ШАҒын литражды автомобильдің гибридтік күштік қондырғысы аңдатпа

Мустагулова Б.Ж., Сырлыбаев Р. С.

Алматы энергетика және байланыс университеті, Алматы қ.
ШАҒЫН ЛИТРАЖДЫ АВТОМОБИЛЬДІҢ ГИБРИДТІК КҮШТІК ҚОНДЫРҒЫСЫ

Аңдатпа

Стационарлық энергетикадағыдай көлiк энергетикасында да энергияны және ресурсты үнемдеу мәселесі көкейкестi болып табылады. Автомобильдердің ішкі жану қозғалтқыштары (ІЖҚ) және газ турбиналық құрылғылар (ГТҚ) шығаратын жылулығын қайта пайдалануға мүмкіндік беретін қазандықтар-қайта пайдаланғыштар кең таралған. Осылай алынған энергияны жинақтау (аккумуляциялау) және мысалы, қалалық циклда жеңiл автомобильдің екiншi көпiрiнің жетегі үшiн пайдалану ұсынылады. Сонымен техникалық-экономикалық және экологиялық сипаттамалар жақсарады.

Аннотация

В транспортной энергетике, как и в стационарной актуальным является вопрос энерго- и ресурсосбережения. Получают распространение котлы-утилизаторы улавливающие бросовую теплоту автомобильных ДВС (ГТУ). Полученную таким образом энергию предлагается аккумулировать и использовать для привода второго моста легкового автомобиля, например, в городском цикле. Таким образом улучшаются технико-экономические и экологические характеристики.
Annotation

Energy and resource saving is actual issue in transport energy as well as in stationary energy. Waste heat recovery boilers heat catching junk of car’s ICE (GTU) are being spread. Energy obtained this way is suggested to be accumulated and be used for drive of the second axle of car, for example, in urban cycle. Thus technical-economic and ecological characteristics are improved.
Жылу қозғалтқыштарының сипаттамаларын талдау көрсетеді: олардың пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК) 39 - 41% аспайды. Дегенмен, әр түрлі жетілдірулерді (адиабаттық принципін жүзеге асыру, дизельдік және газ-турбиналық құрамдас комбинациясы және т.б.) пайдалану арқылы оны 46 - 51% дейін жоғарылату мүмкіндігі болады, бірақ осы пайыздан көп болмайды. Бұл отынның энергетикалық потенциалының, тіпті термодинамикалық сипаттамалары бойынша жоғары тиімдіге жатқызуға болатын қозғалтқыштарда да толық пайдаланылған жоқ екенін, олардың пайдалы әсер коэффициентін (ПӘК) одан әрі жоғарылату мүмкін екенін білдіреді. [1].

Энергетикалық қондырғыларда отынды пайдалануды жоғарылатудың ең маңызды жолдарының бірі, әр түрлі жылуды пайдаға асыру тізбектерінде екіншілік энергетикалық ресурстарды пайдалану болып табылады. Энергияның әр түрлі қажеттіліктеріне байланысты мобилді көлік (мысалы, автомобиль) тұтынатын екіншілік энергетикалық ресурстарды (ЕЭР) пайдалану бойынша келесі бағыттар жүзеге асырылады[2]:

- жылумен қамтамасыз ету сұлбалары үшін, мысалы, салонды, кабинаны жылыту үшін, қазір ол жиі салқындату жүйесінен жылуды іріктеу арқылы жүзеге асырылады;

- булық-сулық циклда механикалық энергияны өндіру;

- төмен температурада қайнайтын заттар және т.б. бар, аралас газдық-булық қондырғыларды пайдалану.

Мысал ретінде ЕЭР пайдаланудың тек қана бір технологиялық сұлбасын қарастырайық.

Будың жылуын қайта пайдалану сұлбасы (1-сурет) жиі қарастырылады. Бұл сұлба ішкі жану қозғалтқышы (ІЖҚ) немесе газ турбиналық құрылғысы (ГТҚ), бу турбинасы, конденсатор және қоректік жүйелер сорғысының шығысында орналасқан қазандық-қайта пайдаланғыштан тұрады [3].

Кейбір жағдайларда, осы кешен ішкі жану қозғалтқышын (ІЖҚ) салқындату сұйықтығының жылуын пайдалану үшін жылу алмастырғыштармен толықтырылуы мүмкін. 1, б суреттегі пунктир сызығы будың жылуын қайта пайдалану сұлбасындегі жұмыс денесінің ең жоғарғы температурасының, қозғалтқыштың пайдаланылған газдарының температурасынан аспауы керек екенін көрсетеді.

Күштік бу турбинасынан алынған қуат негізгі қозғалтқышпен ортақ трансмиссия арқылы немесе электргенераторын айналдыру арқылы автомобильдің жетекші көпіріне беріледі.

а ә

3 - бу турбинасы; 4 – конденсатор; 5 - сорғы; ә - ішкі жану қозғалтқышының (ІЖҚ) газ турбиналық құрылғысының (ГТҚ) аралас циклдері және Ренкиннің бу циклі.

1 сурет - Буды қайта пайдалану сұлбасы

Жылуды қайта пайдаланғыштың жұмысы үшін, Ренкиннің циклі бойынша жұмыс істейтін агрегатты автомобильдерде пайдалануға болады, ол жылу қозғалтқышында пайдаланылған газдар құрамындағы жылулықты қайта пайдалануға мүмкіндік береді.

Шынында да, мұндай агрегат, мысалы, асқын қыздырылған су буымен жұмыс істейтін бу турбиналары болуы мүмкін: автомобиль қозғалтқыштарының пайдаланылған газдарының температурасы 1100K дейін болады. Сонымен қатар, осы газдар өте көп болады, олардың энтальпиясы жоғары болады, сондықтан олардың құрамындағы энергия суды қыздыруға, оны буландыруға, құрылған буды асқын қыздыруға қабілетті болады, оны судың буланып кетуі үшін қыздыра алады [4].

Буды қайта пайдалану қондырғысын жасауды ниет еткен конструктор, алдыңғы негізін қалаушы конструкторлардың қондырғыларындағыдай, бу турбинасының емес, тіпті бу алу үшін қазандықтың емес, бу конденсаторының конструкциясының ірілігі мәселесімен кездеседі. Ал бу конденсаторынсыз болмайды, атмосфераға бу шығару циклі және суды еселеп құю (паровоздарды - локомотивтерді еске түсірейік) автомобиль үшін айқын себептер бойынша іске аспайды деп әлдеқашан танылған. Мысалы, бауырлар Фрэнсис Стенли және Оскар Стенлидің (Stanley) атақты «бумобилінің» сумен бір рет толтырылған 1907 жылғы моделі 50 миль (шамамен 80 км) жүріп өтті. Осындай автомобильдерде жылдамдық рекордтары орнатылды. Бірқатар артықшылықтарына (қозғалтқыштың идеалды сыртқы сипаттамасы, жақсы тартқыштығы, көп отындығы) қарамастан, бу автомобильдері оның тиімсіздігі және эксплуатациядағы күрделілігі 1930 жылы қолданыстан шығарылды. Бірақ соңғы 15 жылда, көліктің басқа да балама (альтернативтік) түрлерінің арасында Стенлилердің «Ұшқыш шәйнегінің» мұрагерлері де қайта оралды [5].

Алайда, тиімді болу үшін конденсатор ірі және өте үлкен болуы керек. Бұл агрегат жеңіл автомобильді айтпағанда, «бу автобусы» үшін де қолайлы емес [4,6].

Дегенмен, бу турбинасы циклында бу түзілу температурасы 760 К (490˚С) аз болатын жылу тасымалдағышты пайдалануға болатыны, бұл циклді газ турбиналық бензиндік және дизельдік күштік агрегаттардың будың жылуын қайта пайдалану қосымшасы ретінде қарауға негіз береді: мамандармен орындалған есептеулер будың жылуын қайта пайдалану қосымшасы осындай қозғалтқыштардың пайдалы әсер коэффициентін (ПӘК) 60% және одан да жоғарылататынын дәлелдейді [2]. Ренкин циклін жүзеге асыру дәстүрлі ішкі жану қозғалтқышының (ІЖҚ) және газ турбиналық құрылғысының (ГТҚ) тиімділігін арттырады.

Осыны практика да растайды. Мысалы, қазіргі уақытта стационарлық агрегаттардағы электр энергия өндірісінің бу-газдық циклінің кеңінен пайдаланылатыны жақсы белгілі, онда бу-турбиналық цикл газ-турбиналық бөліктен шығатын газдардың жылулық энергиясын қайта пайдаланушы ролін атқарады [1]. Конструкциясы бойынша көлікке өте жақын қондырғылар қазірдің өзінде бар.

Жапондық Mitsubishi компаниясы кемелердің дизельдерінің пайдаланған газдарының жылулығын қайта пайдалану үшін бу-турбиналық циклін қолданды. Бұл жағдайда, қондырғылардың салмағы және өлшемдері, әрине, өте маңызды болып табылмайды. Ал салқындату (булардың конденсациясы) мәселесін шешу қиын емес.

Дегенмен, автомобиль қозғалтқыштары бойынша ұқсас шешімдер, яғни осы қозғалтқыштарда да жылулықты қайта пайдаланушы ретінде Ренкин циклын қолдануға мүмкіндік беретін шешімдер іздеу үшін мамандарға «түрткі» болатын нақты күштік қондырғылар болып табылады.

Сонымен қатар, соңғы жылдары қалалық қоршаған ортаны қорғау проблемасы шиеленісіп отыр. Осыдан үрдіс – көбінесе шағын класты жаппай қалалық жеңіл автомобильдерді, сондай-ақ негізгі жылулық қозғалтқыштан басқа (электрлік) энергия аккумуляторлары орнатылатын гибридтік жетекті автомобильдерді жасау.

Соңғы жағдайда, қалалық жеңіл автомобильдерге қуаты 8-12 кВт («тек қана!») болатын жылу қозғалтқышы қажет. Өте жетілдірілген ішкі жану қозғалтқышының (ІЖҚ) пайдалы әсер коэффициенті кем дегенде 60% болады деп болжауға болса, онда пайдаланылған газдардың жылулық қуатының «шығысы» 4-5 кВт құрайды.

Қысымы 1МПа болған кездегі мұндай қуат шамамен 1 сағатта 12 кг су буын бере алады, ол қуаты шамамен 1,1 кВт болатын бу турбинасының жұмыс істеуі үшін жеткілікті болып табылады. Бу-турбиналық қайта пайдалану агрегатының ПӘК шамамен 17%, ол осындай параметрлі буды пайдалану кезінде әбден мүмкін болады. Жылулық қозғалтқыштан және жылуды қайта пайдалану агрегатынан тұратын күштік агрегаттың жалпы ПӘК 5-7% артады. Егер қысымы өте жоғары буды пайдаланатын болса, онда қайта пайдалану циклінің ПӘК 24% дейін жеткізуге болады, ал күштік қондырғының жалпы ПӘК 10% дейін арттыруға болады.

Негізгі қозғалтқыш ретінде қазіргіден сәл жетілдірілген, ПӘК 51% болатын қозғалтқышты пайдаланатын болса, онда [2] біріктірілген күштік қондырғының жалпы ПӘК 60% құрайды.

Жоғарыда айтылғандай, бу-турбиналық күштік агрегаттар, олардың қолайсыз үлкендігі себебінен автомобильдерде қолданыс таппады. Егер алдыңғы қатарлы тәжірибелік бу автомобильдерінің және стационарлық қондырғылардың сипаттамаларын бағалайтын болса, онда үлес салмағы 4-10 кг/кВт болатын қайта пайдалану қосымшасы автомобиль үшін қолайлы екені бағаланады. Бу турбинасымен (оның салмағының мағынасында) ешқандай проблема болмайды. Бу генераторларымен деешқандай проблема болмайды, өйткені қазіргі кезде судың булануының меншікті ауданы 0,030 м²/кг болатын бу генераторлары бар, яғни 12 кг/ сағат бу алу үшін тек 0,5 м² тең жылу беру беті қажет болады. Су айдауға арналған сорғының қуаты - 100 Вт.

Осылайша, жоғарыда барлық аталғандар, шын мәнінде проблемалар туғызбайды. Конденсаторлар мәселесі қалды. Бірақ бұл жерде де, шағын қуаттар үшін проблема шешіледі. Егер конденсатор ауданы 0,15 м² (0,30×0,50м) болатын радиатор секциясы түрінде орындалған болса, автомобильдің жылдамдығы 8,5-15,0 м/сек болғанда, пайдаланылған будың 12 кг/сағат конденсациясы кезінде, салқындататын ауаның температурасы тек 3-5 К дейін жоғарылайды. Тұрақтағы іске қосылған қозғалтқышты салқындататын ауаның қарсы ағынының рөлін арнайы желдеткіш орындайды. Немесе сол екі салқындату жүйесін біріктіру үшін конструкторға не кедергі етеді? Демек, конденсаторды орналастырумен де проблемалар күтіліп отырған жоқ.

Суытатын сұйықтық ретінде автомобильдерде пайдаланылатын антифриз (олардың түрлері қазір көп), бу турбинасының сұлбасы үшін жұмыс сұйықтығы бола алады. Антифриздерді дайындау үшін пайдаланылатын этиленгликоль шамамен 200°С температурада қайнайды. Сонымен қатар, қысым жоғарылаған кезде іс жүзінде бұл температура өзгеріссіз қалады. Қысымы 1 МПа болатын су 180°С температурада қайнайды. Өздеріңіз көріп отырғандай, су және этиленгликоль қоспасы сәйкес келеді, тікелей (сырттан ыстық газдармен қыздырылатын құбырға қоспаның берілісі) беріліс арқылы бу өндірудің қарапайым жолын қолдануға мүмкіндік береді. Турбинаның жұмысына қажетті құрғақ буды алу үшін 155-175˚С температура қажет, ол пайдаланылған газдарда артығымен болады.

Турбинада пайдаланылған бу ауамен салқындатылатын конденсаторға келеді, конденсацияланады және өз ағынымен қабылдағыш сыйымдылығына келеді, одан қайтадан сорғымен алынады.

Өздеріңіз көріп отырғандай, Ренкин циклі бойынша жұмыс істейтін құрылғы көмегімен пайдаланылған газдардың жылуын қайта пайдалану проблемасы шешіледі. Бірақ сұрақ туындайды: осылайша алынған «қосымша» қуатты қалай іске асыру ең тиімді болып табылады?

Оны қажет моментте автомобильдің қозғаушы қуатын арттыру үшін пайдалануға тиісті екені айқын. Бірақ оны негізгі қозғалтқыштың шығысына дереу беру үшін, беріліс саны жоғары (екі күштік қондырғының айналымдары әр түрлі болатын) болатын редуктордың болуы талап етіледі, ол аз оң эффект алған кезде автомобильдің жетегін маңызды күрделілендіреді және ауырлатады. Сондықтан, турбинаны біріккен өсті, тікелей, редукторсыз электр генератордың жетегі үшін пайдалану ұсынылады. Бұны оның статоры ішінде орналасқан, тұрақты магниттерден қоздырылатын электр генератор арқылы қол жеткізуге болады.

Бұл жағдайда сыртқы орналасқан роторды композиттік материалдармен (беріктігі жоғары болаттан жасалған сым немесе таспа, шыны-талшықты, синтетикалық жіптермен [7] нығайтуға болады, яғни инерция моментін жоғарылатуға болады, ротордың айналу жылдамдығы 55000-65000 айн/мин болған кезде, оны механикалық энергияның өте қуатты аккумуляторына айналдырады. Турбина-генератор блогының гироэффектісін орналастыру және бейтараптандырудың қолайлы болуы үшін оның осі тігінен орналасуы тиісті болады (1-суретті қараңыз). Ротордың салмағы 9-14 кг болған кездегі 0,5-0,7 кВт·сағатқа тең энергия қоры автомобильді жеделдету үшін жеткілікті болып табылады. Мысалы, гибридтік жетекті автобустарда сыйымдылығы 0,35 кВт сағат болатын маховиктік энергия аккумуляторын пайдалануға болады.

Ротормен жинақталған энергияны пайдалану үшін, әрине, «еркін» жүргізу органдары үшін электр жетегі қажет. Мотор-дөңгелектер конструктивті түрде жақсы құрастырылған және сындарлы өндіру дамыған. Сондай-ақ, электр энергияны түрлендіру жүйесі, басқару блогы қажет, яғни гибридті жетектің барлық элементтерін талап етеді.

Ұсынған сұлба, оның қарапайымдылығын және тиімділігін арттыру үшін тартымды болып табылады. Бірақ үлкен «бірақ» ротор-маховик болып табылады, егер ол, мысалы, авария салдарынан (зор серпін), «шығырдан шығып қалады».

Қорытындылар:

- белгілі гибридті жетектер «ашық емес» жағдай жасайды, онда негізгі қозғалтқыш әрқашан базалық режимде жұмыс істейді, дөңгелектегі (автомобильдер үшін тән) тез айнымалы энергияны тұтыну әсерінен өзгермейді және отын шығынын өзгертпейді.

- жылулық қозғалтқышта іске асырылмаған отын энергиясын пайдаланатын қайта пайдалану жүйесі - автомобильдің отын тиімділігін арттыратын гибридті жүйелердің нұсқаларының тек бірегейі. Барлық қалған нұсқалар қозғалтқышқа пассивті әсер етеді, яғни автокөліктің динамикалық сипаттамаларын жоғарылатады, бірақ оларды негізгі қозғалтқыштың энергиясы есебінен жақсартады.

- бу-турбиналық қайта пайдалану жүйесі жағдайында гибридті жетегі бар автомобильдің барлық динамикалық сипаттамалары сақталады, бірақ гироаккумулятор қайта өңделетін энергия есебінен зарядталады. Электр трансмиссиясы арқылы өзінің зарядын екінші жетекші көпірге береді, негізгі қозғалтқыштан қуатты алуды төмендетеді, сондықтан отын шығыны соңғымен сәйкес азаяды.

-осылайша, қазіргі заманғы қалалық жеңіл автомобиль, екіншілік энергетикалық ресурстарды (ЕЭР) қайта пайдалану жүйесі бар автомобиль және гибридтік жетекті автомобиль, отын шығынын азайту және көлік құралдарының экологиялық көрсеткіштерін арттыру мақсатында Ренкиннің бу-турбиналық циклін жүзеге асыру үшін жаңа мүмкіндіктер ашады.

Әдебиеттер тізімі

2. Ерофеев В. Л., Семенов П.Д. Пряхин А.С. Теплотехника: Учебник для вузов.- М.: ИКЦ «Академкнига», 2008.-488 с.

3. Ерохин В.Г. Основы термодинамики и теплотехники. - М.: USSR, 2014 – 232 c.

4. Некрасов В.Г. Плюс цикл Ренкина\\Автомобильная промышленность, 1997, №12, с. 13-16.

5. Иванов С. Паромобиль братьев Стенли - http://megabook. ru/article/Стенли (братья), 2009.

6. Автомобильная энциклопедия Кирилла и Мефодия эл.идз. http://www.encyclopedia.ru/cat/online/detail/402/, 2006.