Los coches desperdician energía. Cada vez que levantas el acelerador, sale gas caliente por el tubo de escape. Se ha ido. Desperdiciado. Durante décadas, los ingenieros observaron cómo el calor desaparecía y se encogieron de hombros. Ahora se están volviendo codiciosos.
Con las reservas de combustibles fósiles menguándose y las ciudades asfixiadas por el smog, la industria automotriz tiene un problema. Los motores de combustión interna son brutos ineficientes. Queman combustible, crean movimiento y arrojan el resto en forma de calor. Gran parte sale por el sistema de escape. Los diseñadores de automóviles conocen esta fuga desde principios de los años 1970. Han estado intentando taparlo desde entonces.
La solución no es mágica. Es recuperación y recirculación del calor de escape.
Esto suena a jerga de ingeniería. En realidad, es bastante simple. En lugar de dejar escapar la energía térmica a la atmósfera, el coche la capta. Lo recicla. ¿El resultado? Mejor economía de combustible. Menores emisiones. Un flujo de escape más limpio antes de que llegue a la calle.
¿Por qué capturar el calor del escape?
Se podría pensar que el escape es simplemente aire sucio. Es. Pero también hace calor. Realmente caliente. Ese calor representa energía potencial. Trabajo potencial. Poder potencial.
Los ingenieros utilizan este calor residual de varias maneras.
Primero, mantienen caliente el motor. Los motores fríos son ineficientes. Queman más combustible para alcanzar la temperatura de funcionamiento. Al utilizar el calor del escape para calentar el refrigerante del motor, el motor permanece en su punto óptimo por más tiempo. Esto es importante incluso cuando el coche lleva horas parado. El calor residual en el bloque ayuda.
En segundo lugar, calientan la cabina. ¿Por qué quemar combustible extra sólo para hacer funcionar la calefacción? Utilice el escape en su lugar. Funciona en pleno invierno. Ahorra gasolina y mantiene los dedos de los pies calientes.
En tercer lugar, abordan los óxidos de nitrógeno. El óxido nitroso (N2O) es un potente gas de efecto invernadero. Reducirlo es una prioridad. Los sistemas de escape pueden ayudar a eliminar estas emisiones antes de que salgan del vehículo.
Finalmente, algunos sistemas generan electricidad. Sí. El calor se convierte en voltios. Esto alimenta los accesorios o ayuda a cargar la batería. Es una ganancia pequeña, pero cada vatio cuenta.
La conexión híbrida
Puedes poner esta tecnología en cualquier coche. Camiones, SUV, sedanes. Pero a los híbridos les importa más.
Los híbridos viven de la eficiencia. Su objetivo es exprimir cada milla de cada galón. El Toyota Prius 2010 es un excelente ejemplo. Utiliza estrategias avanzadas de recuperación del calor del escape para maximizar su alcance. El Prius no depende sólo de su motor eléctrico. Optimiza la potencia del motor de gasolina. Recupera los residuos. Minimiza las pérdidas.
En un automóvil de gasolina estándar, es posible ignorar una ganancia de eficiencia del 2%. En un híbrido, ese 2% es la diferencia entre tocar el siguiente enchufe o quedarse sin energía.
Cómo funciona en la práctica
El término recuperación del calor de escape cubre todo el proceso. No es una parte. Es un sistema. El calor pasa del colector de escape al refrigerante. Del refrigerante al bloque motor. Desde el escape hasta el núcleo del calentador de cabina.
Es un ciclo. Entrada de energía. Haz ejercicio. Residuos minimizados.
No se trata sólo de ahorrar dinero en el surtidor. Se trata de luchar contra la contaminación del aire. Al reciclar los gases de escape antes de que salgan, el coche produce menos compuestos nocivos. El aire tiene un descanso
Por qué el óxido nitroso es importante en las emisiones de los automóviles
El dióxido de carbono se lleva todo el odio. Es el villano principal en la historia del cambio climático. Pero los motores de combustión interna arrojan muchos otros contaminantes al aire. Uno de los más importantes es el óxido nitroso (N2O). Es un ingrediente clave del smog. También es un gas de efecto invernadero.
Al igual que el CO2, el N2O atrapa el calor de la luz solar. Mantiene esa energía térmica encerrada en la atmósfera. Sin gases de efecto invernadero, la Tierra sería una roca congelada. Demasiados y se convierte en un horno sofocante. Necesitamos un clima específico para sobrevivir. La agricultura depende de ello. Los casquetes polares dependen de ello. Cambiar ese equilibrio altera la forma en que vivimos. No se trata sólo de la temperatura. Se trata de estabilidad.
Eliminar el N2O de los automóviles es tan urgente como reducir el carbono. El problema es la química. El óxido nitroso se forma a temperaturas muy altas. Entonces la solución parece obvia. Baja la temperatura. Ahí es donde entra en juego la recirculación del calor de escape.
Cómo la recirculación de gases de escape reduce la contaminación
El componente principal aquí es la válvula de recirculación de gases de escape (EGR ). Es un mecánico sencillo con un gran trabajo. Cuando se acumula contrapresión en el sistema de escape, la válvula se abre. Envía parte de ese gas gastado de regreso a la cámara de combustión.
¿Por qué mezclar gases de escape sucios con una mezcla nueva de combustible y aire? Suena contradictorio. Estás introduciendo gas inerte en la mezcla. Esto diluye el contenido de oxígeno. Menos oxígeno significa que el combustible se quema más lentamente. También significa que se quema más frío.
El calor elevado crea N2O. El fuego lento lo impide. Al reducir la temperatura máxima de combustión, el sistema EGR reduce la formación de óxido nitroso en la fuente. La mayoría de los sistemas también enfrían los gases de escape antes de que vuelvan a ingresar a la cámara. Este efecto refrescante de doble inmersión hace que la quemadura sea aún más leve.
Hay un beneficio secundario. La combustión más fría reduce las pérdidas por transferencia de calor. Una mayor parte de la energía del combustible se destina a mover los pistones. Se escapa menos como calor residual. Eso significa una mejor economía de combustible. También ofrece a los programadores de motores más espacio para trabajar. A temperaturas más bajas, el riesgo de detonación disminuye. Pueden ajustar el tiempo de encendido con mayor precisión. El motor funciona más suavemente. Funciona más limpio.
La ventaja híbrida y los trucos de calentamiento.
La EGR no se trata sólo de un rendimiento máximo. Ayuda durante la fase crítica de calentamiento. Cuando arrancas un motor frío, funciona rico. Es ineficiente. El sistema EGR ayuda a calentar el refrigerante y el combustible más rápido. El motor alcanza la temperatura óptima de funcionamiento más rápidamente.
Esto es enorme para los híbridos. La mayoría de los híbridos apagan el motor de combustión interna cuando están parados. Si te quedas en el tráfico el tiempo suficiente, el motor se enfría. Arrancar un motor frío es ineficiente y contaminante. EGR ayuda a mantener el calor. Evita que el motor salga de su rango ideal demasiado rápido. El resultado es un híbrido que sigue siendo eficiente incluso en tráfico intermitente.
¿Pueden los gases de escape generar electricidad?
La recirculación de gases de escape ahorra combustible. Reduce la contaminación. Pero los ingenieros ven otra oportunidad. El calor residual sigue siendo energía. Simplemente está escapando. ¿Y si pudieras capturarlo? ¿Y si pudieras convertir esos residuos térmicos en electricidad?
El concepto está ganando terreno. En lugar de dejar que el calor desaparezca en la atmósfera, los nuevos sistemas pretenden captarlo. Esto podría alimentar sistemas auxiliares. Podría reducir la carga en el alternador. Incluso podría alimentarse directamente a la batería de alto voltaje de los híbridos y vehículos eléctricos. La idea es sencilla. No se pierde nada. Todo se utiliza.
convertir los residuos de escape en energía utilizable
La física se remonta a 1821. Thomas Seebeck, un físico alemán, descubrió que ciertos materiales generan calor a partir de la electricidad. Lo contrario también es cierto. Puedes convertir el calor en electricidad. Durante casi dos siglos, los ingenieros automotrices lo ignoraron. Los materiales eran demasiado caros. La eficiencia fue abismal.
Eso ha cambiado.
El Departamento de Energía de EE. UU. está financiando ahora el desarrollo de prácticos sistemas termoeléctricos de recuperación de calor residual para vehículos. Ven un futuro en el que esta tecnología no sea sólo una curiosidad de laboratorio. Es un componente.
por qué el escape es el objetivo principal
Los coches despiden calor por todas partes. El radiador. El bloque del motor. Pero el escape es la fuga más grande. Es una manguera contra incendios de energía térmica desperdiciada. La mayoría de los coches modernos ya recirculan los gases de escape a través de un circuito EGR. Esta tecnología se está volviendo obligatoria para estándares de emisiones más estrictos.
Eso crea una apertura.
Puedes atrapar ese calor desperdiciado. Utilice dispositivos termoeléctricos para convertirla directamente en electricidad. Sin partes móviles. Sin turbinas complejas. Solo conversión de estado sólido. Esta electricidad no desaparece simplemente. Alimenta los sistemas eléctricos del automóvil. Recarga la batería. En los vehículos híbridos y eléctricos enchufables, hace funcionar el motor eléctrico.
Es un circuito limpio.
La conversión del calor residual en electricidad ayuda a reducir las emisiones de óxido nitroso al enfriar el escape antes de que se mezcle con el combustible.
Un escape más frío significa una mejor química de combustión. Ayuda al convertidor catalítico a hacer su trabajo. El sistema termoeléctrico actúa como disipador de calor. Extrae energía de la corriente de gas. El gas restante está más frío cuando vuelve a entrar en el ciclo de combustión.
qué coches se benefician más
Cualquier coche recibe un impulso. Pero las matemáticas favorecen a los híbridos.
Un generador termoeléctrico amplía la autonomía. Complementa el paquete de baterías de alto voltaje. Eso significa que el motor eléctrico funciona más. El motor de combustión interna arranca con menos frecuencia. También reduce los tiempos de recarga de los híbridos enchufables. Estás recolectando energía que ya estaba siendo desperdiciada a la atmósfera.
Es energía libre, esencialmente. Bueno, no gratis. El hardware cuesta dinero. Pero el ahorro de combustible lo compensa.
el impulso por futuros libres de fósiles
Necesitamos estas tecnologías ahora. No en veinte años. Ahora.
La eficiencia del combustible y la baja contaminación son los guardianes de la próxima era de automóviles. El objetivo son los vehículos que dependan poco o nada de combustibles fósiles. Los sistemas EGR y la energía termoeléctrica son el puente. Desarrollarlos hoy previene el daño climático que resulta de esperar hasta que los combustibles fósiles sean escasos. O peor aún, hasta que la atmósfera ya no pueda absorber el impacto.
El cronograma es ajustado.
inmersiones más profundas en la eficiencia automotriz
Si desea comprender el ecosistema más amplio de la tecnología automotriz, observe cómo interactúan estos sistemas. Drive-by-wire cambia la forma en que las entradas llegan al motor. Las lecturas instantáneas de MPG le muestran el costo en tiempo real de sus hábitos de conducción. Los sistemas de asistencia de frenado optimizan la potencia de frenado, lo que se relaciona con la recuperación de energía en los híbridos.
Los vehículos SmartWay demuestran cómo las flotas logísticas utilizan los datos para reducir las emisiones. Las estaciones de servicio de combustible alternativo son la infraestructura necesaria para abandonar el gas.
Estas no son soluciones aisladas. Son partes de una máquina.
fuentes y lecturas adicionales
- El Green Car Congress informó en julio de 2005 sobre la creciente importancia del desarrollo de las termoeléctricas.
- Joseph Heremans señaló en 2008 que nuevos materiales podrían ayudar a los automóviles a convertir el calor en electricidad.
- Thaindian News destacó el reciclaje del calor de escape para automóviles ecológicos en febrero de 2008.
La tecnología está madurando. La financiación está ahí. El desafío de la ingeniería ya no es “¿podemos hacerlo?” La pregunta es “¿qué tan rápido podemos hacerlo lo suficientemente barato?”
