Sistema de recuperación de calor de escape

Un sistema de recuperación del 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 despierta cada vez más interés a medida que los fabricantes de automóviles y vehículos pesados ​​continúan aumentando la eficiencia, ahorrando combustible y reduciendo las emisiones.

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 diésel de alta velocidad funcionan mejor con una eficiencia máxima de alrededor del 45%, pero aún están lejos de la eficiencia teórica máxima , ya que el 55% del contenido energético del combustible se rechaza en forma de calor.

Los sistemas de ciclo Rankine vaporizan agua a presión mediante 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. El vapor luego impulsa el expansor del motor Rankine, ya sea una turbina o pistones. Este expansor puede estar conectado directamente al cigüeñal del motor térmico o conectado a un alternador para generar electricidad.

Los 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 a vapor podría ofrecer ventajas en el ahorro de combustible de entre el 6,3% y el 31,7%, dependiendo del ciclo de conducción, y que se pueden lograr altas eficiencias a presiones operativas prácticas. ^[1]

Una segunda tecnología, los generadores termoeléctricos ( efectos Seebeck , Peltier , Thomson ), también es una opción para recuperar calor del tubo de escape, pero no se ha utilizado en la práctica en los automóviles modernos. ^[2]

Ante la nueva normativa americana, europea, japonesa o china, cada vez más estricta en materia de emisiones de CO2 _, la recuperación del calor de escape parece una de las formas más eficientes de recuperar energía gratuita, ya que el calor es generado de múltiples formas por el motor. Numerosas empresas desarrollan sistemas basados ​​en un Ciclo Rankine:

La empresa alemana ha sido una de las primeras en estudiar la recuperación del calor de escape con un sistema Rankine llamado Turbosteamer . ^[3]

El Chevrolet Malibu Hybrid 2016 cuenta con un sistema de recuperación de calor de los gases de escape (EGHR) para acelerar el tiempo de calentamiento del refrigerante. Esto permite un calentamiento más rápido del refrigerante del motor, lo 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 calefacción de la cabina para la comodidad de los pasajeros y el desempañado de las ventanas. Para las aplicaciones híbridas, también puede calentar la batería. El sistema de enfriamiento está conectado a un intercambiador de calor ubicado en el gas de escape que transfiere la energía térmica del gas de escape al sistema de enfriamiento. Cuando el motor se calienta, el gas de escape se desvía a una tubería de derivación. ^[4]

Honda también desarrolla un módulo basado en el ciclo Rankine para mejorar la eficiencia general de los vehículos híbridos, recuperando el calor del motor y transformándolo en electricidad para la batería. En el ciclo de carretera de Estados Unidos, el sistema de ciclo Rankine regeneró tres veces más energía que el sistema de frenado regenerativo del vehículo.

La empresa francesa Exoès está especializada en el diseño y fabricación de sistemas de recuperación de calor de escape basados ​​en ciclos Rankine. El sistema EVE, Energy Via Exhaust, permite ahorrar entre un 5 y un 15 % de combustible. ^[5]

Barber-Nichols Inc. desarrolla tecnologías Rankine para vehículos. ^[6]

El consorcio alemán reúne a la mayoría de los fabricantes de motores de combustión interna de todo el mundo. Dos grupos de trabajo están estudiando actualmente sistemas de recuperación del calor de escape en turismos.

Renault Trucks: En el marco de la iniciativa All For Fuel Eco, Renault Trucks estudia un sistema Rankine para vehículos de larga distancia que podría suponer un ahorro de combustible del 10%. ^[7] El objetivo es producir suficiente energía para alimentar con electricidad los componentes y auxiliares electrónicos y reducir el consumo de combustible reduciendo la carga del alternador. ^[8]

El sistema de recuperación de calor WildFire (WFHRS) de Double Arrow Engineerings está en desarrollo y utiliza el calor desperdiciado tanto del refrigerante como del escape. Este sistema agrega potencia mecánicamente 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 de posventa y OEM, pero generalmente está orientado a equipos más grandes, como camiones grandes para carretera, generadores diésel, autobuses grandes y autocaravanas, embarcaciones marinas, camiones de servicio mediano, etc. ^[9]

IFPEN, Enogia y Alstom están desarrollando un sistema llamado Trenergy dedicado a mejorar la eficiencia del combustible de los trenes . ^[10]

La eficiencia del combustible, la reducción de las emisiones _de CO2 , la fiabilidad y los costes 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 vuelvan fiables y con costes reducidos por la experiencia en producción , se puedan adaptar a los coches 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 la F1 . Se programó que la recuperación de calor se convirtiera en obligatoria en el Campeonato de F1 de 2014. ^{[ cita requerida ]}