Autotechnika szakfolyóirat
Autotechnika szakfolyóirat
2022. június | Olvasson bele!

A gépkocsik energiaveszteségeinek hasznosítása

hirdetés

Írásunkban ezúttal a járműfejlesztés veszteségcsökkentéssel elért néhány új fejlesztését mutatjuk be, amely a „csapatás-felfogású” járműhasználattal szemben, a megtakarítás szándékú üzemeltetést törekszik erősíteni. Kiemelve a megoldás villamos hajtásokkal összefüggő célját és/vagy eredetét.

 

Regeneratív energiahasznosítás


A legjobb belső égésű motorok optimális esetben az üzemanyag kémiai energiájának 35–40%-át hasznosítják

 

Legelőbb az égésgázok légszennyező hatásának csökkentését tekintettük feladatunknak. Ezt hosszú évtizedek tudatos emissziócsökkentő munkájával a minimumára csökkentettük. Azóta mindinkább a felszabaduló üvegházgázok és az apadó fosszilis üzemanyagok rossz hatásfokú hasznosítása vezet rá bennünket arra, hogy megújuló energiák választásával mindkettőt elkerülhetjük.

 


Regeneratív lengéscsillapító, melynek dugattyúja váltakozva, tengely- és sugárirányba állított mágneseket mozgat. A mágnesek mozgása a ház álló tekercseiben indukál korszerű, az útegyenetlenségekkel arányos feszültséget

 

A meglévő járműkonstrukciókon a fosszilis üzemanyag rossz hatásfokú hasznosításának javítására átfogó fejlesztési módszer van elterjedőben, a gépkocsik energiamérlegének, energia-visszanyeréssel végzett javítása.

A regeneratív (visszatápláló) fékezés az energia-visszanyerésnek olyan módja, amely a hagyományos, súrlódó fékezéssel szemben, a jármű mozgási energiáját villamos, hidraulikus vagy mechanikus (lendkerék) energiává alakítja át.

A regeneratív lengéscsillapítás a csillapítóelem mozgási energiáját villamos áramtermelés formájában hasznosítja.


A dízelmotorok hőveszteségei villamos és termikus rekuperációval (regenerációval) hasznosíthatóak

 

A regeneratív hőhasznosító termoelemek a veszteséghőt közvetlen vagy közvetett átalakítással, villamos energia formájában hasznosítják. Szilárdtest-elektronika használatával a hulladék hő közvetlenül villamos árammá alakítható.

A BMW szerint egy 1000 wattos termoelektromos átalakító 10%-kal is csökkentheti az üzemanyag-fogyasztást, a pontos százalékérték azonban üzleti titoknak minősül.

 


A gépkocsin keletkező veszteségek regeneratív hasznosításának eddig bevált módjai

 

Bár számos nagy villamos és kis hővezető képességű anyag létezik, a legtöbb kereskedelemben kapható TEG, bizmut-tellúrid (Bi2Te3) aktív anyagú termoelem használatára épül. A hőelem nanocsöves generációjának piacra kerülésével a ma 5% körüli hatásfok megháromszorozódásával számolnak.

A TEG-eket a kipufogócső külső felületére kell felszerelni. Úgy, hogy a TEG számára, a csőben áramló 600 °C-os forró gázok és a vízzel hűtött, 110 °C hideg oldal között, megfelelő hőesés jöjjön létre. A TEG-ek ma 1 kW körüli energiatermelésűek, ami induló teljesítményük megduplázódását jelenti.

A TEG-ek a korszerű klímaberendezésekben is alkalmazásra találnak. Használatuk terjedésének eredményeként a fejlesztés új lehetőségeinek elérésére nyílik lehetőség: utasonként független zónafűtés/hűtésre, 630 W/fő energiájú egyedi és 3,5–4,5 kW váltakozó áramú villamos hűtéssel.

Itt említjük meg, hogy a regeneratív energiahasznosításnak a hibrid gépkocsik elterjedése adott új lendületet.

A hibrid autók ugyanis üzemanyagot takarítanak meg haladás közben, mert csak akkor működnek, ha ez szükséges, emellett energiatakarékosan, visszatápláló módon, a generátor áramtermelésével fékeznek. Így a visszanyert mozgási energia jelentős részét az akkumulátor tárolja. A felgyorsított gépkocsi állandó tempójának fenntartásához kevés energia kell. A hagyományos hajtású gépkocsik a szükségesnél nagyobb motorja ennél jóval több energiát termel, melynek jóval nagyobb a veszteségtartalma, mint a hibrid vagy villamos hajtásúaknak.

A lassító és megálló jármű fékezésekor jelentős energiaveszteség keletkezik. A fékbetét súrlódásakor ugyanis a jármű mozgási energiája hővé alakul, ami a környezet levegőjét fűti, és energiaként, egyszerűen elvész. Mindez, különösen blokkoló fékezések esetén szembetűnő.

 


A Mazda 6 regeneratív fékezésének működési fázisai lassítás és gyorsítás során

 

Hulladékhő-hasznosítás haszonjárműveken

Haszonjárművek termikus veszteségeinek hasznosítására az Autómechanika kiállításon a Bosch cég WHR néven mutatott be modulként kapható megtakarítórendszert.

Milyen előnyöket kínál a WHR az üzemeltető számára? Mintegy 5%-kal csökkenti az üzemanyag-fogyasztást. Költségei 2 év alatt amortizálhatóak. Karbantartását és javítását a Bosch-szervizhálózat végzi.

Milyen előnyöket kínál a WHR a járműgyártó számára? Használatával a jövő emissziós határértékei is teljesíthetőek. A legmagasabb szintre emeli a rendszer megbízhatóságát. A rendszer hatékonysága a hulladékhő-hasznosító és a hibrid hajtás összekapcsolásával tovább növelhető. Számottevően csökkenthető a rendszer CO2-kibocsátása.

Az üzemanyagárak és a CO2-emissziós korlátozások növekedése a haszonjárműhajtásokkal szemben is fokozott követelményeket támaszt. Már csak azért is, mert a belső égésű motorokba bevezetett primer energia jó 60%-a a kipufogógázok és a hűtőközeg felmelegítésére fordított hőmennyiség formájában, felhasználatlanul távozik. Pedig az elillanó energia egy része, a Bosch, energia-visszanyerő (WHR) rendszer gőzkörfolyamata során újrahasznosítható. Úgy, hogy üzemanyagoldalon ez, a jármű típusától és futásteljesítményétől függően, szélső esetben 2500 liternyi megtakarításként, költségcsökkentésre, illetőleg CO2-kibocsátás-csökkentésre váltható.

hirdetés

 


A Bosch, Autómechanika kiállításon bemutatott hulladék hőt hasznosító (WHR) rendszerének felépítése

 

Alkalmazási lehetőségek

Bár az energiahasznosítás valamennyi haszonjárművön bizonyított, a legkedvezőbb eredmények a hosszú utakon szállító kamionok kipufogórendszerében mutatkoztak a legeredményesebbnek.

 


A klímaberendezés veszteséghőjét hasznosító termoelemeket a kétrészes hőcserélő közepébe ágyazzák            Infravörös kamerakép láthatóvá tett felvételén jól látható a légbefúvók hőárama

 

Rendszerfelépítés és működés

A gőzkörfolyamat kisnyomású munkaközegének nyomását keringtetőszivattyú növeli, és nagy nyomáson a rendszer párologtatójába juttatja, ahol az átveszi a kipufogógáz hulladék hőjének hőmérsékletét, és elpárologtatja a munkaközeget. A keletkező gőz expanziós motorban munkaütemenként hasznosul, majd kondenzátorba vezetve lecsapódik, és környezeti hőmérsékletre lehűlt folyadékként visszajut a szivattyúba.

A folyamat mechanikai munkája, forgattyús hajtóművel működteti a motor főtengelyét, és az általa működtetett generátorban villamos áramot fejleszt, amely hibrid jármű villanymotorjának működtetésével hasznosul.

A termikus veszteséget expanziós gép alakítja villamos energiává, amely dugattyús motorban vagy turbinában hasznosítható. Mindkét változat Bosch termékként kapható.

 


A WHR-rendszer beépítése dugattyús gőzmotorral (1) és generátort hajtó gőzturbinával (2)

 

Indítás és fékezés ultra kondival

Napjaink belső égésű járműveinek ólomakkumulátorai azonos töltésmennyiséget lassabban tudnak feltölteni a hibrid autók akkumulátorainál. Nem hibrid járműveken ezért gyorsabb, olcsóbb és télen is megbízhatóan működő megoldást kell választaniuk a méregdrága lítium- vagy fémhidrid akkumulátoroknál. A különleges fejlesztésekre sosem rest Mazda-fejlesztők ezúttal is különleges eszközt, ultra kondit választottak járművük start-stop és regeneratív fékrendszerének villamos energiatárolásához.

Az ultrakapacitású kondenzátor tárolóképessége egyenesen arányos a szembenálló lemezek területével, és fordítottan arányos a köztük lévő távolsággal. Felületük növelése a felvihető töltésmennyiség növelésével, csökkentése a fegyverzetek között a feszültség csökkentésével jár.

A fegyverzetek fémfóliára felvitt, finom szemcseeloszlású aktív szénrétegből állnak, melyeket szigetelőként működő, ionátjárható szeparálóréteg választ el egymástól, melyek folyékony halmazállapotú elektrolitrétegbe vannak ágyazva.

Az ultra kondi két síkkondenzátorból és ohmos ellenállásból álló, feltekercselt kettős fóliából épül fel. Fegyverzeteit fémfóliára felvitt, finom szemcseeloszlású aktív szénréteg képezi, közöttük szigetelőként működő, ionátjárható szeparáló és folyékony halmazállapotú elektrolitréteggel. A kondenzátor feltöltésekor, a negatív és pozitív töltésű lemezekhez vándoroló „+” és „–” ionok, elektrokémiai kettős réteget alkotnak.

 


A BMW termogenerátorát a kipufogócsőbe kötötték, és …


…a jármű alatti csőszakaszba építették

 

Első szállásadójuk a Mazda 6 új modellje, amelynek fékezésekor pillanatok alatt feltöltődnek a 12-ről 25 voltra váltó generátor áramával. Majd a lámpa zöldre váltásakor, a vezető gázadására, a hengerekben lévő benzin-levegő keverék begyújtásával, a motor hasonlóan rövid idő alatt beindul. Hideg időben is megbízhatóan működve.

A Mazda 6-os ultra kondijának fajlagos teljesítménye 10 ezer [W/kg], töltési ciklusszáma félmillió töltés/kisütés körüli érték. Tömege 9 kilogramm, ami töredéke az akkumulátorokénak. Az ultra kondis rendszer működési folyamata képünkön tanulmányozható.

Regeneratív lengéscsillapítás

A regeneratív lengéscsillapítás olyan különleges csillapítóelemek használatára épül, melyek a felépítménylengések csillapításakor keletkező súrlódás hőenergiájának egy részét akkumulátorban tárolható, villamos energiává alakítják. Ennek során hasznosítható villamosenergia-többletet hoznak létre, és hozzájárulnak az akkumulátor élettartamának növeléséhez. Az általuk nyert többletenergia, a csillapítási karakterisztika módosítására és a villamos hajtású gépkocsi légkondicionálás teljesítményének javítására különösen jól használható.

Regeneratív lengéscsillapító dugattyúja váltakozva, tengely- és sugárirányba állított mágneseket mozgat. A mágnesek mozgása a ház álló tekercseiben indukál az útegyenetlenségekkel arányos feszültséget.


A Mazda 6 regeneratív fékezőrendszere nem akkumulátort, hanem kondenzátort tölt fel a jármű mozgási energiájával fejlesztett árammal. I-Eloop-nak (intelligens energiahuroknak) nevezett vezérlőrendszere kondenzátorból, generátorból és egyenfeszültség-átalakító inverterből épül fel

 

Költséges megoldásuk miatt, használatuk egyelőre olyan nagy teljesítményű versenykocsikon terjed, amelyeken nagyobb tömegük nem rontja a jármű köridőit.

Úgy véljük, a bemutatott megoldások jól szemléltetik a gépkocsi-energiaveszteségek hasznosításának mai és jövő bemutató lehetőségeit, amelyek azért figyelemre méltóak, mert együtt javítják a járművek energiamérlegét, fogyasztását, környezeti és éghajlati kompatibilitását.


Kapcsolódó dokumentum:


28-31


Tetszett a cikk?

hirdetés

hirdetés