Автомобілі викидають енергію марно. Щоразу, коли ви відпускаєте педаль газу, гарячі гази з силою вириваються із вихлопної труби. Вони зникають. Зникли задарма. Десятиліттями інженери дивилися, як це тепло розсіюється, і розводили руками. Тепер вони стали жадібними.
Запаси копалин палива скорочуються, а міста задихаються від смогу, і автомобільна промисловість зіткнулася з проблемою. Двигуни внутрішнього згоряння – неефективні звірі. Вони спалюють паливо, створюють рух і скидають решту енергії у вигляді тепла. Значна частина йде через вихлопну систему. Автомобільні конструктори знали про цей витік ще з початку 1970-х років. З того часу вони намагаються її усунути.
Рішення не чарівне. Це рекуперація та рециркуляція тепла вихлопних газів.
Звучить як інженерний жаргон. Насправді, це досить просто. Замість того, щоб дозволяти тепловій енергії йти в атмосферу, автомобіль вловлює її. Він переробляє її. Який результат? Найкраща паливна економічність. Нижчі викиди. Чистіший вихлоп ще до того, як він потрапить надвір.
Навіщо вловлювати тепло вихлопу?
Можливо, ви думаєте, що вихлоп – це просто брудне повітря. Так воно й є. Але він також гарячий. Дуже гарячий. Це тепло є потенційною енергією. Потенційна робота. Потенційна потужність.
Інженери використовують це відпрацьоване тепло кількома способами.
По-перше, вони підтримують температуру двигуна. Холодні двигуни є неефективними. Вони спалюють більше палива, щоб вийти на робочу температуру. Використовуючи тепло вихлопу для нагрівання охолоджувальної рідини двигуна, двигун довше залишається в оптимальному режимі. Це важливо навіть тоді, коли автомобіль стояв годинником. Залишкове тепло в блоці допомагає.
По-друге, вони обігрівають салон. Навіщо спалювати додаткове паливо лише для роботи обігрівача? Використовуйте вихлоп. Це працює навіть у глибоку зиму. Це заощаджує бензин, зберігаючи ваші пальці ніг у теплі.
По-третє, вони борються із оксидами азоту. Оксид азоту (N2O) – потужний парниковий газ. Його зниження є пріоритетом. Вихлопні системи можуть допомогти очистити ці викиди, перш ніж вони залишать автомобіль.
Нарешті деякі системи генерують електрику. Так. Тепло перетворюється на вольти. Це живить аксесуари або допомагає заряджати акумулятор. Це невеликий виграш, але кожен ват на рахунку.
Зв’язок з гібридами
Цю технологію можна встановити у будь-який автомобіль. Вантажівки, позашляховики, седани. Але гібриди піклуються про неї найбільше.
Гібриди мешкають за рахунок ефективності. Їхня головна мета – вичавити кожен милю з кожного галона. Toyota Prius 2010 року – яскравий приклад. Вона використовує передові стратегії рекуперації тепла вихлопу для максимізації запасу ходу. Prius не покладається лише на власний електромотор. Вона оптимізує вихідну потужність бензинового двигуна. Вона вловлює відходи. Вона мінімізує втрати.
У звичайному бензиновому автомобілі можна проігнорувати підвищення ефективності на 2%. У гібриді ці 2% — різниця між тим, щоб дістатися наступної розетки або залишитися без заряду.
Як це працює на практиці
Термін “рекуперація тепла вихлопу” охоплює весь процес. Це не одна деталь. Це система. Тепло переміщається від випускного колектора до рідини, що охолоджує. Від рідини, що охолоджує, до блоку двигуна. Від вихлопу до серцевини обігрівача салону.
Це – цикл. Енергія входить. Робота виходить. Відходи мінімізовані.
Йдеться не лише про економію грошей на заправці. Це боротьба із забрудненням повітря. Переробляючи вихлоп до того, як він вийде назовні, автомобіль робить менше шкідливих з’єднань. Повітря отримує перепочинок
Чому закис азоту важливий у викидах автомобілів
Весь негатив спрямовано вуглекислий газ. Він є головним лиходієм в історії зміни клімату. Але двигуни внутрішнього згоряння викидають в атмосферу багато інших забруднювачів. Одним із найбільш значущих є закис азоту (N2O). Вона є ключовим компонентом смогу. Окрім того, це парниковий газ.
Так само, як і CO2, N2O утримує тепло від сонячного світла. Вона зберігає цю теплову енергію у атмосфері. Без будь-яких парникових газів Земля була б замерзлою скелею. Занадто багато їх — і вона перетворюється на задушливу піч. Для виживання нам потрібний певний клімат. Від нього залежить сільське господарство. Від нього залежать крижані шапки. Зміна цього балансу змінює наш спосіб життя. Йдеться не лише про температуру. Йдеться про стабільність.
Скорочення викидів N2O від автомобілів так само терміново, як скорочення викидів вуглецю. Проблема полягає у хімії. Закис азоту утворюється за дуже високих температур. Тому рішення здається очевидним. Зменшити температуру. Тут на допомогу приходить рециркуляція вихлопних газів.
Як рециркуляція вихлопних газів знижує забруднення
Основним компонентом тут є клапан рециркуляції вихлопних газів (EGR ). Це простий механічний пристрій із важливим завданням. Коли в системі випуску вихлопних газів наростає протитиск, клапан відкривається. Він повертає частину газів, що відпрацювали, назад у камеру згоряння.
Навіщо змішувати брудний вихлоп зі свіжою паливоповітряною сумішшю? Це звучить нелогічно. Ви вводите у суміш інертний газ. Це знижує вміст кисню. Менше кисню означає, що паливо горить повільніше. Це також означає, що воно горить прохолодніше.
Висока температура створює N2O. Низька температура запобігає її утворенню. Знижуючи пікову температуру згоряння, система EGR скорочує утворення закису азоту на етапі виникнення. Більшість систем також охолоджують вихлопні гази перед повторним попаданням в камеру. Цей подвійний ефект, що охолоджує, робить процес згоряння ще більш м’яким.
Існує вторинний зиск. Прохолодніше згоряння знижує втрати на теплопередачу. Більшість енергії палива йде на рух поршнів. Найменше її йде у вигляді тепла. Це означає найкращу паливну економічність. Це також дає інженерам-програмістам більше можливостей для роботи. За більш низьких температур знижується ризик детонації. Вони з більшою точністю налаштовувати кут випередження запалювання. Двигун працює плавніше. Він працює чистіше.
Перевага гібридів та прийоми прогріву
EGR – це не лише питання пікової продуктивності. Вона допомагає на критичному етапі прогрівання. Коли ви запускаєте холодний двигун, він працює на багатій суміші. Це неефективно. Система EGR допомагає швидше нагріти охолодну рідину та паливо. Двигун швидше досягає оптимальної робочої температури.
Це має велике значення для гібридів. Більшість гібридів відключають двигун внутрішнього згоряння під час зупинки. Простоявши в пробці досить довго, цей двигун остигає. Запуск холодного двигуна неефективний і забруднює довкілля. EGR допомагає зберігати тепло. Вона не дає двигуну надто швидко виходити зі свого ідеального діапазону. Результатом є гібрид, який залишається ефективним навіть у режимі “старт-стоп”.
Чи може вихлопний газ виробляти електрику?
Рециркуляція вихлопних газів заощаджує паливо. Вона знижує забруднення. Але інженери бачать ще одну нагоду. Відпрацьоване тепло – це все ще енергія. Воно просто йде. Що, якби ви могли його вловити? Що, якщо ви могли б перетворити ці теплові втрати на електрику?
Ця концепція набирає обертів. Замість того, щоб дозволяти теплу зникати в атмосфері, нові системи спрямовані на його збирання. Це може мати допоміжні системи. Це може зменшити навантаження на генератор. Це може навіть живити високовольтну батарею в гібридах і електромобілях. Ідея проста. Ніщо не губиться. Все використовується.
Перетворення відпрацьованого тепла вихлопу на корисну енергію
Фізика цього явища сягає 1821 року. Томас Зеєбек, німецький фізик, виявив, що певні матеріали генерують електрику під впливом тепла. Правильне і зворотне: тепло можна перетворювати на електрику. Майже два сторіччя автомобільні інженери ігнорували цей ефект. Матеріали були надто дорогими, а ККД — вкрай низьким.
Але ситуація змінилася.
Міністерство енергетики США тепер фінансує розробку практичних термоелектричних систем рекуперації відпрацьованого тепла для транспортних засобів. Вони бачать майбутнє, в якому ця технологія не просто лабораторний курйоз, а повноцінний компонент автомобіля.
Чому вихлоп – головна мета
Автомобілі втрачають тепло всюди: через радіатор, блок циліндрів. Але вихлоп — найбільший витік. Це справжній пожежний шланг витраченої теплової енергії. Більшість сучасних автомобілів вже рециркулює вихлопні гази через контур EGR (систему рециркуляції вихлопних газів). Ця технологія стає обов’язковою дотримання суворіших екологічних норм.
Це створює можливості.
Можна вловити це втрачене тепло і за допомогою термоелектричних пристроїв безпосередньо перетворити його на електрику. Жодних рухомих частин. Жодних складних турбін. Лише твердотільне перетворення. Ця електрика не зникає безвісти. Воно живить бортові електричні системи автомобіля. Воно заряджає акумулятор. У гібридних і електромобілях, що підключаються, воно приводить в дію електродвигун.
Це замкнутий чистий цикл.
Перетворення відпрацьованого тепла на електрику допомагає знизити викиди оксидів азоту, охолоджуючи вихлопні гази перед їх змішуванням з паливом.
Холодніший вихлоп означає покращену хімію згоряння. Це допомагає каталітичному конвертеру виконувати свою роботу. Термоелектрична система діє як радіатор охолодження. Вона витягує енергію з потоку газів. Гази, що залишилися, стають холоднішими, коли повертаються в цикл згоряння.
Які автомобілі виграють найбільше
Будь-який автомобіль отримує перевагу. Але розрахунки сприяють гібридам.
Термоелектричний генератор підвищує запас ходу. Він доповнює високовольтну акумуляторну батарею. Це означає, що електродвигун працює довше. Двигун внутрішнього згоряння запускається рідше. Це також скорочує час зарядки для гібридів, що підключаються. Ви збираєте енергію, яка раніше просто викидалася в атмосферу.
Це, насправді, безкоштовна енергія. Ну не зовсім безкоштовна. Обладнання коштує грошей. Але економія палива компенсує ці витрати.
Прагнення до майбутнього без викопного палива
Нам потрібні ці технології зараз. Не за двадцять років. Нині.
Паливна економічність та низький рівень забруднення – ключові фактори для наступної ери автомобілів. Мета – транспортні засоби з мінімальною або нульовою залежністю від викопного палива. Системи EGR та термоелектрична енергія служать мостом до цієї мети. Їх розробка сьогодні запобігає кліматичній шкоді, яка настане, якщо чекати, поки викопне паливо не стане дефіцитним. Або гірше — поки що атмосфера більше не зможе поглинати наслідки.
Тимчасові рамки стиснуті.
Глибоке занурення в автомобільну ефективність
Якщо ви хочете зрозуміти ширшу екосистему автомобільних технологій, подивіться, як ці системи взаємодіють одна з одною. Технологія “drive-by-wire” (електронне управління) змінює те, як команди надходять до двигуна. Миттєві показання витрати палива показують реальну вартість ваших звичок керування. Системи допомоги при гальмуванні оптимізують зусилля гальма, що пов’язано з рекуперацією енергії в гібридах.
Транспортні засоби SmartWay демонструють, як логістичні автопарки використовують дані для скорочення викидів. Заправні станції для альтернативних видів палива це інфраструктура, необхідна для переходу від бензину.
Це не ізольовані рішення. Це частини єдиного механізму.
Джерела та додаткова література
- Green Car Congress повідомляв, що термоелектричні технології стають фокусом розробок у липні 2005 року.
- Джозеф Хереманс зазначив у 2008 році, що нові матеріали можуть допомогти автомобілям перетворювати тепло на електрику.
– Thaindian News виділила тему утилізації тепла вихлопу для екологічних автомобілів у лютому 2008 року.
Технологія дозріває. Фінансування є. Інженерне завдання більше не звучить як «чи можемо це зробити?». Тепер питання: “як швидко ми зможемо зробити це досить дешевим?”
