В настоящее время лидирующими производителями автомобильной техники и компонентов для системы выпуска отработавших газов являются General Motors [1], BMW [2], Hyundai [3, 4] и Toyota [5]. Ими запатентованы различные варианты конструкции термоэлектрического генератора (ТЭГ), отличающиеся формой, исполнением и взаимным расположением его важнейших составных элементов.

В России исследованиями в данной области занимаются в Московском государственном машиностроительном университете (МАМИ), Московском государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана, Институте теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН и в Московском физико-техническом институте (МФТИ).

Рассмотрим существующие разработки и исследования термоэлектрического генератора в России и за рубежом.

Термоэлектрический генератор для автомобильного двигателя внутреннего сгорания (МАМИ). Экспериментальный ТЭГ, внешний вид которого показан на рисунке 1, упрощенно состоит из четырехгранного теплообменника, на гранях которого располагаются термоэлектрические преобразователи энергии. Вторая сторона термоэлектрических элементов контактирует с радиатором, охлаждаемым протекающей по нему охлаждающей жидкостью. Внутренняя конструкция теплообменника рассчитана таким образом, что должна обеспечивать оптимальное распределение температуры по длине ТЭГ [6].

Рис. 1. Термоэлектрический генератор (МАМИ) [6]

Максимальная мощность достигнута 1079,8 Вт при 6000 оборотах коленчатого вала ДВС.

Также в Московском государственном машиностроительном университете была предложена конструкция термоэлектрического генератора в системе охлаждения ДВС, которая показана на рисунке 2.

Авторами было предложено установить термоэлектрический генератор в систему охлаждения ДВС непосредственно на радиатор охлаждения. Данный термоэлектрический генератор состоит из двух теплообменных аппаратов, жидкостного и воздушного, соединенных тепловыми трубками [7].

Рис. 2. Принципиальная схема термоэлектрического генератора системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания [7]

В ходе лабораторных испытаний, при имитации движения транспортного средства со скоростью 80 км/ч, была осуществлена рекуперация 0,4 % тепловой энергии, отводимой системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания. При этом максимальная выходная электрическая мощность генератора составила всего 75 Вт.

В МГТУ им. Н. Э. Баумана авторами Д. О. Онищенко, Р. А. Сафонов, Г. А. Арутюнян был собран экспериментальный образец термоэлектрического генератора в выпускной системе двигателя ВАЗ 21127 (рисунок 3) [8].

Рис. 3. ТЭГ, установленный на испытательный стенд [8]

По результатам исследовании был получен прототип и испытан термоэлектрический генератор в выпускной системе двигателя ВАЗ 21127, по экспериментальным данным которой генерируемая мощность составила 216 Вт.

В университете Брунеля, Англия был разработан прототип термоэлектрического генератора с применением 16 термоэлектрических генераторных модулей [9]. Ниже на рисунке 4 представлена фотография экспериментальной установки.

Рис. 4. Экспериментальный прототип термоэлектрического генератора [9]

Максимальная генерируемая мощность на разработанном прототипе составила 43 Вт.

За рубежом компанией Termonamik, специализирующейся на производстве термоэлектрических устройств (элементов Пельтье) для охлаждения и нагрева, выпускаются промышленные генераторы TEG-HL350–48 V, представляющие собой термоэлектрический генератор горячего газожидкостного типа, который состоит из теплового коллектора горячего газа, 36 термоэлектрических модулей и системы жидкостного охлаждения который показан на рисунке 5.

Рис. 5. Термоэлектрический генератор с рекуперацией тепла от горячего газа TEG-HL350–48 V

Если на горячей стороне термоэлектрических генераторных модулей температура будет 300 °C или выше, то генерируемая электрическая мощность составит 350 Вт. Максимальное генерируемое напряжение 96 В, масса генератора 27,8 кг.

Также за рубежом в инженерном центре в Пекине (Китай) был спроектирован новый тип термоэлектрического генератора с использованием тепловых трубок для утилизации отработанного тепла автомобилей (рисунок 6) [10].

Рис. 6. Экспериментальная модель ТЭГ с тепловыми трубками [10]

В этом термоэлектрическом генераторе использовались тепловые трубки, состоящие из испарительной, адиабатической и конденсирующей секций. Во внутренней полости тепловой трубки давление равно приблизительно вакууму. Когда тепловая энергия разогревает испарительную секцию тепловой трубки, жидкость испаряется и перемещается к более холодной секции тепловой трубки, где конденсируется в жидкость, затем сконденсированная жидкость возвращается под действием капиллярности к испарительной секции тепловой трубки, тем самым создается замкнутый цикл эффективной теплопередачи.

В этом устройстве использовалось 112 термоэлектрических генераторных модуля. Максимальная генерируемая мощность в этой системе составила 350 Вт. Общий вес устройства составляет около 4,31 кг.

Исследования и разработки в области термоэлектрических генераторов для автомобиля является актуальной темой, выбор оптимальных термоэлектрических материалов и способа их интеграции в выхлопную систему автомобиля может значительно повысить его КПД.

Литература:

1. Патент US20130000285, 03.01.2013, GM Global Technology Operations LLC, Internal combustion engine exhaust thermoelectric generator and methods of making and using the same.
2. Патент US20120174567, 12.06.2012, Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft, Emitec Gesellschaft Fur Emissionstechnologie Mbh, Thermoelectric device with tube bundles, method for operating a thermoelectric device and motor vehicle having a thermoelectric device.
3. Патент US20130152561, 29.09.2015, Hyundai Motor Company, Thermoelectric generator of vehicle.
4. Патент US20130152562, 20.06.2013, Hyundai Motor Company, Thermoelectric generator of vehicle.
5. Патент US20050072142, 23.12.2008, Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Exhaust emission control system.
6. Проверка адекватности разработанной математической модели термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания на основании результатов экспериментальных исследований / Н. А. Хрипач, Б. А. Папкин, В. С. Коротков, Д. В. Залетов // Международный научно-исследовательский журнал. — 2016. — № 9–2(51). — С. 94–98. — DOI 10.18454/IRJ.2016.51.064
7. Особенности конструкции термоэлектрического генератора / Б. А. Папкин, В. С. Коротков, А. П. Татарников // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 10–2(41). — С. 94–96. — DOI 10.18454/IRJ.2015.41.045
8. Верификация расчётной модели термоэлектрического генератора для перспективного применения в составе ДВС / Д. О. Онищенко, Р. А. Сафонов, Г. А. Арутюнян. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, Россия.
9. Jouhara H., Żabnieńska–Góra A., Khordehgah N., Doraghi Q., Ahmad L., Norman L., Axcell B., Wrobel L. C., Dai S. Thermoelectric generator (TEG) technologies and applications // International Journal of Thermofluids. 2021. Vol. 9. p. 100063.]
10. Cao, Q., Luan, W. and Wang, T. (2017) Performance Enhancement of Heat Pipes Assisted Thermoelectric Generator for Automobile Exhaust Heat Recovery. Applied Thermal Engineering, in Press. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.09.134