DK170218B1 - Stor trykladet dieselmotor - Google Patents

Description

i DK 170218 B1

Opfindelsen angår en stor trykladet dieselmotor, såsom en hovedmotor i et skib, omfattende en turbolader med en af udstødsgas drevet turbine og en af turbinen drevet kompressor, der leverer ladeluft til motorens 5 cylindre, hvor en recirkuleringspassage kan lede en del af udstødsgassen tilbage til motorens cylindre.

Fra eksempelvis japansk offentliggørelsesskrift 53-5321 kendes benzinmotorer, hvor NO -indholdet i udstødsgassen er begrænset ved at recirkulere en del af 10 udstødsgassen til motorens indsugningssystem, så motorens maksimale forbrændingstemperatur bliver lavere.

Den ved forbrændingen produceret mængde af NO afhænger således af den maksimale forbrændingstemperatur, at en stigende temperatur fører til en kraftig stigning af 15 NO -mængden. Recirkulering af 5-20% udstødsgas kan med den kendte teknik føre til op mod 30% mindskning af NO -mængden i udstødsgassen.

Det er naturligvis ønskeligt at begrænse motorens emission af miljøskadelige forbindelser ved kilden, men 20 den kendte metode til recirkulering af udstødsgas .er ikke uden problemer. Eksempelvis har recirkuleringen tendens til at øge partikelmængden i udstødsgassen, hvilket ses som røg. Dette skyldes antagelig, at iltindholdet i ladeluften falder med øgende recirku-25 leringsgrad.

Fra DE-A 25 04 308 kendes en motor, hvor en del af udstødsgassen renses ved opbobling gennem et vandbad inden recirkuleringen til indsugningssiden. Det anføres, at den rensede gas indeholder vanddamp, som ikke 30 medvirker til sænkning af NO -indholdet, men i stedet giver nedsat brændselsforbrug.

Fra WO 88/01016 er det kendt at rense udstødsgassen fra en dieselmotor i et vandbad og derefter recirkulere en del af den rensede og opfugtede gas til motorens 35 indsugningsside. Opfugtningen i vandbadet giver en vis 2 DK 170218 B1 afkøling af udstødsgassen og bidrager til at holde den maksimale forbrændingstemperatur nede. Da vanddampen har stor specifik varmekapacitet, bliver virkningen af at recirkulere udstødsgas større end ved de ovennævnte f 5 metoder. Motoren er ikke trykladet, og vandforbruget er stort, fordi al udstødsgassen opfugtes.

Store dieselmotorer anvender normalt heavy fuel olie som brændstof, hvilket giver store mængder forbrændingsprodukter, som er meget agressive over for de 10 motorkomponenter, der kommer i kontakt med udstøds-gassen. Den kraftigt forurenede udstødsgas kan ikke renses i tilstrækkelig grad ved opbobling gennem et vandbad. Fra DT-A-24 43 897 er det kendt at lede udstødsgas til en dieselmotors indsugningsside for at 15 reducere NOx-dannelsen ved forbrændingen. For at undgå forureningerne fra dieselmotorens egen udstødsgas, anvendes udstødsgassen fra en benzinmotor i stedet som recirkuleringsgas til dieselmotoren. Denne løsning gør motoranlægget væsentlig mere kompliceret og er desuden 20 uanvendelig på et skib, hvor der normalt kun må medtages en meget begrænset mængde brændstof i form af benzin.

Fra SE-B 314 555 og US-A 4 440 116 kendes turboladede motorer, hvor vand indsprøjtes i indsugningsluften opstrøms for kompressoren for at begrænse indsugnings-25 luftens temperaturstigning ved komprimeringen. Ved store højtydende dieselmotorer kan en sådan vandtilsætning føre til en ufordelagtig hurtig nedbrydning af den ømfindtlige kompressor, idet selv en meget ringe mængde fine vanddråber kan erodere bladene på kompressor-30 hjulet.

Opfindelsen har til formål at muliggøre recirkulering af udstødsgas i en stor trykladet dieselmotor på * en sådan måde, at motoren opretholder høj virkningsgrad samt lang levetid for motorkomponenterne, navnlig 35 omkostningskrævende komponenter, såsom turboladere, og 3 DK 170218 B1 at recirkuleringssystemets komponenter har en for sammenbygningen med motoren fordelagtig lille størrelse.

Med henblik herpå er den ovennævnte store dieselmotor ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at 5 recirkuleringspassagen på i og for sig kendt vis indeholder en enhed til opfugtning af udstødsgassen med vand, at opfugtningsenheden er en skrubber med et antal vandforstøvningstrin, at recirkuleringspassagen omfatter en ledning, som er afgrenet fra udstødsledningen 10 opstrøms for turbinen og er tilsluttet ladeluftledningen nedstrøms for kompressoren, og at ledningen er tilsluttet skrubberen og en fortrinsvis nedstrøms for skrubberen beliggende blæser til forøgelse af trykket i den recirkulerede udstødsgas.

15 Ved at anvende en skrubber med mindst et vandfor støvningstrin til rensningen af udstødsgassen bliver rensningen så effektiv, at dieselmotorens egen udstødsgas kan recirkuleres, selv når motoren drives på heavy fuel olie. Skrubberen kræver ikke megen plads, og 20 anbringelsen af skrubberens forstøverdyser i udstødsgassens strømningspassage medfører kun et fordelagtigt ringe trykfald over skrubberen, hvilket er af betydning for opretholdelse af høj motorvirkningsgrad. Skrubberen kan over en meget kort gasstrømningslængde forstøve 25 meget store mængder vand ind i den recirkulerede gas, hvilket er af betydning for opnåelse af den ønskede gode rensning, virksomme afkøling og opfugtning til stort set 100% relativ luftfugtighed. Skrubberen giver kraftigere afkøling af den recirkulerede gas end de kendte op-30 fugtningsenheder, hvilket fremmer nedbringelsen af NO -dannelsen.

Blæseren i recirkuleringspassagen muliggør recirkuleringen uanset de indbyrdes trykforhold mellem motorens indsugnings- og udstødsside, hvilket betyder , at 4 DK 170218 B1 recirkuleringen kan ske ved enhver ønsket motorbelast-ning.

Udstødsgassen udtages opstrøms for turboladerens turbine og køles og renses ved hjælp af vandtilsætning. * 5 Blæseren afleverer den recirkulerede gas nedstrøms for turboladerens kompressor. Størrelsen af turboladerens turbine og kompressor kan mindskes, fordi den recirkulerede gas ikke skal komprimeres i kompressoren. Den foretrukne køling af gassen opstrøms for blæseren 10 reducerer blæserens energiforbrug til omtrent det halve, bedømt i forhold til en situation, hvor blæseren skulle komprimere ukølet udstødsgas. Endvidere skånes den ømfindtlige blæser for de korrosive produkter i udstødsgassen.

15 Rensningen af den recirkulerede gas kan fremmes, ved at vanddråber fjernes fra udstødsgassen efter tilsætningen af forstøvet vand i hvert trin. Vandtilsætningen i et andet trin fører til, at gassens temperatur falder, hvilket bevirker en udkondensering af vand fra 20 den 100% fugtighedsmættede gas. Udkondenseringen vil først ske på de partikelforureninger, som findes i gassen. Når vanddråberne derefter fjernes fra gassen, inden denne forlader trinnet, vil de uønskede forureninger følge med. Hvis temperaturen af den således 25 rensede gas sænkes yderligere i et efterfølgende trin ved tilsætning af vand, vil dette temperaturfald føre til udkondensering af mere end den sidst tilsatte vandmængde fra gassen, og dette vand vil være stort set rent. Dette betyder, at gassen kan renses i skrubberen 30 uden noget egentligt vandforbrug.

1 en særlig hensigtsmæssig udførelsesform er * skrubberen tilsluttet ladeluftledningen, og den køler både den af kompressoren komprimerede luft og den recirkulerede udstødsgas. Dermed kan den velkendte 35 rørkøler til køling af ladeluften udelades. Dette giver 5 DK 170218 B1 en fordelagtig forenkling af motorens indsugningssystem, men der kan også med den direkte vandkøling af ladeluften og den heri indeholdte recirkulerede udstødsgas opnås en gastemperatur ved indløbet til forbrændingskam-5 rene, som er fra 10-12eC lavere end den temperatur, som kan opnås med en rørkøler.

En sådan sænkning af ladelufttemperaturen giver alt andet lige en forbedring af motorens specifikke brændstofforbrug (SFOC) på ca. lg pr. hkh. Den lavere lade-10 lufttemperatur mindsker også den maksimale forbrændingstemperatur og dermed NO -indholdet i udstødsgassen. De ovennævnte fordele ved opfindelsen udnyttes endvidere fuldtud, fordi der ved alle driftsforhold for motoren sker opfugtning af al den luft, som ledes til for-15 brændingskammeret. Derved bliver Ν0χ-mængden omtrent halveret. Hvis motoren anvendes på et skib, opnås i tillæg hertil, at ladeluften renses for det saltindhold, som ofte findes i indsugningsluften, hvorved motoren skånes for korrosive påvirkninger fra saltet.

20 1 en foretrukket udførelsesform, som især er anvendelig på et skib, har skrubberen et første op-fugtningstrin, hvor forstøverdyser forstøver saltvand i den gennemstrømmende gas, et mellemliggende rensningstrin, hvor de i gassen svævende væskedråber bliver 25 udskilt fra gassen, og mindst et afsluttende køletrin, hvor forstøverdyser forstøver ferskvand i den gennemstrømmende gas, og hvor kondenseret ferskvand udtages.

Der skal anvendes meget store vandmængder til opfugtning og rensning af udstødsgassen. Der kan typisk 30 være tale om, at vandbehovet er fra 3 til 4 gange større end motorens olieforbrug. Ved en stor dieselmotor af middelstørrelse med en ydelse på 35000 hk, giver dette et vandforbrug på fra 12 til 17 ton pr. time. På et skib er det forholdsvis energikrævende at fremstille fersk-35 vand, hvilket sædvanligvis sker i specielle ferskvands- 6 DK 170218 B1 generatorer, der ved fordampning under lavt tryk omdanner saltvandet til ferskvand.

Med den foretrukne udførelsesform er problemet med ferskvands forbruget løst ved at opfugte og rense i flere 5 trin, og ved at anvende saltvand i det første trin og at anvende ferskvand i det mindste i det sidste vandtilsætningstrin. Saltvandet står til rådighed i ubegrænsede mængder, og saltet vil, som nævnt ovenfor, udskilles fra gassen sammen med de øvrige forurenende stoffer. Hvis 10 der også tilsættes vand i et tredje og eventuelt også i et fjerde trin, vil det heraf forårsagede temperaturfald i gassen give en udskillelse af ferskvand, som langt overstiger den tilsatte ferskvandsmængde. Udover at dække vandbehovet til rensningen kan således opnås 15 den yderligere fordel, at der sker en egentlig produktion af ferskvand, som kan anvendes andre steder på skibet.

Eksempler på udførelsesformer ifølge opfindelsen forklares herefter nærmere med henvisning til den stærkt 20 skematiske tegning, hvor fig. 1 og 2 illustrerer diagrammer over to forskellige udførelsesformer for indsugnings- og udstødssystemet til en forbrændingsmotor ifølge opfindelsen, og fig. 3 en skitse af et trin i en skrubber.

25 I de tre udførelsesformer er forbrændingsmotoren generelt betegnet med 1. Motoren har en ladeluftreceiver 2 og en udstødsreceiver 3, og udstødsventilerne hørende til forbrændingskamrene er antydet ved 4. Motoren kan være en stor totakts dieselmotor, der kan 30 anvendes som hovedmotor i et skib eller som en stationær motor til drift af en generator i et kraftværk.

Fra ladeluftreceiveren ledes ladeluften til de enkelte cylindre og skylleluftporte. Når udstødsventilen 4 åbnes, strømmer udstødsgassen gennem en udstødskanal 35 ind i udstødsreceiveren 3 og videre gennem en sædvan- 7 DK 170218 B1 lig udstødsledning 5 til en turboladers turbine 6, hvorfra udstødsgassen strømmer bort gennem udstødsledningen 7. Turbinen 6 driver gennem en aksel 8 en kompressor 9, der fødes gennem en lufttilførsel 10.

5 Kompressoren 9 afleverer tryksat ladeluft til en ladeluftledning 11, som fører til ladeluftreceiveren 2.

Den i fig. 1 viste første udførelsesform er særlig relevant i de tilfælde, hvor en eksisterende motor 10 ombygges til drift ifølge opfindelsen uden udskiftning af den eksisterende rørkøler 12 til køling af ladeluften. Rørkøleren har en kølevandstilgang 13 og en kølevandsafgang 14. En sådan rørkøler kan normalt højst køle ladeluften ned til en temperatur, der ligger ca.

15 15°C over kølevandstemperaturen.

En recirkuleringsledning 15 er afgrenet fra udstødsledningen 5 og er tilsluttet ladeluftledningen 11, så recirkuleringsledningen danner en recirkulerings-passage sammen med den del af indsugningssystemet, som 20 ligger nedstrøms for ledningen 15's tilslutning til ledningen 11.

I ledningen 15 er indsat en skrubber 16, der sørger for opfugtning og rensning af udstødsgassen med vand. Gasafgangen fra skrubberen 16 leder til en 25 blæser 17, der er drevet af en motor 18. Selvom udstødsgassen udtages på højtrykssiden af turbinen 6, må den i blæseren 17 tildeles en trykstigning, som bringer trykket i den recirkulerede udstødsgas op over ladelufttrykket i ledningen 11. Skrubberen 16 kan 30 have et eller flere trin afhængig af graden af rensning og køling af udstødsgassen.

Den i fig. 2 viste anden udførelsesform afviger fra den første udførelsesform derved, at rørkøleren 12 er erstattet med en vandskrubber 19, som har fire trin.

35 1 et første trin 20 ledes saltvand fra en ledning 21 DK 170218 B1 i 8 til forstøverdyser, som opfugter og køler gassen med passende overskud af vand, så der ikke udskilles saltpartikler i gassen. Afslutningen af første trin indeholder en dråbefanger, som udskiller de i gassen ‘ 5 svævende væskedråber, der indeholder de uønskede forureninger fra gassen. I et andet trin 29 forstøves ferskvand tilført gennem en ledning 22 i gassen og bevirker derved en yderligere afkøling med medfølgende vandkondensation på eventuelle restpartikler heri. Et 10 tredje trin 23 indeholder en dråbefanger, som fjerner de i gassen svævende væskedråber. Gennem en ledning 24 ledes det udskilte vand overbord eller til en tank for senere rensning. Selv hvis vandet ledes overbord, vil der opnås en miljøfordel, idet de uønskede stoffer i 15 udstødsgassen derved deponeres direkte i havet uden at skulle op omkring atmosfæren. Om ønsket kan vandet inden udledningen renses med læsket kalk og eventuelt filtreres. I et fjerde trin 25 forstøves ferskvand tilført gennem en ledning 26 i gassen, hvilket som 20 nævnt frembringer udkondensering af en endnu større mængde ferskvand, som ledes bort fra skrubberen gennem en ledning 27, idet gastemperaturen bringes til at ligge meget tæt på vandets tilgangstemperatur. Skrubberen kan have færre trin, men gassens afkøling bliver 25 så mindre.

I fig. 3 ses et eksempel på udformningen af et trin 33 i en skrubber til placering i recirkuleringspassagen. Skrubberens hus 34 kan ved hjælp af flanger 35 forbindes til den gastransporterende ledning eller til 30 yderligere skrubbertrin. Gasstrømningsretningen er vist ved pilene 36. Et tilgangsrør 37 for fersk- eller * saltvand fører vandet til fordelingsrør 38, som hver bærer en række af dyser 39, som forstøver vandet ud i gassen. I de viste tilfælde sprøjter dyserne vandet ud 35 imod gassens strømningsretning, hvilket giver en god 9 DK 170218 B1 fordampnings- og rensningsvirkning, men der kan naturligvis også anvendes medstrømsdyser. Efter passagen af dyserne strømmer gassen gennem en dråbegenerator 40, der indeholder store flader, som er vinklet i forhold /· 5 til gassens strømningsretning. Dråbegeneratorens materiale kan eksempelvis bestå af meget porøst skum, trådnet eller ståluld. I dråbegeneratoren vil små væskedråber i gassen samles til større dråber, hvilket letter den efterfølgende fjernelse af dråberne fra 10 gassen i et dråbefangerafsnit 41, der som vist kan indeholde aflange pladestykker 42, der er skråtstillede i forhold til gassens strømningsretning, så gassen tvinges til at ændre retning ved passagen af pladerne 42. Som følge af dråbernes inerti vil de være lang-15 sommere til at ændre retning end selve gassen, og dråberne lander derfor på pladerne 42 og glider hen langs disse ind i et ombukket endeparti 43, hvor dråberne fanges og ledes ned til en samlerende, der afleverer kondensatet og den frasorterede væske til et 20 afgangsrør 44. Det vil ofte være muligt at udelade dråbegeneratoren 40, der kan give en vis strømnings-modstand. Hvis skrubberen har flere efter hinanden beliggende forstøvningstrin, foretrækkes det, at hvert trin indeholder et dråbefangerafsnit, så de efter-25 følgende trin slipper for at afkøle den væskemængde, som er bortledt i dråbefangerafsnittet. Hvis skrubberen kun skal rense den recirkulerede gasmængde, kan der ofte opnås tilstrækkelig rensning i et enkelt skrubbertrin. Skrubberen yder kun ringe strømningsmodstand, og den 30 kræver stort set ingen vedligeholdelse og er endvidere billig at fremstille.

Herefter beskrives eksempler på virkemåden af skrubberen i motoranlæg, hvor den recirkulerede gas renses i en skrubber og al indsugnings luften køles i en 35 skrubber med to trin. For nemheds skyld regnes der med 10 DK 170218 B1 en motor med en fuldlasteffekt på 10.000 kW og med et nominelt ladelufttryk på 3,55 bar. i «· · EKSEMPEL 1

Motoren køres ved 100% belastning, og den ambiente 5 luft har en temperatur på 25°C og en relativ fugtighed på 30%, hvilket betyder, at der i indsugningsluften vil være ca. 6 g vand/kg luft. Motorens luftforbrug er ca.

22 kg/s. Efter kompressoren 9 er luftens temperatur Τχ = 185eC.

10 I det første skrubbertrin tilføres forstøverdyserne en saltvandsmængde på 2,6 1/s, hvorved luften fordampningskøles ned til en temperatur på ca. « 70°C samtidig med, at luften opfugtes til 100% relativ fugtighed, hvor der er et vandindhold på 60 g/kg luft.

15 1 dråbefangeren bortledes en vandmængde på ca. 1,3 1/s.

Ved afgangen fra første skrubbertrin er luften stort set renset for eventuelt saltindhold.

I andet skrubbertrin udsendes gennem forstøvningsdyserne en ferskvandmængde på 35 1/s ved en vandtempera-20 tur på ca. Tv * 25°C. Derved afkøles luften til en temperatur på ca. T-^ * 35 °C, hvor den 100% fugtigheds-mættede luft har et vandindhold på ca. 9 g/kg luft. I dråbefangeren udskilles en vandmængde på ca. 36,1 1/s, hvorved andet skrubbertrin producerer en ferskvandsmæng-25 de på 1,1 1/s svarende til ca. 95 tons pr. døgn. Der er målt særdeles høje varmeovergangstal ved forstøvnings-køling af indsugningsluften, og det anslås, at varme-overgangstallene er fra 50-100 gange så høje som ved konventionelle rørkølere. Om ønsket kan luften i et 30 tredje skrubbertrin afkøles til få grader over vandtemperaturen, hvilket vil give en yderligere produktion af ferskvand.

11 DK 170218 B1

Hvis der anvendes en separat skrubber 16 til rensning af den recirkulerede udstødsgas i ledningen 15, vil det samtidig med rensningen være hensigtsmæssigt at afkøle udstødsgassen fra tilgangstemperaturen på ca.

5 375®C til indsugningsluftens temperatur på = 185"C efter kompressoren. Vandforbruget i skrubberen 16 vil være ca. 0,07 1/s svarende til 5,7 tons pr. døgn. Dette forbrug kan uden videre dækkes af ferskvand fra den anden skrubber. Hvis der i stedet for ovennævnte 10 skrubber anvendes en rørkøler, kan skrubberen 16 drives med saltvand.

EKSEMPEL 2

Med samme ambiente forhold som ovenfor og en motorbelastning på 75%, skal forstøvningsdyserne i 15 første skrubbertrin tilføres en saltvandsmængde på mindst 1,8 1/s, hvorved luften afkøles til ca. = 60®C og opfugtes til 100% relativ fugtighed, hvor vandindholdet er på ca. 45 g/kg luft.

I andet skrubbertrin tilføres en vandmængde på 35 20 1/s ved en temperatur på ca. Tv * 25°C, hvorved gassen køles til ca. = 30®C, hvor vandindholdet i den 100% mættede gas er ca. 12 g/kg luft. I andet trin produceres en ferskvandsmængde på ca. 0,5 1/s svarende til 43 tons pr. døgn.

25 Til rensning af den recirkulerede udstødsgas forbruges en vandmængde på ca. 0,10 1/s svarende til 8,6 tons pr. døgn.

I stedet for de ovenfor beskrevne skrubbere kan der anvendes en fra et inertgasanlæg kendt skrubber af det 30 japanske fabrikat Gadelius Marine K.K. og en dråbefanger fra samme firma virkende efter cyklonprincippet. Disse kendte anlæg har dog den ulempe, at de er pladskrævende.

Claims (3)

12 DK 170218 B1 PATENTKRAV r

1. Stor trykladet dieselmotor (1), såsom en hovedmotor i et skib, omfattende en turbolader med en af δ 5 udstødsgas drevet turbine (6) og en af turbinen drevet kompressor (9), der leverer ladeluft til motorens cylindre, hvor en recirkuleringspassage kan lede en del af udstødsgassen tilbage til motorens cylindre, kendetegnet ved, at recirkuleringspassagen (15, 10 11) på i og for sig kendt vis indeholder en enhed til opfugtning af udstødsgassen med vand, at opfugtnings-enheden er en skrubber (16, 19) med et antal vandforstøvningstrin (20, 29, 25), at recirkuleringspassagen omfatter en ledning (15), som er afgrenet fra udstøds-15 ledningen (5) opstrøms for turbinen (6) og er tilsluttet ladeluftledningen (11) nedstrøms for kompressoren (9), og at ledningen er tilsluttet skrubberen (15) og en fortrinsvis nedstrøms for skrubberen beliggende blæser (17) til forøgelse af trykket i den recirkulerede 20 udstødsgas.

2. Dieselmotor ifølge krav 1, kendetegnet v e d, at skrubberen (19) er tilsluttet ladeluftledningen (11), så den køler både den af kompressoren komprimerede luft og den recirkulerede udstødsgas.

3. Dieselmotor ifølge krav 1 eller 2, kende tegnet ved, at skrubberen har et første opfugtningstrin (20), hvor forstøverdyser forstøver saltvand i den gennemstrømmende gas, et mellemliggende rensningstrin (23), hvor de i 30 gassen svævende væskedråber bliver udskilt fra gassen, og mindst et afsluttende køletrin (25), hvor for- * støverdyser forstøver ferskvand i den gennemstrømmende gas og hvor kondenseret ferskvand udtages.