اختبار محرك ضاغط الهواء لخلية الوقود: التحقق من صحة منفاخ الطرد المركزي عالي السرعة لأنظمة خلايا الوقود PEM

لماذا يعد محرك ضاغط الهواء أمرًا بالغ الأهمية لأداء خلية الوقود

في غشاء تبادل البروتونات (بيم) كومة خلايا الوقود, يتناسب خرج الطاقة الكهروكيميائية بشكل مباشر مع معدل وصول الأكسجين إلى الكاثود. يعد نظام إمداد الهواء - وهو ضاغط طرد مركزي كهربائي عالي السرعة وخالي من الزيت يتم تشغيله بواسطة محرك BLDC أو PMSM - هو المكون الوحيد الأكثر مسؤولية عن ترجمة توفر وقود الهيدروجين إلى مركبة قابلة للاستخدام أو طاقة ثابتة. إذا كان الضاغط يوفر تدفق هواء غير مناسب, المكدس يتضور جوعا. إذا كان يسلم تدفق الهواء الزائد عند ضغط أعلى من المطلوب, استهلاك الطاقة الطفيلية يقلل من كفاءة النظام أقل من الهدف. إذا كان المحرك أو محامله يلوث الهواء المضغوط ببخار الزيت أو الجزيئات, يتحلل غشاء المكدس بشكل لا رجعة فيه.

المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود مثل شاحنات الهيدروجين, الحافلات, وسيارات الركاب, بالإضافة إلى أنظمة الطاقة الاحتياطية لخلايا الوقود الثابتة والنماذج الأولية لطائرات الهيدروجين, وتعتمد جميعها على محركات ضاغط الهواء المميزة بدقة. يتطلب تأهيل هذه المحركات بروتوكولات اختبار خارج نطاق ممارسات اختبار المحركات القياسية, تغطية الأداء الديناميكي الهوائي, حدود التلوث, تحمل التحمل بدون زيت, واختبار مستوى التكامل مع مداخن خلايا الوقود الفعلية أو المحاكاة.

هندسة محرك ضاغط الهواء لخلية الوقود

• نطاق السرعة: تعمل ضواغط الطرد المركزي لخلايا وقود PEM الخاصة بالسيارات عادةً عند 60,000-120,000 دورة في الدقيقة, يقودها PMSM عالي السرعة مع محامل رقائق الهواء, محامل مغناطيسية نشطة, أو محامل العناصر الدوارة الخزفية مع مواد التشحيم الجافة.
• متطلبات خالية من الزيت: تعتبر تجميعات الأقطاب الكهربية الغشائية في مداخن PEM حساسة للغاية للتلوث بالزيت. حتى الكميات الضئيلة من بخار مادة التشحيم الهيدروكربونية المنقولة بواسطة الهواء المضغوط يمكن أن تغطي المحفز البلاتيني وتقلل بشكل دائم من خرج طاقة المكدس. يجب أن يكون الضاغط معتمدًا بأنه خالٍ من الزيت إلى مستويات أقل عادةً 0.01 ملجم/م3.
• نسبة الضغط والتدفق: توفر ضواغط خلايا الوقود للسيارات 1.5-3.0:1 نسبة الضغط مع معدلات التدفق الشامل 50-200 جم / ثانية, الحجم لتكديس الطاقة من 80 كيلوواط ل 400 كيلوواط. تعتبر الكفاءة عند نقطة التصميم ذات أهمية كبيرة لأن الخسارة الطفيلية للضاغط تمثل 10-15% من إجمالي قدرة المكدس عند التحميل الكامل.
• إلكترونيات القيادة المتكاملة: عادة ما يتم تجميع العاكس مع المحرك لتقليل محاثة الكابل عند ترددات التحويل العالية, تتطلب اختبارًا متزامنًا للمحرك وإلكترونيات الطاقة كنظام.

عناصر الاختبار الأساسية

1. خريطة أداء الضاغط

يحدد التوصيف الديناميكي الهوائي الأساسي نسبة ضغط الضاغط مقابل تدفق الكتلة المصحح في سلسلة من خطوط السرعة المصححة. يتحكم منضدة الاختبار في سرعة المحرك بدقة بينما يقوم صمام الخانق السفلي بتغيير الضغط الخلفي. يسجل مقياس التدفق الشامل ومحولات الضغط الدقيقة عند مدخل ومخرج الضاغط الخريطة الكاملة. يحدد خط الاندفاع وخط الاختناق نطاق التشغيل القابل للاستخدام.

المقاييس الرئيسية: نسبة الضغط عند معدل التدفق التصميمي, الكفاءة الانتروبية عند نقطة التصميم, هامش الطفرة كنسبة مئوية, حد تدفق الاختناق, اكتمال خط السرعة عند 60/70/80/90/100% السرعة المقدرة.

2. كفاءة المحرك تحت الحمل الديناميكي الهوائي

يجب أن يتميز المحرك في ظل ظروف الحمل الديناميكي الهوائي الفعلية, ليس فقط ضد الفرامل المقاومة. لأن عزم الضاغط يختلف باختلاف نسبة الضغط والتدفق, يتم قياس خريطة كفاءة المحرك في وقت واحد مع خريطة أداء الضاغط. يلتقط محلل الطاقة ذو الشكل الموجي الدقيق الطاقة الكهربائية المدخلة بينما يتم حساب طاقة الخرج الديناميكي الحراري للضاغط من تغير المحتوى الحراري للمدخل والمخرج. وتعطي هذه النسبة الكفاءة الكهروديناميكية الشاملة.

المقاييس الرئيسية: الكفاءة الكهربائية للمحرك عند نقطة التصميم وعند هامش الزيادة, الكفاءة عند الحد الأدنى من السرعة لخلية الوقود في وضع الخمول, إجمالي كفاءة النظام من الإدخال الكهربائي إلى إخراج الهواء المضغوط.

3. كشف الطفرة والمماطلة

اندفاع الضاغط - انعكاس التدفق السريع الذي يحدث عندما يتجاوز الضغط الخلفي قدرة الضاغط - يولد نبضات ضغط عالية السعة وانعكاسات الدفع المحوري التي يمكن أن تدمر محامل رقائق الهواء بالمللي ثانية. يميز مقعد الاختبار نقطة بداية الاندفاع ويتحقق من صحة خوارزمية التحكم في الحماية من الاندفاع. تقوم أجهزة الاستشعار بقياس سعة وتردد تقلب الضغط; يمكن اكتشاف الاندفاع كتوقيعات صوتية وضغط مميزة عند ترددات مميزة تتراوح بين 10-200 هرتز اعتمادًا على هندسة الضاغط.

المقاييس الرئيسية: نسبة ضغط بداية الارتفاع عند كل خط سرعة, تأخير اكتشاف الطفرة بالمللي ثانية, وقت التعافي من زيادة السرعة بعد زيادة السرعة الوقائية, التوقيع الصوتي عند بداية الطفرة.

4. مستوى تلوث الزيت في الهواء الذي يتم توصيله

للضواغط المعتمدة الخالية من الزيت, يتم تحليل عينات الهواء المضغوط لمعرفة إجمالي محتوى الهيدروكربون وفقًا لمعايير ISO 8573-1 متطلبات فئة النقاء. يتم جمع العينات في نقاط تشغيل متعددة - البداية الباردة, تصنيف دافئ, والنقع الحراري - لالتقاط أي اختلاف في التلوث مع درجة الحرارة. تقوم أجهزة قياس رذاذ الزيت أو أجهزة التحليل اللوني للغاز بقياس التلوث إلى مستويات أقل من جزء في المليون. تصبح نتائج الاختبار جزءًا من حزمة تأهيل توافق المكدس.

المقاييس الرئيسية: إجمالي محتوى الهباء الجوي بالزيت بالملجم/م3 في كل حالة تشغيل, عدد الجسيمات لكل ISO 8573-1 فصل 1, محتوى بخار الماء عند مخرج الضاغط.

5. احباط الهواء تحمل الجريان والساحل

تنطلق محامل رقائق الهواء - وهي تنتقل من الاتصال الاحتكاكي إلى الارتفاع الهيدروديناميكي الكامل - بسرعة مميزة تسمى سرعة الإقلاع. تحت الإقلاع, يحدث ارتداء تحمل. يقيس مقعد الاختبار درجة حرارة التحمل مقابل الوقت أثناء فترة الاستعداد والهبوط, التحقق من أن الإقلاع يحدث أقل من 5000-10000 دورة في الدقيقة وأن مدة الاحتكاك الساحلي تقع ضمن تخصيص عمر المحمل. تحاكي دورات التشغيل البارد المتكررة التآكل التراكمي المتوقع على مدار عمر السيارة.

المقاييس الرئيسية: سرعة الرفع في دورة في الدقيقة, تحمل ذروة درجة الحرارة خلال مرحلة التشغيل, مدة الهبوط أقل من سرعة الإقلاع لكل حدث بداية, يبدأ التراكمي في تحمل عتبة التآكل.

6. الإدارة الحرارية وتبريد المحركات

عند حمولة الضاغط الكاملة, يبدد المحرك 1-3 كيلو واط حسب الكفاءة وتقييم الطاقة. ويتم التبريد عن طريق نزف جزء من الهواء المضغوط من خلال مبيت المحرك أو عن طريق دائرة تبريد مخصصة. يقيس مقعد الاختبار درجة حرارة النقطة الساخنة للملف عند الحمل المقدر ويتحقق من أن تبريد المحرك لا يؤدي إلى انخفاض نقاء تدفق هواء الضاغط عن طريق إدخال الرطوبة من تسرب نظام التبريد.

المقاييس الرئيسية: درجة حرارة اللف عند الحمل المقدر تحت كل تكوين تبريد, نسبة نزيف هواء التبريد من إجمالي تدفق الضاغط, المقاومة الحرارية للمحرك عند معدل تدفق سائل التبريد المقدر.

7. القدرة على التحمل في دورة القيادة FCEV

دورة قيادة نموذجية لمركبة تعمل بخلايا الوقود - توقف وتنقل في المدينة, رحلة بحرية على الطريق السريع, وخلية الوقود في وضع الخمول - تتم ترجمتها إلى تسلسل تدفق ضغط وسرعة الضاغط وإعادة تشغيلها لمئات أو آلاف ساعات القيادة المكافئة. يراقب المقعد اتجاه كفاءة المحرك, تحمل تطور درجة الحرارة, وتحول خريطة الضاغط مع مرور الوقت. تتضمن معايير نهاية العمر المقبولة انخفاض الكفاءة إلى ما دون ذلك 2% ذات قيمة أولية, تضييق هامش الطفرة إلى ما دون الحد الأدنى المحدد, أو تحمل درجة حرارة تتجاوز عتبة التنبيه.

المقاييس الرئيسية: ساعات التشغيل حتى عتبة تدهور الكفاءة, تحمل اتجاه درجة الحرارة المتصاعدة على مدى الحياة, اكتمال عدد البدايات الباردة, تحول خريطة الضاغط في نهاية العمر مقابل بداية الحياة.

تكوين مقعد الاختبار لمحركات ضاغط الهواء بخلايا الوقود

تشتمل منشأة اختبار ضاغط خلايا الوقود الكاملة على مقياس تدفق جماعي معاير من نوع كوريوليس أو نوع الكتلة الحرارية, قياس دقيق للضغط ودرجة الحرارة عند مدخل ومخرج الضاغط, صمام خانق في اتجاه مجرى النهر ونظام للتحكم في الضغط لتحقيق الاستقرار في نقطة التشغيل, محلل طاقة متعدد القنوات دقيق الشكل الموجي لقياس مدخلات المحرك, تم توصيل محلل تلوث الزيت إلى مخرج الضاغط, وبيئة يتم التحكم فيها حراريًا لاختبارات النقع في البداية الباردة ودرجات الحرارة المرتفعة.

ماذا يعني هذا لاختيار مقعد الاختبار

يتطلب اختبار ضاغط هواء خلية الوقود خبرة في اختبار المحركات الكهربائية, الديناميكا الهوائية التوربينية, قياس جودة الهواء بدقة, وتكامل نظام خلايا الوقود - نادرًا ما يتم دمج التخصصات في مورد اختبار واحد. يجب أن يتم تنسيق برنامج الاختبار مع مواصفات التلوث الخاصة بمطور المكدس وأهداف كفاءة نظام الشركة المصنعة للمركبة. إذا كان فريقك يقوم بتطوير أو تأهيل نظام إمداد الهواء بخلايا الوقود, يمكن لفريقنا الهندسي المساعدة في نطاق برنامج اختبار يغطي توصيف خريطة الضاغط, الكفاءة الحركية, التحقق من صحة خالية من النفط, والتحمل عند نسبة الضغط المحددة ومتطلبات التدفق. تحدث إلى فريقنا حول مستوى طاقة خلية الوقود ونطاق سرعة الضاغط.