Είναι γνωστό ότι ακόμα και ο πιο αποδοτικός κινητήρας εσωτερικής καύσης μπορεί να μετατρέψει μόνο το ένα τρίτο (1/3) της ενέργειας που προέρχεται από ορυκτά καύσιμα σε μηχανική κινητική ενέργεια για την κίνηση ενός οχήματος.
Τα τελευταία χρόνια, η BMW μέσω του EfficientDynamics έχει βελτιώσει σημαντικά την απόδοση των κινητήρων, όπως για παράδειγμα, με τεχνολογίες όπως άμεσος ψεκασμός καυσίμου, μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων, υπερσυμπιεστές καυσαερίων, ανάκτηση ενέργειας πέδησης και τη λειτουργία Auto Start. Ωστόσο, περίπου το 60% της παραγόμενης ενέργειας χάνεται καθώς διαφεύγει μέσω της εξάτμισης και η υπόλοιπη απορροφάται από το σύστημα ψύξης του κινητήρα. Η ανεύρεση τρόπων ανάκτησης αυτής της χαμένης θερμικής ενέργειας είναι ένας από τους μεγαλύτερους στόχους των μηχανικών οι οποίοι διερευνούν την τεχνολογία BMW EfficientDynamics για το μέλλον.
Το BMW Group εμπλέκεται σε αρκετά projects, το καθένα με διαφορετική προσέγγιση στη χρήση της διαχεόμενης θερμότητας. Όλα αυτά ελέγχονται σε διάφορα στάδια – έρευνα, προ-παραγωγή και εξέλιξη. Μεταξύ των πλέον υποσχόμενων καινοτομιών είναι το Turbosteamer. Τα Turbosteamer & Thermoelectric Generator (TEG) projects επικεντρώνονται στην παραγωγή ηλεκτρικού φορτίου από εκλυόμενη θερμότητα για τη βελτίωση της συνολικής απόδοσης του κινητήρα, αλλά το καθένα ακολουθεί διαφορετική μέθοδο και χρονοδιάγραμμα. Υπάρχουν μεγάλα περιθώρια εξοικονόμησης καυσίμου εάν η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται από τα επιμέρους συστήματα ενός αυτοκινήτου μπορεί να παραχθεί από την αξιοποίηση της περίσσειας θερμότητας αντί να στηρίζεται αποκλειστικά στο δυναμό. Αυτό είναι ένα ακόμα ορόσημο του BMW EfficientDynamics στην επίτευξη αυξημένης ισχύος και επιδόσεων και παράλληλα στη μείωση των ρύπων και της κατανάλωσης.
Στο Turbosteamer Project, οι ειδικοί του τμήματος Έρευνας & Τεχνολογίας του BMW Group εργάζονται σε ένα σύστημα ανάκτησης θερμότητας που βασίζεται στην αρχή μιας διαδικασία ατμού. Η διαδικασία ανάκτησης ενέργειας από την απόβλητη θερμότητα ήδη χρησιμοποιείται σε μεγάλη κλίμακα στα σύγχρονα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας: μεγάλοι σταθμοί παραγωγής ενέργειας μέσω αερίου και ατμού συνδυάζουν τις αρχές μιας τουρμπίνας αερίου και ένα κύκλωμα ατμού για να επιτύχουν σημαντικά υψηλότερη αποδοτικότητα. Ένας αεριοστρόβιλος αποτελεί την πρώτη φάση μετατροπής ενέργειας και λειτουργεί σαν πηγή θερμότητας για την παραγωγή του ατμού που απαιτεί η δεύτερη φάση. Το turbosteamer της BMW βασίζεται σε αυτή τη μέθοδο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας δύο σταδίων – αλλά έχει περιορισμένες διαστάσεις για να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σύγχρονους κινητήρες.
Ερευνητές απέδειξαν τη δυνατότητα υλοποίησης αυτής της τεχνολογίας το Δεκέμβριο του 2005 με την αποκάλυψη της πρώτης γενιάς turbosteamer, η οποία βασίστηκε σε μια μαξιμαλιστική προσέγγιση: σχεδίασαν ένα σύστημα δύο κυκλωμάτων. Το πρωταρχικό στοιχείο ήταν ένα κύκλωμα υψηλής θερμοκρασίας που χρησιμοποιούσε εναλλάκτη θερμότητας για την ανάκτηση ενέργειας από τα καυσαέρια του κινητήρα. Αυτό ήταν συνδεμένο με ένα δευτερεύον κύκλωμα που συνέλλεγε θερμότητα από το σύστημα ψύξης του κινητήρα και τη συνδύαζε με τη θερμότητα υψηλής θερμοκρασίας από το πρωταρχικό κύκλωμα για την επίτευξη χαμηλότερης θερμοκρασίας. Όταν η σχεδίαση δοκιμάστηκε στο εργαστήριο στους τετρακύλινδρους βενζινοκινητήρες που κατασκεύαζε η BMW την εποχή εκείνη, το σύστημα αύξησε τις επιδόσεις των κινητήρων κατά 15%.
Για περαιτέρω εξέλιξη του συστήματος ώστε να χρησιμοποιηθεί στη μαζική παραγωγή, δόθηκε έμφαση στη μείωση του μεγέθους των εξαρτημάτων και στην απλούστευσή του ώστε να βελτιωθεί η δυναμική και να επιτευχθεί μία καλύτερη αναλογία κόστους-οφέλους. Έτσι, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν τη σχεδίαση μιας μονάδας που θα είχε μόνο ένα κύκλωμα υψηλής θερμοκρασίας. «Ένας εναλλάκτης θερμότητας ανακτά θερμότητα από τα καυσαέρια του κινητήρα και αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται για να θερμάνει ένα υγρό που βρίσκεται σε υψηλή πίεση – αυτό το υγρό στη συνέχεια μετατρέπεται σε ατμό που κινεί μία τουρμπίνα η οποία παράγει ενέργεια από την ανακτημένη θερμότητα» εξηγεί ο Jürgen Ringler, Team Leader στους Μετατροπείς Θερμικής Ενέργειας του τμήματος Έρευνας & Τεχνολογίας του BMW Group.
Για την τελευταία γενιά του turbosteamer, οι μηχανικοί δημιούργησαν μία τουρμπίνα διαστολής βασισμένη στην Αρχή της Τουρμπίνας Παλμού, που προσέφερε πολλά πλεονεκτήματα από πλευράς κόστους, βάρους και μεγέθους συγκρινόμενη με προηγούμενες φιλοσοφίες – και αυτοί είναι παράγοντες εξαιρετικά ωφέλιμοι όταν έχουμε να κάνουμε με μαζική παραγωγή. «Σημειώσαμε μεγάλη πρόοδο προς την επίτευξη του αρχικού μας στόχου, που ήταν η δημιουργία ενός συστήματος έτοιμου για μαζική παραγωγή μέσα σε δέκα χρόνια περίπου. Όταν ολοκληρωθεί, αυτό το σύστημα θα ζυγίζει μόνο 10 – 15 kg και θα μπορεί να παρέχει όλη την ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται ένα αυτοκίνητο όταν ταξιδεύει στο αυτοκινητόδρομο ή σε επαρχιακούς δρόμους» σχολίασε ο Ringler. Υπό αυτές τις συνθήκες, οι υπεύθυνοι εξέλιξης είναι σίγουροι ότι ο μέσος οδηγός θα μπορεί να μειώνει την κατανάλωση ενέργειας μέχρι 10% σε ταξίδια μεγάλων αποστάσεων. Όλα τα εξαρτήματα του συστήματος που εξελίχθηκαν στο εργαστήριο συναρμολογήθηκαν σε μία μονάδα που μπορεί να ενσωματωθεί σε οχήματα. Αυτό έγινε με επιτυχία με την εγκατάσταση ενός πρωτότυπου συστήματος στην BMW Σειρά 5.
