Con le riserve mondiali di combustibili fossili in graduale diminuzione e l'aumento dell'inquinamento atmosferico, 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 spreco di energia è nello scarico dell'auto. In realtà, i designer automobilistici hanno sfruttato il potere nascosto 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 aumentarne l'efficienza del carburante e farlo funzionare con minori 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 quando fa molto freddo. 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 dei gas di scarico viene riciclata sia dall'auto che dal 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 ed emissioni minime. Alcune delle implementazioni più avanzate di questa tecnologia possono essere trovate nella Toyota Prius del 2010. Nelle prossime pagine vedremo come gli ingegneri automobilistici hanno reso possibile questa tecnologia.
ContenutiI motori a combustione interna di automobili, camion e altri veicoli producono diversi tipi di inquinamento. Una delle più comuni sono le emissioni di anidride carbonica, che svolgono un ruolo significativo nel riscaldamento globale. La riduzione delle emissioni di carbonio è diventato 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 N2O -- protossido di azoto -- 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 della radiazione solare - luce solare - all'interno della nostra atmosfera e lo usa 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 soffocante o in un deserto. Gli esseri umani e la nostra tecnologia si sono evoluti per richiedere un certo clima. Tutto ciò che cambia il 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 dalle automobili è importante 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 più dettagliatamente nella prossima pagina.
La chiave per scaricare il ricircolo del calore è un dispositivo chiamato ricircolo dei gas di scarico (EGR ) valvola. La valvola EGR si apre quando incontra contropressione dallo scarico dell'auto e la canalizza nuovamente nella camera di combustione. Potresti chiederti a cosa serve questo, dal momento che l'aria nella camera è miscelata con benzina per renderla combustibile. Bene, una cosa che fa è rendere il carburante più caldo. 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 il surriscaldamento del motore.
Il riscaldamento del liquido di raffreddamento e del carburante non solo aiuta il motore a raggiungere la sua temperatura ottimale più velocemente al primo avvio, ma ha anche un vantaggio specifico per gli ibridi. La maggior parte degli ibridi sono progettati in modo tale 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 oggetto di EGR provengono da ossidi di azoto che vengono prodotti a temperature molto elevate. Mescolando lo scarico dell'auto con l'aria aspirata, si riduce la quantità di ossigeno nella miscela e si riduce anche la sua combustibilità, che fa bruciare il carburante a una temperatura più bassa. Nella maggior parte dei sistemi EGR, anche lo scarico viene raffreddato prima di essere miscelato con il gas. Pertanto, il carburante miscelato con i gas di scarico brucia più freddo e ha meno probabilità di produrre N2O. Le temperature più basse aiutano anche il risparmio di carburante. Con il carburante meno soggetto a detonazione, i programmatori che scrivono le routine di fasatura del software per i motori moderni hanno un maggiore controllo sulla precisione della fasatura del motore. Le temperature più basse aiutano anche a evitare perdite di energia per il trasferimento di calore, il che significa che una parte maggiore dell'energia dell'auto viene utilizzata per fornire potenza alle ruote.
Come abbiamo visto, il ricircolo dei gas di scarico può aumentare l'efficienza del carburante e ridurre l'inquinamento. Ma lo sapevate che potrebbe anche essere in grado di produrre energia elettrica? Esploreremo questo concetto nella prossima pagina.
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 la situazione 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, inclusi il radiatore e il motore, ma la fonte più grande è probabilmente lo scarico. Dato che la maggior parte delle auto fa già ricircolare 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, cosa forse più importante, far funzionare il motore elettrico nei veicoli elettrici ibridi e con 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 ai veicoli ibridi. Estenderebbe la loro autonomia integrando le batterie che fanno funzionare il motore elettrico e ridurrebbe il tempo necessario per ricaricarle.
Lo sviluppo di tecnologie a basso consumo di carburante ea basso inquinamento come il ricircolo dei gas di scarico e l'energia termoelettrica renderanno possibili le auto del futuro, che avranno poco o nessun uso di combustibili fossili. È importante sviluppare queste tecnologie ora, prima che i combustibili fossili si esauriscano e l'inquinamento danneggi in modo significativo l'atmosfera e il clima della Terra.
