Паровой утилизатор с кинематическим аккумулятором энергии

http://www.avtomash.ru/guravto/2005/20050724.htm Паровой утилизатор с кинематическим аккумулятором энергии

Журнал "Автомобильная промышленность", 2005 год, № 7 УДК 665.224.4 Канд. техн. наук В.Г. НЕКРАСОВ, "НЕТРОЕН", г. Алма-Ата

Специалисты давно уже пришли к выводу: дальнейшее повышение эффективности силовых агрегатов автомобилей возможно только при сочетании различных циклов. И практика идет по этому пути. Типичный тому пример — дизель с турбонаддувом: в нем сочетаются цикл поршневого двигателя с циклом газовой турбины, работающей на отработавших в поршневой части силового агрегата газах. Однако возможности газотурбинного цикла ограничены, так как турбина использует только часть энергии отработавших газов, остаточное их давление. Да и то не все: газы, выходя из цилиндра в выпускной коллектор, расширяются без совершения полезной работы. Поэтому турбокомпаундирование повышает эффективность небольших двигателей максимум на 3—5 %, а двигателей, предназначенных для большегрузных автомобилей, — на 5— 7 %. Причем отработавшие газы, даже пройдя турбину, имеют температуру 970—1070 К (700—800 °С). Между тем их тепловая энергия, а также энергия, рассеиваемая системой охлаждения двигателя, составляют 60 % и более энергии сгоревшего топлива. Возникает вполне резонный вопрос: а нельзя ли найти такое сочетание циклов, которое позволит значительную часть этих 60 % энергии превратить в полезную работу, повысив тем самым эффективный КПД силовой установки? Ответ на него тоже известен: чтобы, например, использовать тепловую энергию отработавших газов, ее нужно передать другому рабочему телу, которое может совершать работу. Более того, известны и принципиально возможные варианты утилизации энергии отработавших газов. Это — цикл с воздушной турбиной, газовый цикл Стирлинга, паровой цикл. Но для практической реализации на автомобиле пригодны, к сожалению, не все перечисленные циклы. Так, воздушный цикл требует применения сжатого воздуха, для чего необходимо затратить достаточно большую долю энергии, выработанной поршневым двигателем. Причем компрессор сжимает воздух раньше, чем воздушная турбина начинает отдавать мощность в трансмиссию. Циклу Стирлинга необходимо довольно сложное оборудование, поэтому утилизатор оказывается сложным, громоздким и дорогим. Остается паровой цикл. Он, как известно, может быть либо открытым, либо закрытым. Однако открытый, т. е. со сбросом отработавшего пара, требует большого расхода обессоленной воды, что непригодно для применения на автомобиле. Закрытый с внешним парообразованием (цикл Ренкина) с этой точки зрения подходит вполне: при нем рабочее тело (вода или антифриз) используется многократно и без потерь. Кроме того, если в схеме парогенератора предусмотреть емкость с водой, то в ней можно аккумулировать тепловую энергию и за счет этого согласовывать работу поршневого двигателя и утилизатора. Правда, закрытый паровой цикл имеет одну особенность, усложняющую его применение на автомобилях: для работы парового двигателя отработавший в нем пар необходимо конденсировать. Но на автомобиле источником холода может быть только наружный воздух (даже если применить промежуточный жидкостный теплоноситель). Коэффициент же теплоотдачи от стенки теплообменника воздуху не превышает 10 — 300 ккал/(м2 • ч • °С), что во много раз меньше, чем от стенки воде или конденсирующемуся пару [для воды в трубах К = 500 - 10000 ккал/(м2 • ч • °С), при пленочной конденсации пара К = 4000—15000 ккал/(м2 • ч • °С). Другими словами, нужна очень большая теплообменная поверхность конденсатора. Например, паровой двигатель опытного автомобиля "Шевроле Монте Карло" мощностью 50 кВт (68 л. с.) имел размеры 610x660x410 мм. Кроме того, известно, что КПД парового цикла средних параметров (высокие параметры пара на транспортном двигателе маловероятны) не превышает 25 %. Следовательно, конденсатор данного двигателя должен был рассеивать теплоту, эквивалентную 150 кВт (204 л.с.) мощности. Однако дело не столь безнадежно. Двигатель "Шевроле" был некомпаундированным. Если же паровой цикл применить в качестве утилизационного, т. е. дополнительного, то количество теплоты, отводимой с отработавшим паром в конденсатор, будет существенно меньше. Возьмем, к примеру, автомобиль ВАЗ-1111 "Ока". Для его использования в качестве городского автомобиля требуется мощность ~20 кВт (27 л. с.). При паровой утилизации она распределится следующим образом: 16 кВт (80 %) — поршневой двигатель, 4 кВт (20 %) — паровой утилизатор. Если КПД парового цикла даже не 25, а 20%, то энергия, отводимая в конденсатор с отработавшим паром, составит 16 кВт. В то же время тепловая энергия автомобиля ВАЗ-2103, оборудованного двигателем мощностью 50 кВт (68 л. с.), при ne = 0,32 составляет 34 кВт, то есть потребная площадь парового радиатора (конденсатора) автомобиля BA3-11I1 будет значительно меньше, чем у ВАЗ-2105. Вариант паротурбинного утилизатора для двигателя такой мощности, как у ВАЗ-1111, проработан. В нем сочетаются высокооборотная паровая турбина и маховик, который выполняет функции аккумулятора энергии. (Эта энергия подводится к ведущим колесам при начале движения и во время разгонов автомобиля.) В качестве конструктивного решения, позволяющего сократить габаритные размеры утилизационного блока, рассмотрена возможность использования конденсации в вынесенных за пределы моторного отсека камерах с развитой теплопередающей поверхностью. То есть решение, которое в свое время предложил американский изобретатель Лир, пытавшийся применить паровой двигатель на автобусе. В разработанном им двигателе пар от паровой турбины по сдвоенным трубопроводам длиной 2 м и диаметром 100 мм отводился к теплообменнику первой ступени при тепловой мощности конденсатора 480 кВт и удельной нагрузке сечения пароотводящих каналов 3 кВт/см2. В итоге появилась схема блока утилизатора с размещением турбинного колеса и маховика в камере отработавшего пара (рис. 1) и отводом пара к охлаждающим поверхностям, которые располагаются (рис. 2) на боковых стенках задней части автомобиля и крыше в салоне. Как видим, такое решение позволяет сократить размеры аккумулятора энергии до 540 х 260 мм, что вполне приемлемо для его размещения на днище в задней части автомобиля. Размеры же поперечнного сечения коробов по которым отработавший пар отводится к охлаждающим поверхностям, получились наоборот, большими, 50 x 500 мм, что при сдвоенном (левый и правый) их выполнении дает 500 см2. В результате удельная тепловая нагрузка составляла 0,04 кВт/см2 . Это в 75 раз меньше, чем в предложении Лира. Возврат конденсата от охлаждающих поверхностей в камеру утилизатора — самотеком. Для интенсификации конденсации в охлаждающих поверхностях, расположенных на крыше в салоне, где при остановке автомобиля или малой скорости его движения охлаждение трубок конденсатора воздухом может быть недостаточным, предусмотрены два вентилятора обдува с электроприводом. Для поддержания вакуума в конденсаторе и во избежание скопления неконденсирующихся газов (воздуха) на периферийных участках охлаждающих поверхностей есть вакуумный насос пластинчатого типа (тоже с электроприводом). Конденсат из камеры его сбора, расположенной в нижней части корпуса аккумулятора, на впуск водяного насоса высокого давления подается центробежным насосом. Рассмотренный блок, в котором объединены утилизатор и аккумулятор энергии, можно применить не только в случае гидрообъемной, но и серийной механической трансмиссии. Для этого в ее конструкцию нужно ввести вал, с которым через обгонную муфту соединяется гидродвигатель, работающий от маховика аккумулятора энергии. Но наибольший эффект будет все-таки достигнут при создании нового автомобиля, в котором в качестве основной трансмиссии будет применена гипрообъемная передача. В данном случае аккумулятор энергии включается в единую трансмиссию по схеме работы двух насосов, работающих параллельно, что позволяет наиболее полно использовать возможности как базового ДВС, так и парового утилизатора энергии отработавших газов.