В настоящее время очень остро стоят вопросы о повышении топливной экономичности и улучшении экологических показателей автотранспорта. Многие автопроизводители ведут работы по повышению КПД поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Для этих целей применяются различные технические решения: повышение степени сжатия ДВС, применение систем непосредственного впрыска топлива высокого давления, системы регулирования фаз газораспределения и системы принудительного нагнетания воздуха во впускной коллектор с помощью турбокомпрессоров (ТК).

Общеизвестно [1], что только порядка 35% энергии, выделяющейся при сжигании топливовоздушной смеси в цилиндрах ДВС, преобразуется в механическую энергию, 20 % - выделяется в виде тепла, отдаваемого в систему охлаждения (СО) ДВС, а остальные 45 % просто выбрасывается в атмосферу в виде тепла отработавших газов (ОГ).

В этой связи, полезное использование энергии ОГ является важной научно-технической задачей. При этом можно выделить несколько направлений, нацеленных на разработку систем повышения КПД ДВС путем использования энергии ОГ:

1. Установка в выпускную систему автомобиля теплообменника, содержащего элементы Пельтье [2]. С одной стороны, элементы Пельтье нагреваются теплом, забираемым от ОГ, а с другой стороны, охлаждаются потоком охлаждающей жидкости (ОЖ) ДВС. При этом элементы Пельтье вырабатывают электрическую энергию и, таким образом, являются термоэлетрическим генератором.
2. Использование силовой турбины (СТ), работающей по органическому циклу Ренкина [3], для передачи дополнительной механической энергии на коленчатый вал (КВ) ДВС. В этом случае в выпускной системе автомобиля устанавливается газо-жидкостный теплообменник, в котором происходит нагрев и испарение рабочего тела. Далее, рабочее тело попадает на СТ, заставляя ее вращаться. Выход турбины связан с КВ ДВС через систему шкивов и редукторов. С выхода СТ рабочее тело попадает в конденсатор, омываемый ОЖ, где конденсируется и с помощью жидкостного насоса снова подается в теплообменник.
3. Установка в выпускную систему СТ и электрогенератора (ЭГ), расположенных на одном валу [4]. Данная система позволяет разгрузить «классический» генератор, который использует механическую энергию, вырабатываемую ДВС. ОГ, попадая на лопатки СТ приводят во вращение ЭГ.

Большинство современных автомобилей, сходящих с конвейера, оснащены системой турбонаддува с использованием ТК.

Одним из наиболее вероятных и эффективных решений по дальнейшему увеличению КПД ДВС видится установка в систему турбонаддува турбоэлектрокомпрессора (ТЭК), сочетающего в себе ТК и высокоскоростную электрическую машину (ВЭМ). Данное решение не требует внесения серьезных изменений в конструкцию самого ДВС и наиболее перспективно при условии обеспечения работы ВЭМ как в двигательном, так и в генераторном режиме. Двигательный режим ВЭМ характеризуется потреблением мощности от системы электроснабжения автомобиля и позволяет создавать необходимое давление во впускном коллекторе даже при низких частотах вращения КВ и, тем самым, компенсировать известный недостаток ТК, называемый «турбоямой». Генераторный режим ВЭМ позволяет использовать энергию выхлопных газов для получения электрической энергии без дополнительного расхода топлива при средних и высоких частотах вращения КВ. Для обеспечения работы ВЭМ в двигательном и генераторном режимах необходимо применение реверсивного вентильного преобразователя (РВП) с развитой информационно управляющей подсистемой (ИУП), которая должна тесно взаимодействовать с системой управления ДВС и другими системами автомобиля.

Работы по разработке турбоэлектрокомпрессора с РВП, могут считаться перспективными, также, ввиду возможности масштабирования данных решений и их последующего применения при проектировании и производстве гибридного автомобиля по схеме последовательного привода [5].

В НИУ МЭИ на базе кафедры ЭКАОиЭТ имеется большой научный-технический задел по проектированию высокоскоростных электротурбомашин (ЭТМ) в ряде мощностей от 500 Вт до 100 кВт [6]. ЭТМ, разрабатываемые на кафедре ЭКАОиЭТ, являются высокоскоростными (до 200 тыс. об/мин) синхронными машинами с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов группы «самарий-кобальт». В данных машинах в качестве опорных узлов используются лепестковые газодинамические подшипники, срок службы которых не ограничен временным показателем. Эти подшипники проектируются и изготавливаются в НИУ МЭИ на кафедре ЭКАОиЭТ.

В докладе рассмотрены возможности применения высокоскоростных ЭТМ для эффективного использования энергии ОГ и перспективный взгляд на использование ЭТМ совместно с газотурбинным двигателем в роли первичной силовой установки на гибридном автомобиле.

Литература

1. Шароглазов Б. А., Фарафонтов М. Ф., Клементьев В. В. ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ: ТЕОРИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ ПРОЦЕССОВ. Челябинск, Издательство ЮУрГУ, 2004

2. Gregory P. Meisner, Thermoelectric Conversion of Exhaust Gas Waste Heat into Usable Electricity, Directions in Engine-Efficiency and Emissions Research (DEER) Conference, Detroit, Michigan, 2011.

3. A. Obieglo, J. Ringler, M. Seifert, W. Hall. Future Efficient Dynamics with Heat Recovery. High Efficiency Engine Technologies. DEER, 2009.

4. Randolph Toom. Waste Heat Regeneration. A technology overview and its potential in racing applications. Köln, 2007.

5. Богданов К. Л. Тяговый электропривод автомобиля. М., МАДИ, 2009.

        6. Румянцев М.Ю., Захарова Н.Е., Сигачев С.И. Опыт разработки высокоскоростных электротурбомашин на кафедре ЭКАО МЭИ // Вестник Московского Энергетического Института. М.:Изд-во МЭИ, 2007. №3. С.45-50.