A kipufogógáz energiahasznosítása

1991-ben jelent meg sorozatgyártásban a nagy tehergépjárművek piacán a turbókompaund rendszer, a Scania, a Cummins és a Holset cégek közös fejlesztéseként.

A turbókompaund rendszereket két fő csoportba sorolhatjuk aszerint, hogy a kipufogógáz energiáját milyen energiára alakítja át a rendszer, így mechanikus, illetve elektromos turbókompaund rendszerek léteznek.

A mechanikus rendszereknél a hagyományos turbófeltöltőn (turbina+kompresszor) kívül elhelyeznek egy további turbinát is. A turbina forgómozgása hajtóművön és hidraulikus tengelykapcsolón keresztül jut el a motor forgattyústengelyére.

Az elektromos rendszereknél a turbina generátort forgat, amely a gépjármű elektromos rendszerét látja el elektromos energiával. Tehát ez a rendszer a kipufogógáz hőenergiáját (két lépcsőben) elektromos energiává alakítja át. Ebben az esetben több villamos meghajtású egység helyezhető el a járműben pl.: hűtőfolyadék szivattyú, olajszivattyú, légkondicionálás, hűtőventilátorok, szervoszivattyú, légsűrítő, kényelmi berendezések a fülkében stb. Ha ezeket az egységeket nem a főtengelyről kell hajtani, hanem a kipufogógáz veszteség energiájából származó villamos energiával, akkor teljesítménynövekedés, fogyasztáscsökkenés érhető el. Az elektromos turbókompaund rendszer alkalmazásának éppen ez a célja. Előny a mechanikus rendszerhez képest, hogy nem kell bonyolult, lassító áttételeket tartalmazó hajtóművet, hidraulikus tengelykapcsolót alkalmazni.

Caterpillar ETC (Electronic Turbocompound)

A leginkább munkagépeket gyártó Caterpillar cég az elektromos turbókompaund rendszerek fejlesztésében látja a jövőt. A rendszer legfontosabb alkotórésze az átalakított turbófeltöltő. A hagyományos turbótöltő fő részegységei –turbina, kompresszor – mellett, egy motor-generátor egység kapott helyet a turbina és a kompresszor között az összekötő tengelyen.

1. Caterpillar ETC

Az így kapott turbótöltőnek „haszna” kettős, hiszen amellett, hogy a kipufogógázban levő energia segítségével sűríti a szívóoldali levegőt, a kipufogógáz energiájának egy részét villamos energiává alakítja át.

Az így kapott motor-generátor egység önmagában is kettős feladatot lát el. Az egyik a már említett generátorüzem, a másik a motorüzem. Motorüzemben kis kipufogó-oldali nyomás esetén dolgozik az egység, vagyis ilyenkor a motor forgatja a kompresszort. Ezzel a megoldással a turbótöltők problémája, az úgynevezett turbólyuk jelenség orvosolható.

2. Caterpillar ETC motor-generátor egység

A turbótöltő hatásfoka nagyobb, mint 65%. Ezen belül a kompresszor hatásfoka 82%, a turbináé 84%. Hagyományos turbótöltőnek megfelelően a kompresszor és a turbina is radiális lapátozású járókerekekkel rendelkezik.

A hagyományos turbótöltő esetében is fontos kérdés az egyes alkatrészek hőterhelése, a csapágyazás és a kenés. Mivel a motorból kiáramló kipufogógázok hőmérséklete 650 °C körüli, ezért az ETC egyes alkatrészei is igen nagy hőmérsékletnek vannak kitéve. Éppen ezért a gyár folyadékhűtést alkalmazott, hogy a motor-generátor egység álló- és forgórészét a lehető legkisebb hőterhelés érje.

3. Caterpillar ETC hőterhelése

A 3. ábrán látható, hogy míg a ház egy része eléri a 650 °C-os hőmérsékletet, addig a hűtésnek köszönhetően a motor-generátor egység egyes részeinek maximális hőmérséklete 180 °C körül alakul.

Az ETC által előállított villamos energia vagy az akkumulátor töltésére fordítódik, vagy az elektromos fogyasztók működtetésére használja a rendszer (blokksémája a 4. ábrán látható). A motorból távozó kipufogógázok megforgatják a turbinát, melynek tengelye tulajdonképpen a motor-generátor egység forgórésze.

A működést külön irányítóegység vezérli, különböző bemenő jelek alapján. Kimenetén található a motorirányító elektronika, a teljesítményelektronika, a villamos fogyasztók és a forgattyús tengely végén levő indítómotor-generátor egység.

4. Caterpillar ETC blokkséma

A fejlesztők arra törekedtek, hogy az egész terhelési- és fordulatszám tartományban gazdaságosabb motorüzemet és kisebb tüzelőanyag-fogyasztást érjenek el. Az alábbi táblázatban látható, hogy 2,5 és 10,3% között változik terhelés és fordulatszám függvényében a tüzelőanyag-fogyasztás csökkenése. Legnagyobb csökkenés a maximális teljesítményhez tartozó fordulatszámnál van. A haszongépjárművek, munkagépek által leginkább használt tartományban 4 és 7% között változik a tüzelőanyagmegtakarítás az ETC nélküli motorokhoz képest.

John Deere ETC

A John Deere cég által készített elektromos turbókompaund rendszer eltér a Caterpillar rendszertől, és bizonyos tekintetben a mechanikus turbókompaund rendszerekre hasonlít. A John Deere ETC felépítése az 5. ábrán látható. A motorból kiáramló kipufogógázok egy hagyományos turbófeltöltőn haladnak keresztül, meghajtva ezzel a turbinát. Ezután megtörténik a kipufogógáz utókezelés. Az utókezelés után található a rendszerben egy kiegészítő turbina, hasonlóan a mechanikus rendszerekhez.

A különbség pedig abban rejlik, hogy a turbina nem kapcsolódik mechanikusan a forgattyús tengelyhez, hanem úgymond közvetve „elektromosan”, azaz a turbina egy generátort forgat meg, a generátor által előállított villamos árammal pedig a forgattyús tengely végén levő villamos motort hajtják.

5. John Deere ETC blokkséma

A gyár által turbó-generátornak elnevezett egység lényegében egy turbina és egy generátor egybeépített változata. A turbina a kipufogógáz energiáját tengelyteljesítménnyé, a generátor pedig a tengelyteljesítményt villamos energiává alakítja át. A turbó-generátor egység előnye, hogy ismert technológiákkal dolgozik, egyszerű felépítéssel rendelkezik, nagy hatásfokú és költséghatékony a tervezése.

6. John Deere ETC Turbó-Generátor egység

A turbó-generátor egységben a turbina lehet állandó, illetve változtatható geometriájú. A változtatható geometriának köszönhetően részterhelés, illetve kisebb fordulatszámok esetén hatékonyabb a turbó-generátor egység, az állandó geometriájú turbinának viszont teljes terhelés mellett jobb a hatásfoka, valamint egyszerűbb a szerkezet, ezáltal olcsóbb is.

A generátor által előállított váltakozó áramot inverter alakítja át egyenárammá. Ezután a gépjármű villamos hálózatára csatlakozó segédberendezések működtethetőek a kipufogógázból nyert energiával.

A segédberendezések működtetése mellett a kipufogógázból nyert energia segítségével működik a forgattyús tengely végén levő motor-generátor egység.

Generátor üzemmódban dolgozik az egység akkor, amikor a turbó-generátor egység nem képes elegendő villamos energiát szolgáltatni. Ez az eset akkor fordul elő, amikor nincs elegendő kipufogógáz a turbina megfelelő működtetéséhez.

Motorüzemben egész más a helyzet. Ekkor a turbó-generátor egység által előállított villamos energia hajtja a főtengely végén levő motor-generátor egységet, többlet teljesítményt juttatva a forgattyús tengelyre, a motor által leadott teljesítmény mellett. Ezáltal a kipufogógázból visszanyert energia a forgattyús tengelyen jelenik meg és a gépjármű hajtására fordítható.

7. Fajlagos fogyasztás

A 7. ábrán látható, hogy az egész terhelési tartományban csökkenés érhető el a turbókompaund rendszer segítségével.

A gyár adatai szerint 10% fogyasztáscsökkenést és 20% teljesítménynövekedést eredményez a rendszer használata.

8. John Deere ETC

A 8. ábrán látható, hogy a rendszer elég helyigényes, így leginkább munkagépekben, nagy haszongépjárművekben jelenthet reális megoldást a teljesítmény növelésére, illetve a fogyasztás csökkentésére.

A John Deere cég ennek megfelelően mezőgazdasági gépeiben (kombájnok, traktorok), illetve International Truck nevű nagy haszongépjárműveibe építi be a turbókompaund rendszert.