Soluții de recupere a energiei la motoarele cu ardere internă

1.INTRODUCERE

Tinând cont de faptul că aproximativ 2/3 din energia deținută de combustibilul ars în cilindrii MAI-ului este pierdută prin gazele de evacuare și prin sistemul de răcire, constructorii de autovehicule se concentrează pe dezvoltarea unor soluții de recuperare a acestei energii pierdute. Aceste soluții vizează atât recuperarea energiei termice a gazelor de evacuare și a lichiului de răcire ale MAI-ului, cât și recuperarea energiei cinetice a gazelor de evacure.

Una dintre solutii constă în izolarea termică a MAI-ului fată de mediul exterior, astfel energia termică generată de motor în timpul funcționării este conservată, ceea ce duce la o funcționare a motorului la o temperatură constantă. În acest fel se dorește diminuarea timpului în care MAI-ul funcționează la rece. Un astfel de sistem este aplicat de cei de la BMW, acesta este capabil să păstreze o temperatură a motorului de 40 o c, timp de 12 ore de la oprirea acestuia. Este cunoscut faptul ca fiecare grad Celsius pe care îl are MAI-ul peste temperatura ambientală reduce consumul de combustibil cu 0,2 %. Astfel, se poate afirma că 10 oc peste temperatura ambientală va aduce o reducere cu 2 % a consumului de combustibil.

O altă soluție de recuperare este aceea de a utiliza un generator termo-electric. Acest generator se montează pe sistemul de evacuare al gazelor arse (lângă catalizator). Materialele termo-electrice generează curent electric atunci când există o diferență de temperatură, astfel generatorul termo-electric furnizează curent electric într-o cantitate care este proporțională cu diferența de temperatură dintre gazele de evacuare și mediul exterior. Generatorul electric preia căldura de la gazele de evacuare prin intermediul unor semiconductoare. De exemplu, cei de la General Motors utilizează ca material termo-electric un minereu compus din arseniu, cobalt și nichel. Un generator termo-electric montat pe un autovehicul modern, este capabil să furnizeze în mod continuu un curent care să acopere 50 % din necesarul consumatorilor electrici (aproximativ 250 W).

O altă soluție de recuperare a energiei din gazele de evacuare este aceea care utilizează energia termică a acestora. Acest sistem este denumit de cei de la BMW, Turbosteamer. Acesta transformă energia termică a gazelor arse în energie mecanică, conform principiului Rankine. Sistemul de recuperare este compus din două circuite cu lichid, unul de temperatură înaltă și unul de temperatură scăzută (Figurii 1). Circuitul

de înaltă temperatură utilizează energia din gazele de evacuare prin intermediul unor schimbătoare de căldură. Lichidul este transformat în aburi care se destind în motorul cu aburi (turbina), astfel producându-se energie mecanică. De asemenea caldura din circuitul de răcire a motorului este transformată și ea parțial în lucru mecanic, de circuitul de joasă temperatură, utilizând același principiu. Cele două motoare cu aburi transferă arborelui cotit puterea prin intermediul unei transmisii prin curele. Un astfel de sistem aplicat pe un motor de 1800 cmc, cu 4 cilindri, a redus consumul de combustibil cu până la 15 %. Puterea generată de sistem se situează la valoarea de 10 kW, iar randamentul global a crescut cu până la 15 %. Cu această tehnologie s-a reușit să se recupereze aproximativ 80 % din energia gazelor de evacuare (energia termica a gazelor de evacuare), energie transformată în lucru mecanic disponibil la arborele cotit.

Fig. 1. Sistemul Turbosteamer: 1-radiator (condensatorul circuitului de temperatură joasă), 2-pompă, 3-condensator (circuit de înaltă temperatură), 4-condensator (circuit de joasă temperatură), 5-vaporizator (circuit de înaltă temperatură), 6-vaporizator (circuit de joasă temperatură), 7-motor cu abur / turbină (circuit de înaltă temperatură), 8-motor cu abur / turbină (circuit de joasă temperatură)