Elektroturbin: egenskaper, driftprincip, för- och nackdelar med arbete, gör-det-själv-installationstips och ägarrecensioner

2024 Författare: Erin Ralphs | [email protected]. Senast ändrad: 2024-02-19 18:27

Med skärpta miljöbestämmelser tvingas biltillverkare att utveckla sätt att förbättra motorernas miljövänlighet och effektivitet samtidigt som prestanda bibehålls. I detta avseende har tvångsinduktionssystem blivit utbredda. Medan de tidigare användes för att öka produktiviteten, används de nu som ett sätt att förbättra ekonomin och miljövänligheten. Tack vare överladdning kan du uppnå samma prestanda som på atmosfäriska motorer, med färre cylindrar och mindre volym. Det vill säga att kompressormatade motorer är mer effektiva. En annan metod är användningen av elektrisk energi både separat (elmotorer) och i kombination med förbränningsmotorer (hybridkraftverk). Den här artikeln diskuterar elektriska turbiner som kombinerar dessa tillvägagångssätt.

Allmänna funktioner

Icke-elektriska forcerade induktionssystem enligt energikällan klassificeras i turboladdare och superladdare. Elektriska system bygger på dem och syftar till att förbättra prestandan under transienter.processer och minimera fördröjningar.

Den elektriska fläkten, enligt Honeywell, är en kompressor som drivs av en elmotor som är monterad på en överladdad motor. Det vill säga, detta är en extra enhet för en turbomotor. En elektrisk turbin är en analog till en mekanisk turbin. Drivenheten i det här fallet kan implementeras på olika sätt.

I enlighet med klassificeringen av forskare vid University of Wisconsin-Madison, är elektriska system för forcerad induktion differentierade i följande typer genom design och funktionsprincip:

• elektriska fläktar (EC/ET/ES);
• turbiner med elektrisk assistent (EAT);
• elektriskt separerade turbiner (EST);
• turbiner med extra elektriskt driven kompressor (TEDC).

Design

Ovanstående typer av elektriska turbiner har en annan design. Detta ligger i komponenternas olika layouter, i skillnaderna i deras tekniska parametrar, etc.

EC

EC är en elmotordriven kompressor. Detta är den elektriska fläkten som nämns ovan. Den elektriska drivningen ger den största styrflexibiliteten och möjligheten att driva kompressorn vid den optimala driftpunkten. Detta kräver dock kraftfulla elektriska komponenter.

EAT

I EAT är en höghastighets elmotor monterad mellan turbinen och kompressorn, vanligtvis på en axel. På grund av det faktum att det inte är den huvudsakliga energikällan, användselektriska komponenter med låg effekt. Detta resulterar i en låg kostnad. Dessutom har sådana turboladdare förmågan att självupptäcka rotorns position och kännetecknas av goda genererings- och motoregenskaper. Huvudproblemet är den höga temperatureffekten på elmotorn, speciellt om den är installerad inuti höljet.

Det finns olika metoder för att lösa det. Till exempel installerade BMW kopplingar för att göra det möjligt för elmotorn att kopplas in och bort från axeln. Tack vare detta kan motorn placeras utanför turbinen. G+L inotec använde en permanentmagnetmotor med stort luftgap, som även kan placeras utanför. Statorns innerdiameter är lika med kompressorns ytterdiameter, och rotorns yttre diameter är lika med axelns utloppsdiameter. Luftsp alten kan fungera som ett luftintag. Detta ger fördelar vad gäller kylning, tröghet och termisk effekt. Dessutom, när det gäller termisk stabilitet och termisk kontroll, är induktionselektriska motorer med variabelt magnetiskt motstånd, universalkollektormotorer mer att föredra jämfört med en motor med permanenta ytmagneter.

EST

I EST är turbinen och kompressorn inte sammankopplade med en axel, och var och en av dem är utrustade med en elmotor. Detta gör att kompressorn och turbinhjulen kan arbeta med olika hastigheter. Denna design har liknande fördelar som ET, men till skillnad från den kan den generera energi. Dessutom har honDet har mindre termisk effekt på grund av separationen av kompressorn och turbinen, såväl som frånvaron av ytterligare tröghet från turbinen och dess axel. Att separera turbin och kompressor är fördelaktigt ur förpackningssynpunkt, eftersom det gör att luftflödesvägen kan optimeras. Den här tekniken kräver dock också en kraftfull elmotor, generator och växelriktare för att möta förhållandet vridmoment/tröghet, vilket kostar mycket.

TEDC

TEDC är en mekanisk turbin med en extra kompressor som drivs av en elmotor. Beroende på kompressorns placering i förhållande till turbinen klassificeras dessa system i alternativ uppströms och nedströms (ovanför respektive under turbinen). I allmänhet kännetecknas de av betydligt bättre lyhördhet under transienter i "botten" på grund av elmotorns oberoende från turbinens och axelns tröghet. Dessutom är TEDC nedströms i detta avseende överlägsna alternativ uppströms på grund av det faktum att de senare kännetecknas av en stor volym för att upprätthålla trycket. En annan fördel med denna typ av elektriska turbiner är de minimala skillnaderna från mekaniska.

Driftsprincip

Ovanstående typer av elektriska turbiner skiljer sig åt i funktionsprincipen. Så drivningen implementeras annorlunda, några av dem kan generera energi osv.

EC

I EC drivs kompressorn av en elmotor. Ett sådant system är inte kapabelt att generera energi, utan för desslagring kan kombineras med ett regenerativt bromssystem eller en inbyggd startgenerator.

EAT

I EAT vid låga varvtal ger elmotorn ytterligare vridmoment till kompressorn för att öka laddtrycket. På "topparna" genererar den energi som kan överföras till lager. Dessutom kan elmotorn hindra turbinen från att överskrida sin hastighetsgräns. En hög mottryckseffekt kan dock uppstå som kompenserar för energin som utvinns från avgaserna.

På grund av möjligheten att generera el från avgaser kallas sådana turboladdare för hybrid. På personbilar kan de, beroende på körcykeln, generera från flera hundra watt till kW. Detta gör att du kan byta ut generatorn samtidigt som du sparar bränsle.

EST

I EST driver inte avgasernas energi kompressorn direkt, utan omvandlas till elektrisk energi med hjälp av en generator. Kompressorn drivs av lagrad energi.

TEDC

I TEDC fungerar elmotorn oberoende av turbinen, och den extra kompressorn som drivs av den tjänar till att öka boosten på "botten".

Design och funktionella skillnader

De grundläggande skillnaderna mellan de övervägda elektriska systemen för forcerad induktion kombineras av forskare vid University of Wisconsin-Madison i grafisk och tabellform. Bilden nedan visar diagrammen för deras enhet (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC uppströms, e - TEDC nedströms).

Tabellen återspeglar enhetens huvudbestämmelser. Dessa inkluderar energikällan, kompressorns drivning, kraften hos de elektriska komponenterna. Dessutom är egenskaper som dimensioner och temperatureffekt viktiga.

Typ	EC	EAT	EST	TEDC
Strömkälla	Batteri	Avgaser/batteri	Avgaser/batteri	Avgaser/batteri
Ström för elmotor och växelriktare	Hög	Low	Hög	Low
Temperatureffekt	Low	Hög	Low	Low
Size	Small	Medium	Big	Big
Elektrisk turbin	No	Yes	Yes	No
Turboelektrisk kompressordrift	No	Yes	No	No

Därmed tillhör EAT- och EST-tekniker elektriska turbiner. EM som det varnoteras - en separat mekanism, TEDC - ett konventionellt turboladdningssystem utrustat med det.

För- och nackdelar

Turbindrift av en elmotor eliminerar de största nackdelarna med mekaniska turboladdare.

• Ingen fördröjning eftersom elmotorn kan snurra upp rotorn mycket snabbt.
• Det finns ingen turbofördröjning orsakad av brist på avgaser, eftersom i detta fall elmotorn kompenserar för bristen på energi.
• Elmotorn låter dig hålla boosten under transienter som anti-lag utan de negativa effekterna av det senare.
• Detta ger ett brett driftsområde och konsekvent vridmoment.
• Vissa typer av dessa mekanismer kan generera elektricitet, vilket minskar belastningen på generatorn och minskar bränsleförbrukningen.
• Återvinning av förlorad energi är möjlig, eftersom Ferrari implementerade i Formel 1-motorn.
• Elektroturbiner arbetar under mer skonsamma förhållanden och med lägre hastigheter (100 tusen istället för 200-300 tusen).

Den här tekniken har dock ett antal nackdelar.

• Bra designkomplexitet inklusive motor och styrenheter.
• Detta orsakar en hög kostnad.
• Dessutom påverkar designens komplexitet tillförlitligheten.
• På grund av det stora antalet strukturella element (utöver turbinen inkluderar detta en elmotor, styrenheter, batteri) är dessa turboladdare mycket större och tyngre än konventionella.

Dessutom är varje typ av elektrisk turbin karakteriseradspecifika funktioner.

Typ	EC	EAT	EST	TEDC uppströms	TEDC nedströms
Dignity	Kontrollflexibilitet; layoutflexibilitet; brist på axeltröghet; no wastegate; inget mottryck	Compact; lågeffektmotor och växelriktare; no wastegate	Kontrollflexibilitet; layoutflexibilitet; brist på axeltröghet; no wastegate	Lätt att installera; brist på axeltröghet; lågeffektmotor och växelriktare; Kontinuerlig prestandaförbättring	Bättre transientsvar; lätt att installera; lågeffektmotor och växelriktare; Kontinuerlig prestandaförbättring
Flaws	Högeffektsmotor och växelriktare; låg effektivitet	Behovet av ytterligare kylning; extra axeltröghet; boost accelerationsgräns på grund av mottryck	Högeffektsmotor och växelriktare; energiförlust under konvertering; limitboost boost på grund av mottryck; kräver ytterligare installationsutrymme	Inte särskilt snabbt transientsvar; kräver ytterligare installationsutrymme; låg effektivitet	Kräver ytterligare installationsutrymme; låg effektivitet

När det gäller hållbarhet kommer elektriska turbiner enligt IHI att vara likvärdiga med mekaniska på grund av drift under samma förhållanden i ett mer skonsamt läge med större designkomplexitet.

Relevans

Trots bra prestanda används för närvarande inte så mycket elektriska turbiner på masstillverkade bilar. Detta beror på deras höga kostnad och komplexitet. Dessutom har förbättrade versioner av mekaniska turbiner (twin scroll och variabel geometri) liknande fördelar jämfört med de initiala modifieringarna (om än i mindre utsträckning) till en mycket lägre kostnad. Nu använder EST Ferrari i Formel 1-motorn. Enligt Honeywell kommer massanvändningen av elektriska turbiner att börja i början av nästa decennium. Det bör noteras att elektriska överladdare redan används på vissa produktionsfordon, som Honda Clarity, eftersom de är enklare.

De enklaste och hemgjorda mekanismerna

Tidigt på decenniet dök enkla, billiga maskiner som datorkylare, även kallade elektriska turbiner, upp på marknaden. De sitter på inloppet och är batteridrivna. Det är möjligt att använda sådana elektriska turbiner både på förgasaren och på injektorn. Enligt tillverkarna ökar de luftflödet som kommer in i motorn, accelererar det, vilket ger en prestandaökning på upp till 15%. I det här fallet är parametrarna (varv, flöde, effekt) vanligtvis inte indikerade. Det är väldigt enkelt att installera sådana elektriska turbiner på en bil med egna händer.

Men i verkligheten utvecklar deras elmotorer upp till flera hundra watt, vilket inte räcker för att öka flödesvolymen, eftersom detta kräver cirka 4 kW. Därför kommer en sådan anordning att bli ett allvarligt hinder vid inloppet, som ett resultat av vilket, tvärtom, produktiviteten kommer att minska. I bästa fall kommer förlusterna från det att vara små, vilket inte kommer att påverka dynamiken nämnvärt.

Dessutom kan du på Internet hitta utvecklingen för att skapa en elektrisk turbin med dina egna händer. Till skillnad från de billiga alternativen som nämns ovan är de byggda på basis av en centrifugalkompressor och en borstlös motor med en effekt på upp till 17 kW och en spänning på 50-70 V, eftersom endast en sådan motor kan ge tillräckligt vridmoment och hastighet för att rotera kompressorn. Motorn måste vara utrustad med en hastighetsregulator. Detta system kräver ingen intercooler - ett kallt intag är tillräckligt för det. Installationen av en elektrisk turbin av denna typ kan kräva byte av en generator (för 90-100 A) och ett batteri (för en mer rymlig med hög strömutgång). Kompressorns rotationshastighet bestäms av gasreglagets läge. Dessutom är beroendet inte linjärt, utan exponentiellt.

Det är lämpligt att skapa sådana elektriska turbiner för bilar med små motorer upp till 1,5 liter, på grund av hög energiförbrukning. Dessutom, ju större motorvolymen är, desto mindre laddtryck kan kompressorn skapa. Så på en 0,7-liters motor blir det 0,4-0,5 bar, för 1,5 liter - 0,2-0,3 bar. Dessutom kommer en sådan överladdare inte att kunna fungera under lång tid med maximal prestanda på grund av uppvärmning. Styrenheten kan dock konfigureras för att tvinga fram aktivering.

På grund av de höga kostnaderna för komponenter är det mycket dyrt att tillverka en sådan elektrisk turbin. Recensioner indikerar en mätbar prestandaökning.

När det gäller design är dessa mekanismer, liksom de billiga alternativen som nämns ovan, elektriska överladdare. Men de kallas ofta felaktigt för elektriska turbiner. Nu på marknaden finns det mer seriösa märkesverk som är nära hemgjorda.

CV

Elektriska turbiner är mer lyhörda, produktiva och effektiva än mekaniska och har ytterligare funktioner. Samtidigt har de å ena sidan en komplicerad design, men å andra sidan fungerar de under mer godartade förhållanden.