Un sistema de recuperación de calor de escape convierte la energía térmica residual de los gases de escape en energía eléctrica para baterías o energía mecánica reintroducida en el cigüeñal . La tecnología es de creciente interés a medida que los fabricantes de automóviles y vehículos pesados continúan aumentando la eficiencia, ahorrando combustible y reduciendo las emisiones.
Pérdidas térmicas de un motor de combustión interna.
Si bien las mejoras tecnológicas han reducido en gran medida el consumo de combustible de los motores de combustión interna , la eficiencia térmica máxima de un motor de ciclo Otto de 4 tiempos es de alrededor del 35%, lo que significa que el 65% de la energía liberada del combustible se pierde en forma de calor. Los motores de ciclo diesel de alta velocidad funcionan mejor con alrededor del 45% de eficiencia máxima, pero aún están lejos de la eficiencia teórica máxima , con el 55% del contenido de energía del combustible rechazado como calor.
Tecnologías de recuperación de calor de escape
Rankine
Los sistemas de ciclo Rankine vaporizan agua presurizada usando un generador de vapor ubicado en el tubo de escape. Como resultado del calentamiento por los gases de escape, el fluido se convierte en vapor. Luego, el vapor impulsa el expansor del motor Rankine, ya sea una turbina o pistones. Este expansor puede conectarse directamente al cigüeñal del motor térmico o conectarse a un alternador para generar electricidad.
Investigadores del Reino Unido de la Universidad de Loughborough y la Universidad de Sussex concluyeron que el calor residual de los motores de vehículos ligeros en un ciclo de energía de vapor podría ofrecer ventajas de ahorro de combustible del 6,3% al 31,7%, dependiendo del ciclo de conducción, y que se pueden lograr altas eficiencias en presiones operativas prácticas. [1]
Generadores termoeléctricos (TEG)
Una segunda tecnología, los generadores termoeléctricos ( efectos Seebeck -, Peltier -, Thomson ) también es una opción para recuperar el calor del tubo de escape, pero no se ha puesto en práctica en los automóviles modernos. [2]
Recuperación de calor de escape en motores de combustión interna con sistemas de ciclo Rankine
Carros pasajeros
De cara a la nueva normativa estadounidense, europea, japonesa o china, cada vez más estricta en materia de emisiones de CO2, la recuperación del calor de los gases de escape suena como una de las formas más eficientes de recuperar una energía libre, ya que el calor lo genera de muchas formas el motor. Numerosas empresas desarrollan un sistema basado en un ciclo de Rankine:
BMW
La empresa alemana ha sido una de las primeras en estudiar la recuperación de calor de los gases de escape con un sistema Rankine llamado Turbosteamer . [3]
Chevrolet EGHR
El automóvil híbrido Chevrolet Malibu 2016 cuenta con un sistema de recuperación de calor de gases de escape (EGHR) para acelerar el tiempo de calentamiento del refrigerante. Esto proporciona un calentamiento más rápido del refrigerante del motor que, a su vez, calienta el motor más rápido. Se utiliza menos combustible, lo que reduce las emisiones. Esto también acelerará el calentamiento de la cabina para comodidad de los pasajeros y descongelará las ventanas. Para aplicaciones híbridas, también puede calentar la batería. El sistema de enfriamiento está conectado a un intercambiador de calor colocado en el gas de escape que transfiere la energía térmica del gas de escape al sistema de enfriamiento. Cuando el motor se calienta, los gases de escape se desvían a un tubo de derivación. [4]
Honda
Honda también desarrolla un módulo basado en un ciclo Rankine para mejorar la eficiencia general de los vehículos híbridos, recuperando el calor del motor y convirtiéndolo en electricidad para el paquete de baterías. En el ciclo de carreteras de EE. UU., El sistema de ciclo Rankine regeneraba tres veces más energía que el sistema de frenado regenerativo del vehículo.
Exoès
Exoès , una empresa francesa, está especializada en el diseño y fabricación de sistemas de recuperación de calor de escape basados en Rankine Cycles. El sistema EVE, Energy Via Exhaust, permite un ahorro de combustible del 5 al 15%. [5]
Peluquero Nichols
Barber-Nichols Inc. desarrolla tecnologías Rankine para vehículos. [6]
FVV
El consorcio alemán une a la mayoría de los fabricantes de motores de combustión interna de todo el mundo. Actualmente, dos grupos de trabajo están estudiando los sistemas de recuperación de calor de los gases de escape en los turismos.
Camiones
Renault Trucks: Como parte de la iniciativa ecológica All For Fuel, Renault Trucks estudia un sistema Rankine para vehículos de larga distancia que podría generar un ahorro de combustible del 10%. [7] El objetivo es producir suficiente energía para alimentar los componentes y auxiliares electrónicos con electricidad y reducir el consumo de combustible al reducir la carga en el alternador. [8]
Sistema de recuperación de calor WildFire (WFHRS)
Doble Flecha Ingenierías ' Sistema de recuperación de calor Wildfire (WFHRS) está en desarrollo y utiliza el calor residual de ambos refrigerante y escape. Este sistema agrega automáticamente potencia a la línea de transmisión, utilizando un motor Rankine como método de conversión de energía. El WFHRS está diseñado para una variedad de aplicaciones diferentes, tanto de RPM fijas como variables, aplicaciones del mercado de accesorios y OEM, pero generalmente está orientado a equipos más grandes, como grandes camiones de carretera, generadores diesel, grandes autobuses y autocaravanas, embarcaciones marinas, camiones de servicio, etc. [9]
Trenes
IFPEN, Enogia y Alstom están desarrollando un sistema llamado Trenergy dedicado a mejorar la eficiencia del combustible de los trenes . [10]
Recuperación de calor de escape en el deporte
La eficiencia del combustible, la reducción de las emisiones de CO2 , la confiabilidad y los costos son partes necesarias de las estrategias de los fabricantes de Fórmula 1. El deporte del automóvil también es un buen lugar para probar y evaluar tecnologías que, una vez que se vuelven confiables y con costos reducidos por la experiencia en la producción , se pueden adaptar a los automóviles privados. Los constructores de Fórmula 1 produjeron uno de los primeros sistemas de recuperación de calor de escape, [ cita requerida ] y hoy en día estos dispositivos son partes esenciales de las tecnologías integradas en F1 . Se programó que la recuperación de calor fuera obligatoria en el Campeonato de F1 de 2014. [ cita requerida ]
Referencias
- ^ "El estudio de BMW sobre el ciclo Rankine para la recuperación de calor residual muestra un potencial de salida de potencia adicional del 10% a velocidades de autopista" . Congreso de coches ecológicos. 2009-05-03 . Consultado el 12 de octubre de 2013 .
- ^ Stuart Birch (3 de febrero de 2012). Las temperaturas suben en el trabajo de BMW para recuperar el calor residual del motor ” . Sae.org. Archivado desde el original el 14 de octubre de 2013 . Consultado el 12 de octubre de 2013 .
- ^ Tan, Paul. "BMW TurboSteamer" . Paultan.org . Consultado el 12 de octubre de 2013 .
- ^ "2016 Chevrolet Malibu Hybrid Escape Gas Heat Recovery: Feature Spotlight" Por Aaron Brzozowski, GM Authority, 2 de abril de 2015
- ^ "EVE - Energía a través del escape - Exoès" . Exoes.com. Archivado desde el original el 29 de abril de 2017 . Consultado el 12 de octubre de 2013 .
- ^ "Ciclos orgánicos de Rankine" . Barber Nichols . Consultado el 12 de octubre de 2013 .
- ^ "Renault Trucks Corporate: Comunicados de prensa" . Corporate.renault-trucks.com. 2011-02-09 . Consultado el 12 de octubre de 2013 .
- ^ "Bienvenidos a la web del Michelin Challenge Bibendum" . Michelinchallengebibendum.com. 2012-12-06 . Consultado el 12 de octubre de 2013 .
- ^ "WFHRS" . doublearroweng.com . Consultado el 4 de junio de 2016 .
- ^ "Aprovechamiento del ciclo Rankine para recuperar el calor de los gases de escape y aumentar la eficiencia energética del tren" . Ifpenergiesnouvelles.com. 2013-03-19 . Consultado el 12 de octubre de 2013 .