BUJİ ATEŞLEMELİ BİR MOTORDA EGZOZ ATIK ISI GERİ KAZANIMI İÇİN TERMOELEKTRİK JENERATÖR MODELİNİN GELİŞTİRİLMESİ

Abstract

Bu çalışmada, buji ateşlemeli bir motorda atık ısı geri kazanımı için kullanılan termoelektrik jeneratörünün (TEJ) Matlab/Simulink programı ile teorik modeli geliştirilmiştir. TEJ modelinin geliştirilmesinde, 1500-4000 rpm aralığında çalışan iki silindirli buji ateşlemeli bir motorun deneysel çalışmalarından elde edilen egzoz gaz sıcaklıkları ve kütle akış hızları kullanılmıştır. TEJ modeli, egzoz ısı eşanjörü ve egzoz eşanjörünün her iki yüzeyine yerleştirilmiş iki motor soğutma suyu eşanjöründen oluşan üç katmanlı bir yapıya sahiptir. Eşanjör malzemesi olarak 3 mm kalınlığında 6063-T6 tipi alüminyum malzeme kullanılmıştır. Termoelektrik modüllerde (TEM) hem n hem de p tipi yarı iletkenler için Bi2Te3 malzemesi seçilmiştir. Her iki TEJ katmanında 5x4 düzenlemeye sahip toplam 40 adet TEM kullanılmıştır. Matlab/Simulink modelinin sonuçları, önceki çalışmalarda elde edilen deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır (Gürbüz ve Akçay, 2015). Sonuç olarak, TEJ'ün Matlab/Simulink modeli ile DC elektrik enerjisi üretimi, 1500-4000 rpm motor devri aralığı için 6,36-50,96 W aralığında değişmiştir. Ayrıca, deneysel ve Matlab/Simulink model sonuçları arasında iyi bir korelasyon (R²= 0,991) olduğu tespit edilmiştir. 

Keywords

• Buji Ateşlemeli Motor, Egzoz Atık Isı Geri Kazanımı, Termoelektrik Jeneratör, Matlab/Simulink Modeli

IMPROVEMENT OF THERMOELECTRIC GENERATOR MODEL FOR EXHAUST WASTE HEAT RECOVERY IN A SPARK IGNITION ENGINE

Abstract

In this study, a theoretical model with Matlab/Simulink of thermoelectric generator (TEG) using for waste heat recovery in a spark ignition (SI) engine developed. In the improvement of the TEG model, the exhaust gas temperatures and mass flow rates used which is obtained from the experimental studies of the two-cylinder SI engine operating in the range of 1500-4000 rpm. The TEG model has a three-layer structure, consisting of an exhaust heat exchanger and two engine cooling water exchangers placing on both surfaces of the exhaust exchanger. 3 mm thick 6063-T6 type aluminum material used as heat exchanger material. Bi2Te3 material selected for both n and p-type semiconductors in thermoelectric modules (TEM). A total of 40 pieces TEM used having 5x4 arrangements on both layers of TEG. The results of the Matlab/Simulink model compared with the experimental results which are obtained at the previous studies (Gürbüz and Akçay, 2015). As a result, the DC electrical power production with the Matlab/Simulink model of the TEG changed in the range of 6.36-50.96 W for the engine speed range of 1500-4000 rpm. Also, a good correlation (R²= 0.991) found between experimental and Matlab/ Simulink model results.

Keywords

• Spark Ignition Engine,Exhaust Waste Heat Recovery,Thermoelectric Generator,Matlab/Simulink Model

References

1. Akçay H., 2015. LPG ile Çalışan Buji Ateşlemeli Bir Motorda, Egzoz ve Soğutma Sisteminde Kaybedilen Isının TEJ Modülü ile Kullanılabilir Enerjiye Dönüştürülmesi, SDÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği ABD.
2. Chen L., Cao D., Huang Y., Peng F.Z., 2008. Modeling and Power Conditioning for Thermoelectric Generation, Power Electronics Specialists Conference, Rhodes, 1098-1103, 15–19.
3. Chen M., Rosendahl L.A., Condra T.J., Pedersen J.K., 2009. Numerical Modeling of Thermoelectric Generators with Varing Material Properties in a Circuit Simulator, IEEE Transactions on Energy Conversion, 24(1), 112-124.
4. Dalola S., Ferrari M., Ferrari V., Guizetti M., Marioli D., Taroni A., 2009. Characterization of Thermoelectric Modules Powering Autonomous, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, 58(1), 99–107.
5. Derun E. M., 2005. Sb2Te3 ve Bi2Te3 içerikli bileşiklerin termoelektrik, yapısal ve mikro yapısal özelliklerinin incelenmesi Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 18-32.
6. Doğdu, M.F., 2013. Termoelektrik Soğutucuların Performansına Doğrudan Temaslı Isı Değiştiricilerin Etkilerinin Deneysel İncelenmesi. İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü, Yüksek lisans tezi, 115s, İstanbul.
7. Dresselhaus M.S., Chen G., Tang M.Y., Yang R., Lee H., Wand D., Ren Z., Fleurial J. P. & P. Gonga, 2007. New Directions for Low‐Dimensional Thermoelectric Materials, Advanced Materials, 19(8), 1043– 1057.
8. Dziurdzia P., Mirocha A., 2009. From Constant to Temperature Dependent parameters Based Electrothermal Models of TEG, XIV. Mixdes International Conference on Mixed Design of Integrated Circuits Systems, Lodz, 555-559, 25-27.

9. Freedman A.P., (2011), A thermoelectric generation subsystem model for heat recovery simulations. Rochester Institute of Technology
10. Güneş, S., Hançer, E., 2017. Termoelektrik Modül Kullanarak İçten Yanmalı bir Otomobilin Egzozundan Atılan Isıdan Enerji Geri Kazanımının Termal Analizi. Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 33(3), 1-12.
11. Gürbüz H., Akçay H., 2015. Experimental Investigation of an Improved Exhaust Recovery System for Liquid Petroleum Gas Fueled Spark ignition Engine, Thermal Science, 19(6), 2015.
12. Hsu, C., Huang, G., Chu, H., Yu, B., Yao, D., 2011. Experiments and Simulations on Low-Temperature Waste Heat Harvesting System by Thermoelectric Power Generators. Applied Energy, 88, 1291-1297.
13. http://tecteg.com/thermoelectric-power-modules-sizes-selection/, Date of access and time: 10.21.2017/ 18:30.
14. Ikoma K., Munekiyo M., Furuya K., Kobayashi M., Izumi T., Shinohara K., 1998. Thermoelectric Module and Generator for Gasoline Engine Vehicles, XVII. International Conference on Thermoelectrics, Nagoya, 464- 467, 24–28.
15. Karri M.A., 2011. Thermoelectric power generation system optimization studies. Clarkson University.
16. Khattab N.M., El Shenawy E.T., 2006. Optimal Operation of Thermoelectric Cooler Driven by Solar Thermoelectric Generator”, Energy Conversion and Management, 47(4), 407-426.
17. Kunt M.A., 2016. İçten Yanmalı Motor Atık Isılarının Geri Kazanımında Termoelektrik Jeneratörlerin Kullanımı. El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 3(2), 192-203.
18. Kunt M.A., Gunes H., 2017, Experimental Investigation of the Performance of Different Heat Exchanger Profiles in the Waste Heat Recovery System with Thermoelectric Generator for Automobile Exhaust Systems, SSRG journal, 4(8), 1-5.
19. Lertsatitthanakorn C., 2007. Electrical Performance Analysis and Economic Evaluation of Combined Biomass Cook Stove Thermoelectric (BITE) Generator, Bioresource Technology, 98(8), 1670-1674.
20. LPG ile Çalışan Buji Ateşlemeli Bir Motorda, Egzoz ve Soğutma Sisteminde Kaybedilen Isının TEJ Modülü ile Kullanılabilir Enerjiye Dönüştürülmesi, SDÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği ABD.
21. Rowe D.M., Bhandari C.M., 1983. Modern Thermoelectrics. Holt-Technology, 168s, London.
22. Taymaz, İ., Çakır, K., Gür, M., and Mimaroğlu, A., 2003. Experimental Investigation of Heat Losses in a Ceramic Coated Diesel Engine. Surface and Coatings Technology, (169-170), 168-170.
23. Tecteg, (2017, December 18). Specifications TEG Module TEG1-1263-4.3, Retrieved from https://tecteg.com/store-thermoelectric-power-module-selection-purchase/30x30-35x35/
24. Temizer İ., İlkılıç C., Öner C. 2016. Dizel Motor Egzoz Sistemi için Termoelektrik Jeneratör Uygulaması ve Akış Analizi. Afyon Kocatepe University Journal of Science and Engineering, 16 (025901), 431‐445.
25. Topalcı Ü., 2017, Taşıt Egzoz Gazı Atık Isı Enerjisinden Elektrik Enerjisinin Üretilmesi için Termoelektrik Jeneratörün Modellenmesi, SDÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği ABD.
26. Yavuz, C., Özkaymak, M., & Kaya, M. 2010. Termoelektrik Modüllü Su Soğutucusunda Farklı Hava Debilerinin Sistem Performansına Etkileri. e-Journal of New World Sciences Academy, 5, 131-143.
27. Yu S., Du Q., Diao H., Shu G., Jiao K. 2015. Effect of Vehicle Driving Conditions on the Performance of Thermoelectric Generator. Energy Conversion and Management, 96, 363-376.