Electro-turbină: caracteristici, principiu de funcționare, avantaje și dezavantaje ale lucrului, sfaturi de instalare și recenzii ale proprietarului

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-02-19 18:19

Odată cu înăsprirea reglementărilor de mediu, producătorii de automobile sunt forțați să dezvolte modalități de îmbunătățire a eficienței ecologice și a motoarelor, menținând în același timp performanța. În acest sens, sistemele de inducție forțată au devenit larg răspândite. În timp ce în trecut erau folosite pentru a crește productivitatea, acum sunt folosite ca mijloc de îmbunătățire a economiei și de respectarea mediului. Datorită supraalimentării, puteți obține aceleași performanțe ca la motoarele atmosferice, cu mai puțini cilindri și un volum mai mic. Adică motoarele supraalimentate sunt mai eficiente. O altă metodă este utilizarea energiei electrice atât separat (motoare electrice), cât și în combinație cu motoarele cu ardere internă (centrale hibride). Acest articol discută despre turbinele electrice care combină aceste abordări.

Funcții generale

Sistemele neelectrice de inducție forțată în funcție de sursa de energie sunt clasificate în turbocompresoare și supraalimentare. Sistemele electrice se bazează pe ele și urmăresc să îmbunătățească performanța în timpul tranzitorii.procese și minimizarea întârzierilor.

Suflanta electrică, conform Honeywell, este un compresor antrenat de un motor electric care este montat pe un motor supraalimentat. Adică, acesta este un dispozitiv suplimentar pentru un motor turbo. O turbină electrică este un analog al unei turbine mecanice. Unitatea în acest caz poate fi implementată în moduri diferite.

Conform clasificării cercetătorilor de la Universitatea din Wisconsin-Madison, sistemele electrice de inducție forțată se diferențiază în următoarele tipuri prin proiectare și principiul de funcționare:

• suflante electrice (EC/ET/ES);
• turbine cu asistent electric (EAT);
• turbine separate electric (EST);
• turbine cu compresor suplimentar acționat electric (TEDC).

Design

Tipurile de turbine electrice de mai sus au un design diferit. Aceasta constă în diferitele aspecte ale componentelor, în diferențele dintre parametrii lor tehnici etc.

EC

EC este un compresor cu motor electric. Aceasta este suflanta electrică menționată mai sus. Acționarea electrică oferă cea mai mare flexibilitate de control și capacitatea de a opera compresorul la punctul optim de funcționare. Cu toate acestea, acest lucru necesită componente electrice puternice.

EAT

În EAT, un motor electric de mare viteză este montat între turbină și compresor, de obicei pe un arbore. Datorită faptului că nu este principala sursă de energie, sunt utilizatecomponente electrice de putere redusă. Acest lucru are ca rezultat un cost scăzut. În plus, astfel de turbocompresoare au capacitatea de a autodetecta poziția rotorului și se caracterizează prin capacități bune de generare și de motorizare. Problema principală este efectul temperaturii ridicate asupra motorului electric, mai ales dacă este instalat în interiorul carcasei.

Există diferite metode pentru a o rezolva. De exemplu, BMW a instalat ambreiaje pentru a permite conectarea și deconectarea motorului electric de la arbore. Datorită acestui fapt, motorul poate fi amplasat în afara turbinei. G+L inotec a folosit un motor cu magnet permanent cu un spațiu mare de aer, care poate fi amplasat și în exterior. Diametrul interior al statorului este egal cu diametrul exterior al compresorului, iar diametrul exterior al rotorului este egal cu diametrul de ieșire al arborelui. Spațiul de aer poate acționa ca o admisie a aerului. Acest lucru oferă avantaje în ceea ce privește răcirea, inerția și efectul termic. În plus, în ceea ce privește stabilitatea termică și controlul termic, motoarele electrice cu inducție cu rezistență magnetică variabilă, motoarele cu colector universal sunt mai de preferat în comparație cu un motor cu magneți permanenți la suprafață.

EST

În EST, turbina și compresorul nu sunt conectate printr-un arbore, iar fiecare dintre ele este echipată cu un motor electric. Acest lucru permite compresorului și roților turbinei să funcționeze la viteze diferite. Acest design are avantaje similare cu ET, dar, spre deosebire de acesta, este capabil să genereze energie. În plus, eaAre efect termic mai puțin datorită separării compresorului și turbinei, precum și absenței inerției suplimentare din turbină și arborele acesteia. Separarea turbinei de compresor este avantajoasă din punct de vedere al ambalării, deoarece permite optimizarea traseului fluxului de aer. Cu toate acestea, această tehnologie necesită, de asemenea, un motor electric puternic, un generator și invertoare pentru a îndeplini raportul cuplu/inerție, care are un cost.

TEDC

TEDC este o turbină mecanică cu un compresor suplimentar acționat de un motor electric. În funcție de locația compresorului față de turbină, aceste sisteme sunt clasificate în opțiuni în amonte și în aval (deasupra și respectiv sub turbină). În general, ele se caracterizează printr-o reacție semnificativ mai bună în timpul tranzitorii la „jos” datorită independenței motorului electric de inerția turbinei și a arborelui. Mai mult decât atât, TEDC-urile din aval sunt superioare în acest sens față de opțiunile din amonte datorită faptului că acestea din urmă se caracterizează printr-un volum mare pentru a menține presiunea. Un alt avantaj al acestui tip de turbine electrice este diferențele minime față de cele mecanice.

Principiul de funcționare

Tipurile de turbine electrice de mai sus diferă prin principiul de funcționare. Deci, unitatea este implementată diferit, unele dintre ele sunt capabile să genereze energie etc.

EC

În EC, compresorul este acționat de un motor electric. Un astfel de sistem nu este capabil să genereze energie, ci pentru eastocarea poate fi combinată cu un sistem de frânare regenerativ sau cu un generator de pornire încorporat.

EAT

La EAT la turație scăzută, motorul electric oferă un cuplu suplimentar compresorului pentru a crește presiunea de supraalimentare. La „vârfuri” generează energie care poate fi transferată în depozit. În plus, motorul electric poate împiedica turbina să-și depășească limita de viteză. Cu toate acestea, poate apărea un efect de contrapresiune ridicată, care compensează energia extrasă din gazele de evacuare.

Datorita posibilitatii de a genera energie electrica din gazele de esapament, astfel de turbocompresoare se numesc hibride. Pe autoturismele, în funcție de ciclul de conducere, acestea pot genera de la câteva sute de wați la kW. Acest lucru vă permite să înlocuiți alternatorul în timp ce economisiți combustibil.

EST

În EST, energia gazelor de eșapament nu conduce direct compresorul, ci este convertită în energie electrică folosind un generator. Compresorul este antrenat de energia stocată.

TEDC

În TEDC, motorul electric funcționează independent de turbină, iar compresorul suplimentar antrenat de aceasta servește la creșterea impulsului la „jos”.

Design și diferențe funcționale

Diferentele fundamentale dintre sistemele electrice considerate de inducție forțată sunt combinate de cercetătorii de la Universitatea din Wisconsin-Madison sub formă grafică și tabelară. Figura de mai jos arată diagramele dispozitivului lor (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC în amonte, e - TEDC în aval).

Tabelul reflectă principalele prevederi ale dispozitivului. Acestea includ sursa de energie, acționarea compresorului, puterea componentelor electrice. În plus, calități precum dimensiunile și efectul temperaturii sunt importante.

Tip	EC	EAT	EST	TEDC
Sursă de alimentare	Baterie	Gaze de eșapament / baterie	Gaze de eșapament / baterie	Gaze de eșapament / baterie
Puterea motorului electric și a invertorului	Ridicat	Scăzut	Ridicat	Scăzut
Efect de temperatură	Scăzut	Ridicat	Scăzut	Scăzut
Mărime	Mic	Mediu	Big	Big
Turbină electrică	Nu	Da	Da	Nu
Acționare compresor turbo-electric	Nu	Da	Nu	Nu

Astfel, tehnologiile EAT și EST aparțin turbinelor electrice. EC așa cum eranotat - un mecanism separat, TEDC - un sistem convențional de turboalimentare echipat cu acesta.

Pro și contra

Acționarea turbinei de către un motor electric elimină principalele dezavantaje ale turbocompresoarelor mecanice.

• Fără întârziere, deoarece motorul electric poate învârti rotorul foarte repede.
• Nu există turbo lag cauzat de lipsa gazelor de eșapament, deoarece în acest caz motorul electric compensează lipsa de energie.
• Motorul electric vă permite să păstrați impulsul în timpul tranzitorii, cum ar fi anti-lag, fără efectele negative ale acestuia din urmă.
• Acest lucru oferă o gamă largă de operare și un cuplu constant.
• Unele tipuri de aceste mecanisme pot genera energie electrică, reducând sarcina generatorului și reducând consumul de combustibil.
• Recuperarea energiei pierdute este posibilă, așa cum Ferrari a implementat în motorul de Formula 1.
• Electroturbinele funcționează în condiții mai blânde și la viteze mai mici (100 mii în loc de 200-300 mii).

Cu toate acestea, această tehnologie are o serie de dezavantaje.

• Complexitate mare de design, inclusiv motor și controlere.
• Acest lucru cauzează un cost ridicat.
• În plus, complexitatea designului afectează fiabilitatea.
• Datorită numărului mare de elemente structurale (pe lângă turbină, aceasta include un motor electric, controlere, baterie), aceste turbocompresoare sunt mult mai mari și mai grele decât cele convenționale.

În plus, fiecare tip de turbină electrică este caracterizatcaracteristici specifice.

Tip	EC	EAT	EST	TEDC în amonte	TEDC în aval
Demnitate	Flexibilitate de control; flexibilitate aspect; lipsa inerției arborelui; no wastegate; fără contrapresiune	Compact; motor și invertor de putere mică; fără wastegate	Flexibilitate de control; flexibilitate aspect; lipsa inerției arborelui; fără wastegate	Ușor de instalat; lipsa inerției arborelui; motor și invertor de putere mică; Îmbunătățirea continuă a performanței	Răspuns tranzitoriu mai bun; ușor de instalat; motor și invertor de putere mică; Îmbunătățirea continuă a performanței
Defecte	Motor de mare putere și invertor; eficiență scăzută	Nevoia de răcire suplimentară; inerția suplimentară a arborelui; limită accelerație de creștere din cauza contrapresiunii	Motor de mare putere și invertor; pierdere de energie în timpul conversiei; Limită de boost boost din cauza contrapresiunii; necesită spațiu suplimentar de instalare	Răspuns tranzitoriu nu foarte rapid; necesită spațiu suplimentar de instalare; eficiență scăzută	Necesită spațiu suplimentar de instalare; eficiență scăzută

În ceea ce privește durabilitatea, conform IHI, turbinele electrice vor fi echivalente cu cele mecanice datorită funcționării în aceleași condiții într-un mod mai blând cu o complexitate mai mare a designului.

Relevanță

În ciuda performanțelor bune, turbinele electrice nu sunt în prezent utilizate pe scară largă pe mașinile produse în serie. Acest lucru se datorează costului și complexității lor ridicate. În plus, versiunile îmbunătățite de turbine mecanice (twin scroll și geometrie variabilă) au avantaje similare față de modificările inițiale (deși într-o măsură mai mică) la un cost mult mai mic. Acum EST folosește Ferrari în motorul de Formula 1. Potrivit lui Honeywell, utilizarea în masă a turbinelor electrice va începe la începutul următorului deceniu. Trebuie remarcat faptul că supraalimentatoarele electrice sunt deja folosite pe unele vehicule de serie, cum ar fi Honda Clarity, deoarece sunt mai simple.

Cele mai simple și de casă mecanisme

La începutul deceniului, au apărut pe piață mașini simple și ieftine, cum ar fi răcitoarele de computer, numite și turbine electrice. Sunt situate pe priză și funcționează cu baterie. Este posibil să se utilizeze astfel de turbine electrice atât pe carburator, cât și pe injector. Potrivit producătorilor, acestea măresc debitul de aer care intră în motor, accelerându-l, ceea ce oferă o creștere a performanței de până la 15%. În acest caz, parametrii (turații, debit, putere) nu sunt de obicei indicați. Este foarte ușor să instalați astfel de turbine electrice pe o mașină cu propriile mâini.

Cu toate acestea, în realitate, motoarele lor electrice dezvoltă până la câteva sute de wați, ceea ce nu este suficient pentru a crește volumul debitului, deoarece acesta necesită aproximativ 4 kW. Prin urmare, un astfel de dispozitiv va deveni un obstacol serios la intrare, în urma căruia, dimpotrivă, productivitatea va fi redusă. În cel mai bun caz, pierderile de la acesta vor fi mici, ceea ce nu va afecta în mod semnificativ dinamica.

În plus, pe internet puteți găsi evoluții privind crearea unei turbine electrice cu propriile mâini. Spre deosebire de opțiunile ieftine menționate mai sus, acestea sunt construite pe baza unui compresor centrifugal și a unui motor fără perii cu o putere de până la 17 kW și o tensiune de 50-70 V, deoarece numai un astfel de motor este capabil să ofere un cuplu suficient și viteza de rotire a compresorului. Motorul trebuie să fie echipat cu un regulator de viteză. Acest sistem nu necesită un intercooler - o admisie de rece este suficientă pentru el. Instalarea unei turbine electrice de acest tip poate necesita inlocuirea unui generator (pentru 90-100 A) si a unei baterii (pentru una mai incapatoare cu o iesire de curent mare). Viteza de rotație a compresorului este determinată de poziția clapetei de accelerație. În plus, dependența nu este liniară, ci exponențială.

Este indicat să se creeze astfel de turbine electrice pentru mașini cu motoare mici de până la 1,5 litri, din cauza consumului mare de energie. În plus, cu cât volumul motorului este mai mare, cu atât compresorul poate crea mai puțină presiune de supraalimentare. Deci, pe un motor de 0,7 litri, va fi 0,4-0,5 bar, pentru 1,5 litri - 0,2-0,3 bar. În plus, un astfel de supraalimentare nu va putea funcționa mult timp la performanță maximă din cauza încălzirii. Cu toate acestea, controlerul poate fi configurat pentru a forța activarea.

Datorita costului ridicat al componentelor, este foarte scump sa faci o astfel de turbina electrica. Recenziile indică o creștere măsurabilă a performanței.

În ceea ce privește designul, aceste mecanisme, ca și opțiunile ieftine menționate mai sus, sunt supraîncărcătoare electrice. Cu toate acestea, ele sunt adesea denumite în mod eronat turbine electrice. Acum, pe piață, există mișcări de marcă mai serioase, aproape de cele făcute în casă.

CV

Turbinele electrice sunt mai receptive, mai productive și mai eficiente decât cele mecanice și au caracteristici suplimentare. În același timp, pe de o parte, au un design complicat, dar, pe de altă parte, funcționează în condiții mai benigne.