Avgasenergiåtervinning bör övervägas för att förbättra förbränningsmotorers bränsleekonomi. En stor del av bränslets energi förloras via förbränningsmotorernas avgaser. Dock kan turbo och turbocompound återvinna en del av denna värmeförlust. Energiåtervinningen beror på verkningsgraden och massflödet genom turbinen (erna), liksom avgasernas tillstånd och egenskaper, såsom tryck, temperatur och specifik värmekapacitet. Avgastrycket är den viktigaste parametern som påverkar turbinenergiåtervinningen, men högre avgasmottryck skapar högre pumpförluster. Detta utöver värmeförlusterna i turboaggregator gör mätning och simulering av motorer komplexa.
Avhandlingen består av två huvuddelar. Först har vikten av värmeförluster i turboladdare visats både teoretiskt och experimentellt, med syfte att införa värmeöverföring av turboladdare i motorsimuleringar. För det andra, har olika koncept undersökts för att utvinna avgasvärmeenergi med turbocompound och delad avgasperiod (DEP), i syfte att förbättra avgasvärmeutnyttjande och minska pumpförluster.
I studien av värmeöverföring i turboladdare förbättrades turbomotorsimulering genom att inkludera värmeöverföring av turboladdaren i simuleringen. Härnäst förbättrades värmeöverföringsmodelleringen av turboladdarna genom att införa en ny metod för konvektiv värmeöverföringsberäkning, med stöd av mätningar på turbon på motorn, under olika förutsättningar för värmeöverföring. Därefter bedömdes två olika turboaggregats prestandamappar för värmeöverföringsförhållandena i motorsimulering. Slutligen beräknades temperaturerna på turbons ytor, baserat på mätningarna, under olika värmeöverföringsförhållanden och effekterna studerades på turboprestanda. Den aktuella studien visar att värmeöverföringen i turboladdarna är mycket viktigt att ta hänsyn till i motor simuleringarna, speciellt i transienter.
I studien av avgasvärmets utnyttjande, undersöktes viktiga parametrar med avseende på turbinen och gasväxlingen, som kan påverka värmeåtervinningen. Förutom avgasmottryck, turbinvarvtal och turbinverkningsgrad, visades påverkan av luft-bränsleförhållandet, eftersom lägre luft-bränsleförhållandet i en dieselmotor kan ge högre avgastemperatur. Resultaten av denna studie indikerar att turbocompoundmotorns verkningsgrad är ganska okänslig för luft-bränsleförhållandet.
För att minska påverkan av det ökade avgasmottrycket hos en turbokompoundmotor, utvecklades en ny arkitektur genom att kombinera turbokompoundmotorn med DEP. Syftet med denna studie var att utnyttja den tidiga fasen (blowdown) av avgastakten i turbinen (erna) och låta den senare fasen (scavenging) av avgastakten gå förbi turbinen (erna). För att frikoppla blowdown fasen från scavenging fasen delades avgasflödet upp mellan två olika avgasgrenrör med olika ventiltider.
Enligt denna studie, förbättrar denna kombination bränsleförbrukningen vid låga varvtal och försämrar den på höga varvtal. Detta är främst på grund av lång varaktighet av kritiskt flöde i avgasventilerna eftersom DEP använder endast en av de två avgasventilerna på varje cylinder i taget.
Därför studerades effekten av förstorade effektiva flödesareor hos avgasventilerna. Två metoder användes för att förstora den effektiva flödesarean, ökning diametrarna av blowdown och scavenging ventilerna med 4 mm och ändring av avgasventillyftkurvorna till snabb öppning och snabb stängning. Båda metoderna förbättrades BSFC i samma storleksordning trots att de var av olika slag. Snabb öppning och stängning av avgasventilerna krävde kortare blowdownvaraktighet och längre scavengingvaraktighet. De modifierade lyftkurvorna gav mindre pumpförluster, mindre tillgänglig energi in i turbinen och större amplitud av pulserande flöde genom turbinen.
För att definiera en uppsättning viktiga parametrar som bör undersökas i experimentella studier, genomfördes en känslighetsanalys på turbocompound DEP motorn i fråga om specifik bränsleförbrukning som funktion av olika parametrar som rör gasväxling såsom blowdown ventiltider, scavenging ventiltider, blowdown ventilstorlek, scavenging ventilstorlek, strömningskoefficienterna hos blowdown och scavenging kanalerna, turbinverkningsgrad, turbinstorlek och kraftöverföringsverkningsgraden.
Slutligen, för att övervinna begränsningar av de effektiva flödesareorna hos avgasventilerna genomfördes DEP externt i avgasgrenröret i stället för att utnyttja avgasventilerna, här kallad externt DEP (ExDEP). Denna innovativa motorarkitektur, som drar nytta av överladdning, turboladdning och turbocompound, har en stor bränslesparande potential, i nästan alla belastningspunkter upp till 4%.