DE10330352B4

DE10330352B4 - Verfahren und Vorrichtungen zum Betrieb von Hubkolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE10330352B4
Application number: DE10330352A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Eilts
Original assignee: MAN Diesel SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2003-07-05
Filing date: 2003-07-05
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2023-07-06
Also published as: FI20040918A; FI122374B; KR20050005753A; FI20040918A0; DE10330352A1; CH698110B1

Abstract

Verfahren zum Betrieb von Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern (1) mit Abgasturboaufladung (4, 5) und Einspritzung von Wasser (9, 10, 11) zur NOx-Reduzierung, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Lastenbereich zur Reduzierung des Spitzendrucks in den Zylinder (1) der Ladedruck abgesenkt wird, in dem die Wasserzufuhr reduziert wird und zudem ein Teil der Ladeluft zwischen dem Verdichter (5) und den Zylindern (1) abgeblasen wir und/oder ein Teil des Abgases vor der Turbine (4) des Turboladers (4, 5) abgeblasen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Betrieb von Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern mit Abgasturboaufladung und Einspritzung von Wasser zur NOx-Reduktion.
Durch das Einspritzen von Wasser nach dem Verdichter steigt der Ladedruck und damit auch der im Zylinder bei Verbrennung des Kraftstoffs entstehende Spitzendruck an. Steigert man die Wassermenge soweit, bis die Luft gesättigt ist, beträgt der Ladedruckanstieg mehrere 100 mbar. Dies ist in der Teillast kein Problem, bei Volllast kann das jedoch in der Regel nicht hingenommen werden, da je nach den Reserven der betreffenden Hubkolbenbrennmaschine zum einen diese Maschine und zum anderen der Tubolader die resultierenden hohen Drücke nicht verkraften.
Aus der US 4,960,080 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem durch die Einspritzung von Wasser eine NOx-Reduktion erreicht wird.
Weiterhin ist aus der DE 690 03 686 T2 ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei dem im oberen Lastbereich zur Reduzierung des Spitzendrucks der Ladedruck abgesenkt wird. Diese Reduzierung des Abgasstromes dient jedoch dazu, dass das Ansprechen des Motors hinsichtlich Beschleunigung zu regeln und nicht der NOx-Reduzierung.
Der Ladedruck kann generell durch andere Auslegung des Turboladers abgesenkt werden, so dass auf diese Weise bei Volllast keine zu hohen Drücke auftreten. Dies ist speziell bei Schiffsmotoren kein gangbarer Weg, da dadurch auch bei Teillast der Ladedruck zu niedrig ist, was zu einer erhöhten Rußemission führt. Außerdem besteht die Gefahr zu hoher thermischer Belastung der Hubkolbenbrennkraftmaschine.
Der Erfindung liegt primär die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das eine zu hohe Belastung der Hubkolbenbrennkraftmaschine und des Abgasturboladers im oberen Lastbereich vermeidet. Weiterhin werden zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen geschaffen.
Die übergeordnete Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im oberen Lastbereich zur Reduzierung des Spitzendrucks der Ladedruck abgesenkt wird, in dem im oberen Lastbereich die Wasserzufuhr verringert wird, wodurch ein verminderter Ladedruck erreicht wird.
Desweiteren wird im oberen Lastbereich ein Teil der Ladeluft abgeblasen. Auch hierdurch wird eine Verminderung des Ladedrucks erreicht.
Es wird im oberen Lastbereich ein Teil des Abgases vor dem Abgasturbolader abgeblasen. Hierdurch wird die Leistung der Turbine des Abgasturboladers und damit auch die Leistung des Verdichters vermindert, so dass auch hierdurch der Ladedruck abgesenkt wird.
Gemäß einer Variante der Erfindung wird bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der einen einstellbaren Einlassdüsenring aufweist, im oberen Lastbereich der Einlassdüsenring geöffnet. Auch hierdurch wird die Leistung der Turbine des Abgasladers und damit auch die Leistung des Verdichters vermindert.
Eine zweite erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass der Beginn der Kraftstoffeinspritzung bzw. der Zündung des Kraftstoffluftgemisches später gelegt wird. Auch hierdurch lässt sich der Spitzendruck absenken.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den zusätzlichen Unteransprüchen und einer Beschreibung verschiedener Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Diese zeigt schematisch eine Mehrzylinder-Hubkolbenbrennkraftmaschine mit verschiedenen Eingriffsmöglichkeiten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die dargestellte Hubkolbenbrennkraftmaschine weist mehrere Zylinder 1 auf, die ihr Abgas in die Abgasleitung 2 ausstoßen. Diese führt das Abgas zur Turbine 3 des Turboladers. Die Turbine 3 weist einen durch den Pfeil 4 schematisch angedeuteten einstellbaren Einlassdüsenring auf. Der mit der Turbine 3 gekuppelte Verdichter 5 saugt Luft an und drückt sie über eine Verbindungsleitung 6 in den Ladeluftkühler 7. Von dort gelangt sie über die Ladeluftleitung 8 zu den Zylindern 1.
Durch Öffnen des Einlassdüsenringes gibt das Abgas weniger Leistung an die Turbine 3 ab, so dass auch der Verdichter 5 weniger Luft fördert. Dadurch sinkt der Ladeluftdruck und damit auch der Spitzendruck in den Zylindern 1.
Das Wasser wird der vom Verdichter 5 kommenden Luft mittels einer Pumpe 9 und einer Düse 10 oder mehreren Düsen der Verbindungsleitung 6 zugeführt. Alternativ kann das Wasser auch in den Ladeluftkühler 7 eingesprüht werden. Wie durch den Pfeil 11 angedeutet ist, kann die Förderpumpe 9 derart regelbar sein, dass sie variable Fördermengen liefert. Durch Zurücknahme der geförderten Wassermenge steigt der Ladedruck und damit auch der Spitzendruck weniger an.
Eine weitere Eingriffsmöglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zwischen dem Ladeluftkühler 7 und dem ersten Zylinder 1 eine ein regelbares Absperrorgan 12 aufnehmende Abblasleitung 13 vorgesehen ist. Durch das Abblasen von Luft können ebenfalls der Ladeluftdruck und damit der Spitzendruck abgesenkt werden. Die Abblasleitung kann auch zwischen dem Verdichter 5 und dem Wärmetauscher 7 angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass, wenn die Abblasleitung zwischen dem Verdichter 4 und der Wasserzuführung angeordnet ist, dann nur Luft abgeblasen wird. Dadurch wird der Wasserverbrauch geringer.
Eine weitere Verringerung des Ladedrucks kann dadurch erreicht werden, dass von der Abgasleitung 2 zwischen dem letzten Zylinder 1 und der Turbine 3 eine Abblasleitung 14, die ein regelbares Absperrorgan 15 aufnimmt, abzweigt. Auch durch Abblasen von Abgas wird dieselbe Wirkung erreicht, wie durch den regelbaren Einlassdüsenring der Turbine 3 nämlich eine Verringerung des Ladedrucks.
Die Absperrorgane können als Ventile oder Klappen ausgeführt sein.
Die Hubkolbenbrennkraftmaschine wird über eine oder mehrere Einspritzpumpen 16 und nachgeschaltete Einspritzdüsen 17, von denen nur eine am obersten Zylinder 1 dargestellt ist, mit Kraftstoff versorgt. Die Einspritzpumpen 16 oder die Einspritzdüsen 17 sind so ausgeführt, dass sie es ermöglichen, den Einspritzbeginn im Betrieb zu variieren. Die Variationsmöglichkeit der Einspritzpumpe 16 ist durch den Pfeil 18 angedeutet. Durch eine verzögerte Einspritzung wird ein späterer Zündbeginn und damit eine Verminderung des Spitzendruckes erreicht. Wenn es sich um eine Hubkkolbenbrennkraftmaschine mit Fremdzündung handelt, so kann das Zündsystem so ausgeführt werden, dass der Zündzeitpunkt im Betrieb variiert wird. Mit diesen Maßnahmen kann der Spitzendruck auch bei konstantem Ladedruck reduziert werden.
Wenngleich eine der vorstehend beschriebenen Eingriffsmöglichkeiten zur Reduzierung des Spitzendruckes ausreichen kann, so besteht darüber hinaus doch auch die Möglichkeit, zwei oder mehrere der vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Senkung des Spitzendrucks miteinander zu kombinieren.

Claims

Verfahren zum Betrieb von Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern (1) mit Abgasturboaufladung (4, 5) und Einspritzung von Wasser (9, 10, 11) zur NOx-Reduzierung, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Lastenbereich zur Reduzierung des Spitzendrucks in den Zylinder (1) der Ladedruck abgesenkt wird, in dem die Wasserzufuhr reduziert wird und zudem ein Teil der Ladeluft zwischen dem Verdichter (5) und den Zylindern (1) abgeblasen wir und/oder ein Teil des Abgases vor der Turbine (4) des Turboladers (4, 5) abgeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung eines Abgasturboladers mit einerm einstellbaren Einlassdüsenring für die Turbine (4), dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Lastenbereich der Einlasszwischenring geöffnet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wasserzufuhr eine Förderpumpe (9) mit variabler Fördermenge vorgesehen ist und in der Ladeluftleitung zwischen dem Verdichter (5) und den Zylindern (1) der Hubkolbenbrennkraftmaschine eine Abblasleitung (13) mündet, die ein einstellbares Absperrorgan (12) aufnimmt und/oder in der Abgasleitung (2) vor der Turbine (3) eine Abblasleitung (14) mündet, die ein einstellbares Absperrorgan (15) aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrorgan (12, 15) stufenlos regelbar ist.