Elektroturbine: kenmerken, werkingsprincipe, voor- en nadelen van werk, doe-het-zelf installatietips en beoordelingen van eigenaren

2024 Auteur: Erin Ralphs | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-02-19 18:07

Met strengere milieuregels worden autofabrikanten gedwongen manieren te ontwikkelen om de milieuvriendelijkheid en efficiëntie van motoren te verbeteren met behoud van prestaties. In dit opzicht zijn gedwongen inductiesystemen wijdverbreid geworden. Waar ze in het verleden werden gebruikt om de productiviteit te verhogen, worden ze nu gebruikt als een middel om de economie en milieuvriendelijkheid te verbeteren. Dankzij superchargen bereikt u dezelfde prestaties als atmosferische motoren, met minder cilinders en een kleiner volume. Dat wil zeggen, supercharged-motoren zijn efficiënter. Een andere methode is het gebruik van elektrische energie zowel afzonderlijk (elektromotoren) als in combinatie met verbrandingsmotoren (hybride centrales). Dit artikel bespreekt elektrische turbines die deze benaderingen combineren.

Algemene kenmerken

Niet-elektrische geforceerde inductiesystemen volgens de energiebron worden ingedeeld in turboladers en superchargers. Elektrische systemen bouwen hierop voort en zijn bedoeld om de prestaties tijdens transiënten te verbeteren.processen en het minimaliseren van vertragingen.

De elektrische blazer is volgens Honeywell een compressor die wordt aangedreven door een elektromotor die is gemonteerd op een motor met drukvulling. Dat wil zeggen, dit is een extra apparaat voor een turbomotor. Een elektrische turbine is een analoog van een mechanische turbine. De schijf kan in dit geval op verschillende manieren worden geïmplementeerd.

Volgens de classificatie van onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison, worden elektrische systemen van geforceerde inductie gedifferentieerd in de volgende typen door ontwerp en werkingsprincipe:

• elektrische blazers (EC/ET/ES);
• turbines met elektrische assistent (EAT);
• elektrisch gescheiden turbines (EST);
• turbines met extra elektrisch aangedreven compressor (TEDC).

Ontwerp

De bovenstaande typen elektrische turbines hebben een ander ontwerp. Dit ligt in de verschillende lay-outs van de componenten, in de verschillen in hun technische parameters, enz.

EC

EC is een door een elektromotor aangedreven compressor. Dit is de hierboven genoemde elektrische blazer. De elektrische aandrijving biedt de grootste regelflexibiliteit en de mogelijkheid om de compressor op het optimale werkpunt te laten werken. Dit vereist echter krachtige elektrische componenten.

EAT

In EAT is een snelle elektromotor gemonteerd tussen de turbine en de compressor, meestal op een as. Omdat het niet de belangrijkste energiebron is, wordenelektrische componenten met laag vermogen. Dit resulteert in een lage kostprijs. Bovendien hebben dergelijke turboladers het vermogen om de positie van de rotor zelf te detecteren en worden ze gekenmerkt door goede opwekkings- en motorvermogens. Het grootste probleem is het hoge temperatuureffect op de elektromotor, vooral als deze in de behuizing is geïnstalleerd.

Er zijn verschillende methoden om het op te lossen. Zo installeerde BMW koppelingen om de elektromotor aan en af te koppelen van de as. Hierdoor kan de motor buiten de turbine worden geplaatst. G+L inotec gebruikte een permanentmagneetmotor met een grote luchtspleet, die ook buiten kan worden geplaatst. De binnendiameter van de stator is gelijk aan de buitendiameter van de compressor en de buitendiameter van de rotor is gelijk aan de uitlaatdiameter van de as. De luchtspleet kan als luchtinlaat fungeren. Dit biedt voordelen op het gebied van koeling, inertie en thermisch effect. Bovendien hebben, in termen van thermische stabiliteit en thermische regeling, inductie-elektromotoren met variabele magnetische weerstand, universele collectormotoren meer de voorkeur in vergelijking met een motor met permanente oppervlaktemagneten.

EST

In EST zijn de turbine en compressor niet verbonden door een as, en elk is uitgerust met een elektromotor. Hierdoor kunnen de compressor- en turbinewielen op verschillende snelheden werken. Dit ontwerp heeft vergelijkbare voordelen als ET, maar is in tegenstelling tot dit in staat om energie op te wekken. Daarnaast is zijHet heeft minder thermisch effect vanwege de scheiding van de compressor en de turbine, evenals de afwezigheid van extra traagheid van de turbine en de as. Het scheiden van turbine en compressor is voordelig vanuit verpakkingsoogpunt, omdat het de luchtstroom kan optimaliseren. Deze technologie vereist echter ook een krachtige elektromotor, generator en omvormers om te voldoen aan de koppel/traagheidsverhouding, wat kosten met zich meebrengt.

TEDC

TEDC is een mechanische turbine met een extra compressor aangedreven door een elektromotor. Afhankelijk van de locatie van de compressor ten opzichte van de turbine, worden deze systemen ingedeeld in opties stroomopwaarts en stroomafwaarts (respectievelijk boven en onder de turbine). Over het algemeen worden ze gekenmerkt door een aanzienlijk beter reactievermogen tijdens transiënten aan de "bodem" vanwege de onafhankelijkheid van de elektromotor van de traagheid van de turbine en de as. Bovendien zijn downstream-TEDC's in dit opzicht superieur aan upstream-opties vanwege het feit dat deze laatste worden gekenmerkt door een groot volume om de druk te handhaven. Een ander voordeel van dit type elektrische turbines zijn de minimale verschillen met mechanische.

Werkingsprincipe

De bovenstaande typen elektrische turbines verschillen in het werkingsprincipe. De aandrijving is dus anders geïmplementeerd, sommige kunnen energie opwekken, enz.

EC

In EC wordt de compressor aangedreven door een elektromotor. Een dergelijk systeem is niet in staat om energie op te wekken, maar vanwege zijnopslag kan worden gecombineerd met een regeneratief remsysteem of een ingebouwde startgenerator.

EAT

In de EAT levert de elektromotor bij laag toerental extra koppel aan de compressor om de vuldruk te verhogen. Aan de "toppen" wekt het energie op die kan worden overgedragen naar opslag. Bovendien kan de elektromotor voorkomen dat de turbine zijn snelheidslimiet overschrijdt. Er kan echter een hoge tegendruk optreden, die de energie die aan de uitlaatgassen wordt onttrokken, compenseert.

Vanwege de mogelijkheid om elektriciteit op te wekken uit uitlaatgassen, worden dergelijke turboladers hybride genoemd. Op personenauto's kunnen ze, afhankelijk van de rijcyclus, enkele honderden watt tot kW genereren. Hierdoor kunt u de dynamo vervangen terwijl u brandstof bespaart.

EST

In EST drijft de energie van de uitlaatgassen niet rechtstreeks de compressor aan, maar wordt deze via een generator omgezet in elektrische energie. De compressor wordt aangedreven door opgeslagen energie.

TEDC

In TEDC functioneert de elektromotor onafhankelijk van de turbine, en de extra compressor die daardoor wordt aangedreven dient om de boost aan de "bodem" te vergroten.

Ontwerp- en functionele verschillen

De fundamentele verschillen tussen de beschouwde elektrische systemen van geforceerde inductie worden gecombineerd door onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison in grafische en tabelvorm. De onderstaande afbeelding toont de diagrammen van hun apparaat (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC stroomopwaarts, e - TEDC stroomafwaarts).

De tabel geeft de belangrijkste voorzieningen van het apparaat weer. Deze omvatten de energiebron, de aandrijving van de compressor, het vermogen van de elektrische componenten. Daarnaast zijn eigenschappen als afmetingen en temperatuurwerking belangrijk.

Type	EC	EAT	EST	TEDC
Stroombron	Batterij	Uitlaatgassen / accu	Uitlaatgassen / accu	Uitlaatgassen / accu
Kracht van elektromotor en omvormer	Hoog	Laag	Hoog	Laag
Temperatuureffect	Laag	Hoog	Laag	Laag
Maat	Klein	Gemiddeld	Groot	Groot
Elektrische turbine	Nee	Ja	Ja	Nee
Turbo-elektrische compressoraandrijving	Nee	Ja	Nee	Nee

Zo behoren EAT- en EST-technologieën tot elektrische turbines. EC zoals het wasopgemerkt - een afzonderlijk mechanisme, TEDC - een conventioneel turboladersysteem dat ermee is uitgerust.

Voors en tegens

Turbineaandrijving door een elektromotor elimineert de belangrijkste nadelen van mechanische turboladers.

• Geen vertraging omdat de elektromotor de rotor zeer snel kan laten draaien.
• Er is geen turbolag veroorzaakt door een gebrek aan uitlaatgassen, aangezien in dit geval de elektromotor het gebrek aan energie compenseert.
• Met de elektromotor kun je de boost behouden tijdens transiënten zoals anti-lag zonder de negatieve effecten van de laatste.
• Dit zorgt voor een breed werkbereik en een consistent koppel.
• Sommige soorten van deze mechanismen kunnen elektriciteit opwekken, waardoor de generator minder wordt belast en het brandstofverbruik wordt verminderd.
• Terugwinning van verloren energie is mogelijk, aangezien Ferrari geïmplementeerd is in de Formule 1-motor.
• Elektroturbines werken in zachtere omstandigheden en met lagere snelheden (100 duizend in plaats van 200-300 duizend).

Deze technologie heeft echter een aantal nadelen.

• Grote ontwerpcomplexiteit inclusief motor en controllers.
• Dit veroorzaakt hoge kosten.
• Bovendien beïnvloedt de complexiteit van het ontwerp de betrouwbaarheid.
• Door het grote aantal structurele elementen (naast de turbine, waaronder een elektromotor, controllers, batterij), zijn deze turbochargers veel groter en zwaarder dan conventionele.

Bovendien wordt elk type elektrische turbine gekenmerktspecifieke kenmerken.

Type	EC	EAT	EST	TEDC stroomopwaarts	TEDC stroomafwaarts
Waardigheid	Besturingsflexibiliteit; layout flexibiliteit; gebrek aan astraagheid; geen wastegate; geen tegendruk	Compact; motor en omvormer met laag vermogen; geen wastegate	Besturingsflexibiliteit; layout flexibiliteit; gebrek aan astraagheid; geen wastegate	Eenvoudig te installeren; gebrek aan astraagheid; motor en omvormer met laag vermogen; Continue prestatieverbetering	Betere tijdelijke reactie; eenvoudig te installeren; motor en omvormer met laag vermogen; Continue prestatieverbetering
Flaws	High power motor en omvormer; laag rendement	De behoefte aan extra koeling; extra astraagheid; boost acceleratielimiet vanwege tegendruk	High power motor en omvormer; energieverlies tijdens conversie; limietboost boost door tegendruk; extra installatieruimte nodig	Niet erg snelle tijdelijke reactie; vereist extra installatieruimte; laag rendement	Vereist extra installatieruimte; laag rendement

In termen van duurzaamheid zullen elektrische turbines volgens IHI gelijkwaardig zijn aan mechanische turbines omdat ze in dezelfde omstandigheden in een zachtere modus met een grotere ontwerpcomplexiteit werken.

Relevantie

Ondanks de goede prestaties worden elektrische turbines momenteel niet veel gebruikt in in massa geproduceerde auto's. Dit komt door hun hoge kosten en complexiteit. Bovendien hebben verbeterde versies van mechanische turbines (twin scroll en variabele geometrie) vergelijkbare voordelen ten opzichte van de initiële aanpassingen (zij het in mindere mate) tegen veel lagere kosten. Nu gebruikt EST Ferrari in de Formule 1-motor. Volgens Honeywell zal het massale gebruik van elektrische turbines aan het begin van het volgende decennium beginnen. Opgemerkt moet worden dat elektrische superchargers al worden gebruikt in sommige productievoertuigen, zoals de Honda Clarity, omdat ze eenvoudiger zijn.

De eenvoudigste en zelfgemaakte mechanismen

Aan het begin van het decennium kwamen er eenvoudige, goedkope machines op de markt, zoals computerkoelers, ook wel elektrische turbines genoemd. Ze bevinden zich op de inlaat en werken op batterijen. Het is mogelijk om dergelijke elektrische turbines zowel op de carburateur als op de injector te gebruiken. Volgens fabrikanten verhogen ze de luchtstroom die de motor binnenkomt, waardoor deze wordt versneld, wat een prestatieverbetering tot 15% oplevert. In dit geval worden de parameters (toeren, stroming, vermogen) meestal niet aangegeven. Het is heel eenvoudig om dergelijke elektrische turbines met uw eigen handen op een auto te installeren.

In werkelijkheid ontwikkelen hun elektromotoren echter tot enkele honderden watt, wat niet genoeg is om het debiet te vergroten, aangezien hiervoor ongeveer 4 kW nodig is. Daarom zal een dergelijke inrichting een serieus obstakel worden bij de inlaat, waardoor integendeel de productiviteit zal afnemen. In het beste geval zullen de verliezen ervan klein zijn, wat de dynamiek niet significant zal beïnvloeden.

Bovendien kunt u op internet ontwikkelingen vinden over het met uw eigen handen maken van een elektrische turbine. In tegenstelling tot de hierboven genoemde goedkope opties, zijn ze gebouwd op basis van een centrifugaalcompressor en een borstelloze motor met een vermogen tot 17 kW en een spanning van 50-70 V, omdat alleen zo'n motor voldoende koppel en snelheid om de compressor te laten draaien. De motor moet zijn uitgerust met een snelheidsregelaar. Dit systeem heeft geen intercooler nodig - een koude inlaat is voldoende. De installatie van een elektrische turbine van dit type kan de vervanging van een generator (voor 90-100 A) en een batterij (voor een grotere met een hoge stroomoutput) vereisen. Het toerental van de compressor wordt bepaald door de stand van de gasklep. Bovendien is de afhankelijkheid niet lineair, maar exponentieel.

Het is raadzaam om dergelijke elektrische turbines te maken voor auto's met kleine motoren tot 1,5 liter, vanwege het hoge energieverbruik. Bovendien, hoe groter het volume van de motor, hoe minder laaddruk de supercharger kan creëren. Dus op een motor van 0,7 liter is dit 0,4-0,5 bar, voor 1,5 liter - 0,2-0,3 bar. Bovendien zal zo'n supercharger door verwarming lange tijd niet op maximale prestatie kunnen functioneren. De controller kan echter worden geconfigureerd om activering te forceren.

Vanwege de hoge kosten van componenten is het erg duur om zo'n elektrische turbine te maken. Recensies wijzen op een meetbare prestatieverbetering.

Qua ontwerp zijn deze mechanismen, net als de goedkope opties die hierboven zijn genoemd, elektrische superchargers. Ze worden echter vaak ten onrechte elektrische turbines genoemd. Nu op de markt zijn er serieuzere merkuurwerken die dicht bij huisgemaakt zijn.

CV

Elektrische turbines zijn responsiever, productiever en efficiënter dan mechanische turbines en hebben extra functies. Tegelijkertijd hebben ze aan de ene kant een ingewikkeld ontwerp, maar aan de andere kant opereren ze in meer goedaardige omstandigheden.