Elektroturbiin: omadused, tööpõhimõte, töö plussid ja miinused, isetegemise näpunäited ja omanike ülevaated

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-02-19 14:32

Keskkonnaeeskirjade karmistamisega on autotootjad sunnitud välja töötama viise, kuidas parandada mootorite keskkonnasõbralikkust ja tõhusust, säilitades samal ajal jõudluse. Sellega seoses on sunnitud induktsioonisüsteemid lai alt levinud. Kui varem kasutati neid tootlikkuse tõstmiseks, siis nüüd kasutatakse neid ökonoomsuse ja keskkonnasõbralikkuse parandamise vahendina. Tänu ülelaadimisele saate saavutada sama jõudluse kui atmosfäärimootoritel, vähemate silindrite ja väiksema mahuga. See tähendab, et ülelaadimisega mootorid on tõhusamad. Teine meetod on elektrienergia kasutamine nii eraldi (elektrimootorid) kui ka koos sisepõlemismootoritega (hübriidelektrijaamad). Selles artiklis käsitletakse elektriturbiine, mis kombineerivad neid lähenemisviise.

Üldfunktsioonid

Mitteelektrilised sundsisselaskesüsteemid liigitatakse energiaallika järgi turboülelaaduriteks ja ülelaaduriteks. Elektrisüsteemid toetuvad neile ja nende eesmärk on parandada jõudlust siirete ajal.protsessid ja viivituste minimeerimine.

Elektriline puhur on Honeywelli sõnul kompressor, mida käitab elektrimootor, mis on paigaldatud ülelaadimismootorile. See tähendab, et see on turbomootori lisaseade. Elektriturbiin on mehaanilise turbiini analoog. Sel juhul saab draivi rakendada erineval viisil.

Wisconsini-Madisoni ülikooli teadlaste klassifikatsiooni järgi eristatakse sundinduktsiooni elektrisüsteeme konstruktsiooni ja tööpõhimõtte järgi järgmisteks tüüpideks:

• elektripuhurid (EC/ET/ES);
• elektrilise abiga turbiinid (EAT);
• elektriliselt eraldatud turbiinid (EST);
• turbiinid täiendava elektriajamiga kompressoriga (TEDC).

Disain

Eespool nimetatud tüüpi elektriturbiinidel on erinev konstruktsioon. See seisneb komponentide erinevas paigutuses, nende tehniliste parameetrite erinevuses jne.

EC

EC on elektrimootoriga töötav kompressor. See on ülalmainitud elektriline puhur. Elektriajam tagab suurima juhtimise paindlikkuse ja võimaluse kasutada kompressorit optimaalses tööpunktis. Selleks on aga vaja võimsaid elektrikomponente.

SÖÖ

EAT-is on kiire elektrimootor paigaldatud turbiini ja kompressori vahele, tavaliselt võllile. Kuna see ei ole peamine energiaallikas, kasutatakseväikese võimsusega elektrilised komponendid. Selle tulemuseks on madalad kulud. Lisaks on sellistel turboülelaaduritel võimalus ise tuvastada rootori asend ning neid iseloomustab hea genereerimis- ja mootorivõime. Peamine probleem on kõrge temperatuuri mõju elektrimootorile, eriti kui see on paigaldatud korpuse sisse.

Selle lahendamiseks on erinevaid meetodeid. Näiteks BMW paigaldas sidurid, mis võimaldavad elektrimootorit võllilt ühendada ja lahti ühendada. Tänu sellele saab mootorit paigutada turbiinist väljapoole. G+L inotec kasutas suure õhuvahega püsimagnetmootorit, mis võib paikneda ka väljas. Staatori siseläbimõõt on võrdne kompressori välisläbimõõduga ja rootori välisläbimõõt on võrdne võlli väljalaskeava läbimõõduga. Õhupilu võib toimida õhu sisselaskeavana. See annab eeliseid jahutuse, inertsi ja termilise efekti osas. Lisaks on termilise stabiilsuse ja termilise reguleerimise osas eelistatavamad muutuva magnettakistusega asünkroonsed elektrimootorid, universaalsed kollektormootorid võrreldes pinnapüsimagnetiga mootoritega.

EST

ESTis ei ole turbiin ja kompressor võlliga ühendatud ning igaüks neist on varustatud elektrimootoriga. See võimaldab kompressori ja turbiini ratastel töötada erinevatel kiirustel. Sellel konstruktsioonil on ET-ga sarnased eelised, kuid erinev alt sellest on see võimeline tootma energiat. Lisaks taSellel on väiksem termiline efekt tänu kompressori ja turbiini eraldamisele, samuti turbiini ja selle võlli täiendava inertsi puudumisele. Turbiini ja kompressori eraldamine on pakendi seisukohast kasulik, kuna võimaldab optimeerida õhuvoolu liikumisteed. See tehnoloogia nõuab aga ka võimsat elektrimootorit, generaatorit ja invertereid, et tagada pöördemomendi/inertsi suhe, mis on kulukas.

TEDC

TEDC on mehaaniline turbiin koos täiendava kompressoriga, mida käitab elektrimootor. Vastav alt kompressori asukohale turbiini suhtes liigitatakse need süsteemid ülesvoolu ja allavoolu (vastav alt turbiini kohal ja all) valikuteks. Üldjuhul iseloomustab neid oluliselt parem reageerimisvõime "põhjas" olevate transientide ajal tänu elektrimootori sõltumatusele turbiini ja võlli inertsist. Veelgi enam, allavoolu TEDC-d on selles osas paremad kui ülesvoolu, kuna viimaseid iseloomustab suur maht rõhu säilitamiseks. Seda tüüpi elektriturbiinide eeliseks on ka minimaalsed erinevused mehaanilistest.

Tööpõhimõte

Eespool nimetatud elektriturbiinide tüübid erinevad tööpõhimõtte poolest. Niisiis, ajam on rakendatud erinev alt, mõned neist on võimelised tootma energiat jne.

EC

EÜ-s käitab kompressorit elektrimootor. Selline süsteem ei ole võimeline tootma energiat, vaid selle jaokssalvestusruumi saab kombineerida regeneratiivpidurisüsteemi või sisseehitatud startergeneraatoriga.

SÖÖ

EAT-is madalatel pööretel annab elektrimootor kompressorile täiendava pöördemomendi, et tõsta rõhku. "Tippudes" toodab see energiat, mida saab üle kanda hoidlasse. Lisaks võib elektrimootor takistada turbiinil piirkiirust ületamast. Siiski võib tekkida kõrge vasturõhu efekt, mis kompenseerib heitgaasidest eraldatud energia.

Tulenev alt võimalusest toota elektrit heitgaasidest, nimetatakse selliseid turbolaadureid hübriidseks. Sõiduautodel võivad need sõltuv alt sõidutsüklist toota mitusada vatti kuni kW. See võimaldab teil kütust säästes vahetada generaatorit.

EST

ESTis ei juhi heitgaaside energia otse kompressorit, vaid muundatakse generaatori abil elektrienergiaks. Kompressorit käitab salvestatud energia.

TEDC

TEDC-s töötab elektrimootor turbiinist sõltumatult ja selle poolt käitatav lisakompressor suurendab võimendust "põhjas".

Disain ja funktsionaalsed erinevused

Põhilised erinevused vaadeldavate sundinduktsiooni elektrisüsteemide vahel on Wisconsini-Madisoni ülikooli teadlased kombineerinud graafilise ja tabeli kujul. Alloleval joonisel on näidatud nende seadme diagrammid (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC ülesvoolu, e - TEDC allavoolu).

Tabel kajastab seadme peamisi sätteid. Nende hulka kuuluvad energiaallikas, kompressori ajam, elektriliste komponentide võimsus. Lisaks on olulised sellised omadused nagu mõõtmed ja temperatuuriefekt.

Tüüp	EC	SÖÖ	EST	TEDC
Toiteallikas	Aku	Heitgaasid / aku	Heitgaasid / aku	Heitgaasid / aku
Elektrimootori ja inverteri võimsus	Kõrge	Madal	Kõrge	Madal
Temperatuuriefekt	Madal	Kõrge	Madal	Madal
Suurus	Väike	Keskmine	Suur	Suur
Elektriturbiin	Ei	Jah	Jah	Ei
Turbo-elektrikompressori ajam	Ei	Jah	Ei	Ei

Seega kuuluvad EAT ja EST tehnoloogiad elektriturbiinide alla. EC nagu see olimärkis – eraldi mehhanism, TEDC – sellega varustatud tavaline turboülelaadurisüsteem.

Pussid ja miinused

Elektrimootoriga turbiiniajam kõrvaldab mehaaniliste turboülelaadurite peamised puudused.

• Ei mingit viivitust, kuna elektrimootor võib rootori väga kiiresti üles keerata.
• Ei ole heitgaaside puudumisest põhjustatud turbo viivitust, kuna sel juhul kompenseerib elektrimootor energiapuuduse.
• Elektrimootor võimaldab teil hoida tõuget siirdeperioodi ajal, nagu viivitusvastane toime, ilma viimase negatiivsete mõjudeta.
• See tagab laia töövahemiku ja ühtlase pöördemomendi.
• Mõnda tüüpi need mehhanismid võivad toota elektrit, vähendades generaatori koormust ja kütusekulu.
• Kaotatud energia taastamine on võimalik, nagu Ferrari rakendas vormel-1 mootoris.
• Elektroturbiinid töötavad õrnemates tingimustes ja madalamatel pööretel (200-300 tuhande asemel 100 tuhat).

Sellel tehnoloogial on aga mitmeid puudusi.

• Suurepärane disaini keerukus, sealhulgas mootor ja kontrollerid.
• See põhjustab suuri kulusid.
• Lisaks mõjutab töökindlust disaini keerukus.
• Kuna suure hulga konstruktsioonielemente (lisaks turbiinile sisaldab see elektrimootorit, kontrollereid, akut) on need turbolaadurid palju suuremad ja raskemad kui tavalised.

Lisaks iseloomustatakse igat tüüpi elektriturbiinispetsiifilised funktsioonid.

Tüüp	EC	SÖÖ	EST	TEDC ülesvoolu	TEDC allavoolu
Väärikus	Paindlikkuse juhtimine; paigutuse paindlikkus; võlli inertsuse puudumine; raiskamisluugi puudub; vasturõhk puudub	Kompaktne; madala võimsusega mootor ja inverter; raiskamisluugi puudub	Paindlikkuse juhtimine; paigutuse paindlikkus; võlli inertsuse puudumine; raiskamisluugi puudub	Lihtne paigaldada; võlli inertsuse puudumine; madala võimsusega mootor ja inverter; Pidev jõudluse parandamine	Parem mööduv reaktsioon; lihtne paigaldada; madala võimsusega mootor ja inverter; Pidev jõudluse parandamine
Puudused	Suure võimsusega mootor ja inverter; madal efektiivsus	Vajadus täiendava jahutuse järele; võlli lisainerts; vasturõhu tõttu kiirenduse suurendamine	Suure võimsusega mootor ja inverter; energiakadu teisendamise ajal; limiitvasturõhust tulenev võimendus; vajab täiendavat paigaldusruumi	Mitte väga kiire mööduv reaktsioon; vajab täiendavat paigaldusruumi; madal efektiivsus	Vajab täiendavat paigaldusruumi; madal efektiivsus

Vastupidavuse poolest on IHI andmetel elektriturbiinid samaväärsed mehaaniliste turbiinidega, kuna need töötavad samades tingimustes õrnemas ja keerukama disainiga režiimis.

Asjakohasus

Hoolimata heast jõudlusest ei kasutata elektriturbiine praegu masstoodanguna toodetud autodel laialdaselt. Selle põhjuseks on nende kõrge hind ja keerukus. Lisaks on mehaaniliste turbiinide täiustatud versioonidel (kaksikkerimine ja muutuv geomeetria) sarnased eelised võrreldes esialgsete modifikatsioonidega (kuigi vähemal määral) palju väiksemate kuludega. Nüüd kasutab EST vormel 1 mootoris Ferrarit. Honeywelli sõnul algab elektriturbiinide massiline kasutamine järgmise kümnendi alguses. Tuleb märkida, et elektrilisi ülelaadureid kasutatakse juba mõnel tootmissõidukil, näiteks Honda Clarityl, kuna need on lihtsamad.

Kõige lihtsamad ja isetehtud mehhanismid

Kümnendi alguses ilmusid turule lihtsad ja odavad masinad, nagu arvutijahutid, mida nimetatakse ka elektriturbiinideks. Need asuvad sisselaskeava peal ja töötavad akuga. Selliseid elektriturbiine on võimalik kasutada nii karburaatoril kui ka pihustil. Tootjate sõnul suurendavad need mootorisse siseneva õhuvoolu, kiirendades seda, mis annab jõudluse tõusu kuni 15%. Sel juhul parameetreid (pöörded, vooluhulk, võimsus) tavaliselt ei näidata. Selliseid elektriturbiine on väga lihtne oma kätega autole paigaldada.

Tegelikkuses arendavad nende elektrimootorid kuni mitusada vatti, millest vooluhulga suurendamiseks ei piisa, kuna selleks on vaja umbes 4 kW. Seetõttu muutub selline seade sisselaskeava juures tõsiseks takistuseks, mille tulemusena tootlikkus, vastupidi, väheneb. Parimal juhul on sellest saadav kahju väike, mis dünaamikat oluliselt ei mõjuta.

Lisaks leiate Internetist arenguid oma kätega elektriturbiini loomisel. Erinev alt ülalmainitud odavatest võimalustest on need ehitatud tsentrifugaalkompressori ja harjadeta mootori baasil, mille võimsus on kuni 17 kW ja pinge 50-70 V, kuna ainult selline mootor suudab tagada piisava pöördemomendi ja kiirus kompressori pööramiseks. Mootor peab olema varustatud kiiruse regulaatoriga. See süsteem ei vaja vahejahutit - selle jaoks piisab külma sisselaskest. Seda tüüpi elektriturbiini paigaldamine võib nõuda generaatori (90-100 A jaoks) ja aku (mahukama ja suure voolutugevusega aku) väljavahetamist. Kompressori pöörlemiskiiruse määrab drosselklapi asend. Pealegi pole sõltuvus lineaarne, vaid eksponentsiaalne.

Sellised elektriturbiinid on soovitav luua kuni 1,5-liitrise väikese mootoriga autodele, kuna on suur energiakulu. Veelgi enam, mida suurem on mootori töömaht, seda väiksemat ülelaadimisrõhku suudab ülelaadur tekitada. Niisiis, 0,7-liitrisel mootoril on see 0,4–0,5 baari, 1,5 liitri puhul 0,2–0,3 baari. Lisaks ei suuda selline ülelaadur kuumenemise tõttu pikka aega maksimaalse jõudlusega töötada. Siiski saab kontrollerit konfigureerida sundaktiveerimiseks.

Konponentide kalliduse tõttu on sellise elektriturbiini valmistamine väga kallis. Arvustused näitavad jõudluse mõõdetavat suurenemist.

Disaini poolest on need mehhanismid, nagu ka ülalmainitud odavad variandid, elektrilised ülelaadijad. Sageli nimetatakse neid aga ekslikult elektriturbiinideks. Nüüd on turul saadaval tõsisemad kaubamärgiga liigutused, mis on omatehtud lähedased.

CV

Elektriturbiinid reageerivad paremini, on tootlikumad ja tõhusamad kui mehaanilised ning neil on lisafunktsioonid. Samal ajal on need ühelt poolt keerulise disainiga, kuid teisest küljest töötavad need ka soodsamates tingimustes.