Elektroturbina: karakteristike, princip rada, prednosti i nedostaci rada, savjeti za instalaciju uradi sam i recenzije vlasnika

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-02-19 16:11

Uz pooštravanje ekoloških propisa, proizvođači automobila su prisiljeni razvijati načine za poboljšanje ekološke prihvatljivosti i učinkovitosti motora uz održavanje performansi. S tim u vezi, sustavi prisilne indukcije postali su široko rasprostranjeni. Dok su se u prošlosti koristili za povećanje produktivnosti, sada se koriste kao sredstvo za poboljšanje ekonomičnosti i ekološke prihvatljivosti. Zahvaljujući kompresoru možete postići iste performanse kao na atmosferskim motorima, s manje cilindara i manjim volumenom. Odnosno, motori s kompresorom su učinkovitiji. Druga metoda je korištenje električne energije kako zasebno (elektromotori) tako i u kombinaciji s motorima s unutarnjim izgaranjem (hibridne elektrane). Ovaj članak govori o električnim turbinama koje kombiniraju ove pristupe.

Opće značajke

Neelektrični prisilni indukcijski sustavi prema izvoru energije dijele se na turbo punjače i kompresore. Električni sustavi se nadograđuju na njih i imaju za cilj poboljšati performanse tijekom prijelaznih pojava.procesi i minimiziranje kašnjenja.

Električni puhač, prema Honeywellu, je kompresor koji pokreće električni motor koji je montiran na motor s kompresorom. Odnosno, ovo je dodatni uređaj za turbo motor. Električna turbina je analog mehaničke turbine. Pogon se u ovom slučaju može implementirati na različite načine.

Prema klasifikaciji istraživača na Sveučilištu Wisconsin-Madison, električni sustavi prisilne indukcije diferenciraju se u sljedeće vrste prema dizajnu i principu rada:

• električni puhači (EC/ET/ES);
• turbine s električnim pomoćnikom (EAT);
• električno odvojene turbine (EST);
• turbine s dodatnim kompresorom na električni pogon (TEDC).

Dizajn

Navedene vrste električnih turbina imaju drugačiji dizajn. To leži u različitim rasporedima komponenti, u razlikama u njihovim tehničkim parametrima, itd.

EC

EC je kompresor na električni motor. Ovo je gore spomenuti električni puhač. Električni pogon pruža najveću fleksibilnost upravljanja i mogućnost rada kompresora na optimalnoj radnoj točki. Međutim, za to su potrebne snažne električne komponente.

JEDI

U EAT-u, električni motor velike brzine je montiran između turbine i kompresora, obično na osovini. Zbog činjenice da nije glavni izvor energije, koriste seelektrične komponente male snage. To rezultira niskim troškovima. Osim toga, takvi turbo punjači imaju sposobnost samootkrivanja položaja rotora i karakteriziraju ih dobre generativne i motorne sposobnosti. Glavni problem je učinak visoke temperature na elektromotor, pogotovo ako je ugrađen unutar kućišta.

Postoje različite metode za rješavanje. Na primjer, BMW je ugradio spojke kako bi omogućio spajanje i odvajanje elektromotora od osovine. Zahvaljujući tome, motor se može postaviti izvan turbine. G+L inotec je koristio motor s trajnim magnetom s velikim zračnim rasporom, koji se može postaviti i izvana. Unutarnji promjer statora jednak je vanjskom promjeru kompresora, a vanjski promjer rotora jednak je izlaznom promjeru osovine. Zračni raspor može služiti kao ulaz zraka. To daje prednosti u smislu hlađenja, inercije i toplinskog učinka. Osim toga, u pogledu toplinske stabilnosti i termičke kontrole, indukcijski elektromotori s promjenjivim magnetskim otporom, univerzalni kolektorski motori su poželjniji u usporedbi s motorima s površinskim permanentnim magnetima.

EST

U EST-u, turbina i kompresor nisu povezani osovinom, a svaki od njih je opremljen elektromotorom. To omogućuje da kotači kompresora i turbine rade različitim brzinama. Ovaj dizajn ima slične prednosti kao ET, ali, za razliku od njega, može generirati energiju. Osim toga, onaIma manji toplinski učinak zbog odvajanja kompresora i turbine, kao i odsutnosti dodatne inercije od turbine i njezine osovine. Razdvajanje turbine i kompresora je povoljno sa stajališta pakiranja, jer omogućuje optimizaciju puta protoka zraka. Međutim, ova tehnologija također zahtijeva snažan električni motor, generator i invertere kako bi se zadovoljio omjer momenta i inercije, što ima svoju cijenu.

TEDC

TEDC je mehanička turbina s dodatnim kompresorom koji pokreće električni motor. Prema položaju kompresora u odnosu na turbinu, ovi se sustavi dijele na opcije uzvodno i nizvodno (iznad i ispod turbine). Općenito, karakterizira ih znatno bolja odzivnost pri prijelaznim pojavama na "dno" zbog neovisnosti elektromotora o tromosti turbine i osovine. Štoviše, nizvodni TEDC-ovi su superiorniji u tom pogledu u odnosu na uzvodne opcije zbog činjenice da se potonji karakteriziraju velikim volumenom za održavanje tlaka. Još jedna prednost ove vrste električnih turbina je minimalna razlika od mehaničkih.

Načelo rada

Navedene vrste električnih turbina razlikuju se po principu rada. Dakle, pogon je drugačije implementiran, neki od njih mogu generirati energiju itd.

EC

U EC, kompresor pokreće električni motor. Takav sustav nije sposoban generirati energiju, već za njuskladište se može kombinirati s regenerativnim kočnim sustavom ili ugrađenim starter generatorom.

JEDI

U EAT-u pri niskim okretajima, električni motor daje dodatni zakretni moment kompresoru za povećanje tlaka prednapona. Na "vrhovima" stvara energiju koja se može prenijeti u skladište. Osim toga, električni motor može spriječiti da turbina prekorači ograničenje brzine. Međutim, može doći do efekta visokog povratnog tlaka, koji kompenzira energiju izvučenu iz ispušnih plinova.

Zbog mogućnosti proizvodnje električne energije iz ispušnih plinova, takvi se turbo punjači nazivaju hibridnim. Na osobnim automobilima, ovisno o ciklusu vožnje, mogu proizvesti od nekoliko stotina wata do kW. To vam omogućuje zamjenu alternatora uz uštedu goriva.

EST

U EST, energija ispušnih plinova ne pokreće izravno kompresor, već se pretvara u električnu energiju pomoću generatora. Kompresor pokreće pohranjena energija.

TEDC

U TEDC-u, elektromotor funkcionira neovisno o turbini, a dodatni kompresor koji pokreće služi za povećanje pojačanja na "dno".

Dizajn i funkcionalne razlike

Temeljne razlike između razmatranih električnih sustava prisilne indukcije kombiniraju istraživači sa Sveučilišta Wisconsin-Madison u grafičkom i tabličnom obliku. Slika ispod prikazuje dijagrame njihovog uređaja (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC uzvodno, e - TEDC nizvodno).

Tablica odražava glavne odredbe uređaja. To uključuje izvor energije, pogon kompresora, snagu električnih komponenti. Osim toga, važne su kvalitete kao što su dimenzije i temperaturni učinak.

Vrsta	EC	JEDI	EST	TEDC
Izvor energije	Baterija	Ispušni plinovi/baterija	Ispušni plinovi/baterija	Ispušni plinovi/baterija
Snaga elektromotora i invertera	Visoka	Nisko	Visoka	Nisko
temperaturni učinak	Nisko	Visoka	Nisko	Nisko
Veličina	Malo	Srednji	Veliki	Veliki
Električna turbina	Ne	Da	Da	Ne
Pogon turbo-električnog kompresora	Ne	Da	Ne	Ne

Dakle, EAT i EST tehnologije pripadaju električnim turbinama. EC kakav je bionavedeno - zaseban mehanizam, TEDC - konvencionalni sustav turbo punjenja opremljen njime.

Za i protiv

Pogon turbine pomoću elektromotora eliminira glavne nedostatke mehaničkih turbopunjača.

• Bez zastoja jer električni motor može vrlo brzo okretati rotor.
• Nema turbo kašnjenja uzrokovanog nedostatkom ispušnih plinova, jer u ovom slučaju elektromotor nadoknađuje nedostatak energije.
• Električni motor omogućuje vam da zadržite pojačanje tijekom prolaznih pojava kao što je anti-lag bez negativnih učinaka potonjeg.
• Ovo pruža širok radni raspon i dosljedan zakretni moment.
• Neke vrste ovih mehanizama mogu generirati električnu energiju, smanjujući opterećenje generatora i smanjujući potrošnju goriva.
• Povrat izgubljene energije je moguć, jer je Ferrari implementirao u motor Formule 1.
• Elektroturbine rade u blažim uvjetima i pri nižim brzinama (100 tisuća umjesto 200-300 tisuća).

Međutim, ova tehnologija ima niz nedostataka.

• Velika složenost dizajna uključujući motor i kontrolere.
• To uzrokuje visoku cijenu.
• Osim toga, složenost dizajna utječe na pouzdanost.
• Zbog velikog broja strukturnih elemenata (osim turbine, to uključuje i elektromotor, kontrolere, bateriju), ovi su turbo punjači puno veći i teži od konvencionalnih.

Osim toga, svaki tip električnih turbina je karakteriziranspecifične značajke.

Vrsta	EC	JEDI	EST	TEDC uzvodno	TEDC nizvodno
Dostojanstvo	Fleksibilnost kontrole; fleksibilnost izgleda; nedostatak inercije osovine; bez otpadnog vrata; bez protutlaka	Compact; motor i inverter male snage; bez wastegate	Fleksibilnost kontrole; fleksibilnost izgleda; nedostatak inercije osovine; bez wastegate	Jednostavno za instalaciju; nedostatak inercije osovine; motor i inverter male snage; Kontinuirano poboljšanje izvedbe	Bolji prolazni odgovor; jednostavno za instalaciju; motor i inverter male snage; Kontinuirano poboljšanje izvedbe
Nedostaci	Motor i inverter velike snage; niska učinkovitost	Potreba za dodatnim hlađenjem; dodatna inercija osovine; pojačajte granicu ubrzanja zbog protutlaka	Motor i inverter velike snage; gubitak energije tijekom konverzije; ograničenjepojačati pojačanje zbog povratnog pritiska; zahtijeva dodatni prostor za instalaciju	Ne baš brz prolazni odgovor; zahtijeva dodatni prostor za instalaciju; niska učinkovitost	Zahtijeva dodatni prostor za instalaciju; niska učinkovitost

U smislu trajnosti, prema IHI-ju, električne turbine bit će ekvivalentne mehaničkim zbog rada u istim uvjetima u nježnijem načinu rada s većom složenošću dizajna.

Relevantnost

Unatoč dobrim performansama, električne turbine trenutno se ne koriste široko na automobilima masovne proizvodnje. To je zbog njihove visoke cijene i složenosti. Osim toga, poboljšane inačice mehaničkih turbina (twin scroll i varijabilna geometrija) imaju slične prednosti u odnosu na početne modifikacije (iako u manjoj mjeri) uz mnogo nižu cijenu. Sada EST koristi Ferrari u motoru Formule 1. Prema Honeywellu, masovna upotreba električnih turbina počet će početkom sljedećeg desetljeća. Treba napomenuti da se električni kompresori već koriste na nekim proizvodnim vozilima, kao što je Honda Clarity, jer su jednostavniji.

Najjednostavniji i domaći mehanizmi

Početkom desetljeća na tržištu su se pojavili jednostavni, jeftini strojevi kao što su rashladni uređaji za računala, koji se nazivaju i električne turbine. Nalaze se na ulazu i rade na baterije. Takve električne turbine moguće je koristiti i na rasplinjaču i na injektoru. Prema proizvođačima, oni povećavaju protok zraka koji ulazi u motor, ubrzavajući ga, što daje povećanje performansi do 15%. U tom slučaju parametri (obrtaji, protok, snaga) obično nisu naznačeni. Vrlo je jednostavno instalirati takve električne turbine na automobil vlastitim rukama.

Međutim, u stvarnosti njihovi elektromotori razvijaju i do nekoliko stotina wata, što nije dovoljno za povećanje volumena protoka, jer je za to potrebno oko 4 kW. Stoga će takav uređaj postati ozbiljna prepreka na ulazu, zbog čega će, naprotiv, produktivnost biti smanjena. U najboljem slučaju, gubici od toga bit će mali, što neće bitno utjecati na dinamiku.

Osim toga, na internetu možete pronaći razvoje o stvaranju električne turbine vlastitim rukama. Za razliku od gore navedenih jeftinih opcija, izgrađeni su na bazi centrifugalnog kompresora i motora bez četkica snage do 17 kW i napona 50-70 V, jer samo takav motor može osigurati dovoljan okretni moment i brzina za okretanje kompresora. Motor mora biti opremljen regulatorom brzine. Ovaj sustav ne zahtijeva intercooler - dovoljan mu je usis hladnoće. Instalacija električne turbine ovog tipa može zahtijevati zamjenu generatora (za 90-100 A) i baterije (za više kapaciteta s velikom izlaznom strujom). Brzina vrtnje kompresora određena je položajem leptira za gas. Štoviše, ovisnost nije linearna, već eksponencijalna.

Preporučljivo je izraditi ovakve električne turbine za automobile s malim motorima do 1,5 litara, zbog velike potrošnje energije. Štoviše, što je veći volumen motora, to manji tlak prednabijanja može stvoriti kompresor. Dakle, na motoru od 0,7 litara bit će 0,4-0,5 bara, za 1,5 litara - 0,2-0,3 bara. Osim toga, takav kompresor neće moći dugo funkcionirati s maksimalnim performansama zbog zagrijavanja. Međutim, kontroler se može konfigurirati za prisilnu aktivaciju.

Zbog visoke cijene komponenti, vrlo je skupo napraviti takvu električnu turbinu. Recenzije ukazuju na mjerljivo povećanje izvedbe.

Što se tiče dizajna, ovi mehanizmi, kao i gore spomenute jeftine opcije, su električni kompresori. Međutim, često se pogrešno nazivaju električnim turbinama. Sada na tržištu postoje ozbiljniji markirani pokreti koji su bliski domaćim.

CV

Električne turbine su osjetljivije, produktivnije i učinkovitije od mehaničkih i imaju dodatne značajke. U isto vrijeme, s jedne strane, imaju kompliciran dizajn, ali, s druge strane, rade u benignijim uvjetima.