Elektroturbína: vlastnosti, princip činnosti, výhody a nevýhody práce, tipy pro instalaci svépomocí a recenze majitelů

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-02-19 12:59

Se zpřísněním ekologických předpisů jsou výrobci automobilů nuceni vyvíjet způsoby, jak zlepšit šetrnost k životnímu prostředí a účinnost motorů při zachování výkonu. V tomto ohledu se systémy nucené indukce rozšířily. Zatímco v minulosti byly používány ke zvýšení produktivity, nyní se používají jako prostředek ke zlepšení hospodárnosti a šetrnosti k životnímu prostředí. Díky přeplňování můžete dosáhnout stejného výkonu jako na atmosférických motorech, s méně válci a menším objemem. To znamená, že přeplňované motory jsou efektivnější. Další metodou je využití elektrické energie jak samostatně (elektromotory), tak v kombinaci se spalovacími motory (hybridní elektrárny). Tento článek pojednává o elektrických turbínách, které kombinují tyto přístupy.

Obecné funkce

Neelektrické nucené indukční systémy podle zdroje energie se dělí na turbodmychadla a kompresory. Elektrické systémy na nich staví a jejich cílem je zlepšit výkon během přechodových jevů.procesy a minimalizace zpoždění.

Elektrické dmychadlo je podle společnosti Honeywell kompresor poháněný elektromotorem, který je namontován na přeplňovaném motoru. To znamená, že se jedná o přídavné zařízení pro turbomotor. Elektrická turbína je obdobou mechanické turbíny. Pohon lze v tomto případě implementovat různými způsoby.

Podle klasifikace výzkumníků na University of Wisconsin-Madison jsou elektrické systémy nucené indukce rozděleny do následujících typů podle konstrukce a principu činnosti:

• elektrické dmychadla (EC/ET/ES);
• turbíny s elektrickým asistentem (EAT);
• elektricky oddělené turbíny (EST);
• turbíny s přídavným elektricky poháněným kompresorem (TEDC).

Design

Výše uvedené typy elektrických turbín mají odlišný design. Ta spočívá v různém rozložení komponent, v rozdílech v jejich technických parametrech atd.

EC

EC je kompresor poháněný elektromotorem. Jedná se o výše zmíněný elektrický dmychadlo. Elektrický pohon poskytuje největší flexibilitu ovládání a schopnost provozovat kompresor v optimálním provozním bodě. To však vyžaduje výkonné elektrické komponenty.

EAT

V EAT je vysokorychlostní elektromotor namontován mezi turbínu a kompresor, obvykle na hřídeli. Vzhledem k tomu, že není hlavním zdrojem energie, jsou využíványelektrické komponenty s nízkým výkonem. Výsledkem jsou nízké náklady. Taková turbodmychadla mají navíc schopnost samodetekce polohy rotoru a vyznačují se dobrými generovacími a motorickými schopnostmi. Hlavním problémem je účinek vysoké teploty na elektromotor, zvláště pokud je instalován uvnitř krytu.

Existují různé způsoby, jak to vyřešit. BMW například nainstalovalo spojky, které umožňují připojení a odpojení elektromotoru od hřídele. Díky tomu lze motor umístit mimo turbínu. G+L inotec použil motor s permanentním magnetem s velkou vzduchovou mezerou, který může být umístěn i venku. Vnitřní průměr statoru se rovná vnějšímu průměru kompresoru a vnější průměr rotoru se rovná výstupnímu průměru hřídele. Vzduchová mezera může fungovat jako přívod vzduchu. To poskytuje výhody z hlediska chlazení, setrvačnosti a tepelného účinku. Kromě toho jsou z hlediska tepelné stability a tepelné kontroly výhodnější indukční elektromotory s proměnným magnetickým odporem, univerzální kolektorové motory ve srovnání s motorem s povrchovými permanentními magnety.

EST

V EST nejsou turbína a kompresor spojeny hřídelí a každý z nich je vybaven elektromotorem. To umožňuje, aby kola kompresoru a turbíny pracovaly při různých rychlostech. Tato konstrukce má podobné výhody jako ET, ale na rozdíl od ní je schopna generovat energii. Navíc onaMá menší tepelný účinek díky oddělení kompresoru a turbíny a také absenci dodatečné setrvačnosti od turbíny a jejího hřídele. Oddělení turbíny a kompresoru je výhodné z hlediska balení, protože umožňuje optimalizaci cesty proudění vzduchu. Tato technologie však také vyžaduje výkonný elektromotor, generátor a invertory, aby dodržely poměr točivého momentu a setrvačnosti, což je za cenu.

TEDC

TEDC je mechanická turbína s přídavným kompresorem poháněným elektromotorem. Podle umístění kompresoru vzhledem k turbíně jsou tyto systémy rozděleny do variant před a za turbínou (nad a pod turbínou). Obecně se vyznačují výrazně lepší odezvou při přechodových dějích „dole“díky nezávislosti elektromotoru na setrvačnosti turbíny a hřídele. Kromě toho jsou TEDC v tomto ohledu lepší než upstream možnosti vzhledem k tomu, že ty se vyznačují velkým objemem pro udržení tlaku. Další výhodou tohoto typu elektrických turbín jsou minimální rozdíly od mechanických.

Princip fungování

Výše uvedené typy elektrických turbín se liší principem činnosti. Pohon je tedy implementován jinak, některé z nich jsou schopny generovat energii atd.

EC

V EC je kompresor poháněn elektromotorem. Takový systém není schopen generovat energii, ale pro niúložiště lze kombinovat s rekuperačním brzdným systémem nebo vestavěným startovacím generátorem.

EAT

V EAT při nízkých otáčkách poskytuje elektromotor dodatečný točivý moment kompresoru pro zvýšení plnicího tlaku. Na „vrcholu“generuje energii, kterou lze přenést do úložiště. Elektromotor navíc dokáže zabránit překročení rychlosti turbíny. Může se však objevit efekt vysokého zpětného tlaku, který kompenzuje energii extrahovanou z výfukových plynů.

Vzhledem k možnosti výroby elektřiny z výfukových plynů se takovým turbodmychadlům říká hybridní. U osobních automobilů mohou v závislosti na jízdním cyklu generovat od několika stovek wattů až po kW. To vám umožní vyměnit alternátor a zároveň šetřit palivo.

EST

V EST energie výfukových plynů nepohání kompresor přímo, ale pomocí generátoru se přeměňuje na elektrickou energii. Kompresor je poháněn akumulovanou energií.

TEDC

V TEDC funguje elektromotor nezávisle na turbíně a jím poháněný přídavný kompresor slouží ke zvýšení přetlaku „dole“.

Designové a funkční rozdíly

Základní rozdíly mezi uvažovanými elektrickými systémy nucené indukce kombinují výzkumníci z University of Wisconsin-Madison v grafické a tabulkové formě. Obrázek níže ukazuje schémata jejich zařízení (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC upstream, e - TEDC downstream).

Tabulka odráží hlavní ustanovení zařízení. Patří mezi ně zdroj energie, pohon kompresoru, výkon elektrických komponentů. Kromě toho jsou důležité vlastnosti, jako jsou rozměry a teplotní efekt.

Typ	EC	EAT	EST	TEDC
Zdroj energie	Baterie	Výfukové plyny / baterie	Výfukové plyny / baterie	Výfukové plyny / baterie
Výkon elektromotoru a invertoru	Vysoká	Nízký	Vysoká	Nízký
Vliv teploty	Nízký	Vysoká	Nízký	Nízký
Velikost	Small	Střední	Velký	Velký
Elektrická turbína	Ne	Ano	Ano	Ne
Turbo-elektrický pohon kompresoru	Ne	Ano	Ne	Ne

Technologie EAT a EST tedy patří k elektrickým turbínám. EC, jak to bylopoznamenáno - samostatný mechanismus, TEDC - konvenční přeplňovací systém jím vybavený.

Pro a proti

Pohon turbíny elektromotorem odstraňuje hlavní nevýhody mechanických turbodmychadel.

• Žádné zpoždění, protože elektromotor dokáže roztočit rotor velmi rychle.
• Neexistuje žádná prodleva turba způsobená nedostatkem výfukových plynů, protože v tomto případě nedostatek energie kompenzuje elektromotor.
• Elektrický motor vám umožňuje udržovat podporu během přechodových jevů, jako je anti-lag, bez negativních účinků posledně jmenovaného.
• To poskytuje široký provozní rozsah a konzistentní točivý moment.
• Některé typy těchto mechanismů mohou generovat elektřinu, čímž snižují zátěž generátoru a snižují spotřebu paliva.
• Obnovení ztracené energie je možné, protože Ferrari implementovalo motor Formule 1.
• Elektroturbíny pracují v šetrnějších podmínkách a při nižších otáčkách (100 tisíc místo 200-300 tisíc).

Tato technologie má však řadu nevýhod.

• Velká složitost designu včetně motoru a ovladačů.
• To způsobuje vysoké náklady.
• Složitost návrhu navíc ovlivňuje spolehlivost.
• Vzhledem k velkému množství konstrukčních prvků (kromě turbíny sem patří elektromotor, regulátory, baterie) jsou tato turbodmychadla mnohem větší a těžší než konvenční.

Kromě toho je každý typ elektrické turbíny charakterizovánspecifické funkce.

Typ	EC	EAT	EST	TEDC upstream	downstream TEDC
Dignity	Flexibilita ovládání; flexibilita rozvržení; nedostatečná setrvačnost hřídele; no wastegate; žádný protitlak	Compact; motor s nízkým výkonem a invertor; no wastegate	Flexibilita ovládání; flexibilita rozvržení; nedostatečná setrvačnost hřídele; no wastegate	Snadná instalace; nedostatečná setrvačnost hřídele; motor s nízkým výkonem a invertor; Neustálé zlepšování výkonu	Lepší přechodná odezva; snadná instalace; motor s nízkým výkonem a invertor; Neustálé zlepšování výkonu
Vady	Motor a měnič s vysokým výkonem; nízká účinnost	Potřeba dodatečného chlazení; přídavná setrvačnost hřídele; zvýšit limit zrychlení kvůli protitlaku	Motor s vysokým výkonem a invertor; ztráta energie během přeměny; limitzesílení díky zpětnému tlaku; vyžaduje další instalační prostor	Nepříliš rychlá přechodná odezva; vyžaduje další instalační prostor; nízká účinnost	Vyžaduje další instalační prostor; nízká účinnost

Z hlediska životnosti budou podle IHI elektrické turbíny ekvivalentní těm mechanickým díky provozu ve stejných podmínkách v šetrnějším režimu s větší konstrukční složitostí.

Relevance

Navzdory dobrému výkonu nejsou v současnosti elektrické turbíny u sériově vyráběných automobilů široce používány. To je způsobeno jejich vysokou cenou a složitostí. Navíc vylepšené verze mechanických turbín (twin scroll a variabilní geometrie) mají podobné výhody oproti prvotním úpravám (i když v menší míře) za mnohem nižší cenu. Nyní EST používá Ferrari v motoru Formule 1. Masové používání elektrických turbín začne podle Honeywell na začátku příští dekády. Je třeba poznamenat, že elektrické kompresory se již používají u některých sériových vozidel, jako je Honda Clarity, protože jsou jednodušší.

Nejjednodušší a podomácku vyrobené mechanismy

Počátkem dekády se na trhu objevily jednoduché, levné stroje jako počítačové chladiče, nazývané také elektrické turbíny. Jsou umístěny na vstupu a jsou napájeny bateriemi. Takové elektrické turbíny je možné použít jak na karburátoru, tak na vstřikovači. Podle výrobců zvyšují průtok vzduchu vstupujícího do motoru, urychlují jej, což dává zvýšení výkonu až o 15 %. V tomto případě se parametry (otáčky, průtok, výkon) obvykle neuvádějí. Je velmi snadné nainstalovat takové elektrické turbíny na auto vlastníma rukama.

Ve skutečnosti však jejich elektromotory vyvinou až několik stovek wattů, což nestačí ke zvýšení objemu průtoku, protože to vyžaduje asi 4 kW. Proto se takové zařízení stane vážnou překážkou na vstupu, v důsledku čehož se naopak sníží produktivita. Ztráty z toho budou v nejlepším případě malé, což výrazně neovlivní dynamiku.

Kromě toho na internetu můžete najít vývoj ve vytváření elektrické turbíny vlastníma rukama. Na rozdíl od výše uvedených levných možností jsou postaveny na bázi odstředivého kompresoru a bezkomutátorového motoru s výkonem až 17 kW a napětím 50-70 V, protože pouze takový motor je schopen poskytnout dostatečný točivý moment a rychlost otáčení kompresoru. Motor musí být vybaven regulátorem otáček. Tento systém nevyžaduje mezichladič - stačí mu přívod studeného vzduchu. Instalace elektrické turbíny tohoto typu může vyžadovat výměnu generátoru (pro 90-100 A) a baterie (za prostornější s vysokým proudovým výstupem). Rychlost otáčení kompresoru je určena polohou škrticí klapky. Navíc závislost není lineární, ale exponenciální.

Je vhodné vytvořit takové elektrické turbíny pro automobily s malými motory do 1,5 litru, kvůli vysoké spotřebě energie. Navíc čím větší je objem motoru, tím menší plnicí tlak dokáže kompresor vytvořit. Takže u 0,7-litrového motoru to bude 0,4-0,5 baru, pro 1,5 litru - 0,2-0,3 baru. Navíc takový kompresor nebude schopen kvůli zahřívání dlouhodobě fungovat na maximální výkon. Ovladač však lze nakonfigurovat tak, aby aktivaci vynutil.

Vzhledem k vysokým nákladům na komponenty je výroba takové elektrické turbíny velmi nákladná. Recenze ukazují měřitelný nárůst výkonu.

Pokud jde o design, tyto mechanismy, stejně jako levné možnosti uvedené výše, jsou elektrickými kompresory. Často jsou však mylně označovány jako elektrické turbíny. Nyní jsou na trhu serióznější značkové výrobky, které se blíží domácí výrobě.

CV

Elektrické turbíny jsou citlivější, produktivnější a efektivnější než mechanické a mají další funkce. Zároveň mají na jednu stranu komplikovaný design, ale na druhou stranu fungují v příznivějších podmínkách.