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'échappement de la voiture est l'un des endroits les plus surprenants où ils ont trouvé de l'énergie gaspillée. En fait, les concepteurs automobiles exploitent le pouvoir caché des gaz d'échappement automobiles depuis le début des années 1970. Étant donné que cette technologie recycle les gaz d'échappement avant qu'ils ne puissent sortir du véhicule, elle contribue également à réduire les émissions produites par une voiture et à lutter contre la pollution de l'air.
Les technologies conçues pour maximiser l'efficacité des gaz d'échappement d'un véhicule sont connues collectivement sous le nom de récupération et recirculation de la chaleur des gaz d'échappement . Il existe plusieurs façons d'utiliser les gaz d'échappement d'un véhicule pour augmenter son efficacité 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 éteint pendant une durée significative. L'intérieur de la voiture peut également être réchauffé à l'aide de la chaleur des gaz 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 la chaleur d'échappement est utilisé pour le processus par lequel l'énergie thermique de l'échappement est recyclée à la fois par la voiture et le moteur, il fait donc partie de toutes ces technologies.
Bien que ces technologies puissent être utilisées dans n'importe quelle voiture, camion ou VUS équipé d'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 pages suivantes, nous verrons comment les ingénieurs automobiles ont rendu cette technologie possible.
ContenuLes moteurs à combustion interne des voitures, camions et autres véhicules produisent plusieurs types de pollution. L'un des plus courants est les 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, le protoxyde d'azote 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 piégée 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. Alors que trop peu transformerait la terre en une boule de neige gelée, trop la transformerait en une jungle ou un désert étouffant. Les êtres humains et notre technologie ont évolué pour exiger un certain climat. Tout ce qui modifie ce climat peut affecter notre mode de vie, modifier radicalement les modèles agricoles et faire fondre les calottes 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 les émissions peuvent-elles être réduites ? Le protoxyde d'azote est produit à des températures très élevées, donc 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 dispositif 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 renvoie dans la chambre de combustion. Vous vous demandez peut-être à quoi cela sert, puisque l'air dans la chambre est mélangé à de l'essence pour le rendre combustible. Eh bien, une chose qu'il fait est de rendre le carburant plus chaud. Le carburant chaud chauffe 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 les gaz d'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 lors du premier démarrage du moteur, mais 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 des oxydes d'azote qui sont produits à très haute température. En mélangeant les gaz d'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 fait que le carburant brûle à une température plus basse. Dans la plupart des systèmes EGR, les gaz d'échappement sont également refroidis avant d'être mélangés au gaz. Par conséquent, le carburant mélangé aux gaz d'échappement brûle moins et est moins susceptible de produire du N2O. Les températures plus basses contribuent également à l'économie de carburant. Le carburant étant moins sujet à la détonation, les programmeurs qui écrivent les routines de synchronisation logicielle 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 alimenter 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.
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 utiles aux ingénieurs automobiles, mais cela a commencé à changer :le département américain de l'énergie a exprimé son intérêt à financer le 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 opportunité 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 le plus important, faire fonctionner le moteur électrique des véhicules hybrides et électriques à batterie rechargeable. Ce serait une confluence presque parfaite de plusieurs technologies et aurait pour effet secondaire de contribuer à réduire les émissions d'oxyde nitreux en refroidissant davantage les gaz d'échappement avant qu'ils ne soient mélangés au carburant.
N'importe quel type de voiture pourrait bénéficier de ce boost thermoélectrique, mais encore une fois, il serait plus utile lorsqu'il est appliqué aux véhicules hybrides. Cela étendrait 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 économes en carburant et peu polluantes comme la recirculation des gaz d'échappement et l'énergie thermoélectrique rendra possible les voitures du futur, qui n'utiliseront que peu ou pas de carburants 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.
