Turbina elettrica: caratteristiche, principio di funzionamento, pro e contro del lavoro, consigli per l’installazione fai-da-te e recensioni dei proprietari
Con l’inasprimento delle normative ambientali, le case automobilistiche sono costrette a sviluppare modi per migliorare la compatibilità ambientale e l’efficienza dei motori mantenendo le prestazioni. A questo proposito si sono diffusi i sistemi ad induzione forzata. Mentre in passato venivano utilizzati per aumentare la produttività, ora vengono utilizzati come mezzo per migliorare l’economia e il rispetto dell’ambiente. Grazie alla sovralimentazione, puoi ottenere le stesse prestazioni dei motori atmosferici, con meno cilindri e un volume inferiore. Cioè, i motori sovralimentati sono più efficienti. Un altro metodo è l’utilizzo dell’energia elettrica sia separatamente (motori elettrici) che in combinazione con motori a combustione interna (centrali ibride). Questo articolo discute le turbine elettriche che combinano questi approcci.
Caratteristiche generali
I sistemi non elettrici di induzione forzata in base alla fonte di energia sono classificati in turbocompressori e compressori. I sistemi elettrici si basano su di essi e mirano a migliorare le prestazioni transitorie e ridurre al minimo il ritardo.
Un ventilatore elettrico, secondo Honeywell, è un compressore azionato da un motore elettrico montato su un motore sovralimentato. Cioè, questo è un dispositivo aggiuntivo per un motore turbo. Una turbina elettrica è un analogo di una turbina meccanica. L’unità in questo caso può essere implementata in diversi modi.
Secondo la classificazione dei ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison, i sistemi elettrici di induzione forzata sono differenziati per progettazione e principio di funzionamento nei seguenti tipi:
- compressori elettrici (EC/ET/ES);
- turbine con assistente elettrico (EAT);
- turbine elettricamente separate (EST);
- turbine con compressore elettrico aggiuntivo (TEDC).
Design
I suddetti tipi di turbine elettriche hanno un dispositivo diverso. Questo è nelle diverse disposizioni dei componenti, nelle differenze nei loro parametri tecnici, ecc.
CE
EC è un compressore azionato da un motore elettrico. Questo è il ventilatore elettrico menzionato sopra. L’azionamento elettrico offre la massima flessibilità di controllo e la capacità di far funzionare il compressore nel punto di funzionamento ottimale. Tuttavia, ciò richiede componenti elettrici potenti.
MANGIARE
In EAT, un motore elettrico ad alta velocità è montato tra la turbina e il compressore, solitamente su un albero. Poiché non è la principale fonte di energia, vengono utilizzati componenti elettrici a bassa potenza. Ciò si traduce in un basso costo. Inoltre, tali turbocompressori hanno la capacità di auto-rilevare la posizione del rotore e sono caratterizzati da buone capacità di generazione e motorizzazione. Il problema principale è l’effetto dell’alta temperatura sul motore elettrico, soprattutto se installato all’interno della custodia.
Ci sono vari metodi per risolverlo. Ad esempio, la BMW ha installato frizioni per consentire il collegamento e lo scollegamento del motore elettrico dall’albero. Grazie a ciò, il motore può essere posizionato all’esterno della turbina. G+L inotec ha utilizzato un motore a magneti permanenti con un ampio traferro, che può essere posizionato anche all’esterno. Il diametro interno dello statore è uguale al diametro esterno del compressore e il diametro esterno del rotore è uguale al diametro di uscita dell’albero. Il traferro può fungere da presa d’aria. Ciò offre vantaggi in termini di raffreddamento, inerzia ed effetto termico. Inoltre, in termini di stabilità termica e controllo termico, rispetto ad un motore con magneti permanenti superficiali, sono più preferibili motori elettrici a induzione con resistenza magnetica variabile, quelli universali a collettore.
È
In EST, la turbina e il compressore non sono collegati da un albero e ciascuno di essi è dotato di un motore elettrico. Ciò consente al compressore e alle giranti della turbina di funzionare a velocità diverse. Questo design ha vantaggi simili a ET, ma, a differenza di esso, è in grado di generare energia. Inoltre, è caratterizzato da un minore effetto della temperatura dovuto alla separazione del compressore e dalla turbina, nonché dall’assenza di inerzia aggiuntiva dalla turbina e dal suo albero. La separazione tra turbina e compressore è vantaggiosa dal punto di vista del confezionamento, in quanto consente di ottimizzare il percorso del flusso d’aria. Tuttavia, questa tecnologia richiede anche un potente motore elettrico, generatore e inverter per soddisfare il rapporto coppia/inerzia, il che ha un costo.
TED
Il TEDC è una turbina meccanica con un compressore aggiuntivo azionato da un motore elettrico. A seconda della posizione del compressore rispetto alla turbina, questi sistemi sono classificati in opzioni a monte ea valle (rispettivamente sopra e sotto la turbina). In generale, sono caratterizzati da una reattività molto migliore durante i transitori di "fondo" grazie all’indipendenza del motore elettrico dall’inerzia della turbina e dell’albero. Inoltre, i TEDC a valle sono superiori in questo senso rispetto alle opzioni a monte in quanto questi ultimi sono caratterizzati da un grande volume per mantenere la pressione. Un altro vantaggio delle turbine elettriche di questo tipo sono le minime differenze rispetto a quelle meccaniche.
Principio operativo
I suddetti tipi di turbine elettriche differiscono nel principio di funzionamento. Quindi, l’azionamento è implementato in diversi modi, alcuni sono in grado di generare energia, ecc.
CE
In EC, il compressore è azionato da un motore elettrico. Un tale sistema non è in grado di generare energia, ma può essere combinato con un sistema di frenata rigenerativa o un generatore di avviamento integrato per immagazzinarla.
MANGIARE
In EAT, alle basse velocità, il motore elettrico fornisce una coppia aggiuntiva al compressore per aumentare la pressione di sovralimentazione. Alle "cime" genera energia che può essere trasferita in accumulo. Inoltre, il motore elettrico può impedire alla turbina di superare il suo limite di velocità. Tuttavia, può verificarsi un elevato effetto di contropressione, che compensa l’energia estratta dai gas di scarico.
A causa della possibilità di generare elettricità dai gas di scarico, tali turbocompressori sono chiamati ibridi. Sulle autovetture, a seconda del ciclo di guida, possono generare da diverse centinaia di watt a kW. Ciò consente di sostituire il generatore, risparmiando carburante.
È
In EST, l’energia dei gas di scarico non aziona direttamente il compressore, ma viene convertita in energia elettrica tramite un generatore. Il compressore è azionato dall’energia immagazzinata.
TED
In TEDC, il motore elettrico funziona indipendentemente dalla turbina e il compressore aggiuntivo da esso azionato serve ad aumentare la spinta al "basso".
Differenze strutturali e funzionali
Le differenze fondamentali tra i sistemi elettrici considerati di induzione forzata sono combinate dai ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison in forma grafica e tabellare. La figura seguente mostra gli schemi del loro dispositivo (a – EAT, b – EC, c – EST, d – TEDC a monte, e – TEDC a valle).
La tabella riflette le principali disposizioni del dispositivo. Questi includono la fonte di energia, l’azionamento del compressore, la potenza dei componenti elettrici. Inoltre, sono importanti qualità come le dimensioni e l’effetto della temperatura.
| Tipo | CE | MANGIARE | È | TED |
| Fonte di energia | Batteria | Gas di scarico/batteria | Gas di scarico/batteria | Gas di scarico/batteria |
| Motore elettrico e potenza inverter | Alto | Basso | Alto | Basso |
| effetto della temperatura | Breve | Alto | Breve | Breve |
| La dimensione | Piccolo | Media | Larga | Larga |
| Turbina elettrica | Non | sì | sì | Non |
| Azionamento turbocompressore elettrico | Non | sì | Non | Non |
Pertanto, le turbine elettriche includono le tecnologie EAT ed EST. EC, come notato, è un meccanismo separato, TEDC è un sistema di turbocompressore convenzionale dotato di esso.
Vantaggi e svantaggi
L’azionamento della turbina da parte di un motore elettrico elimina i principali svantaggi dei turbocompressori meccanici.
- Non c’è ritardo, poiché il motore elettrico può fornire una velocità molto elevata di rotazione del rotore.
- Non c’è turbo lag per mancanza di gas di scarico, poiché in questo caso il motore elettrico compensa la mancanza di energia.
- Il motore elettrico permette di mantenere la spinta durante i transitori come anti-lag senza gli effetti negativi di quest’ultimo.
- Ciò fornisce un’ampia gamma operativa e una coppia uniforme.
- Alcuni tipi di questi meccanismi sono in grado di generare elettricità, ridurre il carico sul generatore e ridurre il consumo di carburante.
- Il recupero dell’energia persa è possibile, come ha implementato la Ferrari nel motore di Formula 1.
- Le turbine elettriche funzionano in condizioni più dolci ea velocità inferiori (100mila invece di 200-300mila).
Tuttavia, questa tecnologia presenta una serie di svantaggi.
- Grande complessità del design, compreso il motore elettrico e i controller.
- Ciò comporta un costo elevato.
- Inoltre, la complessità del design influisce sull’affidabilità.
- A causa dell’elevato numero di elementi strutturali (oltre alla turbina, questo include un motore elettrico, controller, una batteria), tali turbocompressori sono molto più grandi e pesanti di quelli convenzionali.
Inoltre, ogni tipologia di turbina elettrica è caratterizzata da caratteristiche specifiche.
| Tipo | CE | MANGIARE | È | TEDC a monte | TEDC a valle |
| Vantaggi |
|
|
|
|
|
| svantaggi |
|
|
|
|
|
In termini di durata, secondo IHI, le turbine elettriche saranno equivalenti a quelle meccaniche a causa del funzionamento nelle stesse condizioni in una modalità più delicata con una maggiore complessità di progettazione.
Rilevanza
Nonostante le buone prestazioni, le turbine elettriche non sono attualmente ampiamente utilizzate sulle auto prodotte in serie. Ciò è dovuto al loro alto costo e complessità. Inoltre, le versioni migliorate delle turbine meccaniche (twin scroll e geometria variabile) presentano vantaggi simili rispetto alle modifiche iniziali (sebbene in misura minore) a un costo molto inferiore. Ora EST utilizza la Ferrari nel motore di Formula 1. Secondo Honeywell, l’uso di massa delle turbine elettriche inizierà all’inizio del prossimo decennio. Va notato che i compressori elettrici sono già utilizzati su alcune auto di produzione, come la Honda Clarity, in quanto sono più semplici.
I meccanismi più semplici e fatti in casa
All’inizio del decennio apparvero sul mercato i meccanismi più semplici ed economici, come i refrigeratori per computer, detti anche turbine elettriche. Si trovano sull’ingresso e funzionano a batteria. È possibile utilizzare tali turbine elettriche sia sul carburatore che sull’iniettore. Secondo i produttori, aumentano il flusso d’aria che entra nel motore, accelerandolo, il che offre un aumento delle prestazioni fino al 15%. In questo caso i parametri (giri, portata, potenza) normalmente non sono indicati. È molto facile installare tali turbine elettriche su un’auto con le tue mani.
Tuttavia, in realtà, i loro motori elettrici sviluppano fino a diverse centinaia di watt, che non sono sufficienti per aumentare il volume di flusso, poiché questo richiede circa 4 kW. Pertanto, un tale dispositivo diventerà un serio ostacolo all’ingresso, a seguito del quale, al contrario, sarà ridotta la produttività. Nella migliore delle ipotesi, le perdite saranno minime, il che non influirà in modo significativo sulla dinamica.
Inoltre, su Internet puoi trovare sviluppi sulla creazione di una turbina elettrica con le tue mani. A differenza delle opzioni economiche sopra menzionate, sono costruite sulla base di un compressore centrifugo e un motore brushless con una potenza fino a 17 kW e una tensione di 50-70 V, poiché solo un tale motore è in grado di fornire una coppia sufficiente e velocità per ruotare il compressore. Il motore deve essere dotato di un regolatore di velocità. Questo sistema non richiede un intercooler: per questo è sufficiente un’aspirazione fredda. L’installazione di una turbina elettrica di questo tipo può richiedere la sostituzione di un generatore (per 90-100 A) e di una batteria (per uno più capiente con un’elevata corrente erogata). La velocità di rotazione del compressore è determinata dalla posizione dell’acceleratore. Inoltre, la dipendenza non è lineare, ma esponenziale.
È consigliabile creare tali turbine elettriche per auto con piccoli motori fino a 1,5 litri, a causa dell’elevato consumo di energia. Inoltre, maggiore è il volume del motore, minore è la pressione di sovralimentazione che il compressore può creare. Quindi, su un motore da 0,7 litri, sarà 0,4-0,5 bar, su un motore da 1,5 litri – 0,2-0,3 bar. Inoltre, un tale compressore non sarà in grado di funzionare a lungo alle massime prestazioni a causa del riscaldamento. Tuttavia, il controller può essere configurato per forzare l’attivazione.
A causa dell’alto costo dei componenti, è molto costoso realizzare una tale turbina elettrica. Le recensioni indicano un aumento tangibile delle prestazioni.
In termini di design, questi meccanismi, come le opzioni economiche sopra menzionate, sono compressori elettrici. Tuttavia, vengono spesso erroneamente chiamate turbine elettriche. Ora sul mercato ci sono meccanismi di marca più seri che sono vicini al fatto in casa.
Sommario
Le turbine elettriche sono più reattive, produttive ed efficienti di quelle meccaniche e hanno caratteristiche aggiuntive. Allo stesso tempo, da un lato, hanno un design complicato, ma, dall’altro, operano in condizioni più delicate.