante l'accelerazione, il motore può aiutare il turbocompressore per ridurre il ritardo. Garrett Motion e BorgWarner hanno sviluppato sistemi di turbocompressore elettrici che sfocano la linea tra l'aumento e il recupero di calore della flotta.

Gestione termica ausiliaria: Strategie a bassa temperatura

Il calore recuperato può servire a esigenze di minore qualità come il riscaldamento della cabina, il preriscaldamento del combustibile, o il riscaldamento dell'aria di assunzione per migliorare la stabilità della combustione durante le partenze fredde. I raffreddatori di ricircolo del gas di scarico (EGR) già agiscono come scambiatori di calore di scarto, ma la loro energia è generalmente rifiutata al refrigerante e irradiato via.

Dal Prototipo al Payback: Quantificare l'impatto delle pulci

Gli studi di simulazione mostrano un sistema ORC su un motore turbocompresso benzina può migliorare l'economia del carburante dell'8-12 per cento in condizioni autostradali. TEGs tipicamente offrono 3-6 per cento per i veicoli a carico leggero, mentre turbo-compounding aggiunge un altro 5-8 per cento ad alto carico.

Per una flotta di 50 camion di classe 8 ogni viaggio 100.000 miglia all'anno a 7 mpg, un miglioramento del 10 per cento risparmia oltre 71.000 galloni all'anno. A $3.50 per gallone, che è quasi $250,000 in riduzione dei costi di carburante annuali. Il consumo di carburante inferiore riduce direttamente le emissioni di CO2 - circa 2,3 kg per litro di benzina risparmiato - aiutando le flotte a soddisfare obiettivi di sostenibilità ed evitare costi di prezzo di carbonio.

Studi di casi e programmi pilota

Diversi progetti di alto profilo dimostrano la fattibilità di WHRS in contesti rilevanti per la flotta.

  • BMW Turbosteamer:[] Per la prima volta nel 2005, questo sistema basato su ORC su un motore a quattro cilindri da 1,8 litri ha raggiunto il 10 per cento di risparmio di carburante sul ciclo autostradale NEDC. Il design a doppio circuito evidenzia come sia possibile raccogliere gas di scarico e calore refrigerante.
  • Ford e U.S. DOE SuperTruck: Ford esplorato generatori termoelettrici per il pick-up F-150 sotto il programma SuperTruck. Un prototipo ha consegnato 800 watt a 48 volts— basta per alimentare gateway telematici, telecamere a tratti e terminali di dati mobili comuni nei veicoli della flotta.
  • Cummins Turbo-Compounding:[] Cummins commercializzato turbo-compounding meccanico per motori diesel pesanti, ottenendo un guadagno di economia di carburante del 5 per cento. La tecnologia, coperta da un articolo del Green Car Congress, mostra che le scale di recupero di energia di scarico per i camion della classe 8.
  • Rivista di ricerca accademica:[] Un'indagine completa in []Applied Thermal Engineering[ (DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.01.057) ha esaminato oltre 100 carte sui sistemi ORC e TEG automobilistici, concludendo che l'integrazione con la gestione del motore e l'ottimizzazione del sistema termico è la chiave per la revisione di reale-world.

Barriera a Adozione: Peso, Costo e Complessità

Nonostante questi successi, WHRS affronta ostacoli che influenzano le decisioni di adozione della flotta.

Peso e imballaggio:[ Un sistema ORC completo aggiunge 30–50 kg. In un veicolo commerciale leggero, questa massa compensa in parte i guadagni di carburante. I TEG sono più leggeri ma richiedono scambiatori di calore dedicati. La baia del motore è già affollata di turbocompressori, convertitori catalitici e controlli delle emissioni.

Costo e ritorno sull'investimento:[] I moduli termoelettrici rimangono costosi a causa di materiali rari. Un sistema ORC con espansore rotante e scambiatori di calore multipli aggiunge centinaia a migliaia di dollari al costo del veicolo. Per giustificare l'investimento, il risparmio di carburante deve superare il costo di anticipo nel periodo di proprietà della proprietà.

Transient Operation and Control:[ I motori automobilistici raramente funzionano a stato costante. La temperatura di scarico e il flusso di massa fluttuano con accelerazione, frenatura e cambi di marcia. L'uscita TEG dipende dal mantenimento di una differenza di temperatura; i cambiamenti rapidi causano lo stress termico e le fluttuazioni di potenza. I sistemi ORC richiedono un controllo accurato del fluido per evitare il danneggiamento del evaporatore di essiccatoio o dell'espansione.

Affidabilità e durata:[] I componenti esposti al gas di scarico devono resistere ad alta temperatura, condensa corrosiva e ciclo termico. I moduli termoelettrici si degradano nel tempo; gli espansori ORC affrontano i guasti di usura e di tenuta. Le vibrazioni automobilistiche e gli alti sbalzi termici richiedono robustezza.

Avanzamenti e Integrazione Ibrida

Nuovi materiali termoelettrici come skutterudites e leghe semi-Heusler offrono maggiori efficienze, costi inferiori e una migliore tolleranza alla temperatura. La produzione aggiuntiva consente scambiatori di calore compatti e ad alte prestazioni che si integrano direttamente nel collettore di scarico, risparmiando peso e spazio.

La crescita dell'elettrificazione dei veicoli svolge un ruolo sinergico: ibridi miti e pieni hanno già batterie da 48 volt o ad alta tensione che possono assorbire l'elettricità da generatori TEG o ORC. In un ibrido parallelo, ogni watt di energia recuperata estende la gamma di soli elettrici e riduce il tempo di funzionamento del motore. Anche nei veicoli convenzionali, il carico elettrico crescente da telematici, sensori e sistemi di assistenza agli automobilisti fa uso di Fles.

La nuova Corporate Media Fuel Economy e la flotta europea di CO2 limitano i produttori di automezzi a adottare ogni ragionevole tecnologia di efficienza. Il recupero del calore è una delle poche opzioni che possono essere applicate alle architetture dei motori esistenti senza una riprogettazione fondamentale.

Conclusioni

Con la conversione dell'energia termica che altrimenti sarebbe persa in utile energia meccanica o elettrica, WHRS può produrre risparmio di carburante del 10–15 per cento, ridurre le emissioni e migliorare la drivabilità. Le tecnologie sono diverse: termoelettriche a stato solido, espansi cicli Rankine organici, turbine turbocompounding, e scambiatori di resistenza a basso livello, ciascuno con peso specifico

Nel prossimo decennio, una certa forma di recupero del calore dei rifiuti è probabile che apparisca sui veicoli della flotta di produzione. Sia attraverso un modulo termoelettrico silenzioso che raccoglie elettricità dalla tubatura di coda o una turbina compatta che completa la potenza dell'albero motore, l'energia che è stata scartata a lungo sarà sempre più messa a lavoro.