Flexibel turboladdning – ny möjlighet för effektivare motorer
Med hänsyn till miljön ökar kraven på att minska förbränningsmotorersbränsleförbrukning och skadliga avgasutsläpp. Kraven kan mötas med ökad flexibilitet av motorns luftflöde, vilket kan åstadkommas med envariabel turboladdare. Tillämpningen av denna teknik har ökat på senaretid men dess möjlighet utnyttjas idag inte till fullo. Mer kunskap finnsnu i en doktorsavhandling av Ralf Barkhage. Han har gjort en experimentell analys av samverkan mellan motorsystemet och en variabel turbin, som visar att det går att förbättra förbränningsmotorn.
En dieselmotors prestanda är till stor del styrd av turboladdningssystemet. Svagheten hos konventionella turboladdare är att de inte förmår att följa en kolvmotors flödeskarakteristik. En kolvmotors flödeskarakteristik är nära nog linjär med motorvarvtalet medan en turbin har en olinjär flödeskarakteristik. Detta leder till otillräcklig luftmängd vid låga motorvarvtal och vid höga motorvarvtal till höga turbovarvtal, vilket resulterar i försämrad bränsleförbrukning och ökade avgasemissioner.
Genom att förse turbinen med reglerbara ledskenor framför rotorn kan
turbinens strömningsarea varieras och därmed turbinens flödeskarakteristik. Effekten som turbinen producerar för att driva kompressorn är beroende av tillgänglig expansion av avgaserna över turbinen. Vid ett givet motorvarvtal kan därför expansionen över turbinen ökas genom att ledskenornas öppning minskas. Kompressorn levererar då mer luft till motorn och flödet anpassas till aktuellt behov.
Genom att anpassa ledskenornas position för varje kombination av
motorvarv och last kan därför luftmängden till motorn styras. Den
erhållna flexibiliteten av luftmängden utgör ytterligare en parameter
för optimering av olika egenskaper hos motorn. Flexibiliteten av
luftmängd kan utnyttjas för optimering av emissioner och
bränsleförbrukning samt för att anpassa motorns momentkarakteristik för
aktuellt användningsområde.
En modern motor utgör ett komplext system där även andra funktioner
regleras såsom styrning av bränsleinsprutning och avgasåterscirkulation.
Vid reglering av turboaggregatet påverkas grundläggande parametrar,
vilket i sin tur ger en återkoppling på övrig reglering. Komplexiteten
ökar ytterligare, särskilt genom kravet på att motorn skall ha goda
egenskaper både vid stationärt driftsförhållande och under acceleration.
Arbetet i avhandlingen har utförts som experimentella studier. Ralf
Barkhage har analyserat inverkan av parametrar som påverkas av turbinens
reglering vid olika driftstillstånd samt dessa parametrars inverkan på
bränsleförbrukning och emissioner. Studierna har utförts både vid
stationära förhållanden och under acceleration.
Resultatet av studierna visar att med anpassning av turbinens expansion
kan motorn optimeras ytterligare och därigenom bli effektivare och mer
miljövänlig.
Avhandlingen: “Evaluation of a Variable Nozzle Turbine Turbocharger on a
Diesel Engine under Steady and Transient Conditions” försvarades vid en
offentlig disputation på Chalmers tekniska högskola den 19 april.
Ralf Barkhage har utfört arbetet som industridoktorand och projektet har
huvudsakligen finansierats av Volvo. För närvarande arbetar Ralf
Barkhage bland annat med turboladdning och gasväxling som konsult inom
Endevor Engineering AB.
Kontaktinformation
För mer information kontakta:
Ralf Barkhage, Endevor Engineering AB, tel: 0302 21351, 0705-521351
e-post:boost@endevor.se
