Ηλεκτροστρόβιλος: χαρακτηριστικά, αρχή λειτουργίας, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της εργασίας, συμβουλές εγκατάστασης και κριτικές κατόχων

2024 Συγγραφέας: Erin Ralphs | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-02-19 13:45

Με τους αυστηρότερους περιβαλλοντικούς κανονισμούς, οι αυτοκινητοβιομηχανίες αναγκάζονται να αναπτύξουν τρόπους για τη βελτίωση της φιλικότητας προς το περιβάλλον και της απόδοσης των κινητήρων διατηρώντας παράλληλα την απόδοση. Από αυτή την άποψη, τα συστήματα εξαναγκασμένης επαγωγής έχουν γίνει ευρέως διαδεδομένα. Ενώ στο παρελθόν χρησιμοποιούνταν για την αύξηση της παραγωγικότητας, τώρα χρησιμοποιούνται ως μέσο βελτίωσης της οικονομίας και της φιλικότητας προς το περιβάλλον. Χάρη στην υπερφόρτιση, μπορείτε να επιτύχετε την ίδια απόδοση με τους ατμοσφαιρικούς κινητήρες, με λιγότερους κυλίνδρους και μικρότερο όγκο. Δηλαδή οι υπερτροφοδοτούμενοι κινητήρες είναι πιο αποδοτικοί. Μια άλλη μέθοδος είναι η χρήση ηλεκτρικής ενέργειας τόσο χωριστά (ηλεκτρικοί κινητήρες) όσο και σε συνδυασμό με κινητήρες εσωτερικής καύσης (υβριδικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας). Αυτό το άρθρο εξετάζει τους ηλεκτρικούς στρόβιλους που συνδυάζουν αυτές τις προσεγγίσεις.

Γενικά χαρακτηριστικά

Μη ηλεκτρικά συστήματα εξαναγκασμένης επαγωγής ανάλογα με την πηγή ενέργειας ταξινομούνται σε στροβιλοσυμπιεστές και υπερσυμπιεστές. Τα ηλεκτρικά συστήματα βασίζονται σε αυτά και στοχεύουν στη βελτίωση της απόδοσης κατά τη διάρκεια μεταβατικών περιστάσεων.διαδικασίες και ελαχιστοποίηση καθυστερήσεων.

Ο ηλεκτρικός φυσητήρας, σύμφωνα με τη Honeywell, είναι ένας συμπιεστής που κινείται από έναν ηλεκτρικό κινητήρα που είναι τοποθετημένος σε έναν υπερτροφοδοτούμενο κινητήρα. Δηλαδή, αυτή είναι μια πρόσθετη συσκευή για έναν κινητήρα turbo. Ένας ηλεκτρικός στρόβιλος είναι ένα ανάλογο ενός μηχανικού στροβίλου. Η μονάδα δίσκου σε αυτήν την περίπτωση μπορεί να υλοποιηθεί με διαφορετικούς τρόπους.

Σύμφωνα με την ταξινόμηση ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison, τα ηλεκτρικά συστήματα εξαναγκασμένης επαγωγής διαφοροποιούνται στους ακόλουθους τύπους ανάλογα με το σχεδιασμό και την αρχή λειτουργίας:

• ηλεκτρικοί φυσητήρες (EC/ET/ES);
• τουρμπίνες με ηλεκτρικό βοηθό (EAT);
• ηλεκτρικά διαχωρισμένοι στρόβιλοι (EST);
• τουρμπίνες με πρόσθετο ηλεκτροκίνητο συμπιεστή (TEDC).

Σχέδιο

Οι παραπάνω τύποι ηλεκτρικών στροβίλων έχουν διαφορετικό σχεδιασμό. Αυτό έγκειται στη διαφορετική διάταξη των στοιχείων, στις διαφορές στις τεχνικές τους παραμέτρους, κ.λπ.

EC

Το EC είναι ένας ηλεκτροκινητήρας συμπιεστής. Αυτός είναι ο ηλεκτρικός ανεμιστήρας που αναφέρθηκε παραπάνω. Η ηλεκτρική κίνηση παρέχει τη μεγαλύτερη ευελιξία ελέγχου και τη δυνατότητα λειτουργίας του συμπιεστή στο βέλτιστο σημείο λειτουργίας. Ωστόσο, αυτό απαιτεί ισχυρά ηλεκτρικά εξαρτήματα.

EAT

Στο EAT, ένας ηλεκτροκινητήρας υψηλής ταχύτητας τοποθετείται μεταξύ του στροβίλου και του συμπιεστή, συνήθως σε έναν άξονα. Λόγω του ότι δεν είναι η κύρια πηγή ενέργειας, χρησιμοποιούνταιηλεκτρικά εξαρτήματα χαμηλής ισχύος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα χαμηλό κόστος. Επιπλέον, τέτοιοι στροβιλοσυμπιεστές έχουν την ικανότητα να ανιχνεύουν μόνοι τους τη θέση του ρότορα και χαρακτηρίζονται από καλές δυνατότητες παραγωγής και κίνησης. Το κύριο πρόβλημα είναι η επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας στον ηλεκτροκινητήρα, ειδικά αν είναι εγκατεστημένος μέσα στο περίβλημα.

Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για να το λύσετε. Για παράδειγμα, η BMW τοποθέτησε συμπλέκτες για να επιτρέψει στον ηλεκτροκινητήρα να συνδεθεί και να αποσυνδεθεί από τον άξονα. Χάρη σε αυτό, ο κινητήρας μπορεί να τοποθετηθεί έξω από τον στρόβιλο. Η G+L inotec χρησιμοποίησε έναν κινητήρα μόνιμου μαγνήτη με μεγάλο διάκενο αέρα, ο οποίος μπορεί επίσης να βρίσκεται έξω. Η εσωτερική διάμετρος του στάτορα είναι ίση με την εξωτερική διάμετρο του συμπιεστή και η εξωτερική διάμετρος του ρότορα είναι ίση με τη διάμετρο εξόδου του άξονα. Το διάκενο αέρα μπορεί να λειτουργήσει ως είσοδος αέρα. Αυτό παρέχει πλεονεκτήματα όσον αφορά την ψύξη, την αδράνεια και τη θερμική επίδραση. Επιπλέον, όσον αφορά τη θερμική σταθερότητα και τον θερμικό έλεγχο, οι ηλεκτρικοί κινητήρες επαγωγής με μεταβλητή μαγνητική αντίσταση, οι κινητήρες γενικής χρήσης συλλεκτών είναι προτιμότεροι σε σύγκριση με έναν κινητήρα με μόνιμους μαγνήτες επιφάνειας.

EST

Στο EST, ο στρόβιλος και ο συμπιεστής δεν συνδέονται με άξονα και καθένα από αυτά είναι εξοπλισμένο με έναν ηλεκτροκινητήρα. Αυτό επιτρέπει στους τροχούς του συμπιεστή και του στροβίλου να λειτουργούν σε διαφορετικές ταχύτητες. Αυτός ο σχεδιασμός έχει παρόμοια πλεονεκτήματα με το ET, αλλά, σε αντίθεση με αυτόν, είναι σε θέση να παράγει ενέργεια. Επιπλέον, αυτήΈχει μικρότερη θερμική επίδραση λόγω του διαχωρισμού του συμπιεστή και της τουρμπίνας, καθώς και της απουσίας πρόσθετης αδράνειας από τον στρόβιλο και τον άξονα του. Ο διαχωρισμός του στροβίλου και του συμπιεστή είναι πλεονεκτικός από την άποψη της συσκευασίας, καθώς επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της διαδρομής ροής του αέρα. Ωστόσο, αυτή η τεχνολογία απαιτεί επίσης έναν ισχυρό ηλεκτροκινητήρα, γεννήτρια και μετατροπείς για να ανταποκρίνεται στον λόγο ροπής/αδρανείας, κάτι που έχει κόστος.

TEDC

Το TEDC είναι ένας μηχανικός στρόβιλος με έναν πρόσθετο συμπιεστή που κινείται από έναν ηλεκτρικό κινητήρα. Ανάλογα με τη θέση του συμπιεστή σε σχέση με τον στρόβιλο, τα συστήματα αυτά ταξινομούνται σε επιλογές ανάντη και κατάντη (πάνω και κάτω από τον στρόβιλο, αντίστοιχα). Γενικά, χαρακτηρίζονται από σημαντικά καλύτερη απόκριση κατά τη διάρκεια των μεταβατικών στο «κάτω» λόγω της ανεξαρτησίας του ηλεκτροκινητήρα από την αδράνεια του στροβίλου και του άξονα. Επιπλέον, τα κατάντη TEDC υπερτερούν από αυτή την άποψη σε σχέση με τις ανοδικές επιλογές λόγω του γεγονότος ότι οι τελευταίες χαρακτηρίζονται από μεγάλο όγκο για τη διατήρηση της πίεσης. Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτού του τύπου ηλεκτρικών στροβίλων είναι οι ελάχιστες διαφορές από τους μηχανικούς.

Αρχή λειτουργίας

Οι παραπάνω τύποι ηλεκτρικών στροβίλων διαφέρουν ως προς την αρχή λειτουργίας. Έτσι, η μονάδα δίσκου υλοποιείται διαφορετικά, μερικά από αυτά μπορούν να παράγουν ενέργεια κ.λπ.

EC

Στην EC, ο συμπιεστής κινείται από έναν ηλεκτρικό κινητήρα. Ένα τέτοιο σύστημα δεν είναι ικανό να παράγει ενέργεια, αλλά για αυτήνΗ αποθήκευση μπορεί να συνδυαστεί με ένα αναγεννητικό σύστημα πέδησης ή μια ενσωματωμένη γεννήτρια εκκίνησης.

EAT

Στο EAT στις χαμηλές στροφές, ο ηλεκτροκινητήρας παρέχει πρόσθετη ροπή στον συμπιεστή για να αυξήσει την πίεση υπερπλήρωσης. Στις «κορυφές» παράγει ενέργεια που μπορεί να μεταφερθεί στην αποθήκευση. Επιπλέον, ο ηλεκτροκινητήρας μπορεί να εμποδίσει τον στρόβιλο να υπερβεί το όριο ταχύτητάς του. Ωστόσο, μπορεί να εμφανιστεί ένα φαινόμενο υψηλής αντίθλιψης, το οποίο αντισταθμίζει την ενέργεια που εξάγεται από τα καυσαέρια.

Λόγω της δυνατότητας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από καυσαέρια, τέτοιοι στροβιλοσυμπιεστές ονομάζονται υβριδικοί. Στα επιβατικά αυτοκίνητα, ανάλογα με τον κύκλο οδήγησης, μπορούν να παράγουν από αρκετές εκατοντάδες watt έως kW. Αυτό σας επιτρέπει να αντικαταστήσετε τον εναλλάκτη ενώ εξοικονομείτε καύσιμο.

EST

Στο EST, η ενέργεια των καυσαερίων δεν οδηγεί απευθείας τον συμπιεστή, αλλά μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας μια γεννήτρια. Ο συμπιεστής κινείται από την αποθηκευμένη ενέργεια.

TEDC

Στο TEDC, ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί ανεξάρτητα από τον στρόβιλο και ο πρόσθετος συμπιεστής που κινείται από αυτόν χρησιμεύει για την αύξηση της ώθησης στο "κάτω".

Σχεδιαστικές και λειτουργικές διαφορές

Οι θεμελιώδεις διαφορές μεταξύ των θεωρούμενων ηλεκτρικών συστημάτων εξαναγκασμένης επαγωγής συνδυάζονται από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison σε γραφική και σε μορφή πίνακα. Το παρακάτω σχήμα δείχνει τα διαγράμματα της συσκευής τους (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC upstream, e - TEDC downstream).

Ο πίνακας αντικατοπτρίζει τις κύριες διατάξεις της συσκευής. Αυτά περιλαμβάνουν την πηγή ενέργειας, την κίνηση του συμπιεστή, την ισχύ των ηλεκτρικών εξαρτημάτων. Επιπλέον, ιδιότητες όπως οι διαστάσεις και το φαινόμενο θερμοκρασίας είναι σημαντικές.

Τύπος	EC	EAT	EST	TEDC
Πηγή τροφοδοσίας	Μπαταρία	καυσαέρια / μπαταρία	καυσαέρια / μπαταρία	καυσαέρια / μπαταρία
Ισχύς ηλεκτροκινητήρα και μετατροπέα	Υψηλό	Χαμηλό	Υψηλό	Χαμηλό
Επίδραση θερμοκρασίας	Χαμηλό	Υψηλό	Χαμηλό	Χαμηλό
Μέγεθος	Small	Μεσαίο	Μεγάλο	Μεγάλο
Ηλεκτρικός στρόβιλος	Όχι	Ναι	Ναι	Όχι
Στροβιλοηλεκτρικός κινητήρας συμπιεστή	Όχι	Ναι	Όχι	Όχι

Έτσι, οι τεχνολογίες EAT και EST ανήκουν στους ηλεκτρικούς στρόβιλους. ΕΚ όπως ήτανΣημειώνεται - ένας ξεχωριστός μηχανισμός, το TEDC - ένα συμβατικό σύστημα υπερσυμπίεσης εξοπλισμένο με αυτό.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Η κίνηση στροβίλου με ηλεκτροκινητήρα εξαλείφει τα κύρια μειονεκτήματα των μηχανικών στροβιλοσυμπιεστών.

• Καμία καθυστέρηση καθώς ο ηλεκτροκινητήρας μπορεί να περιστρέψει τον ρότορα πολύ γρήγορα.
• Δεν υπάρχει καθυστέρηση turbo που προκαλείται από έλλειψη καυσαερίων, καθώς σε αυτήν την περίπτωση ο ηλεκτροκινητήρας αντισταθμίζει την έλλειψη ενέργειας.
• Ο ηλεκτρικός κινητήρας σάς επιτρέπει να διατηρείτε την ώθηση κατά τη διάρκεια μεταβατικών περιστατικών, όπως κατά της καθυστέρησης, χωρίς τις αρνητικές επιπτώσεις του τελευταίου.
• Αυτό παρέχει μεγάλο εύρος λειτουργίας και σταθερή ροπή.
• Ορισμένοι τύποι αυτών των μηχανισμών μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, μειώνοντας το φορτίο στη γεννήτρια και μειώνοντας την κατανάλωση καυσίμου.
• Η ανάκτηση της χαμένης ενέργειας είναι δυνατή, όπως εφάρμοσε η Ferrari στον κινητήρα της Formula 1.
• Οι ηλεκτροστρόβιλοι λειτουργούν σε πιο ήπιες συνθήκες και σε χαμηλότερες ταχύτητες (100 χιλιάδες αντί για 200-300 χιλιάδες).

Ωστόσο, αυτή η τεχνολογία έχει πολλά μειονεκτήματα.

• Μεγάλη πολυπλοκότητα σχεδιασμού, συμπεριλαμβανομένων κινητήρα και ελεγκτών.
• Αυτό προκαλεί υψηλό κόστος.
• Επιπλέον, η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού επηρεάζει την αξιοπιστία.
• Λόγω του μεγάλου αριθμού δομικών στοιχείων (εκτός από τον στρόβιλο, περιλαμβάνει έναν ηλεκτροκινητήρα, ελεγκτές, μπαταρία), αυτοί οι στροβιλοσυμπιεστές είναι πολύ μεγαλύτεροι και βαρύτεροι από τους συμβατικούς.

Επιπλέον, κάθε τύπος ηλεκτρικής τουρμπίνας χαρακτηρίζεταισυγκεκριμένα χαρακτηριστικά.

Τύπος	EC	EAT	EST	TEDC upstream	TEDC κατάντη
Αξιοπρέπεια	Έλεγχος ευελιξίας; ευελιξία διάταξης; έλλειψη αδράνειας άξονα; no wastegate; χωρίς αντίθλιψη	Συμπαγές; μοτέρ και μετατροπέας χαμηλής ισχύος; no wastegate	Έλεγχος ευελιξίας; ευελιξία διάταξης; έλλειψη αδράνειας άξονα; no wastegate	Εύκολη εγκατάσταση; έλλειψη αδράνειας άξονα; μοτέρ και μετατροπέας χαμηλής ισχύος; Συνεχής βελτίωση απόδοσης	Καλύτερη παροδική απόκριση; εύκολη εγκατάσταση; μοτέρ και μετατροπέας χαμηλής ισχύος; Συνεχής βελτίωση απόδοσης
Ελαττώματα	Μοτέρ και μετατροπέας υψηλής ισχύος; χαμηλή απόδοση	Η ανάγκη για επιπλέον ψύξη; πρόσθετη αδράνεια άξονα; όριο επιτάχυνσης ενίσχυσης λόγω αντίθλιψης	Μοτέρ και μετατροπέας υψηλής ισχύος; απώλεια ενέργειας κατά τη μετατροπή; όριοενισχυτική ώθηση λόγω αντίθλιψης; απαιτείται πρόσθετος χώρος εγκατάστασης	Όχι πολύ γρήγορη παροδική απόκριση; απαιτείται επιπλέον χώρος εγκατάστασης; χαμηλή απόδοση	Απαιτεί επιπλέον χώρο εγκατάστασης; χαμηλή απόδοση

Όσον αφορά την ανθεκτικότητα, σύμφωνα με την IHI, οι ηλεκτρικοί στρόβιλοι θα είναι ισοδύναμοι με τους μηχανικούς λόγω λειτουργίας στις ίδιες συνθήκες σε πιο ήπια λειτουργία με μεγαλύτερη πολυπλοκότητα σχεδιασμού.

Συνάφεια

Παρά την καλή απόδοση, οι ηλεκτρικοί στρόβιλοι δεν χρησιμοποιούνται επί του παρόντος ευρέως σε αυτοκίνητα μαζικής παραγωγής. Αυτό οφείλεται στο υψηλό κόστος και την πολυπλοκότητά τους. Επιπλέον, οι βελτιωμένες εκδόσεις μηχανικών στροβίλων (twin scroll και μεταβλητής γεωμετρίας) έχουν παρόμοια πλεονεκτήματα σε σχέση με τις αρχικές τροποποιήσεις (αν και σε μικρότερο βαθμό) με πολύ χαμηλότερο κόστος. Τώρα η EST χρησιμοποιεί τη Ferrari στον κινητήρα της Formula 1. Σύμφωνα με τη Honeywell, η μαζική χρήση ηλεκτρικών στροβίλων θα ξεκινήσει στις αρχές της επόμενης δεκαετίας. Πρέπει να σημειωθεί ότι ηλεκτρικοί υπερσυμπιεστές χρησιμοποιούνται ήδη σε ορισμένα οχήματα παραγωγής, όπως το Honda Clarity, καθώς είναι απλούστεροι.

Οι πιο απλοί και σπιτικοί μηχανισμοί

Στις αρχές της δεκαετίας, εμφανίστηκαν στην αγορά απλές, φθηνές μηχανές όπως ψύκτες υπολογιστών, που ονομάζονται επίσης ηλεκτρικοί στρόβιλοι. Βρίσκονται στην είσοδο και λειτουργούν με μπαταρία. Είναι δυνατή η χρήση τέτοιων ηλεκτρικών στροβίλων τόσο στο καρμπυρατέρ όσο και στον εγχυτήρα. Σύμφωνα με τους κατασκευαστές, αυξάνουν τη ροή του αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα, επιταχύνοντάς τον, γεγονός που δίνει αύξηση απόδοσης έως και 15%. Σε αυτήν την περίπτωση, οι παράμετροι (στροφές, ροή, ισχύς) συνήθως δεν υποδεικνύονται. Είναι πολύ εύκολο να εγκαταστήσετε τέτοιες ηλεκτρικές τουρμπίνες σε ένα αυτοκίνητο με τα χέρια σας.

Ωστόσο, στην πραγματικότητα, οι ηλεκτροκινητήρες τους αναπτύσσονται έως και αρκετές εκατοντάδες watt, κάτι που δεν αρκεί για να αυξήσει τον όγκο της ροής, καθώς αυτό απαιτεί περίπου 4 kW. Επομένως, μια τέτοια συσκευή θα γίνει σοβαρό εμπόδιο στην είσοδο, με αποτέλεσμα, αντίθετα, να μειωθεί η παραγωγικότητα. Στην καλύτερη περίπτωση, οι απώλειες από αυτήν θα είναι μικρές, κάτι που δεν θα επηρεάσει σημαντικά τη δυναμική.

Επιπλέον, στο Διαδίκτυο μπορείτε να βρείτε εξελίξεις σχετικά με τη δημιουργία ηλεκτρικής τουρμπίνας με τα χέρια σας. Σε αντίθεση με τις φθηνές επιλογές που αναφέρθηκαν παραπάνω, κατασκευάζονται με βάση έναν φυγόκεντρο συμπιεστή και έναν κινητήρα χωρίς ψήκτρες με ισχύ έως 17 kW και τάση 50-70 V, καθώς μόνο ένας τέτοιος κινητήρας μπορεί να παρέχει επαρκή ροπή και ταχύτητα περιστροφής του συμπιεστή. Ο κινητήρας πρέπει να είναι εξοπλισμένος με ρυθμιστή ταχύτητας. Αυτό το σύστημα δεν απαιτεί intercooler - αρκεί μια κρύα εισαγωγή για αυτό. Η εγκατάσταση ενός ηλεκτρικού στροβίλου αυτού του τύπου μπορεί να απαιτεί την αντικατάσταση μιας γεννήτριας (για 90-100 A) και μιας μπαταρίας (για μια πιο ευρύχωρη με υψηλή απόδοση ρεύματος). Η ταχύτητα περιστροφής του συμπιεστή καθορίζεται από τη θέση του γκαζιού. Επιπλέον, η εξάρτηση δεν είναι γραμμική, αλλά εκθετική.

Συνιστάται η δημιουργία τέτοιων ηλεκτρικών στροβίλων για αυτοκίνητα με μικρούς κινητήρες έως 1,5 λίτρο, λόγω της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας. Επιπλέον, όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του κινητήρα, τόσο λιγότερη πίεση ώθησης μπορεί να δημιουργήσει ο υπερσυμπιεστής. Έτσι, σε έναν κινητήρα 0,7 λίτρων, θα είναι 0,4-0,5 bar, για 1,5 λίτρα - 0,2-0,3 bar. Επιπλέον, ένας τέτοιος υπερσυμπιεστής δεν θα μπορεί να λειτουργήσει για μεγάλο χρονικό διάστημα στη μέγιστη απόδοση λόγω θέρμανσης. Ωστόσο, ο ελεγκτής μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να επιβάλλεται ενεργοποίηση.

Λόγω του υψηλού κόστους των εξαρτημάτων, είναι πολύ ακριβό να κατασκευαστεί ένας τέτοιος ηλεκτρικός στρόβιλος. Οι κριτικές υποδεικνύουν μια μετρήσιμη αύξηση στην απόδοση.

Σχεδιαστικά, αυτοί οι μηχανισμοί, όπως και οι φθηνές επιλογές που αναφέρθηκαν παραπάνω, είναι ηλεκτρικοί υπερσυμπιεστές. Ωστόσο, συχνά λανθασμένα αναφέρονται ως ηλεκτρικοί στρόβιλοι. Τώρα στην αγορά υπάρχουν πιο σοβαρές επώνυμες κινήσεις που είναι κοντά στο σπιτικό.

CV

Οι ηλεκτρικοί στρόβιλοι είναι πιο ανταποκριτικοί, παραγωγικοί και αποδοτικοί από τους μηχανικούς και διαθέτουν πρόσθετα χαρακτηριστικά. Ταυτόχρονα, αφενός έχουν περίπλοκο σχεδιασμό, αφετέρου όμως λειτουργούν σε πιο καλοήθεις συνθήκες.