Elektro-turbine: egenskaber, driftsprincip, fordele og ulemper ved arbejde, gør-det-selv installationstips og ejeranmeldelser

2024 Forfatter: Erin Ralphs | [email protected]. Sidst ændret: 2024-02-19 13:03

Med skærpede miljøbestemmelser bliver bilproducenter tvunget til at udvikle måder at forbedre motorernes miljøvenlighed og effektivitet, samtidig med at deres ydeevne bevares. I denne henseende er tvangsinduktionssystemer blevet udbredt. Mens de tidligere blev brugt til at øge produktiviteten, bliver de nu brugt som et middel til at forbedre økonomien og miljøvenligheden. Takket være superladning kan du opnå samme ydelse som på atmosfæriske motorer med færre cylindre og mindre volumen. Det vil sige, at kompressormotorer er mere effektive. En anden metode er brugen af elektrisk energi både separat (elektriske motorer) og i kombination med forbrændingsmotorer (hybridkraftværker). Denne artikel diskuterer elektriske turbiner, der kombinerer disse tilgange.

Generelle funktioner

Ikke-elektriske tvungen induktionssystemer i henhold til energikilden er klassificeret i turboladere og superladere. Elektriske systemer bygger på dem og sigter mod at forbedre ydeevnen under transienter.processer og minimering af forsinkelser.

Den elektriske blæser er ifølge Honeywell en kompressor drevet af en elektrisk motor, der er monteret på en superladet motor. Det vil sige, at dette er en ekstra enhed til en turbomotor. En elektrisk turbine er en analog af en mekanisk turbine. Drevet kan i dette tilfælde implementeres på forskellige måder.

I henhold til klassificeringen af forskere ved University of Wisconsin-Madison er elektriske systemer med tvungen induktion differentieret i følgende typer efter design og funktionsprincip:

• elektriske blæsere (EC/ET/ES);
• turbiner med elektrisk assistent (EAT);
• elektrisk adskilte turbiner (EST);
• turbiner med ekstra elektrisk drevet kompressor (TEDC).

Design

Ovenstående typer elektriske turbiner har et andet design. Dette ligger i komponenternes forskellige layout, i forskellene i deres tekniske parametre osv.

EC

EC er en elektrisk motordrevet kompressor. Dette er den elektriske blæser nævnt ovenfor. Det elektriske drev giver den største kontrolfleksibilitet og mulighed for at betjene kompressoren på det optimale driftspunkt. Dette kræver dog kraftige elektriske komponenter.

EAT

I EAT er en højhastighedselektrisk motor monteret mellem turbinen og kompressoren, norm alt på en aksel. På grund af det faktum, at det ikke er den vigtigste energikilde, brugeselektriske komponenter med lav effekt. Dette resulterer i en lav pris. Derudover har sådanne turboladere evnen til selv at registrere rotorens position og er kendetegnet ved gode genererings- og motoregenskaber. Hovedproblemet er den høje temperaturpåvirkning på elmotoren, især hvis den er installeret inde i huset.

Der er forskellige metoder til at løse det. For eksempel installerede BMW koblinger, så elmotoren kunne tilsluttes og frakobles akslen. Takket være dette kan motoren placeres uden for turbinen. G+L inotec brugte en permanent magnetmotor med stor luftsp alte, som også kan placeres udenfor. Statorens indre diameter er lig med kompressorens ydre diameter, og rotorens ydre diameter er lig med akslens udløbsdiameter. Luftsp alten kan fungere som et luftindtag. Dette giver fordele med hensyn til køling, inerti og termisk effekt. Med hensyn til termisk stabilitet og termisk styring er induktionselektriske motorer med variabel magnetisk modstand, universalkollektormotorer desuden mere at foretrække i sammenligning med en motor med permanente overflademagneter.

EST

I EST er turbinen og kompressoren ikke forbundet med en aksel, og hver af dem er udstyret med en elektrisk motor. Dette gør det muligt for kompressoren og turbinehjulene at arbejde ved forskellige hastigheder. Dette design har lignende fordele som ET, men er i modsætning til det i stand til at generere energi. Desuden har hunDet har mindre termisk effekt på grund af adskillelsen af kompressoren og turbinen, samt fraværet af yderligere inerti fra turbinen og dens aksel. Adskillelse af turbine og kompressor er fordelagtig ud fra et emballagesynspunkt, da det gør det muligt at optimere luftstrømsvejen. Denne teknologi kræver dog også en kraftig elektrisk motor, generator og invertere for at opfylde drejningsmoment/inerti-forholdet, hvilket koster noget.

TEDC

TEDC er en mekanisk turbine med en ekstra kompressor drevet af en elektrisk motor. I henhold til kompressorens placering i forhold til turbinen er disse systemer klassificeret i muligheder opstrøms og nedstrøms (henholdsvis over og under turbinen). Generelt er de kendetegnet ved betydeligt bedre reaktionsevne under transienter i "bunden" på grund af den elektriske motors uafhængighed fra turbinens og akslens inerti. Desuden er downstream-TEDC'er overlegne i denne henseende i forhold til upstream-muligheder på grund af det faktum, at sidstnævnte er karakteriseret ved et stort volumen til at opretholde trykket. En anden fordel ved denne type elektriske turbiner er de minimale forskelle fra mekaniske.

Driftsprincip

Ovennævnte typer elektriske turbiner adskiller sig i princippet om drift. Så drevet implementeres anderledes, nogle af dem er i stand til at generere energi osv.

EC

I EC drives kompressoren af en elektrisk motor. Et sådant system er ikke i stand til at generere energi, men for detsopbevaring kan kombineres med et regenerativt bremsesystem eller en indbygget startgenerator.

EAT

I EAT ved lave omdrejninger giver elmotoren ekstra moment til kompressoren for at øge ladetrykket. På "toppen" genererer den energi, der kan overføres til lager. Derudover kan elmotoren forhindre turbinen i at overskride sin hastighedsgrænse. Der kan dog forekomme en høj modtrykseffekt, som kompenserer for den energi, der udvindes fra udstødningsgasserne.

På grund af muligheden for at generere elektricitet fra udstødningsgasser kaldes sådanne turboladere hybrid. På personbiler kan de, afhængigt af kørecyklussen, generere fra flere hundrede watt til kW. Dette giver dig mulighed for at udskifte generatoren, mens du sparer brændstof.

EST

I EST driver energien fra udstødningsgasserne ikke kompressoren direkte, men omdannes til elektrisk energi ved hjælp af en generator. Kompressoren drives af lagret energi.

TEDC

I TEDC fungerer elmotoren uafhængigt af turbinen, og den ekstra kompressor, der drives af den, tjener til at øge boostet i "bunden".

Design og funktionelle forskelle

De grundlæggende forskelle mellem de betragtede elektriske systemer med tvungen induktion er kombineret af forskere ved University of Wisconsin-Madison i grafisk og tabelform. Figuren nedenfor viser diagrammerne for deres enhed (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC upstream, e - TEDC downstream).

Tabellen afspejler de vigtigste betingelser for enheden. Disse omfatter energikilden, kompressorens drev, de elektriske komponenters kraft. Derudover er kvaliteter som dimensioner og temperatureffekt vigtige.

Type	EC	EAT	EST	TEDC
Strømkilde	Batteri	Udstødningsgasser/batteri	Udstødningsgasser/batteri	Udstødningsgasser/batteri
Strøm af elektrisk motor og inverter	Høj	Low	Høj	Low
Temperatureffekt	Low	Høj	Low	Low
Size	Small	Medium	Big	Big
Elektrisk turbine	Nej	Yes	Yes	Nej
Turboelektrisk kompressordrev	Nej	Yes	Nej	Nej

Således hører EAT- og EST-teknologier til elektriske turbiner. EF som det varbemærket - en separat mekanisme, TEDC - et konventionelt turboladesystem udstyret med det.

Fordele og ulemper

Turbinedrevet af en elektrisk motor eliminerer de største ulemper ved mekaniske turboladere.

• Ingen forsinkelse, da elmotoren kan dreje rotoren meget hurtigt op.
• Der er ingen turboforsinkelse forårsaget af mangel på udstødningsgasser, da elmotoren i dette tilfælde kompenserer for manglen på energi.
• Den elektriske motor giver dig mulighed for at holde boost under transienter som anti-lag uden de negative virkninger af sidstnævnte.
• Dette giver et bredt driftsområde og ensartet drejningsmoment.
• Nogle typer af disse mekanismer kan generere elektricitet, hvilket reducerer belastningen på generatoren og reducerer brændstofforbruget.
• Genvinding af tabt energi er mulig, som Ferrari implementerede i Formel 1-motoren.
• Elektro-turbiner fungerer under mere skånsomme forhold og ved lavere hastigheder (100.000 i stedet for 200-300.000).

Denne teknologi har dog en række ulemper.

• Fantastisk designkompleksitet inklusive motor og controllere.
• Dette medfører høje omkostninger.
• Desuden påvirker designets kompleksitet pålideligheden.
• På grund af det store antal strukturelle elementer (udover turbinen inkluderer dette en elektrisk motor, controllere, batteri), er disse turboladere meget større og tungere end konventionelle.

Derudover er hver type elektrisk turbine karakteriseretspecifikke funktioner.

Type	EC	EAT	EST	TEDC upstream	TEDC downstream
Dignity	Kontrolfleksibilitet; layoutfleksibilitet; manglende akselinerti; no wastegate; intet modtryk	Compact; motor og inverter med lav effekt; no wastegate	Kontrolfleksibilitet; layoutfleksibilitet; manglende akselinerti; no wastegate	Nem at installere; manglende akselinerti; motor og inverter med lav effekt; Kontinuerlig forbedring af ydeevne	Bedre transient respons; let at installere; motor og inverter med lav effekt; Kontinuerlig forbedring af ydeevne
Flaws	Højeffektmotor og inverter; lav effektivitet	Behovet for yderligere køling; yderligere akselinerti; boost accelerationsgrænse på grund af modtryk	Højeffektmotor og inverter; energitab under konvertering; grænseboost boost på grund af modtryk; kræver yderligere installationsplads	Ikke særlig hurtig transient respons; kræver yderligere installationsplads; lav effektivitet	Kræver yderligere installationsplads; lav effektivitet

Med hensyn til holdbarhed vil elektriske turbiner ifølge IHI svare til mekaniske på grund af drift under de samme forhold i en mere skånsom tilstand med større designkompleksitet.

Relevans

På trods af god ydeevne er elektriske turbiner i øjeblikket ikke meget brugt på masseproducerede biler. Dette skyldes deres høje omkostninger og kompleksitet. Derudover har forbedrede versioner af mekaniske turbiner (twin scroll og variabel geometri) lignende fordele i forhold til de indledende modifikationer (omend i mindre omfang) til en meget lavere pris. Nu bruger EST Ferrari i Formel 1-motoren. Ifølge Honeywell vil massebrugen af elektriske turbiner begynde i begyndelsen af det næste årti. Det skal bemærkes, at elektriske superladere allerede bruges på nogle produktionsbiler, såsom Honda Clarity, da de er enklere.

De enkleste og hjemmelavede mekanismer

Tidligt i årtiet dukkede simple, billige maskiner som computerkølere, også kaldet elektriske turbiner, op på markedet. De er placeret på indgangen og er batteridrevne. Det er muligt at bruge sådanne elektriske turbiner både på karburatoren og på injektoren. Ifølge fabrikanterne øger de strømmen af luft, der kommer ind i motoren, accelererer den, hvilket giver en ydelsesforøgelse på op til 15%. I dette tilfælde er parametrene (omdrejninger, flow, effekt) norm alt ikke angivet. Det er meget nemt at installere sådanne elektriske turbiner på en bil med dine egne hænder.

Men i virkeligheden udvikler deres elmotorer op til flere hundrede watt, hvilket ikke er nok til at øge flowvolumenet, da dette kræver omkring 4 kW. Derfor vil en sådan enhed blive en alvorlig hindring ved indløbet, som et resultat af, at produktiviteten tværtimod vil blive reduceret. I bedste fald vil tabene fra det være små, hvilket ikke vil påvirke dynamikken væsentligt.

Derudover kan du på internettet finde udviklingen i at skabe en elektrisk turbine med dine egne hænder. I modsætning til de billige muligheder nævnt ovenfor er de bygget på basis af en centrifugalkompressor og en børsteløs motor med en effekt på op til 17 kW og en spænding på 50-70 V, da kun en sådan motor er i stand til at levere tilstrækkeligt drejningsmoment og hastighed for at rotere kompressoren. Motoren skal være udstyret med en hastighedsregulator. Dette system kræver ikke en intercooler - et koldt indtag er nok til det. Installationen af en elektrisk turbine af denne type kan kræve udskiftning af en generator (til 90-100 A) og et batteri (til en mere rummelig med en høj strømudgang). Kompressorens rotationshastighed bestemmes af gashåndtagets position. Desuden er afhængigheden ikke lineær, men eksponentiel.

Det er tilrådeligt at skabe sådanne elektriske turbiner til biler med små motorer på op til 1,5 liter på grund af højt energiforbrug. Desuden, jo større motorvolumen er, jo mindre boosttryk kan superchargeren skabe. Så på en 0,7-liters motor vil det være 0,4-0,5 bar, for 1,5 liter - 0,2-0,3 bar. Derudover vil en sådan supercharger ikke være i stand til at fungere i lang tid ved maksimal ydeevne på grund af opvarmning. Controlleren kan dog konfigureres til at tvinge aktivering.

På grund af de høje omkostninger til komponenter er det meget dyrt at lave sådan en elektrisk turbine. Anmeldelser indikerer en målbar stigning i ydeevnen.

Med hensyn til design er disse mekanismer, ligesom de billige muligheder nævnt ovenfor, elektriske superladere. De bliver dog ofte fejlagtigt omt alt som elektriske turbiner. Nu er der mere seriøse mærkevareværker på markedet, der er tæt på hjemmelavede.

CV

Elektriske turbiner er mere lydhøre, produktive og effektive end mekaniske og har yderligere funktioner. Samtidig har de på den ene side et kompliceret design, men på den anden side fungerer de under mere godartede forhold.