Elektroturbina: charakteristikos, veikimo principas, darbo privalumai ir trūkumai, „pasidaryk pats“montavimo patarimai ir savininkų atsiliepimai

2024 Autorius: Erin Ralphs | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-02-19 17:41

Sugriežtinus aplinkosaugos reguliavimą, automobilių gamintojai yra priversti kurti būdus, kaip pagerinti variklių ekologiškumą ir efektyvumą, kartu išlaikant našumą. Šiuo atžvilgiu priverstinės indukcijos sistemos tapo plačiai paplitusios. Jei anksčiau jie buvo naudojami produktyvumui didinti, dabar jie naudojami kaip priemonė ekonomiškumui ir ekologiškumui gerinti. Dėl įkrovimo galite pasiekti tokį patį našumą kaip ir atmosferinių variklių, su mažiau cilindrų ir mažesnio tūrio. Tai yra, varikliai su kompresoriumi yra efektyvesni. Kitas būdas – elektros energijos panaudojimas tiek atskirai (elektros varikliai), tiek kartu su vidaus degimo varikliais (hibridinės elektrinės). Šiame straipsnyje aptariamos elektros turbinos, kuriose derinami šie metodai.

Bendrosios funkcijos

Neelektrinės priverstinės indukcijos sistemos pagal energijos š altinį skirstomos į turbokompresorius ir kompresorius. Elektros sistemos remiasi jais ir siekia pagerinti našumą pereinamuoju laikotarpiu.procesai ir vėlavimų sumažinimas.

Elektrinis pūstuvas, pasak Honeywell, yra kompresorius, varomas elektros variklio, kuris sumontuotas ant kompresoriaus variklio. Tai yra, tai yra papildomas turbo variklio įrenginys. Elektrinė turbina yra mechaninės turbinos analogas. Pavara šiuo atveju gali būti įgyvendinta įvairiais būdais.

Pagal Viskonsino-Madisono universiteto mokslininkų klasifikaciją, priverstinės indukcijos elektros sistemos pagal konstrukciją ir veikimo principą skirstomos į šiuos tipus:

• elektriniai pūstuvai (EC/ET/ES);
• turbinos su elektriniu asistentu (EAT);
• elektriškai atskirtos turbinos (EST);
• turbinos su papildomu elektra varomu kompresoriumi (TEDC).

Dizainas

Aukščiau nurodytų tipų elektros turbinų konstrukcija skiriasi. Taip yra dėl skirtingų komponentų išdėstymo, jų techninių parametrų skirtumų ir tt

EC

EC yra elektros varikliu varomas kompresorius. Tai aukščiau paminėtas elektrinis pūstuvas. Elektrinė pavara suteikia didžiausią valdymo lankstumą ir galimybę valdyti kompresorių optimaliu darbo tašku. Tačiau tam reikia galingų elektrinių komponentų.

VALGYK

EAT didelės spartos elektros variklis montuojamas tarp turbinos ir kompresoriaus, dažniausiai ant veleno. Dėl to, kad tai nėra pagrindinis energijos š altinis, yra naudojamimažos galios elektriniai komponentai. Tai lemia mažą kainą. Be to, tokie turbokompresoriai turi galimybę savarankiškai nustatyti rotoriaus padėtį ir pasižymi geromis generavimo ir variklio galiomis. Pagrindinė problema yra aukštos temperatūros poveikis elektros varikliui, ypač jei jis sumontuotas korpuso viduje.

Yra įvairių būdų tai išspręsti. Pavyzdžiui, BMW sumontavo sankabas, leidžiančias prijungti ir atjungti elektros variklį nuo veleno. Dėl to variklis gali būti pastatytas už turbinos. G+L inotec naudojo nuolatinio magneto variklį su dideliu oro tarpu, kuris gali būti ir lauke. Vidinis statoriaus skersmuo yra lygus išoriniam kompresoriaus skersmeniui, o išorinis rotoriaus skersmuo yra lygus veleno išėjimo skersmeniui. Oro tarpas gali veikti kaip oro įleidimo anga. Tai suteikia pranašumų aušinimo, inercijos ir šiluminio efekto požiūriu. Be to, atsižvelgiant į šiluminį stabilumą ir šiluminį valdymą, indukciniai elektros varikliai su kintamu magnetiniu varža, universalūs kolektoriaus varikliai yra labiau tinkami, palyginti su varikliais su paviršiaus nuolatiniais magnetais.

EST

EST turbina ir kompresorius nėra sujungti velenu, o kiekviename iš jų yra sumontuotas elektros variklis. Tai leidžia kompresoriaus ir turbinos ratams veikti skirtingu greičiu. Šis dizainas turi panašių pranašumų kaip ET, tačiau, skirtingai nei jis, gali generuoti energiją. Be to, jiJis turi mažesnį šiluminį efektą dėl kompresoriaus ir turbinos atskyrimo, taip pat dėl to, kad nėra papildomos inercijos nuo turbinos ir jos veleno. Turbinos ir kompresoriaus atskyrimas yra naudingas pakuotės požiūriu, nes tai leidžia optimizuoti oro srauto kelią. Tačiau šiai technologijai taip pat reikalingas galingas elektros variklis, generatorius ir keitikliai, kad atitiktų sukimo momento ir inercijos santykį, o tai kainuoja.

TEDC

TEDC yra mechaninė turbina su papildomu kompresoriumi, varoma elektros variklio. Pagal kompresoriaus vietą turbinos atžvilgiu šios sistemos skirstomos į prieš srovę ir pasroviui (atitinkamai virš ir žemiau turbinos). Apskritai jie pasižymi žymiai geresniu reagavimu per pereinamuosius veiksnius „apačioje“dėl elektros variklio nepriklausomumo nuo turbinos ir veleno inercijos. Be to, pasroviui esantys TEDC šiuo atžvilgiu yra pranašesni už prieš srovę esančius variantus dėl to, kad pastariesiems būdingas didelis tūris slėgiui palaikyti. Kitas šio tipo elektrinių turbinų privalumas – minimalūs skirtumai nuo mechaninių.

Veikimo principas

Aukščiau nurodyti elektros turbinų tipai skiriasi veikimo principu. Taigi, pavara įgyvendinama skirtingai, kai kurie iš jų gali generuoti energiją ir pan.

EC

EB kompresorius varomas elektros varikliu. Tokia sistema yra pajėgi ne generuoti energiją, o jaisaugojimą galima derinti su regeneracine stabdžių sistema arba įmontuotu starterio generatoriumi.

VALGYK

EAT esant žemam apsisukimų dažniui, elektros variklis suteikia kompresoriui papildomą sukimo momentą, kad padidintų slėgį. „Viršūnėse“generuoja energiją, kurią galima perkelti į saugyklą. Be to, elektros variklis gali neleisti turbinai viršyti savo greičio ribą. Tačiau gali atsirasti didelio priešslėgio efektas, kuris kompensuoja energiją, išgaunamą iš išmetamųjų dujų.

Dėl galimybės gaminti elektrą iš išmetamųjų dujų, tokie turbokompresoriai vadinami hibridiniais. Lengvuosiuose automobiliuose, priklausomai nuo važiavimo ciklo, jie gali generuoti nuo kelių šimtų vatų iki kW. Taip galite pakeisti generatorių taupydami degalus.

EST

EST, išmetamųjų dujų energija varo ne tiesiogiai kompresorių, o paverčiama elektros energija naudojant generatorių. Kompresorius varomas sukaupta energija.

TEDC

TEDC elektros variklis veikia nepriklausomai nuo turbinos, o jo varomas papildomas kompresorius padidina galią „apačioje“.

Dizaino ir funkciniai skirtumai

Esminius skirtumus tarp svarstomų priverstinės indukcijos elektrinių sistemų Viskonsino-Madisono universiteto mokslininkai sujungia grafine ir lentele forma. Toliau pateiktame paveikslėlyje parodytos jų įrenginio diagramos (a – EAT, b – EC, c – EST, d – TEDC prieš srovę, e – TEDC pasroviui).

Lentelėje pateikiamos pagrindinės įrenginio nuostatos. Tai apima energijos š altinį, kompresoriaus pavarą, elektrinių komponentų galią. Be to, svarbios tokios savybės kaip matmenys ir temperatūros poveikis.

Tipas	EC	VALGYK	EST	TEDC
Maitinimo š altinis	Baterija	Išmetamosios dujos / akumuliatorius	Išmetamosios dujos / akumuliatorius	Išmetamosios dujos / akumuliatorius
Elektrinio variklio ir keitiklio galia	Aukštas	Žemas	Aukštas	Žemas
Temperatūros poveikis	Žemas	Aukštas	Žemas	Žemas
Dydis	Mažas	Vidutinis	Didelis	Didelis
Elektros turbina	Ne	Taip	Taip	Ne
Turboelektrinio kompresoriaus pavara	Ne	Taip	Ne	Ne

Taigi EAT ir EST technologijos priklauso elektros turbinoms. EB kaip buvopažymėta – atskiras mechanizmas, TEDC – su juo įrengta įprastinė turbokompresoriaus sistema.

Pliusai ir trūkumai

Turbininė pavara elektros varikliu pašalina pagrindinius mechaninių turbokompresorių trūkumus.

• Jokio delsimo, nes elektros variklis gali labai greitai sukti rotorių.
• Nėra turbo uždelsimo dėl išmetamųjų dujų trūkumo, nes tokiu atveju elektros variklis kompensuoja energijos trūkumą.
• Elektros variklis leidžia išlaikyti impulsą pereinamųjų įvykių metu, pvz., anti-lag, be neigiamo pastarojo poveikio.
• Tai užtikrina platų veikimo diapazoną ir pastovų sukimo momentą.
• Kai kurie šių mechanizmų tipai gali generuoti elektros energiją, todėl sumažėja generatoriaus apkrova ir degalų sąnaudos.
• Prarastas energijos atgavimas įmanomas, kaip „Ferrari“įdiegė Formulės 1 variklyje.
• Elektroturbinos veikia švelnesnėmis sąlygomis ir mažesniu greičiu (100 tūkst. vietoj 200-300 tūkst.).

Tačiau ši technologija turi nemažai trūkumų.

• Puikus dizaino sudėtingumas, įskaitant variklį ir valdiklius.
• Tai sukelia dideles išlaidas.
• Be to, konstrukcijos sudėtingumas turi įtakos patikimumui.
• Dėl daugybės konstrukcinių elementų (be turbinos, čia yra elektros variklis, valdikliai, akumuliatorius), šie turbokompresoriai yra daug didesni ir sunkesni nei įprasti.

Be to, kiekvienas elektros turbinų tipas yra apibūdinamasspecifinės funkcijos.

Tipas	EC	VALGYK	EST	TEDC prieš srovę	TEDC pasroviui
Orumas	Valdykite lankstumą; išdėstymo lankstumas; veleno inercijos trūkumas; nėra atvarto; be priešslėgio	Kompaktiškas; mažos galios variklis ir keitiklis; be išmetimo angos	Valdykite lankstumą; išdėstymo lankstumas; veleno inercijos trūkumas; be išmetimo angos	Lengva įdiegti; veleno inercijos trūkumas; mažos galios variklis ir keitiklis; Nuolatinis našumo gerinimas	Geresnis trumpalaikis atsakas; lengva įdiegti; mažos galios variklis ir keitiklis; Nuolatinis našumo gerinimas
Defektai	Didelės galios variklis ir keitiklis; mažas efektyvumas	Reikia papildomo aušinimo; papildoma veleno inercija; padidinti pagreičio ribą dėl priešslėgio	Didelės galios variklis ir keitiklis; energijos praradimas konversijos metu; ribapadidinimas dėl priešslėgio; reikia papildomos diegimo vietos	Nelabai greitas laikinas atsakas; reikalauja papildomos diegimo vietos; mažas efektyvumas	Reikia papildomos diegimo vietos; mažas efektyvumas

Pagal ilgaamžiškumą, pagal IHI, elektrinės turbinos bus lygiavertės mechaninėms dėl veikimo tomis pačiomis sąlygomis švelnesniu režimu ir sudėtingesniu dizainu.

Aktualumas

Nepaisant gerų eksploatacinių savybių, elektros turbinos šiuo metu nėra plačiai naudojamos masinės gamybos automobiliuose. Taip yra dėl jų didelių sąnaudų ir sudėtingumo. Be to, patobulintos mechaninių turbinų versijos (dvigubos slinkties ir kintamos geometrijos) turi panašių pranašumų, palyginti su pradinėmis modifikacijomis (nors ir mažesniu mastu) už daug mažesnę kainą. Dabar EST naudoja Ferrari Formulės 1 variklyje. Anot Honeywell, masinis elektros turbinų naudojimas prasidės kito dešimtmečio pradžioje. Reikėtų pažymėti, kad elektriniai kompresoriai jau naudojami kai kuriose serijinėse transporto priemonėse, pvz., Honda Clarity, nes jie yra paprastesni.

Paprasčiausi ir naminiai mechanizmai

Dešimtmečio pradžioje rinkoje pasirodė paprastos, pigios mašinos, tokios kaip kompiuterių aušintuvai, dar vadinami elektrinėmis turbinomis. Jie yra ant įėjimo ir yra maitinami baterijomis. Tokias elektrines turbinas galima naudoti ir ant karbiuratoriaus, ir ant purkštuko. Gamintojų teigimu, jie padidina į variklį patenkančio oro srautą, jį pagreitindami, o tai suteikia našumo padidėjimą iki 15%. Tokiu atveju parametrai (apsukos, srautas, galia) dažniausiai nenurodomi. Tokias elektrines turbinas automobilyje sumontuoti savo rankomis labai paprasta.

Tačiau iš tikrųjų jų elektros varikliai išvysto iki kelių šimtų vatų, o to nepakanka srauto tūriui padidinti, nes tam reikia apie 4 kW. Todėl toks prietaisas taps rimta kliūtimi prie įleidimo angos, dėl kurios, priešingai, sumažės našumas. Geriausiu atveju nuostoliai dėl to bus nedideli, o tai neturės didelės įtakos dinamikai.

Be to, internete galite rasti patobulinimų, kaip sukurti elektros turbiną savo rankomis. Skirtingai nuo pirmiau minėtų pigių variantų, jie yra pagaminti remiantis išcentriniu kompresoriumi ir bešepetiniu varikliu, kurio galia iki 17 kW ir 50-70 V įtampa, nes tik toks variklis gali užtikrinti pakankamą sukimo momentą ir kompresoriaus sukimosi greitis. Variklyje turi būti greičio reguliatorius. Šiai sistemai nereikia tarpinio aušintuvo – jai pakanka š alto įleidimo angos. Montuojant tokio tipo elektros turbiną, gali tekti pakeisti generatorių (90-100 A) ir akumuliatorių (talpesniam su didelės srovės galia). Kompresoriaus sukimosi greitis nustatomas pagal droselio padėtį. Be to, priklausomybė yra ne tiesinė, o eksponentinė.

Tokias elektrines turbinas patartina kurti automobiliams su mažais varikliais iki 1,5 litro, dėl didelių energijos sąnaudų. Be to, kuo didesnis variklio tūris, tuo mažesnį padidinimo slėgį gali sukurti kompresorius. Taigi 0,7 litro variklyje jis bus 0,4–0,5 baro, 1,5 litro - 0,2–0,3 baro. Be to, toks kompresorius ilgą laiką negalės veikti maksimaliu našumu dėl šildymo. Tačiau valdiklį galima sukonfigūruoti priverstinai aktyvuoti.

Dėl didelių komponentų kainos pagaminti tokią elektros turbiną yra labai brangu. Atsiliepimai rodo išmatuojamą našumo padidėjimą.

Kalbant apie dizainą, šie mechanizmai, kaip ir anksčiau minėti pigūs variantai, yra elektriniai kompresoriai. Tačiau jos dažnai klaidingai vadinamos elektros turbinomis. Dabar rinkoje yra rimtesnių firminių judesių, artimų naminiams.

CV

Elektrinės turbinos yra jautresnės, našesnės ir efektyvesnės nei mechaninės ir turi papildomų funkcijų. Viena vertus, jie turi sudėtingą dizainą, tačiau, kita vertus, jie veikia ir palankesnėmis sąlygomis.