التوربينات الكهربائية: الخصائص ، مبدأ التشغيل ، إيجابيات وسلبيات العمل ، نصائح التثبيت افعل ذلك بنفسك ومراجعات المالك

2024 مؤلف: Erin Ralphs | [email protected]. آخر تعديل: 2024-02-19 11:52

مع تشديد اللوائح البيئية ، يضطر صانعو السيارات إلى تطوير طرق لتحسين الملاءمة البيئية وكفاءة المحركات مع الحفاظ على الأداء. في هذا الصدد ، انتشرت أنظمة الحث القسري. بينما كانت تستخدم في الماضي لزيادة الإنتاجية ، يتم استخدامها الآن كوسيلة لتحسين الاقتصاد والود البيئي. بفضل الشحن الفائق ، يمكنك تحقيق نفس الأداء الذي تتمتع به المحركات الجوية ، مع عدد أقل من الأسطوانات وحجم أصغر. أي أن المحركات فائقة الشحن أكثر كفاءة. طريقة أخرى هي استخدام الطاقة الكهربائية بشكل منفصل (محركات كهربائية) وبالاقتران مع محركات الاحتراق الداخلي (محطات توليد الطاقة الهجينة). تتناول هذه المقالة التوربينات الكهربائية التي تجمع بين هذه الأساليب.

الميزات العامة

يتم تصنيف أنظمة الحث القسري غير الكهربائية وفقًا لمصدر الطاقة إلى شواحن توربينية وشواحن فائقة. تعتمد الأنظمة الكهربائية عليها وتهدف إلى تحسين الأداء أثناء العبور.العمليات وتقليل التأخيرات.

المنفاخ الكهربائي ، وفقًا لشركة Honeywell ، عبارة عن ضاغط يعمل بمحرك كهربائي مركب على محرك فائق الشحن. هذا هو جهاز إضافي لمحرك توربو. التوربين الكهربائي هو نظير التوربين الميكانيكي. يمكن تنفيذ محرك الأقراص في هذه الحالة بطرق مختلفة.

وفقًا لتصنيف الباحثين في جامعة ويسكونسن ماديسون ، يتم تمييز الأنظمة الكهربائية للحث القسري إلى الأنواع التالية حسب التصميم ومبدأ التشغيل:

• منفاخ كهربائي (EC / ET / ES) ؛
• توربينات مع مساعد كهربائي (EAT) ؛
• التوربينات المنفصلة كهربائيًا (EST) ؛
• توربينات مزودة بضاغط إضافي كهربائي (TEDC).

تصميم

الأنواع المذكورة أعلاه من التوربينات الكهربائية لها تصميم مختلف. هذا يكمن في التخطيطات المختلفة للمكونات ، في الاختلافات في معاييرها التقنية ، إلخ.

EC

EC عبارة عن ضاغط يعمل بمحرك كهربائي. هذا هو المنفاخ الكهربائي المذكور أعلاه. يوفر المحرك الكهربائي أكبر قدر من مرونة التحكم والقدرة على تشغيل الضاغط عند نقطة التشغيل المثلى. ومع ذلك ، هذا يتطلب مكونات كهربائية قوية.

أكل

في EAT ، يتم تركيب محرك كهربائي عالي السرعة بين التوربين والضاغط ، وعادة ما يكون على عمود. يرجع ذلك إلى حقيقة أنه ليس المصدر الرئيسي للطاقة ، يتم استخدامهامكونات كهربائية منخفضة الطاقة. ينتج عن هذا تكلفة منخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هذه الشاحن التوربيني لديها القدرة على الكشف الذاتي عن موضع الدوار وتتميز بقدرات توليد وتسيير جيدة. المشكلة الرئيسية هي تأثير درجة الحرارة المرتفعة على المحرك الكهربائي ، خاصة إذا كان مثبتًا داخل السكن.

هناك طرق مختلفة لحلها. على سبيل المثال ، قامت شركة BMW بتركيب قوابض للسماح بتوصيل المحرك الكهربائي وفصله عن العمود. بفضل هذا ، يمكن وضع المحرك خارج التوربين. استخدم G + L inotec محركًا مغناطيسيًا دائمًا به فجوة هوائية كبيرة ، والتي يمكن أيضًا وضعها في الخارج. القطر الداخلي للجزء الثابت يساوي القطر الخارجي للضاغط ، والقطر الخارجي للدوار يساوي قطر مخرج العمود. قد تعمل فجوة الهواء كمدخل هواء. يوفر هذا مزايا من حيث التبريد والقصور الذاتي والتأثير الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، من حيث الثبات الحراري والتحكم الحراري ، فإن المحركات الكهربائية التعريفي ذات المقاومة المغناطيسية المتغيرة ، تعد محركات التجميع العالمية أكثر تفضيلاً مقارنة بمحرك بمغناطيس دائم على السطح.

EST

في EST ، التوربين والضاغط غير متصلان بعمود ، وكل منهما مجهز بمحرك كهربائي. هذا يسمح للضاغط وعجلات التوربين بالعمل بسرعات مختلفة. يتمتع هذا التصميم بمزايا مماثلة لـ ET ، ولكن على عكس ذلك ، فهو قادر على توليد الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، هيلها تأثير حراري أقل بسبب فصل الضاغط والتوربين ، فضلاً عن عدم وجود خمول إضافي من التوربين وعمودها. يعد فصل التوربين والضاغط مفيدًا من وجهة نظر التعبئة والتغليف ، لأنه يسمح بتحسين مسار تدفق الهواء. ومع ذلك ، تتطلب هذه التقنية أيضًا محركًا كهربائيًا قويًا ومولدًا ومحولات لتلبية نسبة عزم الدوران / القصور الذاتي ، والتي تأتي بتكلفة.

TEDC

TEDC عبارة عن توربين ميكانيكي بضاغط إضافي يتم تشغيله بواسطة محرك كهربائي. وفقًا لموقع الضاغط بالنسبة إلى التوربين ، يتم تصنيف هذه الأنظمة إلى خيارات أعلى وأسفل التوربين (أعلى وأسفل التوربين ، على التوالي). بشكل عام ، تتميز باستجابة أفضل بشكل ملحوظ أثناء العبور في "القاع" بسبب استقلالية المحرك الكهربائي عن القصور الذاتي للتوربين والعمود. علاوة على ذلك ، فإن TEDCs المصب تتفوق في هذا الصدد على خيارات المنبع نظرًا لحقيقة أن الأخيرة تتميز بحجم كبير للحفاظ على الضغط. ميزة أخرى لهذا النوع من التوربينات الكهربائية هي الحد الأدنى من الاختلافات عن التوربينات الميكانيكية.

مبدأ التشغيل

الأنواع المذكورة أعلاه من التوربينات الكهربائية تختلف في مبدأ التشغيل. لذلك ، يتم تنفيذ محرك الأقراص بشكل مختلف ، فبعضهم قادر على توليد الطاقة ، إلخ.

EC

في EC ، يتم تشغيل الضاغط بواسطة محرك كهربائي. مثل هذا النظام غير قادر على توليد الطاقة ، ولكن من أجلهايمكن دمج التخزين مع نظام الكبح المتجدد أو مولد بادئ التشغيل المدمج.

أكل

في EAT عند عدد دورات منخفضة في الدقيقة ، يوفر المحرك الكهربائي عزم دوران إضافي للضاغط لزيادة الضغط. في "القمم" يولد طاقة يمكن نقلها إلى التخزين. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للمحرك الكهربائي أن يمنع التوربين من تجاوز حد سرعته. ومع ذلك ، قد يحدث تأثير ضغط عكسي مرتفع ، والذي يعوض الطاقة المستخرجة من غازات العادم.

نظرًا لإمكانية توليد الكهرباء من غازات العادم ، تسمى هذه الشواحن التوربينية الهجينة. في سيارات الركاب ، اعتمادًا على دورة القيادة ، يمكن أن تولد من عدة مئات من واط إلى كيلوواط. هذا يسمح لك باستبدال المولد مع توفير الوقود.

EST

في EST ، لا تدفع طاقة غازات العادم الضاغط مباشرة ، ولكن يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية باستخدام مولد. يعمل الضاغط بالطاقة المخزنة

TEDC

في TEDC ، يعمل المحرك الكهربائي بشكل مستقل عن التوربين ، ويعمل الضاغط الإضافي الذي يحركه على زيادة التعزيز في "القاع".

تصميم وفروق وظيفية

يتم الجمع بين الاختلافات الأساسية بين الأنظمة الكهربائية المدروسة للحث القسري من قبل الباحثين في جامعة ويسكونسن ماديسون في شكل رسوم بيانية وجدولي. يوضح الشكل أدناه المخططات الخاصة بأجهزتهم (أ - أكل ، ب - EC ، ج - EST ، د - TEDC upstream ، e - TEDC downstream).

يعكس الجدول الأحكام الرئيسية للجهاز. وتشمل هذه مصدر الطاقة ، ومحرك الضاغط ، وقوة المكونات الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر الصفات مثل الأبعاد وتأثير درجة الحرارة مهمة.

النوع	EC	أكل	EST	TEDC
مصدر الطاقة	البطارية	غازات العادم / البطارية	غازات العادم / البطارية	غازات العادم / البطارية
قوة المحرك الكهربائي والعاكس	مرتفع	منخفض	مرتفع	منخفض
تأثير درجة الحرارة	منخفض	مرتفع	منخفض	منخفض
الحجم	صغير	متوسط	كبير	كبير
التوربينات الكهربائية	لا	نعم	نعم	لا
محرك ضاغط توربو كهربائي	لا	نعم	لا	لا

وبالتالي ، تنتمي تقنيات EAT و EST إلى التوربينات الكهربائية. EC كما كانتملحوظة - آلية منفصلة ، TEDC - نظام شحن توربيني تقليدي مجهز بها.

إيجابيات وسلبيات

محرك توربيني بمحرك كهربائي يزيل العيوب الرئيسية للشواحن التوربينية الميكانيكية.

• لا يوجد تأخير حيث يمكن للمحرك الكهربائي أن يدور الدوار لأعلى بسرعة كبيرة.
• لا يوجد تأخير في التوربو بسبب نقص غازات العادم ، حيث أن المحرك الكهربائي في هذه الحالة يعوض نقص الطاقة.
• يسمح لك المحرك الكهربائي بالحفاظ على التعزيز خلال فترات عابرة مثل مكافحة التأخر دون التأثيرات السلبية لهذا الأخير.
• هذا يوفر نطاق تشغيل واسع وعزم دوران ثابت.
• يمكن لبعض أنواع هذه الآليات توليد الكهرباء وتقليل الحمل على المولد وتقليل استهلاك الوقود.
• استعادة الطاقة المفقودة أمر ممكن ، كما نفذت فيراري في محرك الفورمولا 1.
• التوربينات الكهربائية تعمل في ظروف أكثر لطفًا وبسرعات منخفضة (100 ألف بدلاً من 200-300 ألف).

ومع ذلك ، فإن هذه التكنولوجيا لها عدد من العيوب.

• تعقيد تصميم كبير بما في ذلك المحرك ووحدات التحكم.
• هذا يسبب تكلفة عالية
• بالإضافة إلى ذلك ، يؤثر تعقيد التصميم على الموثوقية.
• نظرًا للعدد الكبير من العناصر الهيكلية (بالإضافة إلى التوربين ، وهذا يشمل محركًا كهربائيًا ، ووحدات تحكم ، وبطارية) ، فإن هذه الشواحن التوربينية أكبر وأثقل بكثير من تلك التقليدية.

بالإضافة إلى ذلك ، يتميز كل نوع من أنواع التوربينات الكهربائيةميزات محددة.

النوع	EC	أكل	EST	TEDC المنبع	TEDC المصب
كرامة	التحكم في المرونة مرونة التخطيط نقص القصور الذاتي ؛ لا تهدر ؛ لا يوجد ضغط خلفي	مضغوط ؛ محرك منخفض الطاقة وعاكس ؛ لا تهدر	التحكم في المرونة مرونة التخطيط نقص القصور الذاتي ؛ لا تهدر	سهل التثبيت ؛ نقص القصور الذاتي ؛ محرك منخفض الطاقة وعاكس ؛ التحسين المستمر للأداء	استجابة عابرة أفضل ؛ سهل التثبيت ؛ محرك منخفض الطاقة وعاكس ؛ التحسين المستمر للأداء
عيوب	محرك عالي الطاقة وعاكس ؛ كفاءة منخفضة	الحاجة إلى تبريد إضافي ؛ القصور الذاتي رمح إضافية ؛ زيادة حد التسارع بسبب الضغط الخلفي	محرك عالي الطاقة وعاكس ؛ فقدان الطاقة أثناء التحويل ؛ حدتعزيز التعزيز بسبب الضغط الخلفي ؛ تتطلب مساحة تثبيت إضافية	ليست استجابة عابرة سريعة جدا ؛ تتطلب مساحة تثبيت إضافية ؛ كفاءة منخفضة	يتطلب مساحة تثبيت إضافية ؛ كفاءة منخفضة

من حيث المتانة ، وفقًا لـ IHI ، ستكون التوربينات الكهربائية مكافئة للتوربينات الميكانيكية نظرًا للتشغيل في نفس الظروف في وضع أكثر رقة مع تعقيد تصميم أكبر.

الصلة

على الرغم من الأداء الجيد ، لا تستخدم التوربينات الكهربائية حاليًا على نطاق واسع في السيارات ذات الإنتاج الضخم. هذا بسبب ارتفاع تكلفتها وتعقيدها. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع الإصدارات المحسّنة من التوربينات الميكانيكية (التمرير المزدوج والهندسة المتغيرة) بمزايا مماثلة مقارنة بالتعديلات الأولية (وإن كان ذلك بدرجة أقل) بتكلفة أقل بكثير. تستخدم EST الآن Ferrari في محرك Formula 1. وفقًا لشركة Honeywell ، سيبدأ الاستخدام الشامل للتوربينات الكهربائية في بداية العقد المقبل. وتجدر الإشارة إلى أن الشواحن الكهربائية الفائقة تستخدم بالفعل في بعض سيارات الإنتاج ، مثل Honda Clarity ، لأنها أبسط.

أبسط الآليات محلية الصنع

في وقت مبكر من العقد ، ظهرت في السوق آلات بسيطة ورخيصة مثل مبردات الكمبيوتر ، وتسمى أيضًا التوربينات الكهربائية. تقع على المدخل وتعمل بالبطارية.من الممكن استخدام هذه التوربينات الكهربائية سواء على المكربن أو على الحاقن. وبحسب الشركات المصنعة ، فإنهم يزيدون من تدفق الهواء الداخل للمحرك ، مما يسرع من تدفقه ، مما يعطي زيادة في الأداء تصل إلى 15٪. في هذه الحالة ، عادةً لا تتم الإشارة إلى المعلمات (الدورات ، التدفق ، الطاقة). من السهل جدًا تثبيت مثل هذه التوربينات الكهربائية على سيارة بيديك.

ومع ذلك ، في الواقع ، تتطور محركاتهم الكهربائية حتى عدة مئات من واط ، وهو ما لا يكفي لزيادة حجم التدفق ، لأن هذا يتطلب حوالي 4 كيلو واط. لذلك ، سيصبح هذا الجهاز عقبة خطيرة في المدخل ، ونتيجة لذلك ، على العكس من ذلك ، ستنخفض الإنتاجية. في أحسن الأحوال ، ستكون الخسائر الناتجة عنها صغيرة ، ولن تؤثر بشكل كبير على الديناميكيات.

بالإضافة إلى ذلك ، على الإنترنت ، يمكنك العثور على تطورات في إنشاء توربين كهربائي بيديك. على عكس الخيارات الرخيصة المذكورة أعلاه ، فهي مبنية على أساس ضاغط طرد مركزي ومحرك بدون فرش بقوة تصل إلى 17 كيلوواط وبجهد 50-70 فولت ، حيث أن هذا المحرك هو الوحيد القادر على توفير عزم دوران كافٍ و السرعة لتدوير الضاغط. يجب أن يكون المحرك مزودًا بجهاز تحكم في السرعة. لا يتطلب هذا النظام مبردًا داخليًا - يكفي تناوله بالبرودة. قد يتطلب تركيب توربين كهربائي من هذا النوع استبدال مولد (90-100 أمبير) وبطارية (لتوربينات أكثر رحابة ذات خرج تيار عالٍ). يتم تحديد سرعة دوران الضاغط من خلال موضع الخانق. علاوة على ذلك ، فإن الاعتماد ليس خطيًا ، بل أسيًا.

يُنصح بإنشاء مثل هذه التوربينات الكهربائية للسيارات ذات المحركات الصغيرة حتى 1.5 لتر ، وذلك بسبب ارتفاع استهلاك الطاقة. علاوة على ذلك ، كلما زاد حجم المحرك ، قل ضغط التعزيز الذي يمكن أن يخلقه الشاحن التوربيني. لذلك ، على محرك سعة 0.7 لتر ، سيكون 0.4-0.5 بار ، مقابل 1.5 لتر - 0.2-0.3 بار. بالإضافة إلى ذلك ، لن يتمكن هذا الشاحن الفائق من العمل لفترة طويلة بأقصى أداء بسبب التسخين. ومع ذلك ، يمكن تكوين وحدة التحكم لفرض التنشيط.

بسبب التكلفة العالية للمكونات ، فإن صنع مثل هذا التوربينات الكهربائية مكلف للغاية. تشير المراجعات إلى زيادة قابلة للقياس في الأداء.

من حيث التصميم ، هذه الآليات ، مثل الخيارات الرخيصة المذكورة أعلاه ، هي شاحن كهربائي فائق. ومع ذلك ، غالبًا ما يشار إليها خطأً باسم التوربينات الكهربائية. الآن في السوق هناك حركات تجارية أكثر جدية قريبة من محلية الصنع.

السيرة الذاتية

التوربينات الكهربائية أكثر استجابة وإنتاجية وفعالية من التوربينات الميكانيكية ولها ميزات إضافية. في الوقت نفسه ، من ناحية ، لديهم تصميم معقد ، لكن من ناحية أخرى ، يعملون في ظروف أكثر اعتدالًا.