Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-технических решений в области создания систем утилизации тепла с прямым преобразованием энергии для двигателей высокоскоростных наземных транспортных средств.

Номер контракта: 14.577.21.0078

Руководитель: Хрипач Николай Анатольевич

Должность: Заведующий кафедрой "Автомобильные и тракторные двигатели"

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
двигатели внутреннего сгорания, отработавшие газы, тепловая энергия, прямое преобразование энергии, термоэлектрический генератор, энергосбережение.

Цель проекта:
Реализация проекта направлена на решение проблемы утилизации тепла с прямым преобразованием энергии для двигателей высокоскоростных наземных транспортных средств. Целью реализуемого проекта является создание научно-технического задела в области создания систем утилизации тепла с прямым преобразованием энергии для двигателей высокоскоростных наземных транспортных средств, развитие компонентной базы для создания наземного транспорта (пассажирского и коммерческого). Реализация проекта обеспечит повышение эффективности теплоэнергетических установок транспортных средств использованием прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения прикладных научных исследований планируется достижение следующих основных результатов:
- разработка принципиальной схемы макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- разработка имитационной математической модели термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания для определения исходных технических параметров;
- разработка эскизной конструкторской документации на макет термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- изготовление макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- разработка и создание стенда для исследования особенностей работы и доводки макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- проведение исследовательских испытания макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- обобщение и оценка результатов исследований;
- разработка проекта технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка и создание опытного образца термоэлектрического генератора мощностью не менее 3 кВт для автомобильного двигателя внутреннего сгорания».
Разрабатываемый макет термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, должен обладать следующими расчетными показателями:
- работоспособность при максимальной температуре контактируемых отработавших газов не менее 300°С;
- преобразование тепловой энергии, рассеиваемой ДВС на номинальном режиме работы, в электро-энергию мощностью не менее 1 кВт;
- аэродинамическое сопротивление, создаваемое макетом термоэлектрического генератора, на номинальном режиме работы двигателя внутреннего сгорания не более 30 мм.рт.ст.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разработка технических решений для повышения эффективности отечественных теплоэнергетических установок в малой энергетике и на транспорте использованием прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, является актуальной задачей. Такое преобразование можно реализовать посредством использования термоэлектрических генераторов (ТЭГ), созданных на базе термоэлектрических элементов, преобразующих тепловую энергию в электрическую на различных мощностных режимах работы двигателя. ТЭГ обладают рядом преимуществ перед традиционными электромашинными преобразователями энергии, такими как отсутствие движущихся частей, высокая надёжность и простота обслуживания. Для проведения исследований в качестве генераторных термоэлектрических модулей используются модули на основе теллурида висмута, смонтированные на корпусе термоэлектрического генератора и контактирующие с теплообменниками жидкостной системы охлаждения. Кроме того, конструкция термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания должна обеспечивать эффективную утилизацию энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, что позволит дополнительно повысить его эффективный коэффициент полезного действия.
Внедрение вышеописанной концепции с использованием современных термоэлектрических элементов позволит рекуперировать до 20% тепловой энергии, рассеиваемой двигателем внутреннего сгорания.
Разрабатываемый макет термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, должен обладать следующими показателями:
- работоспособность при максимальной температуре контактируемых отработавших газов не менее 300°С;
- преобразование тепловой энергии, рассеиваемой ДВС на номинальном режиме работы, в электроэнергию мощностью 1 кВт, что превышает показатели существующих зарубежных прототипов ТЭГ для автомобильных двигателей внутреннего сгорания;
- аэродинамическое сопротивление, создаваемое макетом термоэлектрического генератора, на номинальном режиме работы двигателя внутреннего сгорания не более 30 мм.рт.ст.
Предлагаемая тема является новой и не достаточно изученной. В последние годы ведущие мировые исследовательские центры принимают активное участие в исследовании и создании энергоблоков на базе термоэлектрических элементов, интегрируемых в системы выпуска отработавших газов автомобильных двигателей.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемый термоэлектрический генератор предназначен для повышения эффективности теплоэнергетических установок на транспорте использованием прямого преобразования тепловой энергии отработавших газов в электрическую, и может быть применен в любом транспортном средстве, оборудованном теплоэнергетической установкой, как вновь разрабатываемом, так и серийно выпускаемом в настоящее время.
Также, в дальнейшем, возможна межотраслевая направленность применения разработанной продукции, в частности, в двигатель-генераторных установках по выработке электрической энергии и когенерационных установках. Одним из конкурентных преимуществ разрабатываемой продукции является возможность ее применения в двигателе внутреннего сгорания без изменения его конструкции, что значительно снижает затраты на подготовку и освоение производства. Термоэлектрический генератор должен обеспечить преобразование до 20% тепловой энергии, рассеиваемой двигателем внутреннего сгорания, в электроэнергию, что позволит значительно снизить потребление топлива и выбросы вредных веществ с отработавшими газами транспортными средствами.
Социально-экономический эффект от использования продукции, созданных на основе результатов данного исследования будет выражен в:
• создании термоэлектрического генератора для транспортных средств, не имеющего отечественных аналогов;
• снижении потребления топлива транспортными средствами;
• снижении выбросов вредных веществ транспортными средствами.
Перспективности вновь создаваемой интеллектуальной собственности в части патентоспособности будущих результатов исследований обусловлена отсутствием российских патентов на аналогичные конструкции. Широкое внедрение разработанных термоэлектрических генераторов в конструкции транспортных средств позволит значительно снизить потребление топлива и улучшить их экологичность.

Текущие результаты проекта:
В ходе проведения прикладных научных исследований на этапах 1 и 2 получены следующие основные результаты проекта:
- проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно- информационных источников за период 2009–2013 гг.;
- проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96;
- исследованы, обоснованы и выбраны методы и средства, направления исследований и способов решения поставленных задач и определена концепция термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений в области создания систем утилизации тепла с прямым преобразованием энергии для двигателей высокоскоростных наземных транспортных средств с учетом прогнозных исследований;
- разработана принципиальная схема макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- проведено имитационное математическое моделирование термоэлектрического генератора для авто-мобильного двигателя внутреннего сгорания для определения исходных технических параметров;
- проведены расчетные исследования и определены конструктивные параметры макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- разработаны технические требования на разрабатываемый макет термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- разработаны технические требования на стенд для исследования особенностей работы и доводки ма-кета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- разработан электронный макет термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания в соответствии с ГОСТ 2.052-2006;
- разработана эскизная конструкторская документация на макет термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- разработан электронный макет стенда для исследования особенностей работы и доводки макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания в соответствии с ГОСТ 2.052-2006;
- разработана эскизная конструкторская документация на стенд для исследования особенностей работы и доводки макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- разработан алгоритм управления макетом термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания в ходе исследовательских испытаний;
- реализован алгоритм управления макетом термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания программными средствами;
- разработана программная документация на макет термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания.
В ходе проведения прикладных научных исследований на этапе 3 выполняются следующие работы:
- выполняется изготовление макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- выполняется изготовление стенда для исследования особенностей работы и доводки макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
- проводятся пуско-наладочные работы стенда для исследования особенностей работы и доводки макета термоэлектрического генератора для автомобильного двигателя внутреннего сгорания.