Elektroturbīna: raksturlielumi, darbības princips, darba plusi un mīnusi, uzstādīšanas padomi un īpašnieku atsauksmes

2024 Autors: Erin Ralphs | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-02-19 17:42

Līdz ar stingrākiem vides noteikumiem autoražotāji ir spiesti izstrādāt veidus, kā uzlabot dzinēju videi draudzīgumu un efektivitāti, vienlaikus saglabājot veiktspēju. Šajā sakarā piespiedu indukcijas sistēmas ir kļuvušas plaši izplatītas. Ja agrāk tos izmantoja, lai palielinātu produktivitāti, tad tagad tos izmanto kā līdzekli, lai uzlabotu ekonomiju un videi draudzīgumu. Pateicoties kompresoruzlādei, jūs varat sasniegt tādu pašu veiktspēju kā atmosfēras dzinējiem ar mazāku cilindru skaitu un mazāku tilpumu. Tas ir, kompresordzinēji ir efektīvāki. Vēl viena metode ir elektroenerģijas izmantošana gan atsevišķi (elektromotori), gan kombinācijā ar iekšdedzes dzinējiem (hibrīdelektrostacijas). Šajā rakstā ir apskatītas elektriskās turbīnas, kas apvieno šīs pieejas.

Vispārīgās funkcijas

Neelektriskās piespiedu indukcijas sistēmas atkarībā no enerģijas avota tiek klasificētas turbokompresoros un kompresoros. Elektriskās sistēmas balstās uz tiem, un to mērķis ir uzlabot veiktspēju pārejas laikā.procesi un aizkavēšanās samazināšana.

Elektriskais pūtējs, saskaņā ar Honeywell teikto, ir kompresors, ko darbina elektromotors, kas ir uzstādīts uz kompresora motora. Tas ir, šī ir papildu ierīce turbo dzinējam. Elektriskā turbīna ir mehāniskās turbīnas analogs. Piedziņu šajā gadījumā var īstenot dažādos veidos.

Saskaņā ar Viskonsinas-Medisonas Universitātes pētnieku klasifikāciju piespiedu indukcijas elektriskās sistēmas pēc konstrukcijas un darbības principa tiek iedalītas šādos veidos:

• elektriskie pūtēji (EC/ET/ES);
• turbīnas ar elektrisko palīgu (EAT);
• elektriski atdalītas turbīnas (EST);
• turbīnas ar papildu elektriski darbināmu kompresoru (TEDC).

Dizains

Iepriekšminētajiem elektrisko turbīnu veidiem ir atšķirīgs dizains. Tas ir saistīts ar dažādu komponentu izkārtojumu, to tehnisko parametru atšķirībām utt.

EC

EC ir ar elektromotoru darbināms kompresors. Šis ir iepriekš minētais elektriskais pūtējs. Elektriskā piedziņa nodrošina vislielāko vadības elastību un iespēju darbināt kompresoru optimālā darbības punktā. Tomēr tam ir nepieciešami jaudīgi elektriskie komponenti.

ĒD

EAT ātrgaitas elektromotors ir uzstādīts starp turbīnu un kompresoru, parasti uz vārpstas. Sakarā ar to, ka tas nav galvenais enerģijas avots, tiek izmantotimazjaudas elektriskie komponenti. Tas rada zemas izmaksas. Turklāt šādiem turbokompresoriem ir iespēja pašiem noteikt rotora stāvokli, un tiem ir raksturīgas labas ģenerēšanas un motora spējas. Galvenā problēma ir augstas temperatūras ietekme uz elektromotoru, īpaši, ja tas ir uzstādīts korpusa iekšpusē.

Ir dažādas metodes, kā to atrisināt. Piemēram, BMW uzstādīja sajūgus, kas ļauj pieslēgt elektromotoru un atvienot no vārpstas. Pateicoties tam, motoru var novietot ārpus turbīnas. G+L inotec izmantoja pastāvīgo magnētu motoru ar lielu gaisa spraugu, kas var atrasties arī ārpusē. Statora iekšējais diametrs ir vienāds ar kompresora ārējo diametru, un rotora ārējais diametrs ir vienāds ar vārpstas izejas diametru. Gaisa sprauga var darboties kā gaisa ieplūde. Tas nodrošina priekšrocības dzesēšanas, inerces un termiskā efekta ziņā. Turklāt termiskās stabilitātes un termiskās kontroles ziņā asinhronie elektromotori ar mainīgu magnētisko pretestību, universālie kolektoru motori ir labāki, salīdzinot ar motoriem ar virsmas pastāvīgajiem magnētiem.

EST

EST turbīna un kompresors nav savienoti ar vārpstu, un katrs no tiem ir aprīkots ar elektromotoru. Tas ļauj kompresoram un turbīnas riteņiem darboties dažādos ātrumos. Šim dizainam ir līdzīgas priekšrocības kā ET, taču atšķirībā no tā tas spēj radīt enerģiju. Turklāt viņaTam ir mazāks termiskais efekts, pateicoties kompresora un turbīnas atdalīšanai, kā arī papildu inerces trūkumam no turbīnas un tās vārpstas. Turbīnas un kompresora atdalīšana ir izdevīga no iepakojuma viedokļa, jo ļauj optimizēt gaisa plūsmas ceļu. Tomēr šai tehnoloģijai ir nepieciešams arī jaudīgs elektromotors, ģenerators un invertori, lai nodrošinātu griezes momenta/inerces attiecību, un par to ir jāmaksā.

TEDC

TEDC ir mehāniska turbīna ar papildu kompresoru, ko darbina elektromotors. Atkarībā no kompresora atrašanās vietas attiecībā pret turbīnu šīs sistēmas tiek klasificētas opcijās augšpus un lejpus (attiecīgi virs un zem turbīnas). Kopumā tiem ir raksturīga ievērojami labāka atsaucība pāreju laikā "apakšā", pateicoties elektromotora neatkarībai no turbīnas un vārpstas inerces. Turklāt pakārtotie TEDC šajā ziņā ir pārāki par augšupējiem variantiem, jo pēdējiem ir raksturīgs liels tilpums, lai uzturētu spiedienu. Vēl viena šāda veida elektrisko turbīnu priekšrocība ir minimālās atšķirības no mehāniskajām.

Darbības princips

Iepriekš minētie elektrisko turbīnu veidi atšķiras pēc darbības principa. Tātad, piedziņa tiek īstenota atšķirīgi, daži no tiem spēj ģenerēt enerģiju utt.

EC

EC kompresoru darbina elektromotors. Šāda sistēma nav spējīga ģenerēt enerģiju, bet gan taiuzglabāšanu var apvienot ar reģeneratīvo bremžu sistēmu vai iebūvētu startera ģeneratoru.

ĒD

EAT pie zemiem apgriezieniem minūtē elektromotors nodrošina kompresoram papildu griezes momentu, lai palielinātu padeves spiedienu. "Augšotnēs" tas ģenerē enerģiju, ko var pārnest uz krātuvi. Turklāt elektromotors var neļaut turbīnai pārsniegt ātruma ierobežojumu. Tomēr var rasties augsts pretspiediena efekts, kas kompensē no izplūdes gāzēm iegūto enerģiju.

Ņemot vērā iespēju ražot elektroenerģiju no izplūdes gāzēm, šādus turbokompresorus sauc par hibrīdiem. Vieglajos automobiļos atkarībā no braukšanas cikla tie var radīt no vairākiem simtiem vatu līdz kW. Tas ļauj nomainīt ģeneratoru, vienlaikus taupot degvielu.

EST

EST izplūdes gāzu enerģija nevis darbina kompresoru tieši, bet tiek pārveidota elektroenerģijā, izmantojot ģeneratoru. Kompresors tiek darbināts ar uzkrāto enerģiju.

TEDC

TEDC elektromotors darbojas neatkarīgi no turbīnas, un tā darbinātais papildu kompresors kalpo, lai palielinātu pastiprinājumu "apakšā".

Dizaina un funkcionālās atšķirības

Viskonsinas-Medisonas universitātes pētnieki ir apvienojuši fundamentālās atšķirības starp aplūkotajām piespiedu indukcijas elektriskām sistēmām grafiskā un tabulas veidā. Tālāk esošajā attēlā ir parādītas to ierīču diagrammas (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC augšpus, e - TEDC lejup pa straumi).

Tabulā ir atspoguļoti ierīces galvenie nosacījumi. Tie ietver enerģijas avotu, kompresora piedziņu, elektrisko komponentu jaudu. Turklāt svarīgas ir tādas īpašības kā izmēri un temperatūras efekts.

Tips	EC	ĒD	EST	TEDC
Barošanas avots	Akumulators	Izplūdes gāzes / akumulators	Izplūdes gāzes / akumulators	Izplūdes gāzes / akumulators
Elektromotora un invertora jauda	Augsts	Zems	Augsts	Zems
Temperatūras efekts	Zems	Augsts	Zems	Zems
Izmērs	Mazs	Vidējs	Liels	Liels
Elektriskā turbīna	Nē	Jā	Jā	Nē
Turboelektriskā kompresora piedziņa	Nē	Jā	Nē	Nē

Tādējādi EAT un EST tehnoloģijas pieder pie elektriskajām turbīnām. EC kā bijaatzīmēja - atsevišķs mehānisms, TEDC - parastā ar to aprīkota turbokompresoru sistēma.

Prusi un mīnusi

Turbīnas piedziņa ar elektromotoru novērš galvenos mehānisko turbokompresoru trūkumus.

• Nav aizkaves, jo elektromotors var ļoti ātri uzgriezt rotoru.
• Izplūdes gāzu trūkuma dēļ nav turbo lag, jo šajā gadījumā elektromotors kompensē enerģijas trūkumu.
• Elektromotors ļauj saglabāt impulsu pārejas periodu laikā, piemēram, anti-lag bez negatīvas ietekmes.
• Tas nodrošina plašu darbības diapazonu un nemainīgu griezes momentu.
• Daži šo mehānismu veidi var ražot elektroenerģiju, samazinot ģeneratora slodzi un samazinot degvielas patēriņu.
• Zudētās enerģijas atgūšana ir iespējama, jo Ferrari ieviesa Formula 1 dzinējā.
• Elektroturbīnas darbojas saudzīgākos apstākļos un ar mazākiem apgriezieniem (100 tūkstoši 200-300 tūkstošu vietā).

Tomēr šai tehnoloģijai ir vairāki trūkumi.

• Lieliska dizaina sarežģītība, tostarp motors un kontrolleri.
• Tas rada lielas izmaksas.
• Turklāt dizaina sarežģītība ietekmē uzticamību.
• Lielā konstrukcijas elementu skaita dēļ (papildus turbīnai tas ietver elektromotoru, kontrolieri, akumulatoru), šie turbokompresori ir daudz lielāki un smagāki nekā parastie.

Turklāt katrs elektrisko turbīnu veids ir raksturotsīpašas funkcijas.

Tips	EC	ĒD	EST	TEDC augštecē	TEDC lejup pa straumi
Cieņa	Kontrolēt elastību; izkārtojuma elastība; vārpstas inerces trūkums; nav izplūdes atveres; nav pretspiediena	Kompakts; mazjaudas motors un invertors; nav atkritumvārsta	Kontrolēt elastību; izkārtojuma elastība; vārpstas inerces trūkums; nav atkritumvārsta	Viegli uzstādīt; vārpstas inerces trūkums; mazjaudas motors un invertors; Nepārtraukta veiktspējas uzlabošana	Labāka īslaicīga reakcija; viegli uzstādīt; mazjaudas motors un invertors; Nepārtraukta veiktspējas uzlabošana
Trūkumi	Lieljaudas motors un invertors; zema efektivitāte	Nepieciešamība pēc papildu dzesēšanas; papildu vārpstas inerce; palielināt paātrinājuma ierobežojumu pretspiediena dēļ	Lieljaudas motors un invertors; enerģijas zudums konversijas laikā; limitspastiprinājums pretspiediena dēļ; nepieciešama papildu instalācijas vieta	Ne pārāk ātra pārejoša reakcija; nepieciešama papildu instalācijas vieta; zema efektivitāte	Nepieciešama papildu instalācijas vieta; zema efektivitāte

Izturības ziņā saskaņā ar IHI elektriskās turbīnas būs līdzvērtīgas mehāniskajām, jo tās darbosies tādos pašos apstākļos saudzīgākā režīmā ar lielāku konstrukcijas sarežģītību.

Atbilstība

Neskatoties uz labo veiktspēju, elektriskās turbīnas pašlaik netiek plaši izmantotas masveidā ražotām automašīnām. Tas ir saistīts ar to augstām izmaksām un sarežģītību. Turklāt uzlabotām mehānisko turbīnu versijām (dvīņu ritināšana un mainīga ģeometrija) ir līdzīgas priekšrocības salīdzinājumā ar sākotnējām modifikācijām (kaut arī mazākā mērā) ar daudz zemākām izmaksām. Tagad EST izmanto Ferrari Formula 1 dzinējā. Pēc Honeywell teiktā, elektrisko turbīnu masveida izmantošana sāksies nākamās desmitgades sākumā. Jāatzīmē, ka elektriskos kompresorus jau izmanto dažiem sērijveida transportlīdzekļiem, piemēram, Honda Clarity, jo tie ir vienkāršāki.

Vienkāršākie un paštaisītie mehānismi

Desmitgades sākumā tirgū parādījās vienkāršas, lētas iekārtas, piemēram, datoru dzesētāji, ko sauc arī par elektriskām turbīnām. Tie atrodas uz ieejas un darbojas ar akumulatoru. Šādas elektriskās turbīnas ir iespējams izmantot gan uz karburatora, gan uz inžektora. Pēc ražotāju domām, tie palielina gaisa plūsmu, kas nonāk dzinējā, paātrinot to, kas dod veiktspējas pieaugumu līdz pat 15%. Šajā gadījumā parametri (apgriezieni, plūsma, jauda) parasti netiek norādīti. Šādas elektriskās turbīnas ir ļoti vienkārši uzstādīt uz automašīnu ar savām rokām.

Tomēr patiesībā to elektromotori attīsta līdz pat vairākiem simtiem vatu, kas nav pietiekami, lai palielinātu plūsmas apjomu, jo tam nepieciešami aptuveni 4 kW. Tāpēc šāda ierīce kļūs par nopietnu šķērsli pie ieplūdes, kā rezultātā, gluži pretēji, samazināsies produktivitāte. Zaudējumi no tā labākajā gadījumā būs nelieli, kas dinamiku būtiski neietekmēs.

Turklāt internetā varat atrast jaunumus par elektriskās turbīnas izveidi ar savām rokām. Atšķirībā no iepriekš minētajām lētajām iespējām, tie ir būvēti uz centrbēdzes kompresora un bezsuku motora bāzes ar jaudu līdz 17 kW un spriegumu 50-70 V, jo tikai šāds motors spēj nodrošināt pietiekamu griezes momentu un ātrumu, lai pagrieztu kompresoru. Motoram jābūt aprīkotam ar ātruma regulatoru. Šai sistēmai nav nepieciešams starpdzesētājs - tai pietiek ar aukstuma ieplūdi. Šāda veida elektriskās turbīnas uzstādīšanai var būt nepieciešams nomainīt ģeneratoru (90-100 A) un akumulatoru (ietilpīgākam ar lielu strāvas jaudu). Kompresora griešanās ātrumu nosaka droseļvārsta stāvoklis. Turklāt atkarība nav lineāra, bet gan eksponenciāla.

Tādas elektriskās turbīnas vēlams izveidot automašīnām ar maziem dzinējiem līdz 1,5 litriem, lielā enerģijas patēriņa dēļ. Turklāt, jo lielāks ir dzinēja tilpums, jo mazāku spiedienu var radīt kompresors. Tātad 0,7 litru dzinējam tas būs 0,4-0,5 bāri, 1,5 litriem - 0,2-0,3 bāri. Turklāt šāds kompresors nevarēs ilgstoši darboties ar maksimālu veiktspēju apkures dēļ. Tomēr kontrolieri var konfigurēt tā, lai tā aktivizētu piespiedu kārtā.

Sastāvdaļu augsto izmaksu dēļ šādas elektriskās turbīnas izgatavošana ir ļoti dārga. Atsauksmes liecina par izmērāmu veiktspējas pieaugumu.

Dizaina ziņā šie mehānismi, tāpat kā iepriekš minētie lētie varianti, ir elektriskie kompresori. Tomēr tās bieži kļūdaini dēvē par elektriskām turbīnām. Tagad tirgū ir pieejamas nopietnākas zīmola kustības, kas ir tuvu pašdarinātai.

CV

Elektriskās turbīnas ir atsaucīgākas, produktīvākas un efektīvākas nekā mehāniskās, un tām ir papildu funkcijas. Tajā pašā laikā, no vienas puses, tiem ir sarežģīts dizains, bet, no otras puses, tie darbojas labvēlīgākos apstākļos.