למה גז טורבינס עבור היברידיות?

כלי רכב חשמליים היברידיים (HEVs) יש באופן מסורתי מנועי פיסטון עם מנועים חשמליים, אבל גוף גדל של מחקר מציע כי טורבינות גז יכול להציע אלטרנטיבה משכנעת.יחס בעל עוצמה גבוהה במשקל, פלט רוטט חלק, ויכולת לרוץ על מספר דלקים להפוך את טורבינות גז אטרקטיבי עבור טווח-טווח ותצורה של מחזורי, בניגוד למהנדסים מתקדמים, יש פחות תנועה של מנועים לפתח במיוחד עבור מערכת תחזוקה יעילה, עם פוטנציאל פיתוח של ציוד תחזוקה שונה.

נהגי עיצוב בסיסיים עבור כלי רכב גז טורבינס

תכנון טורבינות גז לרכב היברידי אינו רק מקטין מנוע מטוסים.סביבה התפעולית, מחזור החובה, ומגבלות עלות שונות באופן דרמטי.מספר גורמים מעל פני אנרכטיבי לעצב את גישת העיצוב:

  • (FLT:0)Compactness and Weight: FLT:1) טורבינות חייבת להתאים בתוך המעטפה המוגבלת של רכב נוסעים או משאית קלה ללא אריזות סוללות חשמליות.
  • (FLT:0Part-Load Efficiency: ההרחבה 1) שלא כמו טורבינות במפעל כוח שפועל במהירות כמעט-constant, טורבינות רכב חייבת לפעול ביעילות על פני עומסים שונים כמו מערכת היברידית מנהלת מצב של מטען.
  • (FLT:0) תגובה רציפה: 1 (FLT:1) היכולת להתנגש במהירות בביקוש לנהג להאצה או לטעון סוללות במהלך אירועים מרהיבים היא קריטית.
  • ייצור רכב דורש ייצור גבוה, זול עלות נמוכה.חומרים ושיטות ייצור חייב להיות תואם עם תקציבי רכב.
  • תקנות ההרחבה דורשות nox, CO, ו-Particulates: FLT:1 , תקנות Strict דורשות NOx אולטרה-נמוך, CO, וסעיף חלקי, אשר יכול להיות מאתגר עבור מלכדים הפועלים על פני יחס אווירי רחב.

כל אחד מהנהגים האלה משפיע על עיצובים תת-מערכתיים ספציפיים, כפי שתואר בסעיפים הבאים.

יעילות וצריכת דלק

המחזור התרמודדינמי של טורבינות גז (מחזור ברטון) מספק יעילות שיא במהירויות גבוהות, קבועות רוטטציה.ברכב חשמלי היברידי, טורבינות יכולה להיות מחוספסת מהגלגלים - תוך שימוש כמכשיר גנרטור - המאפשרת לו לרוץ במהירות האופטימלית שלו ללא קשר למהירות של מהירות הרכב.זהו יתרון מובהק על מנוע פיסטון, אשר חייב לפעול על פני RPM רחב ועל טווח עם זאת, ללא ספק, אם לא ניתן להוריד במהירות חלקית.

אסטרטגיות בקרה מתקדמות

מגוון רחב של מדריכי אינלט ו-Vs (VIGVs) ו-Gמטריה משתנה מאפשר לטורבינה לשמור על יחס לחץ נוח יותר וזרימה המונית בתפוקה נמוכה יותר של כוח.על ידי התאמת זווית של ה- stator vanes, מעצבים יכולים להתאים את ההתאמה הדחיסה של נקודות הפעלה שונות. בשילוב עם יחידת בקרה אלקטרונית מתוחכמת המתקשרת עם בקר המערכת ההיברידית, טורבינות יכולה להיות לפעול רק על סף יעיל ביותר, כלומר, מתחת ל- 70%, או באופן מלא, או באופן בלעדי, מתחת לסף, או באופן בלעדי, מתחת ל- 70%, או באופן בלעדי, יכול להיות תלוי, על מנת להגדיר את מערכת אלקטרונית מתוחכמת, רק על בסיס מערכת בקרה אלקטרונית מתוחכמת, רק על בסיס יעילות, על בסיס מערכת היברידית כוח.

Regenerative Heat Exchangers

הוספת דיקור (מחליף חום גז גז) יכול לשפר באופן משמעותי את היעילות התרמית על ידי חימום האוויר של קובוס באמצעות חום ממצה. בעוד שיפוצים להוסיף משקל, נפח, ועלות, הם יכולים להגביר את היעילות של עומס חלק עד 10-15 נקודות, להביא את הטורבינות קרוב יותר ליעילות התרמית של מנוע דיזל מודרני.

גמישות דלק

טורבינות גז יכולות לשרוף מגוון רחב של דלקים - גז טבעי, מימן, דלק ביולוגי, או אפילו kerosene - שהוא יתרון כמו מגזר התחבורה מעברים להובלת אנרגיה פחמן נמוכה יותר.עם זאת, כל דלק דורש עיצוב קובוס מותאם מותאם אישית כדי להבטיח תאורה יציבה, אש, ופליטות נמוכות. עבור כלי רכב היברידיים, טורבינה המיועדת לדלק יחיד (למשל, מימן או גז טבעי) יכול להיות ממוטב בקלות יותר מאשר מערכת דלק רב-דלק.

גודל ומשקל קונורינטים

צפיפות הכוח של טורבינות גז היא גבוהה מטבעה - באופן חד-משמעי 0.5-1.5 קילוואט / ק"ג עבור microturbines - אבל מודול הכוח המלא (כולל recuperator, גנרטור, מסננים אוויר, ו ducting) יכול להיות כבד יותר מאשר מתקן מנוע דומה piston.

משקל אור

קרמיקה מתקדמת (Silicon nitride, סיליקון carbide) מבטיחים להבים טורבינות ו stators כי הם שומרים כוח בטמפרטורות גבוהות מבלי לדרוש קירור מפורט. Ceramic matrix מטריקים (CMCs) מציעים צפיפות בערך שליש אחד כי של superalloys מבוסס ניקל. עם זאת, רכיבים קרמיקה הם שופעים רגישים לזעזוע תרמי, ולכן יש לכלול ניתוח מבני ופרק נמוך יותר.

Modular Packaging

עיצוב טורבינה כמודול עמידה שניתן לרכוב ברכב ’ הרצפה, אחורית או מתחת למכסה דורש פריסה קומפקטית. Recuperators, אם נעשה שימוש, ניתן לבנות לתוך מפולת הממצה.ה גנרטור המהיר המהיר (לעתים קרובות מכונה סינכרונית קבועה) עשוי להיות מזוג ישירות אל פיר טורבינות, לחסל את הצורך עבור קופסת שמן גבוהה יותר (כמו נפח פחמן).

ניהול ארס

טורבינות גז פועלות עם טמפרטורות גז ממצה שיכולות לעלות על 900 מעלות צלזיוס (1650 °F) תוך שימוש בחום בתוך רכב הוא אחד האתגרים העיצוביים התובעניים ביותר.אי-דיוק ניהול תרמי לא רק סיכונים רכיב כישלון אלא גם מקטין את הנוחות של הנוסעים ויכול לגרוע חבילות סוללות או אלקטרוניקה כוח.

מערכות Rejection

בניגוד למנוע piston, שבו רדיור גדול מטפל ברוב החום, טורבינת גז דוחה חלק משמעותי של חום דרך הממצה.החום שנותר חייב להיות הוסר מהשמן הלוברי (אם נעשה שימוש), גנרטור קירור, ושיקום של מעצבים חייב לשלב מערכת קירור כי הוא קומפקטי ויעיל.

מגן חום ו בידוד

סיבי סיבי סרמי, מגיני חום מתכתיים, ו בידוד רב שכבתי חייב להיות ממוקם סביב טורבינות ורכיבים ממצה כדי למנוע חום ל-Asassis. המתחם טורבינות צריך להיות מתוכנן לנהל את זרימת האוויר עבור זיהום טבעי או מאולץ. בתצורה של סדרה-hybrid שבו טורבינות פועל לסירוגין, האופניים תרמיים יכולים לגרום התרחבות ומתח; לכן, נקודות עלייה חייב להתאים את הצמיחה ללא עיוות תרמי.

Regenerative Cooling of Turbine Blades

עבור תפוקות חשמל גבוהות יותר (מעל 50-100 קילוואט), מעברים פנימיים בקירב טורבינות עשויים להיות נחוצים. Air מחוספס מועבר דרך ערוצים פנימיים וזרק בטיפים להב כדי ליצור סרט מגן. גישה זו מפחיתה את טמפרטורת המתכת אבל מענישת יעילות מחזורית הכוללת.

גמישות תפעולית

ברכב חשמלי היברידי, טורבינת הגז חייבת להתחיל ולעצור לעתים קרובות, להגיב במהירות לשינויים בעומס, ולפעול בצורה חלקה על מגוון רחב של מצבים נוחים.

סטארט-אפ מהיר ו-Breakdown

מההתחלה הקרה, טורבינת גז דורשת תקופה קצרה של חימום כדי למנוע הלם תרמי ולהבטיח סיכה נאותה.עם זאת, לשימוש במכוניות, חימום זה חייב להיות מצמצם - באופן עצמאי פחות מ -30 שניות.ל לחמם את הקובטור או באמצעות מארגן מתחיל שיכול להאיץ במהירות את הרקב למהירויות של בידוד יכול לעזור.

עקבו אחרי Battery Interaction

בקר טורבינות חייב לתקשר בצורה חלקה עם הבקר הרציונאלי.כאשר מצב הסוללה של טיפות, טורבינות מתחיל ומופנמה עד לנקודת הכוח היעילה ביותר שלה, במקום לנסות לעקוב אחר עומסי גלגל טרנסים (כמו טורבינות נהיגה ישירה עשוי), המערכת יכולה לטפל בטורבינה כמקור כוח קבוע כי הוא מאשים את הסוללה בעוד המנוע החשמלי מטפל בביקוש המשתנה.

המונחים: Ambient טמפרטורה Compensation

ביצועי טורבינות גז מתפוגגות עם גובה גבוה יותר וטמפרטורה גבוהה יותר כי צפיפות האוויר יורדת.ברכב היברידי הפועל בגובה (למשל, נהיגה הרים), טורבינות עשויה לדרוש דחיסה גדולה יותר כדי לשמור על כוח הולם, או מערכת היברידית יכולה לפצות על ידי ציור יותר מהסוללה.עיצוב אלגוריתם בקרה שמתאים אלגוריתם בקרה ומגבלות פריקת כוח טורבינות המבוסס על תנאי סביבה מבטיח תגובה עקבית.

שילוב עם מנוע חשמלי

טורבינת הגז אינה נוהגת במכנית את הגלגלים; היא מתאחדת באופן מכני ל גנרטור שמזין חשמל לסוללה המתיחה ולמנועים חשמליים.ממשק זה מעצב את הארכיטקטורה הכוללת של הרכב.

בחירת גנרטור והתאמה

גנרטור קבוע synchronous (PMSG) נבחר בדרך כלל עבור צפיפות החשמל גבוהה ויעילות.הגנרטור חייב להיות מתוכנן להתאים את טורבינות ’ עקומת מהירות של מהירות ולטפל במהירויות הסיבוביות גבוהות (לעיתים קרובות מעל 100,000 rpm) הפיכה ישירה להימנע תיבת הילוכים, אבל הגנרטור חייב להיות חזק מבנית נגד כוחות CPUG.

חשמל ואנרגיה Buffer

הפלט הגנרטור מוסדר על ידי ממיר כוח המחזק את מתח טעינת הסוללה.המיר חייב להתמודד הן כיוון של זרימת כוח (למרות שבדרך כלל טורבינה רק מאכילת כוח לסוללה, לא להיפך) buffer אנרגיה קטן - כגון בנק supercapacitor או סוללה ליתיום קטנה - יכול להחליק את טורבינת הטורף; כוח transient במהלך ההתחלה ולהפחית את הלחץ על הסוללה הזאת גם מאפשר שיפור כוח מתמשך.

רעש וגאווה

אחד היתרונות הנתפסים של טורבינת גז הוא החלק הפנימי שלה בהשוואה למנוע reciprocating.עם זאת רעש גבוה מ דחיסה, מלוכד, וממצה יכול להיות מתנגד לנוסעים והולכי רגל.

אטיכום אקוסטי

להשתיקים אינלט, מפטפטים, וקופי קול קול מתפרסמים הם הכרחיים להפחית רמות רעש לסטנדרטים של הרכב. הרעש הצריכה הוא לעתים קרובות whine מן הלהבים הדחוסים; תא מהדהד המתואם לתדירות המעבר של להב יכול להפחית את זה.רעש Exhaust כולל זעזוע רחב ונפיחות אפשרית מתהליך הבעירה.

בידוד Isolation

רוטטור המהיר עצמו הוא מאוזן היטב ומייצר רטט נמוך, אבל תהליך הקובטור יכול לייצר תנודות לחץ נמוך קידוד (דינמיקה של חנקות) האסיפה טורבינות צריך להיות מותקן על הרות elastomeric רך כדי לבודד את הרטטים האלה מן ה-Assassis. בנוסף, ה-Recuperator ו- ducing חייב להיות נתמך עם פעמונים גמישים כדי למנוע התרחבות תרמית מעומסים לתוך נקודות הרפס לתוך הירכיים לתוך נקודות הרפס.

הרשאות וקיימות

טורבינות גז מודרניות יכולות להשיג פליטות נמוכות מאוד של NOx, CO, ופחמימנים לא מבושלים בעת שימוש בבעירה ממוקדת-כוז. עם זאת, טווח העומס הרחב של יישום רכב הופך אותו לאתגר לשמור על יציבות הלהבה רזה הנדרשת עבור NOx אולטרה-נמוך.

קטליטי לאחר הטיפול

עבור טורבינות קטנות, ממיר קטליטי דומה לאלה המשמשים במנועי piston יכול להיות ממוקם בממצה כדי להפחית את פליטות פחמן CO ופחמן. עם זאת, תכולת החמצן הגבוהה בממצה טורבינות (בעירה נקייה) דורש מלכודת NOx רזה או ירידה קטליטיתסלקטיבית (SCR) כדי להפחית NOx.זה מוסיף מורכבות, אבל ייתכן שיהיה צורך לפגוש 7 או קליפורניה או סטנדרטים של LEV III.

Zero-Carbon Fuelפוטנציאל

(ההתלקחות של מימן בטורפת גז מייצרת מים ועוקבת אחרי NOx (מתוך תיקון תרמי של חנקן) עם עיצוב קובוס זהיר, טורבינות מימן יכולות להגיע ליד אפס NOx.זה הופך את טורבינת הגז היברידית במיוחד כטכנולוגיה של גשר לכיוון כלכלת מימן.לדוגמה, מחלקת דלק של אנרגיה ותא מחקר סלולרילספק בסיס 1 לליטרורה יכול להיות מיושם ל- 1 ליטר של גז טורבינות.

עלויות וייצור

טורבינות גז לרכב היו יקרות מדי מבחינה היסטורית לייצור המוני, בעיקר בשל הצורך בסופרופיות גבוהות וייצור דיוק.עם זאת, התקדמות בייצור תוספים, אבקת מתכתבת, ורכבה אוטומטית הם עלויות נהיגה למטה.

ייצור תוספתי עבור מטענים חמים

הדפסה תלת מימדית של רכיבי סופרווי וקרמיקה מאפשרת קירור פנימי מורכב המגדריך את הפסולת החומרית ומאפשרת תכנון ההסרה ללא עלות של כלי קשיח.מספר חברות, כולל FLT:0GE AdditiveFLT:1, הוכיחו את השימוש בייצור תוספת עבור חלקי טורבינות גז, וטכניקות אלה כבר בקנה מידה עבור יישומים נמוכים יותר של רכב.

אדריכלות סקאלהפול

תכנון משפחה של מודולים טורבינות - 50 קילוואט, 100 קילוואט, 150 קילוואט - שימוש בליבות נפוצות ודחוסים בגודל שונה יכול להפחית את עלויות הענישה באמצעות שיתוף פלטפורמה. גישה זו היא אנלוגיה לאופן שבו יצרני רכב משתמשים במשפחות מנועים על פני מודלים מרובים.הלבבה (אוטובוס, גלגל טורבינות, גלגל טורבינות), יכול להיות זהה, בעוד הדחיסה והגנרטור הם בקנה מידה.

תחזית עתיד

שילוב טורבינות גז לרכבים חשמליים היברידיים עדיין בשלב המחקר וההפגנה, אך כמה מגמות מצביעות על המסחר.FLT:0SAE ניירות טכניים IntegratedFLT:1 כבר הראו כי מרחיבי טווח מיקרו-טרפוזין יכולים להשיג משקל מערכת נמוך יותר נפח החבילה קטן יותר מאשר המקבילה מבוססת פיסטון עבור היברידיות Plug-in.

לחץ רגולטורי להפחית את CO2 מהתחבורה עשוי להאיץ את ההשקעה בהיברידי טורבינות, במיוחד אם מימן הופך זמין נרחב. Gas טורבינות מציעים גם את האפשרות של שימוש בדלקים תעופה בר קיימא (SAF) או ביו-דלקים, היישר עם מטרות של פחמן על פני מגזרים.בעוד אתגרים בעלות, פליטות וניהול תרמי נשארים, השיקולים העיצוביים המפורטים במאמר זה מספקים מפת אנרגיה כדי להתגבר על מכשולים אלה עם פיתוח, עשוי להיות חוקר של רכב היברידית:0 טכנולוגיות רכב היברידית: 1.

לסיכום, תכנון טורבינות גז לרכב חשמלי היברידי דורש גישה הוליסטית אשר מאזן ביצועים תרמודינמיים, חזקות מכנית, בקרה תרמית ועלות. על ידי אופטימיזציה של יעילות עומס חלק באמצעות גיאומטריה משתנה ושיקום, תוך שימוש בחומרים קלים וייצור תוספים, ושילוב הדוק עם מנוע חשמלי, מהנדסים יכולים לפתוח את צפיפות הכוח הגבוהה של טורבינת וגמישות דלק וכתוצאה מכך המערכת ההיברידית יכולה להציע שילוב ייחודי של ביצועים נמוכים, במיוחד, כמו גם שיטות כוח היברידיות, כמו גם כוח היברידיות, כמו גם מודלים של אנרגיה מופחתת, כמו גם, כמו גם מודלים של כוח היברידית, כמו גם יכולת טיפולית, כמו גם כוח, כמו גם כוח, כמו גם כוח, כמו גם כוח היברידית, כמו גם מודלים של כוח, כמו גם יכולת לשחזר, כמו גם כוח היברידית, כמו גם יכולת טיפולית, כמו גם יכולת לשחזר את יכולת חיים נמוכה, כמו גם יכולת לשחזר את יכולת לשחזר את יכולת חיים נמוכה, כמו גם יכולת להוכיח את יכולת טיפולית, כמו גם מודלים של כוח היברידית, כמו גם יכולת להוכיח את יכולת לשחזר את יכולת ייצור נמוכה, כמו גם עבור מנועים, כמו גם יכולת להוכיח את יכולת להוכיח את יכולת לשחזר את יכולת לשחזר את יכולת לשחזר את יכולת טיפולית כוח היברידית כוח היברידית כוח,