Turbina elétrica: características, princípio de operação, prós e contras do trabalho, dicas de instalação do tipo faça você mesmo e comentários do proprietário
Com regulamentações ambientais cada vez mais rígidas, as montadoras estão sendo forçadas a desenvolver maneiras de melhorar a compatibilidade ambiental e a eficiência dos motores, mantendo o desempenho. A este respeito, os sistemas de indução forçada tornaram-se generalizados. Enquanto no passado eles eram usados para aumentar a produtividade, agora eles estão sendo usados como um meio de melhorar a economia e o respeito ao meio ambiente. Graças ao supercharger, você pode obter o mesmo desempenho dos motores atmosféricos, com menos cilindros e um volume menor. Ou seja, os motores superalimentados são mais eficientes. Outro método é o uso de energia elétrica tanto separadamente (motores elétricos) quanto em combinação com motores de combustão interna (usinas híbridas). Este artigo discute turbinas elétricas que combinam essas abordagens.
Características gerais
Os sistemas não elétricos de indução forçada de acordo com a fonte de energia são classificados em turbocompressores e superalimentadores. Os sistemas elétricos se baseiam neles e visam melhorar o desempenho transitório e minimizar o atraso.
Um soprador elétrico, de acordo com a Honeywell, é um compressor acionado por um motor elétrico que é montado em um motor superalimentado. Ou seja, este é um dispositivo adicional para um motor turbo. Uma turbina elétrica é um análogo de uma turbina mecânica. O acionamento neste caso pode ser implementado de diferentes maneiras.
De acordo com a classificação de pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison, os sistemas elétricos de indução forçada são diferenciados por design e princípio de operação nos seguintes tipos:
- superalimentadores elétricos (EC/ET/ES);
- turbinas com assistente elétrico (EAT);
- turbinas eletricamente separadas (EST);
- turbinas com compressor acionado eletricamente adicional (TEDC).
Projeto
Os tipos acima de turbinas elétricas têm um dispositivo diferente. Isso está em diferentes layouts de componentes, em diferenças em seus parâmetros técnicos, etc.
CE
EC é um compressor acionado por um motor elétrico. Este é o ventilador elétrico mencionado acima. O acionamento elétrico oferece a maior flexibilidade de controle e a capacidade de operar o compressor no ponto de operação ideal. No entanto, isso requer componentes elétricos poderosos.
COMER
No EAT, um motor elétrico de alta velocidade é montado entre a turbina e o compressor, geralmente em um eixo. Por não ser a principal fonte de energia, são utilizados componentes elétricos de baixa potência. Isso resulta em um baixo custo. Além disso, esses turbocompressores têm a capacidade de auto-detectar a posição do rotor e são caracterizados por boas capacidades de geração e motorização. O principal problema é o efeito da alta temperatura no motor elétrico, principalmente se for instalado dentro da carcaça.
Existem vários métodos para resolvê-lo. Por exemplo, a BMW instalou embreagens para permitir que o motor elétrico seja conectado e desconectado do eixo. Graças a isso, o motor pode ser colocado fora da turbina. A G+L inotec utilizou um motor de imã permanente com grande entreferro, que também pode ser localizado no exterior. O diâmetro interno do estator é igual ao diâmetro externo do compressor e o diâmetro externo do rotor é igual ao diâmetro de saída do eixo. O entreferro pode atuar como uma entrada de ar. Isso oferece vantagens em termos de resfriamento, inércia e efeito térmico. Além disso, em termos de estabilidade térmica e controle térmico, motores elétricos de indução com resistência magnética variável, coletores universais, são mais preferíveis em comparação com um motor com ímãs permanentes de superfície.
É
Na EST, a turbina e o compressor não são conectados por um eixo, e cada um deles é equipado com um motor elétrico. Isso permite que as rodas do compressor e da turbina operem em velocidades diferentes. Esse design tem vantagens semelhantes ao ET, mas, ao contrário dele, é capaz de gerar energia. Além disso, caracteriza-se por um menor efeito de temperatura devido à separação do compressor e da turbina, bem como pela ausência de inércia adicional da turbina e seu eixo. A separação da turbina e do compressor é vantajosa do ponto de vista da embalagem, pois permite otimizar o caminho do fluxo de ar. No entanto, esta tecnologia também requer um potente motor elétrico, gerador e inversores para atender a relação torque/inércia, o que tem um custo.
TEDC
O TEDC é uma turbina mecânica com um compressor adicional acionado por um motor elétrico. De acordo com a localização do compressor em relação à turbina, esses sistemas são classificados em opções a montante e a jusante (acima e abaixo da turbina, respectivamente). Em geral, eles são caracterizados por uma capacidade de resposta muito melhor durante transientes no "fundo" devido à independência do motor elétrico da inércia da turbina e do eixo. Além disso, os TEDCs a jusante são superiores neste aspecto às opções a montante devido ao fato de que estes últimos são caracterizados por um grande volume para manter a pressão. Outra vantagem das turbinas elétricas desse tipo são as diferenças mínimas das mecânicas.
Princípio de funcionamento
Os tipos acima de turbinas elétricas diferem no princípio de operação. Assim, o acionamento é implementado de diferentes maneiras, algumas delas são capazes de gerar energia, etc.
CE
Na EC, o compressor é acionado por um motor elétrico. Tal sistema não é capaz de gerar energia, mas pode ser combinado com um sistema de frenagem regenerativa ou um gerador de partida integrado para armazená-la.
COMER
No EAT, em baixas velocidades, o motor elétrico fornece torque adicional ao compressor para aumentar a pressão de reforço. Nos "topos" gera energia que pode ser transferida para armazenamento. Além disso, o motor elétrico pode evitar que a turbina ultrapasse seu limite de velocidade. No entanto, pode ocorrer um efeito de alta contrapressão, que compensa a energia extraída dos gases de escape.
Devido à possibilidade de gerar eletricidade a partir dos gases de escape, esses turbocompressores são chamados de híbridos. Nos carros de passeio, dependendo do ciclo de condução, eles podem gerar de várias centenas de watts a kW. Isso permite substituir o gerador, economizando combustível.
É
Na EST, a energia dos gases de escape não aciona o compressor diretamente, mas é convertida em energia elétrica usando um gerador. O compressor é acionado pela energia armazenada.
TEDC
No TEDC, o motor elétrico funciona independentemente da turbina, e o compressor adicional acionado por ele serve para aumentar o impulso no "fundo".
Diferenças estruturais e funcionais
As diferenças fundamentais entre os sistemas elétricos considerados de indução forçada são combinadas por pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison em forma gráfica e tabular. A figura abaixo mostra os diagramas de seu dispositivo (a – EAT, b – EC, c – EST, d – TEDC upstream, e – TEDC downstream).
A tabela reflete as principais disposições do dispositivo. Estes incluem a fonte de energia, o acionamento do compressor, a potência dos componentes elétricos. Além disso, qualidades como dimensões e efeito de temperatura são importantes.
| Tipo | CE | COMER | É | TEDC |
| Fonte de energia | Bateria | Gases de escape / bateria | Gases de escape / bateria | Gases de escape / bateria |
| Motor elétrico e potência do inversor | Alto | Baixo | Alto | Baixo |
| efeito da temperatura | Baixo | Alto | Baixo | Baixo |
| O tamanho | Pequeno | Média | Grande | Grande |
| Turbina elétrica | Não | Sim | Sim | Não |
| Acionamento do compressor turbo-elétrico | Não | Sim | Não | Não |
Assim, as turbinas elétricas incluem as tecnologias EAT e EST. O EC, como observado, é um mecanismo separado, o TEDC é um sistema de turboalimentação convencional equipado com ele.
Vantagens e desvantagens
O acionamento da turbina por um motor elétrico elimina as principais desvantagens dos turbocompressores mecânicos.
- Não há atraso, pois o motor elétrico pode fornecer uma velocidade muito alta de rotação do rotor.
- Não há turbo lag devido à falta de gases de escape, pois neste caso o motor elétrico compensa a falta de energia.
- O motor elétrico permite que você mantenha o impulso durante transientes como anti-lag sem os efeitos negativos deste último.
- Isso fornece uma ampla faixa de operação e torque uniforme.
- Alguns tipos desses mecanismos são capazes de gerar eletricidade, reduzindo a carga no gerador e reduzindo o consumo de combustível.
- A recuperação de energia perdida é possível, como a Ferrari implementou no motor da Fórmula 1.
- As turbinas elétricas operam em condições mais suaves e em velocidades mais baixas (100 mil em vez de 200-300 mil).
No entanto, esta tecnologia tem uma série de desvantagens.
- Grande complexidade do projeto, incluindo o motor elétrico e controladores.
- Isso causa um custo alto.
- Além disso, a complexidade do projeto afeta a confiabilidade.
- Devido ao grande número de elementos estruturais (além da turbina, isso inclui um motor elétrico, controladores, uma bateria), esses turbocompressores são muito maiores e mais pesados que os convencionais.
Além disso, cada tipo de turbina elétrica é caracterizada por características específicas.
| Tipo | CE | COMER | É | TEDC a montante | TEDC a jusante |
| Vantagens |
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| desvantagens |
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Em termos de durabilidade, segundo o IHI, as turbinas elétricas serão equivalentes às mecânicas devido à operação nas mesmas condições de modo mais suave e com maior complexidade de projeto.
Relevância
Apesar do bom desempenho, as turbinas elétricas não são amplamente utilizadas atualmente em carros produzidos em massa. Isso se deve ao seu alto custo e complexidade. Além disso, versões melhoradas de turbinas mecânicas (twin scroll e geometria variável) têm vantagens semelhantes sobre as modificações iniciais (embora em menor grau) a um custo muito menor. Agora EST usa Ferrari no motor de Fórmula 1. Segundo Honeywell, o uso em massa de turbinas elétricas começará no início da próxima década. Cabe destacar que os superchargers elétricos já são utilizados em alguns carros de produção, como o Honda Clarity, por serem mais simples.
Os mecanismos mais simples e caseiros
No início da década, surgiram no mercado os mecanismos mais simples e baratos, como os coolers para computadores, também chamados de turbinas elétricas. Eles estão localizados na entrada e são operados por bateria. É possível usar essas turbinas elétricas tanto no carburador quanto no injetor. Segundo os fabricantes, eles aumentam o fluxo de ar que entra no motor, acelerando-o, o que proporciona um aumento de desempenho de até 15%. Neste caso, os parâmetros (rotações, vazão, potência) geralmente não são indicados. É muito fácil instalar essas turbinas elétricas em um carro com suas próprias mãos.
No entanto, na realidade, seus motores elétricos desenvolvem até várias centenas de watts, o que não é suficiente para aumentar o volume de fluxo, pois isso requer cerca de 4 kW. Portanto, esse dispositivo se tornará um sério obstáculo na entrada, pelo que, pelo contrário, a produtividade será reduzida. Na melhor das hipóteses, as perdas serão pequenas, o que não afetará significativamente a dinâmica.
Além disso, na Internet, você pode encontrar desenvolvimentos sobre como criar uma turbina elétrica com suas próprias mãos. Ao contrário das opções baratas mencionadas acima, elas são construídas com base em um compressor centrífugo e um motor sem escovas com potência de até 17 kW e tensão de 50-70 V, pois somente esse motor é capaz de fornecer torque e velocidade para girar o compressor. O motor deve estar equipado com um controlador de velocidade. Este sistema não requer um intercooler – uma entrada fria é suficiente para isso. A instalação de uma turbina elétrica deste tipo pode exigir a substituição de um gerador (para 90-100 A) e uma bateria (por uma mais espaçosa e com alta saída de corrente). A velocidade de rotação do compressor é determinada pela posição do acelerador. Além disso, a dependência não é linear, mas exponencial.
É aconselhável criar essas turbinas elétricas para carros com motores pequenos de até 1,5 litros, devido ao alto consumo de energia. Além disso, quanto maior o volume do motor, menor a pressão de turbo que o supercharger pode criar. Portanto, em um motor de 0,7 litro, será de 0,4 a 0,5 bar, em um motor de 1,5 litro – 0,2 a 0,3 bar. Além disso, esse supercharger não poderá funcionar por muito tempo com desempenho máximo devido ao aquecimento. No entanto, o controlador pode ser configurado para forçar a ativação.
Devido ao alto custo dos componentes, é muito caro fazer tal turbina elétrica. As avaliações indicam um aumento tangível no desempenho.
Em termos de design, esses mecanismos, como as opções baratas mencionadas acima, são superalimentadores elétricos. No entanto, eles são muitas vezes erroneamente referidos como turbinas elétricas. Agora no mercado existem mecanismos de marca mais sérios que estão próximos dos caseiros.
Resumo
As turbinas elétricas são mais responsivas, produtivas e eficientes que as mecânicas e possuem recursos adicionais. Ao mesmo tempo, por um lado, eles têm um design complicado, mas, por outro lado, operam em condições mais suaves.