BMW - Využití odpadního tepla

U moderního spalovacího motoru se pouze jedna třetina energie, obsažené v palivu, přemění v mechanickou práci pro pohyb vozidla; zbytek se formou tepla spalinami a chladicím systémem dostává bez užitku do ovzduší. Nyní se sice část této energie využívá například v turbodmychadlech, ale pro provoz automobilu jsou nadále k  dispo-
zici další možnosti snížení emisí CO2 zhruba o pět procent. Na vylepšení tepelné bilance motoru pracují u automobilky BMW v rámci programu EfficientDynamics, jenž je vpodstatě souborem opatření pro snižování spotřeby a tím i škodlivých emisí,ovšem bez nepopulárního snížení parametrů dynamiky vozu. Známé je třeba již aplikované zavedení vzduchových klapek, regulujících množství vzduchu pro chlazení, a také elektrické čerpadlo chladicí kapaliny, jež pracují pouze v případě potřeby. Ušetří se tak až 2 kW výkonu pohonné jednotky.

Provoz automobilu vyžaduje elektrickou energii, jež se na palubě vozu získává řetězcem procesů, při nichž dochází ke značným ztrátám. Chemickou energii obsaženou v palivu je třeba nejprve v motoru přeměnit na energii mechanickou, a teprve poté pomocí generátoru získat energii elektrickou. Snahou je tedy dopracovat se k elektrické energii procesem s větší účinností. Již delší dobu je známo, že u BMW pro to využívají také systém s palivovými články APU (Auxiliary Power Unit) jako zdroj elektrické energie pro dobíjení akumulátoru, ale druhou zkoumanou možností je právě využití odpadního tepla motoru.

Jeden z projektů, označený u BMW jako Turbosteamer (viz AR 11/’06), pracuje na principu parního stroje, využívá odpadní teplo z výfuku a chladicího systému. Kapalina se tak mění ve dvou uzavřených okruzích na páru, která v parním stroji expanduje a přechází opět do kapalného skupenství. Parní stroj svou práci odevzdává přímo na klikový hřídel motoru. V laboratorních podmínkách se u spalovacího motoru podařilo využít přes 80 % odpadního tepla, což zvýšilo účinnost motoru do té míry, že spotřeba paliva poklesla až o patnáct procent.

Jinou možností, která má na realizaci v praxi asi ještě větší šanci, je přímá přeměna tepelné energie na energii elektrickou. V tomto případě jde o známou technologii, používanou již po čtyři desetiletí pro získání elektrické energie k provozu kosmických sond. Termoelektrický proces tvorby elektrické energie využívá vlastností termoelektrických polovodičových prvků, u nichž elektrické napětí vytváří teplotní spád. Ještě před pár lety měly tyto TEG (termoelektrické generátory) účinnost jen několik procent, takže pro automobily vhodné nebyly. Výkon těchto modulů ovšem díky velkému pokroku ve vývoji vhodných materiálů pokročil natolik, že se situace podstatně změnila, a vývojové oddělení BMW nyní již řeší jak se s integrací systémů TEG do automobilu vypořádat. Zatímco v kosmických sondách slouží za zdroj tepla například rozpadající se radioaktivní prvky, v automobilu se nabízí odpadní teplo motoru.Termo- elektrický generátor se tedy nastěhoval do výfukového systému, přičemž jeho průtočné průřezy musely být samozřejmě přizpůsobeny tak, aby nedošlo k ovlivnění charakteristik spalovacího motoru.

Nabízí se ovšem námitka, že odvedené teplo by mohlo chybět při některých fázích provozu katalyzátorů, resp. čističů pevných částic. I na to však u BMW mají svůj recept, jenž spočívá v inovaci termoelektrického generátoru tak, že by se při obrácení základního pracovního procesu, to znamená napájení polovodičů elektrickým proudem, katalyzátor pro účinné snížení škodlivých emisí zahříval. Jakmile by spaliny dosáhly potřebné teploty, proces by se znovu vrátil k výrobě elektrické energie. Aktuálně disponuje systém TEG elektrickým výkonem 200 W, rychlý vývoj nových materiálů by jej měl zvýšit na 1000 W. V budoucnu lze počítat s poklesem spotřeby v běžném provozu kolem 5 %. Termoelektrický generátor je také ideálním doplněním již praktikovaného procesu rekuperace, kdy při brzdění nebo během jízdy setrvačností se akumulátor dobíjí elektrickou energií, získanou z pohybové energie automobilu.

Zdroj: Automobil 10/08
Autor: Pavel Biskup

Fotogalerie