Auta plýtvají energií. Pokaždé, když uvolníte plynový pedál, horké plyny silně unikají z výfukového potrubí. Zmizí. Zbytečně. Po celá desetiletí se inženýři dívali na to, jak se toto teplo rozptyluje, a pokrčili rameny. Nyní se stali chamtivými.
Vzhledem k tomu, že zásoby fosilních paliv se zmenšují a města dusí smog, automobilový průmysl čelí výzvě. Spalovací motory jsou neefektivní bestie. Spalují palivo, vytvářejí pohyb a zbytek energie uvolňují jako teplo. Významná část prochází výfukovým systémem. Automobiloví konstruktéři o tomto úniku věděli již od počátku 70. let. Od té doby se to snaží eliminovat.
Řešení není kouzelné. Jedná se o rekuperaci odpadního tepla a recirkulaci.
Zní to jako inženýrský žargon. Je to vlastně docela jednoduché. Místo aby umožnilo tepelné energii unikat do atmosféry, automobil ji zachycuje. Recykluje to. jaký je výsledek? Lepší palivová účinnost. Nižší emise. Čistší výfuk ještě předtím, než vyjede na ulici.
Proč zachycovat výfukové teplo?
Možná si myslíte, že výfuk je jen špinavý vzduch. Tak to je. Ale je také horký. Velmi horké. Toto teplo představuje potenciální energii. Potenciální zaměstnání. Potenciální síla.
Inženýři využívají toto odpadní teplo několika způsoby.
Nejprve udržují teplotu motoru. Studené motory jsou neefektivní. Spálí více paliva, aby dosáhly provozní teploty. Díky využití výfukového tepla k ohřevu chladicí kapaliny motoru zůstává motor déle v optimálním provozním režimu. To je důležité, i když je auto zaparkované několik hodin. Pomáhá zbytkové teplo v bloku.
Za druhé vyhřívají interiér. Proč spalovat další palivo jen kvůli provozu topení? Použijte výfuk. Funguje to i v hluboké zimě. To šetří plyn a zároveň udržuje vaše prsty na nohou v teple.
Za třetí bojují s oxidy dusíku. Oxid dusnatý (N2O) je silný skleníkový plyn. Jeho snížení je prioritou. Výfukové systémy mohou pomoci vyčistit tyto emise předtím, než opustí vozidlo.
A konečně, některé systémy vyrábějí elektřinu. Ano. Teplo se mění ve volty. To napájí příslušenství nebo pomáhá nabíjet baterii. Je to malý zisk, ale každý watt se počítá.
Spojení s hybridy
Tato technologie může být instalována v jakémkoli automobilu. Nákladní vozy, SUV, sedany. Nejvíce o ni ale stojí kříženci.
Hybridům se daří v efektivitě. Jejich hlavním cílem je vymáčknout z každého galonu každou míli. Toyota Prius 2010 je ukázkovým příkladem. K maximalizaci dojezdu využívá pokročilé strategie rekuperace tepla z výfuku. Prius se nespoléhá pouze na svůj elektromotor. Optimalizuje výkon benzinového motoru. Zachycuje odpad. Minimalizuje ztráty.
U běžného benzínového auta můžete 2% zvýšení účinnosti ignorovat. U hybridu jsou tato 2 % rozdílem mezi tím, zda se dostanete k další zásuvce, nebo dojde k vybití.
Jak to funguje v praxi
Pojem rekuperace odpadního tepla zahrnuje celý proces. To není jeden detail. Toto je systém. Teplo se přenáší z výfukového potrubí do chladicí kapaliny. Od chladicí kapaliny po blok motoru. Od výfuku až po jádro vnitřního topení.
Je to koloběh. Energie přichází. Práce vychází. Odpad je minimalizován.
Nejde jen o úsporu peněz na pumpě. Tím je boj proti znečištění ovzduší. Zpracováním výfukových plynů před jejich únikem vaše auto produkuje méně škodlivých sloučenin. Vzduch dostane přestávku
Proč je oxid dusný důležitý pro emise automobilů
Veškerá negativita je zaměřena na oxid uhličitý. Je hlavním padouchem v příběhu o klimatických změnách. Ale spalovací motory uvolňují do atmosféry mnoho dalších škodlivin. Jedním z nejvýznamnějších je oxid dusný (N2O). Je klíčovou složkou smogu. Navíc je to skleníkový plyn.
Stejně jako CO2, N2O zachycuje teplo ze slunečního záření. Tuto tepelnou energii ukládá v atmosféře. Bez skleníkových plynů by Země byla zmrzlou skálou. Je jich moc a mění se v dusnou pec. K přežití potřebujeme určité klima. Zemědělství na tom závisí. Závisí na tom ledové čepice. Změna této rovnováhy mění způsob, jakým žijeme. Nejde jen o teplotu. Jde o stabilitu.
Snížení emisí N2O z vozidel je stejně naléhavé jako snížení emisí uhlíku. Problém je v chemii. Oxid dusný vzniká při velmi vysokých teplotách. Řešení se tedy zdá nasnadě. Snižte teplotu. Zde přichází na pomoc recirkulace výfukových plynů.
Jak recirkulace výfukových plynů snižuje znečištění
Hlavním prvkem je zde ventil recirkulace výfukových plynů (EGR ). Je to jednoduché mechanické zařízení s důležitým účelem. Když se ve výfukovém systému vytvoří protitlak, ventil se otevře. Část výfukových plynů vrací zpět do spalovací komory.
Proč míchat špinavý výfuk s čerstvou směsí vzduchu a paliva? Zní to kontraintuitivně. Do směsi zavedete inertní plyn. Tím se snižuje obsah kyslíku. Méně kyslíku znamená, že palivo hoří pomaleji. To také znamená, že hoří chladněji.
Vysoká teplota vytváří N2O. Nízká teplota zabraňuje jeho tvorbě. Snížením maximální teploty spalování snižuje systém EGR tvorbu oxidu dusného v jeho počáteční fázi. Většina systémů také ochlazuje výfukové plyny před jejich opětovným vstupem do komory. Tento dvojitý chladicí efekt činí proces spalování ještě plynulejším.
Existuje sekundární výhoda. Chladnější spalování snižuje ztráty přenosu tepla. Většina energie paliva jde na pohyb pístů. Méně se ho ztrácí ve formě tepla. To znamená lepší spotřebu paliva. Poskytuje také softwarovým inženýrům více možností, se kterými mohou pracovat. Při nižších teplotách se snižuje riziko detonace. Mohou upravit časování zapalování s větší přesností. Motor běží hladší. Funguje čistěji.
Výhody hybridů a zahřívacích technik
EGR není jen otázkou špičkového výkonu. Pomáhá v kritické fázi zahřívání. Když nastartujete studený motor, běží bohatě. Je to neúčinné. Systém EGR pomáhá rychleji ohřívat chladicí kapalinu a palivo. Motor rychleji dosáhne optimální provozní teploty.
To má u hybridů velký význam. Většina hybridů při zastavení vypíná spalovací motor. Po dostatečně dlouhém sezení v dopravní zácpě se tento motor ochladí. Startování studeného motoru je neúčinné a znečišťuje životní prostředí. EGR vám pomůže udržet se v teple. Zabraňuje motoru příliš rychle opustit svůj ideální rozsah. Výsledkem je hybrid, který zůstává efektivní i v režimu stop-start.
Mohou výfukové plyny vyrábět elektřinu?
Recirkulace výfukových plynů šetří palivo. Snižuje znečištění. Inženýři ale vidí jinou možnost. Odpadní teplo je stále energie. Prostě to jde pryč. Co kdybyste to mohli chytit? Co kdybyste mohli tuto ztrátu tepla přeměnit na elektřinu?
Tento koncept nabírá na síle. Namísto toho, aby nechaly teplo zmizet v atmosféře, se nové systémy snaží je shromažďovat. To může napájet pomocné systémy. To může snížit zatížení generátoru. Mohl by dokonce přímo napájet vysokonapěťovou baterii v hybridech a elektrických vozidlech. Myšlenka je jednoduchá. Nic není ztraceno. Vše se používá.
Přeměna odpadního tepla z výfuku na užitečnou energii
Fyzika tohoto jevu sahá až do roku 1821. Thomas Seebeck, německý fyzik, objevil, že některé materiály generují elektřinu, když jsou vystaveny teplu. Platí to i naopak: teplo lze přeměnit na elektřinu. Téměř dvě století automobiloví inženýři tento efekt ignorovali. Materiály byly příliš drahé a účinnost byla extrémně nízká.
Ale situace se změnila.
Americké ministerstvo energetiky nyní financuje vývoj praktických termoelektrických systémů zpětného získávání odpadního tepla pro vozidla. Vidí budoucnost, ve které tato technologie nebude jen laboratorní kuriozitou, ale plnohodnotnou součástí vozu.
Proč je hlavním cílem výfuk
Auta ztrácejí teplo všude: přes chladič, přes blok válců. Ale výfuk je největší únik. Jedná se o skutečnou požární hadici promarněné tepelné energie. Většina moderních automobilů již recirkuluje výfukové plyny prostřednictvím okruhu EGR (exhaust gas recirculation). Tato technologie se stává povinnou, aby vyhovovala přísnějším ekologickým předpisům.
To vytváří příležitost.
Toto ztracené teplo je možné zachytit a pomocí termoelektrických zařízení jej přímo přeměnit na elektřinu. Žádné pohyblivé části. Žádné složité turbíny. Pouze solidní konverze. Tato elektřina nezmizí beze stopy. Napájí palubní elektrické systémy vozidla. Nabíjí baterii. V hybridních a plug-in elektrických vozidlech pohání elektromotor.
Toto je uzavřený, čistý cyklus.
Přeměna odpadního tepla na elektřinu pomáhá snižovat emise oxidů dusíku chlazením výfukových plynů před jejich smícháním s palivem.
Chladnější výfuk znamená zlepšenou chemii spalování. To pomáhá katalyzátoru dělat jeho práci. Termoelektrický systém funguje jako chladicí radiátor. Získává energii z proudění plynů. Zbývající plyny se po návratu do spalovacího cyklu ochlazují.
Která auta vyhrávají nejvíce?
Každé auto má výhodu. Výpočty ale upřednostňují hybridy.
Termoelektrický generátor zvyšuje výkonovou rezervu. Doplňuje vysokonapěťovou baterii. To znamená, že elektromotor běží déle. Spalovací motor startuje méně často. To také snižuje dobu nabíjení u plug-in hybridů. Sbíráte energii, která byla dříve jednoduše vypuštěna do atmosféry.
To je v podstatě volná energie. No, ne úplně zadarmo. Vybavení stojí peníze. Úspora paliva však tyto náklady kompenzuje.
Usilujeme o budoucnost bez fosilních paliv
Tyto technologie nyní potřebujeme. Ne za dvacet let. Teď.
Spotřeba paliva a nízké znečištění jsou klíčovými faktory pro příští éru automobilů. Cílem jsou vozidla s minimální nebo žádnou závislostí na fosilních palivech. Systémy EGR a termoelektrická energie slouží jako most k tomuto cíli. Jejich vývoj nyní zabraňuje poškození klimatu, ke kterému dojde, pokud budeme čekat, až se fosilní paliva stanou vzácností. Nebo ještě hůř – dokud atmosféra už nedokáže absorbovat následky.
Časové rámce jsou komprimované.
Hluboký ponor do automobilové efektivity
Chcete-li porozumět širšímu ekosystému automobilových technologií, podívejte se, jak tyto systémy vzájemně ovlivňují. Technologie Drive-by-wire mění způsob odesílání příkazů do motoru. Okamžité údaje o spotřebě paliva ukazují skutečné náklady na vaše řidičské návyky. Brzdové asistenční systémy optimalizují brzdnou sílu, která je u hybridů spojena s rekuperací energie.
Vozidla SmartWay demonstrují, jak logistické flotily využívají data ke snižování emisí. Alternativní čerpací stanice jsou infrastrukturou potřebnou k přechodu od benzínu.
Nejde o izolovaná řešení. Jedná se o části jednoho mechanismu.
Zdroje a další čtení
- Green Car Congress oznámil, že termoelektrická technologie se v červenci 2005 stala středem zájmu vývoje.
- Joseph Heremans v roce 2008 poznamenal, že nové materiály by mohly pomoci autům přeměnit teplo na elektřinu.
- Thaindian News upozornily na téma rekuperace výfukového tepla pro ekologická auta v únoru 2008.
Technologie dozrává. Existuje financování. Inženýrskou výzvou již není „zvládneme to? Nyní otázka zní: “Jak rychle to dokážeme udělat dostatečně levně?”
