DE19742031A1

DE19742031A1 - Mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer zusätzlichen Abgasenergieumformeinrichtung und Verfahren zum Betrieb dieser Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19742031A1
Application number: DE19742031A
Authority: DE
Inventors: Klaus Ing Grad Jelonek; Robert Dr Ing Glauber; Wolfram Prof Dr Ing Lausch
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 1999-03-25
Also published as: TR199801898A2; TW360743B; RU2237820C2; IN189004B

Description

Die Erfindung betrifft eine mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Abgasenergieumformeinrichtung, die die dabei erzeugte Leistung an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zur Wirkungsgradsteigerung abtritt und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Brennkraftmaschine.

Eine solche aufgeladene Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE-PS 9 62 764 bekannt. Dort besteht die Abgasenergieumformeinrichtung aus einer bei Leistungsüberschuß in den Abgasen in Reihe zur eigentlichen Abgasturbine des Abgasturboladers schaltbaren Nutzturbine, die über einen Getriebezug mit schaltbarer Kupplung an die Motorantriebswelle, bzw. Kurbelwelle anschließbar ist und aus einer gegebenen Abgasüberschußleistung umgewandelte mechansiche Antriebsenergie an die Motorantriebswelle abgeben kann.

Aufgrund der Zielsetzung, die Wirtschaftlichkeit einer gattungsbildenden Brennkraftmaschine zu erhöhen, hat die Anmelderin bereits in den achtziger Jahren ein Konzept entwickelt, das sogenannte Turbo-Compound-System, das eine verbesserte Ausnutzung der Abgasenergie einbrachte, so daß der effektive Wirkungsgrad der aufgeladenen Brennkraftmaschine gesteigert werden konnte.

Hierzu wurde bei der aufgeladenen Brennkraftmaschine, ausgerüstet mit einem Abgasturbolader, dessen Turbine an eine Abgassammelleitung und dessen Verdichter an eine Ladeluftsammelleitung angeschlossen sind, dessen Turbinenrad und Verdichterlaufrad auf einer gemeinsamen Welle sitzen und der einen solch hohen Wirkungsgrad besitzt, daß sich Abgasüberschußleistung einstellen kann, die nicht zur Erzeugung der in der Brennkraftmaschine für eine optimale Verbrennungsluftverhältnis notwendige Luftmenge benötigt wird, vor dem Abgasturbolader vom Abgasstrom eine Teilmenge abgezweigt und einer kleinen zusätzlichen Abgasturbine zugeführt.

Diese Abgasturbine ist über ein spezielles Getriebe, eine Kombination aus Planetengetriebe, Untersetzungsgetriebe und einer Überholkupplung, mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden, so daß die erzeugte Leistung direkt an die Kurbelwelle abgegeben werden kann.

Um die thermische Belastung der Brennkraftmaschine durch die Abgasentnahme vor dem Abgasturbolader für die Abgasturbine nicht zu vergrößern, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine nicht zu verschlechtern, wird die von der Brennkraftmaschine erzeugte Leistung um den vom Turbo-Compound-System erzeugten Leistungsanteil reduziert. Bei damit insgesamt unveränderter Nennleistung, also unveränderter Gesamtleistung der Brennkraftmaschine, wird mittels des Turbo-Compound-Systems vorrangig eine Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs, bzw. des effektiven Wirkungsgrades erzielt.

Die Erfindung hat nun die Schaffung einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine der gattungsbildenden Art und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine zum Ziele, bei der der von der zusätzlichen Abgasenergieumformeinrichtung erzeugte Leistungsanteil zur vollen Nennleistung der Brennkraftmaschine addiert werden kann, also eine höhere Gesamtleistung an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht, ohne die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine einzuschränken und ohne mit zusätzlichem Kraftstoffverbrauch belastet zu sein.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, durch die dieses Ziel erreicht wird, ist gekennzeichnet durch eine Abgasenergieumformeinrichtung in Form einer Einrichtung zur Dampferzeugung, mittels der dem Abgasmassenstrom nach dem Abgasturbolader Energie entziehbar ist, und dadurch, daß die Einrichtung zur Dampferzeugung mit einer Dampfturbinenanlage zur Umsetzung der dem Abgasmassenstrom entzogenen Energie in mechanische Leistung zusammenwirkt und die Dampfturbine der Dampfturbinenanlage direkt mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbindbar ist.

Vorteilhafte Details dieser Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasverlustenergie zur Erzeugung von zusätzlicher Leistung genutzt wird, in dem dem Abgasmassenstrom, der aus dem Abgasturbolader kommt, mittels einer Einrichtung zur Dampfgewinnung Energie entzogen wird, zumindest der Hauptanteil des daraus erzeugten Dampfes einer Dampfturbinenanlage zugeführt wird und die dort erzeugte Leistung direkt an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abgegeben wird.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird erfindungsgemäß die mittels Dampfturbinenanlage zusätzlich erzeugte Leistung nicht über eine Abgasentnahme vor dem Abgasturbolader (Primärenergieentnahme) erzielt, sondern es wird die Energie des Abgases in Abgasstromrichtung nach dem Abgasturbolader ausgenutzt (Sekundärenergieentnahme).

Dadurch, daß die Einrichtung zur Dampfgenerierung vom Abgasmassenstrom nach dem Abgasturbolader nur die Abwärme nutzt und die Energie mittels einer Dampfturbine in mechanische Leistung umgesetzt wird, ist kein Eingriff in das Abgasturboladersystem erforderlich, so daß keine Rückwirkung auf den Brennkraftmaschinenprozeß erfolgt.

Dadurch, daß im Wasserkreislauf eine Einrichtung zur Vorwärmung des Speisewassers vorgesehen ist, für diese die Abwärme aus dem HT-Kreis der Brennkraftmaschine nutzbar ist, wird eine weitere Wirkungsgradsteigerung der Dampfturbinenanlage erzielt.

Der besondere Vorteil der Speisewasservorwärmung der zusätzlichen Abgasenergieumformeinrichtung der erfindungsgemäßen mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine besteht darin, daß nur ein vergleichsweise geringer Anteil des erzeugten Dampfes von der Einrichtung zur Dampfgenerierung abzuleiten ist, mit dem die Speisewasservorwärmung und interne Verbraucher, zum Beispiel die Vorwärmung des Brennkraftmaschinenkraftstoffes, der Brennkraftmaschine versorgt werden.

Um eine hohe Leistungsausbeute zu erzielen, muß der Dampf nach Verlassen der Dampfturbine auf möglichst niedriges Temperaturniveau kondensiert werden. Gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dies in vorteilhafter Weise durch den Einsatz eines Kühlturmes erreicht.

Da die Dampfturbine über eine Wirkkombination aus Planeten- und Untersetzungsgetriebe, inklusive Überholkupplung direkt auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine arbeitet, entfallen zusätzliche Aufwendungen wie beispielsweise ein eigener Generator inklusive komplizierter und umfangreicher elektrischer Steuer- und Regeleinrichtungen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben. Die einzige Figur zeigt das Prinzip einer mittels Abgasturbolader 1 aufgeladene Brennkraftmaschine 2, die einen Generator 30, beispielsweise einen Drehstromgenerator, antreibt, mit einer Einrichtung zur Dampfgenerierung 3 und einer Dampfturbinenanlage 4.

Der Abgasturbolader 1 umfaßt in bekannter Weise (und deshalb nur angedeutet) eine Abgasturbine und einen Ladeluftverdichter, die entsprechend an die Abgassammelleitung und an die Ladeluftsammelleitung der Brennkraftmaschine 2 angeschlossen sind. Das Turbinenrad und das Verdichterlaufrad des Abgasturboladers 1 sitzen auf einer gemeinsamen Welle. Mit 20 ist die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 2 bezeichnet.

Die Einrichtung zur Dampfgenerierung 3 umfaßt in bekannter Weise einen Abgaskessel 6, den der Abgasmassenstrom vom Abgasturbolader 1 kommend in einem Leitungssystem 7a, b durchläuft, bevor er einem Schornstein 8 zugeleitet wird, und eine Verdampfungseinrichtung 11.

Die Dampfturbinenanlage 4 umfaßt eine Dampfturbine 9 und eine Kondensationsanlage 10.

Die Dampfturbine 9 gibt die von ihr bereit gestellte Leistung über eine selbsttätig arbeitende Überholkupplung 21 und einer Kombination aus Planeten- und Untersetzungsgetriebe 22 direkt an die Kurbelwelle 20 der Brennkraftmaschine 2 ab.

Der im Abgaskessel 6 gebildete Dampf strömt durch eine Dampfleitung 12 zur Dampfturbine 9. Aus der Dampfturbine 9 gelangt der entspannte Dampf durch eine Leitung 13 in den Kondensator 10, aus welchem das Kondensat dem Speisewasserbehälter 5 mit Speisewasserpumpe 14 zugeführt wird. Die Speisewasserpumpe 14 fördert das Kondensat in die Verdampfungseinrichtung 11, von wo das Heißwasser mittels Pumpe 15 über den Abgaskessel 6, wo es eine weitere Temperaturerhöhung erfährt, wieder in die Verdampfungseinrichtung 11 gefördert wird, in welchem es verdampft.

Das bei der Niederschlagung des Dampfes entstehende Vakuum im Kondensator 10 bestimmt den Endpunkt der Expansion in der Dampfturbine 9. Je tiefer das Vakuum desto größer wird das in der Dampfturbine 9 ausnutzbare Druckgefälle und desto besser wird der Wirkungsgrad des Prozesses.

Um eine hohe Leistungsausbeute an der Dampfturbine 9 zu erzielen, muß der Dampf nach Verlassen der Dampfturbine 9 auf möglichst niedrigem Temperaturniveau kondensiert werden, wozu hier vorzugsweise der Einsatz eines Kühlturmes 16 vorgesehen ist. Dort wird das Kühlmittel (Wasser) auf die Ausgangstemperatur zurückgekühlt. Die Einrichtung zur Dampfgenerierung 3 ist vorzugsweise mit einem geschlossenen Wasserkreislauf versehen, so daß die Wasserverluste des Kreislaufs durch vorbehandeltes Wasser ersetzt werden können, das dem Kreislauf direkt zusetzbar ist 17.

Desweiteren ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen, aus der Einrichtung zur Dampfgewinnung 3 einen geringen Anteil des erzeugten Dampfes zur Versorgung von internen Verbrauchern 50 der Brennkraftmaschine 2 abzuleiten 51.

Bei der Zuführung des Kondensats aus dem Kondensator 10 zum Speisewasserbehälter 5 wird zudem die Abwärme aus dem HT-Kreis 40 der Brennkraftmaschine 2 genutzt. Selbstverständlich kann die Unterstützung der Vorwärmung auch durch einen Teil der erzeugten Dampfmenge aus der Einrichtung zur Dampfgenerierung erfolgen, was im Ausführungsbeispiel mit 60 angedeutet ist.

Mit den vorstehend beschriebenen Teilen der erfindungsgemäßen mittels Turbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Dieselmotors, und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb dieser Brennkraftmaschine ist eine optimale Umwandlung von Abgaswärme des Abgasstromes aus dem Abgasturbolader in mechanische Antriebsenergie und eine vorteilhafte Einspeisung derselben an den bzw. die beschriebenen Abnehmer möglich, so daß eine höhere Gesamtleistung als die Nennleistung der Brennkraftmaschine an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht, ohne deren Betriebssicherheit einzuschränken und ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch aufzuwenden.

Claims

1. Mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer zusätzlichen Abgasenergieumformeinrichtung, die die dabei erzeugte Leistung an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zur Wirkungsgradsteigerung abtritt, dadurch gekennzeichnet, daß als Abgasenergieumformeinrichtung eine Einrichtung zur Dampfgenerierung (3), mittels der dem Abgasmassenstrom aus dem Abgasturbolader (1) kommend Energie entziehbar ist, und eine Dampfturbinenanlage (4), die eine Dampfturbine (9) umfaßt die mit der Kurbelwelle (20) der Brennkraftmaschine (2) direkt verbindbar ist, vorgesehen ist.

2. Mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Dampfgenerierung (3) einen Abgaskessel (6), den der Abgasmassenstrom aus dem Abgasturbolader (1) kommend durchläuft, umfaßt, aus dem zumindest der Hauptanteil des erzeugten Dampfes der Dampfturbine (9) zuführbar ist.

3. Mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbinenanlage (4) eine Kondensationsanlage (10) miteinschließt und zur Erhöhung des in der Dampfturbine (9) ausnutzbaren Wärmegefälles ein Kühlturm (16) vorgesehen ist, und die Einrichtung zur Dampfgenerierung (3) und die Dampfturbinenanlage (4) mit einem geschlossenen Wasserkreislauf verbunden ist.

4. Mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Wasserkreislauf eine Einrichtung zur Vorwärmung des Speisewassers vorgesehen ist, für diese die Abwärme aus dem HT-Kreis (40) der Brennkraftmaschine (2) nutzbar ist.

5. Mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine (9) über eine Kombination aus Planeten- und Untersetzungsgetriebe (22) und Überholkupplung (21) direkt mit der Kurbelwelle (20) der Brennkraftmaschine (2) verbindbar ist.

6. Mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Einrichtung zur Dampfgenerierung (3) ein geringer Anteil des erzeugten Dampfes zur Versorgung von internen Verbrauchern (50) der Brennkraftmaschine (2) ableitbar ist.

7. Verfahren zum Betrieb einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasverlustenergie zur Erzeugung von zusätzlicher Leistung genutzt wird, in dem dem Massenstrom, der aus dem Abgasturbolader (1) kommt, über eine Einrichtung zur Dampfgenerierung (3) Energie entzogen wird, zumindest der Hauptanteil des erzeugten Dampfes einer Dampfturbinenanlage (4) zugeführt wird und die so erzeugte Leistung direkt auf die Kurbelwelle (20) der Brennkraftmaschine (2) übertragen wird.

8. Verfahren zum Betrieb einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein geringer Anteil des erzeugten Dampfes zur Versorgung von internen Verbrauchern (50) der Brennkraftmaschine (2) benutzt wird.

9. Verfahren zum Betrieb einer mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme aus dem HT-Kreis (40) der Brennkraftmaschine (2) zur Speisewasservorwärmung für die Einrichtung zur Dampfgenerierung (3) herangezogen wird.