Electro-turbine: karakteristik, prinsip operasi, pro dan kontra kerja, tips pemasangan sendiri dan ulasan pemilik

2024 Pengarang: Erin Ralphs | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-02-19 17:02

Dengan peraturan lingkungan yang semakin ketat, para pembuat mobil dipaksa untuk mengembangkan cara-cara untuk meningkatkan keramahan lingkungan dan efisiensi mesin sambil mempertahankan kinerja. Dalam hal ini, sistem induksi paksa telah menyebar luas. Jika dulu digunakan untuk meningkatkan produktivitas, sekarang digunakan sebagai sarana peningkatan ekonomi dan ramah lingkungan. Berkat supercharging, Anda dapat mencapai kinerja yang sama seperti pada mesin atmosferik, dengan silinder yang lebih sedikit dan volume yang lebih kecil. Artinya, mesin supercharged lebih efisien. Cara lain adalah penggunaan energi listrik baik secara terpisah (motor listrik) maupun dalam kombinasi dengan mesin pembakaran dalam (pembangkit listrik hibrida). Artikel ini membahas turbin listrik yang menggabungkan pendekatan tersebut.

Fitur Umum

Sistem induksi paksa non-listrik menurut sumber energinya diklasifikasikan menjadi turbocharger dan supercharger. Sistem kelistrikan dibangun di atasnya dan bertujuan untuk meningkatkan kinerja selama transien.proses dan meminimalkan kelambatan.

Blower listrik, menurut Honeywell, adalah kompresor yang digerakkan oleh motor listrik yang dipasang pada motor supercharged. Artinya, ini adalah perangkat tambahan untuk mesin turbo. Turbin listrik adalah analog dari turbin mekanik. Drive dalam hal ini dapat diimplementasikan dengan cara yang berbeda.

Menurut klasifikasi peneliti di University of Wisconsin-Madison, sistem kelistrikan induksi paksa dibedakan menjadi beberapa jenis berikut berdasarkan desain dan prinsip operasi:

• blower listrik (EC/ET/ES);
• turbin dengan asisten listrik (EAT);
• turbin yang dipisahkan secara elektrik (EST);
• turbin dengan tambahan electrically driven compressor (TEDC).

Desain

Jenis turbin listrik di atas memiliki desain yang berbeda. Ini terletak pada tata letak komponen yang berbeda, perbedaan dalam parameter teknisnya, dll.

EC

EC adalah kompresor yang digerakkan oleh motor listrik. Ini adalah blower listrik yang disebutkan di atas. Penggerak listrik memberikan fleksibilitas kontrol terbesar dan kemampuan untuk mengoperasikan kompresor pada titik pengoperasian yang optimal. Namun, ini membutuhkan komponen listrik yang kuat.

MAKAN

Dalam EAT, motor listrik berkecepatan tinggi dipasang di antara turbin dan kompresor, biasanya pada poros. Karena fakta bahwa itu bukan sumber energi utama, digunakankomponen listrik berdaya rendah. Ini menghasilkan biaya yang rendah. Selain itu, turbocharger tersebut memiliki kemampuan untuk mendeteksi sendiri posisi rotor dan dicirikan oleh kemampuan menghasilkan dan menggerakkan yang baik. Masalah utama adalah efek suhu tinggi pada motor listrik, terutama jika dipasang di dalam rumah.

Ada berbagai cara untuk mengatasinya. Misalnya, BMW memasang kopling untuk memungkinkan motor listrik terhubung dan terputus dari poros. Berkat ini, motor dapat ditempatkan di luar turbin. G+L inotec menggunakan motor magnet permanen dengan celah udara yang besar, yang juga dapat ditempatkan di luar. Diameter dalam stator sama dengan diameter luar kompresor, dan diameter luar rotor sama dengan diameter outlet poros. Celah udara dapat bertindak sebagai saluran masuk udara. Ini memberikan keuntungan dalam hal pendinginan, inersia dan efek termal. Selain itu, dalam hal stabilitas termal dan kontrol termal, motor listrik induksi dengan resistansi magnet variabel, motor kolektor universal lebih disukai dibandingkan dengan motor dengan magnet permanen permukaan.

EST

Dalam EST, turbin dan kompresor tidak dihubungkan oleh poros, dan masing-masing dilengkapi dengan motor listrik. Hal ini memungkinkan kompresor dan roda turbin untuk beroperasi pada kecepatan yang berbeda. Desain ini memiliki keunggulan yang mirip dengan ET, tetapi, tidak seperti itu, mampu menghasilkan energi. Selain itu, diaIni memiliki efek termal yang lebih sedikit karena pemisahan kompresor dan turbin, serta tidak adanya inersia tambahan dari turbin dan porosnya. Memisahkan turbin dan kompresor menguntungkan dari sudut pandang pengemasan, karena memungkinkan jalur aliran udara dioptimalkan. Namun, teknologi ini juga membutuhkan motor listrik, generator, dan inverter yang kuat untuk memenuhi rasio torsi/inersia, yang memerlukan biaya.

TEDC

TEDC adalah turbin mekanis dengan kompresor tambahan yang digerakkan oleh motor listrik. Menurut lokasi kompresor relatif terhadap turbin, sistem ini diklasifikasikan ke dalam opsi hulu dan hilir (masing-masing di atas dan di bawah turbin). Secara umum, mereka dicirikan oleh respons yang jauh lebih baik selama transien di "bawah" karena kemandirian motor listrik dari inersia turbin dan poros. Selain itu, TEDC hilir lebih unggul dalam hal ini untuk opsi hulu karena fakta bahwa yang terakhir dicirikan oleh volume besar untuk mempertahankan tekanan. Keuntungan lain dari turbin listrik jenis ini adalah perbedaan minimal dari turbin mekanis.

Prinsip operasi

Jenis turbin listrik di atas berbeda dalam prinsip pengoperasiannya. Jadi, drive diimplementasikan secara berbeda, beberapa di antaranya mampu menghasilkan energi, dll.

EC

Dalam EC, kompresor digerakkan oleh motor listrik. Sistem seperti itu tidak mampu menghasilkan energi, tetapi untukpenyimpanan dapat dikombinasikan dengan sistem pengereman regeneratif atau generator starter bawaan.

MAKAN

Pada EAT pada rpm rendah, motor listrik memberikan torsi tambahan ke kompresor untuk meningkatkan tekanan boost. Di "puncak" itu menghasilkan energi yang dapat ditransfer ke penyimpanan. Selain itu, motor listrik dapat mencegah turbin melebihi batas kecepatannya. Namun, efek tekanan balik yang tinggi dapat terjadi, yang mengkompensasi energi yang diekstraksi dari gas buang.

Karena kemungkinan menghasilkan listrik dari gas buang, turbocharger semacam itu disebut hybrid. Pada mobil penumpang, tergantung pada siklus mengemudi, mereka dapat menghasilkan dari beberapa ratus watt hingga kW. Hal ini memungkinkan Anda untuk mengganti alternator sekaligus menghemat bahan bakar.

EST

Dalam EST, energi gas buang tidak menggerakkan kompresor secara langsung, tetapi diubah menjadi energi listrik menggunakan generator. Kompresor digerakkan oleh energi yang tersimpan.

TEDC

Di TEDC, motor listrik berfungsi secara independen dari turbin, dan kompresor tambahan yang digerakkan olehnya berfungsi untuk meningkatkan dorongan di "bawah".

Desain dan perbedaan fungsional

Perbedaan mendasar antara sistem kelistrikan yang dipertimbangkan dari induksi paksa digabungkan oleh para peneliti di University of Wisconsin-Madison dalam bentuk grafik dan tabel. Gambar di bawah menunjukkan diagram perangkat mereka (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC upstream, e - TEDC downstream).

Tabel mencerminkan ketentuan utama perangkat. Ini termasuk sumber energi, penggerak kompresor, kekuatan komponen listrik. Selain itu, kualitas seperti dimensi dan efek suhu juga penting.

Tipe	EC	MAKAN	EST	TEDC
Sumber daya	Baterai	Gas buang / baterai	Gas buang / baterai	Gas buang / baterai
Daya motor listrik dan inverter	Tinggi	Rendah	Tinggi	Rendah
Efek suhu	Rendah	Tinggi	Rendah	Rendah
Ukuran	Kecil	Sedang	Besar	Besar
Turbin listrik	Tidak	Ya	Ya	Tidak
Penggerak kompresor turbo-listrik	Tidak	Ya	Tidak	Tidak

Dengan demikian, teknologi EAT dan EST milik turbin listrik. EC seperti itudicatat - mekanisme terpisah, TEDC - sistem turbocharging konvensional yang dilengkapi dengannya.

Pro dan kontra

Penggerak turbin oleh motor listrik menghilangkan kelemahan utama turbocharger mekanis.

• Tidak ada jeda karena motor listrik dapat memutar rotor dengan sangat cepat.
• Tidak ada turbo lag yang disebabkan oleh kurangnya gas buang, karena dalam hal ini motor listrik mengkompensasi kekurangan energi.
• Motor listrik memungkinkan Anda untuk terus meningkatkan selama transien seperti anti-lag tanpa efek negatif yang terakhir.
• Ini memberikan rentang operasi yang luas dan torsi yang konsisten.
• Beberapa jenis mekanisme ini dapat menghasilkan listrik, mengurangi beban pada generator dan mengurangi konsumsi bahan bakar.
• Pemulihan energi yang hilang dimungkinkan, seperti yang diterapkan Ferrari di mesin Formula 1.
• Elektro-turbin beroperasi dalam kondisi yang lebih lembut dan pada kecepatan yang lebih rendah (100 ribu, bukan 200-300 ribu).

Namun, teknologi ini memiliki sejumlah kelemahan.

• Kerumitan desain yang hebat termasuk motor dan pengontrol.
• Ini menyebabkan biaya tinggi.
• Selain itu, kerumitan desain mempengaruhi keandalan.
• Karena banyaknya elemen struktural (selain turbin, ini termasuk motor listrik, pengontrol, baterai), turbocharger ini jauh lebih besar dan lebih berat daripada yang konvensional.

Selain itu, setiap jenis turbin listrik dicirikanfitur khusus.

Tipe	EC	MAKAN	EST	TEDC hulu	TEDC hilir
martabat	Kontrol fleksibilitas; fleksibilitas tata letak; kurangnya inersia poros; tidak ada wastegate; tidak ada tekanan balik	Ringkas; motor dan inverter berdaya rendah; tidak ada gerbang sampah	Kontrol fleksibilitas; fleksibilitas tata letak; kurangnya inersia poros; tidak ada gerbang sampah	Mudah dipasang; kurangnya inersia poros; motor dan inverter berdaya rendah; Peningkatan kinerja berkelanjutan	Respon sementara yang lebih baik; mudah dipasang; motor dan inverter berdaya rendah; Peningkatan kinerja berkelanjutan
Kekurangan	Motor dan inverter berdaya tinggi; efisiensi rendah	Kebutuhan pendinginan tambahan; inersia poros tambahan; meningkatkan batas akselerasi karena tekanan balik	Motor dan inverter berdaya tinggi; kehilangan energi selama konversi; batasboost boost karena tekanan balik; membutuhkan ruang instalasi tambahan	Respon sementara tidak terlalu cepat; membutuhkan ruang instalasi tambahan; efisiensi rendah	Memerlukan ruang instalasi tambahan; efisiensi rendah

Dalam hal daya tahan, menurut IHI, turbin listrik akan setara dengan turbin mekanis karena beroperasi dalam kondisi yang sama dalam mode yang lebih lembut dengan kompleksitas desain yang lebih besar.

Relevansi

Meskipun kinerjanya bagus, turbin listrik saat ini tidak banyak digunakan pada mobil yang diproduksi secara massal. Ini karena biaya dan kerumitannya yang tinggi. Selain itu, versi turbin mekanis yang ditingkatkan (gulir kembar dan geometri variabel) memiliki keunggulan yang sama dibandingkan modifikasi awal (walaupun pada tingkat yang lebih rendah) dengan biaya yang jauh lebih rendah. Kini EST menggunakan Ferrari di mesin Formula 1. Menurut Honeywell, penggunaan massal turbin listrik akan dimulai pada awal dekade berikutnya. Perlu dicatat bahwa supercharger listrik sudah digunakan pada beberapa kendaraan produksi, seperti Honda Clarity, karena lebih sederhana.

Mekanisme paling sederhana dan buatan sendiri

Di awal dekade, mesin sederhana dan murah seperti pendingin komputer, juga disebut turbin listrik, muncul di pasaran. Mereka terletak di saluran masuk dan dioperasikan dengan baterai. Dimungkinkan untuk menggunakan turbin listrik seperti itu baik pada karburator maupun pada injektor. Menurut pabrikan, mereka meningkatkan aliran udara yang masuk ke mesin, mempercepatnya, yang memberikan peningkatan kinerja hingga 15%. Dalam hal ini, parameter (putaran, aliran, daya) biasanya tidak ditunjukkan. Sangat mudah untuk memasang turbin listrik seperti itu di mobil dengan tangan Anda sendiri.

Namun, pada kenyataannya, motor listrik mereka berkembang hingga beberapa ratus watt, yang tidak cukup untuk meningkatkan volume aliran, karena ini membutuhkan sekitar 4 kW. Oleh karena itu, perangkat semacam itu akan menjadi hambatan serius di saluran masuk, akibatnya, sebaliknya, produktivitas akan berkurang. Paling-paling, kerugian darinya akan kecil, yang tidak akan mempengaruhi dinamika secara signifikan.

Selain itu, di Internet Anda dapat menemukan perkembangan membuat turbin listrik dengan tangan Anda sendiri. Berbeda dengan opsi murah yang disebutkan di atas, mereka dibangun berdasarkan kompresor sentrifugal dan motor tanpa sikat dengan daya hingga 17 kW dan tegangan 50-70 V, karena hanya motor seperti itu yang mampu memberikan torsi dan torsi yang cukup. kecepatan untuk memutar kompresor. Motor harus dilengkapi dengan pengatur kecepatan. Sistem ini tidak memerlukan intercooler - asupan dingin sudah cukup untuk itu. Pemasangan turbin listrik jenis ini mungkin memerlukan penggantian generator (untuk 90-100 A) dan baterai (untuk yang lebih besar dengan keluaran arus tinggi). Kecepatan putaran kompresor ditentukan oleh posisi throttle. Selain itu, ketergantungannya tidak linier, tetapi eksponensial.

Disarankan untuk membuat turbin listrik seperti itu untuk mobil dengan mesin kecil hingga 1,5 liter, karena konsumsi energi yang tinggi. Selain itu, semakin besar volume mesin, semakin sedikit tekanan dorongan yang dapat dihasilkan supercharger. Jadi, pada mesin 0,7 liter, itu akan menjadi 0,4-0,5 bar, untuk 1,5 liter - 0,2-0,3 bar. Selain itu, supercharger seperti itu tidak akan dapat berfungsi dalam waktu lama dengan kinerja maksimal karena pemanasan. Namun, pengontrol dapat dikonfigurasi untuk memaksa aktivasi.

Karena biaya komponen yang tinggi, maka sangat mahal untuk membuat turbin listrik seperti itu. Ulasan menunjukkan peningkatan kinerja yang terukur.

Dalam hal desain, mekanisme ini, seperti opsi murah yang disebutkan di atas, adalah supercharger listrik. Namun, mereka sering keliru disebut sebagai turbin listrik. Sekarang di pasar ada gerakan bermerek yang lebih serius yang dekat dengan buatan sendiri.

CV

Turbin listrik lebih responsif, produktif, dan efisien daripada turbin mekanis dan memiliki fitur tambahan. Pada saat yang sama, di satu sisi, mereka memiliki desain yang rumit, tetapi, di sisi lain, mereka beroperasi dalam kondisi yang lebih ramah.