Turbina elektryczna: charakterystyka, zasada działania, zalety i wady pracy, wskazówki dotyczące instalacji zrób to sam i recenzje właścicieli
Wraz z zaostrzającymi się przepisami dotyczącymi ochrony środowiska producenci samochodów są zmuszeni do opracowywania sposobów poprawy przyjazności dla środowiska i wydajności silników przy jednoczesnym zachowaniu osiągów. W związku z tym rozpowszechniły się systemy wymuszonej indukcji. Podczas gdy w przeszłości były one wykorzystywane do zwiększania produktywności, obecnie są wykorzystywane jako środek poprawy gospodarki i przyjazności dla środowiska. Dzięki doładowaniu możesz osiągnąć te same osiągi, co w silnikach atmosferycznych, przy mniejszej liczbie cylindrów i mniejszej objętości. Oznacza to, że silniki z doładowaniem są bardziej wydajne. Inną metodą jest wykorzystanie energii elektrycznej zarówno oddzielnie (silniki elektryczne), jak i w połączeniu z silnikami spalinowymi (elektrownie hybrydowe). W tym artykule omówiono turbiny elektryczne, które łączą te podejścia.
Główne cechy
Nieelektryczne układy wymuszonego doładowania w zależności od źródła energii dzielą się na turbosprężarki i doładowania. Systemy elektryczne opierają się na nich i mają na celu poprawę wydajności w stanach przejściowych i zminimalizowanie opóźnień.
Dmuchawa elektryczna, według Honeywell, to sprężarka napędzana silnikiem elektrycznym, który jest zamontowany na silniku z doładowaniem. Oznacza to, że jest to dodatkowe urządzenie do silnika turbo. Turbina elektryczna jest analogiem turbiny mechanicznej. Napęd w tym przypadku można zrealizować na różne sposoby.
Zgodnie z klasyfikacją naukowców z University of Wisconsin-Madison, elektryczne systemy wymuszonej indukcji rozróżnia się ze względu na konstrukcję i zasadę działania na następujące typy:
- doładowania elektryczne (EC/ET/ES);
- turbiny z asystentem elektrycznym (EAT);
- turbiny separowane elektrycznie (EST);
- turbiny z dodatkową sprężarką napędzaną elektrycznie (TEDC).
Projekt
Powyższe typy turbin elektrycznych mają inne urządzenie. Dzieje się tak w różnych układach komponentów, różnicach w ich parametrach technicznych itp.
WE
EC to sprężarka napędzana silnikiem elektrycznym. Jest to wspomniana wyżej dmuchawa elektryczna. Napęd elektryczny zapewnia największą elastyczność sterowania i możliwość pracy sprężarki w optymalnym punkcie pracy. Wymaga to jednak potężnych komponentów elektrycznych.
JEŚĆ
W EAT między turbiną a sprężarką montowany jest szybki silnik elektryczny, zwykle na wale. Ze względu na to, że nie jest to główne źródło energii, stosowane są elementy elektryczne małej mocy. Powoduje to niski koszt. Ponadto takie turbosprężarki mają zdolność samoczynnego wykrywania położenia wirnika oraz charakteryzują się dobrymi zdolnościami prądotwórczymi i napędowymi. Głównym problemem jest wpływ wysokiej temperatury na silnik elektryczny, zwłaszcza jeśli jest on zainstalowany wewnątrz obudowy.
Istnieją różne metody jego rozwiązania. Na przykład BMW zainstalowało sprzęgła, aby umożliwić podłączenie i odłączenie silnika elektrycznego od wału. Dzięki temu silnik można umieścić na zewnątrz turbiny. Firma G+L inotec zastosowała silnik z magnesami trwałymi z dużą szczeliną powietrzną, który może znajdować się również na zewnątrz. Wewnętrzna średnica stojana jest równa zewnętrznej średnicy sprężarki, a zewnętrzna średnica wirnika jest równa średnicy wylotowej wału. Szczelina powietrzna może pełnić funkcję wlotu powietrza. Daje to korzyści w zakresie chłodzenia, bezwładności i efektu cieplnego. Ponadto, pod względem stabilności termicznej i kontroli termicznej, bardziej preferowane są indukcyjne silniki elektryczne o zmiennej rezystancji magnetycznej, uniwersalne kolektorowe w porównaniu z silnikami z powierzchniowymi magnesami trwałymi.
JEST
W EST turbina i sprężarka nie są połączone wałem, a każda z nich wyposażona jest w silnik elektryczny. Dzięki temu koła sprężarki i turbiny mogą pracować z różnymi prędkościami. Ten projekt ma podobne zalety jak ET, ale w przeciwieństwie do niego jest w stanie generować energię. Ponadto charakteryzuje się mniejszym efektem temperaturowym ze względu na oddzielenie sprężarki i turbiny, a także brak dodatkowej bezwładności od turbiny i jej wału. Oddzielenie turbiny i sprężarki jest korzystne z punktu widzenia pakowania, ponieważ umożliwia optymalizację ścieżki przepływu powietrza. Jednak technologia ta wymaga również mocnego silnika elektrycznego, generatora i falowników, aby zapewnić stosunek momentu obrotowego do bezwładności, co wiąże się z pewnymi kosztami.
TEDC
TEDC to turbina mechaniczna z dodatkową sprężarką napędzaną silnikiem elektrycznym. W zależności od umiejscowienia sprężarki względem turbiny, systemy te są podzielone na opcje przed i za turbiną (odpowiednio nad i pod turbiną). Generalnie charakteryzują się one znacznie lepszą responsywnością podczas stanów nieustalonych „na dole" ze względu na niezależność silnika elektrycznego od bezwładności turbiny i wału. Ponadto TEDC typu downstream są pod tym względem lepsze niż opcje typu upstream, ponieważ te ostatnie charakteryzują się dużą objętością do utrzymania ciśnienia. Kolejną zaletą turbin elektrycznych tego typu są minimalne różnice w stosunku do turbin mechanicznych.
Zasada działania
Powyższe typy turbin elektrycznych różnią się zasadą działania. Czyli napęd jest realizowany na różne sposoby, niektóre z nich są w stanie generować energię itp.
WE
W EC sprężarka jest napędzana silnikiem elektrycznym. Taki system nie jest w stanie generować energii, ale może być połączony z układem hamowania odzyskowego lub zintegrowanym generatorem rozruchowym w celu jej magazynowania.
JEŚĆ
W EAT, przy niskich prędkościach, silnik elektryczny zapewnia sprężarce dodatkowy moment obrotowy w celu zwiększenia ciśnienia doładowania. Na „szczytach” wytwarza energię, którą można przekazać do magazynowania. Ponadto silnik elektryczny może uniemożliwić turbinie przekroczenie dopuszczalnej prędkości. Może jednak wystąpić efekt wysokiego ciśnienia wstecznego, który kompensuje energię pobieraną ze spalin.
Ze względu na możliwość wytwarzania energii elektrycznej ze spalin, takie turbosprężarki nazywane są hybrydami. W samochodach osobowych, w zależności od cyklu jazdy, mogą generować od kilkuset watów do kW. Pozwala to na wymianę generatora, oszczędzając paliwo.
JEST
W EST energia spalin nie napędza bezpośrednio sprężarki, ale jest przekształcana w energię elektryczną za pomocą generatora. Sprężarka jest napędzana energią zmagazynowaną.
TEDC
W TEDC silnik elektryczny działa niezależnie od turbiny, a napędzana przez niego dodatkowa sprężarka służy do zwiększenia doładowania „na dole”.
Różnice strukturalne i funkcjonalne
Podstawowe różnice między rozważanymi systemami elektrycznymi wymuszonej indukcji zostały połączone przez naukowców z University of Wisconsin-Madison w formie graficznej i tabelarycznej. Poniższy rysunek przedstawia schematy ich urządzenia (a – EAT, b – EC, c – EST, d – TEDC upstream, e – TEDC downstream).
Tabela odzwierciedla główne przepisy urządzenia. Należą do nich źródło energii, napęd sprężarki, moc elementów elektrycznych. Ponadto ważne są takie cechy, jak wymiary i wpływ temperatury.
Pod względem trwałości, według IHI, turbiny elektryczne będą równoważne mechanicznym ze względu na pracę w tych samych warunkach, w łagodniejszym trybie i większej złożoności konstrukcyjnej.
Stosowność
Pomimo dobrych osiągów turbiny elektryczne nie są obecnie powszechnie stosowane w samochodach masowo produkowanych. Wynika to z ich wysokich kosztów i złożoności. Ponadto ulepszone wersje turbin mechanicznych (podwójna spirala i zmienna geometria) mają podobne zalety w porównaniu z początkowymi modyfikacjami (choć w mniejszym stopniu) przy znacznie niższych kosztach. Teraz EST używa Ferrari w silniku Formuły 1. Według Honeywell masowe wykorzystanie turbin elektrycznych rozpocznie się na początku następnej dekady. Należy zauważyć, że elektryczne doładowania są już stosowane w niektórych samochodach produkcyjnych, takich jak Honda Clarity, ponieważ są prostsze.
Najprostsze i domowe mechanizmy
Na początku dekady na rynku pojawiły się najprostsze tanie mechanizmy, jak chłodnice komputerowe, zwane też turbinami elektrycznymi. Znajdują się na wlocie i są zasilane bateryjnie. Możliwe jest zastosowanie takich turbin elektrycznych zarówno na gaźniku, jak i na wtryskiwaczu. Według producentów zwiększają one dopływ powietrza do silnika, przyspieszając go, co daje wzrost wydajności nawet o 15%. W takim przypadku parametry (obroty, przepływ, moc) zwykle nie są wskazywane. Bardzo łatwo jest zainstalować takie turbiny elektryczne w samochodzie własnymi rękami.
Jednak w rzeczywistości ich silniki elektryczne osiągają moc kilkuset watów, co nie wystarcza do zwiększenia objętości przepływu, ponieważ wymaga to około 4 kW. Dlatego takie urządzenie stanie się poważną przeszkodą na wlocie, w wyniku czego, przeciwnie, zmniejszy się wydajność. W najlepszym razie straty z niego będą niewielkie, co nie wpłynie znacząco na dynamikę.
Ponadto w Internecie można znaleźć postępy w tworzeniu turbiny elektrycznej własnymi rękami. W przeciwieństwie do wymienionych powyżej tanich opcji zbudowane są w oparciu o sprężarkę odśrodkową i silnik bezszczotkowy o mocy do 17 kW i napięciu 50-70 V, ponieważ tylko taki silnik jest w stanie zapewnić wystarczający moment obrotowy i prędkość obrotowa sprężarki. Silnik musi być wyposażony w regulator prędkości. Ten system nie wymaga intercoolera – wystarczy do niego wlot zimna. Instalacja tego typu turbiny elektrycznej może wymagać wymiany generatora (na 90-100 A) oraz akumulatora (na bardziej pojemną o dużej wydajności prądowej). Prędkość obrotowa sprężarki zależy od położenia przepustnicy. Co więcej, zależność nie jest liniowa, ale wykładnicza.
Wskazane jest tworzenie takich turbin elektrycznych do samochodów z małymi silnikami do 1,5 litra, ze względu na duże zużycie energii. Co więcej, im większa pojemność silnika, tym mniejsze ciśnienie doładowania może wytworzyć sprężarka. Tak więc w silniku o pojemności 0,7 litra będzie to 0,4-0,5 bara, w silniku o pojemności 1,5 litra – 0,2-0,3 bara. Ponadto taka doładowanie nie będzie mogła przez długi czas funkcjonować z maksymalną wydajnością z powodu ogrzewania. Jednak kontroler można skonfigurować tak, aby wymusić aktywację.
Ze względu na wysoki koszt komponentów wykonanie takiej turbiny elektrycznej jest bardzo drogie. Recenzje wskazują na wymierny wzrost wydajności.
Pod względem konstrukcyjnym mechanizmy te, podobnie jak wymienione powyżej tanie opcje, są doładowaniami elektrycznymi. Często jednak błędnie nazywa się je turbinami elektrycznymi. Teraz na rynku są poważniejsze markowe mechanizmy, które są zbliżone do domowych.
Streszczenie
Turbiny elektryczne są bardziej responsywne, produktywne i wydajne niż turbiny mechaniczne i mają dodatkowe funkcje. Jednocześnie z jednej strony mają skomplikowaną konstrukcję, z drugiej działają w łagodniejszych warunkach.
Ta strona korzysta z plików cookie, aby poprawić Twoje wrażenia. Zakładamy, że nie masz nic przeciwko, ale możesz zrezygnować, jeśli chcesz. Akceptuję Więcej szczegółów
| Rodzaj | WE | JEŚĆ | JEST | TEDC | |
| Źródło energii | Bateria | Spaliny / akumulator | Spaliny / akumulator | Spaliny / akumulator | |
| Moc silnika elektrycznego i falownika | Wysoki | Niski | Wysoki | Niski | |
| efekt temperatury | Krótki | Wysoki | Krótki | Krótki | |
| Rozmiar | Mały | Przeciętny | Wielki | Wielki | |
| Turbina elektryczna | Nie | tak | tak | Nie | |
| Turbo-elektryczny napęd kompresora | Nie | tak | Nie | Nie | |
| Rodzaj | WE | JEŚĆ | JEST | TEDC upstream | TEDC downstream |
| Zalety |
|
|
|
|
|
| niedogodności |
|
|
|
|
|