BMW ефективност – Turbosteamer и Thermoelectric Generator проекти

Наскоро BMW обяви официално своята “i” подмарка на пресконференция във Франкфурт, с което постави началото на своята сериозна електромобилна линия. Това е бъдещото направление в работата на компанията, но и сегашните системи продължава да получават подобрения и въпреки новите постижения в ефективността на двигателите – с технологии като директното впръскване, променливото газоразпределение, задвижваните с отработени газове компресори, регенеративно спиране и старт/стоп функцията – около 60% от генерираната енергия все така се губи, половината под формата на топлината на изгорелите газове и другата половина като топлина, абсорбирана от охладителната система на двигателя. Намирането на начини за улавяне на тази губеща се топлинна енергия енергия е една от основните цели на инженерите, работещи по BMW EfficientDynamics програмата за бъдещето…

Понастоящем BMW работи по няколко проекта, всеки с различен подход към регенерирането на така щедро разпиляваната топлинна енергия, на няколко нива: изследователска дейност, пред-производствен цикъл и серийни разработки. От компанията казват, че някои от най-обещаващите проекти са Turbosteamer; Thermoelectric generator (TEG); капсулиране на двигателя; и топлообменник за загряване на маслото.

Turbosteamer и Thermoelectric Generator (TEG) проектите се фокусират върху генерирането на електрически заряд от отделяната топлина с цел подобряване на общата енергийна ефективност, но всеки проект има различен подход и време за изпълнение. Има невероятен потенциал за значителна икономия на гориво, ако електрическата енергия, необходима на всички системи в един автомобил може да бъде произвеждана от отделяната топлина, вместно да се разчита само на алтернатора, смятат от компанията.

Turbosteamer

В Turbosteamer проекта, BMW работи върху система за регенериране на топлина, базирана на принципа на процеса за възстановяване на отделена топлина вече използван в модерните енергийни централи. Големи газови и парни енергийни инсталации комбинират принципите на газовата турбина и парния цикъл за постигане на значително по-високо ниво на ефективност. Газотурбинният процес е първата фаза на енергийното преобразуване и служи като източник на топлина за низходящия парен цикъл във втората фаза.

BMW Turbosteamer е базиран на този метод за генериране на енергия с два цикъла, но в намален обем и е разработен да формира компонент, който може да се използва в модерните автомобилни двигатели.

Изследователските екипи са доказали приложимостта на тази технология през декември 2005 г. с демонстрацията на първото поколение Turbosteamer, базирано на един максималистичен подход: разработката на системата с два цикъла. Основният елемент е бил високо температурна верига, която включва топлообменник за регенериране на енергията от отделяните от двигателя газове. Това е свързано с втората верига, която улавя топлина от охладителната система и я комбинира с горещите газове от първия цикъл за понижаване на температурата.

Когато този дизайн бил тестван лабораторно върху произвежданите тогава от BMW четири-цилиндрови двигатели, двойната система увеличила производителността на двигателя с 15%.

За да развие допълнително системата за внедряването и в масово производство, BMW се фокусира върху намаляването на размера на компонентите и опростяването на системата с цел подобряване на динамичните й характеристики и постигане на оптимизирано съотношение цена-полза. С това изследователите се насочват към разработването на компонент работещ само с една високо температурна вегира.

Топлообменник регенерира топлината от изгорените двигателни газове и тази енергия се използва за загряване на течност под високо налягане. След това тази загрята течност се превръща в пара, която задвижва разширителна турбина, генерираща електроенергия от регенерираната топлина.

— Юрген Рингер, водещ на проекта Thermal Energy Converters в BMW Group Research and Technology

За последното поколение Turbosteamer, инженерите разработват новаторско разширителна турбина, базирана на принципа на импулсната турбина, която осигурява много предимства по отношение на разходите, теглото и размера, в сравнение с по-ранните концепции. Юрген Рингер допълва:

Постигнахме значителен прогрес за изпълнение на първоначално поставената цел, която беше да разработим система, готова за серийно производство в рамките на десетина година. Когато бъде готова, тази система ще теци само 10 до 15 кг и ще може да осигурява цялата електроенергия, необходима на автомобила в движение.

При тези условия разработчиците са сигурни, че средният шофьор ще може да намали разхода на гориво с до 10% при дълги пътувания.

Всички тестово разработени компоненти на системата са били конфигурирани за оформянето на модул, който може да бъде интегрира в колите. Това е постигнато успешно с инсталирането на макетна система в BMW 5 седан.

Термоелектрически генератор

От BMW казват, че имат значителен напредък и при проекта за термоелектрически генератор ({tooltip}TEG{end-link}Thermoelectric Generator{end-tooltip}), който също е насочен към серийно производство. Двете, разработени до момента, алтернативни системи се различава по позиционирането си в автомобил – едната е разработена за изпускателната система, а другата за системата за обмен на отработени газове. Развойната фаза, насочена към интегрирането на устройствата в изпускателната система е довела до значителни подобрения на компонентите, особено по отношение на тегло и размер.

Термоелектрическият генератор конвертира топлината директно в електричество. Инженерите на BMW всъщност са прецизирали технологията, която се използва за захранване на космически сонди от повече от десетилетие от NASA, агенцията за аеронавтика и космически изследвания на САЩ. Принципът зад тази технология е известен като Seebeck Effect, което означава, че електрически волтаж може да бъде генериран между термоелектрически полупроводници, ако те имат различни температури.

Тъй като процентната степен на ефикасност на TEG е доста ниска, тази технология е била счетена за неуместна в автомобилни приложения. Прогресът в областта на материалните изследвания в последните години обаче доведе до открития, които подобриха производителността на TEG модулите.

Първата стъпка, предприета от инженерите е била да интегрират термоелектрически генератор в изпускателната система, за генериране на електрически заряд. Първата система е демонстрирана през 2008 г., осигурявайки максимум от 200 вата, считани за сравнително ниска енергийна ефективност. Но използването на нови материали и подобренията в теглото и размера на термоелектрическите генератори доведе до главоломно развитие и последните инсталирани модули в изпускателните системи са способни да генерират 600 вата електроенергия, като целта от 1,000 вата определено не е далече. Настоящият прототип – BMW X6 е изработен като част от развоен проект, финансиран от енергийното министерство на САЩ.

След това през 2009 г., BMW демонстрира алтернативна развитие на този проект. Вместо да инсталират TEG като отделен модул в изпускателната система под колата, инженерите решават да интегрират модула в радиатора на ситемата за обмен на отработени газове. При тази конфигурация, потребителските тестове показват, че могат да се генерират 250 вата, като същевременно CO₂ емисиите и разходът на гориво се намаляват едновременно с 2%.

Системата за регенериране на енергия предлага някои интересни допълнителни ползи, като допълнителна топлина за вътрешността на купето и двигателния отсек при студен старт. От BMW казват, че термоелектрическият генератор е идеално допълнение към регенериращата спирана система на BMW EfficientDynamics. Докато спирачките генерират енергия при намаляване на скоростта и спиране, термоелектрическите генератори функционират възможно най-добре при най-голямото удоволствие от карането – по време на ускорение. Изследователите предвиждат, че в бъдеще термоелектрическите генератори ще доведат до 5% икономия на гориво в реални ежедневни условия.

Топлинен контрол и BMW EfficientDynamics

Някои от функциите на BMW EfficientDynamics, като регенеративно спиране или автоматична старт/стоп функция намаляват разхода на гориво при спиране или работа на празен ход, интелигентният топлинен контрол може да прави същото при ускорение. В бъдеще, дори преди колата да бъде стартирана, изолацията на двигателния отсек ще гарантира, че температурата на задвижващата система е стабилизирана от остатъчната топлина, с което се намалява фазата на студения старт. Топлообменник също така ще поддържа топло маслото на скоростната кутия за намаляване на триенето и разхода на гориво.

В зависимост от природата на колата и навиците на шофиране, топлинният контрол може да осигури осезаеми ползи при специфични условия. И на къси, и на дълги разстояния, различни функции могат да намалят разхода на гориво. Изолирането на двигателния отсек, затоплянето на маслото на скоростната кутия с топлообменници, монтирани в бензиновите двигатели или загряващата функция на топлообменниците за изгорели газове при дизеловите двигатели, са функции, добре пригодени за коли, използвани предимно на кратки разстояния, според BMW. При по-дълги пътувания, термоелектрически генератор или Turbosteamer могат да помогнат допълнително, а комбинацията от двете, в бъдеще топлинният контрол може да играе роля при намаляването на въглеродните емисии.

[От: Green Car Congress]