Elektrische Turbine: Eigenschaften, Funktionsprinzip, Vor- und Nachteile der Arbeit, Installationstipps zum Selbermachen und Eigentümerbewertungen
Durch strengere Umweltvorschriften sind Autohersteller gezwungen, Wege zu entwickeln, um die Umweltfreundlichkeit und Effizienz von Motoren zu verbessern und gleichzeitig die Leistung beizubehalten. In dieser Hinsicht haben Zwangseinleitungssysteme weite Verbreitung gefunden. Während sie früher der Produktivitätssteigerung dienten, werden sie heute als Mittel zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit eingesetzt. Dank Aufladung erreichen Sie mit weniger Zylindern und kleinerem Volumen die gleiche Leistung wie bei atmosphärischen Motoren. Das heißt, aufgeladene Motoren sind effizienter. Eine andere Methode ist die Nutzung elektrischer Energie sowohl separat (Elektromotoren) als auch in Kombination mit Verbrennungsmotoren (Hybridkraftwerke). Dieser Artikel behandelt elektrische Turbinen, die diese Ansätze kombinieren.
Allgemeine Merkmale
Nicht elektrische Systeme der Aufladung werden je nach Energiequelle in Turbolader und Kompressoren eingeteilt. Elektrische Systeme bauen darauf auf und zielen darauf ab, das Einschwingverhalten zu verbessern und Verzögerungen zu minimieren.
Ein elektrisches Gebläse ist laut Honeywell ein Kompressor, der von einem Elektromotor angetrieben wird, der auf einem aufgeladenen Motor montiert ist. Das heißt, dies ist ein zusätzliches Gerät für einen Turbomotor. Eine elektrische Turbine ist ein Analogon einer mechanischen Turbine. Der Antrieb kann dabei auf unterschiedliche Weise realisiert werden.
Nach der Einteilung von Forschern der University of Wisconsin-Madison werden elektrische Systeme der Zwangsinduktion nach Aufbau und Wirkungsweise in folgende Typen unterschieden:
- elektrische Kompressoren (EC/ET/ES);
- Turbinen mit elektrischem Assistenten (EAT);
- elektrisch getrennte Turbinen (EST);
- Turbinen mit elektrischem Zusatzverdichter (TEDC).
Design
Die oben genannten Arten von elektrischen Turbinen haben eine andere Vorrichtung. Dies liegt an der unterschiedlichen Anordnung der Komponenten, an den Unterschieden in ihren technischen Parametern usw.
EG
EC ist ein Kompressor, der von einem Elektromotor angetrieben wird. Dies ist das oben erwähnte elektrische Gebläse. Der Elektroantrieb bietet höchste Regelflexibilität und die Möglichkeit, den Kompressor im optimalen Betriebspunkt zu betreiben. Dies erfordert jedoch leistungsstarke elektrische Komponenten.
ESSEN
Beim EAT ist ein Hochgeschwindigkeits-Elektromotor zwischen Turbine und Kompressor montiert, normalerweise auf einer Welle. Da es nicht die Hauptenergiequelle ist, werden elektrische Komponenten mit geringer Leistung verwendet. Dies führt zu niedrigen Kosten. Darüber hinaus haben solche Turbolader die Fähigkeit, die Position des Rotors selbst zu erkennen, und zeichnen sich durch gute Erzeugungs- und Motorfähigkeiten aus. Das Hauptproblem ist die hohe Temperatureinwirkung auf den Elektromotor, insbesondere wenn er innerhalb des Gehäuses installiert ist.
Es gibt verschiedene Methoden, um es zu lösen. Beispielsweise hat BMW Kupplungen eingebaut, um den Elektromotor mit der Welle verbinden und von ihr trennen zu können. Dadurch kann der Motor außerhalb der Turbine platziert werden. G+L inotec verwendete einen Permanentmagnet-Motor mit großem Luftspalt, der auch im Freien platziert werden kann. Der Innendurchmesser des Stators ist gleich dem Außendurchmesser des Kompressors, und der Außendurchmesser des Rotors ist gleich dem Auslassdurchmesser der Welle. Der Luftspalt kann als Lufteinlass wirken. Dies bietet Vorteile hinsichtlich Kühlung, Trägheit und thermischer Wirkung. Darüber hinaus sind im Hinblick auf die thermische Stabilität und thermische Steuerung elektrische Induktionsmotoren mit variablem magnetischem Widerstand, Universalkollektor-Motoren, im Vergleich zu einem Motor mit Oberflächen-Permanentmagneten vorzuziehen.
IST
Bei EST sind Turbine und Kompressor nicht durch eine Welle verbunden und jeweils mit einem Elektromotor ausgestattet. Dadurch können die Verdichter- und Turbinenräder mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten. Dieses Design hat ähnliche Vorteile wie ET, ist aber im Gegensatz zu diesem in der Lage, Energie zu erzeugen. Darüber hinaus zeichnet es sich durch einen geringeren Temperatureinfluss aufgrund der Trennung von Verdichter und Turbine sowie durch das Fehlen zusätzlicher Trägheitsmomente der Turbine und ihrer Welle aus. Die Trennung von Turbine und Verdichter ist aus Sicht des Packaging vorteilhaft, da dadurch der Luftströmungsweg optimiert werden kann. Diese Technologie erfordert jedoch auch einen leistungsstarken Elektromotor, Generator und Wechselrichter, um das Drehmoment-/Trägheitsverhältnis zu erfüllen, was mit Kosten verbunden ist.
TEDC
TEDC ist eine mechanische Turbine mit einem zusätzlichen Kompressor, der von einem Elektromotor angetrieben wird. Entsprechend der Position des Kompressors relativ zur Turbine werden diese Systeme in Optionen stromaufwärts und stromabwärts (jeweils über und unter der Turbine) eingeteilt. Generell zeichnen sie sich durch ein deutlich besseres Ansprechverhalten bei Transienten am „Boden” durch die Unabhängigkeit des Elektromotors von der Trägheit von Turbine und Welle aus. Darüber hinaus sind Downstream-TEDCs in dieser Hinsicht Upstream-Optionen überlegen, da letztere sich durch ein großes Volumen zur Druckhaltung auszeichnen. Ein weiterer Vorteil dieser Art von elektrischen Turbinen sind die minimalen Unterschiede zu mechanischen.
Funktionsprinzip
Die oben genannten Arten von elektrischen Turbinen unterscheiden sich im Funktionsprinzip. Der Antrieb ist also auf unterschiedliche Weise implementiert, einige davon können Energie erzeugen usw.
EG
Bei EC wird der Kompressor von einem Elektromotor angetrieben. Ein solches System ist nicht in der Lage, Energie zu erzeugen, kann aber mit einem rekuperativen Bremssystem oder einem integrierten Startergenerator kombiniert werden, um diese zu speichern.
ESSEN
Beim EAT bei niedrigen Drehzahlen liefert der Elektromotor zusätzliches Drehmoment an den Kompressor, um den Ladedruck zu erhöhen. An den „Spitzen” erzeugt es Energie, die in Speicher überführt werden kann. Außerdem kann der Elektromotor verhindern, dass die Turbine ihre Drehzahlgrenze überschreitet. Es kann jedoch ein hoher Gegendruckeffekt auftreten, der die den Abgasen entzogene Energie kompensiert.
Aufgrund der Möglichkeit, Strom aus Abgasen zu erzeugen, werden solche Turbolader Hybrid genannt. Bei Pkw können sie je nach Fahrzyklus mehrere hundert Watt bis kW erzeugen. Dadurch können Sie den Generator ersetzen und Kraftstoff sparen.
IST
Beim EST treibt die Energie der Abgase den Kompressor nicht direkt an, sondern wird über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Der Kompressor wird durch gespeicherte Energie angetrieben.
TEDC
Im TEDC arbeitet die E-Maschine unabhängig von der Turbine, der von ihr angetriebene Zusatzverdichter dient zur Erhöhung des Ladedrucks „unten”.
Strukturelle und funktionelle Unterschiede
Die grundlegenden Unterschiede zwischen den betrachteten elektrischen Systemen der erzwungenen Induktion werden von Forschern der University of Wisconsin-Madison in grafischer und tabellarischer Form zusammengefasst. Die folgende Abbildung zeigt die Diagramme ihres Geräts (a – EAT, b – EC, c – EST, d – TEDC stromaufwärts, e – TEDC stromabwärts).
Die Tabelle gibt die wichtigsten Bestimmungen des Geräts wieder. Dazu gehören die Energiequelle, der Antrieb des Kompressors, die Leistung der elektrischen Komponenten. Außerdem sind Eigenschaften wie Abmessungen und Temperatureinfluss wichtig.
In Bezug auf die Haltbarkeit werden elektrische Turbinen laut IHI mechanischen Turbinen gleichwertig sein, da sie unter denselben Bedingungen in einem sanfteren Modus mit größerer Konstruktionskomplexität betrieben werden.
Relevanz
Trotz guter Leistung werden elektrische Turbinen derzeit nicht in großem Umfang in Serienautos eingesetzt. Dies ist auf ihre hohen Kosten und Komplexität zurückzuführen. Darüber hinaus haben verbesserte Versionen von mechanischen Turbinen (Twin Scroll und variable Geometrie) ähnliche Vorteile gegenüber den anfänglichen Modifikationen (wenn auch in geringerem Ausmaß) bei viel geringeren Kosten. Jetzt verwendet EST Ferrari im Formel-1-Motor. Laut Honeywell wird der Masseneinsatz von Elektroturbinen Anfang des nächsten Jahrzehnts beginnen. Es sei darauf hingewiesen, dass elektrische Kompressoren bereits in einigen Serienautos wie dem Honda Clarity verwendet werden, da sie einfacher sind.
Die einfachsten und hausgemachten Mechanismen
Zu Beginn des Jahrzehnts kamen einfache, kostengünstige Mechanismen wie Computerkühler, auch elektrische Turbinen genannt, auf den Markt. Sie befinden sich am Einlass und sind batteriebetrieben. Es ist möglich, solche elektrischen Turbinen sowohl am Vergaser als auch am Injektor zu verwenden. Laut Hersteller erhöhen sie den in den Motor eintretenden Luftstrom und beschleunigen ihn, was zu einer Leistungssteigerung von bis zu 15% führt. In diesem Fall werden die Parameter (Drehzahl, Durchfluss, Leistung) normalerweise nicht angezeigt. Es ist sehr einfach, solche elektrischen Turbinen mit eigenen Händen in ein Auto einzubauen.
In der Realität entwickeln ihre Elektromotoren jedoch bis zu mehreren hundert Watt, was nicht ausreicht, um die Durchflussmenge zu erhöhen, da dies etwa 4 kW erfordert. Daher wird eine solche Vorrichtung am Einlass zu einem ernsthaften Hindernis, wodurch im Gegenteil die Produktivität verringert wird. Bestenfalls sind die Verluste gering, was die Dynamik nicht wesentlich beeinflusst.
Darüber hinaus finden Sie im Internet Entwicklungen zum Erstellen einer elektrischen Turbine mit Ihren eigenen Händen. Im Gegensatz zu den oben genannten billigen Optionen basieren sie auf einem Kreiselkompressor und einem bürstenlosen Motor mit einer Leistung von bis zu 17 kW und einer Spannung von 50-70 V, da nur ein solcher Motor in der Lage ist, ein ausreichendes Drehmoment bereitzustellen und Geschwindigkeit, um den Kompressor zu drehen. Der Motor muss mit einem Drehzahlregler ausgestattet sein. Dieses System benötigt keinen Ladeluftkühler – dafür reicht eine Kälteansaugung. Die Installation einer elektrischen Turbine dieses Typs kann den Austausch eines Generators (für 90-100 A) und einer Batterie (für eine größere mit hoher Stromabgabe) erfordern. Die Drehzahl des Kompressors wird durch die Stellung der Drosselklappe bestimmt. Außerdem ist die Abhängigkeit nicht linear, sondern exponentiell.
Aufgrund des hohen Energieverbrauchs ist es ratsam, solche elektrischen Turbinen für Autos mit kleinen Motoren bis 1,5 Liter zu bauen. Außerdem kann der Kompressor umso weniger Ladedruck erzeugen, je größer das Volumen des Motors ist. Bei einem 0,7-Liter-Motor sind es also 0,4 bis 0,5 bar, bei einem 1,5-Liter-Motor 0,2 bis 0,3 bar. Außerdem wird ein solcher Kompressor aufgrund der Erwärmung nicht lange mit maximaler Leistung arbeiten können. Der Controller kann jedoch so konfiguriert werden, dass er die Aktivierung erzwingt.
Aufgrund der hohen Kosten der Komponenten ist die Herstellung einer solchen elektrischen Turbine sehr teuer. Bewertungen deuten auf eine spürbare Leistungssteigerung hin.
Vom Design her handelt es sich bei diesen Mechanismen wie bei den oben genannten günstigen Optionen um elektrische Kompressoren. Sie werden jedoch oft fälschlicherweise als elektrische Turbinen bezeichnet. Jetzt gibt es auf dem Markt ernsthaftere Markenmechanismen, die hausgemacht sind.
Zusammenfassung
Elektrische Turbinen sind reaktionsschneller, produktiver und effizienter als mechanische und verfügen über zusätzliche Funktionen. Gleichzeitig sind sie einerseits kompliziert aufgebaut, arbeiten andererseits aber auch unter schonenderen Bedingungen.
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| Typ | EG | ESSEN | IST | TEDC | |
| Energiequelle | Batterie | Abgase / Batterie | Abgase / Batterie | Abgase / Batterie | |
| Elektromotor und Wechselrichterleistung | hoch | Niedrig | hoch | Niedrig | |
| Temperatureffekt | Kurz | Groß | Kurz | Kurz | |
| Die Größe | Klein | Durchschnitt | Groß | Groß | |
| Elektrische Turbine | Nein | Ja | Ja | Nein | |
| Turboelektrischer Kompressorantrieb | Nein | Ja | Nein | Nein | |
| Typ | EG | ESSEN | IST | TEDC stromaufwärts | TEDC stromabwärts |
| Vorteile |
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| Nachteile |
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