July 13, 2020

Recuperatoare de caldura

Motorul cu ardere interna – dublarea eficientei?

Dupa cum stiti, sau daca nu – aflati acum, eficienta unui ICE (internal combustion engine, motor cu ardere interna), calculata ca raport dintre puterea calorica combustibilului consumat si lucrul mecanic efectuat este destul de mica – aproape doua treimi din energia inmagazinata intr-un litru de motorina este pierduta pe evacuare sub forma de caldura.

ย T๐‘ข๐‘Ÿ๐‘๐‘–๐‘›๐‘Ž ๐‘๐‘ข ๐‘Ÿ๐‘’๐‘๐‘ข๐‘๐‘’๐‘Ÿ๐‘Ž๐‘Ÿ๐‘’ ๐‘‘๐‘’ ๐‘๐‘Ž๐‘™๐‘‘๐‘ข๐‘Ÿ๐‘Ž ๐‘Ž ๐‘ข๐‘›๐‘–๐‘ก๐‘Ž๐‘ก๐‘–๐‘– ๐‘€๐บ๐‘ˆ-๐ป ๐‘“๐‘œ๐‘™๐‘œ๐‘ ๐‘–๐‘ก๐‘Ž ๐‘‘๐‘’ ๐‘…๐‘’๐‘›๐‘Ž๐‘ข๐‘™๐‘ก ๐‘–๐‘› ๐น๐‘œ๐‘Ÿ๐‘š๐‘ข๐‘™๐‘Ž 1 – ๐‘Ÿ๐‘’๐‘ ๐‘๐‘œ๐‘›๐‘ ๐‘Ž๐‘๐‘–๐‘™๐‘Ž ๐‘‘๐‘’ ๐‘ข๐‘› ๐‘Ž๐‘๐‘œ๐‘Ÿ๐‘ก ๐‘‘๐‘’ ๐‘๐‘ข๐‘ก๐‘’๐‘Ÿ๐‘’ ๐‘‘๐‘’ 180๐‘๐‘ ๐‘๐‘’๐‘›๐‘ก๐‘Ÿ๐‘ข ๐‘๐‘๐‘Ž 30 ๐‘‘๐‘’ ๐‘ ๐‘’๐‘๐‘ข๐‘›๐‘‘๐‘’ ๐‘™๐‘Ž ๐‘“๐‘–๐‘’๐‘๐‘Ž๐‘Ÿ๐‘’ ๐‘™๐‘Ž๐‘.

De la inventia acestui motor nu s-au schimbat foarte multe – Rudolf Diesel, brevetantul motorului cu aprindere prin compresie a proiectat acest motor pentru a functiona cu ulei vegetal, pentru fermierii americani, la momentul acela randamentul fiind aproximativ in aceeasi plaja ca si acum, de 20-25%.

In istoria recenta insa, s-au facut multiple incercari de a transforma caldura din evacuare in lucru mecanic. Despre acestea vom vorbi mai jos:

1. Recuperarea de caldura cu generatoare in ciclul Clausius-Rankine
Aceste generatoare folosesc apa ca si combustibil primar, prin vaporizarea careia se obtine lucru mecanic. 90% din energia electrica la nivel mondial se obtine cu ajutorul acestui procedeu, inclusiv in centralele nucleare. Marii producatori de autoturisme au dezvoltat prototipuri: BMW Turbosteamer, Honda, Toyota, francezii de la Exoes, etc. Eficienta acestora pe automobile insa e destul de mica, in principal din cauza sarcinilor reduse la care functioneaza motoarele lor. Niciun sistem de acest gen nu a fost instalat pe un automobil de serie. Castigul teoretic ar fi incarcarea acumulatorului unui autoturism hibrid cu un astfel de generator, la sarcini mari ale motorului (autostrada) obtinandu-se o crestere de randament de 10-15%. Recuperatoarele de caldura in ciclu Rankine au potential urias insa in motoarele-generator (vezi Chevrolet Volt sau BMW I3), unde sarcina motorului nu e transferata la roti ci la un generator electric responsabil de incarcarea acumulatorilor. Acest motor-generator poate functiona in turatie constanta si sarcina maxima pe toata perioada utilizarii, ceea ce creaza conditii ideale pentru recuperarea eficienta a caldurii si transformarea ei in electricitate. Eficienta unui motor termic cu rol de generator este aproape tripla fata de cuplarea lui direct la roti.

Prototip BMW Turbosteamer – generator electric bazat pe ciclul Rankine – 2011, Munchen

2. Turbo compounding – Aceste aplicatii folosesc caldura din evacuare pentru a roti un turbogenerator care la randul lui genereaza electricitate. Specificul motoarelor diesel de mic litraj insa creaza probleme in operare din cauza sistemului de recirculare a gazelor. Sistemele de recuperare cu turbina insa sunt folosite in formula 1 (MGU-H) de Renault cu succes pentru a genera electricitate care e folosita atat in evitarea turbo-lag, turbina e accelerata electric inainte de intrarea in sarcina a motorului cat si in generarea de electricitate pentru motorul electric al masinii de formula 1. S-a observat un castig de 20-30% al eficientei, responsabil pentru o crestere de putere de 180cp pentru cca 30 de secunde.

Turbo compounding – turbina clasica trimite gazele catre o alta turbina, secundara, care are rol de generator electric. Pana la 10% din energia termica pierduta in evacuare e recuperata. Eficienta creste proportional.

3. Conversii termoacustice: Tehnologie derivata din ciclul Stirling operat la frecvente mari pentru a converti pulsatiile de presiune dintr-un fluid in curent electric – inca in cercetare.

4. Diferite schimbatoare de caldura pentru a folosi energia termica in incalzirea habitaclului sau a combustibilului.

Desi niciunul dintre aceste sisteme nu este instalat in momentul de fata pe autoturisme de serie (in afara de pct 4), ele sunt folosite cu succes in sistemele de propulsie marina, unde caldura generata constant de ICE favorizeaza eficienta recuperatoarelor.


Potentialul acestora in automobile insa e mare, dezvoltarea sistemelor hibrid cu capacitate mare de acumulare a energiei electrice (PHEV) si a motoarelor-generator cu combustie interna favorizand introducerea lor. Probabil ultimile motoare ICE vor fi cele folosite pe post de generator cu recuperare de caldura in extinderea range-ului EV-urilor.