avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2026-10-2-24-30XJVDCAavroen-169Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGПовышение эффективности силовых установок с рекуперацией тепла автомобильной техники на основе применения рабочего вещества с оптимальными физическими свойствамиIncreasing the efficiency of power plants with heat recovery of automotive equipment by using a working substance with optimal physical propertieshttps://orcid.org/0000-0001-6171-227XФутинВ. А.FutinV. A.

Футин Виктор Александрович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Теплотехника и энергетическое машиностроение».

420111, Казань, ул. К. Маркса, 10

AuthorID (РИНЦ) 713366, AuthorID (SCOPUS) 23027608200

Viktor A. Futin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Heat Engineering and Power Engineering Department, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev–KAI.

K. Marks St., 10, Kazan, 420111

AuthorID (RSCI) 713366, AuthorID (SCOPUS) 23027608200

vafutin@kai.ruКазанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева–КАИРоссияKazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev–KAIRussian Federation2026120720261022430Copyright © Футин В.А., 20262026Футин В.А.Futin V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/169

Актуальным вопросом является повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания за счет применения рекуперативного цикла Ренкина, позволяющего преобразовать тепловые потери в дополнительную полезную работу, что может привести к снижению расхода топлива и экономии ресурсов.

На основе анализа современной литературы было показано, что эффективность цикла Ренкина зависит от свойств рабочих веществ, реализующих цикл. В работе рассматривается влияние физических свойств рабочих веществ на эффективность рекуперативного цикла Ренкина. При этом все рабочие вещества разделены на три группы: одно–трехатомные, четырех–шестиатомные и с числом атомов больше шести. Каждой группе соответствует свой тип T-S-диаграммы. Для каждой группы веществ разработана физическая и математическая модели физических свойств.

На основе моделей физических свойств были получены выражения для коэффициента полезного действия цикла Ренкина для указанных групп веществ. При этом были введены в рассмотрение безразмерные относительные и приведённые величины. Проведён численно-графический анализ зависимости коэффициента полезного действия цикла Ренкина от основных безразмерных величин. На основе проведённого анализа были выработаны рекомендации для выбора или синтеза оптимального рабочего вещества, реализующего цикл Ренкина.

An urgent issue is to increase the efficiency of the internal combustion engine through the use of a Rankine regenerative cycle, which allows converting heat losses into additional useful work, which can lead to lower fuel consumption and resource savings.

Based on the analysis of modern literature, it has been shown that the effectiveness of the Rankine cycle depends on the properties of the working substances that implement the cycle. The paper examines the effects of the physical properties of working substances on the efficiency of the Rankine regenerative cycle. At the same time, all working substances are divided into three groups: 1–3 atomic, 4–6 atomic and with more than six atoms. Each group has its own type of T-S chart. Physical and mathematical models of physical properties have been developed for each group of substances.

Based on models of physical properties, expressions for the efficiency of the Rankine cycle for these groups of substances are obtained. Moreover, dimensionless relative and reduced values are introduced into consideration. The author provides a numerical and graphical analysis of the dependence of the efficiency of the Rankine cycle on the basic dimensionless quantities. Therefore, the author develops recommendations for the selection or synthesis of the optimal working substance implementing the Rankine cycle.

цикл Ренкинакоэффициент полезного действиятеоретическое исследованиечисло атомовтемпературадавлениерабочее веществоRankine cycleefficiencytheoretical researchnumber of atomstemperaturepressureworking substanceReferencesDurand T., Eggenschwiler P. D., Tang Y. Potential of energy recuperation in the exhaust gas of state of the art light duty vehicles with thermoelectric elements. Fuel. 2018;224:271–279. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.03.078.Durand T., Eggenschwiler P. D., Tang Y. Potential of energy recuperation in the exhaust gas of state of the art light duty vehicles with thermoelectric elements. Fuel. 2018;224:271–279. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.03.078.Евдокимов В. С., Чернов Г. И., Калашников А. М., Райковский Н. А. Рекуперация тепловых потерь водородного двигателя внутреннего сгорания на основе разомкнутого цикла Ренкина // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2026. № 1. С. 226–237. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2026-1-226-227. EDN: YEBUYR.Evdokimov V. S., Chernov G. I., Kalashnikov A. M., Raikovsky N. A. Recovery of heat losses of a hydrogen internal combustion engine based on an open Rankine cycle. Izvestiya Tul’skogo Gosudarstvennogo Universiteta. Tekhnicheskiye Nauki. 2026;1:226–237. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2026-1-226-227. EDN: YEBUYR. (In Russ.).Калашников А. М., Чернов Г. И., Евдокимов В. С. Математическая модель системы рекуперации тепловых потерь передвижной компрессорной станции на основе холодильной машины // Глобальная энергия. 2024. Т. 30, № 2. С. 35–48. https://doi.org/10.18721/JEST.30202. EDN: NVBGOM.Kalashnikov A. M., Chernov G. I., Evdokimov V. S. Mathematical model of the waste heat recovery system of a mobile compressor station based on a refrigeration unit. Global Energy. 2024;2(30):35–48. https://doi.org/10.18721/JEST.30202. EDN: NVBGOM. (In Russ.).Чернов Г. И., Васильев В. К., Садвакасов Д. Х. [и др.]. Анализ влияния эффективности рекуперативного теплообмена на тепловые потери мобильной компрессорной установки // Компрессорная техника и пневматика. 2017. № 2. С. 33–35. EDN: YLEITN.Chernov G. I., Vasiliev V. K., Sadvakasov D. H. [et al.]. Analysis of the impact of efficiency of regenerative heat exchange in the heat loss of mobile compressor unit. Compressors & Pneumatics. 2017;2:33–35. EDN: YLEITN. (In Russ.).Леонов В. П., Воронов В. А., Апсит К. А. [и др.]. Цикл Ренкина с низкопотенциальным источником теплоты // Инженерный журнал: наука и инновации. 2015. № 2 (38). С. 12. EDN: TPIFVV.Leonov V. P., Voronov V. A., Apsit K. A. [et al.]. Rankine cycle with low-potential heat source. Engineering Journal: Science and Innovation. 2015;2(38):12. EDN: TPIFVV. (In Russ.).Burnete N. V., Mariasiu F., Depcik C. [et al.]. Review of thermoelectric generation for internal combustion engine waste heat recovery. Progress in Energy and Combustion Science. 2022;91:101009. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2022.101009.Burnete N. V., Mariasiu F., Depcik C. [et al.]. Review of thermoelectric generation for internal combustion engine waste heat recovery. Progress in Energy and Combustion Science. 2022;91:101009. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2022.101009.Yusha V. L., Chernov G. I., Sadvakasov D. H. The efficiency analysis for the heat losses recuperation system of the mobile refrigeration unit. Procedia Engineering. 2016;152:339–347. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.713.Yusha V. L., Chernov G. I., Sadvakasov D. H. The efficiency analysis for the heat losses recuperation system of the mobile refrigeration unit. Procedia Engineering. 2016;152:339–347. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.713.Белов Г. В., Дорохова М. А. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014. № 2. С. 99–124. https://doi.org/10.7463/0214.0699165. EDN: SGSLVP.Belov G. V., Dorokhova M. A. Organic Rankine Cycle and its application in renewable power engineering. Nauka i Obrazovaniye: Nauchnoye Izdaniye MGTU im. N. E. Baumana. 2014;2:99–124. https://doi.org/10.7463/0214.0699165. EDN: SGSLVP. (In Russ.).Леонов В. П., Воронов В. А., Апсит К. А., Ципун А. Цикл Ренкина с низкопотенциальным источником теплоты // Инженерный журнал: наука и инновации. 2015. № 2 (38). С. 12. EDN: TPIFVV.Leonov V., Voronov V., Apsit K., Tsipun A. Rankine cycle with low-potential heat source. Engineering Journal: Science and Innovation. 2015;2(38):12. EDN: TPIFVV. (In Russ.).Минцаев М. Ш., Ахмиева Г. Р. Возможности использования органического цикла Ренкина в различных отраслях экономики: мировой опыт и экономическая целесообразность // Экономика и предпринимательство. 2023. № 7 (156). С. 1456–1459. https://doi.org/10.34925/EIP.2023.156.7.263. EDN: SMGFKQ.Mintsaev M. Sh., Akhmieva G. R. Possibilities of using the Organic Rankine Cycle in various sectors of the economy: global experience and economic feasibility. Ekonomika i Predprinimatel’stvo. 2023;7(156):1456–1459. https://doi.org/10.34925/EIP.2023.156.7.263. EDN: SMGFKQ. (In Russ.).Калашников А. М., Чернов Г. И., Парамонов А. М. [и др.]. Верификация методики расчета теплообменников систем рекуперации тепловых потерь энерготехнологических установок // Компрессорная техника и пневматика. 2021. № 3. С. 22–28. EDN: XZHWZK.Kalashnikov A. M., Chernov G. I., Paramonov A. M. [et al.]. Verification of the methodology for calculating heat exchangers or heat loss recovery systems of power engineering installations. Compressors & Pneumatics. 2021;3:22–28. EDN: XZHWZK. (In Russ.).Чернов Г. И., Калашников А. М., Юша В. Л. [и др.]. Параметрический анализ теплообменного аппарата системы рекуперации тепловых потерь мобильной компрессорной установки // Компрессорная техника и пневматика. 2019. № 2. С. 17–21. EDN: XYDCTA.Chernov G. L., Kalashnikov A. M., Yusha V. L. [et al.]. Parametric analysis of the heat exchanger of the heat loss recovery system of a mobile compressor unit. Compressors & Pneumatics. 2019;2:17–21. EDN: XYDCTA. (In Russ.).Bahrami M., Pourfayaz F., Ahmadi M. H. Waste heat recovery of a micro gas turbine: A comprehensive comparison between organic Rankine, supercritical Brayton and Kalina cycles. Applied Thermal Engineering. 2026;1(288):129556. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.129556.Bahrami M., Pourfayaz F., Ahmadi M. H. Waste heat recovery of a micro gas turbine: A comprehensive comparison between organic Rankine, supercritical Brayton and Kalina cycles. Applied Thermal Engineering. 2026;1(288):129556. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.129556.Zhao J., Zhang H., Ying L. Cryogenic energy-assisted organic Rankine cycles with low-flammability refrigerants: System charge effects and environmental performance. Fuel Processing Technology. 2026;289:108461. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2026.108461.Zhao J., Zhang H., Ying L. Cryogenic energy-assisted organic Rankine cycles with low-flammability refrigerants: System charge effects and environmental performance. Fuel Processing Technology. 2026;289:108461. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2026.108461.Chen Y., Bao A., Wu D. [et al.]. Experimental study of discharge performance of pumped thermal energy storage system based on organic Rankine cycle. Energy. 2025;340:139398. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.139398.Chen Y., Bao A., Wu D. [et al.]. Experimental study of discharge performance of pumped thermal energy storage system based on organic Rankine cycle. Energy. 2025;340:139398. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.139398.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.