Соглашение о предоставлении субсидии от ... 14.577.21.0113 ПНИ «Разработка экспериментального источника электрического ...

Соглашение о предоставлении субсидии от 23 сентября 2014 г. №
14.577.21.0113
ПНИ «Разработка экспериментального источника электрического питания с
непосредственным преобразованием теплоты для транспортных систем
различного назначения на базе высокоэффективных термогенераторных
батарей». Руководитель проекта - д-р техн. наук, проф., академик РАН
Леонтьев А.И.
МГТУ им. Н.Э. Баумана выполняет грант Минобрнауки на разработку
источника питания на базе высокоэффективных термогенераторных батарей
для автомобильного двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Исполнителями прикладного научного исследования (ПНИ) по теме
«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» являются УИЦ НТ
НМСТ и НОЦ "Формула студент" под руководством академика РАН, д-ра
техн. наук, проф. Леонтьева А.И.
В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от
23.09.2014 № 14.577.21.0113 с Минобрнауки России в рамках федеральной
целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20142020 годы» на этапе № 1 в период с 23.09.2014 по 31.12.2014 выполнялись
следующие работы:
- аналитический обзор современной научно-технической, нормативной,
методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему,
исследуемую в рамках ПНИ;
- проведение патентных исследований по ГОСТ 15.011-96;
- проведение сравнительной оценки эффективности возможных направлений
исследований;
- разработка вариантов возможных решений задачи повышения
эффективности теплоэнергетических установок на транспорте путем
использования прямого преобразования тепловой энергии в электрическую,
выбор и обоснование оптимального варианта решения задачи;
- разработка концепции термоэлектрического
автомобильного двигателя внутреннего сгорания;
генератора (ТЭГ) для
- разработка программного обеспечения для расчета конструкции
термоэлементов, включая термоэлементы с составными ветвями,
позволяющего рассчитывать оптимальную конструкцию термоэлемента для
заданных условий эксплуатации, а также выбирать оптимальные размеры
секций термоэлектрического материала;
- разработка конструкций экспериментальных образцов термоэлементов с
составными ветвями;
- разработка испытательного стенда, позволяющего проводить комплексные
измерения
физико-механические
параметры
термоэлементов
и
термоэлектрических генераторных батарей на их основе в широком диапазоне
температур.
При этом были получены следующие результаты:
1) определено современное состояние в сфере проектирования транспортных
систем с интегрированными термогенераторными батареями для утилизации
тепловых потерь и ряд проблем, ограничивающих использование
термогенераторных батарей при серийном выпуске транспортных систем,
среди которых:
- отсутствие комплексной инженерной методики рационального
проектирования конструкций термогенераторных батарей, интегрирование
которых как в существующие, так и во вновь разрабатываемые транспортные
системы позволит снизить расход топлива в среднем до 6 %, наряду с
увеличением удельной мощности до 2 %;
- сравнительно низкий КПД термогенераторных батарей, обусловленный не
эффективным теплообменом между отработавшими газами, стенкой
выпускной системы и термоэлектрическим модулем, входящим в состав
термогенераторной батареи. Данное обстоятельство, по-видимому, связано с
недостаточной проработкой вопросов интенсификации теплообмена между
отработавшими газами, стенкой выпускной системы и термогенераторной
батареей;
- отсутствие рекомендаций, позволяющих осуществлять выбор рациональных
геометрических параметров, а также материала теплообменника для
установки термогенераторных батарей для различных двигателей;
- отсутствие рекомендаций по выбору рациональных материалов и технологий
формирования коммутационных элементов для термоэлектрических модулей,
входящих в состав термогенераторных батарей, эксплуатируемых при
температурах до 800 0С;
- неэффективность режима работы термогенераторной батареи в широком
диапазоне изменения режима работы транспортной системы;
- неэффективность системы охлаждения транспортной системы.
2) Сделан выбор и обоснование направлений исследований, в рамках которых
проведены патентные исследования, сравнительная оценка эффективности
возможных направлений исследований, разработка вариантов возможных
решений задачи, выбор и обоснование оптимального варианта решения
задачи. Разработана концепция ТЭГ для ДВС.
В основу разработанной концепции экспериментального образца источника
электрического питания с непосредственным преобразованием теплоты для
транспортных систем различного назначения на базе высокоэффективных
термогенераторных батарей, работающих в широком диапазоне температур,
были положены следующие принципы:
- ТЭГ и ДВС рассматриваются не как отдельные системы, а как часть единой
системы. При этом для достижения максимальной эффективности утилизации
теплоты выхлопных газов путем её прямого преобразования в электричество
оптимизируется не только конструкция ТЭГ, но и режимы и конструкция
ДВС;
- в конструкции ТЭГ предполагается использование прогрессивных
компоновочных схем ветвей термоэлементов, включая сегментированные
ветви и каскадные термоэлементы;
- расположение ТЭГ как можно ближе к головке блока цилиндров с целью
расширения температурного диапазона (разности температур на спаях ТЭГ);
- теплоизоляция ДВС с целью увеличения полезной мощности ДВС, а также
увеличения температуры выхлопных газов, а, следовательно, и
располагаемого перепад температур и КПД ТЭГ;
- разработка методов интенсификации теплообмена между отработавшими
газами и стенкой выпускной системы, а также методик рационального выбора
таких методов;
- разработка методов коммутации ветвей термоэлементов с использованием
аддитивных технологий, обеспечивающее надежное соединение ветвей с
низким тепловым и электросопротивлением.
Литературный анализ и патентные исследования показали, что направление
использования теплоизолированного двигателя в совокупности с
термоэлектрическим генератором в литературных источниках не встречается
и является новым не только в России, но и в мире.
Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на
отчетном этапе исполненными надлежащим образом.