Система рекуперации тепла выхлопных газов преобразует отработанную тепловую энергию в выхлопных газах в электрическую энергию для аккумуляторов или механическую энергию, повторно вводимую на коленчатый вал . Технология вызывает все больший интерес, поскольку производители автомобилей и большегрузных транспортных средств продолжают повышать эффективность, экономя топливо и сокращая выбросы.
Хотя технологические усовершенствования значительно снизили расход топлива двигателей внутреннего сгорания , максимальный тепловой КПД 4-тактного двигателя с циклом Отто составляет около 35%, что означает, что 65% энергии, выделяемой топливом, теряется в виде тепла. Высокоскоростные двигатели с дизельным циклом показывают лучшие результаты с пиковым КПД около 45%, но все еще далеки от максимального теоретического КПД , поскольку 55% энергии топлива теряется в виде тепла.
Системы цикла Ренкина испаряют воду под давлением с помощью парогенератора, расположенного в выхлопной трубе. В результате нагрева выхлопными газами жидкость превращается в пар. Затем пар приводит в действие расширитель двигателя Ренкина, турбину или поршни. Этот расширитель может быть напрямую связан с коленчатым валом теплового двигателя или соединен с генератором переменного тока для выработки электроэнергии.
Британские исследователи из Университета Лафборо и Университета Сассекса пришли к выводу, что отходящее тепло двигателей легковых автомобилей в паровом цикле может обеспечить экономию топлива на 6,3–31,7 % в зависимости от цикла движения, и что при практических рабочих давлениях может быть достигнута высокая эффективность. [1]
Вторая технология, термоэлектрические генераторы ( эффекты Зеебека , Пельтье , Томсона ), также является вариантом рекуперации тепла из выхлопной трубы, но она не нашла практического применения в современных автомобилях. [2]
Сталкиваясь с новыми американскими, европейскими, японскими или китайскими нормами, которые все более и более строги в отношении выбросов CO2 , рекуперация тепла выхлопных газов звучит как один из самых эффективных способов получения бесплатной энергии, поскольку тепло вырабатывается двигателем многими способами. Многочисленные компании разрабатывают системы, основанные на цикле Ренкина:
Немецкая компания была одной из первых крупных компаний, изучавших рекуперацию тепла отработавших газов с помощью системы Ренкина под названием Turbosteamer . [3]
Автомобиль Chevrolet Malibu Hybrid 2016 года оснащен системой рекуперации тепла отработавших газов (EGHR) для ускорения времени нагрева охлаждающей жидкости. Это обеспечивает более быстрый нагрев охлаждающей жидкости двигателя, что в свою очередь быстрее нагревает двигатель. Используется меньше топлива, что снижает выбросы. Это также ускоряет прогрев салона для комфорта пассажиров и размораживания окон. Для гибридных приложений он также может подогревать аккумуляторную батарею. Система охлаждения подключена к теплообменнику, размещенному в выхлопных газах, передающему тепловую энергию от выхлопных газов в систему охлаждения. Когда двигатель прогревается, выхлопные газы отводятся в обводную трубу. [4]
Honda также разрабатывает модуль на основе цикла Ренкина для повышения общей эффективности гибридных автомобилей, рекуперируя тепло двигателя и превращая его в электричество для аккумуляторной батареи. В цикле шоссе США система цикла Ренкина регенерировала в три раза больше энергии, чем система рекуперативного торможения автомобиля.
Французская компания Exoès специализируется на проектировании и производстве систем рекуперации тепла выхлопных газов на основе циклов Ренкина. Система EVE, Energy Via Exhaust, обеспечивает экономию топлива от 5 до 15%. [5]
Barber-Nichols Inc. разрабатывает технологии Ренкина для транспортных средств. [6]
Немецкий консорциум объединяет большинство производителей двигателей внутреннего сгорания по всему миру. Две целевые группы в настоящее время изучают системы рекуперации тепла выхлопных газов на легковых автомобилях.
Renault Trucks: В рамках инициативы All For Fuel Eco компания Renault Trucks изучает систему Ренкина для транспортных средств, совершающих поездки на дальние расстояния, которая может обеспечить экономию топлива на 10%. [7] Цель состоит в том, чтобы производить достаточно энергии для питания компонентов и электронных вспомогательных устройств электричеством и снизить расход топлива за счет снижения нагрузки на генератор. [8]
Система рекуперации тепла WildFire (WFHRS) компании Double Arrow Engineerings находится в стадии разработки и использует отработанное тепло как от охлаждающей жидкости, так и от выхлопных газов. Эта система механически добавляет мощность обратно в трансмиссию, используя двигатель Ренкина в качестве метода преобразования энергии. Система WFHRS предназначена для различных применений, как с фиксированными, так и с переменными оборотами, для вторичного рынка и OEM-приложений, но в целом ориентирована на более крупное оборудование, такое как большие дорожные грузовики, дизельные генераторы, большие автобусы и автодома, морские суда, среднетоннажные грузовики и т. д. [9]
IFPEN, Enogia и Alstom разрабатывают систему Trenergy, предназначенную для повышения топливной эффективности поездов . [10]
Топливная эффективность, снижение выбросов CO2 , надежность и затраты являются необходимыми частями стратегий производителей Формулы 1. Автомобильный спорт также является хорошим местом для испытаний и оценки технологий, которые, будучи однажды надежными и с затратами, сниженными за счет опыта в производстве , могут быть адаптированы к частным автомобилям. Конструкторы Формулы 1 создали одну из первых систем рекуперации тепла отработавших газов, [ нужна цитата ] и в настоящее время эти устройства являются неотъемлемой частью встроенных технологий на Формуле 1. Рекуперация тепла должна была стать обязательной в чемпионате Формулы 1 2014 года. [ нужна цитата ]