DE102015001663A1

DE102015001663A1 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102015001663A1
Application number: DE102015001663.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Holand; Barbara Scherer; Maxim Epp; Julia Maier
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2015-02-10
Publication date: 2016-08-11
Also published as: KR20160098048A; JP6636352B2; FI129817B; CN105863819A; KR102328548B1; FI20165091A; JP2016148332A

Abstract

Brennkraftmaschine (10), mit mehreren Zylindern (11), und mit mindestens einem Abgasturbolader (14), wobei in einer Turbine (13) des oder jedes Abgasturboladers (14) die Zylinder (11) verlassendes Abgas entspannbar ist, und wobei hierbei gewonnene Energie nutzbar ist, um in einem Verdichter (16) des jeweiligen Abgasturboladers (14) den Zylinder (11) zuzuführende Ladeluft zu verdichten, und wobei stromabwärts des Verdichters (16) des jeweiligen Abgasturboladers (14) ein Ladeluftkühler (19) positioniert ist, um die Ladeluft nach der Verdichtung derselben im Verdichter (16) des jeweiligen Abgasturboladers (14) abzukühlen, und wobei Kondensat (21), welches bei der Abkühlung der Ladeluft im jeweiligen Ladeluftkühler (19) anfällt, in das Abgas einleitbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbergriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbergriff des Anspruchs 7.
Abgasaufgeladene Brennkraftmaschinen sind aus der Praxis hinlänglich bekannt. So verfügen abgasaufgeladene Brennkraftmaschinen über mindestens einen Abgasturbolader, wobei Abgas, welches Zylinder der Brennkraftmaschine verlässt, in einer Turbine des oder jedes Abgasturboladers entspannt werden kann. Bei der Entspannung des Abgases gewonnene Energie wird in dem Verdichter des jeweiligen Abgasturboladers genutzt, um den Zylindern der Brennkraftmaschine zuzuführende Verbrennungsluft zu verdichten. Typischerweise ist dabei dem jeweiligen Verdichter des jeweiligen Abgasturboladers ein Ladeluftkühler nachgeordnet, um die in dem jeweiligen Verdichter verdichtete Ladeluft im Bereich des jeweiligen Luftkühlers zu kühlen.
Bei der Abkühlung verdichteter Ladeluft im Bereich des jeweiligen Ladeluftkühlers kann Kondensat anfallen, da bei der Abkühlung der Ladeluft die Aufnahmefähigkeit der Ladeluft hinsichtlich Wasser abnimmt. Bei aus der Praxis bekannten Brennkraftmaschinen bei wird dieses Kondensat von der Brennkraftmaschine abgeführt und entsorgt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben derselben zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist Kondensat, welches bei der Abkühlung der Ladeluft im jeweiligen Ladeluftkühler anfällt, in das Abgas einleitbar.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird das Kondensat, welches bei der Ladeluftabkühlung im Bereich des jeweiligen Ladeluftkühlers anfällt, nicht von der Brennkraftmaschine abgeführt, sondern vielmehr in das Abgas eingeleitet. Hierdurch kann das Abgas stromaufwärts der jeweiligen Turbine des jeweiligen Abgasturboladers abgekühlt werden. Dies ist im sogenannten Tropenbetrieb der Brennkraftmaschine nahe am Temperaturgrenzwert derselben von Vorteil. Weiterhin muss kein Kondensat mehr entsorgt werden.
Nach einer ersten vorteilhaften Weiterbildung weist die Brennkraftmaschine einen einzigen Abgasturbolader auf, wobei Kondensat, welches bei der Abkühlung der Ladeluft in dem Ladeluftkühler des Verdichters des Abgasturboladers anfällt, in das Abgas stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers einleitbar ist. Nach einer zweiten, alternativen vorteilhaften Weiterbildung weist die Brennkraftmaschine einen ersten Abgasturbolader mit einer Hochdruckturbine und einem Hochdruckverdichter und eine zweiten Abgasturbolader mit einer Niederdruckturbine und einem Niederdruckverdichter auf, wobei Kondensat, welches bei der Abkühlung der Ladeluft in dem Ladeluftkühler des Hochdruckverdichters des ersten Abgasturboladers anfällt, in das Abgas stromaufwärts der Hochdruckturbine des ersten Abgasturboladers einleitbar ist. Kondensat, welches bei der Abkühlung der Ladeluft in dem Ladeluftkühler des Niederdruckverdichters des zweiten Abgasturboladers anfällt, ist in das Abgas stromaufwärts der Hochdruckturbine des ersten Abgasturboladers und/oder in das Abgas stromaufwärts der Niederdruckturbine des zweiten Abgasturboladers einleitbar. Sowohl mit der ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als auch mit der zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann im Bereich von Ladeluftkühlern anfallendes Kondensat definiert in das Abgas eingeleitet werden.
Vorzugsweise ist das Kondensat über Rohleitungen, die ausgehend von einer Ladeluftleitung oder ausgehend vom jeweiligen Ladeluftkühler in Richtung auf eine Abgasleitung verlaufen, in das Abgas einleitbar. Diese Ausgestaltung ist konstruktiv einfach.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ist in Patentanspruch 7 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 ersten erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
2: ein Schema einer zweiten erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
3: ein Schema einer dritten erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; und
4 ein Schema einer weiteren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10 mit mehreren Zylindern 11, wobei in den Zylindern 11 der Brennkraftmaschine 10 Kraftstoff verbrannt wird. Abgas 12, welches die Zylinder 11 der Brennkraftmaschine verlässt, ist in 1 über eine Abgasleitung einer Turbine 13 eines Abgasturboladers 14 zuleitbar, wobei das Abgas 12 in der Turbine 13 entspannt wird und die Turbine 13 als entspanntes Abgas 15 verlässt.
Bei der Entspannung des Abgases 12 in der Turbine 13 des Abgasturboladers 14 gewonnene Energie wird in einem Verdichter 16 des Abgasturboladers genutzt, um Verbrennungsluft 17, zu verdichten und als verdichtete Ladeluft 18 der Brennkraftmaschine 10, nämlich den Zylindern 11 derselben, über eine Ladeluftleitung 24 bereitzustellen. Dabei ist dem Verdichter 16 des Abgasturboladers 14 ein Ladeluftkühler 19 zugeordnet, im Bereich dessen Ladeluft 18, die im Verdichter 16 verdichtet wurde, gekühlt werden kann, um so den Zylindern 11 der Brennkraftmaschine 10 gekühlte Ladeluft 20 zuzuführen.
Bei der Abkühlung der Ladeluft 18 im Ladeluftkühler 19 entstehendes Kondensat 21 ist bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10 in das Abgas einleitbar, nämlich in das die Zylinder 11 der Brennkraftmaschine 10 verlassende Abgas 12.
Hierbei wird das Kondensat 21 mit einem solchen Abstand stromaufwärts der Turbine 13 des Abgasturboladers 14 in das Abgas 12 eingebracht, das eine ausreichende Verdampfungsstrecke für das Kondensat 21 zur Verfügung steht, sodass im Bereich der Turbine 13 des Abgasturboladers 14 sämtliches Kondensat 21 verdampft ist. Auf eine aufwendige Kondensatentsorgung kann mit der Erfindung verzichtet werden. Über die Verdampfung des Kondensats 21 im Abgas 12 kann die Temperatur des Abgases 12 abgesenkt werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn im sogenannten Tropenbetrieb die Turbine 13 nahe an ihrer Temperaturgrenze betrieben wird.
2 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 mit einer zweistufigen Abgasaufladung, wobei Abgas 12, welches Zylinder 11 der Brennkraftmaschine 10 verlässt, über die Abgasleitung 23 zunächst über eine Hochdruckturbine 13a eines ersten Abgasturboladers 14a und anschließend über eine Niederdruckturbine 13b eines zweiten Abgasturboladers 14b geführt wird. Abgas 12, welches in den beiden Turbinen 13a, 13b entspannt wurde, verlässt die Brennkraftmaschine als entspanntes Abgas 15.
In den Turbinen 13a, 13b gewonnene Energie wird in Verdichtern 16a, 16b der Abgasturbolader 14a, 14b genutzt, um in denselben Verbrennungsluft 17 schrittweise zu verdichten. Dabei ist jedem Verdichter 16a, 16b jeweils ein Ladeluftkühler 19a, 19b zugeordnet, um die den jeweiligen Verdichter 14a, 14b verlassende verdichtete Ladeluft 18a, 18b abzukühlen. So wird Ladeluft 18b, die den Niederdruckverdichter 16b des zweiten Abgasturboladers 14b verlässt, im Bereich des Ladeluftkühlers 16b abgekühlt. Ladeluft 18a, die den Hochdruckverdichter 16a des ersten Abgasturboladers 14a verlässt, wird im Bereich des Ladeluftkühlers 19a abgekühlt. Im Bereich des Ladeluftkühlers 19a abgekühlte Ladeluft 20 wird den Zylindern 11 der Brennkraftmaschine 10 über die Ladeluftleitung 24 zugeführt.
Im Ausführungsbeispiel der 2 wird Kondensat 21a, welches bei der Abkühlung der Ladeluft 18a im Ladeluftkühler 19a des Hochdruckverdichters 16a anfällt, dem Abgas 12 zugeführt, also stromaufwärts der Hochdruckturbine 13a, wobei Kondensat 21b, welches im Bereich des Ladeluftkühlers 19b des Niederdruckverdichters 16b anfällt, dem Abgas stromaufwärts der Niederdruckturbine 13b zugeführt wird. Dabei wird das jeweilige Kondensat 21a bzw. 21b jeweils derart stromaufwärts der jeweiligen Turbine 13a bzw. 13b dem Abgas zugeführt, dass eine ausreichende Verdampfungsstrecke zur Verdampfung des Kondensats 21a bzw. 21b zur Verfügung steht, sodass im Bereich der jeweiligen Turbine 13a bzw. 13b sämtliches Kondensat verdampft ist.
Bei einer mehrstufigen Abgasaufladung ist die Variante der 3 bevorzugt. Bei der Variante der 3 wird das Kondensat 21b, welches im Bereich des Ladeluftkühlers 19b des Niederdruckverdichters 16b anfällt, ebenso wie das Kondensat 21a, welches im Bereich des Ladeluftkühlers 19a des Hochdruckverdichters 16a anfällt, stromaufwärts der Hochdruckturbine 13a des ersten Abgasturboladers 14a dem die Zylinder 11 verlassenden Abgas 12 zugeführt, und zwar wiederum derart, dass für die Verdampfung des Kondensats 21a, 21b im Abgas 12 stromaufwärts der Hochdruckturbine 13a eine ausreichende Verdampfungsstrecke zur Verfügung steht.
Um das Kondensat 21b, welches im Bereich des Ladeluftkühlers 19b des Niederdruckverdichters 16b anfällt, dem Abgas 12 stromaufwärts der Hochdruckturbine 13a zuzuführen, ist in 3 eine Pumpe 22 vorgesehen, mit Hilfe derer das Druckgefälle zwischen dem Niederdruckbereich und dem Hochdruckbereich der Abgasaufladung überwunden werden kann.
4 zeigt eine Variante der Erfindung, in welcher das Kondensat 21b, welches im Bereich des Ladeluftkühlers 19b des Niederdruckverdichters 16b anfällt, teilweise über eine Pumpe 22 zusammen mit dem Kondensat 21a, welches im Bereich des Ladeluftkühlers 19a des Hochdruckverdichters 16a anfällt, stromaufwärts der Hochdruckturbine 13a dem Abgas 12 zugeführt wird, wohingegen ein anderer Teil des Kondensats 21b stromaufwärts der Niederdruckturbine 13b in das Abgas zurückgeführt wird.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, Kondensat, welches bei der Abkühlung von Ladeluft in Ladeluftkühlern anfällt, nicht von der Brennkraftmaschine abzuführen und zu entsorgen, sondern vielmehr dieses Kondensat dem Abgas zurückzuführen, um so die Abgastemperatur durch Verdampfung des Kondensats im Abgas zu senken.
Das Kondensat 21, 21a, 21b, welches im Bereich des jeweiligen Ladeluftkühlers 19, 19a, 19b anfällt, kann im Bereich des jeweiligen Ladeluftkühlers 19, 19a, 19b über einen sogenannten Kondensatabscheider (nicht gezeigt) von der Ladeluft getrennt werden.
Über Rohrleitungen 25 kann das Kondensat 21, 21a, 21b ausgehend vom jeweiligen Ladeluftkühler 19, 19a, 19b bzw. der Ladeluftleitung 24 in Richtung auf die Abgasleitung 23 geführt werden, um das Kondensat mit dem Abgas zu mischen.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
11: Zylinder
12: Abgas
13: Turbine
13a: Hochdruckturbine
13b: Niederdruckturbine
14: Abgasturbolader
14a: Abgasturbolader
14b: Abgasturbolader
15: Abgas
16: Verdichter
16a: Hochdruckverdichter
16b: Niederdruckverdichter
17: Verbrennungsluft
18: Ladeluft
18a: Ladeluft
18b: Ladeluft
19: Ladeluftkühler
19a: Ladeluftkühler
19b: Ladeluftkühler
20: Ladeluft
21: Kondensat
21a: Kondensat
21b: Kondensat
22: Pumpe
23: Abgasleitung
24: Ladeluftleitung
25: Rohrleitung

Claims

Brennkraftmaschine (10), mit mehreren Zylindern (11), und mit mindestens einem Abgasturbolader (14, 14a, 14b), wobei in einer Turbine (13, 13a, 13b) des oder jedes Abgasturboladers (14, 14a, 14b) die Zylinder (11) verlassendes Abgas entspannbar ist, und wobei hierbei gewonnene Energie nutzbar ist, um in einem Verdichter (16, 16a, 16b) des jeweiligen Abgasturboladers (14, 14a, 14b) den Zylinder (11) zuzuführende Ladeluft zu verdichten, und wobei stromabwärts des Verdichters (16, 16a, 16b) des jeweiligen Abgasturboladers (14, 14a, 14b) ein Ladeluftkühler (19, 19a, 19b) positioniert ist, um die Ladeluft nach der Verdichtung derselben im Verdichter (16, 16a, 16b) des jeweiligen Abgasturboladers (14, 14a, 14b) abzukühlen, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensat (21, 21a, 21b), welches bei der Abkühlung der Ladeluft im jeweiligen Ladeluftkühler (19, 19a, 19b) anfällt, in das Abgas einleitbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe einen einzigen Abgasturbolader (14) aufweist, wobei Kondensat (21), welches bei der Abkühlung der Ladeluft in dem Ladeluftkühler (19) des Verdichters (16) des Abgasturboladers (14) anfällt, in das Abgas stromaufwärts der Turbine (13) des Abgasturboladers (14) einleitbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe einen ersten Abgasturbolader (14a) mit einer Hochdruckturbine (13a) und einem Hochdruckverdichter (16a) und eine zweiten Abgasturbolader (14b) mit einer Niederdruckturbine (13b) und einem Niederdruckverdichter (16b) aufweist, wobei Kondensat (21a), welches bei der Abkühlung der Ladeluft in dem Ladeluftkühler (19a) des Hochdruckverdichters (16a) des ersten Abgasturboladers (14a) anfällt, in das Abgas stromaufwärts der Hochdruckturbine (13a) des ersten Abgasturboladers (14a) einleitbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensat (21b), welches bei der Abkühlung der Ladeluft in dem Ladeluftkühler (19b) des Niederdruckverdichters (16b) des zweiten Abgasturboladers (14b) anfällt, in das Abgas stromaufwärts der Hochdruckturbine (13a) des ersten Abgasturboladers (14a) einleitbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensat (21b), welches bei der Abkühlung der Ladeluft in dem Ladeluftkühler (19b) des Niederdruckverdichters (16b) des zweiten Abgasturboladers (14b) anfällt, in das Abgas stromaufwärts der Niederdruckturbine (13b) des zweiten Abgasturboladers (14b) einleitbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat (21, 21a, 21b) über Rohleitungen (25), die ausgehend von einer Ladeluftleitung (24) oder ausgehend vom jeweiligen Ladeluftkühler (19, 19a, 19b) in Richtung auf eine Abgasleitung (23) verlaufen, in das Abgas einleitbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und mit mindestens einem Abgasturbolader, wobei in einer Turbine des oder jedes Abgasturboladers die Zylinder verlassendes Abgas entspannt wird, und wobei hierbei gewonnene Energie genutzt wird, um in einem Verdichter des jeweiligen Abgasturboladers den Zylinder zuzuführende Ladeluft zu verdichten, und wobei stromabwärts des Verdichters des jeweiligen Abgasturboladers Ladeluft in einem Ladeluftkühler abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensat, welches bei der Abkühlung der Ladeluft im Verdichter des jeweiligen Abgasturboladers anfällt, in das Abgas eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat, welches bei der Abkühlung der Ladeluft in einem Ladeluftkühler eines Hochdruckverdichters eines ersten Abgasturboladers anfällt, in das Abgas stromaufwärts einer Hochdruckturbine des ersten Abgasturboladers eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensat, welches bei der Abkühlung der Ladeluft in dem Ladeluftkühler eines Niederdruckverdichters eines zweiten Abgasturboladers anfällt, in das Abgas stromaufwärts der Hochdruckturbine des ersten Abgasturboladers eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensat, welches bei der Abkühlung der Ladeluft in dem Ladeluftkühler eines Niederdruckverdichters eines zweiten Abgasturboladers anfällt, in das Abgas stromaufwärts einer Niederdruckturbine des zweiten Abgasturboladers eingeleitet wird.