DE102004027593A1 - Motorenanlage mit Abgasturboaufladung und Betrieb eines SCR-Katalysators - Google Patents

Motorenanlage mit Abgasturboaufladung und Betrieb eines SCR-Katalysators Download PDF

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Abstract

Um eine Motorenanlage, die eine Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) mit Selbst- oder Fremdzündung des Kraftstoffs, eine Abgasturboaufladung und mindestens einen SCR-Katalysator (5) im Abgastrakt umfasst, zu schaffen, bei der höhere Ladedrücke als bisher erreichbar sind und das Miller-Verfahren zur innermotorischen NOx-Reduzierung effektiver eingesetzt werden kann, ist vorgesehen, dass die Abgasturboaufladung als mehrstufige Aufladegruppe (6, 7, 8, 9) ausgebildet ist, mit mindestens einer Hochdruck- (6, 7) und einer Niederdruckstufe (8, 9), wobei mindestens eine Hochdruck- (6) und eine Niederdruckturbine (8) im Sinne der Abgasleitung sowie ein Niederdruck-(9) und ein Hochdruckverdichter (7) im Sinne der Ladeluftleitung in Reihe geschaltet sind und dass der SCR-Katalysator (5) in der Abgasleitung zwischen der Turbine der Hochdruckstufe (6) und der Turbine der Niederdruckstufe (8) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Motorenanlage, die eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Selbst- oder Fremdzündung des Kraftstoffs, eine Abgasturboaufladung und mind. einen SCR-Katalysator im Abgastrakt umfasst.
  • Derartige Motorenanlagen sind insbesondere große mittelschnelllaufende Diesel- und Gasmotoren, wie sie üblicherweise in Schiffen oder stationären Kraftwerken eingesetzt werden.
  • Zur Verminderung der NOx-Emission ist es, wenn niedrige Grenzwerte einzuhalten sind, bereits Stand der Technik, dem Motor im Abgassystem einen SCR-Katalysator nachzuschalten.
  • Zur Verringerung des NOx-Gehaltes im Abgas einer mit Luftüberschuss betriebenen Motorenanlage ist das sog. Selective-Catalytic-Reduction-Verfahren bekannt. Dabei wird an einer Stelle vor dem Katalysator ein Reduktionsmittel in das Abgas eingespritzt und so im Abgas enthaltenes NOx in einem sog. SCR-Katalysator zu N2 und O2 reduziert. Als Reduktionsmittel kann Ammoniak dienen, aus Gründen der Handhabbarkeit wird üblicherweise eine wässrige Harnstofflösung eingesetzt.
  • Beispielsweise ist aus der DE 199 44 009 A1 bekannt, dass bei einem SCR-System vom Steuergerät der Motorenanlage fortlaufend die Sollmenge der Reduktionsmitteldosierung berechnet wird. Dazu benötigt das Steuergerät den momentanen Reduktionsmittelbedarf, der aus bestimmten Betriebsparametern der Motorenanlage wird.
  • Das SCR-Verfahren arbeitet nur in einem bestimmten Temperaturfenster mit gutem Reduktionsgrad. Als zusätzliche Einschränkung ist zu beachten, dass beim Betrieb des Motors mit schwefelhaltigem Brennstoff, insbesondere Schweröl (HFO, Heavy Fuel Oil) beim Unterschreiten eines von der Katalysatorbeschichtung und vom Schwefelgehalt des Brennstoffs abhängigen Temperaturwertes eine Verschmutzung des Katalysators eintritt.
  • Bei mittelschnelllaufenden Viertaktmotoren, die heute praktisch durchweg mit einstufiger Aufladung ausgeführt werden, wird der Katalysator im Abgassystem nach der Turbine des Abgasturboladers angeordnet. Durch entsprechende Auslegung des Motors ist es in den meisten Fällen möglich, die für einen einwandfreien Betrieb erforderliche Mindesttemperatur einzuhalten. Bei Anordnung vor der Turbine ist die Abgastemperatur zu hoch, so dass dann die obere Grenze des Temperaturfensters überschritten wird.
  • Zur Erreichung höherer Leistungen und um das Miller-Verfahren zur innermotorischen NOx-Reduzierung einsetzen zu können, werden in Zukunft die benötigten Ladedrücke steigen. Das führt auch zu einem höheren Turbinendruckverhältnis. Weil die Temperatur vor Turbine nicht höher liegen darf als heute üblich, um Verschmutzung der Turbine zu vermeiden, wird die Temperatur nach Turbine niedriger liegen als heute üblich. Das wird dazu führen, dass die für einen einwandfreien Betrieb des Katalysators erforderliche Mindesttemperatur unterschritten wird.
    •
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Motorenanlage zu schaffen, bei der höhere Ladedrücke als bisher erreichbar sind und dennoch das Miller-Verfahren zur innermotorischen NOx-Reduzierung effektiv eingesetzt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Abgasturboaufladung als mehrstufige Aufladegruppe ausgebildet ist, mit mindestens einer Hochdruck- und einer Niederdruck-Stufe, wobei mind. eine Hochdruck- und eine Niederdruckturbine im Sinne der Abgasleitung sowie ein Niederdruck- und ein Hochdruckverdichter im Sinne der Ladeluftleitung in Reihe geschaltet sind und der SCR-Katalysator in der Abgasleitung zwischen der Turbine der Hochdruckstufe und der Turbine der Niederdruckstufe angeordnet ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zudem ein Ladeluftkühler zwischen dem Hochdruckverdichter und der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeordnet, weiterhin ist in der Ladeluftleitung zwischen Niederdruck- und Hochdruckverdichter ein Zwischenkühler vorgesehen.
  • Vorteilhaft ist eine den SCR-Katalysator umgehende Bypassleitung vorgesehen und in der Bypassleitung sowie in der Abgasleitung zwischen der Abzweigung der Bypassleitung und dem SCR-Katalysator je ein Absperrorgan angeordnet. Denn bei Laständerung wird der Katalysator, analog zu dem vom langsam laufenden Zweitaktmotor bekannten Problem (das unten näher erläutert ist), zu einer verzögerten Zufuhr der Abgasenergie zur Niederdruck-Turbine führen. Deshalb wird er in diesem Fall, analog der vom Zweitaktmotor bekannten Anordnung, mit einer Bypassleitung umgangen. Durch entsprechende Betätigung der Stellorgane kann das Abgas entweder über den Katalysator (stationärer Betrieb) oder an diesem vorbei (Laständerungen) geführt werden.
  • Des weiteren sind dadurch, dass das Absperrorgan in der Bypassleitung und das Absperrorgan in der Abgasleitung zur gemeinsamen Einstellung miteinander gekoppelt sind, eine Reihe von einzeln oder in Kombination vorzusehende Eingriffsmöglichkeiten möglich, die es erlauben, für jeden Anwendungsfall und Betriebszustand eine Optimierung zwischen dem dynamischen Verhalten der Motorenanlage und der NOx-Reduktion des Abgases zu ermöglichen.
    •
  • Auf der Zeichnung sind in den
  • 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele des Standes der Technik wiedergegeben und in
  • 3 eine schematisch gezeigte erfindungsgemäße Motorenanlage mit SCR-Katalysator und mehrstufiger Aufladung gezeigt.
  • Gemäß der 1 liefert der Motor 1 Abgas an die Turbine 2 des Abgasturboladers. Diese treibt den Verdichter 3 an, der Luft ansaugt, verdichtet und über einen Ladeluftkühler 4 dem Motor zuführt. Ein Katalysator 5 wird vom Abgas, das die Turbine verlässt, beaufschlagt.
  • Langsam laufende Zweitaktmotoren, die ebenfalls durchweg einstufig aufgeladen werden, weisen deutlich niedrigere Abgastemperaturen auf. Bei diesen muss der Katalysator im Abgassystem vor der Turbine des Abgasturboladers angeordnet werden, um ihn im richtigen Temperaturfenster zu betreiben. 2 zeigt eine solche Anordnung. Das Abgas, das den Motor 1 verlässt, wird erst dem Katalysator 5 zugeführt und dann erst der Turbine 2. Diese treibt wiederum den Verdichter 3 an, der Luft ansaugt, verdichtet und über den Ladeluftkühler 4 dem Motor zuführt.
  • Diese Anordnung führt zu Regelungsproblemen im Instationärbetrieb, weil der Katalysator als Wärmespeicher wirkt und die vom Motor kommende Abgasenergie verzögert an die Turbine weitergibt. Diese Schwierigkeit wird dadurch umgangen, dass bei Laständerungen der Katalysator mit einer Bypassleitung 11 umgangen wird. Durch entsprechende Betätigung der Stellorgane 12 und 13 kann das Abgas entweder über den Katalysator (stationärer Betrieb) oder an diesem vorbei (Laständerungen) geführt werden.
  • Abgasturbolader zur Aufladung von Motoren erzielen hohe Wirkungsgrade nur in eng begrenzten Betriebsbereichen. Um aufgeladene Motoren über weite Leistungsbereiche mit verbesserten Wirkungsgraden zu betreiben, ist es bereits bekannt, mehrere Stuten von Abgasturboladern abhängig vom Betriebszustand zusammen zu schalten.
  • Für die zukünftig zu erreichenden hohen Ladedrücke wird vorteilhaft die zweistufige Aufladung zur Anwendung kommen. Bei diesem Verfahren werden zwei Verdichter und in der Regel auch zwei Turbinen in Reihe geschaltet. Üblicherweise werden zwei handelsübliche einstufige Turbolader eingesetzt, so dass der Hochdruckverdichter und die Hochdruckturbine sowie der Niederdruckverdichter und die Niederdruckturbine jeweils auf einer Welle angeordnet sind. Es sind jedoch auch andere Anordnungen denkbar und auch schon ausgeführt worden.
  • In 3 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine ebenfalls mit 1 bezeichnet, der eine zweistufige Aufladegruppe nachgeschaltet ist. Von der Brennkraftmaschine 1 führt ein erster mit 20 bezeichneter Abschnitt der Abgasleitung zu einer Turbine 6, die über eine Welle einen Verdichter 7 antreibt. Die Turbine 6 und der Verdichter 7 bilden die Hochdruckstufe der Aufladegruppe. Von der Turbine 6 führt ein weiterer Abschnitt 21 der Abgasleitung zu einem ebenfalls mit 5 bezeichneten SCR-Katalysator. Das durch den SCR-Katalysator 5 geführte Abgas gelangt anschließend über einen Abschnitt 22 der Abgasleitung zu einer Turbine 8, die über eine Welle mit einem Verdichter 9 gekuppelt ist. Die Turbine 8 und der Verdichter 9 bilden die Niederdruckstufe der Aufladegruppe.
  • Der Motor 1 liefert also sein Abgas an die Hochdruckturbine 6. Von dieser wird das Abgas über den SCR-Katalysator 5 zur Niederdruckturbine 8 geführt. Diese treibt den Niederdruckverdichter 9 an, der Luft ansaugt, verdichtet und über einen Zwischenkühler 10 dem Hochdruck-Verdichter 7 zuführt. Dieser wird von der Hochdruckturbine 6 angetrieben, verdichtet die Luft weiter und führt sie über einen Ladeluftkühler 4 dem Motor 1 zu.
  • Analog zur Aufteilung des Druckgefälles auf die beiden Turbinen erfolgt auch eine Aufteilung des Temperaturgefälles. Die Temperatur zwischen Hochdruck- und Niederdruckturbine liegt zwischen der vor der Hochdruckturbine, die zu hoch für den Katalysator ist und der nach der Niederdruckturbine, die zu niedrig ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung liegt die Temperatur im für einwandfreien Betrieb des Katalysators erforderlichen Temperaturfenster.
  • Die Abmessungen des Katalysators werden vom durchzusetzenden Volumenstrom bestimmt. Weil das Abgas zwischen Hoch- und Niederdruckturbine noch nicht vollständig entspannt ist, ist der Volumenstrom kleiner als nach der Niederdruckturbine. Das führt dazu, dass die Abmessungen des Katalysators kleiner werden.
  • Bei Laständerungen der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 kann das Problem auftreten, dass der zwischen den Turbinen 6 und 8 angeordnete SCR-Katalysator 5 als Wärmespeicher wirkt. Dies kann dazu führen, dass das Abgasenergieangebot für die Turbine 8 der Laständerung nachhinkt. Um dies zu vermeiden, kann der SCR-Katalysator mit der Bypassleitung 11 umgangen werden. Die Bypassleitung 11 geht vom Abschnitt 21 aus und mündet in den Abschnitt 22. Die Bypassleitung 11 nimmt ein Absperrorgan 12 auf, das zweckmäßig auf unterschiedliche Durchflussmengen einstellbar ist. In dem Abschnitt 21 ist zwischen der Abzweigung der Bypassleitung 11 und dem Abgaskatalysator 5 ein weiteres Absperrorgan 13 angeordnet. Wenn das Absperrorgan 12 zur Durchflussmengenregelung ausgelegt ist, dann ist das Absperrorgan 13 in gleicher Weise ausgebildet. Die beiden Absperrorgane 12 und 13 können, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist, in geeigneter Weise gekoppelt sein, so dass ein Öffnen des Absperrorgans 12 gleichzeitig ein Schließen des Absperrorgans 13 bewirkt. Durch entsprechende Betätigung der Absperrorgane 12, 13 kann das Abgas entweder im stationären Betrieb durch den Katalysator 5 oder bei Laständerungen an diesem vorbei geführt werden.

Claims (5)

  1. Motorenanlage, die eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Selbst- oder Fremdzündung des Kraftstoffs, eine Abgasturboaufladung und mind. einen SCR-Katalysator im Abgastrakt umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturboaufladung als mehrstufige Aufladegruppe (6, 7, 8, 9) ausgebildet ist mit mind. einer Hochdruck- (6, 7) und einer Niederdruckstufe (8, 9), wobei mind. eine Hochdruck- (6) und eine Niederdruckturbine (8) im Sinne der Abgasleitung sowie ein Niederdruck- (9) und ein Hochdruckverdichter (7) im Sinne der Ladeluftleitung in Reihe geschaltet sind und der SCR-Katalysator (5) in der Abgasleitung zwischen der Turbine (6) der Hochdruckstufe und der Turbine (8) der Niederdruckstufe angeordnet ist.
  2. Motorenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladeluftkühler (4) zwischen dem Hochdruckverdichter (7) und der Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) angeordnet ist.
  3. Motorenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung zwischen Niederdruck- (9) und Hochdruckverdichter (7) ein Zwischenkühler (10) vorgesehen ist.
  4. Motorenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine den SCR-Katalysator (5) umgehende Bypassleitung (11) vorgesehen ist und in der Bypassleitung (11) sowie in der Abgasleitung zwischen der Abzweigung der Bypassleitung (11) und dem SCR-Katalysator (5) je ein Absperrorgan (12, 13) angeordnet ist.
  5. Motorenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrorgan (12) in der Bypassleitung (11) und das Absperrorgan (13) in der Abgasleitung zur gemeinsamen Einstellung miteinander gekoppelt sind.
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