الکتروتوربین: ویژگی ها، اصل کارکرد، مزایا و معایب کار، نکات نصب خود را انجام دهید و نظرات مالک

2024 نویسنده: Erin Ralphs | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-02-19 14:58

با تشدید مقررات زیست محیطی، خودروسازان مجبور به توسعه راه هایی برای بهبود سازگاری با محیط زیست و کارایی موتورها در عین حفظ عملکرد هستند. در این راستا، سیستم های القایی اجباری گسترده شده اند. در حالی که در گذشته از آنها برای افزایش بهره وری استفاده می شد، اکنون به عنوان وسیله ای برای بهبود اقتصاد و سازگاری با محیط زیست استفاده می شود. به لطف سوپرشارژر، می‌توانید عملکردی مشابه موتورهای جوی، با سیلندرهای کمتر و حجم کمتر داشته باشید. یعنی موتورهای سوپرشارژ کارایی بیشتری دارند. روش دیگر استفاده از انرژی الکتریکی هم به صورت جداگانه (موتورهای الکتریکی) و هم در ترکیب با موتورهای احتراق داخلی (نیروگاه های هیبریدی) است. این مقاله درباره توربین‌های الکتریکی که این رویکردها را ترکیب می‌کنند، بحث می‌کند.

ویژگی های عمومی

سیستم های القایی اجباری غیر الکتریکی با توجه به منبع انرژی به توربوشارژرها و سوپرشارژرها طبقه بندی می شوند. سیستم های الکتریکی بر روی آنها ساخته می شوند و هدفشان بهبود عملکرد در زمان های گذرا است.فرآیندها و به حداقل رساندن تاخیرها.

دمنده الکتریکی، طبق گفته هانیول، کمپرسوری است که توسط یک موتور الکتریکی که روی یک موتور سوپرشارژ نصب شده است، هدایت می شود. یعنی این یک دستگاه اضافی برای موتور توربو است. توربین الکتریکی آنالوگ یک توربین مکانیکی است. درایو در این مورد می تواند به روش های مختلف پیاده سازی شود.

طبق طبقه بندی محققان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون، سیستم های الکتریکی القای اجباری بر اساس طراحی و اصل عملکرد به انواع زیر متمایز می شوند:

• دمنده های الکتریکی (EC/ET/ES);
• توربین با دستیار الکتریکی (EAT);
• توربین های الکتریکی جدا شده (EST);
• توربین با کمپرسور الکتریکی اضافی (TEDC).

طراحی

انواع توربین های الکتریکی فوق طراحی متفاوتی دارند. این در چیدمان های مختلف اجزا، تفاوت در پارامترهای فنی آنها و غیره نهفته است.

EC

EC یک کمپرسور با موتور الکتریکی است. این دمنده الکتریکی است که در بالا ذکر شد. درایو الکتریکی بیشترین انعطاف پذیری کنترل و توانایی کارکرد کمپرسور را در نقطه عملیاتی بهینه فراهم می کند. با این حال، این به قطعات الکتریکی قدرتمند نیاز دارد.

EAT

در EAT، یک موتور الکتریکی با سرعت بالا بین توربین و کمپرسور، معمولاً روی یک شفت نصب می شود. با توجه به اینکه منبع اصلی انرژی نیست، استفاده می شودقطعات الکتریکی کم توان این منجر به هزینه کم می شود. علاوه بر این، چنین توربوشارژرهایی توانایی تشخیص خود موقعیت روتور را دارند و با قابلیت تولید و موتور خوب مشخص می شوند. مشکل اصلی تأثیر دمای بالا بر روی موتور الکتریکی است، به خصوص اگر در داخل محفظه نصب شده باشد.

روش های مختلفی برای حل آن وجود دارد. به عنوان مثال، BMW برای اتصال و جدا شدن موتور الکتریکی از شفت، کلاچ هایی نصب کرد. به لطف این، موتور را می توان در خارج از توربین قرار داد. G+L inotec از یک موتور آهنربای دائمی با شکاف هوای بزرگ استفاده می‌کند که می‌تواند در خارج نیز قرار گیرد. قطر داخلی استاتور برابر با قطر خارجی کمپرسور و قطر بیرونی روتور برابر با قطر خروجی شفت است. شکاف هوا ممکن است به عنوان ورودی هوا عمل کند. این مزیت از نظر خنک کننده، اینرسی و اثر حرارتی را فراهم می کند. علاوه بر این، از نظر پایداری حرارتی و کنترل حرارتی، الکتروموتورهای القایی با مقاومت مغناطیسی متغیر، موتورهای کلکتور جهانی در مقایسه با موتورهای دارای آهنرباهای دائمی سطحی ارجحیت بیشتری دارند.

EST

در EST، توربین و کمپرسور توسط یک شفت به هم متصل نیستند و هر یک از آنها به یک موتور الکتریکی مجهز هستند. این به چرخ های کمپرسور و توربین اجازه می دهد تا با سرعت های مختلف کار کنند. این طرح دارای مزایای مشابه ET است، اما، بر خلاف آن، قادر به تولید انرژی است. علاوه بر این، اوبه دلیل جدا شدن کمپرسور و توربین و همچنین عدم وجود اینرسی اضافی از توربین و شفت آن، اثر حرارتی کمتری دارد. جداسازی توربین و کمپرسور از دیدگاه بسته بندی سودمند است، زیرا اجازه می دهد تا مسیر جریان هوا بهینه شود. با این حال، این فناوری همچنین به یک موتور الکتریکی قدرتمند، ژنراتور و اینورتر نیاز دارد تا نسبت گشتاور/اینرسی را برآورده کند که هزینه دارد.

TEDC

TEDC یک توربین مکانیکی با یک کمپرسور اضافی است که توسط یک موتور الکتریکی هدایت می شود. با توجه به موقعیت کمپرسور نسبت به توربین، این سیستم ها به گزینه های بالادست و پایین دست (به ترتیب بالا و پایین توربین) طبقه بندی می شوند. به طور کلی، به دلیل عدم وابستگی موتور الکتریکی از اینرسی توربین و شفت، آنها در هنگام گذرا در "پایین" واکنش بهتر قابل توجهی دارند. علاوه بر این، TEDCهای پایین دستی از این نظر نسبت به گزینه های بالادستی برتر هستند، زیرا دومی با حجم زیاد برای حفظ فشار مشخص می شود. یکی دیگر از مزیت های این نوع توربین های الکتریکی، کمترین تفاوت با توربین های مکانیکی است.

اصل عملیاتی

انواع توربین های الکتریکی فوق در اصل عملکرد متفاوت هستند. بنابراین، درایو متفاوت پیاده سازی می شود، برخی از آنها قادر به تولید انرژی و غیره هستند.

EC

در EC، کمپرسور توسط یک موتور الکتریکی به حرکت در می آید. چنین سیستمی قادر به تولید انرژی نیست، اما برای آن استذخیره سازی را می توان با یک سیستم ترمز احیا کننده یا یک ژنراتور استارت داخلی ترکیب کرد.

EAT

در EAT در دور کم، موتور الکتریکی گشتاور اضافی را به کمپرسور برای افزایش فشار افزایش می دهد. در "بالا" انرژی تولید می کند که می تواند به ذخیره سازی منتقل شود. علاوه بر این، موتور الکتریکی می تواند از سرعت بالای توربین جلوگیری کند. با این حال، یک اثر فشار برگشتی بالا ممکن است رخ دهد، که انرژی استخراج شده از گازهای خروجی را جبران می کند.

به دلیل امکان تولید برق از گازهای خروجی اگزوز، اینگونه توربوشارژرها را هیبریدی می نامند. در خودروهای سواری، بسته به چرخه رانندگی، آنها می توانند از چند صد وات تا کیلووات تولید کنند. با این کار می‌توانید دینام را تعویض کنید و در عین حال در مصرف سوخت صرفه‌جویی کنید.

EST

در EST، انرژی گازهای خروجی به طور مستقیم کمپرسور را به حرکت در نمی آورد، بلکه با استفاده از یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. کمپرسور توسط انرژی ذخیره شده هدایت می شود.

TEDC

در TEDC، موتور الکتریکی مستقل از توربین عمل می کند، و کمپرسور اضافی که توسط آن به حرکت در می آید، برای افزایش بوست در "پایین" کار می کند.

تفاوت‌های طراحی و عملکرد

تفاوت های اساسی بین سیستم های الکتریکی در نظر گرفته شده القای اجباری توسط محققان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون به صورت گرافیکی و جدولی ترکیب شده است. شکل زیر نمودارهای دستگاه آنها را نشان می دهد (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC upstream, e - TEDC downstream).

جدول منعکس کننده مفاد اصلی دستگاه است. اینها شامل منبع انرژی، نیروی محرکه کمپرسور، قدرت اجزای الکتریکی است. علاوه بر این، کیفیت هایی مانند ابعاد و اثر دما مهم هستند.

نوع	EC	EAT	EST	TEDC
منبع تغذیه	باتری	گازهای خروجی / باتری	گازهای خروجی / باتری	گازهای خروجی / باتری
قدرت موتور الکتریکی و اینورتر	بالا	کم	بالا	کم
اثر دما	کم	بالا	کم	کم
سایز	کوچک	متوسط	بزرگ	بزرگ
توربین الکتریکی	نه	بله	بله	نه
درایو کمپرسور توربوالکتریک	نه	بله	نه	نه

بنابراین، فناوری‌های EAT و EST متعلق به توربین‌های الکتریکی هستند. EC همانطور که بوداشاره کرد - مکانیزم جداگانه، TEDC - یک سیستم توربوشارژ معمولی مجهز به آن.

مزایا و معایب

درایو توربین توسط موتور الکتریکی معایب اصلی توربوشارژرهای مکانیکی را از بین می برد.

• بدون تأخیر زیرا موتور الکتریکی می تواند روتور را بسیار سریع بچرخاند.
• هیچ تاخیر توربو ناشی از کمبود گازهای خروجی وجود ندارد، زیرا در این حالت موتور الکتریکی کمبود انرژی را جبران می کند.
• موتور الکتریکی به شما امکان می دهد در زمان های گذرا مانند ضد تاخیر بدون تأثیرات منفی دومی، تقویت را حفظ کنید.
• این محدوده عملیاتی گسترده و گشتاور ثابتی را فراهم می کند.
• برخی از این مکانیسم ها می توانند الکتریسیته تولید کنند، بار ژنراتور را کاهش دهند و مصرف سوخت را کاهش دهند.
• بازیابی انرژی از دست رفته امکان پذیر است، همانطور که فراری در موتور فرمول 1 پیاده سازی کرد.
• الکتروتوربین‌ها در شرایط ملایم‌تر و با سرعت‌های پایین‌تر (100 هزار به جای 200-300 هزار) کار می‌کنند.

با این حال، این فناوری دارای معایبی است.

• پیچیدگی طراحی عالی از جمله موتور و کنترلرها.
• این باعث هزینه بالا می شود.
• علاوه بر این، پیچیدگی طراحی بر قابلیت اطمینان تأثیر می گذارد.
• به دلیل تعداد زیاد عناصر ساختاری (علاوه بر توربین، شامل موتور الکتریکی، کنترلرها، باتری) این توربوشارژرها بسیار بزرگتر و سنگین تر از نمونه های معمولی هستند.

علاوه بر این، هر نوع توربین الکتریکی مشخص می شودویژگی های خاص.

نوع	EC	EAT	EST	TEDC بالادست	TEDC پایین دست
کرامت	کنترل انعطاف پذیری؛ انعطاف پذیری چیدمان؛ عدم اینرسی شفت؛ بدون ضایعات؛ بدون فشار برگشتی	فشرده; موتور و اینورتر کم مصرف؛ بدون ضایعات	کنترل انعطاف پذیری؛ انعطاف پذیری چیدمان؛ عدم اینرسی شفت؛ بدون ضایعات	نصب آسان؛ عدم اینرسی شفت؛ موتور و اینورتر کم مصرف؛ بهبود عملکرد مستمر	پاسخ گذرا بهتر؛ نصب آسان؛ موتور و اینورتر کم مصرف؛ بهبود عملکرد مستمر
عیوب	موتور و اینورتر با قدرت بالا؛ راندمان پایین	نیاز به خنک کننده اضافی؛ اینرسی شفت اضافی; محدودیت افزایش شتاب به دلیل فشار برگشتی	موتور و اینورتر با قدرت بالا؛ اتلاف انرژی در حین تبدیل؛ محدودیتتقویت بوست به دلیل فشار برگشتی؛ نیاز به فضای نصب اضافی	پاسخ گذرا خیلی سریع؛ نیاز به فضای نصب اضافی؛ راندمان پایین	نیاز به فضای نصب اضافی؛ راندمان پایین

از نظر دوام، طبق IHI، توربین های الکتریکی به دلیل عملکرد در شرایط مشابه در حالت ملایم تر و پیچیدگی طراحی بیشتر، معادل توربین های مکانیکی خواهند بود.

ارتباط

علی رغم عملکرد خوب، توربین های الکتریکی در حال حاضر به طور گسترده در خودروهای تولید انبوه استفاده نمی شوند. این به دلیل هزینه زیاد و پیچیدگی آنها است. علاوه بر این، نسخه‌های بهبودیافته توربین‌های مکانیکی (طومار دوقلو و هندسه متغیر) مزایای مشابهی نسبت به تغییرات اولیه (البته به میزان کمتر) با هزینه بسیار کمتر دارند. اکنون EST از فراری در موتور فرمول 1 استفاده می کند. به گفته هانیول، استفاده انبوه از توربین های الکتریکی از ابتدای دهه آینده آغاز خواهد شد. لازم به ذکر است که سوپرشارژرهای برقی در حال حاضر در برخی از خودروهای تولیدی مانند هوندا کلاریتی استفاده می شود، زیرا آنها ساده تر هستند.

ساده ترین و خانگی ترین مکانیسم ها

در اوایل دهه، ماشین‌های ساده و ارزانی مانند کولرهای کامپیوتری که توربین‌های الکتریکی نیز نامیده می‌شوند، در بازار ظاهر شدند. آنها در ورودی قرار دارند و با باتری کار می کنند.امکان استفاده از چنین توربین های الکتریکی هم روی کاربراتور و هم روی انژکتور وجود دارد. به گفته سازندگان، آنها جریان هوای ورودی به موتور را افزایش می دهند و آن را شتاب می بخشند که باعث افزایش عملکرد تا 15٪ می شود. در این مورد، پارامترها (دور، جریان، قدرت) معمولاً نشان داده نمی شوند. نصب چنین توربین های الکتریکی روی ماشین با دستان خود بسیار آسان است.

با این حال، در واقعیت، موتورهای الکتریکی آنها تا چند صد وات توسعه می یابد، که برای افزایش حجم جریان کافی نیست، زیرا به حدود 4 کیلو وات نیاز دارد. بنابراین، چنین وسیله ای به یک مانع جدی در ورودی تبدیل می شود که در نتیجه، برعکس، بهره وری کاهش می یابد. در بهترین حالت، ضررهای ناشی از آن اندک خواهد بود، که تأثیر قابل توجهی بر پویایی نخواهد داشت.

علاوه بر این، در اینترنت می توانید پیشرفت هایی در مورد ایجاد یک توربین الکتریکی با دستان خود پیدا کنید. برخلاف گزینه های ارزان قیمت ذکر شده در بالا، آنها بر اساس یک کمپرسور گریز از مرکز و یک موتور بدون جاروبک با قدرت تا 17 کیلو وات و ولتاژ 50-70 ولت ساخته می شوند، زیرا تنها چنین موتوری قادر به ارائه گشتاور کافی و کافی است. سرعت چرخش کمپرسور موتور باید مجهز به کنترل کننده سرعت باشد. این سیستم به اینترکولر نیاز ندارد - یک ورودی سرد برای آن کافی است. نصب یک توربین الکتریکی از این نوع ممکن است نیاز به تعویض ژنراتور (برای 90-100 A) و یک باتری (برای یک ظرفیت بزرگتر با خروجی جریان بالا) داشته باشد. سرعت چرخش کمپرسور با موقعیت دریچه گاز تعیین می شود. علاوه بر این، وابستگی خطی نیست، بلکه نمایی است.

به دلیل مصرف انرژی بالا توصیه می شود برای خودروهای با موتورهای کوچک تا حجم 1.5 لیتر چنین توربین های الکتریکی ایجاد کنید. علاوه بر این، هر چه حجم موتور بیشتر باشد، سوپرشارژر فشار تقویتی کمتری ایجاد می کند. بنابراین، در یک موتور 0.7 لیتری، 0.4-0.5 بار، برای 1.5 لیتر - 0.2-0.3 بار خواهد بود. علاوه بر این، چنین سوپرشارژری به دلیل گرم شدن قادر نخواهد بود برای مدت طولانی با حداکثر کارایی کار کند. با این حال، کنترلر را می توان برای فعال سازی اجباری پیکربندی کرد.

به دلیل هزینه بالای قطعات، ساخت چنین توربین الکتریکی بسیار گران است. بررسی‌ها نشان‌دهنده افزایش قابل‌اندازه‌گیری عملکرد است.

از نظر طراحی، این مکانیزم ها، مانند گزینه های ارزان قیمت ذکر شده در بالا، سوپرشارژرهای الکتریکی هستند. با این حال، آنها اغلب به اشتباه توربین های الکتریکی نامیده می شوند. اکنون در بازار حرکات مارک دار جدی تری وجود دارد که به ساخت خانگی نزدیک است.

CV

توربین‌های الکتریکی نسبت به توربین‌های مکانیکی واکنش‌دهنده‌تر، پربازده‌تر و کارآمدتر هستند و دارای ویژگی‌های اضافی هستند. در عین حال، از یک طرف طراحی پیچیده ای دارند، اما از طرف دیگر در شرایط خوش خیم تر عمل می کنند.