В условиях ужесточаемых экологических норм автопроизводители вынуждены разрабатывать способы повышения экологичности и эффективности двигателей при сохранении производительности. В связи с этим получили распространение системы принудительной индукции. Если в прошлом их применяли для повышения производительности, то теперь используют в качестве средства улучшения экономичности и экологичности. Благодаря наддуву можно достичь тех же показателей, что на атмосферных моторах, при меньшем количестве цилиндров и меньшем объеме. То есть наддувные двигатели более эффективны. Другой метод — применение электрической энергии как в отдельности (электродвигатели), так и в комбинации с ДВС (гибридные силовые установки). В данной статье рассмотрены электротурбины, совмещающие данные подходы.
Общие особенности
Неэлектрические системы принудительной индукции по источнику энергии классифицируют на турбокомпрессоры и нагнетатели. Электрические системы основаны на них и нацелены на улучшение производительности при переходных процессах и минимизацию лагов.
Электронагнетатель, согласно Honeywell, представляет собой приводимый электродвигателем компрессор, который устанавливают на оснащенный наддувом мотор. То есть это дополнительное устройство для турбодвигателя. Электротурбина — аналог механической турбины. Привод в данном случае может быть реализован по-разному.
Согласно классификации исследователей Висконсинского университета в Мадисоне, электрические системы принудительной индукции по конструкции и принципу функционирования дифференцируют на следующие виды:
- электрические нагнетатели (EC/ET/ES);
- турбины с электроассистентом (EAT);
- электрически разделенные турбины (EST);
- турбины с дополнительным компрессором с электроприводом (TEDC).
Конструкция
Приведенные выше типы электротурбин имеют различное устройство. Это заключается в разных схемах расположения компонентов, в отличиях их технических параметров и т. д.
EC
EC представляет собой приводимый электромотором компрессор. Это упомянутый выше электронагнетатель. Электропривод обеспечивает наибольшую гибкость контроля и возможность эксплуатации компрессора в оптимальной рабочей точке. Однако для этого требуются мощные электрические компоненты.
EAT
В EAT высокоскоростной электромотор установлен между турбиной и компрессором, обычно на валу. Ввиду того, что он не является основным источником энергии, используются электрические компоненты малой мощности. Это обуславливает невысокую стоимость. К тому же такие турбокомпрессоры имеют способность самоопределения положения ротора и характеризуются хорошими генерирующими и моторными возможностями. Основной проблемой является высокотемпературное воздействие на электромотор, особенно если он установлен внутри корпуса.
Существуют различные методы ее решения. Например, BMW установила сцепления для обеспечения возможности подключения и отключения электродвигателя от вала. Благодаря этому мотор можно разместить за пределами турбины. G+L inotec использовала двигатель с постоянными магнитами с большим воздушным зазором, который также может находиться снаружи. Внутренний диаметр статора равен внешнему диаметру компрессора, а внешний диаметр ротора – выходному диаметру вала. Воздушный зазор может выполнять роль впускного воздушного канала. Это обеспечивает преимущества с точки зрения охлаждения, инерции и термического эффекта. Кроме того, по термоустойчивости и терморегулированию индукционные электромоторы, с переменным магнитным сопротивлением, универсальные коллекторные более предпочтительны в сравнении с двигателем с поверхностными постоянными магнитами.
EST
В EST турбина и компрессор не соединены валом, и каждый из них оснащен электродвигателем. Это обеспечивает возможность работы компрессорного и турбинного колес с различными скоростями. Данная конструкция имеет преимущества, аналогичные ET, но, в отличие от нее, способна генерировать энергию. Кроме того, она отличается меньшим температурным эффектом ввиду разделения компрессора и турбины, а также отсутствием дополнительной инерции от турбины и ее вала. Разделение турбины и компрессора выгодно с точки зрения компоновки, так как позволяет оптимизировать путь воздушного потока. Однако такая технология также требует мощных электромотора, генератора и инверторов для удовлетворения соотношения крутящий момент/инерция, что сказывается на стоимости.
TEDC
TEDC представляет собой механическую турбину с дополнительным компрессором, приводимым электромотором. По расположению компрессора относительно турбины данные системы классифицируют на варианты выше и ниже по потоку (над и под турбиной соответственно). В целом они характеризуются значительно лучшей отзывчивостью при переходных процессах на «низах» ввиду независимости электродвигателя от инерции турбины и вала. Причем TEDC в нисходящем потоке в данном отношении превосходят варианты в восходящем ввиду того, что последние отличаются большим объемом для поддержания давления. Еще одно достоинство электротурбин данного типа состоит в минимальных отличиях от механических.
Принцип функционирования
Приведенные типы электротурбин различаются принципом работы. Так, по-разному реализован привод, некоторые из них способны вырабатывать энергию и т. д.
EC
В EC компрессор приводится электродвигателем. Такая система не способна генерировать энергию, но для ее накопления может быть объединена с системой рекуперативного торможения или встроенным генератором стартера.
EAT
В EAT на низких оборотах электромотор обеспечивает дополнительный крутящий момент компрессору для повышения давления наддува. На «верхах» он вырабатывает энергию, которая может передаваться на хранение. К тому же электродвигатель может предотвратить превышение турбиной предельной скорости. Однако возможно возникновение эффекта высокого противодавления, что компенсирует извлеченную из выхлопных газов энергию.
Ввиду возможности генерации электроэнергии из отработанных газов такие турбокомпрессоры называют гибридными. На легковых автомобилях в зависимости от цикла движения они могут создать от нескольких сотен Вт до кВт. Это позволяет заменять генератор, экономя топливо.
EST
В EST энергия отработанных газов не приводит компрессор непосредственно, а преобразуется в электрическую энергию с использованием генератора. Компрессор приводится накопленной энергией.
TEDC
В TEDC электродвигатель функционирует независимо от турбины, а приводимый им дополнительный компрессор служит для повышения наддува на «низах».
Конструктивные и функциональные отличия
Принципиальные отличия рассмотренных электрических систем принудительной индукции объединены исследователями Висконсинского университета в Мадисоне в графическом и табличном виде. На рисунке, размещенном ниже, представлены схемы их устройства (a — EAT, b — EC, c — EST, d — TEDC вверх по потоку, e — TEDC вниз по потоку).
Таблица отражает основные положения устройства. К ним относятся источник энергии, привод компрессора, мощность электрических компонентов. К тому же важны такие качества, как габариты и температурный эффект.
|
Тип |
EC |
EAT |
EST |
TEDC |
|
Источник энергии |
Батарея |
Отработанные газы / батарея |
Отработанные газы / батарея |
Отработанные газы / батарея |
|
Мощность электомотора и инвертора |
Высокая |
Низкая |
Высокая |
Низкая |
|
Температурный эффект |
Низкий |
Высокий |
Низкий |
Низкий |
|
Размер |
Малый |
Средний |
Большой |
Большой |
|
Электротурбина |
Нет |
Да |
Да |
Нет |
|
Турбо-электрический привод компрессора |
Нет |
Да |
Нет |
Нет |
Таким образом, к электротурбинам относятся технологии EAT и EST. EC, как было отмечено — отдельный механизм, TEDC — оснащенная им обычная система турбонаддува.
Достоинства и недостатки
Привод турбины электрическим двигателем позволяет устранить основные недостатки механических турбокомпрессоров.
- Отсутствует лаг, так как электромотор может обеспечить очень высокую скорость раскрутки ротора.
- Отсутствует турбояма, обусловленная недостатком отработанных газов, так как в таком случае нехватку энергии компенсирует электромотор.
- Электродвигатель позволяет сохранить наддув при переходных процессах подобно антилагу без негативных эффектов последнего.
- Это обеспечивает обширный диапазон работы и равномерный крутящий момент.
- Некоторые типы данных механизмов способны генерировать электричество, снижая нагрузку на генератор и сокращая расход топлива.
- Возможна рекуперация потерянной энергии, как это реализовала Ferrari в двигателе «Формулы-1».
- Электро-турбины работают в более щадящих условиях и на меньших оборотах (100 тыс. вместо 200-300 тыс.).
Однако данная технология имеет ряд недостатков.
- Большая сложность конструкции, включающей электродвигатель и контроллеры.
- Это обуславливает высокую стоимость.
- К тому же сложность конструкции сказывается на надежности.
- Ввиду большого количества конструктивных элементов (помимо турбины сюда входит электромотор, контроллеры, батарея) такие турбокомпрессоры намного больше и тяжелее обычных.
К тому же каждый тип электротурбин характеризуется специфическими особенностями.
|
Тип |
EC |
EAT |
EST |
TEDC вверх по потоку |
TEDC вниз по потоку |
|
Достоинства |
|
|
|
|
|
|
Недостатки |
|
|
|
|
|
По долговечности, по мнению IHI, электротурбины будут эквивалентны механическим ввиду работы в тех же условиях в более щадящем режиме при большей сложности конструкции.
Актуальность
Несмотря на хорошие показатели, электротурбины в настоящее время массово не используются на серийных автомобилях. Это обусловлено их высокой стоимостью и сложностью. К тому же усовершенствованные варианты механических турбин (твинскрольные и с изменяемой геометрией) обладают сходными преимуществами перед начальными модификациями (хотя и в меньшей степени) при значительно меньшей стоимости. Сейчас EST использует Ferrari в двигателе «Формулы-1». По мнению Honeywell, массовое применение электротурбин начнется в начале следующего десятилетия. Следует отметить, что электрические нагнетатели уже используются на некоторых серийных автомобилях, например Honda Clarity, так как они проще.
Простейшие и самодельные механизмы
В начале десятилетия на рынке появились простейшие дешевые механизмы, подобные компьютерным кулерам, также называемые электрическими турбинами. Они располагаются на впуске и работают от аккумулятора. Возможно использование таких электро-турбин и на карбюраторе, и на инжекторе. По утверждениям производителей, они увеличивают поток поступающего в двигатель воздуха, ускоряя его, что дает прирост производительности до 15 %. При этом параметры (обороты, поток, мощность) обычно не указаны. Очень просто установить такие электро-турбины на авто своими руками.
Однако в действительности их электродвигатели развивают до нескольких сотен Вт, чего недостаточно для увеличения объема потока, так как для этого требуется около 4 кВт. Поэтому такое устройство станет серьезным препятствием на впуске, вследствие чего производительность, наоборот, сократится. В лучшем случае потери от него будут небольшими, что ощутимо не скажется на динамике.
Кроме того, в Интернете можно найти наработки по созданию электро-турбины своими руками. В отличие от упомянутых выше дешевых вариантов, их строят на основе центробежного компрессора и бесколлекторного двигателя мощностью до 17 кВт и напряжением 50-70 В, так как только такой мотор способен обеспечить достаточные для вращения компрессора крутящий момент и обороты. Двигатель нужно оснастить контроллером скорости вращения. Данная система не требует интеркулера – для нее достаточно холодного впуска. Установка электро-турбины такого типа, возможно, потребует замены генератора (на 90-100 А) и аккумулятора (на более емкий с высокой токоотдачей). Скорость вращения компрессора определяется положением дросселя. Причем зависимость не линейная, а экспоненциальная.
Целесообразно создавать такие электро-турбины под автомобили с малолитражными двигателями объемом до 1,5 л, что обусловлено большим энергопотреблением. Причем чем больше объем мотора, тем меньшее давление наддува сможет создать нагнетатель. Так, на 0,7-л двигателе оно будет составлять 0,4-0,5 бар, на 1,5 л – 0,2-0,3 бар. К тому же такой наддув не сможет функционировать продолжительное время на максимальной производительности ввиду нагрева. Однако контроллер можно настроить на принудительную активацию.
Ввиду высокой стоимости компонентов весьма затратно сделать такую электро-турбину. Отзывы свидетельствуют об ощутимой прибавке производительности.
С точки зрения конструкции эти механизмы, как и упомянутые выше дешевые варианты, относятся к электронагнетателям. Однако часто их ошибочно называют электротурбинами. Сейчас на рынке представлены более серьезные фирменные механизмы, близкие к самодельным.
Резюме
Электротурбины более отзывчивы, производительны и эффективны в сравнении с механическими и обладают дополнительными функциями. При этом, с одной стороны, они имеют усложненную конструкцию, но, с другой, функционируют в более щадящих условиях.