-
Die Erfindung betrifft einen Zweitakt-Großdieselmotor mit Turboaufladung und Abgasrezirkulation gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Besonders bei großen Dieselmotoren sind Turboladerstufen üblich, um dem aus dem Motor kommenden Abgas Energie zu entziehen damit die dem Motor zuzuführende Ladeluft bzw. das dem Motor zu zuführende Ladegas zu verdichten und so zu einer verbesserten Verbrennung zu kommen. Insbesondere bei Mehrzylindermotoren werden dafür auch mehrere Turbolader eingesetzt, die insgesamt die Turboladerstufe bilden.
-
Neben den die Energierückgewinnung aus dem abgeführten Brenngas bzw. Abgas betreffenden Maßnahmen wie der Turboaufladung, ist der Fokus heutzutage auf eine möglichst saubere Verbrennung gerichtet. Dazu wird häufig ein Teil des Abgases zur Einlassseite des Motors rezirkuliert, um auf diese Weise die Verbrennungstemperatur und damit die NOx-Emissionen des Motors zu senken.
-
In der Rezirkulationsleitung sind dabei häufig Gasbehandlungsapparate vorgesehen, z.B. ein Abgaswäscherapparat, um die im rückgeführten Abgas enthaltenen Schwefel- und Rußpartikel nicht ungewollt in die Brennkammer zurückzuführen, weil dann die Abgasrückführung zwar zu einer Senkung der NOx-Emissionen des Motors führen würde, dafür aber zu einer erhöhten Schwefelbelastung im Abgasausstoß. So zeigt beispielsweise die eigene deutsche Patentschrift
DE 10 2009 010 808 B3 einen Dieselmotor mit Abgasrezirkulation, bei dem sich in der Rezirkulationsleitung ein Gaswäscherapparat befindet.
-
Beim Durchströmen derartiger Gasbehandlungsapparate kommt es zu einem Druckabfall im rückgeführten Abgas. Auch ohne das Durchströmen derartiger Gasbehandlungsapparate ist der Druck im rückgeführten Abgas, welcher letztlich dem Druck in der Brennkammer zum Zeitpunkt der Entnahme des rückgeführten Abgases entspricht, häufig nicht so hoch, dass das Abgas ohne zusätzlichen Verdichter direkt in die Spül- bzw. Ladeluft im Ansaugtrakt eingeleitet werden könnte. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Rezirkulationsleitung auf der Spülgashochdruckseite, also stromab des Ladeluft-Turboladers bzw. der Turboladerstufe, an dem bzw. an der die dem Motor zuzuführende Spül- bzw. Ladeluft verdichtet wird, in den Ansaugtrakt einmünden soll. Die Einleitung des rückgeführten Abgases auf der Spülgashochdruckseite in den Ansaugtrakt und damit ein Abzweig der Rezirkulationsleitung vom Auslasstrakt stromauf der Turbine des Turboladers ist wünschenswert, um das rückzuführende Abgas nicht auch noch durch den bzw. die Ladeluftverdichter der Turboladerstufe schicken zu müssen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors sinken würde.
-
In der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2007 052 118 A1 wird ein Turbo-Compound-Kraftfahrzeug-Dieselmotor mit Abgasrückführung auf der Hochdruckseite, also mit Abzweig der Rezirkulationsleitung vom Auslasstrakt stromauf der Turbine des Turboladers und mit Einmündung in den Ansaugtrakt stromab des Ladeluft-Verdichters beschrieben. Stromab der Turbine des zur Ladeluftverdichtung dienenden Turboladers ist eine weitere, vom nicht rückgeführten, sondern in die Umgebung ausgestoßenen Abgas zu durchströmende Nutzturbine in die Auslassleitung integriert, welche über eine steuerbare Hydraulikkupplung und ein Getriebe auf die Kurbelwelle aufgeschaltet ist. Dabei wird das rückgeführte Abgas mittels an der Rezirkulationsleitung angebrachter Wärmetauscher gekühlt. Diese Wärmetauscher sind als Dampferzeuger ausgeführt und dienen zusammen mit weiteren entsprechend ausgebildeten Wärmetauscher-Dampferzeuger an der Abgasleitung stromab der Nutzturbine zum Antrieb einer Dampfturbine, welche über eine Hydraulikkupplung Antriebsleistung an die Kurbelwelle oder an ein Nebenaggregat im Antriebsstrang abgibt, z.B. einen elektrischen Generator. Mittels der Nutzturbine kann einerseits dem in die Umgebung ausgestoßenen Abgas Energie entzogen werden, die vom Turbolader des Motors nicht genutzt wird. Gemäß der
DE 10 2007 052 118 A1 dient die zusätzliche Nutzturbine aber hauptsächlich dazu, um durch Regelung der die Nutzturbine mit der Kurbelwelle verbindenden Hydraulikkupplung den an der dem ausgestoßenen Abgas als Hindernis im Weg stehenden Nutzturbine anfallenden Staudruck einzustellen und somit den Anteil an rückgeführtem Abgas gegenüber ausgestoßenem Abgas und den im Auslasstrakt stromauf des Turboladers herrschenden Druck, den das rückgeführte Abgas aufweist. Die die Nutzturbine mit der Kurbelwelle verbindenden Hydraulikkupplung wird also letzlich darauf eingestellt, das rezirkulierte Abgas auf das auf der Spülgashochdruckseite im Ansaugtrakt herrschende Druckniveau zu heben.
-
Die japanische Schrift JP-H61-151039U zeigt einen turboaufgeladenen Motor, wobei der Verdichter des Turboladers dampfbetrieben ist und der dem Verdichter zugeführte Dampf an einem Wärmetauscher per Abgas erwärmt wird.
-
Bei Zweitakt-Großdieselmotor mit Abgasrückführung auf der Hochdruckseite, also mit Abzweig der Rezirkulationsleitung vom Auslasstrakt stromauf der Turbine des Turboladers und mit Einmündung in den Ansaugtrakt stromab des Kompressors des Turboladers, ist dagegen üblicherweise ein elektromotorisch angetriebener Verdichter in der Rezirkulationsleitung vorgesehen, um das rezirkulierte Abgas auf das auf der Spülgashochdruckseite im Ansaugtrakt herrschende Druckniveau zu heben, wie beispielsweise der eigenen WO-Schrift
WO 94/29587A1 (internationales Aktenzeichen PCT/DK93/00398) zu entnehmen ist. Dort befindet sich stromauf des Verdichters ein Gaswäscher in der Rezirkulationsleitung. Die zum Antrieb des Verdichters in der Rezirkulationsleitung nötige elektrische Leistung kann dabei beispielsweise einem zum Betrieb des Bordnetzes des von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Schiffes vorgesehenen Generatorsatzes entnommen werden. Dadurch vermindert sich jedoch der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors.
-
Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2008 058 612 A1 zeigt ebenfalls einen Zweitakt-Großdieselmotor mit Abgasrückführung auf der Hochdruckseite, wobei in der Rezirkulationsleitung ein Gaswäscher stromauf eines Abgaskühlers angeordnet ist und, falls nötig, eine zusätzliche Pumpe vorgesehen sein kann, um den Druck des rezirkulierten Gases zu erhöhen.
-
Ein anderer Vorschlag ist, bei einem gattungsgemäßen Dieselmotor den Lüfter in der Rezirkulationsleitung über eine hydraulisch arbeitende Turbine anzutreiben, welche wiederum über eine an der Motorwelle hängende Hydraulikpumpe mit Hochdruckhydrauliköl versorgt wird, siehe US-Patentanmeldung
US 2009/0173071 A1 . Dort ist auch schon ein Kühler zum Kühlen des rückgeführten Abgases offenbart. Die an der Motorwelle abgegriffenen Leistung der Hydraulikpumpe mindert jedoch ebenfalls den Gesamtwirkungsgrad des Dieselmotors.
-
Ein weiteres Beispiel für einen Zweitakt-Großdieselmotor mit Rezirkulation des Ab- bzw. Brenngases ist der eigenen deutschen Patentschrift
DE 103 31 187 B4 zu entnehmen. Auch hier ist ein Rezirkulationsgasverdichter, also ein in der Rezirkulationsleitung angeordneter Verdichter vorgesehen, um den rückzuführenden Abgasteilstrom auf den auf der Spülgashochdruckseite, also stromab des Turboverdichters im Ansaugtrakt herrschenden Spül- bzw. Ladeluftdruck zu verdichten. Der elektromotorische Hilfsantrieb des in der Rezirkulationleitung angeordneten Verdichters wird dabei durch eine Turbine unterstützt, die zusammen mit dem Rezirkulationsgasverdichter einen Niederdruckturbolader bildet. Diese Rezirkulationsturbine wird wiederum von einem der Ladeluft stromab des Ladeluftkompressors des Turboladers abgezweigten, also turboaufgeladenen Ladeluftteilstrom angetrieben. Dieser Ladeluftteilstrom wird beim Antrieb der Rezirkulationsturbine entspannt und muss in den Auslasstrakt abgeleitet werden, ohne einen Beitrag zur Brennkammeraufladung leisten zu können. Der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors sinkt hier also um die zur Aufladung des zum Antrieb der Rezirkulationsturbine nötigen Ladeluftteilstroms verwendete Leistung und um die am elektromotorischen Hilfsantrieb verbrauchte Leistung.
-
Ausgehend von der vorstehend zitierten internationalen Patentanmeldung
WO 94/29587A1 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art den Gesamtwirkungsgrad weiter zu erhöhen.
-
Erfindungsgemäß weist ein Zweitakt-Großdieselmotor zum Antrieb des Rezirkulationsgasverdichters eine getriebelos mit dem Rezirkulationsgasverdichter gekoppelte Dampfturbine auf, wobei ein zumindest mit einem Teil des Abgases des Verbrennungsmotors betriebener Dampferzeuger in der Rezirkulationsleitung stromauf der Dampfturbine vorgesehen ist. und Der Dampferzeuger ist dabei als Wärmetauscher ausgebildet, an dem dem rückgeführten Abgas Wärme entzogen wird, um das Arbeitsmedium, im Normalfall Wasser, zu erwärmen, zu verdampfen und gegebenenfalls zu überhitzen. Zur Auswaschung von Ruß und Schwefel aus dem rückgeführten Abgas ist ferner ein Gaswäscherapparat im Rezirkulationstrakt vorgesehen, welcher dem den rückgeführten Abgasteilstrom kühlenden Dampferzeuger und dem Rezirkulationsgasverdichter strömungsmäßig zwischengeordnet ist, sich also stromab des Dampferzeugers befindet.
-
Vorteilhaft kann dadurch die an einem Verbrennungsmotor immer anfallende Verlustwärme zum Betrieb des Rezirkulationsgasverdichters herangezogen werden. Dadurch können sich beispielsweise bei großen Zweitakt-Schiffsdieselmotoren der gattungsgemäßen Art Einsparungen von ca. 2% der Dieselmotorleistung ergeben, die ansonsten zum Antrieb des Rezirkulationsgasverdichter aufgebracht werden müssten.
-
Besonders geeignet zum Abgriff von Verlustwärme für die Dampferzeugung ist dabei der von der Brennkammer kommende Abgasstrom. So könnte beispielsweise auf der Abgasniederdruckseite der Ladeluft-Turboladerstufe des Verbrennungsmotors ein Dampferzeuger von der Abgasleitung durchströmt werden, der über eine Arbeitsfluidleitung mit der mit dem Rezirkulationsgasverdichter gekoppelten Dampfturbine verbunden ist. Die Erfindung lässt sich jedoch insbesondere bei Verbrennungsmotoren der gattungsgemäßen Art und Abgasrückführung auf der Hochdruckseite des Ladeluft-Turboladers bzw. der Turboladerstufe einsetzten.
-
Insbesondere bei derartigen Systemen ist es besonders vorteilhaft, wenn der Dampferzeuger in der Rezirkulationsleitung stromauf der Dampfturbine vorgesehen ist. Denn zum Einen wird die in dem rückgeführten Abgas enthaltene Wärmeenergie bisher nicht genutzt. Zum Anderen ist es sogar erwünscht, das rückgeführte Abgas zu kühlen, um dadurch eine bessere Aufladung zu bewirken. Durch den Entzug der Wärme aus dem rückgeführten Abgas wird also nicht nur die Antriebsenergie für den Rezirkulationsgasverdichter aus einer bisher nicht genutzten Quelle gewonnen, sondern zusätzlich eine erwünschte Kühlung des rückgeführten Abgases erzielt.
-
Durch den Gaswäscherapparat im Rezirkulationstrakt werden die Schadstoffemmisionen des Verbrennungsmotors gesenkt. Der vorgeschlagene Antrieb des Rezirkulationsgasverdichters über eine Dampfturbine eignet sich hierbei in besonderem Maße, insbesondere mittels des durch einen in der Rezirkulationsleitung angeordneten Dampferzeuger und damit mitttels des rückgeführten Abgases selbst erzeugten Dampfs. Denn durch den Gaswäscher sinkt der Gasdruck im rückgeführten Abgas weiter, so dass der Rezirkulationsgasverdichter entsprechend leistungsfähiger, aber auch -hungriger ausgeführt sein muss und das Einsparungpotential damit entsprechend hoch ist.
-
Dadurch, dass sich der Gaswäscher stromab des Dampferzeugers befindet, kann der Gaswäscher gegenüber einem Gaswäscher ohne vorab erfolgende Kühlung im Dampferzeuger deutlich kleiner und damit kostengünstiger dimensioniert werden, und zwar bei gleichem Druckabfall im rückgeführten Abgasteilstrom. Hierbei gilt das schon zuvor zu der Dampfturbine, dem Dampferzeuger und der Steuerung der Dampfturbinendrehzahl Gesagte: Der Gaswäscherapparat kann relativ klein und einfach aufgebaut sein, da die zu erwartenden Druckverluste aufgrund der reichlich vorhandenen, mittels des Dampferzeugers in der Rezirkulationsleitung zum Antrieb des Rezirkulationsgasverdichters nutzbaren Energie leicht kompensiert werden können.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Da im rückgeführten Abgasteilstrom für den Antrieb der Dampfturbine des Rezirkulationsgasverdichters genügend entnehmbare Wärmeenergie vorhanden ist, kann sowohl der Dampferzeuger, als auch die den Rezirkulationsgasverdichter antreibende Dampfturbine relativ primitiv ausgebildet sein, ebenso die Drehzahlsteuerung für die Dampfturbine. Vorzugsweise ist der Rezirkulationsgasverdichter getrieblos mit der Dampfturbine gekoppelt und zu einem Dampfturbosatz zusammengefasst. Die Dampfturbine muss dann so ausgelegt werden, dass der Drehzahlbereich des Rezirkulationsgasverdichters, bei großen Zweitakt-Großdieselmotoren beispielsweise ca. 7000 - 15000 U/min, dem Drehzahlbereich der Dampfturbine entspricht. Der Dampfturbosatz kann dabei auch deshalb getriebelos bleiben, weil eine 1-zu-1-Beziehung zwischen der am Rezirkulationsgasverdichter bzw. der damit verbundenen Dampfturbine benötigten Kraft und der am in der Rezirkulationsleitung vorgeschaltenen Dampferzeuger erzeugten und an der Dampfturbine angreifenden Dampfkraft besteht.
-
Vorteilhaft ist dabei zur Steuerung der Dampfturbinendrehzahl ausschließlich ein in dem vom Dampferzeuger zur Dampfturbine führenden Druckrohr angeordnetes Dampfdrosselventil vorgesehen. Dieses Dampfventil bzw. Drossel- oder Dampfdrosselventil reicht als Drehzahlsteuerung für die Dampfturbine aus. Im einfachsten Fall sind dann keine weitere Steuerungselemente nötig, wenn die Durchmesserverengung des dann ungesteuerten Dampfdrosselventils geeignet gewählt ist. Das Dampfdrosselventil kann aber auch justierbar sein, so dass es vom Bedienpersonal per Hand oder über einen geeigneten Antrieb nachgestellt oder verstellt werden kann. Auch in diesem Fall kann die Drehzahlsteuerung der Dampfturbine aber alleine über das ungesteuerte oder vom Bediener einstellbare Dampfdrosselventil erfolgen.
-
Aufgrund des vorstehend beschriebenen 1:1-Zusammenhangs reicht in vielen Fällen ein ungesteuertes oder vom Bediener einstellbares Dampfdrosselventil aus, so dass die Steuerung der Dampfturbinendrehzahl besonders einfach gehalten werden kann.
-
Es wäre jedoch auch denkbar, ein einstellbares Dampfdrosselventil als Stellglied in einem offenen oder geschlossenen Regelkreis fungieren zu lassen, wobei dann auch noch die Ansteuerung bzw. das Messglied und das Regelglied für das Dampfdrosselventil vorhanden sein muss. Aber auch in diesem Fall kann die Steuerung der Dampfturbinendrahzahl einzig und allein über das in dem vom Dampferzeuger zur Dampfturbine führenden Druckrohr angeordnete Dampfdrosselventil erfolgen, beispielsweise im Ansprechen auf Drucksensorsignale von am Ende der Rezirkulationsleitung angeordneten Drucksensoren. Selbstverständlich wären im Falle paralleler Druckrohre zwischen Dampferzeuger und Dampfturbine auch mehrere parallel geschaltete Dampfdrosselventil an jedem oder nur an einigen der Druckrohre denkbar.
-
Vorteilhaft im Sinne eines einfachen Aufbaus und einer einfachen Steuerung ist dabei eine eigene und einzige Dampfturbine für den Antrieb des Rezirkulationsgasverdichters vorgesehen, die an keinen weiteren Abtrieb gekoppelt ist, wobei auch keine weiteren, parallelen Antriebe für den Rezirkulationsgasverdichter vorgesehen sind. Lediglich ein kleiner elektromotorischer Hilfsantrieb zum Hochfahren des Rezirkulationsgasverdichters während der Startphase des Verbrennungsmotors kann von Vorteil sein, welcher gegebenfalls an die Welle des Dampfturbosatz ankoppelbar ist.
-
Es wäre aber auch denkbar, einen zusätzlichen Abtrieb, z.B. einen Generator vorzusehen, der mit der Dampfturbine koppelbar ist, oder einen zusätzlichen Dampfverbraucher, etwa einen Generatorsatz, der mit überschüssigem Dampf beschickt werden kann, um die überschüssige Dampfenergie zur zusätzlichen Stromerzeugung nutzen zu können. Ebenso wäre es denkbar, einen Teil des erzeugten Dampfes über Rußbläser auf die einem Korrosionsangriff durch die im rückgeführten Abgas enthaltenen Schadstoffpartikel ausgesetzten, rezirkulationsleitungsseitigen Oberflächen im Dampferzeuger oder nachgeordneten Leitungsabschnitten der Rezirkulationsleitung einzudüsen.
-
Die Dampfturbine kann eine sehr einfache und damit kostengünstig zu fertigende Geometrie aufweisen, beispielsweise mit lediglich einem oder zwei Schaufel- bzw. Laufrädern, da mit dem Dampferzeuger in der Rezirkulationsleitung genügend Dampfenergie für ihren Antrieb zur Verfügung steht und daher keine großen Optimierungen nötig sind. Der Dampferzeuger kann wiederum relativ klein gehalten werden, da man nur wenig Fläche benötigt, um die zum Antrieb der Dampfturbine nötige Dampfenergie bereitzustellen.
-
Der an der Rezirkulationsgasverdichter-Dampfturbine „verbrauchte“ Dampf kann einfach in die Umgebung entlassen werden, wenn genügend Frischwasser zur Dampferzeugung bereitsteht, etwa Seewasser auf einem Schiff. Da es zur Vermeidung von Verschmutzungen der Arbeitsfluidleitung oft nötig ist, ein nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung stehendes Arbeitsfluid zu verwenden, beispielsweise Süßwasser ohne hohen Salzgehalt, ist es jedoch vorteilhaft, die Dampferzeugung und den Verbrauch der Dampfenergie im Rahmen eines thermodynamischen Kreisprozesses, also in einem geschlossenen System ohne oder mit nur geringen Verlusten an Arbeitsfluid durchzuführen. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Arbeitsfluidleitung von der Dampfturbine zu einem strömungsmäßig nachgeordneten Kondensator führt, in dem das Arbeitsfluid verflüssigt wird, und von dort zu einer Speisepumpe, mit der der über die Arbeitsfluidleitung mit der Speisepumpe verbundene Dampferzeuger gespeist wird.
-
Soll die im Abgas enthaltene Wärme effektiver für andere Zwecke, z.B. zur zusätzlichen Stromerzeugung oder zur verbesserten Aufladung der Motorbrennkammern über einen zusätzlichen, dampfgetriebenen Ladeluftverdichter ausgenutzt werden, können natürlich auch aufwendigere, aber effektivere Bauelemente verwendet werden. Der Dampferzeuger kann dann beispielsweise ein durch die Rezirkulationsleitung geführtes Rohrbündel aufweisen, welches einen Abschnitt der Arbeitsfluidleitung bildet und von dem rückgeführten Abgas umströmt wird. Die Rohre des Rohrbündels können dabei sprialförmig im Abgasweg hängen. Auch ein mehrstufiger Dampferzeuger mit Verdampfer und nachgeordneter Überhitzerstufe wäre denkbar, aber allein zum Betrieb der mit dem Rezirkulationsgasverdichter gekoppelten Dampfturbine nicht unbedingt erforderlich.
-
Ist zusätzlich noch eine Kühleinrichtung bzw. ein Kühler, beispielsweise ein mit flüssigem Wasser als Kühlmedium arbeitender Rekuparations-Wärmeübertrager in der Rezirkulationsleitung vorgesehen, kann die Temperatur des rückgeführten Abgases noch weiter gesenkt werden, so dass sich aufgrund der bei niedrigen Temperaturen höheren Dichte und damit kleineren Volumenstroms des Abgases noch vorteilhaftere Füllungsgrade ergeben. Ist der Kühler dem Dampferzeuger und dem Abgaswäscherapparat strömungsmäßig zwischengeordnet, so kann das Abgas soweit abgekühlt werden, dass die Verwendung von Plastikbauteilen bzw. Kunststoffkomponenten im Gaswäscher ermöglicht wird, wodurch Fertigungskosten und Gewicht erheblich sinken und nicht- oder nur schwach korrodierende Oberflächen im Gaswäscher geschaffen werden können.
-
Der Kühler kann dabei gleichzeitig als Vorwärmer für das dem Dampferzeuger flüssig zugeführte Arbeitsfluid, also im Regelfall flüssiges Wasser genutzt werden. Mit anderen Worten, das Arbeitsfluid kann durch das im Kühler aufgeheizte Kühlmedium vorgewärmt werden oder selbst als das Kühlmedium dienen.
-
Vorteilhaft ist dem Rezirkulationsgasverdichter, sofern ein Gaswäscherapparat in der Rezirkulationsleitung vorhanden ist, ein Tropfenabscheider vorgeordnet, um im Abgas aufgrund der Gaswäsche vorhandenen Wasserteilchen vor Erreichen des Verdichters abzuscheiden. Diese Wassertröpfchen werden dann an dem ausgangsseitigen Tropfenabscheider aus dem die Rezirkulationsleitung durchströmenden Volumenstrom ausgeschieden und können durch einen geeigneten Kondensatauslass abgeführt werden. Es ergibt sich dadurch eine weitere Verkleinerung des an der Einmündung in den Ansaugtrakt auf das im Ansaugtrakt herrschende Druckniveau zu hebenden Volumenstroms. Als Tropfenabscheider haben sich Umlenkbleche, Füllkörper, Siebe, Lochböden, bewährt, die aufgrund der Abgaskühlung auch aus Kunststoff sein können.
-
Nachfolgend wird anhand der beiliegenden Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Hauptanwendungsgebiet der Erfindung sind Großmotoren, insbesondere Zweitakt-Großdieselmotoren, wie sie als Schiffsantriebe oder für Kraftwerke Verwendung finden können. Der Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Motoren sind an sich bekannt.
-
In der 1 ist ein Zweitakt-Großdieselmotor schematisch dargestellt, der eine Reihe von Zylindern Z aufweisen kann. Jeder Zylinder Z begrenzt mit einem zusammenwirkenden Kolben K eine Brennkammer B. Am oberen Ende der Brennkammer B ist jeweils ein Auslassventil A vorgesehen, durch welches das bei der Verbrennung entstehende Abgas in einen Abgassammelbehälter 15 abgeführt wird. Von dort gelangt das Abgas durch eine (oder mehrere) Auslassleitungen 23 zu einer Turbine 18 eines Turboladers 1.
-
Ein Teil des Abgases wird jedoch aus einer im dargestellten Beispiel am Abgassammelbehälter 12, möglicherweise aber auch von der Auslassleitung 12 abzweigenden Rezirkulationsleitung 3 auf die Einlassseite bzw. in den Ansaugtrakt 11, 13, 14 des Verbrennungsmotors zurückgeführt. Die Rezirkulationsleitung kann 3 auch schon stromauf des Abgassammelbehälters 15 aus dem Auslasstrakt 12, 15 abzweigen, oder durch einen eigenen Auslass schon an der Brennkammer B.
-
Der Ansaugtrakt 11, 13, 14 weist eingangsseitig einen Verdichter 19 des Ladeluft-Turboladers 1 auf, welcher über das durch die Turbine 18 geleitete Abgas angetrieben wird, um die zugeführte Ladeluft auf ein erhöhtes Druckniveau zu heben. Von dem Verdichter 19 führt eine Ladeluftleitung 11 über einen optionalen Ladeluftkühler 13 in einen Ladeluftsammelbehälter 14 bzw. eine Ladeluftsammelleitung 14, aus der die einzelne(n) Brennkammer(n) B mit Frischluft beschickt werden. Vor dem Ladeluftspeicher 14 mündet die Abgasrezirkulationsleitung 3 in die Ladeluftleitung 11, und zwar entweder stromauf oder aufgrund der ausreichenden Kühlung in der Rezirkulationsleitung 3 bevorzugt stromab des Ladeluftkühlers 13.
-
Die Rezirkulationsleitung 3 ist dabei eingangsseitig durch einen als Wärmeübertrager ausgebildeten Dampferzeuger 5 geführt, durch den auf der Gegenseite in einem geschlossenen Kreislaufsystem eine Arbeitsfluidleitung 4 geführt ist, durch die das in dem Dampferzeuger 5 zu verdampfende, flüssige Arbeitsfluid dem Dampferzeuger 5 zugeführt wird. Stromab des Dampferzeugers 5 ist eine Dampfturbine 8 über einen Druckleitungsabschnitt der Arbeitsfluidleitung 4 mit dem Dampferzeuger 5 verbunden, welche mit dem im Dampferzeuger 5 gewonnenen Dampfdruck angetrieben und ihrerseits einen Rezirkulationsgasverdichter 10 antreibt, der sich am ausgangsseitigen Ende der Rezirkulationsleitung 3 stromab des Dampferzeugers 5 befindet und das rückgeführte Abgas auf das in der Ladeluftleitung 11 herrschende Druckniveau hebt.
-
Der durch die Arbeitsfluidleitung 4 gebildete Wasser-Dampf-Kreislauf weist stromab der Dampfturbine 8 einen Kondensator 9 auf, in dem das an der Dampfturbine 8 entspannte, dampfförmige Arbeitsfluid auskondensiert und dann mittels einer Speisepumpe 16 wieder dem Dampferzeuger 5 zugeführt wird. Dem Kondensator 9 und der Speisepumpe 16 kann dabei ein Speisebehälter zwischengeordnet sein, in dem das auskondensierte Arbeitsfluid gesammelt wird.
-
Die Dampfturbine 8 und der Rezirkulationsgasverdichter 10 sind dabei getriebelos über eine gemeinsame Welle drehmomentübertragend miteinander verbunden und bilden einen Dampfturbosatz 8, 10. Die Drehzahl der Dampfturbine 8 wird dabei über eine Drossel 17 bzw. ein Dampfdrosselventil 17 im Druckleitungsabschnitt der Arbeitsfluidleitung 4 zwischen dem Dampferzeuger 5 und der Turbine 8 eingestellt.
-
Die Rezirkulationsleitung ist im Bereich zwischen dem eingangseitigen Dampferzeuger 5 und dem ausgangsseitigen Verdichter bzw. Gebläse 10 zunächst durch eine Gasbehandlungsapparatur geführt, welche einen Rekuperations-Wärmetauscher 6 und stromab davon einen Gaswäscherapparat 7 aufweist. Die Gasbehandlungsapparatur kann ferner eine eingangsseitige Voreinspritzeinrichtung aufweisen, also etwa eine oder mehrere in der Rezirkulationsleitung 3 vorgesehene Düsen, die mit aus einem Wasserzulauf kommenden Kühlwasser beschickt werden und dieses in die Rezirkulationsleitung 3 einspritzen, um dadurch in der Rezirkulationsleitung 3 eine nasse Umgebung zu schaffen, insbesondere in einem der Voreinspritzeinrichtung nachgeordneten Bereich der Rezirkulationsleitung 3, welcher durch den Rekuperations-Wärmetauscher 6 geführt und dadurch gekühlt ist. Auf der Abgasseite des Rekuperations-Wärmeübertragers 6 herrscht dann eine nasse Umgebung, welche an den Wänden des Wärmetauschers 6 eine flüssige Antikorrosionsschutzschicht gegen das Anhaften von Ruß oder den chemischen Angriff von im Abgas enthaltenen Schwefelteilchen bildet. Der Gaswäscherapparat 7 befindet sich dabei vorteilhaft unterhalb des Rekuperations-Wärmeübertragers 6, so dass die in der Voreinspritzeinrichtung in die Rezirkulationsleitung 3 eingespritzte und den Wärmeübertrager 6 durchströmende Kühlflüssigkeit und die durch die Kühlung im Wärmeübertrager 6 aus dem Abgasstrom auskondensierende Flüssigkeit in den Gaswäscher 7 läuft. Durch die Kühlung im Wärmeübertrager 6 und die damit verbundene Kondensation von im Abgas immer enthaltenen Wasserdampf (das Abgas bei einem Großdieselmotor enthält bis zu 25 Masse-%Wasser) erfolgt dabei eine erste Vorwäsche des Abgases.
-
Auf der Kühlmittelseite wird der Rekuperations-Wärmetauscher 6 von kaltem, flüssigem Wasser durchströmt, welches in den meisten Fällen günstig bereitgestellt werden kann und eine hohe Wärmeübertragungskapazität aufweist. Beim Einsatz des Verbrennungsmotors auf Schiffen wäre es ebenfalls denkbar, den Wärmetauscher 6 mit Seewasser zu beschicken. Ferner wäre es denkbar, wie in der Figur mit gestrichelter Linie eingezeichnet ist, den Rekuperations-Wärmetauscher 6 mit dem Arbeitsfluid des Wasser-Dampf-Kreislaufs als Kühlmedium zu betreiben und dieses dadurch vorzuwärmen, bevor es dem Dampferzeuger 5 zugeführt wird.
-
Stromab des Gaswäscherapparats in der Rezirkulationsleitung 3 kann optional noch eine Tropfenabscheideranordnung, also beispielsweise verschiedene Umlenkplatten im Weg des Abgasstroms oder entsprechende Füllkörper, vorgesehen sein, um die im kalten Abgasstrom noch enthaltenden Wassertröpfchen abzuscheiden und den Abgasstrom somit noch weiter zu trocknen und einer Endwäsche zu unterziehen. Dort kann auch ein Flüssigkeitsauslass vorgesehen sein.
-
Der kalte, trockene und gereinigte Abgasstrom wird nun dem Verdichter 10 zugeführt, welcher sich am Ende der Rezirkulationsleitung 3 befindet und seinerseits über den im Dampferzeuger 5 erzeugten Dampf bzw. die damit betriebene Dampfturbine 8 angetrieben wird.
-
Der Dampferzeuger 5 ist kann dabei als Leitungsabschnitt der Rezirkulationsleitung 3 ausgebildet sein, der durch einen als Dampfkessel ausgebildeten Leitungsabschnitt der Arbeitsfluidleitung geführt ist. Aufgrund der hohen Temperaturdifferenz des dem Dampferzeuger 5 flüssig zugeführten Arbeitsfluids und des rückgeführten Abgases kann dabei die für den konvektiven Wärmeübergang zur Verfügung stehende Fläche relativ klein sein, so dass der Dampferzeuger 5 einfach in Form eines doppelwandigen Rohres ausgebildet sein kann, in dem entweder das Abgas das zu verdampfende Arbeitsfluid umströmt oder umgekehrt.
-
Abwandlungen und Modifikationen der dargestellten Ausführungsformen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
So wäre es denkbar, den Dampferzeuger zwei- oder mehrstufig mit einem als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildeten Verdampfer und einer oder mehreren als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildeten Überhitzerstufen auszulegen und zur Nutzung der nicht am Rezirkulationsgasverdichter-Turbosatz benötigten Dampfkraft eine weitere Druckleitung zu einem anderen, optional zuschaltbaren Dampfverbraucher vorzusehen.
-
Alternativ oder ergänzend zu dem in der Rezirkulationsleitung angeordneten Dampferzeuger 5 kann auch ein anderer Dampferzeuger 5a stromab der Turbine 18 des Ladeluft-Turboladers 1 im Auslasstrakt vorgesehen sein, wie mit gestrichelter Linie in der Figur angedeutet, um den zum Betrieb der Rezirkulationsgasverdichter-Dampfturbine 8 nötigen Dampfdruck vollständig oder zum Teil zu liefern.
