S postupným snižováním celosvětových zásob fosilních paliv a zvyšujícím se znečištěním ovzduší automobiloví inženýři neustále hledají způsoby, jak zefektivnit automobily a snížit jejich emise uhlíku. Jedno z nejpřekvapivějších míst, kde zjistili plýtvání energií, je výfuk auta. Automobiloví designéři ve skutečnosti využívají skrytou sílu automobilových výfuků již od počátku 70. let. Protože tato technologie recykluje výfukové plyny dříve, než mohou opustit vozidlo, pomáhá také snižovat emise produkované automobilem a pomáhá bojovat proti znečištění ovzduší.
Technologie vytvořené za účelem maximalizace účinnosti výfukových plynů vozidla jsou souhrnně známé jako rekuperace tepla a recirkulace výfukových plynů . Existuje několik způsobů, jak využít výfuk vozidla ke zvýšení jeho palivové účinnosti a zajistit jeho provoz s nižšími emisemi. Například teplo z výfuku automobilu lze využít k zahřátí chladicí kapaliny motoru, aby motor běžel teplý, i když byl motor vypnutý po značnou dobu. Interiér vozu lze také vytápět pomocí výfukového tepla, a to i za velmi chladného počasí. Množství emisí oxidu dusného (N2O) lze snížit a výfukové plyny vozidla lze skutečně využít k výrobě elektřiny. Termín rekuperace odpadního tepla se používá k procesu, při kterém se tepelná energie výfukových plynů recykluje v autě i v motoru, takže je součástí všech těchto technologií.
Ačkoli tyto technologie lze použít v jakémkoli osobním automobilu, nákladním automobilu nebo SUV se spalovacím motorem, jsou zvláště důležité pro hybridní vozidla, která potřebují produkovat maximální účinnost paliva a minimální emise. Některé z nejpokročilejších implementací této technologie lze nalézt v Toyotě Prius z roku 2010. Na několika následujících stránkách se podíváme na to, jak automobiloví inženýři tuto technologii umožnili.
ObsahSpalovací motory v osobních, nákladních a jiných vozidlech produkují několik druhů znečištění. Jednou z nejčastějších jsou emise oxidu uhličitého, které hrají významnou roli v globálním oteplování. Snížení emisí uhlíku se stalo jedním z nejdůležitějších cílů, kterým čelí automobiloví inženýři. Automobilové motory však produkují i jiné emise. Jednou z hlavních složek smogu je N2O – oxid dusný -- a tyto emise také produkují spalovací motory.
Stejně jako oxid uhličitý je oxid dusný skleníkový plyn . To znamená, že zachycuje teplo ve slunečním záření – slunečním záření – v naší atmosféře a využívá ho k ohřevu zemského povrchu. Bez tepla zachyceného skleníkovými plyny by byl povrch Země příliš chladný na to, aby na něm mohl existovat život. Důležitá je však správná rovnováha. Zatímco příliš málo by proměnilo zemi ve zmrzlou sněhovou kouli, příliš mnoho by ji proměnilo v horkou džungli nebo poušť. Lidské bytosti a naše technologie se vyvinuly tak, že vyžadují určité klima. Cokoli, co změní toto klima, může ovlivnit způsob, jakým žijeme, dramaticky změnit zemědělské vzorce a roztát polární ledovce.
Je jasné, že snížení emisí oxidu dusného z automobilů je stejně důležité jako snížení emisí uhlíku, ale jak lze emise snížit? Oxid dusný vzniká při velmi vysokých teplotách, takže cokoli, co sníží provozní teplotu spalovacího motoru, sníží emise N2O. Zde přichází na řadu recirkulace výfukového tepla. Podrobněji o tom budeme hovořit na další stránce.
Klíčem k recirkulaci výfukového tepla je zařízení zvané recirkulace výfukových plynů (EGR ) ventil. Ventil EGR se otevře, když se setká s protitlakem z výfuku automobilu a vede jej zpět do spalovací komory. Možná se divíte, k čemu je to dobré, protože vzduch v komoře je smíchán s benzínem, aby byl hořlavý. Jedna věc, kterou dělá, je zahřátí paliva. Teplé palivo se ohřívá efektivněji, a proto produkuje více mil na galon. Jakmile ventil EGR zjistí, že je motor dostatečně zahřátý, přesměruje výfukové plyny jinam, aby se zabránilo přehřátí motoru.
Zahřívání chladicí kapaliny a paliva nejen pomáhá motoru dosáhnout optimální teploty rychleji při prvním nastartování motoru, ale má také specifický přínos pro hybridy. Většina hybridů je konstruována tak, že se spalovací motor vypne při zastavení vozidla. Pokud zůstane vypnutý příliš dlouho, motor může vychladnout. EGR pomáhá zabránit příliš rychlému ochlazení motoru.
Jak recirkulace výfukových plynů snižuje znečištění? Emise, na které se zaměřuje EGR, pocházejí z oxidů dusíku, které vznikají při velmi vysokých teplotách. Smícháním výfuku vozu s nasávaným vzduchem se sníží množství kyslíku ve směsi a také se sníží její hořlavost, což způsobuje spalování paliva při nižší teplotě. U většiny systémů EGR je výfuk také chlazen předtím, než je smíchán s plynem. Proto palivo smíchané s výfukovými plyny spaluje chladněji a méně pravděpodobně produkuje N2O. Nižší teploty také přispívají k úspoře paliva. S palivem méně náchylným k detonaci mají programátoři, kteří píší softwarové rutiny časování pro moderní motory, větší kontrolu nad přesností časování motoru. Nižší teploty také pomáhají zamezit ztrátám energie při přenosu tepla, což znamená, že větší část energie vozu jde na zajištění výkonu pro jeho kola.
Jak jsme viděli, recirkulace výfukových plynů může zvýšit účinnost paliva a snížit znečištění. Věděli jste ale, že může být také schopen vyrábět elektřinu? Tento koncept prozkoumáme na další stránce.
Termoelektrické materiály , jak název napovídá, dokáže vyrábět teplo z elektřiny. Tyto materiály objevil v roce 1821 německý fyzik Thomas Seebeck. Obecně byly příliš drahé a neefektivní na to, aby byly automobilovým inženýrům k něčemu užitečné, ale to se začalo měnit:Ministerstvo energetiky USA vyjádřilo zájem o financování vývoje praktického termoelektrického systému, který by mohl být použit v automobilech.
V autech je mnoho zdrojů promarněného tepla, včetně chladiče a motoru, ale největším zdrojem jsou pravděpodobně výfukové plyny. Vzhledem k tomu, že většina automobilů již recirkuluje výfukové plyny v EGR smyčce a že tato technologie bude v budoucnu ještě důležitější, poskytuje to ideální příležitost zachytit toto jinak promarněné teplo a využít termoelektrická zařízení k jeho přeměně na elektřinu. Tato elektřina by mohla být použita k napájení elektrických systémů automobilu, dobíjení baterií a možná nejdůležitější je provoz elektromotoru v hybridních a plug-in bateriových elektrických vozidlech. To by bylo téměř dokonalé spojení několika technologií a mělo by to vedlejší účinek, který by pomohl snížit emise oxidu dusného dalším chlazením výfukových plynů před jejich smícháním s palivem.
Z tohoto termoelektrického posílení by mohl těžit jakýkoli typ automobilu, ale opět by bylo nejužitečnější při použití u hybridních vozidel. Rozšířilo by to jejich dojezd doplněním baterií, které pohánějí elektromotor, a zkrátí dobu potřebnou k dobití těchto baterií.
Vývoj technologií s nízkou spotřebou paliva a nízkým znečištěním, jako je recirkulace výfukových plynů a termoelektrická energie, umožní automobily budoucnosti – které budou mít jen malé nebo žádné využití fosilních paliv. Je důležité, abychom tyto technologie vyvinuli nyní, dříve než dojde fosilní paliva a znečištění výrazně poškodí zemskou atmosféru a klima.
