Τεχνολογίες εκμετάλλευσης της θερμότητας καυσαερίων σε κινητήρες diesel
Authors: Κατσάνος Χρήστος 
Published: January 2014

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.