I. تكوين ومبدأ نظام الشحن الفائق لشركة STC
تقنية الشحن التوربيني المتسلسل (STC) هي تقنية شحن توربيني متقدمة تدمج شاحنين توربينيين أو أكثر للعمل بالتوازي. مع زيادة حمل محرك الديزل وسرعته، يتم تنشيط هذه الشواحن التوربينية بشكل تسلسلي بناءً على ظروف التشغيل المحددة مسبقًا [1]. تعالج هذه التقنية على وجه التحديد تحديات المطابقة والأداء بين محركات الديزل التقليدية والشواحن التوربينية، بهدف تعزيز كفاءة المحرك واقتصاده بشكل كبير في ظل ظروف السرعة المنخفضة والأحمال العالية مع تحسين إجمالي إنتاج الطاقة وأداء الانبعاثات.
1. تكوين نظام الشحن الفائق لشركة STC
STC هي تقنية شحن فائق موفرة للطاقة وعالية الأداء تستخدم بشكل أساسي في محركات الديزل للسفن الكبيرة والمركبات الثقيلة والتطبيقات الصناعية.
يستخدم محرك الديزل ذو الدفع PA6 هذه التقنية، ويتكون من نظام تحكم STC وشاحنين توربينيين متوازيين لغاز العادم في المرحلة الأولى من أجل الشحن الفائق خطوة بخطوة.
من بين الشاحنين التوربينيين لغاز العادم في محرك الديزل PA6-STC:
- يعمل الشاحن المتصل مباشرة بمشعب العادم في العمود A بمثابة الشاحن التوربيني الأساسي، ويشار إليه باسم الشاحن التوربيني للعمود A.
- الذي يتصل بمشعب العادم في العمود B يعمل كشاحن توربيني يتم التحكم فيه، والمعروف باسم الشاحن التوربيني في العمود B.
أثناء تشغيل محرك الديزل، تقوم غازات العادم بتشغيل أحد الشاحنين التوربينيين لغاز العادم في المرحلة الأولى أو كليهما، مما يؤدي إلى ضغط الهواء الداخل، مما يزيد من ضغط السحب ودرجة الحرارة. تعمل هذه العملية على تعزيز كفاءة الاحتراق وتحسين قوة وكفاءة محرك الديزل.
يتكون نظام التحكم STC من أربعة صمامات فراشة هوائية، ووحدة تحكم STC، وصندوق صمام ذو ملف لولبي للكشف عن صمام الفراشة. فهو يراقب بشكل مستمر المعلمات الهامة مثل سرعة محرك الديزل، والحمل، ودرجة حرارة العادم. واستناداً إلى هذه المعلمات، يتحكم النظام في تشغيل الشواحن التوربينية. خاصة:
- يتم تركيب صمام الغاز عند مدخل التوربين للشاحن التوربيني ذو العمود B.
- يتم تركيب صمام الهواء عند مخرج الضاغط للشاحن التوربيني ذو العمود B.
- يتم تركيب الصمام الالتفافي (لمنع زيادة الشاحن التوربيني) بين مخرج الضاغط ومدخل التوربين.
- يتم تركيب صمام النفخ (لمنع الضغط الزائد للأسطوانة في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة) في نظام السحب قبل المحرك.
وحدة التحكم STC هي المكون الأساسي لنظام التحكم، وهي مسؤولة عن جمع البيانات حول سرعة الشاحن التوربيني، والضغط المعزز، وسرعة محرك الديزل، وموضع رف الوقود، وموضع رف الوقود صفر [2]. فهو يتحكم في فتح وإغلاق صمامات الفراشة الأربعة، مما يتيح تشغيل الشاحن التوربيني ذو العمود B أو فصله حسب الحاجة، وبالتالي تلبية متطلبات أداء محرك الديزل في ظل ظروف تحميل مختلفة.
2. مبدأ عمل الشاحن التربيني لغاز العادم
يتكون الشاحن التوربيني لغاز العادم لمحرك الديزل PA6-STC بشكل أساسي من ضاغط طرد مركزي وتوربين غاز العادم، كما هو موضح في العرض المقطعي للشاحن التوربيني لغاز العادم (الشكل 1). يتم تركيب هذه المكونات على نفس العمود الرئيسي وتعمل كآلة دوارة عالية السرعة، قادرة على الوصول إلى سرعات دوران تصل إلى عشرات الآلاف من الدورات في الدقيقة أو أعلى.
يتضمن مبدأ العمل لنظام الشحن الفائق STC غاز العادم عالي الحرارة وعالي السرعة الذي يتم تفريغه من أسطوانات محرك الديزل ويدخل إلى مبيت مدخل التوربين غير المبرد بالماء عبر حلقة الفوهة للتوسع. يحول هذا التمدد الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، مما يدفع التوربين إلى الدوران، وبالتالي تدوير دافع الضاغط المحوري. يتم بعد ذلك تبريد غاز العادم بواسطة مبيت مخرج التوربين المبرد بالماء قبل تفريغه في الغلاف الجوي.
يسحب الضاغط الهواء النقي من خلال نظام السحب ويضغطه. يمر الهواء المضغوط عالي السرعة عبر الناشر لمزيد من الضغط ثم يتدفق عبر المبرد الداخلي للتبريد وإزالة الضغط. وأخيرًا، يدخل الهواء المبرد إلى مشعب سحب محرك الديزل ويتم إمداده بالأسطوانات، مما يحقق غرض الشحن الفائق. تسمح هذه العملية لمحرك الديزل بسحب المزيد من الهواء وحرق المزيد من الوقود، وبالتالي تعزيز إنتاج الطاقة والكفاءة الحرارية.
3. المبدأ الأساسي لنظام التحكم STC
يعمل نظام الشحن الفائق لشركة STC في وضعين أساسيين: 1TC (شاحن توربيني فردي) و2TC (شاحن توربيني مزدوج)، كما هو موضح في الشكل 2، الرسم التخطيطي لنظام الشحن الفائق لشركة STC.
عندما يعمل محرك الديزل بحمل منخفض، يتم إغلاق صمام الغاز وصمام الهواء. في هذه الحالة، يكون الشاحن التوربيني ذو العمود A فقط نشطًا، بينما يتم عزل الشاحن التوربيني ذو العمود B بواسطة الصمامات المغلقة ويظل غير نشط. يُشار إلى هذا التكوين باسم وضع عمل 1TC (شاحن توربيني فردي) [3-4]. خلال هذا الوضع، يكون غاز العادم الصادر من أسطوانات العمود A والعمود B كافيًا لتلبية المتطلبات التشغيلية للشاحن التوربيني للعمود A، مما يضمن الأداء الأمثل للمحرك الرئيسي في ظل ظروف الحمل المنخفض. يؤدي ذلك إلى تعزيز إنتاج الطاقة وكفاءة استهلاك الوقود لمحرك الديزل الدفعي عند الأحمال المنخفضة، مع تقليل درجة حرارة العادم ومعدل استهلاك الوقود أيضًا.
عندما يصل المحرك إلى ظروف الحمل العالي، يتم فتح صمام الغاز وصمام الهواء، مما يسمح للشاحن التوربيني الذي كان خاملاً سابقًا والذي يتم التحكم فيه بالعمود B بالمشاركة بالتوازي مع الشاحن التوربيني بالعمود A. يؤدي هذا إلى تشغيل كل من الشاحن التوربيني للعمود A والعمود B في نفس الوقت بالتوازي، والذي تم تحديده كوضع عمل 2TC (الشاحن التوربيني المزدوج). مع زيادة الحمل وسرعة محرك الديزل من منخفض إلى مرتفع والوصول إلى عتبة محددة مسبقًا، ينتقل النظام من الوضع 1TC إلى الوضع 2TC. وعلى العكس من ذلك، عندما ينخفض الحمل والسرعة، يتحول النظام مرة أخرى من وضع 2TC إلى وضع 1TC. يتم تنشيط الصمام الالتفافي وصمام النفخ أثناء ظروف التشغيل المحددة لمحرك الديزل أو أثناء الانتقال بين وضعي 1TC و2TC.