אנרגיה מנותקת ב-אוטו-מעגל

פעולות צי תלויות במנועי הבעירה הפנימית העוקבים אחר מחזור אוטו, אך אלה הם הפשרה התרמודינמית.גם עם מאה שנים של פיתוח, מנוע בנזין טיפוסי ממיר רק 25-30% מהאנרגיה הכימית של הדלק לעבודה מכנית שימושית.היתר - 60 עד 70 אחוזים - נדחה כחום באמצעות מערכות ממצה ומקררות.

יעילותו התאורטית של מחזור אוטו תלויה ביחס לדחיסה, אך מנועי אמת מתקצרים בשל חיכוך, משאבת הפסדים, ובעירה לא שלמה של משאיות גלון - ההפסד הדומיננטי, עם זאת, היא דחיית חום.טמפרטורות של הדבקה יכולות לעלות על 2,000 מעלות צלזיוס, בעוד חומרים מגבילים קירות גלילי לבערך 200 מעלות צלזיוס, מנוע חייב לשפר באופן אגרסיבי את צריכת האנרגיה של דלק קריר וממצה.

Exhaust and Coolant: Two Distinct Energy Streams

לא כל חום הפסולת נוצר שווה.גז Exhaust עוזב את המנוע ב 400-800 מעלות צלזיוס, הנושא אידיאלי אנרגיה תרמית ברמה גבוהה עבור המרת חשמל.המערכת הקרנית פועלת ב 90-110 מעלות צלזיוס, הגבלת הפוטנציאל התרמודינמיקה שלה עבור החילוץ בעבודה.עם זאת, חום קריר הוא בשפע ויציב, מה שהופך אותו יקר עבור יישומים נמוכים כיתה כמו חימום, דלק טרום חימום, או התחממות במהלך המקרר מתחיל גם את המעגל הבינוני.

אסטרטגיה מוצלחת של WHRS בדרך כלל מכוונת את זרם הממצה הראשון בשל התוכן האקסרגטי הגבוה שלה.גם לאחר הממיר הקטליטי, מנוע בנזין 2.0 ליטר תחת עומס הכביש המהיר יכול להיות 30-40 קילוואט של חום זמין exhaust.עבור כלי רכב הפועלים במהירויות מהירות מהירות מתמשכת, זה מייצג זרם אנרגיה עקבי.מערכת exhaust היא גם הנגיש ביותר עבור רטרוfit, ריצה לאורך כל הגוף תחת החלפת קבוצות תחזוקה יכול לעתים קרובות להיות מותקן.

גנרטורים: כוח שקט משינוי טמפרטורה

גנרטורים התרמואלקטריים (TEGs) מנצלים את אפקט ה-Seebeck כדי לייצר זרם ישיר מטמפרטורה שונה. A thermoelectric מודול ממוקם בין צינור הממצה חם לבין תנור חום קריר יותר מייצר חשמל ללא חלקים נעים. אבטיפוסים של רכב TEG פותחו על ידי יצרנים כולל BMW, פורד, ו- General Motors. their Solid-state Nature מציע הפעלה שקטה, תחזוקה - מושכת עבור אמינות צי לפני צמיגים.

יחידות מוקדמות הפיקו רק כמה מאות וואט, אבל התקדמות חומרית דחקה את היעילות גבוהה יותר. SAE נייר 2012-01-1600 תיעדו TEG דיזל המספק 1 קילוואט; יישומי בנזין מראים מגמות דומות. כי חשמל יכול לגזום את ה-Rate, להפחית עומס פרציטי פעיל, או לטעון סוללה היברידית.עבור רכבים רצים עם דרישות חשמליות גבוהות - מצלמות אלקטרוליטיות, קירור, לחץ, לחץ כבד יותר, לחץ אווירי, לחץ עלות של דלק, לחץ אווירי, לחץ דם בטווח של לחץ אוויריטיס, לחץ נמוך יותר, או לחץ על פני טמפרטורה נוזלי לחץ חשמלי קבוע של דלק, או תחזוקה נמוכה יותר של צריכת דלק, או מטען חשמלי.

מחזור אורגני: Vapor Power for Higher Gains

מחזור הדירוג האורגני (ORC) משתמש בנוזל עבודה עם נקודה דוורה נמוכה - כגון קירור או הידרופלוקרבנים - כדי לשחזר חום ממצה. Exhaust גז ממצה את הנוזל בחילופי חום; ה- vapor מתרחב באמצעות טורבינה או מרחיב המחובר גנרטור; אז נוזל הוא מוחזר ונסגר בחזרה זה מערכת דלק כבר נחקר באופן נרחב עבור מנועי בנזין.

פרויקט טורבו של BMW הגיש בקשה כפולה של ORC ל-1.8 ליטר 4 צילינדרים, לכידת חום ממצה במעגל עתיר חום קריר במעגל דלת-טמפרטורה נמוך, הן מאכילות משאיות חד-פעמיות בודדות, הן חייבות לדחות יעילות ניהולית אחת ללא לחץ כבדות, עד 10-15% בתנאי לחץ אוויר יציבים.

Turbo-Compounding and Electric Recovery

טורבו-מוציא אנרגיה מהזרם הממצה באמצעות טורבינת שנייה במורד הזרם של טורבינת טורבו העיקרית. כי טורבינות יכולה להיות ממוזגת מבחינה מכנית ל- crankshaft או מחוברת גנרטור חשמלי. turbo-compounding מכני שימש במנועי מטוסים מאז שנות הארבעים ומוכרז ליעילות כבדה על ידי יצרנים כמו Cummins עבור מחזור אוטו, מנועים, חייב להיות מכווץ כדי לפגוע במנועי אנרגיה מופרזת ללא לחץ יתר לחץ יתר יהיה לחץ דם.

בסיוע ל- turbo-compounding - לפעמים נקרא E-turbo או turbo-generator - שימוש באנרגיה התאוששה כדי לכפות יחידת ייצור מנועים, במהלך deceleration, עודף אנרגיה ממצה יכול לטעון סוללה; במהלך האצה, המנוע יכול לסייע ל-48 מטען חשמלי שלילי כדי להפחית את ה- Routgate-Ricregoing.

ניהול עזרי: אסטרטגיות לטיפוח נמוך

לא כל חום הפסולת צריך להיות חשמל.חום מחוספס יכול לשרת צרכים נמוכים יותר כגון חימום תא, דלק טרום חימום, או צריכת אוויר התחממות כדי לשפר את יציבות הבעירה במהלך התחלה קרה. Exhaust גז reirculation (EGR) קריר יותר כבר לפעול כמו מטענים חום שומן, אבל האנרגיה שלהם הוא בדרך כלל נדחה לסגנון קירור ובהירות.

Prototype to Payback: Quantifying Fleet Impact

כאשר חום הפסולת מומר לעוצמה שימושית, השיפור בצריכת דלק ספציפית בלמים יכול להתבטא כאחוז עלייה.מחקרי סימום מראים מערכת ORC על מנוע בנזין מכוונן יכול לשפר את כלכלת הדלק ב-8-12% בתנאים מהירים. TEGs בדרך כלל מציעים 3-6 אחוזים עבור כלי רכב קלים, בעוד זעזוע מוחק מוסיף עוד 5–8 אחוזים במערכות עומס גבוה יכול להשיג בדרך כלל 3 עד 6 אחוזים של 15% עבור כלי רכב.

עבור צי של 50 משאיות כיתה 8 כל נסיעה 100,000 קילומטרים בשנה ב 7 מ"ג, שיפור של 10% חוסך מעל 71,000 גלונים מדי שנה. בשעה 3.50 דולר לגלון, זה כמעט 250,000 $ בהפחתה שנתית של עלויות דלק. צריכת דלק נמוך באופן ישיר להפחית פליטות CO2 - כ -2.3 ק"ג עבור דלק הציל - סיוע ציים לעמוד בקיימות ולהימנע מעלויות פחמן בנוסף, שינוי פחת חשמלאי עבור מנועי נמוך יותר, או מנועים חשמליים מופחתים, 000 עבור מנועים חשמליים, או מנועים חשמליים מופחתים חשמליים מופחתים חשמליים, או מנועים חשמליים מופחתים חשמליים מופחתים, 000.

תוכניות מקרה וטייס

כמה פרויקטים בעלי פרופיל גבוה מפגינים את יכולת ה- WHRS בהקשרים בעלי רלוונטיות לצי.

  • (FLT:0BMW Turbosteamer:FLT:1) הציג לראשונה בשנת 2005, מערכת מבוססת ORC על מנוע 4-ליטרר מושגת 10 אחוזים חיסכון דלק על מחזור הכביש המהיר NEDC. עיצוב כפול-circuit מדגיש כיצד ניתן לקצור חום ממצה ורענן עבור מנהלים, זה מאמת את הכביש המהירים המתמשכים כמועמד חזק עבור WSHR.
  • (FLT:0) פורד ו-US DOE SuperTruckeur:FLT:1 פורד חקר גנרטורים תרמואלקטריים עבור ה- F-150 תחת תוכנית SuperTruck. A אבטיפוס סיפק 800 וואט ב-48 וולטים - מספיק כדי לחשמל שערות טלמטיות, מצלמות דאש ומסופי נתונים ניידים הנפוצים בכלי רכב צי.
  • (FLT:0Cummins Turbo-Compounding:BuildFLT) 1 קאמפמינים המסחריים מטורפים מכניים עבור מנועי דיזל כבדים, השגת רווח של 5 אחוזים כלכלת דלק.הטכנולוגיה, מכוסה במאמר ירוק של הקונגרס, מראה כי סולמות אנרגיה ממצה ל- Class 8 משאיות.
  • (FLT:0) מחקר אקדמי סקירה: FLT:1 המחשה מקיפה ב-FLT:2 (Applied EngineeringofLT 3) (DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.01.0 סקר למעלה מ -100 מאמרים על מערכות ההפעלה של רכב ORC ו-TEG, המצביע על שילוב זה עם ניהול אחסון תרמי הוא מפתח ליעילות אמיתית בעולם זה מדגישה את האופטימיזציה גבוהה יותר מאשר שיפורי תיבות של מערכת האופטימיזציה של דרוגים.

גדרות לאימוץ: משקל, עלויות ומורכבות

למרות ההצלחות הללו, WHRS מתמודדת עם מכשולים המשפיעים על החלטות אימוץ צי.

(FLT:0)Added Weight and Packaging:FLT:1 מערכת מלאה של ORC מוסיפה 30-50 ק"ג.ברכב מסחרי בהיר, המסה הזו חלקית רווחי דלק TEGs הם קלים יותר אבל דורשים מחילופי חום ייעודיים.מפרץ המנוע כבר צפוף עם עומסי זעזוע, ממירים קטליטיים, ופליטות.

(FLT:0)Cost ו Return on Investment:FLT:1 מודולים אנדרומואלקטריים נשארים יקרים בשל חומרים נדירים.מערכת ORC עם התרחבות רוטטת וחילופי חום מרובים מוסיף מאות עד אלפי דולרים עלות הרכב.כדי להצדיק את ההשקעה, חיסכון דלק חייב לעלות על העלות העליונה בתוך תקופת הבעלות.

(FLT:0) Transient Operation and control:FLT:1 מנועי רכב לעתים רחוקות לרוץ במצב יציב.Exhaust טמפרטורה וזרימת מסה להשתנות עם האצה, גירוד, שינויים הילוכים. TEG תפוקה תלויה בשמירה על הבדל טמפרטורה; שינויים מהירים לגרום ללחץ תרמי ותנודות כוח. ORC דורש שליטה קפדנית כדי למנוע evaport יבש או להגדיל את הנזק.

(FLT:0) אחריות ו Durability:FLT:1 Components חשופים גז ממצה חייב לעמוד בטמפרטורה גבוהה, condensate קורוזי, ורכיבה תרמית. מודולים הירומאלקטריים מתפוגגים לאורך זמן; ORC מרחיב פנים ללבוש וכשלונות.טיוט רכב ותנודות רחבות יותר של מערכות עברו ריבוי-מדומים-מדומים-מסוגים-מסוגל-ל-מהפכה בלתי-מחדשהת-מהפכה, ללא קשר למניעהת-מהפכה, ללא תלותית.

התקדמות חומרית ואינטגרציה היברידית

מגמות טכנולוגיות underlying הן בהתמדה להפחית את המחסומים האלה.חומרים חדשים תרמואלקטריים כגון skutterudites ו סגסוגת חצי-ההילר מציעים יעילות גבוהה יותר, עלות נמוכה יותר, ושיפור סובלנות טמפרטורה. ייצור תוספת מאפשרת קומפקטי, ביצועים גבוהים החלפת חום המשלב ישירות לתוך ממצה של מכפל, חיסכון משקל ומרחב.

הצמיחה של ציוד רכב ממלא תפקיד סינרגיסטי.מילד ומלא כבר יש 48 וולט או חבילות סוללות בעלות גבוהה שיכול לספוג חשמל מ-TEGs או גנרטורים ORC. ב היברידית במקביל, כל וואט של אנרגיה התאוששה מרחיב טווח חשמלי בלבד ולהפחית את המנוע פועל זמן.

לחץ רגולטורי הוא להגביר את מטרות הכלכלה של חברות חדשות ו- CO2 צי להגביל את יצרני הרכב כדי לאמץ כל טכנולוגיית יעילות סבירה.שיקום חום פסולת הוא אחת האפשרויות שנותרו שניתן ליישם על ארכיטקטורות מנוע קיימות ללא תכנון מחדש בסיסי. כמו עלויות אשראי פחמן עלייה ותקני פליטה, המקרה העסקי עבור WHRS מתחזק עבור מפעילי קיימות או מחפש יתרון תחרותי באמצעות עלויות תפעול נמוכות יותר.

מסקנה

מערכות שיקום חום מציעות דרך מוחשית לשיפור היעילות של מנועי מחזור אוטו ביישומים צי.על ידי המרת אנרגיה תרמית כי אחרת יאבד לתוך כוח מכני או חשמלי שימושי, WHRS יכול להניב חיסכון דלק של 10-15%, להפחית את פליטות, ולשפר את יכולת הפחתת פליטות.הטכנולוגיות הן מגוונות: חסמים חזקים של המדינה, מרחיבי מחזור דירוג אורגני, טורבינות זעזועים, וחילופי חום, עם כוח פעיל, אבל יש חומרים איטיים, עם כוח מסחר, אבל, עם יעילות, אך יעילות מתקדמת, אך יעיל, אך יעיל, עם כוח מסחר, אך יעיל, עם כוח מסחר, אך יעיל, יציבות, עם יעילות, ויציבות גבוהה יותר, עם כוח מסחר.

בעשור הקרוב, צורה מסוימת של שיקום חום פסולת צפויה להופיע על כלי רכב צי הייצור.בין אם באמצעות מודול תרמואלקטרי שקט קציר חשמל מהזנבפ או טורבינות קומפקטית התוספת כוח crankshaft, האנרגיה אשר כבר מזמן כבר זנח יהיה יותר ויותר לעבוד מפעילי צי לעקוב אחר ההתפתחויות האלה להשתתף בתוכניות הפגנה מוקדמת יהיה הכי טוב להציב את היתרונות כאשר הטכנולוגיה מגיעה פוטנציאל מסחר.