廃棄排気エネルギー（エクセルギー）を回収するためのエンジン排気流の熱力学的特性評価

米国の大型エンジン産業は、米国エネルギー省が進行中の SuperTruck II プログラム (US DOE、2017)。 BTE は、エンジン シャフトでの燃料の化学エネルギーの有用な出力への変換の尺度です。高い BTE 操作を可能にするために検討されている戦略のポートフォリオの一部として、さまざまな高度な低温燃焼戦略と廃エネルギー回収 (WER) が重要です。

研究者は、内燃 (IC) エンジンの BTE を最後の 1 パーセントまで絞り込もうと懸命に努力しているため、無駄になる燃料の化学エネルギーを防止または回収することがますます重要になっています。エンジンの非効率性の 2 つの主要な原因には、エンジン冷却液への熱伝達の形で伝達されるエネルギーと、エンジンの排気マニホールドから排出される高温の排気ガスで失われるエネルギーが含まれます。厳密に言えば、それはエネルギーではありません ここでは重要ですが、使える 技術的には「エクセルギー」と呼ばれるエネルギーの一部であり、常に環境に関して定義されます (「死んだ状態」として知られていますが、定義上エクセルギーがゼロです) (cf. ベジャン、2016 年）。

エンジン プロセスの「グローバル」エクセルギー解析は、不可逆プロセスによって失われる燃料の化学エクセルギーの割合を定量化するために以前に使用されてきました (ほとんどの「実際の」エネルギー変換プロセスは「不可逆的」です)。エクセルギー破壊は燃焼過程で起こり、エクセルギーは冷却水への熱伝達とエンジンからの排気ガスの流出によっても失われます。グローバル エクセルギー解析では、さまざまなチャネルにおけるエクセルギーのパーセンテージ分布が提供されるため、不可逆性の原因が特定されます。ただし、これらのさまざまなソースからのエクセルギー破壊を減らすには、より詳細な情報が必要です。たとえば、有効な仕事を抽出する方法を決定するには、時間 (またはクランク角) 分解されたエンジン排気のエクセルギー流を定量化する必要がありますが、これまでの研究では、排気ガス中のエクセルギー流のこの重要な側面を調べたことがありません。

最近、マハバディプールら。 (2018) は、排気 WER の観点から、ディーゼル エンジンの排気におけるクランク角分解エクセルギー流の最初の特徴付けを行いました。この作業で、著者は、実験的な高速排気圧力測定とシステムレベルのエンジン シミュレーションを活用して、クランク角度分解排気エクセルギーを計算する新しい方法論を紹介しました。

彼らはまた、排気エクセルギーの熱 (つまり、温度による) および機械的 (圧力による) 成分を定量化する最初の結果と、「ブローダウン」や「変位」フェーズ。これらの結果は単気筒研究用エンジンのディーゼル燃焼についてのみ提示されましたが、この研究で導入された技術的アプローチは、さまざまなエンジン構成と動作条件に最も適した排気 WER デバイスのタイプを決定するために適用できます。

排気エクセルギーの熱成分を回収するもう 1 つの排気 WER 戦略は、有機ランキン サイクル (ORC) ベースの「ボトミング サイクル」を利用します。本質的に、ORC ベースのボトミング サイクルは、ORC サイクルが蒸気の代わりに有機作動流体 (冷媒混合物など) を使用することを除いて、火力発電所で使用されるランキン サイクルと非常によく似ています。ターボチャージャーや ORC サイクルとは対照的に、他の「直接」WER デバイス (容積式エキスパンダーなど) は、排気エクセルギーの機械的コンポーネントを直接利用しようとします。

要約すると、マハバディプール等。エンジン設計者がさまざまなエンジンや動作条件の排気エクセルギーを回復して潜在的に大幅な効率改善を達成するための最良の方法を決定するために、基本的な熱力学原理にしっかりと根ざした体系的なアプローチを提供します。

これらの調査結果は、ジャーナル Applied Energy に最近掲載された、排気廃棄物エネルギー回収の観点から見た、ディーゼル エンジンの排気流のクランク角度分解エクセルギー分析というタイトルの記事で説明されています。 .この作業は、アラバマ大学の Hamidreza Mahabadipour、Kalyan Kumar Srinivasan、および Sundar Rajan Krishnan と Eaton Corporate Research and Technology の Swaminathan Subramanian によって実施されました。

参考文献: