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Dokumentenidentifikation DE102004029286B4 22.01.2009
Titel Motorenanlage
Anmelder MAN Diesel SE, 86153 Augsburg, DE
Erfinder Seidl, Thomas, 86150 Augsburg, DE
DE-Anmeldedatum 17.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004029286
Offenlegungstag 12.01.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse F02B 37/00  (2006.01)  A,  F,  I,  20051017,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse F02B 61/04  (2006.01)  A,  L,  I,  20051017,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Motorenanlage, insbesondere eine Schiffsmotorenanlage.

Schiffsmotorenanlagen, die vorzugsweise als Dieselmotorenanlagen ausgebildet sind, verfügen in der Regel über mindestens einen insbesondere als Zweitakt-Dieselmotor ausgebildeten Hauptmotor sowie mindestens einen insbesondere als Viertakt-Dieselmotor ausgebildeten Hilfsmotor, wobei der Hauptmotor der Bereitstellung einer Antriebsleistung zur Fortbewegung des Schiffs und der Hilfsmotor der Bereitstellung von elektrischer Energie für ein Bordnetz des Schiffs dient. Nach dem Stand der Technik ist zumindest dem Hauptmotor solcher Motoranlagen ein Abgasturbolader zugeordnet, der die in einem Abgasstrom des Hauptmotors enthaltende Energie in einer Turbine in mechanische Energie zum Antrieb eines Verdichters des Abgasturboladers wandelt, um einen dem Verdichter zugeführten Frischluftmassenstrom zu verdichten und mit einem erhöhten Ladedruck dem Hauptmotor zuzuführen.

Durch den Entwicklungsfortschritt der Turboladertechnik werden immer höhere Turboladerwirkungsgrade zur Verfügung gestellt. Bei sonst unveränderten Randbedingungen erhöht sich sowohl der Luftmassenstrom durch den Motor als auch der Abgasmassenstrom proportional mit dem Wirkungsgrad des Abgasturboladers. Speziell bei als Zweitakt-Dieselmotoren ausgebildeten Hauptmotoren kann mit dem zusätzlichen Luftmassenstrom bzw. Abgasmassenstrom des Hauptmotors jedoch keine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads der Motorenanlage erzielt werden. Nach dem Stand der Technik wird der überschüssige Abgasmassenstrom in sogenannten Turbo-Compound-Motorenanlagen genutzt, um mit dem überschüssigen Abgasmassenstrom eine Nutzturbine zur Bereitstellung mechanischer oder elektrischer Energie anzutreiben.

So ist durch die DE 37 118 63 C2 eine Schiffsmotorenanlage bekannt geworden, mit einem Hauptmotor zur Bereitstellung einer Antriebsleistung und einem Hilfsmotor zur Bereitstellung elektrischer Leistung, wobei dem Hauptmotor ein Abgasturbolader zugeordent ist. Die Kopplung zwischen Hauptmotor und Hilfsmotor über eine Nutzturbine dient zur Erzeugung einer zusätzlichen Antriebskraft für den Verdichter, der den Hilfsmotor auflädt.

Mit derartigen Turbo-Compound-Motorenanlagen lässt sich zwar der thermische Wirkungsgrad der gesamten Motoranlage verbessern, Nachteile solcher Turbo-Compound-Motorenanlagen sind jedoch die hohen Anschaffungskosten, der hohe Installationsaufwand, ein erhöhter Service-Bedarf sowie ein erhöhter Ausbildungsbedarf des Bedienpersonals sowie erforderliche komplexe Steuerungssysteme.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, eine neuartige Motorenanlage, mit einem aufgeladenen Haupt- und einem Hilfsmotor zu schaffen, die die Enthalpie des zusätzlichen Abgasmassestroms ausnützt.

Dieses Problem wird durch eine Motorenanlage, insbesondere eine Schiffsdieselmotorenanlage, gemäß Patentanspruch 1 und gemäß Patentanspruch 2 gelöst. Erfindungsgemäß sind der Hauptmotor und der Hilfsmotor derart gekoppelt, dass im Bedarfsfall ein Teil des vom dem Hauptmotor zugeordneten Abgasturbolader verdichteten Frischluftmassenstroms dem Hilfsmotor zuführbar ist.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, eine thermodynamische Kopplung des Hauptmotors mit dem Hilfsmotor zu etablieren. Überschüssige, vom dem Hauptmotor zugeordneten Abgasturbolader verdichtete Luft wird in einen Bypass-Luftmassenstrom umgesetzt, der dem Hilfsmotor zur Erhöhung dessen thermodynamischen Wirkungsgrads und zur Reduzierung von Emissionen zur Verfügung gestellt wird und dem Hilfsmotor ein eigener Abgasturbolader zugeordnet ist, so dass entweder mittels dieses Abgasturboladers eine zweistufige Verdichtung des Frischluftmassenstroms für den Hilfsmotor erfolgen kann, oder der, dem Hilfsmotor zugeordneten Abgasturbolader unabhängig von dem Hauptmotor zugeordneten Abgasturbolader einen Frischluftmassenstrom zur Verdichtung desselben ansaugen kann. Mit der hier vorliegenden Erfindung kann die Energiebilanz der gesamten Motoranlage und damit der thermische Wirkungsgrad derselben verbessert werden. Die sogenannten Turbo-Compound-Motorenanlagen anhaftenden Nachteile werden mit der hier vorliegenden Erfindung vermieden.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

1: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Motorenanlage nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

2: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Motorenanlage nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 in größerem Detail beschrieben.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Motorenanlage 22, nämlich einer Schiffsdieselmotorenanlage. Die Motorenanlage 22 verfügt über einen Hauptmotor 2 sowie einen Hilfsmotor 3. Der Hauptmotor 2 ist als Zweitakt-Dieselmotor ausgebildet und dient dem Antrieb einer Schiffsschraube 4 zur Bereitstellung einer Antriebsleistung zur Fortbewegung des Schiffs. Der Hilfsmotor 3 ist vorzugsweise als Viertakt-Dieselmotor ausgebildet, der einen Generator 5 zur Bereitstellung elektrischer Energie antreibt, wobei die elektrische Energie zum Betreiben eines Bordnetzes des Schiffs benötigt wird.

Im Ausführungsbeispiel der 1 ist ein erster Abgasturbolader 6 dem Hauptmotor 2 der Motorenanlage 1 zugeordnet. Der erste Abgasturbolader 6 verfügt über eine Turbine 7, wobei ein Abgasstrom 8 des Hauptmotors 2 in der Turbine 7 des ersten Abgasturboladers 6 entspannt wird und wobei hierbei die im Abgasstrom 8 enthaltende Energie in mechanische Energie zum Antreiben eines Verdichters 9 des Abgasturboladers 6 gewandelt wird. Der in der Turbine 7 entspannte Abgasstrom wird im Sinne des Pfeils 10 einer als Kamin ausgeführten Abgasableitung 11 zugeführt.

Die in der Turbine 7 des ersten Abgasturboladers 6 aus dem Abgasstrom 8 erzeugte mechanische Energie wird im Verdichter 9 des ersten Abgasturboladers 6 zur Verdichtung eines Frischluftmassenstroms 12 verwendet, wobei der verdichtete Frischluftmassenstrom im Sinne des Pfeils 13 mit erhöhtem Ladedruck dem Hauptmotor 2 zugeführt wird. Gemäß 1 ist zwischen den Verdichter 9 des ersten Abgasturboladers 6 sowie den Hauptmotor 2 ein Ladeluftkühler 14 geschaltet.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind der Hauptmotor 2 und der Hilfsmotor 3 der Motorenanlage 22 gemäß 1 thermodynamisch gekoppelt und zwar derart, dass im Bedarfsfall ein Teil des vom ersten Abgasturbolader 6 verdichteten Frischluftmassenstroms dem Hilfsmotor 3 zur Erhöhung dessen thermischen Wirkungsgrads zuführbar ist. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist hierzu zwischen den Verdichter 9 des ersten Abgasturboladers 6 und den Hauptmotor 2 eine Abzweigung 15 geschaltet, wobei die Abzweigung 15 nach dem Ladeluftkühler 14 und vor einer Zylindereinheit des Hauptmotors 2 angeordnet ist und einen Teil des vom ersten Abgasturboladers 6 verdichteten Frischluftmassenstroms dem Hilfsmotor 3 zuführen kann. Es wird demnach eine Bypass-Luftmassenströmung im Sinne des Pfeils 16 etabliert.

Wie 1 entnommen werden kann, ist zwischen die Abzweigung 15 und den Hilfsmotor 3 ein schaltbares Ventil 17 geschaltet. Bei geschlossenen Ventil 17 wird keinerlei Bypass-Luftmassenstrom an der Abzweigung 15 in Richtung auf den Hilfsmotor 3 abgezweigt. Vielmehr wird bei geschlossenem Ventil 17 sämtliche vom Abgasturbolader 6 verdichtete Luft dem Hauptmotor 2 zugeführt. Das Ventil 17 wird insbesondere in dem Betriebszustand der Motoranlage 1 vollständig geschlossen sein, in dem der Hilfsmotor 3 nicht betrieben wird und der Hauptmotor 2 im Teillastbetrieb arbeitet. Arbeitet hingegen der Hauptmotor 2 im Vollastbetrieb und der Hilfsmotor 3 wird nicht betrieben, so wird das schaltbare Ventil 17 in eine Öffnungsstellung bewegt, in welcher der an der Abzweigung 15 im Sinne des Pfeils 16 abgezweigte Bypass-Luftmassenstrom im Sinne des Pfeils 18 unmittelbar in die Abgasableitung 11 geleitet wird. Wird hingegen auch der Hilfsmotor 3 betrieben, liegt also ein gekoppelter Betrieb von Hauptmotor 2 und Hilfsmotor 3 vor, so wird das schaltbare Ventil 17 in eine Öffnungsstellung bewegt, in welcher der an der Abzweigung 15 im Sinne des Pfeils 16 abgezweigte Bypass-Luftmassenstrom im Sinne des Pfeils 19 in Richtung auf den Hilfsmotor 3 geleitet wird. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist zwischen das schaltbare Ventil 17 und den Hilfsmotor 3 noch ein Ladeluftkühler 20 für den Hilfsmotor 3 integriert.

Ein zweiter Abgasturbolader 23 ist dem Hilfsmotor 3 zugeordnet. Ein Verdichter 24 des zweiten Abgasturboladers 23 ist dabei zwischen das schaltbare Ventil 17 und den Ladeluftkühler 20 des Hilfsmotors 3 geschaltet. Der im Bedarfsfall an der Abzweigung 15 im Sinne des Pfeils 16 abgezweigte Bypass-Luftmassenstrom des Hauptmotors 2 wird demnach dem Verdichter 24 des zweiten Abgasturboladers 23 zugeführt und in diesem Verdichter 24 nochmals verdichtet. Hierdurch wird eine zweistufige Verdichtung mit Zwischenkühlung der Ladeluft etabliert. Mit der Motorenanlage 22 gemäß können demnach zweistufige Verdichtungsdruckverhältnisse dargestellt werden, die über dem Niveau einer einstufigen Aufladung liegen. Aus der einstufigen Turbine resultiert ein stark erhöhtes Spüldruckgefälle, welches in Form von positiver Ladungswechselarbeit zur Erhöhung des Wirkungsgrads genutzt werden kann. Mit einer Anordnung gemäß 1 kann gegenüber dem Stand der Technik der Kraftstoffverbrauch des Hilfsmotors 3 um ca. 20% reduziert werden.

Der Abgasstrom 21 des Hilfsmotors 3 wird im Ausführungsbeispiel der 1 einer Turbine 25 des zweiten Abgasturboladers 23 zugeführt, wobei in diesem Abgasturbolader 23 der Abgasstrom 21 des Hilfsmotors 3 entspannt und die im Abgasstrom enthaltene Energie in mechanische Energie gewandelt wird, die dann zum Antrieb des Verdichters 24 des zweiten Abgasturboladers 23 verwendet wird. Der in der Turbine 25 entspannte Abgasstrom 21 des Hilfsmotors 3 wird im Sinne des Pfeils 26 der Abgasableitung 11 zugeführt. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass im Ausführungsbeispiel der 1 eine zweistufige Verdichtung des Frischluftmassenstroms für den Hilfsmotor erfolgt, die Entspannung des Abgasstroms des Hilfsmotors 3 sowie des Abgasstroms des Hauptmotors 2 jedoch einstufig durchgeführt wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Motorenanlage 27 zeigt 2. Auch die Motorenanlage 27 der 2 verfügt wiederum über einen Hauptmotor sowie einen Hilfsmotor, wobei Hauptmotor und Hilfsmotor thermodynamisch gekoppelt sind. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen werden für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet. Nachfolgend wird nur auf die Details des Ausführungsbeispiels der 2 im Detail eingegangen, die das Ausführungsbeispiel der 2 vom Ausführungsbeispiel der 1 unterscheiden. Hinsichtlich der Gemeinsamkeiten wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Im Ausführungsbeispiel der 2 ist dem Hilfsmotor 3 wiederum ein eigener Abgasturbolader 28 zugeordnet, wobei im Ausführungsbeispiel der 2 das schaltbare Ventil 17 zwischen einen Verdichter 29 des dem Hilfsmotor 3 zugeordneten Abgasturboladers 28 und den Ladeluftkühler 20 des Hilfsmotors 3 geschaltet ist. Der zweite Abgasturbolader 28 saugt unabhängig von dem Hauptmotor 2 zugeordneten Abgasturbolader 6 einen Frischluftmassenstrom 30 zur Verdichtung desselben an. Wie 2 entnommen werden kann, ist zwischen den Hilfsmotor 3 und der Turbine 32 des dem Hilfsmotor 3 zugeordneten Abgasturboladers 28 ein weiteres schaltbares Ventil 31 geschaltet. Je nach Öffnungsstellung des schaltbaren Ventils 31 wird der Abgasmassenstrom 21 des Hilfsmotors 3 entweder im Sinne des Pfeils 33 der Turbine 32 des zweiten Abgasturboladers 28 oder im Sinne des Pfeils 34 der Abgasableitung 11 zugeführt. Wird der Abgasstrom 21 des Hilfsmotors 3 der Turbine 32 zur Entspannung zugeführt, so wird die im Abgasstrom 21 enthaltene Energie in mechanische Energie zum Antreiben des Verdichters 29 des dem Hilfsmotor 3 zugeordneten Abgasturboladers 28 gewandelt und der entspannte Abgasstrom wird im Sinne des Pfeils 35 wiederum der Abgasableitung 11 zugeführt. Wie 2 entnommen werden kann, ist zwischen die Abzweigung 15 und das Ventil 17 eine weitere Abzweigung mit einem schaltbaren Ventil 36 integriert, wobei je nach Öffnungsstellung des Ventils 36 der an der Abzweigung 15 abgezweigte Bypass-Luftmassenstrom unmittelbar in die Abgasleitung 11 geleitet werden kann.

Im Ausführungsbeispiel der 2 sind demnach sowohl der Hauptmotor 2 als auch der Hilfsmotor 3 mit einem eigenen Abgasturbolader 6 bzw. 28 ausgerüstet. Im entkoppelten Betrieb ist das Ventil 17 geschlossen und das Ventil 36 geöffnet, sodass gegebenenfalls ein vom ersten Abgasturbolader 6 erzeugter, überschüssiger Luftmassenstrom über das Ventil 36 unmittelbar in die Abgasableitung 11 geleitet werden kann. Im gekoppelten Betrieb ist das Ventil 17 geöffnet und ein vom ersten Abgasturbolader 6 erzeugter, überschüssiger Luftmassenstrom wird dem Hilfsmotor 3 zur Verfügung gestellt. Reicht dieser Bypass-Luftmassenstrom aus, um den Hilfsmotor 3 mit ausreichendem Ladedruck zu versorgen, so liegt es im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, den zweiten Abgasturbolader 28 abzuschalten. In diesem Fall wird dann über das Ventil 31 der Abgasstrom 21 des Hilfsmotors 3 im Sinne des Pfeils 34 unmittelbar der Abgasableitung 11 zugeführt. Da beim Ausführungsbeispiel der 2 der zweiten Abgasturbolader 28 abschaltbar ist, reduziert sich dessen Betriebszeit und Belastung und damit reduzieren sich auch Service- und Wartungskosten. Im gekoppelten Betrieb von Hauptmotor 2 und Hilfsmotor 3 entspricht ein Druck vor der Zylindereinheit des Hauptmotors 2 in etwa einem Druck vor der Zylindereinheit des Hilfsmotors 3; ein Druck nach der Zylindereinheit des Hilfsmotors 3 entspricht in etwa dem Umgebungsdruck.

Den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 ist demnach gemeinsam, dass der Hauptmotor 2 sowie der Hilfsmotor 3 der Motorenanlagen 22 bzw. 27 thermodynamisch gekoppelt sind. Ein Teil des vom ersten Abgasturbolader 6 verdichteten Luftmassenstroms ist dem Hilfsmotor 3 zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads zuführbar. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 lässt sich der Kraftstoffverbrauchs des Hilfsmotors 3 um mindestens ca. 10%, beim Ausführungsbeispiel der 1 um mindestens ca. 20% reduzieren.


Anspruch[de]
Motorenanlage mit einem Hauptmotor (2) zur Bereitstellung einer Antriebsleistung und mit einem Hilfsmotor (3) zur Bereitstellung elektrischer Leistung, wobei dem Hauptmotor (2) ein erster Abgasturbolader (6) zugeordnet ist, der die in einem Abgasstrom des Hauptmotors (2) enthaltene Energie in einer Turbine (7) in mechanische Energie zum Antrieb eines Verdichters (9) desselben wandelt, um einen dem Verdichter (9) zugeführten Frischluftmassenstrom zu verdichten und mit erhöhtem Ladedruck dem Hauptmotor (2) zuzuführen, wobei der Verdichter (9) einen das Schluckvermögen des Hauptmotors (2) übersteigenden Frischluftmassestrom liefert und zwischen den Verdichter (9) des ersten Abgasturboladers (6) und den Hauptmotor (2) ein Ladeluftkühler (14) geschaltet ist, wobei zwischen den Ladeluftkühler (14) und den Hauptmotor (2) eine Abzweigung (15) geschaltet ist, über die ein über dem Schluckvermögen des Hauptmotors liegender Anteil des vom ersten Abgasturbolader (6) verdichteten Frischluftmassenstroms abführbar ist, und zwischen die Abzweigung (15) und den Hilfsmotor (3) zumindest ein schaltbares Ventil (17) geschaltet ist, das in einer ersten Schaltstellung den über die Abzweigung (15) abgeführten Anteil des verdichtenden Frischluftmassenstroms in eine Abgasleitung (11) leitet und in einer zweiten Schaltstellung einem den Hilfsmotor (3) aufladenden, zweiten Abgasturbolader (23, 28) zur weiteren Verdichtung zuleitet. Motorenanlage mit einem Hauptmotor (2) zur Bereitstellung einer Antriebsleistung und mit einem Hilfsmotor (3) zur Bereitstellung elektrischer Leistung, wobei dem Hauptmotor (2) ein erster Abgasturbolader (6) zugeordnet ist, der die in einem Abgasstrom des Hauptmotors (2) enthaltene Energie in einer Turbine (7) in mechanische Energie zum Antrieb eines Verdichters (9) desselben wandelt, um einen dem Verdichter (9) zugeführten Frischluftmassenstrom zu verdichten und mit erhöhtem Ladedruck dem Hauptmotor (2) zuzuführen, wobei der Verdichter (9) einen das Schluckvermögen des Hauptmotors (2) übersteigenden Frischluftmassenstrom liefert und zwischen dem Verdichter (9) der ersten Abgasturboladers (6) und den Hauptmotor (2) ein Ladeluftkühler geschaltet ist, wobei zwischen den Ladluftkühler (14) und den Hauptmotor (2) eine Abzweigung (15) geschaltet ist, über die ein über dem Schluckvermögen des Hauptmotors liegender Anteil des vom ersten Abgasturbolader (6) verdichteten Frischluftmassenstroms abführbar ist, und zwischen die Abzweigung (15) und den Hilfsmotor (3) zumindest ein schaltbares Ventil (17) geschaltet ist, das in einer ersten Öffnungsstellung den über die Abzweigung (15) abgeführten Anteil des verdichteten Frischluftmassenstroms in eine Abgasleitung (11) leitet und in einer zweiten Öffnungsstellung dem Hilfsmotor (3) direkt zuleitet, des Weiteren dem Hilfsmotor (3) ein eigener, zweiter Abgasturbolader (23, 38) zugeordnet ist, der einen Frischluftmassenstrom (30) aus der Umgebung ansaugt, welcher verdichtet über das schaltbare Ventil (17) dem Hilfsmotor (3) zugeführt wird. Motorenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das die Abzweigung (15) mit dem Hilfsmotor (3) verbindende schaltbare Ventil (17) und den Hilfsmotor (3) ein dem Hilfsmotor zugeordneter Ladeluftkühler (20) geschaltet ist. Motorenanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verdichter (24) des zweiten Abgasturboladers (23) und den Hilfsmotor (3) ein oder der Ladeluftkühler (20) geschaltet ist. Motorenanlage nach den Ansprüchen 2 und 3 oder 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abgasturbolader abgeschaltet ist, wenn der dem Hilfsmotor (3) zugeführte Anteil des vom ersten Abgasturbolader (6) verdichteten Frischluftmassenstroms einen ausreichenden Ladedruck für den Hilfsmotor (3) bereitstellt. Motorenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Hilfsmotor (3) und die Turbine (32) des zweiten Abgasturboladers (23) ein weiteres schaltbares Ventil (31) geschaltet ist, welches eine Bypasskanal für die Turbine (32) des zweiten Abgasturboladers (23) sperrt oder freigibt.






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