BMW: Энергия из термоса

Всем известно, что даже у самых навороченных современных ДВС коэффициент полезного действия не превышает 33%. Две трети топлива, которое мы заливаем в баки, превращаются в тепло и не производят никакой полезной работы (диаграмма на верхней картинке). Исключением являются лишь турбонагнетатели, работающие на выхлопных газах и салонные отопители. Но они переваривают лишь мизерную долю всего вырабатываемого тепла.

Инженеры BMW видят в использовании избыточного нагрева огромный потенциал для снижения расхода топлива и выбросов углекислого газа. В настоящее время они ведут разработку трех проектов в этой области – технологии по снижению отрицательного эффекта холодного запуска, оптимизация обогрева салона и технологии термоэлектрогенераторов.

Холодный запуск – критическая фаза в графике потребления топлива. В среднем расход топлива в ней повышается на 10% в зависимости от внешней температуры. Кроме того, резко увеличивается трение и износ двигателя.

Термос для двигателя

Андреас Эдер, руководитель программы BMW по использованию тепловой энергии, говорит, что задачей инженеров компании является максимальное сокращение времени прогрева. Для этого они применяют метод термоизоляции двигателя – заключение его в своеобразный термос (на снимке). При этом, температура масла и металлических компонентов за 12 часов снижается с 80 до 40 градусов. Таким образом, при ежедневном использовании машины холодный запуск можно исключить вовсе. Для избежания перегрева излишки тепла в термосе выводятся через систему охлаждения.

Такая методика имеет ряд побочных положительных моментов – элементы силовой установки, требующие дополнительного охлаждения теперь изолированы от горячего мотора; значительно повышается акустический комфорт в салоне; воздух в салоне автомобиля прогревается до комнатной температуры буквально в течении нескольких секунд.

Расчетное снижение расхода топлива при использовании термоса составляет 0,2% на каждый градус. То есть – при температуре двигателя 40 градусов в фазе запуска экономия достигнет 8%.

Выхлопные газы согреют салон

Огромный потенциал в снижении расхода топлива таит в себе тепловая энергия выхлопных газов. Например, в дизельных автомобилях использование этой энергии для обогрева салона экономит до 10% топлива в зависимости от внешних условий. Дело в том, что современные дизели с прямым впрыском настолько эффективно сжигают солярку, что количество тепла, отбираемое системой охлаждения недостаточно для обогрева салона. Автопроизводители вынуждены использовать для этого электрические нагреватели, которые сами по себе отбирают часть мощности мотора. Получается замкнутый круг – экономичные двигатели вынуждены сжигать дополнительно до 1 литра топлива на сотню ради обогрева салона.

Логичное решение проблемы – установка на выпускной системе теплообменника, извлекающего тепло и подающего его в салон автомобиля. Оптимальная конфигурация такого узла позволяет вовсе отказаться от электрического обогревателя и снизить расход топлива дизельного двигателя еще на целый литр на сотню!

С бензиновыми моторами картинка несколько иная – они производят гораздо больше избыточного тепла, чем дизели. Система охлаждения в них вполне справляется с обогревом салона. Вся энергия, полученная от системы выпуска в них может быть закачана обратно в термос двигателя, дополнительно сократив таким образом снижение температуры во время стоянки.

Электричество из тепла

Прямое использование тепла в автомобиле может быть реализовано благодаря продуманной системе управления его потоками и хранением. Значительно сложнее превратить его в электричество, а ведь электричества современным машинам требуется все больше и больше. Для этой цели инженеры BMW пытаются адаптировать технологию термоэлектрогенерации – TEG. Первая система такого рода была создана компанией BMW еще в 2004 году. Она устанавливалась на внешнюю сторону каталитического нейтрализатора под днищем автомобиля. В 2009 году они представили второе поколение TEG, полностью интегрированное с системой рециркуляции выхлопных газов (картинка ниже).

Нынешняя версия TEG производит до 250 ватт электроэнергии и снижает расход топлива на 2%. Обычные системы рециркуляции выхлопных газов EGR предназначены для снижения рабочей температуры камеры сгорания. Это значительно снижает образование вредных окисей азота. Часть охлажденных отработанных газов в EGR поступает в топливовоздушную смесь, что приводит к снижению температуры процесса. Обычно в EGR применяют жидкостное охлаждение.

Инженеры BMW интегрировали термоэлектрогенератор TEG в систему EGR в области выпускного коллектора, где температура газов максимальна. Выше температура – больше электричества. Больше электричества – эффективнее охлаждение порции газов, предназначенных для добавления в смеси. Так выглядит логическая цепочка по мнению Андреаса Эдера. Он считает, что комплексная система EGR-TEG (картинка внизу) является самым эффективным решением и, при наличии хороших исходных материалов для термопары, может стать серийной в кратчайшие сроки.

Результаты исследований BMW обнадеживают, хотя и в этой области предстоит решить еще массу серьезных проблем. Таких например, как снижение размеров системы EGR-TEG, создание совершенно новой конструкции каталитического нейтрализатора с интегрированным TEG и поиск новых материалов для превращения тепла в электричество.

Андреас Эдер убежден, что эти проблемы будут решены уже в ближайшем будущем, что позволит снизить расход топлива современного BMW на 5% только за счет использования бросового тепла.