Elektro-turbina: jellemzők, működési elv, a munka előnyei és hátrányai, "csináld magad" telepítési tippek és tulajdonosi vélemények

2024 Szerző: Erin Ralphs | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-02-19 16:30

A szigorodó környezetvédelmi előírásokkal az autógyártók arra kényszerülnek, hogy olyan módszereket fejlesszenek ki, amelyek a motorok környezetbarát jellegét és hatékonyságát javítják a teljesítmény megőrzése mellett. E tekintetben a kényszerindukciós rendszerek széles körben elterjedtek. Míg korábban a termelékenység növelésére használták, most a gazdaságosság és a környezetbarátság javítására használják őket. A feltöltésnek köszönhetően kevesebb hengerrel és kisebb térfogattal ugyanazt a teljesítményt érheti el, mint az atmoszférikus motoroknál. Vagyis a feltöltött motorok hatékonyabbak. Egy másik módszer az elektromos energia felhasználása külön-külön (elektromos motorok) és belső égésű motorokkal kombinálva (hibrid erőművek). Ez a cikk azokat az elektromos turbinákat tárgyalja, amelyek kombinálják ezeket a megközelítéseket.

Általános szolgáltatások

A nem elektromos kényszerindukciós rendszereket az energiaforrás szerint turbófeltöltőkre és feltöltőkre osztják. Az elektromos rendszerek rájuk épülnek, és célja a teljesítmény javítása tranziensek során.folyamatok és a késések minimalizálása.

Az elektromos légfúvó a Honeywell szerint egy kompresszor, amelyet egy feltöltött motorra szerelt villanymotor hajt. Vagyis ez egy kiegészítő eszköz a turbómotorhoz. Az elektromos turbina a mechanikus turbina analógja. A hajtás ebben az esetben többféleképpen is megvalósítható.

A Wisconsin-Madison Egyetem kutatóinak osztályozása szerint a kényszerindukciós elektromos rendszereket kialakításuk és működési elvük szerint a következő típusokra osztják:

• elektromos fúvók (EC/ET/ES);
• turbinák elektromos asszisztenssel (EAT);
• elektromosan leválasztott turbinák (EST);
• turbinák kiegészítő elektromos hajtású kompresszorral (TEDC).

Dizájn

A fenti típusú elektromos turbinák eltérő kialakításúak. Ez az alkatrészek eltérő elrendezésében, műszaki paramétereik eltérésében stb. rejlik.

EC

Az EC egy elektromos motorral hajtott kompresszor. Ez a fent említett elektromos ventilátor. Az elektromos hajtás biztosítja a legnagyobb szabályozási rugalmasságot és a kompresszor optimális működési ponton történő működtetését. Ehhez azonban erős elektromos alkatrészekre van szükség.

EGYEN

Az EAT-ben egy nagy sebességű villanymotort szerelnek a turbina és a kompresszor közé, általában egy tengelyre. Tekintettel arra, hogy nem ez a fő energiaforrás, használjákkis teljesítményű elektromos alkatrészek. Ez alacsony költséget eredményez. Ezenkívül az ilyen turbófeltöltők képesek önmagukban észlelni a rotor helyzetét, és jó generáló és motoros képességek jellemzik őket. A fő probléma az elektromos motort érő magas hőmérsékleti hatás, különösen, ha az a ház belsejébe van beszerelve.

Számos módszer létezik a megoldására. Például a BMW tengelykapcsolókat szerelt fel, amelyek lehetővé teszik az elektromos motor csatlakoztatását és leválasztását a tengelyről. Ennek köszönhetően a motor a turbinán kívül is elhelyezhető. A G+L inotec nagy légrésű állandó mágneses motort használt, amely kívül is elhelyezhető. Az állórész belső átmérője megegyezik a kompresszor külső átmérőjével, a forgórész külső átmérője pedig a tengely kimeneti átmérőjével. A légrés légbeömlőként is funkcionálhat. Ez előnyöket biztosít a hűtés, a tehetetlenség és a hőhatás tekintetében. Ezenkívül a hőstabilitás és a hőszabályozás szempontjából a változó mágneses ellenállású indukciós villanymotorok, az univerzális kollektoros motorok előnyösebbek a felületi állandó mágneses motorokhoz képest.

EST

Az EST-ben a turbinát és a kompresszort nem tengely köti össze, és mindegyik villanymotorral van felszerelve. Ez lehetővé teszi, hogy a kompresszor és a turbina kerekei különböző sebességgel működjenek. Ennek a kialakításnak az ET-hez hasonló előnyei vannak, de ettől eltérően képes energiát termelni. Ráadásul őA kompresszor és a turbina szétválása, valamint a turbina és tengelye miatti további tehetetlenségi nyomaték hiánya miatt kisebb a hőhatása. A turbina és a kompresszor szétválasztása csomagolási szempontból előnyös, mivel lehetővé teszi a légáramlási út optimalizálását. Ehhez a technológiához azonban nagy teljesítményű villanymotorra, generátorra és inverterekre is szükség van, hogy megfeleljenek a nyomaték/tehetetlenség aránynak, aminek költsége van.

TEDC

A TEDC egy mechanikus turbina, elektromos motorral hajtott kiegészítő kompresszorral. A kompresszor turbinához viszonyított elhelyezkedése szerint ezeket a rendszereket felfelé és lefelé (a turbina feletti és alatti) opciókra osztják. Általában lényegesen jobb reakciókészség jellemzi őket az "alul" tranziensek során, mivel az elektromos motor független a turbina és a tengely tehetetlenségétől. Ezen túlmenően a downstream TEDC-k ebben a tekintetben felülmúlják az upstream opciókat, mivel az utóbbiakat nagy térfogat jellemzi a nyomás fenntartása érdekében. Az ilyen típusú elektromos turbinák másik előnye a minimális különbség a mechanikus turbinákhoz képest.

Működési elv

A fenti típusú elektromos turbinák a működési elvben különböznek egymástól. Tehát a hajtás másképpen van megvalósítva, néhányuk képes energiát termelni stb.

EC

Az EC-ben a kompresszort elektromos motor hajtja. Egy ilyen rendszer nem képes energiát termelni, hanem annak érdekébena tárolás kombinálható regeneratív fékrendszerrel vagy beépített indítógenerátorral.

EGYEN

Az EAT-ben alacsony fordulatszámon az elektromos motor további nyomatékot biztosít a kompresszornak a töltőnyomás növelése érdekében. A "csúcsokon" energiát termel, amely átvihető a tárolóba. Ezenkívül az elektromos motor megakadályozhatja, hogy a turbina túllépje a sebességhatárát. Előfordulhat azonban nagy ellennyomás hatás, amely kompenzálja a kipufogógázokból kinyert energiát.

A kipufogógázokból elektromos áram előállításának lehetősége miatt az ilyen turbófeltöltőket hibridnek nevezik. A személygépkocsikon a menetciklustól függően több száz watttól kW-ig is termelhetnek. Ez lehetővé teszi a generátor cseréjét, miközben üzemanyagot takarít meg.

EST

Az EST-ben a kipufogógázok energiája nem közvetlenül hajtja meg a kompresszort, hanem egy generátor segítségével elektromos energiává alakítják. A kompresszort a tárolt energia hajtja.

TEDC

A TEDC-ben a villanymotor a turbinától függetlenül működik, az általa hajtott kiegészítő kompresszor pedig az "alul" lévő löket növelésére szolgál.

Dizájn és funkcionális különbségek

A kényszerindukciós elektromos rendszerek közötti alapvető különbségeket a Wisconsin-Madison Egyetem kutatói egyesítik grafikus és táblázatos formában. Az alábbi ábra a készülékük diagramjait mutatja (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC upstream, e - TEDC downstream).

A táblázat az eszköz főbb rendelkezéseit tükrözi. Ide tartozik az energiaforrás, a kompresszor hajtása, az elektromos alkatrészek teljesítménye. Ezenkívül fontosak az olyan tulajdonságok, mint a méretek és a hőmérsékleti hatás.

Típus	EC	EGYEN	EST	TEDC
Tápforrás	Akkumulátor	Kipufogógázok / akkumulátor	Kipufogógázok / akkumulátor	Kipufogógázok / akkumulátor
Az elektromos motor és az inverter teljesítménye	Magas	Alacsony	Magas	Alacsony
Hőmérséklet-hatás	Alacsony	Magas	Alacsony	Alacsony
Méret	Kicsi	Közepes	Nagy	Nagy
Elektromos turbina	Nem	Igen	Igen	Nem
Turbóelektromos kompresszorhajtás	Nem	Igen	Nem	Nem

Így az EAT és EST technológiák az elektromos turbinákhoz tartoznak. EC ahogy voltmegjegyezte - egy külön mechanizmus, a TEDC - egy hagyományos, azzal felszerelt turbófeltöltő rendszer.

Érvek és hátrányok

A villanymotoros turbinahajtás kiküszöböli a mechanikus turbófeltöltők fő hátrányait.

• Nincs késés, mivel az elektromos motor nagyon gyorsan felpörgeti a rotort.
• Nincs kipufogógáz-hiány okozta turbó késés, hiszen ebben az esetben a villanymotor kompenzálja az energiahiányt.
• Az elektromos motor lehetővé teszi, hogy a tranziensek során is fenntartsa a lendületet, például az anti-lag, az utóbbi negatív hatásai nélkül.
• Ez széles működési tartományt és egyenletes nyomatékot biztosít.
• E mechanizmusok bizonyos típusai elektromos áramot termelhetnek, csökkentve a generátor terhelését és az üzemanyag-fogyasztást.
• Az elveszett energia visszanyerése lehetséges, ahogy a Ferrari beépítette a Forma-1-es motorba.
• Az elektroturbinák kíméletesebb körülmények között és alacsonyabb fordulatszámon működnek (200-300 ezer helyett 100 ezer).

Ennek a technológiának azonban számos hátránya van.

• Nagyszerű tervezési összetettség, beleértve a motort és a vezérlőket.
• Ez magas költségeket okoz.
• Ezenkívül a tervezés összetettsége befolyásolja a megbízhatóságot.
• A szerkezeti elemek nagy száma miatt (a turbinán kívül villanymotort, vezérlőket, akkumulátort tartalmaz) ezek a turbófeltöltők sokkal nagyobbak és nehezebbek, mint a hagyományosak.

Ezen túlmenően az elektromos turbinák mindegyik típusát jellemzikspeciális jellemzők.

Típus	EC	EGYEN	EST	TEDC upstream	TEDC downstream
Méltóság	A rugalmasság szabályozása; az elrendezés rugalmassága; tengelytehetetlenség hiánya; nincs hulladékajtó; nincs ellennyomás	Kompakt; kis teljesítményű motor és inverter; nincs hulladéknyílás	A rugalmasság szabályozása; az elrendezés rugalmassága; tengelytehetetlenség hiánya; nincs hulladéknyílás	Könnyen telepíthető; tengelytehetetlenség hiánya; kis teljesítményű motor és inverter; Folyamatos teljesítményfejlesztés	Jobb átmeneti válasz; könnyen telepíthető; kis teljesítményű motor és inverter; Folyamatos teljesítményfejlesztés
Hibák	Nagy teljesítményű motor és inverter; alacsony hatékonyság	További hűtés szükségessége; további tengelytehetetlenség; növeli a gyorsulási határt az ellennyomás miatt	Nagy teljesítményű motor és inverter; energiaveszteség az átalakítás során; korlátnyomásnövelés az ellennyomás miatt; további telepítési helyet igényel	Nem túl gyors átmeneti válasz; további telepítési helyet igényel; alacsony hatékonyság	További telepítési helyet igényel; alacsony hatékonyság

A tartósság tekintetében az IHI szerint az elektromos turbinák egyenértékűek lesznek a mechanikusakkal, mivel azonos körülmények között, kíméletesebb üzemmódban, nagyobb tervezési összetettséggel működnek.

Relevancia

A jó teljesítmény ellenére az elektromos turbinákat jelenleg nem használják széles körben a sorozatgyártású autókban. Ez magas költségüknek és összetettségüknek köszönhető. Ezenkívül a mechanikus turbinák továbbfejlesztett változatai (ikertekercses és változó geometria) hasonló előnyökkel rendelkeznek a kezdeti módosításokhoz képest (bár kisebb mértékben), sokkal alacsonyabb költségek mellett. Az EST most a Ferrarit használja a Forma-1-es motorban. A Honeywell szerint az elektromos turbinák tömeges alkalmazása a következő évtized elején kezdődik meg. Megjegyzendő, hogy egyes sorozatgyártású járműveken, például a Honda Clarityn már használnak elektromos feltöltőt, mivel ezek egyszerűbbek.

A legegyszerűbb és házilag készített mechanizmusok

Az évtized elején olyan egyszerű, olcsó gépek jelentek meg a piacon, mint a számítógépes hűtők, más néven elektromos turbinák. A bemeneten találhatók, és akkumulátorral működnek. Az ilyen elektromos turbinák a karburátoron és az injektoron is használhatók. A gyártók szerint növelik a motorba belépő levegő áramlását, felgyorsítva azt, ami akár 15%-os teljesítménynövekedést eredményez. Ebben az esetben a paraméterek (fordulatszám, áramlás, teljesítmény) általában nincsenek feltüntetve. Nagyon könnyű ilyen elektromos turbinákat saját kezűleg felszerelni egy autóra.

A valóságban azonban a villanymotorjaik akár több száz wattot is fejlesztenek, ami nem elég az áramlási mennyiség növeléséhez, hiszen ehhez kb. 4 kW szükséges. Ezért egy ilyen eszköz komoly akadály lesz a bemenetnél, aminek eredményeként éppen ellenkezőleg, csökken a termelékenység. A legjobb esetben is kicsik lesznek a veszteségek, ami nem befolyásolja jelentősen a dinamikát.

Ezenkívül az interneten fejlesztéseket találhat egy elektromos turbina saját kezű létrehozásával kapcsolatban. A fent említett olcsó opciókkal ellentétben centrifugális kompresszorra és kefe nélküli motorra épülnek, legfeljebb 17 kW teljesítménnyel és 50-70 V feszültséggel, mivel csak az ilyen motor képes elegendő nyomatékot biztosítani és sebesség a kompresszor forgatásához. A motort fordulatszám-szabályozóval kell felszerelni. Ehhez a rendszerhez nincs szükség intercoolerre - elegendő egy hideg bemenet. Egy ilyen típusú elektromos turbina beépítéséhez szükség lehet generátor (90-100 A-hoz) és akkumulátor cseréjére (terjedtebb, nagy áramerősség esetén). A kompresszor forgási sebességét a fojtószelep helyzete határozza meg. Ráadásul a függés nem lineáris, hanem exponenciális.

A nagy energiafogyasztás miatt célszerű ilyen elektromos turbinákat 1,5 literes kismotoros autókhoz készíteni. Sőt, minél nagyobb a motor térfogata, annál kisebb nyomást tud létrehozni a feltöltő. Tehát egy 0,7 literes motoron 0,4-0,5 bar lesz, 1,5 liternél - 0,2-0,3 bar. Ezenkívül egy ilyen feltöltő a fűtés miatt nem fog sokáig működni maximális teljesítményen. A vezérlőt azonban be lehet állítani úgy, hogy az aktiválást kényszerítse.

Az alkatrészek magas költsége miatt nagyon drága egy ilyen elektromos turbina elkészítése. A vélemények a teljesítmény mérhető növekedését jelzik.

A kialakítást tekintve ezek a mechanizmusok, akárcsak a fent említett olcsó lehetőségek, elektromos feltöltők. Azonban gyakran tévesen elektromos turbináknak nevezik őket. Ma már a piacon vannak komolyabb márkás mozgalmak, amelyek közel állnak a házi készítéshez.

CV

Az elektromos turbinák érzékenyebbek, termelékenyebbek és hatékonyabbak, mint a mechanikusok, és további funkciókkal is rendelkeznek. Ugyanakkor egyrészt bonyolult felépítésűek, másrészt jóindulatúbb körülmények között is működnek.