Sähköturbiini: ominaisuudet, toimintaperiaate, työn edut ja haitat, tee-se-itse-asennusvinkit ja omistajan arvostelut

2024 Kirjoittaja: Erin Ralphs | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-02-19 15:14

Ympäristömääräysten tiukentamisen myötä autonvalmistajat pakotetaan kehittämään tapoja parantaa moottoreiden ympäristöystävällisyyttä ja tehokkuutta samalla kun niiden suorituskyky säilyy. Tässä suhteessa pakotetut induktiojärjestelmät ovat yleistyneet. Aiemmin niitä käytettiin tuottavuuden lisäämiseen, mutta nyt niitä käytetään keinona parantaa taloudellisuutta ja ympäristöystävällisyyttä. Ahtauksen ansiosta voit saavuttaa saman suorituskyvyn kuin ilmakehämoottoreissa vähemmällä sylintereillä ja pienemmällä tilavuudella. Eli ahdettu moottori on tehokkaampi. Toinen menetelmä on sähköenergian käyttö sekä erikseen (sähkömoottorit) että yhdessä polttomoottoreiden kanssa (hybridivoimalat). Tässä artikkelissa käsitellään sähköturbiineja, joissa yhdistyvät nämä lähestymistavat.

Yleiset ominaisuudet

Ei-sähköiset pakotetut imujärjestelmät luokitellaan energialähteen mukaan turboahtimiin ja ahtimiin. Sähköjärjestelmät rakentuvat niihin ja pyrkivät parantamaan suorituskykyä transienttien aikana.prosessit ja viiveiden minimoiminen.

Sähköpuhallin on Honeywellin mukaan kompressori, jota käyttää sähkömoottori, joka on asennettu ahdettuihin moottoriin. Eli tämä on lisälaite turbomoottorille. Sähköturbiini on mekaanisen turbiinin analogi. Taajuusmuuttaja voidaan tässä tapauksessa toteuttaa eri tavoin.

Wisconsin-Madisonin yliopiston tutkijoiden luokituksen mukaan pakotetun induktion sähköjärjestelmät erotetaan suunnittelun ja toimintaperiaatteen mukaan seuraaviin tyyppeihin:

• sähköpuh altimet (EC/ET/ES);
• turbiinit sähköavustimella (EAT);
• sähköerotetut turbiinit (EST);
• turbiinit ylimääräisellä sähkökäyttöisellä kompressorilla (TEDC).

Design

Yllämainituilla sähköturbiinityypeillä on erilainen rakenne. Tämä johtuu komponenttien erilaisista asetteluista, niiden teknisten parametrien eroista jne.

EC

EC on sähkömoottorikäyttöinen kompressori. Tämä on yllä mainittu sähköpuhallin. Sähkökäyttö tarjoaa suurimman ohjauksen joustavuuden ja mahdollisuuden käyttää kompressoria optimaalisessa toimintapisteessä. Tämä vaatii kuitenkin tehokkaita sähkökomponentteja.

SÖÖ

EAT:ssa nopea sähkömoottori on asennettu turbiinin ja kompressorin väliin, yleensä akselille. Koska se ei ole tärkein energianlähde, niitä käytetäänpienitehoiset sähkökomponentit. Tämä johtaa alhaiseen hintaan. Lisäksi tällaisilla turboahtimilla on kyky havaita itse roottorin asento, ja niille on tunnusomaista hyvät generointi- ja moottoriominaisuudet. Suurin ongelma on korkean lämpötilan vaikutus sähkömoottoriin, varsinkin jos se on asennettu kotelon sisään.

On olemassa useita tapoja ratkaista se. Esimerkiksi BMW asensi kytkimet, jotta sähkömoottori voidaan kytkeä ja irrottaa akselista. Tämän ansiosta moottori voidaan sijoittaa turbiinin ulkopuolelle. G+L inotec käytti kestomagneettimoottoria suurella ilmavälillä, joka voidaan sijoittaa myös ulos. Staattorin sisähalkaisija on yhtä suuri kuin kompressorin ulkohalkaisija ja roottorin ulkohalkaisija on yhtä suuri kuin akselin ulostulon halkaisija. Ilmarako voi toimia ilmanottoaukona. Tämä tarjoaa etuja jäähdytyksen, hitauden ja lämpövaikutuksen suhteen. Lisäksi lämmönkestävyyden ja lämmönsäädön os alta induktiosähkömoottorit, joissa on muuttuva magneettivastus, yleiskollektorimoottorit ovat parempia verrattuna moottoriin, joissa on pintakestomagneetit.

EST

EST:ssä turbiinia ja kompressoria ei ole yhdistetty akselilla, ja jokainen niistä on varustettu sähkömoottorilla. Tämä mahdollistaa kompressorin ja turbiinin pyörien toiminnan eri nopeuksilla. Tällä mallilla on samanlaisia etuja kuin ET:llä, mutta toisin kuin se pystyy tuottamaan energiaa. Lisäksi hänSillä on vähemmän lämpövaikutusta kompressorin ja turbiinin erottamisen vuoksi sekä turbiinin ja sen akselin ylimääräisen inertian puuttumisen vuoksi. Turbiinin ja kompressorin erottaminen on pakkaamisen kann alta edullista, koska se mahdollistaa ilmanvirtausreitin optimoinnin. Tämä tekniikka vaatii kuitenkin myös tehokkaan sähkömoottorin, generaattorin ja invertterit vääntömomentin/inertiasuhteen täyttämiseksi, mikä maksaa.

TEDC

TEDC on mekaaninen turbiini, jossa on ylimääräinen sähkömoottorilla toimiva kompressori. Kompressorin sijainnin mukaan turbiiniin nähden nämä järjestelmät luokitellaan vaihtoehdoiksi ylä- ja alavirtaan (vastaavasti turbiinin ylä- ja alapuolelle). Yleensä niille on ominaista huomattavasti parempi reagointikyky "pohjan" transientien aikana, koska sähkömoottori on riippumaton turbiinin ja akselin hitaudesta. Lisäksi loppupään TEDC:t ovat tässä suhteessa parempia kuin ylävirran vaihtoehdot, koska jälkimmäisille on ominaista suuri tilavuus paineen ylläpitämiseksi. Toinen tämäntyyppisten sähköturbiinien etu on minimaaliset erot mekaanisiin turbiiniin verrattuna.

Toimintaperiaate

Yllä mainitut sähköturbiinityypit eroavat toimintaperiaatteeltaan. Joten käyttö on toteutettu eri tavalla, osa niistä pystyy tuottamaan energiaa jne.

EC

EC:ssä kompressoria käyttää sähkömoottori. Tällainen järjestelmä ei pysty tuottamaan energiaa, vaan sitä vartenvarastointi voidaan yhdistää regeneratiiviseen jarrujärjestelmään tai sisäänrakennettuun käynnistysgeneraattoriin.

SÖÖ

EAT:ssa alhaisilla kierrosluvuilla sähkömoottori antaa kompressorille lisävääntömomenttia ahtopaineen lisäämiseksi. "Hopissa" se tuottaa energiaa, joka voidaan siirtää varastoon. Lisäksi sähkömoottori voi estää turbiinia ylittämästä nopeusrajoitustaan. Voi kuitenkin esiintyä korkea vastapainevaikutus, joka kompensoi pakokaasuista erotetun energian.

Koska mahdollisuus tuottaa sähköä pakokaasuista, tällaisia turboahtimia kutsutaan hybrideiksi. Henkilöautoissa ne voivat ajosyklistä riippuen tuottaa useista sadasta watista kW:iin. Näin voit vaihtaa laturin polttoainetta säästäen.

EST

EST:ssä pakokaasujen energia ei käytä kompressoria suoraan, vaan se muunnetaan sähköenergiaksi generaattorin avulla. Kompressoria käyttää varastoitu energia.

TEDC

TEDC:ssä sähkömoottori toimii turbiinista riippumatta, ja sen käyttämä ylimääräinen kompressori lisää tehoa "pohjassa".

Design ja toiminnalliset erot

Wisconsin-Madisonin yliopiston tutkijat yhdistävät tarkasteltujen pakotetun induktion sähköjärjestelmien väliset perustavanlaatuiset erot graafisessa ja taulukkomuodossa. Alla oleva kuva näyttää kaaviot heidän laitteistaan (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC ylävirtaan, e - TEDC myötävirtaan).

Taulukko kuvastaa laitteen tärkeimmät ominaisuudet. Näitä ovat energialähde, kompressorin käyttö, sähkökomponenttien teho. Lisäksi ominaisuudet, kuten mitat ja lämpötilavaikutus, ovat tärkeitä.

Tyyppi	EC	SÖÖ	EST	TEDC
Virtalähde	Akku	Pakokaasut / akku	Pakokaasut / akku	Pakokaasut / akku
Sähkömoottorin ja invertterin teho	Korkea	Matala	Korkea	Matala
Lämpötilan vaikutus	Matala	Korkea	Matala	Matala
Koko	Pieni	Keskitaso	Iso	Iso
Sähköturbiini	Ei	Kyllä	Kyllä	Ei
Turbo-sähköinen kompressorikäyttö	Ei	Kyllä	Ei	Ei

Siksi EAT- ja EST-teknologiat kuuluvat sähköturbiineihin. EC sellaisena kuin se olitodettiin - erillinen mekanismi, TEDC - tavallinen sillä varustettu turboahdin.

Hyvät ja huonot puolet

Sähkömoottorilla toimiva turbiinikäyttö eliminoi mekaanisten turboahtimien tärkeimmät haitat.

• Ei viivettä, sillä sähkömoottori voi pyörittää roottoria hyvin nopeasti.
• Pakokaasujen puutteesta johtuvaa turboviivettä ei ole, koska tällöin sähkömoottori kompensoi energian puutteen.
• Sähkömoottorin avulla voit ylläpitää tehoa transientien, kuten viiveen eston, aikana ilman jälkimmäisen negatiivisia vaikutuksia.
• Tämä tarjoaa laajan toiminta-alueen ja tasaisen vääntömomentin.
• Jotkin näistä mekanismeista voivat tuottaa sähköä, mikä vähentää generaattorin kuormitusta ja vähentää polttoaineen kulutusta.
• Menetyn energian t alteenotto on mahdollista, kuten Ferrari toteutti Formula 1 -moottorissa.
• Sähköturbiinit toimivat pehmeämmissä olosuhteissa ja pienemmillä nopeuksilla (100 tuhatta 200-300 tuhannen sijaan).

Tällä tekniikalla on kuitenkin useita haittoja.

• Upea suunnittelu, mukaan lukien moottori ja ohjaimet.
• Tämä aiheuttaa korkeat kustannukset.
• Lisäksi suunnittelun monimutkaisuus vaikuttaa luotettavuuteen.
• Rakenneelementtien suuren määrän vuoksi (turbiinin lisäksi sähkömoottori, ohjaimet, akku) nämä turboahtimet ovat paljon suurempia ja raskaampia kuin perinteiset.

Lisäksi jokaiselle sähköturbiinityypille on tunnusomaistaerityisiä ominaisuuksia.

Tyyppi	EC	SÖÖ	EST	TEDC ylävirtaan	TEDC myötävirtaan
Arvollisuus	Hallitse joustavuutta; asettelun joustavuus; akselin hitauden puute; ei hukkaluukkua; ei vastapainetta	Kompakti; pienitehoinen moottori ja invertteri; ei jäteluukkua	Hallitse joustavuutta; asettelun joustavuus; akselin hitauden puute; ei jäteluukkua	Helppo asentaa; akselin hitauden puute; pienitehoinen moottori ja invertteri; Jatkuva suorituskyvyn parantaminen	Parempi ohimenevä vaste; helppo asentaa; pienitehoinen moottori ja invertteri; Jatkuva suorituskyvyn parantaminen
Epäkohdat	Suuritehoinen moottori ja invertteri; alhainen tehokkuus	Lisäjäähdytyksen tarve; lisäakselin hitaus; kiihtyvyysraja vastapaineen takia	Suuritehoinen moottori ja invertteri; energiahäviö muuntamisen aikana; rajatehostin vastapaineen takia; vaatii lisää asennustilaa	Ei kovin nopea ohimenevä vaste; vaatii lisää asennustilaa; alhainen tehokkuus	Vaatii lisää asennustilaa; alhainen tehokkuus

IHI:n mukaan sähköturbiinit ovat kestävyyden kann alta samanlaisia kuin mekaaniset, koska ne toimivat samoissa olosuhteissa hellävaraisemmassa tilassa ja suunnittelun monimutkaisemmalla.

Relevanssi

Hyvästä suorituskyvystä huolimatta sähköturbiineja ei tällä hetkellä käytetä laaj alti massatuotetuissa autoissa. Tämä johtuu niiden korkeista kustannuksista ja monimutkaisuudesta. Lisäksi mekaanisten turbiinien parannetuilla versioilla (kaksoisrulla ja muuttuva geometria) on samanlaisia etuja verrattuna alkuperäisiin modifikaatioihin (tosin vähäisemmässä määrin) paljon pienemmillä kustannuksilla. Nyt EST käyttää Ferraria Formula 1 -moottorissa. Honeywellin mukaan sähköturbiinien massakäyttö alkaa ensi vuosikymmenen alussa. On huomattava, että joissakin tuotantoajoneuvoissa, kuten Honda Clarityssa, käytetään jo sähköisiä ahtimia, koska ne ovat yksinkertaisempia.

Yksinkertaisimmat ja kotitekoiset mekanismit

Vuosikymmenen alussa markkinoille ilmestyi yksinkertaisia, halpoja koneita, kuten tietokoneen jäähdyttimiä, joita kutsutaan myös sähköturbiineiksi. Ne sijaitsevat sisääntulossa ja ovat akkukäyttöisiä. Tällaisia sähköturbiineja voidaan käyttää sekä kaasuttimessa että suuttimessa. Valmistajien mukaan ne lisäävät moottoriin tulevan ilman virtausta kiihdyttäen sitä, mikä lisää suorituskykyä jopa 15%. Tässä tapauksessa parametreja (kierrokset, virtaus, teho) ei yleensä ilmoiteta. Tällaiset sähköturbiinit on erittäin helppoa asentaa autoon omin käsin.

Todellisuudessa niiden sähkömoottorit kehittävät kuitenkin useita satoja watteja, mikä ei riitä lisäämään virtaustilavuutta, sillä se vaatii noin 4 kW. Siksi tällaisesta laitteesta tulee vakava este sisääntulossa, minkä seurauksena tuottavuus päinvastoin vähenee. Parhaimmillaan siitä aiheutuvat tappiot ovat pieniä, mikä ei vaikuta merkittävästi dynamiikkaan.

Lisäksi Internetistä löydät kehitystä sähköturbiinin luomiseen omin käsin. Toisin kuin yllä mainitut halvat vaihtoehdot, ne on rakennettu keskipakokompressorin ja harjattoman moottorin pohj alta, jonka teho on jopa 17 kW ja jännite 50-70 V, koska vain tällainen moottori pystyy tarjoamaan riittävän vääntömomentin ja nopeus kompressorin pyörittämiseen. Moottori on varustettava nopeudensäätimellä. Tämä järjestelmä ei vaadi välijäähdytintä - kylmänotto riittää sille. Tämän tyyppisen sähköturbiinin asentaminen voi vaatia generaattorin (90-100 A) ja akun vaihtamisen (tilavamman, suuren virransyötön omaavaa). Kompressorin pyörimisnopeus määräytyy kaasuvivun asennon mukaan. Lisäksi riippuvuus ei ole lineaarinen, vaan eksponentiaalinen.

Tällaisia sähköturbiineja on suositeltavaa luoda autoihin, joissa on enintään 1,5 litran moottori, suuren energiankulutuksen vuoksi. Lisäksi mitä suurempi moottorin tilavuus, sitä vähemmän ahtopaine voi luoda. Joten 0,7 litran moottorissa se on 0,4-0,5 baaria, 1,5 litralla - 0,2-0,3 baaria. Lisäksi tällainen ahdin ei pysty toimimaan pitkään aikaan maksimaalisella suorituskyvyllä lämmityksen vuoksi. Ohjain voidaan kuitenkin määrittää pakottamaan aktivointi.

Osien korkeiden kustannusten vuoksi tällaisen sähköturbiinin valmistaminen on erittäin kallista. Arvostelut osoittavat mitattavissa olevan suorituskyvyn parantumisen.

Suunnittelun kann alta nämä mekanismit, kuten yllä mainitut halvat vaihtoehdot, ovat sähköisiä ahtimia. Niitä kutsutaan kuitenkin usein virheellisesti sähköturbiineiksi. Nyt markkinoilla on vakavampia merkkiliikkeitä, jotka ovat lähellä kotitekoista.

CV

Sähköturbiinit ovat herkempiä, tuottavampia ja tehokkaampia kuin mekaaniset, ja niissä on lisäominaisuuksia. Toisa alta niillä on monimutkainen rakenne, mutta toisa alta ne toimivat hyvänlaatuisemmissa olosuhteissa.