Elettroturbina: caratteristiche, principio di funzionamento, pro e contro del lavoro, consigli per l'installazione fai-da-te e recensioni dei proprietari

2024 Autore: Erin Ralphs | [email protected]. Ultima modifica: 2024-02-19 17:04

Con l'inasprimento delle normative ambientali, le case automobilistiche sono costrette a sviluppare modi per migliorare la compatibilità ambientale e l'efficienza dei motori mantenendo le prestazioni. A questo proposito si sono diffusi i sistemi ad induzione forzata. Mentre in passato venivano utilizzati per aumentare la produttività, ora vengono utilizzati come mezzo per migliorare l'economia e il rispetto dell'ambiente. Grazie alla sovralimentazione, puoi ottenere le stesse prestazioni dei motori atmosferici, con meno cilindri e un volume inferiore. Cioè, i motori sovralimentati sono più efficienti. Un altro metodo è l'utilizzo dell'energia elettrica sia separatamente (motori elettrici) che in combinazione con motori a combustione interna (centrali ibride). Questo articolo discute le turbine elettriche che combinano questi approcci.

Caratteristiche generali

I sistemi a induzione forzata non elettrici in base alla fonte di energia sono classificati in turbocompressori e compressori. I sistemi elettrici si basano su di essi e mirano a migliorare le prestazioni durante i transitori.processi e riducendo al minimo i ritardi.

Il ventilatore elettrico, secondo Honeywell, è un compressore azionato da un motore elettrico montato su un motore sovralimentato. Cioè, questo è un dispositivo aggiuntivo per un motore turbo. Una turbina elettrica è un analogo di una turbina meccanica. L'unità in questo caso può essere implementata in diversi modi.

Secondo la classificazione dei ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison, i sistemi elettrici di induzione forzata sono differenziati nei seguenti tipi per progettazione e principio di funzionamento:

• soffianti elettrici (EC/ET/ES);
• turbine con assistente elettrico (EAT);
• Turbine elettricamente separate (EST);
• turbine con compressore elettrico aggiuntivo (TEDC).

Design

I suddetti tipi di turbine elettriche hanno un design diverso. Questo sta nelle diverse disposizioni dei componenti, nelle differenze nei loro parametri tecnici, ecc.

EC

EC è un compressore azionato da un motore elettrico. Questo è il ventilatore elettrico di cui sopra. L'azionamento elettrico offre la massima flessibilità di controllo e la capacità di far funzionare il compressore nel punto di funzionamento ottimale. Tuttavia, ciò richiede componenti elettrici potenti.

MANGIARE

In EAT, un motore elettrico ad alta velocità è montato tra la turbina e il compressore, di solito su un albero. A causa del fatto che non è la principale fonte di energia, vengono utilizzaticomponenti elettrici a bassa potenza. Ciò si traduce in un basso costo. Inoltre, tali turbocompressori hanno la capacità di auto-rilevare la posizione del rotore e sono caratterizzati da buone capacità di generazione e motorizzazione. Il problema principale è l'effetto dell' alta temperatura sul motore elettrico, soprattutto se installato all'interno dell'alloggiamento.

Ci sono vari metodi per risolverlo. Ad esempio, la BMW ha installato frizioni per consentire il collegamento e lo scollegamento del motore elettrico dall'albero. Grazie a ciò, il motore può essere posizionato all'esterno della turbina. G+L inotec ha utilizzato un motore a magneti permanenti con un ampio traferro, che può essere posizionato anche all'esterno. Il diametro interno dello statore è uguale al diametro esterno del compressore e il diametro esterno del rotore è uguale al diametro di uscita dell'albero. Il traferro può fungere da presa d'aria. Ciò offre vantaggi in termini di raffreddamento, inerzia ed effetto termico. Inoltre, in termini di stabilità termica e controllo termico, i motori elettrici a induzione con resistenza magnetica variabile, i motori a collettore universale sono più preferibili rispetto a un motore con magneti permanenti di superficie.

EST

In EST, la turbina e il compressore non sono collegati da un albero e ciascuno di essi è dotato di un motore elettrico. Ciò consente al compressore e alle giranti della turbina di funzionare a velocità diverse. Questo design ha vantaggi simili a ET, ma, a differenza di esso, è in grado di generare energia. Inoltre, leiHa un effetto termico minore grazie alla separazione del compressore e della turbina, nonché all'assenza di inerzia aggiuntiva dalla turbina e dal suo albero. La separazione tra turbina e compressore è vantaggiosa dal punto di vista del confezionamento, in quanto consente di ottimizzare il percorso del flusso d'aria. Tuttavia, questa tecnologia richiede anche un potente motore elettrico, generatore e inverter per soddisfare il rapporto coppia/inerzia, il che ha un costo.

TEDC

TEDC è una turbina meccanica con un compressore aggiuntivo azionato da un motore elettrico. A seconda della posizione del compressore rispetto alla turbina, questi sistemi sono classificati in opzioni a monte ea valle (rispettivamente sopra e sotto la turbina). In generale, sono caratterizzati da una reattività significativamente migliore durante i transitori di "fondo" grazie all'indipendenza del motore elettrico dall'inerzia della turbina e dell'albero. Inoltre, i TEDC a valle sono superiori in questo senso rispetto alle opzioni a monte in quanto questi ultimi sono caratterizzati da un grande volume per mantenere la pressione. Un altro vantaggio di questo tipo di turbine elettriche sono le minime differenze rispetto a quelle meccaniche.

Principio di funzionamento

I suddetti tipi di turbine elettriche differiscono nel principio di funzionamento. Quindi, l'unità è implementata in modo diverso, alcuni di essi sono in grado di generare energia, ecc.

EC

In EC, il compressore è azionato da un motore elettrico. Un tale sistema non è in grado di generare energia, ma per essalo stoccaggio può essere combinato con un sistema di frenata rigenerativa o un generatore di avviamento incorporato.

MANGIARE

Nell'EAT a basso numero di giri, il motore elettrico fornisce una coppia aggiuntiva al compressore per aumentare la pressione di sovralimentazione. Alle "cime" genera energia che può essere trasferita in accumulo. Inoltre, il motore elettrico può impedire alla turbina di superare il suo limite di velocità. Tuttavia, può verificarsi un effetto di contropressione elevata, che compensa l'energia estratta dai gas di scarico.

A causa della possibilità di generare elettricità dai gas di scarico, tali turbocompressori sono chiamati ibridi. Sulle autovetture, a seconda del ciclo di guida, possono generare da diverse centinaia di watt a kW. Ciò consente di sostituire l' alternatore risparmiando carburante.

EST

In EST, l'energia dei gas di scarico non aziona direttamente il compressore, ma viene convertita in energia elettrica tramite un generatore. Il compressore è azionato dall'energia immagazzinata.

TEDC

In TEDC, il motore elettrico funziona indipendentemente dalla turbina e il compressore aggiuntivo da esso azionato serve ad aumentare la spinta al "basso".

Design e differenze funzionali

Le differenze fondamentali tra i sistemi elettrici considerati di induzione forzata sono combinate dai ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison in forma grafica e tabellare. La figura seguente mostra gli schemi del loro dispositivo (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC a monte, e - TEDC a valle).

La tabella rispecchia le principali disposizioni del dispositivo. Questi includono la fonte di energia, l'azionamento del compressore, la potenza dei componenti elettrici. Inoltre, sono importanti qualità come le dimensioni e l'effetto della temperatura.

Tipo	EC	MANGIARE	EST	TEDC
Fonte di alimentazione	Batteria	Gas di scarico / batteria	Gas di scarico / batteria	Gas di scarico / batteria
Potenza del motore elettrico e dell'inverter	Alto	Basso	Alto	Basso
Effetto della temperatura	Basso	Alto	Basso	Basso
Taglia	Piccolo	Medio	Grande	Grande
Turbina elettrica	No	Sì	Sì	No
Azionamento compressore turboelettrico	No	Sì	No	No

Quindi, le tecnologie EAT ed EST appartengono alle turbine elettriche. CE com'eranotato - un meccanismo separato, TEDC - un sistema di turbocompressore convenzionale dotato di esso.

Pro e contro

L'azionamento della turbina tramite un motore elettrico elimina i principali svantaggi dei turbocompressori meccanici.

• Nessun ritardo poiché il motore elettrico può far girare il rotore molto velocemente.
• Non c'è turbo lag causato dalla mancanza di gas di scarico, poiché in questo caso il motore elettrico compensa la mancanza di energia.
• Il motore elettrico ti permette di mantenere la spinta durante i transitori come anti-lag senza gli effetti negativi di quest'ultimo.
• Ciò fornisce un'ampia gamma operativa e una coppia costante.
• Alcuni tipi di questi meccanismi possono generare elettricità, riducendo il carico sul generatore e riducendo il consumo di carburante.
• Il recupero delle energie perse è possibile, come implementato dalla Ferrari nel motore di Formula 1.
• Le elettroturbine funzionano in condizioni più delicate ea velocità inferiori (100mila invece di 200-300mila).

Tuttavia, questa tecnologia presenta una serie di svantaggi.

• Grande complessità di progettazione inclusi motore e controller.
• Ciò provoca un costo elevato.
• Inoltre, la complessità del design influisce sull'affidabilità.
• A causa del gran numero di elementi strutturali (oltre alla turbina, questo include un motore elettrico, controller, batteria), questi turbocompressori sono molto più grandi e pesanti di quelli convenzionali.

Inoltre, ogni tipologia di turbina elettrica è caratterizzatacaratteristiche specifiche.

Tipo	EC	MANGIARE	EST	TEDC a monte	TEDC a valle
Dignità	Flessibilità di controllo; flessibilità del layout; mancanza di inerzia dell'albero; no wastegate; nessuna contropressione	Compatto; motore e inverter a bassa potenza; no wastegate	Flessibilità di controllo; flessibilità del layout; mancanza di inerzia dell'albero; no wastegate	Facile da installare; mancanza di inerzia dell'albero; motore e inverter a bassa potenza; Miglioramento continuo delle prestazioni	Migliore risposta ai transitori; facile da installare; motore e inverter a bassa potenza; Miglioramento continuo delle prestazioni
Difetti	Motore e inverter ad alta potenza; bassa efficienza	La necessità di ulteriore raffreddamento; inerzia aggiuntiva dell'albero; Aumento del limite di accelerazione dovuto alla contropressione	Motore e inverter ad alta potenza; perdita di energia durante la conversione; limiteboost boost dovuto alla contropressione; richiede spazio aggiuntivo per l'installazione	Risposta transitoria non molto veloce; richiede spazio aggiuntivo per l'installazione; bassa efficienza	Richiede spazio aggiuntivo per l'installazione; bassa efficienza

In termini di durata, secondo IHI, le turbine elettriche saranno equivalenti a quelle meccaniche a causa del funzionamento nelle stesse condizioni in una modalità più delicata con una maggiore complessità di progettazione.

Rilevanza

Nonostante le buone prestazioni, le turbine elettriche attualmente non sono ampiamente utilizzate sulle auto prodotte in serie. Ciò è dovuto al loro alto costo e complessità. Inoltre, le versioni migliorate delle turbine meccaniche (twin scroll e geometria variabile) presentano vantaggi simili rispetto alle modifiche iniziali (sebbene in misura minore) a un costo molto inferiore. Ora EST utilizza la Ferrari nel motore di Formula 1. Secondo Honeywell, l'uso di massa delle turbine elettriche inizierà all'inizio del prossimo decennio. Va notato che i compressori elettrici sono già utilizzati su alcuni veicoli di produzione, come Honda Clarity, in quanto sono più semplici.

I meccanismi più semplici e fatti in casa

All'inizio del decennio, apparvero sul mercato macchine semplici ed economiche come i refrigeratori per computer, chiamati anche turbine elettriche. Si trovano sull'ingresso e funzionano a batteria. È possibile utilizzare tali turbine elettriche sia sul carburatore che sull'iniettore. Secondo i produttori, aumentano il flusso d'aria che entra nel motore, accelerandolo, il che offre un aumento delle prestazioni fino al 15%. In questo caso i parametri (giri, portata, potenza) normalmente non sono indicati. È molto facile installare tali turbine elettriche su un'auto con le proprie mani.

Tuttavia, in re altà, i loro motori elettrici sviluppano fino a diverse centinaia di watt, che non sono sufficienti per aumentare il volume di flusso, poiché questo richiede circa 4 kW. Pertanto, un tale dispositivo diventerà un serio ostacolo all'ingresso, a seguito del quale, al contrario, sarà ridotta la produttività. Nella migliore delle ipotesi, le perdite saranno minime, il che non influirà in modo significativo sulla dinamica.

Inoltre, su Internet puoi trovare sviluppi sulla creazione di una turbina elettrica con le tue mani. A differenza delle opzioni economiche sopra menzionate, sono costruite sulla base di un compressore centrifugo e un motore brushless con una potenza fino a 17 kW e una tensione di 50-70 V, poiché solo un tale motore è in grado di fornire una coppia sufficiente e velocità per ruotare il compressore. Il motore deve essere dotato di un regolatore di velocità. Questo sistema non richiede un intercooler: per questo è sufficiente un'aspirazione fredda. L'installazione di una turbina elettrica di questo tipo può richiedere la sostituzione di un generatore (per 90-100 A) e di una batteria (per uno più capiente con un'elevata corrente erogata). La velocità di rotazione del compressore è determinata dalla posizione dell'acceleratore. Inoltre, la dipendenza non è lineare, ma esponenziale.

È consigliabile creare tali turbine elettriche per auto con motori piccoli fino a 1,5 litri, a causa dell'elevato consumo energetico. Inoltre, maggiore è il volume del motore, minore è la pressione di sovralimentazione che il compressore può creare. Quindi, su un motore da 0,7 litri, sarà 0,4-0,5 bar, per 1,5 litri - 0,2-0,3 bar. Inoltre, un tale compressore non sarà in grado di funzionare a lungo alle massime prestazioni a causa del riscaldamento. Tuttavia, il controller può essere configurato per forzare l'attivazione.

A causa dell' alto costo dei componenti, è molto costoso realizzare una tale turbina elettrica. Le recensioni indicano un aumento misurabile delle prestazioni.

In termini di design, questi meccanismi, come le opzioni economiche sopra menzionate, sono compressori elettrici. Tuttavia, vengono spesso erroneamente chiamate turbine elettriche. Ora sul mercato ci sono movimenti di marca più seri che sono vicini a quelli fatti in casa.

CV

Le turbine elettriche sono più reattive, produttive ed efficienti di quelle meccaniche e hanno caratteristiche aggiuntive. Allo stesso tempo, da un lato, hanno un design complicato, ma, dall' altro, operano in condizioni più favorevoli.