¿Aumentar la eficiencia térmica del motor de combustión mediante el uso del calor del refrigerante/escape?

No puedo ser el único que alguna vez pensó en esto, pero obviamente no se ha puesto de moda:

En términos de densidad de energía, los combustibles fósiles son lo mejor que hay aparte del uranio enriquecido (y, aparte de la inflamabilidad, mucho más seguros). Los dos mayores problemas con el uso de combustibles fósiles como fuente de energía son la baja eficiencia térmica de la combustión y la producción de gases de CO2. El segundo problema es el más publicitado, pero se puede mitigar en gran medida resolviendo el primero.

Una idea, que puede tener éxito en la generación de energía industrial, es la " pila de combustible de conversión de carbono ", que al menos en el laboratorio proporciona una eficiencia térmica de alrededor del 80% del potencial energético teórico del combustible. Sin embargo, la densidad de energía (1kW de capacidad de generación por metro cuadrado de superficie de celda de combustible) y la temperatura de operación (750°C) lo hacen poco práctico a pequeña escala.

Sin embargo, actualmente tenemos tecnologías que pueden mejorar la eficiencia de los motores de combustión, simplemente no las estamos usando. Los ICE generalmente alcanzan un máximo de aproximadamente 30% de eficiencia térmica; el resto se pierde, principalmente como calor, algo como energía cinética del gas en expansión. Llegamos incluso a construir automóviles con circuitos de refrigeración por agua y silenciadores para desperdiciar ese calor y energía cinética de manera más eficiente. Bueno, ¿qué pasaría si, en cambio, aprovecháramos esa energía para hacer más trabajo por nosotros antes de que salga del automóvil? Imagine un híbrido en paralelo con dos generadores adicionales además del que se alimenta directamente de la transmisión del motor. Uno sería alimentado por vapor del refrigerante sobrecalentado (cualquiera que haya abierto la tapa del radiador en un motor caliente le dirá que este sistema es perfectamente capaz de producir grandes cantidades de vapor presurizado),

Que yo sepa, ningún fabricante de automóviles ha presentado nunca un vehículo de pasajeros de producción que utilice estas fuentes de energía adicionales para cargar el sistema de batería. Pero estas tecnologías tienen décadas de antigüedad; uno pensaría que tenemos la tecnología para pasar el punto de equilibrio de potencia a peso con estos sistemas. ¿Alguien tiene documentación que muestre que estas vías adicionales de captura de energía se han considerado al menos y, de ser así, por qué no se están persiguiendo de manera más agresiva?

Esto ha sido marcado como fuera de tema, y ​​estoy de acuerdo (tenga en cuenta que mi respuesta a continuación afirma que es un problema económico y de ingeniería). Pero hemos considerado algunas preguntas vagamente similares antes en ámbitos como el aeroespacial. ¿Opiniones?
@dmckee Marqué la pregunta. Creo que está bien con preguntas sobre temas automotrices y aeroespaciales, pero creo que deberían ser preguntas que puedan responderse, al menos parcialmente, con física. Esto parecía estar más preocupado por las motivaciones de la industria automotriz. Pero nunca se sabe, podría ser posible explicarlo todo con un breve cálculo termodinámico. Personalmente, no me importa si la pregunta se mantiene abierta.
@dmckee no me parece un caso obvio para el cierre, pero creo que al menos podría reformularse un poco para preguntar sobre la física subyacente de manera más directa. Si esto se cerrara en su forma actual, no me opondría.
1935 William Still desarrolló una combinación de motor IC/Vapor, probado por la USN, concluido con combustible a $.19/gal, no justificaba las complicaciones mecánicas adicionales. BMW Turbosteamer greencarcongress.com/2008/04/study-steam-hyb.html

Respuestas (2)

De lo que hablas se llama motor de ciclo combinado . Son comunes en la generación de energía estacionaria, es decir, la generación de electricidad a gran escala. Incluso se ha hablado de motores de ciclo combinado en los automóviles .

Como se señaló en la respuesta de dmckee , la razón por la que esto no se ha aplicado ampliamente en los automóviles es que nadie ha demostrado un automóvil de ciclo combinado económicamente competitivo. Te lo prometo, si tal cosa puede pagarse por sí misma en ahorros de gas, eventualmente será construida y vendida, a menos que alguna tecnología mejor la haga irrelevante.

En general, hay muchas ideas razonables que son físicamente permisibles pero económica o técnicamente difíciles o inviables. Usted está sugiriendo efectivamente agregar una máquina de vapor a un automóvil, lo cual es una propuesta bastante difícil. Sugeriría que un automóvil híbrido de gasolina y electricidad es más económico de lo que sugiere, e incluso a ellos les ha costado ponerse al día. En la generación de energía eléctrica importa mucho menos que el motor de ciclo combinado tenga un coste hundido mayor que un motor normal, sea más pesado, etc., por lo que el equilibrio económico funciona.

Regresando la pregunta a la física, no importa lo que use para la eliminación de calor, su motor, incluidos todos sus "submotores", no puede exceder la eficiencia de Carnot correspondiente a la mayor diferencia de temperatura en el motor. Agregar motores térmicos adicionales ayudará a acercarse al límite de Carnot. Para vencer a Carnot, no se puede utilizar el calor como paso intermedio entre la energía química (combustible) y el trabajo mecánico.

Además, tengo un comentario: no estoy de acuerdo con que el CO 2 El problema "se puede mitigar en gran medida resolviendo el primero". Sin duda ayudaría, sin embargo, incluso si se duplicara la eficiencia de cada motor, ¿quién puede decir que eso no reduciría la demanda y, por lo tanto, el costo de la gasolina, lo que daría como resultado más automóviles más grandes en la carretera? Esto cae fuera del ámbito de la física y del alcance de este sitio.
Si bien el último párrafo es cierto en principio, el escape del motor en la práctica suele estar mucho más caliente que la temperatura ambiente. Usar el calor residual significa que la temperatura más baja es más baja y se utiliza la diferencia de temperatura total, por lo que la eficiencia máxima teórica es más alta.
@mart Depende de lo que considere la eficiencia máxima teórica. La temperatura de escape más baja es necesaria para acercarse a la eficiencia de Carnot por la diferencia de temperatura entre los cilindros y el ambiente, que no depende de la temperatura del escape. Por supuesto, la eficiencia de Carnot entre los cilindros y el escape aumenta a medida que disminuye la temperatura del escape.
Mi punto es que el límite de Carnot para todo el motor, incluidos los submotores, para la eficiencia es mayor con la utilización del calor de escape que sin ella.
@mart ¡Sin embargo, eso no es cierto! El límite de Carnot para todo el motor es η = 1 − T C / T h dónde T C y T h son las temperaturas más baja y más alta en cualquier parte del motor, respectivamente. El ciclo combinado le ayudará a acercarse, pero no a aumentar, este límite.
Nos estamos acercando a la semántica: la frase clave aquí es "en el motor" (que incluye la salida de escape), T C es menor con el ciclo combinado en la mayoría de las aplicaciones prácticas y ciertamente en el caso de un automóvil.
@mart Sí, el hecho de que sea una diferencia semántica es lo que obtuve hace una hora "Depende..." En mi humilde opinión, los motores tienen acceso al entorno, por lo que la máxima eficiencia teórica es para T C igual a la temperatura del ambiente, no a la del escape... Tendría que verificar, por ejemplo, Callen para ver qué convención se usa en los libros. Supongo que es más probable que sea el tuyo, donde T C es la temperatura del escape, porque eso te permite responder a más preguntas que si consideras T C ser la temperatura del ambiente.

Recuerde que en un automóvil no solo tiene el costo de capital adicional y el mantenimiento adicional (que debe preocupar a todo el sistema de energía), sino que también debe cargar el peso adicional y encontrar el volumen adicional para el sistema adicional. Y siendo esta una pregunta de ingeniería, no de física, entonces debes preguntar "¿Vale la pena?"

Recuerde también que el peso adicional probablemente signifique reforzar la suspensión (lo que agrega más peso) o reducir la carga de trabajo.

Recuerde que el volumen adicional puede significar hacer que el automóvil sea más grande (y, por lo tanto, más pesado) o menos aerodinámico.

Recuerde que si implementa sistemas novedosos que tienen un efecto (o en estos tiempos litigiosos) incluso un efecto percibido en la seguridad, habrá costos y tal vez menos ventas.

Recuerde que cada uno de esos sistemas adicionales funciona con una diferencia de temperatura mucho menor que el motor IC primario y, por lo tanto, tiene una eficiencia máxima teórica más baja.

Nuestros autos han funcionado tradicionalmente con IC porque obtienes mucha potencia por unidad de peso y volumen, no porque estos sean sistemas de máxima eficiencia. En los primeros días de la automoción, tanto el vapor como la electricidad se probaron. Perdieron la batalla económica.

Preocupaciones válidas, pero tenga en cuenta, sin embargo, que los sistemas de generación de gas de madera se agregaron a los vehículos antes (especialmente durante la guerra, cuando la disponibilidad de combustible era escasa). Si bien tuvo un impacto en todas las áreas antes mencionadas, se consideró lo suficientemente viable como para implementar las compensaciones dadas. Sin embargo, una diferencia importante considerando el mantenimiento: los generadores de gas esencialmente no tienen partes móviles, por lo que eso ayuda.
@theUg Escuché que los cocos son populares en la misma aplicación en áreas tropicales pobres, pero estos sistemas generalmente se eliminan una vez que la disponibilidad de combustible es confiable. Como siempre, el costo y la disponibilidad de los materiales se incluyen en las decisiones de ingeniería.
¿Aumentar la eficiencia térmica del motor de combustión mediante el uso del calor del refrigerante/escape?
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