Elektroturbina: značilnosti, načelo delovanja, prednosti in slabosti dela, nasveti za namestitev z lastnimi rokami in ocene lastnikov

2024 Avtor: Erin Ralphs | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-02-19 18:23

Z zaostrovanjem okoljskih predpisov so proizvajalci avtomobilov prisiljeni razvijati načine za izboljšanje okolju prijaznosti in učinkovitosti motorjev ob ohranjanju zmogljivosti. V zvezi s tem so postali razširjeni sistemi s prisilno indukcijo. Medtem ko so se v preteklosti uporabljali za povečanje produktivnosti, se danes uporabljajo kot sredstvo za izboljšanje gospodarnosti in prijaznosti do okolja. Zahvaljujoč polnjenju lahko dosežete enake zmogljivosti kot pri atmosferskih motorjih, z manj cilindri in manjšo prostornino. To pomeni, da so motorji s kompresorjem učinkovitejši. Druga metoda je uporaba električne energije tako ločeno (elektromotorji) kot v kombinaciji z motorji z notranjim zgorevanjem (hibridne elektrarne). Ta članek obravnava električne turbine, ki združujejo te pristope.

Splošne funkcije

Neelektrični sistemi s prisilno indukcijo glede na vir energije so razvrščeni v turbo polnilnike in kompresorje. Električni sistemi temeljijo na njih in si prizadevajo izboljšati delovanje med prehodnimi pojavi.procesi in zmanjševanje zamikov.

Električni puhalnik je po Honeywellu kompresor, ki ga poganja električni motor, ki je nameščen na motor s kompresorjem. To pomeni, da je to dodatna naprava za turbo motor. Električna turbina je analog mehanske turbine. Pogon je v tem primeru mogoče izvesti na različne načine.

Po klasifikaciji raziskovalcev na Univerzi Wisconsin-Madison se električni sistemi prisilne indukcije po zasnovi in principu delovanja razlikujejo v naslednje vrste:

• električna puhala (EC/ET/ES);
• turbine z električnim pomočnikom (EAT);
• električno ločene turbine (EST);
• turbine z dodatnim kompresorjem na električni pogon (TEDC).

Oblikovanje

Zgornje vrste električnih turbin imajo drugačno zasnovo. To je v različnih postavitvah komponent, v razlikah v njihovih tehničnih parametrih itd.

EC

EC je kompresor na električni motor. To je zgoraj omenjeni električni puhalnik. Električni pogon zagotavlja največjo prilagodljivost krmiljenja in možnost delovanja kompresorja na optimalni delovni točki. Vendar pa to zahteva močne električne komponente.

JEJ

V EAT je hitri elektromotor nameščen med turbino in kompresorjem, običajno na gredi. Zaradi dejstva, da ni glavni vir energije, se uporabljajoelektrične komponente nizke moči. Posledica tega so nizki stroški. Poleg tega imajo takšni turbopolnilniki sposobnost samozaznavanja položaja rotorja in so značilni za dobre zmogljivosti generiranja in motorja. Glavna težava je vpliv visoke temperature na elektromotor, še posebej, če je nameščen znotraj ohišja.

Obstajajo različni načini za rešitev. BMW je na primer namestil sklopke, ki omogočajo priključitev in odklop elektromotorja z gredi. Zahvaljujoč temu je mogoče motor postaviti izven turbine. G+L inotec je uporabil motor s trajnimi magneti z veliko zračno režo, ki se lahko nahaja tudi zunaj. Notranji premer statorja je enak zunanjemu premeru kompresorja, zunanji premer rotorja pa je enak izstopnemu premeru gredi. Zračna reža lahko deluje kot dovod zraka. To zagotavlja prednosti v smislu hlajenja, vztrajnosti in toplotnega učinka. Poleg tega so indukcijski elektromotorji s spremenljivo magnetno upornostjo, univerzalni kolektorski motorji z vidika termične stabilnosti in termičnega nadzora bolj zaželeni v primerjavi z motorjem s površinskimi trajnimi magneti.

EST

V EST turbina in kompresor nista povezana z gredjo, vsaka od njiju pa je opremljena z elektromotorjem. To omogoča, da kolesa kompresorja in turbine delujejo pri različnih hitrostih. Ta zasnova ima podobne prednosti kot ET, vendar za razliko od nje lahko proizvaja energijo. Poleg tega je onaIma manjši toplotni učinek zaradi ločitve kompresorja in turbine, pa tudi zaradi odsotnosti dodatne vztrajnosti od turbine in njene gredi. Ločitev turbine in kompresorja je z vidika embalaže ugodna, saj omogoča optimizacijo poti pretoka zraka. Vendar pa ta tehnologija zahteva tudi zmogljiv električni motor, generator in pretvornike, da izpolni razmerje navor/vztrajnost, kar ima svoje stroške.

TEDC

TEDC je mehanska turbina z dodatnim kompresorjem, ki ga poganja električni motor. Glede na lokacijo kompresorja glede na turbino so ti sistemi razvrščeni v možnosti navzgor in navzdol (nad in pod turbino). Nasploh jih odlikuje bistveno boljša odzivnost pri prehodnih pojavah na »dno« zaradi neodvisnosti elektromotorja od vztrajnosti turbine in gredi. Poleg tega so nadaljnji TEDC v tem pogledu boljši od zgornjih možnosti zaradi dejstva, da je za slednje značilna velika prostornina za vzdrževanje tlaka. Druga prednost te vrste električnih turbin je minimalna razlika od mehanskih.

Načelo delovanja

Zgornje vrste električnih turbin se razlikujejo po principu delovanja. Torej je pogon drugače implementiran, nekateri od njih lahko proizvajajo energijo itd.

EC

V EC kompresor poganja električni motor. Tak sistem ni sposoben proizvajati energije, ampak zanjoshranjevanje se lahko kombinira z regenerativnim zavornim sistemom ali vgrajenim zaganjalnikom.

JEJ

V EAT pri nizkih vrtljajih električni motor zagotavlja dodaten navor kompresorju za povečanje tlaka polnjenja. Na "vrhih" ustvarja energijo, ki jo je mogoče prenesti v skladišče. Poleg tega lahko elektromotor prepreči, da bi turbina presegla omejitev hitrosti. Lahko pa se pojavi učinek visokega protitlaka, ki kompenzira energijo, pridobljeno iz izpušnih plinov.

Zaradi možnosti pridobivanja električne energije iz izpušnih plinov se takšni turbopolnilniki imenujejo hibridni. Na osebnih avtomobilih, odvisno od voznega cikla, lahko proizvedejo od nekaj sto vatov do kW. To vam omogoča zamenjavo alternatorja ob varčevanju z gorivom.

EST

V EST energija izpušnih plinov ne poganja kompresorja neposredno, ampak se z generatorjem pretvori v električno energijo. Kompresor poganja shranjena energija.

TEDC

V TEDC električni motor deluje neodvisno od turbine, dodatni kompresor, ki ga poganja, pa služi povečanju povečanja na "spodaj".

razlike v dizajnu in funkciji

Temeljne razlike med obravnavanimi električnimi sistemi prisilne indukcije so raziskovalci z univerze Wisconsin-Madison združili v grafični in tabelarni obliki. Spodnja slika prikazuje diagrame njihove naprave (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC navzgor, e - TEDC navzdol).

Tabela odraža glavne določbe naprave. Sem spadajo vir energije, pogon kompresorja, moč električnih komponent. Poleg tega so pomembne lastnosti, kot so dimenzije in temperaturni učinek.

Vrsta	EC	JEJ	EST	TEDC
Vir energije	baterija	Izpušni plini/baterija	Izpušni plini/baterija	Izpušni plini/baterija
Moč elektromotorja in pretvornika	visoko	Nizka	visoko	Nizka
temperaturni učinek	Nizka	visoko	Nizka	Nizka
Velikost	Majhna	srednje	Veliko	Veliko
Električna turbina	Ne	Da	Da	Ne
Pogon turboelektričnega kompresorja	Ne	Da	Ne	Ne

Tako tehnologiji EAT in EST pripadata električnim turbinam. EC kot je bilaopozoriti - ločen mehanizem, TEDC - običajen sistem turbopolnilnika, opremljen z njim.

Prednosti in slabosti

Pogon turbine z elektromotorjem odpravlja glavne pomanjkljivosti mehanskih turbopolnilnikov.

• Brez zamika, saj lahko električni motor zelo hitro zavrti rotor.
• Turbo zamika zaradi pomanjkanja izpušnih plinov ni, saj elektromotor v tem primeru kompenzira pomanjkanje energije.
• Elektromotor vam omogoča ohranjanje povečanja med prehodnimi dogodki, kot je anti-lag, brez negativnih učinkov slednjega.
• To zagotavlja široko območje delovanja in dosleden navor.
• Nekatere vrste teh mehanizmov lahko proizvajajo električno energijo, zmanjšajo obremenitev generatorja in zmanjšajo porabo goriva.
• Povrnitev izgubljene energije je možna, saj je Ferrari implementiral v motor Formule 1.
• Elektroturbine delujejo v bolj nežnih pogojih in pri nižjih hitrostih (100 tisoč namesto 200-300 tisoč).

Vendar ima ta tehnologija številne pomanjkljivosti.

• Velika zapletenost dizajna, vključno z motorjem in krmilniki.
• To povzroča visoke stroške.
• Poleg tega kompleksnost zasnove vpliva na zanesljivost.
• Zaradi velikega števila strukturnih elementov (poleg turbine so tu še elektromotor, krmilniki, baterija) so ti turbopolnilniki veliko večji in težji od običajnih.

Poleg tega je vsak tip električne turbine označenposebne lastnosti.

Vrsta	EC	JEJ	EST	TEDC navzgor	TEDC navzdol
Dignity	Nadzorna prilagodljivost; prilagodljivost postavitve; pomanjkanje vztrajnosti gredi; brez izpusta; brez protitlaka	kompaktna; motor in pretvornik nizke moči; brez izpusta	Nadzorna prilagodljivost; prilagodljivost postavitve; pomanjkanje vztrajnosti gredi; brez izpusta	Enostavna namestitev; pomanjkanje vztrajnosti gredi; motor in pretvornik nizke moči; Nenehno izboljševanje učinkovitosti	Boljši prehodni odziv; enostavna namestitev; motor in pretvornik nizke moči; Nenehno izboljševanje učinkovitosti
pomanjkljivosti	Motor in pretvornik velike moči; nizka učinkovitost	Potreba po dodatnem hlajenju; dodatna vztrajnost gredi; povečaj mejo pospeška zaradi protitlaka	Motor in pretvornik velike moči; izguba energije med pretvorbo; omejitevpovečanje povečanja zaradi protitlaka; potreben dodaten prostor za namestitev	Ne zelo hiter prehodni odziv; potreben dodaten prostor za namestitev; nizka učinkovitost	Potrebuje dodaten prostor za namestitev; nizka učinkovitost

Glede na vzdržljivost bodo po IHI-ju električne turbine enakovredne mehanskim zaradi delovanja v enakih pogojih v bolj nežnem načinu z večjo kompleksnostjo oblikovanja.

Relevantnost

Kljub dobrim zmogljivostim, se električne turbine trenutno ne uporabljajo široko pri množično proizvedenih avtomobilih. To je posledica njihovih visokih stroškov in zapletenosti. Poleg tega imajo izboljšane različice mehanskih turbin (twin scroll in spremenljiva geometrija) podobne prednosti pred začetnimi modifikacijami (čeprav v manjši meri) po precej nižji ceni. Zdaj EST uporablja Ferrari v motorju formule 1. Po besedah Honeywella se bo množična uporaba električnih turbin začela v začetku naslednjega desetletja. Treba je opozoriti, da se električni polnilniki že uporabljajo pri nekaterih serijskih vozilih, kot je Honda Clarity, saj so enostavnejši.

Najenostavnejši in domači mehanizmi

Na začetku desetletja so se na trgu pojavili preprosti, poceni stroji, kot so računalniški hladilniki, imenovani tudi električne turbine. Nahajajo se na vhodu in delujejo na baterije. Takšne električne turbine je mogoče uporabiti tako na uplinjačih kot na injektorju. Po navedbah proizvajalcev povečajo pretok zraka, ki vstopa v motor, in ga pospešuje, kar omogoča povečanje zmogljivosti do 15%. V tem primeru parametri (vrtljaji, pretok, moč) običajno niso navedeni. Takšne električne turbine je zelo enostavno namestiti na avto z lastnimi rokami.

V resnici pa njihovi elektromotorji razvijejo do nekaj sto vatov, kar pa ni dovolj za povečanje pretoka, saj to zahteva približno 4 kW. Zato bo takšna naprava postala resna ovira na vhodu, zaradi česar se bo, nasprotno, produktivnost zmanjšala. V najboljšem primeru bodo izgube zaradi tega majhne, kar ne bo bistveno vplivalo na dinamiko.

Poleg tega lahko na internetu najdete razvoje pri ustvarjanju električne turbine z lastnimi rokami. Za razliko od zgoraj omenjenih poceni možnosti so zgrajeni na osnovi centrifugalnega kompresorja in brezkrtačnega motorja z močjo do 17 kW in napetostjo 50-70 V, saj je le tak motor sposoben zagotoviti zadosten navor in hitrost vrtenja kompresorja. Motor mora biti opremljen z regulatorjem hitrosti. Ta sistem ne potrebuje intercoolerja - zanj zadostuje že hladen vnos. Namestitev električne turbine te vrste lahko zahteva zamenjavo generatorja (za 90-100 A) in baterije (za bolj zmogljivo z visoko izhodno močjo). Hitrost vrtenja kompresorja je določena s položajem dušilke. Poleg tega odvisnost ni linearna, ampak eksponentna.

Priporočljivo je izdelati takšne električne turbine za avtomobile z majhnimi motorji do 1,5 litra, zaradi velike porabe energije. Poleg tega večja kot je prostornina motorja, manjši je tlak polnjenja, ki ga lahko ustvari polnilnik. Torej, pri 0,7-litrskem motorju bo 0,4-0,5 bara, za 1,5 litra - 0,2-0,3 bara. Poleg tega tak polnilnik zaradi segrevanja ne bo mogel dolgo časa delovati pri največji zmogljivosti. Vendar pa je krmilnik mogoče konfigurirati tako, da vsili aktivacijo.

Zaradi visokih stroškov komponent je izdelava takšne električne turbine zelo draga. Mnenja kažejo na merljivo povečanje učinkovitosti.

V smislu oblikovanja so ti mehanizmi, tako kot zgoraj omenjene poceni možnosti, električni kompresorji. Vendar jih pogosto napačno imenujemo električne turbine. Zdaj so na trgu resnejši gibi blagovnih znamk, ki so blizu domačim.

CV

Električne turbine so bolj odzivne, produktivne in učinkovite od mehanskih in imajo dodatne funkcije. Hkrati imajo po eni strani zapleteno zasnovo, po drugi strani pa delujejo v bolj benignih pogojih.