Immer eine Umdrehung besser

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1 Immer eine Umdrehung besser Die neue Turboladergeneration A100 hilft, Motoremissionen zu reduzieren Dirk Wunderwald, Tobias Gwehenberger Auch wenn die Kraftstoffpreise aufgrund des weltweiten Konjunkturrückgangs gefallen sind, dürfte es sich dabei um einen vorübergehenden Trend handeln, der sich zweifelsohne wieder umkehren wird, sobald sich die Weltwirtschaft erholt. Natürlich hat ein solcher Rückgang der Nachfrage positive Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von fossilen Brennstoffen und die Reduzierung von Emissionen, doch im Großen und Ganzen ist langfristig mit einer stetigen Zunahme des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen zu rechnen. Die neuen ABB-Turbolader vom Typ A100 wurden entwickelt, um zukünftigen Anforderungen im Hinblick auf höhere Verdichter-Druckverhältnisse und geringere Motoremissionen gerecht zu werden. Die neue Turboladerfamilie ermöglicht höhere Motorleistungen bei geringerem Kraftstoffbedarf und hilft somit, den Schadstoffausstoß zu reduzieren. 42 ABB Technik 2/2009

2 Der Wettlauf um die knappen Energieressourcen, unvorhersehbare Kraftstoffkosten und strengere Emissionsvorschriften haben einen bedeutenden Einfluss auf die Entwicklung von Diesel- und Gasmotoren Infobox 1. Die Auswirkungen dieser Faktoren und der fortwährende Trend zu höheren Leistungsdichten (d. h. Leistung pro Volumen) bei Motoren und höheren Motorleistungen wirken sich auch auf die Turboladertechnik Infobox 2 aus. Ein Turbolader ist ein Verdichter, der durch die Abgase eines Motors angetrieben wird. Er drückt Luft in den Einlasskrümmer des Motors und erhöht so den Sauerstoffanteil im Kraftstoff- Luft-Gemisch. Das Ergebnis ist eine effizientere Verbrennung und eine höhere Leistung. Hohe Verdichter-Druckverhältnisse 1) dienen heutzutage nicht nur zur Steigerung der Motorleistung, dem ursprünglichen Hauptziel von Turboladern, sondern auch zur deutlichen Reduzierung von Emissionen. Sie sind erforderlich, um z. B. den Wirkungsgrad des Miller/ Atkinson-Prozesses 2) zu erhöhen, der die Grundlage für nahezu alle modernen Diesel- und Gasmotoren bildet. Bei können durch den Einsatz eines Turboladers die NO X - Emissionen reduziert werden, wohingegen in Gasmotoren die Klopfneigung verringert 3) wird. Die vom Turbolader erzeugten höheren Druckverhältnisse werden auch in Motoren benötigt, die in großen Höhen betrieben werden. Sie kompensieren den verminderten Luftdruck und sorgen für einen Infobox 1 Umweltauswirkungen von Motorabgasen Neue internationale Bestimmungen, z. B. im Bereich der Schifffahrt und der Energieerzeugung, setzen strenge Grenzwerte für den Ausstoß von Stickoxiden (NO X ) und Schwefeloxiden (SO X ) bei Diesel- und Gasmotoren und sehen eine weitere Reduzierung der CO 2 - und Feinstaubemissionen (Rußpartikel) vor. Mögliche Lösungen sind höhere Ladedrücke, höhere Wirkungsgrade, die Optimierung des Kraftstoff-Luft- Gemischs sowie eine verbesserte Zylinderfüllung bei geringer Last. All diese Kriterien werden von den neuen ABB-Turboladergenerationen unterstützt. Ansaugdruck, der dem auf Meereshöhe entspricht. Um eine höhere Motorleistung erzielen zu können, sind zur Steigerung der effektiven Drücke (d. h. die Fähigkeit des Motors, Arbeit zu verrichten) höhere Druckverhältnisse im Turbolader erforderlich. Die Erhöhung der Druckverhältnisse des Turboladers muss jedoch mit einer Optimierung der Verbrennungstechnologie einhergehen. Bei der Entwicklung moderner Turboladersysteme müssen daher neue motorinterne Messungen und Abgasnachbehandlungssysteme berücksichtigt werden. Kurzum, ein energieeffizienter Motor erfordert auch ein hocheffizientes Turboladersystem. Leistung ein entscheidender Faktor In den letzten zehn Jahren ist es den Motorenbauern gelungen, eine erhebliche Steigerung der durchschnittlichen Motorleistung zu erzielen. Im Bereich der schnelllaufenden Motoren lag die Steigerung bei etwa 50 %, während der spezifische Kraftstoffverbrauch um etwa 10 % und die Emissionen um bis zu 80 % gesenkt wurden 1. Betrachtet man die Verdichterleistung zum Zeit- Infobox 2 A100-L der neue Maßstab für die einstufige Zweitaktaufladung Um die steigenden Leistungs- und Emissionsanforderungen eines zunehmend umweltorientierten Schifffahrtssektors zu er füllen, bringt ABB den A175-L, den größten und leistungsstärksten Turbolader der neuen A100-Baureihe, auf den Markt. Der A175-L ist der erste der nächsten Generation von A100-Turboladern, der speziell für langsamlaufende Zweitakt- und Verdichter-Druckverhältnisse von bis zu 4,7 bei höchsten Turbolader-Wirkungsgraden entwickelt wurde. Das A100-L-Programm ist speziell auf die fortschrittlichen Zweitakt-Motorgenerationen ausgerichtet, die zurzeit in der Planung bzw. Entwicklung sind. Derzeit beliefert ABB den Zweitaktmarkt mit Turboladern vom Typ TPL..-B, mit denen bereits Motoren mit einer Gesamtleistung von mehr als 60 Millionen Kilowatt ausgerüstet wurden. ABB wird die Turbolader vom Typ TPL..-B auch weiterhin für Zweitaktmotoren anbieten, die Verdichter-Druckverhältnisse von bis zu 4,2 benötigen. punkt der Motorenentwicklung für die jeweiligen Verdichter-Druckverhältnisse und den Volumenstrom, haben sich die technischen Anforderungen an die thermodynamische und mechanische Leistungsfähigkeit von Turboladern im gleichen Zeitraum mehr als verdoppelt. Allgemein ist bei schnelllaufenden Diesel- und Gasmotoren ein zunehmender Trend zu höheren mittleren effektiven Drücken und höheren Verdichter- Druckverhältnissen zu verzeichnen 2. Außerdem sind bei Gasmotoren aufgrund der höheren steuerungsbedingten Systemverluste und der unterschiedlichen Kraftstoffaufbereitung normalerweise höhere Druckverhältnisse erforderlich als bei. Volllast-Druckverhältnisse von bis zu 5,8 bei Dauerbetrieb mit Verdichterrädern aus Aluminium und hohe Wirkungsgrade setzen neue Maßstäbe in puncto Leistungsdichte für die Konstruktion von Turboladern und erweitern die bekannten Grenzen der einstufigen Turboaufladung um ein beträchtliches Maß. Vom TPS zum A100-M/H Zehn Jahre nach Einführung der ABB- Turbolader vom Typ TPS arbeiten über Einheiten zuverlässig in kleinen mittelschnelllaufenden und großen schnelllaufenden Dieselund Gasmotoren im Leistungsbereich von 550 bis kw. Während diese Turbolader weiterhin bevorzugt für Motoren mit modernen Leistungsanforderungen eingesetzt werden, verlangt der Markt nach Motoren mit immer höheren Leistungen und Wirkungsgraden bei geringeren Emissionen. Hierfür sind wiederum neue Konzepte im Motorenbau und eine neue Generation von Turboladern erforderlich. Für die- Fußnoten 1) Das Verdichter-Druckverhältnis beschreibt den Unterschied im Luftdruck am Eintritt und am Austritt des Verdichters. Der Wert ist immer größer als 1,0. Wenn der Druck am Verdichtereintritt einen Wert P 2 und am Austritt einen Wert P 3 aufweist, gilt P 3 /P 2 = Verdichter-Druckverhältnis. 2) Verfahren zur Ventilsteuerung bei Viertakt-Verbrennungsmotoren zur Erhöhung des Wirkungsgrads. 3) Das Klopfen (auch Klingeln genannt) tritt auf, wenn sich Teile des Kraftstoff-Luft-Gemischs außerhalb des normalen Verbrennungsvorgangs, der durch die Zündkerze initiiert wird, selbst entzünden oder unkontrolliert verbrennen. Diese Störung im Zündablauf erzeugt Druckwellen, die auf die Wände des Brennraums treffen und das charakteristische metallische Geräusch verursachen. ABB Technik 2/

3 1 Steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Turboladern 2 Entwicklungen bei der Turboaufladung moderner schnelllaufender Motoren A100-H Zukünftige zweistufige Turboladeranwendungen Niveau (%) RR..1 TPS..-D/E TPS..-F Genutzte Turboladerleistung Motorleistung Motor BSFC Motoremissionen Verdichter-Druckverhältnis Heutige Gasmotoren Gasmotoren der nächsten Generation Viertakt- der nächsten Generation Heutige Jahr BSFC = Brake Specific Fuel consumption (spezifischer Kraftstoffverbrauch) Mittlerer effektiver Druck (bar) Dank einer Reihe spezieller Konstruktions- und Konfigurationsmerkmale können die Radialturbolader der Bause hochentwickelten Motoren hat ABB die Hochdruck-Lader der Baureihe A100-M/H entwickelt den Typ A100-H für schnelllaufende Motoren und die Radialturbolader vom Typ A100-M für kleine mittelschnelllaufende Motoren 3. Die Baugrößen des A100-M/H haben die gleichen äußeren Abmessungen wie die bewährten Turbolader vom Typ TPS. Die Öleinlass- und Ölauslasskanäle sind wie bei den TPS-Turboladern im Sockel integriert. Dadurch ist gewährleistet, dass bei der Weiterentwicklung von aktuellen Motorplattformen mit TPS-Turbolader die Motoren ohne große Veränderungen an der Befestigung auch mit A100-Radialturboladern ausgerüstet werden können. Die Entwicklung von größeren oder kleineren Baugrößen des Typs A100-H hängt von der zukünftigen Nachfrage am Markt ab. Konstruktionsprinzip Die Radialturbolader vom Typ A100 sind modular aufgebaut und verfügen über eine minimierte Anzahl von Bauteilen, die auf die spezifischen Anforderungen jeder Diesel- und Gasmotoranwendung zugeschnitten sind. Zudem stehen verschiedene Gehäuse materi alien für unterschiedliche Turbinen-Eintrittstemperaturen zur Verfügung. reihe A100-M für kleine mittelschnelllaufende Motoren auch mit Schweröl oder Stoßaufladungssystemen 4) betrieben werden. Da die Abgastemperaturen dieser Motoren normalerweise niedriger sind als bei schnelllaufenden Motoren, können die Lagergehäuse der A100-M-Turbolader mit oder ohne Wasserkühlung ausgerüstet werden. Verdichterräder aus Aluminium Bei den Radialturboladern vom Typ A100 kommt ein von ABB entwickeltes Kühlsystem zum Einsatz, das trotz der hohen Druckverhältnisse, mit denen die Lader jetzt arbeiten müssen, den dauerhaften Einsatz von Verdichterrädern aus Aluminium ermöglicht. So kann auf teure Titanbauteile verzichtet werden, während die hohe Betriebs- 3 A140-Turbolader der neuen Generation 4 Druckverhältnis und Volumenstrom bei Turboladern vom Typ A100 bei Volllast (bei bestimmten Spezifikationen lassen sich sogar noch höhere Werte erzielen) TPS 44-F Verdichter-Druckverhältnis A 130 TPS 48-F A 135 TPS 52-F A140 A145 TPS 61-F 5,5 5,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Volumenstrom (m 3 /s) 44 ABB Technik 2/2009

4 zuverlässigkeit und die langen Austauschintervalle, die von ABB-Turboladern mittlerweile erwartet werden, erhalten bleiben. Bei einem umfangreichen Testprogramm hat sich die Kühlung mit Verdichterluft als die für Motorenbauer am effizientesten und kostengünstigsten zu realisierende Lösung herausgestellt. Das Konzept hat sich in der Praxis bereits bewährt und wird seit mehreren Jahren als Option für die größeren ABB-Turbolader vom Typ TPL..-C angeboten. Containment-Prüfung Die Gehäuse der A100-Turbolader sind entsprechend den wesentlich höheren mechanischen Anforderungen ausgelegt, die an sie gestellt werden. Bei ihrer Entwicklung arbeitete ABB eng mit Motorenbauern zusammen, um eine optimale Befestigung der Turbolader an der Motorkonsole zu gewährleisten und die kompakten Abmessungen der früheren TPS-Lader zu erhalten. Die Sicherheitsspezifikationen für das Turboladergehäuse, ein wichtiger Aspekt im Hinblick auf die erheblich gestiegene Leistungsdichte, wurden sowohl numerisch als auch experimentell durch Containment-Prüfungen bestätigt. Neben den höheren Gehäusespezifikationen war eine stärkere Welle erforderlich, um die größere Kraftübertragung zu bewältigen. Die Änderung der Wellenspezifikation machte eine stärkere Lagereinheit erforderlich, die auf der früheren TPS-Lagertechnik aufbaut. Darüber hinaus besitzen die Turbolader vom Typ A100 eine Vorrichtung zur Zentrierung der Turbine innerhalb des Gehäuses, die einen sicheren und effizienten Betrieb des Turboladers gewährleistet und bereits erfolgreich bei den ABB-Turboladern vom Typ TPS..-F eingesetzt wurde. Thermodynamische Leistungsfähigkeit ABB hat für die neuen A100-M/H- Turbolader drei komplett neue Verdichterstufen mit unterschiedlicher Beschaufelung entwickelt, die erheblich höhere Druckverhältnisse bei gleichem Verdichter-Volumenstrom wie die heutigen TPS..-F-Turbolader ermöglichen 4. Der A100-Turbolader ist mit einem einteiligen Verdichterrad aus Aluminium ausgestattet. Neben einer innovativen Kühlung wurden neue Hochdruck- Diffusoren 5) und Verdichterschaufeln entwickelt, um die Druckverhältnisse von rund 5,8 bei Volllast auch mit Aluminium-Schaufelrädern erreichen zu können. Um eine optimale Anpassung an jede Anwendung zu ermöglichen, steht für jede Turbolader-Bau größe eine Reihe von Verdichterstufen zur Verfügung. Das Verdichterkennfeld in 5, das auf Messungen mit dem kürzlich eingeführten Typ A140 basiert, zeigt den hohen Wirkungsgrad, die ausgezeichnete Kennfeldbreite und die mehr als ausreichende Überdreh zahl toleranz. Bei einer typischen Betriebs linie wurde bei einem Volllast-Druckverhältnis von 5,8 ein Verdichter- Wirkungsgrad von 80 % erreicht. Neue Turbinenstufen Zusätzlich zur vorhandenen Mixed- Flow-Turbinenstufe der TPS-Baureihe wurde eine neue Generation von Mixed-Flow-Turbinen für die Turbolader vom Typ A100 entwickelt. Ein besonderes Merkmal dieser neuen Turbinenfamilie ist der größere Betriebsbereich. Damit kann das Potenzial des hohen Druckverhältnisses der neuen Verdichterstufe über einen noch breiteren Anwendungsbereich genutzt werden. Das Turbinendesign wurde für 5 Verdichterkennfeld (A140-H) Verdichter-Druckverhältnis 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 = 5,8 (100 % Last) 0,80 0,78 0,74 Betriebslinie Volumenstrom Verdichter-Wirkungsgrad η C Fußnoten 4) Bei der Stoßaufladung wird der Eintritt der Turbine über schmale Röhren mit bestimmten Zylindern des Motors gekoppelt, sodass die Turbine einem synchron zum Öffnen und Schließen der Ventile pulsierenden Strömungsfeld ausgesetzt ist. 5) Der Diffusor befindet sich hinter dem Verdichterrad und wandelt die Bewegungsenergie in statischen Druck um. 0,70 0,65 η C 6 Vergleich der Turbinen-Wirkungsgrade von A140-H und TPS57-F 7 Wirkungsgrad des A140-H mit volllastoptimierter Spezifikation Turbinen-Wirkungsgrad (5 %/Teilstrich) A 140-H Turbolader-Wirkungsgrad η TC (%) A 140-H Volllastspezifikation 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 Turbinen-Expansionsverhältnis π T Verdichter-Druckverhältnis ABB Technik 2/

5 jeden einzelnen Volumenstrombereich optimiert, wodurch die Turbine im Betrieb höhere Wirkungsgrade erzielt als die aktuellen TPS-Turbinenstufen. Durch den Einsatz flexibler Dichtungen konnten zudem die Strömungsverluste weiter gesenkt werden. Das Ergebnis ist eine erhebliche Verbesserung der Ladeleistung bei höheren Ladedrücken 6. Ein Quantensprung in der Entwicklung Durch ein breites Angebot an verfügbaren Verdichter- und Turbinenspezifikationen eignet sich die Turboladerbaureihe A100 von ABB besonders für den Einsatz in der Schifffahrt, Industrie, Energieerzeugung und im Eisenbahnsektor. Ein Vergleich der Turboladerfamilien A100 und TPS verdeutlicht das hervorragende thermodynamische Potenzial der neuen Turboladergeneration bei einer volllastoptimierten Turboladerspezifikation 7. Der Vergleich mit dem Turbolader- Wirkungsgrad des Typs TPS zeigt deutlich den Leistungszuwachs, der durch den Einsatz von A100-Turboladern bei genau dem Verdichter-Druckverhältnis erzielt wird, das von neuen Motorendesigns gefordert wird. Die neue Turbolader generation vom Typ A100 stellt einen Quantensprung in der Entwicklung von Turboladern für die einstufige Aufladung von modernen mittelschnell- und schnelllaufenden Motoren dar. bei höheren Drehzahlen als die TPS- Turbolader vorgesehen. An den Radiallagern der A100-Baureihe wurden umfangreiche Messungen der Wellenbewegungen bei bis zu 120 % der Überdrehzahl durchgeführt, um eine optimale Rotordynamik der neuen Bauteile bei Drehzahlen oberhalb des Drehzahlbereichs der aktuellen TPS-Baureihe sicherzustellen. Die Kombination aus den neuen Radiallagern und den neuen Verdichterund Turbinenstufen zeigte hervorragende Stabilitätseigenschaften bei den erforderlichen hohen Betriebsdrehzahlen. Wartung und Service Die Wartungsintervalle für die A100- Turbolader gleichen denen der TPS- Familie. Trotz höherer Anforderungen an die thermodynamische und mechanische Leistungsfähigkeit wird die Forderung an eine hohe Zuverlässigkeit und einen wartungsarmen Betrieb erfüllt. Ein weltweites Netzwerk von 100 ABB-Servicestationen bietet die notwendige Servicekompetenz und logistische Unterstützung zur Erfüllung der Kundenbedürfnisse. Kunden mit hochentwickelten Diesel- und Gasmotoren mit A100-Turboladern können sich bei Betrieb und Wartung dieser neuen Generation von Turboladern auf die gewohnte hohe Qualität von ABB verlassen. Einführungsprogramm und erste Ergebnisse Mitte 2007 wurden die ersten Prototypen des A140 erfolgreich auf ABB- Prüfständen in Betrieb genommen. Das strenge Prüfprogramm wurde für die erste Baugröße der neuen Turbolader-Baureihe erfolgreich abgeschlossen und die Turbolader für die Serienfertigung freigegeben Infobox 3. Zurzeit ist ABB dabei, weitere Baugrößen der A100-M/H-Turbolader auf dem Markt einzuführen. Im Vorfeld der Einführung der A100- Baureihe wurden zum Nachweis der thermodynamischen Leistungsfähigkeit Testläufe auf dem Motorenprüfstand durchgeführt. Die hohen Druckverhältnisse und Wirkungsgrade, die mit der A100-Baureihe erzielt werden können, zeigen deutlich, dass diese Turbolader in der Lage sind, die zu erwartenden hohen Leistungsdichten zukünftiger Motorenanwendungen zu bewältigen. Hunderte von Stunden im Dauerbetrieb auf dem Prüfstand bestätigen ebenfalls das hohe Leistungsniveau der A100-Baureihe. Diese neue Turboladergeneration wird zurzeit in ausgewählten Installationen vor Ort erprobt, und erfolgreiche Motorentests weiterer Baugrößen laufen bereits. Qualifikationsprogramm Wie alle neu entwickelten Turbolader musste auch die ABB-Turboladerfamilie A100 ein obligatorisches Qualifikationsprogramm an Brennkammerprüfständen durchlaufen, um den zuverlässigen Betrieb in zukünftigen Motorenanwendungen sicherzustellen. Die umfassenden Testreihen reichten von thermodynamischen Prüfungen an neuen Verdichter- und Turbinenstufen bis zur mechanischen Prüfung aller neu entwickelten Bauteile. Die neuen A100-Turbolader sind für den Dauerbetrieb in Hochdruck-Anwendungen Infobox 3 Der A140-H-Turbolader In Luttelgeest (Niederlande) wurden die Generatoren in einer Kraft- Wärme-Kopplungsanlage zur Beheizung großer Gewächshäuser mit Turboladern vom Typ A140-H ausgestattet. Das von den Generatoren erzeugte CO 2 wird zur Verbesserung des Pflanzenwachstums eingesetzt. Generatoren mit Turboladern vom Typ A140-H versorgen große Gewächshäuser in den Niederlanden mit Strom und Wärme. Dirk Wunderwald Tobias Gwehenberger ABB Turbo Systems Baden, Schweiz [email protected] [email protected] 46 ABB Technik 2/2009