DK169185B1 - Fremgangsmåde til styring af en stor totakts turboladet forbrændingsmotor og motor til brug ved udøvelse af fremgangsmåden - Google Patents

Description

i DK 169185 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til styring af en stor totakts turboladet forbrændingsmotor med en foran turboladeren tilkoblet reaktor til reduktion af udstødsgassens NOx-indhold.

5 Store totakts forbrændingsmotorer anvendes ty pisk som fremdrivningsmotorer i skibe. I de seneste år er nogle få skibe forsøgsmæssigt udstyret med en reaktor, som fjerner langt størstedelen af Ν0χ-indholdet i forbrændingsmotorens udstødsgasser. Denne kendte motor 10 har en udstødsgasreceiver, som på afgangssiden er forbundet med en reaktor til reduktion af udstødsgassens NOx-indhold, en turbolader med en turbine, hvis gastilgang er forbundet med reaktorens gasafgang, en reaktor by-pass ledning, som kan forbinde udstødsgasrecei-15 veren med turboladerens turbine, et afspærringsorgan i by-pass ledningen og en hjælpeblæser til levering af skylle- og ladeluft.

Grænseværdier for udledning af NOx fra skibe gælder indtil videre kun i nogle få kystnære farvande.

20 Det kendte motoranlæg er ved hjælp af by-pass ledningen med afspærringsorganet udformet således, at reaktoren er helt udkoblet under hovedparten af skibets sejlads og helt indkoblet, når skibet sejler i kystnære farvande, hvor der er vedtaget øvre grænseværdier for udled-25 ning af NOx. Afspær rings organet i by-pas ledningen står dermed enten helt åbent eller helt lukket.

Af hensyn til miljøbeskyttelsen må det forventes, at stadig flere lande vedtager regler, som sætter stadigt lavere grænseværdier for udledning af NOx. Det 30 kan derfor forudses, at store skibsmotorer kontinuert skal køre med røggasrensningsanlæg. De fra bilindustrien kendte katalysatorer kan ikke anvendes ved skibsmotorer, fordi disse drives med stort luftoverskud og forbrænder tungolie, der indeholder en del tungmetaller og 35 svovl. I turboladede biler kan der opstrøms for turbi- DK 169185 B1 2 nen være en katalysator, der får CO og HC i udstødsgassen til at reagere med 02 under samtidig dannelse af varme, så udstødsgassen opvarmes ved passagen af reaktoren. Disse motorers driftsbetingelser er dermed 5 væsensforskellige fra forholdene ved en motor med en reaktor til reduktion af udstødsgassens NOx-indhold.

Det har vist sig muligt at reducere NOx-indhol-det ved hjælp af den såkaldte "selective catalytic reduction process" (SCR), hvor udstødsgassen blandes med 10 ammoniak og ledes gennem en speciel katalysator ved en temperatur på mellem 300 og 400°C. Katalysatoren reducerer Ν0χ til N2 og vand. Katalysatorvolumenet skal være ret stort for at sikre, at ammoniakken forbruges, og at røggassens NOx-indhold reduceres i tilstrækkelig 15 grad.

Det store katalysatorvolumen fører til, at reaktoren har stor varmekapacitet, hvilket har gjort det nødvendigt helt at udkoble reaktoren, hvis motorbelastningen pludselig skal øges, eksempelvis ved nødbrems-20 ning af skibet, idet reaktoren ved belastningsøgning afkøler udstødsgassen.

Opfindelsen har til formål at anvise en fremgangsmåde til styring af en stor totakts turboladet forbrændingsmotor på en sådan måde, at motoren så vidt 25 muligt sikres en normal driftstilstand, herunder også rensning af den størst mulige mængde røggas.

Med henblik herpå er fremgangsmåden ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at mindst én driftparameter på motoren måles til bestemmelse af, om reaktoren af-30 køler udstødsgassen, og at der opstrøms for turboladerens turbine tilføres supplerende luft eller gas, når den målte driftsparameter overskrider en forudbestemt grænseværdi.

Da udstødsgassen mindst skal have en temperatur 35 på 300°C ved tilledningen til reaktoren, må denne nødvendigvis tilkobles i udstødssystemet førend turbolade- DK 169185 B1 3 ren. Når motorbelastningen øges, stiger udstødsgassens temperatur, hvilket fører til en opvarmning af reaktoren. Da reaktoren har stor varmekapacietet, kan reaktorens opvarmning til den højere temperatur tage lang tid 5 og i dette tidsrum vil udstødsgassens temperatur efter reaktoren være noget lavere end temperaturen før reaktoren, hvilket betyder at energiindholdet i udstødsgassen efter reaktoren ikke i sig selv er stort nok til at turboladerens kompressor modtager en effekt, der svarer 10 til den aktuelle motorbelastning. Reaktorens store varmekapacitet og dens tilkobling førend turboladeren fører med andre ord til, at turboladeren påvirkes af stigende motorbelastninger med en vis tidsforsinkelse, der vokser med belastningsændringens størrelse.

15 Ved ifølge opfindelsen at bestemme, hvornår re aktoren opvarmes under samtidig afkøling af udstødsgassen, og i disse tidrum at lede supplerende luft eller gas til turboladeren kan det sikres, at motoren modtager en skylle- og ladeluftmængde, der er korrekt af-20 stemt efter motorbelastningen, også i tidsrummet umiddelbart efter en ændring af motorbelastningen.

For at sikre størst mulig rensning af udstødsgassen kan den supplerende luft hensigtsmæssigt tilføres som ladeluft af en hjælpeblæser, som er i stand til 25 at levere luft ved motorbelastinger på over 55%. De tidligere kendte hjælpeblæsere slukker ved motorbelastninger på ca. 50%. Ved at dimensionere blæseren til større belastninger opnås dels, at hjælpeblæseren ved start af motoren har tilstrækkelig kapacitet til at 30 kompensere for reaktorens opvarmning, dels at hjælpeblæseren kan være virksom ved manøvrering, hvor motorbelastningen ofte overstiger 50%.

I en miljømæssigt optimal udformning er motoren optimeret og styret således, at en del af udstødsgassen 35 på nedstrømssiden af reaktoren ledes uden om turboladeren, når den målte driftsparameter ligger under grænse- DK 169185 B1 4 værdien og ledes helt eller delvis gennem turboladeren,. når den målte driftsparameter ligger over grænseværdien. En sådan styring fordrer dog, at turboladeren har en høj virkningsgrad.

5 Hvis dette ikke er tilfældet eller hvis frem gangsmåden skal anvendes ved en eksisterende motor uden udskiftning af turboladeren, er det også muligt at styre motoren, så at en del af udstødsgassen på nedstrøms-siden af udstødsventilerne ledes uden om reaktoren og 10 direkte til turboladeren, når den målte driftsparameter ligger over grænseværdien. I dette tilfælde bliver den omledte del af udstødsgassen ikke renset for NOx i reaktoren .

Fastlæggelsen af det driftspunkt, hvor den sup-15 pierende luft/gas skal tilføres, kan ske ud fra registrering af motorens øjeblikkelige belastning og sammenligning med erfaringsværdier for, hvor hurtigt belastningen kan ændres uden tilførsel af supplerende luft/gas.

20 Alternativt kan det nævnte driftspunkt fastlæg ges ved at udstødsgassens temperaturforskel over reaktoren overstiger en forudbestemt størrelse.

Opfindelsen angår endvidere en turboladet forbrændingsmotor til brug ved udøvelse af ovennævnte 25 fremgangsmåde, hvilken motor omfatter en udstødsgasreceiver, som på afgangssiden er forbundet med en reaktor til reduktion af udstødsgassens N0X-indhold, en turbolader med en turbine, hvis gastilgang er forbundet med reaktorens gas afgang og en hjælpeblæser til leve-30 ring af skylle- og ladeluft. Denne motor er ifølge opfindelsen ejendommelig ved en by-pass ledning, som kan forbinde udstødspassagen mellem reaktoren og turboladerens turbine med udstødspassagen nedstrøms for denne turbine, et reguleringsorgan som helt eller delvis kan 35 afspærre by-pass ledningen, mindst en sensor til måling af en driftsparameter for motoren og en styreenhed til DK 169185 B1 5 styring af reguleringsorganet i afhængighed af signaler modtaget fra sensoren.

Hvis en af de indledningsvis nævnte kendte motorer, hvor reaktoren enten kan kobles helt ind eller 5 helt ud, ønskes ændret, så at motoren kan drives i overensstemmelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen, skal motoren suppleres med mindst en sensor til måling af en driftsparameter for motoren og en styreenhed, som i afhængighed af signaler modtaget fra sensoren er i 10 stand til at styre afspærringsorganet til en i det mindste delvis åben stilling, hvor en, normalt mindre, del af udstødsgassen ledes uden om reaktoren og direkte til turboladeren.

Eksempler på opfindelsen beskrives herefter nær-15 mere med henvisning til den meget skematiske tegning, hvor fig. 1 viser et diagram over en første udførelsesform for en forbrændingsmotor ifølge opfindelsen, og fig. 2 et tilsvarende skematisk diagram over en 20 anden udførelsesform ifølge opfindelsen.

I fig. 1 ses en stor totakts forbrændingsmotor, der eksempelvis kan yde en effekt på 40 MW. Motoren tilføres luft gennem en turboladers kompressor C og eventuelt også gennem en hjælpeblæser AB, der afleve-25 rer luften til en ikke vist ladeluftkøler, hvorfra luften strømmer op til forbrændingskamrene og videre ud gennem udstødsventilerne til udstødsgasreceiveren ER, som gennem en udstødspassage 1 er forbundet med en reaktor R, der kan fjerne over 90% af udstødsgassens 30 NOx-indhold. Fra reaktorens afgang fører en udstødspassage 2 hen til indløbet i turboladerens turbinedel T, hvis afgang står i forbindelse med det fri gennem en udstødspassage 3.

En by-pass ledning 4 strækker sig fra udstøds-35 passagen 2 opstrøms for turbinen T til udstødspassagen 3 nedstrøms for denne turbine. By-pass lednin DK 169185 B1 6 gen indeholder et reguleringsorgan V, som er trinløst indstilleligt fra fuldt åben til fuldt lukket stilling.

Turboladeren T/C har så høj virkningsgrad, at den ved stationær drift af motoren kan levere et ef-5 fektoverskud. Da turboladeren derfor ikke har behov for al udstødsgassen for at levere den nødvendige mængde skylle- og ladeluft til motoren E, indstilles regule-rinsorganet V til en sådan delvis åben stilling, at turboladerens kompressor C netop leverer den ønskede 10 luftmængde. Den gennem by-pass ledningen 4 strømmende udstødsgas kan eksempelvis udnyttes i en ikke vist nytteturbine, selv om det naturligvis også er muligt simpelthen at lede udstødsgassen direkte ud i udstødspassagen 3. Med hensyn til turboladerens nyttevirkning 15 kan det nævnes, at der til drift af motoren uden reaktor kræves en nyttevirkning på omkring η = 64%. Det er i dag muligt at få turboladere, som har en nyttevirkning på η = 73%.

Reaktoren R er en såkaldt SCR-reaktor, som frem-20 stilles af det danske firma Haldor Topsøe A/S. For denne i og for sig kendte reaktor skal blot nævnes, at der til en motor med en effekt på 40 MW skal anvendes en reaktor, som indeholder omtrent 13½ ton katalysatormateriale. Det er muligt at anvende en forholdsmæssig 25 mindre mængde katalysatormateriale, men dette vil føre til større udslip af ammoniak sammen med den rensede udstødsgas.

Da reaktoren R har stor varmekapacitet, vil en stigende motorbelastning som ovenfor nævnt føre til af-30 køling af gassen ved passagen af reaktoren, og først efter nogen tid vil den stigende belastning føre til stigende energitilførsel til turboladerens turbine T.

En styreenhed CU er forbundet med tre sensorer SI, S2 og S3 gennem hver sin ledning 5, 6 og 7. Senso-35 rerne måler driftsparametre for motoren, og på basis af disse driftsparametre afgør styreenheden, om reaktoren DK 169185 B1 7 R opvarmes i en sådan grad af udstødsgassen, at turboladeren må tilføres supplerende energi for at kunne levere den ønskede luftmængde.

Som eksempler på anvendelige driftsparametre kan 5 nævnes, at sensoren SI kan måle den øjeblikkelige motorbelastning ud fra den brændstofmængde, som leveres til arbejdscylindrene. Sensoren S2 kan måle temperaturen af udstødsgassen i udstødspassagen opstrøms for reaktoren R, og sensoren S3 kan måle udstødsgassens 10 temperatur umiddelbart opstrøms for indløbet til turbinen T. Alternativt kan den af en sensor målte driftsparameter være trykket i motorens luft/gas-system ved et målepunkt, der er beliggende nedstrøms for kompressoren C og opstrøms for turbinen T.

15 Styreenheden CU kan fastlægge behovet for sup plerende luft ud fra kun én målt driftsparameter, der måles løbende i afhængighed af tiden, og den tidsmæssige ændring af driftsparameteren kan derefter sammenlignes med forudbestemte grænseværdier for parameterens 20 tidsmæssige variation for at afgøre, om reaktoren R optager så meget energi fra udstødsgassen, at der skal tilføres supplerende luft/gas. Eksempelvis kan den tidsmæssige ændring i motorbelastningen sammenlignes i styreenheden med forudbestemte grænseværdier for be-25 lastningsændringen. En tilsvarende sammenligning kan også foretages på baggrund af den af sensoren S2 målte temperatur TI af udstødsgassen opstrøms for reaktoren R. Alternativt kan styreenheden modtage temperatursig-naler fra både sensoren S2 og sensoren S3 og på bag-30 grund heraf udregne differencen mellem temperaturen opstrøms TI og nedstrøms T2 for reaktoren.

Hvis den eller de målte driftsparametre overskrider den forudbestemte grænseværdi, afgiver styreenheden CU signal til tilførsel af supplerende luft/gas 35 til motoren E. Dette signal kan gennem ledningen 9 føres til hjælpeblæseren AB's motorstyring, som enten DK 169185 B1 8 starter eller øger ydelsen på hjælpeblæseren. Alternativt kan styreenheden gennem ledningen 8 aflevere signalet til reguleringsorganet V, som derved reguleres hen mod lukket stilling, så at en mindre del af ud-5 stødsgassen strømmer gennem by-pass ledningen 4 og en større del gennem turbinen T.

Styreenheden CU kan også være indrettet til at starte hjælpeblæseren ved overskridelsen af en første grænseværdi og derefter at mindske gasstrømningen gen-10 nem by-pass ledningen 4 ved overskridelsen af en anden grænseværdi. I udførelsesformen i fig. 1 vil det ofte foretrækkes, at den anden grænseværdi er lavere end den første, så styringen lukker by-pass ledningen 4 inden hjælpeblæseren startes. Hvis der er indkoblet 15 en nytteturbine i ledningen 4, kan det dog være hensigtsmæssigt at starte hjælpeblæseren først. Den første grænseværdi kan eksempelvis være sat til T2/T1 = 0,5, mens den anden grænseværdi kan være sat til T2/T1= 0,25.

20 Når opvarmningen af reaktoren R er ved at være afsluttet, vil energioptagelsen heri falde, og styreenheden CU kan derfor mindske tilførslen af supplerende luft/gas i takt med, at motoren genvinder en stabil driftstilstand.

25 I fig. 2 ses en anden udførelsesform, hvor ele menter med samme funktion som elementerne i fig. 1 er betegnet med henvisningstal, der er 20 højere end henvisningstallene i fig. l.

By-pass ledningen 24 strækker sig her fra op-30 strøms- til nedstrømssiden af reaktoren. Denne udførelsesform fungerer ved, at styreenheden CU ved overskridelse af grænseværdien åbner for reguleringsorganet V, så at en del af udstødsgassen ledes udenom reaktoren R og direkte til turboladerens turbine T. Denne udfø-35 relsesform er navnlig anvendelig ved motoranlæg, hvor turboladeren har lav virkningsgrad. Derudover fungerer

Claims (9)

1. 2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kende-30 tegnet ved, at den supplerende luft tilføres som ladeluft af en hjælpeblæser (AB), som er i stand til at levere luft ved motorbelastninger på over 55%.
2. 3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at en del af udstødsgassen på 35 nedstrømssiden af reaktoren (R) ledes uden om turboladeren (T/C), når den målte driftsparameter ligger under DK 169185 B1 10 grænseværdien, og ledes helt eller delvis gennem turboladeren (T/C), når den målte driftsparameter ligger over grænseværdien.
3. 4. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, k e n -5 detegnet ved, at en del af udstødsgassen på nedstrømssiden af udstødsventilerne ledes uden om reaktoren (R) og direkte til turboladeren (T/C), når den målte driftsparameter ligger over grænseværdien.
4. 5. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 1-4, 10 kendetegnet ved, at motorens øjeblikkelige belastning måles og registreres i en styreenhed (CU), som sammenligner den tidsmæssige ændring i belastningen med forudbestemte grænseværdier for belastningsændringer, og at tilførslen af supplerende luft/gas styres af 15 styreenheden ud fra resultatet af sammenligningen.
5. 6. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet ved, at temperaturen af udstødsgassen ved udstødsreceiveren (TI) og temperaturen af udstødsgassen ved turboladerens (T/C) indløb (T2) måles 20 og registreres i en styreenhed (CU), at differencen mellem de to temperaturer fastlægges i styreenheden, og at tilførslen af supplerende luft/gas aktiveres af styreenheden, hvis differencen mellem de to tempera-25 turer overskrider en forudbestemt grænseværdi.
6. 7. Fremgangsmåde ifølge krav 6, kendetegnet ved, at hjælpeblæseren (AB) aktiveres af styreenheden (CU), når temperaturdifferencen overskrider en første grænseværdi, og at yderligere udstødsgas 30 ledes til turboladeren (T/C) ved hjælp af styreenheden, når temperaturdifferencen overskrider en anden grænseværdi, der fortrinsvis er højere end den første grænseværdi.
7. 8. Stor totakts turboladet forbrændingsmotor til 35 brug ved udøvelsen af fremgangsmåden ifølge et af kravene 1-3 og 5-7, omfattende en udstødsgasreceiver(ER), DK 169185 Bl 11 som på afgangssiden er forbundet med en reaktor (R) til reduktion af udstødsgassen NOx-indhold, en turbolader (T/C) med en turbine (T), hvis gastilgang er forbundet med reaktorens gasafgang, og en hjælpeblæser (AB) til 5 levering af skylle- og ladeluft, kendetegnet ved en by-pass-ledning (4), som kan forbinde udstødspassagen (2) mellem reaktoren (R) og turboladerens turbine (T) med udstødspassagen (3) nedstrøms for denne turbine, et reguleringsorgan (V) som helt eller delvis 10 kan afspærre by-pass-ledningen, mindst en sensor (SI;S2;S3) til måling af en driftsparameter for motoren, og en styreenhed (CU) til styring af reguleringsorganet i afhængighed af signaler modtaget fra sensoren.
8. 9. Stor totakts turboladet forbrændingsmotor (E) til brug ved udøvelsen af fremgangsmåden ifølge et af kravene 1-2 og 4-7, omfattende en udstødsgasreceiver (ER), som på afgangssiden er forbundet med en reaktor (R) til reduktion af udstødsgassens NOx-indhold, en 20 turbolader (T/C) med en turbine (T), hvis gastilgang er forbundet med reaktorens gasafgang, en reaktor by-pass-ledning (24), som kan forbinde udstødsgasreceiveren med turboladerens turbine, et afspærringsorgan (V) i by-pass-ledningen, og en hjælpeblæser (AB) til leve-25 ring af skylle- og ladeluft, kendetegnet ved mindst en sensor (Sl;S2;S3) til måling af en driftsparameter for motoren (E) og en styreenhed (CU), som i afhængighed af signaler modtaget fra sensoren er i stand til at styre afspærringsorganet (V) til en i det 30 mindste delvis åben stilling.
9. 10. Forbrændingsmotor ifølge krav 8 eller 9, kendetegnet ved en sensor (S2) til måling af udstødsgassen temperatur opstrøms for reaktoren og en sensor (S3) til måling af udstødsgassens temperatur ved 35 turboladerens indløb.