کربن زدایی پیشرانه های سنگین

وسایل نقلیه الکتریکی-31 مه 2024-وسایل نقلیه سنگین- shutterstock/Artistic_Arena

مرکز پیشرانه پیشرفته جزئیات پروژه Trident و تعهد آن را به توسعه نسل بعدی فناوری های پیشرانه که می تواند وسایل نقلیه سنگین بدون آلایندگی را تحقق بخشد، ارائه می دهد.

در تعقیب کربن زدایی، صنعت حمل و نقل در مقطعی حیاتی قرار دارد. با نیاز مبرم به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، نوآوری در فن آوری های نیروی محرکه ضروری شده است.

صنعت خودروسازی بریتانیا به هدف صفر خالص سال 2050 و اولین هدف حذف CO2 و انتشارات مضر ناشی از استفاده از خودرو متعهد است. تحقیق و توسعه قابل توجهی (R&D) برای توسعه وسایل نقلیه سنگین بدون آلایندگی (HDV) در حال انجام است که جدیدترین و امیدوارکننده ترین نتیجه آن e-turbo است.

گرت پردی، مسئول ارشد تحویل پروژه در مرکز پیشرانه پیشرفته بریتانیا (APC)، به پروژه پیشرو تحت پشتیبانی APC نگاه می‌کند که پتانسیل توربوهای الکترونیکی، کاربرد آن‌ها در حمل‌ونقل سنگین و نقش محوری آن‌ها در تعریف مجدد چشم‌انداز کارایی از پیشرانه های حرارتی را باز می‌کند.

مشکل کار

صنعت سنگین 15.8 میلیارد پوند درآمد، 3 میلیارد پوند ارزش افزوده ناخالص تولید می کند و مسئول صادرات 11.8 میلیارد پوندی انگلستان است، در حالی که صادرات اروپا 39 درصد درآمد را ایجاد می کند. بریتانیا در بازار کارهای سنگین، به ویژه تحقیق و توسعه خودرو و موتور (R&D) و تولید، نقاط قوت متعددی دارد. بخش تجهیزات ساخت و ساز خارج از بزرگراه بریتانیا به ویژه قوی است که اولین در اروپا و پنجمین در جهان است.

وسایل نقلیه ای که در رده HDV قرار می گیرند، 3.5 تن و بالاتر، تنوع بسیار بیشتری نسبت به خودروهای سواری متمرکز بر مصرف کننده و خودروهای سبک سبک دارند. کسب‌وکارها این وسایل نقلیه را در درجه اول به عنوان تجهیزات سرمایه‌ای در نظر می‌گیرند که به عمر طولانی، دوام، زمان به‌روز و مفید بودن اهمیت می‌دهند. قابلیت اطمینان خدمات ، کلید حفظ اعتبار نزد تامین کنندگان است. شهرت یک عامل اصلی در انتخاب وسایل نقلیه برای برخی ناوگان است، جایی که درک مشتری ممکن است باعث انتقال زودتر به ناوگان بدون آلایندگی نسبت به سازمان هایی شود که نظارت کمتری از سوی پایگاه مشتریان خود دارند. سفارشی سازی بسیار بیشتری از وسایل نقلیه متناسب با مورد هر کاربر وجود دارد. در دسته‌های وزنی، طیف گسترده‌ای از توان، ذخیره انرژی و سوخت‌گیری، از جمله نیازهای سوخت‌گیری از راه دور وجود دارد.

هنگام در نظر گرفتن انتقال به وسایل نقلیه سنگین صفر خالص، راه حل های فناوری آلایندگی صفر باید هم عملی و هم مناسب با مورد کاربر باشد. هیچ رویکرد یکسانی وجود ندارد که بتواند جایگزین جهانی بودن فعلی دیزل شود.

پروژه Trident

توربوهای الکترونیکی (e-turbos) به عنوان تغییر دهنده بازی در موتورهای احتراق داخلی (ICE) و قلمرو امیدوارکننده فناوری سلول سوختی هیدروژنی در حال ظهور هستند. در سال 2021، Cummins Ltd، Aeristech، Holtex، و دانشگاه Bath (IAAPS) 10 میلیون پوند بودجه دولتی و صنعتی از طریق رقابت تحقیق و توسعه مشارکتی APC دریافت کردند، که این کنسرسیوم را قادر می سازد توسعه فن آوری های حمل و نقل هوا برای هیبریدی و سوخت را تسریع بخشد. پلت فرم های سلولی Cummins، Aeristech، Holtex و IAAPS با هم کار کردند تا توسعه اختصاصی ابزارها و روش‌شناسی تحلیلی مورد نیاز برای ترجمه به مقیاس بالا را توسعه دهند. با انجام این کار، پروژه یک پلت فرم پایه و معماری یکپارچه ایجاد کرد که به طور خاص برای اجزای ماشین الکترونیکی بهینه شده است. از این رو، پروژه نمونه‌های اولیه سیستم کامل یکپارچه و فرآیندهای زنجیره تامین و ساخت سری مناسب را که از تحویل نمایش‌دهنده‌های آماده برای مشتری پشتیبانی می‌کرد، تحقق بخشید.

یکی از خروجی های کلیدی پروژه، همراه با توسعه فنی، توسعه زنجیره تامین از طریق همکاری – یک اصل کلیدی برای APC – و تعادل قابلیت و ظرفیت جدید در بریتانیا برای گسترش فرصت به زنجیره ارزش قطعات بود .

رویکرد سیستم کامل رادیکال Trident از طریق ابزارهای مدل‌سازی/مقیاس‌سازی اختصاصی به فناوری، مواد و پیشرفت‌های تولیدی موازی در همه اجزا و زیرسیستم‌های کلیدی می‌پیوندد. با استفاده از مجموعه ابزار و تخصص منحصر به فرد، این پروژه می تواند پلتفرم های آیرودینامیکی، روتور دینامیک و ماشین الکترونیکی و معماری های رایج را برای ادغام بهینه همه فن آوری های جدید با حداکثر مزیت ایجاد کند. همه اینها در حالی که بهره وری بیشتر را به ارمغان می آورد، تأثیرات جدیدی را از گسترش پوشش یکپارچه سازی تا پس از درمان افزایش می دهد.

با بازتعریف محدودیت‌های عملی بازده سیستم در چندین نیرو محرکه حرارتی و همچنین بازده سطح سیستم در سطح خودرو، این پروژه انتظار دارد که صرفه‌جویی قابل‌توجهی در CO2 و بهبود مصرف سوخت برای پلتفرم‌های مبتنی بر ICE مانند خودروهای هیبریدی، و انواع دیزلی کم آلاینده گاز طبیعی ایجاد کند..

توربوهای الکترونیکی می توانند زمینه های جدیدی را برای افزایش کارایی و عملکرد در فناوری توربوشارژ کشف کنند. برخلاف توربوشارژرهای سنتی که برای چرخاندن توربین و فشرده سازی هوای ورودی به گازهای خروجی متکی هستند،

توربوها موتورهای الکتریکی را برای افزایش عملکرد توربوشارژر یکپارچه می کنند. این ادغام باعث می شود تا پاسخ سریع افزایش یابد و تاخیر توربو حذف شود – یک چالش طولانی مدت در سیستم های توربوشارژ سنتی. علاوه بر این، e-turbos کنترل دقیقی بر فشار تقویت، افزایش بازده موتور و توان خروجی ارائه می‌دهد.

تحول در بخش حمل و نقل سنگین

با استفاده از توربوهای الکترونیکی در وسایل نقلیه حمل و نقل سنگین، سازندگان می توانند به طور قابل ملاحظه ای بهره وری سوخت را بهبود بخشند و انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهند. مزایا فراتر از ملاحظات زیست محیطی است و کارایی عملیاتی و مقرون به صرفه بودن را در بر می گیرد.

محور توسعه پلتفرم‌های e-turbo آینده و سود مستقیم این پروژه، استفاده از شبیه‌سازی و مدل‌سازی پیشرفته است. شرکای پروژه از ابزارهای محاسباتی پیشرفته برای اصلاح پارامترهای طراحی و پیش بینی رفتار سیستم در تلاش برای عملکرد بهینه و کاهش انتشار استفاده می کنند. مجموعه ابزارهای توسعه مبتنی بر شبیه سازی، مهندسان کنسرسیوم را قادر می سازد تا عملکرد e-turbo را در شرایط مختلف عملیاتی به طور مکرر بهینه کنند. علاوه بر این، این ابزارها نقشی اساسی در توسعه فناوری‌های پیشرانه نسل بعدی از جمله سلول‌های سوختی هیدروژنی دارند. با شبیه‌سازی فرآیندهای پیچیده و دینامیک سیالات در بسیاری از پیشرانه‌های موجود، پیل‌های سوختی، هیبریدی‌ها و سوخت‌های جایگزین، توسعه‌دهندگان می‌توانند انتقال به سیستم‌های محرکه بدون CO2 را تسریع کنند. مدل انتقال حرارت توربوشارژر برای شبیه‌سازی از ساعت‌ها روی یک ابر رایانه تا چند دقیقه روی لپ‌تاپ زمان محاسبه می‌کند.

صنعت حمل و نقل سنگین متنوع است، و هیچ رویکرد یکسانی برای کربن زدایی وجود ندارد. تقاضاهایی که بر روی سیستم های پیشرانه اعمال می شود بسیار زیاد است. برای پیشرفت در این حوزه، توربوهای الکترونیکی باید معیارهای دقیقی برای عملکرد هزینه، در دسترس بودن عملیاتی، عمر طراحی و قابلیت اطمینان داشته باشند. تولیدکنندگان موظف به راه‌حل‌های مهندسی هستند که نه تنها عملکرد برتر را ارائه می‌دهند، بلکه در برابر سختی‌های کاربردهای شدید نیز مقاومت می‌کنند. از طریق مواد پیشرفته، روش‌های طراحی قوی، و پروتکل‌های تست دقیق، فناوری e-turbo برای مقابله با این چالش‌ها رو به افزایش است.

ادغام e-turbos در حال تعریف مجدد محدودیت‌های عملی بازده سیستم در چندین پیشرانه حرارتی است. چه در پلتفرم‌های معمولی ICE، خودروهای هیبریدی، یا فناوری سلول‌های سوختی هیدروژنی نوظهور، توربوهای الکترونیکی دستاوردهای بی‌نظیری در کارایی ارائه می‌کنند. توربوهای الکترونیکی با بهینه سازی نسبت هوا به سوخت و دینامیک احتراق به کاهش قابل توجهی در انتشار CO2 و مصرف سوخت کمک می کنند. این رویکرد جامع به کارایی در سطح سیستم بر پتانسیل تحول آفرین فناوری e-turbo در صنعت حمل و نقل تاکید می کند.

پتانسیل های توربو الکترونیکی بریتانیا

در بریتانیا، پذیرش فناوری e-turbo فرصتی منحصر به فرد برای تقویت زنجیره تامین داخلی و محافظت از مشاغل است. Project Trident این را با ایجاد نقش در این زمینه جدید نشان داده است. به عنوان خروجی مستقیم از Trident، شرکای پروژه در حال حاضر به دنبال سرمایه‌گذاری بیشتر در توسعه پلتفرم‌های مرتبط جدید، هم با مشتریان فعلی و هم در دیدگاه بلندمدت از پلت‌فرم‌های نوآورانه سلول‌سوختی جدید، به دلیل تقاضا برای نیروی کار ماهر و متخصص و افزایش تخصص هستند.

Project Trident رویکردی فعال برای پرورش یک اکوسیستم تحقیق، توسعه و تولید قوی نشان داده است. با این کار، بریتانیا می تواند خود را به عنوان یک رهبر جهانی در راه حل های حمل و نقل پایدار قرار دهد. علاوه بر این، همگرایی فناوری e-turbo با پلت‌فرم‌های پیل سوختی هیدروژنی، پتانسیل زیادی برای ایجاد نوآوری و رشد اقتصادی در بخش خودرو بریتانیا دارد.

نتیجه پروژه به شرکای پروژه اجازه داد تا در مورد درس آموخته شده به خوبی فکر کنند. این پروژه نه تنها در جنبه های قابل تحویل پروژه جایگزین انتظارات شد، بلکه این کار در دوره COVID-19 انجام شد، زمانی که باید راه های جدیدی برای همکاری تعریف می شد تا در یک محیط تحقیق و توسعه چابک باقی بماند.

© shutterstock/Virrage Images

طلوع توربوهای الکترونیکی نقطه عطفی در سفر به سمت کربن زدایی در صنعت حمل و نقل است. از تحول در موتورهای احتراق داخلی تا امکان گذار به فناوری سلول سوختی هیدروژنی، توربوهای الکترونیکی چشم انداز کارایی پیشرانه های حرارتی را تغییر می دهند. همانطور که تولید کنندگان از این فناوری تحول آفرین استقبال می کنند.

آنها باید در عین تلاش برای بهبود مستمر در عملکرد، قابلیت اطمینان و کاهش آلاینده ها، خواسته های کاربردهای وسایل نقلیه سنگین را بررسی کنند. از طریق نوآوری مبتنی بر شبیه‌سازی و سرمایه‌گذاری استراتژیک، بریتانیا آماده است تا مسئولیت را به سمت آینده‌ای سبزتر و پایدارتر در حمل‌ونقل هدایت کند.

درباره مرکز پیشرانه پیشرفته

مرکز پیشرانه پیشرفته انگلستان (APC) با دولت بریتانیا، صنعت خودرو و دانشگاه همکاری می کند تا صنعتی شدن فناوری ها را تسریع بخشد و از انتقال خودروهای بدون آلایندگی خالص حمایت کند.

از زمان تأسیس خود در سال 2013، APC 264 پروژه کم کربن شامل 492 شریک را تأمین مالی کرده است که با شرکت هایی در هر اندازه همکاری می کنند. این پروژه ها به ایجاد یا حفظ بیش از 58000 شغل در بریتانیا کمک کرده است. پیش بینی می شود فناوری های توسعه یافته در این پروژه ها بیش از 410 میلیون تن CO2 را ذخیره کنند.

نقش APC در ساخت و مشاوره کنسرسیوم های پروژه با تخصص عمیق در بخش و دانش پیشرفته خود در زمینه فناوری های پیشرانه جدید، به پروژه ها کمک می کند تا سریعتر شروع شوند و ارزش بیشتری ارائه دهند. در بلندمدت، کارش برای هدایت نوآوری و تشویق همکاری، پایه‌های یک صنعت خودروسازی موفق و پایدار در بریتانیا را ایجاد می‌کند.

در سال 2019، دولت بریتانیا متعهد به صندوق تحول خودرو (ATF) شد تا توسعه زنجیره تامین خودروی صفر خالص را تسریع بخشد تا تولیدکنندگان مستقر در بریتانیا بتوانند به بازارهای جهانی خدمت کنند. سرمایه‌گذاری‌های ATF از طریق APC برای حمایت از سرمایه‌های استراتژیک مهم بریتانیا و سرمایه‌گذاری‌های تحقیق و توسعه که شرکت‌های درگیر در باتری‌ها، موتورها و درایوها، الکترونیک قدرت، سلول‌های سوختی و زنجیره‌های تامین مرتبط را قادر می‌سازد آینده خود را تقویت کنند، اعطا می‌شود.