В ходе функционирования двигателя внутреннего сгорания значительное количество тепловой энергии рассеивается в атмосферу без использования. Идея о том, чтобы собирать это тепло, сохранять его и впоследствии использовать, была популярна среди автомобильных инженеров на определенном этапе развития технологий. Рассмотрим принцип работы подобных систем и их результаты.
Тепло – про запас!
С наступлением холодов у автомобилистов вновь возникают мысли об использовании различных конструкций для предпускового подогрева двигателя с целью повышения комфорта, увеличения ресурса мотора и снижения расхода топлива. Большинство таких систем можно разделить на две основные группы: автономные подогреватели, использующие топливо для нагрева, и стационарные подогреватели, работающие от сети переменного тока 220 вольт. Мечта многих энтузиастов, не обладающих глубокими техническими знаниями, о прогреве автомобиля энергией собственного аккумулятора, скорее всего, не будет реализована в обозримом будущем. По крайней мере, это касается традиционных бензиновых и дизельных двигателей. Однако возможность предварительного нагрева двигателя за счет тепла, накопленного с вечера, представляется вполне реальной. – это, как ни странно, вполне работоспособная идея!
В 1980-1990-е годы автомобильные инженеры в различных странах пришли к очевидному выводу: двигатель внутреннего сгорания, даже при высоком коэффициенте полезного действия, выделяет избыточное количество тепла, которое рассеивается в атмосферу через радиатор. Возник вопрос о возможности накопления части этой тепловой энергии и использования ее для предварительного прогрева двигателя перед запуском в холодное время года. Более быстрый выход мотора на рабочую температуру позволяет снизить расход топлива и уменьшить воздействие на окружающую среду. В результате было разработано и даже выпущено в качестве коммерческих продуктов некоторое количество устройств, основанных на принципе накопления тепла.
Как это устроено…
Концепция подобных систем была схожей у различных разработчиков как за рубежом, так и в СССР. Если упростить схему, то она включала в себя установку под капотом (или в багажнике) баллона-теплоаккумулятора – емкости с теплоизоляцией, аналогичной термосу. Теплоаккумулятор подключался к штатной системе охлаждения двигателя через электрический клапан и небольшой насос посредством двух дополнительных патрубков. При этом объем антифриза в системе охлаждения увеличивался на объем баллона и соединительных шлангов.
Электронный контроллер, разработанный специально для этой тепловой системы, управлял ее работой по простому алгоритму. Контроллер, ориентируясь на показания датчика температуры, дожидался достижения двигателем рабочей максимальной температуры в диапазоне от 90 до 100 градусов Цельсия. После этого открывался клапан, соединяющий контур теплоаккумулятора с обычной системой охлаждения двигателя. Одновременно запускалась электропомпа и осуществлялось наполнение баллона горячим антифризом, вытесняя из него холодную жидкость. Следует помнить: внезапное добавление нескольких литров холодной воды или антифриза в радиатор двигателя может привести к деформации головки блока цилиндров – это общеизвестный факт. В связи с этим, изменение объема жидкости в теплоаккумуляторе осуществлялось не одномоментно, а постепенно, в течение примерно десяти минут, через небольшое отверстие в клапане, находящемся в частично открытом состоянии. После наполнения баллона клапан закрывался, система накопления тепла отключалась и переходила в режим ожидания, в то время как автомобиль продолжал использоваться для обычных поездок.
Ежедневно, перед запуском двигателя, либо автоматически по таймеру, либо посредством дистанционного управления, или же вручную непосредственно из салона автомобиля, открывался электроклапан в магистрали теплоаккумулятора и включалась электропомпа. Горячий антифриз из баллона прокачивался по рубашке двигателя, вытесняя обратно в баллон такой же объем холодной жидкости. Этот процесс занимал не более двух-трех минут, после чего двигатель запускался, будучи уже предварительно подогретым.
На первый взгляд, преимущества данной системы были очевидны. Ее конструкция отличалась простотой, что обеспечивало низкую стоимость реализации. Отсутствовала потребность в топливе и практически не требовалось электроэнергии. Риск остаться с разряженным аккумулятором был исключен. Кроме того, система гарантировала полную пожаробезопасность, поскольку в ней отсутствовали электрические ТЭНы или бензиновые горелки, используемые в автономных и сетевых подогревателях.
…и почему так и не стало популярным?
Однако возникает закономерный вопрос: почему подобные системы не получили широкого распространения, уступив место более дорогим бензиновым и дизельным автономным отопителям или недорогим электронагревателям антифриза, питающимся от сети в 220 вольт? Вероятно, большинство автомобилистов, которым задать этот вопрос, с удивлением признаются, что впервые слышат о системах предпускового подогрева, использующих теплоаккумуляторы.
Основной проблемой стало то, что потенциальные покупатели не понимали сути таких систем из-за их компромиссных характеристик. Теплоемкость горячего антифриза была ограничена небольшим объемом бака-термоса. Соответственно, чем ниже температура окружающей среды, тем менее эффективным оказывался теплоаккумулятор. При температуре около 10-15 градусов мороза он мог прогреть двигатель лишь до температуры, близкой к нулю. В условиях 20-25 градусов мороза мотор прогревался примерно до минус пятнадцати градусов. И так далее по температурной шкале. Масло в картере практически не нагревалось, что означало отсутствие уменьшения износа двигателя, вызванного холодным пуском. Салон автомобиля также не становился теплым. Кроме того, система требовала ежедневного использования – пропуск даже одного дня приводил к остыванию антифриза в теплоаккумуляторе и потере эффективности его работы. В глазах потенциального покупателя все это выглядело недостаточно убедительно.
Несмотря на то, что реальные преимущества существовали и были обоснованы технически, их проявление было слишком растянуто во времени, что вновь снижало привлекательность этих систем. Действительно, масло не прогревалось в достаточной степени, поэтому пусковой ток стартера практически не уменьшался при использовании теплоаккумулятора. Вместе с тем, прогрев головки блока цилиндров и улучшение испаряемости топлива обеспечивали более стабильный и быстрый запуск двигателя, а также сокращали время работы стартера. Это способствовало продлению срока службы как стартерного аккумулятора, так и самого стартера. Время разогрева мотора перед началом движения в холодную погоду уменьшалось примерно на четверть, что при большом пробеге могло привести к заметной экономии топлива и денежных средств. Однако продвигать теплоаккумуляторы под таким позитивным соусом было возможно лишь в период повышенного интереса к ним со стороны разработчиков – в 80-90-е годы. Впоследствии у обычных автовладельцев сформировалось более прагматичное отношение к автомобилям, поскольку интерес к инвестированию денег и времени в продление их ресурса снизился, ведь через три-пять лет машина обычно заменяется на новую. Кроме того, ассортимент устройств предпускового подогрева (приобретаемых уже преимущественно ради комфорта, а не для увеличения ресурса двигателя и аккумулятора) значительно расширился, включив в себя доступные сигнализации с функцией автозапуска.
Эволюция и тупик
Существовал ли у систем с теплоаккумуляторами потенциал для дальнейшего развития и, соответственно, роста интереса к ним со стороны автомобилистов или даже автопроизводителей? Потенциал был, и развитие шло в этом направлении, но в конечном итоге все привело к характерному для технической сферы тупику противоречий между эффективностью и стоимостью. Простые и недорогие варианты обладали весьма ограниченными преимуществами, а сложные – теряли ценовую доступность, сохраняя при этом большинство недостатков простых решений.
Во-первых, в современных легковых автомобилях сложно найти место для размещения теплоаккумулятора значительного объема под капотом, а установка его в багажнике существенно усложняет и увеличивает стоимость монтажа. Поэтому объем теплоаккумуляторов в предлагаемых системах обычно не превышал 8 литров, чаще всего балансируя между 4 и 8. При этом теплоемкость пяти-шести литров горячего антифриза была относительно небольшой. Дальнейшее увеличение емкости теплоаккумулятора оказалось нереальным – необходимо было хотя бы добиться эффективного использования уже имеющегося объема! Другими словами, требовалось достичь максимального сохранения температуры антифриза в накопителе без потери драгоценных градусов.
Использование различных утеплителей для внешней теплоизоляции является первым шагом для тех, кто занимается самодельными конструкциями. Действительно, некоторые энтузиасты изучают и создают системы с теплоаккумуляторами для автомобилей в качестве хобби даже сегодня! Однако это решение не имеет практической ценности, несмотря на кажущуюся простоту. Более сложные коммерческие разработки применяли схему, имитирующую термос – конструкцию с двойными стенками и вакуумной изоляцией. Наивысшую степень совершенства представляли системы косвенного теплонакопления, над которыми работали отдельные скандинавские компании. В качестве рабочего тела в теплоаккумуляторе использовались не антифризы (что позволяло избежать увеличения общего объема жидкости в системе), а специальные гранулы сложного состава, размещенные в пространственной структуре медных теплообменников, заключенных в вакуумный термос. Наполнитель аккумулятора поглощал тепло от проходящего через него антифриза, а затем отдавал его обратно при циркуляции холодной жидкости. Такие системы демонстрировали значительно повышенную эффективность (более высокие температуры прогрева двигателя, хранение тепла не только на ночь, но и в течение двух-трех дней), однако высокая стоимость разработки препятствовала их широкому распространению и конкуренции с устройствами таких марок, как Webasto, Eberspächer и аналогичными.
…и снова здравствуйте!
Несмотря на это, интерес к теплоаккумуляторам для автомобилей до сих пор не угас! Отдельные энтузиасты продолжают экспериментировать с ними, что можно увидеть на специализированных форумах в России и за рубежом. Некоторые небольшие компании даже производят такие системы и их компоненты для самостоятельной установки на транспортные средства, хотя существенного спроса на них нет. Тем не менее, термин «теплоаккумулятор» имеет шанс войти в лексикон автомехаников и автомобилистов – и этому способствует надвигающаяся эра электромобилей!
В электрокаре, как и в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, в процессе эксплуатации выделяется избыточное тепло. Нагреваются электродвигатель, аккумуляторная батарея, мощные электронные модули управления. Это тепло не только бесполезно рассеивается в окружающую среду, но также негативно влияет на работу системы кондиционирования, особенно в жаркую погоду. Поэтому его целесообразно накапливать и использовать для обогрева салона в холодное время года. Разработкой эффективных аккумуляторов тепла и системами отбора тепла от нагревающихся узлов для передачи его в накопитель занимаются многочисленные автомобильные и смежные инженерные компании, которые уже сейчас планируют будущие этапы развития электротранспорта, когда современные электромобили Tesla будут казаться устаревшими и примитивными. Например, Audi сотрудничает с немецким аэрокосмическим центром в Мюнхене и Институтом физики космических материалов в Кельне в рамках этих исследований.
