DE102011003980A1

DE102011003980A1 - Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011003980A1
Application number: DE102011003980A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Wirz
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-08-16
Also published as: KR20120092504A; CN102635434A; JP2012167664A; FI126695B; CN102635434B; FI20125136A; JP5562987B2

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkrebenen Schiffsdieselbrennkraftmaschine, wobei Abgas der Brennkraftmaschine (10) einer Turbine (15) eines Abgasturboladers zur Entspannung des Abgases zugeführt wird, wobei hierbei gewonnene Energie in einem Verdichter (12) des Abgasturboladers zum Verdichten von der Brennkraftmaschine (10) zuzuführender Ladeluft genutzt wird, und wobei zur Begrenzung des Ladedrucks der Ladeluft in das Abgas stromabwärts der Brennkraftmaschine (10) und stromaufwärts der Turbine (15) Wasser unter zumindest anteiliger Verdampfung desselben eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aufgeladene Brennkraftmaschinen, wie zum Beispiel aufgeladene Schiffsdieselbrennkraftmaschinen, sind aus der Praxis hinlänglich bekannt. So wird bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine Abgas der Brennkraftmaschine einer Turbine eines Abgasturboladers zugeführt und in der Turbine entspannt, wobei bei der Entspannung des Abgases in der Turbine gewonnene Energie zum Antreiben eines Verdichters des Abgasturboladers genutzt wird, um über den Verdichter der Brennkraftmaschine zuzuführende Ladeluft zu verdichten.
Weiterhin ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, verdichtete Ladeluft zur Steigerung der Leistung der Brennkraftmaschine nach der Verdichtung über einen Ladeluftkühler zu leiten, um so der Brennkraftmaschine verdichtete und gekühlte Luft zuzuführen.
Zur Begrenzung des Ladedrucks der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Ladeluft ist es aus der Praxis bereits bekannt, einen Teil des Abgases, welches die Brennkraftmaschine verlässt, über ein sogenanntes Wastegate an der Turbine vorbei zu leiten, um so die in der Turbine erzeugbare Energie zu reduzieren. Zusätzlich zu diesem abgasseitigen Eingriff zur Ladedruckbegrenzung ist aus der Praxis auch ein ladeluftseitiger Eingriff zur Ladedruckbegrenzung bekannt, so zum Beispiel das sogenannte Ladeluftabblasen eines Teils der verdichteten Ladeluft stromaufwärts der Brennkraftmaschine.
Obwohl aus der Praxis bereits diverse Möglichkeiten zur Ladedruckbegrenzung bekannt sind, besteht Bedarf an einer neuartigen Möglichkeit zur Begrenzung des Ladedrucks der einer aufgeladenen Brennkraftmaschine zuzuführenden Ladeluft.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird zur Begrenzung des Ladedrucks der Ladeluft in das Abgas stromabwärts der Brennkraftmaschine und stromaufwärts der Turbine Wasser unter zumindest anteiliger Verdampfung desselben eingebracht. Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, in das Abgas stromabwärts der Brennkraftmaschine und stromaufwärts der Turbine Wasser unter zumindest anteiliger Verdampfung des Wassers einzubringen. Dadurch kann die Temperatur des Abgases gesenkt werden, wodurch letztendlich die in der Turbine generierbare Energie reduziert werden kann. Eine hierdurch erzielbare Ladedruckbegrenzung kann besonders einfach an einer Brennkraftmaschine, so zum Beispiel an einer mit Schweröl betriebenen Schiffdieselbrennkraftmaschine, umgesetzt werden.
Vorzugsweise wird das Wasser mit einem definierten Druck und einer definierten Temperatur in das Abgas eingebracht, wobei die definierte Temperatur des Wassers zwischen 20°K und 5°K unterhalb der Siedetemperatur des Wassers bei Um gebungsdruck oder bei Abgasdruck stromabwärts der Brennkraftmaschine liegt, und wobei der definierte Druck des Wassers zwischen 2-fachen und 5-fachen des Abgasdrucks stromabwärts der Brennkraftmaschine beträgt. Dann, wenn Wasser mit einem definierten Druck und einer definierten Temperatur in das Abgas eingebracht wird, kann eine besonders effektive Ladedruckbegrenzung realisiert werden. So kann durch die definierte Temperatur das Wasser möglichst weit an den Siedepunkt angenähert und dadurch eine vollständige und schnelle Verdampfung des Wassers im Abgas realisiert werden. Über den Druck wird eine feine Vernebelung des Wassers beim Einbringen desselben in das Abgas erreicht.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dann, wenn der aktuelle Ladedruck der Ladeluft kleiner als ein Grenzwert ist, kein Wasser in das Abgas eingebracht, wohingegen dann, wenn der aktuelle Ladedruck der Ladeluft größer als der Grenzwert ist, Wasser in das Abgas derart eingebracht wird, dass die Menge oder der Massenstrom des eingebrachten Wassers abhängig von der Abweichung zwischen dem aktuellen Ladedruck und dem Grenzwert ist. Die obige Einstellung bzw. Regelung der Menge bzw. des Massenstroms des in das Abgas eingebrachten Wassers ist besonders einfach und effektiv.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1: eine schematisierte Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine; und
2: ein Diagramm zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei welcher es sich vorzugsweise um eine mit Schweröl betriebene Schiffsdieselbrennkraftmaschine handelt.
Gemäß 1 wird der eigentlichen Brennkraftmaschine 10 Ladeluft 11 zugeführt, die zuvor in einem Verdichter 12 eines Abgasturboladers verdichtet und nach Verdichtung im Verdichter 12 in einem Ladeluftkühler 13 auf eine definierte Temperatur gekühlt wurde.
Abgas 14, welches die Brennkraftmaschine 10 verlässt, wird in einer Turbine 15 des Abgasturboladers entspannt, wobei hierbei gewonnene Energie zum Antreiben des Verdichters 12 des Abgasturboladers genutzt wird.
Zur Begrenzung des Ladedrucks der Ladeluft 11, die der Brennkraftmaschine 10 zugeführt wird, wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung in das Abgas 14 stromabwärts der Brennkraftmaschine 10 und stromaufwärts der Turbine 15 Wasser unter zumindest anteiliger Verdampfung desselben eingebracht, wobei das in das Abgas 14 eingebrachte Wasser beim Einbringen desselben in das Abgas 14 vorzugsweise vollständig verdampft wird.
1 zeigt eine Einrichtung 16, mithilfe derer Wasser in das Abgas 14 stromab wärts der Brennkraftmaschine 10 und stromaufwärts der Turbine 15 eingebracht werden kann, wobei es sich bei dieser Wassereinbringeinrichtung 16 um eine separate Eindüseinrichtung oder auch um eine gegebenenfalls ohnehin vorhandene Wascheinrichtung des Abgasturboladers handeln kann.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, wobei in 2 über der Entropie s des in der Turbine 15 zu entspannenden Abgases 14 einerseits die Ethalpie h und andererseits die Temperatur T des Abgases 14 aufgetragen ist. Weiterhin sind in 2 Isobaren, also Kurven konstanten Drucks p, eingezeichnet.
Mit den Punkten 17, 18 und 19 ist eine Entspannung des Abgases 14 in der Turbine 15 verdeutlicht, wie sie sich nach dem Stand der Technik ohne Einbringung von Wasser in das Abgas 14 ausbilden würde. So visualisiert der Punkt 17 ein zu entspannendes Abgas 14 mit einem Druck p_z, einer Temperatur T_z bzw. einer Ethalpie h_z, also einen Abgaszustand des Abgases 14 unmittelbar stromabwärts der Brennkraftmaschine 10.
In einer idealen Turbine 15 mit einem isentropen Wirkungsgrad von 100% würde das durch den Punkt 17 charakterisierte Abgas (Druck p_z, Temperatur T_z, Ethalpie h_z) auf den Punkt 18 und bei einer realen Turbine mit einem isentropen Wirkungsgrad kleiner 100% auf den Punkt 19 (Druck p_y, Temperatur T_y, Ethalpie h_y) entspannt. Bei dieser Entspannung in der Turbine 15 kann eine Leistung bzw. Energie gewonnen werden kann, die von der Enthalpiedifferenz Δh = h_y – h_z abhängig ist.
Wird erfindungsgemäß in das Abgas 14 stromabwärts der Brennkraftmaschine 10 und stromaufwärts der Turbine 15 Wasser unter Verdampfung des Wassers eingebracht, so kann durch das Einbringen und Verdampfen von Wasser das Abgas ausgehend vom Punkt 17 (Druck p_z, Temperatur T_z, Ethalpie h_z) zum Beispiel auf den Punkt 17' (Druck p_x, Temperatur T_x, Ethalpie h_x) entlang der in 2 eingezeichneten Isobaren (p_z = p_x) überführt werden, wodurch durch das Einbringen und Verdampfen des Wassers einerseits die Temperatur (T_z > T_x) und andererseits die Enthalpie (h_z > h_x) des Abgases 14 reduziert wird.
Bei der Entspannung dieses Abgases 17' (Druck p_x, Temperatur T_x, Ethalpie h_x) in der Turbine 15 würde dasselbe bei einer idealen Turbine mit einem isentropen Wirkungsgrad von 100% auf den Punkt 18 und bei einer realen Turbine mit einem isentropen Wirkungsgrad kleiner 100% auf den Punkt 19' (Druck p_y, Temperatur T_y, Ethalpie h_y) entspannt werden, wobei die sich hierbei ausbildende Enthalpiedifferenz Δh' kleiner ist als die Enthalpiedifferenz Δh, die sich ohne das Einbringen und Verdampfen von Wasser in der Turbine 15 ausbilden würde. Daher kann durch die Erfindung die Energie bzw. Leistung, die von der Turbine 15 bei der Entspannung des Abgases 14 bereitgestellt wird, reduziert werden.
Im weiteren, wenn der Ladedruck erfindungsgemäß reduziert ist, wird auch der Druck p_z sinken, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt.
Erfindungsgemäß wird demnach zur Begrenzung des Ladedrucks der Ladeluft 11 die von der Turbine 15 bereitgestellte Leistung bzw. Energie, die im Verdichter 12 zum Verdichten der Ladeluft 11 genutzt wird, reduziert, nämlich durch Einbringen und Verdampfen von Wasser in das Abgas 14 stromaufwärts der Turbine 15 und stromabwärts der Brennkraftmaschine 10.
Das Wasser wird mit einem definierten Druck und einer definierten Temperatur in das Abgas 14 eingebracht, vorzugsweise eingedüst. Die definierte Temperatur des Wassers liegt zwischen 20°K und 5°K unterhalb der Siedetemperatur des Wassers bei Umgebungsdruck, insbesondere zwischen 15°K und 10°K, unterhalb der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck. Ebenso ist es möglich, dass die Temperatur des Wassers zwischen 20°K und 5°K, insbesondere zwischen 15°K und 10°K, unterhalb der Siedetemperatur des Wassers bei Abgasdruck stromabwärts der Brennkraftmaschine 10 und damit stromaufwärts der Turbine 15 liegt. Der definierte Druck des Wassers, mit welchem dasselbe in das Abgas 14 eingebracht wird, beträgt zwischen dem 2-fachen und 5-fachen, vorzugsweise zwischen dem 3-fachen und 4-fachen, des Abgasdrucks stromabwärts der Brennkraftmaschine 10 und damit stromaufwärts der Turbine 15.
Die Menge bzw. der Massenstrom des in das Abgas 14 einzubringenden Wassers wird vorzugsweise derart bestimmt, dass dann, wenn der aktuelle Ladedruck der Ladeluft kleiner als ein Grenzwert ist, kein Wasser in das Abgas 14 eingebracht wird, wohingegen dann, wenn der aktuelle Ladedruck der Ladeluft größer als der Grenzwert ist, Wasser in das Abgas abhängig von der Abweichung zwischen dem aktuellen Ladedruck und dem Grenzwert eingebracht wird. Vorzugsweise wird der Massenstrom m_w des bei Überschreiten des Grenzwerts P_L,MAX für den Ladedruck p_L in das Abgas 14 eingebrachten Wassers nach folgender Gleichung bestimmt: m_w = k·(P_L,MAX – p_L) wobei diese Gleichung eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Massenstrom m_w des in das Abgas 14 eingebrachten Wassers und der Differenz zwischen dem aktuellen Ladedruck p_L und dem Grenzwert bzw. maximal zulässigen Ladedruck p_L,MAX bei Überschreiten des Grenzwerts beschreibt und wobei k ein konstanter Proportionalitätsfaktor darstellt.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
11: Ladeluft
12: Verdichters
13: Ladeluftkühler
14: Abgas
15: Turbine
16: Wassereinbringeinrichtung

Claims

Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere einer mit Schweröl betriebenen Schiffsdieselbrennkraftmaschine, wobei Abgas der Brennkraftmaschine (10) einer Turbine (15) eines Abgasturboladers zur Entspannung des Abgases zugeführt wird, und wobei hierbei gewonnene Energie in einem Verdichter (12) des Abgasturboladers zum Verdichten von der Brennkraftmaschine (10) zuzuführender Ladeluft genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Begrenzung des Ladedrucks der Ladeluft in das Abgas stromabwärts der Brennkraftmaschine (10) und stromaufwärts der Turbine (15) Wasser unter zumindest anteiliger Verdampfung desselben eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser beim Einbringen in das Abgas vollständig verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser mit einem definierten Druck und einer definierten Temperatur in das Abgas eingebracht, insbesondere eingedüst und vernebelt, wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Temperatur des Wassers zwischen 20°K und 5°K unterhalb der Siedetemperatur des Wassers bei Umgebungsdruck liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Temperatur des Wassers zwischen 20°K und 5°K unterhalb der Siedetemperatur des Wassers bei Abgasdruck stromabwärts der Brennkraftmaschine (10) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Druck des Wassers zwischen dem 2-fachen und 5-fachen des Abgasdrucks stromabwärts der Brennkraftmaschine (10) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der aktuelle Ladedruck der Ladeluft kleiner als ein Grenzwert ist, kein Wasser in das Abgas eingebracht wird, und dass dann, wenn der aktuelle Ladedruck der Ladeluft größer als der Grenzwert ist, Wasser in das Abgas derart eingebracht wird, dass die Menge oder der Massenstrom des eingebrachten Wassers abhängig von der Abweichung zwischen dem aktuellen Ladedruck und dem Grenzwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über eine Wascheinrichtung (16) des Abgasturboladers in das Abgas eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser über eine separate Eindüseinrichtung (16) des Abgasturboladers in das Abgas eingebracht wird.