Med världsomspännande reserver av fossila bränslen som gradvis minskar och luftföroreningarna ökar, letar fordonsingenjörer ständigt efter sätt att göra bilar mer bränsleeffektiva och minska sina koldioxidutsläpp. En av de mest överraskande platserna de har hittat bortkastad energi är i bilens avgaser. Egentligen har bildesigners utnyttjat den dolda kraften hos bilavgaser sedan början av 1970-talet. Eftersom denna teknik återvinner avgaserna innan de kan lämna fordonet, hjälper den också till att minska utsläppen från en bil och hjälper till att bekämpa luftföroreningar.
Teknologier gjorda för att maximera effektiviteten hos ett fordons avgaser kallas gemensamt för avgasåtervinning och återcirkulation . Det finns flera sätt att använda ett fordons avgaser för att öka dess bränsleeffektivitet och få det att köra med färre utsläpp. Till exempel kan värmen från bilens avgaser användas för att värma motorns kylvätska för att hålla motorn igång varm, även när motorn har varit avstängd under en längre tid. Bilens interiör kan också värmas upp med avgasvärme, även i mycket kallt väder. Mängden dikväveoxid (N2O) utsläpp kan minskas, och ett fordons avgaser kan faktiskt användas för att generera elektricitet. Termen avgasåtervinning används för den process genom vilken avgasens värmeenergi återvinns genom både bilen och motorn, så det är en del av alla dessa teknologier.
Även om dessa tekniker kan användas i alla bilar, lastbilar eller stadsjeepar med förbränningsmotor, är de särskilt viktiga för hybridfordon, som måste producera maximal bränsleeffektivitet och minimala utsläpp. Några av de mest avancerade implementeringarna av denna teknik finns i 2010 års Toyota Prius. På de kommande sidorna kommer vi att titta på hur fordonsingenjörer har gjort denna teknik möjlig.
InnehållFörbränningsmotorerna i bilar, lastbilar och andra fordon producerar flera typer av föroreningar. En av de vanligaste är koldioxidutsläpp, som spelar en betydande roll för den globala uppvärmningen. Att minska koldioxidutsläppen har blivit ett av de viktigaste målen för fordonsingenjörer. Men bilmotorer producerar också andra utsläpp. En av huvudkomponenterna i smog är N2O -- dikväveoxid -- och dessa utsläpp produceras också av förbränningsmotorer.
Liksom koldioxid är lustgas en växthusgas . Det betyder att den fångar värmen i solstrålningen - solljus - i vår atmosfär och använder den för att värma jordens yta. Utan värmen som fångas av växthusgaser skulle jordens yta vara för kall för att livnära sig. Rätt balans är dock viktig. Medan för lite skulle förvandla jorden till en frusen snöboll, skulle för mycket förvandla den till en svällande djungel eller öken. Människor och vår teknik har utvecklats för att kräva ett visst klimat. Allt som förändrar det klimatet kan påverka vårt sätt att leva, dramatiskt förändra jordbruksmönster och smälta polarisarna.
Det är klart att det är lika viktigt att minska lustgasutsläppen från bilar som att minska koldioxidutsläppen, men hur kan utsläppen minskas? Lustgas produceras vid mycket höga temperaturer, så allt som sänker driftstemperaturen för en förbränningsmotor skulle minska N2O-utsläppen. Det är där avgasåterföring kommer in. Vi kommer att prata om detta mer i detalj på nästa sida.
Nyckeln till återcirkulation av avgasvärme är en anordning som kallas avgasåterföring (EGR ) ventil. EGR-ventilen öppnas när den stöter på mottryck från bilens avgaser och kanaliserar den tillbaka in i förbränningskammaren. Du kanske undrar vad detta gör, eftersom luften i kammaren blandas med bensin för att göra den brännbar. Nåväl, en sak det gör är att göra bränslet varmare. Varmt bränsle värms upp mer effektivt och producerar därför fler miles per gallon. När EGR-ventilen känner av att motorn är tillräckligt varm, dirigerar den om avgaserna någon annanstans för att förhindra att motorn överhettas.
Att värma upp kylvätskan och bränslet hjälper inte bara motorn att nå sin optimala temperatur snabbare när motorn startas första gången, utan det har också en specifik fördel för hybrider. De flesta hybrider är konstruerade så att förbränningsmotorn stängs av när fordonet stoppas. Om den är avstängd för länge kan motorn bli kall. EGR hjälper till att förhindra att motorn svalnar för snabbt.
Hur minskar avgasåterföringen föroreningar? De utsläpp som EGR riktar mot kommer från dikväveoxider som produceras vid mycket höga temperaturer. Genom att blanda bilens avgaser med insugningsluften minskar mängden syre i blandningen och även dess brännbarhet minskar, vilket gör att bränslet brinner vid lägre temperatur. I de flesta EGR-system kyls även avgaserna innan de blandas med gasen. Därför brinner bränsle blandat med avgaser kallare och mindre benägna att producera N2O. De lägre temperaturerna bidrar också till bränsleekonomin. Med bränsle som är mindre benäget att detonera, har programmerarna som skriver mjukvarans timingrutiner för moderna motorer mer kontroll över precisionen i motorns timing. De lägre temperaturerna hjälper också till att undvika förluster av värmeöverföringsenergi, vilket innebär att mer av bilens energi går till att ge kraft till dess hjul.
Som vi har sett kan återcirkulerande avgaser både öka bränsleeffektiviteten och minska föroreningarna. Men visste du att den kanske också kan producera el? Vi kommer att utforska det konceptet på nästa sida.
Termoelektriska material , som namnet antyder, kan producera värme från el. Dessa material upptäcktes 1821 av den tyske fysikern Thomas Seebeck. De har i allmänhet varit för dyra och ineffektiva för att vara till någon nytta för bilingenjörer, men detta har börjat förändras:US Department of Energy har uttryckt intresse för att finansiera utvecklingen av ett praktiskt termoelektriskt system som skulle kunna användas i bilar.
Det finns många källor till spillvärme i bilar, inklusive kylaren och motorn, men den största källan är förmodligen avgaserna. Med tanke på att de flesta bilar redan recirkulerar avgaser i en EGR-slinga och att denna teknik kommer att bli ännu viktigare i framtiden, ger detta en idealisk möjlighet att fånga denna annars bortkastade värme och använda termoelektriska enheter för att omvandla den till elektricitet. Denna elektricitet skulle kunna användas för att driva bilens elsystem, ladda batterierna och kanske viktigast av allt, köra elmotorn i hybrid- och laddbatteri-elfordon. Detta skulle vara ett nästan perfekt sammanflöde av flera tekniker och skulle ha bieffekten att hjälpa till att minska utsläppen av lustgas genom att ytterligare kyla avgaserna innan det blandas med bränsle.
Vilken typ av bil som helst skulle kunna dra nytta av denna termoelektriska boost, men återigen skulle den vara mest användbar när den tillämpas på hybridfordon. Det skulle utöka deras räckvidd genom att komplettera batterierna som driver elmotorn och minska den tid som krävs för att ladda dessa batterier.
Utvecklingen av bränsleeffektiva och lågföroreningsteknologier som avgasåtercirkulation och termoelektrisk kraft kommer att göra framtidens bilar – som kommer att ha liten eller ingen användning av fossila bränslen – möjliga. Det är viktigt att vi utvecklar dessa teknologier nu, innan fossila bränslen tar slut och föroreningar gör betydande skada på jordens atmosfär och klimat.
