Turbina elektryczna: charakterystyka, zasada działania, wady i zalety eksploatacji, wskazówki dotyczące montażu ręcznego oraz opinie właścicieli

W obliczu zaostrzających się przepisów dotyczących ochrony środowiska, producenci samochodów musieli wymyślić sposoby na uczynienie silników bardziej przyjaznymi dla środowiska i wydajnymi, przy jednoczesnym zachowaniu ich osiągów. Z tego powodu systemy wymuszonej indukcji stały się powszechne. Podczas gdy w przeszłości były one wykorzystywane do poprawy wydajności, obecnie są wykorzystywane jako środek do poprawy wydajności ekonomicznej i środowiskowej. Dzięki doładowaniu można osiągnąć takie same wartości jak w przypadku silników atmosferycznych - przy mniejszej liczbie cylindrów i mniejszej objętości. To znaczy, że silniki z doładowaniem są bardziej wydajne. Inną metodą jest wykorzystanie energii elektrycznej, albo samej (silniki elektryczne), albo w połączeniu z silnikami spalinowymi (hybrydowe układy napędowe). W tym artykule przyglądamy się turbinom, które łączą te podejścia.

Cechy wspólne

Nieelektryczne systemy wymuszonej indukcji są klasyfikowane według ich źródła energii na turbosprężarki i doładowania. Systemy elektryczne bazują na nich i mają na celu poprawę parametrów przejściowych i minimalizację opóźnienia.

Według Honeywell, elektryczny doładowanie jest elektrycznie napędzaną sprężarką, która jest zamontowana na silniku doładowania. Innymi słowy, jest to urządzenie pomocnicze dla silnika turbo. Turbina elektryczna - odpowiednik turbiny mechanicznej. Napęd w tym przypadku może być realizowany na różne sposoby.

Zgodnie z klasyfikacją badaczy z Uniwersytetu Wisconsin-Madison, elektryczne systemy wymuszonej indukcji z założenia i zasada działania są zróżnicowane na następujące rodzaje:

• elektryczne doładowania (EC/ET/ES);
• turbina wspomagana elektrycznie (EAT);
• Turbiny rozdzielone elektrycznie (EST);
• turbina z pomocniczą sprężarką o napędzie elektrycznym (TEDC).

projekt

Powyższe typy turbin elektrycznych mają różne konstrukcje. Wynika to z różnych układów elementów, różnych parametrów technicznych itp. д.

EC

EC to sprężarka napędzana silnikiem elektrycznym. To jest wspomniana wcześniej elektryczna turbosprężarka. Napęd elektryczny zapewnia większą elastyczność sterowania i umożliwia pracę sprężarki w optymalnym punkcie pracy. Wymaga to jednak zastosowania elementów elektrycznych o dużej mocy.

ZJEDZ

W EAT wysokoobrotowy silnik elektryczny jest zamontowany pomiędzy turbiną a sprężarką, zwykle na wale. Ponieważ nie jest ona głównym źródłem energii, stosuje się elementy elektryczne o małej mocy. Dzięki temu jest niedrogi. Ponadto takie turbosprężarki mają zdolność do samodzielnego ustalania położenia wirnika i charakteryzują się dobrymi zdolnościami prądotwórczymi i motorycznymi. Głównym problemem jest narażenie silnika elektrycznego na wysoką temperaturę, zwłaszcza gdy jest on zainstalowany wewnątrz obudowy.

Istnieją różne rozwiązania. BMW, na przykład, zainstalowało sprzęgła umożliwiające podłączenie i odłączenie silnika elektrycznego od wału. Dzięki temu silnik może być umieszczony poza turbiną. Firma G+L inotec zastosowała silnik z magnesem trwałym z dużą szczeliną powietrzną, który może być umieszczony również na zewnątrz. Średnica wewnętrzna stojana jest równa średnicy zewnętrznej sprężarki, a średnica zewnętrzna wirnika jest równa średnicy wyjściowej wału. Szczelina powietrzna może działać jako wlot powietrza. Zapewnia to korzyści w zakresie chłodzenia, bezwładności i efektu cieplnego. Ponadto, pod względem stabilności termicznej i kontroli temperatury, silniki indukcyjne o zmiennym oporze magnetycznym, silniki z kolektorem uniwersalnym są lepsze od silników z powierzchniowymi magnesami trwałymi.

EST

W EST turbina i sprężarka nie są połączone wałem, a każda z nich wyposażona jest w silnik elektryczny. Dzięki temu koła sprężarki i turbiny mogą pracować z różnymi prędkościami. Konstrukcja ta ma podobne zalety jak ET, ale w przeciwieństwie do ET jest w stanie generować moc. Ma również niższy efekt temperaturowy ze względu na oddzielenie sprężarki i turbiny oraz brak dodatkowej bezwładności turbiny i jej wału. Rozdzielenie turbiny i sprężarki jest korzystne z punktu widzenia układu, ponieważ optymalizuje drogę przepływu powietrza. Jednak ta technologia wymaga również mocnego silnika elektrycznego, generatora i falownika, aby spełnić stosunek momentu obrotowego do bezwładności, co ma wpływ na koszt.

TEDC

TEDC to turbina mechaniczna z dodatkową sprężarką napędzaną przez silnik elektryczny. Pod względem usytuowania sprężarki względem turbiny układy te dzieli się na warianty upstream i downstream (odpowiednio nad i pod turbiną). Ogólnie rzecz biorąc, charakteryzują się one znacznie lepszymi osiągami niż turbosprężarki mechaniczne reakcja na Transjenty w dół rzeki z powodu niezależności silnika od bezwładności turbiny i wału. Pod tym względem TEDC są lepsze od wersji upstream, ponieważ, że ten ostatni charakteryzują się dużą objętością do utrzymania ciśnienia. Kolejną zaletą tego typu turbiny elektrycznej jest to, że różni się ona nieco od turbin mechanicznych w.

Zasada działania

Rodzaje stosowanych turbin elektrycznych są różne zasada działania. Tak więc napęd jest różnie realizowany, niektóre są w stanie generować energię itp. д.

EC

W EC sprężarka jest napędzana przez silnik elektryczny. Nie jest zdolny do wytwarzania energii, ale może być połączony z systemem hamowania odzyskowego lub zintegrowanym generatorem rozruchowym w celu przechowywania energii.

ZJEDZ

Przy niskiej prędkości obrotowej EAT silnik elektryczny dostarcza sprężarce dodatkowy moment obrotowy, aby podnieść ciśnienie doładowania. W górnej części wytwarza energię, która może być przekazana do magazynu. Dodatkowo silnik elektryczny może zapobiec przekroczeniu przez turbinę limitu prędkości obrotowej. Może jednak powstać efekt wysokiego ciśnienia wstecznego, który kompensuje energię pozyskiwaną ze spalin.

Ze względu na możliwość wytwarzania energii elektrycznej ze spalin, turbosprężarki te nazywane są turbosprężarkami hybrydowymi. W samochodach osobowych, w zależności od cyklu jazdy, mogą one generować od kilkuset watów do kW. Dzięki temu można zastąpić generator, oszczędzając paliwo.

EST

W EST energia ze spalin nie jest bezpośrednio napędzana przez sprężarkę, lecz jest przetwarzana na energię elektryczną za pomocą generatora. Sprężarka jest napędzana przez zmagazynowaną energię.

TEDC

W TEDC silnik elektryczny pracuje niezależnie od turbiny, a sprężarka pomocnicza napędzana przez silnik elektryczny służy do zwiększenia doładowania przy niskich prędkościach obrotowych silnika.

Różnice strukturalne i funkcjonalne

Różnice w zasadzie pomiędzy badanymi elektrycznymi systemami indukcji wymuszonej zostały podsumowane graficznie i tabelarycznie przez badaczy z Uniwersytetu Wisconsin-Madison. Na rysunku poniżej przedstawiono schematy ich urządzeń (a - EAT, b - EC, c - EST, d - upstream TEDC, e - downstream TEDC).

W tabeli przedstawiono główne cechy urządzenia. Należą do nich: źródło energii, napęd sprężarki, moc elementów elektrycznych. Ważny jest również rozmiar i wpływ temperatury.

Zatem technologie EAT i EST odnoszą się do turbin elektrycznych. EC, jak wspomniano, to osobny mechanizm, TEDC to konwencjonalny system turbodoładowania.

Zalety i wady

Napęd elektryczny turbiny eliminuje główne wady turbosprężarek mechanicznych.

• Brak opóźnienia, ponieważ silnik elektryczny może zapewnić bardzo wysoką prędkość obrotową wirnika.
• Nie ma turbo opóźnienia z powodu braku spalin, ponieważ brak mocy jest kompensowany przez silnik elektryczny.
• Silnik elektryczny może utrzymywać doładowanie podczas stanów przejściowych jak anti-lag bez negatywnych skutków tego ostatniego.
• Zapewnia to szeroki zakres pracy i równomierny moment obrotowy.
• Niektóre rodzaje tych mechanizmów są w stanie generować energię elektryczną, zmniejszając obciążenie generatora i zmniejszając zużycie paliwa.
• Utracona energia może zostać odzyskana, co zostało wdrożone przez Ferrari w silniku "Formuła 1".
• Turbiny elektryczne pracują w łagodniejszych warunkach i przy niższych prędkościach (100k obr/min). zamiast 200-300 tys.).

Technologia ta ma jednak szereg wad.

• Wysoka złożoność konstrukcji, w tym silnika elektrycznego i sterowników.
• Powoduje to wysokie koszty.
• Do tego dochodzi złożoność konstrukcji, która niesie ze sobą wysoki stopień niezawodności.
• Ze względu na dużą liczbę komponentów (oprócz turbiny jest to również silnik elektryczny, sterowniki i akumulator) turbosprężarki te są znacznie większe i cięższe niż konwencjonalne turbiny.

Ponadto każdy typ turbiny elektrycznej ma swoje własne cechy szczególne.

Pod względem trwałości, według IHI, turbiny elektryczne będą równoważne z turbinami mechanicznymi ze względu na pracę w tych samych warunkach w sposób bardziej wyrozumiały tryb przy większa złożoność projektu.

Znaczenie

Pomimo swoich dobrych cech, turbiny elektryczne nie są obecnie powszechnie stosowane w pojazdach użytkowych. Wynika to z ich wysokich kosztów i złożoności. Ponadto ulepszone warianty turbin mechanicznych (twin-scroll i o zmiennej geometrii) oferują podobne zalety jak (choć mniejsze) oryginalne konstrukcje przy znacznie niższych kosztach. EST używa teraz Ferrari w silniku "Formuła 1". Według Honeywell, masowe zastosowanie turbin elektrycznych rozpocznie się na początku następnej dekady. Należy zauważyć, że elektryczne doładowania są już stosowane w niektórych samochodach produkcyjnych, takich jak Honda Clarity, ponieważ są prostsze.

Najprostsze i najbardziej domowe przekładnie

Na początku dekady na rynku pojawiły się proste, tanie mechanizmy, takie jak chłodnice komputerowe, zwane też turbinami elektrycznymi. Są one zasilane bateryjnie. Możliwe jest zastosowanie takich turbin elektrycznych zarówno na gaźniku jak i na wtryskiwaczu. Producenci twierdzą, że zwiększają one przepływ napływającego do silnika powietrza poprzez jego przyspieszenie, co skutkuje wzrostem osiągów nawet o 15%. Parametry (prędkość, przepływ, moc) zwykle nie są określone. Bardzo łatwo jest zainstalować taką turbinę elektryczną na samochodzie własnymi rękami.

W rzeczywistości jednak ich silniki rozwijają moc do kilkuset watów, co nie wystarcza do zwiększenia strumienia objętości, gdyż wymaga to około 4 kW. Takie urządzenie stanowiłoby zatem poważne wąskie gardło wlotu, co skutkowałoby zmniejszeniem przepustowości. W najlepszym wypadku straty z tego tytułu będą niewielkie, bez zauważalnego wpływu na dynamikę.

Ponadto, możliwe jest znalezienie w Internecie, aby zbudować turbinę elektryczną własnymi rękami. W przeciwieństwie do tanich opcji wymienionych powyżej, opierają się one na sprężarce odśrodkowej i silniku bezkomutatorowym o mocy do 17 kW i napięciu 50-70 V, ponieważ tylko taki silnik może zapewnić wystarczający moment obrotowy i obroty do obracania sprężarki. Silnik musi być wyposażony w regulator prędkości obrotowej. Ten system nie wymaga intercoolera - wystarczy zimny dolot. Instalacja takiej turbiny elektrycznej może wymagać wymiany generatora (dla 90-100 A) i akumulatora (dla tego o większej pojemności prądowej). Prędkość sprężarki jest określana przez położenie przepustnicy. Ta zależność nie jest liniowa, ale wykładnicza.

Wskazane jest tworzenie takich turbin elektrycznych dla samochodów z małymi silnikami do 1,5 litra, ze względu na duży pobór mocy. Im większa objętość skokowa silnika, tym niższe będzie ciśnienie doładowania turbosprężarki. Przykładowo będzie to 0,4-0,5 bara dla silnika 0,7 litra i 0,2-0,3 bara dla 1,5 litra. Ponadto, taki doładowanie nie będzie w stanie funkcjonować przez długi czas na maksymalna wydajność w wyniku ogrzewania. Regulator można jednak ustawić na wymuszoną aktywację.

Ze względu na wysokie koszty komponentów, budowa takiej dmuchawy elektrycznej jest bardzo kosztowna. Informacje zwrotne wskazują na zauważalny wzrost wydajności.

Pod względem konstrukcyjnym maszyny te, podobnie jak wspomniane najtańsze wersje, są doładowane elektrycznie. jednak często są one błędnie nazywane turbinami elektrycznymi. Na rynku są teraz poważniejsze mechanizmy własnościowe, bliskie domowej roboty.

Podsumowanie

Turbiny elektryczne są bardziej czułe, bardziej produktywne i bardziej wydajne niż turbiny mechaniczne i oferują dodatkowe cechy. Z jednej strony, z z jednej strony, są bardziej złożone, ale z drugiej strony działają w bardziej łagodny sposób.