Innowacje w zakresie elektrycznych systemów turbodoładowania

Historia turbodoładowania wkracza w nowy etap.

Zmiany zachodzące na rynku motoryzacyjnym, ukierunkowane głównie na ograniczenie konsumpcji paliwa oraz emisji spalin, wymuszają na producentach pojazdów stosowanie innowacyjnych rozwiązań w produkcji silników. Prognozy jednoznacznie wskazują, że era silników spalinowych minęła, a w ich miejsce wprowadzane są rozwiązania hybrydowe bądź w pełni elektryczne. Najwięksi producenci turbosprężarek, tacy jak Garrett Advancing Motion, pracują nieustannie nad nowymi projektami systemów doładowania by sprostać oczekiwaniom zmieniającego się rynku. W zależności od zapotrzebowania, wynikającego bezpośrednio z projektów nowych silników, producenci turbosprężarek oferują konkretne rozwiązania. W ostatnim czasie powszechne stały się układy hybrydowe, czyli połączenie tradycyjnej turbosprężarki z elektrycznym kompresorem lub jeszcze bardziej zaawansowana technologia elektrycznych turbosprężarek (tzw. E-Turbo).

Maksymalne osiągi dzięki bezkonkurencyjnej wydajności turbosprężarki z elektrycznym kompresorem

Elektryczny kompresor – stanowi odrębny komponent, który w połączeniu z tradycyjną turbosprężarką stanowi całość układu doładowania. W standardowym rozwiązaniu, turbosprężarka działa na bazie energii pozyskiwanej ze spalin. To one obracają wirnik turbiny, który połączony wspólnym wałkiem z kołem kompresora napędza go, aby ten mógł wtłaczać dodatkową dawkę powietrza do komory spalania silnika. E-kompresor ma za zadanie zastąpić „gorącą” stronę turbiny silnikiem elektrycznym. Szybka reakcja kompresora (48 V bezszczotkowy silnik pozwala na osiągnięcie maksymalnej prędkości 90 tys. obr./min w czasie ok. 1 sek.) znacznie poprawia czas reakcji koła kompresji, a więc lepiej dopaso wuje wartość ciśnienia doładowania do potrzeb silnika podczas jazdy. Ma to szczególne znaczenie przy niskiej prędkości obrotowej, gdy wciąż niewielka energia spalin nie jest w stanie napędzić wirnika turbiny do prędkości, która przekładałaby się na pożądaną wartość ciśnienia doładowania. Zastosowanie e-kompresora praktycznie całkowicie eliminuje efekt turbo-dziury.

Rys.1: Elektryczny kompresor. Źródło: Garrett Advancing Motion

Do dodatkowych atutów stosowania rozwiązania z e-kompresorem należą:

- redukcja CO₂ o 3%

- redukcja NOx/sadzy o 20%

- wzrost wartości momentu obrotowego o 25%

- wzrost współczynnika ʎ o 20% (ʎ1)

Kluczowa rola turbosprężarki elektrycznej w utrzymaniu hybrydowych układów napędowych pojazdów na poziomie systemów.

Elektryczna turbosprężarka (tzw. E-Turbo) – w tym rozwiązaniu, elektryczny wysokoobrotowy silnik (ponad 200 tyś. obr./min) umieszczony jest w samej turbosprężarce, a konkretnie w jej korpusie środkowym, co niweluje potrzebę zastosowania dodatkowego komponentu. To właśnie silnik elektryczny napędza wałek turbiny do odpowiedniej prędkości, rekompensując w ten sposób straty ciśnienia doładowania wynikające z niewystarczającej energii spalin przy niskiej prędkości obrotowej silnika. Przekłada się to na zwiększenie mocy oraz szybszą reakcję przy jednoczesnym wzroście wydajności silnika. Chociaż sam sposób działania zbliżony jest do poprzedniego rozwiązania z elektrycznym kompresorem, tutaj uzyskuje się dodatkowe korzyści. Zintegrowanie silnika elektrycznego z turbosprężarką nie tylko zmniejsza kompleksowość tego urządzenia oraz jego rozmiary. Nadwyżka energii wytwarzanej przez silnik elektryczny, nie wykorzystana przez turbosprężarkę, umożliwia wytworzenie energii elektrycznej do ładowania akumulatora. Dzięki temu turbosprężarka odgrywa kluczową rolę dla utrzymania hybrydowych układów napędowych pojazdów na poziomie systemów. Przekłada się to bezpośrednio również na korzyści wynikające z zastosowania akumulatora o mniejszej pojemności, zmniejszenia częstotliwości jego ładowania (bądź nawet całkowitego wyeliminowania potrzeby ładowania).

Rys. 2: Budowa elektrycznej turbosprężarki. Źródło: Garrett Advancing Motion

Rys.3: Schemat połączenia turbosprężarki z akumulatorem w pojeździe. Źródło: Garrett Advancing Motion

Niewątpliwie dodatkowym atutem elektrycznych systemów turbodoładowania jest ich wszechstronność. Mogą być bowiem zastosowane w samochodach osobowych i użytkowych, bez względu na rodzaj paliwa (benzyna, olej napędowy, gaz CNG).