Автомобільний термогенератор

14.07.2016

Актуальність дослідження. Сучасний світ неможливо уявити собі без автомобілів. Якщо лише 80 років тому вони були чимось фантастичним, то зараз це вже необхідний агрегат для кожної людини з нормальним достатком. Не дивно, що на даний момент є багато питань по конструкції автомобіля, що вимагають рішення. Однією з важливих проблем сучасних авто є підзарядка автомобільного акумулятора. На даний момент основним способом підзарядки є використання пасової передачі від колінчастого валу двигуна до валу індукційного електрогенератора, який заряджає акумулятор і живить електричні прилади автомобіля. Така конструкція далека від досконалості. По-перше, при такій передачі втрачається значна кількість енергії, по-друге, з ременем і власне самим генератором часто виникають проблеми, з-за чого вони потребують заміни.

Таким чином, виникає проблема створення нового типу автомобільних генераторів, які не мають перерахованих недоліків.

Об’єктом дослідження є вивчення роботи термогенераторів, які зможуть стати заміною індукційних автомобільних генераторів.

Предметом досліджень є розробка нового автомобільного генератора працюючого за рахунок тепла, що виділяється двигуном авто.

Робоча гіпотеза дослідження. можна створити новий автомобільний термогенератор, який буде підходити для всіх конструкцій двигунів і зможе повністю замінити старі моделі автомобільних генераторів.

Мета дослідження: розробити термогенератор, що буде використовувати тепло двигуна для зарядки автомобільного акумулятора.

Щоб досягти цієї мети необхідно вирішити наступні завдання :

1. Проаналізувати принцип роботи та можливості сучасних термогенераторів.

2. Встановити фізичні процеси, які можна використовувати для створення автомобільного термогенератор.

3. Розробити ефективний автомобільний термоелектрогенератор.

У процесі роботи були використані наступні методи дослідження :

— теоретичний аналіз досліджуваної проблеми;

— теоретичний аналіз фізичних процесів для створення такого термогенератор;

— фізико-технічний експеримент, який дозволить підтвердити ефективність використання такого генератора.

Наукова новизна проведеного наукового дослідження полягає в наступному:

Вперше запропоновано універсальний термогенератор, який можна використовувати для будь-яких конструкцій автомобільних двигунів, і зможе повністю замінити індукційні електричні генератори автомобілів.

Практична значимість отриманих результатів — це створення термоелектричного генератора, який спрощує обслуговування автомобіля і зменшує витрату палива.

1. СУЧАСНІ СПОСОБИ ЗАРЯДКИ АВТОМОБІЛЬНИХ ГЕНЕРАТОРІВ.

1.1 Загальна характеристика автомобільних генераторів

1.1.1 Будова індукційного генератора автомобіля

На даний момент основним способом підзарядки автомобільного акумулятора, є генератор, який на основі явища електромагнітної індукції перетворює механічну енергію руху колінчастого валу в електроенергію. Він має наступну будову (рис. 1.1.1)

1. Шків — призначений для передачі механічної енергії від двигуна до валу генератора з допомогою ременя.

2. Корпус генератора — складається з двох кришок: передній (з боку шківа) і задній (зі сторони контактних кілець), призначені для кріплення статора, установка генератора на двигуні та розміщення підшипників (опор) ротора. На задній кришці розміщені діодний міст (випрямляч електричного струму), щітковий вузол, регулятор напруги й зовнішні виводи для підключення до системи електрообладнання.

3. Ротор — сталевий вал з розміщеним на ньому двома сталевими втулками кпювоподибной форми. Між ними знаходиться обмотка збудження, висновки якої з’єднані з контактними кільцями. Генератори обладнані переважно циліндричними мідними контактними кільцями.

4. Статор — пакет, набраний із сталевих листів, що має форму труби. В його пазах розміщена трифазна обмотка, в якій проводиться ЕРС генератора, тобто в автомобільних генераторах грає роль якоря статор.

5. Діодний міст — об’єднує шість потужних діодів встановлених по три в позитивному і негативному напрямку, призначений для випрямлення змінного струму.

6. Регулятор напруги — пристрій, що підтримує напруга електричної системи автомобіля в заданих межах при зміні електричного навантаження, частоти обертання ротора генератора і температури навколишнього середовища.

7. Щітковий вузол — пластмасова конструкція, в якій встановлені підпружинені щітки, що контактують з кільцями ротора;

8. Кришка діодного модуля — захищає генератор від пошкоджень.

1.1.2 Принцип дії індукційного генератора автомобіля

Автомобільний індукційний генератор працює за наступним принципом. При роботі двигуна автомобіля, механічний рух колінчастого вала передається ротору генератора з допомогою клинового ременя. У цей момент на кільця індуктора генератора з допомогою щіток подається напруга. В індукторі виникає струм, що створює магнітне поле. Так як індуктор є ротором, тобто обертається, то створюване ним магнітне поле буде змінним. Це змінне магнітне поле пронизує обмотку статора і породжує в ній змінний струм. Далі з допомогою діодного моста перетворюють змінний струм в постійний. Далі він подається до регулятора напруги, а звідти до електричної системи автомобіля. Напруга в цій системі, при працюючому генераторі, приблизно дорівнює 13,5-14,5 Ст. Це вище рівня напруги на акумуляторі, тому цей струм здатний заряджати акумулятор. Такі генератори мають ККД 50-60% і потужність 500 — 700 Вт.

Слабкими місцями такого генератора є щітковий вузол і діодний міст. Саме вони найчастіше виходять з ладу, що спричиняє відмову в роботі генератора. Також періодичної заміни вимагає ремінь пасової передачі генератора.

Крім того, генератор споживає енергію двигуна, зменшуючи його потужність (з урахуванням ККД генератора) приблизно на 1000 Вт.

Виходячи, з спожитої потужності встановимо кількість пального, яке витрачається на роботу генератора автомобіля протягом однієї години.

Роботу генератора А знайдемо за формулою —

(1.1)

де Р — потужність генератора, t — час роботи генератора. Ця робота виконується за рахунок згоряння палива у двигуні автомобіля. Тому її можна розрахувати наступним чином —

(1.2)

де ? — ККД двигуна, а Q — кількість теплоти, отриманої за рахунок згоряння палива. Нехай ККД теплового двигуна 40%. Q знайдемо за формулою —

1.3)

де q — питома теплота згоряння палива (для бензину q = 4,6 · 10 7 (Дж / кг)). Масу m знайдемо за формулою. де ? — щільність пального (для бензину ? = 700 (кг/м 3 )), а V — обсяг палива. З урахуванням наведеного вище маємо —

(1.4)

Звідки —

(1.5)

Підставимо до отриманого виразу дані —

тобто, при русі автомобіля по місту з середньою швидкістю 50 км/год, на кожні 100 км для забезпечення роботи генератора витрачається близько 0,56 л бензину.

Висновки: автомобільні індукційні генератори вимагають постійного технічного обслуговування і споживають значну кількість палива, тому вони потребують хоча б якоїсь альтернативи, або — повної заміни на більш сучасні генератори.

2. АВТОМОБІЛЬНИЙ термогенератор

2.1. Теплопередача

Застосування автомобільного термогенераторів вимагає ознайомлення з явищем теплопередачі [1] [2]. Теплопередачею називають зміну внутрішньої енергії термодинамічної системи без виконання над нею роботи. В нашому пристрої тепло буде передаватися від гарячої труби глушника через пісок в термогенератор (Рис. 2.1.1) далі його частина буде

перетворюватися в електричну енергію, а частина розсіюватися в навколишнє середовище.

У такій системі процес передачі теплоти відбувається в 3 стадії (Рис. 2.1.2):

— Тепловіддача від поверхні глушника до піску, описують формулою —

Q = k?St?T 1 (2.1)

— Теплопровідність через пісок; описують формулою

(2.2)

— Тепловіддача з поверхні піску до термогенератору, описують формулою

Q = ?St?T 3. (2.3)

Сукупність цих трьох таких процесів називається теплопередачею.

Якщо Q — кількість теплоти, що переноситься через пісок, k — коефіцієнт теплопередачі, S — площа поверхні, через яку відбувається теплопередача, l -товщина теплопровідного шару піску, t — тривалість процесу, різниця температур двох середовищ ? 1 — коефіцієнт тепловіддачі на першій граничної поверхні піску, ? 2 — коефіцієнт тепловіддачі на другий граничної поверхні піску, теплопровідність твердого тіла (піску) (таблична величина), то з урахуванням того, що тепловий потік на всіх ділянках теплообміну повинен залишатися постійним, маємо:

Величина, зворотна вирази в дужках, називається коефіцієнтом теплопередачі:

2.8)

Таким чином, процес теплопередачі є табличною величиною і описується формулою

(2.9) .

Одиниця СІ коефіцієнта теплопередачі [ k ]=.

Величину

1/kS (2.10)

називають тепловим опором. Тепловий опір залежить від S — площі поверхні по якій проходить тепло і коефіцієнта теплопередачі — k .

2.2 Термоелектричний генератор

Термоелектрогенератор — пристрій призначений для безпосереднього перетворення тепла в електричну енергію [3]. Принцип його дії заснований на ефекті Зеєбека — явище виникнення ЕРС в електричної ланцюга, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних провідників, контакти між якими знаходяться при різних температурах.

Сучасні термогенератор виготовляють із напівпровідників. В напівпровідниках кінетична енергія теплового руху вільних електронів збільшується пропорційно абсолютній температурі. Звідси випливає, що якщо в напівпровіднику створити різницю температур, то на гарячому кінці концентрація вільних електронів збільшиться. Тому в напівпровіднику почнеться переміщення їх (дифузія) в напрямку від гарячого кінця до холодного; холодний кінець напівпровідника зарядиться негативно, а гарячий — позитивно, оскільки він втрачає частину електронів, що переходять до холодного кінця (Рис. 2.2.2). У результаті з’явиться різниця потенціалів між кінцями напівпровідника. У дырочном напівпровіднику гарячий кінець, навпаки, заряджає негативно а холодний — позитивно. Процес дифузії зарядів, викликаний наявністю градієнта температури, буде продовжуватися до тих пір, поки

виникла різниця потенціалів не буде компенсувати цей дифузійний потік електричним струмом зворотного напрямку. Це рівновага і визначить виникла термоелектрорушійної сили.

Як правило, напівпровідниковий термоелемент складається з двох напівпровідників різного типу, сполучених металевою пластинкою (Рис. 2.2.3).

У місці з’єднання напівпровідники нагріваються, а інші кінці їх охолоджуються повітрям або іншим способом і є полюсами термоелемента, в яких поєднується зовнішню ланцюг. З термоелементів складають термоелектричні батареї.

Величина термоелектрорушійної сили напівпровідникового термоелемента визначається за формулою ? = (? 1 + ? 2 ) (Т 1 -Т 2 ), де ? — термоелектрорушійної сила, що виникає в місті з’єднання двох провідників, а ? 1. і ? 2 — термоелектрорушійної сили в кожному напівпровіднику при різниці температур на його кінцях 1 °С. Зазвичай один термоелемент не може забезпечити достатньої електричної потужності. Тому сучасні термоелектричні модулі з’єднують «змейчатым» способом і розміщують в захисному корпусі Рис. 2.2.4.

Сам прилад у вертикальному розрізі повинен мати вигляд зображений на рис. 2.2.5.

Він має вид ланцюга, ланками якого є термоелектричний модуль китайського виробництва PELTIER2 (Рис. 2.1.2.6) розміром 40х40 мм, розрахований на виробництво струму 6А при напрузі 15В, якщо різниця температур між гарячим і холодним спаями становить 200 ° С.

Для збільшення сили струму модулі мають паралельне підключення. Ланки ланцюга механічно з’єднані між собою скобою металевими скобами.

З малюнка 2.2.7. видно що генератор буде вдягатися на вихлопну трубу.

У різних автомобілів труби глушника мають різний діаметр. Зазвичай максимальний діаметр труб 35 мм. Тому внутрішній діаметр нашої насадки буде 40 мм. Порожнину між насадкою глушником буде заповнюватися піском, так як він має високу теплопровідність, і затыкаться азбестовими пробками, стійких до високих температур.

До пристрою можна додати охолоджуючі пластини. Роль охолодних пластин полягає в наступному. Як нам ясно з формул розділу 2.1.1, тепловіддача безпосередньо залежить від площі поверхні, на якій вона здійснюється. Таким чином збільшивши площу поверхні тепловіддачі, ми знизимо температуру холодного спаю, наближаючи її до температури середовища. Це і є однією із самих головних умов ефективності термогенератор, різниця температур. На провідники що з’єднувати генератор з електричним обладнанням автомобіля буде встановлений діод, який буде запобігати розряду акумулятора через генератор в той час коли система вимкнена. Така розрядка можлива завдяки ефекту Пельтьє, який є зворотним ефекту Зеєбека.

Таким чином можна створити термогенератор який буде живити автомобільний акумулятор і бортову систему автомобіля.

3. Експериментальні дослідження

3.1 Експериментальне дослідження падіння температури при проходженні тепла крізь шар піску

Пісок в автомобільному тэрмогенераторе виконує дві функції:

По-перше, він є ущільнювачем, через який передається тепло;

По-друге, температура, яка передається від труби глушника при передачі тепла через пісок повинна знизитися до робочої температури термоелектричного модуля (300 ° С).

Щоб перевірити придатність піску як ущільнювача проведемо дослідження його теплопровідності. Для цього зберемо таку установку (рис. 3.1)

В посудину 3 наберемо трохи води і поставимо її на електричну плитку. На малу глибину у воду окунем посудина із шаром піску товщиною 1 див. В пісок і воду окунем термометри. Якщо включити плитку в електричну мережу вода починає нагріватися і передавати тепло піску. За показаннями термометрів 1 і 2 можна побудувати графік рис. 3.2.

З наших досліджень випливає, що при проходженні тепла через шар піску товщиною 1 см температура знижується на 30%. Тому, якщо труба глушника має температуру 400 ° С, то температура гарячої поверхні автомобільного термогенератор складе 280 ° С, що цілком достатньо для роботи генератора.

ВИСНОВОК

Даний прилад є абсолютно новим за своїм принципом дії і має ряд переваг перед своїми аналогами, а саме:

1. Підвищує економічність роботи автомобіля;

2. Надійний;

3. Простий у виготовленні і використанні;

4. Має малі габарити;

5. Має відносно низьку собівартість;

6. Значно спрощує пристрій авто;

7. Заощаджує паливо, а значить зменшує викиди в навколишнє середовище;

8. Зменшує теплові викиди за рахунок відбирання тепла.

Всі вище наведені зауваження на ефективність застосування даного генератора для комерційного використання.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

    Андріївський С.К. Книга для читання з фізики. / Молекулярна фізика і теплота / С. К. Андріївський, М. А. Пушкарьов — К. Радянська школа, 1958 — Частина ІІ. — 218 с. Елементарний підручник фізики: Механіка. Теплота. Молекулярна фізика: у 3т. / за редакцією Р. С. Лансдберга. — К. Радянська школа, 1968.

Т. 1. — 1968 — 556 с.

    Елементарний підручник фізики: Електрика і магнетизм: у 3т. / за редакцією Р. С. Лансдберга К. Радянська школа, 1967.

Т. 2. — 1967р. — 456 с.

Рис. 1.1.1

Пристрій автомобільного індукційного генератора. 1 — шків; 2 — корпус генератора; 3 — ротор (індуктор); 4 — статор (якір); 5 — дидный міст; 6 — регулятор напруги; 7 — щітковий вузол; 8 — захисна кришка діодного моста.

Рис. 2.1.1

Передача тепла до термогенератору. Тепло передатися від гарячої труби глушника крізь пісок до термогенератору.

EMBED Flash.Movie

Рис. 2.1.2

Рис. 2.2.1

Умовне позначення термоелектрогенератора в електричних схемах

Рис. 2.2.2

Термоелектрорушійна сила в напівпровідниках а — в електронному ; б — в дырочном.

Рис. 2.2.3

Напівпровідниковий термоелемент

Рис. 2.2.4

Пристрій термогенераторів: 1 — напівпровідник р — типу; 2 — напівпровідник n — типу; 3 — холодний контакт; 4 — гарячий контакт.

Рис. 2.2. 5

Пристрій автомобільного термоелектрогенератора: 1 — термоелектричний блок; 2 — холодильник; 3 — скоба з’єднання.

Рис. 2.2.6

Зовнішній вигляд термоелектричного модуля PELTIER2

Рис. 2.2.7.

Розміщення автомобільного тэрмогенератора: 1 — труба глушника; 2 — пісок; 3 холодильник автомобільного тэрмогенератора.

іс. 3. 2

Рис. 3.1

Установка для знаходження коефіцієнта теплопередачі піску:

1 — термометр для вимірювання температури піску, 2 — термометр для вимірювання температури води, 3 — посудину з піском; посудина з водою; 5 — електроплитка.

Короткий опис статті: акумулятор автомобільний Пристрій індукційного генератора автомобіля Принцип дії індукційного генератора автомобіля На даний момент основним способом підзарядки є використання пасової передачі від колінчастого валу двигуна до валу індукційного електрогенератора який заряджає акумулятор і живить електричні прилади автомобіля. Предметом досліджень є розробка нового автомобільного генератора працюючого за рахунок тепла, що виділяється двигуном авто. генератора, автомобіля, термогенератор, піску, автомобільного, є, поверхні, пісок, тепла, генератор, автомобільних, дослідження, роботи, глушника, двигуна, автомобільний, рис, температур, генераторів, пристрій, Курсова, Виробництво і промислові технології

Джерело: Автомобільний термогенератор

Також ви можете прочитати