B E S C H R E I B U N G

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen.

Sie betrifft einen Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader, umfassend eine Hochdruckstufe, eine Niederdruckstufe, sowie parallel zur Hochdruckstufe angeordnete Mittel zur Energierückgewinnung.

Stand der Technik

Insbesondere bei grossen Schiffsmotoren ist es von Vorteil, die überschüssige Energie des Aufladesystems bei hohen Motorlasten abzuleiten. Diese Energie kann direkt als mechanische Leistung aus der Turboladerwelle (Power Take out, PTO) gewonnen werden. Alternativ kann eine Teilmenge des Abgases in einer Nutzturbine expandiert und ebenfalls in mechanische Energie umgewandelt werden. Die mechanische Leistung kann der Antriebswelle zugeführt oder durch einen Generator in elektrische Leistung umgeformt werden.

Die derart gewinnbare Leistung beträgt bei Volllast für 1 -stufig aufgeladene Motoren 3 bis 4% der Motorleistung. Dieser Anteil ist abhängig von der Differenz zwischen dem durch das Aufladesystem verfügbaren und dem für den zuverlässigen Motorbetrieb erforderlichen Aufladewirkungsgrad.

D u r c h d e n E i n s a t z d e r 2-stufigen Aufladung können der verfügbare Aufladewirkungsgrad u nd dadurch die gewinnbare Zusatzleistung gesteigert werden. Aus DE 3807372 sind verschiedene Schaltungsmöglichkeiten einer Nutzturbine in Verbindung mit 2-stufiger Aufladung bekannt.

Die überschüssige Energie der Aufladung hängt mindestens quadratisch von der Motorlast ab. Daraus resultiert, dass bei einer Reduktion der Motorlast von 100% auf 50%, sich die zusätzliche Leistung um mindestens den Faktor 4 reduziert. Grosse Schiffsmotoren fahren praktisch nie bei 100% Last. Typischerweise werden sie im Bereich 50 bis 85% Last betrieben. Dadurch fällt die tatsächlich gewinnbare Zusatzleistung im Durchschnitt unter 2% der Motornennleistung, was die erhebliche Investition für das Turbocompoundsystem unattraktiv macht. Die Verbreitung bekannter Turbocompoundsystemen mit Nutzturbine oder PTO ist entsprechend gering.

Kurze Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist, die gewinnbare Zusatzleistung auf dem ganzen Betriebsbereich zwischen 50 und 100% Motorlast zu maximieren.

Erfindungsgemäss werden hierfür bei einer 2-stufigen Aufladung die Druckverhältnisse zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe gezielt eingestellt, wodurch die quadratische Abhäng ig keit der über d ie N utzturbine oder den Power Take-Out gewinnbaren Zusatzleistung vom Expansionsverhältnis der Turboladerturbine und dem verfügbaren Abgasmassenstrom umgangen werden kann.

Erfindungsgemäss ist das Druckverhältnis ν,Νϋ über dem Niederdruckverdichter m i nd esten s 50 Prozent g rösser al s das Druckverhä ltn is ν,Ηϋ über dem Hochdruckverdichter.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Folgend ist anhand der Zeichnungen der erfindungsgemässe Verbrennungsmotor mit zweistufigem Abgasturbolader beschrieben. Hierbei zeigt

Fig. 1 das Schema eines Verbrennungsmotors mit einem zweistufigen

Aufladesystem mit PTO im Hochruckturbolader,

Fig. 2 das Schema eines Verbrennungsmotors mit einem zweistufigen

Aufladesystem mit einer Nutzturbine parallel zum Hochdruckturbolader, Fig. 3 ein Diagramm mit den Turbinencharakteristiken von Abgasturboladern mit einem Durchmesserverhältnis D _T /D _V > 1 und einem Durchmesserverhältnis

Fig. 4 ein Diagramm der Turbinen-Expansionverhältnisse bei ein- und zweistufiger

Aufladung, ).5 das Schema des Verbrennungsmotors mit einem zweistufigen

Aufladesystem mit PTO im Hochruckturbolader gemäss Fig. 1, mit dargestellten Regelungsmöglichkeiten,

).6 das Schema des Verbrennungsmotors mit einem zweistufigen Aufladesystem mit einer Nutzturbine parallel zum Hochdruckturbolader gemäss Fig.2, mit dargestellten Regelungsmöglichkeiten, und

).7 einen Schnitt entlang der Turboladerachse durch einen Abgasturbolader mit einem Durchmesserverhältnis D _T /D _V > 1.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig.1 zeigt schematisch ein an sich bekanntes zweistufiges Aufladesystem eines Verbrennungsmotors.

Der Verbrennungsmotor 2 weist einlassseitig einen Ladeluftaufnehmer 1 und auslassseitig einen Abgasaufnehmer 3 auf. Aus diesem gelangt das aus den Brennkammern des Motors kommende Hockdruckabgas durch eine Hochdruckabgasleitung 5 in eine Hochdruckturbine 15 eines zweistufigen Abgasturboladers. Das in der Hochdruckturbine 15 teilentspannte Abgas strömt über eine Niederdruckabgasleitung 16, einen Niederdruckabgasaufnehmer 4 und eine weitere Niederdruckabgasleitung 6 in eine Niederdruckturbine 7 und über eine Auspuffleitung 8 ins Freie.

Der mit der Niederdruckturbine 7 verbundene Niederdruckverdichter 10 saugt die Verbrennungsluft über eine Ansaugleitung 9 an und drückt sie über einen Niederdruck- Ladeluftkühler 12 und eine Niederdruckladeluftleitung 11 in den von der Hochdruckturbine 15 angetriebenen Hochdruckverdichter 18, aus dem sie als Hochdruckladeluft über einen Hochdruck-Ladeluftkühler 21 und eine Hochdruckladeluftleitung 19 und den Ladeluftaufnehmer 1 in die Brennkammern des Motors 2 gelangt. Das in Fig.1 dargestellte Aufladesystem weist zudem eine Power Take-Out (PTO) Vorrichtung zur Entnahme von Leistung aus dem Hochdruck- Abgasturbolader 33 auf. Beispielsweise kann die entnommene Leistung direkt in einem mit der Welle des Abgasturboladers verbundenen Generator 25 in elektrische Leistung gewandelt werden. Das in Fig. 2 dargestellte Aufladesystem weist anstelle des mit der Welle des Hochdruck-Abgasturboladers verbundenen Generators eine in der Hochdruck- Abgasleitung parallel zur Hochdruckturbine 15 angeordnete Nutzturbine 20 auf, die in einem bestimmten Lastbereich, beispielsweise 40% bis 100% der Motorenlast, über eine durch ein Absperrorgan 26 absperrbare und von der Hochdruckabgasleitung 5 abzweigende Nutzturbinenabgasleitung 28 mit Hochdruckabgas beaufschlagt werden kann. Über eine Schaltkupplung ist ein Generator 25 an die Nutzturbine gekoppelt. Alternativ kann die Leistung der Nutzturbine mechanisch genutzt werden, indem etwa über ein Zahnradgetriebe und eine Schaltkupplung die Leistung der Nutzturbine auf die Motorkurbelwelle übertragen wird.

Die über die Nutzturbine oder den Power Take-Out gewinnbare Zusatzleistung hängt stark vom Expansionsverhältn is der Tu rboladerturbine u nd dem verfügbaren Abgasmassenstrom ab. Sowohl das Expansionsverhältnis als auch der Abgasmassenstrom nehmen zumindest linear mit der Motorlast ab. Das Produkt der beiden Faktoren ergibt die zumindest quadratische Abhängigkeit.

Mit einer 2-stufigen Aufladung und günstiger Aufteilung der Druckverhältnisse zwischen der Hoch- und Niederdruckstufe lässt sich diese quadratische Abhängigkeit umgehen. Diese Aufteilung kann durch das Verhältnis ν,Νϋ / πν,Ηϋ charakterisiert werden. Das Verhältnis ist erfindungsgemäss mindestens 1 .5 sein, der Idealwert liegt bei 2.

U nte r d i ese n Vo ra u ssetzu n g en n utzt m a n aus folgendem Grund das Expansionsverhältnis der Hochdruckturbine für die Entnahme der Zusatzleistung: das Expansionsverhältnis der Hochdruckturbine bleibt im Bereich zwischen 50% und 100% der Motorlast nahezu konstant, wie dies aus der Fig . 4 ersichtl ich ist. In d iesem Diagramm sind die Expansionsverhältnisse von Abgasturbinen in Abhängigkeit der Motorlast dargestellt. Die Kurve 1 zeigt das Expansionsverhältnis einer Turbine bei einstufiger Aufladung, die Kurve 2 das Expansionsverhältnis der Niederdruckturbine einer zweistufigen Auflad u ng u nd d ie Ku rve 3 das Expansionsverhältn is der Hochdruckturbine der zweistufigen Aufladung. Die gewinnbare Zusatzleistung ist somit nur noch durch den Abgasmassenstrom bestimmt, welcher linear mit der Motorlast variiert.

Dank des besseren Wirkungsgrades der 2-stufigen Aufladung ist in der Summe eine Zusatzleistung von 6 bis 7% der Motornennleistung bei 100% Motorlast realisierbar. Bei 50% Motorlast beträgt d ie rückgewinnbare Leistung immer noch 3 bis 4% der Motornennleistung. Im Vergleich zu heutigen Anwendungen entspricht das bei 100% Last einer Verdoppelung der rückgewinnbaren Leistung bei 50% Last sogar einer Erhöhung um den Faktor 4 bis 5.

Die gewinnbare Zusatzleistung erreicht bis zu 50% der Wellenleistung des Hochdruck- Turboladers. Diese Entnahme der Zusatzleistung beeinflusst das Hochdruck- Turboladermatching. Die entscheidende Grösse für das Turboladermatching ist die Laufzahl der Turbine v. Sie ist definiert als

mit UT als Turbinenumfanggeschwindigkeit und Co der isentropen Strömungsgeschwindigkeit durch die Turbine. Die Laufzahl ist proportional zum Durchmesserverhältnis D _T /D _V und der Wurzel des Produktes der Verhältnisse der Massenströmen (Turbine zu Verdichter) und der Leistungen (Verdichter zu Turbine). Ein konventioneller Turbolader ist mit einem Durchmesserverhältnis D _T / D _v ^s 0.9 ausgelegt. Dadurch erg ibt sich beim Gleichgewicht zwischen Verd ichter- und Turbinenleistung eine Laufzahl von etwa 0.7, bei welchem der Turbinenwirkungsgrad typischerweise ein Optimum aufweist.

Wird vom Turbolader 50% der Turbinenleistung in Form von Leistung (PTO) oder Massenstrom (Nutzturbine) entnommen, reduziert sich die Laufzahl mit der Wurzel der Leistungsverhältnisse, d. h. bis um etwa 30%. In der Formel oben wird im Fall PTO die Turbinenleistung PT erhöht, im Fall Nutzturbine der Massenstrom mT reduziert, das Endresultat bleibt aber gleich. Da die Kurve des Turbinenwirkungsgrades über der Laufzahl, wie in Fig. 3 gezeigt ist, näherungsweise eine Parabel darstellt, führt eine Verschiebung der Laufzahl um 30% zu einer Reduktion des Turbinenwirkungsgrad von 0.3 ^Λ 2 = 0.09 (= 9%). Diese würde den Wirkungsgrad des gesamten Aufladesystems und dadurch die gewinnbare Zusatzleistung beeinträchtigen.

Das Problem kann gelöst werden, indem die Hochdruck-Turbine bzw. der Hochdruck- Turbinendurchmesser D _T grösser dargestellt wird als der Hochdruck- Verdichterdurchmesser: das Durchmesserverhältnis D _T /D _V soll mindestens 1 betragen, vorzugsweise 1 .1 bis 1 .2. Ein derartiges System, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, hat generell den Vorteil, dass sich die Energierückgewinnung ausschliesslich auf die Hochdruckstufe auswirkt. Hochdruckstufe he isst hohe Drücke, hohe Dichten , hohe Leistungsd ichte und entsprechend kleine Grösse der notwendigen Komponenten. Im Vergleich zu einem System, welches sich auf die Niederdruckstufe auswirkt, werden die Kosten deutlich tiefer.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Anzahl der Hochdruck-Turbolader durch die Wahl von grösseren Turboladern reduziert werden kann, idealerweise durch einen einzigen. Dadurch wird der Hochdruck-Turbolader gross und dreht entsprechend relativ langsam, was insbesondere im Falle von PTO die Kosten für den elektromechanischen Teil des Systems stark reduziert.

Eine weitere Anforderung an das System ist die Regelbarkeit der Zusatzleistung in Abhängigkeit von Motorbetriebsbedingungen . Dies kann durch die elektronische Regelung im Falle von PTO bzw. mittels variabler Geometrie der Nutzturbine gelöst werden . Generel l si nd al l e bekan nten Regeloption en, also etwa variable Leitvorrichtungen am Niederdruck-Verdichter oder Variable Turbinengeometrien an beiden Aufladestufen, mit dem beschriebenen System kombinierbar. Eine weitere Mögl ich keit ergibt sich bei modernen Motoren m it regelbaren Steuerzeiten : d ie Zu satzl eistu ng ka n n d u rch Va riation d er Steuerzeiten (vorzug sweise des Auslassschliesspunktes) geregelt werden. Fig. 5 und Fig. 6 zeigen die Schemen nach Fig. 1 und Fig. 2 mit den jeweiligen Regelungsmöglichkeiten. Zur Regelung des erfindungsgemässen System sind weitere Details dem im CIMAC Paper No. 63, 2007, „New Applications Fields for Marine Waste Heat Systems by Analysing the Main Design Parameters" zu entnehmen.

Bezugszeichenliste Ladeluftaufnehmer

Brennkraftmaschine

Abgasaufnehmer

Niederdruckabgasaufnehmer

Hochdruck-Abgasleitung

Niederdruck-Abgasleitung

Niederdruckturbine

Auspuffleitung

Ansaugleitung

Niederdruckverdichter

Niederdruck-Ladeluftleitung

Niederdruck-Ladeluftkühler

Huchdruckturbine

Niederdruck-Abgasleitung

Hochdruckverdichter

Hochdruck-Ladeluftleitung

Nutzturbine

Hochdruck-Ladeluftkühler

Absperrorgan

Generator

Absperrorgan

Niederdruck-Abgasleitung

Hochdruck-Abgasleitung

Niederdruckturbolader

Hochdruckturbolader