Wie Abwärmerückgewinnung und -rückführung funktionieren

Dies mag Sie überraschen, aber es gibt viele Möglichkeiten, die Abgase dieses Fahrzeugs zu verwenden, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen und die schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern. Joe Raedle / Getty Images Nachrichten

Da die weltweiten Reserven an fossilen Brennstoffen allmählich abnehmen und die Luftverschmutzung zunimmt, suchen Automobilingenieure ständig nach Möglichkeiten, Autos sparsamer zu machen und ihre CO2-Emissionen zu senken. Einer der überraschendsten Orte, an denen Energie verschwendet wurde, ist der Auspuff des Autos. Tatsächlich nutzen Automobilkonstrukteure seit den frühen 1970er Jahren die verborgene Kraft von Autoabgasen. Da diese Technologie die Abgase recycelt, bevor sie aus dem Fahrzeug austreten können, trägt sie auch dazu bei, die von einem Auto verursachten Emissionen zu reduzieren und die Luftverschmutzung zu bekämpfen.

Technologien zur Maximierung der Effizienz der Abgase eines Fahrzeugs werden zusammen als bezeichnet Abwärmerückgewinnung und -umwälzung. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Abgase eines Fahrzeugs zu verwenden, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen und es mit weniger Emissionen fahren zu lassen. Zum Beispiel kann die Wärme des Autoabgases verwendet werden, um das Motorkühlmittel zu erwärmen, um den Motor warm zu halten, selbst wenn der Motor für eine längere Zeit ausgeschaltet wurde. Der Innenraum des Autos kann auch bei sehr kaltem Wetter mit Abwärme erwärmt werden. Die Menge der Lachgasemissionen (N2O) kann reduziert werden, und die Abgase eines Fahrzeugs können tatsächlich zur Stromerzeugung verwendet werden. Der Begriff Abwärmerückgewinnung wird für den Prozess verwendet, bei dem die Wärmeenergie des Abgases sowohl durch das Auto als auch durch den Motor zurückgeführt wird. Daher ist es Teil all dieser Technologien.

Obwohl diese Technologien in jedem Auto, LKW oder SUV mit Verbrennungsmotor eingesetzt werden können, sind sie besonders wichtig für Hybridfahrzeuge, die maximale Kraftstoffeffizienz und minimale Emissionen erzielen müssen. Einige der fortschrittlichsten Implementierungen dieser Technologie finden Sie im Toyota Prius 2010. Auf den nächsten Seiten werden wir uns ansehen, wie Automobilingenieure diese Technologie ermöglicht haben.

Inhalt

1. Lachgasemissionen
2. Abwärmeumwälzung
3. Strom aus Abgasen

Würden Sie glauben, dass sein kleines Ding so viel Abfall produzieren könnte? © iStockphoto / futureimage

Die Verbrennungsmotoren in Autos, Lastwagen und anderen Fahrzeugen verursachen verschiedene Arten von Verschmutzung. Eine der häufigsten ist die Kohlendioxidemission, die eine wichtige Rolle bei der globalen Erwärmung spielt. Die Reduzierung der CO2-Emissionen ist zu einem der wichtigsten Ziele der Automobilingenieure geworden. Automotoren verursachen jedoch auch andere Emissionen. Eine der Hauptkomponenten von Smog ist N2O -- Lachgas -- und diese Emissionen werden auch von Verbrennungsmotoren erzeugt.

Lachgas ist wie Kohlendioxid a Treibhausgase. Dies bedeutet, dass es die Wärme der Sonnenstrahlung - Sonnenlicht - in unserer Atmosphäre einfängt und zur Erwärmung der Erdoberfläche verwendet. Ohne die von Treibhausgasen eingeschlossene Wärme wäre die Erdoberfläche zu kalt, um das Leben zu unterstützen. Das richtige Gleichgewicht ist jedoch wichtig. Während zu wenig die Erde in einen gefrorenen Schneeball verwandeln würde, würde zu viel sie in einen heißen Dschungel oder eine Wüste verwandeln. Der Mensch und unsere Technologie haben sich weiterentwickelt, um ein bestimmtes Klima zu erfordern. Alles, was das Klima verändert, kann sich auf unsere Lebensweise auswirken, die landwirtschaftlichen Muster dramatisch verändern und die polaren Eiskappen zum Schmelzen bringen.

Es ist klar, dass die Reduzierung der Lachgasemissionen von Autos genauso wichtig ist wie die Reduzierung der CO2-Emissionen. Aber wie können die Emissionen reduziert werden? Lachgas wird bei sehr hohen Temperaturen erzeugt, sodass alles, was die Betriebstemperatur eines Verbrennungsmotors senkt, die N2O-Emissionen reduzieren würde. Hier kommt die Abwärmeumwälzung ins Spiel. Wir werden auf der nächsten Seite ausführlicher darauf eingehen.

Der Schlüssel zur Abwärmerückführung ist ein Gerät namens Abgasrückführung (AGR) Ventil. Das AGR-Ventil öffnet sich, wenn es auf Gegendruck aus dem Auspuff des Fahrzeugs trifft, und leitet ihn zurück in den Brennraum. Sie fragen sich vielleicht, was das nützt, da die Luft in der Kammer mit Benzin gemischt wird, um sie brennbar zu machen. Nun, eine Sache ist es, den Kraftstoff wärmer zu machen. Warmer Kraftstoff erwärmt sich effizienter und produziert daher mehr Meilen pro Gallone. Sobald das AGR-Ventil feststellt, dass der Motor warm genug ist, leitet es den Auspuff an eine andere Stelle um, um eine Überhitzung des Motors zu verhindern.

Durch das Erwärmen des Kühlmittels und des Kraftstoffs erreicht der Motor nicht nur beim ersten Starten des Motors schneller seine optimale Temperatur, sondern hat auch einen besonderen Vorteil für Hybride. Die meisten Hybride sind so konstruiert, dass der Verbrennungsmotor beim Anhalten des Fahrzeugs abschaltet. Wenn es zu lange ausgeschaltet bleibt, kann der Motor kalt werden. AGR verhindert, dass der Motor zu schnell abkühlt.

Wie reduziert die Abgasrückführung die Umweltverschmutzung? Die von der AGR angestrebten Emissionen stammen von Distickstoffoxiden, die bei sehr hohen Temperaturen erzeugt werden. Durch Mischen des Abgases des Autos mit der Ansaugluft wird die Sauerstoffmenge im Gemisch verringert und auch die Brennbarkeit verringert, wodurch der Kraftstoff bei einer niedrigeren Temperatur verbrennt. In den meisten AGR-Systemen wird das Abgas auch gekühlt, bevor es mit dem Gas gemischt wird. Daher verbrennt mit Abgas gemischter Kraftstoff kühler und produziert weniger wahrscheinlich N2O. Die niedrigeren Temperaturen tragen auch zum Kraftstoffverbrauch bei. Da der Kraftstoff weniger zur Detonation neigt, haben die Programmierer, die die Software-Timing-Routinen für moderne Motoren schreiben, mehr Kontrolle über die Genauigkeit des Motor-Timings. Die niedrigeren Temperaturen tragen auch dazu bei, Wärmeübertragungsenergieverluste zu vermeiden, was bedeutet, dass mehr Energie des Autos in die Stromversorgung seiner Räder fließt.

Wie wir gesehen haben, kann das Umwälzen von Abgasen sowohl die Kraftstoffeffizienz erhöhen als auch die Umweltverschmutzung verringern. Aber wussten Sie, dass es möglicherweise auch Strom produzieren kann? Wir werden dieses Konzept auf der nächsten Seite untersuchen.

Thermoelektrische Geräte würden dazu beitragen, die Reichweite eines Hybridautos zu erhöhen, indem sie die Batterien füllen, mit denen der Elektromotor betrieben wird. Bryan Mitchell / Getty Images Nachrichten

Thermoelektrische Materialien, kann, wie der Name schon sagt, Wärme aus Elektrizität erzeugen. Diese Materialien wurden 1821 vom deutschen Physiker Thomas Seebeck entdeckt. Sie waren im Allgemeinen zu teuer und ineffizient, um für Automobilingenieure von Nutzen zu sein, aber dies hat sich geändert: Das US-Energieministerium hat Interesse an der Finanzierung der Entwicklung eines praktischen thermoelektrischen Systems bekundet, das in Autos verwendet werden könnte.

Es gibt viele Quellen für verschwendete Wärme in Autos, einschließlich des Kühlers und des Motors, aber die größte Quelle ist wahrscheinlich der Auspuff. Angesichts der Tatsache, dass die meisten Autos die Abgase bereits in einer AGR-Schleife umwälzen und diese Technologie in Zukunft noch wichtiger sein wird, bietet dies eine ideale Gelegenheit, diese ansonsten verschwendete Wärme abzufangen und mithilfe thermoelektrischer Geräte in Elektrizität umzuwandeln. Diese Elektrizität könnte verwendet werden, um die elektrischen Systeme des Autos mit Strom zu versorgen, die Batterien aufzuladen und vielleicht am wichtigsten den Elektromotor in Hybrid- und Plug-in-Batterie-Elektrofahrzeugen anzutreiben. Dies wäre ein nahezu perfekter Zusammenfluss mehrerer Technologien und hätte den Nebeneffekt, dass die Lachgasemissionen reduziert werden, indem das Abgas weiter gekühlt wird, bevor es mit Kraftstoff gemischt wird.

Jeder Fahrzeugtyp könnte von diesem thermoelektrischen Schub profitieren, aber auch hier wäre er am nützlichsten, wenn er auf Hybridfahrzeuge angewendet wird. Dies würde ihre Reichweite erweitern, indem die Batterien, die den Elektromotor antreiben, ergänzt werden und die zum Aufladen dieser Batterien erforderliche Zeit verringert wird.

Die Entwicklung kraftstoffsparender und umweltfreundlicher Technologien wie Abgasrückführung und thermoelektrischer Energie wird die Autos der Zukunft ermöglichen, die für fossile Brennstoffe kaum oder gar keinen Nutzen haben werden. Es ist wichtig, dass wir diese Technologien jetzt entwickeln, bevor die fossilen Brennstoffe ausgehen und die Umweltverschmutzung und das Klima der Erde durch Umweltverschmutzung erheblich geschädigt werden.

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Quellen

• Green Car Kongress. "Thermoelektrik gewinnt mehr Aufmerksamkeit und Entwicklungsfokus." 22. Juli 2005. (14. April 2009) http://www.greencarcongress.com/2005/07/thermoelectrics.html
• Heremans, Joseph. "Material kann Autos helfen, Wärme in Elektrizität umzuwandeln." Eureka Alert. 24. Juli 2008. (15. April 2009) http://www.eurekalert.org/pub_releases/2008-07/osu-mmh072108.php
• Thaindian Nachrichten. "Das Recycling von Abwärme kann umweltfreundliche Autos antreiben." 26. Februar 2008. (14. April 2009) http://www.thaindian.com/newsportal/health/recycling-exhaust-heat-may-power-green-cars_10021214.html