регенерация энергии для повышения эффективности

Секция 3 «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ НА АВТОТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВАХ»
РЕГЕНЕРАЦИЯ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИЛОВОЙ
УСТАНОВКИ ГИБРИДНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
д.т.н. проф. Власов В.М.
МАДИ (ГТУ)
к.т.н. доц. Клюкин П.Н., доц. Полякова В.Н.
МГТУ «МАМИ»
[email protected], 7 915 425 26 40
По оценкам специалистов, в зависимости от конструкции и режима работы
бензиновый ДВС может иметь к.п.д. в пределах 7…33%, дизельный – в пределах 10…38%.
Остальная энергия рассеивается большей частью в виде тепла через систему выпуска
отработавших газов (до 40%) и систему охлаждения (до 30%). Кроме того, в городском
режиме движения частые разгон и торможение автомобиля на светофорах и в пробках
дополнительно увеличивают расход топлива (до 30%). Разработка систем, позволяющих
регенерировать энергию, затрачиваемую впустую, в любой другой вид энергии с
возможностью ее использования, является одной из основных задач совершенствования
транспортных средств.
Применение систем регенерации энергии на гибридных автомобилях имеет
отличительное достоинство: на таком автомобиле есть накопитель энергии, который
способен сохранить эту преобразованную «бесполезную» энергию. Далее ее можно
использовать для питания тягового электропривода. В качестве буферных накопителей могут
служить тяговые аккумуляторы, молекулярные накопители (суперконденсаторы),
механические накопители (маховики) и даже аккумуляторы водорода или сжатого воздуха, а
также их различные комбинации.
Помимо повышения эффективности силовой установки автомобиля, при наличии
альтернативного источника электроэнергии на борту автомобиля значительно упрощается
система привода вспомогательных агрегатов ДВС. В этом случае нет необходимости в
штатном электрическом генераторе, механических насосах охлаждающей жидкости и
системы смазки двигателя: они могут быть заменены на электрические.
По количеству патентных документов и разработок самую большую активность
проявляют Япония и Америка. Это обусловлено государственной поддержкой исследований
и производства «зеленых» технологий, а также высокими нормативными требованиями по
составу отработавших газов.
Наиболее эффективными системами регенерации энергии являются:
• система рекуперации энергии торможения (KERS);
• система регенерации тепловой энергии в системе выпуска отработавших газов по
циклу Ранкина (Rankine cycle);
• система регенерации кинетической энергии (турбоэлектрогенератор) в системе
выпуска отработавших газов;
• термоэлектрический генератор на эффекте Зеебека (Seebeck Effect);
• электрохимический водородный преобразователь.
Среди потерь в ДВС потери тепловой энергии в систему выпуска являются самыми
значительными – их величина на бензиновых ДВС может составлять до 40%.
Регенерировать «бесполезное» тепло в электрический ток можно несколькими
способами. Во-первых, это применение термоэлектрогенератора на эффекте Зеебека,
принцип которого заключается в возникновении электродвижущей силы в замкнутой
электрической цепи. Цепь состоит из двух последовательно соединенных разнородных
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
8
Секция 3 «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ НА АВТОТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВАХ»
материалов и есть условие, что на местах контактов будет поддерживаться разность
температур. Работы по созданию таких преобразователей ведутся General Motors,
университетом Purdue, корпорацией РОСНАНО, американским министерством энергетики
(Department of Energy), компанией BSST, Мичиганским университетом (Michigan State
University).
Подобную технологию предлагается использовать в кaтaлитичecкoм нейтрализаторе
отработавших гaзoв. Реальные экспериментальные образцы на основе теллурида висмута
имеют эффективную мощность около 600 Вт при скорости автомобиля 125 км/ч.
Второй способ заключается в использовании парогенератора – здесь исследованиями
активно занимаются: HONDA, BMW, сотрудники Британского проекта «TIGERS»
(Turbogenerator Integrated Gas Energy Recovery System).
Этот способ регенерации тепла в электричество более эффективен, но и более сложен.
Система регенерации основана на идеальном термодинамическом цикле паросиловых
установок (круговом процессе) -цикле Ранкина (Rankine cycle). Она состоит из
модифицированной головки блока цилиндров ДВС с изолированными выпускными
клапанами, встроенного в каталитический конвертер испарителя, емкости с насосом
высокого давления, генератора и конденсора. В испарителе, благодаря передаче тепла от
разогретых отработавших газов к жидкости, образуется пар с температурой 400-500 °С.
Жидкость циркулирует в системе по замкнутому контуру и подается к теплообменнику
насосом, который служит также и клапаном для жидкости, чтобы она при расширении не
возвращалась в обратном направлении. Давление в конвертере при парообразовании
повышается до 7…9 МПа. Этот пар поступает в специальную турбину, на оси которого
установлен электрический генератор. Ротор генератора вращается и вырабатывает
электрический ток. Далее пар охлаждается, конденсируется и жидкость вновь поступает в
емкость с насосом. Цикл повторяется непрерывно. Электрическая мощность
двухступенчатой системы регенерации может составлять 20…30 кВт.
Наряду с самим теплом, энергия отработавших газов содержит кинетическую
составляющую. Скорость потока отработавших газов достаточно велика и составляет 10…80
м/с. Существует несколько способов и устройств «улавливания» этой значительной части
«бесполезной» энергии, один из которых - это система с турбоэлектрогенератором. Работами
по созданию таких устройств занимаются: Британская компания Controlled Power
Technologies (CPT), группа по реализации национального проекта Vehicle Integrated
Powertrain Energy Recovery (VIPER) при финансировании правительственным
Стратегическим советом по технологиям, в состав которой входят специалисты Jaguar и Land
Rover, а также инженеры Ford, British Petroleum, ученые лондонского Имперского колледжа
и Университета Ноттингем, Британские инженеры из университета Суссекса, специалисты
BMW. Достаточно компактное устройство может иметь мощность 5..7 кВт.
Одним из интересных направлений, которым занимаются специалисты МГТУ
«МАМИ», является преобразование «бесполезной» тепловой энергии отработавших газов в
энергию, необходимую для электролиза воды и получения водорода на борту автомобиля.
Водород накапливается в специальных аккумуляторах и может затем использоваться как в
топливных элементах для обратного преобразования в электрический ток, так и подаваться
непосредственно в магистраль воздушного канала для его сжигания в ДВС. Необходимо
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
9
Секция 3 «ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ НА АВТОТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВАХ»
отметить, что даже незначительная добавка водорода в составе топливо-воздушной смеси
резко улучшает экологические показатели ДВС.
Разработкой указанных систем регенерации «бесполезной» энергии занимаются все
ведущие научные центры мира, в т.ч. МГТУ «МАМИ», что открывает большие возможности
для повышения эффективности силовой установки гибридных автомобилей, уменьшению ее
размеров и улучшению экологических показателей таких автомобилей.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
10