Turbosteamer I и II, или когато BMW разработи съчетания от ДВГ с парна машина/парна турбина
През 2005 и 2011 година BMW показа две перспективни разработки за директно усвояване на загубената от охладителната система и отработилите газове топлина. Решението? Парна машини (първо поколение) и парна турбина (второ поколение).
Колкото и хибридните системи да помагат на двигателя с вътрешно горене да работи в по-ефективни режими, и това значително да намалява разхода на гориво, слабостите на добрата стара топлинна машина, дори в най-добрите и модерни интерпретации, си остава. През годините са се появявали различни разработки за директно използване на топлината и подобряване на ефективността на двигателите с вътрешно горене. Такава например създава някой си Д.Ф. Греъм от Кънектикът, който в началото на XX век проектира „двигател с двойно разширение“, в който газовете от двата външни цилиндъра на бензинов двигател задвижват директно буталото на вътрешния цилиндър. Автомобилите с двигатели, създадени на базата на този принцип от инженера Джон Айзенхът, са продавани под името Compound през 1904 г. и всъщност са успешни. “Compound” пък напомня за разработката на Scania Turbo Compound включваща основен турбокомпресор и втори такъв, свързан с коляновия вал през хидравлична система, заради големите разликите в оборотните режими.
Преди почти 20 години инженерите от BMW също предлагаха любопитно решение за използване на топлината на отработилите газове. Специалистите от развойния отдел на BMW се фокусираха върху движението на енергийните потоци в автомобила, откривайки допълнителен потенциал за икономии при двигателя с вътрешно горене. Днешните автомобили с хибридно задвижване оползотворяват голяма част от енергията при спиране – същата онази енергия, която класическият автомобил превръща в топлина от триене в спирачната система и излъчва невъзвратимо в околното пространство. Тази икономия обаче е буквално нищожна на фона на количествата топлинна енергия, които съвременният автомобил губи в изпускателната и в охладителната уредба – суровата реалност сочи, че около 60 % (!) от получената в горивния процес енергия се прахосва през ауспуха и радиатора. Именно оползотворяването на този невероятен потенциал бе целта на създадената от BMW експериментална система Turbosteamer.
Главна роля при нея играе парата. Тя се формира в два циркулационни кръга, запълнени съответно с вода и етилов алкохол (етанол). Алкохолът се използва поради ниската му температура на кипене (още при 70 градуса), но тъй като не понася прекалено високи температури, топлообменът със загретия до повече от 500 градуса ауспух се осъществява от водния циркулационен кръг. Водните и етаноловите пари преминават и извършват работа в два парни двигателя с аксиални бутала, след което се охлаждат, втечняват се и отново се включват в кръговрата.
Едно от големите предимства на системата се състоеше в това, че с повишаване на натоварването на бензиновия двигател, ефективността на Turbosteamer също се повишаваше. С други думи - парните двигатели отдават най-голяма част от превърнатата във въртеливо движение топлинна енергия на коляновия вал именно при движение по извънградски маршрут или на магистрала, където хибридите губят част от своите предимства. Според тогавашните прес съобщения свързани с Turbosteamer, системата можеше да повиши ефективността на двигателя с вътрешно горене с до 15%, а провежданите в BMW практическите стендови изпитания с 1,8-литров бензинов мотор показваха повишение на мощността с 15 к. с., респективно намаляване на разхода на гориво с 1,5 л/100 км. Според плановете на баварската компания, Тurbosteamer трябваше да бъде напълно готов за масово приложение в серийното производство след около десет години.
Turbosteamer II
Първото поколение на Turbosteamer от 2005 година бе последвано от второ, което вече се носеше на вълните на електрификацията. В името на по-близкото до възможностите на реално производство и повече компактност на компонентите, инженерите се насочиха към създаване на система само с един циркулационен кръг. В нея топлообменникът се нагрява от отработилите газове, а получената енергия се използва за нагряване на течност в кръг под високо налягане. Нагретият флуид се превръща в пара, която се насочва към разширителна парна турбина, която от своя страна не е свързана с коляновия вал, както при първото поколение, а върти генератор произвеждащ електричество. Това е напълно естествено защото характеристиките на парната машина по отношение обороти и въртящ момент са по-близки до тези на бензиновия двигател с вътрешно горене. Парната турбина е коренно различна в това отношение и в нейния случай за пряка връзка с коляновия ще трябва да се приложи решение подобно на гореспоменатото на Scania.
Когато през 2011 година BMW представи тази технология, тя показа и така наречените термоелектрически генератори, използващи ефекта на Сийбек (открит през 1821 година), при който в резултати от нагряването на метални структури и разликата в температура се генерира електричество. BMW използваше този ефект в топлообменнците на EGR системите. Обратният на този ефект, открит през 1834 година от Жан Пелтие, при който прилагането на електричество води до охлаждане и свиване на метални структури стана основа за създаването на модерните пиезоинжестори.