Elektroturbína: vlastnosti, princíp činnosti, výhody a nevýhody práce, tipy na inštaláciu vlastnými rukami a recenzie vlastníkov

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-02-19 18:21

Sprísňujúce sa environmentálne predpisy sú automobilky nútené vyvíjať spôsoby, ako zlepšiť ekologickosť a účinnosť motorov pri zachovaní výkonu. V tomto ohľade sa systémy nútenej indukcie rozšírili. Kým v minulosti sa používali na zvýšenie produktivity, v súčasnosti sa využívajú ako prostriedok na zlepšenie hospodárnosti a šetrnosti k životnému prostrediu. Vďaka preplňovaniu dosiahnete rovnaký výkon ako na atmosférických motoroch, s menším počtom valcov a menším objemom. To znamená, že preplňované motory sú efektívnejšie. Ďalším spôsobom je využitie elektrickej energie ako samostatne (elektromotory), tak aj v kombinácii so spaľovacími motormi (hybridné elektrárne). Tento článok pojednáva o elektrických turbínach, ktoré kombinujú tieto prístupy.

Všeobecné funkcie

Neelektrické nútené sacie systémy sa podľa zdroja energie delia na turbodúchadlá a kompresory. Elektrické systémy na nich stavajú a ich cieľom je zlepšiť výkon počas prechodových javov.procesy a minimalizácia oneskorení.

Elektrické dúchadlo je podľa spoločnosti Honeywell kompresor poháňaný elektromotorom, ktorý je namontovaný na preplňovanom motore. To znamená, že ide o prídavné zariadenie pre turbomotor. Elektrická turbína je analógom mechanickej turbíny. Pohon v tomto prípade môže byť implementovaný rôznymi spôsobmi.

Podľa klasifikácie výskumníkov na University of Wisconsin-Madison sú elektrické systémy s nútenou indukciou rozdelené do nasledujúcich typov podľa konštrukcie a princípu činnosti:

• elektrické dúchadlá (EC/ET/ES);
• turbíny s elektrickým asistentom (EAT);
• elektricky oddelené turbíny (EST);
• turbíny s dodatočným elektricky poháňaným kompresorom (TEDC).

Design

Vyššie uvedené typy elektrických turbín majú odlišný dizajn. Tá spočíva v rôznom rozložení komponentov, v rozdieloch v ich technických parametroch atď.

EC

EC je kompresor poháňaný elektromotorom. Ide o vyššie spomínaný elektrický dúchadlo. Elektrický pohon poskytuje najväčšiu flexibilitu ovládania a schopnosť prevádzkovať kompresor v optimálnom prevádzkovom bode. To si však vyžaduje výkonné elektrické komponenty.

EAT

V EAT je vysokorýchlostný elektromotor namontovaný medzi turbínu a kompresor, zvyčajne na hriadeli. Vzhľadom na to, že nie je hlavným zdrojom energie, sú využívanéelektrické komponenty s nízkym výkonom. Výsledkom sú nízke náklady. Takéto turbodúchadlá majú navyše schopnosť samodetekovať polohu rotora a vyznačujú sa dobrými generačnými a motorickými schopnosťami. Hlavným problémom je vplyv vysokej teploty na elektromotor, najmä ak je inštalovaný vo vnútri krytu.

Existujú rôzne spôsoby, ako to vyriešiť. Napríklad BMW nainštalovalo spojky, ktoré umožňujú pripojenie a odpojenie elektromotora od hriadeľa. Vďaka tomu môže byť motor umiestnený mimo turbínu. G+L inotec použil motor s permanentným magnetom s veľkou vzduchovou medzerou, ktorý môže byť umiestnený aj vonku. Vnútorný priemer statora sa rovná vonkajšiemu priemeru kompresora a vonkajší priemer rotora sa rovná výstupnému priemeru hriadeľa. Vzduchová medzera môže slúžiť ako prívod vzduchu. To poskytuje výhody z hľadiska chladenia, zotrvačnosti a tepelného účinku. Navyše z hľadiska tepelnej stability a tepelnej regulácie sú v porovnaní s motorom s povrchovými permanentnými magnetmi výhodnejšie indukčné elektromotory s premenlivým magnetickým odporom, univerzálne kolektorové motory.

EST

V EST nie sú turbína a kompresor spojené hriadeľom a každý z nich je vybavený elektromotorom. To umožňuje, aby kolesá kompresora a turbíny pracovali pri rôznych rýchlostiach. Tento dizajn má podobné výhody ako ET, ale na rozdiel od neho je schopný generovať energiu. Navyše onaMá menší tepelný účinok v dôsledku oddelenia kompresora a turbíny, ako aj absencie dodatočnej zotrvačnosti od turbíny a jej hriadeľa. Oddelenie turbíny a kompresora je výhodné z hľadiska balenia, pretože umožňuje optimalizáciu dráhy prúdenia vzduchu. Táto technológia si však vyžaduje aj výkonný elektromotor, generátor a invertory na splnenie pomeru krútiaceho momentu/zotrvačnosti, čo však stojí náklady.

TEDC

TEDC je mechanická turbína s prídavným kompresorom poháňaným elektromotorom. Podľa umiestnenia kompresora vzhľadom na turbínu sú tieto systémy rozdelené do variantov pred a po prúde (nad a pod turbínou). Vo všeobecnosti sa vyznačujú výrazne lepšou odozvou pri prechodových dejoch „dole“vďaka nezávislosti elektromotora od zotrvačnosti turbíny a hriadeľa. Okrem toho sú nadväzujúce TEDC v tomto ohľade lepšie ako predradené možnosti vzhľadom na skutočnosť, že tieto sa vyznačujú veľkým objemom na udržanie tlaku. Ďalšou výhodou tohto typu elektrických turbín sú minimálne rozdiely od mechanických.

Princíp fungovania

Vyššie uvedené typy elektrických turbín sa líšia princípom činnosti. Pohon je teda implementovaný inak, niektoré sú schopné generovať energiu atď.

EC

V EC je kompresor poháňaný elektromotorom. Takýto systém nie je schopný generovať energiu, ale pre ňuúložný priestor je možné kombinovať s rekuperačným brzdovým systémom alebo vstavaným štartovacím generátorom.

EAT

V EAT pri nízkych otáčkach elektromotor dodáva kompresoru dodatočný krútiaci moment na zvýšenie plniaceho tlaku. Na „vrchoch“generuje energiu, ktorú je možné preniesť do zásobníka. Elektromotor navyše dokáže zabrániť prekročeniu rýchlosti turbíny. Môže sa však vyskytnúť efekt vysokého spätného tlaku, ktorý kompenzuje energiu extrahovanú z výfukových plynov.

Vďaka možnosti výroby elektriny z výfukových plynov sa takéto turbodúchadlá nazývajú hybridné. Na osobných autách môžu v závislosti od jazdného cyklu generovať od niekoľkých stoviek wattov až po kW. To vám umožní vymeniť alternátor a zároveň ušetriť palivo.

EST

V EST energia výfukových plynov nepoháňa kompresor priamo, ale pomocou generátora sa premieňa na elektrickú energiu. Kompresor je poháňaný uloženou energiou.

TEDC

V TEDC funguje elektromotor nezávisle od turbíny a ním poháňaný prídavný kompresor slúži na zvýšenie výkonu pri „dole“.

Dizajnové a funkčné rozdiely

Základné rozdiely medzi uvažovanými elektrickými systémami nútenej indukcie kombinujú výskumníci z University of Wisconsin-Madison v grafickej a tabuľkovej forme. Obrázok nižšie ukazuje schémy ich zariadenia (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC upstream, e - TEDC downstream).

Tabuľka odráža hlavné ustanovenia zariadenia. Patria sem zdroj energie, pohon kompresora, výkon elektrických komponentov. Okrem toho sú dôležité vlastnosti, ako sú rozmery a teplotný efekt.

Typ	EC	EAT	EST	TEDC
Zdroj energie	Batéria	Výfukové plyny / batéria	Výfukové plyny / batéria	Výfukové plyny / batéria
Výkon elektromotora a meniča	Vysoký	Nízke	Vysoký	Nízke
Vplyv teploty	Nízke	Vysoký	Nízke	Nízke
Veľkosť	Small	Stredné	Big	Big
Elektrická turbína	Nie	Áno	Áno	Nie
Turbo-elektrický pohon kompresora	Nie	Áno	Nie	Nie

Technológie EAT a EST teda patria k elektrickým turbínam. EC ako bolopoznamenané - samostatný mechanizmus, TEDC - ním vybavený konvenčný systém preplňovania turbodúchadlom.

Pre a proti

Pohon turbíny elektromotorom odstraňuje hlavné nevýhody mechanických turbodúchadiel.

• Žiadne oneskorenie, pretože elektromotor dokáže veľmi rýchlo roztočiť rotor.
• Nedochádza k žiadnemu oneskoreniu turba spôsobenému nedostatkom výfukových plynov, keďže v tomto prípade nedostatok energie kompenzuje elektromotor.
• Elektrický motor vám umožňuje udržiavať zosilnenie počas prechodných javov, ako je napríklad anti-lag, bez negatívnych účinkov tohto.
• To poskytuje široký prevádzkový rozsah a konzistentný krútiaci moment.
• Niektoré typy týchto mechanizmov dokážu generovať elektrinu, čím sa znižuje zaťaženie generátora a spotreba paliva.
• Obnovenie stratenej energie je možné, pretože Ferrari implementovalo motor Formuly 1.
• Elektroturbíny pracujú v šetrnejších podmienkach a pri nižších otáčkach (100 tisíc namiesto 200-300 tisíc).

Táto technológia má však niekoľko nevýhod.

• Veľká zložitosť dizajnu vrátane motora a ovládačov.
• To spôsobuje vysoké náklady.
• Okrem toho zložitosť dizajnu ovplyvňuje spoľahlivosť.
• Vzhľadom na veľké množstvo konštrukčných prvkov (okrem turbíny sem patrí elektromotor, ovládače, batéria) sú tieto turbodúchadlá oveľa väčšie a ťažšie ako bežné.

Okrem toho je charakteristický každý typ elektrickej turbínyšpecifické funkcie.

Typ	EC	EAT	EST	TEDC upstream	downstream TEDC
Dignity	Flexibilita ovládania; flexibilita rozloženia; nedostatok zotrvačnosti hriadeľa; no wastegate; bez protitlaku	Compact; motor s nízkym výkonom a menič; no wastegate	Flexibilita ovládania; flexibilita rozloženia; nedostatok zotrvačnosti hriadeľa; no wastegate	Jednoduchá inštalácia; nedostatok zotrvačnosti hriadeľa; motor s nízkym výkonom a menič; Neustále zlepšovanie výkonu	Lepšia prechodná odozva; jednoduchá inštalácia; motor s nízkym výkonom a menič; Neustále zlepšovanie výkonu
Chyby	Motor a menič s vysokým výkonom; nízka účinnosť	Potreba dodatočného chladenia; dodatočná zotrvačnosť hriadeľa; zvýšiť limit zrýchlenia v dôsledku spätného tlaku	Motor a menič s vysokým výkonom; strata energie počas premeny; limitzosilnenie vďaka spätnému tlaku; vyžaduje dodatočný inštalačný priestor	Nie veľmi rýchla prechodná odozva; vyžaduje dodatočný inštalačný priestor; nízka účinnosť	Vyžaduje dodatočný inštalačný priestor; nízka účinnosť

Pokiaľ ide o životnosť, podľa IHI budú elektrické turbíny rovnocenné s mechanickými vďaka prevádzke v rovnakých podmienkach v šetrnejšom režime s väčšou konštrukčnou zložitosťou.

Relevantnosť

Napriek dobrému výkonu sa elektrické turbíny v súčasnosti v sériovo vyrábaných automobiloch veľmi nepoužívajú. Je to spôsobené ich vysokými nákladmi a zložitosťou. Navyše vylepšené verzie mechanických turbín (twin scroll a variabilná geometria) majú podobné výhody oproti prvotným úpravám (aj keď v menšom rozsahu) za oveľa nižšie náklady. Teraz EST používa Ferrari v motore Formuly 1. Podľa Honeywell sa masové používanie elektrických turbín začne začiatkom budúceho desaťročia. Treba poznamenať, že elektrické kompresory sa už používajú na niektorých sériových vozidlách, ako je napríklad Honda Clarity, pretože sú jednoduchšie.

Najjednoduchšie a domáce mechanizmy

Začiatkom desaťročia sa na trhu objavili jednoduché, lacné stroje ako počítačové chladiče, nazývané aj elektrické turbíny. Sú umiestnené na prívode a sú napájané z batérie. Takéto elektrické turbíny je možné použiť ako na karburátore, tak aj na vstrekovači. Podľa výrobcov zvyšujú prietok vzduchu vstupujúceho do motora, čím ho urýchľujú, čo vedie k zvýšeniu výkonu až o 15 %. V tomto prípade sa parametre (otáčky, prietok, výkon) zvyčajne neuvádzajú. Je veľmi jednoduché nainštalovať takéto elektrické turbíny na auto vlastnými rukami.

V skutočnosti však ich elektromotory vyvinú až niekoľko stoviek wattov, čo nestačí na zvýšenie objemu prietoku, pretože to vyžaduje približne 4 kW. Preto sa takéto zariadenie stane vážnou prekážkou na vstupe, v dôsledku čoho sa naopak zníži produktivita. V najlepšom prípade budú straty z neho malé, čo výrazne neovplyvní dynamiku.

Okrem toho na internete môžete nájsť vývoj v oblasti vytvárania elektrickej turbíny vlastnými rukami. Na rozdiel od vyššie uvedených lacných možností sú postavené na báze odstredivého kompresora a bezkomutátorového motora s výkonom do 17 kW a napätím 50-70 V, pretože iba takýto motor je schopný poskytnúť dostatočný krútiaci moment a rýchlosť otáčania kompresora. Motor musí byť vybavený regulátorom otáčok. Tento systém nevyžaduje medzichladič - stačí mu prívod chladu. Inštalácia elektrickej turbíny tohto typu môže vyžadovať výmenu generátora (pre 90-100 A) a batérie (za priestrannejšiu s vysokým prúdovým výstupom). Rýchlosť otáčania kompresora je určená polohou škrtiacej klapky. Navyše závislosť nie je lineárna, ale exponenciálna.

Takéto elektrické turbíny je vhodné vytvárať pre autá s malými motormi do 1,5 litra, kvôli vysokej spotrebe energie. Navyše, čím väčší je objem motora, tým menší plniaci tlak dokáže kompresor vytvoriť. Takže na 0,7-litrovom motore to bude 0,4-0,5 baru, pre 1,5 litra - 0,2-0,3 baru. Navyše, takéto preplňovanie nebude schopné kvôli zahrievaniu dlhodobo fungovať na maximálny výkon. Ovládač však možno nakonfigurovať tak, aby aktiváciu vynútil.

Vzhľadom na vysoké náklady na komponenty je výroba takejto elektrickej turbíny veľmi nákladná. Recenzie naznačujú merateľný nárast výkonu.

Z hľadiska dizajnu sú tieto mechanizmy, podobne ako vyššie uvedené lacné možnosti, elektrické kompresory. Často sú však mylne označované ako elektrické turbíny. Teraz sú na trhu serióznejšie značkové pohyby, ktoré sú blízke domácej výrobe.

CV

Elektrické turbíny sú citlivejšie, produktívnejšie a efektívnejšie ako mechanické a majú ďalšie funkcie. Zároveň majú na jednej strane komplikovaný dizajn, no na druhej strane fungujú v priaznivejších podmienkach.