Електротурбина: характеристики, принцип на работа, плюсове и минуси на работа, съвети за монтаж "направи си сам" и отзиви на собственици

2024 Автор: Erin Ralphs | [email protected]. Последно модифициран: 2024-02-19 12:21

С затягането на екологичните разпоредби, автомобилните производители са принудени да разработват начини за подобряване на екологичността и ефективността на двигателите, като същевременно запазват производителността. В тази връзка системите с принудителна индукция са получили широко разпространение. Докато в миналото те са били използвани за повишаване на производителността, сега те се използват като средство за подобряване на икономичността и екологосъобразността. Благодарение на презареждането можете да постигнете същата производителност като при атмосферни двигатели, с по-малко цилиндри и по-малък обем. Тоест двигателите с компресор са по-ефективни. Друг метод е използването на електрическа енергия както поотделно (електрически двигатели), така и в комбинация с двигатели с вътрешно горене (хибридни електроцентрали). Тази статия обсъжда електрически турбини, които комбинират тези подходи.

Общи характеристики

Неелектрическите принудителни индукционни системи според източника на енергия се класифицират на турбокомпресори и компресори. Електрическите системи се основават на тях и имат за цел да подобрят производителността по време на преходни процеси.процеси и минимизиране на закъсненията.

Електрическият вентилатор, според Honeywell, е компресор, задвижван от електродвигател, който е монтиран на мотор с компресор. Тоест това е допълнително устройство за турбо двигател. Електрическата турбина е аналог на механична турбина. Задвижването в този случай може да се реализира по различни начини.

Според класификацията на изследователите от Университета на Уисконсин-Медисън, електрическите системи с принудителна индукция се диференцират в следните типове по дизайн и принцип на действие:

• електрически вентилатори (EC/ET/ES);
• турбини с електрически асистент (EAT);
• електрически разделени турбини (EST);
• турбини с допълнителен електрически задвижван компресор (TEDC).

Дизайн

Гореописаните типове електрически турбини имат различен дизайн. Това се крие в различните оформления на компонентите, в разликите в техническите им параметри и т.н.

EC

EC е компресор, задвижван от електрически мотор. Това е електрическият вентилатор, споменат по-горе. Електрическото задвижване осигурява най-голяма гъвкавост при управление и възможност за работа на компресора в оптимална работна точка. Това обаче изисква мощни електрически компоненти.

ЯЖТЕ

В EAT високоскоростен електродвигател е монтиран между турбината и компресора, обикновено на вал. Поради факта, че не е основният източник на енергия, се използвателектрически компоненти с ниска мощност. Това води до ниска цена. В допълнение, такива турбокомпресори имат способността да самооткриват позицията на ротора и се характеризират с добри възможности за генериране и задвижване. Основният проблем е високотемпературният ефект върху електродвигателя, особено ако е монтиран вътре в корпуса.

Има различни методи за решаването му. Например, BMW инсталира съединители, за да позволи на електрическия мотор да бъде свързан и разкачен от вала. Благодарение на това двигателят може да бъде поставен извън турбината. G+L inotec използва двигател с постоянен магнит с голяма въздушна междина, който може да бъде разположен и отвън. Вътрешният диаметър на статора е равен на външния диаметър на компресора, а външният диаметър на ротора е равен на изходния диаметър на вала. Въздушната междина може да действа като вход за въздух. Това осигурява предимства по отношение на охлаждане, инерция и топлинен ефект. Освен това, по отношение на термичната стабилност и термичен контрол, индукционните електродвигатели с променливо магнитно съпротивление, универсалните колекторни двигатели са по-предпочитани в сравнение с двигатели с повърхностни постоянни магнити.

EST

В EST турбината и компресорът не са свързани с вал и всеки от тях е оборудван с електродвигател. Това позволява на колелата на компресора и турбината да работят с различни скорости. Този дизайн има подобни предимства на ET, но за разлика от него е в състояние да генерира енергия. Освен това тяИма по-малък топлинен ефект поради разделянето на компресора и турбината, както и отсъствието на допълнителна инерция от турбината и нейния вал. Разделянето на турбината и компресора е изгодно от гледна точка на опаковката, тъй като позволява оптимизиране на пътя на въздушния поток. Тази технология обаче изисква и мощен електродвигател, генератор и инвертори, за да се постигне съотношението въртящ момент/инерция, което идва на цена.

TEDC

TEDC е механична турбина с допълнителен компресор, задвижван от електрически двигател. Според местоположението на компресора спрямо турбината, тези системи се класифицират в опции нагоре и надолу по веригата (съответно над и под турбината). Като цяло те се характеризират със значително по-добра отзивчивост при преходни процеси на „дъното” поради независимостта на електродвигателя от инерцията на турбината и вала. Освен това TEDC надолу по веригата са по-добри в това отношение спрямо опциите нагоре по веригата поради факта, че последните се характеризират с голям обем за поддържане на налягане. Друго предимство на този тип електрически турбини са минималните разлики от механичните.

Принцип на действие

Гореописаните типове електрически турбини се различават по принципа на работа. Така че задвижването е реализирано по различен начин, някои от тях са в състояние да генерират енергия и т.н.

EC

В EC компресорът се задвижва от електрически двигател. Такава система не е в състояние да генерира енергия, а за неясъхранението може да се комбинира с регенеративна спирачна система или вграден стартер генератор.

ЯЖТЕ

В EAT при ниски обороти, електрическият мотор осигурява допълнителен въртящ момент на компресора за повишаване на налягането на усилване. На „върховете“генерира енергия, която може да се прехвърли в съхранение. В допълнение, електрическият двигател може да предотврати превишаването на скоростта на турбината. Въпреки това може да възникне ефект на високо обратно налягане, което компенсира енергията, извлечена от изгорелите газове.

Поради възможността за генериране на електричество от отработени газове, такива турбокомпресори се наричат хибридни. При леките автомобили, в зависимост от цикъла на шофиране, те могат да генерират от няколкостотин вата до kW. Това ви позволява да смените алтернатора, като пестите гориво.

EST

В EST енергията на отработените газове не задвижва директно компресора, а се преобразува в електрическа енергия с помощта на генератор. Компресорът се задвижва от натрупаната енергия.

TEDC

В TEDC електродвигателят функционира независимо от турбината, а допълнителният компресор, задвижван от него, служи за увеличаване на усилването в "дъното".

Разлики в дизайна и функциите

Фундаменталните разлики между разглежданите електрически системи на принудителна индукция са комбинирани от изследователи от Университета на Уисконсин-Медисън в графичен и табличен вид. Фигурата по-долу показва диаграмите на тяхното устройство (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC нагоре, e - TEDC надолу).

Таблицата отразява основните положения на устройството. Те включват източника на енергия, задвижването на компресора, мощността на електрическите компоненти. Освен това са важни качества като размери и температурен ефект.

Тип	EC	ЯЖТЕ	EST	TEDC
Източник на енергия	Батерия	Изгорели газове/батерия	Изгорели газове/батерия	Изгорели газове/батерия
Мощност на електродвигателя и инвертора	Висока	Ниско	Висока	Ниско
Температурен ефект	Ниско	Висока	Ниско	Ниско
Размер	Малък	Средно	Голяма	Голяма
Електрическа турбина	Не	Да	Да	Не
Задвижване на турбо-електрически компресор	Не	Да	Не	Не

По този начин технологиите EAT и EST принадлежат към електрическите турбини. ЕК както бешеотбелязано - отделен механизъм, TEDC - конвенционална система за турбокомпресор, оборудвана с него.

Плюсове и минуси

Турбинното задвижване от електрически двигател елиминира основните недостатъци на механичните турбокомпресори.

• Без забавяне, тъй като електрическият мотор може да завърти ротора много бързо.
• Няма турбо забавяне, причинено от липса на отработени газове, тъй като в този случай електрическият мотор компенсира липсата на енергия.
• Електрическият мотор ви позволява да поддържате усилване по време на преходни процеси като анти-закъснение без отрицателните ефекти на последното.
• Това осигурява широк работен диапазон и постоянен въртящ момент.
• Някои видове от тези механизми могат да генерират електричество, намалявайки натоварването на генератора и намалявайки разхода на гориво.
• Възстановяването на загубената енергия е възможно, тъй като Ferrari е внедрено в двигателя на Формула 1.
• Електротурбините работят при по-нежни условия и при по-ниски обороти (100 хиляди вместо 200-300 хиляди).

Тази технология обаче има редица недостатъци.

• Страхотна сложност на дизайна, включително мотор и контролери.
• Това причинява висока цена.
• В допълнение, сложността на дизайна влияе върху надеждността.
• Поради големия брой конструктивни елементи (в допълнение към турбината, това включва електродвигател, контролери, батерия), тези турбокомпресори са много по-големи и по-тежки от конвенционалните.

В допълнение, всеки тип електрическа турбина се характеризираспецифични характеристики.

Тип	EC	ЯЖТЕ	EST	TEDC нагоре по течението	TEDC надолу по веригата
Достойнство	Гъвкавост на контрола; гъвкавост на оформлението; липса на инерция на вала; без изпускателен клапан; без противоналягане	Компактен; мотор и инвертор с ниска мощност; без изходен изход	Гъвкавост на контрола; гъвкавост на оформлението; липса на инерция на вала; без изходен изход	Лесен за инсталиране; липса на инерция на вала; мотор и инвертор с ниска мощност; Непрекъснато подобряване на производителността	По-добра преходна реакция; лесен за инсталиране; мотор и инвертор с ниска мощност; Непрекъснато подобряване на производителността
Недостатъци	Мотор и инвертор с висока мощност; ниска ефективност	Необходимост от допълнително охлаждане; допълнителна инерция на вала; увеличете ограничението на ускорението поради обратно налягане	Мотор и инвертор с висока мощност; загуба на енергия по време на преобразуване; лимитусилване на усилване поради обратно налягане; изисква допълнително място за инсталиране	Не много бърз преходен отговор; изисква допълнително място за инсталиране; ниска ефективност	Изисква допълнително място за инсталиране; ниска ефективност

По отношение на издръжливост, според IHI, електрическите турбини ще бъдат еквивалентни на механичните поради работа при същите условия в по-щадящ режим с по-голяма сложност на дизайна.

Уместност

Въпреки доброто представяне, електрическите турбини в момента не се използват широко при масово произвеждани автомобили. Това се дължи на тяхната висока цена и сложност. Освен това подобрените версии на механичните турбини (с двоен скрол и променлива геометрия) имат подобни предимства пред първоначалните модификации (макар и в по-малка степен) при много по-ниска цена. Сега EST използва Ferrari в двигателя на Формула 1. Според Honeywell масовото използване на електрически турбини ще започне в началото на следващото десетилетие. Трябва да се отбележи, че електрическите компресори вече се използват в някои производствени превозни средства, като Honda Clarity, тъй като са по-прости.

Най-простите и домашно приготвени механизми

В началото на десетилетието на пазара се появиха прости, евтини машини като компютърни охладители, наричани още електрически турбини. Намират се на входа и работят с батерии. Възможно е да се използват такива електрически турбини както на карбуратора, така и на инжектора. Според производителите те увеличават притока на въздух, влизащ в двигателя, ускорявайки го, което дава увеличение на производителността до 15%. В този случай параметрите (обороти, дебит, мощност) обикновено не са посочени. Много е лесно да инсталирате такива електрически турбини на кола със собствените си ръце.

В действителност обаче техните електрически двигатели развиват до няколкостотин вата, което не е достатъчно за увеличаване на обема на потока, тъй като това изисква около 4 kW. Следователно такова устройство ще се превърне в сериозна пречка на входа, в резултат на което, напротив, производителността ще бъде намалена. В най-добрия случай загубите от него ще бъдат малки, което няма да повлияе значително на динамиката.

Освен това в интернет можете да намерите разработки за създаване на електрическа турбина със собствените си ръце. За разлика от евтините опции, споменати по-горе, те са изградени на базата на центробежен компресор и безчетков двигател с мощност до 17 kW и напрежение 50-70 V, тъй като само такъв двигател е в състояние да осигури достатъчен въртящ момент и скорост за въртене на компресора. Двигателят трябва да бъде оборудван с регулатор на скоростта. Тази система не изисква междинен охладител - достатъчен й е студен прием. Инсталирането на електрическа турбина от този тип може да изисква подмяна на генератор (за 90-100 A) и батерия (за по-вместим с висок изходен ток). Скоростта на въртене на компресора се определя от положението на дросела. Освен това зависимостта не е линейна, а експоненциална.

Препоръчително е да се създават такива електрически турбини за автомобили с малки двигатели до 1,5 литра, поради високата консумация на енергия. Освен това, колкото по-голям е обемът на двигателя, толкова по-малко налягане на усилване може да създаде компресорът. Така че на 0,7-литров двигател ще бъде 0,4-0,5 бара, за 1,5 литра - 0,2-0,3 бара. В допълнение, такъв компресор няма да може да функционира дълго време при максимална производителност поради нагряване. Въпреки това, контролерът може да бъде конфигуриран за принудително активиране.

Поради високата цена на компонентите е много скъпо да се направи такава електрическа турбина. Отзивите показват измеримо увеличение на производителността.

По отношение на дизайна, тези механизми, подобно на евтините опции, споменати по-горе, са електрически компресори. Те обаче често погрешно се наричат електрически турбини. Сега на пазара има по-сериозни маркови механизми, които са близки до домашното.

CV

Електрическите турбини са по-отзивчиви, продуктивни и ефективни от механичните и имат допълнителни функции. В същото време, от една страна, те имат сложен дизайн, но, от друга страна, работят при по-благоприятни условия.