DE102009042283A1

DE102009042283A1 - Turbocompoundsystem und Komponenten

Info

Publication number: DE102009042283A1
Application number: DE102009042283A
Authority: DE
Inventors: Ennio Codan; Adrian Rettig
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2011-03-31
Also published as: WO2011036083A1

Abstract

Der zweistufige Abgasturbolader des Verbrennungsmotors (2) umfasst eine Hochdruckstufe mit einer von den Hochdruckabgasen (5) des Verbrennungsmotors beaufschlagten Hochdruckturbine (15) und einem mit der Hochdruckturbine in Antriebsverbindung stehenden Hochdruckverdichter (18), eine Niederdruckstufe mit einer der Hochdruckturbine (15) in Reihe nachgeschalteten Niederdruckturbine (7), die über eine Niederdruckabgasleitung (16, 6) mit der Hochdruckturbine (15) verbunden ist, und mit einem dem Hochdruckverdichter (18) über eine Niederdruckladeluftleitung (11) in Reihe vorgeschalteten Niederdruckverdichter (10), welcher mit der Niederdruckturbine (7) in Antriebsverbindung steht, sowie Mittel (20, 25) zur Energierückgewinnung, welche parallel zur Hochdruckstufe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis πüber dem Niederdruckverdichter mindestens 50 Prozent größer ist als das Druckverhältnis πüber dem Hochdruckverdichter.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen.
Sie betrifft einen Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader, umfassend eine Hochdruckstufe, eine Niederdruckstufe, sowie parallel zur Hochdruckstufe angeordnete Mittel zur Energierückgewinnung.
Stand der Technik
Insbesondere bei grossen Schiffsmotoren ist es von Vorteil, die überschüssige Energie des Aufladesystems bei hohen Motorlasten abzuleiten. Diese Energie kann direkt als mechanische Leistung aus der Turboladerwelle (Power Take out, PTO) gewonnen werden. Alternativ kann eine Teilmenge des Abgases in einer Nutzturbine expandiert und ebenfalls in mechanische Energie umgewandelt werden. Die mechanische Leistung kann der Antriebswelle zugeführt oder durch einen Generator in elektrische Leistung umgeformt werden.
Die derart gewinnbare Leistung beträgt bei Volllast für 1-stufig aufgeladene Motoren 3 bis 4% der Motorleistung. Dieser Anteil ist abhängig von der Differenz zwischen dem durch das Aufladesystem verfügbaren und dem für den zuverlässigen Motorbetrieb erforderlichen Aufladewirkungsgrad.
Durch den Einsatz der 2-stufigen Aufladung können der verfügbare Aufladewirkungsgrad und dadurch die gewinnbare Zusatzleistung gesteigert werden. Aus DE 3807372 sind verschiedene Schaltungsmöglichkeiten einer Nutzturbine in Verbindung mit 2-stufiger Aufladung bekannt.
Die überschüssige Energie der Aufladung hängt mindestens quadratisch von der Motorlast ab. Daraus resultiert, dass bei einer Reduktion der Motorlast von 100% auf 50%, sich die zusätzliche Leistung um mindestens den Faktor 4 reduziert. Grosse Schiffsmotoren fahren praktisch nie bei 100% Last. Typischerweise werden sie im Bereich 50 bis 85% Last betrieben. Dadurch fällt die tatsächlich gewinnbare Zusatzleistung im Durchschnitt unter 2% der Motornennleistung, was die erhebliche Investition für das Turbocompoundsystem unattraktiv macht. Die Verbreitung bekannter Turbocompoundsystemen mit Nutzturbine oder PTO ist entsprechend gering.
Kurze Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist, die gewinnbare Zusatzleistung auf dem ganzen Betriebsbereich zwischen 50 und 100% Motorlast zu maximieren.
Erfindungsgemäss werden hierfür bei einer 2-stufigen Aufladung die Druckverhältnisse zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe gezielt eingestellt, wodurch die quadratische Abhängigkeit der über die Nutzturbine oder den Power Take-Out gewinnbaren Zusatzleistung vom Expansionsverhältnis der Turboladerturbine und dem verfügbaren Abgasmassenstrom umgangen werden kann.
Erfindungsgemäss ist das Druckverhältnis π_V,ND über dem Niederdruckverdichter mindestens 50 Prozent grösser als das Druckverhältnis π_V,HD über dem Hochdruckverdichter.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Folgend ist anhand der Zeichnungen der erfindungsgemässe Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader beschrieben. Hierbei zeigt
1 das Schema eines Verbrennungsmotors mit einem zweistufigen Aufladesystem mit PTO im Hochruckturbolader,
2 das Schema eines Verbrennungsmotors mit einem zweistufigen Aufladesystem mit einer Nutzturbine parallel zum Hochdruckturbolader,
3 ein Diagramm mit den Turbinencharakteristiken von Abgasturboladern mit einem Durchmesserverhältnis D_T/D_V > 1 und einem Durchmesserverhältnis D_T/D_V < 1,
4 ein Diagramm der Turbinen-Expansionverhältnisse bei ein- und zweistufiger Aufladung,
5 das Schema des Verbrennungsmotors mit einem zweistufigen Aufladesystem mit PTO im Hochruckturbolader gemäss 1, mit dargestellten Regelungsmöglichkeiten,
6 das Schema des Verbrennungsmotors mit einem zweistufigen Aufladesystem mit einer Nutzturbine parallel zum Hochdruckturbolader gemäss 2, mit dargestellten Regelungsmöglichkeiten, und
7 einen Schnitt entlang der Turboladerachse durch einen Abgasturbolader mit einem Durchmesserverhältnis D_T/D_V > 1.
Weg zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch ein an sich bekanntes zweistufiges Aufladesystem eines Verbrennungsmotors.
Der Verbrennungsmotor 2 weist einlassseitig einen Ladeluftaufnehmer 1 und auslassseitig einen Abgasaufnehmer 3 auf. Aus diesem gelangt das aus den Brennkammern des Motors kommende Hockdruckabgas durch eine Hochdruckabgasleitung 5 in eine Hochdruckturbine 15 eines zweistufigen Abgasturboladers. Das in der Hochdruckturbine 15 teilentspannte Abgas strömt über eine Niederdruckabgasleitung 16, einen Niederdruckabgasaufnehmer 4 und eine weitere Niederdruckabgasleitung 6 in eine Niederdruckturbine 7 und über eine Auspuffleitung 8 ins Freie.
Der mit der Niederdruckturbine 7 verbundene Niederdruckverdichter 10 saugt die Verbrennungsluft über eine Ansaugleitung 9 an und drückt sie über einen Niederdruck-Ladeluftkühler 12 und eine Niederdruckladeluftleitung 11 in den von der Hochdruckturbine 15 angetriebenen Hochdruckverdichter 18, aus dem sie als Hochdruckladeluft über einen Hochdruck-Ladeluftkühler 21 und eine Hochdruckladeluftleitung 19 und den Ladeluftaufnehmer 1 in die Brennkammern des Motors 2 gelangt. Das in 1 dargestellte Aufladesystem weist zudem eine Power Take-Out (PTO) Vorrichtung zur Entnahme von Leistung aus dem Hochdruck Abgasturbolader 33 auf. Beispielsweise kann die entnommene Leistung direkt in einem mit der Welle des Abgasturboladers verbundenen Generator 25 in elektrische Leistung gewandelt werden.
Das in 2 dargestellte Aufladesystem weist anstelle des mit der Welle des Hochdruck-Abgasturboladers verbundenen Generators eine in der Hochdruck-Abgasleitung parallel zur Hochdruckturbine 15 angeordnete Nutzturbine 20 auf, die in einem bestimmten Lastbereich, beispielsweise 40% bis 100% der Motorenlast, über eine durch ein Absperrorgan 26 absperrbare und von der Hochdruckabgasleitung 5 abzweigende Nutzturbinenabgasleitung 28 mit Hochdruckabgas beaufschlagt werden kann. Über eine Schaltkupplung ist ein Generator 25 an die Nutzturbine gekoppelt. Alternativ kann die Leistung der Nutzturbine mechanisch genutzt werden, indem etwa über ein Zahnradgetriebe und eine Schaltkupplung die Leistung der Nutzturbine auf die Motorkurbelwelle übertragen wird.
Die über die Nutzturbine oder den Power Take-Out gewinnbare Zusatzleistung hängt stark vom Expansionsverhältnis der Turboladerturbine und dem verfügbaren Abgasmassenstrom ab. Sowohl das Expansionsverhältnis als auch der Abgasmassenstrom nehmen zumindest linear mit der Motorlast ab. Das Produkt der beiden Faktoren ergibt die zumindest quadratische Abhängigkeit.
Mit einer 2-stufigen Aufladung und günstiger Aufteilung der Druckverhältnisse zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe lässt sich diese quadratische Abhängigkeit umgehen. Diese Aufteilung kann durch das Verhältnis π_V,ND/π_V,HD charakterisiert werden. Das Verhältnis ist erfindungsgemäss mindestens 1.5 sein, der Idealwert liegt bei 2.
Unter diesen Voraussetzungen nutzt man aus folgendem Grund das Expansionsverhältnis der Hochdruckturbine für die Entnahme der Zusatzleistung: das Expansionsverhältnis der Hochdruckturbine bleibt im Bereich zwischen 50% und 100% der Motorlast nahezu konstant, wie dies aus der 4 ersichtlich ist. In diesem Diagramm sind die Expansionsverhältnisse von Abgasturbinen in Abhängigkeit der Motorlast dargestellt. Die Kurve 1 zeigt das Expansionsverhältnis einer Turbine bei einstufiger Aufladung, die Kurve 2 das Expansionsverhältnis der Niederdruckturbine einer zweistufigen Aufladung und die Kurve 3 das Expansionsverhältnis der Hochdruckturbine der zweistufigen Aufladung. Die gewinnbare Zusatzleistung ist somit nur noch durch den Abgasmassenstrom bestimmt, welcher linear mit der Motorlast variiert.
Dank des besseren Wirkungsgrades der 2-stufigen Aufladung ist in der Summe eine Zusatzleistung von 6 bis 7% der Motornennleistung bei 100% Motorlast realisierbar. Bei 50% Motorlast beträgt die rückgewinnbare Leistung immer noch 3 bis 4% der Motornennleistung. Im Vergleich zu heutigen Anwendungen entspricht das bei 100% Last einer Verdoppelung der rückgewinnbaren Leistung bei 50% Last sogar einer Erhöhung um den Faktor 4 bis 5.
Die gewinnbare Zusatzleistung erreicht bis zu 50% der Wellenleistung des Hochdruck-Turboladers. Diese Entnahme der Zusatzleistung beeinflusst das Hochdruck-Turboladermatching. Die entscheidende Grösse für das Turboladermatching ist die Laufzahl der Turbine ν. Sie ist definiert als
mit u_T als Turbinenumfanggeschwindigkeit und c₀ der isentropen Strömungsgeschwindigkeit durch die Turbine. Die Laufzahl ist proportional zum Durchmesserverhältnis D_T/D_V und der Wurzel des Produktes der Verhältnisse der Massenströmen (Turbine zu Verdichter) und der Leistungen (Verdichter zu Turbine). Ein konventioneller Turbolader ist mit einem Durchmesserverhältnis D_T/D_V ≈ 0.9 ausgelegt. Dadurch ergibt sich beim Gleichgewicht zwischen Verdichter- und Turbinenleistung eine Laufzahl von etwa 0.7, bei welchem der Turbinenwirkungsgrad typischerweise ein Optimum aufweist.
Wird vom Turbolader 50% der Turbinenleistung in Form von Leistung (PTO) oder Massenstrom (Nutzturbine) entnommen, reduziert sich die Laufzahl mit der Wurzel der Leistungsverhältnisse, d. h. bis um etwa 30%. In der Formel oben wird im Fall PTO die Turbinenleistung PT erhöht, im Fall Nutzturbine der Massenstrom mT reduziert, das Endresultat bleibt aber gleich. Da die Kurve des Turbinenwirkungsgrades über der Laufzahl, wie in 3 gezeigt ist, näherungsweise eine Parabel darstellt, führt eine Verschiebung der Laufzahl um 30% zu einer Reduktion des Turbinenwirkungsgrad von 0.3^2 = 0.09 (= 9%). Diese würde den Wirkungsgrad des gesamten Aufladesystems und dadurch die gewinnbare Zusatzleistung beeinträchtigen.
Das Problem kann gelöst werden, indem die Hochdruck-Turbine bzw. der Hochdruck-Turbinendurchmesser D_T grösser dargestellt wird als der Hochdruck-Verdichterdurchmesser: das Durchmesserverhältnis D_T/D_V soll mindestens 1 betragen, vorzugsweise 1.1 bis 1.2.
Ein derartiges System, wie es in 7 dargestellt ist, hat generell den Vorteil, dass sich die Energierückgewinnung ausschliesslich auf die Hochdruckstufe auswirkt. Hochdruckstufe heisst hohe Drücke, hohe Dichten, hohe Leistungsdichte und entsprechend kleine Grösse der notwendigen Komponenten. Im Vergleich zu einem System, welches sich auf die Niederdruckstufe auswirkt, werden die Kosten deutlich tiefer.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Anzahl der Hochdruck-Turbolader durch die Wahl von grösseren Turboladern reduziert werden kann, idealerweise durch einen einzigen. Dadurch wird der Hochdruck-Turbolader gross und dreht entsprechend relativ langsam, was insbesondere im Falle von PTO die Kosten für den elektromechanischen Teil des Systems stark reduziert.
Eine weitere Anforderung an das System ist die Regelbarkeit der Zusatzleistung in Abhängigkeit von Motorbetriebsbedingungen. Dies kann durch die elektronische Regelung im Falle von PTO bzw. mittels variabler Geometrie der Nutzturbine gelöst werden. Generell sind alle bekannten Regeloptionen, also etwa variable Leitvorrichtungen am Niederdruck-Verdichter oder Variable Turbinengeometrien an beiden Aufladestufen, mit dem beschriebenen System kombinierbar. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich bei modernen Motoren mit regelbaren Steuerzeiten: die Zusatzleistung kann durch Variation der Steuerzeiten (vorzugsweise des Auslassschliesspunktes) geregelt werden. 5 und 6 zeigen die Schemen nach 1 und 2 mit den jeweiligen Regelungsmöglichkeiten. Zur Regelung des erfindungsgemässen System sind weitere Details dem im CIMAC Paper No. 63, 2007, „New Applications Fields for Marine Waste Heat Systems by Analysing the Main Design Parameters" zu entnehmen.
Bezugszeichenliste

1: Ladeluftaufnehmer
2: Brennkraftmaschine
3: Abgasaufnehmer
4: Niederdruckabgasaufnehmer
5: Hochdruck-Abgasleitung
6: Niederdruck-Abgasleitung
7: Niederdruckturbine
8: Auspuffleitung
9: Ansaugleitung
10: Niederdruckverdichter
11: Niederdruck-Ladeluftleitung
12: Niederdruck-Ladeluftkühler
15: Huchdruckturbine
16: Niederdruck-Abgasleitung
18: Hochdruckverdichter
19: Hochdruck-Ladeluftleitung
20: Nutzturbine
21: Hochdruck-Ladeluftkühler
24: Absperrorgan
25: Generator
26: Absperrorgan
27: Niederdruck-Abgasleitung
28: Hochdruck-Abgasleitung
32: Niederdruckturbolader
33: Hochdruckturbolader

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

DE 3807372 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

CIMAC Paper No. 63, 2007, „New Applications Fields for Marine Waste Heat Systems by Analysing the Main Design Parameters” [0032]

Claims

Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader, umfassend eine Hochdruckstufe mit einer über eine Hochdruck-Abgasleitung (5) mit Hochdruckabgasen (5) des Verbrennungsmotors beaufschlagten Hochdruckturbine (15) und einem mit der Hochdruckturbine (15) in Antriebsverbindung stehenden Hochdruckverdichter (18), eine Niederdruckstufe mit einer der Hochdruckturbine (15) über eine Niederdruckabgasleitung (16, 6) in Reihe nachgeschalteten Niederdruckturbine (7) und einem mit der Niederdruckturbine (7) in Antriebsverbindung stehenden, dem Hochdruckverdichter (18) über eine Niederdruckladeluftleitung (11) in Reihe vorgeschalteten Niederdruckverdichter (10), sowie parallel zur Hochdruckstufe angeordnete Mittel zur Energierückgewinnung (20, 25), dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverhältnis π_V,ND über dem Niederdruckverdichter mindestens 50 Prozent grösser ist als das Druckverhältnis π_V,HD über dem Hochdruckverdichter.
Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader nach Anspruch 1, wobei das Druckverhältnis π_V,ND über dem Niederdruckverdichter mindestens doppelt so gross ist wie das Druckverhältnis π_V,HD über dem Hochdruckverdichter.
Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Turbinenraddurchmesser (D_T) des Turbinenrades der Hochdruckturbine (15) grösser ist als der Verdichterraddurchmesser (D_V) des Verdichterrades des Hochdruckverdichters (18).
Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader nach Anspruch 3, wobei der Turbinenraddurchmesser (D_T) des Turbinenrades der Hochdruckturbine (15) mindestens 10 Prozent grösser ist als der Verdichterraddurchmesser (D_V) des Verdichterrades des Hochdruckverdichters (18)
Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader nach Anspruch 4, wobei der Turbinenraddurchmesser (D_T) des Turbinenrades der Hochdruckturbine (15) mindestens 20 Prozent grösser ist als der Verdichterraddurchmesser (D_V) des Verdichterrades des Hochdruckverdichters (18)
Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Niederdruckstufe mehrere in der Niederdruckabgasleitung parallel zueinander angeordnete Niederdruckturbinen und mit ihnen in Antriebsverbindung stehende, in der Niederdruckladeluftleitung parallel zueinander angeordnete Niederdruckverdichter umfasst.
Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader nach Anspruch 6, wobei die Hochdruckstufe mehrere in der Hochdruckabgasleitung parallel zueinander angeordnete Hochdruckturbinen und mit ihnen in Antriebsverbindung stehende, in der Hochdruckladeluftleitung parallel zueinander angeordnete Hochdruckverdichter umfasst.
Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Anzahl der parallel zueinander angeordneten Niederdruckturbinen grösser ist als die Anzahl Hochdruckturbinen.
Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Energierückgewinnung einen mit der Welle der Hochdruckturbine gekoppelten Generator und/oder einen mit einer in der Hochdruckabgasleitung parallel zur Hochdruckturbine angeordneten Nutzturbine gekoppelten Generator umfassen.
Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor zur Regelung der Energierückgewinnung mit variablen Ventilsteuerzeiten betreibbar ist.