אלקטרו-טורבינה: מאפיינים, עקרון הפעולה, יתרונות וחסרונות של עבודה, טיפים להתקנה בעצמך וסקירות של בעלים

2024 מְחַבֵּר: Erin Ralphs | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-02-19 16:07

עם הידוק התקנות הסביבתיות, יצרניות הרכב נאלצות לפתח דרכים לשפר את הידידות הסביבתית והיעילות של המנועים תוך שמירה על ביצועים. בהקשר זה, מערכות אינדוקציה מאולצות הפכו נפוצות. בעוד שבעבר הם שימשו להגברת התפוקה, הם משמשים כיום כאמצעי לשיפור הכלכלה והידידות לסביבה. הודות להטענה, ניתן להגיע לאותם ביצועים כמו במנועים אטמוספריים, עם פחות צילינדרים ונפח קטן יותר. כלומר, מנועים מוגדשים יעילים יותר. שיטה נוספת היא שימוש באנרגיה חשמלית הן בנפרד (מנועים חשמליים) והן בשילוב עם מנועי בעירה פנימית (תחנות כוח היברידיות). מאמר זה דן בטורבינות חשמליות המשלבות גישות אלו.

תכונות כלליות

מערכות אינדוקציה מאולצות שאינן חשמליות לפי מקור האנרגיה מסווגות למגדשי טורבו ומגדשי-על. מערכות חשמל מתבססות עליהן ומטרות לשפר את הביצועים בזמן ארעיות.תהליכים ומזעור השהיה.

המפוח החשמלי, לפי Honeywell, הוא מדחס המונע על ידי מנוע חשמלי שמורכב על מנוע מוגדש. כלומר, מדובר במכשיר נוסף למנוע טורבו. טורבינה חשמלית היא אנלוגי של טורבינה מכנית. הכונן במקרה זה יכול להיות מיושם בדרכים שונות.

לפי הסיווג של חוקרים באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, מערכות חשמליות של אינדוקציה מאולצת מובחנות לסוגים הבאים לפי תכנון ועקרון הפעולה:

• מפוחים חשמליים (EC/ET/ES);
• טורבינות עם עוזר חשמלי (EAT);
• טורבינות מופרדות חשמלית (EST);
• טורבינות עם מדחס מונע חשמלי נוסף (TEDC).

עיצוב

לסוגי הטורבינות החשמליות הנ ל יש עיצוב שונה. זה טמון בפריסות השונות של הרכיבים, בהבדלים בפרמטרים הטכניים שלהם וכו'.

EC

EC הוא מדחס המונע על ידי מנוע חשמלי. זהו המפוח החשמלי שהוזכר לעיל. ההנעה החשמלית מספקת את גמישות השליטה הגדולה ביותר ויכולת להפעיל את המדחס בנקודת הפעולה האופטימלית. עם זאת, זה דורש רכיבים חשמליים רבי עוצמה.

EAT

ב-EAT, מנוע חשמלי מהיר מותקן בין הטורבינה והמדחס, בדרך כלל על פיר. בשל העובדה שזה לא מקור האנרגיה העיקרי, משמשיםרכיבים חשמליים בהספק נמוך. זה מביא לעלות נמוכה. בנוסף, מגדשי טורבו כאלה הם בעלי יכולת לזהות עצמית את מיקום הרוטור והם מאופיינים ביכולות ייצור ומוטוריות טובות. הבעיה העיקרית היא השפעת הטמפרטורה הגבוהה על המנוע החשמלי, במיוחד אם הוא מותקן בתוך המארז.

ישנן שיטות שונות לפתור את זה. לדוגמה, ב.מ.וו התקינה מצמדים כדי לאפשר חיבור וניתוק המנוע החשמלי מהפיר. הודות לכך, ניתן למקם את המנוע מחוץ לטורבינה. G+L inotec השתמשה במנוע מגנט קבוע עם מרווח אוויר גדול, שיכול להיות ממוקם גם בחוץ. הקוטר הפנימי של הסטטור שווה לקוטר החיצוני של המדחס, והקוטר החיצוני של הרוטור שווה לקוטר היציאה של הציר. מרווח האוויר עשוי לשמש ככניסת אוויר. זה מספק יתרונות במונחים של קירור, אינרציה והשפעה תרמית. בנוסף, מבחינת יציבות תרמית ובקרה תרמית, מנועי אינדוקציה חשמליים בעלי התנגדות מגנטית משתנה, מנועי אספן אוניברסליים עדיפים יותר בהשוואה למנוע עם מגנטים קבועים על פני השטח.

EST

ב-EST, הטורבינה והמדחס אינם מחוברים באמצעות פיר, וכל אחד מהם מצויד במנוע חשמלי. זה מאפשר למדחס ולגלגלי הטורבינה לפעול במהירויות שונות. לעיצוב זה יש יתרונות דומים ל-ET, אך בניגוד אליו, הוא מסוגל לייצר אנרגיה. בנוסף, היאיש לו פחות השפעה תרמית בגלל ההפרדה בין המדחס לטורבינה, כמו גם היעדר אינרציה נוספת מהטורבינה ומהפיר שלה. הפרדת הטורבינה והמדחס היא יתרון מנקודת מבט של אריזה, שכן היא מאפשרת לייעל את נתיב זרימת האוויר. עם זאת, טכנולוגיה זו דורשת גם מנוע חשמלי חזק, גנרטור וממירים כדי לעמוד ביחס המומנט/אינרציה, שגובהו מחיר.

TEDC

TEDC היא טורבינה מכנית עם מדחס נוסף המונע על ידי מנוע חשמלי. לפי מיקום המדחס ביחס לטורבינה, מערכות אלו מסווגות לאפשרויות במעלה ומורד הזרם (מעל ומתחת לטורבינה, בהתאמה). באופן כללי, הם מאופיינים בתגובתיות טובה יותר באופן משמעותי בזמן מעברים ב"תחתית" בשל עצמאות המנוע החשמלי מהאינרציה של הטורבינה והציר. יתרה מכך, TEDCs במורד הזרם עדיפים בהקשר זה על אפשרויות במעלה הזרם, בשל העובדה שהאחרונים מאופיינים בנפח גדול לשמירה על לחץ. יתרון נוסף של סוג זה של טורבינות חשמליות הוא ההבדלים המינימליים מאלו המכניים.

עקרון ההפעלה

הסוגים הנ ל של טורבינות חשמליות נבדלים בעקרונות הפעולה. אז, הכונן מיושם אחרת, חלקם מסוגלים לייצר אנרגיה וכו'.

EC

ב-EC, המדחס מונע על ידי מנוע חשמלי. מערכת כזו אינה מסוגלת לייצר אנרגיה, אלא עבורהניתן לשלב אחסון עם מערכת בלימה רגנרטיבית או גנרטור מתנע מובנה.

EAT

ב-EAT בסל"ד נמוך, המנוע החשמלי מספק מומנט נוסף למדחס כדי להגביר את לחץ הגברת. ב"טופ" הוא מייצר אנרגיה שניתן להעביר לאחסון. בנוסף, המנוע החשמלי יכול למנוע מהטורבינה לחרוג מהמהירות המותרת. עם זאת, עלולה להתרחש אפקט לחץ גב גבוה, אשר מפצה על האנרגיה המופקת מגזי הפליטה.

בשל האפשרות לייצר חשמל מגזי פליטה, מגדשי טורבו כאלה נקראים היברידיים. במכוניות נוסעים, בהתאם למחזור הנהיגה, הן יכולות להפיק מכמה מאות וואט ועד קילוואט. זה מאפשר לך להחליף את האלטרנטור תוך חיסכון בדלק.

EST

ב-EST, האנרגיה של גזי הפליטה אינה מניעה את המדחס ישירות, אלא מומרת לאנרגיה חשמלית באמצעות גנרטור. המדחס מונע על ידי אנרגיה מאוחסנת.

TEDC

ב-TEDC, המנוע החשמלי פועל ללא תלות בטורבינה, והמדחס הנוסף המונע על ידו משמש להגברת הדחיפה ב"תחתית".

הבדלים עיצוביים ופונקציונליים

ההבדלים המהותיים בין המערכות החשמליות הנחשבות של אינדוקציה מאולצת משולבים על ידי חוקרים מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון בצורה גרפית וטבלאית. האיור שלהלן מציג את הדיאגרמות של המכשיר שלהם (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC upstream, e - TEDC downstream).

הטבלה משקפת את ההוראות העיקריות של המכשיר. אלה כוללים את מקור האנרגיה, הנעה של המדחס, הספק של הרכיבים החשמליים. בנוסף, חשובות תכונות כמו מידות והשפעת טמפרטורה.

סוג	EC	EAT	EST	TEDC
מקור כוח	סוללה	גזי פליטה / סוללה	גזי פליטה / סוללה	גזי פליטה / סוללה
הספק של מנוע חשמלי ומהפך	High	נמוך	High	נמוך
אפקט הטמפרטורה	נמוך	High	נמוך	נמוך
גודל	Small	בינוני	ביג	ביג
טורבינה חשמלית	No	כן	כן	No
כונן מדחס טורבו-חשמלי	No	כן	No	No

לכן, טכנולוגיות EAT ו-EST שייכות לטורבינות חשמליות. EC כפי שהיהציין - מנגנון נפרד, TEDC - מערכת טורבו רגילה המצוידת בו.

יתרונות וחסרונות

הנעת טורבינה באמצעות מנוע חשמלי מבטלת את החסרונות העיקריים של מגדשי טורבו מכניים.

• אין פיגור מכיוון שהמנוע החשמלי יכול לסובב את הרוטור מהר מאוד.
• אין פיגור טורבו שנגרם כתוצאה ממחסור בגזי פליטה, שכן במקרה זה המנוע החשמלי מפצה על חוסר האנרגיה.
• המנוע החשמלי מאפשר לך לשמור על דחיפה בזמן חולפים כמו אנטי-לאג ללא ההשפעות השליליות של האחרון.
• זה מספק טווח פעולה רחב ומומנט עקבי.
• כמה סוגים של מנגנונים אלה יכולים לייצר חשמל, להפחית את העומס על הגנרטור ולהפחית את צריכת הדלק.
• החלמה של אנרגיה אבודה אפשרית, כפי שיישמה פרארי במנוע הפורמולה 1.
• אלקטרו-טורבינות פועלות בתנאים עדינים יותר ובמהירויות נמוכות יותר (100 אלף במקום 200-300 אלף).

עם זאת, לטכנולוגיה הזו יש מספר חסרונות.

• מורכבות עיצוב גדולה כולל מנוע ובקרים.
• זה גורם לעלות גבוהה.
• בנוסף, מורכבות העיצוב משפיעה על האמינות.
• בשל המספר הרב של אלמנטים מבניים (בנוסף לטורבינה, זה כולל מנוע חשמלי, בקרים, סוללה), מגדשי הטורבו הללו גדולים וכבדים בהרבה מאלה הרגילים.

בנוסף, כל סוג של טורבינה חשמלית מתאפייןתכונות ספציפיות.

סוג	EC	EAT	EST	TEDC במעלה הזרם	TEDC במורד הזרם
Dignity	גמישות שליטה; גמישות פריסה; חוסר אינרציה של פיר; no wastegate; ללא לחץ אחורי	Compact; מנוע ומהפך בהספק נמוך; no wastegate	גמישות שליטה; גמישות פריסה; חוסר אינרציה של פיר; no wastegate	קל להתקנה; חוסר אינרציה של פיר; מנוע ומהפך בהספק נמוך; שיפור ביצועים מתמיד	תגובה חולפת טובה יותר; קל להתקנה; מנוע ומהפך בהספק נמוך; שיפור ביצועים מתמיד
פגמים	מנוע ומהפך בהספק גבוה; יעילות נמוכה	הצורך בקירור נוסף; אינרציה של פיר נוסף; מגבלת האצה להגביר עקב לחץ גב	מנוע ומהפך בהספק גבוה; הפסד אנרגיה במהלך ההמרה; מגבלהחיזוק חיזוק עקב לחץ גב; דרוש שטח התקנה נוסף	תגובה חולפת לא מהירה במיוחד; דרוש שטח התקנה נוסף; יעילות נמוכה	דרוש שטח התקנה נוסף; יעילות נמוכה

מבחינת עמידות, לפי IHI, טורבינות חשמליות יהיו שוות ערך לאלו מכניות עקב פעולה באותם תנאים במצב עדין יותר עם מורכבות עיצובית גדולה יותר.

רלוונטיות

למרות ביצועים טובים, טורבינות חשמליות אינן נמצאות כיום בשימוש נרחב במכוניות בייצור המוני. זה נובע מהעלות הגבוהה והמורכבות שלהם. בנוסף, לגרסאות משופרות של טורבינות מכניות (גלילת תאומים וגיאומטריה משתנה) יש יתרונות דומים על פני השינויים הראשוניים (אם כי במידה פחותה) בעלות נמוכה בהרבה. כעת EST משתמשת בפרארי במנוע הפורמולה 1. לפי Honeywell, השימוש ההמוני בטורבינות חשמליות יתחיל בתחילת העשור הבא. יש לציין שמגדשים חשמליים כבר נמצאים בשימוש בחלק מכלי הייצור, כמו הונדה קלריטי, מכיוון שהם פשוטים יותר.

המנגנונים הפשוטים והביתיים

בתחילת העשור הופיעו בשוק מכונות פשוטות וזולות כמו מקררי מחשב, המכונים גם טורבינות חשמליות. הם ממוקמים בכניסה ומופעלים על ידי סוללות.אפשר להשתמש בטורבינות חשמליות כאלה גם על הקרבורטור וגם על המזרק. לדברי היצרנים, הם מגבירים את זרימת האוויר הנכנסת למנוע, מאיצים אותו, מה שנותן עליית ביצועים של עד 15%. במקרה זה, הפרמטרים (סיבובים, זרימה, כוח) בדרך כלל אינם מצוינים. קל מאוד להתקין טורבינות חשמליות כאלה על מכונית במו ידיך.

עם זאת, במציאות, המנועים החשמליים שלהם מפתחים עד כמה מאות וואט, וזה לא מספיק כדי להגדיל את נפח הזרימה, שכן זה דורש כ-4 קילוואט. לכן, מכשיר כזה יהפוך למכשול רציני בכניסה, וכתוצאה מכך, להיפך, הפרודוקטיביות תפחת. במקרה הטוב, ההפסדים ממנו יהיו קטנים, מה שלא ישפיע משמעותית על הדינמיקה.

בנוסף, באינטרנט תוכלו למצוא פיתוחים ביצירת טורבינה חשמלית במו ידיכם. בניגוד לאפשרויות הזולות שהוזכרו לעיל, הן בנויות על בסיס מדחס צנטריפוגלי ומנוע ללא מברשות בהספק של עד 17 קילוואט ומתח של 50-70 וולט, שכן רק מנוע כזה מסוגל לספק מומנט מספק מהירות לסובב את המדחס. המנוע חייב להיות מצויד בבקר מהירות. מערכת זו אינה מצריכה מצנן ביניים - מספיקה לו יניקה קרה. התקנת טורבינה חשמלית מסוג זה עשויה לדרוש החלפה של גנרטור (עבור 90-100 A) וסוללה (למרווחת יותר עם תפוקת זרם גבוהה). מהירות הסיבוב של המדחס נקבעת לפי מיקום המצערת. יתרה מכך, התלות אינה ליניארית, אלא מעריכית.

רצוי ליצור טורבינות חשמליות כאלה למכוניות עם מנועים קטנים עד 1.5 ליטר, עקב צריכת אנרגיה גבוהה. יתרה מכך, ככל שנפח המנוע גדול יותר, כך יכול המגדש ליצור פחות לחץ דחיפה. אז, על מנוע 0.7 ליטר, זה יהיה 0.4-0.5 בר, עבור 1.5 ליטר - 0.2-0.3 בר. בנוסף, מגדש כזה לא יוכל לתפקד לאורך זמן בביצועים מקסימליים עקב חימום. עם זאת, ניתן להגדיר את הבקר לאלץ הפעלה.

בשל העלות הגבוהה של רכיבים, יקר מאוד לייצר טורבינה חשמלית כזו. ביקורות מצביעות על עלייה ניתנת למדידה בביצועים.

מבחינת עיצוב, המנגנונים הללו, כמו האפשרויות הזולות שהוזכרו לעיל, הם מגדשי-על חשמליים. עם זאת, לעתים קרובות הם מכונים בטעות טורבינות חשמליות. עכשיו בשוק יש תנועות מותג רציניות יותר שקרובות לתוצרת בית.

CV

טורבינות חשמליות מגיבות, פרודוקטיביות ויעילות יותר מאלו המכניות ובעלות תכונות נוספות. יחד עם זאת, מצד אחד, יש להם עיצוב מסובך, אבל, מצד שני, הם פועלים בתנאים שפירים יותר.