A belsőégésű motorok kipufogógáz-hőenergiájának hasznosítási lehetősége

A belsőégésű motorok kipufogógáz-hőenergiájának hasznosítási lehetősége Török Ádám*, Stubán Norbert** *PhD, okleveles közlekedésmérnök, BME Közlekedésgazdasági Tanszék, [email protected] **PhD, okleveles villamosmérnök, BME Elektronikai Technológia Tanszék, [email protected] Absztrakt: A modern belsőégésű motorok hatásfoka igen alacsony, 40% körüli. A tüzelőanyag elégetéséből felszabaduló energia fennmaradó 60%-a hulladékhő. A hulladék energia fele a kipufogórendszeren keresztül, a másik fele pedig a motor hűtőrendszerén keresztül távozik a környezetbe. Mivel a kipufogórendszer hőmérséklete magasabb a környezetnél, a kipufogógáz hőenergiája hasznosítható lenne. Ezen ötlet alapján a tüzelőanyag fogyasztás csökkentésére több autógyártó vállalat is végez kutatásokat, a cikk szerzőinek célja azonban nem a tüzelőanyag fogyasztás csökkentése, hanem a Seebeck effektus segítségével elektromos áram generálása a hőmérséklet különbségből. Egy méréssorozattal meghatároztuk egy 50 W nominális teljesítményű Peltier elem Seebeck együtthatóját. Az elméleti számítások eredményét gyakorlati mérésekkel és hőkamerás megfigyeléssel igazoltuk. 1. BEVEZETŐ

1. ábra: A földi atmoszféra CO2 tartalmának és Földünk átlaghőmérsékletének változása a múltban (forrás: Tánczos, Torok, 2007) Az elmúlt néhány ezer évben az emberiség természet adta forrásai, a bioszféra szinte kiapadhatatlannak bizonyult. Az emberiség korai életpályáján történő technikai kísérletezések még nem jelentettek jelentős veszélyt a környezetre nézve, a változások arányaiban nem érintették a bioszférát. Az ipari forradalomban a nagy áttörést kétségkívül a belsőégésű hőerőgépek feltalálása és térhódítása jelentette, mintegy 200 évvel ezelőtt. Kijelenthető, hogy a belsőégésű hőerőgépek születésével kezdődtek meg az emberiség bioszférára mért legjelentősebb csapásai. A motorokat újra és újra továbbfejlesztették de, eme dinamikus fejlődés – belsőégésű hőerőgépeink darabszáma dinamikusabban növekszik, mint ahogy környezetvédelmi fejlődésük ezt indokolná – megmutatkozik levegőnk, vizeink és talajunk

ugrásszerűen megnövekedett szennyezettségi szintjén is. Ezért van szükség arra, hogy az emberiség tudatában legyen annak, hogy a megnövekedett igényekkel együtt a termelés és ezzel arányosan a közlekedés, szállítás is növekszik, ámde erőforrásaink végesek. Nem szabad elfelejtenünk gondolni a jövő generációkra és az ő majdan felhasználható erőforrásaikra. Ezt nevezik fenntartható fejlődésnek. A szállítmányozás kulcsszereppel bír minden termék életpályájában. A társadalmak szerkezetükben nézve nemcsak horizontálisan, hanem vertikálisan is tagoltak. A munkaerő, a nyersanyag – kész vagy félkész áruk – mindmind szállítást igényelnek a hatékony munkavégzés érdekében. A szállítás hatékonyságát oly módon kell növelni , hogy e növekedés ne vonjon majd magával további környezetszennyezést. Erre megoldást jelenthet a belsőégésű motorok kipufogógázából visszanyert energia hasznosításának lehetősége, ahogy az az Európai Autógyártók Szövetségének kutatási jelentéséből is kiderül (2. ábra):

2. ábra: Gépjármű energetikai hatékonyságának fejlesztési lehetőségei (forrás:European Automobile Manufacturer’s Association kutatási jelentése) Eme tanulmány szerzőinek az a célja, hogy teoretikus lehetőségeket kutasson fel a kipufogógáz hatékonyabb hasznosítására.

2. HŐ-VILLAMOSENERGIA ÁTALAKÍTÓK Több lehetőség is van a hő villamos energiává való átalakítására. Az egyik a turbógenerátorok használata. A legtöbb autó motorjában a felesleges hő a hűtőfolyadék közvetítésével, a hűtőn keresztül távozik a környezetbe, továbbá jelentős hő távozik a kipufogógázokon keresztül. A nagyteljesítményű motorokban a hulladék hőt turbófeltöltés vagy kompresszoros feltöltés segítségével tudják hasznosítani. A turbófeltöltésnél a turbót a kipufogógáz működteti, a kompresszoros feltöltésnél a kompresszor tengelyét a főtengely hajtja. Ezen kívül számos egyéb – a következőkben felsorolt – technika áll tervezés alatt a hulladékhő hasznosítására (Hugues L. Taloma, Asfaw Beyene, 2009): • • • • •

Az (1) alapuló méréssorozatban először T1 és T2 értékek kerültek meghatározásra, majd kiszámoltuk Sa értékeit különböző terhelési ellenállások esetén. Az 50 W névleges teljesítményű Peltier elemet behelyeztük egy hőszigetelt kamrába. Ahhoz, hogy elérjük a megfelelő és gyors hőátadást, a Peltier elem mindkét oldalára egy-egy hűtőbordát erősítettünk. A meleg oldali hűtőborda a kamrán kívülről érhető el, ahogy ez a 3. számú ábrán látható.

Nikkel-metál hidrid akkumulátor Zeolit katalizátor rendszerek Termoakusztikus rendszerek Abszorbciós rendszerek Termoelektromos eszközök

A fent említett módszereket félretéve a cikk szerzői a Peltier elem alkalmazásának hasznosítási lehetőségeit kezdték el kutatni, mivel az alkalmas lehet a kipufogórendszerben távozó hulladékhő hasznosítására. A Peltier elem villamos energia termelő eszközként használva a Seebeck-effektus elvén működik. A termoelektromos (TE) eszközök fejlesztésével már a kora XIX. századtól foglalkoznak (F.J. DiSalvo, 1999). Az elektromos energiát a forró kipufogógáz és a környezet közötti hőmérsékletkülönbség szolgáltatja egy Seebeck-effektuson alapuló eszköz segítségével. A cikk szerzői egy ilyen eszköz elméleti és gyakorlati vizsgálatát mutatják be munkájukban. A Peltier elemmel működő termoelektromos eszközök legnagyobb hátulütője a szegényes hőtermelési (termikus) hatásfokuk (Office of Energy Efficiency and Renewable Energy , 2005). Thomas Johann Seebeck véletlenül fedezte fel a hőelemet 1821-ben, amikor azt tapasztalta, hogy ha két különböző hőmérsékletű fémrudat, fémszálat érintkezésbe hozunk, a két fém szabad végei (melegpontjai) között elektromos potenciálkülönbség alakul ki. Felfedezése kimutatta továbbá, hogy a két fém hőmérsékletének különbsége egyenesen arányos a létrejött feszültség mértékével. A terheletlen feszültség a vezetékek végein arányos volt a hőmérséklet-különbséggel (T1-T2) (1).

U12=Sa ⋅ (T1 − T2 )

(1)

ahol U12: a Peltier elem által generált feszültség Sa: Seebeck-együttható amit egy adott anyag „termoelektromos erejeként” definiálhatunk. (Ld. 1. táblázat) T1: a Peltier elem egyik oldalán mért hőmérséklet T2: a Peltier elem másik oldalán mért hőmérséklet

3. ábra: Mérési összeállítás a Seebeck módban működtetett Peltier elem leadott feszültségének és teljesítményének mérésére különböző meleg és hidegoldali hőmérséklet különbségek esetén (forrás: saját szerkesztés) A hűtőborda hideg oldala a kamrán belülre került és H2O jég szolgált a hűtésére. Ezek után különböző hőmérsékleti értékekre állítottuk be az elem két oldalát. A hőmérsékletet szimultán, valós időben mértük mindkét oldalon. Különböző hőmérsékleti értékek esetén mértük a keletkező feszültséget a terhelési ellenállás függvényében.

1. Táblázat: A mért Seebeck együtthatók

∆ T [°C]

Sa;1Ω V  °C   

0.011 11 0.012 13 0.011 17 0.011 24 0.011 48 0.011 54 0.012 69 0.012 82 0.012 87 ÁTLAG 0.011 (forrás: saját számítás)

Sa;3.3Ω V  °C   

Sa;4.7Ω V  °C   

Sa;10Ω V  °C   

0.021 0.020 0.020 0.020 0.019 0.019 0.019 0.019 0.019 0.02

0.028 0.028 0.028 0.027 0.027 0.027 0.027 0.027 0.027 0.027

0.035 0.035 0.036 0.035 0.034 0.034 0.036 0.036 0.037 0.035

R: Terhelési ellenállás

A félvezetőkben a hőmérsékletkülönbség a többségi töltéshordozókat (lyukak p típusú ill. elektronok n típusú félvezetőben) a melegebb helyről a hidegebb felé diffundáltatja. A hordozók mozgása egy DC potenciált hoz létre, amely az elektronok számára negatív feszültség, a lyukak számára pedig pozitív. Terhelés csatlakoztatásával áram indul meg az anyagban. Mivel a félvezető anyagok létrehozásakor a technológiai változók száma igen magas (pl.: adalékolási sűrűség, kristály fázis), nincs közvetlen mód a Seebeck együtthatók kiszámítására, így a Seebeckegyütthatót kísérletileg kellett meghatározni. A Peltier elem által leadott teljesítményt is kiszámítottuk a terhelési ellenállás és a generált feszültség értékéből. Az 5. ábrán a másodfokú összefüggés (ld. (2)) figyelhető meg a hőmérsékletkülönbség és a teljesítmény között.

A mérési sorozat eredményei a 4. ábrán láthatóak. Az ellenállás és a feszültség között lineáris összefüggés figyelhető meg - ahogy az elvárható volt. A vonalak gradienseinek egyenlőnek kell lenni a Seebeck együtthatóval. Ezután lineáris regressziót alkalmaztunk a mért adatokra. Minden mérési sorozatban 0,9 feletti R2 értéket kaptunk, ami jó illeszkedést jelent. A méréssorozat eredményeképpen meghatározott Seebeck együtthatók az 1. táblázatban láthatóak. 5. ábra: A hőelem leadott teljesítménye a hőmérsékletkülönbség és a terhelési ellenállás függvényében (forrás: saját számítás) A mérés eredménye azt mutatja, hogy egy 50 W névleges teljesítményű hőelemmel 87 °C hőmérséklet-különbség esetén 1,2 W teljesítményt lehet generálni. így a folyamat hatásfoka körülbelül 2,3%. Az 5. ábrán megfigyelhető a leadott teljesítmény és terhelési ellenállás függvénynek kapcsolata. A hő villamos energiává való átalakítása ígéretes módszer a gépkocsi motorok hatékonyságának növelésére. A hulladékhőt fel lehet használni például arra, hogy az általa megtermelt elektromossággal a generátor munkáját segítsük, így növelve a hatásfokot. Ezen hasznosítási technikán több autógyár is kísérletezik, például a BMW, amely a tüzelőanyag hasznosítás hatásfokának 5%-kal való emelését tűzte ki célul. A jelen cikkben közölt munkának nem az a célja hogy a tüzelőanyag hasznosítás hatékonyságát növelje, hanem hogy csökkentse a belsőégésű motorok károsanyag-kibocsátását.

4. ábra: A hőelem kapocsfeszültsége a hőmérsékletkülönbség és a terhelési ellenállás függvényében (forrás: saját számítás)

P=

(U 12 )2 R

=

(∆T ⋅ S a )2 R

2

S = ∆T ⋅ a R 2

ahol P: A Peltier elem által leadott teljesítmény (5. ábra)

(2)

3. KOMPRESSZIÓS MOTOROK ENERGETIKAI VIZSGÁLATA Cikkünkben a kompressziós motorokat vizsgáltuk, mivel e motorok kipufogógáz hőmérséklet ingadozása kisebb, mint a szikragyújtású motoroké (Juostas, Janulevičius, 2009). A kompressziós motorok gázolajjal működnek, melynek fűtőértéke 34 MJ l-1. Elméletileg a gázolaj elégetése által egy kompressziós motorban körülbelül 10,2 MJ l-1 energia távozik a kipufogógázokkal (6. ábra)

6. ábra: Belsőégésű motorban keletkező hasznos és hulladék energia (forrás: saját szerkesztés) Ahogy az a 6. ábrán látható kb. 0,069 kWh l-1 energia hasznosítható a hulladékgázokból a hőelem segítségével (tipikusan a 800 ºC fokos gázoknak 60 m/s a sebességük és 0,05 kg/s a tömegáramuk (Green Car Congress, 2005), amely már elegendő energiát biztosíthat a Peltier elemnek). Egy gépjármű motorjában jelentős mennyiségű hő szabadul fel és távozik a környezetbe. Hatazawa et al. (M. Hatazawa et al., 2004) kutatása szerint diesel motor esetében nem kevesebb, mint az összes megtermelt energia 35%-a távozik a kipufogón át, immár hulladékként a környezetbe. 4. MEGÉPÍTÉSI MEGFONTOLÁSOK A Peltier elemek számának meghatározásához a hőmérséklet különbséget és a szükséges teljesítményt kell figyelembe venni (7. ábra).

A méréseink eredményeképp 1,2 W energia generálható egy egységnyi (50 W névleges teljesítményű) Peltier elemből. 100 W teljesítmény eléréséhez hozzávetőlegesen 84 egységre, azaz 2100 cm2 forró felületre volna szükség. 5. KONKLÚZIÓ A szerzők megvizsgálták a kipufogógáz energetikai hasznosítási lehetőségeit, különös tekintettel a Peltier elem hasznosíthatóságára. A szerzők méréssorozat útján lineáris kapcsolatot találtak az ellenállás [Ω] és a feszültség [V] között a kapcsolódó nemzetközi szakirodalommal összhangban. Nemcsak a Seebeck-feszültség, de a Peltier elem által generált maximálisan megengedett teljesítmény is fontos, ezért a szerzők több teljesítmény mérést hajtottak végre 1 Ω, 3,3 Ω, 4,7 Ω, 10 Ω terhelő ellenállással. E mérések eredményeképp másodfokú összefüggést fedeztek fel, mely a nemzetközi szakirodalomban leírtaknak megfelel. A kapott eredményekből kalkuláltak alapján egy 50 W névleges feszültségű hőelem 87 °C hőmérsékletkülönbséggel 1,2 W teljesítményt képes generálni. Több Peltier elem használatával elegendő teljesítményt lehet létrehozni egy károsanyag-kibocsátás csökkentő egység működtetéséhez. A Peltier elem nemlineáris terhelési görbéje miatt bonyolultabb elektronika kifejlesztése szükséges a Peltier elem maximális hatásfokának elérése érdekében. Az elvégzett kísérletek alapján megállapítható, hogy ez a koncepció működőképes és használható, főként tehergépkocsik számára. Az egyéb befolyásoló tényezők vizsgálatához további kutatás szükséges (például rendszer megbízhatóság, költségek és egyéb előnyök). 6. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönet a BME Elektronikai Technológia Tanszék Áramkörépítés Laboratóriumának valamint az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Jendrassik György Hőtechnikai Laboratórium munkatársainak a szerzőknek nyújtott segítségért. A munka szakmai tartalma kapcsolódik a "Minőségorientált, összehangolt oktatási és K+F+I stratégia, valamint működési modell kidolgozása a Műegyetemen" c. projekt szakmai célkitűzéseinek megvalósításához. A projekt megvalósítását az ÚMFT TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002 programja támogatja. FELHASZNÁLT SZAKIRODALOM

7. ábra Thermo picture from exhaust system (forrás: saját szerkesztés, a kép a BME Jendrassik György hőtechnikai laboratóriumában készült)

Tanczos K, Torok A, “The linkage of climate change and energy consumption of Hungary in the road transportation sector”, Transport, Vol. 22, No. 2, 2007, pp. 134-138. Hugues L. Taloma, Asfaw Beyene, “Heat recovery from automotive engine”, Applied Thermal Engineering, Vol. 29, Issues 2-3, 2009, pp. 439-444, doi:10.1016/j.applthermaleng.2008.03.021

F.J. DiSalvo, “Thermoelectric cooling and power generation”, Science Vol. 285, 1999, pp. 705-706. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy DOE: Innovative Waste Heat Recovery and Novel Cooling Systems Program: Automotive Waste Heat recovery, (accessed April 2010). Juostas, Janulevičius, “Evaluating working quality of tractors by their harmful impact on the environment”, Journal of Environmental Engineering and Landscape

Management, Vilnius: Technika, Vol 17., Nr. 2, 2009, pp. 106-113. Green Car Congress, “Exhaust Gas to Electricity for Reductions in Fuel Consumption”, 21 September 2005 M. Hatazawa et al., “Performance of a thermoacoustic sound wave generator driven with waste heat of automobile gasoline engine”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 70 (689), 2004, pp. 292–299. Part B.