Cómo funciona la recuperación y recirculación del calor del escape

Esto puede sorprenderle, pero hay muchas formas de utilizar el escape de este vehículo para aumentar la eficiencia del combustible y reducir sus efectos nocivos sobre el medio ambiente. Noticias de Joe Raedle / Getty Images

Con las reservas mundiales de combustibles fósiles disminuyendo gradualmente y aumentando la contaminación del aire, los ingenieros automotrices están constantemente buscando formas de hacer que los automóviles sean más eficientes en combustible y reducir sus emisiones de carbono. Uno de los lugares más sorprendentes en los que han encontrado desperdicio de energía es en el escape del automóvil. En realidad, los diseñadores de automóviles han aprovechado el poder oculto de los gases de escape de los automóviles desde principios de la década de 1970. Debido a que esta tecnología recicla el escape antes de que pueda salir del vehículo, también ayuda a reducir las emisiones producidas por un automóvil y ayuda a combatir la contaminación del aire..

Las tecnologías creadas para maximizar la eficiencia del escape de un vehículo se conocen colectivamente como recuperación y recirculación del calor de escape. Hay varias formas de utilizar el escape de un vehículo para aumentar su eficiencia de combustible y hacerlo funcionar con menos emisiones. Por ejemplo, el calor del escape del automóvil se puede usar para calentar el refrigerante del motor y mantenerlo en funcionamiento, incluso cuando el motor ha estado apagado durante un período de tiempo significativo. El interior del automóvil también se puede calentar con el calor de los gases de escape, incluso en climas muy fríos. La cantidad de emisiones de óxido nitroso (N2O) se puede reducir y el escape de un vehículo se puede utilizar para generar electricidad. El termino recuperación de calor de escape se utiliza para el proceso mediante el cual la energía térmica del escape se recicla tanto en el automóvil como en el motor, por lo que es parte de todas estas tecnologías..

Aunque estas tecnologías se pueden utilizar en cualquier automóvil, camión o SUV con motor de combustión interna, son particularmente importantes para los vehículos híbridos, que necesitan producir la máxima eficiencia de combustible y las mínimas emisiones. Algunas de las implementaciones más avanzadas de esta tecnología se pueden encontrar en el Toyota Prius 2010. En las próximas páginas, veremos cómo los ingenieros automotrices han hecho posible esta tecnología..

Contenido

1. Emisiones de óxido nitroso
2. Recirculación de calor de escape
3. Electricidad de escape

¿Creerías que su cosita diminuta podría producir tanto desperdicio? © iStockphoto / futureimage

Los motores de combustión interna de automóviles, camiones y otros vehículos producen varios tipos de contaminación. Uno de los más comunes son las emisiones de dióxido de carbono, que juegan un papel importante en el calentamiento global. Reducir las emisiones de carbono se ha convertido en uno de los objetivos más importantes a los que se enfrentan los ingenieros automotrices. Sin embargo, los motores de los automóviles también producen otras emisiones. Uno de los componentes principales del smog es el N2O. -- Óxido nitroso -- y estas emisiones también son producidas por motores de combustión interna.

Como el dióxido de carbono, el óxido nitroso es un gases de efecto invernadero. Esto significa que atrapa el calor en la radiación solar, la luz solar, dentro de nuestra atmósfera y lo usa para calentar la superficie de la Tierra. Sin el calor atrapado por los gases de efecto invernadero, la superficie de la tierra estaría demasiado fría para sustentar la vida. Sin embargo, el equilibrio adecuado es importante. Mientras que muy poco convertiría la tierra en una bola de nieve helada, demasiado la convertiría en una selva o desierto sofocante. Los seres humanos y nuestra tecnología han evolucionado para requerir un clima determinado. Todo lo que cambie ese clima puede afectar la forma en que vivimos, alterando drásticamente los patrones agrícolas y derritiendo los casquetes polares..

Está claro que reducir las emisiones de óxido nitroso de los automóviles es tan importante como reducir las emisiones de carbono, pero ¿cómo se pueden reducir las emisiones? El óxido nitroso se produce a temperaturas muy altas, por lo que cualquier cosa que reduzca la temperatura de funcionamiento de un motor de combustión interna reduciría las emisiones de N2O. Ahí es donde entra en juego la recirculación del calor de escape. Hablaremos de esto con más detalle en la página siguiente..

La clave para la recirculación del calor de escape es un dispositivo llamado de recirculación de gases de escape (EGR) válvula. La válvula EGR se abre cuando encuentra contrapresión del escape del automóvil y la canaliza de regreso a la cámara de combustión. Quizás se pregunte de qué sirve esto, ya que el aire de la cámara se mezcla con gasolina para hacerlo combustible. Bueno, una cosa que hace es calentar el combustible. El combustible caliente se calienta de manera más eficiente y, por lo tanto, produce más millas por galón. Una vez que la válvula EGR detecta que el motor está lo suficientemente caliente, redirige el escape a otra parte para evitar que el motor se sobrecaliente.

Calentar el refrigerante y el combustible no solo ayuda a que el motor alcance su temperatura óptima más rápido cuando se arranca por primera vez, sino que también tiene un beneficio específico para los híbridos. La mayoría de los híbridos están diseñados para que el motor de combustión interna se apague cuando el vehículo está parado. Si permanece apagado durante demasiado tiempo, el motor puede enfriarse. EGR ayuda a evitar que el motor se enfríe demasiado rápido.

¿Cómo reduce la contaminación la recirculación de gases de escape? Las emisiones objetivo de EGR provienen de óxidos nitrosos que se producen a temperaturas muy altas. Al mezclar el escape del automóvil con el aire de admisión, se reduce la cantidad de oxígeno en la mezcla y también se disminuye su combustibilidad, lo que hace que el combustible se queme a una temperatura más baja. En la mayoría de los sistemas EGR, el escape también se enfría antes de mezclarse con el gas. Por lo tanto, el combustible mezclado con el escape se quema más frío y es menos probable que produzca N2O. Las temperaturas más bajas también ayudan a ahorrar combustible. Con combustible menos propenso a la detonación, los programadores que escriben las rutinas de sincronización del software para motores modernos tienen más control sobre la precisión de la sincronización del motor. Las temperaturas más bajas también ayudan a evitar las pérdidas de energía por transferencia de calor, lo que significa que una mayor parte de la energía del automóvil se destina a proporcionar potencia a sus ruedas..

Como hemos visto, el escape recirculante puede aumentar la eficiencia del combustible y reducir la contaminación. ¿Pero sabías que también puede producir electricidad? Exploraremos ese concepto en la página siguiente.

Los dispositivos termoeléctricos ayudarían a aumentar la autonomía de un automóvil híbrido reemplazando las baterías que hacen funcionar su motor eléctrico. Noticias de Bryan Mitchell / Getty Images

Materiales termoeléctricos, como su nombre lo indica, puede producir calor a partir de la electricidad. Estos materiales fueron descubiertos en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck. Por lo general, han sido demasiado costosos e ineficientes para ser de utilidad para los ingenieros automotrices, pero esto ha comenzado a cambiar: el Departamento de Energía de EE. UU. Ha expresado interés en financiar el desarrollo de un sistema termoeléctrico práctico que podría usarse en automóviles..

Hay muchas fuentes de calor desperdiciado en los automóviles, incluidos el radiador y el motor, pero la fuente más grande probablemente sea el escape. Dado que la mayoría de los automóviles ya recirculan los gases de escape en un circuito EGR y que esta tecnología será aún más importante en el futuro, esto brinda una oportunidad ideal para atrapar este calor que de otro modo se desperdiciaría y usar dispositivos termoeléctricos para convertirlo en electricidad. Esta electricidad podría usarse para alimentar los sistemas eléctricos del automóvil, recargar las baterías y, quizás lo más importante, hacer funcionar el motor eléctrico en vehículos eléctricos híbridos y con batería enchufable. Esta sería una confluencia casi perfecta de varias tecnologías y tendría el efecto secundario de ayudar a reducir las emisiones de óxido nitroso enfriando aún más el escape antes de que se mezcle con el combustible..

Cualquier tipo de automóvil podría beneficiarse de este impulso termoeléctrico, pero una vez más, sería más útil cuando se aplica a vehículos híbridos. Ampliaría su alcance al complementar las baterías que hacen funcionar el motor eléctrico y reduciría la cantidad de tiempo necesario para recargar esas baterías..

El desarrollo de tecnologías de bajo consumo de combustible y de baja contaminación, como la recirculación de gases de escape y la energía termoeléctrica, hará posibles los coches del futuro, que tendrán poco o ningún uso de combustibles fósiles. Es importante que desarrollemos estas tecnologías ahora, antes de que se agoten los combustibles fósiles y la contaminación cause un daño significativo a la atmósfera y el clima de la Tierra..

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Fuentes

• Congreso de coches verdes. "La termoeléctrica gana más atención y enfoque en el desarrollo". 22 de julio de 2005. (14 de abril de 2009) http://www.greencarcongress.com/2005/07/thermoelectrics.html
• Heremans, Joseph. "El material puede ayudar a los automóviles a convertir el calor en electricidad". Alerta Eureka. 24 de julio de 2008. (15 de abril de 2009) http://www.eurekalert.org/pub_releases/2008-07/osu-mmh072108.php
• Noticias de Tailandia. "Reciclar el calor del escape puede impulsar los autos ecológicos". 26 de febrero de 2008. (14 de abril de 2009) http://www.thaindian.com/newsportal/health/recycling-exhaust-heat-may-power-green-cars_10021214.html