Energy and Exergy Balances for Modern Diesel and Gasoline Engines

Bilans d’énergie et d’exergie pour des moteurs Diesel et essence récents

Institut français du pétrole, IFP, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France

^* Corresponding author

Abstract

The aim is here to evaluate the difference between the energy and exergy (or available energy) balances when heat recovery is considered in an internal combustion engine. In the first case, the entropy of the system is not taken into account so that, the maximum useful work recoverable from a system can not be estimated. Then, the second case is much more adapted to estimate heat recovery potential. In this paper, two modern engines are evaluated. First, an up-to-date gasoline engine: three-cylinder, downsized, low friction, then a modern common rail downsized Diesel engine. For each one, two energy and exergy balances are given for two different part-load operating points representative of the NEDC cycle using experimental data from steady state engine test benches. For the Diesel engine, it is shown that effective work represents around 30% and that around 55% of the energy introduced into the combustion chamber is lost (in the form of heat), especially in exhaust gas, in water coolant and oil. But when considering exergy balance, only 12% of the total exergy introduced through the fuel can be recovered, in order to produce useful work. Expecting a 25% exergy recovery efficiency, the effective engine efficiency could be increased by 10%. For the gasoline engine, the increase of the output work could be around 15%.

Résumé

L’objectif est ici d’évaluer la différence entre bilan d’énergie et d’exergie (ou énergie utile) pour des moteurs à combustion interne lorsque la problématique de récupération d’énergie est prise en compte. Dans le premier cas, l’entropie du système n’est pas considérée, si bien que le travail utile maximal qu’il est possible de récupérer d’un système ne peut pas être estimé. Tandis que le second cas est bien mieux adapté pour estimer le potentiel de la récupération d’énergie. Dans cet article, deux moteurs modernes sont étudiés. Le premier est un moteur essence récent, 3 cylindres, de cylindrée réduite, à faible frottement, et le second un moteur Diesel à injection directe à rampe commune, également de cylindrée réduite. Pour chacun de ces deux moteurs, à l’aide de données expérimentales obtenues sur banc moteur, deux bilans d’énergie et d’exergie ont été effectués pour deux points de fonctionnement à charge partielle, représentatifs du cycle NEDC. Dans le cas du moteur Diesel, le travail effectif, représentant environ 30 % et 55 % de l’énergie introduite dans la chambre de combustion, est perdu (sous forme de chaleur), et plus spécifiquement dans les gaz d’échappement, l’eau de refroidissement et l’huile. Mais, lorsque l’on considère le bilan d’exergie, seulement 12 % de l’exergie totale introduite par l’intermédiaire du carburant peut être récupérée afin de produire un travail utile. Dans l’hypothèse d’un rendement de récupération de 25 %, le rendement du moteur Diesel pourrait être augmenté de 10 %. Dans le cas du moteur essence, l’augmentation de rendement pourrait même atteindre 15 %.