2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-02-19 13:27
Durch die Verschärfung der Umweltvorschriften sind die Autohersteller gezwungen, Wege zu entwickeln, um die Umweltfreundlichkeit und Effizienz von Motoren zu verbessern und gleichzeitig die Leistung beizubeh alten. In dieser Hinsicht haben Zwangseinleitungssysteme weite Verbreitung gefunden. Während sie früher der Produktivitätssteigerung dienten, werden sie heute als Mittel zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit eingesetzt. Dank Aufladung erreichen Sie mit weniger Zylindern und kleinerem Volumen die gleiche Leistung wie bei atmosphärischen Motoren. Das heißt, aufgeladene Motoren sind effizienter. Eine andere Methode ist die Nutzung elektrischer Energie sowohl separat (Elektromotoren) als auch in Kombination mit Verbrennungsmotoren (Hybridkraftwerke). Dieser Artikel beschreibt elektrische Turbinen, die diese Ansätze kombinieren.
Allgemeine Funktionen
Nicht elektrische Aufladungssysteme werden je nach Energiequelle in Turbolader und Kompressoren eingeteilt. Elektrische Systeme bauen darauf auf und zielen darauf ab, die Leistung bei Transienten zu verbessern. Prozesse und Minimierung von Verzögerungen.
Das elektrische Gebläse ist laut Honeywell ein Kompressor, der von einem Elektromotor angetrieben wird, der auf einem aufgeladenen Motor montiert ist. Das heißt, dies ist ein zusätzliches Gerät für einen Turbomotor. Eine elektrische Turbine ist ein Analogon einer mechanischen Turbine. Der Antrieb kann dabei auf unterschiedliche Weise realisiert werden.
Nach der Klassifikation von Forschern der University of Wisconsin-Madison werden elektrische Systeme mit erzwungener Induktion nach Aufbau und Wirkungsweise in folgende Typen unterschieden:
- elektrische Gebläse (EC/ET/ES);
- Turbinen mit elektrischem Assistenten (EAT);
- elektrisch getrennte Turbinen (EST);
- Turbinen mit elektrischem Zusatzverdichter (TEDC).
Design
Die oben genannten Arten von elektrischen Turbinen haben ein anderes Design. Das liegt an der unterschiedlichen Anordnung der Komponenten, an den Unterschieden in ihren technischen Parametern etc.
EC
EC ist ein von einem Elektromotor angetriebener Kompressor. Dies ist das oben erwähnte elektrische Gebläse. Der Elektroantrieb bietet höchste Regelflexibilität und die Möglichkeit, den Kompressor im optimalen Betriebspunkt zu betreiben. Dies erfordert jedoch leistungsstarke elektrische Komponenten.
EAT
Bei EAT ist ein Hochgeschwindigkeits-Elektromotor zwischen Turbine und Kompressor montiert, normalerweise auf einer Welle. Aufgrund der Tatsache, dass es nicht die Hauptenergiequelle ist, verwendet werdenelektrische Komponenten mit geringer Leistung. Dies führt zu niedrigen Kosten. Darüber hinaus haben solche Turbolader die Fähigkeit, die Position des Rotors selbst zu erkennen, und zeichnen sich durch gute Erzeugungs- und Motorfähigkeiten aus. Das Hauptproblem ist die hohe Temperatureinwirkung auf den Elektromotor, insbesondere wenn er im Gehäuse eingebaut ist.
Es gibt verschiedene Methoden, um es zu lösen. Beispielsweise hat BMW Kupplungen eingebaut, um den Elektromotor mit der Welle verbinden und von ihr trennen zu können. Dadurch kann der Motor außerhalb der Turbine platziert werden. G+L inotec verwendete einen Permanentmagnet-Motor mit großem Luftsp alt, der auch im Freien platziert werden kann. Der Innendurchmesser des Stators ist gleich dem Außendurchmesser des Kompressors, und der Außendurchmesser des Rotors ist gleich dem Auslassdurchmesser der Welle. Der Luftsp alt kann als Lufteinlass wirken. Dies bietet Vorteile hinsichtlich Kühlung, Trägheit und thermischer Wirkung. Darüber hinaus sind in Bezug auf die thermische Stabilität und thermische Kontrolle Induktionselektromotoren mit variablem magnetischem Widerstand, Universalkollektormotoren im Vergleich zu einem Motor mit Oberflächenpermanentmagneten vorzuziehen.
EST
In EST sind Turbine und Kompressor nicht durch eine Welle verbunden, und jeder von ihnen ist mit einem Elektromotor ausgestattet. Dadurch können die Verdichter- und Turbinenräder mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten. Dieses Design hat ähnliche Vorteile wie ET, ist aber im Gegensatz zu diesem in der Lage, Energie zu erzeugen. Außerdem sieAufgrund der Trennung von Verdichter und Turbine sowie des Fehlens zusätzlicher Trägheit von der Turbine und ihrer Welle hat sie eine geringere thermische Wirkung. Die Trennung von Turbine und Verdichter ist aus Sicht des Packaging vorteilhaft, da dadurch der Luftströmungsweg optimiert werden kann. Diese Technologie erfordert jedoch auch einen leistungsstarken Elektromotor, Generator und Wechselrichter, um das Drehmoment-/Trägheitsverhältnis zu erfüllen, was mit Kosten verbunden ist.
TEDC
TEDC ist eine mechanische Turbine mit einem zusätzlichen Kompressor, der von einem Elektromotor angetrieben wird. Entsprechend der Position des Kompressors relativ zur Turbine werden diese Systeme in Optionen stromaufwärts und stromabwärts (jeweils über und unter der Turbine) eingeteilt. Generell zeichnen sie sich durch ein deutlich besseres Ansprechverh alten bei Transienten am „Boden“durch die Unabhängigkeit des Elektromotors von der Trägheit von Turbine und Welle aus. Darüber hinaus sind Downstream-TEDCs in dieser Hinsicht Upstream-Optionen überlegen, da letztere sich durch ein großes Volumen zur Druckh altung auszeichnen. Ein weiterer Vorteil dieser Art von elektrischen Turbinen sind die minimalen Unterschiede zu mechanischen.
Funktionsprinzip
Die oben genannten Arten von elektrischen Turbinen unterscheiden sich im Funktionsprinzip. Der Antrieb ist also anders implementiert, einige davon können Energie erzeugen usw.
EC
Bei EC wird der Kompressor von einem Elektromotor angetrieben. Ein solches System ist nicht in der Lage, Energie zu erzeugen, sondern dafürkann mit einem regenerativen Bremssystem oder einem eingebauten Startergenerator kombiniert werden.
EAT
Im EAT liefert der Elektromotor bei niedrigen Drehzahlen zusätzliches Drehmoment an den Kompressor, um den Ladedruck zu erhöhen. An den „Spitzen“erzeugt es Energie, die in Speicher überführt werden kann. Außerdem kann der Elektromotor verhindern, dass die Turbine ihre Drehzahlgrenze überschreitet. Es kann jedoch ein hoher Gegendruckeffekt auftreten, der die den Abgasen entzogene Energie kompensiert.
Aufgrund der Möglichkeit, Strom aus Abgasen zu erzeugen, werden solche Turbolader Hybrid genannt. Bei Pkw können sie je nach Fahrzyklus mehrere hundert Watt bis kW erzeugen. Dadurch können Sie die Lichtmaschine ersetzen und gleichzeitig Kraftstoff sparen.
EST
Bei EST treibt die Energie der Abgase den Kompressor nicht direkt an, sondern wird über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Der Kompressor wird durch gespeicherte Energie angetrieben.
TEDC
Bei TEDC arbeitet der Elektromotor unabhängig von der Turbine und der von ihm angetriebene Zusatzverdichter dient der Erhöhung des Ladedrucks "unten".
Design- und Funktionsunterschiede
Die grundlegenden Unterschiede zwischen den betrachteten elektrischen Systemen der Zwangsinduktion haben Forscher der University of Wisconsin-Madison in grafischer und tabellarischer Form zusammengefasst. Die folgende Abbildung zeigt die Diagramme ihres Geräts (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC stromaufwärts, e - TEDC stromabwärts).
Die Tabelle gibt die wichtigsten Ausstattungsmerkmale des Geräts wieder. Dazu gehören die Energiequelle, der Antrieb des Kompressors, die Leistung der elektrischen Komponenten. Außerdem sind Eigenschaften wie Abmessungen und Temperatureinfluss wichtig.
| Typ | EC | EAT | EST | TEDC |
| Stromquelle | Akku | Abgase / Batterie | Abgase / Batterie | Abgase / Batterie |
| Leistung von Elektromotor und Wechselrichter | Hoch | Niedrig | Hoch | Niedrig |
| Temperatureffekt | Niedrig | Hoch | Niedrig | Niedrig |
| Größe | Klein | Mittel | Groß | Groß |
| Elektrische Turbine | Nein | Ja | Ja | Nein |
| Turboelektrischer Kompressorantrieb | Nein | Ja | Nein | Nein |
Daher gehören EAT- und EST-Technologien zu elektrischen Turbinen. EC so wie es warbemerkt - ein separater Mechanismus, TEDC - ein herkömmliches Turboladersystem, das damit ausgestattet ist.
Vor- und Nachteile
Turbinenantrieb durch einen Elektromotor beseitigt die wesentlichen Nachteile mechanischer Turbolader.
- Keine Verzögerung, da der Elektromotor den Rotor sehr schnell hochdrehen kann.
- Es entsteht kein Turboloch durch fehlende Abgase, da in diesem Fall der Elektromotor die fehlende Energie ausgleicht.
- Der Elektromotor ermöglicht es Ihnen, den Schub während Transienten wie Anti-Lag ohne die negativen Auswirkungen des letzteren aufrechtzuerh alten.
- Dies sorgt für einen großen Betriebsbereich und ein konstantes Drehmoment.
- Einige Arten dieser Mechanismen können Strom erzeugen, die Belastung des Generators verringern und den Kraftstoffverbrauch senken.
- Die Rückgewinnung verlorener Energie ist möglich, wie es Ferrari im Formel-1-Motor implementiert hat.
- Elektroturbinen arbeiten unter sanfteren Bedingungen und mit niedrigeren Geschwindigkeiten (100.000 statt 200-300.000).
Diese Technologie hat jedoch einige Nachteile.
- Große Designkomplexität einschließlich Motor und Controller.
- Dies verursacht hohe Kosten.
- Darüber hinaus wirkt sich die Komplexität des Designs auf die Zuverlässigkeit aus.
- Diese Turbolader sind aufgrund der Vielzahl an Bauteilen (neben Turbine u.a. Elektromotor, Steuerung, Batterie) deutlich größer und schwerer als herkömmliche.
Außerdem ist jeder Typ von elektrischer Turbine gekennzeichnetBesonderheiten.
| Typ | EC | EAT | EST | TEDC-Upstream | TEDC-Downstream |
| Würde |
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| Fehler |
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In Bezug auf die H altbarkeit werden elektrische Turbinen laut IHI mechanischen Turbinen gleichwertig sein, da sie unter den gleichen Bedingungen in einem sanfteren Modus mit größerer Konstruktionskomplexität betrieben werden.
Relevanz
Trotz guter Leistung werden elektrische Turbinen derzeit nicht häufig in Serienautos eingesetzt. Dies ist auf ihre hohen Kosten und Komplexität zurückzuführen. Darüber hinaus haben verbesserte Versionen von mechanischen Turbinen (Twin Scroll und variable Geometrie) ähnliche Vorteile gegenüber den anfänglichen Modifikationen (wenn auch in geringerem Ausmaß) bei viel geringeren Kosten. Jetzt verwendet EST Ferrari im Formel-1-Motor. Laut Honeywell wird der Masseneinsatz von Elektroturbinen Anfang des nächsten Jahrzehnts beginnen. Es sei darauf hingewiesen, dass elektrische Kompressoren bereits in einigen Serienfahrzeugen wie dem Honda Clarity verwendet werden, da sie einfacher sind.
Die einfachsten und hausgemachten Mechanismen
Anfang des Jahrzehnts erschienen einfache, billige Maschinen wie Computerkühler, auch elektrische Turbinen genannt, auf dem Markt. Sie befinden sich am Einlass und sind batteriebetrieben. Es ist möglich, solche elektrischen Turbinen sowohl am Vergaser als auch am Injektor zu verwenden. Laut Hersteller erhöhen sie den in den Motor eintretenden Luftstrom und beschleunigen ihn, was zu einer Leistungssteigerung von bis zu 15% führt. In diesem Fall werden die Parameter (Drehzahl, Durchfluss, Leistung) normalerweise nicht angezeigt. Es ist sehr einfach, solche elektrischen Turbinen mit eigenen Händen in ein Auto einzubauen.
Doch ihre Elektromotoren entwickeln in der Realität bis zu mehreren hundert Watt, was nicht ausreicht, um die Durchflussmenge zu erhöhen, da hierfür etwa 4 kW benötigt werden. Daher wird eine solche Vorrichtung am Einlass zu einem ernsthaften Hindernis, wodurch im Gegenteil die Produktivität verringert wird. Im besten Fall sind die Verluste gering, was die Dynamik nicht wesentlich beeinflusst.
Darüber hinaus finden Sie im Internet Entwicklungen zum Erstellen einer elektrischen Turbine mit Ihren eigenen Händen. Im Gegensatz zu den oben genannten billigen Optionen basieren sie auf einem Kreiselkompressor und einem bürstenlosen Motor mit einer Leistung von bis zu 17 kW und einer Spannung von 50-70 V, da nur ein solcher Motor in der Lage ist, ein ausreichendes Drehmoment bereitzustellen und Geschwindigkeit, um den Kompressor zu drehen. Der Motor muss mit einem Drehzahlregler ausgestattet sein. Dieses System benötigt keinen Ladeluftkühler - dafür reicht eine Kälteansaugung. Die Installation einer elektrischen Turbine dieses Typs kann den Austausch eines Generators (für 90-100 A) und einer Batterie (für eine größere mit hoher Stromabgabe) erfordern. Die Drehzahl des Kompressors wird durch die Stellung der Drosselklappe bestimmt. Außerdem ist die Abhängigkeit nicht linear, sondern exponentiell.
Aufgrund des hohen Energieverbrauchs ist es ratsam, solche elektrischen Turbinen für Autos mit kleinen Motoren bis 1,5 Liter zu bauen. Außerdem kann der Kompressor umso weniger Ladedruck erzeugen, je größer das Volumen des Motors ist. Bei einem 0,7-Liter-Motor sind es also 0,4 bis 0,5 bar, bei 1,5 Litern 0,2 bis 0,3 bar. Außerdem wird ein solcher Kompressor aufgrund der Erwärmung nicht lange mit maximaler Leistung arbeiten können. Der Controller kann jedoch so konfiguriert werden, dass er die Aktivierung erzwingt.
Aufgrund der hohen Komponentenkosten ist die Herstellung einer solchen elektrischen Turbine sehr teuer. Bewertungen weisen auf eine messbare Leistungssteigerung hin.
Vom Design her handelt es sich bei diesen Mechanismen, wie auch bei den oben genannten günstigen Optionen, um elektrische Kompressoren. Sie werden jedoch oft fälschlicherweise als elektrische Turbinen bezeichnet. Jetzt gibt es auf dem Markt ernsthaftere Markenbewegungen, die fast hausgemacht sind.
Lebenslauf
Elektrische Turbinen sind reaktionsschneller, produktiver und effizienter als mechanische und haben zusätzliche Funktionen. Gleichzeitig haben sie einerseits ein kompliziertes Design, arbeiten aber andererseits unter günstigeren Bedingungen.
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