DE102012209286A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasaufladung und Abgasrückführung - Google Patents

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Plamen Toshev
Stephan Schlüter
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Abstract

Brennkraftmaschine (10), insbesondere Großdieselmotor wie eine Schiffdieselbrennkraftmaschine, mit einer mindestens einstufigen Abgasaufladung (12), die mindestens einen Abgasturbolader (14, 15) mit jeweils einem Verdichter (16, 17) und jeweils einer Turbine (18, 19) aufweist, und mit einer Abgasrückführung (13), die Abgas vom Abgasstrom abzweigt und mit verdichteter Ladeluft mischt, wobei die Abgasrückführung (13) eine Entschwefelungseinrichtung (24) umfasst, die der Entschwefelung des über die Abgasrückführung (13) geleiteten Abgases dient, und wobei die Entschwefelungseinrichtung (24) als Festbettadsorber (27) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Großdieselmotor wie eine Schiffdieselbrennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
  • Aus der DE 10 2008 061 399 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Abgasaufladung und Abgasrückführung bekannt. So umfasst die aus diesem Stand der Technik bekannte Brennkraftmaschine eine Abgasaufladung mit zwei Abgasturboladern, wobei jeder Abgasturbolader einen Verdichter und eine Turbine umfasst. Die beiden Abgasturbolader sind dabei in Serie hintereinander geschaltet. Die Abgasrückführung der Brennkraftmaschine gemäß DE 10 2008 061 399 A1 dient der Abzweigung von Abgas vom Abgasstrom unmittelbar nach der Brennkraftmaschine und der Mischung des Abgases mit verdichteter Ladeluft zwischen den beiden Verdichtern der beiden hintereinander geschalteten Abgasturbolader, wobei nach diesem Stand der Technik der Abgasrückführung eine Entschwefelungseinrichtung zugeordnet ist, um aus dem Abgasstrom Schwefel sowie andere saure Komponenten zu entfernen. Bei der Entschwefelungseinrichtung handelt sich dabei nach diesem Stand der Technik um einen Abgaswäscher, bei welchem mit Natronlauge oder mit anderen Chemikalien versetztes Waschwasser zur Abgasentschwefelung eingesetzt wird. Solche Abgaswäscher erfordern eine aufwendige Wasseraufbereitung und einen hohen Wassereinsatz. Ferner sind solche Abgaswäscher nur bei 2-Takt-Brennkraftmaschinen einsetzbar.
  • Hievon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die Entschwefelungseinrichtung als Festbettadsorber ausgebildet.
  • Mit der Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, eine Entschwefelung des Abgases im Bereich der Abgasrückführung mit einer als Festbettadsorber ausgebildeten Entschwefelungseinrichtung durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass auf eine bei Abgaswäschern erforderliche Wasseraufbereitung verzichtet werden kann. Ferner kann der erforderliche Wasserverbrauch drastisch reduziert werden. Darüber hinaus kann die Erfindung sowohl bei 2-Takt-Brennkraftmaschinen als auch bei 4-Takt-Brennkraftmaschinen genutzt werden.
  • Vorzugsweise ist dem Festbettadsober ein Abgasrückführkühler vorgelagert, um das über den Festbettadsober zu leitende Abgas zu kühlen. Die Kühlung des Abgases im Bereich der Abgasrückführung mithilfe des Abgasrückführkühlers vor Leitung des Abgases über den Festbettadsorber erlaubt einen Betrieb des Festbettadsorbers unter optimalen Betriebsbedingungen.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung dient der Festbettadsorber in einem Betriebsmodus der Entschwefelung von Abgas und in einem Regenerationsmodus der Regeneration des Adsorbens des Festbettadsorbers. Vorzugsweise ist dem Abgasrückführkühler ein Kondenswassersammler zugeordnet, wobei im Regenerationsmodus zur Regeneration des Adsorbens im Kondenswassersammler gesammeltes Kondenswasser zum Waschen des Adsorbens nutzbar ist. Dann, wenn der Festbettadsorber sowohl in einem Betriebsmodus als auch einem Regenerationsmodus betrieben werden kann, kann durch Regeneration des Festbettadsorbers ohne die Notwendigkeit eines Austauschs des Adsorbens eine hocheffektive Entschwefelung des Abgases im Bereich der Abgasrückführung gewährleistet werden. Die Regeneration des Adsorbens des Festbettadsorbers mithilfe des Kondenswassers ist dabei prozesstechnisch einfach und kostengünstig.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ist in Anspruch 8 definiert.
  • 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: ein Schema einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Großdieselmotor wie eine Schiffsdieselbrennkraftmaschine. Eine solche Brennkraftmaschine wird mit Schweröl bzw. Schiffsdiesel beschrieben. Solche Kraftstoffe weisen in der Regel einen hohen Schwefelgehalt auf.
  • 1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Brennkraftmaschine 10, die mehrere Zylinder 11 umfasst, in welchen Kraftstoff verbrannt wird. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst weiterhin eine Abgasaufladung 12, wobei in der Abgasaufladung Abgas entspannt und hierbei gewonnene Energie zur Verdichtung von Ladeluft genutzt wird. Zusätzlich zur Abgasaufladung 12 umfasst die Brennkraftmaschine eine Abgasrückführung 13, um Abgas mit Ladeluft zu mischen.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Abgasaufladung 12 zwei Abgasturbolader 14 und 15, wobei jeder der Abgasturbolader 14 und 15 einen Verdichter 16 bzw. 17 und eine Turbine 18 bzw. 19 umfasst. Die Turbine 18 des Abgasturboladers 14 der Abgasaufladung 12 gemäß 1 wirkt dabei als Hochdruckturbine und die Turbine 19 des Abgasturboladers 15 als Niederdruckturbine. Der Verdichter 17 des Abgasturboladers 15 wirkt als Niederdruckverdichter und der Verdichter 16 des Abgasturboladers 14 wirkt als Hochdruckverdichter.
  • Abgas, welches die Zylinder 11 der Brennkraftmaschine 10 verlässt, wird im Bereich der Abgasaufladung 12 zunächst im Bereich der Hochdruckturbine 18 und anschließend im Bereich der Niederdruckturbine 19 entspannt. Hierbei gewonnene Energie wird zum Antreiben des jeweiligen Verdichters 16 bzw. 17 genutzt, wobei die Hochdruckturbine 18 den Hochdruckverdichter 16 und die Niederdruckturbine 19 den Niederdruckverdichter 17 antreibt. Die Ladeluft wird zunächst im Bereich des Niederdruckverdichters 17 und anschließend des Hochdruckverdichters 16 verdichtet. Wie 1 entnommen werden kann, ist stromabwärts des Verdichters 17 des Abgasturboladers 15 sowie stromabwärts des Verdichters 16 des Abgasturboladers 14 jeweils ein Ladeluftkühler 20 bzw. 21 positioniert, um die jeweils verdichtete Ladeluft zu kühlen.
  • Im Ausführungsbeispiel der 1 greift stromabwärts des Verdichters 16 des Turboladers 14 und stromaufwärts des Ladeluftkühlers 20 eine Bypassleitung 22 mit einem derselben zugeordneten Bypassventil 23 an, wobei über die Bypassleitung 22 bei geöffnetem Bypassventil 23 Ladeluft an der Brennkraftmaschine 10 vorbei in Richtung auf die Turbine 18 des Abgasturboladers 14 geleitet werden kann.
  • Wie bereits ausgeführt, umfasst die Abgasaufladung 12 im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Abgasturbolader 14 und 15. Anstelle einer solchen 2-stufigen Abgasaufladung kann auch eine einstufige Abgasaufladung mit lediglich einem einzigen Abgasturbolader zum Einsatz kommen.
  • Die Brennkraftmaschine 10 umfasst neben der Abgasaufladung 12 die Abgasrückführung 13, wobei gemäß 1 über die Abgasrückführung 13 unmittelbar nach der Brennkraftmaschine 10 und demnach stromaufwärts der Turbine 18 des Abgasturboladers 14 Abgas abgezweigt und über eine der Abgasrückführung 13 zugeordnete Entschwefelungseinrichtung 24 geführt wird, um das Abgas zu entschwefeln, bevor dasselbe im Ausführungsbeispiel der 1 stromabwärts des Ladeluftkühlers 20 und demnach unmittelbar vor der Brennkraftmaschine 10 mit der verdichteten Ladeluft gemischt wird.
  • Im Unterschied zum gezeigten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, das entschwefelte Abgas, welches über die Abgasrückführung 13 geführt wird, stromabwärts des Ladeluftkühlers 21 und stromaufwärts des Verdichters 16 mit der verdichteten Ladeluft zu mischen.
  • Der Transport des Abgases durch die Abgasrückführung 13 ist einerseits von der Öffnungsstellung eines Abgasrückführventils 25 und andererseits von der Drehzahl eines Abgasrückführgebläses 26 abhängig.
  • Bei der Entschwefelungseinrichtung 24, die der Entschwefelung des über die Abgasrückführung 13 geleiteten Abgases dient, handelt es sich erfindungsgemäß um einen Festbettadsorber 27, der als Adsorbens vorzugsweise Aktivkohle und/oder Zeolite aufweist. Vorzugsweise weist der Festbettadsorber 27 das Adsorbens in einer Schüttdichte zwischen 100 kg/m3 und 800 kg/m3 und/oder mit einer aktiven Oberfläche zwischen 100 m2 /g und 1200 m2 /g auf.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dem Festbettadsorber 27 ein Abgasrückführkühler 28 vorgelagert. Der Abgasrückführkühler 28 dient der Kühlung des bei geöffnetem Abgasrückführventil 25 über die Abgasrückführung 13 geleiteten Abgases, bevor dasselbe dem Festbettadsorber 27 zugeführt wird.
  • Beim Führen des zu entschwefelnden Abgases durch die als Festbettadsorber 27 ausgebildete Entschwefelungseinrichtung 24 wird Schwefel des Abgases mit hoher Effektivität im Adsorbens gebunden, wobei zur Aufrechterhaltung einer hohen Effektivität der Entschweflung nach einer definierten Prozessdauer entweder das Adsorbens des Festbettadsorbers 27 erneuert oder alternativ regeneriert werden muss.
  • Im bevorzugten Ausführungsbeispiel dient der Festbettadsorber 27 in einem Betriebsmodus der Entschwefelung des Abgases, welches über die Abgasrückführung 13 geleitet wird, und in einem Regenerationsmodus der Regeneration des Adsorbens des Festbettadsorbers 27, wobei im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Regeneration des Festbettadsorbers 27 mithilfe von Kondenswasser erfolgt.
  • So zeigt 1, dass dem Abgasrückführkühler 28 ein Kondenswassersammler 29 zugeordnet ist, in welchem sich während des Betriebsmodus bildendes Kondenswasser gesammelt werden kann. Im Regenerationsmodus kann dieses Kondenswasser aus dem Kondenswassersammler 29 mithilfe einer Förderpumpe 30 entnommen und über das Adsorbens des Festbettadsorbers 27 geführt werden, um das Adsorbens desselben zu regenerieren.
  • Im Betriebsmodus des Festbettadsorbers 27 wird, wie bereits erwähnt, das Abgas, welches über die Abgasrückführung 13 geleitet wird, mithilfe des Abgasrückführkühlers 28 gekühlt, nämlich derart, dass das Abgas mit einer Temperatur zwischen 30°C und 200°C, insbesondere mit einer Temperatur zwischen 30°C und 150°C, vorzugsweise mit einer Temperatur von in etwa 90°C, über den Festbettadsorber 27 geführt werden kann, wobei die Verweildauer des Abgases im Bereich des Festbettadsorbers 27 weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise weniger als 5 Sekunden, beträgt.
  • Der Regernationsmodus des Festbettadsorbers 17, welcher der Regeneration des Adsorbens desselben dient, wird vorzugsweise in festen Zeitintervallen ausgeführt, zum Beispiel jeden Tag einmal oder auch mehrmals am Tag, je nach der Schwefelbelastung und der Dimension des Absorbers. Der Regenerationsmodus dauert dabei zwischen 5 Minuten und 10 Minuten.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine erlaubt eine völlig neuartige Entschwefelung de Abgases, welches über die Abgasrückführung 13 geführt wird. Die Entschwefelung erfolgt mithilfe eines Festbettadsorbers 27, wobei es sich beim Adsorbens vorzugsweise um Aktivkohle und/oder Zeolite handelt.
  • Bei der Entschwefelung wird nur wenig Wasser benötigt. Auf eine aufwendige Wasseraufbereitung, die nach dem Stand der Technik erforderlich ist, kann verzichtet werden. Kondenswasser und/oder Abwasser kann gemäß 1 stromabwärts der letzten Turbine 19 ins Abgas eingestäubt bzw. in der entsprechenden Abgasleitung zerstäubt und so entsorgt werden.
  • Die Erfindung kann sowohl bei 2-Takt-Brennkraftmaschinen als auch bei 4-Takt-Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen.
  • Die Erfindung kann sowohl bei Brennkraftmaschinen mit einer einstufigen Abgasaufladung als auch bei Brennkraftmaschinen mit einer mehrstufigen Abgasaufladung Verwendung finden.
  • Vorzugsweise findet die Erfindung bei Großdieselmotoren wie Schiffdieselbrennkraftmaschinen Verwendung.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennkraftmaschine
    11
    Zylinder
    12
    Abgasaufladung
    13
    Abgasrückführung
    14
    Abgasturbolader
    15
    Abgasturbolader
    16
    Verdichter
    17
    Verdichter
    18
    Turbine
    19
    Turbine
    20
    Ladeluftkühler
    21
    Ladeluftkühler
    22
    Bypassleitung
    23
    Bypassventil
    24
    Entschwefelungseinrichtung
    25
    Abgasrückführventil
    26
    Abgasrückführgebläse
    27
    Festbettadsorber
    28
    Abgasrückführkühler
    29
    Kondenswassersammler
    30
    Förderpumpe
  • 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 102008061399 A1 [0002, 0002]

Claims (10)

  1. Brennkraftmaschine, insbesondere Großdieselmotor wie eine Schiffdieselbrennkraftmaschine, mit einer mindestens einstufigen Abgasaufladung (12), die mindestens einen Abgasturbolader (14, 15) mit jeweils einem Verdichter (16, 17) und jeweils einer Turbine (18, 19) aufweist, und mit einer Abgasrückführung (13), die Abgas vom Abgasstrom abzweigt und mit verdichteter Ladeluft mischt, wobei die Abgasrückführung (13) eine Entschwefelungseinrichtung (24) umfasst, die der Entschwefelung des über die Abgasrückführung (13) geleiteten Abgases dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Entschwefelungseinrichtung (24) als Festbettadsorber (27) ausgebildet ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festbettadsorber (27) als Adsorbens Aktivkohle und/oder Zeolite aufweist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Festbettadsorber (27) das Adsorbens mit einer Schüttdichte zwischen 100 kg/m3 und 800 kg/m3 und/oder mit einer aktiven Oberfläche zwischen 100 m2 /g und 1200 m2 /g aufweist.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Festbettadsober (27) ein Abgasrückführkühler (28) vorgelagert ist, um das über den Festbettadsober zu leitende Abgas zu kühlen.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Festbettadsorber (27) in einem Betriebsmodus der Entschwefelung von Abgas und in einem Regenerationsmodus der Regeneration des Adsorbens des Festbettadsorbers (27) dient.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abgasrückführkühler (28) ein Kondenswassersammler (29) zugeordnet ist, wobei im Regenerationsmodus zur Regeneration des Adsorbens des Festbettadsobers (27) im Kondenswassersammler (29) gesammeltes Kondenswasser zum Waschen des Adsorbens nutzbar ist.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Förderpumpe (30), über die im Regenerationsmodus Kondenswasser aus dem Kondenswassersammler (29) entnehmbar und dem Festbettadsobers (27) zur Regeneration des Adsorbens zuführbar ist.
  8. Verfahren zum Betrieben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Betriebsmodus des Festbettadsorbers das Abgas stromaufwärts des Festbettadsorbers auf eine Temperatur zwischen 30°C und 200°C gekühlt wird, wobei die Verweildauer des Abgases im Festbettadsorber weniger als 10 Sekunden beträgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Regenerationsmodus des Festbettadsorbers ein Adsorbens desselben mit Kondenswasser gespült wird, wobei eine Dauer des Regenerationsmodus zwischen 5 Minuten und 10 Minuten beträgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerationsmodus des Festbettadsorbers in festen Zeitintervallen durchgeführt wird.
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