Турбина электрическая — как она устроена?
Для более эффективной работы Вашего транспортного средства, автомобильные производители часто прибегают к системам турбонаддува. Но так ли положительно новый тип турбокомпрессора скажется на работе двигателя? Чтобы топливный расход автомобиля стал гораздо меньше, производители зачастую используют одно ключевое решение – сокращение объёма силового агрегата. Но кроме всего прочего, чтобы производительность таких двигателей оставалась на достойном уровне, обычно устанавливают турбокомпрессоры, которые управляются выхлопом и обладают задержкой, что более известна под термином «турбо лаг».
- История электрической турбины
- Принцип работы электротурбины
- Плюсы и минусы электрической турбины
Автомобили с турбонаддувом подвергались этой проблеме много лет подряд, что сопровождалось постоянными жалобами и недовольством со стороны владельцев. Была найдена, как казалось, панацея – одновременная установка двух турбин, что минимизировало эффект турбо ямы.
История электрической турбины
Электрическая турбина после длительного времени разработок уже готова к массовому применению. Об этом первой заявила компания Controlled Power Technologies (CPT) из Британии. Электрический турбонагнетатель, по их словам, уже готов к массовому производству. Руководство СРТ уже подписало соглашение с фирмой Switched Reluctance Drives Limited, что займётся разработкой OEM-модуля, основанного на этой технологической базе.
Switched Reluctance Drives займётся серийным производством электрических компрессоров. Британские разработчики, тем временем уже преуспели в создании реальных электрических компрессоров для двигателей внутреннего сгорания. Турбонагнетатель CPT будет устанавливаться на любые двигатели: атмосферные, турбированные дизельные или бензиновые.
Компания Controlled Power Technologies разрабатывала электрическую турбину на протяжении почти восьми лет, работа над ней началась ещё в начале 21-го века.
Прототип машины с электрической турбиной разработала немецкая компания AVL List. Электрический нагнетатель был адаптирован к двухлитровому бензиновому двигателю с непосредственным топливным впрыском. Такой силовой агрегат, который был установлен на Vokswagen Passat, загрязняет атмосферу очень деликатно, если так можно выразиться, всего 159 граммов на каждый километр пути, а это на целых 20 процентов меньше чем у аналогичного традиционного 2.
Разработчики утверждают, что данная технология помогает автомобильным производителям вложиться в установленные экологические нормы, которые вступили в силу уже в этом году. Компания Controlled Power Technologies создала стартер-генератор SpeedStart с ременным приводом, который используется для работы системы Start\Stop, что отключает двигатель на кратковременных остановках, что обязательно сэкономит топливный расход в условиях движения по городу в пробках.
Но наряду с исследователями из Британии, немецкие разработчики создали доступную идею, для нагнетания воздуха и причём с минимальными затратами, что стала признанной во всей Европе. Существенно эффективным способом улучшения нагнетания воздуха в двигателе является мини-турбина от компании KAMANN, которая монтируется во впускную систему. Электро турбонагнетатель от KAMANN является миниатюрной турбиной, которая выполняет роль электрической системы нагнетания воздуха, установленной в подкапотное пространство.
Такой монтаж электрической турбины повышает крутящий момент мотора, в свою очередь способствуя понижению топливного расхода. Это улучшает качество выхлопных газов, уменьшая показатели углекислого газа и пролонгируя срок функционирования катализаторов, что улучшает общие скоростные характеристики автомобиля.
Принцип работы электротурбины
Принцип работы электрической турбины отличается от классического турбонагнетателя лишь за счёт конструкции оси, которая соединяет крыльчатки у классики. Когда турбокомпрессор достигает максимальных оборотов, контроллер включает электрический двигатель в генераторном режиме. За счёт этого предотвращается превышение пикового числа оборотов двигателя. В случаях слишком редкого понижения оборотов муфтовые соединения позволяют вращать крыльчатки независимо друг от друга, в свою очередь снижая нагрузку на подшипники.
Плюсы и минусы электрической турбины
Чем больше мощность, тем меньше выхлоп
Многие обычные двигатели внутреннего сгорания оснащаются турбинами для того, чтобы получить большую мощность и лучшее ускорение.
Они расходуют меньше топлива и следовательно загрязняют атмосферу выхлопными газами также гораздо меньше в сравнении с аналогичными агрегатами без компрессора и нагнетателя. Всё, конечно же, это производит прекрасное впечатление в теоретическом плане, но практика показывает иные результаты. Большой крутящий момент зачастую находится лишь в узком диапазоне числа оборотов двигателя. Зачастую у некоторых турбо-дизелей можно наблюдать плохой показатель ускорения, в моменты изменения положения педали акселератора мотору нужно некоторое время для увеличения мощности для необходимого ускорения. Это явление уже упоминалось в данной статье как турбо-яма».
Экономия и быстрый отклик
Проведя анализ рынка современных автомобилей, компания KAMANN утверждает, что к 2020 году доля автомобилей, которые будут оснащаться электрическими турбинами, будет составлять 50-60% от общего количества сошедших с конвейера автомобилей. Ими также был разработан прибор, который помогает быстрее реагировать на изменение педали акселератора и в то же время оставаться экономичным.
Эти требования очень сложно реализовать в двигателе с обычной системой турбонаддува. Такая турбосистема эффективна только в пределах определённого диапазона оборотов мотора.
Неоспоримое преимущество электрических турбин в эффективном нагнетании воздуха во всём диапазоне оборотов мотора автомобиля, даже в момент запуска двигателя, ведь нагнетаемый воздух уже находится во впускном коллекторе. В момент нагнетания воздуха, когда двигатель запускается, электрическая турбина мгновенно откликается на нажатие акселератора даже при маленькой скорости. Даже нагнетая воздух в момент переключения скоростей, Вы непрерывно будете получать дополнительную энергию для того чтобы двигаться и ускоряться.
Турбо нагнетатель, как дополнение турбосистемы
Эффективная работа большинства турбин начинается только свыше 3000 оборотов в минуту, а это означает, что крутящий момент ниже этой цифры уже не увеличивается, что не придаёт Вашему автомобилю динамичности, а двигателю мощности.
Поэтому классические турбины отходят далеко в прошлое. Установка электрической турбины позволяет двигателю уже при 1200 оборотов в минуту сразу после нажатия педали газа, получать больше чистого воздуха, не затрачивая при этом необходимую энергию. В этот момент «номы» подскакивают на 12% в сравнении с классикой!
Увеличение мощности равно экономия
Главным преимуществом установки электрической турбины является предоставление двигателю непрерывного крутящего момента и гораздо быстрого ускорения автомобиля. Kamann Autosport сравнили автомобили с бензиновым мотором объёмом 1,4 с установленной электрической турбиной и аналогичным автомобилем но с объёмом 1,6 и без турбины. Результат был следующим: оба автомобиля выдали приблизительно одинаковую мощность и крутящий момент при том же самом топливном расходе. Следовательно эти два двигателя одинаково мощны, но первый потребляет на 10% меньше топлива! А это значит, что наряду с возросшей мощностью топливный расход совсем не увеличится!
Электрическая турбина обделена всеми недостатками обычной турбины, а размер её гораздо меньше.
Кроме очевидных преимуществ, конечно, присутствуют и недостатки. Модуль электротурбины в зависимости от производителя достаточно прожорлив, что требует монтажа дополнительного оборудования.
Электро турбина на авто: принцип работы, плюсы и минусы
Использование современных систем принудительной индукции в автомобилях позволяет не только увеличить их мощность, но и улучшить экономические, экологические характеристики. Без сомнения, весомым преимуществом наддувных двигателей является их высокая эффективность. Достойной альтернативой классическим турбокомпрессорам является электрическая турбина. Давайте разберемся в чем плюсы и минусы использования данных агрегатов.
Принцип работы
Электрическая турбина представляет собой аналог механической модели. Основное предназначение устройства заключается в повышении мощности ДВС без вмешательства в его конструкционные особенности. Агрегат предназначен для повышения давления в области впускного тракта мотора.
С его помощью осуществляется подача в камеру сгорания обогащенной смеси топливно-воздушного типа.
Принцип работы электро турбин зависит от их конструкционных особенностей.
Различают следующие виды:
- нагнетатели электрического типа (EC/ET/ES). Компрессор приводится в действие за счет электрического мотора. Данный тип привода обеспечивает максимальную гибкость контроля;
- с электрическим ассистентом (EAT). В большинстве случаев электрический мотор располагается на валу между турбиной и компрессором. Дополнительно крутящий момент достигается за счет низких оборотов электрического мотора;
- разделенные турбины (EST). Работа колес турбинного и компрессорного типов на разных скоростях обеспечивается за счет оснащения турбины и компрессора отдельными электрическими двигателями. Энергия газов при помощи генератора трансформируется в электрическую;
- с дополнительным компрессором, который имеет электрический привод (TEDC).
Работа электрического двигателя не привязана к турбине. Наличие дополнительного компрессора обеспечивает рост давления в нижней части.
Работа электрического двигателя не привязана к турбине. Наличие дополнительного компрессора обеспечивает рост давления в нижней части.Лидером рынка по производству электрических компрессоров является британская компания «Controlled Power Technologies». В течение последнего десятилетия ее специалисты активно вели работу в данном направлении и устранили проблему эффекта турбоям на ДВС. Модель CPT позволяет работать нагнетателю на низких оборотах.
Плюсы и минусы
| Показатель | EC | EAT | EST | TEDC |
|---|---|---|---|---|
| Центр энергии | Аккумулятор | Газовая отработка / аккумулятор | Газовая отработка / аккумулятор | Газовая отработка / аккумулятор |
| N инверторная, электрического мотора | Большая | Маленькая | Большая | Маленькая |
| Т эффект | Маленькая | Большая | Маленькая | Маленькая |
| Габариты | Компактный | Средний | Большой | Большой |
| Турбина электрического типа | Отсутствует | Есть | Есть | Отсутствует |
| Компрессорный привод турбо-электрического типа | Отсутствует | Есть | Отсутствует | Отсутствует |
Современные технологические решения позволяют разрешить ряд проблем, которые связаны с турбированными компрессорами механического типа.
Электро турбины обеспечивают широкий диапазон функционирования турбины в равномерном крутящем моменте.
Снижение нагрузки на генератор позволяет снизить общий расход топлива. Данный эффект достигается за счет специальных механизмов. Наиболее распространенный вариант – рекуперация энергии. Практика показывает, что большая часть электрических турбин работает на низких оборотах.
Среди минусов данного устройства следует выделить высокую стоимость. Также это касается сложной конструкции (аккумулятор, специальные контроллеры, электрический мотор). Турбированные компрессоры отличаются значительным весом.
Преимущества и недостатки самостоятельной установки электротурбин
Многие автовладельцы покупают оригинальный агрегат с длительной гарантией. Это правильно, но дорого. Гораздо дешевле — ремонт турбины. Если говорить об электротурбинах, то альтернативный вариант заключается в самостоятельном сборе установки. Практика показывает, что при реализации данной идеи необходимо решить ряд ключевых задач, а именно:
- Выбор генератора высокой мощности.
- Установка электрического мотора бесколлекторного типа, который будет выдавать большие обороты.
- Обеспечение максимального нагнетания воздуха за счет корпуса, крыльчатки.
- Стабилизация питания электромотора при помощи инвертора.
В сети можно найти материал, подтверждающий установку таких агрегатов на автомобили. Это обеспечивает транспортные средства дополнительной мощностью в среднем на 25%.
Существенным недостатком данного подхода является сложность подбора функциональных элементов по техническим параметрам. При этом владелец авто должен быть готов к переделке электрической, топливной систем транспортных средств, прошивке ЭБУ.
Особенности китайских вариантов
Китайские производители предлагают разные модели электрических турбин. Устройства пользуются популярностью, благодаря доступной цене, широкому ассортименту. Однако всегда можно «нарваться» и на сомнительные аналоги. Такие изделия предназначены для установки в разрыв воздухозаборного шланга с целью нагнетания воздуха в камеру сгорания ДВС.
По заявлениям изготовителей это позволяет увеличить мощность транспортного средства в среднем на 14,9%.
К сожалению, существует риск приобретения простых кулеров с блоком управления. Модели, как правило, не имеют технических показателей (уровень потребления электричества, обороты, объем прокачиваемого воздуха). Широкое распространение получили электро турбины в форме улитки. Функциональные устройства не являются универсальными и подбираются под конкретный автомобиль. В сети размещено большое количество видео по данной тематике.
Заключение
Электрическая турбина – функциональное устройство, предназначенное для увеличения мощности ДВС. С его помощью решается проблема турбоям, обеспечивается эффективная работа мотора в небольшом диапазоне оборотов. Работа нагнетателя достигается за счет высокого давления (от 0,49 атмосферы). При грамотной настройке электрической системы гарантирован прирост КПД силового агрегата транспортного средства.
На сегодняшний день потребителю доступны различные варианты таких установок (EC, EAT, EST, TEDC).
Выбор подходящего типа зависит от технических характеристик авто, финансовых возможностей владельца. Если Вы не знаете на какой модели остановиться, обязательно проконсультируйтесь с профессионалами. Специалисты внимательно изучит систему электроники, подачу топлива и спланирует полный объем работ.
Вернутся к списку «Статьи и новости»
Увеличение запаса хода электромобиля — турбина
Микротурбины для увеличения запаса хода электромобиля
Опубликовано
Рисунок 1: Двигатель Toyota GTV [3].Главное преимущество газотурбинного двигателя по сравнению с обычными поршневыми (или даже роторными) автомобильными двигателями заключается в том, что он имеет значительно более высокую удельную мощность . Это означает, что при том же весе двигателя газовая турбина способна обеспечить гораздо более высокую выходную мощность. Вот почему авиация была одним из крупнейших пользователей этой технологии.
В последние годы как традиционные, так и новые производители автомобилей проявляют значительный интерес к исследованию, опять же, использование микротурбин в автомобилях .
На этот раз не как единственное средство движения, а скорее как источник энергии для расширения диапазона их преимущественно электрических силовых агрегатов. Электрификация автомобилей решает некоторые ключевые проблемы, связанные с внедрением турбин в качестве источника энергии на таких автомобилях . Основные причины, по которым прежние попытки не зарекомендовали себя на рынке, были связаны со стоимостью и удобством использования решения. В то время турбины были намного дороже, однако в современную эпоху 3D-печати и передовых материалов турбины имеют очень многообещающее значение, особенно с учетом того факта, что мы можем легко спроектировать их до работают с широким спектром «чистых» видов топлива , в отличие от традиционных двигателей внутреннего сгорания. С другой стороны, удобству использования сильно мешал тот факт, что газовые турбины не могут регулировать свою выходную мощность так же быстро, как типичный поршневой двигатель. Следовательно, при непосредственном соединении с трансмиссией, несмотря на какие-либо передовые системы трансмиссии, водитель не мог получить тот немедленный отклик, к которому привыкли обычные автомобильные двигатели.
Электрификация автомобильных двигателей решает эту проблему, выступая в качестве «буфера» между потребностью в мощности от водителя и подачей энергии от двигательной установки. Кроме того, теперь производители могут оптимизировать свои газовые турбины для работы в «оптимальных» условиях при зарядке аккумуляторной батареи или подаче дополнительной мощности на электрическую силовую передачу. Инженеры должны рассмотреть вопрос о том, как спроектировать турбину, которая будет создавать оптимальную мощность для рабочих диапазонов 9.0012 . Для целей высокой эффективности требуются надлежащий опыт и ресурсы для создания высокоэффективных турбин, которые могут достичь этих целей (см. рис. 2). Турбинный двигатель вместо того, чтобы работать в качестве основного двигателя, теперь будет работать только в наиболее эффективном режиме выходной мощности и работать, просто пропуская электричество через генератор, перезаряжая аккумуляторы автомобиля.
Работая как изолированная термомеханическая система, микротурбина может быть спроектирована и оптимизирована, не беспокоясь о изменяющихся рабочих циклах и холостом ходу , присущий трансмиссии автомобиля. Термодинамическая модель типичного микротурбинного расширителя диапазона показана на рисунке 3.
За последние несколько лет компания Jaguar выпустила концептуальный автомобиль, сочетающий в себе все вышеупомянутые преимущества микротурбины, интегрированной в гибридную трансмиссию, обладающую высокой производительностью, экономичностью и экологичностью. Другой компанией, которая в настоящее время разрабатывает такой автомобиль, является Hybrid Kinetic (рис. 4). Они также работают над решением для трансмиссии, в котором используется микротурбина, размер которой в несколько раз меньше, чем у типичного автомобильного двигателя, который способен дать Впечатляющая дальность действия при минимальном воздействии на окружающую среду .
Хотите узнать, как AxCYCLE™ и AxSTREAM® могут помочь увеличить запас хода вашего электромобиля и повысить эффективность его эксплуатации? Свяжитесь с нами, чтобы запланировать демонстрацию!
Каталожные номера :
- http://www.hkmotors.com/en/Industrial/car.aspx
- https://newsroom.toyota.co.jp/en/detail/7816725
- http://www.autoconcept-reviews.com/cars_reviews/toyota/toyota-gas-turbine-vehicle-gtv-1987/cars_reviews-toyota-gas-turbine-vehicle-gtv-1987.html
- https://media.jaguar.com/news/2011/06/c-x75-hybrid-supercar-named-most-significant-concept-vehicle-2011
Гибридный электрический спортивный автомобиль с увеличенным запасом хода с микротурбиной
Хотели бы вы полноприводный электромобиль, который разгоняется до 60 миль в час за 2,4 секунды, до 100 миль в час всего за 3,8 секунды и имеет максимальную скорость 160 миль в час? Если ответ «да», вам придется подождать до 2020 года, когда полноразмерная версия поступит в производство.
Сейчас он находится только на стадии прототипа. Кроме того, вам придется поехать в Сомерсет, Англия, чтобы забрать один из Ariel Motor Company. Другое дело: Ariel будет использовать микротурбинный генератор для подзарядки аккумулятора и увеличения запаса хода автомобиля.
Компания обнародовала некоторые подробности о своем совершенно новом сверхмощном электрическом спортивном автомобиле с увеличенным запасом хода, который в настоящее время называется HIPERCAR, что является аббревиатурой от HIgh PERformance Carbon Reduction. Компания еще не определилась с названием для автомобиля. Директор Ariel Саймон Сондерс говорит: «Это первый настоящий электрический суперкар, который будет пересекать континенты, ездить по городу и проезжать по гоночной трассе».
HIPERCAR будет доступен в виде полноприводного полноприводного полноприводного автомобиля с полным или полным приводом, окончательный внешний вид которого будет опубликован позже. Основанная на алюминиевом легком шасси с полной защитой от опрокидывания, конструкция имеет алюминиевые передний и задний подрамники с алюминиевыми поперечными рычагами и регулируемой внешней подвеской.
Подвеска HIPERCAR будет оснащена двойными поперечными рычагами на всех четырех углах с амортизаторами производства Bilstein. Ariel разрабатывает систему рулевого управления с усилителем, чтобы обеспечить максимальную обратную связь с водителем. Кованые или карбоновые колеса с шинами 265/35/R20 спереди и 325/30/R21 сзади.
HIPERCAR будет доступен как полноприводный полноприводный автомобиль с полным или полным приводом, окончательный внешний вид которого будет опубликован позже. На фотографиях выше показан прототип.
Два электродвигателя, по одному на каждое заднее колесо для заднего привода, или четыре электродвигателя, по одному на каждое колесо для полного привода. Приводные колеса приводятся в движение внутренними двигателями через встроенные односкоростные понижающие редукторы непосредственно на ведущие колеса, при этом каждый отдельный двигатель развивает мощность 220 кВт (295 л.с.) и 450 Нм (332 футо-фунта) крутящего момента. Весь двигатель, редуктор и инвертор в сборе весят всего 126 фунтов.
В приведенной ниже таблице указаны крутящий момент и мощность для полного и двухколесного привода.
Общий крутящий момент и мощность на двигателях и колесах
Электрическая архитектура автомобиля состоит из высоковольтных и низковольтных систем, связанных несколькими сетями CAN, что позволяет контроллеру трансмиссии, интерфейсу динамического управления автомобилем и контроллеру аккумуляторной батареи общаться и взаимодействовать с системами безопасности 12 В.
Этот гибридный электромобиль оснащен литий-ионным аккумулятором мощностью 750 В, 42 кВтч или 56 кВтч с охлаждением и подогревом, который при необходимости можно заряжать с помощью микротурбинного удлинителя запаса хода мощностью 35 кВт, что означает, что автомобиль может работать от топлива. доступны на местной заправочной станции. Это устраняет любые проблемы с запасом хода и делает автомобиль независимым от любой зарядной инфраструктуры.
Range Extender
MITER (микротурбинный расширитель диапазона) от Delta Motorsport будет использоваться HIPERCAR.
Преимущества MITRE заключаются в том, что он намного легче, меньше и эффективнее, чем обычные бензиновые двигатели в автомобилях, хотя они, как правило, производят выхлопные газы с очень высокой температурой, с которыми может быть трудно справиться.
Прототип системы MITRE выпускается с двумя выходными мощностями: 23 л.с. и 47 л.с., он примерно на 40 % меньше и при весе 50 кг примерно на 50 % легче, чем эквивалентный поршневой двигатель. Более мощный агрегат также имеет тепловой КПД около 30%, что соответствует лучшим поршневым двигателям, и обе версии имеют очень низкий уровень выбросов. В Delta говорят, что добавление более крупного теплообменника может повысить тепловую эффективность агрегата до 35%, что ставит его в один ряд с высокопроизводительными гоночными двигателями.
Прототип системы MITRE выпускается с двумя выходными мощностями: 23 л.с. и 47 л.с., он примерно на 40 % меньше и при весе 50 кг примерно на 50 % легче, чем эквивалентный поршневой двигатель.
Технический директор Delta Ник Карпентер считает, что газотурбинные двигатели являются наиболее эффективным ответом на увеличение запаса хода электромобиля. «Были различные попытки внедрить газотурбинные двигатели в легковые автомобили, но эти двигатели приводили в движение непосредственно колеса», — говорит он. «Продажи электромобилей сейчас набирают обороты, но людям, которые путешествуют на большие расстояния, по-прежнему нужен больший запас хода, и именно здесь увеличение запаса хода по-прежнему дает лучший ответ»,
Карпентер сказал, что добавление большего количества аккумуляторов в автомобиль для увеличения его запаса хода имеет свои ограничения из-за веса аккумуляторных элементов, но расширитель запаса хода с турбиной может резко увеличить запас хода электромобиля при незначительном возмещении выбросов.
Чтобы снизить затраты, Delta избегает использования экзотических материалов. «На ранних этапах программы было принято много фундаментальных решений, которые позволили нам снизить производственные затраты», — говорит Карпентер.