Електро турбіна: характеристики, принцип дії, плюси та мінуси роботи, поради щодо встановлення своїми руками та відгуки власників
В умовах жорстких екологічних норм автовиробники змушені розробляти способи підвищення екологічності та ефективності двигунів за збереження продуктивності. У зв’язку з цим набули поширення системи примусової індукції. Якщо в минулому їх застосовували для підвищення продуктивності, то тепер використовують як засіб поліпшення економічності та екологічності. Завдяки наддуву можна досягти тих же показників, що на атмосферних моторах, при меншій кількості циліндрів та меншому обсязі. Тобто наддувні двигуни ефективніші. Інший метод – застосування електричної енергії як окремо (електродвигуни), так і в комбінації з ДВС (гібридні силові установки). У цій статті розглянуто електротурбіни, що поєднують ці підходи.
Загальні особливості
Неелектричні системи примусової індукції за джерелом енергії класифікують на турбокомпресори та нагнітачі. Електричні системи засновані на них і націлені на покращення продуктивності при перехідних процесах та мінімізацію лагів.
Електронагнітач, згідно з Honeywell, являє собою компресор, що наводиться електродвигуном, який встановлюють на оснащений наддувом мотор. Тобто, це додатковий пристрій для турбодвигуна. Електротурбіна – аналог механічної турбіни. Привід у разі може бути реалізований по-різному.
Згідно з класифікацією дослідників Вісконсінського університету в Мадісоні, електричні системи примусової індукції за конструкцією та принципом функціонування диференціюють на такі види:
- електричні нагнітач (EC/ET/ES);
- турбіни з електроасистентом (EAT);
- електрично розділені турбіни (EST);
- турбіни з додатковим компресором із електроприводом (TEDC).
Конструкція
Наведені вище типи електротурбіни мають різний пристрій. Це полягає в різних схемах розташування компонентів, на відміну від їх технічних параметрів і т.д.
EC
EC являє собою компресор, що наводиться електромотором. Це згаданий вище електронагнітач. Електропривід забезпечує найбільшу гнучкість контролю та можливість експлуатації компресора в оптимальній робочій точці. Однак для цього потрібні потужні електричні компоненти.
ЇСТИ
У EAT високошвидкісний електромотор встановлений між турбіною та компресором, зазвичай на валу. Зважаючи на те, що він не є основним джерелом енергії, використовуються електричні компоненти малої потужності. Це зумовлює низьку вартість. До того ж такі турбокомпресори мають здатність самовизначення положення ротора і характеризуються добрими генеруючими та моторними можливостями. Основною проблемою є високотемпературна дія на електромотор, особливо якщо він встановлений усередині корпусу.
Існують різні методи її вирішення. Наприклад, BMW встановила зчеплення для забезпечення можливості підключення та відключення електродвигуна від валу. Завдяки цьому двигун можна розмістити за межами турбіни. G+L inotec використовувала двигун із постійними магнітами з великим повітряним зазором, який також може бути зовні. Внутрішній діаметр статора дорівнює зовнішньому діаметру компресора, а зовнішній діаметр ротора – вихідний діаметр валу. Повітряний зазор може виконувати роль впускного повітряного каналу. Це забезпечує переваги з погляду охолодження, інерції та термічного ефекту. Крім того, по термостійкості та терморегулюванню індукційні електромотори, зі змінним магнітним опором, універсальні колекторні кращі у порівнянні з двигуном з поверхневими постійними магнітами.
IS
У EST турбіна та компресор не з’єднані валом, і кожен із них оснащений електродвигуном. Це забезпечує можливість роботи компресорного та турбінного коліс із різними швидкостями. Ця конструкція має переваги, аналогічні ET, але, на відміну від неї, здатна генерувати енергію. Крім того, вона відрізняється меншим температурним ефектом через поділ компресора і турбіни, а також відсутністю додаткової інерції від турбіни та її валу. Поділ турбіни і компресора вигідно з погляду компонування, оскільки дозволяє оптимізувати шлях повітряного потоку. Однак така технологія також вимагає потужних електромотора, генератора та інверторів для задоволення співвідношення крутний момент/інерція, що позначається на вартості.
TEDC
TEDC є механічною турбіною з додатковим компресором, що наводиться електромотором. За розташуванням компресора щодо турбіни дані системи класифікують на варіанти вище і нижче потоку (над і під турбіною відповідно). Загалом вони характеризуються значно кращою чуйністю при перехідних процесах на «низах» через незалежність електродвигуна від інерції турбіни та валу. Причому TEDC в низхідному потоці в цьому відношенні перевершують варіанти у висхідному з огляду на те, що останні відрізняються великим обсягом для підтримки тиску. Ще одна перевага електротурбін даного типу полягає у мінімальних відмінностях від механічних.
Принцип функціонування
Наведені типи електротурбін відрізняються принципом роботи. Так, по-різному реалізований привід, деякі з них здатні виробляти енергію тощо.
EC
У EC компресор наводиться електродвигуном. Така система не здатна генерувати енергію, але для її накопичення може бути об’єднана із системою рекуперативного гальмування або вбудованим генератором стартера.
ЇСТИ
У EAT на низьких оборотах електромотор забезпечує додатковий момент, що крутить, компресору для підвищення тиску наддуву. На верхах він виробляє енергію, яка може передаватися на зберігання. До того ж електродвигун може запобігти перевищенню турбіної граничної швидкості. Однак можливе виникнення ефекту високого протитиску, що компенсує вилучену з вихлопних газів енергію.
Зважаючи на можливість генерації електроенергії з відпрацьованих газів такі турбокомпресори називають гібридними. На легкових автомобілях, залежно від циклу руху, вони можуть створити від кількох сотень Вт до кВт. Це дозволяє замінювати генератор, заощаджуючи паливо.
IS
У EST енергія відпрацьованих газів не наводить компресор безпосередньо, а перетворюється на електричну енергію з використанням генератора. Компресор наводиться накопиченою енергією.
TEDC
У TEDC електродвигун функціонує незалежно від турбіни, а додатковий компресор, що їм наводиться, служить для підвищення наддуву на «низах».
Конструктивні та функціональні відмінності
Принципові відмінності розглянутих електричних систем примусової індукції поєднані дослідниками Вісконсінського університету в Мадісоні у графічному та табличному вигляді. На малюнку, розміщеному нижче, представлені схеми їх пристрою (a – EAT, b – EC, c – EST, d – TEDC вгору потоком, e – TEDC вниз потоком).
Таблиця відображає основні положення пристрою. До них відносяться джерело енергії, привод компресора, потужність електричних компонентів. До того ж важливі такі якості, як габарити та температурний ефект.
За довговічністю, на думку IHI, електротурбіни будуть еквівалентні механічним через роботу в тих же умовах у більш щадному режимі при більшій складності конструкції.
Актуальність
Незважаючи на хороші показники, електротурбіни нині масово не використовуються на серійних автомобілях. Це зумовлено їхньою високою вартістю та складністю. До того ж удосконалені варіанти механічних турбін (твінскрольні і зі змінною геометрією) мають подібні переваги перед початковими модифікаціями (хоча і меншою мірою) при значно меншій вартості. Наразі EST використовує Ferrari у двигуні «Формули-1». На думку Honeywell, масове застосування електротурбін розпочнеться на початку наступного десятиліття. Слід зазначити, що електричні нагнітач вже використовуються на деяких серійних автомобілях, наприклад Honda Clarity, так як вони простіше.
Найпростіші та саморобні механізми
На початку десятиліття на ринку з’явилися найпростіші дешеві механізми, подібні до комп’ютерних кулерів, також звані електричними турбінами. Вони розміщуються на впуску та працюють від акумулятора. Можливе використання таких електротурбін і на карбюраторі, і на інжекторі. За твердженнями виробників, вони збільшують потік повітря, що надходить у двигун, прискорюючи його, що дає приріст продуктивності до 15%. У цьому параметри (обороти, потік, потужність) зазвичай не вказані. Дуже просто встановити такі електротурбіни на авто своїми руками.
Однак насправді їх електродвигуни розвивають до кількох сотень Вт, чого недостатньо збільшення обсягу потоку, оскільки цього потрібно близько 4 кВт. Тому такий пристрій стане серйозною перешкодою на впуску, внаслідок чого продуктивність навпаки скоротиться. У кращому випадку втрати від нього будуть невеликими, що не позначиться на динаміці.
Крім того, в Інтернеті можна знайти напрацювання зі створення електротурбіни своїми руками. На відміну від згаданих вище дешевих варіантів, їх будують на основі відцентрового компресора і безколекторного двигуна потужністю до 17 кВт і напругою 50-70 В, так як тільки такий мотор здатний забезпечити достатні обертання компресора крутний момент і обороти. Двигун необхідно оснастити контролером швидкості обертання. Дана система не потребує інтеркулера – для неї досить холодного впуску. Установка електро-турбіни такого типу, можливо, вимагатиме заміни генератора (на 90-100 А) та акумулятора (на більш ємний з високою струмовіддачею). Швидкість обертання компресора визначається положенням дроселя. Причому залежність не є лінійною, а експоненційною.
Доцільно створювати такі електротурбіни під автомобілі з малолітражними двигунами об’ємом до 1,5 л, що обумовлено великим енергоспоживанням. Причому чим більший об’єм двигуна, тим менший тиск наддуву зможе створити нагнітач. Так, на 0,7-л двигуні воно становитиме 0,4-0,5 бар, на 1,5 л – 0,2-0,3 бар. До того ж такий наддув не зможе функціонувати тривалий час на максимальній продуктивності через нагрівання. Проте контролер можна настроїти на примусову активацію.
З огляду на високу вартість компонентів дуже затратно зробити таку електро-турбіну. Відгуки свідчать про відчутне збільшення продуктивності.
З погляду конструкції ці механізми, як і згадані вище дешеві варіанти, відносяться до електронагнітачів. Проте, часто їх помилково називають електротурбінами. Зараз на ринку представлені серйозніші фірмові механізми, близькі до саморобних.
Резюме
Електротурбіни більш чуйні, продуктивні та ефективні в порівнянні з механічними і мають додаткові функції. При цьому, з одного боку, вони мають ускладнену конструкцію, але, з іншого, функціонують у більш щадних умовах.
Цей веб -сайт використовує файли cookie, щоб покращити ваш досвід. Ми припустимо, що з цим все гаразд, але ви можете відмовитися, якщо захочете. Прийняти Читати далі
| Тип | EC | ЇСТИ | IS | TEDC | |
| Джерело енергії | Батарея | Відпрацьовані гази / батарея | Відпрацьовані гази / батарея | Відпрацьовані гази / батарея | |
| Потужність електромотора та інвертора | Висока | Низька | Висока | Низька | |
| Температурний ефект | Низький | Високий | Низький | Низький | |
| Розмір | Малий | Середній | Великий | Великий | |
| Електротурбіна | Ні | Так | Так | Ні | |
| Турбо-електричний привід компресора | Ні | Так | Ні | Ні | |
| Тип | EC | ЇСТИ | IS | TEDC вгору потоком | TEDC вниз потоком |
| Переваги |
|
|
|
|
|
| Недоліки |
|
|
|
|
|