Elektro-turbin: egenskaper, driftsprinsipp, fordeler og ulemper med arbeid, gjør-det-selv-installasjonstips og eieranmeldelser

2024 Forfatter: Erin Ralphs | [email protected]. Sist endret: 2024-02-19 18:14

Med innstrammere miljøbestemmelser blir bilprodusenter tvunget til å utvikle måter å forbedre miljøvennligheten og effektiviteten til motorer og samtidig opprettholde ytelsen. I denne forbindelse har tvangsinduksjonssystemer blitt utbredt. Mens de tidligere ble brukt til å øke produktiviteten, brukes de nå som et middel for å forbedre økonomien og miljøvennligheten. Takket være superlading kan du oppnå samme ytelse som på atmosfæriske motorer, med færre sylindre og mindre volum. Det vil si at superladede motorer er mer effektive. En annen metode er bruk av elektrisk energi både separat (elektriske motorer) og i kombinasjon med forbrenningsmotorer (hybridkraftverk). Denne artikkelen diskuterer elektriske turbiner som kombinerer disse tilnærmingene.

Generelle funksjoner

Ikke-elektriske tvangsinduksjonssystemer i henhold til energikilden er klassifisert i turboladere og superladere. Elektriske systemer bygger på dem og tar sikte på å forbedre ytelsen under transienter.prosesser og minimere forsinkelser.

Den elektriske blåseren er ifølge Honeywell en kompressor drevet av en elektrisk motor som er montert på en superladet motor. Det vil si at dette er en ekstra enhet for en turbomotor. En elektrisk turbin er en analog av en mekanisk turbin. Drivenheten i dette tilfellet kan implementeres på forskjellige måter.

I henhold til klassifiseringen av forskere ved University of Wisconsin-Madison, er elektriske systemer med tvungen induksjon differensiert i følgende typer etter design og operasjonsprinsipp:

• elektriske blåsere (EC/ET/ES);
• turbiner med elektrisk assistent (EAT);
• elektrisk separerte turbiner (EST);
• turbiner med ekstra elektrisk drevet kompressor (TEDC).

Design

Ovennevnte typer elektriske turbiner har en annen design. Dette ligger i de forskjellige layoutene til komponentene, i forskjellene i deres tekniske parametere osv.

EC

EC er en elektrisk motordrevet kompressor. Dette er den elektriske viften nevnt ovenfor. Den elektriske driften gir størst kontrollfleksibilitet og muligheten til å betjene kompressoren på det optimale driftspunktet. Dette krever imidlertid kraftige elektriske komponenter.

EAT

I EAT er en høyhastighets elektrisk motor montert mellom turbin og kompressor, vanligvis på en aksel. På grunn av det faktum at det ikke er den viktigste energikilden, brukeselektriske komponenter med lav effekt. Dette resulterer i en lav kostnad. I tillegg har slike turboladere evnen til å selvdetektere rotorens posisjon og er preget av gode genererings- og motoregenskaper. Hovedproblemet er den høye temperatureffekten på den elektriske motoren, spesielt hvis den er installert inne i huset.

Det finnes ulike metoder for å løse det. For eksempel installerte BMW clutcher for å la den elektriske motoren kobles til og fra akselen. Takket være dette kan motoren plasseres utenfor turbinen. G+L inotec brukte en permanentmagnetmotor med stor luftsp alte, som også kan plasseres ute. Statorens indre diameter er lik kompressorens ytre diameter, og rotorens ytre diameter er lik utløpsdiameteren til akselen. Luftsp alten kan fungere som et luftinntak. Dette gir fordeler med tanke på kjøling, treghet og termisk effekt. I tillegg, når det gjelder termisk stabilitet og termisk kontroll, er induksjonselektriske motorer med variabel magnetisk motstand, universalkollektormotorer mer å foretrekke sammenlignet med en motor med permanente overflatemagneter.

EST

I EST er ikke turbinen og kompressoren forbundet med en aksel, og hver av dem er utstyrt med en elektrisk motor. Dette gjør at kompressoren og turbinhjulene kan operere med forskjellige hastigheter. Denne designen har lignende fordeler som ET, men er i motsetning til den i stand til å generere energi. I tillegg har hunDen har mindre termisk effekt på grunn av separasjonen av kompressoren og turbinen, samt fraværet av ekstra treghet fra turbinen og dens aksel. Å separere turbin og kompressor er fordelaktig fra et emballasjesynspunkt, da det gjør at luftstrømbanen kan optimaliseres. Denne teknologien krever imidlertid også en kraftig elektrisk motor, generator og omformere for å møte dreiemoment/treghetsforholdet, noe som koster penger.

TEDC

TEDC er en mekanisk turbin med en ekstra kompressor drevet av en elektrisk motor. I henhold til plasseringen av kompressoren i forhold til turbinen, er disse systemene klassifisert i alternativer oppstrøms og nedstrøms (henholdsvis over og under turbinen). Generelt er de preget av betydelig bedre respons under transienter på "bunnen" på grunn av uavhengigheten til den elektriske motoren fra tregheten til turbinen og akselen. Dessuten er nedstrøms TEDC-er overlegne i denne forbindelse enn oppstrøms alternativer på grunn av det faktum at sistnevnte er preget av et stort volum for å opprettholde trykk. En annen fordel med denne typen elektriske turbiner er de minimale forskjellene fra mekaniske.

Driftsprinsipp

Ovennevnte typer elektriske turbiner er forskjellige i driftsprinsippet. Så stasjonen er implementert annerledes, noen av dem er i stand til å generere energi osv.

EC

I EC drives kompressoren av en elektrisk motor. Et slikt system er ikke i stand til å generere energi, men for detslagring kan kombineres med et regenerativt bremsesystem eller en innebygd startgenerator.

EAT

I EAT ved lavt turtall gir den elektriske motoren ekstra dreiemoment til kompressoren for å øke ladetrykket. På "toppene" genererer den energi som kan overføres til lagring. I tillegg kan elmotoren hindre turbinen i å overskride hastighetsgrensen. Det kan imidlertid oppstå en høy mottrykkseffekt som kompenserer for energien som trekkes ut fra avgassene.

På grunn av muligheten for å generere strøm fra eksosgasser kalles slike turboladere hybrid. På personbiler kan de, avhengig av kjøresyklusen, generere fra flere hundre watt til kW. Dette lar deg bytte ut dynamoen samtidig som du sparer drivstoff.

EST

I EST driver ikke energien til eksosgassene kompressoren direkte, men omdannes til elektrisk energi ved hjelp av en generator. Kompressoren drives av lagret energi.

TEDC

I TEDC fungerer den elektriske motoren uavhengig av turbinen, og den ekstra kompressoren som drives av den tjener til å øke boosten på "bunnen".

Design og funksjonelle forskjeller

De grunnleggende forskjellene mellom de betraktede elektriske systemene for tvungen induksjon er kombinert av forskere ved University of Wisconsin-Madison i grafisk og tabellform. Figuren nedenfor viser diagrammene for enheten deres (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC oppstrøms, e - TEDC nedstrøms).

Tabellen gjenspeiler hovedbestemmelsene til enheten. Disse inkluderer energikilden, drivkraften til kompressoren, kraften til de elektriske komponentene. I tillegg er kvaliteter som dimensjoner og temperatureffekt viktig.

Type	EC	EAT	EST	TEDC
Strømkilde	Batteri	Eksosgass/batteri	Eksosgass/batteri	Eksosgass/batteri
Kraften til elektrisk motor og omformer	Høy	Low	Høy	Low
Temperatureffekt	Low	Høy	Low	Low
Size	Small	Medium	Big	Big
Elektrisk turbin	Nei	Yes	Yes	Nei
Turboelektrisk kompressordrift	Nei	Yes	Nei	Nei

Dermed tilhører EAT- og EST-teknologier elektriske turbiner. EM som det varbemerket - en separat mekanisme, TEDC - et konvensjonelt turboladesystem utstyrt med det.

Fordeler og ulemper

Turbindrift av en elektrisk motor eliminerer de største ulempene med mekaniske turboladere.

• Ingen etterslep siden den elektriske motoren kan snurre opp rotoren veldig raskt.
• Det er ingen turboetterslep forårsaket av mangel på eksosgasser, siden i dette tilfellet kompenserer den elektriske motoren for mangelen på energi.
• Den elektriske motoren lar deg holde boost under transienter som anti-lag uten de negative effektene av sistnevnte.
• Dette gir et bredt driftsområde og konsekvent dreiemoment.
• Noen typer av disse mekanismene kan generere elektrisitet, redusere belastningen på generatoren og redusere drivstofforbruket.
• Gjenvinning av tapt energi er mulig, ettersom Ferrari implementerte i Formel 1-motoren.
• Elektroturbiner opererer under mer skånsomme forhold og ved lavere hastigheter (100 tusen i stedet for 200-300 tusen).

Denne teknologien har imidlertid en rekke ulemper.

• Flott designkompleksitet inkludert motor og kontrollere.
• Dette medfører høye kostnader.
• I tillegg påvirker kompleksiteten i designet påliteligheten.
• På grunn av det store antallet strukturelle elementer (i tillegg til turbinen inkluderer dette en elektrisk motor, kontrollere, batteri), er disse turboladerne mye større og tyngre enn konvensjonelle.

I tillegg er hver type elektrisk turbin karakterisertspesifikke funksjoner.

Type	EC	EAT	EST	TEDC oppstrøm	TEDC nedstrøms
Dignity	Kontrollfleksibilitet; layout fleksibilitet; mangel på akseltreghet; no wastegate; ikke mottrykk	Compact; motor og omformer med lav effekt; no wastegate	Kontrollfleksibilitet; layout fleksibilitet; mangel på akseltreghet; no wastegate	Enkelt å installere; mangel på akseltreghet; motor og omformer med lav effekt; Kontinuerlig ytelsesforbedring	Bedre transient respons; lett å installere; motor og omformer med lav effekt; Kontinuerlig ytelsesforbedring
Flaws	Høyeffektsmotor og omformer; lav effektivitet	Behovet for ekstra kjøling; ytterligere akseltreghet; boost akselerasjonsgrense på grunn av mottrykk	Høyeffektsmotor og omformer; energitap under konvertering; grenseboost boost på grunn av mottrykk; krever ekstra installasjonsplass	Ikke veldig rask forbigående respons; krever ekstra installasjonsplass; lav effektivitet	Krever ekstra installasjonsplass; lav effektivitet

Når det gjelder holdbarhet, vil elektriske turbiner ifølge IHI tilsvare mekaniske på grunn av drift under de samme forholdene i en mer skånsom modus med større designkompleksitet.

Relevance

Til tross for god ytelse er elektriske turbiner foreløpig ikke mye brukt på masseproduserte biler. Dette er på grunn av deres høye kostnader og kompleksitet. I tillegg har forbedrede versjoner av mekaniske turbiner (twin scroll og variabel geometri) lignende fordeler i forhold til de første modifikasjonene (om enn i mindre grad) til en mye lavere kostnad. Nå bruker EST Ferrari i Formel 1-motoren. Ifølge Honeywell vil massebruken av elektriske turbiner begynne i begynnelsen av det neste tiåret. Det skal bemerkes at elektriske superladere allerede brukes på enkelte produksjonskjøretøyer, for eksempel Honda Clarity, da de er enklere.

De enkleste og hjemmelagde mekanismene

Tidlig på tiåret dukket det opp enkle, billige maskiner som datakjølere, også k alt elektriske turbiner. De er plassert på innløpet og er batteridrevne. Det er mulig å bruke slike elektriske turbiner både på forgasseren og på injektoren. Ifølge produsenter øker de strømmen av luft som kommer inn i motoren, akselererer den, noe som gir en ytelsesøkning på opptil 15%. I dette tilfellet er parametrene (omdreininger, strømning, effekt) vanligvis ikke angitt. Det er veldig enkelt å installere slike elektriske turbiner på en bil med egne hender.

Men i realiteten utvikler deres elektriske motorer opptil flere hundre watt, noe som ikke er nok til å øke strømningsvolumet, siden dette krever ca. 4 kW. Derfor vil en slik enhet bli en alvorlig hindring ved innløpet, som et resultat av at produktiviteten tvert imot vil bli redusert. I beste fall vil tapene fra det være små, noe som ikke vil påvirke dynamikken nevneverdig.

I tillegg kan du på Internett finne utviklingen for å lage en elektrisk turbin med egne hender. I motsetning til de billige alternativene nevnt ovenfor, er de bygget på grunnlag av en sentrifugalkompressor og en børsteløs motor med en effekt på opptil 17 kW og en spenning på 50-70 V, siden bare en slik motor er i stand til å gi tilstrekkelig dreiemoment og hastighet for å rotere kompressoren. Motoren skal være utstyrt med en hastighetsregulator. Dette systemet krever ikke en intercooler - et kaldt inntak er nok for det. Installasjonen av en elektrisk turbin av denne typen kan kreve utskifting av en generator (for 90-100 A) og et batteri (for en mer romslig med høy strømutgang). Kompressorens rotasjonshastighet bestemmes av posisjonen til gassen. Dessuten er avhengigheten ikke lineær, men eksponentiell.

Det er lurt å lage slike elektriske turbiner for biler med små motorer opp til 1,5 liter, på grunn av høyt energiforbruk. Dessuten, jo større volum motoren er, jo mindre ladetrykk kan superladeren skape. Så på en 0,7-liters motor vil den være 0,4-0,5 bar, for 1,5 liter - 0,2-0,3 bar. I tillegg vil en slik superlader ikke kunne fungere i lang tid med maksimal ytelse på grunn av oppvarming. Kontrolleren kan imidlertid konfigureres til å tvinge aktivering.

På grunn av de høye komponentkostnadene er det svært kostbart å lage en slik elektrisk turbin. Anmeldelser indikerer en målbar økning i ytelse.

I form av design er disse mekanismene, som de billige alternativene nevnt ovenfor, elektriske superladere. Imidlertid blir de ofte feilaktig referert til som elektriske turbiner. Nå på markedet er det mer seriøse merkeverk som er nær hjemmelagde.

CV

Elektriske turbiner er mer responsive, produktive og effektive enn mekaniske og har tilleggsfunksjoner. Samtidig har de på den ene siden en komplisert design, men på den andre siden fungerer de under mer godartede forhold.