Le auto sprecano energia. Ogni volta che si solleva il gas, il gas caldo fuoriesce dal tubo di scappamento. Non c’è più. Sprecato. Per decenni, gli ingegneri hanno guardato quel calore svanire e hanno alzato le spalle. Ora stanno diventando avidi.
Con le riserve di combustibili fossili in diminuzione e le città soffocate dallo smog, l’industria automobilistica ha un problema. I motori a combustione interna sono bruti inefficienti. Bruciano carburante, creano movimento e scaricano il resto sotto forma di calore. Gran parte esce attraverso il sistema di scarico. I progettisti automobilistici erano a conoscenza di questa perdita fin dall’inizio degli anni ’70. Da allora hanno cercato di tapparlo.
La soluzione non è magica. Si tratta di recupero e ricircolo del calore di scarico.
Sembra un gergo ingegneristico. In realtà è piuttosto semplice. Invece di lasciare che l’energia termica si disperda nell’atmosfera, l’auto la cattura. Lo ricicla. Il risultato? Migliore risparmio di carburante. Emissioni più basse. Un flusso di scarico più pulito prima ancora che raggiunga la strada.
Perché catturare il calore di scarico?
Potresti pensare che lo scarico sia solo aria sporca. È. Ma fa anche caldo. Davvero caldo. Quel calore rappresenta l’energia potenziale. Lavoro potenziale. Potere potenziale.
Gli ingegneri utilizzano questo calore di scarto in diversi modi.
Innanzitutto, mantengono caldo il motore. I motori freddi sono inefficienti. Bruciano più carburante per raggiungere la temperatura di esercizio. Utilizzando il calore di scarico per riscaldare il liquido di raffreddamento del motore, il motore rimane nella sua posizione ottimale più a lungo. Questo è importante anche quando l’auto è rimasta ferma per ore. Il calore residuo nel blocco aiuta.
In secondo luogo, riscaldano la cabina. Perché bruciare carburante extra solo per far funzionare il riscaldamento? Utilizzare invece lo scarico. Funziona in pieno inverno. Risparmia gas mantenendo le dita dei piedi calde.
In terzo luogo, combattono gli ossidi di azoto. Il protossido di azoto (N2O) è un potente gas serra. Ridurlo è una priorità. I sistemi di scarico possono aiutare a eliminare queste emissioni prima che lascino il veicolo.
Infine, alcuni sistemi generano elettricità. SÌ. Il calore diventa volt. Questo alimenta gli accessori o aiuta a caricare la batteria. È un piccolo guadagno, ma ogni watt conta.
La connessione ibrida
Puoi mettere questa tecnologia in qualsiasi macchina. Camion, SUV, berline. Ma gli ibridi si preoccupano di più.
Gli ibridi vivono di efficienza. Il loro scopo è spremere ogni miglio da ogni gallone. La Toyota Prius del 2010 è un ottimo esempio. Utilizza strategie avanzate di recupero del calore di scarico per massimizzare la sua autonomia. La Prius non fa affidamento solo sul suo motore elettrico. Ottimizza la potenza del motore a benzina. Recupera i rifiuti. Minimizza le perdite.
In un’auto a gas standard, potresti ignorare un aumento di efficienza del 2%. In un ibrido, quel 2% è la differenza tra premere la spina successiva o rimanere senza carica.
Come funziona nella pratica
Il termine recupero del calore di scarico copre l’intero processo. Non è una parte. È un sistema. Il calore si sposta dal collettore di scarico al liquido di raffreddamento. Dal liquido di raffreddamento al blocco motore. Dallo scarico al nucleo del riscaldatore dell’abitacolo.
È un ciclo. Energia dentro. Allenamento. Rifiuti ridotti al minimo.
Non si tratta solo di risparmiare denaro alla pompa. Si tratta di combattere l’inquinamento atmosferico. Riciclando i gas di scarico prima che escano, l’auto produce meno composti nocivi. L’aria si prende una pausa
Perché il protossido di azoto è importante nelle emissioni delle auto
L’anidride carbonica ottiene tutto l’odio. È il cattivo principale nella storia del cambiamento climatico. Ma i motori a combustione interna scaricano nell’aria molti altri inquinanti. Uno dei più grandi è il protossido di azoto (N2O). È un ingrediente chiave dello smog. È anche un gas serra.
Proprio come la CO2, l’N2O intrappola il calore della luce solare. Mantiene l’energia termica bloccata nell’atmosfera. Senza gas serra, la Terra sarebbe una roccia ghiacciata. Troppi e diventa un forno soffocante. Abbiamo bisogno di un clima specifico per sopravvivere. L’agricoltura dipende da questo. Le calotte polari dipendono da questo. Cambiare questo equilibrio altera il modo in cui viviamo. Non è solo una questione di temperatura. È una questione di stabilità.
Tagliare l’N2O dalle automobili è urgente quanto tagliare il carbonio. Il problema è la chimica. Il protossido di azoto si forma a temperature molto elevate. Quindi la soluzione sembra ovvia. Abbassa la temperatura. È qui che entra in gioco il ricircolo del calore di scarico.
Come il ricircolo dei gas di scarico riduce l’inquinamento
Il componente principale qui è la valvola di ricircolo dei gas di scarico (EGR ). È un meccanico semplice con un grande lavoro. Quando si forma una contropressione nel sistema di scarico, la valvola si apre. Rimanda parte del gas esaurito nella camera di combustione.
Perché mescolare i gas di scarico sporchi con una miscela aria-carburante fresca? Sembra controintuitivo. Stai introducendo gas inerte nella miscela. Questo diluisce il contenuto di ossigeno. Meno ossigeno significa che il carburante brucia più lentamente. Significa anche che brucia più fresco.
Il calore elevato crea N2O. Il basso calore lo impedisce. Abbassando la temperatura massima di combustione, il sistema EGR riduce la formazione di protossido di azoto alla fonte. La maggior parte dei sistemi raffredda anche il gas di scarico prima che rientri nella camera. Questo effetto di raffreddamento a doppia immersione rende la bruciatura ancora più delicata.
C’è un vantaggio secondario. Una combustione più fredda riduce le perdite di trasferimento di calore. Una parte maggiore dell’energia del carburante viene utilizzata per muovere i pistoni. Una parte minore viene dispersa sotto forma di calore disperso. Ciò significa un migliore risparmio di carburante. Offre inoltre ai programmatori dei motori più spazio per lavorare. Con temperature più basse, il rischio di detonazione diminuisce. Possono mettere a punto i tempi di accensione con maggiore precisione. Il motore funziona in modo più fluido. Funziona in modo più pulito.
Il vantaggio ibrido e i trucchi di riscaldamento
L’EGR non riguarda solo le massime prestazioni. Aiuta durante la fase critica di riscaldamento. Quando si avvia un motore freddo, funziona in modo ricco. È inefficiente. Il sistema EGR aiuta a riscaldare il liquido di raffreddamento e il carburante più velocemente. Il motore raggiunge la temperatura operativa ottimale più rapidamente.
Questo è enorme per gli ibridi. La maggior parte degli ibridi spegne il motore a combustione interna quando viene fermata. Rimani nel traffico abbastanza a lungo e il motore si raffredda. Il riavvio di un motore freddo è inefficiente e inquinante. L’EGR aiuta a mantenere il calore. Impedisce al motore di uscire dalla gamma ideale troppo rapidamente. Il risultato è un ibrido che rimane efficiente anche nel traffico stop-and-go.
I gas di scarico possono generare elettricità?
Lo scarico a ricircolo consente di risparmiare carburante. Riduce l’inquinamento. Ma gli ingegneri vedono un’altra opportunità. Il calore disperso è pur sempre energia. Sta solo scappando. E se potessi catturarlo? E se potessi trasformare i rifiuti termici in elettricità?
Il concetto sta guadagnando terreno. Invece di lasciare che il calore svanisca nell’atmosfera, i nuovi sistemi mirano a raccoglierlo. Ciò potrebbe alimentare i sistemi ausiliari. Potrebbe ridurre il carico sull’alternatore. Potrebbe anche alimentare direttamente la batteria ad alta tensione degli ibridi e dei veicoli elettrici. L’idea è semplice. Niente è perduto. Tutto è usato.
Trasformare i rifiuti di scarico in energia utilizzabile
La fisica risale al 1821. Thomas Seebeck, un fisico tedesco, scoprì che alcuni materiali generano calore dall’elettricità. È vero anche il contrario. Puoi trasformare il calore in elettricità. Per quasi due secoli gli ingegneri automobilistici lo ignorarono. I materiali erano troppo costosi. L’efficienza era pessima.
Questo è cambiato.
Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti sta ora finanziando lo sviluppo di pratici sistemi termoelettrici di recupero del calore di scarto per i veicoli. Vedono un futuro in cui questa tecnologia non sarà solo una curiosità di laboratorio. È un componente.
perché lo scarico è l’obiettivo principale
Le auto sanguinano ovunque. Il radiatore. Il blocco motore. Ma lo scarico è la perdita più grande. È una manichetta antincendio di energia termica sprecata. La maggior parte delle auto moderne fa già ricircolare i gas di scarico attraverso un circuito EGR. Questa tecnologia sta diventando obbligatoria per standard di emissioni più severi.
Ciò crea un’apertura.
Puoi intrappolare quel calore sprecato. Utilizza dispositivi termoelettrici per convertirlo direttamente in elettricità. Nessuna parte in movimento. Nessuna turbina complessa. Solo conversione allo stato solido. Questa elettricità non svanisce semplicemente. Alimenta i sistemi elettrici dell’auto. Ricarica la batteria. Nei veicoli ibridi ed elettrici plug-in, fa funzionare il motore elettrico.
È un ciclo pulito.
La conversione del calore di scarto in elettricità aiuta a ridurre le emissioni di protossido di azoto raffreddando i gas di scarico prima che si mescolino con il carburante.
Lo scarico più freddo significa una migliore chimica di combustione. Aiuta il convertitore catalitico a fare il suo lavoro. Il sistema termoelettrico funge da dissipatore di calore. Estrae energia dal flusso di gas. Il gas rimanente è più freddo quando rientra nel ciclo di combustione.
quali auto ne traggono maggiori benefici
Qualsiasi macchina ottiene una spinta. Ma i conti sono a favore degli ibridi.
Un generatore termoelettrico estende la portata. Integra il pacco batteria ad alta tensione. Ciò significa che il motore elettrico funziona più a lungo. Il motore a combustione interna si accende meno spesso. Riduce anche i tempi di ricarica per gli ibridi plug-in. Stai raccogliendo energia che era già stata gettata via nell’atmosfera.
È energia gratuita, essenzialmente. Beh, non gratis. L’hardware costa denaro. Ma il risparmio di carburante lo compensa.
la spinta verso un futuro senza fossili
Abbiamo bisogno di queste tecnologie adesso. Non tra vent’anni. Ora.
L’efficienza del carburante e il basso inquinamento sono i guardiani della prossima era delle automobili. L’obiettivo è quello di veicoli che facciano poca o nessuna dipendenza dai combustibili fossili. I sistemi EGR e l’energia termoelettrica fanno da ponte. Svilupparli oggi previene i danni climatici che derivano dall’attesa che i combustibili fossili scarseggino. O peggio, fino a quando l’atmosfera non riuscirà più ad assorbire l’impatto.
I tempi sono stretti.
Approfondimenti sull’efficienza automobilistica
Se vuoi comprendere l’ecosistema più ampio della tecnologia automobilistica, guarda come interagiscono questi sistemi. Il drive-by-wire modifica il modo in cui gli input raggiungono il motore. Le letture istantanee di MPG ti mostrano il costo in tempo reale delle tue abitudini di guida. I sistemi di assistenza alla frenata ottimizzano la potenza frenante, che si collega al recupero di energia negli ibridi.
I veicoli SmartWay dimostrano come le flotte logistiche utilizzano i dati per ridurre le emissioni. Le stazioni di rifornimento di carburante alternativo sono l’infrastruttura necessaria per abbandonare il gas.
Queste non sono soluzioni isolate. Sono parti di una macchina.
fonti e approfondimenti
- Il Green Car Congress ha riferito nel luglio 2005 che il termoelettrico sta guadagnando attenzione allo sviluppo.
- Joseph Heremans notò nel 2008 che nuovi materiali potrebbero aiutare le automobili a trasformare il calore in elettricità.
- Thaindian News ha evidenziato il riciclaggio del calore di scarico per le auto ecologiche nel febbraio 2008.
La tecnologia sta maturando. I finanziamenti ci sono. La sfida ingegneristica non è più “possiamo farcela?” Si tratta di “quanto velocemente possiamo renderlo abbastanza economico?”
