Elektroturbina: charakterystyka, zasada działania, zalety i wady pracy, wskazówki dotyczące samodzielnego montażu i recenzje właścicieli

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-02-19 18:16

Wraz z zaostrzającymi się przepisami dotyczącymi ochrony środowiska producenci samochodów są zmuszeni do opracowywania sposobów poprawy przyjazności dla środowiska i wydajności silników przy jednoczesnym zachowaniu osiągów. W związku z tym rozpowszechniły się systemy wymuszonej indukcji. Podczas gdy w przeszłości były wykorzystywane do zwiększania produktywności, obecnie są wykorzystywane jako środek poprawy gospodarki i przyjazności dla środowiska. Dzięki doładowaniu możesz osiągnąć te same osiągi, co w silnikach atmosferycznych, przy mniejszej liczbie cylindrów i mniejszej objętości. Oznacza to, że silniki z doładowaniem są bardziej wydajne. Inną metodą jest wykorzystanie energii elektrycznej zarówno oddzielnie (silniki elektryczne), jak i w połączeniu z silnikami spalinowymi (elektrownie hybrydowe). W tym artykule omówiono turbiny elektryczne, które łączą te podejścia.

Funkcje ogólne

Nieelektryczne systemy wymuszonego doładowania w zależności od źródła energii dzielą się na turbosprężarki i doładowania. Systemy elektryczne opierają się na nich i mają na celu poprawę wydajności podczas stanów nieustalonych.procesy i minimalizacja opóźnień.

Dmuchawa elektryczna, według Honeywell, jest sprężarką napędzaną silnikiem elektrycznym, który jest zamontowany na silniku z doładowaniem. Oznacza to, że jest to dodatkowe urządzenie do silnika turbo. Turbina elektryczna jest analogiem turbiny mechanicznej. Napęd w tym przypadku można zaimplementować na różne sposoby.

Zgodnie z klasyfikacją naukowców z Uniwersytetu Wisconsin-Madison, elektryczne systemy wymuszonej indukcji dzielą się na następujące typy ze względu na konstrukcję i zasadę działania:

• dmuchawy elektryczne (EC/ET/ES);
• turbiny z elektrycznym asystentem (EAT);
• Turbiny separowane elektrycznie (EST);
• turbiny z dodatkową sprężarką z napędem elektrycznym (TEDC).

Projekt

Powyższe typy turbin elektrycznych mają inną konstrukcję. Wiąże się to z różnymi układami komponentów, różnicami w ich parametrach technicznych itp.

EC

EC to sprężarka napędzana silnikiem elektrycznym. Jest to wspomniana wyżej dmuchawa elektryczna. Napęd elektryczny zapewnia największą elastyczność sterowania i możliwość pracy sprężarki w optymalnym punkcie pracy. Wymaga to jednak potężnych komponentów elektrycznych.

JEŚĆ

W EAT szybki silnik elektryczny jest montowany między turbiną a sprężarką, zwykle na wale. Ze względu na to, że nie jest głównym źródłem energii, wykorzystywane sąelementy elektryczne małej mocy. Powoduje to niski koszt. Ponadto takie turbosprężarki mają zdolność samoczynnego wykrywania położenia wirnika oraz charakteryzują się dobrymi zdolnościami prądotwórczymi i napędowymi. Głównym problemem jest wpływ wysokiej temperatury na silnik elektryczny, zwłaszcza jeśli jest on zainstalowany wewnątrz obudowy.

Istnieją różne metody rozwiązania tego problemu. Na przykład BMW zainstalowało sprzęgła, aby umożliwić podłączenie i odłączenie silnika elektrycznego od wału. Dzięki temu silnik można umieścić na zewnątrz turbiny. Firma G+L inotec zastosowała silnik z magnesami trwałymi z dużą szczeliną powietrzną, który może znajdować się również na zewnątrz. Wewnętrzna średnica stojana jest równa zewnętrznej średnicy sprężarki, a zewnętrzna średnica wirnika jest równa średnicy wylotowej wału. Szczelina powietrzna może pełnić funkcję wlotu powietrza. Daje to korzyści w zakresie chłodzenia, bezwładności i efektu cieplnego. Ponadto, jeśli chodzi o stabilność termiczną i kontrolę termiczną, bardziej preferowane są silniki indukcyjne o zmiennej rezystancji magnetycznej, uniwersalne silniki kolektorowe w porównaniu z silnikami z powierzchniowymi magnesami trwałymi.

EST

W EST turbina i sprężarka nie są połączone wałem, a każda z nich jest wyposażona w silnik elektryczny. Dzięki temu koła sprężarki i turbiny mogą pracować z różnymi prędkościami. Ten projekt ma podobne zalety jak ET, ale w przeciwieństwie do niego jest w stanie generować energię. Ponadto onaMa mniejszy efekt cieplny ze względu na oddzielenie sprężarki i turbiny, a także brak dodatkowej bezwładności od turbiny i jej wału. Oddzielenie turbiny i sprężarki jest korzystne z punktu widzenia pakowania, ponieważ umożliwia optymalizację ścieżki przepływu powietrza. Jednak ta technologia wymaga również potężnego silnika elektrycznego, generatora i falowników, aby zapewnić stosunek momentu obrotowego do bezwładności, co ma swoją cenę.

TEDC

TEDC to turbina mechaniczna z dodatkową sprężarką napędzaną silnikiem elektrycznym. W zależności od umiejscowienia sprężarki względem turbiny, systemy te są podzielone na opcje przed i za turbiną (odpowiednio nad i pod turbiną). Generalnie charakteryzują się one znacznie lepszą responsywnością podczas stanów nieustalonych „na dole” ze względu na niezależność silnika elektrycznego od bezwładności turbiny i wału. Ponadto TEDC typu downstream są pod tym względem lepsze niż opcje typu upstream, ponieważ te ostatnie charakteryzują się dużą objętością do utrzymania ciśnienia. Kolejną zaletą tego typu turbin elektrycznych są minimalne różnice w stosunku do turbin mechanicznych.

Zasada działania

Powyższe typy turbin elektrycznych różnią się zasadą działania. Czyli napęd jest zaimplementowany inaczej, niektóre z nich są w stanie generować energię itp.

EC

W EC sprężarka jest napędzana silnikiem elektrycznym. Taki system nie jest w stanie generować energii, ale dla jejprzechowywanie może być połączone z systemem hamowania odzyskowego lub wbudowanym generatorem rozruchowym.

JEŚĆ

W EAT przy niskich obrotach silnik elektryczny zapewnia sprężarce dodatkowy moment obrotowy w celu zwiększenia ciśnienia doładowania. Na „szczytach” wytwarza energię, którą można przekazać do magazynowania. Ponadto silnik elektryczny może uniemożliwić turbinie przekroczenie dopuszczalnej prędkości. Jednak może wystąpić efekt wysokiego ciśnienia wstecznego, który kompensuje energię pobieraną ze spalin.

Ze względu na możliwość wytwarzania energii elektrycznej ze spalin, takie turbosprężarki nazywane są hybrydami. W samochodach osobowych, w zależności od cyklu jazdy, mogą generować od kilkuset watów do kW. Pozwala to na wymianę alternatora, jednocześnie oszczędzając paliwo.

EST

W EST energia spalin nie napędza bezpośrednio sprężarki, ale jest przekształcana w energię elektryczną za pomocą generatora. Sprężarka jest napędzana zmagazynowaną energią.

TEDC

W TEDC silnik elektryczny działa niezależnie od turbiny, a napędzana przez niego dodatkowa sprężarka służy do zwiększenia doładowania na dole.

Różnice konstrukcyjne i funkcjonalne

Podstawowe różnice między rozważanymi systemami elektrycznymi wymuszonej indukcji zostały połączone przez naukowców z University of Wisconsin-Madison w formie graficznej i tabelarycznej. Poniższy rysunek przedstawia schematy ich urządzenia (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC upstream, e - TEDC downstream).

Tabela odzwierciedla główne wymagania urządzenia. Należą do nich źródło energii, napęd sprężarki, moc elementów elektrycznych. Ponadto ważne są takie cechy, jak wymiary i wpływ temperatury.

Typ	EC	JEŚĆ	EST	TEDC
Źródło zasilania	Bateria	Gazy spalinowe/akumulator	Gazy spalinowe/akumulator	Gazy spalinowe/akumulator
Moc silnika elektrycznego i falownika	Wysoka	Niski	Wysoka	Niski
Efekt temperatury	Niski	Wysoka	Niski	Niski
Rozmiar	Mały	Średni	Duży	Duży
Turbina elektryczna	Nie	Tak	Tak	Nie
Napęd turbosprężarki	Nie	Tak	Nie	Nie

Tak więc technologie EAT i EST należą do turbin elektrycznych. EC jak byłozauważono - osobny mechanizm, TEDC - konwencjonalny system turbodoładowania w niego wyposażony.

Wady i zalety

Napęd turbiny silnikiem elektrycznym eliminuje główne wady turbosprężarek mechanicznych.

• Bez opóźnień, ponieważ silnik elektryczny może bardzo szybko rozkręcić wirnik.
• Nie ma turbodziury spowodowanej brakiem spalin, ponieważ w tym przypadku silnik elektryczny kompensuje brak energii.
• Silnik elektryczny pozwala na utrzymanie doładowania podczas stanów nieustalonych, takich jak zapobieganie opóźnieniom, bez negatywnych skutków tych ostatnich.
• Zapewnia to szeroki zakres roboczy i stały moment obrotowy.
• Niektóre typy tych mechanizmów mogą generować energię elektryczną, zmniejszając obciążenie generatora i zmniejszając zużycie paliwa.
• Odzyskiwanie utraconej energii jest możliwe, ponieważ Ferrari zaimplementowało je w silniku Formuły 1.
• Elektroturbiny działają w łagodniejszych warunkach i przy niższych prędkościach (100 tys. zamiast 200-300 tys.).

Jednak ta technologia ma wiele wad.

• Wspaniała złożoność projektu, w tym silnik i sterowniki.
• To powoduje wysokie koszty.
• Ponadto złożoność projektu wpływa na niezawodność.
• Ze względu na dużą ilość elementów konstrukcyjnych (oprócz turbiny jest to silnik elektryczny, sterowniki, akumulator) te turbosprężarki są znacznie większe i cięższe niż konwencjonalne.

Ponadto każdy typ turbiny elektrycznej jest scharakteryzowanyspecyficzne funkcje.

Typ	EC	JEŚĆ	EST	TedC upstream	TEDC downstream
Godność	Elastyczne sterowanie; elastyczność układu; brak bezwładności wału; brak wastegate; brak przeciwciśnienia	Kompaktowy; silnik i falownik małej mocy; brak wastegate	Elastyczne sterowanie; elastyczność układu; brak bezwładności wału; brak wastegate	Łatwa instalacja; brak bezwładności wału; silnik i falownik małej mocy; Ciągła poprawa wydajności	Lepsza odpowiedź przejściowa; łatwe do zainstalowania; silnik i falownik małej mocy; Ciągła poprawa wydajności
Wady	Silnik i falownik dużej mocy; niska wydajność	Potrzeba dodatkowego chłodzenia; dodatkowa bezwładność wału; limit przyspieszenia z powodu przeciwciśnienia	Silnik i falownik dużej mocy; strata energii podczas konwersji; limitdoładowanie z powodu ciśnienia wstecznego; wymaga dodatkowej przestrzeni instalacyjnej	Niezbyt szybka odpowiedź przejściowa; wymaga dodatkowej przestrzeni instalacyjnej; niska wydajność	Wymaga dodatkowej przestrzeni instalacyjnej; niska wydajność

Pod względem trwałości, według IHI, turbiny elektryczne będą równoważne mechanicznym ze względu na pracę w tych samych warunkach, w bardziej łagodnym trybie i większej złożoności konstrukcyjnej.

Trafność

Pomimo dobrych osiągów turbiny elektryczne nie są obecnie powszechnie stosowane w masowo produkowanych samochodach. Wynika to z ich wysokich kosztów i złożoności. Ponadto ulepszone wersje turbin mechanicznych (podwójna spirala i zmienna geometria) mają podobne zalety w porównaniu z początkowymi modyfikacjami (choć w mniejszym stopniu) przy znacznie niższych kosztach. Teraz EST używa Ferrari w silniku Formuły 1. Według Honeywell masowe wykorzystanie turbin elektrycznych rozpocznie się na początku następnej dekady. Należy zauważyć, że elektryczne doładowania są już stosowane w niektórych pojazdach produkcyjnych, takich jak Honda Clarity, ponieważ są prostsze.

Najprostsze i domowe mechanizmy

Na początku dekady na rynku pojawiły się proste, tanie maszyny, takie jak chłodnice komputerowe, zwane również turbinami elektrycznymi. Znajdują się na wlocie i są zasilane bateryjnie. Możliwe jest zastosowanie takich turbin elektrycznych zarówno na gaźniku, jak i na wtryskiwaczu. Według producentów zwiększają one przepływ powietrza wchodzącego do silnika, przyspieszając go, co daje wzrost wydajności nawet o 15%. W takim przypadku parametry (obroty, przepływ, moc) zwykle nie są wskazywane. Montaż takich turbin elektrycznych w samochodzie własnymi rękami jest bardzo łatwy.

Jednak w rzeczywistości ich silniki elektryczne osiągają moc kilkuset watów, co nie wystarcza do zwiększenia objętości przepływu, ponieważ wymaga to około 4 kW. Dlatego takie urządzenie stanie się poważną przeszkodą na wlocie, w wyniku czego, przeciwnie, zmniejszy się wydajność. W najlepszym razie straty z tego tytułu będą niewielkie, co nie wpłynie znacząco na dynamikę.

Ponadto w Internecie można znaleźć informacje na temat tworzenia turbiny elektrycznej własnymi rękami. W przeciwieństwie do wymienionych powyżej tanich opcji zbudowane są w oparciu o sprężarkę odśrodkową i silnik bezszczotkowy o mocy do 17 kW i napięciu 50-70 V, ponieważ tylko taki silnik jest w stanie zapewnić wystarczający moment obrotowy i prędkość obrotowa sprężarki. Silnik musi być wyposażony w regulator prędkości. Ten system nie wymaga intercoolera - wystarczy do niego wlot zimna. Instalacja turbiny elektrycznej tego typu może wymagać wymiany generatora (na 90-100 A) oraz baterii (na pojemniejszą o dużej wydajności prądowej). Prędkość obrotowa sprężarki zależy od położenia przepustnicy. Co więcej, zależność nie jest liniowa, ale wykładnicza.

Wskazane jest tworzenie takich turbin elektrycznych do samochodów z małymi silnikami do 1,5 litra, ze względu na duże zużycie energii. Co więcej, im większa pojemność silnika, tym mniejsze ciśnienie doładowania może wytworzyć sprężarka. Tak więc w silniku o pojemności 0,7 litra będzie to 0,4-0,5 bara, dla 1,5 litra - 0,2-0,3 bara. Ponadto taka doładowanie nie będzie mogła przez długi czas funkcjonować z maksymalną wydajnością z powodu ogrzewania. Jednak kontroler można skonfigurować tak, aby wymusić aktywację.

Ze względu na wysoki koszt komponentów wykonanie takiej turbiny elektrycznej jest bardzo kosztowne. Recenzje wskazują na wymierny wzrost wydajności.

Pod względem konstrukcyjnym mechanizmy te, podobnie jak wymienione powyżej tanie opcje, są doładowaniami elektrycznymi. Często jednak błędnie nazywa się je turbinami elektrycznymi. Teraz na rynku są bardziej poważne markowe ruchy, które są zbliżone do domowych.

CV

Turbiny elektryczne są bardziej responsywne, produktywne i wydajne niż turbiny mechaniczne i mają dodatkowe funkcje. Jednocześnie z jednej strony mają skomplikowaną konstrukcję, z drugiej jednak działają w łagodniejszych warunkach.