Почему машины не запасают свое же тепло для облегчения холодного пуска двигателя?
В процессе работы двигателя внутреннего сгорания колоссальное количество тепла впустую уходит в атмосферу. Собрать его, накопить и использовать впоследствии – такая идея была популярна одно время у автомобильных инженеров. Как это работало и что из этого вышло?
Тепло – про запас!
Пришли холода, а с ним автомобилистов вновь стали посещать типично-сезонные мысли о разнообразных конструкциях предпускового подогрева двигателя, дабы повысить собственный комфорт, увеличить ресурс двигателя и не жечь впустую горючее. Собственно, множество моделей таких систем от самых разных производителей легко разделить на две основные группы – это автономные подогреватели, основанные на сжигании топлива, и стационарные подогреватели, работающие от электросети 220 вольт. Бесконечно всплывающая на автофорумах год от года мечта многих энтузиастов, не очень подкованных технически, греть машину энергией своего же аккумулятора, едва ли когда-то будет реализована. Во всяком случае, в сегменте традиционных бензиновых и дизельных двигателей – точно. А вот согреть наутро двигатель его же теплом, запасенным с вечера, – это, как ни странно, вполне работоспособная идея!
В 80-90-е годы ХХ века автомобильным инженерам многих стран пришла в голову лежащая, в общем-то, на поверхности, мысль. Двигатель внутреннего сгорания, даже с самым высоким КПД, выделяет избыточно много бесполезного тепла, которое без толку рассеивается в атмосферу через радиатор. Почему бы в таком случае не запасать часть этой тепловой энергии в неком хранилище и не пускать ее на предварительный обогрев мотора перед следующим запуском в морозные периоды? Да и не в морозные, в общем-то, тоже – быстрее выходящий на рабочий температурный режим мотор тратит меньше топлива и более экологичен! В итоге некоторое количество конструкций автомобильных устройств, работающих по принципу накопления тепла, было разработано и даже выпускалось, как коммерческие изделия.
Как это устроено…
Концепция таких систем была приблизительно одинакова у разных разработчиков и за рубежом, и в СССР. Если сильно упростить, то ее схема выглядела так: под капотом (или в багажнике!) предлагалось установить баллон-теплоаккумулятор – емкость со стенками как у термоса. Через два дополнительных патрубка-тройника теплоаккумулятор входным и выходным шлангами врезался в штатную систему охлаждения двигателя через электрический клапан и небольшой электрический насос. Разумеется, объем антифриза в системе охлаждения увеличивался на объем баллона и соединительных шлангов.
Тепловой системой управлял собственный электронный контроллер с весьма простым алгоритмом. Ориентируясь на датчик температуры, контроллер дожидался прогрева двигателя до максимальной рабочей температуры 90-100 градусов, после чего открывал клапан, подключая, таким образом, контур теплоаккумулятора к штатной системе охлаждения двигателя, запускал электронасос и наполнял баллон горячим антифризом, выгоняя из него холодный. Напомним: если в радиатор горячего мотора внезапно ливануть несколько литров холодной воды или антифриза, может деформироваться головка блока. Впрочем, это ни для кого не секрет. Поэтому смена объема жидкости в теплоаккумуляторе происходила не скачком, а постепенно – в течение, скажем, минут десяти, через небольшое отверстие в частично открытом клапане. После наполнения баллона клапан закрывался, система накопления тепла отключалась и переходила в режим ожидания. Автомобиль же продолжал совершать поездки, использовался в обычном повседневном режиме, а вечером ставился на парковку.
Наутро перед запуском двигателя либо автоматически по таймеру, либо посредством дистанционного управления, либо вообще вручную непосредственно из салона открывался электроклапан в магистрали теплоаккумулятора, включалась электропомпа, и горячий антифриз из баллона прокачивался по рубашке двигателя, вытесняя обратно в баллон аналогичный объем холодной жидкости. Процесс был достаточно быстрым, занимая не более двух-трех минут, после чего мотор запускался, будучи уже в некоторой степени подогретым.
На первый взгляд, плюсы такой системы налицо. Простота конструкции – это, в первую очередь, дешевизна. Нулевые затраты топлива и практически нулевые – электричества. Риск остаться с разряженным аккумулятором отсутствовал. И, вдобавок, обеспечивалась полнейшая пожаробезопасность, поскольку в отличие от автономных и сетевых подогревателей в этой системе не было электрического ТЭНа или горящего бензина!
…и почему так и не стало популярным?
Однако возникает вопрос: почему же такие системы не стали распространенными как, скажем, дорогущие бензиновые и дизельные «автономки» и недорогие электроподогревы антифриза, работающие от сети 220 вольт? Уверен, что большинство автовладельцев, задай им такой вопрос, с недоумением ответят, что впервые слышат про системы предпускового подогрева с помощью теплоаккумулятора.
Существенной проблемой стало недопонимание потенциальными покупателями смысла таких систем из-за их уж шибко компромиссных свойств. Теплоемкость горячего антифриза ввиду ограниченного объема бака-термоса весьма невысока. Соответственно, чем ниже температура окружающей среды, тем менее эффективным оказывался теплоаккумулятор. В 10-15 градусов мороза на улице он мог прогреть двигатель приблизительно до нулевой температуры. В 20-25 градусов мороза мотор прогревался до, скажем, минус пятнадцати. Ну и далее по шкале температур. Масло в картере фактически не прогревается – то есть, износ двигателя от холодного пуска не уменьшается. Салон теплым не становится. И работает это все лишь при строго ежедневной езде. Достаточно пропустить день, оставшись дома и не заведя машину, и антифриз в теплоаккумуляторе остывал, делая его работу бессмысленной. В глазах потенциального покупателя выглядело все это как-то неубедительно, согласитесь.
Хотя реальные плюсы имелись и были они не маркетинговыми, а вполне объяснимыми технически. Жаль только, что плюсы эти были слишком растянуты во времени и по этой причине опять же малопривлекательны. Да, масло не прогревалось, и по этой причине пусковой ток стартера практически не снижался при использовании теплоаккумулятора. Но прогрев головки блока и улучшение испаряемости топлива все же давали гораздо более устойчивый и быстрый запуск и сокращение времени работы стартера. Все это изрядно продлевало жизнь и стартерному аккумулятору, и самому стартеру. Время прогрева двигателя перед началом движения в мороз тоже сокращалось приблизительно на четверть, что в конечном итоге при существенном пробеге давало приличную экономию топлива и денег. Вот только продвигать теплоаккумуляторы под таким соусом можно было лишь в годы интереса к ним со стороны разработчиков – те самые 80-90-е. Позже у рядовых автовладельцев возникло куда более утилитарное отношение к автомобилям с потерей интереса вложений денег и времени в продление их ресурса, ибо через три-пять лет машина просто меняется на новую. Да и ассортимент средств предпускового подогрева в продаже (приобретаемых уже в основном ради комфорта, а не увеличение ресурса мотора и аккумулятора) существенно расширился, включив в себя, в том числе, и доступные сигнализации с автозапуском.
Эволюция и тупик
Имелся ли у систем с теплоаккумуляторами какой-то потенциал для дальнейшего развития и, соответственно, рост интереса к ним со стороны автовладельцев или даже автозаводов? Имелся, и по этому пути шли, но в конечном итоге все уткнулось в типичный для технической сферы тупик противоречий между эффективностью и стоимостью. Простые и дешевые варианты имели весьма ограниченные достоинства, а варианты сложные сводили на нет ценовую доступность, сохраняя при этом большую часть недостатков простых.
Во-первых, в современном легковом автомобиле трудно найти место для размещения теплоаккумулятора приличного литража под капотом, а размещение его в багажнике резко усложняет и удорожает монтаж. Поэтому объем теплоаккумуляторов в предлагавшихся системах обычно не превышал 8 литров, а чаще балансировал где-то между 4 и 8. При этом теплоемкость пяти-шести литров горячего антифриза была весьма невысока. Развиваться в направлении увеличения емкости теплоаккумулятора оказалось нереально – необходимо было хотя бы добиться эффективного использования того, что уже имелось! Иными словами, достичь максимально длительного сохранения температуры антифриза в накопителе без потерь драгоценных градусов.
Внешняя теплоизоляция разными утепляющими материалами, применяемыми в строительстве, – это начало пути самодельщиков. Да-да, системы с теплоаккумуляторами для автомобиля некоторые граждане изучают и строят в качестве хобби даже в наши дни! Но вариант это совершенно бесперспективный, хотя и простой. Более сложные коммерческие системы использовали схему полноценного термоса с двойными стенками и вакуумом. Высший же пилотаж заключался в системах косвенного теплонакопления, с которыми экспериментировали некоторые скандинавские компании. В теплоаккумуляторе хранился не антифриз (что позволяло не увеличивать общий его объем в системе), а особые, сложные по составу гранулы, расположенные в хитрой пространственной решетке медных теплообменников, которые были вдобавок заключены в вакуумный термосный кожух. Начинка теплоаккумулятора накапливала тепло от прогоняемого через нее антифриза, а затем отдавала тепло ему же при прокачке холодной жидкости. У таких систем была отмечена радикально возросшая эффективность (более высокие температуры прогрева двигателя, хранение тепла не в течение ночи, а до двух-трех суток), но стоимость этих разработок не позволила сделать их сколько-нибудь массовыми и выигрывающими у «вебаст», «эбершпехеров» и прочих подобных устройств.
…и снова здравствуйте!
Как ни странно, интерес к теплоаккумуляторам в автомобиле до сих пор полностью не исчерпан! И по сей день с ними, повторимся, экспериментируют отдельные самодельщики, в чем можно убедиться, порывшись на наших и иностранных форумах технической направленности. А некоторые немногочисленные коммерческие компании даже производят такие системы и их компоненты для самостоятельного монтажа на машины. Хотя ажиотажного спроса на них, разумеется, нет. Однако термин «теплоаккумулятор» еще имеет шансы застолбить место в лексиконе автомехаников и автолюбителей – и поможет ему надвигающаяся эра электромобилей!
В электрической машине, как и в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, в процессе работы вырабатывается попутное тепло. Греется двигатель, батарея, мощные электронные модули коммутации. Это тепло не только бесполезно рассеивается в атмосферу, но еще и вредит, в теплое время года частично попадая в салон и заставляя тратить больше энергии на кондиционирование. Поэтому его перспективно накапливать и использовать для обогрева в холодный период. Разработкой эффективных аккумуляторов тепла и систем отбора тепла у нагревающихся узлов для его дальнейшей передачи в накопитель занимаются многие автомобильные и околоавтомобильные инжиниринговые компании, уже сегодня думающие о будущих этапах эволюции электротранспорта, когда продвинутые современные Теслы будут вспоминать как допотопные и примитивные машины. К примеру, Audi в этих исследованиях сотрудничает с немецким аэрокосмическим центром в Мюнхене и Институтом физики космических материалов в Кельне.
