DE102010028200B4 - Engine assembly - Google Patents
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Abstract
Brennkraftmaschinen-Anordnung (1) mit: einer Brennkraftmaschine (20), die einen Abgasausgang (21) und einen Lufteingang (22) aufweist, einer Abgasturbolader-Anordnung (30) zur Druckerhöhung von der Brennkraftmaschine (20) über den Lufteingang (22) zuzuführender Luft, wobei die Abgasturbolader-Anordnung (30) eine Abgasturbine (35) mit einem Turbineneingang (36), der über eine Abgasausgangsleitung (23) mit dem Abgasausgang (21) verbunden ist, und einen mit der Abgasturbine (35) antriebsverbundenen Verdichter (40) mit einem Verdichterausgang (42) aufweist, der über eine Lufteingangsleitung (28) mit dem Lufteingang (22) verbunden ist, Abgasmengen-Steuermitteln (70), die in einer vor dem Turbineneingang (36) von der Abgasausgangsleitung (23) abzweigenden Abgasabzweigleitung (73) angeordnet sind und die eingerichtet sind, gesteuert Abgas aus der Abgasausgangsleitung (23) abzuzweigen und dadurch eine der Abgasturbine (35) zugeführte Abgasmenge zu steuern, einer weiteren Abgasturbine (80) mit einem Turbineneingang (81), der mit der Abgasabzweigleitung (73) verbunden ist, so dass der weiteren Abgasturbine (80) über die Abgasmengen-Steuermittel (70) gesteuert aus der Abgasausgangsleitung (23) abgezweigtes Abgas zuführbar ist, wobei die weitere Abgasturbine (80) mit einem Verbraucher (110) antriebsverbunden ist, und die weitere Abgasturbine (80) abtriebsmäßig von der Druckerhöhung von der Brennkraftmaschine (20) über den Lufteingang (22) zuzuführender Luft entkoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dampferzeuger (60) mit einem Dampferzeuger-Abgaseingang (61) vorgesehen ist, wobei der Dampferzeuger-Abgaseingang (61) über eine Abgasabführleitung (25) mit der Abgasturbine (35) der Abgasturbolader-Anordnung (30) verbunden ist, und wobei der Dampferzeuger (60) eingerichtet ist, unter Nutzung einer von über die Abgasabführleitung (25) geführtem Abgas bereitgestellten Wärmemenge Dampf zu erzeugen, weiterhin eine Dampfturbine (120) mit einem Dampfturbineneingang (121) vorgesehen ist, und wobei der Dampfturbineneingang (121) über eine Dampfausgangsleitung (64) mit einem Dampferzeugerausgang (63) des Dampferzeugers (60) verbunden ist, so dass vom Dampferzeuger (60) erzeugter Dampf der Dampfturbine (120) zu deren Antrieb zuführbar ist, wobei der Dampferzeuger-Abgaseingang (61) über eine Bypassleitung (90) mit der Abgasabzweigleitung (73) verbunden ist, und wobei in der Bypassleitung (90) ein Bypass-Steuerventil (91) angeordnet ist, so dass dem Dampferzeuger (60) über das Bypass-Steuerventil (91) gesteuert aus der Abgasabzweigleitung (73) abgezweigtes Abgas zuführbar ist.An internal combustion engine arrangement (1) comprising: an internal combustion engine (20) having an exhaust gas outlet (21) and an air inlet (22), an exhaust gas turbocharger arrangement (30) for pressure increase from the internal combustion engine (20) via the air inlet (22) zuzuführender Air, wherein the exhaust gas turbocharger arrangement (30) has an exhaust gas turbine (35) with a turbine inlet (36) which is connected to the exhaust gas outlet (21) via an exhaust gas outlet line (23) and a compressor (40) which is drive-connected to the exhaust gas turbine (35) ) having a compressor output (42) which is connected via an air input line (28) to the air inlet (22), exhaust gas quantity control means (70) in an off before the turbine inlet (36) from the exhaust gas outlet line (23) branching exhaust branch line ( 73) are arranged and which are arranged to divert exhaust gas from the exhaust gas outlet line (23) and thereby control one of the exhaust gas turbine (35) supplied exhaust gas, another exhaust gas turbine (80 ) with a turbine inlet (81) which is connected to the exhaust branch line (73), so that the exhaust gas to another exhaust gas turbine (80) via the exhaust gas quantity control means (70) controlled from the exhaust gas outlet line (23) branched off exhaust gas can be supplied, wherein the further exhaust gas turbine (80) is drivingly connected to a consumer (110), and the further exhaust gas turbine (80) is decoupled from the pressure increase of the internal combustion engine (20) via the air inlet (22) supplied air, characterized in that a steam generator (60) a steam generator exhaust inlet (61) is provided, wherein the steam generator exhaust inlet (61) via an exhaust gas discharge line (25) with the exhaust gas turbine (35) of the exhaust gas turbocharger assembly (30) is connected, and wherein the steam generator (60) is arranged, to generate steam by utilizing steam supplied from exhaust gas supplied through the exhaust gas discharge pipe (25), further comprising a steam turbine (120) having a steam turbine input ng (121) is provided, and wherein the steam turbine inlet (121) via a steam outlet line (64) with a steam generator output (63) of the steam generator (60) is connected, so that from the steam generator (60) generated steam of the steam turbine (120) to the Drive can be supplied, wherein the steam generator exhaust inlet (61) via a bypass line (90) with the exhaust branch line (73) is connected, and wherein in the bypass line (90), a bypass control valve (91) is arranged, so that the steam generator ( 60) via the bypass control valve (91) controlled from the exhaust branch line (73) branched off exhaust gas can be fed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschinen-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an internal combustion engine arrangement according to the preamble of claim 1.
In
Die in
Die in
Die in
Eine wie in
Als Regelorgane dienen wie in
Wird bei z. B. Motorkraftwerken ein dem Motor (z. B. Großdieselmotor) nachgeschalteter Dampfkreislauf verwendet, ist es von Vorteil einem z. B. in Form eines Abhitzekessels ausgebildeten Dampferzeuger möglichst heißes Abgas zur Dampferzeugung zur Verfügung zu stellen. Auch hierzu können die Regelorgane an der ersten Abgasturbine
Leider ist eine Regelung auf höhere Abgastemperaturen entsprechend
Jüngste Untersuchungen haben ergeben, dass der beste Gesamtwirkungsgrad eines Motorkraftwerkes mit nachgeschaltetem Dampfkreislauf (Diesel Combined Cycle) dann erreicht wird, wenn an der ersten Abgasturbine
Ein Ansatz hierzu zeigt eine in
Im Unterschied zur Brennkraftmaschinen-Anordnung
Der materielle und kostenmäßige Aufwand für die in
Außerdem müsste, wenn die Brennkraftmaschinen-Anordnung
Darüber hinaus ist in der
Die
Außerdem zeigt die
Der Erfindung liegt die demnach Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschinen-Anordnung bereitzustellen, bei der überschüssige Leistung auf effiziente und robuste Weise ausgekoppelt werden kann und einem gewünschten Verbraucher zur Verfügung gestellt werden kann.The invention is therefore based on the object of providing an internal combustion engine arrangement in which excess power can be coupled out in an efficient and robust manner and can be made available to a desired consumer.
Dies wird mit einer Brennkraftmaschinen-Anordnung gemäß Anspruch 1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This is achieved with an internal combustion engine arrangement according to claim 1. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.
Gemäß der Erfindung weist eine Brennkraftmaschinen-Anordnung auf: eine Brennkraftmaschine, die einen Abgasausgang und einen Lufteingang hat, eine Abgasturbolader-Anordnung zur Druckerhöhung von der Brennkraftmaschine über den Lufteingang zuzuführender Luft, wobei die Abgasturbolader-Anordnung eine Abgasturbine mit einem Turbineneingang, der über eine Abgasausgangsleitung mit dem Abgasausgang verbunden ist, und einen mit der Abgasturbine antriebsverbundenen Verdichter mit einem Verdichterausgang hat, der über eine Lufteingangsleitung mit dem Lufteingang verbunden ist, Abgasmengen-Steuermittel, die in einer vor dem Turbineneingang von der Abgasausgangsleitung abzweigenden Abgasabzweigleitung angeordnet sind und die eingerichtet sind, gesteuert Abgas aus der Abgasausgangsleitung abzuzweigen und dadurch eine der Abgasturbine zugeführte Abgasmenge zu steuern, und eine weitere Abgasturbine mit einem Turbineneingang, der mit der Abgasabzweigleitung verbunden ist, so dass der weiteren Abgasturbine über die Abgasmengen-Steuermittel gesteuert aus der Abgasausgangsleitung abgezweigtes Abgas zuführbar ist, wobei die weitere Abgasturbine mit einem Verbraucher antriebsverbunden ist. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen-Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die weitere Abgasturbine abtriebsmäßig von der Druckerhöhung von der Brennkraftmaschine über den Lufteingang zuzuführender Luft entkoppelt ist.According to the invention, an internal combustion engine arrangement comprises: an internal combustion engine having an exhaust outlet and an air inlet, an exhaust gas turbocharger arrangement for pressure increase from the internal combustion engine via the air inlet air to be supplied, wherein the exhaust gas turbocharger assembly, an exhaust turbine with a turbine inlet, via a Exhaust discharge line is connected to the exhaust outlet, and having a drive connected to the exhaust turbine compressor having a compressor output, which is connected via an air inlet line to the air inlet, exhaust gas quantity control means which are arranged in a front of the turbine inlet of the exhaust gas outlet line branching exhaust branch line and which are arranged controlled to divert exhaust gas from the exhaust gas outlet line and thereby control one of the exhaust gas turbine supplied amount of exhaust gas, and another exhaust gas turbine with a turbine inlet, which is connected to the exhaust branch line, so that the other Exhaust gas turbine via the exhaust gas quantity control means controlled from the exhaust gas outlet line branched off exhaust gas can be supplied, wherein the further exhaust gas turbine is drive-connected to a consumer. The internal combustion engine arrangement according to the invention is characterized in that the further exhaust gas turbine is decoupled in terms of output by the pressure increase from the internal combustion engine via the air inlet to be supplied air.
Mit anderen Worten ist die weitere Abgasturbine nicht an der Druckerhöhung von der Brennkraftmaschine über den Lufteingang zuzuführender Luft beteiligt, treibt also z. B. keinen Verdichter der Abgasturbolader-Anordnung an.In other words, the further exhaust gas turbine is not involved in the pressure increase of the internal combustion engine via the air inlet air supplied, so z. B. no compressor of the exhaust gas turbocharger assembly.
Daher kann der mit der weiteren Abgasturbine antriebsverbundene Verbraucher weit genug von der Brennkraftmaschine entfernt angeordnet sein, so dass der Verbraucher nicht die hohen Schwingungsanregungen der Brennkraftmaschine ertragen muss. Damit kann eine äußerst robuste, d. h. auf lange Lebensdauer optimierte, Auskopplung von überschüssiger Abgasenergie erzielt werden.Therefore, the drive connected to the further exhaust gas turbine consumers can be far enough away from the engine, so that the consumer does not have to endure the high vibration excitations of the internal combustion engine. This can be an extremely robust, d. H. optimized for long life, decoupling of excess exhaust gas energy can be achieved.
Da die Auskopplung von überschüssiger Abgasenergie unter vorteilhafter Nutzung des vorhandenen Druckgefälles direkt vor der ersten Abgasturbine erfolgt, kann die Auskopplung auf hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen-Anordnung optimale bzw. effiziente Weise realisiert werden.Since the decoupling of excess exhaust gas energy takes place under advantageous use of the existing pressure gradient directly in front of the first exhaust gas turbine, the decoupling can be realized in terms of the overall efficiency of the internal combustion engine arrangement optimal or efficient manner.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Brennkraftmaschine von einem Großdieselmotor gebildet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Brennkraftmaschinen-Anordnung in ein Motorkraftwerk integriert, wobei die Brennkraftmaschine mit einem leistungsstarken Elektrogenerator antriebsverbunden ist, der Elektroenergie in ein Stromnetz einspeisen kann.According to one embodiment of the invention, the internal combustion engine is formed by a large diesel engine. According to a further embodiment of the invention, the internal combustion engine arrangement is integrated in an engine power plant, wherein the internal combustion engine is drive-connected to a powerful electric generator which can feed electric energy into a power grid.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Abgasmengen-Steuermittel als Regelmittel ausgebildet.According to one embodiment of the invention, the exhaust gas quantity control means are designed as control means.
Auf diese Weise kann die über die Abgasabzweigleitung abgezweigte Abgasmenge auch in Abhängigkeit von Rückkopplungssignalen von Sensoren, wie z. B. einem eine Drehzahl einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und/oder des Verdichters und/oder der weiteren Abgasturbine überwachenden Drehzahlsensor und/oder einem einen Druck in der Abgasabzweigleitung überwachenden Drucksensor, und/oder eines Ladeluftdrucks einer Abgasturbine geregelt werden.In this way, the exhaust gas branched off via the exhaust branch line also in response to feedback signals from sensors such. B. a speed one Crankshaft of the internal combustion engine and / or the compressor and / or the further exhaust gas turbine monitoring speed sensor and / or a pressure in the exhaust branch line monitoring pressure sensor, and / or a charge air pressure of an exhaust gas turbine are controlled.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung ist der Verbraucher von einem Elektrogenerator gebildet, so dass über von der weiteren Abgasturbine bereitgestellte Antriebsenergie Elektroenergie erzeugt und bevorzugt in das Stromnetz eingespeist werden kann.According to yet another embodiment of the invention, the consumer is formed by an electric generator so that electric energy generated by the further exhaust gas turbine engine can be generated and preferably fed into the power grid.
Auf diese Weise kann der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen-Anordnung weiter erhöht werden. Die weitere Abgasturbine bildet in diesem Fall eine Powerturbine.In this way, the overall efficiency of the internal combustion engine arrangement according to the invention can be further increased. The further exhaust gas turbine forms in this case a power turbine.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die weitere Abgasturbine über ein Getriebe mit dem Verbraucher, bevorzugt mit dem Elektrogenerator, antriebsverbunden.In accordance with yet another embodiment of the invention, the further exhaust gas turbine is drive-connected via a transmission to the consumer, preferably to the electric generator.
Aus diese Weise kann die von der weiteren Abgasturbine bereitgestellte Abtriebsdrehzahl auf eine für den Verbraucher geeignete Drehzahl, wie z. B. eine Nenndrehzahl des Elektrogenerators, gebracht werden, so dass der Verbraucher nicht kostenaufwendig an die hohe Drehzahl der weiteren Abgasturbine angepasst werden muss und damit im Fall des Elektrogenerators als Verbraucher eine kostenaufwendige Leistungselektronik entfallen kann.From this way, the output speed provided by the further exhaust gas turbine engine can be adjusted to a speed suitable for the consumer, such as, for example, the engine speed. As a rated speed of the electric generator can be brought so that the consumer does not costly to the high speed of the other exhaust gas turbine must be adjusted and thus in the case of the electric generator as a consumer costly power electronics can be omitted.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Brennkraftmaschinen-Anordnung ferner einen Dampferzeuger mit einem Dampferzeuger-Abgaseingang auf, wobei der Dampferzeuger-Abgaseingang über eine Abgasabführleitung mit der Abgasturbine der Abgasturbolader-Anordnung verbunden ist, und wobei der Dampferzeuger eingerichtet ist, unter Nutzung einer von über die Abgasabführleitung geführtem Abgas bereitgestellten Wärmemenge Dampf zu erzeugen.According to a further embodiment of the invention, the internal combustion engine arrangement further comprises a steam generator with a steam generator exhaust inlet, wherein the steam generator exhaust inlet is connected via an exhaust gas discharge line to the exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger assembly, and wherein the steam generator is set, using one of To generate steam via the Abgasabführleitung exhaust gas supplied amount of heat.
Durch die weitere Nutzung der Abgasenergie in einem zusätzlichen Prozess, nämlich der Dampferzeugung, kann der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen-Anordnung weiter erhöht werden. Der erzeugte Dampf kann einem gewünschten weiteren Verbraucher zur Verfügung gestellt werden.By the further use of the exhaust gas energy in an additional process, namely the steam generation, the overall efficiency of the internal combustion engine assembly according to the invention can be further increased. The generated steam can be made available to a desired additional consumer.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung weist die Brennkraftmaschinen-Anordnung als weiteren Verbraucher eine Dampfturbine mit einem Dampfturbineneingang auf, wobei der Dampfturbineneingang über eine Dampfausgangsleitung mit einem Dampferzeugerausgang des Dampferzeugers verbunden ist, so dass vom Dampferzeuger erzeugter Dampf der Dampfturbine zu deren Antrieb zuführbar ist.According to yet another embodiment of the invention, the internal combustion engine arrangement as a further consumer to a steam turbine with a steam turbine inlet, wherein the steam turbine inlet is connected via a steam outlet line to a steam generator output of the steam generator, so that steam generated by the steam generator of the steam turbine can be supplied to the drive.
Mit der Umwandlung der Dampfenergie in Rotationsenergie einer Dampfturbine lässt sich auf einfache und effiziente Weise ein gewünschter mechanischer Drehantrieb für noch einen gewünschten Verbraucher realisieren.With the conversion of the steam energy into rotational energy of a steam turbine, a desired mechanical rotary drive can be realized for a desired consumer in a simple and efficient manner.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Dampfturbine mit dem Verbraucher der weiteren Abgasturbine antriebsverbunden.According to one embodiment of the invention, the steam turbine is drive-connected to the consumer of the further exhaust gas turbine.
Mit anderen Worten treiben die weitere Abgasturbine und die Dampfturbine gemeinsam den daran drehantriebsmäßig gekoppelten Verbraucher, bevorzugt den Elektrogenerator, an. Durch die erhöhte Antriebsleistung kann der Verbraucher relativ Leistungsstark und damit wirkungsgradoptimiert ausgeführt sein.In other words, the further exhaust-gas turbine and the steam turbine jointly drive the consumer, which is rotationally coupled thereto, preferably the electric generator. Due to the increased drive power, the consumer can be designed relatively powerful and thus efficiency optimized.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung ist die Dampfturbine über ein Getriebe mit dem Verbraucher antriebsverbunden.According to yet another embodiment of the invention, the steam turbine is drive-connected to the load via a transmission.
Damit kann auch die Dampfturbine mit für diese optimaler Drehzahl betrieben werden, wobei auf einfache Weise eine Adaptierung der Drehzahl an die für den Verbraucher geeignete Drehzahl erzielt wird.Thus, the steam turbine can be operated with optimal for this speed, with a simple adaptation of the speed is achieved at the appropriate speed for the consumer.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Dampferzeuger-Abgaseingang über eine Bypassleitung mit der Abgasabzweigleitung verbunden, wobei in der Bypassleitung ein Bypass-Steuerventil angeordnet ist, so dass dem Dampferzeuger über das Bypass-Steuerventil gesteuert aus der Abgasabzweigleitung abgezweigtes Abgas zuführbar ist.According to yet another embodiment of the invention, the steam generator exhaust inlet is connected via a bypass line to the exhaust branch line, wherein in the bypass line, a bypass control valve is arranged so that the exhaust steam generator via the bypass control valve controlled from the exhaust branch line branched off exhaust gas can be fed.
Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung kann dem Dampferzeuger bei Bedarf bzw. bei von der weiteren Abgasturbine nicht benötigtem überschüssigem Abgas in der Abgasabzweigleitung gezielt Abgas zugeleitet werden und so die Abgasenergie noch effizienter ausgenutzt werden.With this embodiment of the invention, the steam generator can be selectively supplied with exhaust gas in the exhaust branch line, if required or with excess exhaust gas not required by the further exhaust gas turbine, so that the exhaust gas energy can be utilized even more efficiently.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Bypass-Steuerventil als Regelventil ausgebildet.According to one embodiment of the invention, the bypass control valve is designed as a control valve.
Auf diese Weise kann die von der Abgasabzweigleitung in die Bypassleitung abgezweigte Abgasmenge auch in Abhängigkeit von Rückkopplungssignalen von Sensoren, wie z. B. einem eine Temperatur im Dampferzeuger überwachenden Temperatursensor, geregelt werden.In this way, the branched off from the exhaust branch line in the bypass line exhaust gas also in response to feedback signals from sensors such. B. a temperature in the steam generator monitoring temperature sensor can be controlled.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Abgasmengen-Steuermittel ein Zuführungs-Steuerventil auf, das abgasströmungsabwärts einer Abzweigstelle der Bypassleitung in der Abgasabzweigleitung angeordnet ist.According to another embodiment of the invention, the exhaust gas amount control means comprises a supply control valve which exhaust gas downstream of a branch point of the bypass line in the exhaust branch line is arranged.
Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung kann die der weiteren Abgasturbine zugeführte Abgasmenge gezielt gesteuert werden, so dass einerseits bevorzugt vorrangig genügend Antriebsenergie für die weitere Abgasturbine und andererseits genügend zusätzliche Heizenergie für den Dampferzeuger zur Verfügung steht.With this embodiment of the invention, the amount of exhaust gas supplied to the further exhaust gas turbine can be specifically controlled, so that on the one hand preferably sufficient drive energy for the further exhaust gas turbine and, on the other hand, enough additional heat energy for the steam generator is available.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Zuführungs-Steuerventil als Regelventil ausgebildet.According to one embodiment of the invention, the supply control valve is designed as a control valve.
Auf diese Weise kann die der weiteren Abgasturbine zugeführte Abgasmenge auch in Abhängigkeit von Rückkopplungssignalen von Sensoren, wie z. B. einem eine Drehzahl des Elektrogenerators überwachenden Drehzahlsensor und/oder einem eine vom Elektrogenerator erzeugte elektrische Leistung überwachenden Leistungssensor und/oder einem einen Druck in der Abgasabzweigleitung überwachenden Drucksensor, und/oder eines Ladeluftdrucks einer Abgasturbine geregelt werden.In this way, the further exhaust gas turbine exhaust amount supplied also in response to feedback signals from sensors such. B. a speed of the electric generator monitoring speed sensor and / or an electric power generated by the electric generator monitoring power sensor and / or a pressure in the exhaust branch line monitoring pressure sensor, and / or a charge air pressure of an exhaust gas turbine.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Turbinenausgang der weiteren Abgasturbine über eine Abgasrückführleitung abgasströmungsabwärts des Bypass-Steuerventils mit der Bypassleitung verbunden.According to yet another embodiment of the invention, a turbine outlet of the further exhaust gas turbine is connected to the bypass line via an exhaust gas recirculation line downstream of the bypass control valve.
Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung kann die restliche Wärmeenergie des aus der weiteren Abgasturbine ausströmenden Abgases vorteilhaft zur zusätzlichen Heizenergieversorgung des Dampferzeugers verwendet werden.With this embodiment of the invention, the residual heat energy of the effluent from the further exhaust gas exhaust gas can be used advantageously for additional heating energy supply of the steam generator.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in der Abgasrückführleitung ein Rückführungs-Steuerventil angeordnet, so dass dem Dampferzeuger über das Rückführungs-Steuerventil gesteuert aus dem Turbinenausgang der weiteren Abgasturbine austretendes Abgas zuführbar ist.According to one embodiment of the invention, a return control valve is arranged in the exhaust gas recirculation line, so that the exhaust gas generator via the return control valve controlled from the turbine outlet of the further exhaust gas exiting exhaust gas can be fed.
Damit kann bei Bedarf, wenn z. B. die weitere Abgasturbine außer Betrieb ist, die Abgasrückführleitung geschlossen werden, so dass kein Abgas aus der Bypassleitung ausgangsseitig in die weitere Abgasturbine einströmen kann.This can, if necessary, if z. B. the further exhaust gas turbine is out of operation, the exhaust gas recirculation line are closed, so that no exhaust gas from the bypass line on the output side can flow into the further exhaust gas turbine.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Abgasabzweigleitung einen Speisungsabschnitt, der an die Abgasausgangsleitung angeschlossen ist, einen Sammelabschnitt, der an den Speisungsabschnitt angeschlossen ist, und einen Zuführungsabschnitt auf, der an den Sammelabschnitt und an den Turbineneingang der weiteren Abgasturbine angeschlossen ist, wobei die Abgasmengen-Steuermittel ein Speisungs-Steuerventil aufweisen, das in dem Speisungsabschnitt angeordnet ist, so dass dem Sammelabschnitt über das Speisungs-Steuerventil gesteuert aus der Abgasausgangsleitung abgezweigtes Abgas zuführbar ist.According to still another embodiment of the invention, the exhaust branch pipe has a feeding portion connected to the exhaust gas discharge pipe, a collecting portion connected to the feeding portion, and a feeding portion connected to the collecting portion and the turbine inlet of the another exhaust gas turbine the exhaust gas quantity control means comprise a feed control valve arranged in the feed section, so that exhaust gas branched off from the exhaust gas exit line can be supplied to the collecting section in a controlled manner via the feed control valve.
Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung kann die über die Abgasabzweigleitung abgezweigte Abgasmenge z. B. so gezielt gesteuert werden, dass unter vorrangiger Realisierung einer aktuell erforderlichen Verdichterdrehzahl z. B. ein bestimmter Druck im Sammelabschnitt realisiert wird.With this embodiment of the invention, the exhaust gas branched off via the exhaust branch line z. B. are controlled so targeted that under priority realization of a currently required compressor speed z. B. a certain pressure in the collection section is realized.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Speisungs-Steuerventil als Regelventil ausgebildet.According to one embodiment of the invention, the feed control valve is designed as a control valve.
Auf diese Weise kann die über die Abgasabzweigleitung abgezweigte Abgasmenge auch in Abhängigkeit von Rückkopplungssignalen von Sensoren, wie z. B. einem eine Drehzahl einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und/oder des Verdichters und/oder der weiteren Abgasturbine überwachenden Drehzahlsensor und/oder einem einen Druck in der Abgasabzweigleitung überwachenden Drucksensor, und/oder eines Ladeluftdrucks einer Abgasturbine geregelt werden.In this way, the exhaust gas branched off via the exhaust branch line also in response to feedback signals from sensors such. B. a speed of a crankshaft of the internal combustion engine and / or the compressor and / or the further exhaust gas turbine monitoring speed sensor and / or a pressure in the exhaust branch line monitoring pressure sensor, and / or a charge air pressure of an exhaust gas turbine can be controlled.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen-Anordnung wenigstens eine weitere Brennkraftmaschine mit einem Abgasausgang und einem Lufteingang sowie wenigstens eine weitere Abgasturbolader-Anordnung zur Druckerhöhung von der wenigstens einen weiteren Brennkraftmaschine über deren Lufteingang zuzuführender Luft auf, wobei ein Turbineneingang einer Abgasturbine der wenigstens einen weiteren Abgasturbolader-Anordnung über eine Abgasausgangsleitung mit dem Abgasausgang der wenigstens einen weiteren Brennkraftmaschine verbunden ist, wobei ein vor dem Turbineneingang der Abgasturbine der wenigstens einen weiteren Abgasturbolader-Anordnung von der Abgasausgangsleitung der wenigstens einen weiteren Brennkraftmaschine abzweigender Speisungsabschnitt einer Abgasabzweigleitung der wenigstens einen weiteren Brennkraftmaschine an den Sammelabschnitt der Abgasabzweigleitung der Brennkraftmaschine angeschlossen ist, und wobei in dem Speisungsabschnitt der Abgasabzweigleitung der wenigstens einen weiteren Brennkraftmaschine ein Speisungs-Steuerventil angeordnet ist, so dass dem Sammelabschnitt über das Speisungs-Steuerventil der wenigstens einen weiteren Brennkraftmaschine gesteuert aus der Abgasausgangsleitung der wenigstens einen weiteren Brennkraftmaschine abgezweigtes Abgas zuführbar ist.According to yet another embodiment of the invention, the internal combustion engine arrangement according to the invention at least one further internal combustion engine with an exhaust outlet and an air inlet and at least one further exhaust gas turbocharger arrangement for pressure increase of the at least one further internal combustion engine via the air inlet zuzuführender air, wherein a turbine inlet of an exhaust gas turbine at least one further exhaust-gas turbocharger arrangement is connected to the exhaust-gas outlet of the at least one further internal combustion engine via an exhaust-gas outlet line, wherein a feed section of an exhaust-branching line of the at least one further branching off from the exhaust-gas outlet line of the at least one further internal combustion engine upstream of the turbine inlet of the exhaust-gas turbine of the at least one further exhaust-gas turbocharger arrangement Internal combustion engine is connected to the collecting portion of the exhaust branch line of the internal combustion engine, and wherein in the Feisungsa Bschnitt the exhaust branch line of the at least one other internal combustion engine, a feed control valve is arranged so that the collecting section via the feed control valve of the at least one further internal combustion engine controlled from the exhaust gas outlet line of at least one further internal combustion engine branched off exhaust gas can be fed.
Durch die Anbindung des Speisungsabschnitts der Abgasabzweigleitung der wenigstens einen weiteren Brennkraftmaschine kann die über den Zuführungsabschnitt an den Sammelabschnitt angeschlossene weitere Abgasturbine mit überschüssigem Abgas mehrerer Brennkraftmaschinen versorgt werden, womit sich aufgrund der dann leistungsstärker dimensionierten weiteren Abgasturbine (Strömungsmaschine) Wirkungsgradvorteile im Vergleich zu einer Lösung mit jeweils einer kleineren Abgasturbine pro Brennkraftmaschine ergeben.Through the connection of the feed section of the exhaust branch line of the at least one further internal combustion engine, the over the Supply section connected to the collecting section further exhaust gas turbine are supplied with excess exhaust gas of several internal combustion engines, which results in efficiency advantages compared to a solution, each with a smaller exhaust gas turbine per engine due to the then more powerful dimensioned further exhaust gas turbine (turbomachine).
Natürlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass mehr als zwei Brennkraftmaschinen mit ihrem Speisungsabschnitt an den über den Zuführungsabschnitt mit der weiteren Abgasturbine verbundenen Sammelabschnitt angeschlossen sind. Ferner ist es im Rahmen der Erfindung natürlich auch möglich, dass mehr als eine weitere Abgasturbine mit jeweils antriebsverbundenem Verbraucher (z. B. Elektrogenerator) und bevorzugt damit antriebsverbundener Dampfturbine vorgesehen sind.Of course, it is also possible within the scope of the invention that more than two internal combustion engines are connected with their feed section to the collecting section connected via the feed section to the further exhaust gas turbine. Furthermore, it is of course also possible within the scope of the invention for more than one further exhaust gas turbine to be provided, in each case with a drive-connected consumer (eg electric generator) and preferably with a steam turbine connected thereto.
Zusammenfassend werden gemäß Ausführungsformen der Erfindung u. a. die folgenden Vorteile erzielt: teure und aufwendige Elektrogeneratoren inklusive Leistungselektronik direkt an den für die Luftaufladung vorgesehenen Abgasturbinen von Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren werden vermieden, die Funktionalität bezüglich der Einregelung einer möglichst hohen Abgastemperatur vor den Dampferzeugern, wie z. B. Abhitzekesseln, und Realisierung eines gewünschten Ladeluftdrucks wird sichergestellt, an den Aufladegruppen der Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren überschüssige Energie wird wirkungsgradoptimal genutzt und die erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen-Anordnung kann unter akzeptablem Anlagen- und Kostenaufwand realisiert werden.In summary, according to embodiments of the invention u. a. the following advantages achieved: expensive and expensive electric generators including power electronics directly to the provided for the air charge exhaust gas turbines of internal combustion engines or internal combustion engines are avoided, the functionality with respect to the regulation of the highest possible exhaust gas temperature before the steam generators, such. B. waste heat boilers, and realization of a desired charge air pressure is ensured at the Aufladegruppen the internal combustion engines or internal combustion engines excess energy is used to optimum efficiency and the engine assembly according to the invention can be realized under acceptable investment and cost.
Der optimale Gesamtanlagenwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen-Anordnung ergibt sich mit einem Elektrogenerator an der weiteren Abgasturbine bzw. Powerturbine. Durch die beschriebenen Anlagenkonfigurationen gelingt es, die teuren und aufwendigen Elektrogeneratoren inklusive Leistungselektronik zu vermeiden und das in den Aufladegruppen einer als Mehrmotorenanlage ausgebildeten Brennkraftmaschinen-Anordnung nicht benötigte Abgas der gemeinsamen weiteren Abgasturbine (Powerturbine) zuzuleiten.The optimal overall system efficiency of the internal combustion engine arrangement according to the invention results with an electric generator on the further exhaust gas turbine or power turbine. The system configurations described make it possible to avoid the expensive and expensive electric generators including power electronics and to supply the exhaust gas of the common further exhaust gas turbine (power turbine) which is not required in the charging groups of an internal combustion engine arrangement designed as a multi-engine system.
Die weitere Abgasturbine kann mit einer ggf. vorhandenen Dampfturbine über ein Getriebe mit einem gemeinsamen Elektrogenerator gekoppelt sein, was vorteilhaft hinsichtlich eines durch den dann größeren Elektrogenerator höheren Wirkungsgrades sowie hinsichtlich geringerer Kosten ist.The further exhaust gas turbine can be coupled with an optionally existing steam turbine via a transmission with a common electric generator, which is advantageous in terms of one through the then larger electric generator higher efficiency and lower costs.
Da das Abgas von mehreren Brennkraftmaschinen auf eine (bzw. wenige) Powerturbine(n) geleitet wird, ergeben sich aufgrund der dann größeren Strömungsmaschine Wirkungsgradvorteile im Vergleich zu einer Lösung mit z. B. jeweils einer Nutzturbine an der Brennkraftmaschine.Since the exhaust gas from several internal combustion engines on one (or a few) power turbine (s) is passed, resulting from the then larger turbomachine efficiency advantages compared to a solution with z. B. in each case a power turbine to the internal combustion engine.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden folgende Realisierungen vorgesehen: die Kombination mehrerer Brennkraftmaschinen mit Regeleinrichtung in einer Aufladegruppe (Abgasturbine mit damit antriebsverbundenem Verdichter) mit einer (oder mehreren) Powerturbine(n) (weitere Abgasturbine), die es ermöglicht, die nicht für die Aufladegruppe benötigte Abgasenergie wirkungsgradoptimal für den Gesamtprozess zu nutzen, wobei bevorzugt eine Powerturbine ihr Abgas von mehreren Brennkraftmaschinen erhält. Eine Powerturbine und eine Dampfturbine können auf einen gemeinsamen Elektrogenerator als Verbraucher arbeiten, wobei jedoch auch getrennte Maschinen/Elektrogeneratoren denkbar sind.According to embodiments of the invention, the following realizations are provided: the combination of several internal combustion engines with control device in a Aufladegruppe (exhaust gas turbine with drive-connected compressor) with one (or more) power turbine (s) (further exhaust gas turbine), which makes it possible, not required for the Aufladegruppe Efficiency of exhaust gas efficiency optimal for the entire process to use, preferably a power turbine receives its exhaust gas from several internal combustion engines. A power turbine and a steam turbine can work on a common electric generator as a consumer, but also separate machines / electric generators are conceivable.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.In the following the invention will be described in more detail by means of a preferred embodiment and with reference to the attached figures.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen-Anordnung
Wie in
Im Folgenden wird zunächst die in
Die erste Elektroenergie-Erzeugungseinheit
Die Brennkraftmaschine
Die Abgasturbolader-Anordnung
Die erste Abgasturbine
Ein Turbinenausgang
Mit anderen Worten ist der Dampferzeuger-Abgaseingang
Auf diese Weise kann aus der Brennkraftmaschine
Der zweite Verdichter
Ein Verdichterausgang
Auf diese Weise kann in den Verdichtereingang
Die Abgasmengen-Steuermittel
Das Speisungs-Steuerventil
Die Abgasabzweigleitung
Demgemäß ist der dritten Abgasturbine
Das Speisungs-Steuerventil
Der Dampferzeuger-Abgaseingang
Das Zuführungs-Steuerventil
Ein Turbinenausgang
Die dritte Abgasturbine
Dadurch, dass der Verbraucher
Der Verbraucher
Ein Dampfturbineneingang
Ein Dampfturbinenausgang
Die in
Im Unterschied zur ersten Elektroenergie-Erzeugungseinheit
Der vor dem Turbineneingang
Das in dem Speisungsabschnitt
Abschließend soll nun noch kurz die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen-Anordnung
In
Die in der Dampfturbine
In Strömungsrichtung der Abgase ist vor jeder ersten Abgasturbine
Das Speisungs-Steuerventil
- – Bei geringer Leistung der jeweiligen Brennkraftmaschine
20 ,20' oder bei einer größeren Lastaufschaltung sollte das Speisungs-Steuerventil 71 ,71' geschlossen sein. - – Bei höheren Leistungen soll ein bestimmter Ladeluftdruck nicht überschritten werden, wobei das Speisungs-
Steuerventil 71 ,71' einen Teil der Abgasenergie vor der ersten Abgasturbine35 ,35' abzweigt und es in den mit der jeweils anderen Brennkraftmaschine20 ,20' verbundenen Sammelabschnitt 75 einleitet. - – Das Speisungs-
Steuerventil 71 ,71' stellt eine vorgegebene, für den Gesamtprozess optimale Abgastemperatur in der jeweiligen ersten Aufladegruppe ein.
- - At low power of the respective
internal combustion engine 20 .20 ' or at a larger load engagement should thepower control valve 71 .71 ' be closed. - - At higher powers, a certain charge air pressure should not be exceeded, with the
feed control valve 71 .71 ' a part of the exhaust gas energy in front of the firstexhaust gas turbine 35 .35 ' branches off and it in with each other'sinternal combustion engine 20 .20 ' associatedcollection section 75 initiates. - - The
power control valve 71 .71 ' sets a given, optimal for the overall process exhaust gas temperature in the respective first Aufladegruppe.
Das über die Speisungs-Steuerventile
Die an der dritten Abgasturbine
Über das Zuführungs-Steuerventil
Ist die dritte Abgasturbine
Je nach Auslegung der Anlage kann es von Vorteil sein, mehrere Dampf- und Powerturbinen in der Anlage vorzusehen und geeignet mit den Dampferzeugern
Die hier mit Bezug auf
Die erfindungsgemäße Lösung ist insbesondere bei Mehrmotorenanlagen von Vorteil, da dann mehrere Motoren (Brennkraftmaschinen) die Powerturbine (dritte Abgasturbine) gemeinsam nutzen können. Bei der in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1a, 1b1a, 1b
- Brennkraftmaschinen-AnordnungEngine assembly
- 10a, 10b10a, 10b
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 11a, 11b11a, 11b
- Abgasausgangexhaust outlet
- 12a, 12b12a, 12b
- Lufteingangair inlet
- 13a, 13b13a, 13b
- AbgasausgangsleitungExhaust gas output line
- 14a, 14b14a, 14b
- AbgasverbindungsleitungExhaust connection line
- 16a, 16b16a, 16b
- LufteingangsleitungAir input line
- 20a, 20b20a, 20b
- Abgasturbolader-AnordnungTurbocharger arrangement
- 25a, 25b25a, 25b
- Abgasturbineexhaust turbine
- 26a, 26b26a, 26b
- Turbineneingangturbine inlet
- 30a, 30b30a, 30b
- Verdichtercompressor
- 31a, 31b31a, 31b
- Verdichterausgangcompressor output
- 35a, 35b35a, 35b
- Abgasturbineexhaust turbine
- 36a, 36b36a, 36b
- Turbineneingangturbine inlet
- 40a, 40b40a, 40b
- Verdichtercompressor
- 50a50a
- Steuerventilcontrol valve
- 51a51a
- AbgasabzweigleitungExhaust branch line
- 60b60b
- Elektrogeneratorelectric generator
- 61b61b
- Verbindungswelleconnecting shaft
- 11
- Brennkraftmaschinen-AnordnungEngine assembly
- 10, 10'10, 10 '
- Elektroenergie-ErzeugungseinheitElectric power generating unit
- 20, 20'20, 20 '
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 21, 21'21, 21 '
- Abgasausgangexhaust outlet
- 22, 22'22, 22 '
- Lufteingangair inlet
- 23, 23'23, 23 '
- AbgasausgangsleitungExhaust gas output line
- 24, 24'24, 24 '
- AbgasverbindungsleitungExhaust connection line
- 25, 25'25, 25 '
- AbgasabführleitungAbgasabführleitung
- 26, 26'26, 26 '
- Luftzuführleitungair supply line
- 27, 27'27, 27 '
- LuftverbindungsleitungAir connection pipe
- 28, 2828, 28
- LufteingangsleitungAir input line
- 30, 30'30, 30 '
- Abgasturbolader-AnordnungTurbocharger arrangement
- 35, 35'35, 35 '
- Abgasturbineexhaust turbine
- 36, 36'36, 36 '
- Turbineneingangturbine inlet
- 37, 37'37, 37 '
- Turbinenausgangturbine output
- 40, 40'40, 40 '
- Verdichtercompressor
- 41, 41'41, 41 '
- Verdichtereingangcompressor inlet
- 42, 42'42, 42 '
- Verdichterausgangcompressor output
- 45, 45'45, 45 '
- Abgasturbineexhaust turbine
- 46, 46'46, 46 '
- Turbineneingangturbine inlet
- 47, 47'47, 47 '
- Turbinenausgangturbine output
- 50, 50'50, 50 '
- Verdichtercompressor
- 51, 51'51, 51 '
- Verdichtereingangcompressor inlet
- 52, 52'52, 52 '
- Verdichterausgangcompressor output
- 60, 60'60, 60 '
- Dampferzeugersteam generator
- 61, 61'61, 61 '
- Dampferzeuger-AbgaseingangSteam generator exhaust input
- 62, 62'62, 62 '
- Dampferzeuger-AbgasausgangSteam generator exhaust gas output
- 63, 63'63, 63 '
- DampferzeugerausgangSteam generator output
- 64, 64'64, 64 '
- DampfausgangsleitungSteam output line
- 6565
- DampfsammelleitungSteam manifold
- 70, 70'70, 70 '
- Abgasmengen-SteuermittelExhaust gas amount control means
- 71, 71'71, 71 '
- Speisungs-SteuerventilLinefeed control valve
- 7272
- Zuführungs-SteuerventilSupply control valve
- 73, 73'73, 73 '
- AbgasabzweigleitungExhaust branch line
- 74, 74'74, 74 '
- Speisungsabschnittsupply section
- 7575
- Sammelabschnittcollecting section
- 7676
- Zuführungsabschnittfeeding section
- 8080
- Abgasturbineexhaust turbine
- 8181
- Turbineneingangturbine inlet
- 8282
- Turbinenausgangturbine output
- 8383
- Getriebetransmission
- 9090
- Bypassleitungbypass line
- 9191
- Bypass-SteuerventilBypass control valve
- 100100
- AbgasrückführleitungExhaust gas recirculation line
- 101101
- Rückführungs-SteuerventilRecirculation control valve
- 110110
- Verbraucherconsumer
- 120120
- Dampfturbinesteam turbine
- 121121
- Dampfturbineneingangsteam input
- 122122
- Dampfturbinenausgangsteam output
- 123123
- Getriebetransmission
- 130130
- Anschlussconnection
- n1 n 1
- AbtriebsdrehzahlOutput speed
- n2 n 2
- NenndrehzahlRated speed
- n3 n 3
- AbtriebsdrehzahlOutput speed
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-
2010
- 2010-04-26 DE DE102010028200.6A patent/DE102010028200B4/en active Active
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Owner name: MAN ENERGY SOLUTIONS SE, DE Free format text: FORMER OWNER: MAN DIESEL & TURBO SE, 86153 AUGSBURG, DE |