Разработка научно-технических решений прямого преобразования тепловой энергии двигателей внутреннего сгорания в электрическую



Одним из направлений утилизации тепловой энергии, отводимой системой охлаждения двигателей внутреннего сгорания, является прямое преобразование ее в электроэнергию в термоэлектрических генераторах. В настоящее время крупнейшие автопроизводители разработали собственные термоэлектрические генераторы для утилизации тепловой энергии отработавших газов [1–3] и проводят их испытания, как лабораторные, так и в составе транспортных средств. При этом, другой не менее перспективный источник теплоты, такой как система охлаждения двигателя, позволяющий дополнительно улучшить энергоэффективность силовой установки в целом, практически не рассматривается.

Термоэлектрические модули, используемые для прямого преобразования энергии, имеют такие уникальные качества, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, долговечность, способность работать в любом пространственном положении. Их работоспособность не зависит от внешней среды, они обладают способностью работать от любых источников тепловой энергии, имеют высокие энергомассовые характеристики. Ниже представлено описание работ и патентов связанных с исследованием и разработкой термоэлектрических генераторов (ТЭГ), предназначенного для утилизации тепловой энергии система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, а не системы выпуска отработавших газов.

Например, в работах [4, с. 523, 5 с. 812] представлено исследование термоэлектрического генератора интегрированного в систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания на место штатного радиатора охлаждения, для повышения экономии топлива и сокращения выбросов СО₂ с отработавшими газами. Данный ТЭГ представляет собой систему из двух теплообменников — жидкостного и воздушного с расположенными между ними термоэлектрическими модулями и имеет в своей конструкции тепловые трубки (всего 128 штук). При этом наличие в конструкции ТЭГ тепловых трубок значительно увеличивает стоимость его производства, что не может в полной мере компенсироваться ростом рассеиваемой тепловой мощности при сохранении габаритных размеров теплообменников.

Основными направлениями исследования в области систем прямого преобразования тепловой энергии двигателей внутреннего сгорания в электрическую, являются:

а) конструкция термоэлектрического генератора;

Различными авторами рассматривается возможность использования в конструкции тепловых аккумуляторов [6], одновременной утилизации тепловой энергии отбираемой как от системы охлаждения двигателя, так и от системы выпуска отработавших газов [7] или применение различных типов тепловых трубок [8, 9]. Примеры конструкции показаны на рисунке 1

Рис. 1. Примеры конструкции ТЭГ [6–9]

б) расположение термоэлектрического генератора в транспортном средстве;

Предложены разнообразные схемы, часть которых представлена на рисунке 2, с внедрением разработанного термоэлектрического генератора в существующую систему охлаждения двигателя [10,11], так и с созданием отдельной замкнутой системы, оснащенной собственным насосом, радиатором и вентилятором [12].

Рис. 2. Схемы расположения ТЭГ [10–12]

в) способ отвода тепла от термоэлектрических генераторных модулей.

Следствием недостаточности объема проводимых научно-исследовательских работ в данной области является отсутствие патентных документов Российской Федерации на термоэлектрические генераторы для автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Изобретательская активность по странам патентования и годам публикации представлена в таблице 1.

Таблица 1

Изобретательская активность

Страна подачи заявки	Количество патентов, опубликованных заявок по годам подачи заявки (исключая патенты-аналоги)
	до 2009	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015
RU	-	-	-	-	-	-	-	-
DE	-	-	-	1	-	1	-	-
US	-	-	1	-	-	1	-	-
CN	-	-	1	-	-	-	-	-
JP	3	-	-	-	-	-	-	-
KR	-	-	1	-	-	-	-	-
WO	-	-	-	-	2	-	-	-

Наиболее активно тематикой систем прямого преобразования тепловой энергии двигателей внутреннего сгорания в электрическую занимаются автопроизводители, такие как GM и Toyota, производители компонентов для двигателей внутреннего сгорания, такие как Behr и Denso, а также научно-исследовательские организации. Учитывая факт отставания российских исследователей в области создания термоэлектрических генераторов и отсутствие на территории РФ задела по данному научному направлению, очевидна актуальность выбранной тематики и возможность достижения научно-технических результатов, превосходящих мировой уровень.

В ходе патентного поиска были выявлены и отобраны патентные документы, наиболее соответствующие тематике исследуемого объекта. Анализ патентных документов позволил в ходе выполнения научно-исследовательской работы разработать патентоспособную конструкцию термоэлектрического генератора.

При проведении исследовательских работ были применены теоретические методы прогнозирования, методы анализа научно-технической документации, численные методы при изучении процессов распределения и потребления энергии. В ходе выполнения работы были использованы оригинальные исследовательские методики и технологии в т. ч. — системы автоматизированного проектирования. Результаты выполненных работ могут быть использованы при проектировании термоэлектрических генераторов для преобразования энергии тепловых двигателей внутреннего сгорания. Полученный задел является базой для дальнейшего исследования и развития термоэлектрических генераторов для двигателей внутреннего сгорания.

Основными отличиями разработанного термоэлектрического генератора являются непосредственный контакт воздушных охладителей с термоэлектрическими модулями и сохранение габаритных и присоединительных размеров. В данной работе в качестве прототипа для разработки термоэлектрического радиатора, как ключевого элемента ТЭГ, был использован автомобильный радиатор 21230–1301012. Конструкция разработанного термоэлектрического радиатора, предназначенного для установки в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания, показана на рисунке 3.

Рис. 3. Конструкция термоэлектрического генератора системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания [13, с. 95]

На горизонтальных поверхностях труб для охлаждающей жидкости 3 расположены термоэлектрические модули 4, при этом они контактируют с трубами 3 горячей стороной. Между термоэлектрическими модулями 4 и непосредственно контактируя с их холодной стороной, расположены охладители 5. Каждый охладитель имеет две теплопроводные стенки, контактирующие с холодной стороной термоэлектрических модулей, и перпендикулярные им ребра. Правый и левый концы труб для охлаждающей жидкости 3 жестко соединены, соответственно с правым 1 и левым 2 баками. Термоэлектрические модули 4 соединены электрически между собой последовательно, либо последовательно-параллельно.

Предварительный расчет технических характеристик разрабатываемого термоэлектрического генератора [14, с. 61] и его расчетные исследования с учетом выбранной конструкции [15, с. 99] показали, что разрабатываемый ТЭГ системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания позволяет отводить тепловую мощность Qож = 54,5 кВт. Аэродинамическое сопротивление ТЭГ при скорости набегающего потока воздуха vв = 30 м/с составляет 622,4 Па. Электрическая мощность ТЭГ, полученная с помощью разработанного расчета, составила Nэл = 516,2 Вт. При использовании алюминия в конструкции трубок и воздушного теплообменника ТЭГ получен коэффициент теплопередачи К, равный 170,4 Вт/(м2•К). Проверка площадей теплообмена со стороны ОЖ и воздуха с учетом рассчитанных коэффициентов теплоотдачи αж = 3114,5 Вт/(м2•К) и αв = 312,2 Вт/(м2•К) показала достаточность теплообменных поверхностей.

Расчетные исследования термоэлектрического генератора системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания при различных скоростных режимах эксплуатации транспортного средства с помощью автоматизированного проектирования показали что [16, с. 120]:

1. Разработанный термоэлектрический генератор для системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания способен вырабатывать значительное количество электрической энергии в широком диапазоне изменения расхода воздуха, т. е. при различных скоростных режимах эксплуатации транспортного средства.
2. Дальнейшее наращивание количества воздуха, проходящего через теплообменники ТЭГ посредством увеличения мощности вентилятора системы охлаждения нерационально, т. к. при увеличении электрической мощности на 1 % аэродинамическое сопротивление возрастает почти на 20 %, что приведет к дополнительным затратам энергии на привод вентилятора и нивелирует весь положительный эффект.

По результатам работ, проведенных в рамках 1 этапа, был получен патент на полезную модель термоэлектрического устройства для двигателя внутреннего сгорания с функциями радиатора охлаждения и рекуператора тепловой энергии охлаждающей жидкости в электрическую энергию [17].

Технический результат полезной модели достигается тем, что в термоэлектрическом устройстве для двигателя внутреннего сгорания с функциями радиатора охлаждения и рекуператора тепловой энергии охлаждающей жидкости в электрическую энергию, выполненном с возможностью подключения посредством трубопроводов подвода/отвода охлаждающей жидкости в гидравлический контур системы охлаждения, содержащем емкости для приема охлаждающей жидкости, расположенные между емкостями и сообщающиеся с ними теплопроводные трубы с проходящей в них нагретой охлаждающей жидкостью, а также соединенные в электрическую цепь термоэлектрические модули, обращенные горячей стороной к теплопроводным трубам, и горизонтально расположенные параллельно друг другу радиаторные секции, предназначенные для отбора и рассеивания в окружающую воздушную среду тепловой энергии от холодной стороны термоэлектрических модулей и одновременного отбора части оставшегося тепла охлаждающей жидкости, в отличие от известных аналогов, радиаторные секции размещены между емкостями в чередующемся с теплопроводными трубами порядке и имеют с ними общую вертикальную плоскость симметрии, при этом каждая секция выполнена в виде двух горизонтально расположенных теплоотводящих пластин, объединенных рядом вертикальных ребер между ними, теплопроводные трубы имеют прямоугольную в сечении форму и размещены между секциями, так, что их большие стороны располагаются параллельно теплоотводящим пластинам соседних секций, а термоэлектрические модули установлены вдоль больших сторон теплопроводных труб с обеспечением плотного контакта каждого из них горячей стороной непосредственно с трубой и холодной стороной — непосредственно с теплоотводящей пластиной радиаторной секции, и при этом одна из упомянутых емкостей служит для приема и отдачи охлаждающей жидкости и по линии, лежащей в горизонтальной плоскости симметрии устройства, разделена на два вертикальных объема, с одним из которых, связанным с трубопроводом подачи в устройство нагретой охлаждающей жидкости, сообщаются теплопроводные трубы, расположенные выше этой линии, а с другим, связанным с трубопроводом возврата охлаждающей жидкости, — трубы, расположенные ниже этой линии.

Также была разработана программа для ЭВМ «Расчет термоэлектрического генератора системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания», позволяющая рассчитывать режим работы термоэлектрического генератора на основе разработанного алгоритма. Целью программы является получение параметров работы термоэлектрического генератора в зависимости от его геометрических параметров, параметров теплоносителей и их расходных характеристик, а также используемых в конструкции материалов. Исходные данные программы включают в себя геометрические параметры конструкции, тепловые и гидродинамические параметры ее элементов, охлаждающей жидкости и воздуха. Результаты расчета включают в себя тепловой поток, полный коэффициент теплопередачи и распределение температур по слоям конструкции, а также значение генерируемой электрической мощности для заданного режима работы.

Работа проводится при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора # 14.Z56.15.3290-МК от "16" февраля 2015 года об условиях использования гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых с организациями — участниками конкурсов, имеющими трудовые отношения с молодыми учеными МК-3290.2015.8.

Литература:

1. Пат. 2013/0000285 США, МПК8 F01N 5/02, B23K 1/00, H01L 35/32. Internal combustion engine exhaust thermoelectric generator and methods of making and using the same / Gregory P. Prior; заявительи патентообладатель GM Global Technology Operations LLC — 13/170,996; заявл. 28.06.2011; опубл. 03.01.2013, 8 с.

2. Пат. 7687704 США, МПК8 H01L 35/30. Thermoelectric generator for internal combustion engine / Kouji Shimoji, Kouichi Suzuki; заявительи патентообладатель Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha — 11/049,644; заявл. 04.02.2005; опубл. 30.03.2010, 9 с.

3. Пат. 102009033613 Германия, МПК8 H02N 11/00, F02G 5/02. ThermoelektrischeVorrichtungmitRohrbündeln / SigridLinbeck, RolfBruck, AndreasEder; заявитель и патентообладатель EmitecGesellschaftFürEmissionstechnologieMbh, BayerischeMotorenWerkeAktiengesellschaft — 102009033613.3; заявл. 17.07.2009; опубл. 20.01.2011, 9 с.

4. Nyambayar Baatar, Shiho Kim. A Thermoelectric Generator Replacing Radiator for Internal Combustion Engine Vehicles // TELKOMNIKA. — 2011. — № 3, Vol.9. — С. 523–530.

5. Shiho Kim, Soonseo Park, Sunkook Kim, Seok-Ho Rhi. A Thermoelectric Generator Using Engine Coolant for Light-Duty Internal Combustion Engine-Powered Vehicles // Journal of electronic materials. — 2011. — № 5, Vol. 40. — С. 812–816.

6. Пат. 102012202150 Германия, МПК8 F01N 5/02, H02N 11/00, F02G 5/00. VorrichtungzumthermoelektrischenErzeugenvonEnergiefüreinFahrzeug / AndreasGrauel; заявитель и патентообладатель BehrGmbh & Co. KG — 102012202150.7; заявл. 13.02.2012; опубл. 14.08.2013, 12 с.

7. Пат. 101789729 Китай, МПК8 H02N 11/00. Engine residual heat power generation device and power generation module thereof / Ruiyin Song; Xiancheng Wang; Meiqin Zhang; заявительи патентообладатель Ningbo Institute of Technology — 201010117118.4; заявл. 03.03.2010; опубл. 28.07.2010, 10 с.

8. Пат. 100986657 Респ. Корея, МПК8 F01N 5/02, F01N 5/00, H02N 3/00. Thermoelectric cooling and power-generating apparatus / Kim Shi Ho, Park Soon Seo; заявительи патентообладатель Chungbuk National University Industry Academic Cooperation Foundation — 10–2009–0084253; заявл. 08.09.2009; опубл. 08.10.2010, 19 с.

9. Пат. 2012108555 ВОИС, МПК8 F03G 7/00, F03G 7/04. Power generator / Lee Sang Cheol; заявительи патентообладатель Zaonzi Co Ltd — PCT/KR2011/000830; заявл. 08.02.2011; опубл. 16.08.2012, 16 с.

10. Пат. 20091028388 Германия, МПК8 H02N 11/00, F01M 11/00, F01P 11/00. VorrichtungzurStromerzeugungineinemKraftfahrzeugmittelseinesthermoelektrischenElements / JorgKurth, JosefSchwarz, GerhardHoering; заявитель и патентообладатель ZfFriedrichshafenAG — 102009028388.9; заявл. 10.08.2009; опубл. 17.02.2011, 8 с.

11. Пат. 2005341700 Япония, МПК8 H02N 11/00, F01P 3/20, F02G 5/00, H01L 35/30. The thermoelectric power generation system / Yamaguchi Hiroo, Yamanaka Yasutoshi; заявительи патентообладатель Denso Corporation — 2004–156669; заявл. 26.05.2004; опубл. 08.12.2005, 13 с.

12. Пат. 2006177265 Япония, МПК8 F02G 5/04, F01P 3/20, F01P 7/16, F02G 5/00, H01L 35/30. Thermoelectric generator / Yamaguchi Hiroo; Yamanaka Yasutoshi; Inaoka Hiroya; Mori Rentaro; заявительи патентообладатель Denso Corporation, Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha — 2004–372254; заявл. 22.12.2004; опубл. 06.07.2006, 10 с.

13. Папкин Б. А., Коротков В. С., Татарников А. П. Особенности конструкции термоэлектрического генератора // Международный научно-исследовательский журнал № 10 (41) — 2015, с. 94–96.

14. Папкин Б. А., Иванов Д. А., Коротков В. С. Определение технических характеристик термоэлектрического генератора // Молодой ученый № 20 (100)-2015, с. 61–66.

15. Папкин Б. А., Хрипач Н. А., Иванов Д. А., Коротков В. С. Расчетные исследования и моделирование термоэлектрического генератора (ТЭГ) системы охлаждения ДВС // Международный научно-исследовательский журнал № 10 (52) — 2016, с. 99–104.

16. Папкин Б. А., Хрипач Н. А., Коротков В. С. Исследование термоэлектрического генератора системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания при различных скоростных режимах эксплуатации транспортного средства // НОВАЯ НАУКА: СТРАТЕГИИ И ВЕКТОРЫ РАЗВИТИЯ Международное научное периодическое издание по итогам Международной научно-практической конференции 08 октября 2016 г. Часть 1, с. 120–123

17. Пат. 163311 Рос. Федерация, МПК8 F02G 5/00, F01P 3/18, H01L 35/30. Термоэлектрическое устройство для двигателя внутреннего сгорания с функциями радиатора охлаждения и рекуператора тепловой энергии охлаждающей жидкости в электрическую энергию / Папкин Б. А., Коротков В. С., Татарников А. П., Иванов Д. А., Хрипач Н. А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" — № 2015148835/06; заявл. 13.11.2015; опубл. 10.07.2016, Бюл. № 19.