Електро турбіна: характеристики, принцип дії, плюси і мінуси роботи, поради по установці своїми руками і відгуки власників
Опубликованно 18.07.2019 06:18
В умовах ужесточаемых екологічних норм автовиробники змушені розробляти способи підвищення екологічності та ефективності двигунів при збереженні продуктивності. У зв'язку з цим набули поширення системи примусової індукції. Якщо в минулому їх застосовували для підвищення продуктивності, то тепер використовують в якості засобу поліпшення економічності та екологічності. Завдяки наддуву можна досягти тих же показників, що на атмосферних моторах, при меншій кількості циліндрів і меншому обсязі. Тобто наддувні двигуни більш ефективні. Інший метод - застосування електричної енергії як окремо (електродвигуни), так і в комбінації з ДВЗ (гібридні силові установки). У даній статті розглянуті електротурбін, що поєднують дані підходи. Загальні особливості
Неелектричні системи примусової індукції по джерелу енергії класифікують на турбокомпресори і повітродувки. Електричні системи засновані на них і націлені на поліпшення продуктивності при перехідних процесах і мінімізацію лагів.
Электронагнетатель, згідно Honeywell, являє собою приводиться електродвигуном компресор, який встановлюють на оснащений нагнітачем мотор. Тобто це додатковий пристрій для турбодвигуна. Электротурбина - аналог механічної турбіни. Привід в цьому випадку може бути реалізований по-різному.
Згідно з класифікацією дослідників з Вісконсинського університету в Мадисоне, електричні системи примусової індукції по конструкції і принципу функціонування диференціюють на наступні види: електричні повітродувки (EC/ET/ES); турбіни з электроассистентом (EAT); електрично розділені турбіни (EST); турбіни з додатковим компресором з електроприводом (TEDC). Конструкція
Наведені вище типи електротурбін мають різне пристрій. Це полягає в різних схемах розташування компонентів, у відмінності їх технічних параметрів і т. д. EC
ЄС являє собою приводиться електродвигуном компресор. Це згаданий вище электронагнетатель. Електропривод забезпечує найбільшу гнучкість контролю і можливість експлуатації компресора в оптимальній робочій точці. Однак для цього потрібні потужні електричні компоненти.
EAT
В EAT високошвидкісний електродвигун встановлений між турбіною і компресором, зазвичай на валу. Зважаючи на те, що він не є основним джерелом енергії, що використовуються електричні компоненти малої потужності. Це обумовлює невисоку вартість. До того ж такі турбокомпресори мають здатність самовизначення положення ротора і характеризуються хорошими генеруючими і моторними можливостями. Основною проблемою є високотемпературне вплив на електромотор, особливо якщо він встановлений усередині корпусу.
Існують різні методи її рішення. Наприклад, BMW встановила зчеплення для забезпечення можливості підключення і відключення електродвигуна від вала. Завдяки цьому мотор можна розмістити за межами турбіни. G+L inotec використовувала двигун з постійними магнітами з великим повітряним зазором, який також може знаходитися зовні. Внутрішній діаметр статора дорівнює зовнішньому діаметру компресора, а зовнішній діаметр ротора – вихідного діаметру валу. Повітряний зазор може виконувати роль впускного повітряного каналу. Це забезпечує переваги з точки зору охолодження, інерції та термічного ефекту. Крім того, за термостійкості і терморегулювання індукційні електромотори, зі змінним магнітним опором, універсальні колекторні більш переважні в порівнянні з двигуном з поверхневими постійними магнітами. EST
У EST турбіну і компресор не з'єднані валом, і кожен з них оснащений електродвигуном. Це забезпечує можливість роботи компресорного та турбінного коліс з різними швидкостями. Дана конструкція має переваги, аналогічні ET, але, на відміну від неї, здатна генерувати енергію. Крім того, вона відрізняється меншим температурним ефектом зважаючи поділу компресора і турбіни, а також відсутністю додаткової інерції від турбіни і її валу. Поділ турбіни і компресора вигідно з точки зору компонування, так як дозволяє оптимізувати шлях повітряного потоку. Однак така технологія також вимагає потужних електромотора, генератора і інверторів для задоволення співвідношення крутний момент/інерція, що позначається на вартості.
TEDC
TEDC являє собою механічну турбіну з додатковим компресором, що приводиться електродвигуном. По розташуванню компресора щодо турбіни дані системи класифікують на варіанти вище і нижче по потоку (над і під турбіною відповідно). В цілому вони характеризуються значно кращою чуйністю при перехідних процесах на «низах» зважаючи незалежності електродвигуна від інерції турбіни і валу. Причому TEDC в низхідному потоці в цьому відношенні перевершують варіанти у висхідному зважаючи на те, що останні відрізняються великим об'ємом для підтримки тиску. Ще одна перевага електротурбін даного типу полягає в мінімальних відмінності від механічних.
Принцип функціонування
Наведені типи електротурбін різняться принципом роботи. Так, по-різному реалізований привід, деякі з них здатні виробляти енергію і т. д. EC
В EC компресор приводиться електродвигуном. Така система не здатна генерувати енергію, але для її накопичення може бути об'єднана з системою рекуперативного гальмування або вбудованим генератором стартера. EAT
В EAT на низьких обертах електромотор забезпечує додатковий крутний момент компресора для підвищення тиску наддуву. На «верхах» він виробляє енергію, яка може передаватися на зберігання. До того ж електродвигун може запобігти перевищення турбіною граничної швидкості. Однак можливе виникнення ефекту високого протитиску, що компенсує витягнуту з вихлопних газів енергію.
Зважаючи на можливості генерації електроенергії з відпрацьованих газів такі турбокомпресори називають гібридними. На легкових автомобілях в залежності від циклу руху вони можуть створити від декількох сотень Вт до кВт. Це дозволяє заміняти генератор, економлячи паливо. EST
У EST енергія відпрацьованих газів не приводить компресор безпосередньо, а перетворюється в електричну енергію з використанням генератора. Компресор приводиться накопиченою енергією. TEDC
У TEDC електродвигун функціонує незалежно від турбіни, а приводиться їм додатковий компресор служить для підвищення наддуву на «низах». Конструктивні і функціональні відмінності
Принципові відмінності розглянутих електричних систем примусової індукції об'єднані дослідниками Вісконсинського університету в Мадисоне в графічному і табличному вигляді. На малюнку, розміщеному нижче, представлені схеми їх пристрою (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC вверх по потоку, e - TEDC вниз по потоку).
Таблиця відображає основні положення пристрою. До них відносяться джерело енергії, привід компресора, потужність електричних компонентів. До того ж важливі такі якості, як габарити і температурний ефект.
Тип
EC
EAT
EST
TEDC
Джерело енергії
Батарея
Відпрацьовані гази / батарея
Відпрацьовані гази / батарея
Відпрацьовані гази / батарея
Потужність электомотора і інвертора
Висока
Низька
Висока
Низька
Температурний ефект
Низький
Високий
Низький
Низький
Розмір
Малий
Середній
Великий
Великий
Электротурбина
Немає
Так
Так
Немає
Турбо-електричний привід компресора
Немає
Так
Немає
Немає
Таким чином, до электротурбинам відносяться технології EAT та EST. EC, як було зазначено - окремий механізм, TEDC - оснащена їм звичайна система турбонаддува. Переваги і недоліки
Привід турбіни електричним двигуном дозволяє усунути основні недоліки механічних турбокомпресорів. Відсутній лад, так як електромотор може забезпечити дуже високу швидкість розкручування ротора. Відсутній турбояма, обумовлена недоліком відпрацьованих газів, так як в такому разі брак енергії компенсує електромотор. Електродвигун дозволяє зберегти наддув при перехідних процесах подібно антилагу без негативних ефектів останнього. Це забезпечує широкий діапазон роботи і рівномірний обертальний момент. Деякі типи даних механізмів здатні генерувати електрику, знижуючи навантаження на генератор і скорочуючи витрату палива. Можлива рекуперація втраченої енергії, як це реалізувала Ferrari в двигуні "Формули-1". Електро-турбіни працюють у більш щадних умовах та на менших обертах (100 тис. замість 200-300 тис.).
Однак дана технологія має ряд недоліків. Велика складність конструкції, що включає електродвигун і контролери. Це обумовлює високу вартість. До того ж складність конструкції позначається на надійності. Через великої кількості конструктивних елементів (крім турбіни сюди входить електромотор, контролери, батарея) такі турбокомпресори набагато більше і важче звичайних.
До того ж кожен тип електротурбін характеризується специфічними особливостями.
Тип EC
EAT
EST
TEDC вверх по потоку
TEDC вниз по потоку
Переваги Гнучкість управління; гнучкість компонування; відсутність інерції вала; відсутність вестгейта; відсутність протитиску Компактність; мала потужність електродвигуна і інвертора; відсутність вестгейта Гнучкість управління; гнучкість компонування; відсутність інерції вала; відсутність вестгейта Простота установки; відсутність інерції вала; мала потужність електродвигуна і інвертора; постійне підвищення продуктивності Найкраща чутливість при перехідних процесах; простота установки; мала потужність електродвигуна і інвертора; постійне підвищення продуктивності
Недоліки Висока потужність електродвигуна і інвертора; низька ефективність Необхідність додаткового охолодження; додаткова інерція валу; межа прискорення наддуву з-за протитиску Висока потужність електродвигуна і інвертора; втрати енергії при конверсії; межа прискорення наддуву з-за протитиску; необхідність додаткового місця для установки Не дуже швидка чуйність при перехідних процесах; необхідність додаткового місця для установки; низька ефективність Необхідність додаткового місця для установки; низька ефективність
По довговічності, на думку IHI, електротурбін будуть еквівалентні механічним зважаючи роботи в тих же умовах в більш щадному режимі при більшій складності конструкції. Актуальність
Незважаючи на хороші показники, електротурбін в даний час масово не використовуватимуться на серійних автомобілях. Це обумовлено їх високою вартістю та складністю. До того ж вдосконалені варіанти механічних турбін (твинскрольные та із змінною геометрією) володіють схожими перевагами перед початковими модифікаціями (хоча і меншою мірою) при значно меншій вартості. Зараз EST використовує Ferrari в двигуні "Формули-1". На думку Honeywell, масове застосування електротурбін почнеться на початку наступного десятиліття. Слід зазначити, що електричні повітродувки вже використовуються на деяких серійних автомобілях, наприклад Honda Clarity, так як вони простіше. Найпростіші і саморобні механізми
На початку десятиліття на ринку з'явилися найпростіші дешеві механізми, подібні комп'ютерних кулерів, також звані електричними турбінами. Вони розташовуються на впуску і працюють від акумулятора. Можливе використання таких електро-турбін і на карбюраторі, і на інжекторі. За твердженнями виробників, вони збільшують потік надходить у двигун повітря, прискорюючи його, що дає приріст продуктивності до 15 %. При цьому параметри (обороти, потік, потужність) зазвичай не вказані. Дуже просто встановити такі електро-турбіни на авто своїми руками.
Проте насправді їх електродвигуни розвивають до декількох сотень Вт, чого недостатньо для збільшення об'єму потоку, так як для цього потрібно близько 4 кВт. Тому такий пристрій стане серйозною перешкодою на впуску, внаслідок чого продуктивність, навпаки, скоротиться. В кращому разі втрати від нього будуть невеликими, що відчутно не позначиться на динаміці.
Крім того, в Інтернеті можна знайти напрацювання по створенню електро-турбіни своїми руками. На відміну від згаданих вище дешевих варіантів, їх будують на основі відцентрового компресора і бесколлекторного двигуна потужністю до 17 кВт і напругою В 50-70, так як тільки такий мотор здатний забезпечити достатні для обертання компресора момент, що крутить, і обороти. Двигун потрібно оснастити контролером швидкості обертання. Дана система не вимагає інтеркулера – для неї досить холодного впуску. Установка електро-турбіни такого типу, можливо, зажадає заміни генератора (на 90-100 А) і акумулятора (на більш ємний з високою токоотдачей). Швидкість обертання компресора визначається положенням дроселя. Причому залежність не лінійна, а експоненціальна.
Доцільно створювати такі електро-турбіни під автомобілі з малолітражними двигунами об'ємом до 1,5 л, що обумовлено великим енергоспоживанням. Причому чим більше об'єм двигуна, тим менший тиск наддуву зможе створити нагнітач. Так, на 0,7-л двигуні воно буде становити 0,4-0,5 бар, на 1,5 л – 0,2-0,3 бар. До того ж такий наддув не зможе функціонувати тривалий час на максимальній продуктивності через нагрівання. Проте контролер можна налаштувати на примусову активацію.
Зважаючи на високу вартість компонентів досить затратно зробити таку електро-турбіну. Відгуки свідчать про відчутну прибавку продуктивності.
З точки зору конструкції ці механізми, як і згадані вище дешеві варіанти, відносяться до электронагнетателям. Однак часто їх помилково називають электротурбинами. Зараз на ринку представлені більш серйозні фірмові механізми, близькі до саморобним.
Резюме
Електротурбін більш чуйні, продуктивні і ефективні в порівнянні з механічними і володіють додатковими функціями. При цьому, з одного боку, вони мають складнішу конструкцію, але, з іншого, функціонують у більш щадних умовах.
Владислав Боїв
Категория: Автомобили