Turbine électrique: caractéristiques, principe de fonctionnement, avantages et inconvénients du travail, conseils d’installation à faire soi-même et avis du propriétaire
Avec le durcissement des réglementations environnementales, les constructeurs automobiles sont contraints de développer des moyens d’améliorer le respect de l’environnement et l’efficacité des moteurs tout en maintenant les performances. A cet égard, les systèmes à induction forcée se sont généralisés. Alors que dans le passé, ils étaient utilisés pour augmenter la productivité, ils sont maintenant utilisés comme un moyen d’améliorer l’économie et le respect de l’environnement. Grâce à la suralimentation, vous pouvez atteindre les mêmes performances que sur les moteurs atmosphériques, avec moins de cylindres et un volume moindre. Autrement dit, les moteurs suralimentés sont plus efficaces. Une autre méthode consiste à utiliser l’énergie électrique à la fois séparément (moteurs électriques) et en combinaison avec des moteurs à combustion interne (centrales électriques hybrides). Cet article traite des turbines électriques qui combinent ces approches.
Caractéristiques générales
Les systèmes non électriques d’induction forcée selon la source d’énergie sont classés en turbocompresseurs et surpresseurs. Les systèmes électriques s’appuient sur eux et visent à améliorer les performances transitoires et à minimiser le décalage.
Une soufflante électrique, selon Honeywell, est un compresseur entraîné par un moteur électrique monté sur un moteur suralimenté. C’est-à-dire qu’il s’agit d’un dispositif supplémentaire pour un moteur turbo. Une turbine électrique est un analogue d’une turbine mécanique. Le lecteur dans ce cas peut être mis en œuvre de différentes manières.
Selon la classification des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison, les systèmes électriques à induction forcée se différencient par leur conception et leur principe de fonctionnement dans les types suivants :
- surpresseurs électriques (EC/ET/ES);
- turbines avec assistant électrique (EAT);
- turbines électriquement séparées (EST);
- turbines avec compresseur électrique supplémentaire (TEDC).
Concevoir
Les types de turbines électriques ci-dessus ont un dispositif différent. C’est dans différentes dispositions de composants, dans des différences dans leurs paramètres techniques, etc.
CE
EC est un compresseur entraîné par un moteur électrique. Il s’agit du ventilateur électrique mentionné ci-dessus. L’entraînement électrique offre la plus grande flexibilité de contrôle et la possibilité de faire fonctionner le compresseur au point de fonctionnement optimal. Cependant, cela nécessite des composants électriques puissants.
MANGER
Dans EAT, un moteur électrique à grande vitesse est monté entre la turbine et le compresseur, généralement sur un arbre. Du fait qu’il ne s’agit pas de la principale source d’énergie, des composants électriques de faible puissance sont utilisés. Il en résulte un faible coût. De plus, de tels turbocompresseurs ont la capacité d’auto-détecter la position du rotor et se caractérisent par de bonnes capacités génératrices et motrices. Le principal problème est l’effet de température élevée sur le moteur électrique, surtout s’il est installé à l’intérieur du boîtier.
Il existe différentes méthodes pour le résoudre. Par exemple, BMW a installé des embrayages pour permettre au moteur électrique d’être connecté et déconnecté de l’arbre. Grâce à cela, le moteur peut être placé à l’extérieur de la turbine. G+L inotec a utilisé un moteur à aimants permanents avec un grand entrefer, qui peut également être placé à l’extérieur. Le diamètre intérieur du stator est égal au diamètre extérieur du compresseur et le diamètre extérieur du rotor est égal au diamètre de sortie de l’arbre. L’entrefer peut servir d’entrée d’air. Cela procure des avantages en termes de refroidissement, d’inertie et d’effet thermique. De plus, en termes de stabilité thermique et de contrôle thermique, les moteurs électriques à induction à résistance magnétique variable, ceux à collecteur universel sont plus préférables par rapport à un moteur à aimants permanents de surface.
EST
Dans EST, la turbine et le compresseur ne sont pas reliés par un arbre, et chacun d’eux est équipé d’un moteur électrique. Cela permet aux roues du compresseur et de la turbine de fonctionner à des vitesses différentes. Cette conception présente des avantages similaires à ET, mais, contrairement à elle, est capable de générer de l’énergie. De plus, il se caractérise par un moindre effet de température dû à la séparation du compresseur et de la turbine, ainsi que par l’absence d’inertie supplémentaire de la turbine et de son arbre. La séparation de la turbine et du compresseur est avantageuse d’un point de vue conditionnement, car elle permet d’optimiser le cheminement de l’air. Cependant, cette technologie nécessite également un moteur électrique puissant, un générateur et des onduleurs pour respecter le rapport couple/inertie, ce qui a un coût.
CTED
Le TEDC est une turbine mécanique avec un compresseur supplémentaire entraîné par un moteur électrique. Selon l’emplacement du compresseur par rapport à la turbine, ces systèmes sont classés en options amont et aval (respectivement au-dessus et au-dessous de la turbine). En général, ils se caractérisent par une bien meilleure réactivité lors des transitoires en "bas" du fait de l’indépendance du moteur électrique par rapport à l’inertie de la turbine et de l’arbre. De plus, les TEDC en aval sont supérieurs à cet égard aux options en amont du fait que ces dernières se caractérisent par un volume important pour maintenir la pression. Un autre avantage des turbines électriques de ce type est les différences minimes par rapport aux turbines mécaniques.
Principe de fonctionnement
Les types de turbines électriques ci-dessus diffèrent par leur principe de fonctionnement. Ainsi, le lecteur est mis en œuvre de différentes manières, certaines d’entre elles sont capables de générer de l’énergie, etc.
CE
En EC, le compresseur est entraîné par un moteur électrique. Un tel système n’est pas capable de générer de l’énergie, mais peut être combiné avec un système de freinage récupératif ou un alterno-démarreur intégré pour la stocker.
MANGER
En mode EAT, à bas régime, le moteur électrique fournit un couple supplémentaire au compresseur pour augmenter la pression de suralimentation. Aux "sommets", il génère de l’énergie qui peut être transférée au stockage. De plus, le moteur électrique peut empêcher la turbine de dépasser sa limite de vitesse. Cependant, un effet de contre-pression élevé peut se produire, ce qui compense l’énergie extraite des gaz d’échappement.
En raison de la possibilité de générer de l’électricité à partir des gaz d’échappement, ces turbocompresseurs sont appelés hybrides. Sur les voitures particulières, selon le cycle de conduite, ils peuvent générer de plusieurs centaines de watts à kW. Cela vous permet de remplacer le générateur et d’économiser du carburant.
EST
Dans EST, l’énergie des gaz d’échappement n’entraîne pas directement le compresseur, mais est convertie en énergie électrique à l’aide d’un générateur. Le compresseur est entraîné par l’énergie stockée.
CTED
Dans TEDC, le moteur électrique fonctionne indépendamment de la turbine, et le compresseur supplémentaire entraîné par celui-ci sert à augmenter la poussée au "bas".
Différences structurelles et fonctionnelles
Les différences fondamentales entre les systèmes électriques d’induction forcée considérés sont combinées par des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison sous forme graphique et tabulaire. La figure ci-dessous montre les schémas de leur dispositif (a – EAT, b – EC, c – EST, d – TEDC amont, e – TEDC aval).
Le tableau reprend les principales dispositions de l’appareil. Il s’agit notamment de la source d’énergie, de l’entraînement du compresseur, de la puissance des composants électriques. De plus, des qualités telles que les dimensions et l’effet de la température sont importantes.
En termes de durabilité, selon l’IHI, les turbines électriques seront équivalentes aux turbines mécaniques en raison d’un fonctionnement dans les mêmes conditions dans un mode plus doux avec une plus grande complexité de conception.
Pertinence
Malgré de bonnes performances, les turbines électriques ne sont actuellement pas largement utilisées sur les voitures produites en série. Cela est dû à leur coût élevé et à leur complexité. De plus, les versions améliorées des turbines mécaniques (twin scroll et géométrie variable) présentent des avantages similaires par rapport aux modifications initiales (bien que dans une moindre mesure) à un coût bien inférieur. Maintenant, EST utilise Ferrari dans le moteur de Formule 1. Selon Honeywell, l’utilisation massive des turbines électriques commencera au début de la prochaine décennie. Il convient de noter que les compresseurs électriques sont déjà utilisés sur certaines voitures de série, comme la Honda Clarity, car ils sont plus simples.
Les mécanismes les plus simples et faits maison
Au début de la décennie, les mécanismes bon marché les plus simples sont apparus sur le marché, comme les refroidisseurs d’ordinateurs, également appelés turbines électriques. Ils sont situés sur l’entrée et fonctionnent sur batterie. Il est possible d’utiliser de telles turbines électriques aussi bien sur le carburateur que sur l’injecteur. Selon les fabricants, ils augmentent le flux d’air entrant dans le moteur, l’accélérant, ce qui donne une augmentation des performances allant jusqu’à 15%. Dans ce cas, les paramètres (tours, débit, puissance) ne sont généralement pas indiqués. Il est très facile d’installer de telles turbines électriques sur une voiture de vos propres mains.
Cependant, dans la réalité, leurs moteurs électriques développent jusqu’à plusieurs centaines de watts, ce qui n’est pas suffisant pour augmenter le volume de débit, puisque cela nécessite environ 4 kW. Par conséquent, un tel dispositif deviendra un obstacle sérieux à l’entrée, ce qui, au contraire, réduira la productivité. Au mieux, les pertes en seront faibles, ce qui n’affectera pas de manière significative la dynamique.
De plus, sur Internet, vous pouvez trouver des développements sur la création d’une turbine électrique de vos propres mains. Contrairement aux options bon marché mentionnées ci-dessus, ils sont construits sur la base d’un compresseur centrifuge et d’un moteur sans balais d’une puissance allant jusqu’à 17 kW et d’une tension de 50 à 70 V, car seul un tel moteur est capable de fournir un couple suffisant et vitesse pour faire tourner le compresseur. Le moteur doit être équipé d’un variateur de vitesse. Ce système ne nécessite pas de refroidisseur intermédiaire – une entrée froide suffit. L’installation d’une turbine électrique de ce type peut nécessiter le remplacement d’un générateur (pour 90-100 A) et d’une batterie (pour une plus grande capacité avec un courant de sortie élevé). La vitesse de rotation du compresseur est déterminée par la position du papillon. De plus, la dépendance n’est pas linéaire, mais exponentielle.
Il est conseillé de créer de telles turbines électriques pour les voitures avec de petits moteurs jusqu’à 1,5 litre, en raison de la forte consommation d’énergie. De plus, plus le volume du moteur est important, moins le compresseur peut créer de pression de suralimentation. Ainsi, sur un moteur de 0,7 litre, ce sera 0,4-0,5 bar, sur un moteur de 1,5 litre – 0,2-0,3 bar. De plus, un tel compresseur ne pourra pas fonctionner longtemps à des performances maximales en raison de l’échauffement. Cependant, le contrôleur peut être configuré pour forcer l’activation.
Du fait du coût élevé des composants, il est très coûteux de réaliser une telle turbine électrique. Les avis indiquent une augmentation tangible des performances.
En termes de conception, ces mécanismes, comme les options bon marché mentionnées ci-dessus, sont des compresseurs électriques. Cependant, elles sont souvent appelées à tort turbines électriques. Maintenant, sur le marché, il existe des mécanismes de marque plus sérieux qui sont proches du fait maison.
Résumé
Les turbines électriques sont plus réactives, productives et efficaces que les turbines mécaniques et ont des fonctionnalités supplémentaires. En même temps, d’une part, ils ont une conception compliquée, mais, d’autre part, ils fonctionnent dans des conditions plus douces.
| Taper | CE | MANGER | EST | CTED | |
| Source d’énergie | Batterie | Gaz d’échappement / batterie | Gaz d’échappement / batterie | Gaz d’échappement / batterie | |
| Puissance du moteur électrique et de l’onduleur | Haute | Bas | Haute | Bas | |
| effet de la température | Court | Haut | Court | Court | |
| La taille | Petit | Moyen | Grande | Grande | |
| Turbine électrique | Pas | Oui | Oui | Pas | |
| Entraînement du compresseur turbo-électrique | Pas | Oui | Pas | Pas | |
| Taper | CE | MANGER | EST | TEDC en amont | TEDC en aval |
| Avantages |
|
|
|
|
|
| désavantages |
|
|
|
|
|