Como funciona a recuperação e recirculação do calor de exaustão

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Isso pode surpreendê-lo, mas há muitas maneiras de usar o escapamento deste veículo para aumentar a eficiência do combustível e reduzir seus efeitos prejudiciais ao meio ambiente. Notícias sobre Joe Raedle / Getty Images

Com as reservas mundiais de combustíveis fósseis diminuindo gradualmente e a poluição do ar aumentando, os engenheiros automotivos estão constantemente em busca de maneiras de tornar os carros mais eficientes em termos de combustível e reduzir suas emissões de carbono. Um dos lugares mais surpreendentes onde eles encontraram energia desperdiçada é no escapamento do carro. Na verdade, os projetistas automotivos têm explorado o poder oculto dos escapes dos automóveis desde o início dos anos 1970. Como essa tecnologia recicla o escapamento antes que ele saia do veículo, também ajuda a reduzir as emissões produzidas por um carro e ajuda a combater a poluição do ar.

As tecnologias feitas para maximizar a eficiência do escapamento de um veículo são conhecidas coletivamente como exaustão de recuperação e recirculação de calor. Existem várias maneiras de usar o escapamento de um veículo para aumentar sua eficiência de combustível e fazê-lo funcionar com menos emissões. Por exemplo, o calor do escapamento do carro pode ser usado para aquecer o líquido de arrefecimento do motor para mantê-lo funcionando aquecido, mesmo quando o motor foi desligado por um período significativo de tempo. O interior do carro também pode ser aquecido usando o calor do escapamento, mesmo em climas muito frios. A quantidade de emissões de óxido nitroso (N2O) pode ser reduzida e o escapamento de um veículo pode ser usado para gerar eletricidade. O termo exaustão de recuperação de calor é usado para o processo pelo qual a energia térmica do escapamento é reciclada através do carro e do motor, então faz parte de todas essas tecnologias.

Embora essas tecnologias possam ser usadas em qualquer carro, caminhão ou SUV com motor de combustão interna, elas são particularmente importantes para veículos híbridos, que precisam produzir o máximo de eficiência de combustível e emissões mínimas. Algumas das implementações mais avançadas desta tecnologia podem ser encontradas no 2010 Toyota Prius. Nas próximas páginas, veremos como os engenheiros automotivos tornaram essa tecnologia possível.

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  1. Emissões de óxido nitroso
  2. Recirculação de calor de exaustão
  3. Eletricidade de exaustão
Você acreditaria que sua coisinha minúscula poderia produzir tantos resíduos? © iStockphoto / futureimage

Os motores de combustão interna de automóveis, caminhões e outros veículos produzem diversos tipos de poluição. Uma das mais comuns são as emissões de dióxido de carbono, que desempenham um papel significativo no aquecimento global. Reduzir as emissões de carbono tornou-se um dos objetivos mais importantes enfrentados pelos engenheiros automotivos. No entanto, os motores de automóveis também produzem outras emissões. Um dos principais componentes da poluição atmosférica é o N2O -- óxido nitroso -- e essas emissões também são produzidas por motores de combustão interna.

Como o dióxido de carbono, o óxido nitroso é um gás de efeito estufa. Isso significa que ele captura o calor da radiação solar - a luz solar - em nossa atmosfera e o usa para aquecer a superfície da Terra. Sem o calor aprisionado pelos gases de efeito estufa, a superfície da Terra seria muito fria para sustentar a vida. No entanto, o equilíbrio certo é importante. Enquanto muito pouco transformaria a terra em uma bola de neve congelada, muito pouco a transformaria em uma selva ou deserto sufocante. Os seres humanos e nossa tecnologia evoluíram para exigir um certo clima. Qualquer coisa que mude esse clima pode afetar a maneira como vivemos, alterando drasticamente os padrões agrícolas e derretendo as calotas polares.

É claro que reduzir as emissões de óxido nitroso dos carros é tão importante quanto reduzir as emissões de carbono, mas como as emissões podem ser reduzidas? O óxido nitroso é produzido em temperaturas muito altas, então qualquer coisa que diminua a temperatura de operação de um motor de combustão interna reduziria as emissões de N2O. É aí que entra a recirculação do calor do escapamento. Falaremos sobre isso com mais detalhes na próxima página.

A chave para exaurir a recirculação de calor é um dispositivo chamado recirculação de gás de exaustão (EGR) válvula. A válvula EGR abre quando encontra contrapressão do escapamento do carro e a canaliza de volta para a câmara de combustão. Você pode se perguntar para que serve isso, já que o ar na câmara é misturado com gasolina para torná-lo combustível. Bem, uma coisa que faz é aquecer o combustível. O combustível quente aquece com mais eficiência e, portanto, produz mais milhas por galão. Uma vez que a válvula EGR detecta que o motor está quente o suficiente, ela redireciona o escapamento para outro lugar para evitar que o motor superaqueça.

O aquecimento do líquido de arrefecimento e do combustível não apenas ajuda o motor a atingir sua temperatura ideal mais rapidamente quando o motor é ligado pela primeira vez, mas também tem um benefício específico para os híbridos. A maioria dos híbridos é projetada de forma que o motor de combustão interna desligue quando o veículo for parado. Se ficar desligado por muito tempo, o motor pode esfriar. EGR ajuda a evitar que o motor resfrie muito rapidamente.

Como a recirculação dos gases de escape reduz a poluição? As emissões visadas pela EGR vêm de óxidos nitrosos que são produzidos em temperaturas muito altas. Ao misturar o escapamento do carro com o ar de admissão, a quantidade de oxigênio na mistura é reduzida e sua combustibilidade também é diminuída, o que faz com que o combustível queime a uma temperatura mais baixa. Na maioria dos sistemas EGR, o escapamento também é resfriado antes de ser misturado ao gás. Portanto, o combustível misturado com o escapamento queima mais frio e tem menor probabilidade de produzir N2O. As temperaturas mais baixas também ajudam na economia de combustível. Com o combustível menos sujeito à detonação, os programadores que escrevem as rotinas de cronometragem do software para motores modernos têm mais controle sobre a precisão do cronômetro do motor. As temperaturas mais baixas também ajudam a evitar perdas de energia na transferência de calor, o que significa que mais energia do carro é usada para fornecer energia para suas rodas.

Como vimos, a recirculação do escapamento pode aumentar a eficiência do combustível e reduzir a poluição. Mas você sabia que ele também pode produzir eletricidade? Exploraremos esse conceito na próxima página.

Dispositivos termoelétricos ajudariam a aumentar o alcance de um carro híbrido ao preencher as baterias que acionam seu motor elétrico. Notícias sobre Bryan Mitchell / Getty Images

Materiais termoelétricos, como o nome indica, pode produzir calor a partir da eletricidade. Esses materiais foram descobertos em 1821 pelo físico alemão Thomas Seebeck. Geralmente são muito caros e ineficientes para serem úteis aos engenheiros automotivos, mas isso começou a mudar: o Departamento de Energia dos Estados Unidos expressou interesse em financiar o desenvolvimento de um sistema termoelétrico prático que poderia ser usado em carros.

Existem muitas fontes de calor desperdiçado nos carros, incluindo o radiador e o motor, mas a maior fonte provavelmente é o escapamento. Dado que a maioria dos carros já recircula o escapamento em um circuito EGR e que esta tecnologia será ainda mais importante no futuro, esta é uma oportunidade ideal para reter o calor que de outra forma seria desperdiçado e usar dispositivos termoelétricos para convertê-lo em eletricidade. Essa eletricidade poderia ser usada para alimentar os sistemas elétricos do carro, recarregar as baterias e, talvez o mais importante, fazer funcionar o motor elétrico em veículos elétricos híbridos e com bateria plug-in. Isso seria uma confluência quase perfeita de várias tecnologias e teria o efeito colateral de ajudar a reduzir as emissões de óxido nitroso, resfriando ainda mais o escapamento antes de ser misturado ao combustível.

Qualquer tipo de carro poderia se beneficiar desse impulso termelétrico, mas, mais uma vez, seria mais útil quando aplicado a veículos híbridos. Estenderia seu alcance ao suplementar as baterias que acionam o motor elétrico e reduziria a quantidade de tempo necessária para recarregar essas baterias.

O desenvolvimento de tecnologias eficientes em termos de combustível e de baixa poluição, como recirculação de escapamentos e energia termoelétrica, tornarão os carros do futuro - que terão pouco ou nenhum uso de combustíveis fósseis - possíveis. É importante que desenvolvamos essas tecnologias agora, antes que os combustíveis fósseis acabem e a poluição cause danos significativos à atmosfera e ao clima da Terra.

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Fontes

  • Congresso de carros verdes. "Termelétricas ganhando mais atenção e foco no desenvolvimento." 22 de julho de 2005. (14 de abril de 2009) http://www.greencarcongress.com/2005/07/thermoelectrics.html
  • Heremans, Joseph. "O material pode ajudar os automóveis a transformar calor em eletricidade." Alerta Eureka. 24 de julho de 2008. (15 de abril de 2009) http://www.eurekalert.org/pub_releases/2008-07/osu-mmh072108.php
  • Thaindian News. "Reciclar o calor do escapamento pode alimentar carros verdes." 26 de fevereiro de 2008. (14 de abril de 2009) http://www.thaindian.com/newsportal/health/recycling-exhaust-heat-may-power-green-cars_10021214.html



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