ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ РАДИАТОР СИСТЕМИ ОХОЛОДЖЕННЯ двигунів внутрішнього згоряння

Папкин Б.А.1, Коротков В.С.2, Татарників А.П.3

1Кандідат технічних наук, заступник директора, 2ведущій інженер-дослідник, 3інженер-дослідник 1 категорії, науково-технічний центр «Силові агрегати» Московського державного машинобудівного університету (МАМІ), Москва

Робота проводиться за фінансової підтримки Міністерства освіти і науки Російської Федерації в рамках договору № 14. Z 56.15.3290-МК від "16" лютого 2015 року про умови використання гранту Президента Російської Федерації для державної підтримки молодих російських учених з організаціями - учасниками конкурсів, що мають трудові відносини з молодими вченими МК-3290.2015.8

ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ РАДИАТОР СИСТЕМИ ОХОЛОДЖЕННЯ двигунів внутрішнього згоряння

анотація

У статті розглянуто один із напрямів утилізації теплової енергії, що відводиться системою охолодження двигунів внутрішнього згоряння - пряме перетворення її в електроенергію в термоелектричних генераторах. Розглянуто приклади конструкцій термоелектричних генераторів для систем охолодження двигунів внутрішнього згоряння. Показана конструкція розробленого термоелектричного радіатора, яка спрощує його застосування в серійному виробництві транспортних засобах, і наведені його технічні характеристики.

Ключові слова: двигун внутрішнього згоряння; термоелектричний модуль; система охолодження; питома ефективна витрата палива.

1PhD in Engineering, deputy director, 2 leading research engineer, 3 research engineer, R & D Center "Propulsion Systems" Moscow state university of mechanical engineering (MAMI), Moscow

THERMOELECTRIC RADIATOR FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE COOLING SYSTEM

Abstract

The article deals with one of the areas of utilization of heat energy withdrawn cooling system of the internal combustion engine - its direct conversion into electricity in thermoelectric generators. Examples of constructions of thermoelectric generators for the cooling systems of internal combustion engines . Shows the construction of a thermoelectric radiator developed, simplifying its use in mass-produced vehicles, and given its characteristics.

Keywords: internal combustion engine; thermoelectric module; cooling system; specific fuel consumption.

В даний час у великих мегаполісах і регіонах Російської Федерації значно зростає парк автотранспортних засобів, енергетичні енергоустановки яких завдають значної шкоди навколишньому середовищу.

Двигуни внутрішнього згоряння, особливо приємним на транспорті, викидають близько чверті всіх антропогенних парникових газів, причому на частку вуглекислого газу припадає майже 90% викидів усіх парникових газів. Ці викиди безпосередньо пов'язані зі згорянням палива і пропорційні його витраті.

Зовнішній тепловий баланс двигунів внутрішнього згоряння показує [1], що значна частина тепла, одержуваного в результаті згоряння живить його палива, викидається з випускними газами і відводиться в систему охолодження. Тільки 30% енергії йде на корисну роботу (якщо авто оснащене бензиновим двигуном, якщо ж дизелем - дещо більше), приблизно 30% йде через систему охолодження двигуна і до 35% - з вихлопними газами. Це великий потенційний ресурс для підвищення економічності машин і значну частину цієї енергії можна використовувати для різних цілей [2]. Одним з напрямків утилізації теплової енергії, що відводиться системами випуску відпрацьованих газів і охолодження двигунів внутрішнього згоряння, є пряме перетворення її в електроенергію в термоелектричних генераторах.

Ефект Зеєбека, що дозволяє безпосередньо перетворювати теплову енергію в електричну, полягає у виникненні електрорушійної сили при наявності різниці температур в контактах замкнутому електричному ланцюзі, що складається з різнорідних провідників. Однак електрорушійна сила, що виникає в ланцюзі з двох різнорідних провідників, не перевищує кількох мілівольт, що досить для замірів температури, але не для генерування електроенергії. З метою підвищення ефективності як прямого перетворення теплової енергії в електричну, так і зворотного, були створені термоелектричні елементи, що складаються з напівпровідників p і n типів послідовно з'єднаних електрично і паралельно з'єднаних термічно. Конструкція термоелектричного генераторного модуля показана на малюнку 1.

Мал. 1 - Конструкція термоелектричного генераторного модуля

Вітчизняний і зарубіжний досвід експлуатації ТЕГ різного призначення і застосування дозволяє зробити висновок, що вони мають такі унікальні якості, як повна автономність, висока надійність, простота експлуатації, довговічність, здатність працювати в будь-якому просторовому положенні.

Провідні автовиробники, такі як General Motors, BMW і Toyota, розробили власні термоелектричні генератори для утилізації теплової енергії відпрацьованих газів [3-5] і проводять їх випробування, як лабораторні, так і в складі транспортних засобів. При цьому інший не менш перспективний джерело теплоти, такий як система охолодження теплового двигуна, що дозволяє додатково поліпшити енергоефективність ДВС, розглядається набагато рідше.

У роботах [6] і [7] представлено дослідження термоелектричного генератора, змонтованого в системі охолодження двигуна внутрішнього згоряння на місце штатного радіатора охолодження. ТЕГ являє собою систему з двох видів охолодження - рідинного і повітряного і включає в свою конструкцію теплові трубки. Гаряча частина генератора має впускні і випускні патрубки для циркуляції охолоджуючої рідини з системи охолодження двигуна. Охолоджуючі пластини і гаряча частина генератора мають багатошарову структуру. Термоелектричні модулі змонтовані на обох сторонах гарячої частини генератора. Щоб збільшити ефективну площу поверхні гарячої сторони блоку ТЕГ, в конструкції передбачений ряд перегородок.

На малюнку 2 представлені складові елементи термоелектричного генератора, вид збоку і внутрішня структура гарячої сторони блоку. Стрілки вказують напрямок течії охолоджуючої рідини ДВС.

Мал. 2 - Термоелектричний генератор

Аналогічний підхід до конструкції термоелектричного радіатора відображений в патенті [8]. Конструкція представленого генератора, показана на малюнку 3, відрізняється з'єднанням високотемпературного теплообмінного апарату, відвідного теплову енергію від охолоджуючої рідини, і низькотемпературного теплообмінного апарату, що розсіює теплову енергію в набігає потоці повітря, за допомогою теплових трубок різної конфігурації.

Мал. 3 - Конструкція термоелектричного генератора з теплообмінними трубками різних конфігурацій

Розглянуті варіанти конструкції термоелектричного радіатора володіють двома істотними недоліками. По-перше, наявність теплових трубок значно підвищує собівартість термоелектричного радіатора і, по-друге, що значно обмежує можливість застосування даних конструкцій у складі транспортних засобів, оснащених двигунами внутрішнього згоряння, розбіжність габаритних і приєднувальних розмірів з аналогічними характеристиками штатних радіаторів.

Більш доцільним підходом в розробці конструкції, як з точки зору зниження собівартості готового виробу, так і спрощення подальшого впровадження в транспортний засіб, є збереження габаритних і приєднувальних розмірів зі зміною серцевини радіатора. Це дозволить використовувати розроблений термоелектричний радіатор в серійному виробництві транспортних засобах зі збереженням компонувальною архітектури підкапотного простору.

У даній роботі в якості прототипу був використаний штатний радіатор 21230-1301012, технічні характеристики якого наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Технічні характеристики радіатора 21230-1301012

Безумовно, для забезпечення роботи двигуна внутрішнього згоряння, кількість теплової енергії, що відбирається термоелектричним радіатором від системи охолодження повинна бути не менше, ніж тепловіддача штатного радіатора, чого може, додатково, сприяти пряме перетворення частини теплоти в електричну енергію в термоелектричних генераторних модулів.

На малюнку 4 показана конструкція термоелектричного радіатора з габаритними і приєднувальними розмірами, що не відрізняються від аналогічних параметрів радіатора 21230-1301012.

а) - вид спереду; б) - ізометричний вигляд; в) - збільшений місцевий вид; 1 - плоска трубка; 2 - термоелектричний генераторний модуль; 3 - ребра охолодження; 4 - вентилятор; 5 - кожух вентиляторів.

Мал. 4 - Конструкція термоелектричного радіатора

Основною функціональною частиною термоелектричного радіатора є термоелектричний генераторний модуль. У термоелектричних модулях відбувається пряме перетворення теплової енергії з системи охолодження двигуна внутрішнього згоряння в електричну. Охолоджуюча рідина проходить по плоским трубках (1), з двох сторін яких розташовані термоелектричні генераторні модулі (2), до холодних сторонам яких примикають ребра охолодження (3). Завдяки постійному підводу теплоти від охолоджуючої рідини до гарячих сторонам термоелектричних генераторних модулів і одночасного відведення теплоти ребрами в навколишнє повітря, виникає ефект Зеєбека, що дозволяє отримати електричну енергію, що направляється або в бортову мережу транспортного засобу або акумуляторну батарею.

Розроблюваний термоелектричний радіатор для заміни штатних радіаторів в серійному виробництві автомобілях з метою утилізації частини теплової енергії, що відводиться системою охолодження двигунів внутрішнього згоряння, повинен мати наступні характеристики:

• значення тепловіддачі при стандартних умовах не менше ніж у штатного радіатора, що необхідно для забезпечення заданого теплового режиму роботи двигуна внутрішнього згоряння;
• габаритні і приєднувальні розміри, повністю збігаються зі штатним радіатором, що дозволить використовувати його в серійному виробництві транспортних засобах зі збереженням компонувальною архітектури підкапотного простору;
• значення аеродинамічного опору і гідравлічного опору, створюваного в системі охолодження, не більше ніж у штатного радіатора, що обмежується продуктивністю вентилятора і рідинного насоса;
• заправний обсяг, рівний аналогічному показнику штатного радіатора, для збереження загального заправного обсягу системи охолодження двигуна внутрішнього згоряння на колишньому рівні.

Розроблений термоелектричний радіатор призначений для утилізації частини теплової енергії, що відводиться системою охолодження двигуна внутрішнього згоряння, з отриманням електроенергії. Впровадження в конструкцію транспортних засобів, оснащених двигунами внутрішнього згоряння, розробленого термоелектричного генератора дозволить знизити споживання палива і зменшити негативний техногенний вплив шкідливих викидів з відпрацьованими газами на навколишнє середовище.

література

1. Bourhis, G., Leduc, P. Energy and exergy balances for modern diesel and gasoline engines. Oil & Gas Science and Technology. 2010. Rev. IFP, Vol. 65, No. 1 P. 39-46.
2. Khripach, N., Papkin, B. and Korotkov, V. Thermoelectric generators of motor vehicle powertrains, problems and prospects. Life Science Journal. 2014. 11 (12) P.503-507.
3. Gregory P. Prior, GM global technology operations LLC. Internal combustion engine exhaust thermoelectric generator and methods of making and using the same // Патент США № 2013/0000285, 03.01.2013.
4. K. Shimoji, K. Suzuki, Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha. Thermoelectric generator for internal combustion engine // Патент США № 7687704, 30.03.2010.
5. Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh, Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft. Thermoelektrische Vorrichtung mit Rohrbündeln // Патент Німеччини № 102009033613, 20.01.2011.
6. Baatar, N., Kim, S. A thermoelectric generator replacing radiator for internal combustion engine vehicles. Telkomnika. 2011. Vol.9, No.3 P. 523-530.
7. Kim, S., Park, S., Kim, S. and Rhi, S.-H. A thermoelectric generator using engine coolant for light-duty internal combustion engine powered vehicles. Journal of electronic materials. 2011. Vol. 40, No. 5 P. 812-816.
8. Chungbuk National University Industry Academic Cooperation Foundation. Thermoelectric cooling and power-generating apparatus // Патент Кореї № 100986657, 04.10.2010.

References

1. Bourhis, G., Leduc, P. Energy and exergy balances for modern diesel and gasoline engines. Oil & Gas Science and Technology. 2010. Rev. IFP, Vol. 65, No. 1 P. 39-46.
2. Khripach, N., Papkin, B. and Korotkov, V. Thermoelectric generators of motor vehicle powertrains, problems and prospects. Life Science Journal. 2014. 11 (12) P.503-507.
3. Gregory P. Prior, GM global technology operations LLC. Internal combustion engine exhaust thermoelectric generator and methods of making and using the same // US patent № 2013/0000285, 03.01.2013.
4. K. Shimoji, K. Suzuki, Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha. Thermoelectric generator for internal combustion engine // US patent № 7687704, 30.03.2010.
5. Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh, Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft. Thermoelektrische Vorrichtung mit Rohrbündeln // DE patent № 102009033613, 20.01.2011.
6. Baatar, N., Kim, S. A thermoelectric generator replacing radiator for internal combustion engine vehicles. Telkomnika. 2011. Vol.9, No.3 P. 523-530.
7. Kim, S., Park, S., Kim, S. and Rhi, S.-H. A thermoelectric generator using engine coolant for light-duty internal combustion engine powered vehicles. Journal of electronic materials. 2011. Vol. 40, No. 5 P. 812-816.
8. Chungbuk National University Industry Academic Cooperation Foundation. Thermoelectric cooling and power-generating apparatus // KR patent № 100986657, 04.10.2010.