Turboaufladung an modernen mittelschnelllaufenden Dieselmotoren
Anforderungen und Entwicklungen
Dr.-Ing. Kai Ruschmeyer
Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG, Kiel
TU Braunschweig – Ringvorlesung, 30. Juni 2015
– 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]
– Einleitung– Anwendungsbeispiele
• Marine
• Petroleumindustrie
• Stationäre Kraftstationen
– Rahmenbedingungen– Aktuelle Entwicklungen – Konzepte für zukünftige Motoren
Gliederung
– 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
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
[Quelle: Berger, Wunderwald – 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
• 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!!!
• 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)
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
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