Odzysk energii ze spalin może poprawić wydajność silnika
- Dodatkowa turbina odbiera energię ze spalin za główną turbosprężarką.
- Mechaniczne układy przekazują moc na wał korbowy przez przekładnię i sprzęgło hydrauliczne.
- Najlepsze efekty pojawiają się przy stałym, wysokim obciążeniu, między innymi w transporcie dalekobieżnym.
- W konkretnych zastosowaniach zużycie paliwa może spaść o około 3-6%, ale wynik zależy od silnika i profilu pracy.
- Technologia nie jest tym samym co turbosprężarka compound z dwiema sprężarkami pracującymi w układzie szeregowym.
Na czym polega układ turbo compound
W zwykłym silniku turbo spaliny napędzają turbinę, która przez wspólny wał obraca sprężarkę tłoczącą powietrze do cylindrów. To rozwiązanie wykorzystuje część energii wydechu, ale nie całą. Turbo compound dodaje kolejną turbinę, której zadaniem nie jest sprężanie powietrza, lecz odzysk pozostałej energii.
Dodatkowa turbina, nazywana często turbiną mocy, znajduje się za główną turbosprężarką. W wersji mechanicznej przekazuje moment obrotowy na wał korbowy przez przekładnię redukcyjną oraz sprzęgło hydrauliczne. W wersji elektrycznej napędza generator, a wyprodukowany prąd zasila instalację elektryczną lub ładuje akumulator.
Najważniejsze jest to, że odzyskana moc trafia z powrotem do układu napędowego. Nie trzeba więc zwiększać dawki paliwa, aby uzyskać dodatkowe kilka czy kilkanaście kilowatów. Według danych Volvo Group w wybranych silnikach ciężarowych zastosowanie tego rozwiązania pozwalało ograniczyć zużycie paliwa o około 6,5%.Nie myl odzysku energii z dwiema turbosprężarkami
To częste źródło nieporozumień. Określenie compound turbo bywa używane wobec układu, w którym dwie turbosprężarki sprężają powietrze jedna za drugą. Turbo-compounding działa inaczej. Druga turbina odzyskuje energię ze spalin i przekazuje ją do wału korbowego albo generatora, zamiast zwiększać samo ciśnienie doładowania.
| Rozwiązanie | Co robi dodatkowy element | Główne zastosowanie |
|---|---|---|
| Klasyczne turbo | Napędza sprężarkę powietrza | Większa moc i moment z określonej pojemności |
| Compound turbo | Druga sprężarka zwiększa ciśnienie doładowania | Silniki wymagające bardzo dużej ilości powietrza |
| Turbo-compounding | Dodatkowa turbina odzyskuje moc ze spalin | Oszczędność paliwa i większa sprawność |
Jak przebiega odzysk energii krok po kroku
Cały proces zaczyna się tak samo jak w każdym turbodoładowanym silniku. Spaliny opuszczają cylindry i trafiają na turbinę głównej turbosprężarki. Ta napędza sprężarkę, która wtłacza do silnika więcej powietrza, a intercooler obniża temperaturę sprężonego ładunku.
- Spalanie w cylindrach wytwarza spaliny o wysokiej temperaturze i dużej prędkości.
- Główna turbosprężarka wykorzystuje pierwszą część dostępnej energii do sprężania powietrza dolotowego.
- Turbina mocy odbiera kolejną porcję energii z gazów płynących dalej układem wydechowym.
- Przekładnia lub generator zamienia odzyskaną energię na moment obrotowy albo prąd.
- Sterownik silnika dopasowuje pracę układu do obciążenia, temperatury i prędkości obrotowej.
W rozwiązaniu mechanicznym turbina może obracać się z prędkością kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę, podczas gdy wał korbowy pracuje znacznie wolniej. Dlatego potrzebna jest przekładnia redukcyjna. Sprzęgło hydrauliczne pełni ważną funkcję ochronną, ponieważ ogranicza przenoszenie drgań skrętnych z wału korbowego na delikatne elementy turbiny.
Odmiana mechaniczna i elektryczna
Mechaniczne turbo-compounding jest skuteczne, gdy silnik przez długi czas pracuje w wąskim zakresie obrotów i obciążenia. Takie warunki występują w ciężarówkach jadących autostradą, statkach oraz niektórych maszynach przemysłowych.
Wariant elektryczny daje większą swobodę sterowania. Generator nie musi być sztywno połączony z wałem korbowym, więc łatwiej wykorzystać energię także przy zmiennych obrotach. Z drugiej strony dochodzą koszty generatora, falownika, przewodów wysokoprądowych i akumulatora. Prostszy mechanicznie układ nie zawsze jest tańszy w całym cyklu eksploatacji.
Kiedy ta technologia daje najlepszy efekt
Największy sens ma wtedy, gdy silnik często pracuje przy wysokim obciążeniu. W takich warunkach przez wydech przepływa dużo gorących gazów, a turbina mocy może regularnie odzyskiwać znaczącą ilość energii. Z tego powodu rozwiązanie dobrze pasuje do transportu dalekobieżnego, gdzie pojazd przez wiele godzin utrzymuje podobną prędkość i obciążenie.
Badania i wdrożenia przemysłowe wskazują zwykle na około 3-5% niższe zużycie paliwa w odpowiednio dobranych warunkach. W konkretnych konstrukcjach wynik może być wyższy, ale nie należy traktować go jako uniwersalnej obietnicy dla każdego silnika. Dane przywoływane przez EPA wskazywały również na możliwość zwiększenia mocy wału nawet o około 15%, jednak takie wartości dotyczą określonych konfiguracji i pracy blisko pełnego obciążenia.
W silniku okrętowym albo agregacie pracującym niemal stale przy tym samym punkcie obciążenia odzysk jest łatwy do zaplanowania. W samochodzie osobowym sytuacja wygląda inaczej. Częste przyspieszanie, hamowanie i praca na małym obciążeniu sprawiają, że turbina mocy przez sporą część czasu nie działa w optymalnym zakresie.
Przeczytaj również: Złe paliwo w dieslu - objawy i co zrobić po tankowaniu
Co kierowca odczuje w praktyce
W ciężarówce najważniejsza korzyść nie musi polegać na wyraźnie większej mocy maksymalnej. Cenniejsze bywają niższe obroty przy utrzymywaniu prędkości, lepsza elastyczność i mniejsze zużycie paliwa na długiej trasie. Dla przewoźnika nawet kilka procent oszczędności ma większe znaczenie niż efektowny wynik na hamowni.
Przyjmijmy, że ciągnik siodłowy zużywa średnio 28 l oleju napędowego na 100 km i pokonuje 120 000 km rocznie. Spadek spalania o 4% oznacza około 1344 l paliwa mniej w ciągu roku. Rzeczywista oszczędność finansowa zależy od ceny paliwa, masy ładunku i tras, ale właśnie w takich warunkach technologia zaczyna mieć ekonomiczne uzasadnienie.
Ograniczenia, koszty i problemy serwisowe
Odzyskiwanie energii ze spalin nie jest darmowe. Turbina mocy stawia przepływowi dodatkowy opór, przez co rośnie ciśnienie wsteczne w układzie wydechowym. Przy małym obciążeniu silnik musi wykonać więcej pracy, aby wypchnąć spaliny z cylindrów. W skrajnym przypadku oszczędność znika, a zużycie paliwa może nawet lekko wzrosnąć.
Układ wymaga też precyzyjnego dopasowania turbiny, przekładni, sprzęgła i sterowania. Źle dobrana turbina może pogorszyć reakcję na gaz, zwiększyć temperaturę spalin albo ograniczyć przepływ przy wysokich obrotach. Z mojego punktu widzenia właśnie kalibracja, a nie sama obecność dodatkowej turbiny, decyduje o tym, czy rozwiązanie działa dobrze.
- Większa masa oznacza dodatkowe obciążenie pojazdu.
- Wyższa temperatura wymaga dobrego chłodzenia oleju i elementów wydechu.
- Przekładnia i sprzęgło zwiększają liczbę części podatnych na zużycie.
- Naprawa jest bardziej skomplikowana niż w klasycznej turbosprężarce.
- Małe obciążenie ogranicza korzyści i może zwiększać straty pompowania.
Nie jest to więc rozsądny dodatek do przypadkowego silnika po tuningu. Wymiana zwykłej turbosprężarki na układ z turbiną mocy wymaga zmian w wydechu, smarowaniu, sterowaniu, przeniesieniu napędu i często w układzie chłodzenia. Takiej modyfikacji nie da się ocenić wyłącznie po przyroście mocy.
Turbo compound a klasyczne turbo i układ dwustopniowy
Każde z tych rozwiązań odpowiada na inny problem. Klasyczne turbo zwiększa ilość powietrza w cylindrach. Układ dwustopniowy pomaga uzyskać wysokie ciśnienie doładowania w szerszym zakresie obrotów. Turbo-compounding odzyskuje natomiast energię, która po przejściu przez główną turbosprężarkę nadal pozostaje w spalinach.
| Kryterium | Klasyczne turbo | Układ dwustopniowy | Turbo-compounding |
|---|---|---|---|
| Główny cel | Więcej powietrza i mocy | Wysokie doładowanie w szerszym zakresie | Odzysk energii ze spalin |
| Najlepsze warunki | Szeroki zakres zastosowań | Duże wymagania dotyczące powietrza | Stałe, wysokie obciążenie |
| Wpływ na spalanie | Zależny od kalibracji i stylu jazdy | Może poprawić sprawność, ale zwiększa złożoność | Największa korzyść przy pracy pod dużym obciążeniem |
| Trudność wdrożenia | Umiarkowana | Wysoka | Wysoka |
Jeżeli celem jest szybka reakcja silnika i większy moment, zwykle najpierw analizuje się klasyczne rozwiązania doładowania. Jeżeli priorytetem jest ekonomia wielogodzinnej pracy, dodatkowa turbina odzyskująca energię może przynieść więcej niż samo podnoszenie ciśnienia doładowania.
Czy odzysk energii ma sens w samochodzie osobowym
W większości samochodów osobowych odpowiedź brzmi: rzadko. Taki pojazd pracuje w bardzo zmiennych warunkach, ma ograniczone miejsce pod maską i nie zawsze pokonuje tyle kilometrów pod stałym obciążeniem, aby skompensować koszt oraz masę dodatkowego osprzętu.
Znacznie lepszym środowiskiem są ciężarówki, autobusy dalekobieżne, statki, lokomotywy i agregaty. Tam silnik może przez długi czas działać blisko punktu, w którym turbina mocy ma wysoką sprawność. Technologia nie jest uniwersalnym sposobem na oszczędność, lecz specjalistycznym narzędziem do konkretnego profilu pracy.
Przy ocenie takiego rozwiązania patrzę przede wszystkim na trzy rzeczy: roczny czas pracy pod wysokim obciążeniem, dostępne miejsce na osprzęt oraz koszt serwisowania. Jeśli wszystkie trzy warunki są korzystne, turbo-compounding może poprawić sprawność całego napędu. Jeśli nie, prostszy układ i dobra kalibracja silnika często okażą się rozsądniejszym wyborem.
Najważniejszy wniosek dla właściciela i operatora floty
Turbo-compounding wykorzystuje dodatkową turbinę do odzyskania energii ze spalin, a odzyskaną moc przekazuje na wał korbowy albo do generatora. Największe korzyści pojawiają się przy długiej pracy pod dużym obciążeniem, gdzie realna oszczędność może wynosić kilka procent.
Nie należy mylić tego systemu z dwiema turbosprężarkami sprężającymi powietrze. Przed wyborem rozwiązania trzeba sprawdzić nie tylko moc, lecz także obciążenie silnika, temperatury, ciśnienie wsteczne, koszty obsługi i przewidywany przebieg. W transporcie dalekobieżnym może to być bardzo skuteczny sposób na ograniczenie spalania, ale w lekkim samochodzie osobowym najczęściej pozostaje technologią zbyt złożoną względem uzyskanego efektu.
