เหตุใดเครื่องยนต์คอมโพสิตเทอร์โบจึงไม่ใช้กันอย่างแพร่หลาย?

เครื่องยนต์คอมพาวด์เทอร์โบจะดึงพลังงานไอเสียออกมาโดยใช้มันเพื่อขับเคลื่อนกังหันที่เชื่อมต่อกับเพลาขับ ทำไมเครื่องยนต์เหล่านี้จึงไม่ใช้กันอย่างแพร่หลาย?

มีปัจจัยหลายอย่างที่ จำกัด การยอมรับของ Turbo-Compounds อย่างกว้างขวางและทั้งหมดนี้ก็ลงเอยด้วยการทำงานจริงและที่ที่พวกเขาได้รับผลประโยชน์มากที่สุด ในการศึกษาแรก ๆ ของแนวคิดโดย NACA ในปี 1940 พวกเขาระบุว่าปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือความดันออกจากไอเสีย (Pe) ต่อความดัน Manifold Absolute Pressure (MAP หรือ Pm) ซึ่งเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่กำหนดอัตราการปล่อยไอเสียที่มีประสิทธิภาพ (eff) มีให้สำหรับขั้นตอนการกู้คืนพลังงานกังหัน ซึ่งหมายความว่า Turbo-Compound ให้ผลประโยชน์มากที่สุดในอัตราส่วนที่ต่ำของอัตราส่วน (ต่ำ Pe, Pm สูง) ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในสภาพที่มี MAP สูงเป็นพิเศษหรือ Pe ต่ำเป็นพิเศษ ไม่รวมขั้นตอนการกู้ไอเสียอื่น ๆ (เช่นเทอร์โบซูเปอร์ชาร์จเจอร์ต่อไปนี้) Pe ที่มีประสบการณ์โดยกังหันเทอร์โบผสม - Power Recovery Turbine - โดยปกติจะเหมือนกับความดันบรรยากาศคงที่ (Pa) ซึ่งหมายความว่าพวกเขามีความรู้สึกอย่างมากในเครื่องบินที่ทำงานที่ระดับความสูงสูงที่มี Pa ต่ำโดยธรรมชาติจึงลดอัตราส่วน Pe: Pm และเพิ่ม Ve (eff) และพลังงานที่มีให้กับกังหันการกู้คืนพลังงาน

เมื่อคำนึงถึงเรื่องนี้ประสิทธิภาพที่ จำกัด ของ Turbo-Compound ในการใช้งานบนถนนส่วนใหญ่ควรจะชัดเจน เนื่องจากรถยนต์ทั่วไปทำงานที่หรือใกล้ระดับน้ำทะเลพวกเขาจะมีค่า Pe สูงกว่าซึ่งจะเป็นการเพิ่มมูลค่าของอัตราส่วน Pm: Pe และลดปริมาณการกู้คืนที่เป็นไปได้ด้วยกังหัน เพื่อให้รถได้รับผลประโยชน์มากกว่าเล็กน้อยจาก Turbo-Compound จะต้องดำเนินการด้วยการเพิ่มอย่างต่อเนื่องใน MAP และที่สำคัญอย่างหนึ่งที่ ซึ่งหมายความว่าก่อนอื่นจะต้องใช้ Forced Induction (Supercharger หรือ Turbocharger) และอันดับที่สองที่ blower รักษา MAP ที่คงที่ไว้ที่ 30% หรือมากกว่านั้นเพื่อเพิ่ม Pa ในสภาวะการทำงานปกติ เนื่องจากรถบนท้องถนนส่วนใหญ่ทำงานที่เค้นปีกบางส่วนภายใต้เงื่อนไขเกือบทั้งหมดซึ่งหมายความว่ามันจำเป็นต้องมีการเพิ่มประสิทธิภาพในเชิงบวกภายใต้เงื่อนไขเค้นบางส่วนซึ่งไม่ได้ การจัดเรียงทั่วไปเนื่องจากความเครียดในเครื่องยนต์และความร้อนที่ผลิต นี่คือเหตุผลว่าทำไมมันเห็นได้เฉพาะในเครื่องยนต์จุดระเบิดแบบอัดซึ่ง Diesels ซึ่งทำงานในช่วง RPM ที่ จำกัด นั้นใช้เวลาส่วนใหญ่ด้วยความเร็วที่สร้างกระแสอากาศที่เพียงพอสำหรับการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ ตามที่คนอื่น ๆ ชี้ให้เห็นพวกเขาสามารถใช้ในทางทฤษฎีในการแข่งรถได้เช่นกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งการแข่งรถทางยาว / วงรีโดยที่รถมีการใช้งานที่ RPM อย่างต่อเนื่องและความเร็วสูงเป็นระยะเวลานาน อีกสถานที่ที่ฉันได้เห็นประโยชน์ที่ดีของ Turbo-Compounding คือการแข่ง Peak Hill Climb ของ Pike - การวิ่งระยะสั้นเต็มคันเร่งและเร่งความเร็วสูงในระดับสูง ซึ่งทำงานภายในช่วง RPM ที่มีการ จำกัด เวลาส่วนใหญ่ที่ความเร็วซึ่งสร้างกระแสลมที่เพียงพอสำหรับการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ (ทั้งประจุอากาศและสารหล่อเย็น) ตามที่คนอื่น ๆ ชี้ให้เห็นพวกเขาสามารถใช้ในทางทฤษฎีในการแข่งรถได้เช่นกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งการแข่งรถทางยาว / วงรีโดยที่รถมีการใช้งานที่ RPM อย่างต่อเนื่องและความเร็วสูงเป็นระยะเวลานาน อีกสถานที่ที่ฉันได้เห็นประโยชน์ที่ดีของ Turbo-Compounding คือการแข่ง Peak Hill Climb ของ Pike - การวิ่งระยะสั้นเต็มคันเร่งและเร่งความเร็วสูงในระดับสูง ซึ่งทำงานภายในช่วง RPM ที่มีการ จำกัด เวลาส่วนใหญ่ที่ความเร็วซึ่งสร้างกระแสลมที่เพียงพอสำหรับการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ (ทั้งประจุอากาศและสารหล่อเย็น) ตามที่คนอื่น ๆ ชี้ให้เห็นพวกเขาสามารถใช้ในทางทฤษฎีในการแข่งรถได้เช่นกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งการแข่งรถทางยาว / วงรีโดยที่รถมีการใช้งานที่ RPM อย่างต่อเนื่องและความเร็วสูงเป็นระยะเวลานาน อีกสถานที่ที่ฉันได้เห็นประโยชน์ที่ดีของ Turbo-Compounding คือการแข่ง Peak Hill Climb ของ Pike - การวิ่งระยะสั้นเต็มคันเร่งและเร่งความเร็วสูงในระดับสูง ที่ซึ่งรถจะทำงานที่ RPM อย่างต่อเนื่องและความเร็วสูงเป็นระยะเวลานาน อีกสถานที่ที่ฉันได้เห็นประโยชน์ที่ดีของ Turbo-Compounding คือการแข่ง Peak Hill Climb ของ Pike - การวิ่งระยะสั้นเต็มคันเร่งและเร่งความเร็วสูงในระดับสูง ที่ซึ่งรถจะทำงานที่ RPM อย่างต่อเนื่องและความเร็วสูงเป็นระยะเวลานาน อีกสถานที่ที่ฉันได้เห็นประโยชน์ที่ดีของ Turbo-Compounding คือการแข่ง Peak Hill Climb ของ Pike - การวิ่งระยะสั้นเต็มคันเร่งและเร่งความเร็วสูงในระดับสูง

ปัจจัยเหล่านี้ทั้งหมด: ข้อกำหนดในการรับประโยชน์ที่เพียงพอจากระบบ ต้นทุนที่เพิ่มน้ำหนักและความซับซ้อน ศักยภาพลดความน่าเชื่อถือ และเทคโนโลยีอื่น ๆ ได้ผลักไส Turbo-Compound ดั้งเดิมไปสู่ความอยากรู้ทางประวัติศาสตร์ส่วนใหญ่ของ "สิ่งที่อาจเกิดขึ้นได้"

ในทางกลับกันเราเห็นความหลากหลายของแนวคิด ในยุค F1 ปัจจุบันพวกเขาใช้สิ่งที่คล้ายกับ Turbo-Compound ซึ่งเก็บพลังงานที่นำกลับมาใช้ใหม่เป็นพลังงานไฟฟ้าแทนที่จะใช้โดยตรงกับข้อเหวี่ยง Ferrari กำลังพัฒนาระบบที่คล้ายกันเพื่อใช้ในสปอร์ตคาร์รุ่นต่อไปเช่นกัน แต่จะใช้พลังงานที่ได้รับการกู้คืนเพื่อขับเคลื่อนซุปเปอร์ชาร์จเจอร์ไฟฟ้าให้เป็นชุดเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่ไม่แยกตัว ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดการกู้คืนพลังงานจะถูกใช้มากขึ้นสำหรับการผลิตไฟฟ้าซึ่งทุกอย่างและไฟฟ้าจะถูกใช้เพื่อผลิตงานผ่านมอเตอร์ที่เป็นอิสระ

มีเหตุผลมากมาย แต่เหตุผลหลักคือต้นทุนที่เพิ่มขึ้นและความน่าเชื่อถือลดลง พลังที่พวกเขาผลิตนั้นยังทำให้เครื่องยนต์มีราคาสูงขึ้นเมื่อเพิ่มแรงดันย้อนกลับในท่อร่วมไอเสีย

ดังนั้นเมื่อคุณออกแบบเครื่องยนต์คุณมีตัวเลือกน้อย ตัวอย่างเช่นคุณสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์หรือดูดซับพลังงานจากท่อร่วมไอเสีย ตัวอย่างเช่นถ้าคุณใช้ช่วงเวลาวาล์วแปรผันคุณสามารถดึงพลังงานไอเสียนั้นออกมามากขึ้นและใส่ลงในเพลาข้อเหวี่ยงโดยไม่ต้องใช้เทอร์โบ หากคุณเพิ่มเทอร์โบแทนคุณได้เพิ่มชุดเกียร์ใหม่ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้มากขึ้นใช้พื้นที่มากขึ้นและเพิ่มน้ำหนักมากขึ้น

ตอนนี้เทอร์โบอาจจะดีกว่าเล็กน้อยในการสกัดพลังงานมากกว่าเวลาวาล์วแปรผัน แต่มันชดเชยค่าใช้จ่ายน้ำหนักและความน่าเชื่อถือเพิ่มเติมหรือไม่?

ดังนั้นผู้ผลิตเครื่องยนต์ส่วนใหญ่จะไม่ใช้เทอร์โบเว้นแต่จะมีเหตุผล

ยกตัวอย่างเช่นการแข่งขันบางประเภทมีการ จำกัด จำนวนกระบอกสูบและปริมาตรกระบอกสูบและนักแข่งจะให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น 0.1% กว่าที่พวกเขาสนใจเกี่ยวกับความน่าเชื่อถือเนื่องจากมีทีมงานด้านกลไกที่ทำงานบนยานพาหนะ ดังนั้นจึงมีเหตุผล

มันไม่สมเหตุสมผลเลยสำหรับรถยนต์สำหรับผู้บริโภคทั่วไปที่การแลกเปลี่ยนราคา / น้ำหนักเมื่อเทียบกับประสิทธิภาพสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นที่อื่นในเครื่องยนต์

Turbo compounding ปัจจุบันใช้ในเครื่องยนต์รถบรรทุกโดยดีทรอยต์ดีเซลและวอลโว่ แต่มันเหมาะสำหรับการใช้งานระยะยาวที่เครื่องยนต์อยู่ที่รอบหมุนคงที่ / โหลด แต่การแลกเปลี่ยนตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้คือการเพิ่มแรงดันไอเสียกลับคืนซึ่งหมายความว่าลูกสูบจะต้องดันแรงขึ้นเพื่อให้ไอเสียออกดังนั้นในการทำงานชั่วคราว (เครื่องยนต์ขึ้นและลงในช่วงการหมุนรอบ) การทำงานของกังหัน ลดการใช้เชื้อเพลิง 2-5%

ฉัน จำกัด ความคิดเห็นของฉันไว้กับเครื่องบิน:

turbocompounding ตามที่ใช้ใน R3350 เป็นวิธีการสกัดพลังงานจลน์ของก๊าซไอเสียด้วยกังหันและนำมันกลับมาที่เพลาข้อเหวี่ยง การสะสมของแรงดันแก๊สไอเสียไม่ได้เป็นตัว จำกัด การออกแบบสำหรับการล่องเรือที่ 25,000 ฟุต วันนี้กังหันไอเสียพลังงานก๊าซไอเสียถูกนำมาใช้แทนการขับซูเปอร์ชาร์จเจอร์ซึ่งใน 3350 ถูกขับออกจากเพลาข้อเหวี่ยงทำให้ turbosupercharging ซับซ้อนน้อยกว่ากังหัน

คำถามคือสิ่งที่สงสัยสำหรับเครื่องยนต์อากาศยานที่มีขนาดใหญ่กว่า 600SHP หรือมากกว่านั้นที่เครื่องยนต์ turboprop ได้เข้าครอบครอง พวกเขามีความน่าเชื่อถือมากกว่าในช่วง 1500-2000 SHP มากกว่า R3350 หรือ R4360 รวมถึงมีน้ำหนักต่อกำลังที่ดีขึ้น

turbocompounding เป็นเทคโนโลยีสะพานที่อยู่ระหว่างเครื่องยนต์ลูกสูบและเทคโนโลยีเทอร์โบ เมื่อเครื่องยนต์เช่น Allison 501 มาพร้อมกับเครื่องยนต์ลูกสูบ 18 และ 28 กระบอกซึ่งมีหรือไม่มีเครื่องยนต์เทอร์โบก็เสร็จสิ้น

เครื่องยนต์แบบผสมสมัยใหม่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าเพื่อแปลความเร็วของกังหันให้เป็นความเร็วของล้อหรือใบพัด สำหรับสิ่งนี้จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย มันทำงานใน F1 และในรถบรรทุกและจะทำงานในรถยนต์ไฮบริดด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายในขนาดเล็ก กังหันมีช่วงการทำงานที่แคบกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบ รถยนต์ส่วนใหญ่ไม่ได้ใช้งานหรือต้องการพลังเต็มที่ในการเร่งความเร็ว

ฉันสงสัยว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะใช้เครื่องยนต์ลูกสูบอัตราส่วนการอัดขนาดเล็กและห้องเผาไหม้ (ปกคลุมด้วยวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาหุ้มด้วยฉนวน) ที่อุณหภูมิต่ำพอที่จะลด NOx แต่ก็ยังสูงพอที่จะเผาเขม่าและ CO อุณหภูมิจะลดลงและทำให้พื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาเรียบ (เรียกว่า pre-cat) และหลีกเลี่ยงในตัวเร่งปฏิกิริยาปกติ อุณหภูมิสูงไอเสียแรงดันสูงสามารถใช้ขับกังหันสองระดับ โปรดทราบว่าตัวเรือนกังหันนี้มีราคาสูงกว่าตัวเรือนสำหรับไอเสียดีเซลที่ค่อนข้างเย็น ขั้นตอนแรกอาจจำเป็นต้องใช้ใบมีดนิกเกิลและขั้นตอนที่สองเท่านั้นที่สามารถมีเครื่องบินนำทางได้ ไซโคลน (หรือแม้แต่ตัวกรอง) ในห้องอาจช่วยยืดอายุการใช้งานของเขม่าในห้อง

ทั้งหมดนี้เป็นของสำหรับรถยนต์ไฮบริดหรือรถบรรทุก Agilty เกิดจากมอเตอร์ไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์ FADEC บังคับใช้อุณหภูมิสูงที่ตัวกรองเพื่อไม่ให้แออัดโดยเขม่า พลังงานส่วนเกินถูกทิ้งลงในแบตเตอรี่

ฉันได้อ่านสิ่งนี้มามากมายและสิ่งที่เราไม่ได้เห็นก็คือรูปแบบของการทบต้น แต่ใช้เครื่องยนต์กังหันขนาดเล็กที่สามารถวิ่งได้เองเมื่อต้องการแรงบิดอย่างต่อเนื่อง หากแต่งงานกับเครื่องยนต์แบบลูกสูบที่มีช่วงเวลาวาล์วแปรผันวาล์วสามารถเปิดได้ กังหันสร้างพลังงาน ภายใต้การเร่งความเร็วกังหันสามารถทำงานในฐานะเทอร์โบชาร์จเจอร์โดยใช้ลมเป่าอินเตอร์คูลเพื่อเพิ่มแรงดัน