Turbina eléctrica: características, principio de funcionamiento, pros y contras del trabajo, consejos de instalación de bricolaje y reseñas de propietarios
Con regulaciones ambientales más estrictas, los fabricantes de automóviles se ven obligados a desarrollar formas de mejorar el respeto al medio ambiente y la eficiencia de los motores mientras mantienen el rendimiento. En este sentido, los sistemas de inducción forzada se han generalizado. Mientras que en el pasado se usaban para aumentar la productividad, ahora se usan como un medio para mejorar la economía y el respeto por el medio ambiente. Gracias a la sobrealimentación, puede lograr el mismo rendimiento que en los motores atmosféricos, con menos cilindros y un volumen más pequeño. Es decir, los motores sobrealimentados son más eficientes. Otro método es el uso de energía eléctrica tanto por separado (motores eléctricos) como en combinación con motores de combustión interna (centrales eléctricas híbridas). Este artículo analiza las turbinas eléctricas que combinan estos enfoques.
Características generales
Los sistemas no eléctricos de inducción forzada según la fuente de energía se clasifican en turbocompresores y sobrealimentadores. Los sistemas eléctricos se basan en ellos y tienen como objetivo mejorar el rendimiento transitorio y minimizar el retraso.
Un soplador eléctrico, según Honeywell, es un compresor impulsado por un motor eléctrico que está montado en un motor sobrealimentado. Es decir, este es un dispositivo adicional para un motor turbo. Una turbina eléctrica es un análogo de una turbina mecánica. La unidad en este caso se puede implementar de diferentes maneras.
Según la clasificación de investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison, los sistemas eléctricos de inducción forzada se diferencian por diseño y principio de funcionamiento en los siguientes tipos:
- sobrealimentadores eléctricos (EC/ET/ES);
- turbinas con asistente eléctrico (EAT);
- turbinas separadas eléctricamente (EST);
- turbinas con compresor eléctrico adicional (TEDC).
Diseño
Los tipos anteriores de turbinas eléctricas tienen un dispositivo diferente. Esto es en diferentes diseños de componentes, en diferencias en sus parámetros técnicos, etc.
CE
EC es un compresor accionado por un motor eléctrico. Este es el soplador eléctrico mencionado anteriormente. El accionamiento eléctrico proporciona la mayor flexibilidad de control y la capacidad de hacer funcionar el compresor en el punto de funcionamiento óptimo. Sin embargo, esto requiere potentes componentes eléctricos.
COME
En EAT, se monta un motor eléctrico de alta velocidad entre la turbina y el compresor, generalmente en un eje. Debido a que no es la principal fuente de energía, se utilizan componentes eléctricos de baja potencia. Esto resulta en un bajo costo. Además, dichos turbocargadores tienen la capacidad de autodetectar la posición del rotor y se caracterizan por buenas capacidades de generación y motorización. El principal problema es el efecto de la alta temperatura en el motor eléctrico, especialmente si se instala dentro de la carcasa.
Hay varios métodos para solucionarlo. Por ejemplo, BMW instaló embragues para permitir que el motor eléctrico se conectara y desconectara del eje. Gracias a esto, el motor se puede colocar fuera de la turbina. G+L inotec utilizó un motor de imanes permanentes con un gran espacio de aire, que también se puede ubicar en el exterior. El diámetro interior del estator es igual al diámetro exterior del compresor, y el diámetro exterior del rotor es igual al diámetro de salida del eje. El espacio de aire puede actuar como una entrada de aire. Esto proporciona ventajas en términos de enfriamiento, inercia y efecto térmico. Además, en términos de estabilidad térmica y control térmico, los motores eléctricos de inducción con resistencia magnética variable, los de colector universal son más preferibles en comparación con un motor con imanes permanentes de superficie.
ES
En EST, la turbina y el compresor no están conectados por un eje y cada uno de ellos está equipado con un motor eléctrico. Esto permite que las ruedas del compresor y de la turbina funcionen a diferentes velocidades. Este diseño tiene ventajas similares a ET, pero, a diferencia de este, puede generar energía. Además, se caracteriza por un menor efecto de la temperatura debido a la separación del compresor y la turbina, así como por la ausencia de inercia adicional de la turbina y su eje. Separar la turbina y el compresor es ventajoso desde el punto de vista del empaque, ya que permite optimizar la ruta del flujo de aire. Sin embargo, esta tecnología también requiere un potente motor eléctrico, generador e inversores para cumplir con la relación par/inercia, lo que tiene un costo.
TEDC
El TEDC es una turbina mecánica con un compresor adicional accionado por un motor eléctrico. Según la ubicación del compresor con respecto a la turbina, estos sistemas se clasifican en opciones aguas arriba y aguas abajo (encima y debajo de la turbina, respectivamente). En general, se caracterizan por una capacidad de respuesta mucho mejor durante los transitorios en el "fondo" debido a la independencia del motor eléctrico de la inercia de la turbina y el eje. Además, los TEDC aguas abajo son superiores en este sentido a las opciones aguas arriba debido al hecho de que estas últimas se caracterizan por un gran volumen para mantener la presión. Otra ventaja de las turbinas eléctricas de este tipo son las mínimas diferencias con las mecánicas.
Principio de operación
Los tipos anteriores de turbinas eléctricas difieren en el principio de funcionamiento. Entonces, la unidad se implementa de diferentes maneras, algunas de ellas pueden generar energía, etc.
CE
En EC, el compresor es accionado por un motor eléctrico. Dicho sistema no es capaz de generar energía, pero puede combinarse con un sistema de frenado regenerativo o un generador de arranque integrado para almacenarla.
COME
En EAT, a bajas velocidades, el motor eléctrico proporciona par adicional al compresor para aumentar la presión de sobrealimentación. En las "partes superiores" genera energía que se puede transferir al almacenamiento. Además, el motor eléctrico puede evitar que la turbina exceda su límite de velocidad. Sin embargo, puede ocurrir un efecto de alta contrapresión, que compensa la energía extraída de los gases de escape.
Debido a la posibilidad de generar electricidad a partir de los gases de escape, estos turbocompresores se denominan híbridos. En los turismos, dependiendo del ciclo de conducción, pueden generar desde varios cientos de vatios hasta kW. Esto le permite reemplazar el generador, ahorrando combustible.
ES
En EST, la energía de los gases de escape no impulsa directamente al compresor, sino que se convierte en energía eléctrica mediante un generador. El compresor es accionado por energía almacenada.
TEDC
En TEDC, el motor eléctrico funciona independientemente de la turbina, y el compresor adicional impulsado por él sirve para aumentar el impulso en la "parte inferior".
Diferencias estructurales y funcionales.
Los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison combinan las diferencias fundamentales entre los sistemas eléctricos considerados de inducción forzada en forma gráfica y tabular. La siguiente figura muestra los diagramas de su dispositivo (a – EAT, b – EC, c – EST, d – TEDC aguas arriba, e – TEDC aguas abajo).
La tabla refleja las principales disposiciones del dispositivo. Estos incluyen la fuente de energía, el accionamiento del compresor, la potencia de los componentes eléctricos. Además, son importantes cualidades como las dimensiones y el efecto de la temperatura.
| Tipo | CE | COME | ES | TEDC |
| Fuente de energía | Batería | Gases de escape / batería | Gases de escape / batería | Gases de escape / batería |
| Potencia del motor eléctrico y del inversor | Alto | Bajo | Alto | Bajo |
| efecto de temperatura | Corto | Alto | Corto | Corto |
| El tamaño | Pequeña | Promedio | Largo | Largo |
| turbina electrica | No | Sí | Sí | No |
| Accionamiento por compresor turboeléctrico | No | Sí | No | No |
Así, las turbinas eléctricas incluyen tecnologías EAT y EST. EC, como se señaló, es un mecanismo separado, TEDC es un sistema de turbocompresor convencional equipado con él.
Ventajas y desventajas
El accionamiento de la turbina por un motor eléctrico elimina las principales desventajas de los turbocompresores mecánicos.
- No hay retraso, ya que el motor eléctrico puede proporcionar una velocidad muy alta de giro del rotor.
- No hay turbo lag por falta de gases de escape, ya que en este caso el motor eléctrico compensa la falta de energía.
- El motor eléctrico le permite mantener el impulso durante transitorios como anti-lag sin los efectos negativos de este último.
- Esto proporciona un amplio rango operativo y un par uniforme.
- Algunos tipos de estos mecanismos son capaces de generar electricidad, reduciendo la carga del generador y reduciendo el consumo de combustible.
- La recuperación de la energía perdida es posible, como ha implementado Ferrari en el motor de Fórmula 1.
- Las turbinas eléctricas funcionan en condiciones más suaves ya velocidades más bajas (100 mil en lugar de 200-300 mil).
Sin embargo, esta tecnología tiene una serie de desventajas.
- Gran complejidad del diseño, incluyendo el motor eléctrico y los controladores.
- Esto provoca un alto costo.
- Además, la complejidad del diseño afecta la confiabilidad.
- Debido a la gran cantidad de elementos estructurales (además de la turbina, esto incluye un motor eléctrico, controladores, una batería), estos turbocompresores son mucho más grandes y pesados que los convencionales.
Además, cada tipo de turbina eléctrica se caracteriza por unas características específicas.
| Tipo | CE | COME | ES | TEDC aguas arriba | TEDC aguas abajo |
| Ventajas |
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| desventajas |
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En términos de durabilidad, según IHI, las turbinas eléctricas serán equivalentes a las mecánicas debido a que operarán en las mismas condiciones en un modo más suave con mayor complejidad de diseño.
Relevancia
A pesar de su buen rendimiento, las turbinas eléctricas no se utilizan mucho en la actualidad en los automóviles producidos en serie. Esto se debe a su alto costo y complejidad. Además, las versiones mejoradas de turbinas mecánicas (twin scroll y geometría variable) tienen ventajas similares a las modificaciones iniciales (aunque en menor medida) a un costo mucho menor. Ahora EST usa Ferrari en el motor de Fórmula 1. Según Honeywell, el uso masivo de turbinas eléctricas comenzará a principios de la próxima década. Cabe señalar que los supercargadores eléctricos ya se utilizan en algunos autos de producción, como el Honda Clarity, ya que son más simples.
Los mecanismos más sencillos y caseros.
A principios de la década aparecieron en el mercado los mecanismos más sencillos y baratos, como los enfriadores de computadoras, también llamados turbinas eléctricas. Están ubicados en la entrada y funcionan con baterías. Es posible utilizar dichas turbinas eléctricas tanto en el carburador como en el inyector. Según los fabricantes, aumentan el flujo de aire que ingresa al motor, acelerándolo, lo que da un aumento de rendimiento de hasta un 15%. En este caso, los parámetros (revoluciones, caudal, potencia) no suelen estar indicados. Es muy fácil instalar tales turbinas eléctricas en un automóvil con sus propias manos.
Sin embargo, en realidad, sus motores eléctricos desarrollan hasta varios cientos de vatios, lo que no es suficiente para aumentar el volumen de flujo, ya que requiere unos 4 kW. Por lo tanto, dicho dispositivo se convertirá en un serio obstáculo en la entrada, como resultado de lo cual, por el contrario, se reducirá la productividad. En el mejor de los casos, las pérdidas serán pequeñas, lo que no afectará significativamente la dinámica.
Además, en Internet puede encontrar desarrollos sobre cómo crear una turbina eléctrica con sus propias manos. A diferencia de las opciones económicas mencionadas anteriormente, están construidos sobre la base de un compresor centrífugo y un motor sin escobillas con una potencia de hasta 17 kW y un voltaje de 50-70 V, ya que solo un motor de este tipo puede proporcionar suficiente par y velocidad para hacer girar el compresor. El motor debe estar equipado con un controlador de velocidad. Este sistema no requiere un intercooler, una entrada fría es suficiente para él. La instalación de una turbina eléctrica de este tipo puede requerir el reemplazo de un generador (para 90-100 A) y una batería (para uno de mayor capacidad con una salida de corriente alta). La velocidad de rotación del compresor está determinada por la posición del acelerador. Además, la dependencia no es lineal, sino exponencial.
Es recomendable crear tales turbinas eléctricas para automóviles con motores pequeños de hasta 1,5 litros, debido al alto consumo de energía. Además, cuanto mayor sea el volumen del motor, menos presión de sobrealimentación puede crear el sobrealimentador. Entonces, en un motor de 0,7 litros, será de 0,4 a 0,5 bar, en un motor de 1,5 litros, de 0,2 a 0,3 bar. Además, dicho supercargador no podrá funcionar durante mucho tiempo al máximo rendimiento debido al calentamiento. Sin embargo, el controlador se puede configurar para forzar la activación.
Debido al alto costo de los componentes, es muy costoso fabricar una turbina eléctrica de este tipo. Las revisiones indican un aumento tangible en el rendimiento.
En términos de diseño, estos mecanismos, al igual que las opciones económicas mencionadas anteriormente, son supercargadores eléctricos. Sin embargo, a menudo se les denomina erróneamente turbinas eléctricas. Ahora en el mercado hay mecanismos de marca más serios que son casi caseros.
Resumen
Las turbinas eléctricas son más receptivas, productivas y eficientes que las mecánicas y tienen características adicionales. Al mismo tiempo, por un lado, tienen un diseño complicado, pero, por otro lado, funcionan en condiciones más suaves.