Nu de wereldwijde reserves aan fossiele brandstoffen geleidelijk afnemen en de luchtvervuiling toeneemt, zijn auto-ingenieurs voortdurend op zoek naar manieren om auto's zuiniger te maken en hun CO2-uitstoot te verminderen. Een van de meest verrassende plekken waar ze verspilde energie hebben gevonden, is de uitlaat van de auto. In feite hebben auto-ontwerpers sinds het begin van de jaren zeventig de verborgen kracht van auto-uitlaatgassen aangeboord. Omdat deze technologie de uitlaatgassen recyclet voordat deze het voertuig kunnen verlaten, helpt het ook de uitstoot van een auto te verminderen en helpt het bij het bestrijden van luchtvervuiling.
Technologieën die zijn gemaakt om de efficiëntie van de uitlaatgassen van een voertuig te maximaliseren, staan gezamenlijk bekend als warmteterugwinning en recirculatie van uitlaatgassen . Er zijn verschillende manieren om de uitlaat van een voertuig te gebruiken om het brandstofverbruik te verhogen en het te laten rijden met minder uitstoot. De warmte van de uitlaat van de auto kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de motorkoelvloeistof op te warmen om de motor warm te houden, zelfs als de motor voor een aanzienlijke tijd is uitgeschakeld. Ook bij zeer koud weer kan het interieur van de auto worden verwarmd met behulp van uitlaatwarmte. De uitstoot van lachgas (N2O) kan worden verminderd en de uitlaatgassen van een voertuig kunnen daadwerkelijk worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. De term warmteterugwinning uitlaat wordt gebruikt voor het proces waarbij de warmte-energie van de uitlaat wordt gerecycled door zowel de auto als de motor, dus het maakt deel uit van al deze technologieën.
Hoewel deze technologieën kunnen worden gebruikt in elke auto, vrachtwagen of SUV met een verbrandingsmotor, zijn ze vooral belangrijk voor hybride voertuigen, die een maximale brandstofefficiëntie en minimale emissies moeten produceren. Enkele van de meest geavanceerde implementaties van deze technologie zijn te vinden in de Toyota Prius van 2010. Op de volgende pagina's bekijken we hoe auto-ingenieurs deze technologie mogelijk hebben gemaakt.
InhoudDe verbrandingsmotoren in auto's, vrachtwagens en andere voertuigen produceren verschillende soorten vervuiling. Een van de meest voorkomende is de uitstoot van kooldioxide, die een belangrijke rol speelt bij de opwarming van de aarde. Het verminderen van de CO2-uitstoot is een van de belangrijkste doelen geworden waarmee auto-ingenieurs worden geconfronteerd. Automotoren produceren echter ook andere emissies. Een van de belangrijkste componenten van smog is N2O -- stikstofoxide -- en deze emissies worden ook geproduceerd door verbrandingsmotoren.
Net als kooldioxide is lachgas een broeikasgas . Dit betekent dat het de warmte vasthoudt in zonnestraling - zonlicht - in onze atmosfeer en het gebruikt om het aardoppervlak te verwarmen. Zonder de warmte die wordt vastgehouden door broeikasgassen, zou het aardoppervlak te koud zijn om leven te ondersteunen. De juiste balans is echter belangrijk. Terwijl te weinig de aarde in een bevroren sneeuwbal zou veranderen, zou te veel haar in een zinderende jungle of woestijn veranderen. De mens en onze technologie zijn geëvolueerd om een bepaald klimaat te vereisen. Alles wat het klimaat verandert, kan van invloed zijn op de manier waarop we leven, waardoor landbouwpatronen drastisch veranderen en de poolijskappen smelten.
Het is duidelijk dat het verminderen van de uitstoot van lachgas door auto's net zo belangrijk is als het verminderen van de CO2-uitstoot, maar hoe kan de uitstoot worden verminderd? Lachgas wordt geproduceerd bij zeer hoge temperaturen, dus alles wat de bedrijfstemperatuur van een verbrandingsmotor verlaagt, zou de N2O-uitstoot verminderen. Dat is waar de recirculatie van de uitlaatwarmte om de hoek komt kijken. We zullen hier op de volgende pagina meer over vertellen.
De sleutel tot warmterecirculatie van uitlaatgassen is een apparaat dat uitlaatgasrecirculatie wordt genoemd (EGR ) ventiel. De EGR-klep gaat open wanneer hij tegendruk ondervindt van de uitlaat van de auto en leidt deze terug naar de verbrandingskamer. Je vraagt je misschien af wat dit voor nut heeft, aangezien de lucht in de kamer wordt vermengd met benzine om het brandbaar te maken. Wel, een ding dat het doet, is de brandstof warmer maken. Warme brandstof warmt efficiënter op en produceert daarom meer kilometers per gallon. Zodra de EGR-klep detecteert dat de motor warm genoeg is, leidt hij de uitlaat naar een andere plaats om te voorkomen dat de motor oververhit raakt.
Door de koelvloeistof en de brandstof op te warmen, bereikt de motor niet alleen sneller zijn optimale temperatuur wanneer de motor voor het eerst wordt gestart, maar heeft het ook een specifiek voordeel voor hybrides. De meeste hybrides zijn zo ontworpen dat de verbrandingsmotor uitschakelt wanneer het voertuig stilstaat. Als het te lang uit blijft, kan de motor koud worden. EGR helpt voorkomen dat de motor te snel afkoelt.
Hoe vermindert uitlaatgasrecirculatie de vervuiling? De emissies waarop EGR zich richt, zijn afkomstig van stikstofoxiden die bij zeer hoge temperaturen worden geproduceerd. Door de uitlaat van de auto te mengen met de inlaatlucht, wordt de hoeveelheid zuurstof in het mengsel verminderd en wordt ook de brandbaarheid verminderd, waardoor de brandstof op een lagere temperatuur verbrandt. In de meeste EGR-systemen wordt de uitlaat ook gekoeld voordat deze met het gas wordt gemengd. Daarom verbrandt brandstof gemengd met uitlaatgassen koeler en is de kans kleiner dat er N2O wordt geproduceerd. De lagere temperaturen dragen ook bij aan het brandstofverbruik. Omdat brandstof minder vatbaar is voor ontploffing, hebben de programmeurs die de softwaretimingroutines voor moderne motoren schrijven meer controle over de precisie van de timing van de motor. De lagere temperaturen helpen ook om energieverlies door warmteoverdracht te voorkomen, wat betekent dat meer van de energie van de auto gaat naar de aandrijfkracht van de wielen.
Zoals we hebben gezien, kan recirculerende uitlaat zowel de brandstofefficiëntie verhogen als de vervuiling verminderen. Maar wist je dat het misschien ook elektriciteit kan produceren? We zullen dat concept op de volgende pagina onderzoeken.
Thermo-elektrische materialen , zoals de naam al aangeeft, kan warmte produceren uit elektriciteit. Deze materialen werden in 1821 ontdekt door de Duitse natuurkundige Thomas Seebeck. Ze waren over het algemeen te duur en inefficiënt om van enig nut te zijn voor auto-ingenieurs, maar dit begint te veranderen:het Amerikaanse ministerie van Energie heeft belangstelling getoond voor de financiering van de ontwikkeling van een praktisch thermo-elektrisch systeem dat in auto's kan worden gebruikt.
Er zijn veel bronnen van warmteverspilling in auto's, inclusief de radiator en de motor, maar de grootste bron is waarschijnlijk de uitlaat. Aangezien de meeste auto's uitlaatgassen al recirculeren in een EGR-lus en dat deze technologie in de toekomst nog belangrijker zal worden, biedt dit een ideale gelegenheid om deze anders verspilde warmte op te vangen en thermo-elektrische apparaten te gebruiken om deze om te zetten in elektriciteit. Deze elektriciteit kan worden gebruikt om de elektrische systemen van de auto van stroom te voorzien, de accu's op te laden en, misschien nog belangrijker, de elektromotor te laten werken in hybride en elektrische voertuigen met plug-in-accu's. Dit zou een bijna perfecte samenvloeiing zijn van verschillende technologieën, en zou als neveneffect de uitstoot van lachgas helpen verminderen door de uitlaat verder te koelen voordat deze met brandstof wordt gemengd.
Elk type auto zou kunnen profiteren van deze thermo-elektrische boost, maar nogmaals, het zou het nuttigst zijn wanneer het wordt toegepast op hybride voertuigen. Het zou hun bereik vergroten door de batterijen aan te vullen die de elektromotor aandrijven en de hoeveelheid tijd die nodig is om die batterijen op te laden verminderen.
De ontwikkeling van zuinige en weinig vervuilende technologieën zoals uitlaatgasrecirculatie en thermo-elektrische energie zullen de auto's van de toekomst - die weinig of geen gebruik zullen maken van fossiele brandstoffen - mogelijk maken. Het is belangrijk dat we deze technologieën nu ontwikkelen, voordat de fossiele brandstoffen opraken en vervuiling aanzienlijke schade aanricht aan de atmosfeer en het klimaat van de aarde.
