Hybrid-Turbolader - Hybrid turbocharger

Grundschema eines Aeristech Hybrid Turboladers
Aeristech 2009 Prototyp eines elektrischen Kompressors

Ein Hybrid-Turbolader ist ein elektrischer Turbolader , der aus einem schnelllaufenden Turbinen- Generator und einem schnelllaufenden elektrischen Luftkompressor besteht . Die Turbine und der Verdichter sind Hochgeschwindigkeits-Flugzeugmaschinen, wie bei einem herkömmlichen Turbolader. Die Elektromotoren laufen mit Drehzahlen von über 120.000 U/min und erzeugen als Generatoren Strom mit bis zu 98,5% elektrischem Wirkungsgrad. Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad ist oberstes Gebot, da keine mechanische Verbindung zwischen Turbine und Verdichter besteht. Mit anderen Worten bezieht sich hybrid Turbolader zu einem seriellen Hybridaufbau, bei dem der Kompressordrehzahl und Leistung von Turbinendrehzahl unabhängig ist und Kraft. Diese Designflexibilität führt zu weiteren Verbesserungen des Turbinen- und Verdichterwirkungsgrads über einen herkömmlichen Turbolader hinaus.

Physische Anordnung

Die Elektromotoren verwenden Permanentmagnete , die einen höheren Wirkungsgrad als Standard-Hochgeschwindigkeits- Induktionsmotoren haben . Induktionsmotoren induzieren ein elektromagnetisches Feld in einen massiven Rotorkern.

Betriebsarten

Beschleunigungsmodus für einen HTT Turbolader

Beschleunigung

Wenn der Fahrer Gas gibt, verhält sich der HTT zunächst wie ein elektrischer Kompressor . Der Kompressormotor wird aus dem Energiespeicher gespeist und beschleunigt so in <500 ms auf volle Betriebsdrehzahl. Diese Beschleunigungsrate eliminiert das Turboloch, das einen Haupteinschränkungsfaktor für die Leistung von Standard-Turbomotoren darstellt.

Während dieser Übergangsphase verwendet das Motorsteuergerät (ECU) eines Standard-Turbomotors eine Kombination von Sensoren wie Lambda-Sensoren und Luftmassenmessern, um den Kraftstoffdurchfluss zu regeln. In einem mit HTT ausgestatteten Motor kann die ECU den genauen Kraftstoffdurchfluss für eine vollständige Verbrennung genauer liefern. Dies wird durch die direkte Steuerung des Luftdurchsatzes und des Ladedrucks über die Steuerung der Kompressordrehzahl erreicht.

Aufladen

Lademodus für einen HTT Turbolader

Bei hohen Motordrehzahlen wird von der Turbine mehr Energie erzeugt, als der Verdichter benötigt. Unter diesen Bedingungen kann die überschüssige Energie verwendet werden, um den Energiespeicher für die nächste Beschleunigungsphase aufzuladen oder einige Nebenverbraucher wie eine elektrische Klimaanlage zu versorgen.

In Kombination mit einer Turbine mit variabler Geometrie kann der Gegendruck auf den Motor je nach elektrischem Bedarf des Fahrzeugs und Ladezustand des Energiespeichermediums variiert werden.

Es wird daran gearbeitet, den Batterie-Energiespeicher durch einen Superkondensator zu ersetzen, der sehr schnell geladen und entladen werden kann.

Gleichgewichtszustand

Die meiste Zeit, in der der Hybrid-Turbolader in Betrieb ist, werden die Verdichter- und Turbinenleistung (nicht unbedingt die Drehzahl) übereinstimmen. Dies gibt dem Konstrukteur eines Turbolader- Laufrads einen zusätzlichen Freiheitsgrad .

Hier überträgt der Hybrid-Turbolader effizient den Strom zwischen Turbine und Verdichter. Das neueste Testprogramm von Aeristech hat bewiesen, dass die Effizienz des Hybrid-Turboladers der eines gewöhnlichen mechanischen Turboladers entspricht (wenn nicht sogar besser).

Systemvorteile

Einige Hersteller behaupten, dass der Betrieb eines Hybrid-Turbomotors viele andere Vorteile bietet:

  • Verbesserte Verpackung durch die Möglichkeit, Turbine und Verdichter in getrennten Teilen des Motorraums zu platzieren.
  • Höhere Ladeluftdichte durch Verkürzung der Einlasskanäle und Vergrößerung des Verdichterrads.
  • ECU-gesteuerte Ladedruckstufen ermöglichen eine genauere prädiktive Steuerung der Verbrennung im Zylinder.
  • Ähnliche Vorteile beim Motor-Downsizing wie bei einem Hybridfahrzeug, aber mit weit weniger (ca. 1/7) Energiespeicherkapazität, um das gleiche Downsizing-Niveau zu erreichen.

Andere Arten von elektrischen Turboladern und elektrischen Kompressoren sind in der Entwicklung:

  • eBooster von BorgWarner - ein kleiner elektrischer Zusatzkompressor, der vom Bordnetz des Fahrzeugs angetrieben wird.
  • TurboPac by TurboDyne - Elektrischer Kompressor
  • Garrett elektrisch unterstützter Turbo
  • Valeo - Elektrischer Kompressor mit einem trägheitsgeregelten Motor mit geschalteter Reluktanz

Entkoppelter Gasturbinengenerator

Dies ist eine ähnliche Technologie, die jedoch auf Mikrogasturbinenmotoren angewendet wird. Hier verwenden sie einen elektrisch gekoppelten Verdichter und eine Turbine direkt in einem Motor und nicht als Unterstützung eines Kolbenmotors.

Der Motor verdichtet den zu verbrennenden Kraftstoff in einer Brennkammer, der über die Turbine ausgestoßen wird.

Es wird behauptet, dass dieses Triebwerk die Ineffizienzen in kleinen Gasturbinentriebwerken überwindet.

Einsatz im Motorsport

Formel Eins

Sportwagen-Langstreckenrennen

Verweise