Come funziona il recupero e il ricircolo del calore di scarico

Questo potrebbe sorprenderti, ma ci sono molti modi per utilizzare lo scarico di questo veicolo per aumentare l'efficienza del carburante e ridurre i suoi effetti nocivi sull'ambiente. Notizie di Joe Raedle / Getty Images

Con le riserve mondiali di combustibili fossili che diminuiscono gradualmente e l'inquinamento atmosferico in aumento, gli ingegneri automobilistici sono costantemente alla ricerca di modi per rendere le auto più efficienti nei consumi e per ridurre le loro emissioni di carbonio. Uno dei posti più sorprendenti in cui hanno trovato energia sprecata è nello scarico dell'auto. In realtà, i progettisti automobilistici hanno sfruttato la potenza nascosta degli scarichi delle automobili sin dai primi anni '70. Poiché questa tecnologia ricicla lo scarico prima che possa uscire dal veicolo, aiuta anche a ridurre le emissioni prodotte da un'auto e aiuta a combattere l'inquinamento atmosferico.

Le tecnologie realizzate per massimizzare l'efficienza dello scarico di un veicolo sono note collettivamente come recupero e ricircolo del calore di scarico. Esistono diversi modi per utilizzare lo scarico di un veicolo per aumentare la sua efficienza del carburante e farlo funzionare con meno emissioni. Ad esempio, il calore dello scarico dell'auto può essere utilizzato per riscaldare il liquido di raffreddamento del motore per mantenere il motore in funzione, anche quando il motore è stato spento per un periodo di tempo significativo. L'interno dell'auto può anche essere riscaldato utilizzando il calore di scarico, anche in climi molto freddi. La quantità di emissioni di protossido di azoto (N2O) può essere ridotta e lo scarico di un veicolo può essere effettivamente utilizzato per generare elettricità. Il termine recupero del calore di scarico viene utilizzato per il processo mediante il quale l'energia termica dello scarico viene riciclata sia attraverso l'auto che il motore, quindi fa parte di tutte queste tecnologie.

Sebbene queste tecnologie possano essere utilizzate in qualsiasi auto, camion o SUV con motore a combustione interna, sono particolarmente importanti per i veicoli ibridi, che devono produrre la massima efficienza del carburante e emissioni minime. Alcune delle implementazioni più avanzate di questa tecnologia si possono trovare nella Toyota Prius del 2010. Nelle prossime pagine vedremo come gli ingegneri automobilistici hanno reso possibile questa tecnologia.

Contenuti

1. Emissioni di protossido d'azoto
2. Ricircolo del calore di scarico
3. Elettricità dallo scarico

Ci crederesti che la sua piccola cosa potrebbe produrre così tanti rifiuti? © iStockphoto / futureimage

I motori a combustione interna di automobili, camion e altri veicoli producono diversi tipi di inquinamento. Uno dei più comuni sono le emissioni di anidride carbonica, che svolgono un ruolo significativo nel riscaldamento globale. La riduzione delle emissioni di carbonio è diventata uno degli obiettivi più importanti per gli ingegneri automobilistici. Tuttavia, i motori delle automobili producono anche altre emissioni. Uno dei componenti principali dello smog è l'N2O -- ossido nitroso -- e queste emissioni sono prodotte anche dai motori a combustione interna.

Come l'anidride carbonica, il protossido di azoto è un gas serra. Ciò significa che intrappola il calore nella radiazione solare - la luce solare - all'interno della nostra atmosfera e lo utilizza per riscaldare la superficie terrestre. Senza il calore intrappolato dai gas serra, la superficie della terra sarebbe troppo fredda per sostenere la vita. Tuttavia, il giusto equilibrio è importante. Mentre troppo poco trasformerebbe la terra in una palla di neve ghiacciata, troppo la trasformerebbe in una giungla o in un deserto soffocante. Gli esseri umani e la nostra tecnologia si sono evoluti per richiedere un determinato clima. Tutto ciò che cambia quel clima può influenzare il modo in cui viviamo, alterando drasticamente i modelli agricoli e sciogliendo le calotte polari.

È chiaro che ridurre le emissioni di protossido di azoto delle automobili è importante tanto quanto ridurre le emissioni di carbonio, ma come si possono ridurre le emissioni? Il protossido di azoto viene prodotto a temperature molto elevate, quindi qualsiasi cosa che abbassi la temperatura di esercizio di un motore a combustione interna ridurrebbe le emissioni di N2O. È qui che entra in gioco il ricircolo del calore di scarico. Ne parleremo in modo più dettagliato nella pagina successiva.

La chiave per il ricircolo del calore di scarico è un dispositivo chiamato an ricircolo dei gas di scarico (EGR) valvola. La valvola EGR si apre quando incontra la contropressione dallo scarico dell'auto e la convoglia indietro nella camera di combustione. Potresti chiederti a cosa serve, dal momento che l'aria nella camera viene miscelata con la benzina per renderla combustibile. Bene, una cosa che fa è riscaldare il carburante. Il carburante caldo si riscalda in modo più efficiente e quindi produce più miglia per gallone. Una volta che la valvola EGR rileva che il motore è abbastanza caldo, reindirizza lo scarico altrove per evitare che il motore si surriscaldi.

Il riscaldamento del liquido di raffreddamento e del carburante non solo aiuta il motore a raggiungere la sua temperatura ottimale più velocemente quando il motore viene avviato per la prima volta, ma ha anche un vantaggio specifico per gli ibridi. La maggior parte degli ibridi è progettata in modo che il motore a combustione interna si spenga quando il veicolo è fermo. Se rimane spento troppo a lungo, il motore può raffreddarsi. L'EGR aiuta a evitare che il motore si raffreddi troppo rapidamente.

In che modo il ricircolo dei gas di scarico riduce l'inquinamento? Le emissioni target di EGR provengono da protossido di azoto che vengono prodotti a temperature molto elevate. Mescolando lo scarico dell'auto con l'aria aspirata, la quantità di ossigeno nella miscela viene ridotta e anche la sua combustibilità viene ridotta, il che fa bruciare il carburante a una temperatura inferiore. Nella maggior parte dei sistemi EGR, anche lo scarico viene raffreddato prima di essere miscelato con il gas. Pertanto, il carburante miscelato con lo scarico brucia più fresco e ha meno probabilità di produrre N2O. Le temperature più basse aiutano anche il risparmio di carburante. Con il carburante meno incline alla detonazione, i programmatori che scrivono le routine di temporizzazione del software per i motori moderni hanno un maggiore controllo sulla precisione dei tempi del motore. Le temperature più basse aiutano anche a evitare perdite di energia per il trasferimento di calore, il che significa che più energia dell'auto va a fornire potenza alle sue ruote.

Come abbiamo visto, il ricircolo di gas di scarico può aumentare l'efficienza del carburante e ridurre l'inquinamento. Ma lo sapevi che potrebbe anche essere in grado di produrre elettricità? Esploreremo questo concetto nella pagina successiva.

I dispositivi termoelettrici aiuterebbero ad aumentare l'autonomia di un'auto ibrida sostituendo le batterie che fanno funzionare il suo motore elettrico. Notizie di Bryan Mitchell / Getty Images

Materiali termoelettrici, come suggerisce il nome, può produrre calore dall'elettricità. Questi materiali furono scoperti nel 1821 dal fisico tedesco Thomas Seebeck. In genere sono stati troppo costosi e inefficienti per essere utili agli ingegneri automobilistici, ma questo ha iniziato a cambiare: il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha espresso interesse a finanziare lo sviluppo di un pratico sistema termoelettrico che potrebbe essere utilizzato nelle automobili.

Ci sono molte fonti di calore sprecato nelle auto, incluso il radiatore e il motore, ma la fonte più grande è probabilmente lo scarico. Dato che la maggior parte delle auto ricircola già i gas di scarico in un circuito EGR e che questa tecnologia sarà ancora più importante in futuro, ciò offre un'opportunità ideale per intrappolare questo calore altrimenti sprecato e utilizzare dispositivi termoelettrici per convertirlo in elettricità. Questa elettricità potrebbe essere utilizzata per alimentare i sistemi elettrici dell'auto, ricaricare le batterie e, forse, cosa più importante, far funzionare il motore elettrico nei veicoli elettrici ibridi e a batteria plug-in. Questa sarebbe una confluenza quasi perfetta di diverse tecnologie e avrebbe l'effetto collaterale di aiutare a ridurre le emissioni di protossido di azoto raffreddando ulteriormente lo scarico prima che venga miscelato con il carburante.

Qualsiasi tipo di auto potrebbe beneficiare di questa spinta termoelettrica, ma ancora una volta sarebbe molto utile se applicata a veicoli ibridi. Estenderebbe la loro autonomia integrando le batterie che fanno funzionare il motore elettrico e ridurrebbe il tempo necessario per ricaricare quelle batterie.

Lo sviluppo di tecnologie a basso consumo di carburante e basso inquinamento come il ricircolo dei gas di scarico e l'energia termoelettrica renderà possibili le auto del futuro, che avranno poco o nessun utilizzo di combustibili fossili. È importante sviluppare queste tecnologie ora, prima che i combustibili fossili si esauriscano e l'inquinamento causi danni significativi all'atmosfera e al clima della Terra.

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fonti

• Green Car Congress. "Il termoelettrico ottiene maggiore attenzione e focus sullo sviluppo". 22 luglio 2005 (14 aprile 2009) http://www.greencarcongress.com/2005/07/thermoelectrics.html
• Heremans, Joseph. "Il materiale può aiutare le automobili a trasformare il calore in elettricità". Eureka Alert. 24 luglio 2008. (15 aprile 2009) http://www.eurekalert.org/pub_releases/2008-07/osu-mmh072108.php
• Notizie Thaindian. "Il riciclaggio del calore di scarico può alimentare le auto ecologiche". 26 febbraio 2008. (14 aprile 2009) http://www.thaindian.com/newsportal/health/recycling-exhaust-heat-may-power-green-cars_10021214.html