DE2814593C2

DE2814593C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2814593C2
Application number: DE2814593A
Authority: DE
Inventors: Jakob 8901 Bobingen Bucher
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1978-04-05
Filing date: 1978-04-05
Publication date: 1985-12-12
Also published as: DE2814593A1; JPS6138327B2; DK130279A; FR2422033A1; GB2018358B; GB2018358A; JPS54134210A; NL7902230A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer mittels einer Abgasturbine und eines Verdichters aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler und Einrichtungen zum Sammeln und Abführen des im Ladeluftkühler ausfallenden Kondenswassers.

Aus der DE-AS 24 46 490 ist eine aufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine bekannt, bei der zur Reinigung der von Ladeluft bestrichenen Oberfläche eines Ladeluftkühlers Sprühflüssigkeit in letzteren eingespritzt wird. Hierzu ist eine Sprühvorrichtung vorgesehen. Diese umfaßt einen Flüssigkeitsabscheider für die Sprühflüssigkeit, eine Abflußleitung und einen Sammelbehälter für die im Flüssigkeitsabscheider anfallende und aus diesem abzuführende Spülflüssigkeit. Weiterhin umfaßt die Sprüheinrichtung eine Pumpe, die aus dem Sammelbehälter dort gereinigte Spülflüssigkeit über eine Förderleitung zu Sprühdüsen fördert, die innerhalb der Ladeluftleitung strömungsmäßig vor dem Ladeluftkühler angeordnet sind. Ober eine andere Verwendung der Spdflüssigkeit als zur Reinigung des Ladeluftkühlers ist in der DE-AS 24 46 490 jedoch nichts angegeben.

Darüber hinaus ist aus der DE-AS 24 45 950 auch eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der das im Ladeluftkühler ausfallende Kondenswasser in Mulden gesammelt und über Abflußleitungen abgeführt wird, um Schaden durch in die Zylinder mitgerissenes Kondenswasser zu vermeiden.

Die Entfernung des Kondenswassers aus der Ladeluft ergibt einen geringeren Massenstrom. Da jedoch die Ladeluft unabhängig von deren Massenstrom in den Brennräumen des Motors immer die gleiche Wärmemenge aufgeprägt bekommt, ergibt sich eine im Vergleich zu einer mit feuchter Ladeluft beaufschlagten Brennkraftmaschine höhere Abgastemperatur. Entsprechend dem geringeren Massenstrom der Ladeluft weist auch der Abgasstrom eine geringere Masse auf, mit der Folge eines geringeren Drucks vor der Abgasturbine. Mit abnehmendem Druck sinkt jedoch die Leistung der Turbine bzw. des Laders, was wiederum einen verringerten Ladeluftdurchsatz zur Folge hat, mit dem Ergebnis einer weiteren Erhöhung der Abgastemperatur.

Es stellt sich somit im Lader ein Betriebszustand ein, bei dem die Turbine aufgrund des geringeren Massenstroms der Ladeluft, im Vergleich zum Betrieb des Motors mit feuchter Ladeluft, mit Abgas höherer Temperatur beaufschlagt wird.

Die erhöhte Abgastemperatur birgt jedoch die Gefahr einer Verschmutzung der Turbinenteile durch Schwerölasche in sich.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das Verfahren sowie die Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Abgasturbine bei gleichzeitiger Erhöhung des Massenstromes mit Abgas geringerer Temperatur beaufschlagt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das abgeführte Kondenswasser in Strömungsrichtung vor der Abgasturbine in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine eingeführt wird.
Da bei herkömmlicher Betriebsweise die in der Ladeluft enthaltene Wassermenge der Brennkraftmaschine in Tropfenform zugeführt wird, was zu Beschädigungen der Brennkraftmaschine durch Korrosion führen kann, oder abgeschieden wird, bietet die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, daß dem Abgas vor Eintritt in die

so Turbine auch die zur Verdampfung des Kondenswassers notwendige Verdampfungswärme entzogen werden kann.

Infolge der geringeren Abgastemperatur ist mit der erfindungsgemäßen Lösung außerdem die Gefahr einer Verschmutzung der Abgasturbine durch Schwerölasche beseitigt. Darüber hinaus wird durch den Wasserdampf auch ein Reinigungseffekt am bzw. in der Abgasturbine erzielt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Einrichtung zum Sammeln des im Ladeluftkühler ausfallenden und aus diesem abgeführten Kondenswassers aus einem Sammelbehälter, aus dem das Kondenswasser wieder abgeführt wird, über eine ihn mit der Abgasleitung verbindende Kondenswasserleitung und mit Mitteln zur Förderung des Kondenswasser in die Abgasleitung, wie z. B. einer von einer Regelungsvorridhtung gesteuerten, in der Kon-

denswasserleitung angeordneten Pumpe. In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der Sammelbehälter und die Kordenswasserleitung in bezug auf die Abgasleitung niveaumäßig so angeordnet, daß die zwischen der Ladeluft und dem Abgas vorhandene Druckdifferenz als Mittel zur Förderung des Kondenswassers in die Abgasleitung ausnützbar ist Diese zuletzt genannten Maßnahmen haben den Vorteil, daß sich die Anordnung einer mechanischen Pumpe erübrigt Dabei bleibt der Wasserspiegel im Sammelbehälter immer so eingestellt daß ohne P.egeleingriffe von außen nur die jeweils anfallende Kondenswassermenge in die Abgasleitung gefördert wird.

In bevorzugter Ausgestaltung bilden dabei der Sammelbehälter und die Kondenswasserleitung einen siphonartigen Verschluß zwischen Ladeluftleitung und Abgasleitung, dessen maximale Flüssigkeitssäule höher ist als die maximal mögliche Druckdifferenz zwischen Ladeluft und Abgas. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß zum einen keine Ladeluft in die Abgasleitung und zum anderen kein Abgas in die Ladeluftleitung strömen kann.

In vorteilhafter Weise sind an der Einmündungsstelle der Kondenswasserleitung in die Abgasleitung Mittel zur Erhöhung der Druckdifferenz zwischen Ladeluft und Abgas durch Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases vorgesehen. Dadurch kann man ohne äußere konstruktive Maßnahmen die Förderwirkung noch erhöhen.

Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, daO es aus der GB-PS 6 20 376 schon bekannt ist, immer dann, wenn die Brennkraftmaschine beschleunigt werden soll, den Abgasturbolader derselben mit Hilfsenergie zu beaufschlagen. Als eine solche Hilfsenergie ist im bekannten Fall Wasserdampf aus dem Heizungssystem der von der Brennkraftmaschine angetriebenen Lokomotive oder Druckluft aus deren Bremssystem vorgesehen, welches Medium über eine Zuleitung und eine Düse unmittelbar auf das Turbinenrad des Turboladers geleitet wird. Wasser und insbesondere das im Ladeluftkühler anfallende Kondenswasser sind hier als Mittel nicht erwähnt Andererseits ist es bei einer aus der US-PS 18 05 093 Holzwarth-Turbinenanlage schon bekannt, in den aus deren Brennkammer zur Turbine gelangenden Treibgasstrom Wasser einzuspritzen mit Hilfe einer Duse, die am Ende der Wasserleitung an die Treibgaszuleitung angebaut is*. Aber auch dieser bekannten Lösung ist nicht die Verwendung von Kondenswasser, das im Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine anfällt, zu entnehmen, das im erfindungsgemäßen Fall über die entsprechenden Mittel in die Abgasleitung vor der Abgasturbine des Abgasturbolader eingeleitet wird.

Nachstehend ist die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1: Schematisiert einen stirnseitigen Schnitt durch jene für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile einer Brennkraftmaschine mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig.2: Schematisiert eine Abgasturboladergruppe ω im Längsschnitt mit einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

F i g. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Zylinderraum 2, an den ein Einlaßkanal 3 und ein Auslaßkanal 4 angeschlossen sind. Der Auslaßkanal 4 mündet in eine Abgasleitung 5, die zu einer Abgasturbine 6 führt. Der Einlaßkanal 3 zweigt von einer Ladeluftleitune 7 ab. der ein Ladeluftkühler 8 und ein Ladeluftverdichter 9 vorgeschaltet sind. Der Ladeluftkühler 8 weist — wie aus F i g. 2 ersichtlich — einen Kondenswasserabscheider 10 auf, der über eine Wasserzuleitung 11 an einen Sammelbehälter 12 für Kondenswasser 13 angeschlossen ist. Vom Sammelbehälter 12 zweigt eine Kondenswasserleitung 14 ab, die in Strömlingsrichtung vor der Abgasturbine 6 in die Abgasleitung 5 einmündet Beim Beispiel nach F i g. 2 ist an der Einmündungsstelle der Kondenswasserleitung 14 in die Abgasleitung 5 ein Leitblech 15 angeordnet. Die Ladeluftleitung 7 ist mit dem Sammelbehälter 12 über eine Entlüftungsleitung 16 verbunden.

Im Betrieb fließt das am Kondenswasserabscheider 10 ausfallende Kondenswasser über die Wasserzuleitung 11 in den Sammelbehälter 12 und steigt in der Kondenswasserleitung 14 hoch. Infolge des zwischen Abgas und Ladeluft vorhandenen Druckgefälles wird das Kondenswasser über das Niveau des im Sammelbehälter befindlichen Wasserspiegels bis in die Abgasleitung 5 gedrückt und dort fein verteilt in den heißen Abgasstrom eingesprüht. Der Abstand der Einmündungsstelle des Kondenswassers in die Abgasleitung zur Abgasturbine ist dabei so gewählt, daß das eingesprühte Wasser bis zum Erreichen der Turbine verdampft ist und somit seine Verdampfungswärme dem umgebenden Abgas entzogen hat. Damit ist gewährleistet, daß die Turbine von Abgas mit reduzierter Temperatur beaufschlagt wird.

Der Sammelbehälter 12 mit der Kondenswasserleitung 14 ist dabei in bezug auf die Abgasleitung 5 niveaumäßig so eingestellt, daß die oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des im Sammelbehälter 12 befindlichen Kondenswasser 13 in der Kondenswasserleitung 14 enthaltene Flüssigkeitssäule der Druckdifferenz zwischen Abgas und Ladeluft entspricht. Ohne zusätzliche Pump- und Regelvorrichtungen erreicht man damit die selbsttätige Förderung des Kondenswassers in die Abgasleitung 5, wobei der Wasserspiegel des im Sammelbehälter befindlichen Kondenswassers sich so einstellt, daß jeweils nur die anfallende Kondenswassermenge in die Abgasleitung 5 eingesprüht wird.

Zur Erhöhung der Druckdifferenz an der Einmündungsstelle der Kondenswasserleitung 14 in die Abgasleitung 5 kann eine partielle Einschnürung durch ein in F i g. 2 gezeigtes Leitblech 15 oder mehrere solcher Leitbleche 15 oder eine Erhöhung der Wand bewirken, daß an der Einmündungsstelle die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases erhöht und eine die Förderung von Kondenswasser steigernde weitere Druckverminderung erzielt wird. Diese Maßnahme kann insbesondere in den Fällen vorteilhaft sein, bei denen z. B. aus konstruktionstechnischen Gründen zwischen Sammelbehälter 12 und Abgasleitung 5 ein größerer Höhenunterschied nicht zu vermeiden ist.

Der tiefste Punkt der Kondenswasserleitung 14 ist zum während des Betriebs sich einstellenden Kondenswasserspiegel in einem derartigen Höhenabstand angeordnet, daß die vorhandene Flüssigkeitssäule in jedem Falle größer ist als die maximale, während des Betriebs der Brennkraftmaschine vorkommende Druckdifferenz zwischen Ladeluftleitung und Abgasleitung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer mittels einer Abgasturbine und eines Verdichters aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler und Einrichtungen zum Sammeln und Abführen des im Ladeluftkühler ausfallenden Kondenswasser, dadurch gekennzeichnet, daß das abgeführte Kondenswasser in Strömungsrichtung vor der Abgasturbine (8) in die Abgasleitung (5) der Brennkraftmaschine (1) eingeführt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Sammeln des im Ladeluftkühler ausfallenden und aus diesem abgeführten Kondenswassers aus einem getrennt vorn Ladeluftkühler (8) angeordneten Sammelbehälter (12) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (12) mit der Abgasleitung (5) über eine Kondenswasserleitung(14) verbunden ist, und daß Mittel zur Förderung des Kondenswassers in die Abgasleitung (5) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (12) und die Kondenswasserleitung (14) in bezug auf die Abgasleitung (5) niveaumäßig so angeordnet sind, daß die zwischen der Ladeluft und dem Abgas vorhandene Druckdifferenz als Mittel zur Förderung des Kondenswassers in die Abgasleitung (5) ausnützbar ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einmündungsstelle der Kondenswasserleitung (14) in die Abgasleitung (5) Mittel (15) zur Erhöhung der Druckdifferenz zwischen Ladeluft und Abgas durch Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (12) und die Kondenswasserleitung (14) einen siphonartigen Verschluß zwischen Ladeluftleitung (7) und Abgasleitung (5) bilden, dessen maximale Flüssigkeitssäule höher ist als die maximal mögliche Druckdifferenz zwischen Ladeluft und Abgas.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Förderung des Kondenswassers in die Abgasleitung (5) eine von einer Regelungsvorrichtung gesteuerte, in der Kondenswasserleitung (14) angeordnete Pumpe vorgesehen ist.