Повышение эффективности силовых установок с рекуперацией тепла автомобильной техники на основе применения рабочего вещества с оптимальными физическими свойствами

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.