Turboaufladung an modernen mittelschnelllaufenden Dieselmotoren

Anforderungen und Entwicklungen

Dr.-Ing. Kai Ruschmeyer

Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG, Kiel

TU Braunschweig – Ringvorlesung, 30. Juni 2015

Caterpillar Inc. - Kurzportrait

Caterpillar – Leistungsspektrum Antriebstechnik

Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG

– Einleitung

– Anwendungsbeispiele

– Rahmenbedingungen

– Aktuelle Entwicklungen

– Konzepte für zukünftige Motoren

Gliederung

– Einleitung• Mittelschnelllaufende Großmotoren

– Anwendungsbeispiele– Rahmenbedingungen– Aktuelle Entwicklungen – Konzepte für zukünftige Motoren

Gliederung

mittelschnelllaufendend:

• Motordrehzahl unterhalb ca. 1000 min-1

• Zylinderbohrung bis ca. 500 mm

• Kolbenhub bis ca. 600 mm

• Nutzmitteldruck 24 - 28 bar

• Zünddruck bis ca. 230 bar

• Ladeluftdruck bis ca. 5 bar (einstufig!)

Mittelschnelllaufender Dieselmotor – Was ist das?

[Quelle: Wärtsilä]

12VM43C

6M32C Genset

– Einleitung– Anwendungsbeispiele

• Marine

• Petroleumindustrie

• Stationäre Kraftstationen

– Rahmenbedingungen– Aktuelle Entwicklungen – Konzepte für zukünftige Motoren

Gliederung

Bergungsschlepper 4x 9M32

Marine – Offshore, Spezielschiffe

Marine – Feeder, Multi-Purpose-Carrier

J.J. Sietas Typ 168 1x 9M43C

Fährschiff 4x 12M43, 3x 8M25

Marine – Fähren

Marine – Kreuzfahrtschiffe

Kreuzfahrtschiff 4x 9M43C

Verdichterstation 6x 16GCM34

Oil & Gas – Verdichteranlagen, Bohrplattformen

Power Station 10x 16VM32

Power Generation

– Einleitung– Anwendungsbeispiele– Rahmenbedingungen

• Kundenanforderungen

• Gesetzliche Rahmenbedingungen

– Aktuelle Entwicklungen – Konzepte für zukünftige Motoren

Gliederung

Verfügbarkeit• Komplexität / Robustheit• Service• Flexibilität

Investitionskosten• Motor• Anlage

Emissionen• Marine / IMO• Stationär / Weltbank• Lokale Gesetzgebung

Einsatzgebiet• Kraftstoffart• Aufstellort• Betriebsstrategie• Personal

Betriebskosten• Kraftstoff• Schmieröl• Service

AC

B

Spannungsfeld der Kundenforderungen

Einsatzbedingungen

Motivation: Prices for Marine Fuels 2003 to 2015

-

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0

250

500

750

1000

1250

1500

D 03 D 04 D 05 D 06 D 07 D 08 D 09 D 10 D 11 D 12 D 13 D 14 D 15

Pri

ce R

ati

o M

GO

/HF

O

(-)

Fu

el P

rice

($

/T)

Time (Year)

MGO HFO Ratio

Reduction of NOx-Emissions by roughly 80% in ECAs introducing 2016 (IMO Tier 3)

MaK Products

NOx

Engine Speed [rpm]

Sp

ec. N

Ox-E

mis

sio

n [

g/k

Wh

]IMO Emission Regulation for Seagoing Ships

Reduction of maximum Sulfur contentin operated fuel from 2015 ECAs by 90%!

Sulfur

Year

Fu

el S

ulf

ur

Co

nte

nt

[%]

global

EU Ports

currently: Northern America, (Baltic Sea and North Sea)

Discussed for Mediterranean Sea, Japan, Korea and Australia

Emission Control Areas (ECAs/SECAs)

[Quelle: Petromedia]

– Einleitung– Anwendungsbeispiele– Rahmenbedingungen– Aktuelle Entwicklungen

– Konzepte für zukünftige Motoren

Gliederung

Abgasturboaufladung – Entwicklung des Ladedrucks

[Quelle: Berger, Wunderwald – ABB Turbo Systems]

Abgasturboaufladung – Entwicklung der Druckverhältnisse

[Quelle: K. Heinrich – ABB Turbo Systems]

Abgasturboaufladung – Entwicklung der Druckverhältnisse

– Einleitung– Anwendungsbeispiele– Rahmenbedingungen– Aktuelle Entwicklungen

• Herausforderungen und Möglichkeiten für den Motorenbauer

– Konzepte für zukünftige Motoren

Gliederung

Beeinflussung der Turbine

Waste-Gate (WG) / Turbinen-Bypass

Beeinflussung des Verdichters

Blow-Off-Valve (BOV) / Abblasen

Cylinder-Bypass-Valve (CBV) / Umblasen

Compressor-Bypass-Valve (CoB) / Verdichter-Umblasen

Regelorgane

Turbine: Turbinen-Bypass „Wastegate“

Zielsetzung:• Motorauslegung für Teillast mit engem Turbinenquerschnitt• Erhöhter Ladedruck bei niedriger und mittlerer Last• Wastegate verhindert Überdrehzahl des Turboladers und/oder

Zünddrucküberschreitung• Beeinflussung der Abgastemperatur nach Turbine (SCR-Einsatz)

Fall „0“:• Kein Wastegate• ATL Drehzahl steigt und erreicht evt.

die Drehzahlgrenze• T_vT bleibt nahezu konstant• p_nV steigt

Turbine: Turbinen-Bypass „Wastegate“

VolumenstromV

erd

ichte

rdru

ckve

rhältn

is

0

WGFall „WG“:• Mit geöffnetem Wastegate• ATL-Drehzahl sinkt• p_nV sinkt• Zünddruck sinkt• T_vT steigt• ATL-Wirkungsgrad sinkt• Spülgefälle über Motor steigt

Verdichter: Zylinder-Bypass „CBV“

Zielsetzung:

• Direktes Einbringen von Ladeluft in die Abgasleitung• Verschieben des Verdichter-Betriebspunktes• Verbesserung des Betriebs mit abgesenkter Motordrehzahl (CPP, FPP,

Pumpenantrieb)

Fall „G“:• Gedrückte Motordrehzahl (z.B.

Festpropeller)• Pumpgrenzabstand nimmt ab• ATL-Drehzahl sinkt• p_nV sinkt• T_vT steigt

Verdichter: Zylinder-Bypass „CBV“

VolumenstromV

erd

ichte

rdru

ckve

rhältn

is

G

CBV

Fall „CBV“:• Gedrückter Motordrehzahl• Geöffnetes CBV• T_vT sinkt• p_nV steigt• ATL-Drehzahl steigt• Spülgefälle über Motor sinkt• Auslaßventiltemperatur steigt

SCR-Betrieb: spezielle Anforderungen

Co

ole

r

• Kraftstoffabhängige Katalysator-Betriebs-Temperatur

• Kritischer Betriebsbereich bei 60 – 90% der Nennleistung (n=const.)

• Anpassung des PLD-Einspritzsystems nicht zielführend

• Anpassung des Luftpfades erforderlich

SCR

Sulfur content in fuel [%]

Exh

au

st g

as

tem

p. @

SC

R [

°C]

– Einleitung– Anwendungsbeispiele– Rahmenbedingungen– Aktuelle Entwicklungen – Konzepte für zukünftige Motoren

Gliederung

Current

design

EGRDF / Gas

SCR

Motorkonzepte

Konzepte mit zweistufiger Aufladung

• Ungeregeltes System (ohne WG etc.)

• Betrieb mit relative hohem Luftverhältnis

• Erweiterter Miller-Zyklus

• Erhöhung der Leistungsdichte

• Erhöhung des Motorwirkungsgrades

• Alternative Reduktion der NOx-Emissionen um ~30%

Cooler

Cooler

FCT

Zweistufige Aufladung

• Prototype system

• Higher Efficiency with two-stage charging, especially in “mid” load operation

• Operation at very high loads:

• Losses in charging efficiency

• Point of max. efficiency depends on compression ratios (LP to HP)

• Marine application

• max. efficiency typically needed at 75 to 85% power

• EPG application

• max. efficiency typically needed at more than 85% power

single-stage

two-stage

single-stage (overload)

Power / Cylinder [kW]

TC

Eff

icie

ncy

Efficiency

Wirkungsgrade der Aufladegruppe

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0 2 4 6 8 10 12

Wir

ku

ng

sgra

d d

er

Au

fla

de

gru

pp

e

Druckverhältnis Verdichter

einstufig einstufig ext. zweist. Proto zweist. final

5%

SSC• Challenge: realize propulsion

mode for marine „Single Main“ application

• Restrictions due to exhaust and valve temperature

TSC• Wide operating range• High air-fuel-ratio allows reduced

engine speed

Capability for Marine Application

Engine Speed

Po

wer

TSC

SSC

nom. Prop-Curve

Po

wer

[%]

Engine Speed [%]

SSC

TSC

„Low-Speed“-Operation

Significant increased propulsion efficiency!!!

Konzepte mit zweistufiger Aufladung

• NOx-Reduktion durch Sauerstoffabreicherung (AGR)

• AGR ist Stand der Technik bei PKW und NFZ

• Umschaltung zwischen ECA-Mode (AGR) und nonECA-Mode (ohne AGR)

� Wirtschaftlicherer Betrieb

• Umschaltung erfordert variable Ventilsteuerzeiten

• Flexibles Einspritzsystem mit hohen Einspritzdruck notwendig

Cooler

Cooler

FCT

Cooler

ECA-Betrieb(AGR)

nonECA-Betrieb(AGR aus, WG auf)

Zweistufige Aufladung und Hochdruck-AGR

Volumenstrom

Verd

ichte

rdru

ckve

rhältn

is

ND-Verdichter AGRaktiv

Zweistufige Aufladung und Hochdruck-AGR

Volumenstrom

Verd

ichte

rdru

ckve

rhältn

is

HD-Verdichter

AGRinaktiv

AGRinaktivWG aktiv

Verdichter Turbine

Druckverhältnis ~ 5,5 ~ 4 – 4,5

Massenstrom mV ~ 1,05 x mV

Temperatur < 50°C > 500°C

EGR - Lader Verdichter Turbine

Druckverhältnis ~ 1,3 ~ 2

Massenstrom ~ 0,2 – 0,3 x mV ~ 0,25 x mV-AGR

Temperatur >> 100°C > 500°C

Rotor kleiner Durchmessergrößer

[Quelle: E. Codan – ABB Turbo Systems]

AGR-Turbolader für Abgasverdichtung

Cooled EGR – Cooler Fouling

EGR cooling critical to fuel sulfur content (S~0,1%)!

Contamination by soot

Condensation of sulfuric acid in the EGR path

Test bed experiments with scaled EGR cooler(Car engine running on sulfur enriched fuel)

HP-TC

EGR System

Charge Air Cooler

LP-TC

Inter-Cooler

TSC and EGR – Design Concept 9M32

Konzepte mit zweistufiger Aufladung

Cooler

Cooler

FCT• Two-stage turbo charging (TSC)

• Decrease NOx-Emissions by aftertreatment

• Capability to reduce NOx by > 90%

• Required temperature level for SCR operation

• Compact system design

SCR

TSC and SCR-System

HP-TC

IT-SCR System

Charge Air Cooler

LP-TC

Inter-Cooler

TSC and IT-SCR – Design Concept 9M32

175

180

185

190

195

200

205

210

215

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

sp

ezif

isc

he

r K

raft

sto

ffve

rbra

uc

h i

n g

/kW

h

Stickoxid-Emissionen in g/kWh

TSC

EGR

IT-SCR

Möglichkeiten moderner Aufladekonzepte – Zusammenfassung

– Spreizung der Kundenwünsche– (n)one-fits-all: Diversifizierung der Anforderungen an die

Motoren und damit an die Aufladung– Aufladungssysteme werden komplexer, aber ermöglichen

neue Konzepte• Hohe Wirkungsgrade (z.B. stationäre Anlagen)• AGR zur Erfüllung kommender Emissionsrichtlinien• etc.

– Neue Konzepte validiert, aber noch nicht uneingeschränkt serienreif

– Weiterhin ausreichend Beschäftigung für Motoren- und Turboladerentwicklung

Zusammenfassung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!