انقطاع الطاقة في أوتو سيكل إنجينز

وتتوقف عمليات الأسطول على محركات الاحتراق الداخلي التي تتبع دورة أوتو، ومع ذلك فإن هذه المولدات الكهربائية تمثل حلولاً وسطية حرارية، وحتى مع قرن من التنمية، فإن محرك الغازولين العادي لا يحول إلا 25 إلى 30 في المائة من الطاقة الكيميائية للوقود إلى عمل ميكانيكي مفيد، أما بقية الـ60 إلى 70 في المائة فلا يمكن أن يُرفض كدحر من خلال نظم العادم والتبريد.

إن كفاءة دورة الأوتو تتوقف على نسبة الضغط، ولكن المحركات الحقيقية تنخفض بسبب الاحتكاك، وخسائر الضخ، وعدم اكتمال الاحتراق، غير أن الخسارة الغالبة هي الرفض الحراري، وقد تتجاوز درجات الحرارة المحيطة بالشاحنات 000 2 درجة مئوية، بينما تُحدّد المواد من جدران العادم إلى ما يقرب من 200 درجة مئوية.

Exhaust and coolant: Two Distinct Energy Streams

ولا تخلق جميع حرارة النفايات على قدم المساواة، فالغاز المكشوف يترك المحرك عند درجة حرارة 400-800 درجة مئوية، ويحمل محركا حراريا عالي المستوى من الطاقة الحرارية لتحويل الطاقة، كما يعمل النظام المبرد عند درجة 90-110 درجة مئوية، ويحد من إمكانياته الحرارية لاستخراج العمل، غير أن الحرارة المبردة هي وفرة ومستقرة، مما يجعلها قيمة بالنسبة للتطبيقات المنخفضة الجودة مثل تسخين أو الوقود المبرد أو الدافئ.

فإستراتيجية ناجحة للنظام العالمي لمراقبة المخدرات تستهدف عادة تدفق العادم أولا بسبب المحتوى العالي للطاقة، وحتى بعد المحولات الحافزة، يمكن أن يكون لمحرك الغازولين البالغ ٢ لتر تحت حمولة الطرق السريعة ٣٠-٤٠ كيلوواط من حرارة العادم المتاحة، وبالنسبة لمركبات الأسطول التي تعمل بسرعة عالية، فإن هذا يمثل تدفقا ثابتا للطاقة، كما أن نظام العادم هو الأكثر سهولة لإعادة تصميم نظم المقاييس، والتحكم في المقاييس تحت سطح المركبة.

مولدات الطاقة الحرارية: قوة صامتة من الفرق درجة الحرارة

وتستغل المولدات الكهربائية الحرارية تأثير سيبيك لإنتاج تيار مباشر من تفاوت درجات الحرارة، وتولد وحدة حرارة حرارية بين أنابيب العادم الساخنة وجهاز تسخين أكثر برودة الكهرباء بدون قطع متحركة، وقد طورت المصانع نماذج أولية للتصنيف التقني للتحركات، بما في ذلك مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور وفورد وأجهزة النقل العامة، وتتيح الطبيعة الصلبة عمليات صامتة خالية من الموثوقية.

ولا تنتج الوحدات المبكرة سوى بضع مئات من الخنازير، ولكن التقدم المادي قد دفع إلى زيادة الكفاءة، وقد وثقت ورقة SAE 2012-01-1600 أن مركبات التقلب الديزل التي تصل إلى 1 كيلوواط، وتظهر التطبيقات الغازية اتجاهات مماثلة، وأن الكهرباء يمكن أن تزيل المتناوب، وتخفض الحمولة الطفيلية، أو تحمل بطارية هجينة، أما بالنسبة للأساطيل التي تعمل بالمركبات ذات العجلات الكهربائية العالية، فتتمثليات، والآلف.

مركبة رانكين عضوية: محطة فوبور للغاز العالي

وتستخدم دورة الرنكين العضوية سائلاً عاملاً مع نقطة تغلي منخفضة مثل الثلاجات أو مركبات الهيدروفلوروكربون لاسترداد حرارة العادم، ويبخر الغاز المستنفد السوائل في مبادلات حرارية؛ ويتوسع البخار من خلال جهاز ديبوب أو موسع متصل بمولد؛ ثم يُعاد تدوير السائل ويُغلق محركاً واسعاً.

مشروع توربوستامر BMW تطبيقات ذات دائرة مزدوجة على محرك رباعي طوله 1.8 لتر، يلتقط حرارة العادم في دائرة عالية الحرارة وسخونة مبردة في دائرة منخفضة الحرارة، وكلاهما يغذي محركاً واحداً، وزاد من زيادة الكفاءة بنسبة 10 إلى 15 في المائة في ظروف ثابتة.

مركبة من طراز توربو وكهرباء

وتستخرج الطاقة من مجرى العادم بواسطة توربين ثان في مجرى التربوي الرئيسي، ويمكن أن يقترن هذا التربين آلياً بفندق الفرنك الشاف أو يلحق بمولد كهربائي، كما أن تركيبة التربو الميكانيكية قد استخدمت في محركات الطائرات منذ الأربعينات، وقد تم تسويقها من أجل الديزل الثقيل بواسطة مصانع مثل محركات التركوب.

وقد استعاد الطاقة الكهربائية التي تستخدمها شركة توربو أو مولدات توربو لتوليد الطاقة الكهربائية، حيث يمكن أن تشحن البطارية أثناء التسارع، خلال فترة التسارع، طاقة التراكم الكهربائي التي تتجاوز خط التراكم الحراري، حيث إن نظاماً للتغذية الكهربائية يُعدان نظاماً للتغذية التراكمية، وهو ما يُعدّ تصاعدياً قابلاً للقياس.

الإدارة الحرارية الإضافية: استراتيجيات الحد من الأداء

ولا يحتاج كل حرارة النفايات إلى أن تصبح كهرباء، فالسخونة المستعادة يمكن أن تخدم احتياجات أقل درجة مثل التدفئة في الكابينات، أو التسخين أو الاحترار بالجو من أجل تحسين استقرار الاحتراق أثناء بدء التشغيل البارد، وتخفف مبردات الغازات الخام التي تعمل بالفعل كمبادلات حرارة للنفايات، ولكن الطاقة التي تستخدمها عادة إلى الحد الأدنى من التبريد والارتفاع في المحركات.

من النموذج الأولي إلى استرداد الأجر: كمية التأثير الأسطولي

وعندما تتحول حرارة النفايات إلى طاقة مفيدة، يمكن التعبير عن التحسن في استهلاك الوقود المحدد ببراكات معينة ككسب مئوي، وتبين دراسات المحاكاة أن نظام أوركي على محرك الغازولين المطهول يمكن أن يحسن اقتصاد الوقود بنسبة ٨-١٢ في المائة في ظروف الطرق السريعة، وتقد ِّم هذه الفئات عادة نسبة تتراوح بين ٣ و ٦ في المائة لمركبات الخدمة الخفيفة، بينما تضيف نسبة ٥-٨ في المائة أخرى في شكل كميات عالية.

وبالنسبة لأسطول من 50 شاحنة من الفئة 8 يسافر كل منها 000 100 ميل في السنة في 7 أمبيرغ، فإن تحسيناً بنسبة 10 في المائة ينقذ أكثر من 000 71 غالون سنوياً، أي ما يعادل نحو 000 250 دولار في التخفيضات السنوية لتكاليف الوقود، ويخفض استهلاك الوقود بصورة مباشرة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون - حوالي 2.3 كلغ لكل لتر من الأسطول الغازي المنقذ - يلبي أهداف الاستدامة ويتجنب تكاليف تشغيل مركبات الكربون.

دراسات الحالات والبرامج الرائدة

وتظهر عدة مشاريع عالية الجودة قدرة النظام العالمي لحقوق الإنسان على البقاء في السياقات ذات الصلة بالأسطول.

  • BMW Turbosteamer:] First shown in 2005, this ORC-based system on a 1.8-liter four-cylinder motor achieved 10 percent fuel savings on the NEDC highway cycle. The dual-circuit design highlights howple and coolant heat can be harvested and for fleet managers, this validates sustained highway operation as a strong candidate for WHRS.
  • Ford and U.S. DOE SuperTruck:] Ford explored thermoelectric births for the F-150 pickup under the SuperTruck program. A prototype delivered 800 wats at 48 volts-enough to power telematics gateways, dash cameras, and mobile data terminals common in my fleetator vehicles.
  • Cummins Turbo-Compounding:] Cummins commercializedميكانيكي turbo-compounding for heavy-duty diesel motors, achieving a 5 percent fuel economy gain. The technology, covered in a Green Car Congress article, shows that exhaust energy recovery scales to Class 8 trucks. For fleets specifying new heavy trucks, turbo-compy production
  • Academic Research Review:] A comprehensive survey in ] Applied Thermal Engineering] (DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.01.057) reviewed over 100 papers on automotive ORC and TEG systems, concluding that integration with optim storage yield and themalrmal storage component.

العوائق التي تحول دون التبني: الوزن والتكاليف والتعقيد

وعلى الرغم من هذه النجاحات، تواجه المنظمة عقبات تؤثر على قرارات اعتماد الأسطول.

نظام كامل للأوراق الصناعية يضيف 30 إلى 50 كيلوغراماً في مركبة تجارية خفيفة، هذه الكتلة تعوض جزئياً عن مكاسب الوقود، ورسوم الشحنات خفيفة ولكنها تتطلب مبادلات حرارية مكرّسة، وحجم المحرك مزدحم بالفعل بأجهزة التحميل، وأجهزة التحفيز، وضوابط على الوزن الكلي للمركبات.

(ب) نظراً لأن وحدات الطاقة الحرارية لا تزال باهظة التكلفة بسبب المواد النادرة، فإن نظام أوركات المتناوبة والمتبادلات الحرارية المتعددة تضيف مئات إلى آلاف الدولارات إلى تكلفة المركبات، ولإبراز الاستثمار، فإن وفورات الوقود يجب أن تفوق التكلفة القصوى في فترة الملكية.

(ب) إن المحركات الآلية نادراً ما تدار في حالة ثابتة، ودرجة الحرارة القصوى وتقلبات التدفق الجماعي مع حدوث تغيرات في التسارع والتفاخر والتروس، ويعتمد ناتج الترميز على الحفاظ على فرق الحرارة؛ وتتسبب التغيرات السريعة في الإجهاد الحراري وتقلبات الطاقة في الحاجة إلى مراقبة حرارية دقيقة لتفادي حدوث أضرار جمة.

(ب) يجب أن تكون المكونات المعرضة لغاز العادم عالية الحرارة، وثباتات التآكل، والتدوير الحراري، وتقلص نماذج الطاقة الحرارية بمرور الوقت، وازدياد عدد المحركات التي تستهلك في الوقت، وازدياد عدد مرات الارتداد، وازدياد عدد المحركات التي تستهلك في الوقت المحدد، وازدياد عدد الادخار غير المقبول في الأسطول أورك.

التقدم في المواد والتكامل الهجين

ويؤدي نقص الاتجاهات التكنولوجية إلى تقليص هذه الحواجز بصورة مطردة، إذ أن المواد الجديدة لبطاقات حرارة مثل السمعيات الاصطناعية وسبائك نصف الهسلر توفر كفاءة أعلى، وانخفاض التكلفة، وتحسين درجة تحمل الحرارة، ويتيح التصنيع الإضافي مبادلات حرارية عالية الأداء تدمج مباشرة في موثوقية العادم، وتوفر الوزن والفضاء، ويمكن أن تؤدي أجهزة التوسع الصلبة القائمة على المبادئ الحرارية، وإن كانت لا تزال تُحسِّن نظم التجارب.

ويؤدي نمو كهربة المركبات دوراً تآزرياً، إذ أن لدى الأسطول المختلط والمختلط بالفعل 48 فولطاً أو مجموعة من البطاريات ذات الطفرة العالية التي يمكن أن تستوعب الكهرباء من شركات توليد الطاقة الكهربائية أو مولدات الطاقة الكهربائية، وفي قطاع مختلط من الطاقة المستعادة، يمتد نطاق الطاقة الكهربائية وحدها ويخفض الوقت المتاح للمحركات.

ويزداد الضغط التنظيمي، حيث أن الأهداف الجديدة لاقتصاد الوقود في المتوسط، والأساطيل الأوروبية لثاني أكسيد الكربون تحد من قدرة صناع السيارات على اعتماد كل تكنولوجيا معقولة للكفاءة، واسترداد حرارة النفايات هو أحد الخيارات القليلة المتبقية التي يمكن تطبيقها على هياكل المحرك القائمة دون إعادة تصميم أساسية، ومع ارتفاع تكاليف ائتمان الكربون وتشديد معايير الانبعاثات، تزداد حالة الشركات التجارية في العالم من أجل مشغلي الأسطول الذين يواجهون ولايات الاستدامة أو يبحثون عن ميزة تنافسية من خلال انخفاض تكاليف التشغيل.

خاتمة

وتتيح نظم استعادة الحرارة في النفايات مساراً ملموساً لتحسين كفاءة محركات دورة Otto في تطبيقات الأسطول، وبتحول الطاقة الحرارية التي ستفقد لولا ذلك إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية مفيدة، يمكن أن تحقق دائرة الموارد البشرية وفورات في الوقود تتراوح بين 10 و15 في المائة، وتخفض الانبعاثات، وتعزز قابلية التنقية، وتتنوع التكنولوجيات: مقاييس حرارة الدولة الصلبة، وتزيد من تعقيدات دورة الراكين العضوية، وتباطؤ التقلبات.

وفي العقد القادم، من المرجح أن يظهر شكل من أشكال استعادة حرارة النفايات على مركبات أسطول الإنتاج، وسواء كان ذلك من خلال وحدة كهرباء صامتة تجني كهرباء من ذيل التوب أو توربين مكملة لطاقة الرافضة، فإن الطاقة التي تم التخلص منها منذ فترة طويلة ستوضع في مكان متزايد للعمل، أما مشغلو الأسطول الذين يتتبعون هذه التطورات ويشاركون في برامج التبشير المبكر فيمكن من تحويل الفوائد عند وصول النفايات التجارية المحتملة إلى مستلزمات.