Журнал «Вокруг Света» №08 за 2010 год

Как жар загребать

Фото: BMW AG

Двигатели наших машин вырабатывают массу ненужного тепла, бессмысленно обогревая атмосферу. Как заставить их делать полезную работу?

Летом в пробках не раз и не два за поездку можно повстречать автомобиль с поднятым капотом, из-под которого вырываются клубы пара. Понятно, мотор перегрелся… Но о чем это говорит? О том, что тепло от мотора даже в исправных машинах отводится не слишком эффективно и в полезных целях почти не используется. Скажем, у работающего в пробке на холостом ходу двигателя КПД вообще равен нулю, зато бензин сжигается исправно и производимым теплом можно обогреть небольшую квартиру.

Но оставим проблему пробок градоначальникам и поедем побыстрее. Тогда, конечно, полезное действие мотора проявится, но до 100% от выделившейся при сгорании топлива энергии ему все равно будет весьма далеко. Типичное значение КПД современного двигателя внутреннего сгорания составляет около 25–30%. Остальное, увы, не нужное никому тепло, бессмысленно подогревающее мироздание. Ну или почти ненужное — потому что зимой салон необходимо все-таки отапливать.

В квартирах, однако, автомобили никто не держит, а вот на дорогах их сотни миллионов, и каждый представляет собой нечто вроде движущегося камина. Так что вклад в глобальное потепление вносят не только парниковые выхлопы, но и непосредственно рассеивающиеся в атмосфере десятки миллионов мегаватт тепла! Автору приходилось участвовать в тестировании инфракрасной системы ночного видения: на ее мониторе даже час как оставленный на парковке автомобиль ярко светится, а уж те, что в движении, просто сияют в тепловой зоне электромагнитного спектра. Притом самое яркое свечение идет из-под днища авто, то есть как раз оттуда, где ничего греть не нужно. Что же получается: любишь кататься — люби и природные катаклизмы, которые создаешь?

Проблема эта стара, как сам автомобиль, просто раньше до нее никому не было дела: подумаешь, беда, несколько лишних сгоревших зазря литров бензина! Но теперь и он стал дорог, и климат портится, и экологи требуют выбрасывать все меньше СО2 из трубы… А нельзя ли это лишнее тепло (раз уж оно все равно выделяется) сделать нелишним? Пусть себе помогает крутить колеса и… охлаждает салон летом! Что ж, сказано — сделано. И вот только четыре способа утилизировать (то есть применить с пользой) избыток тепла.

Стрелки на мониторе показывают, что термогенератор вырабатывает около 200 Вт электрической мощности. Пока... Фото: BMW AG

Как из газов сделать пар?

Эту идею выдвинули и претворили в жизнь разработчики баварского концерна BMW еще в 2005 году. Суть незамысловата: раскаленные (порой докрасна!) участки выхлопной системы окружили теплообменниками, в которых циркулирует жидкость. Она, естественно, закипает, пар направляют в паровую машину, а уж она через систему шестеренок помогает мотору крутить колеса (см. «ВС» № 7, 2008). КПД паровой машины невелик, но при даровом источнике энергии это не слишком существенно! Так что каждый процент — в дело. А их, процентов, не так уж и мало: целых 15. В пересчете на лошадиные силы получилась прибавка в мощности около 13 л. с.

Систему, названную Turbosteamer, рассчитывали довести до ума и серийного производства сначала к 2010 году, потом к 2015-му, но… грянул кризис, и дорогую игрушку положили, похоже, в долгий ящик. Во всяком случае, новых сообщений о прорыве на паровом фронте пока не слышно.

С помощью Герра Зеебека

Можно, впрочем, обойтись и без пара, все-таки нынче век электричества. Хотя сам нужный нам эффект был открыт Томасом Иоганном Зеебеком давно, аж в 1821 году. Речь идет о термопарах, вырабатывающих ток при нагреве места спайки двух разнородных проводников (или полупроводников). До сих пор явление использовали для измерения температуры или питания транзисторных приемников от керосиновой лампы вдали от цивилизации. Но почему бы не подать такое «теплотворное» напряжение на электромотор? А уж он пусть подкручивает колеса автомобиля — вот и нашлась работа лишнему теплу!

Все бы хорошо, но вот КПД самого термоэлектрического генератора оставляет желать лучшего: всего пара процентов. Тем не менее исследователи в США попробовали собрать и испытать такую установку. Термоэлементы установили, прижав одним боком к выхлопной трубе, другим — к специально выведенному патрубку от системы охлаждения. Только таким образом можно обеспечить необходимую разность температур. Если бы оставить холодный «полюс» просто на воздухе, он прогрелся бы почти до температуры горячей стороны за счет теплопроводности самих элементов.

Что же получилось в итоге? 200 Вт даровой электрической мощности. Этим, конечно, машину не разгонишь, но хоть немного топлива удастся сэкономить. На ближайшие годы запланировано поднять мощность термогенератора до киловатта, и тогда, считай, 5% экономии топлива в кармане! Если, конечно, удастся уговорить экологов разрешить применение в автомобиле теллурида свинца — довольно вредного материала, необходимого для изготовления эффективного термоэлектрогенератора.

Электрический «желудочек» гибридного сердца Toyota Prius (справа) позволяет получить от тормозов вместо бесполезного тепла полезную электроэнергию. Фото: BMW AG

Не спешите, зарядите

Еще один источник лишнего тепла в автомобиле с двигателем вовсе не связан. Речь о тормозах, диски которых могут раскалиться добела при интенсивном затяжном торможении. При этом вся набранная автомобилем кинетическая энергия переходит в тепловую и опять же бездарно рассеивается в атмосфере. Но вот с этим-то как раз уже лучше всего научились бороться, заменив трение диска о колодки вращением ротора нагруженного генератора. Так работают все набирающие популярность гибриды. Все, что нужно, это найти подходящую по емкости нагрузку, коей в них является высоковольтная аккумуляторная батарея. Таким образом, кинетическая энергия просто переводится в электрическую, минуя (или почти минуя) стадию выделения тепла, а потом при разгоне помогает двигателю или вовсе освобождает его от работы. Этот способ позволяет сэкономить около 20% топлива и на столько же снизить выбросы СО2. Так что эта игра стоит свеч, точнее, дополнительных долларов, в которые обходится гибридная силовая установка.

Как видим, резервы повышения экономичности традиционного авто с двигателем внутреннего сгорания не исчерпаны, но каждый процент дается ценой довольно значительных затрат. Использовать даровую энергию даром никак не получается. Кстати, стоит вспомнить об этом, разглядывая на прилавке автомагазина очередное «гениальное» устройство, обещающее уменьшить аппетит вашей «ласточки» сразу на 20, 50 и более процентов.

Алексей Воробьев-Обухов