Електрическа турбина: характеристики, принцип на работа, плюсове и минуси на работата, съвети за инсталиране със собствените си ръце и прегледи на собствениците

В условията на все по-строги екологични разпоредби производителите на автомобили са принудени да разработват начини за подобряване на екологичните характеристики и ефективността на двигателите, като същевременно запазват производителността им. Поради това системите за принудително впръскване се разпространяват широко. Докато в миналото те се използваха за подобряване на производителността, сега се използват като средство за подобряване на икономията на гориво и екологичните показатели. С принудително пълнене е възможно да се постигне същата производителност като при атмосферните двигатели, но с по-малко цилиндри и по-малък обем. Това означава, че двигателите с принудително пълнене са по-ефективни. Другата е използването на електрическа енергия, самостоятелно (електрически двигатели) или в комбинация с двигатели с вътрешно горене (хибридни агрегати). В тази статия разглеждаме електрически турбини, които съчетават тези подходи.

Общи характеристики

Неелектрическите системи за принудително пълнене се разделят според източника на енергия на турбокомпресори и компресори. Електрическите системи се основават на тях и имат за цел да подобрят преходната реакция и да сведат до минимум забавянето.

Електрически задвижваният компресор, според Honeywell, представлява компресор, задвижван от електрически двигател, който е монтиран на двигател с принудително пълнене. Тоест, това е добавка за турбодвигателя. Електрическата турбина е еквивалент на механична турбина. Задвижването в този случай може да се реализира по различни начини.

Според класификацията на изследователи от Университета на Уисконсин-Медисън електрическите системи с принудителна индукция са по дизайн и принцип на работа се диференцират на следните видове:

• електрически вентилатори (EC/ET/ES);
• Турбини с електрическо задвижване (EAT);
• електрически разделени турбини (EST);
• турбина с допълнителен компресор с електрическо задвижване (TEDC).

Дизайн

Горепосочените типове електрически турбини имат различни конструкции. Това се дължи на различното разположение на компонентите, техническите параметри и др. д.

EC

EC е компресор, задвижван от електрически двигател. Това е електрическата турбина, спомената по-горе. Електрическото задвижване осигурява най-голяма гъвкавост на управлението и позволява компресорът да работи в оптималната си работна точка. За целта обаче са необходими мощни електрически компоненти.

ЯЖТЕ

В EAT високоскоростният електродвигател е монтиран между турбината и компресора, обикновено на вал. Тъй като тя не е основният източник на енергия, се използват електрически компоненти с ниска мощност. Това води до ниски разходи. Освен това тези турбокомпресори имат способността да определят сами положението на ротора и се характеризират с добри генериращи и двигателни възможности. Основният проблем е излагането на електродвигателя на висока температура, особено когато е монтиран в корпуса.

Съществуват различни решения. BMW например е инсталирало съединители, които позволяват на електродвигателя да се свързва и разединява от вала. Това позволява двигателят да се постави извън турбината. G+L inotec използва двигател с постоянни магнити с голяма въздушна междина, който може да бъде разположен и извън. Вътрешният диаметър на статора е равен на външния диаметър на компресора, а външният диаметър на ротора е равен на изходния диаметър на вала. Въздушната междина може да действа като вход за въздух. Това предлага предимства по отношение на охлаждането, инерцията и топлинните ефекти. Освен това по отношение на топлинната стабилност и управлението на топлината асинхронните двигатели, двигателите с променлив магнит, двигателите с универсален колектор са за предпочитане пред двигателите с повърхностни постоянни магнити.

EST

В EST турбината и компресорът не са свързани с вал, а всеки от тях е оборудван с електрически двигател. Това дава възможност за работа на компресорното колело и турбинното колело с различни скорости. Тази конструкция има сходни предимства с ЕТ, но за разлика от ЕТ може да генерира енергия. Освен това температурният ефект е по-нисък поради разделянето на компресора и турбината и липсата на допълнителна инерция от турбината и нейния вал. Разделянето на турбината и компресора е изгодно от гледна точка на оформлението, тъй като оптимизира пътя на въздушния поток. Тази технология обаче изисква и голям електродвигател, генератор и инвертор, за да се постигне съотношението въртящ момент/инерция, което оказва влияние върху цената.

TEDC

TEDC е механична турбина със спомагателен компресор, задвижван от електрически двигател. От гледна точка на разположението на компресора спрямо турбината тези системи се разделят на варианти за работа по веригата (съответно над и под турбината). Като цяло те се характеризират със значително по-добра ефективност на отзивчивост при Преходни процеси надолу по веригата, дължащи се на независимостта на двигателя от инерцията на турбината и вала. В това отношение TEDC, работещи надолу по веригата, превъзхождат версиите, работещи нагоре по веригата, поради, че последният се характеризират с голям обем за поддържане на налягането. Друго предимство на този тип електрическа турбина е, че тя се различава минимално от механичната турбина.

Как работи

Изброените видове електрически турбини се различават по принцип на работа. Така че, различни реализации на задвижвания, някои от тях са способни да генерират енергия и т.н. д.

EC

В EC компресорът се задвижва от електрически двигател. Такава система не може да генерира енергия, но може да се комбинира с регенеративна спирачна система или интегриран стартер-генератор за съхранение на енергия.

ЯЖТЕ

При EAT при ниска скорост електрическият двигател осигурява на компресора допълнителен въртящ момент, за да повиши налягането на форсиране. Нагоре по веригата се генерира енергия, която може да се прехвърли в хранилището. Освен това електрическият двигател може да попречи на турбината да превиши пределната скорост. Възможен е обаче ефект на високо противоналягане, който компенсира енергията, извлечена от отработените газове.

Поради възможността за генериране на електрическа енергия от отработените газове тези турбокомпресори се наричат хибридни турбокомпресори. В лек автомобил те могат да генерират от няколкостотин вата до един kW, в зависимост от цикъла. Това дава възможност за замяна на алтернатора и по този начин се пести гориво.

EST

При EST енергията от отработените газове не задвижва директно компресора, а се преобразува в електрическа енергия с помощта на генератор. Компресорът се задвижва от натрупаната енергия.

TEDC

При TEDC електрическият двигател работи независимо от турбината, а допълнителният компресор, който задвижва, служи за увеличаване на налягането в "ниския край".

Структурни и функционални различия

Основните разлики между разглежданите системи с принудителна индукция са обобщени графично и в табличен вид от изследователи от Университета на Уисконсин-Медисън. Илюстрацията по-долу показва тяхното разположение (а - EAT, б - EC, в - EST, г - TEDC up-flow, д - TEDC down-flow).

Таблицата показва основните характеристики на устройството. Това включва източник на енергия, задвижване на компресора, мощност на електрическите компоненти. Освен това размерите и температурният ефект са важни.

Така електрическите турбини включват технологиите EAT и EST. EC, както бе споменато, е отделен механизъм, TEDC е конвенционална система за турбокомпресор.

Предимства и недостатъци

Електрическото задвижване на турбината елиминира основните недостатъци на механичните турбокомпресори.

• Няма забавяне, тъй като електрическият двигател може да достигне много висока скорост на ротора.
• Няма турбозакъснение, причинено от недостиг на отработени газове, тъй като липсата на енергия се компенсира от електромотора.
• Електрическият двигател позволява поддържане на повишаването на мощността по време на преходни процеси, подобно на антилаг, без отрицателните ефекти на последния.
• Той осигурява широк работен диапазон и хомогенен въртящ момент.
• Някои видове от тези машини могат да генерират електроенергия, като намаляват натоварването на генератора и консумацията на гориво.
• Загубата на енергия може да бъде възстановена, както е направено от Ferrari в двигателя "Формула 1".
• Електрическите турбини работят в по-меки условия и при по-ниски скорости (100 хил. оборота в минута). вместо 200-300 хил.).

Но тази технология има редица недостатъци.

• Висока сложност на конструкцията, включително електрически двигател и контролери.
• Това води до високи разходи.
• Освен това сложността на конструкцията оказва влияние върху надеждността.
• Поради големия брой компоненти (освен турбината, те включват електромотор, контролери и батерия) тези турбокомпресори са много по-големи и по-тежки от обикновените турбокомпресори.

Освен това всеки тип електрическа турбина има свои специфични характеристики.

По отношение на дълготрайността, според IHI, електрическите турбини ще бъдат равностойни на механичните турбини, тъй като работят при същите условия по по-щадящ начин операция в по-висока сложност на дизайна.

Уместност

Въпреки добрите си страни електрическите турбини понастоящем не се използват широко в търговските превозни средства. Това се дължи на високата им цена и сложност. Освен това усъвършенстваните варианти на механичните турбини (twin-scroll и с променлива геометрия) предлагат подобни предимства на първоначалните варианти (макар и в по-малка степен) при значително по-ниска цена. EST вече използва Ferrari в двигателя "Формула 1". Според Honeywell масовото използване на електрически турбини ще започне в началото на следващото десетилетие. Трябва да се отбележи, че електрическите компресори вече се използват в някои серийни автомобили, като например Honda Clarity, тъй като са по-прости.

Прости и домашно приготвени механизми

В началото на десетилетието на пазара се появиха прости евтини механизми, подобни на компютърни охладители, наричани още електрически турбини. Те са разположени на входа и работят с батерия. Такива електрически турбини могат да се използват както за карбуратор, така и за инжектор. Производителите твърдят, че те увеличават потока на постъпващия в двигателя въздух, като го ускоряват, което води до повишаване на производителността с до 15%. Параметрите (скорост, дебит, мощност) обикновено не са определени. Много е лесно да се инсталират такива електрически турбини на автомобила със собствените си ръце.

В действителност обаче техните електродвигатели развиват до няколкостотин вата, което не е достатъчно за увеличаване на обема на потока, тъй като за това са необходими около 4 kW. Поради това такова устройство ще се превърне в сериозна пречка за всмукването, поради което производителността, напротив, ще бъде намалена. В най-добрия случай загубите от него ще бъдат малки, което не оказва забележимо влияние върху динамиката.

Освен това е възможно да намерите в интернет как да построите електрическа турбина със собствените си ръце. За разлика от посочените по-горе евтини варианти, те се основават на центробежен компресор и безкомутаторен двигател с мощност до 17 kW и напрежение 50-70 V, тъй като само такъв двигател е в състояние да осигури достатъчен въртящ момент и скорост за въртене на компресора. Двигателят трябва да бъде оборудван с регулатор на оборотите на двигателя. Тази система не се нуждае от междинен охладител - достатъчен е студен всмукател. Инсталирането на този тип електрическа турбина може да изисква подмяна на алтернатора (90-100 А) и акумулатора (с по-голям капацитет и висок изходящ ток). Скоростта на компресора се определя от положението на дроселовата клапа. И зависимостта не е линейна, а експоненциална.

Целесъобразно е да се създадат такива електрически турбини за автомобили с малки двигатели до 1,5 литра поради високата консумация на енергия. Колкото по-голям е работният обем на двигателя, толкова по-ниско е налягането на пълнене, което може да се генерира от компресора. Така например при двигател с работен обем 0,7 л тя ще бъде 0,4-0,5 бара, а при двигател с работен обем 1,5 л - 0,2-0,3 бара. Освен това такъв компресор няма да може да функционира дълго време при най-висока производителност с оглед на горещината. Въпреки това контролерът може да бъде настроен на принудително активиране.

Поради високата цена на компонентите е много скъпо да се направи такава електрическа турбина. Обратната връзка показва забележимо повишаване на производителността.

По отношение на дизайна тези машини, както и споменатите по-горе евтини варианти, принадлежат към електрическите помпи. Но те често се наричат неправилно електрически турбини. На пазара вече има по-сериозни маркови механизми, близки до домашните.

Резюме

Електрическите турбини са по-чувствителни, по-мощни и по-ефективни от механичните турбини и предлагат допълнителни функции. Въпреки това, с едната страна, те са по-сложни, но, от друга страна, работят в по-щадяща среда.