artikel

Thermische energie optimaal benut, hoe functioneert Turbocompound? (2003-05)

Techniek

Scania heeft als bedrijfsautofabrikant naam gemaakt met de turbocompoundtechniek. Kunt u uitleggen waarin turbocompound verschilt van een gebruikelijke drukvulling met turbo’s. Wat zijn de specifieke voordelen en heeft deze constructie navolging gekregen bij andere fabrikanten?

Scania heeft ruim tien jaar geleden als eerste een turbocompound dieselmotor uitgebracht en kwam, na een tijd van stilte, eind 2001 met een opvolger. Met turbocompound wordt bedoeld dat er na de uitlaatgasturbocompressor nog een turbine is geplaatst. Deze turbine wordt kracht- of beter vermogensturbine genoemd, ‘power turbine’ in het Engels. Deze extra turbine levert in het geval van Scania, en nu recent ook Volvo, vermogen via een mechanische overbrenging aan de krukas. Het is ook mogelijk om de turbine elektrisch vermogen te laten leveren door middel van een dynamo. Caterpillar test momenteel deze uitvoering.

De reden voor het overgaan op een turbocompound uitvoering is gelegen in het feit dat er na de eerste turbine nog heel wat energie in het uitlaatgas zit. Als deze thermische energie kan worden omgezet in mechanische of elektrische energie, zal dat bij hetzelfde brandstofverbruik een vermogenstoename tot gevolg hebben.

Scania zegt dat de uitlaatgastemperatuur van 600°C naar 500°C is gedaald na de turbocompressor. Door de uitlaatgassen de tweede turbine te laten aandrijven, daalt de temperatuur van de uitlaatgassen nogmaals met 110°C. De vermogensturbine draait daarbij maximaal 55.000 t/min. Volgens Scania levert dat zo’n 50 pk (37 kW) vermogen op aan de krukas. De 12 liter zescilinder levert daarmee 346 kW dus zorgt de vermogensturbine voor 12% extra vermogen. De eerste Scania turbocompound motor kwam niet verder dan 5% vermogenswinst.

Caterpillar heeft ook wat gegevens gepubliceerd. Daaruit blijkt dat er met toenemend krukasvermogen steeds meer thermisch vermogen beschikbaar komt om de vermogensturbine aan te drijven. Anders gezegd: het aandrijven van de compressor, die de inlaatlucht levert voor de motor, kost minder vermogen dan de uitlaatgasturbocompressor kan leveren. Bij 100 kW motorvermogen weet de turbocompound zo’n 8 kW van dat vermogenssurplus aan de krukas terug te leveren, bij 200 kW 18 kW, bij 300 kW 30 kW en bij 360 kW 40 kW. De 37 kW bij 346 kW van Scania ligt daarmee aardig in lijn. Caterpillar denkt met een speciale turbocompressor met een elektromotor op de turbine-as, nog efficiënter energie uit de uitlaatgassen te kunnen halen. Zo’n elektromotor kan de turbine aandrijven om de verbranding tijdens het starten en het koppel bij lage toerentallen te verbeteren.

Het nut van een turbocompound constructie is dus ook dat er voor het leveren van een bepaald krukasvermogen minder brandstof nodig is. Caterpillar heeft de brandstofbesparing van een 350 kW sterke diesel bepaald en komt bij dat vermogen op een besparing van ruim 10%. Zelfs bij 50% belasting bedraagt de besparing 5,5%. Vandaar dat het onderzoek naar elektrische turbocompound (ETC) motoren doorgaat. Voorlopig zijn echter Scania en Volvo de enige met mechanische turbocompound motoren.

Reageer op dit artikel