Turbină electrică: caracteristici, principii de funcționare, avantaje și dezavantaje de funcționare, sfaturi de instalare manuală și feedback-ul proprietarilor

Având în vedere reglementările de mediu tot mai stricte, producătorii de automobile sunt presați să dezvolte modalități de a face motoarele mai ecologice și mai eficiente, menținând în același timp performanța. Din acest motiv, sistemele de inducție forțată au devenit predominante. În timp ce în trecut erau folosite pentru a îmbunătăți performanța, acum sunt folosite pentru a îmbunătăți economia de combustibil și performanța de mediu. Supralimentarea face posibilă atingerea acelorași cifre ca și în cazul motoarelor convenționale, cu mai puțini cilindri și o cilindree mai mică. Adică, motoarele supraalimentate sunt mai eficiente. O altă metodă este utilizarea energiei electrice, fie singură (motoare electrice), fie în combinație cu motoare cu ardere internă (sisteme de propulsie hibride). Această lucrare ia în considerare turbinele electrice care combină aceste abordări.

Caracteristici comune

Sistemele de inducție forțată neelectrice se clasifică, în funcție de sursa de energie, în turbocompresoare și supraalimentatoare. Sistemele electrice se bazează pe acestea și au ca scop îmbunătățirea performanțelor tranzitorii și minimizarea întârzierilor.

Potrivit Honeywell, un compresor supraalimentat este un compresor acționat de un motor electric care este montat pe un motor supraalimentat. Cu alte cuvinte, este un dispozitiv suplimentar față de motorul cu turbină. Turbina electrică este echivalentul unei turbine mecanice. În acest caz, unitatea poate fi implementată în diferite moduri.

Potrivit cercetătorilor de la Universitatea din Wisconsin-Madison, sistemele electrice cu inducție forțată sunt, prin proiectare și principiul de funcționare sunt diferențiate în următoarele tipuri:

• supraalimentatoare electrice (EC/ET/ES);
• turbină cu asistență electrică (EAT);
• turbine cu separare electrică (EST);
• turbine cu un TEDC (compresor auxiliar acționat electric).

design

Tipurile de turbine electrice de mai sus au diferite modele. Acest lucru se datorează diferitelor dispuneri ale componentelor, caracteristicilor tehnice etc. д.

CE

EC este un compresor acționat de un motor electric. Acesta este compresorul electric menționat mai sus. Acționarea electrică oferă cea mai mare flexibilitate în control și permite compresorului să funcționeze la punctul său optim de funcționare. Cu toate acestea, este nevoie de componente electrice puternice.

MÂNCAȚI

În cazul EAT, motorul electric de mare viteză este montat între turbină și compresor, de obicei pe arbore. Datorită faptului că nu este sursa principală de energie, se utilizează componente electrice de mică putere. Acest lucru are ca rezultat un cost redus. În plus, aceste turbocompresoare au capacitatea de a autodetermina poziția rotorului și se caracterizează printr-o bună livrare de putere și capacități de ieșire a motorului. Principala problemă este efectul temperaturii ridicate asupra motorului electric, mai ales dacă este instalat în interiorul carcasei.

Există diferite metode de rezolvare a acesteia. BMW, de exemplu, a instalat ambreiaje pentru a permite conectarea și deconectarea motorului de la arbore. Acest lucru permite ca motorul să fie amplasat în afara turbinei. G+L inotec a folosit un motor cu magnet permanent cu un întrefier mare, care poate fi 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 conductă de aer de intrare. Acest lucru oferă avantaje în ceea ce privește răcirea, inerția și efectele termice. În plus, din punct de vedere al stabilității termice și al managementului termic, motoarele cu inducție, cu rezistență magnetică variabilă, motoarele cu colector universal sunt preferabile motoarelor cu magneți permanenți de suprafață.

EST

În EST, turbina și compresorul nu sunt conectate printr-un arbore, iar fiecare este echipat cu un motor electric. Acest lucru permite ca roata compresorului și roata turbinei să funcționeze la viteze diferite. Acest proiect are avantaje similare cu ET, dar, spre deosebire de acesta, este capabil să genereze putere. De asemenea, are un efect mai mic asupra temperaturii datorită separării compresorului de turbină și a turbinei și nu are o inerție suplimentară din partea turbinei și a arborelui acesteia. Separarea turbinei și a compresorului este avantajoasă din punct de vedere al amenajării, deoarece optimizează traseul fluxului de aer. Cu toate acestea, este nevoie de un motor electric puternic, un generator și un invertor pentru a respecta raportul cuplu/inerție, ceea ce are un impact asupra costurilor.

TEDC

TEDC este o turbină mecanică cu un compresor suplimentar acționat de un motor electric. În ceea ce privește amplasarea compresorului în raport cu turbina, aceste sisteme sunt clasificate ca variante în amonte și în aval (deasupra și, respectiv, sub turbină). În general, acestea se caracterizează printr-o performanță mult mai bună a compresorului și a sistemului de acționare receptiv la o accelerație și o decelerație foarte mică tranzitorii în aval datorită independenței motorului față de inerția turbinei și a arborelui. Iar TEDC-urile din aval sunt superioare variantelor din amonte din acest punct de vedere, din următoarele motive, acesta din urmă se disting prin capacitatea lor mare de reținere a presiunii. Un alt avantaj al acestui tip de turbină electrică este faptul că se deosebește foarte puțin de turbinele mecanice.

principiul de funcționare

Tipurile enumerate de turbine electrice sunt diferite principiul de funcționare. Astfel, diferite realizări de acționare, unele dintre ele sunt capabile să genereze energie etc. д.

CE

În cazul CE, compresorul este acționat de un motor electric. Un astfel de sistem nu este capabil să genereze energie, dar poate fi combinat cu un sistem de frânare regenerativă sau cu un generator de pornire integrat pentru stocarea energiei.

MÂNCAȚI

În EAT, la turații mici, motorul electric furnizează un cuplu suplimentar compresorului pentru a crește presiunea de supraalimentare. La capătul superior, generează energie care poate fi stocată. În plus, motorul electric poate împiedica turbina să depășească viteza limită. Cu toate acestea, este posibil un efect de contrapresiune ridicat, care compensează energia extrasă din gazele de eșapament.

Deoarece pot genera energie electrică din gazele de eșapament, aceste turbocompresoare se numesc turbocompresoare hibride. Pe autoturisme, acestea pot genera de la câteva sute de wați până la un kW, în funcție de ciclu. Acest lucru permite înlocuirea generatorului, economisind combustibil.

EST

În EST, energia din gazele de eșapament nu acționează direct compresorul, ci este transformată în energie electrică cu ajutorul unui generator. Compresorul este acționat de energia stocată.

TEDC

În cazul TEDC, motorul electric funcționează independent de turbină, iar compresorul auxiliar pe care îl antrenează are rolul de a amplifica impulsul de la "partea inferioară".

Diferențe structurale și funcționale

Principalele diferențe dintre sistemele electrice cu inducție forțată luate în considerare au fost rezumate grafic și tabelate de către cercetătorii de la Universitatea din Wisconsin-Madison. Ilustrația de mai jos prezintă diagramele dispozitivelor acestora (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC în amonte, e - TEDC în aval).

Tabelul prezintă principalele caracteristici. Acestea includ sursa de energie, acționarea compresorului, puterea componentelor electrice. Dimensiunile și efectul temperaturii sunt, de asemenea, importante.

Astfel, tehnologiile EAT și EST se aplică turbinelor electrice. EC, după cum s-a menționat, este un mecanism separat, TEDC este un sistem de turbocompresie convențional echipat cu un.

Avantaje și dezavantaje

Prin acționarea turbinei cu un motor electric, sunt evitate principalele dezavantaje ale turbocompresoarelor mecanice.

• Fără decalaj, deoarece motorul electric poate asigura o viteză foarte mare a rotorului.
• Nu există un turbo lag cauzat de lipsa gazelor de eșapament, deoarece lipsa de putere este compensată de motorul electric.
• Motorul electric permite compresorului să rămână supraalimentat în timpul tranzițiilor, într-un mod similar cu sistemul anti-retardaj, fără efectele negative ale acestuia din urmă.
• Acest lucru asigură o gamă largă de funcționare și un cuplu omogen.
• Anumite tipuri de aceste mașini sunt capabile să genereze energie electrică, reducând sarcina generatorului și consumul de combustibil.
• Pierderea de energie poate fi recuperată, așa cum a implementat Ferrari în motor "F1".
• Turbinele electrice sunt mai iertătoare și funcționează la viteze mai mici (100k rpm). în loc de 200-300 de mii.).

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

• Complexitatea ridicată a construcției, inclusiv a motorului electric și a regulatoarelor.
• Acest lucru duce la un cost ridicat.
• În plus, complexitatea proiectului afectează fiabilitatea.
• Din cauza numărului mare de componente (pe lângă turbină, acesta include motorul electric, controlerele, bateria), aceste turbocompresoare sunt mult mai mari și mai grele decât cele convenționale.

În plus, fiecare tip de turbină electrică are propriile caracteristici specifice.

În ceea ce privește durabilitatea, IHI consideră că turbinele electrice vor fi echivalente cu cele mecanice, datorită funcționării în aceleași condiții într-o manieră mai tolerantă modul când o mai mare complexitate a proiectării.

Relevanță

În ciuda performanțelor lor bune, turbinele electrice nu sunt în prezent utilizate pe scară largă în vehiculele de serie. Acest lucru se datorează costului ridicat și complexității acestora. În plus, variantele îmbunătățite ale turbinelor mecanice (twin-scroll și cu geometrie variabilă) oferă avantaje similare cu cele ale modificărilor inițiale (deși într-o măsură mai mică) la un cost semnificativ mai mic. EST folosește acum un Ferrari în motor "Formula 1". Potrivit Honeywell, utilizarea în masă a turbinelor electrice va începe la începutul deceniului viitor. Trebuie remarcat faptul că supraalimentatoarele electrice sunt deja utilizate pe unele mașini de serie, cum ar fi Honda Clarity, deoarece sunt mai simple.

Cele mai simple și mai simple mașini de casă

La începutul deceniului, au apărut pe piață mecanisme simple și ieftine, asemănătoare răcitoarelor de calculatoare, numite și turbine electrice. Acestea sunt așezate pe priză și funcționează pe bază de baterie. Aceste turbine electrice pot fi utilizate fie pe un carburator, fie pe un injector. Producătorii susțin că acestea măresc fluxul de aer care intră în motor, accelerându-l, ceea ce duce la o creștere a performanțelor de până la 15%. Parametrii (viteză, debit, putere) nu sunt de obicei specificați. Este foarte ușor să instalați astfel de turbine electrice pe mașină cu propriile mâini.

Dar, în realitate, motoarele lor electrice dezvoltă până la câteva sute de wați, ceea ce nu este suficient pentru a crește volumul de debit, deoarece este nevoie de aproximativ 4 kW. Prin urmare, un astfel de dispozitiv ar acționa ca un gol de aer la intrare și, ca urmare, capacitatea ar fi redusă. În cel mai bun caz, pierderile sale vor fi mici, ceea ce nu va afecta în mod apreciabil dinamica.

De asemenea, puteți găsi idei pe Internet pentru a construi o turbină electrică cu propriile mâini. Spre deosebire de variantele ieftine de mai sus, acestea sunt construite pe baza unui compresor centrifugal și a unui motor fără comutator cu o putere de până la 17 kW și o tensiune de alimentare de 50-70 V, deoarece numai un astfel de motor este capabil să furnizeze un cuplu și viteze suficiente pentru rotația compresorului. Motorul trebuie să fie echipat cu un regulator al vitezei de rotație. Acest sistem nu necesită un intercooler - este suficientă o admisie la rece. Instalarea turbinei electrice de acest tip va necesita probabil înlocuirea generatorului (pentru 90-100A) și a acumulatorului (pentru cel de mare capacitate cu o capacitate mare de curent). Viteza compresorului este determinată de poziția clapetei de accelerație. Iar dependența nu este liniară, ci exponențială.

Este rezonabil să se creeze astfel de turbine electrice pentru automobilele cu motoare mici, de până la 1,5 litri, din cauza consumului ridicat de energie al acestora. Cu cât cilindreea motorului este mai mare, cu atât presiunea de supraalimentare a compresorului este mai mică. De exemplu, la un motor de 0,7 litri, va fi de 0,4-0,5 bar, iar la unul de 1,5 litri, de 0,2-0,3 bar. În plus, un astfel de supraalimentator nu va putea funcționa mult timp pe performanță maximă din cauza căldurii. Cu toate acestea, controlerul poate fi setat la activare forțată.

Din cauza costului ridicat al componentelor, este foarte costisitor să construiești o astfel de turbină electrică. Feedback-ul indică un câștig de performanță măsurabil.

Din punct de vedere al designului, aceste mecanisme, ca și variantele low-cost menționate mai sus, sunt denumite electrochargers. Cu toate acestea, ele sunt adesea denumite în mod eronat turbine electrice. Există acum mecanisme de marcă mai serioase pe piață, aproape de casă.

Rezumat

Turbinele electrice sunt mai receptive, mai productive și mai eficiente decât cele mecanice și oferă caracteristici suplimentare. În același timp, cu pe de o parte, Acestea au un design mai complicat, dar, pe de altă parte, funcționează într-un mod mai delicat.