Електро-турбіна: характеристики, принцип дії, плюси і мінуси роботи, поради по установці своїми руками і відгуки власників

В умовах посилюваних 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 як засіб 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 ДВС (гібридні силові установки). У даній статті розглянуті електротурбіни, що поєднують дані підходи.

Загальні особливості

Неелектричні системи примусової індукції за джерелом енергії класифікують на Турбокомпресори і нагнітачі. Електричні системи засновані на них і націлені на поліпшення продуктивності при перехідних процесах і мінімізацію лагів.

Електронагнітач, згідно Honeywell, являє собою приводиться електродвигуном компресор, який встановлюють на оснащений наддувом мотор. Тобто це додатковий пристрій для турбодвигуна. Електротурбіна-аналог механічної турбіни. Привід в даному випадку може бути реалізований по-різному.

Відповідно до класифікації дослідників Університету Вісконсіна в Мадісоні, електричні системи примусової індукції за конструкцією та принцип функціонування диференціюють на наступні види:

• електричні повітродувки (EC / ET / ES);
• турбіни з електроассистентом (EAT);
• електрично розділені турбіни (EST);
• турбіни з додатковим компресором з електроприводом (TEDC).

Конструкція

Наведені вище типи електротурбін мають різний пристрій. Це полягає в різних схемах розташування компонентів, у відмінностях їх технічних параметрів і т. д.

EC

EC являє собою приводиться електромотором 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

У EAT високошвидкісний електродвигун встановлений між турбіною і компресором, зазвичай на валу. З огляду на те, що він не є основним джерелом енергії, 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 високотемпературний вплив на електромотор, особливо якщо він встановлений всередині корпусу.

Існують різні методи її вирішення. Наприклад, BMW встановила зчеплення для забезпечення можливості підключення і відключення електродвигуна від валу. Завдяки цьому мотор можна розмістити за межами турбіни. G + L inotec використовував двигун постійного магніту з великим повітряним зазором, який також може знаходитися зовні. Внутрішній діаметр статора дорівнює зовнішньому діаметру компресора, а зовнішній діаметр ротора-вихідному діаметру вала. Повітряний зазор може виконувати роль впускного повітряного каналу. Це забезпечує переваги з точки зору охолодження, інерції та термічного ефекту. Крім того, по термостійкості і терморегулювання індукційні електромотори, зі змінним магнітним опором, універсальні колекторні більш кращі в порівнянні з двигуном з поверхневими постійними магнітами.

EST

У EST турбіна і компресор не з`єднані валом, і кожен з них оснащений електродвигуном. Це забезпечує можливість роботи компресорного і 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 через розділення 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 електродвигуна, генератора і інверторів для задоволення співвідношення крутний момент / інерція, що позначається на вартості.

TEDC

TEDC являє собою механічну турбіну з додатковим компресором, що приводиться електромотором. 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" через незалежність електродвигуна від інерції турбіни і валу. Причому TEDC в низхідному потоці в даному відношенні перевершують варіанти в висхідному зважаючи на те, що останні відрізняються великим обсягом для підтримки тиску. Ще одна перевага електротурбін даного типу полягає в мінімальних відмінностях від механічних.

Принцип функціонування

Наведені типи електротурбін розрізняються принципом роботи. Так, по-різному реалізований привід, деякі з них здатні виробляти енергію і т. д.

EC

У 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

У EAT на низьких оборотах 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 можливість 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 замінювати 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 та функціональні відмінності

Принципові відмінності розглянутих електричних систем примусової індукції об`єднані дослідниками Вісконсинського університету в Мадісоні в графічному і табличному вигляді. На малюнку, розміщеному нижче, представлені схеми їх пристрою (a-EAT, b-EC, C-EST, d-tedc вгору 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.

Таким чином, до електротурбін відносяться технології EAT і EST. EC, як було зазначено-окремий механізм, tedc-оснащена ним звичайна система турбонаддуву.

Переваги і недоліки

Привід турбіни електричним двигуном дозволяє усунути основні недоліки механічних турбокомпресорів.

• Відсутня лаг, так як електромотор може забезпечити дуже високу швидкість розкрутки ротора.
• Відсутня турбояма, обумовлена недоліком відпрацьованих газів, так як в такому випадку брак енергії компенсує електромотор.
• Електродвигун дозволяє зберегти наддув при перехідних процесах подібно антилагу без негативних ефектів останнього.
• Це забезпечує великий діапазон роботи і рівномірний крутний 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 в більш сприятливих умовах і на менших оборотах (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.
• Зважаючи на велику кількість 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.

За довговічності, на думку IHI, електротурбіни будуть еквівалентні механічним зважаючи роботи в тих же умовах в більш щадному режимі при більшої складності конструкції.

Актуальність

Незважаючи на хороші показники, електротурбіни в даний час масово не використовуються на серійних автомобілях. Це обумовлено їх високою вартістю і складністю. До того ж вдосконалені варіанти механічних турбін (твінскрольние і із змінною геометрією) володіють подібними перевагами перед початковими модифікаціями (хоча і в меншій мірі) 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 нагнітачі 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`ютерним кулерам, 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 в 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.

Однак насправді їх електродвигуни розвивають до декількох сотень Вт, чого недостатньо для збільшення обсягу потоку, так як для цього потрібно близько 4 кВт. Тому такий пристрій стане серйозною перешкодою на впуску, внаслідок чого продуктивність, навпаки, скоротиться. У кращому випадку 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 безколекторного двигуна потужністю до 17 кВт і напругою 50-70 В, так як тільки такий мотор здатний забезпечити достатні для обертання компресора крутний момент 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 обсяг мотора, тим менший тиск наддуву зможе створити нагнітач. Так, на 0,7-л двигуні воно становитиме 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 максимальної продуктивності зважаючи на нагрівання. Однак контролер можна налаштувати на примусову активацію.

Зважаючи на високу вартість компонентів вельми затратно зробити таку електро-турбіну. Відгуки свідчать про відчутну надбавку продуктивності.

З точки зору конструкції ці механізми, як і згадані вище дешеві варіанти, відносяться до електронагнітачів. Однак часто їх помилково називають електротурбінами. Зараз на ринку представлені більш серйозні фірмові механізми, близькі до саморобних.

Резюме

Електротурбіни більш чуйні, продуктивні і ефективні в порівнянні з механічними і володіють додатковими функціями. При цьому, з однієї сторони, вони мають ускладнену конструкцію, але, з іншого, функціонують в більш сприятливих умовах.