Электро-турбина: характеристики, принцип действия, плюсы и минусы работы, советы по установке своими руками и отзывы владельцев

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).

Как сделать охлаждение

Обязательно при усовершенствовании автомобиля необходимо устанавливать новые элементы в систему охлаждения. Потребуется радиатор из меди двухрядного типа. Применяется он на автомобилях ВАЗ-2110. Он работает намного лучше других радиаторов.

Старайтесь использовать интеркулер нормальных размеров. Если он будет сильно большим, то возникнет проблема турбо-лага. Это тот случай, когда проходит долгое время между открытием дроссельной заслонки и созданием давления наддува. Но сильно маленький интеркулер не сможет нормально охладить воздух.

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.

В каких случаях необходимо оборудование турбонаддувом

Многие автовладельцы желают оборудовать свою машину турбокомпрессором для увеличения мощностных характеристик. Современные авто, укомплектованные двигателями с большим количеством лошадиных сил, такой модернизации не требуют.

К такому шагу идут владельцы отечественных машин, не отличающихся особой мощностью. Рационально оборудовать турбокомпрессором малолитражки. Даже незначительный прирост лошадиных сил в их двигателях будет заметен и придаст им лучший разгон, улучшится динамика их работоспособности. Что придаст большей уверенности при обгоне другого транспорта в условиях скоростных трасс.

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.

Что еще потребуется для тюнинга

Перед установкой турбины на ВАЗ необходимо определиться с тем, какую суммарную мощность вы хотите выжать из мотора. Если желаете получить более 200 лошадок, то нужно найти блок от «Калины». Он на 2,3 мм выше, нежели стандартный. Можно использовать блок двигателя от автомобиля 10-го семейства, но это существенно снизит мощность.

Обязательно необходимо установить коленчатый вал от автомобиля Lada Kalina. Диаметр кривошипного механизма у него 75,6 мм. Обязательно использовать а в них выточить выемку, которая позволит добиться необходимой степени сжатия. Рекомендуется обратиться к грамотному специалисту, чтобы он сделал эти выемки, либо же приобрести уже готовые изделия в магазинах для тюнинга.

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.

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.

Выбор турбокомпрессора

Можно изготовить турбину на ВАЗ своими руками, но занятие это очень сложное, поэтому лучше немного переплатить и готовый узел приобрести хотя бы на вторичном рынке. Нужно обращать внимание на то, что маленький турбокомпрессор работает только на низких и средних оборотах.

Как только частота вращения коленчатого вала увеличивается, турбина отключается. Большие турбокомпрессоры наоборот, работают только на высоких и средних оборотах, на низких же они отключаются. Можно выделить несколько популярных моделей:

1. TD05 производства Mitsubishi. Буст установлен на 3 тыс. оборотов, позволяет выжать 250-300 л. с.
2. TD04L производства Subaru, установлен буст на 3 тыс. оборотов, мощность 200-250 л. с.
3. IHI VF10 этот турбокомпрессор существенно больше субаровской, позволяет выжать 250 лошадок и больше.

Существует немало китайских турбокомпрессоров, у них очень слабенькое качество, зато цена приемлемая. Цена турбины на ВАЗ на вторичном рынке колеблется в очень широких пределах — от 5000 рублей и до нескольких десятков тысяч.

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.

Таким образом, к электротурбинам относятся технологии EAT и EST. EC, как было отмечено — отдельный механизм, TEDC — оснащенная им обычная система турбонаддува.

Превращаем атмосферный мотор в турбо своими руками

Все машины одинаковы. Разница в нюансах. Принципиальных отличий в форсировке «Жигулей», Toyota или Volkswagen нет. Предлагаю в качестве теоретической «болванки» взять простой дешевый автомобиль и превратить его в Машину. Начнем с мотора. Максимально эффективное решение для любого атмосферного мотора – турбонаддув. Я считаю это самым действенным способом. И не говори, что сложно. Поехали.

Турбонаддув своими руками

Дано: ВАЗ-2106, 2112, …13, …15, «Калина», «Гранта» и далее по списку.

Мотор: 1,6 л, 8 или 16 клапанов.

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.

По долговечности, по мнению IHI, электротурбины будут эквивалентны механическим ввиду работы в тех же условиях в более щадящем режиме при большей сложности конструкции.

Проблемы с кузовом

На автомобилях 8-го и 9-го семейства ВАЗ телевизор также является проблемным местом. На отечественных автомобилях, особенно на «Жигулях», используется довольно тонкий металл. Если, конечно, это не шестёрка первых выпусков. Поэтому если увеличить мощность двигателя, на кузов будут воздействовать высокие нагрузки и металл начнёт разрываться.

Причём не имеет значения, в хорошем или плохом состоянии находится кузов. Поэтому перед проведением тюнинга необходимо установить новое кузовное железо. И весь металл, который находится в моторном отсеке, заменить на более прочный. Только после проведения всех работ по улучшению кузова можно приступать к дальнейшим усовершенствованиям.

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.

С чего начинается тюнинг

Если вы приобрели автомобиль, особенно бывший в употреблении, первым делом обращайте внимание на то, в каком состоянии он находится. В том случае, если вы хорошо разбираетесь в его устройстве, можно полностью разобрать его по мелким винтикам. Только в этом случае можно полностью рассмотреть все элементы кузова и оценить их состояние. Главная проблема, с которой сталкивается большинство автомобилистов, — это наличие ржавчины. Ей подвержены все элементы кузова, но особенно крылья, днище, пороги.

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.

Установка турбины

Можно ли поставить турбину на автомобиль, зависит от конкретной модели авто. В некоторых случаях проще приобрести новую машину, чем подбирать запчасти. Если же вы решили это сделать, то найдите хорошего мастера, потому что самостоятельно справиться с установкой довольно сложно.

Процесс переоборудования начинается с того, что все детали в автомобиле, связанный со впуском и выпуском воздуха, снимают. Новый турбоколлектор соединяют с турбиной, которую разворачивают так, чтобы работа с присоединением патрубков была максимально упрощена.

Подшипники турбины, которая вращается с большой скоростью, постоянно нуждаются в смазке. Трубку подачи масла подключают к месту в двигателе, где масло идет под давлением.

Для подключения можно также использовать тройник датчика давления масла. Другой конец трубки подсоединяют к верхней части картриджа турбины. Сливаться масло будет уже под низким давлением в поддон через специальный сосок. Система охлаждения будет подключаться с другой стороны от водяной помпы.

Поскольку в двигатель будет поступать больше воздуха, ему потребуется больше топлива. Чтобы увеличить его подачу, устанавливают более производительные форсунки. Не помешает также установка нового топливного насоса, соответствующего форсункам. Но делать ли это, решают в каждом конкретном случае.

Избыточное давление воздуха в двигателе будет контролировать электроника. К ней подключают датчики температуры охлаждающей жидкости и воздуха. Контроллер должен быть откалиброван так, чтобы топливо впрыскивалось ровно в необходимый момент времени, связанный с состоянием двигателя.

Прошивкой мотора должен заниматься специалист с большим опытом за плечами. В противном случае, сбив заводские настройки, можно привести двигатель в нерабочее состояние, и затем тратить деньги на его ремонт.

Если на автомобиль будет установлен компрессор, то настройка пройдет значительно проще. Не потребуется такое количество дополнительных деталей. Он сможет работать на низких и на высоких оборотах.

В целом процесс переоборудования довольно трудоемкий и требует навыков. Соответственно и цена вопроса будет высокой. Нужно ли вам это, решайте сами. Зато при успешном монтаже турбины динамические характеристики автомобиля значительно улучшаются.