Turbocompound dízelmotorok a mezőgazdaságban

A mezőgazdaságierőgép-technika több évtizede alkalmazza dízelmotoroknál a turbófeltöltés módszerét. A turbófeltöltő után a kipufogógáz még jelentős energiamennyiséget tartalmaz, amelynek egy részét a turbocompound rendszer alkalmazásával mechanikai munkavégzésre lehet átalakítani, így növelhető a motor teljesítménye, és mérsékelhető a hajtóanyag-fogyasztása. A turbocompound dízelmotorok jövőbeli sikeres alkalmazását a mezőgazdasági erőgépek villamosítása is segíti majd.

A dízelmotor kipufogógáza a turbófeltöltő után még jelentős energiamennyiséget tartalmaz, amelynek egy részét egy további turbina alkalmazásával mechanikai munkavégzésre lehet átalakítani. A mechanikai munkát szolgáltató turbinát vagy turbinaegyüttest angol szóval turbocompound (turbina-összetétel, turbinakomponálás) elnevezéssel illetik, és az ezzel rendelkező motort „turbocompound” motornak hívják.

A csak mechanikus elemeket tartalmazó kivitel esetén legelterjedtebb felépítés a „mechanikus soros turbocompound” rendszer (1. ábra).


A mechanikus soros turbocompound rendszer vázlata
1. ábra. A mechanikus soros turbocompound rendszer vázlata

 

Ennél a rendszernél a motor után a feltöltő turbináját a sorban a teljesítményturbina követi, amelynek akár 55 000 1/minfordulatszámmal járó tengelyén a kipufogógázból nyert mechanikai munkát, fordulatszám-reduktor után, a főtengelyhez vezetik vissza. Ez a technológia néhány százalékos hatásfok-emelkedést eredményez, ezért alkalmazása előnyös lehet a nagyteljesítményű dízelmotorokkal rendelkező mezőgazdasági gépeknél.

Az igen magas fordulatszám fogaskerekes csökkentése komoly kihívást jelent. A teljesítményturbinával villamos generátort is hajtani lehet, és ekkor a kipufogógázból nyert villamos energia egyszerűen visszavezethető az elektromos rendszerbe vagy villanymotorral a dízelmotor főtengelyéhez. Ezt a rendszert „elektromos turbocompound” elnevezéssel illetik, és az elektromos járművek elterjedésével ezt a megoldást fogják széles körben használni.

 

Scania DT12 turbocompound dízelmotor

Az 1960-as évektől – a turbótechnika fejlesztésével – az ipari dízelmotoroknál megkezdődött a turbófeltöltők széles körű alkalmazása. A járműtechnikai kutatások kitértek a turbocompound rendszer fejlesztésére is, de a kivitelezés nehézsége és költségessége miatt alkalmazására sorozatgyártású motoroknál hosszú ideig nem került sor.

A turbocompound technika első sikeres közúti alkalmazását 1991-ben a Scania kezdte el. A Scania DT12 típusjelzésű, 6 hengeres, 12 l-es, 324 kW (440 LE) teljesítményű dízelmotor turbocompound rendszerének felépítését az 1. kép szemlélteti.

 

Scania DT12 turbocompound dízelmotor metszeti képe
1.  kép. Scania DT12 turbocompound dízelmotor metszeti képe.
1, kipufogógáz a motorból; 2, turbótöltő; 3, teljesítményturbina; 4, fordulatszám-reduktor;5, fogaskerék-kapcsolat; 6, főtengely (forrás: www.scania.com)

 

A dízelmotorból kijövő kipufogógáz (1) a turbótöltő radiál lapátozású turbinájával hajtja a sűrítőkompresszort, és így a kipufogógázból nyert energiával lehet a motort több levegővel feltölteni (2), amelyhez több hajtóanyag adagolásával nagyobb motorteljesítmény érhető el. A továbbhaladó kipufogógázból a soros elhelyezésű radiális lapátozású teljesítményturbina (3) az alapmotorhoz viszonyítva 8-10% teljesítménynyereséget hoz létre. Az így nyert teljesítményt az 50 000–60 000 percenkénti fordulatszámmal járó turbinatengelyről hidrodinamikus tengelykapcsolóval rendelkező fordulatszám-reduktorral (4) és fogaskerék-áttétellel (5) viszik át a motor (6) főtengelyére. A hidrodinamikus tengelykapcsoló fontos szerepet kap, mert segítségével oldható meg a forgórészek rugalmas összekapcsolása fordulatszám-különbségek esetén is.

 

Volvo D13 TC turbocompound dízelmotor

A Volvo D13 TC jelzésű turbocompound dízelmotor első generációját 2017-ben fejlesztették ki. Ez a turbocompound négyütemű dízelmotor6 hengeres, soros elrendezésű, 12,8 liter lökettérfogatú, 131 mm furatú, 158 mm löketű, 18:1 sűrítési arányú, 1 230 kg tömegű, és teljesítménye 372 kW (500 LE),2 200 1/min fordulatszámon.

A Volvo turbocompound rendszerének felépítése (2. kép) lényegében megegyezik a Scania ismertetett rendszerével.

 

Volvo D13 TC turbocompound dízelmotor
2. kép. Volvo D13 TC turbocompound dízelmotor
1, turbocompound egység; 2, turbocompound egység metszeti képe (forrás: www.volvotrucks.us)

 

A legnagyobb különbség, hogy a teljesítményturbina lapátozása axiális (tengelyirányú), és egybe van építve a turbótöltő turbinájával (lásd a 2. képbal felső sarkát). Ez a megoldás kisebb helyet foglal el, kisebb a tömege, és az igen rövid kipufogócsőszakaszok miatt az áramlási veszteségek alacsonyabbak. A turbocompound rendszer kb. 50 LE teljesítménynövekedés hoz, és 6,5% hajtóanyag-megtakarítást eredményez.

 

FPT Cursor 13 TDC turbocompound dízelmotor

A 2008-tól 2011-ig gyártott New Holland CR9090 Elevation kombájnokat és az FR9060 szecskázógépeket az FPT Cursor 13 TDC jelzésű turbocompound dízelmotorral készítették (3. kép).

 

New Holland FR9060 szecskázó Cursor 13 TDC turbocompound dízelmotorral
3. kép. New Holland FR9060 szecskázó Cursor 13 TDC turbocompound dízelmotorral (forrás: www.newholland.com/de)

 

Az FPT Cursor 13 TDC soros elrendezésű turbocompound rendszerrel rendelkező négyütemű dízelmotor 12,9 l-es, 6 hengeres, soros, 135 mm furatú, 150 mm löketű, kb. 1390 kg száraz tömegű. A motor teljesítménye 435 kW (591 LE), ami 45 kW (61 LE) teljesítménnyel több, mint a hasonló alapmotor, és vele 8%-kal alacsonyabb hajtóanyag-fogyasztás érhető el. A turbocompound rendszer működése megegyezik a Scania motornál leírtakkal, az erőátvitel és a hidrodinamikus tengelykapcsoló Voith gyártmányú.

 

Mercedes-Benz OM 473 LA

Az új Mercedes-Benz OM 47x turbocompound dízelmotorcsaládot több célra tervezték, a közúti járművek mellett ipari, mezőgazdasági feladatok ellátására is. A család legerősebb tagja az OM 473 LA típusjelzésű turbocompound dízelmotor (4. kép).

 

Claas LEXION 8800 Terra Trac kombájn, MB OM 473 LA turbocompound dízelmotorral
4. kép. Claas LEXION 8800 Terra Trac kombájn, MB OM 473 LA turbocompound dízelmotorral (forrás: www.claas.hu; www.roadstars.mercedes-benz.com)

 

A Mercedes-Benz OM 473 LA turbocompound dízelmotor 6 hengeres, soros elrendezésű, 15,6 liter lökettérfogatú, 139 mm furatú, 171 mm löketű, 18,3:1 sűrítési arányú, amelynek teljesítménye 480 kW (653 LE) 1 600 1/minfordulatszámon, maximális nyomatéka pedig 3 000 Nm 1 100 1/minfordulatszámnál. A motor X-Pulse hajtóanyag-ellátó Common Rail rendszerének vezérlésével a hajtóanyag-befecskendezés időbeli lefolyása befolyásolható.

Az OM 473 LA motor soros turbocompound rendszere a szokásos turbófeltöltő után axiál beömlésű turbinával rendelkezik. A turbinával kinyert mozgásenergia a Voith cég által gyártott hidrodinamikus tengelykapcsolóval rendelkező erőátvitellel jut a motor főtengelyéhez. Az alapmotorhoz képest mintegy 50 kW (68 LE) teljesítménynövelés érhető el, hajtóanyag-fogyasztás növekedése nélkül, így javul a fajlagos hajtóanyag-fogyasztás, a motor gazdasági hatásfoka. A kipufogógáz-visszavezetésből (EGR) származó veszteség mérséklése érdekében az első három hengerből vezetik vissza a kipufogógázt, igy a turbótöltő meghajtása aszimmetrikus táplálású. A motor tömege a kompakt építésű móddal 1 385 kg.

A Mercedes-Benz OM 473 LA dízelmotort Detroit Diesel DD16 és MTU 6R 1500 C motorként is gyártják és alkalmazzák, például a Claas LEXION 8800 Terra Trac, LEXION 8700 kombájnokban.

A közeljövőben a nagy teljesítményű mezőgazdasági gépeknél a turbocompound motorok széles körű elterjedésével találkozhatunk. A turbocompound motorok sikeres alkalmazását elősegíti a mezőgazdasági erőgépek villamosítása. Az elektromos turbocompound rendszerek alkalmazásához legalább 50–60 kW villamos teljesítménnyel rendelkező hibridhajtású mezőgazdasági erőgép szükséges.

 

SZERZŐ: DR. VARGA VILMOS NY. EGYETEMI DOCENS

agrár dízelmotor erőgép hajtóanyag-fogyasztás hibridhajtás kipufogógáz Mercedes-Benz mezőgazdaság motor New Holland Scania technika turbina turbocompound turbófeltöltő Volvo