ТЭГ для ДВС

МГТУ им. Н.Э. Баумана является исполнителем ПНИ по теме: «Разработка экспериментального образца источника электрического питания с непосредственным преобразованием теплоты для транспортных систем различного назначения на базе высокоэффективных термогенераторных батарей, работающих в широком диапазоне температур» (Соглашение о предоставлении субсидии от 23.09.2014 № 14.577.21.0113). 

Исполнителями данного ПНИ являются коллективы структурных подразделений МГТУ им. Н.Э. Баумана УИЦ НТ НМСТ и НОЦ "Формула студент" под руководством академика РАН, д-ра техн. наук, проф. Леонтьева А.И.

Целью ПНИ является:

- повышение эффективности теплоэнергетических установок на транспорте путем использования прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и утилизации части тепловой энергии, выделяющейся двигателями внутреннего сгорания с выхлопными газами и системой охлаждения;

- снижение расхода потребляемого топлива;

- повышение в эффективности термогенераторных источников питания путем создания конструкции и технологии получения высокоэффективных термогенераторных батарей, работающих в широком диапазоне температур.

В результате выполнения ПНИ будет создан макетный образец термоэлектрического генератора для двигателя внутреннего сгорания, предназначенного для работы в составе теплоэнергетических установок на транспорте, с использованием прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В ходе работы будут созданы новые конструкторские решения и технологические подходы, направленные на увеличение эффективности и надежности технических средств. 

Ход выполнения Проекта:

1 этап

В ходе выполнения проекта по 1 этапу в период с 23.09.2014 по 31.12.2014 выполнены следующие работы:

- аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;

- проведение патентных исследований по ГОСТ 15.011-96;

- проведение сравнительной оценки эффективности возможных направлений исследований;

- разработка вариантов возможных решений задачи повышения эффективности теплоэнергетических установок на транспорте путем использования прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, выбор и обоснование оптимального варианта решения задачи;

- разработка концепции термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;

- разработка программного обеспечения для расчета конструкции термоэлементов, включая термоэлементы с составными ветвями, позволяющего рассчитывать оптимальную конструкцию термоэлемента для заданных условий эксплуатации, а также выбирать оптимальные размеры секций термоэлектрического материала;

- разработка конструкций экспериментальных образцов термоэлементов с составными ветвями;

- разработка испытательного стенда, позволяющего проводить комплексные измерения физико-механические параметры термоэлементов и термоэлектрических генераторных батарей на их основе в широком диапазоне температур.

При этом были получены следующие результаты:

1) выявлено современное состояние в сфере проектирования транспортных систем с интегрированными термогенераторными батареями для утилизации тепловых потерь и ряд проблем, ограничивающих использование термогенераторных батарей при серийном выпуске транспортных систем, среди которых:

- отсутствие комплексной инженерной методики рационального проектирования конструкций термогенераторных батарей, интегрирование которых как в существующие, так и во вновь разрабатываемые транспортные системы позволит снизить расход топлива в среднем до 6 %, наряду с увеличением удельной мощности до 2 %;

- сравнительно низкий КПД термогенераторных батарей, обусловленный не эффективным теплообменом между отработавшими газами, стенкой выпускной системы и термоэлектрическим модулем, входящим в состав термогенераторной батареи. Данное обстоятельство, по-видимому, связано с недостаточной проработкой вопросов интенсификации теплообмена между отработавшими газами, стенкой выпускной системы и термогенераторной батареей;

- отсутствие рекомендаций, позволяющих осуществлять выбор рациональных геометрических параметров, а также материала теплообменника для установки термогенераторных батарей для различных двигателей;

- отсутствие рекомендаций по выбору рациональных материалов и технологий формирования коммутационных элементов для термоэлектрических модулей, входящих в состав термогенераторных батарей, эксплуатируемых при температурах до 800 0С;

- неэффективность режима работы термогенераторной батареи в широком диапазоне изменения режима работы транспортной системы;

- неэффективность системы охлаждения транспортной системы.

2) Сделан выбор и обоснование направлений исследований, в рамках которых проведены патентные исследования, сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований, разработка вариантов возможных решений задачи, выбор и обоснование оптимального варианта решения задачи. Разработана концепция ТЭГ для ДВС.

В основу разработанной концепции экспериментального образца источника электрического питания с непосредственным преобразованием теплоты для транспортных систем различного назначения на базе высокоэффективных термогенераторных батарей, работающих в широком диапазоне температур, были положены следующие принципы:

- ТЭГ и ДВС рассматриваются не как отдельные системы, а как часть единой системы. При этом для достижения максимальной эффективности утилизации теплоты выхлопных газов путем её прямого преобразования в электричество оптимизируется не только конструкция ТЭГ, но и режимы и конструкция ДВС. - в конструкции ТЭБ предполагается использование прогрессивных компоновочных схем ветвей термоэлементов, включая сегментированные ветви и каскадные термоэлементы;

- расположение ТЭГ как можно ближе к головке блока цилиндров с целью расширения температурного диапазона (разности температур на спаях ТЭГ);

- теплоизоляция ДВС с целью увеличения полезной мощности ДВС, а также увеличения температуры выхлопных газов, а, следовательно, и располагаемого перепад температур и КПД ТЭГ.

- разработка методов интенсификации теплообмена между отработавшими газами и стенкой выпускной системы, а также методик рационального выбора таких методов;

- разработка методов коммутации ветвей термоэлементов с использованием аддитивных технологий, обеспечивающее надежное соединение ветвей с низким тепловым и электросопротивлением.

Литературный анализ и патентные исследования показали, что направление использования теплоизолированного двигателя в совокупности с термоэлектрическим генератором в литературных источниках не встречается и является новым не только в России, но и в мире.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

 

2 этап

В ходе выполнения 2 этапа:

1. Разработана концепция термоэлектрического генератора (ТЭГ) для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в основу которой были положены следующие принципы:

  • ТЭГ и ДВС рассматриваются не как отдельные системы, а как часть единой системы. Для достижения максимальной эффективности утилизации теплоты выхлопных газов путем её прямого преобразования в электричество оптимизируется не только конструкция ТЭГ, но и режимы и конструкция ДВС.
  • установка ТЭГ как можно ближе к головке блока цилиндров с целью расширения температурного диапазона (разности температур на спаях ТЭГ);
  • теплоизоляция ДВС с целью увеличения полезной мощности ДВС и температуры выхлопных газов, а следовательно, и располагаемого перепад температур и КПД ТЭГ;
  • разработка методов интенсификации теплообмена между отработавшими газами и стенкой выпускной системы, а также методик рационального выбора таких методов;
  • разработка методов коммутации ветвей термоэлементов с использованием аддитивных технологий, обеспечивающих надежное соединение ветвей с низким тепловым и электросопротивлением.

2. Разработана математическая модель ТЭГ, которая решает задачу определения потока тепла через термоэлектрические батареи ТЭГ, моделируя течение отработавших газов через термоэлектрический генератор с учетом особенностей его внутренней конструкции и интенсификаторов теплообмена, задачу расчета выходные параметров генератора, а также задачу оптимизации конструкции ТЭГ. Проведено имитационное моделирование работы ТЭГ. Разработаны рекомендации к конструктивному исполнению проточной части тех для различных транспортных средств.  Показана перспективность использования лунок с целью интенсификации теплопередачи от выхлопных газов к спаям термоэлектрической батареи.

3. Разработана эскизная конструкторская документация и электронный макет ТЭГ мощностью 1 кВт для ДВС (рисунок 1.).

Рисунок 1.  – Модель ТЭГ мощностью 1 кВт.

4. Разработана эскизная конструкторская документация и электронный макет стенда для исследования особенностей работы и доводки термоэлектрического генератора. Стенд позволяет исследовать особенности работы и производить доводку термоэлектрического генератора при установке его на различные двигатели. Входящий в состав стенда ступичный мощностной стенд 4WD DAQ32 компании DynaPack (США) позволяет проводить испытания ТЭГ в составе транспортного средства, моделируя в лабораторных условиях различные режимы движения автомобиля

Рисунок 2. – Модель стенда для исследования особенностей работы и доводки ТЭГ

5. Для предварительной отработки конструкции, а также верификации результатов моделирования на втором этапе разработан и собран предварительный макет термоэлектрического генератора с максимальной электрической мощностью до 500 Вт, который имеет возможность установки на автомобили Лада «Калина» и «Гранта» с двигателем ВАЗ 21127.

С целью полного обеспечения качества результатов, сроков исполнения работ, проводились еженедельные собрания, на которых обсуждались результаты и планы на будущие работы.

Индустриальным партнером были разработаны:

  • конструкторская документация на экспериментальный стенд, позволяющий проводить комплексные измерения физико-механических параметров экспериментальных образцов термоэлементов и термоэлектрических генераторных батарей на их основе в широком диапазоне температур,
  • программное обеспечение для расчета конструкции термоэлементов, включая термоэлементы с составными ветвями, позволяющее рассчитывать оптимальную конструкцию термоэлемента для заданных условий эксплуатации, а также выбирать оптимальные размер секций термоэлектрического материала.
  • эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы термоэлементов с состав;
  •  опытная технология изготовления высокоэффективных многосекционных составных ветвей термоэлементов, способных работать в широком диапазоне температур.
  •  опытная аддитивная технология формирования коммутационных переходов, соединяющих ветви термоэлементов, а последние в термобатарею, с низким тепловым сопротивлением и надежно работающие при температурах до 800 °С.
  •  программа и методики исследовательских испытаний термоэлементов с составными многосекционными ветвями и генераторных батарей на их основе

 

 

Полученные результаты обеспечат иннвационный потенциал развития транспортной отрасли и малой распределительной энергетики в части автономных источников питания.

Данная ПНИ соответствует ключевому направлению реализации Стратегии инновационного развития РФ на период до 2020 года, в рамках которой осуществляется ужесточение требований к энерго- и ресурсоемкости продукции с целью повышения конкурентоспособности отечественной продукции в различных отраслях промышленности.