Отключение энергии в двигателях цикла Отто

Операции флота зависят от двигателей внутреннего сгорания, которые следуют циклу Отто, но эти электростанции являются термодинамическими компромиссами. Даже с вековой разработкой типичный бензиновый двигатель преобразует только 25-30% химической энергии топлива в полезную механическую работу. Остальное - от 60 до 70% - отбрасывается в виде тепла через выхлопные системы и системы охлаждения. Для парка из 200 транспортных средств доставки, потребляющих 3000 галлонов топлива в год, эти тепловые отходы представляют собой более 400 000 галлонов в год, которые никогда не касаются колес. Системы рекуперации тепла (WHRS) стремятся захватить эту потерянную энергию и преобразовать ее в дополнительную мощность, непосредственно улучшая экономию топлива парка и снижая эксплуатационные расходы.

Теоретическая эффективность цикла Отто зависит от коэффициента сжатия, но реальные двигатели не выдерживают из-за трения, потерь от перекачки и неполного сгорания. Доминирующими потерями, однако, является отторжение тепла. Температура сгорания может превышать 2000 ° C, в то время как материалы ограничивают стенки цилиндров примерно до 200 ° C. Двигатель должен агрессивно терять тепло через охлаждающую жидкость и выхлопные газы. В автомобильном круизе около 30 процентов энергии топлива уходит через систему охлаждающей жидкости и еще 35 процентов выходит через выхлопную трубу. Типичная система охлаждения излучает это тепло в атмосферу, и поток выхлопных газов несет значительный термодинамический потенциал. Управление автомобильных технологий Министерства энергетики США оценивает, что восстановление даже половины выхлопного тепла может улучшить экономию топлива на легкой мощности более чем на 10 процентов. Для парка работающих средних грузовиков на 10 миль на галлон и 60 000 миль в год, 10-процентное увеличение экономит 600 галлонов на грузовик ежегодно - прямое улучшение нижней линии.

Выхлоп и охлаждение: два отдельных энергетических потока

Не все отработанное тепло создается равным. Выхлопной газ покидает двигатель при 400-800 °C, неся высококачественную тепловую энергию, идеально подходящую для преобразования энергии. Система охлаждающей жидкости работает при 90-110 °C, ограничивая ее термодинамический потенциал для извлечения работы. Однако тепло охлаждающей жидкости обильное и стабильное, что делает его ценным для низкокачественных применений, таких как отопление кабины, предварительный нагрев топлива или нагревание двигателя во время холодных запусков. Масляная схема также несет тепло промежуточной температуры, которое может быть использовано в некоторых конструкциях.

Успешная стратегия WHRS обычно нацелена на поток выхлопных газов сначала из-за его высокого содержания энергии. Даже после каталитического нейтрализатора 2,0-литровый бензиновый двигатель под нагрузкой шоссе может иметь 30–40 кВт доступного выхлопного тепла. Для транспортных средств флота, работающих на устойчивых скоростях шоссе, это представляет собой последовательный поток энергии. Выхлопная система также является наиболее доступной для модернизации, работающей вдоль нижней части корпуса с пространством для теплообменников. Командам обслуживания флота следует отметить, что выхлопные системы часто могут быть установлены без серьезных модификаций моторного отсека, снижая сложность интеграции.

Термоэлектрические генераторы: тихая энергия от разницы температур

Термоэлектрические генераторы (TEG) используют эффект Seebeck для получения постоянного тока от перепада температур. Термоэлектрический модуль, расположенный между горячей выхлопной трубой и более прохладным теплоотводом, генерирует электричество без движущихся частей. Прототипы автомобильных TEG были разработаны производителями, включая BMW, Ford и General Motors. Их твердотельный характер предлагает бесшумную, без обслуживания работу - привлекательную для автопарков, которые отдают приоритет надежности.

Ранние агрегаты производили всего несколько сотен ватт, но достижения в области материалов повысили эффективность. В документе SAE 2012-01-1600 были задокументированы дизельные выхлопные газы TEG мощностью до 1 кВт; бензиновые приложения показывают аналогичные тенденции. Что электричество может разгрузить генератор, уменьшить паразитную нагрузку или зарядить гибридную батарею. Для автопарков, работающих на транспортных средствах с высокими электрическими требованиями - телематика, камеры, холодильник, вспомогательное освещение - каждый ватт от TEG напрямую снижает потребление топлива. Основные ограничения остаются стоимостью термоэлектрических материалов и поддержанием достаточного температурного градиента во время временной эксплуатации. Однако продолжающиеся исследования скутерудита и полу-Heusler сплавов обещает более низкие затраты и более высокую теплостойкость, что делает TEG более жизнеспособными для автопарка, работающих в условиях остановки и движения, где температура выхлопа колеблется.

Органический цикл Ранкина: мощность пара для более высоких прибылей

Органический цикл Ранкина (ORC) использует рабочую жидкость с низкой точкой кипения, такую как хладагенты или гидрофторуглероды, для восстановления выхлопного тепла. Выхлопной газ испаряет жидкость в теплообменнике; пар расширяется через турбину или расширитель прокрутки, подключенный к генератору; затем жидкость конденсируется и откачивается назад. Эта система замкнутого цикла была широко изучена как для дизельных, так и для бензиновых двигателей.

Проект BMW Turbosteamer применил двухконтурный ORC к 1,8-литровому четырехцилиндровому двигателю, улавливая выхлопное тепло в высокотемпературной цепи и тепло охлаждающей жидкости в низкотемпературной цепи, питая один расширитель. Сообщаемый прирост эффективности достиг 10-15 процентов в условиях устойчивого состояния. Системы ORC предлагают высокую плотность мощности, но добавляют вес - обычно 30 - 50 кг для теплообменников, расширителя, насоса и конденсатора. Для применений флота, весовой штраф должен быть взвешен против экономии топлива. Тяжелые грузовики и автобусы, работающие на длинных маршрутах, видят благоприятную окупаемость из-за высокого годового пробега. Интеграция с тепловым управлением двигателя имеет решающее значение; Расширитель должен тщательно контролироваться, чтобы избежать задержек жидкости, и конденсатор должен отклонять тепло в окружающий воздух, не вызывая конфликтов упаковки.

Турбо-сложение и электровосстановление

Турбосложение извлекает энергию из выхлопного потока через вторую турбину ниже по течению от основного турбокомпрессора. Эта турбина может быть механически соединена с коленчатым валом или присоединена к электрическому генератору. Механическое турбосложение используется в авиационных двигателях с 1940-х годов и коммерциализируется для дизельного топлива большой мощности такими производителями, как Cummins. Для двигателей цикла Отто турбина должна быть настроена на сбор энергии без чрезмерного обратного давления, которое повредило бы эффективности насоса.

Электромобильная турбокомбинация, иногда называемая электронным турбо или турбогенератором, использует восстановленную энергию для питания блока мотор-генератора. Во время замедления избыточная энергия выхлопа может заряжать батарею; во время ускорения двигатель может помочь турбокомпрессору уменьшить задержку. Garrett Motion и BorgWarner разработали электрические системы турбокомпрессора, которые размывают линию между повышением и рекуперацией отработанного тепла. Для флотов с частым вождением в остановке и движении, захват энергии во время замедления и повторное использование ее для ускорения дает измеримую экономию топлива за пределами автономной WHRS. 48-вольтовая электрическая архитектура, распространенная в легких гибридах, естественным образом интегрируется с такими системами.

Вспомогательный термоменеджмент: низкотемпературные стратегии

Не все отработанное тепло должно стать электричеством. Восстановленное тепло может служить более низким потребностям, таким как отопление кабины, предварительный нагрев топлива или нагрев всасываемого воздуха, чтобы улучшить стабильность сгорания во время холодных запусков. Охладители рециркуляции выхлопных газов (EGR) уже действуют как теплообменники отходов, но их энергия обычно отбрасывается теплоносителями и излучается. Новые конструкции перенаправляют это тепло на материал с фазовым изменением или резервуар для термохранилища для последующего использования. В холодном климате восстановленное тепло для нагрева кабины снижает нагрузку на двигатель во время разминки, улучшая экономию топлива при холодном запуске на 5-10 процентов и уменьшая износ. В то время как повышение эффективности меньше, чем от выработки электроэнергии, эти приложения снижают электрическую нагрузку на батарею и улучшают комфорт водителя с минимальным штрафом за вес.

От прототипа к окупаемости: количественное влияние флота

При преобразовании отработанного тепла в полезную мощность улучшение расхода топлива для конкретных тормозов может быть выражено в виде процентного прироста. Исследования моделирования показывают, что система ORC на бензиновом двигателе с турбонаддувом может улучшить экономию топлива на 8-12% в условиях шоссе. TEG обычно предлагают 3-6 процентов для транспортных средств малой грузоподъемности, в то время как турбосложение добавляет еще 5-8 процентов при высокой нагрузке. Комбинированные системы могут достичь совокупного прироста в 15 процентов или более.

Для парка из 50 грузовиков класса 8, каждый из которых проезжает 100 000 миль в год на 7 миль на галлон, 10-процентное улучшение экономит более 71 000 галлонов в год. При цене в 3,50 доллара за галлон, что составляет почти 250 000 долларов США в год, что напрямую снижает выбросы CO2 - около 2,3 кг на литр сэкономленного бензина - помогает флотам выполнять целевые показатели устойчивости и избегать затрат на углеродное ценообразование. Кроме того, снижение нагрузки генератора переменного тока освобождает мощность двигателя для ускорения, а генерируемая ORC электроэнергия может питать электрические нагнетатели, улучшая управляемость. Для флотов, работающих в горной местности или с тяжелыми полезными нагрузками, эти показатели приводят к сокращению времени поездки и снижению усталости водителя.

Тематические исследования и пилотные программы

Несколько громких проектов демонстрируют жизнеспособность WHRS в контексте, связанном с флотом.

  • BMW Turbosteamer: Впервые показанная в 2005 году, эта система на основе ORC на 1,8-литровом четырехцилиндровом двигателе достигла 10-процентной экономии топлива на цикле шоссе NEDC. Конструкция с двумя замыканиями подчеркивает, как можно собирать выхлопное и охлаждающее тепло. Для менеджеров флота это подтверждает устойчивую работу шоссе как сильный кандидат на WHRS.
  • Ford и US DOE SuperTruck: Ford исследовали термоэлектрические генераторы для пикапа F-150 по программе SuperTruck. Прототип поставил 800 Вт при 48 вольтах — достаточно для питания телематических шлюзов, камер приборной панели и мобильных терминалов данных, распространенных в транспортных средствах флота. Проект продемонстрировал, что TEG могут компенсировать нагрузку генератора переменного тока в грузовых автомобилях малой грузоподъемности.
  • Cummins Turbo-Compounding: Cummins коммерциализировала механическое турбосложение для дизельных двигателей большой мощности, достигнув 5-процентного прироста экономии топлива. Технология, описанная в статье Green Car Congress, показывает, что масштабы рекуперации выхлопной энергии для грузовиков класса 8. Для автопарков, определяющих новые тяжелые грузовики, турбосложение является готовым к производству вариантом.
  • Академический обзор исследований: Всесторонний обзор в Прикладная теплотехника (DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.01.057) рассмотрел более 100 работ по автомобильным системам ORC и TEG, придя к выводу, что интеграция с управлением двигателем и тепловым хранением является ключом к реальной эффективности. В обзоре подчеркивается, что оптимизация на системном уровне дает более высокий выигрыш, чем одни только улучшения компонентов.

Барьеры для принятия: вес, стоимость и сложность

Несмотря на эти успехи, WHRS сталкивается с препятствиями, которые влияют на принятие решений о флоте.

Добавлен вес и упаковка:] Полная система ORC добавляет 30–50 кг. В легком коммерческом транспортном средстве эта масса частично компенсирует прирост топлива. TEGs легче, но требуют выделенных теплообменников. Отсек двигателя уже переполнен турбокомпрессорами, каталитическими нейтрализаторами и средствами контроля выбросов. Для операторов флота грузоподъемность и общая стоимость владения за срок службы транспортного средства должны включать в себя весовой штраф. Тяжелые грузовики с большим шасси более удобны, но каждый килограмм снижает доход от полезной нагрузки.

Стоимость и возврат инвестиций:] Термоэлектрические модули остаются дорогими из-за редких материалов. Система ORC с вращающимся расширителем и несколькими теплообменниками добавляет сотни тысяч долларов к стоимости транспортного средства. Чтобы оправдать инвестиции, экономия топлива должна перевешивать первоначальные затраты в течение периода владения. Для малотоннажных флотов с 4-6-летними циклами окупаемость может быть незначительной при текущих ценах на топливо. Однако для тяжелых флотов с более длительным владением и высоким годовым пробегом бизнес-кейс сильнее. По мере роста цен на углерод экономическое уравнение еще больше наклоняется в пользу WHRS.

Переходная эксплуатация и управление:] Автомобильные двигатели редко работают в устойчивом состоянии. Температура выхлопа и массовый поток колеблются с ускорением, торможением и переключениями передач. Выход TEG зависит от поддержания разницы температур; быстрые изменения вызывают тепловое напряжение и колебания мощности. Системы ORC требуют тщательного управления жидкостью, чтобы избежать высыхания испарителя или повреждения экспандера. Расширенные алгоритмы и тепловые буферы добавляют сложность. Команды технического обслуживания флота должны поддерживать дополнительные диагностические коды и, возможно, новую подготовку для техников.

Надежность и долговечность:] Компоненты, подвергшиеся воздействию выхлопных газов, должны выдерживать высокую температуру, коррозионный конденсат и тепловой цикл. Термоэлектрические модули со временем разрушаются; Усилители ORC сталкиваются с износом и неисправностями уплотнения. Автомобильная вибрация и широкие тепловые колебания требуют надежности. Немногие системы прошли многосоттысячемильный контроль. Для операторов флота любой новый режим отказа, который увеличивает время простоя, несмотря на экономию топлива. Производители должны продемонстрировать проверенную надежность перед широким внедрением.

Материальные достижения и гибридная интеграция

Основные технологические тенденции неуклонно снижают эти барьеры. Новые термоэлектрические материалы, такие как скуттерудиты и полугуслеровые сплавы, обеспечивают более высокую эффективность, более низкую стоимость и улучшенную температурную толерантность. Аддитивное производство позволяет использовать компактные высокопроизводительные теплообменники, которые интегрируются непосредственно в выхлопный коллектор, экономя вес и пространство. Твердотельные экспандеры на основе термоакустических принципов, хотя и все еще экспериментальные, могут устранить движущиеся части в системах ORC, повышая надежность для флотов с высоким пробегом.

Рост электрификации транспортных средств играет синергетическую роль. Мягкие и полные гибриды уже имеют 48-вольтовые или высоковольтные аккумуляторные батареи, которые могут поглощать электричество от TEG или генераторов ORC. В параллельном гибриде каждый ватт восстановленной энергии расширяет диапазон только для электричества и сокращает время работы двигателя. Даже в обычных транспортных средствах увеличение электрической нагрузки от телематики, датчиков и систем помощи водителю делает бортовую генерацию ценной. Флоты, уже инвестирующие в гибридные или электрические транспортные средства, могут применять WHRS к сегментам своего флота с обычным питанием, улучшая общую экономию топлива при создании опыта с технологией.

Регуляторное давление усиливается. Новые цели по корпоративной средней топливной экономике и европейские ограничения по выбросам CO2 заставляют автопроизводителей внедрять каждую разумную технологию эффективности. Восстановление тепла отработанных отходов является одним из немногих оставшихся вариантов, которые могут быть применены к существующим архитектурам двигателей без фундаментального редизайна. По мере роста затрат на углеродные кредиты и ужесточения стандартов выбросов бизнес-кейс для WHRS становится все сильнее для операторов флота, сталкивающихся с требованиями устойчивости или стремящихся к конкурентным преимуществам за счет более низких эксплуатационных расходов.

Заключение

Системы рекуперации отработанного тепла предлагают ощутимый путь к повышению эффективности двигателей цикла Отто в приложениях флота. Преобразуя тепловую энергию, которая в противном случае была бы потеряна в полезную механическую или электрическую энергию, WHRS может обеспечить экономию топлива на 10-15 процентов, сократить выбросы и повысить управляемость. Технологии разнообразны: твердотельные термоэлектрики, органические расширения цикла Ранкина, турбо-компонентные турбины и низкосортные теплообменники, каждый со специфическими сильными сторонами и компромиссами. Практические препятствия - стоимость, вес, долговечность и сложность управления - замедлили коммерциализацию, но продолжающиеся достижения в материалах, производстве и электрификации транспортных средств разрушают эти барьеры.

В ближайшее десятилетие на транспортных средствах производственного парка, скорее всего, появится некая форма рекуперации отработанного тепла. Будь то через бесшумный термоэлектрический модуль, собирающий электроэнергию из выхлопной трубы, или компактную турбину, дополняющую коленчатый вал, все чаще будет работать энергия, которая уже давно отбрасывается. Операторы флота, которые отслеживают эти разработки и участвуют в ранних демонстрационных программах, будут лучше всего расположены для получения преимуществ, когда технология достигнет коммерческой зрелости. Потенциал очевиден: превратить отходы в ватты и преобразовать потерянное тепло в более низкие эксплуатационные расходы.