Реклама
Остатъчна топлина крие голям потенциал за бъдещето.
Дори и най-ефективните двигатели с вътрешно горене могат да превърнат в кинетична енергия за задвижване едва една трета от енергията, която се съдържа в горивото. През последните години BMW EfficientDynamics постигна големи успехи по отношение на ефективността, например чрез технологии за впръскване на горивото, променливо управление на клапаните или свръхпълнене с турбокомпресори, задвижвани от отработените газове, регенерация на спирачната енергия или функция Auto-Start-Stop. Все още обаче около 60% от генерираната енергия се губи като остатъчна топлина в отработените газове или в охладителната течност. Намирането на ефективни начин за оползотворяването на тази остатъчна енергия е една от основните цели на BMW EfficientDynamics за бъдещето. Поради това BMW Group работи по множество проекти, които преследват различни цели за проучване, предсерийни и серийни разработки за оползотворяване на остатъчната топлина. Сред тези проекти са например темите Turbosteamer, термоелектрически генератор, капсулиране на двигателя, както и топлообменник с отработени газове за маслено отопление.
Проектите „Turbosteamer“ и „Термоелектрически генератор (TEG)”, по различен път с и с различни крайни срокове, търсят начини за генериране на енергия от остатъчната топлина, което да доведе до повишаване на ефективността. В това се крие значителен потенциал за икономия. Това е още един крайъгълен камък на философията BMW EfficientDynamics за постигането на по-ниски емисии и разход на гориво при същевременно по- висока динамика и мощност.
При проекта „Turbosteamer“ специалистите BMW Group Forschung und Technik работят по система за оползотворяване на остатъчната топлина, която работи на парния цикъл. Те изхождат от факта, че превръщането й в електроенергия отдавна и много успешно се прилага при топлоелектрическите централи: модерните газови и парни електроцентрали комбинират принципите на газовата турбина, както и на парния цикъл и благодарение на тази комбинация постигат значително по-висок коефициент на полезно действие. Газо-турбинният процес като първа степен на преобразуване на енергията служи като източник на топлина за последващата втора фаза - парния цикъл.
С BMW Turbosteamer този принцип на двустепенното преобразуване на енергията се пренася от стационарното приложение при автомобилите. Ефективността на му бе доказана с първото поколение Turbosteamer, представено през декември 2005 година, при което инженерите използваха т. нар. максималистичен подход: система с два циркулационни кръга.
Първичният носител на енергия бе високотемпературен циркулационен кръг, който чрез топлообменник извлича остатъчната топлина от отработените газове на двигателя с вътрешно горене. Този първи елемент е свързан с втори циркулационен кръг, който оползотворява топлината от охладителната система на двигателя с вътрешно горене и я комбинира с остатъчната топлина на високотемпературния циркулационен кръг, за постигане на по-ниска остатъчна топлина. При тестовете в лабораторни условия с актуалния тогава четирицилиндров бензинов двигател на BMW, системата с два циркулационни кръга постигна до 15% по-висока мощност.
За да може концепцията да бъде доразвита с оглед пригодността й за серийно производство, усилията са насочени основно към намаляването на размера на компонентите и опростяване на системата с цел подобряване на нейната динамиката, както и на оптимизиране на съотношението цена/възможности. За тази цел инженерите търсят възможност за оползотворяването на остатъчната топлина в един-единствен високотемпературен циркулационен кръг.
„Чрез топлообменника извличаме топлина от отработените газове, чрез която изпаряваме втечнен чрез сгъстяване работен агент. Парата задвижва машина, работеща на принципа на разширение на енергоносителя, която генерира електричество от регенерираната термична енергия.”, обяснява Юрген Ринглер, ръководител на групата за термични преобразуватели на енергия към BMW Group Forschung und Technik. За най-новото поколение на Turbosteamer инженерите са разработили иновативна „парна машина”, базирана на принципа на турбина с постоянно налягане, която има значителни преимущества по отношение на разходите, теглото и размерите в сравнение с досегашните концепции.
„По този начин направихме голяма крачка напред към формулираната преди години цел – до около 10 години да разработим система, готова за серийно производство. Системата ще тежи между 10 и 15 кг. и ще бъде в състояние напълно да покрие нуждите от електроенергия на бордната мрежа на автомобила при движение по междуградски пътища и автомагистрали.”, продължава Ринглер. Според инженерите системата има потенциала да осигури понижаване на разхода на гориво с до 10 %. Разработените на изпитателния стенд компоненти са конфигурирани в модул, който позволява монтаж в автомобил и с такава демо-версия е оборудвано BMW Серия 5 Седан.
Проектът Термоелектрически генератор също е преминал през няколко етапа на разработка, които го доближават до въвеждането в серийно производство. Двете разработени до настоящия момент системи се различават по мястото си на монтаж – едната е предназначена за монтиране в изпускателна система, а другата в тази за рециркулация на отработените газове. Разработката, предназначена за изпускателната система, довежда до значителни подобрения по отношение на компонентите, особено що се отнася до теглото и размерите.
Термоелектрическият генератор директно превръща топлината в електрическа енергия. Инженерите на BMW Group всъщност усъвършенстват технология, която от около 40 години се използва от Националното управление по въздухоплаване и изследване на космическото пространство на САЩ (NASA) за производство на електроенергия при космическите сонди. При това термоелектрическо генериране на електрически ток се използва ефектът на създаване на електродвижещо напрежение при температурни разлики в термоелектрически полупроводникови елементи т.нар. Seebeck ефект. Тъй като коефициентът на полезно действие на тези термоелектрически генератори (TEG) само допреди няколко години бе само няколко процента, те не бяха подходящи за употреба при автомобилите. През последните години обаче бяха постигнати големи успехи при разработката на нови материали и елементи, благодарение на което мощността на подобни модули бе повишена значително.
В началото инженерите интегрирали термоелектрически генератор за получаване на електричество в изпускателната система. При първата система, представена през 2008 година, максималната мощност на системата от 200 вата все още била твърде ниска. Въвеждането на нови материали и иновации за оптимизирането на системата по отношение на теглото и мястото за монтаж водят до изключително бърз напредък, така че новото поколение TEG в изпускателната система вече може да осигурява 600 вата и се е приближило до високата цел – генериране на до 1000 вата. Актуалният прототип – монтиран в BMW X6 – е създаден в рамките на изследователски проект, подпомогнат от Department of Energy на САЩ.
Междувременно през 2009 година BMW Group представя и алтернативна разработка на този проект. За разлика от техническото решение, при което системата е монтирана под дъното на автомобила, при него TEG е интегриран в радиатора на системата за рециркулация на отработените газове. При тази разработка TEG осигурява генериране на до 250 вата и позволява намаляване на емисиите на СО2 и на разхода на гориво с до 2%.
Освен това тази система за регенерация на енергията има и допълнителни ефекти: например осигуряването на допълнителна топлина за двигателя или отоплението при студен старт. Термоелектрическият генератор е идеално допълнение към регенерацията на спирачната енергия на BMW EfficientDynamics. Защото ако тя осигурява регенерация на енергията само при движение по инерция или спиране, то TEG разгръща преимуществата си в моментите на най-голяма радост от шофирането – при подаването на газ. В бъдеще термоелектрическите генератори ще позволят постигането на икономия до 5% в реални условия.
И докато някои технологии на BMW EfficientDynamics като регенерацията на спирачната енергия или функцията Auto-Start-Stop осигуряват понижаване на разхода на гориво само при спиране или при дълги престои, то чрез интелигентното управление на топлината се постига икономия на гориво и по време на движение. Така например в бъдеще чрез изолиране на моторния отсек е възможно запазването на температурата на задвижването, така че фазата на студения старт да е колкото се може по-кратка. Затоплянето на маслото в трансмисията чрез топлообменник допринася за намаляването на триенето – което води до по-нисък разход на гориво. Необходимата за бордната електрическа мрежа електроенергия се осигурява от TEG или Turbosteamer, а преимуществата се усещат тогава, когато изпитвате най- голяма радост – при шофиране.
Топлинният мениджмънт осигурява различни технически решения в зависимост от ситуацията и типа на пътуването. Различни технологии ще повишават ефективността при пътуване на кратки и на дълги разстояния. Така например изолирането на моторния отсек, подгряването на маслото в трансмисията чрез топлообменник при бензиновите двигатели или подгряващата функция чрез топлообменник с отработени газове при дизеловите двигатели се използват основно при шофиране на кратки разстояния. При по-дълги пътувания за икономията на гориво допринасят термоелектрическите генератори или Turbosteamer. Използвайки ефектите на синергия, в бъдеще топлинният мениджмънт ще има значителен принос за повишаването на ефективността и намаляването на вредни емисии.
