미국의 중장비 엔진 산업은 미국 에너지 국의 진행중인 SuperTruck II 프로그램 (US DOE, 2017)의 AEGIS에 따른 미래의 중장비 디젤 엔진을위한 55% 브레이크 열 효율 (BTE)을 달성하기 위해 엔진 기술을 입증하는 데 어려움을 겪고 있습니다. BTE는 연료 화학 에너지를 엔진 샤프트에서 유용한 전력으로 변환하는 측정입니다. 높은 BTE 운영을 가능하게하기 위해 고려되는 전략 포트폴리오의 일환으로 다양한 고급 저온 연소 전략 및 폐기물 에너지 회복 (WER)이 중요합니다.
연구자들이 내연 (IC) 엔진의 BTE의 마지막 백분율 지점을 짜기 위해 열심히 노력함에 따라 낭비되는 연료의 화학 에너지를 예방하거나 회수하는 것이 점점 더 중요 해지고 있습니다. 엔진 비 효율성에 기여하는 두 가지 주요 기여자는 엔진 배기 매니 폴드를 통해 나가는 뜨거운 배기 가스로 엔진 냉각수로의 열전달 및 에너지 형태로 전달되는 에너지를 포함합니다. 엄밀히 말하면, 그것은 에너지가 아닙니다 여기서는 중요하지만 usable 기술적으로 "엑 서지"라고 불리는 에너지의 일부는 항상 환경과 관련하여 항상 정의됩니다 (정의에 따라 exergy가없는 "죽은 상태"로 알려진 다소 극적으로 알려져 있습니다) ( cf. Bejan, 2016).
엔진 공정의 "글로벌"엑 서지 분석은 이전에 돌이킬 수없는 공정으로 인해 손실 된 연료 화학 엑 서지의 분수를 정량화하기 위해 이전에 사용되었습니다 (대부분의 "실제"에너지 변환 프로세스는 "돌이킬 수없는"). 연소 과정에서 엑 서지 파괴가 발생하고 엑 서지는 냉각수로의 열전달과 엔진에서 배기 가스 흐름으로 손실됩니다. 글로벌 엑 서지 분석은 다양한 채널에서 Exergy의 백분율 분포를 제공하여 비가역성의 출처를 식별합니다. 그러나 이러한 다양한 출처에서 엑 서지 파괴를 줄이려면보다 자세한 정보가 필요합니다. 예를 들어, 유용한 작업을 추출하는 방법을 결정하기 위해 엔진 배기구에서 시간 (또는 크랭크 각도) -해독 된 엑 서지 흐름을 정량화해야하지만 이전 연구는 배기 가스에서의 엑 서지 흐름 의이 중요한 측면을 조사하지 않아야합니다.
.최근에, Mahabadipour et al. (2018)은 배기 가스의 관점에서 디젤 엔진의 배기 가스에서 크랭크 앵글 분해 엑 서지 흐름의 첫 번째 특성화를 수행했습니다. 이 작업에서 저자는 크랭크 앵글 분해 배기 엑 서지를 계산하기 위해 시스템 수준의 엔진 시뮬레이션으로 실험적인 고속 배기 압력 측정을 활용하는 새로운 방법론을 도입했습니다.
또한 배기 엑 서지의 열 (즉, 온도로 인해) 및 기계적 (압력으로 인해)을 정량화하는 첫 번째 결과를 제시하고 "블로우 다운"및 "변위"단계와 같은 배기 공정의 다른 시간 단계 간의 엑 서지 배분을 제시했습니다. 이러한 결과는 단일 실린더 연구 엔진에서 디젤 연소에 대해서만 제시되었지만,이 연구에 도입 된 기술적 접근법은 다른 엔진 구성 및 작동 조건에 가장 적합한 배기 장치 유형을 결정하는 데 적용 할 수 있습니다.
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IC 엔진의 배기 가스에 대한 다양한 접근법이 고려되었습니다. 예를 들어, 터빈을 사용하여 배기 에너지를 회수하여 압축기를 구동하여 신선한 공기를 엔진 섭취로 압축하는 터보 차지는 잘 확립 된 배기 전략입니다. 배기 경제의 열 성분을 사용하는 터보 차지는 현대 디젤 엔진에서 유비쿼터스이며 스파크 점화 엔진에서 점점 더 흔해집니다.
배기 엑 서지의 열 성분을 회수하는 또 다른 배기 WER 전략은 유기 순위주기 (ORC) 기반 "하단 사이클"을 사용합니다. 본질적으로, ORC 기반 하부 사이클은 ORC 사이클이 증기 대신 유기 작동 유체 (예 :냉매 혼합물)를 사용한다는 점을 제외하고는 열 발전소에서 사용되는 랭킨 사이클과 매우 유사합니다. 터보 차지 및 ORC 사이클과 달리, 기타 "직접적인"장치 (예 :양성 변위 확장기)는 배기 엑 서지의 기계적 구성 요소를 직접 활용하기 위해 노력합니다.
요약하면, Mahabadipour et al. 엔진 디자이너는 기본 열역학적 원리에 단단히 뿌리를 둔 체계적인 접근 방식을 제공하여 엔진 디자이너가 잠재적으로 중요한 효율성 개선을 달성하기 위해 다양한 엔진 및 작동 조건에 대한 배기 엑 서지를 복구 할 수있는 최상의 방법을 결정할 수 있습니다.
.이러한 결과는 최근 저널 Applied Energy 에 발표 된 배기 폐기물 에너지 회복의 관점에서 디젤 엔진의 배기 흐름에 대한 Crank Angle-Resolved Exergy 분석이라는 제목의 기사에 설명되어 있습니다. . 이 작업은 Hamidreza Mahabadipour, Kalyan Kumar Srinivasan 및 Eaton Corporate Research and Technology의 Swaminathan Subramanian의 Sundar Rajan Krishnan에 의해 수행되었습니다.
참조 :
- Bejan, A. (2016). 고급 엔지니어링 열역학 , 4 판, Wiley, ISBN 978-1119052098
- Mahabadipour, H., Srinivasan, K.K., Krishnan, S.R., Subramanian, S. (2018). 배기 폐기물 에너지 회복의 관점에서 디젤 엔진의 배기 흐름의 크랭크 앵글 분해 엑 서지 분석. 적용된 에너지 , 216 , 31-34, (https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.02.037.)
- US Doe (2017). Superttruck II, Vehicle Technologies Office Program 넓은 선택 혁신적인 기술의 개발을 가속화합니다. https://www.energy.gov/articles/energy-department-announs-137-million-investment-commercial-and-passenger-vehicle (2018 년 4 월 2 일 액세스)
