Tua bin điện: đặc điểm, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của công việc, mẹo lắp đặt tự làm và đánh giá của chủ sở hữu

2024 Tác giả: Erin Ralphs | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-02-19 19:58

Với việc thắt chặt các quy định về môi trường, các nhà sản xuất ô tô đang bị buộc phải phát triển các cách để cải thiện tính thân thiện với môi trường và hiệu quả của động cơ trong khi vẫn duy trì hiệu suất. Về vấn đề này, các hệ thống cảm ứng cưỡng bức đã trở nên phổ biến. Trong khi trước đây chúng được sử dụng để tăng năng suất thì hiện nay chúng được sử dụng như một phương tiện cải thiện kinh tế và thân thiện với môi trường. Nhờ tăng áp, bạn có thể đạt được hiệu suất tương tự như trên động cơ khí quyển, với ít xi lanh hơn và thể tích nhỏ hơn. Tức là, động cơ tăng áp hiệu quả hơn. Một phương pháp khác là sử dụng năng lượng điện riêng biệt (động cơ điện) và kết hợp với động cơ đốt trong (nhà máy điện hybrid). Bài viết này thảo luận về các tua-bin điện kết hợp các phương pháp này.

Tính năng chung

Hệ thống cảm ứng cưỡng bức không dùng điện theo nguồn năng lượng được phân thành tăng áp và siêu nạp. Hệ thống điện được xây dựng dựa trên chúng và nhằm mục đích cải thiện hiệu suất trong quá trình chuyển tiếp.xử lý và giảm thiểu độ trễ.

Máy thổi điện, theo Honeywell, là một máy nén được điều khiển bởi một động cơ điện được gắn trên một động cơ siêu nạp. Có nghĩa là, đây là một thiết bị bổ sung cho động cơ turbo. Tuabin điện là một thiết bị tương tự của tuabin cơ khí. Ổ đĩa trong trường hợp này có thể được triển khai theo nhiều cách khác nhau.

Theo phân loại của các nhà nghiên cứu tại Đại học Wisconsin-Madison, hệ thống điện cảm ứng cưỡng bức được phân biệt thành các loại sau theo thiết kế và nguyên lý hoạt động:

• máy thổi điện (EC / ET / ES);
• tuabin có trợ lực điện (EAT);
• tuabin tách điện (EST);
• tuabin có thêm máy nén dẫn động bằng điện (TEDC).

Thiết kế

Các loại tuabin điện trên có thiết kế khác nhau. Điều này nằm ở cách bố trí khác nhau của các thành phần, sự khác biệt trong các thông số kỹ thuật của chúng, v.v.

EC

EC là một máy nén điều khiển động cơ điện. Đây là máy thổi điện đã nói ở trên. Truyền động điện cung cấp khả năng điều khiển linh hoạt nhất và khả năng vận hành máy nén ở điểm hoạt động tối ưu. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi các thành phần điện mạnh mẽ.

ĂN

Trong EAT, một động cơ điện tốc độ cao được gắn giữa tuabin và máy nén, thường là trên một trục. Do thực tế rằng nó không phải là nguồn năng lượng chính, được sử dụngcác thành phần điện công suất thấp. Điều này dẫn đến chi phí thấp. Ngoài ra, các bộ tăng áp như vậy có khả năng tự phát hiện vị trí của rôto và được đặc trưng bởi khả năng phát điện và động cơ tốt. Vấn đề chính là ảnh hưởng của nhiệt độ cao đối với động cơ điện, đặc biệt nếu nó được lắp đặt bên trong vỏ.

Có nhiều phương pháp khác nhau để giải quyết nó. Ví dụ, BMW đã lắp đặt bộ ly hợp để cho phép kết nối và ngắt động cơ điện khỏi trục. Nhờ đó, động cơ có thể được đặt bên ngoài tuabin. G + L inotec đã sử dụng một động cơ nam châm vĩnh cửu có khe hở không khí lớn, có thể đặt ở bên ngoài. Đường kính trong của stato bằng đường kính ngoài của máy nén, và đường kính ngoài của rôto bằng đường kính đầu ra của trục. Khe hở không khí có thể hoạt động như một cửa hút gió. Điều này mang lại lợi thế về hiệu ứng làm mát, quán tính và nhiệt. Ngoài ra, về độ ổn định nhiệt và kiểm soát nhiệt, động cơ điện cảm ứng có điện trở từ biến đổi, động cơ thu đa năng được ưu tiên hơn so với động cơ có nam châm vĩnh cửu bề mặt.

EST

Trong EST, tuabin và máy nén không được kết nối bằng trục và mỗi tuabin được trang bị một động cơ điện. Điều này cho phép máy nén và bánh tuabin hoạt động ở các tốc độ khác nhau. Thiết kế này có những ưu điểm tương tự như ET, nhưng không giống như nó, nó có thể tạo ra năng lượng. Ngoài ra, côNó có ít hiệu ứng nhiệt hơn do sự tách biệt của máy nén và tuabin, cũng như không có quán tính bổ sung từ tuabin và trục của nó. Tách tuabin và máy nén là một lợi thế từ quan điểm đóng gói, vì nó cho phép tối ưu hóa đường dẫn dòng khí. Tuy nhiên, công nghệ này cũng yêu cầu một động cơ điện, máy phát điện và bộ biến tần mạnh mẽ để đáp ứng tỷ lệ mô-men xoắn / quán tính, điều này sẽ phải trả giá đắt.

TEDC

TEDC là một tuabin cơ học với một máy nén bổ sung được dẫn động bởi một động cơ điện. Theo vị trí của máy nén so với tuabin, các hệ thống này được phân loại thành các tùy chọn ở thượng nguồn và hạ lưu (tương ứng trên và dưới tuabin). Nói chung, chúng được đặc trưng bởi khả năng đáp ứng tốt hơn đáng kể trong quá trình quá độ ở "đáy" do sự độc lập của động cơ điện với quán tính của tuabin và trục. Hơn nữa, các TEDC ở hạ nguồn vượt trội hơn về mặt này so với các phương án ở thượng nguồn do thực tế là các phương án sau có đặc điểm là có khối lượng lớn để duy trì áp lực. Một ưu điểm khác của loại tuabin điện này là sự khác biệt tối thiểu so với tuabin cơ khí.

Nguyên tắc hoạt động

Các loại tua bin điện trên khác nhau về nguyên lý hoạt động. Vì vậy, ổ đĩa được triển khai khác nhau, một số trong số chúng có thể tạo ra năng lượng, v.v.

EC

Trong EC, máy nén được điều khiển bởi một động cơ điện. Một hệ thống như vậy không có khả năng tạo ra năng lượng, nhưngbộ lưu trữ có thể được kết hợp với hệ thống phanh phục hồi hoặc máy phát điện khởi động tích hợp.

ĂN

Ở chế độ ĂN ở vòng tua thấp, động cơ điện cung cấp thêm mô-men xoắn cho máy nén để tăng áp suất. Ở "ngọn" nó tạo ra năng lượng có thể được chuyển vào kho chứa. Ngoài ra, động cơ điện có thể ngăn tuabin vượt quá giới hạn tốc độ của nó. Tuy nhiên, hiệu ứng áp suất ngược cao có thể xảy ra, điều này bù lại năng lượng chiết xuất từ khí thải.

Do khả năng tạo ra điện từ khí thải, những bộ tăng áp như vậy được gọi là hybrid. Trên ô tô du lịch, tùy theo chu kỳ lái xe, chúng có thể tạo ra công suất từ vài trăm watt đến kW. Điều này cho phép bạn thay thế máy phát điện mà vẫn tiết kiệm nhiên liệu.

EST

Trong EST, năng lượng của khí thải không dẫn động trực tiếp đến máy nén, mà được chuyển đổi thành năng lượng điện bằng cách sử dụng máy phát điện. Máy nén được vận hành bằng năng lượng dự trữ.

TEDC

Trong TEDC, động cơ điện hoạt động độc lập với tuabin, và máy nén bổ sung do nó điều khiển sẽ giúp tăng lực đẩy ở "đáy".

Sự khác biệt về thiết kế và chức năng

Sự khác biệt cơ bản giữa các hệ thống điện được coi là cảm ứng cưỡng bức được các nhà nghiên cứu tại Đại học Wisconsin-Madison kết hợp dưới dạng đồ thị và bảng. Hình bên dưới cho thấy sơ đồ của thiết bị của họ (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC ngược dòng, e - TEDC hạ nguồn).

Bảng phản ánh các quy định chính của thiết bị. Chúng bao gồm nguồn năng lượng, sự truyền động của máy nén, sức mạnh của các bộ phận điện. Ngoài ra, các phẩm chất như kích thước và hiệu ứng nhiệt độ cũng rất quan trọng.

Loại	EC	ĂN	EST	TEDC
Nguồn điện	Pin	Khí thải / pin	Khí thải / pin	Khí thải / pin
Công suất của động cơ điện và biến tần	Cao	Thấp	Cao	Thấp
Hiệu ứng nhiệt độ	Thấp	Cao	Thấp	Thấp
Kích thước	Nhỏ	Vừa	Lớn	Lớn
Tua bin điện	Không	Có	Có	Không
Ổ đĩa máy nén tăng áp điện	Không	Có	Không	Không

Như vậy, công nghệ EAT và EST thuộc về tuabin điện. EC như nó đã từnglưu ý - một cơ chế riêng biệt, TEDC - một hệ thống tăng áp thông thường được trang bị với nó.

Ưu và nhược điểm

Truyền động tuabin bằng động cơ điện giúp loại bỏ những nhược điểm chính của bộ tăng áp cơ khí.

• Không có độ trễ vì động cơ điện có thể quay cánh quạt rất nhanh.
• Không có độ trễ turbo do thiếu khí thải, vì trong trường hợp này, động cơ điện bù cho sự thiếu hụt năng lượng.
• Động cơ điện cho phép bạn tiếp tục tăng tốc trong quá trình chuyển đổi như chống trễ mà không có tác động tiêu cực của động cơ sau.
• Điều này cung cấp phạm vi hoạt động rộng và mô-men xoắn nhất quán.
• Một số loại cơ chế này có thể tạo ra điện, giảm tải cho máy phát và giảm tiêu thụ nhiên liệu.
• Có thể phục hồi năng lượng đã mất, vì Ferrari đã triển khai động cơ Công thức 1.
• Tua bin điện hoạt động trong điều kiện nhẹ nhàng hơn và ở tốc độ thấp hơn (100 nghìn thay vì 200-300 nghìn).

Tuy nhiên, công nghệ này có một số nhược điểm.

• Sự phức tạp trong thiết kế bao gồm cả động cơ và bộ điều khiển.
• Điều này gây ra chi phí cao.
• Ngoài ra, độ phức tạp của thiết kế ảnh hưởng đến độ tin cậy.
• Do số lượng lớn các bộ phận cấu trúc (ngoài tuabin, bao gồm động cơ điện, bộ điều khiển, pin), những bộ tăng áp này lớn hơn và nặng hơn nhiều so với những bộ tăng áp thông thường.

Ngoài ra, mỗi loại tuabin điện đều có đặc điểmcác tính năng cụ thể.

Loại	EC	ĂN	EST	TEDC ngược dòng	TEDC hạ nguồn
Nhân phẩm	Kiểm soát linh hoạt; bố cục linh hoạt; thiếu quán tính trục; không có bãi thải; không áp lực trở lại	Nhỏ gọn; động cơ và biến tần công suất thấp; không có bãi thải	Kiểm soát linh hoạt; bố cục linh hoạt; thiếu quán tính trục; không có bãi thải	Dễ dàng cài đặt; thiếu quán tính trục; động cơ và biến tần công suất thấp; Cải thiện hiệu suất liên tục	Phản hồi thoáng qua tốt hơn; dễ cài đặt; động cơ và biến tần công suất thấp; Cải thiện hiệu suất liên tục
Flaws	Động cơ và biến tần công suất cao; hiệu quả thấp	Nhu cầu làm mát bổ sung; quán tính trục bổ sung; tăng giới hạn gia tốc do áp suất ngược	Động cơ và biến tần công suất cao; mất năng lượng trong quá trình chuyển đổi; giới hạntăng cường thúc đẩy do áp lực trở lại; yêu cầu thêm không gian cài đặt	Phản hồi thoáng qua không nhanh lắm; yêu cầu không gian cài đặt bổ sung; hiệu quả thấp	Yêu cầu thêm không gian cài đặt; hiệu quả thấp

Về độ bền, theo IHI, tuabin điện sẽ tương đương với tuabin cơ khí do hoạt động trong cùng điều kiện ở chế độ nhẹ nhàng hơn với độ phức tạp trong thiết kế cao hơn.

Liên quan

Mặc dù có hiệu suất tốt, nhưng tuabin điện hiện không được sử dụng rộng rãi trên ô tô sản xuất hàng loạt. Điều này là do chi phí cao và phức tạp của chúng. Ngoài ra, các phiên bản cải tiến của tuabin cơ khí (cuộn đôi và hình học biến đổi) có những ưu điểm tương tự so với các sửa đổi ban đầu (mặc dù ở mức độ thấp hơn) với chi phí thấp hơn nhiều. Giờ EST sử dụng Ferrari trong động cơ Công thức 1. Theo Honeywell, việc sử dụng hàng loạt các tuabin điện sẽ bắt đầu vào đầu thập kỷ tới. Cần lưu ý rằng bộ tăng áp điện đã được sử dụng trên một số xe sản xuất, chẳng hạn như Honda Clarity, vì chúng đơn giản hơn.

Cơ chế tự chế và đơn giản nhất

Đầu thập kỷ, các loại máy đơn giản, rẻ tiền như máy làm mát máy tính, còn được gọi là tua-bin điện, đã xuất hiện trên thị trường. Chúng được đặt ở đầu vào và hoạt động bằng pin. Có thể sử dụng các tuabin điện như vậy cả trên bộ chế hòa khí và trên kim phun. Theo các nhà sản xuất, họ làm tăng lưu lượng không khí đi vào động cơ, tăng tốc, giúp tăng hiệu suất lên tới 15%. Trong trường hợp này, các thông số (vòng quay, lưu lượng, công suất) thường không được chỉ định. Rất dễ dàng để lắp đặt các tua-bin điện như vậy trên ô tô bằng chính tay của bạn.

Tuy nhiên, trong thực tế, động cơ điện của họ phát triển lên đến vài trăm watt, không đủ để tăng khối lượng dòng chảy, vì điều này cần khoảng 4 kW. Vì vậy, một thiết bị như vậy sẽ trở thành một trở ngại nghiêm trọng ở đầu vào, kết quả là, ngược lại, năng suất sẽ bị giảm. Tốt nhất, tổn thất từ nó sẽ nhỏ, không ảnh hưởng đáng kể đến động lực.

Ngoài ra, trên Internet, bạn có thể tìm thấy những phát triển về việc tạo ra một tuabin điện bằng tay của chính bạn. Không giống như các tùy chọn giá rẻ được đề cập ở trên, chúng được xây dựng trên cơ sở máy nén ly tâm và động cơ không chổi than có công suất lên đến 17 kW và điện áp 50-70 V, vì chỉ một động cơ như vậy mới có thể cung cấp đủ mô-men xoắn và tốc độ quay của máy nén. Động cơ phải được trang bị bộ điều khiển tốc độ. Hệ thống này không yêu cầu bộ làm lạnh - chỉ cần một lượng lạnh là đủ. Việc lắp đặt tuabin điện kiểu này có thể yêu cầu thay thế máy phát điện (90-100 A) và pin (đối với loại có dung lượng lớn hơn với công suất dòng điện cao). Tốc độ quay của máy nén được xác định bởi vị trí của van tiết lưu. Hơn nữa, sự phụ thuộc không phải là tuyến tính mà là hàm mũ.

Nên tạo tua-bin điện như vậy cho xe có động cơ nhỏ đến 1,5 lít, do tiêu tốn nhiều năng lượng. Hơn nữa, thể tích của động cơ càng lớn thì áp suất tăng áp mà bộ siêu nạp có thể tạo ra càng ít. Vì vậy, trên động cơ 0,7 lít, nó sẽ là 0,4-0,5 bar, đối với 1,5 lít - 0,2-0,3 bar. Ngoài ra, một bộ tăng áp như vậy sẽ không thể hoạt động trong một thời gian dài với hiệu suất tối đa do quá trình đốt nóng. Tuy nhiên, bộ điều khiển có thể được định cấu hình để buộc kích hoạt.

Do chi phí linh kiện cao, rất tốn kém để chế tạo một tuabin điện như vậy. Các bài đánh giá cho thấy sự gia tăng hiệu suất có thể đo lường được.

Về thiết kế, các cơ cấu này, giống như các tùy chọn giá rẻ nói trên, là bộ tăng áp điện. Tuy nhiên, chúng thường bị gọi nhầm là tua-bin điện. Bây giờ trên thị trường có nhiều phong trào hàng hiệu nghiêm túc gần với hàng tự chế.

CV

Tua bin điện đáp ứng nhanh hơn, năng suất và hiệu quả hơn so với tuabin cơ khí và có các tính năng bổ sung. Đồng thời, một mặt, chúng có thiết kế phức tạp, nhưng mặt khác, chúng hoạt động trong điều kiện lành tính hơn.