DE102011077148A1

DE102011077148A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011077148A1
Application number: DE102011077148A
Authority: DE
Inventors: Daniel Brand; Ennio Codan
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-13

Abstract

Der mit Schweröl betriebene Verbrennungsmotor umfasst mehrere Zylindern und mindestens einen Abgasturbolader. Das Abgas von mindestens einem der Zylinder wird über eine Pumpe zur Einlassseite des Motors zurückgeführt. Der mindesten eine Zylinder, dessen Abgas zur Einlassseite des Motors zurückgeführt wird, wird mit einem für die Abgasrezirkulation geeigneten, schwefelarmen Brennstoff betrieben. Aufwendige Behandlungen des Abgasrezirkulations-Abgases sind nicht notwendig. Im Vergleich zu einer Lösung, bei welcher alle Zylinder mit einem hochwertigeren Brennstoff versorgt werden, sind die Betriebskosten stark reduziert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der aufgeladenen Brennkraftmaschinen. Sie betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem ein- oder mehrstufigen Abgasturbolader sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verbrennungsmotors.
Stand der Technik
Abgasrezirkulation (AGR) ist eine bekannte Massnahme zur Reduktion der NOx-Emissionen. Bei kleinen Motoren für PKW und LKW Antrieb gibt es mehrere Ausführungen im kommerziellen Einsatz.
Bei Grossmotoren ist die Abgasrezirkulation noch nicht allzu verbreitet, da einerseits die Emissionsgrenzen noch nicht so streng sind, wie bei kleineren Motoren, andererseits verschiedene Herausforderungen zu überwinden sind.
Eine erste Herausforderung ergibt sich aus der Qualität der für den Antrieb verwendeten Brennstoffe. Schiffsmotoren werden häufig mit Schweröl mit hohem Schwefelanteil betrieben. Dies erfordert eine aufwendige Behandlung des Abgases aus den Brennkammern des Verbrennungsmotors bevor es rezirkuliert werden kann. Aus WO 1994029587 ist die Anordnung eines Gaswäschers bekannt, welche erlaubt, Abgasrezirkulation mit Schweröl zu betreiben. Gaswäscher brauchen aber ein grosses Volumen und haben hohe Anschaffungs- und Betriebskosten.
Eine zweite Herausforderung besteht darin, dass normalerweise bei aufgeladenen Grossmotoren der Druck im Einlassreceiver höher ist, als der Druck im Abgasreceiver. Diese Druckdifferenz muss durch eine Abgasrezirkulations-Pumpe überwunden werden. In der oben erwähnten Patentschrift WO 1994029587 ist dafür ein elektrisch angetriebenes Gebläse vorgesehen.
Ein alternatives Verfahren ist in DE 4331509 beschrieben, wo eine Untermenge an Motorzylinder gasseitig nicht mit Turbine, sondern mit dem Abgasrezirkulations-Pfad verbunden ist. und optional mit einem gegenüber dem für die anderen Zylinder verwendeten Dieseltreibstoff weniger Russ produzierenden Treibstoff betrieben werden. Mit dieser Anordnung kann man die Abgasrezirkulations-Pumpe sparen, da diese Abgasrezirkulations-Zylinder auf Kosten einer erhöhten Kolbenarbeit das Gas in den Einlassreceiver einspeisen können. Diese Lösung hat den Nachteil, dass die Spenderzylinder mit einem höheren Gegendruck arbeiten. Die Spülung ist dann unmöglich und die thermische Belastung ist erheblich höher als bei den normal arbeitenden Zylinder. Aus diesen Gründen ist die Lösung für Grossmotoren bislang nicht anwendbar.
Eine dritte Herausforderung für Marinemotoren sind die je nach Gewässer stark unterschiedlichen Emissionsgrenzen. Die Schiffsbetreiber müssen in der Lage sein, die strengsten Grenzen zu erfüllen. Da aber dies mit stark erhöhten Betriebskosten verbunden ist, müssen die Schiffe auch in der Lage sein, kostengünstig fahren zu können, wo dies durch höhere Emissionsgrenzen erlaubt ist. Ein AGR-System muss dann umschaltbar sein, was gravierende Folgen auf die Auslegung des Aufladesystems mit sich bringt. Lösungen dafür sind sowohl für 1-stufig wie auch für 2-stufig aufgeladenen Motoren in EP-2196660 und EP 2196659 gegeben.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht darin, ein mit Schweröl betriebener Verbrennungsmotor mit verminderter Schadstoffemission zu schaffen.
Bei einem mit Schweröl betriebenem Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern ist mindestens ein Zylinder auslassseitig von den anderen getrennt oder trennbar und ist mit dem Abgasrezirkulations-Pfad verbunden.
In einer ersten erfindungsgemässen Ausführungsform bei einem zweistufig aufgeladenen Verbrennungsmotor führt der Rezirkulationspfad das Abgas aus dem mindestens einen separaten Zylinder zwischen dem Verdichterausgang des Niederdruck-Abgasturboladers und dem Verdichtereintritt des Hochdruck-Abgasturboladers auf die Einlassseite des Verbrennungsmotors zurück.
In einer zweiten erfindungsgemässen Ausführungsform, arbeitet dieser mindestens eine Zylinder mit einem Brennstoff, der für Abgasrezirkulation ohne besondere Massnahmen geeignet ist, d. h. z. B. ein schwefelarmes Dieselöl oder ein Gas, während die restlichen Zylinder mit einem beliebigen Brennstoff, insbesondere Schweröl versorgt werden können. Im Abgasrezirkulations-Pfad befindet sich eine Abgasrezirkulations-Pumpe, die elektrisch, mechanisch oder von einer Gasturbine angetrieben werden kann. Das Aufladesystem und der Abgasrezirkulations-Pfad können sonst beliebig konfiguriert werden, insbesondere nach den in EP-2196660 und EP-2196659 aufgelisteten Merkmalen.
Besonders interessant ist die Kombination dieser beiden Ausführungsformen ebenfalls für die 2-stufige Aufladung. In dieser Konfiguration ist die Funktion der Abgasrezirkulations-Pumpe aus der zweiten Ausführungsform in dem Hochdruck-Abgasturbolader integriert, was sicher ein Kostenvorteil darstellt. Dazu gibt es einen thermodynamischen Vorteil. Wird die Menge rezirkuliertem Abgas von einem ungeteilten Abgasreceiver zum Verdichtereintritt des Hochdruck-Abgasturboladers geführt, muss eine Drosselstelle zur Drucksenkung vorgesehen werden, was ein Energieverlust darstellt. Sind die Abgasreceiver aber erfindungsgemäss getrennt, kann das Gas der Spenderzylinder ungedrosselt zum Verdichtereintritt des Hochdruck-Abgasturboladers geführt werden. Die Spenderzylinder arbeiten dann mit einem reduzierten Gegendruck, d. h. der Drucküberschuss wird nicht gedrosselt, sondern in Kolbenarbeit umgesetzt.
Ausgehend von der letzten Konfiguration kann es von Vorteil sein, im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors den Anschluss des Abgasrezirkulations-Pfades vom Eintritt zu Austritt des Verdichters des Hochdruck-Abgasturboladers zu verschieben. Dadurch erhöht sich der Ladedruck, da der Verdichter des Hochdruck-Abgasturboladers auf Kosten der Kolbenarbeit der Spenderzylinder entlastet wird. Dies ist von Vorteil, wenn der Luftüberschuss in Teillast zu klein ist, um Probleme mit Rauch und thermische Belastung der Zylinder zu beseitigen.
Wird der Motor ohne Abgasrezirkulation betrieben, ist es von Vorteil, wenn alle Zylinder mit dem gleichen Brennstoff arbeiten und das Gas aller Zylinder in die Turboladerturbine geführt wird. Aus diesem Grund können die geteilten Abgasreceiver optional über ein Ventil zusammengeschaltet werden.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Ausgestaltung des Verbrennungsmotors ist generell, dass aufwendige Behandlungen des Abgasrezirkulations-Gases nicht notwendig sind. Andererseits ist die Erhöhung der Betriebskosten stark reduziert, im Vergleich zu einer Lösung, bei welcher alle Zylinder mit einem hochwertigeren Brennstoff versorgt werden.
Darüber hinaus, kann durch Regelung des Gegendruckes bzw. durch Variation der Steuerzeiten der Durchsatz der Spenderzylinder derart eingestellt werden, dass die benötigte AGR-Menge minimiert wird. Bei einem konventionellen Motor mit einem schlechten Brennstoff muss einen Anteil an Luft überspült werden, damit die Abgastemperatur unter den zulässigen Grenzen gehalten wird. Diese überspülte Luft trägt nicht zur NOx-Reduktion bei und würde unnötige Leistung von der AGR-Pumpe verbrauchen. Da der hochwertigere Brennstoff höhere Abgastemperaturen zulässt, ist eine Reduktion der überspülten Luftmenge von Vorteil.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend sind anhand der Figuren Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Aufladesystems schematisch dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 einen mit Schweröl betriebene Verbrennungsmotor mit der erfindungsgemässen Zylinderaufteilung und einer Abgasrückführung über eine Pumpe zum Luftreceiver des Verbrennungsmotors,
2 den mit einem Ventil ausgestatteten Abgasreceiver des Verbrennungsmotors nach 1, und
3 den Verbrennungsmotor nach 1, bei welchem die Abgasrückführung optional zum Lufteinlass des Hochdruckverdichters geführt ist, so dass der Hochdruckverdichter die Aufgabe der Abgasrückführungspumpe übernimmt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader, welcher aus zwei Stufen zusammengesetzt ist. Die Hochdruckstufe mit Verdichter K1 und Turbine T1 und die Niederdruckstufe mit Verdichter K2 und Turbine T2. Erfindungsgemäss wird ein Teil des Abgases, gemäss Darstellung 1 das Abgas der Zyliner 3 bis n des Verbrennungsmotors über die Hochdruckturbine T1 zum Antreiben des Hochdruckverdichters K1 und die Niederdruckturbine T2 zum Antreiben des Niederdruckverdichters K2 geführt. Die übrigen Zylinder, gemäss Darstellung 1 die Zylinder 1 und 2, speisen mit ihrem Abgas den Abgasrezirkulationspfad, in welchem ein erster Kühler EGR-C1, eine elektrisch angetriebene Pumpe sowie ein weiterer Kühler EGR-C2 angeordnet ist. Das zur Einlassseite des Motors rückgeführte Abgas wird erfindungsgemäss dem Luft-Receiver zugeführt, welcher auch die Verbrennungsluft vom Ausgang des Luftkühlers AC1 aufnimmt, welcher am Ausgang des Hochdruckverdichters angeordnet ist.
Erfindungsgemäss werden die Zylinder, deren Abgase die Turbine antreiben mit Schweröl (HFO) betrieben, während die anderen Zylinder, welche für die Abgasrezirkulation verwendet werden, mit schwefelarmem Treibstoff versorgt werden.
Zwischen den beiden Kammern im Abgas-Receiver AR kann optional ein Ventil V2 angeordnet sein, welches erlaubt, bei gewissen Betriebszuständen die Abgase aus den ersten und zweiten Zylindergruppen zusammenzuführen, so dass etwa die gesamte Abgasmenge für den Turbinenantrieb zu Verfügung steht. Dies kann insbesondere bei dem Betrieb ohne AGR des Verbrennungsmotors von Vorteil sein. In diesem Fall würde der Abgasrezirkulations-Pfad mittels Ventil V1 abgetrennt.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Lösung zu der eben beschriebenen Umschaltung mittels zweiter Ventile. In diesem Fall ist lediglich eine Klappe vorhanden, welche im einen Endzustand die beiden Abgas-Receiverkammern voneinander abtrennen. Wird das Klappventil V2 nun in Pfeilrichtung in den zweiten Entzustand überführt, werden die beiden Kammern miteinander zu einer gemeinsamen Kammer verbunden, während der Ausgang A, welcher in den Abgasrezirkulationspfad mündet, geschlossen ist. Ausgang B führ zu der Turbine des Abgasturboladers.
3 schliesslich zeigt eine Lösung des erfindungsgemässen Verbrennungsmotors, bei welcher anstelle einer separaten Abgasrezirkulations-Pumpe der Hochdruckverdichter als Pumpe für das rezirkulierte Abgas eingesetzt wird. Gemäss Darstellung ist es möglich, im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors das rezirkulierte Abgas direkt in den Luft-Receiver einzuspeisen. Ansonsten wird das rezirkulierte Abgas direkt der Verbrennungsluft vor dem Eingang des Hochdruckverdichters zugeführt.
Vorteilhafterweise erfolgt die Einspeisung des rückgeführten Abgases aus dem separat für die Abgasrückführung betriebenen Zylinder bei einem zweistufigen Abgasturbolader zwischen den beiden Verdichterstufen. Im Teillastbetrieb kann die Abgasrezirkulation allenfalls davon abweichend optimiert werden, indem die Einspeisung des rückgeführten Abgases aus dem separat für die Abgasrückführung betriebenen Zylinder für diesen Betriebsbereich des Motors nach dem Verdichter des Hochdruck-Abgasturboladers erfolgt.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass der mindestens eine Zylinder dessen Abgase zurückgeführt werden, Ventilsteuerzeiten aufweist, welche einen kleineren Luftdurchsatz zur Folge haben als bei den restlichen Zylindern.
BEZUGSZEICHENLISTE

AR

Luft-Receiver

AC

Luft-Kühler

ER

Abgas-Receiver

EGR-C

Abgasrückführungs-Kühler

F

Brennstoffzufuhr

HFO

Schweröl (Heavy Fuel Operation)

LSF

Schwefelarmer Treibstoff (Low Sulfur Fuel)

K

Verdichter

T

Turbine

V

Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 1994029587 [0004, 0005]
DE 4331509 [0006]
EP 2196660 [0007, 0011]
EP 2196659 [0007, 0011]

Claims

Mit Schweröl betriebener Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern (Z1, ... Zn) und mindestens einem Abgasturbolader, wobei das Abgas von mindestens einem der Zylinder (Z1, Z2) getrennt von den anderen Zylindern gesammelt und über eine Pumpe zur Einlassseite (AR) des Motors zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mindesten eine Zylinder (Z1, Z2), dessen Abgas zur Einlassseite des Motors zurückgeführt wird, mit einer separaten Brennstoffzufuhr (F2) ausgestattet ist, und dass dieser mindestens eine Zylinder (Z1, Z2) mit einem für die Abgasrezirkulation geeigneten, schwefelarmen Brennstoff (LSF) betrieben wird.
Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern (Z1, ... Zn), umfassend einen zweistufigen Abgasturbolader mit einer Hochdruckstufe (T1, K1) und einer Niederdruckstufe (T2, K2), dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas mindestens eines Zylinders (Z1, Z2) getrennt vom Abgas der anderen Zylindern gesammelt und der Verbrennungsluft auf der Einlassseite des Motors zwischen dem Verdichter der Niederdruckstufe und dem Verdichter der Hochdruckstufe zugeführt wird.
Mit Schweröl betriebener Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (Z1, Z2), dessen Abgas zur Einlassseite des Motors zurückgeführt wird, mit einer separaten Brennstoffzufuhr (F2) ausgestattet ist, und dass dieser mindestens eine Zylinder (Z1, Z2) mit einem für die Abgasrezirkulation geeignetem, schwefelarmen Brennstoff (LSF) betrieben wird.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abgasleitungen aller Zylinder (Z1, ..., Zn) des Verbrennungsmotors über ein Ventil (V2) zusammenschaltbar sind, so dass bei Bedarf durch Betätigung des Ventils das Abgas aller Zylinder auf die Turbine (T1, T2) des Abgasturboladers geführt werden kann.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei im Teillastbetrieb des Motors das Abgas von mindestens einem Zylinders (Z1, Z2) getrennt von den anderen Zylindern gesammelt und der Verbrennungsluft auf der Einlassseite des Motors nach dem Verdichter der Hochdruckstufe zurückgeführt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine Zylinder (Z1, Z2), dessen Abgase zurückgeführt werden, Ventilsteuerzeiten aufweist, welche einen kleineren Luftdurchsatz zur Folge haben als bei den restlichen Zylindern.