CC BY
95
УДК 629.03
ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ КОНСТРУКЦИИ ИрГТУ
19 Я
© А.И. Федотов1, Е.А. Бодров2, А.А. Ковалев3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Статья посвящена анализу конструкций, использующих тепловую энергию отработавших газов двигателей внутреннего сгорания для повышения их КПД и топливной экономичности. Проанализированы современные разработки ведущих мировых автопроизводителей, таких как BMW и Honda. Выявлены пути повышения их эффективности.
Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; КПД; энергия пара; паровой гибрид; паровая турбина; отработавшие газы; силовая установка; парогенератор; испаритель; автомобиль.
HYBRID POWER PLANT USING EXHAUST GAS TEMPERATURE ENERGY BY ISTU DESIGN A.I. Fedotov, E.A. Bodrov, A.A. Kovalev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The article deals with the designs using the heat energy of internal combustion engine exhaust gases to improve their efficiency and fuel economy. It analyzes contemporary developments of the world leaders in car manufacturing such as BMW and Honda. The ways to improve their efficiency are identified. 5 figures. 1 table. 2 sources.
Key words: internal combustion engine; efficiency; energy of steam; steam hybrid; steam turbine; exhaust gases; power plant; steam generator; vaporizer; motor car.
В настоящее время наиболее перспективными направлениями развития автомобильного транспорта являются увеличение КПД их силовых установок, повышение топливной экономичности, снижение токсичности отработавших газов (ОГ). Каждая фирма-производитель решает эти вопросы сугубо индивидуально, но при этом преобладают следующие тенденции:
- применение электрической тяги (электромобили с использованием электрохимических аккумуляторов, солнечных батарей);
- применение механических накопителей энергии (на основе пневматических аккумуляторов, инерционных энергоаккумуляторов и пр.).
Преимущества этих методов очевидны - они экологичны, не наносят вред окружающей среде. Но также есть и недостатки: установки, реализующие названные методы, имеют высокую сложность, обеспечивают автомобилям малую дальность хода, требуют длительной подзарядки батарей.
Также одним из популярных направлений является разработка гибридных силовых установок. Пионером в этой области является фирма Toyota, выпустившая первый в мире серийный гибридный автомобиль. Он представляет собой двигатель внутреннего
сгорания (ДВС), объединённый с электродвигателем, получающим электроэнергию от батареи. Батарея в свою очередь заряжается от генератора, установленного на ДВС. Частично энергия рекуперируется при торможении. За счёт тормозного момента заряжающего электродвигателя кинетическая энергия тормозящего автомобиля трансформируется в электрическую, после чего она направляется на заряд батареи. Но большую часть заряда обеспечивает ДВС. Таким образом, часть мощности двигателя внутреннего сгорания расходуется на привод генератора. Следующий шаг - создание новой концепции гибридного привода, в которой ДВС не терял бы мощности (рис. 1).
На сегодняшний день даже современные двигатели внутреннего сгорания имеют КПД около 42%. Большая же часть энергии «вылетает в трубу» вместе с выхлопными газами. Поэтому многие производители автомобилей заинтересованы в том, чтобы использовать хотя бы часть энергии, уходящей вместе с ОГ двигателей (а это около 40% от энергии сгоревшего в двигателе топлива). Суть предлагаемых методов заключается в попытке использовать тепловую энергию отработавших газов, бесполезно рассеивающуюся в окружающую среду, для получения пара, энергия которого используется для движения автомобиля.
1Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры автомобильного транспорта, тел.: (3952) 405853, e-mail: [email protected]
Fedotov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405853, e-mail: [email protected]
2Бодров Евгений Александрович, студент, тел.: 89021649322, e-mail:[email protected] Bodrov Evgeny, Student, tel.: 89021649322, e-mail: [email protected]
3Ковалев Антон Андреевич, студент, тел.: 89526289254, e-mail: [email protected] Kovalev Anton, Student, tel.: 89526289254, e-mail: [email protected]
Рис. 1. Распределение тепловой энергии сгоревшего топлива в ДВС
Обзор предлагаемых методов преобразования тепловой энергии отработавших газов в механическую
Гибридная силовая установка компании Honda Японские автопроизводители представили прототип, в котором было реализовано решение, позволяющее преобразовать тепловую энергию ОГ в механическую, вращающую колёса автомобиля. На прототипе установлен ДВС, выпускной коллектор которого объединён с парогенератором. Пар из парогенератора
направляется в турбину, соединенную с электрогенератором. Энергия генератора используется для под-заряда электрической батареи, которая (как и в автомобиле Toyota Prius) питает электромоторы, вращающие колёса. Таким образом, ДВС не тратит мощность на привод электрогенератора (рис. 2).
Но с другой стороны, из-за того что энергия проходит многократные стадии превращения, сопровождаемые неизбежными потерями, общий КПД установки невысокий, примерно 15-20% (рис. 3).
Рис. 2. Схема гибридной силовой установки Honda: 1 - ДВС; 2 - КПП; 3 - парогенератор; 4 - паровая турбина; 5 - электрогенератор; 6 - электрическая батарея; 7 - электромотор
Тепловая энергия ОГ
Механическая работа турбины
Электрическая энергия (генератор)
Привод
автомобиля
Механическая работа электродвигателя
Электрическая
энергия (аккумулятор)
Рис. 3. Схема преобразования энергии отработавших газов в прототипе Honda
В настоящее время ведутся работы, направленные на повышение эффективности силовой установки.
Гибридная силовая установка фирмы BMW
Иной подход к реализации идеи использования энергии отработавших газов продемонстрировала фирма BMW, выпустив прототип под названием «Tur-bosteamer». Его силовая установка также использует пар в качестве рабочего тела, но в отличие от японского производителя инженеры BMW используют паровую машину не для подзаряда электрической батареи, а в качестве источника дополнительного крутящего момента. Паровая машина аксиально-поршневого типа установлена непосредственно на двигателе внутреннего сгорания и соединена с коленчатым валом посредством ременной передачи (рис. 4).
В качестве нагревателя используются каталитические нейтрализаторы, разогревающиеся во время работы до 8000C. Кроме создания пара, парогенератор служит ещё одной цели - он охлаждает отработавшие газы, тем самым снижая пагубное влияние одного из самых опасных компонентов ОГ - оксида азота.
К сожалению, у этой схемы есть ряд недостатков. Во-первых, использование аксиально-поршневой машины в качестве парового двигателя. В силу своих конструктивных особенностей он плохо предназначен для работы с паром. Детали подвержены коррозии, а при работе с газообразными веществами КПД такой машины гораздо меньше, чем при работе с жидкостями (КПД аксиально-поршневой машины, использующей в качестве рабочего тела жидкость составляет около 70-80%). Во-вторых, паровая машина связана непосредственно с коленчатым валом двигателя, т.е. независимая работа одной из двух силовых установок не допускается.
Гибридная силовая установка конструкции ИрГТУ
В ИрГТУ, на кафедре автомобильного транспорта, ведётся работа над гибридной силовой установкой, работающей по схожему принципу. При разработке концепции силовой установки решались задачи реализации преобразования энергии из тепловой в механическую с наименьшими потерями, как следствие -получение высокого КПД силовой установки, а также обеспечение возможности независимой работы двух силовых агрегатов - ДВС и паровой машины.
В качестве паровой машины была выбрана паровая турбина, в первую очередь из-за своего высокого КПД (90-95%). В отличие от вышеупомянутых разработок, паровая машина предназначена не для привода электрогенератора или «докручивания» ДВС, а для непосредственного привода ведущих колёс автомобиля. Чтобы избежать усложнения трансмиссии, за основу был принят полноприводный автомобиль. При этом ДВС служит приводом для передних колёс, а паровая турбина - для задних. Между турбиной и главной передачей установлен вариатор для плавного изменения передаточного числа в соответствии с постоянно меняющимися дорожными условиями.
Процесс парообразования идентичен предыдущим прототипам. На выпускном тракте установлен парогенератор, соединённый с накопителем пара (ресивером), который нужен для поддержания необходимого давления пара. По мере нарастания давления в трубопроводе, соединяющем ресивер с турбиной, открывается клапан подачи пара. После совершения работы в турбине отработанный пар поступает в охладитель, где конденсируется, и затем подаётся в парогенератор. Цикл повторяется (рис. 5).
Рис. 4. Прототип BMW Turbosteamer
Рис. 5. Гибридная силовая установка конструкции ИрГТУ: 1 - ДВС; 2 - КПП; 3 - выпускной коллектор; 4 - выхлопная труба; 5 - парогенератор; 6 - обратный клапан; 7 - ресивер; 8 - клапан подачи пара; 9 - турбина; 10 - вариатор; 11 - насос; 12 - охладитель; 13 - электронный блок управления
Сравнительные характеристики гибридных силовых установок
Разработчик КПД паровой машины, % КПД силовой установки в целом, % Мощность вспомогательной силовой установки, кВт
Honda 13 30
BMW = 50 = 20-30 10
ИрГТУ 95 = 70 = 50
Благодаря тому, что в установке использована паровая турбина с высоким КПД, а также тому, что удалось минимизировать потери энергии, убрав лишние преобразования, планируется добиться довольно высокого КПД всей системы - порядка 70%. На основании этого можно сделать прогноз эффективности си-
ловой установки (таблица).
Как видно из представленных данных, концепция гибридной силовой установки, разработанной сотрудниками ИрГТУ, выгодно отличается от основных конкурентов. В данный момент начата проектная работа над данной силовой установкой.
1. За рулем. 2006. № 2.
2. Карташев И. В Honda разработали паровой гибридный автомобиль hybrid automobile [Электронный ресурс]. Режим
Библиографический список
доступа:
http://stevanivan.igp.ru/htdocs/HTML/Science&Technology/Hond a&hybrid_automobile.html
