Лабораторные испытания ТЭГ системы выпуска двигателя внутреннего сгорания



В статье описано проведение лабораторных испытаний разработанного термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания и дана краткая характеристика применяемого измерительного и контрольного оборудования. Представлены основные технические характеристики термоэлектрического генератора, полученные в результате лабораторных испытаний, а также проведено их сравнение с современным научно-техническим уровнем.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, отработавшие газы, тепловая энергия, термоэлектрический генератор

Среди разнообразных способов прямой утилизации тепловой энергии отработавших газов благодаря широкому диапазону температур применения и относительно большой степени использования тепловой энергии, выделяется термоэлектрическая утилизация [1, с. 95] основанная на использовании эффекта Зеебека. Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую, либо использовать электроэнергию для нагрева или охлаждения. В настоящее время термоэлектрические модули в автомобильной промышленности используются в основном для локального охлаждения или нагрева [2, с. 1460]. При этом термоэлектрическая генерация электроэнергии практически не распространена.

Редкое применение термоэлектрических элементов обусловлено, прежде всего, высокой стоимостью и относительно небольшим коэффициентом полезного действия. Интенсификация применения термоэлектрических элементов, в том числе предназначенных для утилизации тепловой энергии, может быть достигнута благодаря постоянному совершенствованию термоэлектрических материалов, которое направленно на повышение их добротности и снижение себестоимости производства. Также, благодаря отсутствию движущихся частей, термоэлектрические модули обладают значительной надежностью и долговечностью, что при достаточно долгом периоде эксплуатации дает снижение себестоимости вырабатываемой ими электроэнергии [3, с. 196].

В процессе разработки термоэлектрического генератора были рассмотрены различные варианты конструкции корпуса и охладителей. Из всех рассматриваемых вариантов были выбраны наиболее оптимальные с точки зрения обеспечения эффективной работы ТЭГ. В частности из вариантов оребрения корпуса был выбран обеспечивающий наибольшую интенсивность подвода тепла к термоэлектрическим модулям при падении давления отработавших газов не оказывающем существенного влияния на работу двигателя внутреннего сгорания [4, с. 680].

Для оценки эффективности работы термоэлектрического генератора в составе системы выпуска отработавших газов необходимо провести его лабораторные испытания. Испытания термоэлектрических модулей, как отдельных, так и в составе сборок из нескольких модулей, без привязки к планируемым условиям эксплуатации широко распространены. Такие испытания проводятся как научно-исследовательскими организациями с целью определения характеристик модулей выполненных из перспективных и высокоэффективных материалов [5, с. 12843], так и производителями термоэлектрических модулей с целью подтверждения и корректировки заявленных технических характеристик [6, с. 28]. Также проводятся работы по оптимизации подходов к конструированию отдельных компонентов термоэлектрических генераторов, например охладителей [7, с. 372].

Испытания термоэлектрических генераторов в сборе проводятся значительно реже. При этом используется либо двигатель внутреннего сгорания с тормозным устройством [8, с. 685], либо транспортное средство с установленным в системе выпуска отработавших газов разработанным термоэлектрическим генератором [9, с. 103].

Используемый в данном исследовании комплекс измерительного оборудования и исполнительных устройств, входящий в состав стенда для испытаний термоэлектрического генератора, позволяет контролировать и, что более важно регулировать, параметры горячего и холодного теплоносителей. Это позволяет имитировать различные режимы работы объекта испытаний с целью наиболее определения его технических характеристик и особенностей работы.

Система управления технически обеспечивает подключение датчиков и исполнительных устройств к микропроцессорной системе обработки информации. В качестве микропроцессорной системы использовалась система National Instruments CompactRIO. Она представляет собой реконфигурируемую встраиваемую систему управления, получения и обработки данных. Устойчивая и надежная аппаратная архитектура включает в себя модули ввода-вывода, реконфигурируемую программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA), а также встроенный контроллер реального времени (RT). В качестве языка программирования для данных систем используется графический язык Labview/G и среда разработки программ NILabview.

Для визуализации параметров работы системы в целом, а также для записи информации о проводимых исследованиях применялся графический интерфейс пользователя разработанного программного обеспечения, внешний вид которого показан на рисунке 1.

Рис. 1. Внешний вид графического интерфейса пользователя

Экран представляет собой функциональную схему стенда с установленным термоэлектрическим генератором во время проведения исследований. Расположение элементов отображения значений датчиков организовано в соответствии с пространственным расположением самих датчиков. Экран графической оболочки разбит на несколько зон. Зона слева содержит элементы управления установкой в целом. В средней части окна находятся индикаторы, показывающие значения, зафиксированные датчиками. В нижней части окна показаны дополнительные измеренные значения, такие как сила тока, напряжение и электрическая мощность в нагрузке, массовые расходы воздуха и топлива двигателем внутреннего сгорания и аэродинамическое сопротивления ТЭГ.

Разработанное программное обеспечение полностью реализует алгоритм управления стендом для испытаний ТЭГ и предлагает средства для удобного проведения исследований работы термоэлектрического генератора с имитированием различных режимов работы.

Режимы работы термоэлектрического генератора определяются, прежде всего, температурами и расходами горячего и холодного теплоносителей. Температура и расход охлаждающей жидкости, выступающей в роли холодного теплоносителя, в замкнутой системе охлаждения регулируется с помощью насоса и вентилятора охлаждения. В свою очередь, температура и расход отработавших газов, т. е. горячего теплоносителя, могут только контролироваться с помощью измерительного оборудования, входящего в состав стенда. Опосредованная регулировка этих параметров возможна путем изменения режима работы двигателя внутреннего сгорания, однако отсутствие линейных зависимостей температуры и массового расхода отработавших газов от частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и крутящего момента на нем может затруднить процесс обработки результатов и сопоставления их с результатами математического моделирования.

С целью обработки результатов испытаний термоэлектрического генератора должны быть выявлены зависимости основных технических характеристик ТЭГ, таких как выходная электрическая мощность и падение давления отработавших газов, от температуры и массового расхода отработавших газов. Такие зависимости могут быть получены при различных значениях температуры и расхода охлаждающей жидкости, что может внести дополнительные искажения. Для адекватного анализа результатов испытаний необходимо зафиксировать температуру и расход охлаждающей жидкости на определенных значениях на протяжении всего процесса испытаний. При этом постоянство данных показателей должно обеспечиваться регулировкой работы жидкостного насоса и вентилятора охлаждения в соответствии с задаваемыми программным обеспечением алгоритмами.

Исследовательские испытания термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания проводились на базе Университета машиностроения в соответствии с требованиями разработанных программы и методик испытаний. В процессе испытаний термодинамические параметры холодного теплоносителя оставались неизменными и контролировались посредством разработанного программного обеспечения. Испытания были проведены для различных режимов работы двигателя внутреннего сгорания, используемого в качестве источника горячего теплоносителя для работы ТЭГ.

На рисунках 2 и 3 показаны схема испытательного стенда и макет термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, установленный на стенде в процессе исследовательских испытаний с указанием основного оборудования.

Рис. 2. Схема стенда для исследовательских испытаний макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания

Рис. 3. Макет термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, установленный на стенде в процессе исследовательских испытаний

Полученные в результате исследовательских испытаний величины параметров, характеризующих основные технические характеристики термоэлектрического генератора, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты испытаний

Наименование параметра	Единицы измерения	Измеренное значение
Максимальная выходная электрическая мощность	Вт	1079,8
Максимальное падение давления отработавших газов	Па	3200

В процессе испытаний приводился контроль теплового состояния термоэлектрического генератора и его составных частей с помощью тепловизора, полученные изображения представлены на рисунке 4.

Рис. 4. Изображения в инфракрасном диапазоне, полученные в ходе испытаний: а) выпускной коллектор ДВС; б) вход в ТЭГ; в) средняя часть ТЭГ; г) выход из ТЭГ

Наиболее информативным и наглядным является отображение результатов испытаний в виде графиков, отражающих изменение электрической мощности, вырабатываемой ТЭГ, и падения давления ОГ в зависимости от температуры и расхода отработавших газов. В частности, на рисунке 5 показана зависимость выходной электрической мощности термоэлектрического генератора от температуры отработавших газов.

Рис. 5. Зависимость выходной электрической мощности термоэлектрического генератора от температуры отработавших газов

График, показывающий изменение падения давления отработавших газов в термоэлектрическом генераторе в зависимости от их расхода представлены на рисунке 6.

Рис. 6. Зависимость падения давления отработавших газов в термоэлектрическом генераторе от расхода отработавших газов

На рисунках 5 и 6 показаны не только полученные в результате испытаний значения, но и рассчитанные с помощью созданной модели ТЭГ. В качестве начальных условий в математической модели термоэлектрического генератора для расчета теоретических значений мощности и аэродинамического сопротивления использовались зарегистрированные температуры, давления и массовые расходы горячего и холодного теплоносителей. Отклонение результатов моделирования от итогов лабораторных испытаний составило не более 6 % [10, с. 96], что позволяет воспроизводить заданные свойства, состояние и поведение термоэлектрического генератора с достаточной точностью.

Среди прототипов термоэлектрических генераторов для систем выпуска двигателей внутреннего сгорания наиболее полно, с точки зрения достигнутых в реальных испытаниях показателей, описаны прототипы производства GM [11], BMW (совместно с фирмой BSST) и Volkswagen [12]. В таблице 2 представлено наглядное сравнение разработанного термоэлектрического генератора с современным научно-техническим уровнем.

Таблица 2

Сравнение разработанного термоэлектрического генератора ссовременным научно-техническим уровнем

Наименование ТЭГ	Максимальная электрическая мощность, Вт	Снижение потребления топлива двигателем внутреннего сгорания,%
Разработанный ТЭГ	1079,8	3,25 (дорожные испытания) 7 % (NEDC)
Прототип General Motors	600	5
Прототип BMW	608	5
Прототип Volkswagen	600	н.д.

В ходе лабораторных испытаний ТЭГ удалось достигнуть максимальной электрической мощности более 1 кВт при максимальном падении давления отработавших газов 3200 Па. Подробное описание методик лабораторных испытаний разработанного термоэлектрического генератора и состава испытательного оборудования приведено в работе [13, с. 9497], опубликованной ранее.

Настоящая работа подготовлена в рамках соглашения № 14.577.21.0078 от "05" июня 2014 года о предоставлении субсидии при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57714X0078.

Литература:

1. Jadhao J. S., Thombare D. G. Review on exhaust gas heat recovery for I. C. engine // International Journal of Engineering and Innovative Technology. — 2013. — № 2, Issue 12. — С. 93–100.

2. Bell L. E. Cooling, heating, generating power, and recovering waste heat with thermoelectric systems // Science. — 2008. — № 321(12). — С. 1457–1461.

3. Rowe D. M., Min G. Evaluation of thermoelectric modules for power generation // Journal of Power Sources. — 1998. — № 73. — С. 193–198.

4. Khripach N. A., Papkin B. A., Korotkov V. S., Zaletov D. V. Study of the Influence of Heat Exchanger Body Design Parameters on the Performance of a Thermoelectric Generator for Automotive Internal Combustion Engine // Biosciences Biotechnology Research Asia. — 2015. — № 12 (Spl.Edn. 2). — С. 677–689.

5. Man E. A., Schaltz E. Rosendahl L, Rezaniakolaei A., Platzek D. A High Temperature Experimental Characterization Procedure for Oxide-Based Thermoelectric Generator Modules under Transient Conditions // Energies. — 2015. — № 8. — С. 12839–12847.

6. Kaibe H., Kajihara T., Fujimoto S., Makino K., Hachiuma H. Recovery of Plant Waste Heat by a Thermoelectric Generating System // KOMATSU technical report. — 2011. — № 164 Vol. 57. — С. 26–30.

7. Lu H., Wu T., Bai S., Xu K., Huang Y., Gao W., Yin X., Chen L. Experiment on thermal uniformity and pressure drop of exhaust heat exchanger for automotive thermoelectric generator // Energy. — 2013. — № 54. — С. 372–377.

8. Ramade P., Patil P., Shelar M., Chaudhary S., Yadav S., Trimbake, S. Automobile exhaust thermo-electric generator design & performance analysis // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. — 2014. — № 4, Issue 5. — С. 682–691.

9. Thacher E. F., Helenbrook B. T., Karri M. A., Richter C. J. Testing of an automobile exhaust thermoelectric generator in a light truck // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. — 2007. — № 221(1). — С. 95–107.

10. Хрипач Н. А., Папкин Б. А., Коротков В. С., Залетов Д. В. Проверка адекватности разработанной математической модели термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания на основании результатов экспериментальных исследований // Международный научно-исследовательский журнал. — 2016. — № 9(51). — С. 94–98.

11. Advanced Thermoelectric Materials and Generator Technology for Automotive Waste Heat at GM // U. S. Department of Energy. URL: http://energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f13/meisner.pdf (дата обращения: 24.10.2016).

12. Automotive Thermoelectric Generators and HVAC // U. S. Department of Energy. URL: http://energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f13/ace00e_fairbanks_2013_o.pdf (дата обращения: 24.10.2016).

13. Khripach N. A., Papkin B. A., Korotkov V. S., Zaletov D. V. Experimental Studies of a Thermoelectric Generator for an ICE Exhaust System // International Journal of Applied Engineering Research. — 2016. — № 18, Volume 11. — С. 9497–9506.