CH703313B1 - Brennkraftmaschine. - Google Patents

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Abstract

Brennkraftmaschine (1) mit einem ersten Turbolader (10), der eine erste Aufladungsstufe der Brennkraftmaschine bildet und der zum Rotieren um eine erste Rotationsachse (R1) eingerichtete Laufräder aufweist, und einem zweiten Turbolader (20), der in Reihe zu dem ersten Turbolader geschaltet ist, so dass der zweite Turbolader eine zweite Aufladungsstufe der Brennkraftmaschine bildet, und der zum Rotieren um eine zweite Rotationsachse (R2) eingerichtete Laufräder aufweist. Die Brennkraftmaschine ist derart eingerichtet, dass eine äusserst kompakte und damit platzsparende Anordnung der beiden Turbolader realisiert ist. Dies wird u.a. dadurch erreicht, dass sich die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse in unterschiedliche Richtungen erstrecken.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art ist z.B. in Fig.14 des im Jahr 2010 zu einem Kongress in Bergen veröffentlichten Dokumentes PAPER NO.: 82, «Design and first application of a 2-stage turbocharging system for a medium-speed diesel engine» (Konstruktion und erste Anwendung eines 2-stufigen Turboladersystems für einen Dieselmotor mittlerer Drehzahl) des International Council on Combustion Engines (Internationales Kollegium über Verbrennungsmotoren) beschrieben und hier in einer Teilansicht in Fig. 1 gezeigt.
[0003] Die in Fig. 1 gezeigte Brennkraftmaschine 1 ́ ist als V-Grossdieselmotor ausgebildet und hat auf jeder ihrer beiden Zylinderreihen einen ersten Turbolader 10 ́, der eine erste Aufladungsstufe der Brennkraftmaschine 1 ́ bildet und der zum Rotieren um eine erste Rotationsachse R1 ́ eingerichtete Laufräder (nicht gezeigt) aufweist, und einen zweiten Turbolader 20 ́, der in Reihe zu dem ersten Turbolader 10 ́ geschaltet ist, so dass der zweite Turbolader 20 ́ eine zweite Aufladungsstufe der Brennkraftmaschine 1 ́ bildet, und der zum Rotieren um eine zweite Rotationsachse R2 ́ eingerichtete Laufräder (nicht gezeigt) aufweist.
[0004] Wie aus Fig. 1 ersichtlich, erstrecken sich die erste Rotationsachse R1 ́ und die zweite Rotationsachse R2 ́ in die gleiche Richtung, d.h. verlaufen parallel zueinander.
[0005] In Fig. 1 sind ferner ein Abgasflusspfad P1 ́ und ein Ladeluftflusspfad P2 ́ durch die beiden Turbolader 10 ́, 20 ́ gezeigt. Gemäss dem Abgasflusspfad P1 ́ strömt Abgas der Brennkraftmaschine 1 ́ zuerst in eine zweite Abgasturbine 21 ́ des zweiten Turboladers 20 ́ ein und verrichtet dort Arbeit, strömt dann über eine Abgasverbindungsleitung 30 ́ in eine höher als die zweite Abgasturbine 21 ́ angeordnete erste Abgasturbine 11 ́ des ersten Turboladers 10 ́ ein und verrichtet dort Arbeit sowie strömt dann über einen Abgasausgang 12 ́ der ersten Abgasturbine 11 ́ zu einem Auspuff oder Kamin (nicht gezeigt) ab.
[0006] Gemäss dem Ladeluftflusspfad P2 ́ wird über einen Ladelufteingang 16 ́ eines ersten Turboverdichters 15 ́ des ersten Turboladers 10 ́ angesaugte Luft in dem ersten Turboverdichter 15 ́ auf Niederdruck verdichtet, strömt dann über eine Ladeluftverbindungsleitung 40 ́ in einen niedriger als der erste Turboverdichter 15 ́ angeordneten zweiten Turboverdichter 25 ́ des zweiten Turboladers 20 ́ ein, wird in dem zweiten Turboverdichter 25 ́ auf Hochdruck verdichtet und wird dann einem Ladelufteingang (nicht bezeichnet) der Brennkraftmaschine 1 ́ zur Verbrennung zugeführt.
[0007] Problematisch an der in Fig. 1 gezeigten pro Zylinderreihe jeweils 2-stufig turboaufgeladenen Brennkraftmaschine 1 ́ ist, dass diese im Verhältnis zu einer lediglich 1-stufig turboaufgeladenen Brennkraftmaschine wesentlich breiter und höher baut, was insbesondere bei Mehrmotorenanlagen mit einer Mehrzahl von längsseits nebeneinander angeordneten Brennkraftmaschinen zusätzlichen seitlichen Abstand zwischen den Brennkraftmaschinen und damit mehr Aufstellungsplatz erfordert.
[0008] Ferner ist es durch die in Fig. 1 gezeigte Anordnung der beiden in Reihe geschalteten Turbolader der 2-stufigen Aufladung in der Regel aus Platzgründen nicht möglich, beide in Reihe geschalteten Turbolader auf einer zum Ankuppeln eines Verbrauchers (nicht gezeigt) vorgesehenen Kupplungsseite der Brennkraftmaschine anzuordnen.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 bereitzustellen, wobei die Brennkraftmaschine eine kompaktere und damit platzsparendere Anordnung zweier zueinander in Reihe geschalteter Turbolader einer 2-stufigen Aufladung der Brennkraftmaschine aufweist.
[0010] Dies wird mit einer Brennkraftmaschine gemäss Anspruch 1 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
[0011] Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem ersten Turbolader, der eine erste Aufladungsstufe der Brennkraftmaschine bildet und der zum Rotieren um eine erste Rotationsachse eingerichtete Laufräder aufweist, und einem zweiten Turbolader, der in Reihe zu dem ersten Turbolader geschaltet ist, so dass der zweite Turbolader eine zweite Aufladungsstufe der Brennkraftmaschine bildet, und der zum Rotieren um eine zweite Rotationsachse eingerichtete Laufräder aufweist. Die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass sich die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse in unterschiedliche Richtungen erstrecken.
[0012] Durch die Anordnung von erster Rotationsachse und zweiter Rotationsachse in unterschiedlichen Richtungen, d.h. eine nicht-parallele Anordnung bzw. winklige Verdrehung zueinander, ergibt sich eine sehr kompakte Anordnung der beiden Turbolader und damit eine effektive Bauraumausnutzung bei guter Ladeluft- und Abgasführung. Die erfindungsgemäss erzielte Ladeluft- und Abgasführung ergibt wiederum einen hohen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und damit u.a. einen reduzierten Kraftstoffverbrauch.
[0013] Bevorzugt schliesst die erste Rotationsachse mit der zweiten Rotationsachse einen Winkel in einem Bereich von 70 Grad bis 110 Grad ein. Noch bevorzugter schliesst die erste Rotationsachse mit der zweiten Rotationsachse einen Winkel in einem Bereich von 85 Grad bis 95 Grad ein. Noch bevorzugter schliesst die erste Rotationsachse mit der zweiten Rotationsachse einen Winkel von 90 Grad ein.
[0014] Gemäss noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich entweder die erste Rotationsachse oder die zweite Rotationsachse parallel zu einer Rotationsachse einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Bevorzugt erstreckt sich die zweite Rotationsachse parallel zur Rotationsachse der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, wobei sich die erste Rotationsachse senkrecht zur Rotationsachse der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine erstreckt.
[0015] Durch die winklige Anordnung der beiden Rotationsachsen zueinander wird eine deutlich kürzere Baulänge der gesamten Brennkraftmaschine erzielt. Ferner kann eine deutlich kürzere Abgasverbindungsleitung zwischen jeweiligen Abgasturbinen der beiden Turbolader realisiert werden, was die Wärmeverluste bzw. Energieverluste reduziert und damit den Wirkungsgrad erhöht.
[0016] Die erfindungsgemäss erzielte kompakte Anordnung der beiden Turbolader ermöglicht Bauräume für z.B. Schwungrad, Kupplung und Getriebe der Brennkraftmaschine, womit ein Anbau des 2-stufigen Auflademoduls (der beiden Turbolader) – ohne nennenswerten Zuwachs an Bauraumbedarf im Vergleich zu einer 1-stufig aufgeladenen Brennkraftmaschine – sowohl auf einer Kupplungsseite als auch auf einer Kupplungsgegenseite der Brennkraftmaschine möglich wird. Ferner vergrössert sich dadurch bei Mehrmotorenanlagen auch der Motorabstand gegenüber 1-stufig aufgeladenen Brennkraftmaschinen nicht.
[0017] Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung sind somit der erste Turbolader und der zweite Turbolader auf einer zum Ankuppeln eines Verbrauchers vorgesehenen Kupplungsseite der Brennkraftmaschine angeordnet.
[0018] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der erste Turbolader eine erste Abgasturbine mit einem radialen Abgaseingang auf, wobei der zweite Turbolader eine zweite Abgasturbine mit einem axialen Abgasausgang aufweist.
[0019] Durch diese Ausgestaltung der Abgasverbindung zwischen den beiden Abgasturbinen werden vorteilhaft der erforderliche Bauraum und die erforderliche Länge der Abgasverbindungsleitung reduziert.
[0020] Die kurze Ausführung der Abgasverbindungsleitung ist insbesondere durch die vorteilhaft unterschiedliche Ausgestaltung des Abgaseingangs der ersten Abgasturbine und des Abgasausgangs der zweiten Abgasturbine und den damit möglichen ausschliesslich linearen bzw. geradlinigen Verlauf der Abgasverbindungsleitung realisierbar.
[0021] Gemäss noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der erste Turbolader einen Niederdruck bereitstellenden ersten Turboverdichter auf, wobei der zweite Turbolader einen dem ersten Turboverdichter nachgeschalteten Hochdruck bereitstellenden zweiten Turboverdichter aufweist, und wobei der zweite Turboverdichter in einer Betriebsposition der Brennkraftmaschine höher angeordnet ist als der erste Turboverdichter.
[0022] Auch diese Ausgestaltung der Erfindung unterstützt vorteilhaft die Reduzierung des erforderlichen Bauraums.
[0023] Gemäss noch einer Ausführungsform der Erfindung ist die Brennkraftmaschine von einem Grossdieselmotor für Schiffsanwendungen (z.B. einen Generatorbetrieb auf grossen Handelsschiffen oder Kreuzfahrtschiffen) und/oder Kraftwerksanwendungen (wie z.B. Power-Plant-Anwendungen) gebildet.
[0024] Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben. <tb>Fig. 1<SEP>zeigt eine perspektivische Teilansicht einer Brennkraftmaschine gemäss dem Stand der Technik. <tb>Fig. 2<SEP>zeigt eine perspektivische Ansicht einer Brennkraftmaschine gemäss einer Ausführungsform der Erfindung. <tb>Fig. 3<SEP>zeigt eine Längsansicht der Brennkraftmaschine von Fig. 2 . <tb>Fig. 4<SEP>zeigt eine Seitenansicht der Brennkraftmaschine von Fig. 2 . <tb>Fig. 5<SEP>zeigt eine vergrösserte Teilansicht der Brennkraftmaschine von Fig. 4 .
[0025] Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5 eine Brennkraftmaschine 1 gemäss einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
[0026] Die Brennkraftmaschine 1 ist als Grossdieselmotor für Schiffsanwendungen (z.B. einen Generatorbetrieb auf grossen Handelsschiffen oder Kreuzfahrtschiffen) und/oder Kraftwerksanwendungen (wie z.B. Power-Plant-Anwendungen) ausgebildet und in eine Mehrmotorenanlage (nicht gezeigt) mit einer Mehrzahl solcher Brennkraftmaschinen 1 integriert, wobei zumindest einige der Brennkraftmaschinen 1 längsseits nebeneinander angeordnet sind.
[0027] Die Brennkraftmaschine 1 weist einen ersten Turbolader 10 mit einer niederdruckbetriebenen ersten Abgasturbine 11 und einem Niederdruck bereitstellenden ersten Turboverdichter 15 und einen zweiten Turbolader 20 mit einer hochdruckbetriebenen zweiten Abgasturbine 21 und einem Hochdruck bereitstellenden zweiten Turboverdichter 25 auf.
[0028] Der erste Turbolader 10 bildet eine erste Aufladungsstufe der Brennkraftmaschine 1 und weist zum Rotieren um eine erste Rotationsachse R1 eingerichtete nicht gezeigte Laufräder (wenigstens ein Verdichterlaufrad und wenigstens ein Turbinenlaufrad) auf.
[0029] Der zweite Turbolader 20 ist in Reihe zu dem ersten Turbolader 10 geschaltet, so dass der zweite Turbolader 20 eine zweite Aufladungsstufe der Brennkraftmaschine bildet. Der zweite Turbolader 20 weist zum Rotieren um eine zweite Rotationsachse R2 eingerichtete nicht gezeigte Laufräder (wenigstens ein Verdichterlaufrad und wenigstens ein Turbinenlaufrad) auf.
[0030] Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, erstrecken sich die erste Rotationsachse R1 und die zweite Rotationsachse R2 nicht-parallel zueinander in unterschiedliche Richtungen. Genauer gesagt schliesst die erste Rotationsachse R1 mit der zweiten Rotationsachse R2 einen Winkel von 90 Grad ein, wobei sich die zweite Rotationsachse R2 parallel zu einer Rotationsachse R3 einer Kurbelwelle 100 der Brennkraftmaschine 1 erstreckt, und wobei sich die erste Rotationsachse R1 senkrecht zur Rotationsachse R3 der Kurbelwelle 100 der Brennkraftmaschine 1 erstreckt.
[0031] Fig. 3 zeigt eine Längsansicht auf eine Kupplungsgegenseite KG der Brennkraftmaschine 1. Wie aus den Figuren ersichtlich, sind der erste Turbolader 10 und der zweite Turbolader 20 auf der Kupplungsgegenseite KG der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Gemäss der Erfindung könnten die beiden Turbolader 10, 20 jedoch auch gemeinsam auf einer zum Ankuppeln eines Verbrauchers (nicht gezeigt) vorgesehenen Kupplungsseite K der Brennkraftmaschine 1 angeordnet sein.
[0032] Wie aus den Fig. 2 bis 5 ersichtlich, weist die erste Abgasturbine 11 des ersten Turboladers 10 einen radialen Abgaseingang 13 auf und die zweite Abgasturbine 21 des zweiten Turboladers 20 weist einen axialen Abgasausgang 22 auf, wobei der Abgaseingang 13 der ersten Abgasturbine 11 und der Abgasausgang 22 der zweiten Abgasturbine 21 über eine relativ kurze und damit energieverlustarme Abgasverbindungsleitung 30 miteinander fluidverbunden sind.
[0033] Die kurze Ausführung der Abgasverbindungsleitung 30 ist insbesondere durch die vorteilhaft unterschiedliche Ausgestaltung des Abgaseingangs 13 der ersten Abgasturbine 11 und des Abgasausgangs 22 der zweiten Abgasturbine 21 und den damit möglichen im Wesentlichen ausschliesslich linearen bzw. geradlinigen Verlauf der Abgasverbindungsleitung 30 realisiert.
[0034] Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich, ist der zweite Turboverdichter 25 des zweiten Turboladers 20 in einer aufrechten Betriebsposition der Brennkraftmaschine 1 höher angeordnet als der erste Turboverdichter 15 des ersten Turboladers 10.
Bezugszeichenliste
[0035] <tb>1<SEP>Brennkraftmaschine <tb>1 ́<SEP>Brennkraftmaschine <tb>10<SEP>erster Turbolader <tb>10 ́<SEP>erster Turbolader <tb>11<SEP>erste Abgasturbine <tb>11 ́<SEP>erste Abgasturbine <tb>12 ́<SEP>Abgasausgang <tb>13<SEP>Abgaseingang <tb>15<SEP>erster Turboverdichter <tb>15 ́<SEP>erster Turboverdichter <tb>16 ́<SEP>Ladelufteingang <tb>20<SEP>zweiter Turbolader <tb>20 ́<SEP>zweiter Turbolader <tb>21<SEP>zweite Abgasturbine <tb>21 ́<SEP>zweite Abgasturbine <tb>22<SEP>Abgasausgang <tb>25<SEP>zweiter Turboverdichter <tb>25 ́<SEP>zweiter Turboverdichter <tb>30<SEP>Abgasverbindungsleitung <tb>30 ́<SEP>Abgasverbindungsleitung <tb>40 ́<SEP>Ladeluftverbindungsleitung <tb>100<SEP>Kurbelwelle <tb>K<SEP>Kupplungsseite <tb>KG<SEP>Kupplungsgegenseite <tb>R1<SEP>erste Rotationsachse <tb>R1 ́<SEP>erste Rotationsachse <tb>R2<SEP>zweite Rotationsachse <tb>R2 ́<SEP>zweite Rotationsachse <tb>R3<SEP>Rotationsachse <tb>P1 ́<SEP>Abgasflusspfad <tb>P2 ́<SEP>Ladeluftflusspfad

Claims (10)

1. Brennkraftmaschine (1) mit einem ersten Turbolader (10), der eine erste Aufladungsstufe der Brennkraftmaschine (1) bildet und der zum Rotieren um eine erste Rotationsachse (R1) eingerichtete Laufräder aufweist, und einem zweiten Turbolader (20), der in Reihe zu dem ersten Turbolader (10) geschaltet ist, so dass der zweite Turbolader (20) eine zweite Aufladungsstufe der Brennkraftmaschine (1) bildet, und der zum Rotieren um eine zweite Rotationsachse (R2) eingerichtete Laufräder aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Rotationsachse (R1) und die zweite Rotationsachse (R2) in unterschiedliche Richtungen erstrecken.
2. Brennkraftmaschine (1) gemäss Anspruch 1, wobei die erste Rotationsachse (R1) mit der zweiten Rotationsachse (R2) einen Winkel in einem Bereich von 70 Grad bis 110 Grad einschliesst.
3. Brennkraftmaschine (1) gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Rotationsachse (R1) mit der zweiten Rotationsachse (R2) einen Winkel in einem Bereich von 85 Grad bis 95 Grad einschliesst.
4. Brennkraftmaschine (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Rotationsachse (R1) mit der zweiten Rotationsachse (R2) einen Winkel von 90 Grad einschliesst.
5. Brennkraftmaschine (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich entweder die erste Rotationsachse (R1) oder die zweite Rotationsachse (R2) parallel zu einer Rotationsachse (R3) einer Kurbelwelle (100) der Brennkraftmaschine (1) erstreckt.
6. Brennkraftmaschine (1) gemäss Anspruch 5, wobei sich die zweite Rotationsachse (R2) parallel zur Rotationsachse (R3) der Kurbelwelle (100) der Brennkraftmaschine (1) erstreckt, und wobei sich die erste Rotationsachse (R1) senkrecht zur Rotationsachse (R3) der Kurbelwelle (100) der Brennkraftmaschine (1) erstreckt.
7. Brennkraftmaschine (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Turbolader (10) und der zweite Turbolader (20) auf einer zum Ankuppeln eines Verbrauchers vorgesehenen Kupplungsseite (K) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet sind.
8. Brennkraftmaschine (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Turbolader (10) eine erste Abgasturbine (11) mit einem radialen Abgaseingang (13) aufweist, und wobei der zweite Turbolader (20) eine zweite Abgasturbine (21) mit einem axialen Abgasausgang (22) aufweist.
9. Brennkraftmaschine (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Turbolader (10) einen Niederdruck bereitstellenden ersten Turboverdichter (15) aufweist, wobei der zweite Turbolader (20) einen dem ersten Turboverdichter (15) nachgeschalteten Hochdruck bereitstellenden zweiten Turboverdichter (25) aufweist, und wobei der zweite Turboverdichter (25) in einer Betriebsposition der Brennkraftmaschine (1) höher angeordnet ist als der erste Turboverdichter (15).
10. Brennkraftmaschine (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Brennkraftmaschine (1) als Grossdieselmotor ausgebildet ist.
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