Elektroturbina: karakteristike, princip rada, prednosti i nedostaci rada, savjeti za ugradnju uradi sam i recenzije vlasnika

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-02-19 12:40

Sa pooštravanjem ekoloških propisa, proizvođači automobila su primorani da razviju načine za poboljšanje ekološke prihvatljivosti i efikasnosti motora uz održavanje performansi. S tim u vezi, sistemi prisilne indukcije su postali široko rasprostranjeni. Dok su se u prošlosti koristili za povećanje produktivnosti, sada se koriste kao sredstvo za poboljšanje ekonomičnosti i ekološke prihvatljivosti. Zahvaljujući kompresoru, možete postići iste performanse kao na atmosferskim motorima, s manje cilindara i manjom zapreminom. Odnosno, motori sa kompresorom su efikasniji. Druga metoda je korištenje električne energije kako odvojeno (elektromotori) tako i u kombinaciji s motorima s unutarnjim sagorijevanjem (hibridne elektrane). Ovaj članak govori o električnim turbinama koje kombinuju ove pristupe.

Opšte karakteristike

Neelektrični sistemi prisilne indukcije prema izvoru energije dijele se na turbo punjače i kompresore. Električni sistemi se nadograđuju na njih i imaju za cilj da poboljšaju performanse tokom prelaznih stanja.procesi i minimiziranje kašnjenja.

Električni puhač, prema Honeywellu, je kompresor koji pokreće električni motor koji je montiran na motor sa kompresorom. Odnosno, ovo je dodatni uređaj za turbo motor. Električna turbina je analog mehaničke turbine. Pogon se u ovom slučaju može implementirati na različite načine.

Prema klasifikaciji istraživača sa Univerziteta Wisconsin-Madison, električni sistemi prisilne indukcije se po dizajnu i principu rada diferenciraju u sljedeće tipove:

• električni puhači (EC/ET/ES);
• turbine sa električnim pomoćnikom (EAT);
• električno odvojene turbine (EST);
• turbine sa dodatnim kompresorom na električni pogon (TEDC).

Dizajn

Gore navedene vrste električnih turbina imaju drugačiji dizajn. Ovo leži u različitim rasporedima komponenti, u razlikama u njihovim tehničkim parametrima, itd.

EC

EC je kompresor na električni motor. Ovo je gore spomenuti električni ventilator. Električni pogon pruža najveću fleksibilnost upravljanja i mogućnost rada kompresora na optimalnoj radnoj tački. Međutim, za ovo su potrebne moćne električne komponente.

JEDI

U EAT-u, električni motor velike brzine je montiran između turbine i kompresora, obično na osovini. Zbog činjenice da nije glavni izvor energije, koriste seelektrične komponente male snage. Ovo rezultira niskim troškovima. Osim toga, takvi turbo punjači imaju sposobnost samootkrivanja položaja rotora i karakteriziraju ih dobre mogućnosti generiranja i motora. Glavni problem je efekat visoke temperature na elektromotor, posebno ako je ugrađen unutar kućišta.

Postoje različite metode da se to riješi. Na primjer, BMW je ugradio kvačila kako bi omogućio spajanje i odvajanje električnog motora od osovine. Zahvaljujući tome, motor se može postaviti izvan turbine. G+L inotec je koristio motor sa trajnim magnetom sa velikim zračnim zazorom, koji se može postaviti i napolju. Unutrašnji prečnik statora jednak je spoljašnjem prečniku kompresora, a spoljašnji prečnik rotora jednak je izlaznom prečniku osovine. Zračni raspor može služiti kao ulaz zraka. Ovo daje prednosti u smislu hlađenja, inercije i termičkog efekta. Osim toga, u pogledu termičke stabilnosti i termičke kontrole, indukcijski elektromotori sa promjenjivim magnetskim otporom, univerzalni kolektorski motori su poželjniji u odnosu na motore sa površinskim permanentnim magnetima.

EST

U EST-u, turbina i kompresor nisu povezani osovinom, a svaki od njih je opremljen elektromotorom. To omogućava da kotači kompresora i turbine rade različitim brzinama. Ovaj dizajn ima slične prednosti kao ET, ali, za razliku od njega, može generirati energiju. Osim toga, onaIma manji toplinski učinak zbog odvajanja kompresora i turbine, kao i odsustva dodatne inercije od turbine i njenog vratila. Razdvajanje turbine i kompresora je korisno sa stanovišta pakovanja, jer omogućava optimizaciju putanje protoka vazduha. Međutim, ova tehnologija također zahtijeva snažan električni motor, generator i invertere kako bi se zadovoljio omjer obrtnog momenta/inercije, što dolazi po cijeni.

TEDC

TEDC je mehanička turbina sa dodatnim kompresorom koji pokreće električni motor. Prema lokaciji kompresora u odnosu na turbinu, ovi sistemi su klasifikovani u opcije uzvodno i nizvodno (iznad i ispod turbine, respektivno). Uopšteno govoreći, karakteriše ih znatno bolja odzivnost pri tranzijentima na „dno“zbog nezavisnosti elektromotora od inercije turbine i vratila. Štaviše, nizvodni TEDC-ovi su superiorniji u ovom pogledu u odnosu na uzvodne opcije zbog činjenice da se potonji karakterišu velikom zapreminom za održavanje pritiska. Još jedna prednost ove vrste električnih turbina je minimalna razlika od mehaničkih.

Princip rada

Navedene vrste električnih turbina razlikuju se po principu rada. Dakle, pogon je drugačije implementiran, neki od njih mogu generirati energiju itd.

EC

U EC, kompresor pokreće električni motor. Takav sistem nije sposoban za proizvodnju energije, već za njenuskladište se može kombinovati sa regenerativnim kočionim sistemom ili ugrađenim starter generatorom.

JEDI

U EAT-u pri niskom broju obrtaja, električni motor obezbeđuje dodatni obrtni moment kompresoru za povećanje pritiska prednapona. Na "vrhovima" stvara energiju koja se može prenijeti u skladište. Osim toga, električni motor može spriječiti turbinu da prekorači ograničenje brzine. Međutim, može doći do efekta visokog povratnog pritiska, koji kompenzuje energiju izvučenu iz izduvnih gasova.

Zbog mogućnosti proizvodnje električne energije iz izduvnih gasova, takvi turbo punjači se nazivaju hibridni. Na putničkim automobilima, ovisno o ciklusu vožnje, mogu proizvesti od nekoliko stotina vati do kW. Ovo vam omogućava da zamijenite alternator uz uštedu goriva.

EST

U EST, energija izduvnih gasova ne pokreće direktno kompresor, već se pretvara u električnu energiju pomoću generatora. Kompresor se pokreće pohranjenom energijom.

TEDC

U TEDC-u, električni motor funkcioniše nezavisno od turbine, a dodatni kompresor koji pokreće služi za povećanje pojačanja na "donjem".

Dizajn i funkcionalne razlike

Fundamentalne razlike između razmatranih električnih sistema prisilne indukcije kombinuju istraživači sa Univerziteta Wisconsin-Madison u grafičkom i tabelarnom obliku. Slika ispod prikazuje dijagrame njihovog uređaja (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC uzvodno, e - TEDC nizvodno).

Tabela odražava glavne odredbe uređaja. To uključuje izvor energije, pogon kompresora, snagu električnih komponenti. Osim toga, bitni su kvaliteti kao što su dimenzije i temperaturni efekat.

Vrsta	EC	JEDI	EST	TEDC
Izvor energije	Baterija	Izduvni gasovi / baterija	Izduvni gasovi / baterija	Izduvni gasovi / baterija
Snaga elektromotora i invertera	Visoka	Nisko	Visoka	Nisko
Efekat temperature	Nisko	Visoka	Nisko	Nisko
Veličina	Small	Srednji	Veliki	Veliki
Električna turbina	Ne	Da	Da	Ne
Pogon turbo-električnog kompresora	Ne	Da	Ne	Ne

Dakle, EAT i EST tehnologije pripadaju električnim turbinama. EC kakav je bionapomenuto - poseban mehanizam, TEDC - konvencionalni sistem turbo punjenja opremljen sa njim.

Za i protiv

Pogon turbine pomoću elektromotora eliminiše glavne nedostatke mehaničkih turbo punjača.

• Bez kašnjenja jer električni motor može vrlo brzo da okreće rotor.
• Nema turbo kašnjenja uzrokovanog nedostatkom izduvnih gasova, jer u ovom slučaju elektromotor nadoknađuje nedostatak energije.
• Električni motor vam omogućava da zadržite pojačanje tokom prelaznih stanja kao što je anti-lag bez negativnih efekata potonjeg.
• Ovo obezbeđuje širok radni opseg i konzistentan obrtni moment.
• Neke vrste ovih mehanizama mogu proizvesti električnu energiju, smanjujući opterećenje generatora i smanjujući potrošnju goriva.
• Povrat izgubljene energije je moguć, jer je Ferrari implementirao u motor Formule 1.
• Elektroturbine rade u blažim uslovima i pri manjim brzinama (100 hiljada umjesto 200-300 hiljada).

Međutim, ova tehnologija ima brojne nedostatke.

• Velika složenost dizajna uključujući motor i kontrolere.
• Ovo uzrokuje visoku cijenu.
• Pored toga, složenost dizajna utiče na pouzdanost.
• Zbog velikog broja strukturnih elemenata (osim turbine, ovo uključuje i elektromotor, kontrolere, bateriju), ovi turbo punjači su mnogo veći i teži od konvencionalnih.

Pored toga, svaki tip električnih turbina je karakteriziranspecifične karakteristike.

Vrsta	EC	JEDI	EST	TEDC uzvodno	TEDC nizvodno
Dostojanstvo	Fleksibilnost kontrole; fleksibilnost rasporeda; nedostatak inercije osovine; bez wastegate-a; bez povratnog pritiska	Compact; motor male snage i inverter; bez wastegate	Fleksibilnost kontrole; fleksibilnost rasporeda; nedostatak inercije osovine; bez wastegate	Jednostavno za instalaciju; nedostatak inercije osovine; motor male snage i inverter; Kontinuirano poboljšanje performansi	Bolji prolazni odgovor; jednostavno za instalaciju; motor male snage i inverter; Kontinuirano poboljšanje performansi
Nedostaci	Motor i inverter velike snage; niska efikasnost	Potreba za dodatnim hlađenjem; dodatna inercija osovine; pojačajte granicu ubrzanja zbog povratnog pritiska	Motor i inverter velike snage; gubitak energije tokom konverzije; limitpojačati pojačanje zbog povratnog pritiska; potreban je dodatni prostor za instalaciju	Ne baš brz prolazni odgovor; zahtijeva dodatni prostor za instalaciju; niska efikasnost	Zahtijeva dodatni prostor za instalaciju; niska efikasnost

U pogledu izdržljivosti, prema IHI-ju, električne turbine će biti ekvivalentne mehaničkim zbog rada u istim uslovima u nježnijem načinu rada sa većom složenošću dizajna.

Relevantnost

Uprkos dobrim performansama, električne turbine se trenutno ne koriste široko na automobilima masovne proizvodnje. To je zbog njihove visoke cijene i složenosti. Osim toga, poboljšane verzije mehaničkih turbina (dvostruki scroll i varijabilna geometrija) imaju slične prednosti u odnosu na početne modifikacije (iako u manjoj mjeri) uz mnogo nižu cijenu. Sada EST koristi Ferrari u motoru Formule 1. Prema Honeywellu, masovna upotreba električnih turbina počet će početkom sljedeće decenije. Treba napomenuti da se električni kompresori već koriste na nekim proizvodnim vozilima, kao što je Honda Clarity, jer su jednostavniji.

Najjednostavniji i domaći mehanizmi

Početkom decenije, na tržištu su se pojavile jednostavne, jeftine mašine poput kompjuterskih hladnjaka, koje se nazivaju i električne turbine. Nalaze se na ulazu i rade na baterije. Takve električne turbine moguće je koristiti i na karburatoru i na injektoru. Prema proizvođačima, oni povećavaju protok zraka koji ulazi u motor, ubrzavajući ga, što daje povećanje performansi do 15%. U ovom slučaju, parametri (obrtaji, protok, snaga) obično nisu naznačeni. Vrlo je lako ugraditi takve električne turbine na automobil vlastitim rukama.

Međutim, u stvarnosti njihovi elektromotori razvijaju i do nekoliko stotina vati, što nije dovoljno za povećanje zapremine protoka, jer je za to potrebno oko 4 kW. Stoga će takav uređaj postati ozbiljna prepreka na ulazu, zbog čega će, naprotiv, produktivnost biti smanjena. U najboljem slučaju, gubici od toga će biti mali, što neće značajno uticati na dinamiku.

Osim toga, na internetu možete pronaći razvoje o stvaranju električne turbine vlastitim rukama. Za razliku od gore navedenih jeftinih opcija, izgrađeni su na bazi centrifugalnog kompresora i motora bez četkica snage do 17 kW i napona 50-70 V, jer samo takav motor može pružiti dovoljan okretni moment i brzina za rotaciju kompresora. Motor mora biti opremljen regulatorom brzine. Ovaj sistem ne zahteva interkuler - dovoljan mu je usis hladnoće. Instalacija električne turbine ovog tipa može zahtijevati zamjenu generatora (za 90-100 A) i baterije (za kapacitetniju s velikom izlaznom strujom). Brzina rotacije kompresora određena je položajem leptira za gas. Štaviše, zavisnost nije linearna, već eksponencijalna.

Preporučljivo je napraviti ovakve električne turbine za automobile sa malim motorima do 1,5 litara, zbog velike potrošnje energije. Štaviše, što je veća zapremina motora, to manji pritisak prednapona može stvoriti kompresor. Dakle, na 0,7-litarskom motoru bit će 0,4-0,5 bara, za 1,5 litara - 0,2-0,3 bara. Osim toga, takav kompresor neće moći dugo raditi s maksimalnim performansama zbog zagrijavanja. Međutim, kontroler se može konfigurirati da prisilno aktivira.

Zbog visoke cijene komponenti, vrlo je skupo napraviti takvu električnu turbinu. Recenzije ukazuju na mjerljivo povećanje performansi.

Što se tiče dizajna, ovi mehanizmi, poput gore navedenih jeftinih opcija, su električni kompresori. Međutim, često se pogrešno nazivaju električnim turbinama. Sada na tržištu postoje ozbiljniji brendirani pokreti koji su bliski domaćim.

CV

Električne turbine su osjetljivije, produktivnije i efikasnije od mehaničkih i imaju dodatne karakteristike. Istovremeno, s jedne strane, imaju komplikovan dizajn, ali, s druge strane, rade u benignijim uslovima.