Dolgozzon kétszer a kipufogógáz

A nagyvasakra, a haszongépjárművekre ma még nincs kötelező CO2 flottakibocsátás előírás. A gyártók és konstruktőreik azonban, ha még nem is tudják, de sejtik: ami késik, az nem múlik. Készülniük kell a tüzelőanyag-fogyasztás további csökkentésére.

Náluk ez eddig is törekvés volt, mert a pénzszerző haszongépjárműveknél a vevőigények között nagyon is számít a fogyasztás. Ha a szén-dioxid-csökkentési előírás életbe lép, ez újabb, komoly kényszert jelent. Egy fuvarfeladat teljesítése alatti fogyasztás csökkentésének számos módja van, ennek csak az egyik, nem elhanyagolható eleme a motor hatásfokának a növelése. A hatásfok-növelési módszerek többsége régről ismert, de eddig ezek drágább megoldásait ritkán használták. A velük elérhető eredményhez képest áruk, karbantartásigényük, tömegük és más jellemzőik nem voltak arányosak, ezért nem alkalmazták. Nagyot változott a világ: ma talán az ár nem is számít, ha az „intézkedés” akár csak néhány százalékot is hoz a hatásfoknövelésben, ennek következtében a fogyasztás és a CO2-kibocsátás csökkentésében.

Vitathatatlan, hogy vannak még tartalékok. Kit ne bosszantana, hogy amikor egy nagyvas motorja 400 kW-ot ad le, akkor 300 kW-ot kipufog, és a másik 300-at pedig hűtőin keresztül és sugárzással adja át a környezetnek. És ez az arány nem is rossz! Lehet-e a veszteségből - a ma is szinte csúcson lévő dízelmotoroknál – még néhány százalékot a jó oldalra átvinni? Néhány százalékot (max. 10-et?) úgy néz ki, talán lehet.

KIPUFOGÓGÁZ-TARTALÉKOK

A kipufogógáz turbótöltés elsősorban a fajlagos effektív jellemzők növelésére szolgál, tehát a cél, hogy a lökettérfogat egységéből minél nagyobb munkát (forgatónyomatékot), illetve teljesítményt hozzanak ki. A turbótöltéssel a hatásfok is növelhető, mert pozitív töltetcsere munkát érhetünk el. A turbina fedezi a kompresszormunkát és pozitívvá alakíthatja a töltetcserét is. Ennek egyik feltétele, hogy a turbina utáni kipufogási ellennyomás kis értékű legyen. Sajnos ma ennek a kipufogógáz-tisztítás az akadálya. Mivel szükséges a kipufogógáz-visszavezetés, az EGR, ezért növelni kell a kipufogási ellennyomást, hogy a gázt visszakényszerítsük a turbótöltő kompresszor utáni csőszakaszába és közben még egy gázhűtőn is átvigyük. Az ellennyomást még növelik az emissziótechnika katalizátorai, és különösen a koromszűrő. Ezek az üzemelés során tovább növelik a fojtást, mert csatornáik beszűkülhetnek, a falszűrő eltömődik. Ennek ellenére, helyesen megválasztott jellemzőjű emissziótechnikai elemek mellett még van lehetőség arra, hogy a turbótöltő után még egy kipufogógáz-turbinát építsenek be. Az erről levehető munka a veszteségből csíp el néhány százalékot. Van más is! Erre kicsit később térek ki.

1. ábra

A TURBÓKOMPAUND

Mint oly sok mindennek az erőgépek több száz éves technikájában, a kompaund-rendszernek is „ősi” gyökerei vannak. A kompaund gőz mozdonyok gőzgépének munkáját két fokozatban, két külön, de egymással sorba kapcsolt gőzhengerrel használják ki, más szóval kétszeres expanziójú gőzgépek. A kompaund gőzmozdonyok legalább két, de gyakran négy (tehát két pár) hengerrel készültek. A compound angol szó, magyar átírásban kompaund, jelentése összetett. Ha tehát a kipufogógázzal még egy turbinát – akár axiálisat, akár radiálisat – hajtatunk, akkor annak munkáját a hajtásláncba visszavezethetjük. Ez a turbókompaund technika.

Sajnos mély részletekbe menően nem sikerült információt szereznünk, magyar nyelvű szakirodalom – pedig jó magyar nyelvű turbós könyveink vannak – egyáltalán nincs (!), külföldi is alig. Mind a Volvo (I-Torque), mind a Scania azt mondja, hogy a turbókompaund révén 3...4% fogyasztásjavulást lehet elérni. Ha ehhez hozzájön – hogy lássuk, egészen más technikák is hoznak a konyhára – az útvonal tengerszinthez viszonyított magassági pályageometria előrelátó és ehhez igazodó motorterhelés előválasztó rendszer (például Volvo I-See) által hozott 6%, az eredmény jó esetben lehet 10%! A turbókompaund szerkezetét elnézve – lásd a címképet – láthatjuk, hogy ez a gépészet nem lehet olcsó, de manapság pár százalék is számít, így alkalmazzák.

A turbókompaundot sem ma találták ki, nagymotorokon, de haszongépjármű-dízeleken is használták. Sorozatgyártású haszongépjármű-motornál a Scania volt az úttörő 1991-ben. Amiért most szólunk róla, annak két oka is van, az egyik egy tartozás, mert ez a téma lapunk 24 éves történetében valahogy elmaradt és főleg azért most, mert mostanában éli reneszánszát, egyre több haszongépjármű-gyártó alkalmazza. Tudjuk, hogy van ilyen a Volvónál, a Scaniánál, az IVECO-nál és a Detroit Dieselnél és anyacégénél, a Mercedesnél. A klasszikus megoldásnál a turbina tengelye nagy fogaskerék-lassító áttétellel kapcsolódik a motor főtengelyéhez, illetve lendítő kerekének fogaskoszorújához.

Az egyik kivitelezett változat áttétele 32:1. Ezt a haszongépjármű-dízelmotoroknál már minden gyártónál módosították, és a hajtásláncba bekötöttek egy hidraulikus tengelykapcsolót, ezzel lágyítva a kapcsolatot. A főtengelyről így nem jut vissza a járásegyenlőtlenség, nem rángatja a turbinát. Kevés adatot tudunk, de azt az egyik beszállító, a Voith (Voith Turbo GmbH & Co. KG), aki a Daimlernek és az IVECO-nak beszállítója, elárulja, hogy a második turbina maximálisan 52...55 000 min-1 fordulatot ér el, és maximálisan 75 kW teljesítménnyel, általában 8%-kal tudja növelni a motorteljesítményt.

A turbókompaund szerkezetének tömege, kiviteli változattól függően 40–50 kg. A turbótöltő turbinájába belépő gázhőmérséklet amennyiben 650 °C, akkor abból kilépve 550 °C értékre csökken, és a második turbinából kilépve már csak 440 °C lesz. Képeinken a műszaki megoldásokat tanulmányozhatjuk. A címkép a Volvo turbókompaund technikáját mutatja.

3. ábra

A második turbina axiálturbina, tehát a gáz tengelyirányból éri először a vezetőlapát-koszorút, majd a turbina lapátjait, és tengelyirányban is hagyja el. A turbinatengelyt két radiális úszó siklócsapágy vezeti és egy axiálcsapágy támasztja meg. A tengelytömítésre fokozott feladat hárul, egyrészt nem kerülhet olaj a kipufogógáz-áramba, másrészről nem lehet gázátfújás a motor karterterébe. A két turbinát öszszekötő szakasz neve IDD (Inter stage Diffuser Duct). Ezután fordítják el a gázáramlást, hogy a kimenő tengely a hidraulikus tengelykapcsolót áttételen át elérje. A hajtás ismét lassító fogaskerék-áttételen jut a főtengelyre ➊. A motor két generációját mutatja a ➋. és a ➌. ábra. Ez utóbbi a Volvo megnevezésében az I-Torque motor. A Daimler is axiál beömlésű második kipufogógáz-turbinát alkalmaz a Detroit Diesel egyes motorjain (DD 15). Az erőátviteli egységet a Voith gyártja.

A SCANIA és az IVECO radiális kipufogógáz-turbinát alkalmaz. Az elrendezés hasonló, a főtengelyre hajtanak fogaskerekes hajtóművön keresztül. A hajtásláncban hidraulikus tengelykapcsoló van. A SCANIA-motoron a turbókompaund egységeinek az elhelyezését a ➍. ábra mutatja, szerkezeti rajzát az ➎. ábrán tanulmányozhatjuk. A munkahenger a motorfékhez szükséges fojtószelepet működteti. A motor fényképét a ➏. ábra mutatja. Az IVECO (Cursor 13 TCD, CI3 ipari motor) a turbókompaund egységet ➐– turbina, hidrokuplung és fogaskerékszekrény – egy egységbe foglalja és a turbótöltőtől messzebbre helyezi el. Kenését a motortól kapja. Az egységet a Voith gyártja.

VILLANYMOTOR/GENERÁTORT MINDENHOVÁ!

Nézzük meg, hogy hány helyre lehet villanymotort, illetve motorgenerátort beszerelni ➑! Kezdjük a turbókompaund technikával: a turbina generátort forgathat, villamos energiát visszatáplálva (A).

A turbótöltő középrészbe is szerelhető villanymotor, hogy rásegítsen a töl tésre, a turbólyukat teljesen elvegye, és motorféküzemi kifutásban pedig mint generátor visszatápláljon (B). Önálló kompresszorhajtás is történhet villanymotorral (C). Egy új megoldás – talán még csak ötlet – a kipufogógáz-visszavezetés segítése villamos hajtású kompresszorral, nevezzük EGR-szivattyúnak (D). Még merészebb útja az energia-viszszanyerésnek az, amikor a kipufogógáz hőjével gőzt fejlesztünk és egy gőzturbinát hajtunk meg vele. A turbina generátort forgat, így fordítják át a kipufogógáz hőenergiáját villamos energiává (E). Természetesen mindezek energetikai mérlegét a gyártónak ki kell mérnie és mérlegelnie, hogy alkalmazza-e ezeket az új megoldásokat.

KÉTFOKOZATÚ TURBÓTÖLTÉS

A turbótöltésben máshol is van keresnivalónk, ha hatásfokot akarunk növelni. Ma ismerünk olyan konstrukciót haszongépjármű-dízelmotoroknál, ahol két turbótöltőt alkalmaznak – kétfokozatú töltés –, és azokat sorba kötik: egy nagy töltő egy kicsire rádolgozik, és így együtt töltik fel a motort. A személygépkocsik motorjánál a többtöltős kialakítások már viszonylag régen ismertek, de itt „trükköznek”: dolgozhat csak az egyik, míg a másik pihen, és dolgozhat együtt a kettő. Turbinaoldalon a szabályozás lehet olyan, hogy by-pass ággal elkerülik, részben vagy teljesen rávezetik a turbinára a kipufogógázt. Példánkban, az M.A.N. motornál, a két töltő „egyszerűen” sorba van kötve (természetesen sokféle konstrukciós megoldás létezik).

Kipufogóoldalon is az egyikből a másikba áramlik a gáz. Szabályozni azonban kipufogóoldalon mindkét töltőt kell. A két töltő között (kisnyomású hűtő) és a második töltő után is van közbenső levegőhűtés (nagynyomású intercooler). Az M.A.N. a megoldás előnyeként több tényezőt is megemlít. Kisebb a reakcióidő, nincs turbólyuk, mert a kisebb töltő gyorsan fel tud pörögni. A két visszahűtő révén nagyobb mértékben hűthető vissza a töltőlevegő. A töltők nincsenek csúcsra járatva, így élettartamuk kedvező.

6. ábra

A két töltő közötti közbenső hűtés a második töltő hatásfokát növeli, illetve mindkét töltő tud a kedvező hatásfoktartományában működni. A nyomásviszony növekedésével a kompresszorhatásfok csökken, ez nagyobb munkafelvételt jelent. A töltők egyenként kisebb nyomásviszonnyal dolgoznak, így jobb a hatásfokuk. Ha a kompresszornak kisebb a munkafelvétele, akkor turbinaoldalon kisebb ellennyomás elegendő.

A soros turbótöltés kapcsolással elérhető eredményt (konkrétan nem az M.A.N. motorra vonatkozik) táblázatunk mutatja. A javulás 4,6%.

Ha golyóscsapágyakon futó forgórészt alkalmaznak, ehhez még 1% jön hozzá. Az Euro VI előírást teljesítő M.A.N. D08 motorcsalád DOC+DPF+SCR emissziótechnikával szerelt, mely EGR-rel is kiegészül. A ➒ . ábrán a töltők elrendezése és a levegő-visszahűtők láthatóak. A második, nagynyomású töltő után a levegő a karter oldalán lévő csatornán át áramlik a motorblokk elején található második hűtőbe. Mindkét hűtő levegő/víz hűtő. Cikkünkben a dízelmotor hatásfoknövelésének turbótöltéssel elérhető eredményei közül válogattunk. További eredményeket várhatóan a hibrid megoldások – a villanymotor/generátor együttes alkalmazásai – fognak hozni.

Forrás: O. Ryder, N. Sharp: The impact of future engine and vehicle drivetrains on turbocharging system architecture, Cummins Turbo Technologies, Huddersfield, UK