Автомобильная электротурбина / Хабр

Наиболее действенным способом увеличения мощности двигателя автомобиля является турбина. Однако она имеет ряд существенных недостатков таких как: наличие турбоямы, оптимальная работа в небольшом диапазоне оборотов двигателя, невысокий ресурс, сложность установки в неподготовленный для этого двигатель.

Многие из этих проблем способна решить электротурбина. С электротурбиной необходимое давление наддува можно создать в любой момент и можно сбавлять обороты не боясь, что давление понизится. В электротурбине нет горячей части разогреваемой до тысячи градусов. Это положительно сказывается на её ресурсе, цене и простоте установки.

Данная статья будет посвящена нашей разработке в этом направлении.

Разработка и конструктивные особенности

На данный момент в Китае можно купить множество электротурбин, которые ставятся прямо на вход перед воздушным фильтром. Однако они оказываются на 100% бесполезны. Для обеспечения необходимого давления и большого объема подаваемого воздуха мощность электродвигателя должна составлять около 4КВт. У китайских турбин от силы несколько сот ватт.

Для данной задачи нами специально был разработан бесколлекторный электромотор способный выдать до 5КВт мощности и который может раскрутить турбину до 50000RPM. Мотор был специально спроектирован так, чтобы на полной мощности он давал своё максимальный КПД в 93%, тогда он будет выделять 350Вт тепла, которые вполне реально отводить и в теории наш мотор может выдавать полный наддув постоянно. Подробнее с характеристиками нашего мотора можно ознакомиться по ссылке.

Для питания данного мотора нами было решено использовать два автомобильных аккумулятора. Это сильно упростит процесс эксплуатации и цену установки. Один аккумулятор используется штатный, второй подключается к нему последовательно. Для подзарядки второго аккумулятора, он переподключается к первому через высокоточные реле контакторы. Литиевые аккумуляторы стоили бы на порядок дороже, при этом для них понадобилась бы специальная зарядка и очень бережная эксплуатация с соблюдением правильного температурного режима.

Однако у данного решения есть и минус. Для питания мотора на полной мощности нужен ток в районе 250А, свинцовые аккумуляторы способны выдать такой, но не продолжительно(секунд на 10-30). Затем аккумуляторам нужно будет немного “отдохнуть”. Однако нам кажется этого вполне достаточно, редко от двигателя требуется полная мощность на более длительный срок.

В качестве самой турбины нами использовалась данная турбина (её характеристики также доступны по ссылке).

Мы удалили из неё всё лишнее и расточили под крепление мотора. Все подшипники находятся непосредственно в моторе и крыльчатка одевается на его вал, что автоматически даёт соосность вала мотора и крыльчатки. Поскольку турбина будет вращаться на очень больших оборотах мы подобрали в мотор высокоскоростные подшипники SKF итальянского производства.

Для работы бесколлекторного мотора нужен контроллер и на такой большой ток он достаточно дорогой. Однако мы специально подбирали токи и напряжения так, чтобы для этой задачи подошёл наиболее мощный из дешевых контроллер стоимостью 1500р. Данного контроллера хватает на грани на полную мощность и ему при этом требуется обеспечить очень хорошее охлаждение. Более мощные контроллеры стоят уже дороже 10000р.

Результат

Замеры нашего мотора на мощности до 1000Вт показали, что характеристики нашего мотора (потребление, обороты, Kv) достаточно близки к рассчитанным при моделировании. Большой объем статора и медной проволоки смогли обеспечить высокий КПД и низкий нагрев. При должном питании турбина с ним разгоняется до нужных оборотов. Но к сожалению мы пока не смогли провести полноценные испытания на полной мощности. При питании от двух аккумуляторов, через 2 секунды после набора полных оборотов контроллер сгорел, из-за отсутствия должного охлаждения. Мы заказали новый контроллер и планируем поместить его в ёмкость с трансформаторным маслом, что должно обеспечить его наилучшим охлаждением.

Видео тестов работы турбины с питанием 600 и 1000 ватт

Вывод

В итоге нам удалось создать рабочую электротурбину, которая обладает не высокой стоимостью и достаточно проста в установке. Далее будут проходить испытания уже на реальном автомобиле.

Примерная стоимость необходимых компонентов:

• Мотор -17000р
• Турбина -20000р
• Аккумулятор -3000р
• 4 реле -3000р
• Дополнительная электроника, пайпы, воздуховоды -5000р

Итого стоимость комплекта турбины выйдет в районе 50000р.

P.S.

Автором данной идеи является Frimen3 ([email protected]). Он уже давно занимается проработкой этого вопроса geektimes.ru/post/252076 и он как раз и заказал у нас разработку мотора под данную задачу.

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. Но это, увы, не стало ключевым решением.

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. Создатели электрической турбины заявляют, что она может работать от бортовой электросети напряжением в 12 вольт, а её использование избавит двигатель от эффекта турбоямы, а также задействует нагнетатель даже в режиме низких оборотов. Особенность данной технологии заключается в использовании регенеративной энергии. Обратное давление, что ранее сбрасывалось через обводной клапан блоу офф при сбросе акселератора, теперь направляется на вращение лопастями турбины маховика, что позволяет вырабатывать энергию и заряжать аккумулятор.

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 2.0 TFSI с такой же мощностью, и меньше, чем у 170-сильного турбодизеля с таким же объёмом.

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.

Отмеченная наградами технология E-Turbo — Garrett Motion

ПОВЫШЕННАЯ МОЩНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Инновации Electric Turbo

Электрические турбины Garrett (E-Turbo) демонстрируют впечатляющий потенциал и в равной степени применимы как в легковых, так и в коммерческих автомобилях, на всех видах топлива, таких как бензин, дизельное топливо и природный газ (СПГ).

Garrett Motion получает награду Automotive News PACE Award 2021 за первый в отрасли электрический двигатель Turbo

Ультрасовременный электродвигатель Garrett E-Turbo был отмечен наградой Automotive News PACE (Вклад ведущих автомобильных поставщиков в передовые технологии) как выдающаяся инновация, впервые для электрических турбонагнетателей. Инженеры Garrett мирового класса успешно преодолели множество проблем, связанных с управлением температурным режимом, рекуперацией энергии, компактной компоновкой, крупносерийным и недорогим дизайном, чтобы разработать E-Turbo, что поразило судейскую коллегию PACE, получив награду в сентябре 2021 года.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Бензин для легковых автомобилей

E-Turbo | Ключевая технология для EU7

Компания Garrett создала несколько демонстрационных автомобилей E-Turbo , которые успешно демонстрируют, как электрифицированное наддувное решение может увеличить мощность и крутящий момент двигателя, позволяя двигателю работать на уровне лямбда 1, обеспечивая рекуперацию энергии для автомобиля. электрическая система.

Электрификация турбонагнетателя устраняет необходимость в небольшой турбине с превосходным КПД для привода компрессора при низких скоростях потока. Вместо этого он позволяет нам подобрать турбину под номинальную мощность Lambda 1.

Лямбда 1 (или стехиометрическое соотношение воздух/топливо) является ключевой частью будущего законодательства.

Если вам интересно узнать больше о технологии электрического наддува Garrett, загрузите технический документ E-Turbo.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Ваш браузер не поддерживает видео тег.

Сильные отраслевые макроэкономические показатели указывают на то, что все формы гибридизации будут быстро расти (MHEV, HEV, PHEV)

Технологии будут использоваться для удовлетворения региональный , национальный и местные цели по экономии топлива и качеству воздуха

напр. Европа
CO ₂ -15 % к 2025 г., -37,5 % к 2030 г. (по сравнению с 2020 г.) – Твердые частицы и лямбда 1
Дизельное топливо – NOx и Nh4

Силовые агрегаты должны быть гибридными, чтобы соответствовать требованиям ЕС7 по экономии топлива и выбросам

E-Turbo представляет собой интегрированное, компактное и сбалансированное решение, которое обеспечивает дополнительную функциональность Рекуперация энергии (Эффективное управление энергией / Положительное влияние на состояние заряда SOC). Таким образом, любое снижение инерции может быть более чем компенсировано электродвигателем и добавлением широкодиапазонного компрессора к для улучшения отклика на низких частотах и повышения производительности на высоких частотах одновременно.

Если вам интересно узнать больше о технологии электрического наддува Garrett, загрузите технический документ E-Turbo.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Производительность и потенциал CO2 в граничных условиях EU7

Основные характеристики

Основная концепция EU7

• Лямбда 1Полная карта при 980°C
• Параметры двигателя (мощность)16% мощность
• Параметры двигателя (крутящий момент)10,5% крутящего момента
• Переходный 4-кратный градиент крутящего момента при 1500 об/мин
• Постоянство крутящего момента в диапазоне скоростей
• Управление энергопотреблением> 60 % Рекуперация кинетической энергии в наконечнике (текущий, потенциальный > 100 %)
• ПОТЕНЦИАЛ ВОССТАНОВЛЕНИЯ (исследуется)
• ПОТЕНЦИАЛ CO2 (расследуется)

Ключевые преимущества E-Turbo

Сокращение

напр. 3л —> 2л или 2л —> 1,5л
От 8 до 6, от 4 до 3 цилиндров

Понижение скорости

Стратегии переключения
CO2 / Экономия топлива

ENABLE Advanced Combustion

Λ1, Lean, GDCI

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ АЭРОДИНАМИКА

Новые концепции высокой эффективности
Меньше ограничений, больше пространства для проектирования

Рекуперация и турбокомпаундирование

Сбор энергии выхлопных газов, если она доступна
(на основе «стоимости энергии»)

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ГИБРИДИЗАЦИЯ

Электрический привод при неэффективном двигателе
Привод на двигателе, когда гибридная система эффективна

Управление температурным режимом

Помощь при холодном пуске/контроль нагрузки

Двухступенчатый

Повторное согласование и переход

Управление энергопотреблением

Управление состоянием заряда по сравнению с eHorizon
Предвидеть дорогу вперед

Готовы уже сегодня, чтобы удовлетворить и превзойти потребности отрасли в повышении мощности

Удостоенный наград электродвигатель Garrett E-Turbo готов сегодня удовлетворить и превзойти потребности отрасли в повышении электрификации. Результат беспрецедентного инженерного опыта и передовых электрических возможностей, Garrett E-Turbo был разработан полностью собственными силами, от концепции до реализации.

узнать больше

Ваш браузер не поддерживает видео тег.

Связанные новости Garrett E-Turbo

23 октября 2019 г.

Garrett выпустит первый в отрасли электродвигатель с турбонаддувом

Технический прорыв указывает на ускорение глобальной тенденции к гибридизации транспортных средств Объявление прозвучало, когда автопроизводители обращаются к технологии электрифицированных двигателей, которая отвечает отраслевым задачам по увеличению энергии…

Контакт

электрических турбин – правда или вымысел?

Взгляните на любое обсуждение форума об «электрическом турбодвигателе», и вы обязательно откроете ящик Пандоры. Распространено мнение, что идея создания наддува с помощью электродвигателя смехотворна. Большая часть этого скептицизма (по понятным причинам) вызвана дешевыми продуктами, которые представляют собой не более чем компьютерные вентиляторы, и видеороликами о воздуходувках, прикрепленных к воздухозаборникам автомобилей.

Так что да, большая часть негатива вокруг электрических турбин оправдана, но хорошая новость заключается в том, что они работают, они могут создавать «настоящий» наддув, и мы, возможно, вот-вот вступим в эру, когда электрические турбины найдут свое применение. путь на вторичный рынок в качестве законного производителя электроэнергии.

Давайте уберем один аргумент — термин «электрический турбо». Точнее, это «электрический нагнетатель», поскольку он не использует выхлопные газы для вращения компрессора. Однако это вряд ли стоит обсуждать, так что называйте это как хотите, и давайте двигаться дальше!

Теперь давайте разберемся с откровенным неверием в то, что это вообще возможно. Три слова должны сделать это — F1, Audi и Tesla. F1 и Audi уже используют турбодвигатели с электроприводом уже несколько лет. Если Тесла разгоняется от 0 до 100 км/ч легко, как у суперкара, то почему так трудно представить себе электродвигатель, вращающий компрессор для ускорения? Опять же, это еще один аргумент, который не стоит иметь.

Теперь мы подошли к сути. Даже когда доказано, что это возможно, аргумент смещается в сторону осуществимости или рентабельности. На этом этапе нам, вероятно, нужно определить параметры аргумента, чтобы двигаться дальше. Какой наддув должен производить электрический турбодвигатель на двигателе какого размера, чтобы к нему относились серьезно? Как долго он сможет производить этот импульс, если он питается от батарей? Сколько бы вы заплатили за это?

Конечно, существующие технологии имеют некоторые ограничения и просто не могут сравниться с «настоящим» турбодвигателем по мощности. В настоящее время электрические турбины в основном используются в дополнение к традиционным турбинам, эффективно уменьшая или устраняя турбояму, а не являясь основным источником давления наддува. Электрический турбонаддув, используемый в качестве «дополнения», работает только в переходных условиях, а это означает, что небольшой и экономичный аккумулятор можно использовать и заряжать достаточно быстро, чтобы не отставать от спроса.

Несмотря на эти ограничения, есть два очень полезных и захватывающих применения электрического турбонагнетателя на вторичном рынке. Один из них — использовать его точно так же, как OEM-производители — добавить турбо, чтобы уменьшить отставание. Единственная разница заключается в размере турбокомпрессора, который вы добавляете! Представьте себе, что вы можете установить турбонагнетатель гораздо большего размера и при этом он будет вращаться как на заводе!

Вторая возможность — дополнить безнаддувный автомобиль без необходимости делать полноценную турбосистему. Вполне возможно (особенно с новой системой от Torqamp) установить электрическую турбину и получить больше мощности и крутящего момента на доллар, чем традиционные модификации для Северной Америки.