Fonctionnement de la récupération et de la recirculation de la chaleur d'échappement

Cela peut vous surprendre, mais il existe de nombreuses façons d'utiliser l'échappement de ce véhicule pour augmenter le rendement énergétique et réduire ses effets néfastes sur l'environnement. Joe Raedle / Getty Images Actualités

Alors que les réserves mondiales de combustibles fossiles diminuent progressivement et que la pollution de l'air augmente, les ingénieurs automobiles sont constamment à la recherche de moyens de rendre les voitures plus économes en carburant et de réduire leurs émissions de carbone. L'un des endroits les plus surprenants où ils ont trouvé de l'énergie gaspillée est l'échappement de la voiture. En fait, les concepteurs automobiles exploitent la puissance cachée de l'échappement automobile depuis le début des années 1970. Parce que cette technologie recycle l'échappement avant qu'il ne puisse sortir du véhicule, elle permet également de réduire les émissions produites par une voiture et de lutter contre la pollution de l'air..

Les technologies conçues pour maximiser l'efficacité de l'échappement d'un véhicule sont connues collectivement sous le nom de récupération et recirculation de la chaleur d'échappement. Il existe plusieurs façons d'utiliser l'échappement d'un véhicule pour augmenter son rendement énergétique et le faire fonctionner avec moins d'émissions. Par exemple, la chaleur de l'échappement de la voiture peut être utilisée pour réchauffer le liquide de refroidissement du moteur afin de maintenir le moteur au chaud, même lorsque le moteur a été arrêté pendant une longue période. L'intérieur de la voiture peut également être réchauffé à l'aide de la chaleur d'échappement, même par temps très froid. La quantité d'émissions d'oxyde nitreux (N2O) peut être réduite et les gaz d'échappement d'un véhicule peuvent en fait être utilisés pour produire de l'électricité. Le terme récupération de chaleur d'échappement est utilisé pour le processus par lequel l'énergie thermique des gaz d'échappement est recyclée à la fois par la voiture et le moteur, c'est donc une partie de toutes ces technologies.

Bien que ces technologies puissent être utilisées dans n'importe quelle voiture, camion ou SUV avec un moteur à combustion interne, elles sont particulièrement importantes pour les véhicules hybrides, qui doivent produire une efficacité énergétique maximale et des émissions minimales. Certaines des implémentations les plus avancées de cette technologie se trouvent dans la Toyota Prius 2010. Dans les prochaines pages, nous verrons comment les ingénieurs automobiles ont rendu cette technologie possible.

Contenu

1. Émissions d'oxyde nitreux
2. Recirculation de la chaleur d'échappement
3. Électricité d'échappement

Croiriez-vous que sa toute petite chose puisse produire autant de déchets? © iStockphoto / futureimage

Les moteurs à combustion interne des voitures, camions et autres véhicules produisent plusieurs types de pollution. L’un des plus courants est celui des émissions de dioxyde de carbone, qui jouent un rôle important dans le réchauffement climatique. La réduction des émissions de carbone est devenue l'un des objectifs les plus importants auxquels sont confrontés les ingénieurs automobiles. Cependant, les moteurs automobiles produisent également d'autres émissions. L'un des principaux composants du smog est le N2O -- protoxyde d'azote -- et ces émissions sont également produites par les moteurs à combustion interne.

Comme le dioxyde de carbone, l'oxyde nitreux est un gaz à effet de serre. Cela signifie qu'il emprisonne la chaleur du rayonnement solaire - la lumière du soleil - dans notre atmosphère et l'utilise pour chauffer la surface de la Terre. Sans la chaleur emprisonnée par les gaz à effet de serre, la surface de la terre serait trop froide pour supporter la vie. Cependant, le bon équilibre est important. Si trop peu transformerait la terre en une boule de neige gelée, trop en ferait une jungle ou un désert étouffant. Les êtres humains et notre technologie ont évolué pour exiger un certain climat. Tout ce qui change le climat peut affecter notre mode de vie, modifier radicalement les modèles agricoles et faire fondre les calottes glaciaires polaires.

Il est clair que la réduction des émissions d'oxyde nitreux des voitures est tout aussi importante que la réduction des émissions de carbone, mais comment réduire les émissions? L'oxyde nitreux est produit à des températures très élevées, de sorte que tout ce qui abaisse la température de fonctionnement d'un moteur à combustion interne réduirait les émissions de N2O. C'est là qu'intervient la recirculation de la chaleur d'échappement. Nous en parlerons plus en détail à la page suivante.

La clé de la recirculation de la chaleur d'échappement est un appareil appelé recirculation des gaz d'échappement (EGR) soupape. La soupape EGR s'ouvre lorsqu'elle rencontre une contre-pression de l'échappement de la voiture et la redirige vers la chambre de combustion. Vous pourriez vous demander à quoi cela sert, car l'air de la chambre est mélangé à de l'essence pour la rendre combustible. Eh bien, une chose est de réchauffer le carburant. Le carburant chaud se réchauffe plus efficacement et produit donc plus de miles par gallon. Une fois que la soupape EGR détecte que le moteur est suffisamment chaud, elle redirige l'échappement ailleurs pour empêcher le moteur de surchauffer.

Le réchauffement du liquide de refroidissement et du carburant aide non seulement le moteur à atteindre sa température optimale plus rapidement au premier démarrage du moteur, mais il présente également un avantage spécifique pour les hybrides. La plupart des hybrides sont conçus pour que le moteur à combustion interne s'éteigne lorsque le véhicule est arrêté. S'il reste éteint trop longtemps, le moteur peut refroidir. L'EGR aide à empêcher le moteur de refroidir trop rapidement.

Comment la recirculation des gaz d'échappement réduit-elle la pollution? Les émissions visées par l'EGR proviennent d'oxydes nitreux produits à très haute température. En mélangeant l'échappement de la voiture avec l'air d'admission, la quantité d'oxygène dans le mélange est réduite et sa combustibilité est également diminuée, ce qui provoque la combustion du carburant à une température plus basse. Dans la plupart des systèmes EGR, l'échappement est également refroidi avant d'être mélangé au gaz. Par conséquent, le carburant mélangé à l'échappement brûle plus froidement et est moins susceptible de produire du N2O. Les températures plus basses contribuent également à l'économie de carburant. Avec un carburant moins enclin à la détonation, les programmeurs qui écrivent les routines de synchronisation logicielles pour les moteurs modernes ont plus de contrôle sur la précision de la synchronisation du moteur. Les températures plus basses aident également à éviter les pertes d'énergie de transfert de chaleur, ce qui signifie qu'une plus grande partie de l'énergie de la voiture sert à fournir de l'énergie à ses roues..

Comme nous l'avons vu, la recirculation des gaz d'échappement peut à la fois augmenter le rendement énergétique et réduire la pollution. Mais saviez-vous qu'il peut aussi produire de l'électricité? Nous explorerons ce concept à la page suivante.

Les dispositifs thermoélectriques aideraient à augmenter l'autonomie d'une voiture hybride en remplissant les batteries qui font fonctionner son moteur électrique. Bryan Mitchell / Getty Images Actualités

Matériaux thermoélectriques, comme son nom l'indique, peut produire de la chaleur à partir de l'électricité. Ces matériaux ont été découverts en 1821 par le physicien allemand Thomas Seebeck. Ils ont généralement été trop chers et inefficaces pour être d'une quelconque utilité pour les ingénieurs automobiles, mais cela a commencé à changer: le département américain de l'énergie a exprimé son intérêt pour le financement du développement d'un système thermoélectrique pratique qui pourrait être utilisé dans les voitures..

Il existe de nombreuses sources de chaleur perdue dans les voitures, y compris le radiateur et le moteur, mais la plus grande source est probablement l'échappement. Étant donné que la plupart des voitures recirculent déjà les gaz d'échappement dans une boucle EGR et que cette technologie sera encore plus importante à l'avenir, cela offre une occasion idéale de piéger cette chaleur autrement gaspillée et d'utiliser des dispositifs thermoélectriques pour la convertir en électricité. Cette électricité pourrait être utilisée pour alimenter les systèmes électriques de la voiture, recharger les batteries et, peut-être surtout, faire fonctionner le moteur électrique des véhicules électriques hybrides et rechargeables. Ce serait une confluence presque parfaite de plusieurs technologies et aurait pour effet secondaire d'aider à réduire les émissions d'oxyde nitreux en refroidissant davantage l'échappement avant qu'il ne soit mélangé avec du carburant..

Tout type de voiture pourrait bénéficier de cette poussée thermoélectrique, mais encore une fois, elle serait plus utile lorsqu'elle est appliquée aux véhicules hybrides. Cela élargirait leur autonomie en complétant les batteries qui font fonctionner le moteur électrique et réduirait le temps nécessaire pour recharger ces batteries..

Le développement de technologies écoénergétiques et peu polluantes comme la recirculation des gaz d'échappement et l'énergie thermoélectrique rendra possibles les voitures du futur - qui n'auront que peu ou pas besoin de combustibles fossiles. Il est important que nous développions ces technologies maintenant, avant que les combustibles fossiles ne s'épuisent et que la pollution ne cause des dommages importants à l'atmosphère et au climat de la Terre..

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Sources

• Congrès des voitures vertes. "La thermoélectrique gagne plus d'attention et de développement." 22 juillet 2005. (14 avril 2009) http://www.greencarcongress.com/2005/07/thermoelectrics.html
• Heremans, Joseph. "Le matériel peut aider les automobiles à transformer la chaleur en électricité." Alerte Eureka. 24 juillet 2008. (15 avril 2009) http://www.eurekalert.org/pub_releases/2008-07/osu-mmh072108.php
• Nouvelles de Thaindian. «Le recyclage de la chaleur d'échappement peut alimenter les voitures vertes». 26 février 2008. (14 avril 2009) http://www.thaindian.com/newsportal/health/recycling-exhaust-heat-may-power-green-cars_10021214.html