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DE102008061222A1 - Mehrstufig aufgeladene Brennkraftmaschine mit integrierter Abgasreinigungseinrichtung - Google Patents

Mehrstufig aufgeladene Brennkraftmaschine mit integrierter Abgasreinigungseinrichtung Download PDF

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DE102008061222A1
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Abstract

Eine stationäre, mehrstufig aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse (2), einer ersten Stufe mit einer Niederdruckturbine (NT1, NT2) und einem Niederdruckverdichter (NV1, NV2) und einer zweiten Stufe mit einer Hochdruckturbine (HT1, HT2) und einem Hochdruckverdichter (HV1, HV2) weist eine Abgasreinigungseinrichtung (1) auf, die zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine angeordnet und in die Motorarchitektur der Brennkraftmaschine integriert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine stationäre, mehrstufig aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse, einer ersten Stufe mit einer Niederdruckturbine und einem Niederdruckverdichter und einer zweiten Stufe mit einer Hochdruckturbine und einem Hochdruckverdichter, wobei zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine eine Abgasreinigungseinrichtung angeordnet ist.
  • Abgasreinigungseinrichtungen, insbesondere sogenannte Selective-Catalytic-Reduction-Katalysatoren („SCR-Katalysatoren”) zur Verringerung des NOx-Gehalts, bei denen vor dem Katalysator dem Abgas ein Reduktionsmittel zugesetzt wird, arbeiten nur in einem definierten Temperaturbereich optimal. Sie werden daher herkömmlicherweise im Abgasstrom stromabwärts hinter einer Turbine angeordnet, um einerseits nicht direkt mit heißem Abgas aus der Brennkraftmaschine beaufschlagt und so zu hohen Temperaturen ausgesetzt zu werden, und um andererseits in der Turbine einen möglichst ungestörten Umsatz kinetischer Energie des Abgases in mechanische Arbeit zum Antrieb des Verdichters zu gewährleisten.
  • Hochaufgeladene Großdieselmotoren verfügen heute über Abgasturbolader mit sehr guten Wirkungsgraden und hohen Druckverhältnissen. Mit steigendem Verdichterdruckverhältnis sinkt auch die Abgastemperatur nach der Turbine des Turboladers. Dies gilt insbesondere für zweistufig aufgeladene Motoren im Schwerölbetrieb, bei denen teilweise Temperaturen nach Turbine deutlich unter 300°C auftreten.
  • Damit werden jedoch die Untergrenzen für eine optimale Funktion bestimmter Abgasreinigungseinrichtungen unterschritten. So beträgt beispielsweise eine Mindesttemperatur am Katalysatoreintritt in Abhängigkeit vom Schwefelgehalt zwischen 250 und 330°C, um eine Sulfatbildung in einem SCR-Katalysator zu verhindern.
  • Für zweistufig aufgeladene Brennkraftmaschinen schlagen daher die WO 2004/097195 A1 und die DE 10 2004 027 593 A1 vor, einen Katalysator zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine anzuordnen, so dass die Enthalpie des Abgases in der Hochdruckturbine nur soweit reduziert wird, dass es dem Katalysator noch mit ausreichender Temperatur zugeführt wird.
  • Bei stationären, mehrstufig aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird dazu aufgrund der Dimensionen der Leistungen und Massenströme bisher der Niederdruckturbolader und der ihm vorgeschaltete Katalysator von der Brennkraftmaschine entfernt aufgestellt. Damit ergibt sich jedoch aufgrund der hierdurch erforderlichen langen Gaswege ein ungünstiges Lastaufschaltverhalten der Brennkraftmaschine.
  • Hiervon ausgehend stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine verbesserte gattungsgemäße Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine stationäre, mehrstufig aufgeladene Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
  • Die Erfindung bezieht sich auf stationäre Brennkraftmaschinen, wie sie beispielsweise als Schiffsdiesel, in Kraftwerken, der Zement-, Textil-, Bergbau-, Öl- und Gasindustrie oder dergleichen eingesetzt werden, insbesondere auf hochaufgeladene Großdieselmotoren, vorzugsweise für Schwerölbetrieb. Sie bezieht sich insbesondere auf Brennkraftmaschinen mit Leistungen von 400 kW oder mehr.
  • Eine erfindungsgemäße mehrstufig aufgeladene Brennkraftmaschine weist wenigstens eine erste Stufe auf, die bei geringerem Abgas- und/oder Ladedruck betrieben wird und eine Niederdruckturbine und einen Niederdruckverdichter aufweist, die zusammen einen Niederdruckturbolader bilden. Sie weist außerdem wenigstens eine zweite Stufe auf, die bei höherem Abgas- und/oder Ladedruck betrieben wird und eine Hochdruckturbine und einen Hochdruckverdichter aufweist, die zusammen einen Hochdruckturbolader bilden. Es können weitere Nieder- und/oder Hochdruckstufen bzw. -turbolader vor und/oder nach der ersten und/oder zweiten Stufe angeordnet sein, i. e. vor dem Niederdruckturbolader, zwischen dem Nieder- und dem Hochdruckturbolader und/oder nach dem Hochdruckturbolader.
  • Zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine ist eine Abgasreinigungseinrichtung angeordnet. Zusätzliche Abgasreinigungseinrichtungen können auch im Abgasstrom stromaufwärts vor der Hochdruckturbine und/oder stromaufwärts nach der Niederdruckturbine vorgesehen sein.
  • Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine angeordnete Abgasreinigungseinrichtung in die Motorarchitektur der Brennkraftmaschine zu integrieren.
  • Hierdurch verkürzen sich zum einen vorteilhaft die Gaswege, so dass sich die Transientcharakteristik der Brennkraftmaschine verbessert. Vorteilhaft baut eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auch kompakter und verringert so den notwendigen Platzbedarf, was insbesondere im Schiffseinsatz vorteilhaft ist. Als weiterer Vorteil kann das Abgas aufgrund der kurzen Gaswege und der räumlichen Nähe zur heißen Brennkraftmaschine der Abgasreinigungseinrichtung bei einer höheren Temperatur zugeführt werden. Abwärme der Brennkraftmaschine kann direkt zur Vor- bzw. Erwärmung der Abgasreinigungseinrichtung genutzt werden.
  • Zur Integration in die Motorarchitektur kann die Abgasreinigungseinrichtung mit dem Gehäuse der Brennkraftmaschine eine bauliche Einheit bilden und hierzu lösbar, beispielsweise durch Schraubverbindung, oder unlösbar, beispielsweise durch Schweiß- oder Nietverbindung, an diesem befestigt sein. Vorteilhaft erleichtert dies auch die Fixierung der bislang separat am Fundament befestigten Abgasreinigungseinrichtung und kann insbesondere die Aufstellzeit der kompletten Anlage verkürzen.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Abgasreinigungseinrichtung in die Motorarchitektur der Brennkraftmaschine integriert werden, indem sie in dem Gehäuse der Brennkraftmaschine wenigstens teilweise aufgenommen ist. Hierzu kann das Gehäuse entsprechende Aussparungen aufweisen, die vorzugsweise im Wesentlichen komplementär zu Teilen der Außenkontur der Abgasreinigungseinrichtung ausgebildet sind. Hierdurch können Platzbedarf und Abgaswege nochmals verkürzt und die Abwärme der Brennkraftmaschine besser genutzt werden. Zudem ist die Abgasreinigungseinrichtung so teilweise durch das Gehäuse der Brennkraftmaschine gegen mechanische Beschädigung geschützt.
  • Auf die gleiche Weise, insbesondere durch lösbare oder unlösbare Befestigung am Gehäuse der Brennkraftmaschine und/oder Ausbildung des Gehäuses der Brennkraftmaschine zur wenigstens teilweisen Aufnahme kann auch die Niederdruckturbine und/oder der Niederdruckverdichter in die Motorarchitektur der Brennkraftmaschine integriert sein, was die vorgenannten Vorteile noch vergrößert.
  • In einer bevorzugten Ausführung überbrückt eine durch ein Ventil umschaltbare Bypassleitung die Abgasreinigungseinrichtung und verbindet Hoch- und Niederdruckturbine miteinander. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Abgasreinigungseinrichtung temporär zu umgehen, um bestimmten Betriebsbedingungen, etwa Anfahren oder Fahren unter Maximalleistung Rechnung zu tragen. Das Ventil kann vorteilhafterweise ebenfalls in die Motorarchitektur der Brennkraftmaschine integriert, beispielsweise am Gehäuse der Brennkraftmaschine lösbar oder unlösbar befestigt und/oder wenigstens teilweise in diesem aufgenommen sein, um es zuverlässig zu fixieren.
  • Zur Erhöhung des Wirkungsgrades kann im Ladeluftstrom stromabwärts nach dem Nieder- und/oder Hochdruckverdichter ein Ladeluftkühler angeordnet werden. um die Verdichterarbeit zu verringern und der Brennkraftmaschine kühlere Ladeluft zuzuführen. Zusätzlich oder alternativ kann im Abgasstrom stromabwärts nach der Nieder- und/oder Hochdruckturbine ein Abgaswärmetauscher angeordnet werden, um die Enthalpie des Abgases zu nutzen. Bei zwischen Hochdruckturbine und Abgasreinigungseinrichtung angeordnetem Abgaswärmetauscher kühlt dieser das Abgas vorzugsweise höchstens auf eine zulässige Minimaltemperatur der Abgasreinigungseinrichtung herunter oder erwärmt das Abgas, um die Abgasreinigungseinrichtung mit höherer Temperatur zu beschicken.
  • Die Abgasreinigungseinrichtung kann insbesondere einen oder mehrere Katalysatoren, vorzugsweise einen oder mehrere SCR-Katalysatoren aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführung weist die Brennkraftmaschine zwei oder mehr Zylinderbänke auf, die je eine Abgasleitung und je eine Ladeluftleitung aufweisen. Die Abgasleitungen können mit derselben oder verschiedenen Hochdruckturbinen kommunizieren, die Ladeluftleitungen mit demselben oder verschiedenen Hochdruckverdichtern. Vorzugsweise ist zwischen der bzw. den Niederdruckturbinen und der bzw. den Hochdruckturbinen eine gemeinsame Abgasreinigungseinrichtung angeordnet, die in die Motorarchitektur der Brennkraftmaschine integriert ist. Durch die gemeinsame Nutzung einer in die Motorarchitektur integrierten Abgasreinigungseinrichtung kann der Platzbedarf weiter verringert werden.
  • Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige
  • 1: eine Brennkraftmaschine nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in der Draufsicht.
  • 1 zeigt einen zweistufig aufgeladenen Schiffsdiesel in V-Bauweise. Frischluft wird von zwei Niederdruckverdichtern NV1, NV2 aus der Umgebung angesaugt, verdichtet und durch erste Ladeluftkühler WT11, WT21 rückgekühlt. Anschließend wird sie durch zwei Hochdruckverdichter HV1, HV2 weiter verdichtet, durch zweite Ladeluftkühler WT12, WT22 erneut rückgekühlt und Ladeluftleitungen LL1, LL2 der beiden Zylinderbänke ZB1, ZB2 des Schiffsdiesels zugeführt.
  • Abgas aus diesen Zylinderbänken ZB1, ZB2 wird in Abgasleitungen AL1, AL2 gesammelt und zwei Hochdruckturbinen HT1, HT2 zugeführt, die mit den Hochdruckverdichtern HV1 bzw. HV2 durch je eine gemeinsame Welle gekoppelt sind und so einen ersten Hochdruckturbolader HV1, HT1 und einen zweiten Hochdruckturbolader HV2, HT2 bilden.
  • Im Normalbetrieb durchströmt das Abgas nach den Hochdruckturbinen HT1, HT2 einen SCR-Katalysator 1 und wird anschließend zwei Niederdruckturbinen NT1, NT2 zugeführt, die mit den Niederdruckverdichtern NV1 bzw. NV2 durch je eine gemeinsame Welle gekoppelt sind und so einen ersten Niederdruckturbolader NV1, NT1 und einen zweiten Niederdruckturbolader NV2, NT2 bilden. Aus diesen entweicht es in die Umgebung.
  • Soll die Brennkraftmaschine beispielsweise unter Maximalleistung laufen, wird ein Stellventil 3 geschaltet, welches den SCR-Katalysator 1 überbrückt und die Hoch- und Niederdruckturbinen HT1, HT2 und NT1, NT2 direkt miteinander verbindet, um Stauverluste im Katalysator zu vermeiden. Dieser Bypass kann auch geschaltet werden, wenn die Betriebsbedingungen für den SCR-Katalysator 1 ungeeignet sind, beispielsweise eine Abgastemperatur beim Anfahren noch zu gering ist.
  • In einer nicht dargestellten Abwandlung können die beiden Niederdruckverdichter NV1, NV2, die beiden Hochdruckverdichter HV1, HV2, die beiden Hochdruckturbinen HT1, HT2 und/oder die beiden Niederdruckturbinen NT1, NT2 auch durch einen Niederdruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, eine Hochdruckturbine bzw. eine Niederdruckturbine ersetzt sein.
  • Der SCR-Katalysator 1 und die beiden Niederdruckturbinen NT1, NT2 sind in dem in 1 strichliert angedeuteten Gehäuse 2 integriert. Hierzu sind ein Katalysatorgehäuse und Turbinengehäuse mit dem Gehäuse 2 des Schiffsdiesels verschraubt (nicht dargestellt). Der Katalysator 1 ist zudem in dem Zwischenraum zwischen den beiden Zylinderbänken ZB1, ZB2 des V-Motors teilweise aufgenommen. Hierzu ist das Motorgehäuse 2 in diesem Bereich im Wesentlichen komplementär zu einem unteren Bereich des Katalysatorgehäuses geformt, so dass der Katalysator 1 teilweise im Gehäuse 2 der Brennkraftmaschine aufgenommen, i. e. in dieses versenkt ist.
  • Hierdurch wird zum einen die Montage von SCR-Katalysator 1 und Niederdruckturboladern NT1–NV1, NT2–NV2 vereinfacht und kann beispielsweise bereits im Werk durchgeführt bzw. vorbereitet werden. Zum anderen ist insbesondere der teilweise im Gehäuse 2 der Brennkraftmaschine versenkte SCR-Katalysator 1 vor mechanischen Beschädigungen besser geschützt und wird vorteilhaft durch Abwärme der Brennkraftmaschine zusätzlich erwärmt. Außerdem sind die Gaswege zwischen Hochdruckturbinen HT1, HT2 und SCR-Katalysator 1 sowie zwischen SCR-Katalysator 1 und Niederdruckturbinen NT1, NT2 minimiert, was zu einem besseren Lastaufschaltverhalten des Schiffsdiesels führt.
    • 1
    Abgasreinigungseinrichtung (SCR-Katalysator)
    2
    (Gehäuse der) Brennkraftmaschine
    3
    Stellventil
    NV1, NV2
    Niederdruckverdichter
    HV1, HV2
    Hochdruckverdichter
    NT1, NT2
    Niederdruckturbine
    HT1, HT2
    Hochdruckturbine
    WT11, WT12,
    WT21, WT22
    Ladeluftkühler
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2004/097195 A1 [0005]
    • - DE 102004027593 A1 [0005]

Claims (13)

  1. Stationäre, mehrstufig aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse (2), einer ersten Stufe mit einer Niederdruckturbine (NT1, NT2) und einem Niederdruckverdichter (NV1, NT2) und einer zweiten Stufe mit einer Hochdruckturbine (HT1, HT2) und einem Hochdruckverdichter (HV1, HV2), wobei zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine eine Abgasreinigungseinrichtung (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese Abgasreinigungseinrichtung in die Motorarchitektur der Brennkraftmaschine integriert ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungseinrichtung (1) lösbar oder unlösbar an dem Gehäuse (2) der Brennkraftmaschine befestigt ist.
  3. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) der Brennkraftmaschine zur wenigstens teilweisen Aufnahme der Abgasreinigungseinrichtung (1) ausgebildet ist.
  4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckturbine (NT1, NT2) und/oder der Niederdruckverdichter (NV1, NV2) in die Motorarchitektur der Brennkraftmaschine integriert ist.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine durch ein Ventil (3) umschaltbare Bypassleitung, die die Abgasreinigungseinrichtung (1) überbrückt und Hoch- und Niederdruckturbine (HT1, NT1; HT2, NT2) miteinander verbindet.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (3) in die Motorarchitektur der Brennkraftmaschine integriert ist.
  7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Ladeluftstrom stromabwärts nach dem Nieder- und/oder Hochdruckverdichter ein Ladeluftkühler (WT11, WT12, WT21, WT22) angeordnet ist.
  8. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrom stromabwärts nach der Nieder- und/oder Hochdruckturbine ein Abgaswärmetauscher angeordnet ist.
  9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungseinrichtung wenigstens einen Katalysator, insbesondere wenigstens einen SCR-Katalysator (1) aufweist.
  10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine ein hochaufgeladener Großdieselmotor, insbesondere für Schwerölbetrieb ist.
  11. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Nennleistung von wenigstens 400 kW aufweist.
  12. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb eine Temperatur nach der Niederdruckturbine höchstens 330°C, insbesondere höchstens 300°C beträgt.
  13. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine wenigstens zwei Zylinderbänke aufweist, die je eine mit einer Hochdruckturbine kommunizierende Abgasleitung (AL1, AL2) und je eine mit einem Hochdruckverdichter kommunizierende Ladeluftleitung (LL1, LL2) aufweisen, wobei zwischen den Nieder- und den Hochdruckturbinen eine gemeinsame Abgasreinigungseinrichtung (1) angeordnet ist, die in die Motorarchitektur der Brennkraftmaschine integriert ist.
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