Samochody marnują energię. Za każdym razem, gdy zwalniasz pedał gazu, gorące gazy wydostają się z rury wydechowej na siłę. Znikają. Zmarnowany. Przez dziesięciolecia inżynierowie przyglądali się, jak to ciepło jest rozpraszane, i wzruszali ramionami. Teraz stali się chciwi.
W obliczu malejących zasobów paliw kopalnych i duszących się miast ze smogiem, przemysł samochodowy stoi przed wyzwaniem. Silniki spalinowe to nieefektywne bestie. Spalają paliwo, powodują ruch, a resztę energii uwalniają w postaci ciepła. Znaczna część przechodzi przez układ wydechowy. Projektanci samochodów wiedzieli o tym wycieku od początku lat 70. XX wieku. Od tego czasu próbowano to wyeliminować.
Rozwiązanie nie jest magiczne. Jest to odzysk i recyrkulacja ciepła spalin.
Brzmi jak żargon inżynierski. To całkiem proste. Zamiast pozwalać energii cieplnej na ucieczkę do atmosfery, samochód ją wychwytuje. Poddaje go recyklingowi. Jaki jest wynik? Lepsza efektywność paliwowa. Niższa emisja. Czystszy wydech, zanim jeszcze trafi na ulicę.
Po co wychwytywać ciepło spalin?
Można by pomyśleć, że spaliny to po prostu brudne powietrze. Tak właśnie jest. Ale on też jest gorący. Bardzo gorąco. Ciepło to reprezentuje energię potencjalną. Potencjalna praca. Potencjalna moc.
Inżynierowie wykorzystują to ciepło odpadowe na kilka sposobów.
Po pierwsze, utrzymują temperaturę silnika. Zimne silniki są nieefektywne. Spalają więcej paliwa, aby osiągnąć temperaturę roboczą. Wykorzystując ciepło spalin do podgrzewania płynu chłodzącego silnik, silnik dłużej pozostaje w optymalnym trybie pracy. Jest to ważne nawet wtedy, gdy samochód stoi godzinami. Ciepło resztkowe w bloku pomaga.
Po drugie, ogrzewają wnętrze. Po co spalić dodatkowe paliwo tylko po to, aby uruchomić grzejnik? Użyj wydechu. Działa to nawet w głęboką zimę. Oszczędza to gaz, jednocześnie utrzymując palce w cieple.
Po trzecie, zwalczają tlenki azotu. Tlenek azotu (N2O) jest silnym gazem cieplarnianym. Jego ograniczenie jest priorytetem. Układy wydechowe mogą pomóc w oczyszczeniu tych emisji, zanim opuszczą one pojazd.
Wreszcie niektóre systemy wytwarzają energię elektryczną. Tak. Ciepło zamienia się w wolty. Umożliwia zasilanie akcesoriów lub ładowanie akumulatora. To niewielki zysk, ale liczy się każdy wat.
Połączenie z hybrydami
Tę technologię można zainstalować w każdym samochodzie. Ciężarówki, SUV-y, sedany. Ale hybrydy dbają o nią najbardziej.
Hybrydy wyróżniają się wydajnością. Ich głównym celem jest wyciśnięcie każdej mili z każdego galona. Toyota Prius 2010 jest doskonałym przykładem. Wykorzystuje zaawansowane strategie odzyskiwania ciepła ze spalin, aby zmaksymalizować zasięg. Prius nie opiera się wyłącznie na silniku elektrycznym. Optymalizuje moc wyjściową silnika benzynowego. Łapie odpady. Minimalizuje straty.
W zwykłym samochodzie benzynowym można zignorować wzrost wydajności o 2%. W przypadku hybrydy te 2% to różnica między dotarciem do następnego gniazdka a rozładowaniem akumulatora.
Jak to działa w praktyce
Termin odzysk ciepła spalin obejmuje cały proces. To nie jest jeden szczegół. To jest system. Ciepło przemieszcza się z kolektora wydechowego do płynu chłodzącego. Od płynu chłodzącego po blok silnika. Od wydechu po rdzeń nagrzewnicy wewnętrznej.
To cykl. Energia przychodzi. Praca wychodzi. Odpady są zminimalizowane.
Nie chodzi tylko o oszczędność pieniędzy na pompie. To walka z zanieczyszczeniem powietrza. Przetwarzając spaliny, zanim uciekną, Twój samochód wytwarza mniej szkodliwych związków. Powietrze dostaje chwilę wytchnienia
Dlaczego podtlenek azotu ma wpływ na emisję spalin z samochodów
Cała negatywność skierowana jest na dwutlenek węgla. Jest głównym czarnym charakterem w historii zmian klimatycznych. Jednak silniki spalinowe emitują do atmosfery wiele innych substancji zanieczyszczających. Jednym z najważniejszych jest podtlenek azotu (N2O). Jest kluczowym składnikiem smogu. Ponadto jest gazem cieplarnianym.
Podobnie jak CO2, N2O zatrzymuje ciepło pochodzące ze światła słonecznego. Magazynuje tę energię cieplną w atmosferze. Bez gazów cieplarnianych Ziemia byłaby zamarzniętą skałą. Za dużo ich i robi się duszno w piekarniku. Aby przetrwać, potrzebujemy określonego klimatu. Od tego zależy rolnictwo. Od tego zależą czapy lodowe. Zmiana tej równowagi zmienia sposób, w jaki żyjemy. Nie chodzi tylko o temperaturę. Chodzi o stabilność.
Ograniczenie emisji N2O z pojazdów jest równie pilne, jak ograniczenie emisji gazów cieplarnianych. Problemem jest chemia. Podtlenek azotu tworzy się w bardzo wysokich temperaturach. Dlatego rozwiązanie wydaje się oczywiste. Zmniejsz temperaturę. Tutaj na ratunek przychodzi recyrkulacja spalin.
Jak recyrkulacja gazów spalinowych zmniejsza zanieczyszczenie
Głównym elementem jest zawór recyrkulacji spalin (EGR ). Jest to proste urządzenie mechaniczne o ważnym celu. Gdy w układzie wydechowym wytworzy się przeciwciśnienie, zawór otwiera się. Zawraca część gazów spalinowych z powrotem do komory spalania.
Po co mieszać brudne spaliny ze świeżą mieszanką paliwowo-powietrzną? Brzmi to sprzecznie z intuicją. Do mieszaniny wprowadza się gaz obojętny. Zmniejsza to zawartość tlenu. Mniej tlenu oznacza, że paliwo pali się wolniej. Oznacza to również, że pali się chłodniej.
Wysoka temperatura tworzy N2O. Niska temperatura zapobiega jego powstawaniu. Obniżając szczytową temperaturę spalania, układ EGR ogranicza powstawanie podtlenku azotu w jego początkowej fazie. Większość systemów chłodzi również spaliny, zanim zostaną ponownie wprowadzone do komory. Ten podwójny efekt chłodzenia sprawia, że proces spalania jest jeszcze płynniejszy.
Jest jeszcze korzyść wtórna. Chłodniejsze spalanie zmniejsza straty związane z przenoszeniem ciepła. Większość energii paliwa trafia do ruchu tłoków. Mniejsza jego część jest tracona w postaci ciepła. Oznacza to lepszą efektywność paliwową. Daje także inżynierom oprogramowania więcej możliwości pracy. W niższych temperaturach ryzyko detonacji jest zmniejszone. Mogą z większą precyzją regulować czas zapłonu. Silnik pracuje płynniej. Działa czyściej.
Zalety hybryd i technik rozgrzewkowych
EGR to nie tylko kwestia maksymalnej wydajności. Pomaga w krytycznym etapie rozgrzewki. Kiedy uruchamiasz zimny silnik, pracuje on na bogato. To nieskuteczne. Układ EGR pomaga szybciej podgrzewać płyn chłodzący i paliwo. Silnik szybciej osiąga optymalną temperaturę roboczą.
Ma to ogromne znaczenie w przypadku hybryd. Większość hybryd wyłącza silnik spalinowy po zatrzymaniu. Po wystarczająco długim postoju w korku silnik ten ochładza się. Rozruch zimnego silnika jest nieefektywny i zanieczyszcza środowisko. EGR pomaga utrzymać ciepło. Zapobiega zbyt szybkiemu opuszczaniu przez silnik idealnego zakresu. Rezultatem jest hybryda, która pozostaje wydajna nawet w trybie start-stop.
Czy spaliny mogą wytwarzać energię elektryczną?
Recyrkulacja spalin pozwala zaoszczędzić paliwo. Redukuje zanieczyszczenia. Inżynierowie widzą jednak inną możliwość. Ciepło odpadowe jest nadal energią. To po prostu odchodzi. A co jeśli uda ci się to złapać? A co by było, gdybyś mógł zamienić tę stratę ciepła na energię elektryczną?
Koncepcja ta nabiera tempa. Zamiast pozwalać, aby ciepło uciekało do atmosfery, nowe systemy mają na celu jego gromadzenie. Może to zasilać systemy pomocnicze. Może to zmniejszyć obciążenie generatora. Może nawet bezpośrednio zasilać akumulator wysokiego napięcia w pojazdach hybrydowych i elektrycznych. Pomysł jest prosty. Nic nie jest stracone. Wszystko jest używane.
Przekształcanie ciepła odpadowego ze spalin w energię użyteczną
Fizyka tego zjawiska sięga 1821 roku. Thomas Seebeck, niemiecki fizyk, odkrył, że niektóre materiały pod wpływem ciepła wytwarzają energię elektryczną. Jest też odwrotnie: ciepło można przekształcić w energię elektryczną. Przez prawie dwa stulecia inżynierowie motoryzacyjni ignorowali ten efekt. Materiały były zbyt drogie, a wydajność bardzo niska.
Ale sytuacja się zmieniła.
Departament Energii Stanów Zjednoczonych finansuje obecnie rozwój praktycznych termoelektrycznych systemów odzyskiwania ciepła odpadowego w pojazdach. Widzą przyszłość, w której ta technologia nie będzie tylko laboratoryjną ciekawostką, ale pełnoprawnym elementem samochodu.
Dlaczego głównym celem jest wydech
Samochody tracą ciepło wszędzie: przez chłodnicę, przez blok cylindrów. Największą nieszczelnością jest jednak wydech. To prawdziwy wąż strażacki zmarnowanej energii cieplnej. Większość nowoczesnych samochodów recyrkuluje już spaliny poprzez obwód EGR (recyrkulacji gazów spalinowych). Technologia ta staje się obowiązkowa, aby spełnić bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące ochrony środowiska.
To stwarza szansę.
Możliwe jest wychwytywanie tego utraconego ciepła i wykorzystanie urządzeń termoelektrycznych do bezpośredniego przekształcenia go w energię elektryczną. Brak ruchomych części. Żadnych skomplikowanych turbin. Tylko solidna konwersja. Ten prąd nie znika bez śladu. Zasila pokładowe systemy elektryczne pojazdu. Ładuje akumulator. W pojazdach hybrydowych i elektrycznych typu plug-in zasila silnik elektryczny.
Jest to zamknięty, czysty cykl.
Przekształcanie ciepła odpadowego w energię elektryczną pomaga zmniejszyć emisję tlenku azotu poprzez chłodzenie gazów spalinowych przed zmieszaniem ich z paliwem.
Chłodniejszy wydech oznacza lepszą chemię spalania. Pomaga to katalizatorowi wykonywać swoją pracę. Układ termoelektryczny działa jak grzejnik chłodzący. Pozyskuje energię ze strumienia gazów. Pozostałe gazy stają się zimniejsze, gdy wracają do cyklu spalania.
Które samochody wygrywają najczęściej?
Każdy samochód zyskuje przewagę. Ale obliczenia faworyzują hybrydy.
Generator termoelektryczny zwiększa rezerwę mocy. Uzupełnia akumulator wysokiego napięcia. Oznacza to, że silnik elektryczny działa dłużej. Silnik spalinowy uruchamia się rzadziej. Skraca to również czas ładowania hybryd typu plug-in. Gromadzisz energię, która wcześniej była po prostu uwalniana do atmosfery.
Jest to zasadniczo darmowa energia. No, nie do końca za darmo. Sprzęt kosztuje. Oszczędności na paliwie rekompensują jednak te koszty.
Dążenie do przyszłości bez paliw kopalnych
Potrzebujemy tych technologii teraz. Nie za dwadzieścia lat. Teraz.
Efektywność paliwowa i niski poziom zanieczyszczeń to kluczowe czynniki przyszłej ery samochodów. Celem są pojazdy o minimalnym lub żadnym uzależnieniu od paliw kopalnych. Systemy EGR i energia termoelektryczna służą jako pomost do tego celu. Opracowanie ich obecnie zapobiega szkodom klimatycznym, które wystąpią, jeśli poczekamy, aż paliwa kopalne staną się niedoborem. Albo gorzej – dopóki atmosfera nie będzie już w stanie wchłonąć konsekwencji.
Ramy czasowe są skompresowane.
Głębokie spojrzenie na efektywność motoryzacyjną
Jeśli chcesz zrozumieć szerszy ekosystem technologii motoryzacyjnej, przyjrzyj się, jak te systemy współdziałają ze sobą. Technologia Drive-by-Wire zmienia sposób przesyłania poleceń do silnika. Natychmiastowe odczyty zużycia paliwa pokazują rzeczywisty koszt Twoich nawyków związanych z jazdą. Systemy wspomagania hamowania optymalizują siłę hamowania, co w pojazdach hybrydowych jest powiązane z odzyskiem energii.
Pojazdy SmartWay pokazują, w jaki sposób floty logistyczne wykorzystują dane do redukcji emisji. Stacje paliw alternatywnych stanowią infrastrukturę niezbędną do odejścia od benzyny.
Nie są to rozwiązania odosobnione. Są to części jednego mechanizmu.
Źródła i dalsza lektura
- Kongres Green Car poinformował, że w lipcu 2005 roku w centrum uwagi znalazła się technologia termoelektryczna.
- Joseph Heremans zauważył w 2008 r., że nowe materiały mogą pomóc samochodom przekształcać ciepło w energię elektryczną.
- W lutym 2008 r. Thaindian News podkreśliło temat odzyskiwania ciepła ze spalin w samochodach ekologicznych.
Technologia dojrzewa. Jest finansowanie. Wyzwaniem inżynierskim nie jest już pytanie: „Czy możemy to zrobić?” Teraz pytanie brzmi: „jak szybko możemy zrobić to wystarczająco tanio?”
