В умовах ужесточаемых 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 в якості засобу 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 ДВЗ (гібридні силові установки). У даній статті розглянуті електротурбін, що поєднують дані підходи.
Загальні особливості
Неелектричні системи примусової індукції по джерелу енергії класифікують на турбокомпресори і повітродувки. Електричні системи засновані на них і націлені на поліпшення продуктивності при перехідних процесах і мінімізацію лагів.
Электронагнетатель, згідно Honeywell, являє собою приводиться електродвигуном компресор, який встановлюють на оснащений нагнітачем мотор. Тобто це додатковий пристрій для турбодвигуна. Электротурбина – аналог механічної турбіни. Привід в цьому випадку може бути реалізований по-різному.
Згідно з класифікацією дослідників з Вісконсинського університету в Мадисоне, електричні системи примусової індукції по конструкції і принципу функціонування диференціюють на наступні види:
- електричні повітродувки (EC/ET/ES);
- турбіни з электроассистентом (EAT);
- електрично розділені турбіни (EST);
- турбіни з додатковим компресором з електроприводом (TEDC).
Конструкція
Наведені вище типи електротурбін мають різне пристрій. Це полягає в різних схемах розташування компонентів, у відмінності їх технічних параметрів і т. д.
EC
ЄС являє собою приводиться електродвигуном 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
В EAT високошвидкісний електродвигун встановлений між турбіною і компресором, зазвичай на валу. Зважаючи на те, що він не є основним джерелом енергії, що 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 високотемпературне вплив на електромотор, особливо якщо він встановлений усередині корпусу.
Існують різні методи її рішення. Наприклад, BMW встановила зчеплення для забезпечення можливості підключення і відключення електродвигуна від вала. Завдяки цьому мотор можна розмістити за межами турбіни. G+L inotec використовувала двигун з постійними магнітами з великим повітряним зазором, який також може знаходитися зовні. Внутрішній діаметр статора дорівнює зовнішньому діаметру компресора, а зовнішній діаметр ротора – вихідного діаметру валу. Повітряний зазор може виконувати роль впускного повітряного каналу. Це забезпечує переваги з точки зору охолодження, інерції та термічного ефекту. Крім того, за термостійкості і терморегулювання індукційні електромотори, зі змінним магнітним опором, універсальні колекторні більш переважні в порівнянні з двигуном з поверхневими постійними магнітами.
EST
У EST турбіну і компресор не з’єднані валом, і кожен з них оснащений електродвигуном. Це забезпечує можливість роботи компресорного та 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 зважаючи поділу 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 електромотора, генератора і інверторів для задоволення співвідношення крутний момент/інерція, що позначається на вартості.
TEDC
TEDC являє собою механічну турбіну з додатковим компресором, що приводиться електродвигуном. 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» зважаючи незалежності електродвигуна від інерції турбіни і валу. Причому TEDC в низхідному потоці в цьому відношенні перевершують варіанти у висхідному зважаючи на те, що останні відрізняються великим об’ємом для підтримки тиску. Ще одна перевага електротурбін даного типу полягає в мінімальних відмінності від механічних.
Принцип функціонування
Наведені типи електротурбін різняться принципом роботи. Так, по-різному реалізований привід, деякі з них здатні виробляти енергію і т. д.
EC
В 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
В EAT на низьких обертах 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 можливості 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 заміняти 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 і функціональні відмінності
Принципові відмінності розглянутих електричних систем примусової індукції об’єднані дослідниками Вісконсинського університету в Мадисоне в графічному і табличному вигляді. На малюнку, розміщеному нижче, представлені схеми їх пристрою (a – EAT, b – EC, c – EST, d – TEDC вверх 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.
Тип | EC | EAT | EST | TEDC |
Джерело енергії | Батарея | Відпрацьовані гази / батарея | Відпрацьовані гази / батарея | Відпрацьовані гази / батарея |
Потужність электомотора і інвертора | Висока | Низька | Висока | Низька |
Температурний ефект | Низький | Високий | Низький | Низький |
Розмір | Малий | Середній | Великий | Великий |
Электротурбина | Немає | Так | Так | Немає |
Турбо-електричний привід компресора | Немає | Так | Немає | Немає |
Таким чином, до электротурбинам відносяться технології EAT та EST. EC, як було зазначено – окремий механізм, TEDC – оснащена їм звичайна система турбонаддува.
Переваги і недоліки
Привід турбіни електричним двигуном дозволяє усунути основні недоліки механічних турбокомпресорів.
- Відсутній лад, так як електромотор може забезпечити дуже високу швидкість розкручування ротора.
- Відсутній турбояма, обумовлена недоліком відпрацьованих газів, так як в такому разі брак енергії компенсує електромотор.
- Електродвигун дозволяє зберегти наддув при перехідних процесах подібно антилагу без негативних ефектів останнього.
- Це забезпечує широкий діапазон роботи і рівномірний обертальний 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 у більш щадних умовах та на менших обертах (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.
- Через великої кількості 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.
Тип | EC | EAT | EST | TEDC вверх по потоку | TEDC вниз по потоку |
Переваги |
|
|
|
|
|
Недоліки |
|
|
|
|
|
По довговічності, на думку IHI, електротурбін будуть еквівалентні механічним зважаючи роботи в тих же умовах в більш щадному режимі при більшій складності конструкції.
Актуальність
Незважаючи на хороші показники, електротурбін в даний час масово не використовуватимуться на серійних автомобілях. Це обумовлено їх високою вартістю та складністю. До того ж вдосконалені варіанти механічних турбін (твинскрольные та із змінною геометрією) володіють схожими перевагами перед початковими модифікаціями (хоча і меншою мірою) 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 повітродувки 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’ютерних кулерів, 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 у 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.
Проте насправді їх електродвигуни розвивають до декількох сотень Вт, чого недостатньо для збільшення об’єму потоку, так як для цього потрібно близько 4 кВт. Тому такий пристрій стане серйозною перешкодою на впуску, внаслідок чого продуктивність, навпаки, скоротиться. В кращому разі 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 бесколлекторного двигуна потужністю до 17 кВт і напругою В 50-70, так як тільки такий мотор здатний забезпечити достатні для обертання компресора момент, що крутить, 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 об’єм двигуна, тим менший тиск наддуву зможе створити нагнітач. Так, на 0,7-л двигуні воно буде становити 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 максимальній продуктивності через нагрівання. Проте контролер можна налаштувати на примусову активацію.
Зважаючи на високу вартість компонентів досить затратно зробити таку електро-турбіну. Відгуки свідчать про відчутну прибавку продуктивності.
З точки зору конструкції ці механізми, як і згадані вище дешеві варіанти, відносяться до электронагнетателям. Однак часто їх помилково називають электротурбинами. Зараз на ринку представлені більш серйозні фірмові механізми, близькі до саморобним.
Резюме
Електротурбін більш чуйні, продуктивні і ефективні в порівнянні з механічними і володіють додатковими функціями. При цьому, з одного боку, вони мають складнішу конструкцію, але, з іншого, функціонують у більш щадних умовах.
