Sähköturbiini: ominaisuudet, toimintaperiaate, työn edut ja haitat, tee-se-itse-asennusvinkit ja omistajan arvostelut
Tiukentuvien ympäristömääräysten myötä autonvalmistajat pakotetaan kehittämään tapoja parantaa moottoreiden ympäristöystävällisyyttä ja tehokkuutta samalla kun niiden suorituskyky säilyy. Tässä suhteessa pakotetut induktiojärjestelmät ovat yleistyneet. Aiemmin niitä käytettiin tuottavuuden lisäämiseen, mutta nyt niitä käytetään keinona parantaa taloudellisuutta ja ympäristöystävällisyyttä. Ahtauksen ansiosta voit saavuttaa saman suorituskyvyn kuin ilmakehämoottoreissa vähemmillä sylintereillä ja pienemmällä tilavuudella. Eli ahdettu moottori on tehokkaampi. Toinen menetelmä on sähköenergian käyttö sekä erikseen (sähkömoottorit) että yhdessä polttomoottoreiden kanssa (hybridivoimalat). Tässä artikkelissa käsitellään sähköturbiineja, jotka yhdistävät nämä lähestymistavat.
Yleiset ominaisuudet
Ei-sähköiset pakotetun induktion järjestelmät luokitellaan energialähteen mukaan turboahtimiin ja ahtimiin. Sähköjärjestelmät perustuvat niihin ja pyrkivät parantamaan transienttia suorituskykyä ja minimoimaan viivettä.
Sähköpuhallin on Honeywellin mukaan kompressori, jota käyttää sähkömoottori, joka on asennettu ahdettuihin moottoriin. Eli tämä on lisälaite turbomoottorille. Sähköturbiini on mekaanisen turbiinin analogi. Ohjaus voidaan tässä tapauksessa toteuttaa eri tavoin.
Wisconsin-Madisonin yliopiston tutkijoiden luokituksen mukaan pakotetun induktion sähköjärjestelmät erotetaan suunnittelun ja toimintaperiaatteen mukaan seuraaviin tyyppeihin:
- sähköiset ahtimet (EC/ET/ES);
- turbiinit sähköavustimella (EAT);
- sähköisesti erotetut turbiinit (EST);
- turbiinit ylimääräisellä sähkökäyttöisellä kompressorilla (TEDC).
Design
Edellä mainituilla sähköturbiineilla on erilainen laite. Tämä johtuu komponenttien eri asetteluista, niiden teknisten parametrien eroista jne.
EC
EC on sähkömoottorilla toimiva kompressori. Tämä on yllä mainittu sähköpuhallin. Sähkökäyttö tarjoaa suurimman ohjauksen joustavuuden ja mahdollisuuden käyttää kompressoria optimaalisessa toimintapisteessä. Tämä vaatii kuitenkin tehokkaita sähkökomponentteja.
SYÖDÄ
EAT:ssa nopea sähkömoottori on asennettu turbiinin ja kompressorin väliin, yleensä akselille. Koska se ei ole pääasiallinen energianlähde, käytetään pienitehoisia sähkökomponentteja. Tämä johtaa alhaiseen hintaan. Lisäksi tällaisilla turboahtimilla on kyky havaita itse roottorin asento, ja niille on tunnusomaista hyvät generointi- ja moottoriominaisuudet. Suurin ongelma on korkean lämpötilan vaikutus sähkömoottoriin, varsinkin jos se on asennettu kotelon sisään.
Sen ratkaisemiseksi on erilaisia menetelmiä. Esimerkiksi BMW asensi kytkimet, jotta sähkömoottori voidaan kytkeä ja irrottaa akselista. Tämän ansiosta moottori voidaan sijoittaa turbiinin ulkopuolelle. G+L inotec käytti kestomagneettimoottoria suurella ilmavälillä, joka voidaan sijoittaa myös ulos. Staattorin sisähalkaisija on yhtä suuri kuin kompressorin ulkohalkaisija ja roottorin ulkohalkaisija on yhtä suuri kuin akselin ulostulon halkaisija. Ilmarako voi toimia ilmanottoaukona. Tämä tarjoaa etuja jäähdytyksen, hitauden ja lämpövaikutuksen suhteen. Lisäksi lämmönkestävyyden ja lämmönsäädön kannalta induktiosähkömoottorit, joissa on muuttuva magneettivastus, yleiskollektorimoottorit ovat parempia verrattuna moottoriin, jossa on pintakestomagneetit.
ON
EST:ssä turbiinia ja kompressoria ei ole yhdistetty akselilla, ja jokainen niistä on varustettu sähkömoottorilla. Tämä mahdollistaa kompressorin ja turbiinin pyörien toiminnan eri nopeuksilla. Tällä mallilla on samanlaisia etuja kuin ET:llä, mutta toisin kuin se pystyy tuottamaan energiaa. Lisäksi sille on ominaista pienempi lämpötilavaikutus, joka johtuu kompressorin ja turbiinin erotuksesta, sekä turbiinin ja sen akselin ylimääräisen hitauden puuttuminen. Turbiinin ja kompressorin erottaminen on pakkaamisen kannalta edullista, koska se mahdollistaa ilmanvirtausreitin optimoinnin. Tämä tekniikka vaatii kuitenkin myös tehokkaan sähkömoottorin, generaattorin ja invertterit täyttämään vääntömomentti/inertiasuhteen, mikä maksaa.
TEDC
TEDC on mekaaninen turbiini, jossa on ylimääräinen sähkömoottorilla toimiva kompressori. Kompressorin sijainnin mukaan turbiiniin nähden nämä järjestelmät luokitellaan vaihtoehdoiksi ylä- ja alavirtaan (vastaavasti turbiinin ylä- ja alapuolelle). Yleensä niille on ominaista huomattavasti parempi reagointikyky "pohjan" transientien aikana, koska sähkömoottori on riippumaton turbiinin ja akselin hitaudesta. Lisäksi loppupään TEDC:t ovat tässä suhteessa parempia kuin ylävirran vaihtoehdot, koska jälkimmäisille on ominaista suuri tilavuus paineen ylläpitämiseksi. Toinen tämän tyyppisten sähköturbiinien etu on minimaaliset erot mekaanisiin turbiiniin verrattuna.
Toimintaperiaate
Edellä mainitut sähköturbiinityypit eroavat toimintaperiaatteesta. Joten käyttö on toteutettu eri tavoin, jotkut niistä pystyvät tuottamaan energiaa jne.
EC
EC:ssä kompressoria käyttää sähkömoottori. Tällainen järjestelmä ei pysty tuottamaan energiaa, mutta se voidaan yhdistää regeneratiiviseen jarrujärjestelmään tai integroituun käynnistysgeneraattoriin sen varastoimiseksi.
SYÖDÄ
EAT:ssä pienillä nopeuksilla sähkömoottori antaa kompressorille lisävääntömomenttia ahtopaineen lisäämiseksi. "Hopissa" se tuottaa energiaa, joka voidaan siirtää varastoon. Lisäksi sähkömoottori voi estää turbiinia ylittämästä nopeusrajoitustaan. Voi kuitenkin esiintyä korkea vastapainevaikutus, joka kompensoi pakokaasuista erotetun energian.
Koska mahdollista tuottaa sähköä pakokaasuista, tällaisia turboahtimia kutsutaan hybrideiksi. Henkilöautoissa ne voivat ajosyklistä riippuen tuottaa useista sadasta watista kW:iin. Tämän avulla voit vaihtaa generaattorin säästäen polttoainetta.
ON
EST:ssä pakokaasujen energia ei käytä kompressoria suoraan, vaan se muunnetaan sähköenergiaksi generaattorin avulla. Kompressoria käyttää varastoitu energia.
TEDC
TEDC:ssä sähkömoottori toimii turbiinista riippumatta, ja sen käyttämä lisäkompressori lisää tehostusta "pohjassa".
Rakenteelliset ja toiminnalliset erot
Wisconsin-Madisonin yliopiston tutkijat yhdistävät tarkasteltujen pakotetun induktion sähköjärjestelmien väliset perustavanlaatuiset erot graafisessa ja taulukkomuodossa. Alla oleva kuva näyttää kaaviot heidän laitteistaan (a – EAT, b – EC, c – EST, d – TEDC ylävirtaan, e – TEDC alavirtaan).
Taulukko kuvastaa laitteen tärkeimmät ominaisuudet. Näitä ovat energialähde, kompressorin käyttö ja sähkökomponenttien teho. Lisäksi ominaisuudet, kuten mitat ja lämpötilavaikutus, ovat tärkeitä.
Kestävyyden suhteen sähköturbiinit ovat IHI:n mukaan samanlaisia kuin mekaaniset, koska ne toimivat samoissa olosuhteissa hellävaraisemmassa tilassa ja suunnittelun monimutkaisemmalla.
Merkityksellisyys
Hyvästä suorituskyvystä huolimatta sähköturbiineja ei tällä hetkellä käytetä laajalti massatuotetuissa autoissa. Tämä johtuu niiden korkeista kustannuksista ja monimutkaisuudesta. Lisäksi mekaanisten turbiinien parannetuilla versioilla (kaksoisrulla ja muuttuva geometria) on samanlaisia etuja verrattuna alkuperäisiin modifikaatioihin (tosin vähäisemmässä määrin) paljon pienemmillä kustannuksilla. Nyt EST käyttää Ferraria Formula 1 -moottorissa. Honeywellin mukaan sähköturbiinien massakäyttö alkaa ensi vuosikymmenen alussa. On huomattava, että joissakin tuotantoautoissa, kuten Honda Clarityssa, käytetään jo sähköisiä ahtimia, koska ne ovat yksinkertaisempia.
Yksinkertaisimmat ja kotitekoiset mekanismit
Vuosikymmenen alussa markkinoille ilmestyivät yksinkertaisimmat halvat mekanismit, kuten tietokonejäähdyttimet, joita kutsutaan myös sähköturbiineiksi. Ne sijaitsevat sisääntulossa ja ovat akkukäyttöisiä. Tällaisia sähköturbiineja voidaan käyttää sekä kaasuttimessa että suuttimessa. Valmistajien mukaan ne lisäävät moottoriin tulevan ilman virtausta kiihdyttäen sitä, mikä lisää suorituskykyä jopa 15%. Tässä tapauksessa parametreja (kierrokset, virtaus, teho) ei yleensä ilmoiteta. On erittäin helppoa asentaa tällaiset sähköturbiinit autoon omin käsin.
Todellisuudessa niiden sähkömoottorit kuitenkin kehittävät useita satoja watteja, mikä ei riitä lisäämään virtaustilavuutta, koska tämä vaatii noin 4 kW. Siksi tällaisesta laitteesta tulee vakava este sisääntulossa, minkä seurauksena tuottavuus päinvastoin vähenee. Parhaimmillaan sen tappiot ovat pieniä, mikä ei vaikuta merkittävästi dynamiikkaan.
Lisäksi Internetistä löydät kehitystä sähköturbiinin luomiseen omin käsin. Toisin kuin yllä mainitut halvat vaihtoehdot, ne on rakennettu keskipakokompressorin ja harjattoman moottorin pohjalta, jonka teho on jopa 17 kW ja jännite 50-70 V, koska vain tällainen moottori pystyy tarjoamaan riittävän vääntömomentin ja nopeus kompressorin pyörittämiseen. Moottori on varustettava nopeudensäätimellä. Tämä järjestelmä ei vaadi välijäähdytintä – kylmänotto riittää sille. Tämän tyyppisen sähköturbiinin asentaminen voi vaatia generaattorin (90-100 A) ja akun vaihtamisen (kapasiteettivamman, korkean virransyötön omaavaa). Kompressorin pyörimisnopeus määräytyy kaasuvivun asennon mukaan. Lisäksi riippuvuus ei ole lineaarinen, vaan eksponentiaalinen.
On suositeltavaa luoda tällaiset sähköturbiinit autoihin, joissa on pienet, enintään 1,5 litran moottorit, suuren energiankulutuksen vuoksi. Lisäksi mitä suurempi moottorin tilavuus, sitä vähemmän ahtopaine voi luoda. Joten 0,7 litran moottorissa se on 0,4-0,5 baaria, 1,5 litran moottorissa – 0,2-0,3 baaria. Lisäksi tällainen ahdin ei pysty toimimaan pitkään aikaan maksimaalisella suorituskyvyllä lämmityksen vuoksi. Ohjain voidaan kuitenkin määrittää pakottamaan aktivointi.
Komponenttien korkeiden kustannusten vuoksi tällaisen sähköturbiinin valmistaminen on erittäin kallista. Arvostelut osoittavat konkreettisen suorituskyvyn kasvun.
Suunnittelun kannalta nämä mekanismit, kuten yllä mainitut halvat vaihtoehdot, ovat sähköisiä ahtimia. Niitä kutsutaan kuitenkin usein virheellisesti sähköturbiineiksi. Nyt markkinoilla on vakavampia merkkimekanismeja, jotka ovat lähellä kotitekoisia.
Yhteenveto
Sähköturbiinit ovat herkempiä, tuottavampia ja tehokkaampia kuin mekaaniset, ja niissä on lisäominaisuuksia. Samaan aikaan niillä on toisaalta monimutkainen rakenne, mutta toisaalta ne toimivat lempeämmissä olosuhteissa.
Tämä verkkosivusto käyttää evästeitä parantaakseen käyttökokemustasi. Oletamme, että olet kunnossa, mutta voit halutessasi kieltäytyä. Hyväksyä Lisätietoja
| Tyyppi | EC | SYÖDÄ | ON | TEDC | |
| Energian lähde | Akku | Pakokaasut / akku | Pakokaasut / akku | Pakokaasut / akku | |
| Sähkömoottori ja invertteri teho | Korkea | Matala | Korkea | Matala | |
| lämpötilavaikutus | Lyhyt | Pitkä | Lyhyt | Lyhyt | |
| Koko | Pieni | Keskiverto | Suuri | Suuri | |
| Sähköturbiini | Ei | Joo | Joo | Ei | |
| Turbo-sähköinen kompressorikäyttö | Ei | Joo | Ei | Ei | |
| Tyyppi | EC | SYÖDÄ | ON | TEDC ylävirtaan | TEDC myötävirtaan |
| Edut |
|
|
|
|
|
| haittoja |
|
|
|
|
|