Использование энергии выхлопных газов

Использование энергии выхлопных газов

9.4. Использование теплоты, уносимой с отработавшими газами

Отработавшие газы двигателя содержат значительное количество тепловой энергии. Ее можно использовать, например, для отопления автомобиля. Подогрев воздуха отработавшими газами в газовоздушном теплообменнике системы отопления опасен из-за возможности прогорания или негерметичности его трубок. Поэтому для переноса теплоты используют масло или другую незамерзающую жидкость, нагреваемую отработавшими газами.

Еще целесообразнее использовать отработавшие газы для привода вентилятора системы охлаждения. При больших нагрузках двигателя отработавшие газы имеют наиболее высокую температуру, а двигатель нуждается в интенсивном охлаждении. Поэтому использование турбины, работающей на отработавших газах для привода вентилятора системы охлаждения, весьма целесообразно и в настоящее время начинает находить применение. Такой привод может автоматически регулировать охлаждение, хотя это достаточно дорого.

Более приемлемым с точки зрения стоимости можно считать эжекционное охлаждение. Отработавшие газы отсасывают из эжектора охлаждающий воздух, который смешивается с ними и отводится в атмосферу. Такое устройство дешево и надежно, так как не имеет никаких движущихся деталей. Пример эжекционной системы охлаждения показан на рис. 82.


Рис. 82. Схема эжекторного охлаждения

Эжекционное охлаждение было с успехом применено в гоночных автомобилях “Татра” и в некоторых специализированных автомобилях. Недостатком системы является высокий уровень шума, так как отработавшие газы необходимо непосредственно подводить в эжектор, а расположение глушителя шума за ним вызывает трудности.

Основным способом использования энергии отработавших газов служит их расширение в турбине, которая наиболее часто используется для привода центробежного компрессора наддува двигателя. Ее можно использовать также и для других целей, например, для упомянутого привода вентилятора; в турбокомпаундных двигателях она непосредственно соединяется с коленчатым валом двигателя.

В двигателях, использующих в качестве топлива водород, теплоту отработавших газов, а также отведенную в систему охлаждения можно использовать для нагревания гидридов, извлекая тем самым содержащийся в них водород. При таком способе эта теплота аккумулируется в гидридах, и при новой заправке гидридных баков водородом она может быть использована в различных целях для нагревания воды, отопления зданий и т. д. Этот способ использования энергии, теряемой при отводе теплоты в окружающую атмосферу, будет рассмотрен далее в гл. 19.

Энергию отработавших газов частично применяют для улучшения наддува двигателя, используя возникающие колебания их давления в выпускном трубопроводе. Использование колебаний давления состоит в том, что после открывания клапана в трубопроводе возникает ударная волна давления, со скоростью звука проходящая до открытого конца трубопровода, отражающаяся от него и возвращающаяся к клапану в виде волны разрежения. За время открытого состояния клапана волна может несколько раз пройти по трубопроводу. При этом важно, чтобы к фазе закрывания выпускного клапана к нему пришла волна разрежения, способствующая очистке цилиндра от отработавших газов и продувке его свежим воздухом. Каждое разветвление трубопровода создает препятствия на пути волн давления, поэтому наиболее выгодные условия использования колебаний давления создаются в случае индивидуальных трубопроводов от каждого цилиндра, имеющих равные длины на участке от головки цилиндра до объединения в общий трубопровод.

Скорость звука не зависит от частоты вращения двигателя, поэтому во всем ее диапазоне чередуются благоприятные и неблагоприятные с точки зрения наполнения и очистки цилиндров условия режима работы: На кривых мощности двигателя Ne и его среднего эффективного давления ре это проявляется в виде “горбов”, что хорошо видно на рис. 83, где изображена внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля фирмы “Порше”. Колебания давления используют также и во впускном трубопроводе: приход волны давления к впускному клапану, особенно в фазе ею закрывания, способствует продувке и очистке камеры сгорания.


Рис. 83. Внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля ‘Порше’ (ФРГ)

Если с общим выпускным трубопроводом соединяется несколько цилиндров двигателя, то число их должно быть не более трех, а чередование работы – равномерным с тем, чтобы выпуск отработавших газов из одного цилиндра не перекрывал и не влиял на процесс выпуска из другого. У рядного, четырехцилиндрового двигателя два крайних цилиндра обычно объединяются в одну общую ветвь, а два средних цилиндра – в другую. У рядного шестицилиндрового двигателя эти ветви образованы соответственно тремя передними и тремя задними цилиндрами. Каждая из ветвей имеет самостоятельный вход в глушитель, или на некотором расстоянии от него ветви объединяются и организуется их общий ввод в глушитель.

Что такое турбокомпаунд и для чего он нужен

При всем уважении, которого заслуживает ДВС, его проникновении практически во все сферы деятельности людей и том влиянии, которое он оказал на развитие цивилизации, его нельзя отнести к лучшим достижениям человеческого разума. А все из-за низкого КПД и разрушительного влияния на окружающую среду. Отмеченные недостатки ДВС можно уменьшить, и одним из устройств, позволяющих это реализовать, является турбокомпаунд.

Вернемся к началу, немного о работе ДВС

Она основана на сгорании топлива в цилиндрах мотора. Эффективность этого процесса оценивается по-разному – от тридцати до сорока пяти процентов тепловой энергии преобразуется в механическую. Еще до двадцати пяти процентов уходит на тепловые потери, нагревание двигателя. И примерно сорок процентов энергии безвозвратно теряется вместе с выхлопными газами. Часть потерь удается уменьшить, и в этом процессе участвует турбокомпаунд.

Как происходит использование энергии отработанных газов?

После сгорания топлива в цилиндрах ДВС, выхлопные газы удаляются и поступают в выхлопную систему. Для утилизации части энергии первым на их пути стоит турбокомпрессор. Его привод осуществляется выхлопными газами, и это позволяет обеспечить подачу дополнительного объема воздуха в мотор. Как это происходит, понятно из рисунка

Такой подход позволяет частично утилизировать энергию выхлопных газов. На выходе ДВС их температура составляет семьсот градусов, после турбокомпрессора она равна шестистам градусам.

Турбокомпаунд Scania

Эти данные говорят о том, что энергия выхлопных газов еще достаточно велика. И первыми ее стали использовать разработчики Scania для улучшения характеристик дизеля DTS 11 01. Инженеры Scania добились удивительного результата – благодаря полученной практически без дополнительных затрат мощности, двигатель стал работать мягче и продемонстрировал великолепную приспособляемость к различным режимам движения.

Фактически турбокомпаунд Scania можно считать классическим примером рекуперации энергии – повторное использование той ее части, которая получена раньше, а затем бесполезно теряется. Достигнутые результаты оказались впечатляющими – турбокомпаунд дал прибавку к мощности двигателей Scania примерно в сорок лошадиных сил. Так что можно сказать, что турбокомпаунд оправдал ожидания инженеров компании Scania, обеспечив дизелям их разработки улучшенные характеристики.

Как работает турбокомпаунд

После прохождения турбокомпрессора, как уже отмечалось, выхлопные газы остаются горячими и обладают достаточным запасом энергии. Поэтому на пути движения отработанных газов появляется дополнительное устройство – турбокомпаунд, использующее сохранившуюся энергию. Как это происходит, позволяет понять рисунок ниже:

Выхлопные газы поступают в турбокомпаунд и раскручивают турбину, входящую в его состав, до пятидесяти пяти тысяч оборотов. Развиваемая мощность через понижающую передачу и специальную муфту поступает на маховик. После того, как выхлопные газы пройдут турбокомпаунд, их температура снижается ещё на сто градусов, после чего они поступают в выхлопную систему.

Что же получается в итоге

В результате того, что был введен турбокомпаунд в конструкцию дизелей Scania, удалось:

  • повысить КПД и снизить расход топлива;
  • сгладить влияние пульсаций нагрузки благодаря использованию дополнительной мощности;
  • повысить надежность и долговечность поршневой группы.

К недостаткам можно отнести разве что усложнение конструкции и обслуживания, ну и как следствие этого, увеличение стоимости.
Турбокомпаунд можно считать одним из вариантов улучшения характеристик дизеля за счет его скрытых возможностей. Это показывает, что благодаря правильному подходу их можно использовать для улучшения ДВС.
” alt=””>

Альтернативный источник электрической энергии на автомобиле: использование энергии отработавших газов Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Овсянников Е. М., Клюкин П. Н., Кецарис А. А., Акимов А. В.

В статье рассмотрен способ использования энергии, выбрасываемой вместе с отработавшими газами в окружающую среду, приведен обзор подобных разработок мировых производителей. Рекуперация «бесполезной» энергии позволяет исключить генератор системы электроснабжения и увеличить к.п.д. двигателя внутреннего сгорания.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Овсянников Е. М., Клюкин П. Н., Кецарис А. А., Акимов А. В.

An alternative source of electric energy on automobile: the use of exhaust gas energy

The article describes a method of using the energy emitted with the exhaust gases into the environment, provides an overview of the same developments of different all over the world manufacturers. Recovery of “useless” energy allows to eliminate the generator power supply system and to increase the efficiency of internal combustion engine.

Текст научной работы на тему «Альтернативный источник электрической энергии на автомобиле: использование энергии отработавших газов»

вым. Наиболее целесообразно это напряжение принять равным 24В, т.к. на автомобиле перед пуском двигателя НЭ от АБ может зарядиться не более, чем на 24В (соответствует номинальному напряжению бортовой сети). В таблице 3 представлены основные параметры НЭ в режиме стартерного разряда.

Сопротивления НЭ типа 241111-30/0.003 оказалось более, чем в два раза выше паспортного значения (3МОм), а НЭ типа ИКЭ-40/28 в 1,4 раза (7МОм). Таким образом, в результате разрядов НЭ стартерными токами определена величина отдаваемой энергии при снижении напряжения от номинального до половины номинального и определены значения внутренних сопротивлений НЭ.

Полученные в результате исследований результаты будут использованы при разработке и обосновании требований к системе пуска с накопителями энергии, обеспечивающей повышение работоспособности автомобильной техники в условиях низких температур.

1. Квайт С.М., Менделевич Я.А., Чижков Ю.П. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей. – М.: Машиностроение, 1990. – 256 с.

2. Чижков Ю.П. Исследование процесса прокручивания коленчатого вала двигателя при использовании в системе электростартерного пуска емкостного накопителя энергии. Межвузовский сборник научных трудов «Автомобильные и тракторные двигатели». Выпуск XIV. – М.: МАМИ, 1998. – С. 197-217.

3. Чижков Ю.П., Малеев Р.А., Шматков Ю.М. Режимы совместной работы аккумуляторной батареи и емкостного накопителя в системе электростартерного пуска. Межвузовский сборник научных трудов «Автомобильные и тракторные двигатели». Выпуск XIII. – М.: МАМИ, 1996. – С. 118-124.

Альтернативный источник электрической энергии на автомобиле: использование энергии отработавших газов

д.т.н. проф. Овсянников Е.М., к.т.н. доц. Клюкин П.Н., к.т.н. доц. Кецарис А.А., Акимов А.В.

Университет машиностроения 495-223-05-23, доб. 1574 Аннотация. В статье рассмотрен способ использования энергии, выбрасываемой вместе с отработавшими газами в окружающую среду, приведен обзор подобных разработок мировых производителей. Рекуперация «бесполезной» энергии позволяет исключить генератор системы электроснабжения и увеличить к.п.д. двигателя внутреннего сгорания.

Ключевые слова: электротурбогенератор, рекуперация энергии отработавших газов, альтернативный источник энергии.

Непрерывный прогресс и рост количества систем комфорта и других потребителей электроэнергии на автомобиле в последние годы изменили структуру его бортовой сети. Зачастую мощности генераторных установок уже не хватает: суммарная мощность потребления на автомобилях достигает 3-4 кВт.

Читайте также:  Неисправности двигателя легкового автомобиля

Сегодня существует необходимость в новом источнике электроэнергии на автомобиле, пригодном для установки на все выпускаемые автомобили с различными типами двигателей, недорогом и надежном. Увеличение мощности штатного стандартного генератора вызывает массу сложностей: он практически уже не умещается под капотом, поликлиновый ремень не может передать большой крутящий момент, приходится применять для него свою жидкостную систему охлаждения, что значительно удорожает и усложняет конструкцию.

Найдено другое техническое решение: использовать энергию отработавших газов, которая сейчас в каждом ДВС выбрасывается в атмосферу в виде тепла и никак не используется. По оценкам специалистов, доля этой «бесполезной» энергии составляет около 30% (!) от энергии топлива при его сжигании.

Это принципиально новое решение предложено при совершенствовании систем турбо-наддува. Энергия на вращение насосного колеса поступает от вращения турбинного колеса за счет выбрасываемых разогретых газов из цилиндров ДВС на такте выпуска.

Специальное устройство – регенератор энергии (лат. regeneratio – восстановление, возвращение) может быть любым по устройству, но оно предназначено для улавливания и преобразования энергии выхлопных газов и выделяемого тепла от сгоревшего топлива в электрическую энергию. Дальше она может направляться как в накопитель энергии, так и сразу на «подкрутку» коленчатого вала ДВС, повышая его общий к.п.д.

Современные системы, использующие «бесполезную» энергию для повышения энергоэффективности силовой установки, например система KERS (Kinetic Energy Recover System), называют системами рекуперации энергии (лат. recuperatio – возвращение). При торможении тяговая электрическая машина транспортного средства, которая работала в двигательном режиме, переключается в режим генератора и отдает электрическую энергию в сеть для дальнейшего использования. Впервые системы KERS стали применяться в автоспорте и на железнодорожном транспорте.

Также известны экспериментальные установки и опыты ведущих автоконцернов (в основном японских) по созданию систем регенерации тепловой энергии в системе выпуска отработавших газов по циклу Ранкина (Rankine cycle) и термоэлектрических генераторов на эффекте Зеебека (Seebeck Effect), однако, ввиду сложности и низкого к.п.д. они не получили распространения.

Возможность упростить конструкцию системы электрооборудования, улучшить экологические показатели автомобиля, повысить мощность двигателя и силовой установки (на гибридном автомобиле), снизить расход топлива за счёт использования энергии выхлопных газов вызвала большой интерес у научно-исследовательских центров и мировых автопроизводителей. Подобные проекты нашли поддержку со стороны отраслевых правительственных комитетов стран Запада и США в виде выделения материальных средств и льгот для разработчиков. Созданием преобразователя энергии отработавших газов в электрическую энергию занимается и московская группа ученых инжинирингового центра «Smart».

Можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время на современных автомобилях должна появиться установка для регенерации энергии. Авторы статьи рассмотрели возможные варианты систем регенерации кинетической энергии отработавших газов, работающих совместно с двигателями внутреннего сгорания различной мощности и объема, как бензиновыми, так и дизельными, а также двигателями, работающими в сочетании с тяговым электроприводом (гибридные автомобили).

Почти все ведущие компании одновременно с созданием источника дополнительной энергии за счет использования энергии отработавших газов на основе турбоэлектрогенерато-ра, ведут параллельные работы по созданию турбоэлектрокомпрессора. Цель этого устройства – помочь за счет электропривода быстрее раскрутить вал турбокомпрессора при разгоне автомобиля. Эти два устройства могут быть как раздельными системами, так и быть совмещены в одном устройстве.

Турбоэлектрокомпрессор состоит из корпуса, турбинного и насосного колес, закрепленных на общем валу и электрической машины, которая может работать как в двигательном режиме, так и в генераторном (рисунок 1).

В турбоэлектрокомпрессоре за счет использования электрической машины (электродвигателя) устранены основные недостатки классического турбокомпрессора, использующегося на автомобиле, а именно нестабильность работы при различных режимах работы двигателя и нагрузках. Основная задача электрического двигателя – это при необходимости включиться в работу, раскрутить вал турбины и, таким образом, восполнить потребность двигателя в большом объеме воздушной массы. Питание электрической машины происходит от штатной аккумуляторной батареи. Ротор электрического двигателя установлен на одном валу с турбинным и рабочим колесом с целью уменьшения габаритных размеров и облегчения установки на автомобиль. Практичность такого решения подтверждается наличием патентов

на подобные разработки, в которых в качестве базовой используется описанная выше конструкция [5, 6 и др.].

Рисунок 1. Принципиальная схема турбоэлектрокомпрессора: (стрелками указаны направления воздушных потоков, которые воздействуют на лопасти турбокомпрессора

Сеть постоянного тока транспортного средстба

Рисунок 2. Принципиальная схема работы турбоэлектрогенератора компании John Deere: 1- турбинное колесо; 2- рабочее колесо; 3-турбинное колесо турбогенератора

В настоящий момент, в открытом доступе, имеется разработка компании John Deere (рисунок 2). Порядок работы приведенной схемы следующий: турбинное колесо, которое приводится во вращение выхлопными газами, вращает вал турбокомпрессора и соответственно рабочее колесо, которое обеспечивает забор охлаждённого наддувочного воздуха для подачи в цилиндры двигателя. Далее поток выхлопных газов поступает по соединительной магистрали на турбинное колесо турбогенератора, приводя во вращение вал и ротор генератора. Температура потока выхлопных газов поступающего на турбинное колесо турбогенератора уже снижена (за счёт прохождения через турбинное колесо турбокомпрессора и прохождения по соединительной магистрали) и находится в пределах от 700° C до 800° C. Температура потока выхлопных газов воздействующих на турбинное колесо турбокомпрессора составляет до 1000° C и более. Приведенный во вращение турбогенератор начинает вырабатывать напряжение и отдавать его в бортовую сеть автомобиля. В данной схеме выбран турбокомпрессор с изменяемой геометрией сопла для подачи потока выхлопных газов.

Конструкция достаточно проста, имеет высокую эффективность, в ней применяются известные технологии изготовления комплектующих турбогенератора, поэтому его стоимость относительно невысока.

Проект турбоэлектрогенератора компании John Deere, стоимостью около $4,8 млн. (денежные средства, выделенные на разработку), достаточно многообещающий. Сама компания John Deere выделяет следующие достоинства данной системы:

• работа системы в циклах высокой нагрузки при постоянном использовании транспортного средства с максимальными преимуществами;

• увеличение эффективности использования топлива на 10 %;

• увеличение на 20% энергоснабжения транспортного средства;

• понижение температуры выхлопных газов;

• высокий потенциал масштабного коммерческого использования.

Другой интересной разработкой является предложение британской компании CPT (Controlled Power Technologies). Компания CPT была основана в 2007 г. специально для изучения и разработки процессов, способных уменьшить выбросы вредных веществ и повысить энергоэффективность транспортных средств. Девиз разработки: «Waste to Watts – Powering the Planet with TIGERS ™»,что в переводе на русский язык означает «тепло в ватты – обеспечение энергии с TIGERS ™ ».

Перспективная разработка компании – турбогенератор TIGERS (дословный перевод -турбогенератор интегрирующий энергию газов в электрическую). По мнению специалистов, именно эта разработка имеет наиболее значимые перспективы использования на современных транспортных средствах и массовом производстве в последующем. Характеристики турбогенератора TIGERS:

• максимальная частота вращения: 80000 (об/мин);

• максимальная вырабатываемая мощность: 6 (кВт);

• эффективность работы при выходном напряжении 14,6 (В): >70%;

• эффективность работы при выходном напряжении 340 (В): >90%;

• габаритный размер (длина):

• способ охлаждения: охлаждающая жидкость.

Турбогенератор TIGERS способен работать при температуре выхлопных газов более 900° C. Конструктивно турбогенератор состоит из турбинного колеса, якоря генератора, установленного на валу с турбинным колесом, статора, перепускного клапана. Перепускной клапан получает сигналы управления от своей электронной системы (блока), который в свою очередь использует информацию от блока управления двигателем, с целью подачи на турбинное колесо необходимого потока выхлопных газов и наиболее продуктивной и безопасной работы турбогенератора. Из общих достоинств своего изобретения разработчики приводят следующие:

• более эффективное генерирование электрической энергии в момент работы двигателя при больших нагрузках двигателя;

• регенерация тепловой энергии выхлопных газов;

• компактность установки (длина- 150 мм), вырабатываемая мощность 4.2 кВт при выходном напряжении 14.6 В;

• возможность установки в любом месте выхлопной системы транспортного средства;

• готовые к производству компоненты системы турбогенератора, а именно программное обеспечение, контролирующее работу турбогенератора и преобразователи электрической энергии;

• полностью управляемый турбогенератор за счёт перепускного клапана, который разделяет и подаёт на лопасти турбинного колесо необходимую пропорцию потока выхлопных газов при различных нагрузках и режимах работы двигателя, что, как указано выше, способствует обеспечению более продуктивной и безопасной работы;

• экономическая целесообразность установки турбогенератора на современное транспортное средство в условиях «энергетического голода», постоянно растущего потребления электрических машин осуществляющих рекуперацию электрической энергии (электромоторы на гибридных автомобилях).

Среди отечественных разработок известны конструкции с применением керамических материалов для повышения срока службы и надежности отдельных элементов конструкции в условиях высоких температур [7, 8].

Разработки для систем рекуперации энергии выхлопных газов компании CPT в отличие

от системы рекуперации компании John Deere, рассчитаны на установку на легковых автомобилях, в то время, как John Deere делает акцент на крупногабаритный транспорт, грузовики, специализированный транспорт и различной вариации крупногабаритную сельскохозяйственную технику.

Ещё одно изобретение для системы регенерации было представлено на 16-й ежегодной конференции по наддуву и регенерации выхлопных газов, проходившей в Техническом университете Дрездена в Германии. Компания CPT представила VTES (сокращение брэнда с английского), это гибрид между турбокомпрессором и электрическим двигателем, который отвечает за подачу воздуха и отработавших газов в камеры сгорания двигателя. VTES -это электротурбокомпрессор с переменным крутящим моментом, который входит в систему рециркуляции и регенерации выхлопных газов.

Принцип работы электротурбокомпрессора с переменным крутящим моментом практически не отличается от обычного турбокомпрессора, однако в электротурбокомпрессоре разработчики устранили самый главный недостаток в работе обычного турбокомпрессора – нестабильность работы при различных нагрузках двигателя и различном объеме выхлопных газов. За счет внедрения в конструкцию небольшого по габаритным размерам электродвигателя, способного включаться в работу и раскручивать вал электрокомпрессора, когда не хватает объема выхлопных газов для вращения турбинного колеса.

Разработчики электротурбокомпрессора VTES предусмотрели несколько этапов охлаждения воздушной массы в системе наддува, в конечном результате это необходимо для увеличения объема наддувочной воздушной массы подаваемой в цилиндры двигателя и уменьшения выделяемого тепла при сжигании рабочей смеси. Из основных достоинств работы электротурбокомпрессора VTES можно выделить сокращение выбросов CO2 на 15-20 % в зависимости от типа двигателя и используемого топлива и следующие основные характеристики электротурбокомпрессора VTES:

• максимальная частота вращения: 70000 (об/мин);

• диапазон температуры для работы : -40° C . +125° C;

• время выхода на максимальные обороты: Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ключевые слова: полноприводный автомобиль, нагрузка на ось, система регулирования давления воздуха в шинах, опорная проходимость, удельная сила тяги на крюке автомобиля, удельная сила сопротивления буксированию, угол преодолеваемого подъёма, скорость движения, деформируемая опорная поверхность.

Тяговые и скоростные свойства автомобиля на деформируемой опорной поверхности и энергия, затрачиваемая на её деформирование и преодоление потерь в шинах, являются определяющими факторами опорной проходимости автомобиля. Соответствие нагрузочных

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДЛЯ ОБОГРЕВА САЛОНА АВТОМОБИЛЯ

магистрант кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» Омского государственного технического университета,

канд. техн. наук, доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» Омского государственного технического университета,

С ростом экономики и нехваткой энергии использование тепла от отработавших газов становится более распространённым. Коэффициент полезного действия современных двигателей внутреннего сгорания имеет небольшую механическую эффективность лишь 30-40 процентов, оставшаяся часть энергии остается, не использована и рассеивается в форме отходов тепла через выхлопные газы и систему охлаждения. В связи с этим возникает потребность в применении тепла отработавших газов в полезную работу. Особенно актуально это в суровых климатических условиях. Андрис К.Б. занимался исследованиями возможности использования тепла от отработавших газов для подогрева емкостей с нефтепродуктами при их транспортировании [1]. При использовании автомобилей в северных районах, использование тепла отработавших газов имеет ряд преимуществ. Производительность системы отопления салона автомобилей при отрицательных температурах становится ниже. Использование тепла выхлопных газов для обогрева салона должно обеспечить более быстрый прогрев салона автомобиля, так как после запуска двигателя температура выпускной системы автомобиля быстро достигает температур порядка 450-600 ˚С. Это позволит уменьшить затраты на топливо и время прогрева салона автомобиля.

Читайте также:  Можно ли брать китайские подделки авто запчастей для китайских автомобилей?

Известны системы использования тепла отработавших газов автомобиля при помощи теплообменника установленного на выпускной системе. Рабочим телом для переноса тепла отработавших газов является жидкость, в частности антифриз. Работами по использованию таких систем занимался Куликов М.В. [2]. При этом усложняется система охлаждения автомобиля. Основным недостатком при использовании в качестве рабочего тела жидкости является возможный перегрев и закипание жидкости в системе охлаждения автомобиля из за неисправности клапанов подогревателя, что приведет к отказу, а так же возможны утечки охлаждающей жидкости.

Нами предлагается гипотеза о том, что при использовании воздуха в качестве рабочего тела, возможно сохранить эффективность системы подогрева воздуха в салоне и избежать указанных выше проблем.

Для проверки данной гипотезы был проведен практический эксперимент, целью которого являлась проверка возможности использования воздуха в качестве рабочего тела. Для проведения данного эксперимента была собрана установка, изображенная на рисунке 1.

1. Двигатель; 2. Выпускной коллектор с установленным теплообменником; 3. Глушитель; 4. Термометр ртутный; 5. Микро компрессор АЭН-4; 6. Электронный термометр TP-101; 7. Изолированный объем воздуха.

Рисунок 1. Схема экспериментального образца

В качестве силовой установки для проведения эксперимента использовался двигатель внутреннего сгорания, мощностью 1400 ватт. На выпускном коллекторе была осуществлена намотка медной трубки для осуществления теплообмена. В качестве насоса использовался компрессор, мощностью 3Вт, установленный в замкнутом пространстве, объемом 10л. Дополнительное тепло от работы компрессора учитывалось при выполнении расчетов. В ходе проведенного эксперимента замкнутый объем воздуха в течении 5 минут нагревался теплом отработавших газов.

Общий вид экспериментальной установки представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Экспериментальная установка

По полученным данным был построен график изменения температуры в зависимости от времени, представленный на рисунке 3. В течение первых 4 минут выпускной коллектор прогрелся до температуры 300 0 С. За 5 минут с начала эксперимента, температура воздуха внутри замкнутого объема повысилась на 1,6 0 C. Потери тепла через ограждающие конструкции замкнутого объема не учитывались.

Рисунок 3. Изменение температуры воздуха

Для определения мощности теплогенерирующей системы использовали формулу сохранения тепловой энергии.

(1)

τ – время теплопереноса;

T – абсолютная температура воздуха в замкнутом объеме;

B – атмосферное давление;

V – объем замкнутого пространства;

R – газовая постоянная.

По полученным данным определили значение мощности на уровне 78 Вт (с учетом дополнительного источника тепла от компрессора). Если экстраполировать мощность аналогичной теплогенерирующей системы для двигателя внутреннего сгорания легкового автомобиля малого класса, то получим мощность на уровне 2кВт, что составляет около 40% мощности штатной системы отопления салона. В результате можно сделать вывод, что использование тепла отработавших газов для обогрева салона недостаточно для полноценного функционирования системы отопления салона. Однако использование данной системы позволит получать тепловую энергию практически сразу после запуска двигателя. Процесс обогрева автомобиля существенно ускорится и будут созданы более комфортные условия при эксплуатации автомобиля в холодное время года. Использование воздуха в качестве теплоносителя позволит повысить надежность системы и избежать паровых пробок в системе охлаждения. Дополнив штатную систему отопления автомобиля устройством использующим тепло отработавших газов можно существенно сократить время прогрева салона автомобиля до комфортной температуры.

Список литературы:

  1. Андрис К.Б. Путевой подогрев нефтепродуктов при перевозке автотранспортом. К.Б. Андрис // Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2008. № 6. – С.192-194.
  2. Куликов М.В. Прогрев рабочих жидкостей систем и агрегатов трактора выхлопными газами при низких отрицательных температурах. М.В. Куликов // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. – 2012. №8(94). – С.116-122.

–>Автозапчасти и СТО –>

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота.

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

– Установка турбонаддува
– Увеличение рабочего объёма двигателя
– Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Как работает турбина в автомобиле?

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени. Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя. Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

В двух предыдущих способах двигатель использует воздух, который поступает благодаря собственному нагнетанию. При использовании турбокомпрессора в цилиндр поступает тот же объем воздуха но с предварительным его сжатием. Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива. При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток. Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Плюсы и минусы турбонаддува

Как уже известно читателю, турбина в автомобиле не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя. По логике, подобное решение должно нивелировать зависимость оборотов турбины от частоты вращения последнего.

Тем не менее, в реальности эффективность работы турбины находится в прямой зависимости от оборотов мотора. Чем сильнее открыта дроссельная заслонка, чем больше обороты мотора, тем выше энергия выхлопных газов, вращающих турбину и, как результат, больше объем воздуха, нагнетаемого компрессором в цилиндры силового агрегата.

Собственно говоря, «опосредованная» связь между оборотами и частотой вращения турбины не через коленвал, а через выхлопные газы, приводит к «хроническим» недостаткам турбонаддувов.

Среди них – задержка роста мощности мотора при резком нажатии на педаль «газа», ведь турбине нужно раскрутиться, а компрессору – дать цилиндрам достаточную порцию сжатого воздуха. Подобное явление называют «турбоямой», то есть моментом, когда отдача мотора минимальна.

Исходя из этого недостатка сразу исходит и второй – резкий скачок давления после того, как двигатель преодолевает «турбояму». Это явление получило название «турбоподхвата».

И главной задачей инженеров-мотористов, создающих наддувные двигатели, является «выравнивание» этих явлений для обеспечения равномерной тяги. Ведь «турбояма», по своей сути, обуславливается высокой инерционностью системы турбонаддува, ведь для приведения наддува «в полную готовность» требуется определенное время.

В результате потребность в мощности со стороны водителя в конкретной ситуации приводит к тому, что мотор не способен «выдать» все свои характеристики одномоментно. В реальной жизни это, например, потерянные секунды при сложном обгоне…

Безусловно, сегодня существует ряд инженерных ухищрений, позволяющих минимизировать и даже полностью исключить неприятный эффект. В их числе:

  • использование турбины с переменной геометрией;
  • использование пары турбокомпрессоров, расположенных последовательно либо параллельно (так называемые схемы twin-turdo или bi-turdo);
  • применение комбинированной схемы наддува.

Турбина, имеющая переменную геометрию, осуществляет оптимизацию потока выхлопных газов силового агрегата за счет изменения в режиме реального времени площади входного канала, через который они поступают. Подобная схема турбин очень распространена в турбонаддувах дизельных моторов. В частности, именно по этому принципу функционируют турбодизели Volkswagen серии TDI.

Схема с парой параллельных турбокомпрессоров используется, как правило, в мощных силовых агрегатах, построенных по V-образной схеме, когда каждый ряд цилиндров оснащен собственной турбиной. Минимизация эффекта «турбоямы» достигается за счет того, что две малые турбины имеют гораздо меньшую инерцию, нежели одна большая.

Система с парой последовательных турбин используется несколько реже двух перечисленных, но она же обеспечивает наибольшую эффективность за счет того, что двигатель оснащается двумя турбинами, обладающими различной производительностью.

То есть при нажатии на педаль «газа» в действие вступает малая турбина, а при росте скорости и оборотов подключается вторая, и они работают суммарно. При этом эффект «турбоямы» практически исчезает, а мощность нарастает планомерно сообразно ускорению и росту оборотов.

При этом многие автопроизводители используют даже не два, а три турбокомпрессора, как например компания BMW в своей схеме triple-turbo. А вот инженеры, проектировавшие суперкар Bugatti, вообще оснастили силовой агрегат сразу четырьмя последовательными компрессорами, что позволило достичь уникальных мощностных характеристик при вполне «гражданском» поведении мотора в рядовых режимах езды.

Читайте также:  Классификация коробок передач

Схема так называемого комбинированного наддува или, как ее называют автопроизводители, twincharger, подразумевает совместное использование механического и турбонаддува. При малых оборотах двигателя наддув обеспечивается механическим нагнетателем, а турбина вступает в действие при увеличении числа оборотов. При этом механический нагнетатель отключается. По такой схеме работают наддувные моторы TSI компании Volkswagen.

Как видим, принципы работы турбонаддува достаточно просты и понятны. При этом сегодня автопроизводители всячески делают ставку на турбированные агрегаты малого рабочего объема, которые обеспечивают достаточную мощность при относительной экологической чистоте выхлопа.

Но не следует забывать и еще об одном серьезном недостатке – турбированный мотор испытывает гораздо большие нагрузки и, что вполне закономерно, имеет меньший моторесурс, чем безнаддувный агрегат. Соответственно, взвесив все преимущества и недостатки, и следует выбирать тот или иной силовой агрегат.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.


dmarkitan › Блог › Технология G.E.E.T (теория)

Лирическое отступление:
Снижение расхода топлива становится актуальной проблемой. Не случайно в продаже появилась масса товаров, связанных с экономией. Однако, предлагаемые устройства, а также добавки в топливо не очень охотно покупаются. В большинстве своем люди не верят в их эффективность и опасаются экспериментировать на собственном авто. Да и стоит ли ради снижения расхода на 10% морочить себе голову, создавать проблемы с возможным ремонтом? Ведь как известно: скупой платит дважды.

Но бензин дорожает и не у всех бюджет за этим делом поспевает. Владельцы автомобилей и прочей техники начинают думать как сэкономить, а тут им топливные присадки пожалуйста. Стоят вроде копейки по сравнению с различным оборудованием по снижению расхода горючки, но есть в них что-то такое, что настораживает, может массовая реклама. У нас ведь если что-то массово рекламируют, это лучше обойти стороной. В конечном итоге автомобилисты в массе довольствуются прочтением статей по снижению расхода топлива и советами как меньше давить на педаль акселератора.

В тоже время существует реальный способ снизить затраты на бензин, газ или дизель весьма существенно и без риска. Технология не имеет отношения ни к суперсовременной химии, ни к продвинутой электронике. Все хорошее уже давно изобретено, нужно только уметь этим пользоваться.

Известно, что воду (Н2O) возможно использовать как топливо, если разложить на водород и кислород. Это можно сделать электролизом, либо нагревая воду до высокой температуры. В последнем случае смесь HHO называется газом Брауна, хотя такой смеси на самом деле в природе не существует.

Соединение кислорода с водородом – отличная «гремучка», не хуже динамита. При высокой температуре молекулы воды Н2O распадаются, но при охлаждении полученной смеси, атомы водорода и кислорода снова соединяются в молекулы. Если при электролизе, водород и кислород можно получать раздельно, то при высокотемпературном разложении с последующим охлаждением происходит взрыв. Водород и кислород, полученные при высокотемпературном разложении, удается сохранить лишь в смеси с азотом (N) или углекислотой (CO2), которые не поддерживают горения — не соединяются ни с кислородом, ни с водородом.

Однако, если Вам не нужно лететь в космос, то кислород можно взять из воздуха, а из воды только водород. Способы использования воды в качестве топлива хорошо известны. Например, уже четыре десятка лет в генераторах Vinkler, производится прекрасное промышленное топливо – водяной газ, который представляет собой смесь монооксида углерода СО с водородом, получаемый при взаимодействии нагретого до 600 градусов угля с паром согласно реакции:

С + Н2О = СО + Н2 (1)

Водород несложно отделить от монооксида. Один из способов следующий: внутри стальной трубки, накаливаемой в печи, вмещается другая трубка, тонкая металлическая (медная, посеребрённая), через которую течёт постоянная струя холодной воды. Монооксид углерода, приходя в соприкосновение с накалённою внутренней поверхностью наружной трубки, отдает кислород железу. Высвободившийся углерод образует уголь, и его частицы садятся в виде копоти на холодной трубке.
В свою очередь, углекислота может быть преобразована в монооксид при пропускании её через уголь. Это объясняется тем, что атомы углерода, при нагреве угля моноксидом углерода СО2 приобретают сродство к кислороду: СО2 + С = 2СО. Кислород как бы перераспределяется между всеми атомами углерода имеющимися в составе СО2 и в составе угля. Моль СО2 и моль С дают два моля СО.

Сказанное демонстрирует, что температурное разложение не горючей воды на горючие компоненты вовсе не фантастика, как многие думают. Кроме того я хотел бы обратить внимание на тот факт, что в реакции с водой можно получить не только водород, но и окись углерода, которая по энергетической ценности фактически не уступает водороду, но при этом не взрывается.

Технология GEET – это сокращение от американского названия Global Environmental Energy Technology (Глобальная Экологическая Энергетическая Технология). Изобретателем технологии считается Пауль Пантоне (Paul Pantone), хотя использование электрического поля для разложения пара давно не новость. На эту тему имеется множество патентов. Заслуга Пантоне скорее в популяризации технологии, доведения её до умов масс, за что изобретатель получил известность и множество неприятностей. Её особенность — применение для разложения воды не только температуры, но и электрического поля. Причем поле возникает в результате трения горячих газов по металлу, что исключает использование внешнего источника высокого напряжения.

Для небольших двигателей Пол обнародовал технологию публично. Технология очень проста в реализации – требуются водопроводные трубы, переходники и небольшое количество сварных работ. И люди по всему миру начали устанавливаться GEET реакторы на свои бензокосилки, бензогенераторы и изредка на автомобили.

GEET-реактор Пантона представляет собой нагреваемую выхлопными газами стальную трубку с заостренным сердечником внутри (на рисунке показан желтым цветом). Пар, проходя в зазоре между внутренней стенкой трубки и сердечником, разлагается на составляющие. Одновременно в трубку поступает бензин, а также углекислота и азот, что исключает рекомбинацию водорода с кислородом. Впрочем часть кислорода все равно реагирует или с углеводородами, или с угарным газом, или с водородом, или с материалом реактора – на то и кислород. Электрическое поле улучшает реакции, и делает их возможными при более низких температурах.

Разложение воды требует подвода энергии. Представленное устройство никак не сверхединичное. Однако тепло, выбрасываемое двигателем в выхлопную трубу, можно считать дармовым, поскольку оно побочное следствие работы двигателя. Соответственно реактор утилизирует тепловую энергию охлаждая выхлопные газы.

Технология позволяет достигать экономии топлива от 4 до 7 раз, а так же питать двигатели тяжелым органическим топливом – например сырой нефтью или даже пищевыми отходами.

За обнародование этой технологии Пол в 2006 году был посажен в психбольницу, из которой международной группе активистов удалось вытащить его только через 3.5 года — в 2009.

Суть технологии в том, что с обычного бензинового двигателя снимается карбюратор и заменяется на простую систему из реактора-теплообменника и бульбулятора со смесью воды и топлива.

В GEET-генераторе используется температура выхлопных газов достигающая 1000 градусов Цельсия, для превращения воды в пар с последующим смешиванием пара с углеродом в выхлопных газов при высокой температуре с образованием горючего синтез-газа.

Экономия достигается за счет нескольких физических эффектов – известных и неизвестных.

1) КПД бензинового двигателя около 25%, остальная энергия выбрасывается с выхлопными газами. В GEET энергия выхлопных газов рециркулируется.

2) В обычных бензиновых двигателях карбюратор формирует бензиновый туман, при зажигании идет неполное сгорание топлива, остатки топлива выбрасываются в выхлоп. GEET работает на полностью испаренных газах, обеспечивая полное сгорание.

3) В реакторе в условиях температуры и вакуума на входе в двигатель молекулы газа ионизируются. GEET реактор намагничен таким образом, что ионы газа при движении в двигатель начинают закручиваться по спирали, увеличивая эффективность теплообмена.

1) Подтверждено на видео, что в реакторе возникает плазменный разряд неизвестной природы:

2) Ничем не подтверждено, но заявлялось, что установка может быть доведена до работы на воде без топлива

3) Пол Пантоне заявлял, что анализ выхлопных газов показывает увеличение содержания кислорода (больше чем в воздухе) и появление новых химических элементов в выхлопе GEET реактора (наличие ядерных реакций).

Непроверенная идея дальнейшего развития реактора – поставить на входе в двигатель пиролизный газификатор бытовых отходов (пластик, дерево, пищевые отходы), который будет подогреваться через стенки выхлопными газами. Так можно получить не дешевое, а бесплатное электричество для поселений.

А для того, чтобы сделать ресурс генератора не 3 года, а 50 лет – обработать движущиеся механические части установки составом Виталия Айнгорна. Поиск по этим темам оставляю читателю.

Конструкций GEET реакторов великое множество. Каждый экспериментатор, изготавливая устройство своими руками, считает долгом внесение непринципиальных изменений. Часто изменения приводят к неработоспособности. Например, берут и фиксируют стержень на металлические растяжки, после чего статический заряд уходит на трубку и электрического поля не возникает. Или удлиняют стержень сверх меры, и канал слишком сильно сопротивляется газам. Или увеличивают зазор, ослабляя напряженность поля.

Несмотря на кажущуюся простоту реактор требует скрупулезной точности изготовления. Иначе устройство работает в качестве простой «водогрейкой», подающей в двигатель перегретый пар. При эксплуатации автомобиля в сухом климате, водной инжекции достаточно для снижения расхода на 10-15%. Но если на вашей улице все время дождит, особого эффекта не ждите.

Классическая схема Пантона приведена ниже. Выхлопные газы, через отвод в выхлопной трубе поступают в бачок с водой — бурбулятор. Поднятая газами водная взвесь по трубке поступает в реактор. Выход реактора соединен с впускной магистралью ДВС

У технологии Пантона, имеются неприятные недостатки. Длинные трубки никак не прогреваются до оптимальной температуры в 500-600 градусов. Столь высокую температуру выхлоп имеет непосредственно на выходе из цилиндров и то только на мощностных режимах. В режиме холостого хода температура выхлопа составляет около 200 градусов. При таких условиях реактор работать не будет. То есть, реактор можно ставить на бензогенератор, работающий на свой номинал, а на автомобиле применение системы не очень логично.

Отдельная проблема — бурбулятор. Его задача довести воду в расходном бачке до парообразного состояния. Те выхлопные газы, которые поступают в бурбулятор, создать в приемлемом количестве мелкодисперсные капли не могут. Взвесь в приемлемом количестве, появляется только после прогрева бачка, а этот процесс весьма инерционен. В итоге система получается однорежимной, ни о каком эффективном применении ее на автомобиле и речи быть не может.

Ссылка на основную публикацию