Jak działa odzyskiwanie ciepła i recyrkulacja spalin

  • Thomas Dalton
  • 0
  • 4750
  • 702
Może Cię to zaskoczyć, ale istnieje wiele sposobów wykorzystania spalin z tego pojazdu do zwiększenia efektywności paliwowej i zmniejszenia jego szkodliwego wpływu na środowisko. Joe Raedle / Getty Images News

Ponieważ światowe rezerwy paliw kopalnych stopniowo się zmniejszają, a zanieczyszczenie powietrza rośnie, inżynierowie motoryzacyjni nieustannie poszukują sposobów na zmniejszenie zużycia paliwa przez samochody i zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. Jednym z najbardziej zaskakujących miejsc, w których znaleźli marnowanie energii, jest wydech samochodu. W rzeczywistości projektanci motoryzacyjni od wczesnych lat siedemdziesiątych sięgali po ukrytą moc spalin samochodowych. Ponieważ technologia ta poddaje recyklingowi spaliny, zanim opuszczą one pojazd, pomaga również zmniejszyć emisje wytwarzane przez samochód i pomaga w walce z zanieczyszczeniem powietrza.

Technologie stworzone w celu zmaksymalizowania wydajności układu wydechowego pojazdu nazywane są łącznie odzysk ciepła spalin i recyrkulacja. Istnieje kilka sposobów wykorzystania spalin pojazdu w celu zwiększenia jego efektywności paliwowej i zmniejszenia emisji spalin. Na przykład ciepło spalin samochodu można wykorzystać do podgrzania płynu chłodzącego silnik, aby silnik pracował w wysokiej temperaturze, nawet jeśli silnik był wyłączony przez dłuższy czas. Wnętrze samochodu można również ogrzać ciepłem spalin, nawet w bardzo zimne dni. Ilość emisji podtlenku azotu (N2O) można zmniejszyć, a spaliny pojazdu można faktycznie wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej. Termin odzysk ciepła spalin jest używany do procesu, w którym energia cieplna spalin jest odzyskiwana zarówno przez samochód, jak i silnik, więc jest częścią wszystkich tych technologii.

Chociaż technologie te można stosować w każdym samochodzie, ciężarówce lub SUV-ie z silnikiem spalinowym, są one szczególnie ważne w pojazdach hybrydowych, które muszą zapewniać maksymalną oszczędność paliwa i minimalne emisje. Niektóre z najbardziej zaawansowanych wdrożeń tej technologii można znaleźć w 2010 Toyota Prius. Na kilku następnych stronach przyjrzymy się, jak inżynierowie motoryzacyjni umożliwili tę technologię.

Zawartość
  1. Emisje podtlenku azotu
  2. Recyrkulacja ciepła spalin
  3. Energia elektryczna ze spalin
Czy uwierzyłbyś, że jego maleńka rzecz może wytwarzać tyle odpadów? © iStockphoto / futureimage

Silniki spalinowe w samochodach osobowych, ciężarowych i innych pojazdach wytwarzają kilka rodzajów zanieczyszczeń. Jedną z najczęstszych jest emisja dwutlenku węgla, który odgrywa znaczącą rolę w globalnym ociepleniu. Zmniejszenie emisji dwutlenku węgla stało się jednym z najważniejszych celów stojących przed inżynierami motoryzacyjnymi. Jednak silniki samochodowe wytwarzają również inne emisje. Jednym z głównych składników smogu jest N2O -- podtlenek azotu -- a emisje te są również wytwarzane przez silniki spalinowe.

Podobnie jak dwutlenek węgla, podtlenek azotu jest gaz cieplarniany. Oznacza to, że zatrzymuje ciepło pochodzące z promieniowania słonecznego - światła słonecznego - w naszej atmosferze i wykorzystuje je do ogrzewania powierzchni Ziemi. Bez ciepła uwięzionego przez gazy cieplarniane powierzchnia ziemi byłaby zbyt zimna, aby utrzymać życie. Jednak ważna jest odpowiednia równowaga. Podczas gdy zbyt mało zmieniłoby ziemię w zamarzniętą śnieżkę, zbyt wiele zmieniłoby ją w upalną dżunglę lub pustynię. Istoty ludzkie i nasza technologia ewoluowały, aby wymagać określonego klimatu. Wszystko, co zmienia ten klimat, może wpływać na nasz sposób życia, radykalnie zmieniając wzorce rolnicze i topiąc polarne pokrywy lodowe.

Oczywiste jest, że redukcja emisji podtlenku azotu z samochodów jest tak samo ważna jak redukcja emisji dwutlenku węgla, ale w jaki sposób można zmniejszyć emisje? Podtlenek azotu jest wytwarzany w bardzo wysokich temperaturach, więc wszystko, co obniża temperaturę pracy silnika spalinowego, zmniejszyłoby emisje N2O. W tym miejscu pojawia się recyrkulacja ciepła spalin. Omówimy to bardziej szczegółowo na następnej stronie.

Kluczem do recyrkulacji ciepła spalin jest urządzenie zwane recyrkulacja spalin (EGR) zawór. Zawór EGR otwiera się, gdy napotka ciśnienie wsteczne ze spalin samochodu i kieruje je z powrotem do komory spalania. Możesz się zastanawiać, co to daje, skoro powietrze w komorze miesza się z benzyną, aby uczynić ją łatwopalną. Cóż, jedną rzeczą, którą to robi, jest podgrzanie paliwa. Ciepłe paliwo nagrzewa się bardziej wydajnie i dlatego wytwarza więcej kilometrów na galon. Gdy zawór EGR wykryje, że silnik jest wystarczająco ciepły, przekierowuje wydech w inne miejsce, aby zapobiec przegrzaniu silnika.

Podgrzanie płynu chłodzącego i paliwa nie tylko pomaga silnikowi szybciej osiągnąć optymalną temperaturę przy pierwszym uruchomieniu, ale ma również szczególne zalety w przypadku hybryd. Większość hybryd jest tak zaprojektowana, że ​​silnik spalinowy wyłącza się po zatrzymaniu pojazdu. Jeśli pozostaje wyłączony zbyt długo, silnik może się ochłodzić. EGR pomaga zapobiegać zbyt szybkiemu ostygnięciu silnika.

W jaki sposób recyrkulacja spalin zmniejsza zanieczyszczenie? Emisje, których dotyczy EGR, pochodzą z tlenków azotu wytwarzanych w bardzo wysokich temperaturach. Poprzez zmieszanie spalin samochodu z zasysanym powietrzem zmniejsza się ilość tlenu w mieszance oraz zmniejsza się jej palność, co powoduje spalanie paliwa w niższej temperaturze. W większości układów EGR spaliny są również chłodzone, zanim zostaną zmieszane z gazem. Dlatego paliwo zmieszane ze spalinami spala się chłodniej i rzadziej wytwarza N2O. Niższe temperatury również pomagają oszczędzać paliwo. Ponieważ paliwo jest mniej podatne na detonację, programiści, którzy piszą procedury synchronizacji oprogramowania dla nowoczesnych silników, mają większą kontrolę nad precyzją taktowania silnika. Niższe temperatury pomagają również uniknąć strat energii związanej z przenoszeniem ciepła, co oznacza, że ​​więcej energii samochodu przeznacza na dostarczanie mocy do kół.

Jak widzieliśmy, recyrkulacja spalin może zarówno zwiększyć oszczędność paliwa, jak i zmniejszyć zanieczyszczenie. Ale czy wiesz, że może również wytwarzać energię elektryczną? Zbadamy tę koncepcję na następnej stronie.

Urządzenia termoelektryczne pomogłyby zwiększyć zasięg samochodu hybrydowego, uzupełniając akumulatory napędzające jego silnik elektryczny. Bryan Mitchell / Getty Images News

Materiały termoelektryczne, jak sama nazwa wskazuje, może wytwarzać ciepło z energii elektrycznej. Materiały te zostały odkryte w 1821 roku przez niemieckiego fizyka Thomasa Seebecka. Generalnie były zbyt drogie i nieefektywne, aby mogły być przydatne dla inżynierów motoryzacyjnych, ale to zaczęło się zmieniać: Departament Energii USA wyraził zainteresowanie finansowaniem rozwoju praktycznego systemu termoelektrycznego, który mógłby być stosowany w samochodach.

W samochodach jest wiele źródeł ciepła traconego, w tym chłodnica i silnik, ale największym źródłem są prawdopodobnie spaliny. Biorąc pod uwagę, że większość samochodów już recyrkuluje spaliny w pętli EGR i że ta technologia będzie jeszcze ważniejsza w przyszłości, stanowi to idealną okazję do zatrzymania tego marnowanego ciepła i wykorzystania urządzeń termoelektrycznych do przekształcenia go w energię elektryczną. Ta energia elektryczna mogłaby zostać wykorzystana do zasilania układów elektrycznych samochodu, doładowania akumulatorów i, co może najważniejsze, do napędzania silnika elektrycznego w pojazdach hybrydowych i akumulatorowych typu plug-in. Byłoby to prawie idealne połączenie kilku technologii i miałoby efekt uboczny, pomagając zmniejszyć emisje podtlenku azotu poprzez dalsze chłodzenie spalin przed ich zmieszaniem z paliwem.

Każdy typ samochodu mógłby skorzystać na tym wzmocnieniu termoelektrycznym, ale po raz kolejny byłby on najbardziej przydatny w przypadku pojazdów hybrydowych. Zwiększyłoby to ich zasięg poprzez uzupełnienie akumulatorów napędzających silnik elektryczny i skróciłoby czas potrzebny do ich naładowania.

Rozwój technologii energooszczędnych i niskoemisyjnych, takich jak recyrkulacja spalin i energia termoelektryczna, sprawi, że samochody przyszłości - które będą miały niewielkie lub żadne zastosowanie dla paliw kopalnych - będą możliwe. Ważne jest, abyśmy opracowali te technologie teraz, zanim skończą się paliwa kopalne i zanieczyszczenie wyrządzi znaczne szkody w ziemskiej atmosferze i klimacie.

Powiązane artykuły

  • Jak działa technologia Drive-By-Wire 
  • 5 sposobów ulepszania hybrydowych akumulatorów
  • Jak działa natychmiastowy odczyt MPG
  • Jak działa wspomaganie hamowania
  • Jak działają alternatywne stacje paliwowe
  • Jak działają pojazdy SmartWay

Źródła

  • Kongres Zielonych Samochodów. „Termoelektryki zyskują większą uwagę i są ukierunkowane na rozwój”. 22 lipca 2005. (14 kwietnia 2009) http://www.greencarcongress.com/2005/07/thermoelectrics.html
  • Heremans, Józef. „Materiał może pomóc samochodom przekształcić ciepło w energię elektryczną”. Eureka Alert. 24 lipca 2008. (15 kwietnia 2009) http://www.eurekalert.org/pub_releases/2008-07/osu-mmh072108.php
  • Thaindian News. „Recykling ciepła spalin może zasilać ekologiczne samochody”. 26 lutego 2008. (14 kwietnia 2009) http://www.thaindian.com/newsportal/health/recycling-exhaust-heat-may-power-green-cars_10021214.html



Jeszcze bez komentarzy

Najciekawsze artykuły o tajemnicach i odkryciach. Wiele przydatnych informacji o wszystkim
Artykuły o nauce, kosmosie, technologii, zdrowiu, środowisku, kulturze i historii. Wyjaśniasz tysiące tematów, abyś wiedział, jak wszystko działa