Спроектирован и изготовлен макет термоэлектрического генератора (ТЭГ) электрической мощностью 1000 Вт для утилизации тепла выхлопных газов ДВС

В целях обеспечения выполнения требований технического задания по результатам НИР «Разработка экспериментального образца источника электрического питания с непосредственным преобразованием теплоты для транспортных систем различного назначения на базе высокоэффективных термогенераторных батарей, работающих в широком диапазоне температур» спроектирован и изготовлен макет ТЭГ для утилизации тепла выхлопных газов автомобильных двигателей внутреннего (ДВС) сгорания мощностью не менее 1 кВт.

Конструктивно ТЭГ представляет собой горячий теплообменник, встраиваемый в систему отвода выхлопных газов ДВС с закрепленными термоэлектрическими батареями и системой отвода тепла с холодной стороны батарей. Горячий теплообменник выполнен из стали в виде шестигранной трубы с внутренним вытеснителем и дополнительными ребрами, для интенсификации теплообмена выхлопных газов и теплообменником.

Поверхности крепления термоэлектрических батарей отполированы для минимизации тепловых сопротивлений между теплообменником и батареей. Система охлаждения выполнена в виде индивидуальных теплообменников для каждой батареи, объединённых единым водяным контуром охлаждения.

Испытания макета ТЭГ проводились на моторном стенде на основе V-образного шестицилиндрового двигателя Nissan VQ35HR рабочим объемом 3,5 л и максимальной мощностью 232 кВт.

Стенд позволяет проводит испытания в различных условиях нагружения ДВС. Система датчиков позволяет контролировать параметры работы ДВС, а также параметры работы макета ТЭГ: температуру, поток и давление выхлопных газов, температуру в разных точках ТЭГ, температуру и поток охлаждающей жидкости, электрические параметры как генератора в целом, так и отдельных батарей

В ходе испытаний макета температура выхлопных газов на входе в ТЭГ достигала 900°С и при прохождении через горячий теплообменник ТЭГ снижалась до 690°С. Измерения показали, что тепловой поток выхлопных газов составил около 125 кВт, в системе охлаждения ТЭГ было отведено около 25 кВт тепла. Таким образом, ТЭГ позволил отобрать более 20 % энергии выхлопных газов.

Электрическая мощность, вырабатываемая ТЭГ, достигла 1078 Вт, что удовлетворяет требования технического задания на работу. Достигнутые показатели по вырабатываемой мощности позволяют говорить о полной замене традиционных электрических генераторах, отбирающих механическую энергию ДВС, на термоэлектрические генераторы. Однако для внедрения в серийных автомобилях требуется проведение конструкторской и технологической оптимизации, включая реинжиниринг всей системы отвода выхлопных газов (выпускной коллектор – каталитический нейтрализатор – глушитель – резонатор). Так, оптимальным видится совмещение в одном корпусе ТЭГ и нейтрализатора или ТЭГ и глушителя. Кроме того, требуются испытания на надёжность ТЭГ, включая надёжность батарей, подсистем теплообмена и подсистемы электрической коммутации и согласования.