CH718580B1 - Turbolader für eine Brennkraftmaschine. - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader (13) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Gasmotor, zur ausschließlichen Verdichtung eines gasförmigen Kraftstoffs. Der Turbolader weist einen Verdichter (21) mit einer ersten Verdichterstufe (22) und einem ersten Verdichterrotor (28) und einer zweiten Verdichterstufe (23) und einem zweiten Verdichterrotor (29) auf sowie eine Turbine (24) mit einem Turbinenrotor (25), wobei der Turbinenrotor (25), der ersten Verdichterrotor (28) und der zweite Verdichterrotor (29) alle über eine gemeinsamen Welle (30) gekoppelt sind. Mit dem erfindungsgemässen Turbolader ist es auf besonders vorteilhafte Art und Weise möglich, den gasförmigen Kraftstoff auf einen höheren Druck zu verdichten als die Ladeluft, wenn diese mit einem Turbolader mit einstufigem Verdichter verdichtet wird. Zudem verfügt ein solcher Turbolader über eine besonders kompakte Bauform.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Brennkraftmaschine.
[0002] Eine als Gasmotor oder Dual-Fuel-Motor ausgebildete Brennkraftmaschine verfügt über mehrere Zylinder, wobei in den Zylindern ein Gemisch aus Ladeluft und einem gasförmigen Kraftstoff verbrannt wird. Bei aus der Praxis bekannten Gasmotoren oder Dual-Fuel-Motoren wird das Gemisch aus Ladeluft und dem gasförmigen Kraftstoff stromaufwärts der Zylinder der Brennkraftmaschine gemischt und gemeinsam über einen Abgasturbolader verdichtet. Zur Verdichtung der Ladeluft und des gasförmigen Kraftstoffs ist demnach ein gemeinsamer Turbolader vorhanden.
[0003] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Turbolader zur ausschließlichen Verdichtung eines gasförmigen Kraftstoffs für eine neuartige Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher die Ladeluft in einem ersten Turbolader und unabhängig hiervon der gasförmige Kraftstoff in einem zweiten Turbolader verdichtet. Hierdurch ist es möglich, Ladeluft und gasförmigen Kraftstoff auf individuelle Drücke zu verdichten und die Mischung von Ladeluft und gasförmigem Kraftstoff im Bereich eines Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine vorzunehmen.
[0004] Diese Aufgabe wird durch den Turbolader nach Anspruch 1 gelöst.
[0005] Der erfindungsgemässe Turbolader weist einen Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe und einem ersten Verdichterrotor und einer zweiten Verdichterstufe und einem zweiten Verdichterrotor auf sowie eine Turbine mit einem Turbinenrotor, wobei der Turbinenrotor, der ersten Verdichterrotor und der zweite Verdichterrotor alle über eine gemeinsamen Welle (30) gekoppelt sind.
[0006] Mit dem erfindungsgemässen Turbolader ist es auf besonders vorteilhafte Art und Weise möglich, den gasförmigen Kraftstoff auf einen höheren Druck zu verdichten als die Ladeluft, wenn diese mit einem Turbolader mit einstufigem Verdichter verdichtet wird. Zudem verfügt ein solcher Turbolader über eine besonders kompakte Bauform.
[0007] In einer bevorzugten Ausführungsform des Turboladers sind die Verdichterstufen des Verdichters als Radialverdichterstufen ausgebildet und ist die Turbine als Radialturbine ausgebildet.
[0008] Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Turboladers verläuft zwischen den Verdichterstufen des Verdichters ein gekrümmter Strömungskanal mit einem ersten, von der ersten Verdichterstufe in Radialrichtung wegführenden Kanalabschnitt, einem zweiten, zu der zweiten Verdichterstufe in Radialrichtung hinführenden Kanalabschnitt und einem dritten, zwischen derselben verlaufenden, gekrümmten Kanalabschnitt, wobei im zweiten, zu der zweiten Verdichterstufe in Radialrichtung hinführenden Kanalabschnitt Leitschaufeln angeordnet sind. Hierdurch kann der in der ersten Verdichterstufe vorverdichtete, gasförmige Kraftstoff vorteilhaft der zweiten Verdichterstufe zur weiteren Verdichtung zugeführt werden.
[0009] Nach noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind in das Gehäuse des Verdichters Kühlkanäle eingebracht, über die Verdichterstufen des Verdichters kühlbar sind. Vorzugsweise sind in ein Lagergehäuse weitere Kühlkanäle eingebracht. Die Kühlung des Verdichters und damit die Kühlung des vom Verdichter verdichteten, gasförmigen Kraftstoffs erlaubt einen besonders vorteilhaften Betrieb der Brennkraftmaschine.
[0010] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer als Gasmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine, Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemässen Turbolader der Brennkraftmaschine.
[0011] Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Turbolader für eine als Gasmotor oder Dual-Fuel-Motor ausgebildete Brennkraftmaschine.
[0012] Fig. 1 zeigt stark schematisiert ein Blockschaltbild eines Gasmotors 10. Der Gasmotor 10 verfügt über mehrere Zylinder 11, in welchen ein Gemisch aus Ladeluft und einem gasförmigen Kraftstoff verbrannt wird.
[0013] Der Gasmotor 10 verfügt über mehrere Turbolader 12, 13.
[0014] Ein erster Turbolader 12 dient ausschließlich der Verdichtung von Ladeluft 14. Hierzu umfasst der erste Turbolader 12 einen Verdichter 15 zur Verdichtung der Ladeluft sowie über eine Turbine 16 zur Entspannung von Abgas 17, welches die Brennkraftmaschine verlässt. Abgas 17 wird einem Abgassammler 18 entnommen und der Turbine 16 des ersten Turboladers 12 zugeführt, um in der Turbine 16 des ersten Turboladers 12 entspannt zu werden, wobei hier gewonnene Energie genutzt wird, um die Ladeluft 14 im Verdichter 15 des Turboladers 12 zu verdichten und einem Zylinderkopf 19 zuzuführen.
[0015] Während der erste Turbolader 12 ausschließlich der Verdichtung von Ladeluft dient, dient der zweite, erfindungsgemässe Turbolader 13 ausschließlich der Verdichtung von gasförmigem Kraftstoff 20. Hierzu umfasst der zweite Turbolader 13 einen Verdichter 21 mit mehreren Verdichterstufen 22, 23. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Verdichter 21 des zweiten Turboladers 13 zwei Verdichterstufen 22, 23 zur Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs 20, der als verdichteter gasförmiger Kraftstoff 20 ebenfalls dem Zylinderkopf 19 zugeführt werden kann, um die verdichtete Ladeluft 14 und den verdichteten gasförmigen Kraftstoff 20 im Bereich des Zylinderkopfs 19 zu mischen.
[0016] Der zweite Turbolader 13 verfügt über eine Turbine 24, in welcher ebenfalls Abgas 17 der Zylinder 11 entspannt werden kann, um hierbei Energie zu gewinnen und unter Nutzung der bei der Entspannung des Abgases 17 in der Turbine 24 des zweiten Turboladers 13 gewonnenen Energie die beiden Verdichterstufen 22, 23 des Verdichters 21 zur Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs 20 anzutreiben.
[0017] Der Gasmotor 10 verfügt demnach über Turbolader 12, 13, in welchen unabhängig voneinander einerseits Ladeluft 14 und andererseits gasförmiger Kraftstoff 20 verdichtet werden kann.
[0018] Der verdichtete gasförmige Kraftstoff 20 sowie die verdichtete Ladeluft 14 werden erst im Bereich eines Zylinderkopfs 19 gemischt. Dadurch, dass der zweite Turbolader 13, welcher der Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs 20 dient, eine höhere Anzahl von Verdichterstufen aufweist als der erste Turbolader 12, welcher der Verdichtung der Ladeluft 14 dient, wird der gasförmige Kraftstoff 20 auf einen höheren Druck verdichtet als die Ladeluft 14. Hierdurch kann für den Gasmotor 10 ein besonders vorteilhafter, insbesondere geregelter, Betrieb gewährleistet werden.
[0019] Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den zweiten, erfindungsgemässen Turbolader 13, welcher der Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs dient. So zeigt Fig. 2 die Turbine 24, die einen Turbinenrotor 25 und ein Turbinengehäuse 26 umfasst.
[0020] Die Turbine 24 ist vorzugsweise als Radialturbine ausgeführt, dieselbe wird vorzugsweise in Radialrichtung vom zu entspannenden Abgas angeströmt, wobei entspanntes Abgas vom Turbinenrotor 25 vorzugsweise in Axialrichtung abströmt.
[0021] Der Verdichter 21 umfasst ein Verdichtergehäuse 27 mit Verdichtergehäuseabschnitten 27a, 27b sowie einen Verdichterrotor, welcher die beiden Verdichterstufen 22, 23 bereitstellt. So umfasst die erste Verdichterstufe 22 einen ersten Verdichterrotor 28 und die Verdichterstufe 23 einen zweiten Verdichterrotor 29, die auf einer gemeinsamen Welle 30 angeordnet sind. Der Turbinenrotor 25 ist über diese Welle 30 mit den beiden Verdichterrotoren 28, 29 gekoppelt. Die Welle 30 ist in einem Lagergehäuse 31 gelagert, wobei das Lagergehäuse 31 einerseits mit dem Turbinengehäuse 26 und andererseits mit dem Verdichtergehäuse 27 verbunden ist.
[0022] Die beiden Verdichterstufen 22, 23 des Verdichters 21 des Turboladers 13, welcher ausschließlich der Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs dient, sind beide als Radialverdichterstufen ausgebildet, dieselben werden demnach vom zu verdichtenden, gasförmigen Kraftstoff in Axialrichtung angeströmt, der verdichtete gasförmige Kraftstoff strömt in Radialrichtung ab.
[0023] Der im Bereich der ersten Verdichterstufe 22 verdichtete gasförmige Kraftstoff ist über einen Strömungskanal 32 der zweiten Verdichterstufe 29 zur weiteren Verdichtung zuführbar.
[0024] Dieser Strömungskanal 32 verfügt über mehrere Kanalabschnitte 32a, 32b und 32c. Ein erster Kanalabschnitt 32a erstreckt sich in Radialrichtung und führt den im Bereich der ersten Verdichterstufe 22 verdichteten, gasförmigen Kraftstoff von der ersten Verdichterstufe 22 weg. Der zweite Kanalabschnitt 32b erstreckt sich ebenfalls in Radialrichtung und führt den im Bereich der ersten Verdichterstufe 22 verdichteten, gasförmigen Kraftstoff in Richtung auf die zweite Verdichterstufe 23. Zwischen diesen beiden sich in Radialrichtung erstreckenden Kanalabschnitten 32a, 32b ist ein dritter, gekrümmter Kanalabschnitt 32c ausgebildet, der den verdichteten, gasförmigen Kraftstoff um in etwa 180° umlenkt.
[0025] Im zweiten Kanalabschnitt 32b nach der Strömungsumlenkung im Bereich des dritten Kanalabschnitts 32c sind Leitschaufeln 33 angeordnet. Die Leitschaufeln 33 dienen der optimalen Zuführung des vorverdichteten, gasförmigen Kraftstoffs in Richtung auf die zweite Verdichterstufe 23.
[0026] In das Verdichtergehäuse 27 des Verdichters 21 sowie in das Lagergehäuse 31 sind Kühlkanäle 34 eingebracht. Über diese Kühlkanäle 34 kann der Verdichter 21 sowie das Lagergehäuse 31 gekühlt werden. Ferner ist eine Kühlung des gasförmigen Kraftstoffs möglich.
[0027] Die Kühlkanäle im Bereich des Lagergehäuses 31 bewirken eine thermische Isolation von der heißen Turbinenseite. Hierdurch ist ein besonders vorteilhafter Betrieb des Turboladers und eines den Turbolader umfassenden Gasmotors möglich.
[0028] Der Gasmotor 10 wird so betrieben, dass der gasförmige Kraftstoff 20 unabhängig von der Ladeluft 14 verdichtet wird. Dabei wird der gasförmige Kraftstoff 20 auf einen höheren Druck verdichtet als die Ladeluft 14.
[0029] Diese auf unterschiedliche Druckniveaus verdichteten Medien, nämlich der gasförmige Kraftstoff 20 und die Ladeluft 14, werden vorzugsweise im Bereich des Zylinderkopfs 19 oder vor dem Zylinderkopf 19 gemischt, um dann die Mischung aus Ladeluft 14 und gasförmigem Kraftstoff 20 den Zylindern 11 zur Verbrennung zuzuführen.
[0030] Obwohl die Ausführung für einen Gasmotor beschrieben wurde, kann die Erfindung auch an einem Dual-Fuel-Motor zum Einsatz kommen.
Bezugszeichenliste
[0031] 10 Gasmotor 11 Zylinder 12 Turbolader 13 Turbolader 14 Ladeluft 15 Verdichter 16 Turbine 17 Abgas 18 Abgassammler 19 Zylinderkopf 20 gasförmiger Kraftstoff 21 Verdichter 22 Verdichterstufe 23 Verdichterstufe 24 Turbine 25 Turbinenrotor 26 Turbinengehäuse 27 Verdichtergehäuse 28 Verdichterrotor 29 Verdichterrotor 30 Welle 31 Lagergehäuse 32 Strömungskanal 32a Kanalabschnitt 32b Kanalabschnitt 32c Kanalabschnitt 33 Leitschaufel 34 Kühlkanal

Claims (5)

1. Turbolader (13) für eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern (11), insbesondere für einen Gasmotor (10), zur ausschließlichen Verdichtung eines gasförmigen Kraftstoffs,dadurch gekennzeichnet,dass derselbe einen Verdichter (21) mit einer ersten Verdichterstufe (22) und einem ersten Verdichterrotor (28) und einer zweiten Verdichterstufe (23) und einem zweiten Verdichterrotor (29) aufweist, derselbe eine Turbine (24) mit einem Turbinenrotor (25) aufweist, der Turbinenrotor (25), der ersten Verdichterrotor (28) und der zweite Verdichterrotor (29) alle über eine gemeinsamen Welle (30) gekoppelt sind.
2. Turbolader nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet,dass die Verdichterstufen (22, 23) des Verdichters (21) Radialverdichterstufen sind, und dass die Turbine (24) eine Radialturbine ist.
3. Turbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dasszwischen den Verdichterstufen (22, 23) des Verdichters (21) ein gekrümmter Strömungskanal (32) mit einem ersten, von der ersten Verdichterstufe (22) in Radialrichtung wegführenden Kanalabschnitt (32a), einem zweiten, zu der zweiten Verdichterstufe (23) in Radialrichtung hinführenden Kanalabschnitt (32b) und einem dritten, zwischen denselben verlaufenden, gekrümmten Kanalabschnitt (32c) verläuft, wobei im zweiten, zu der zweiten Verdichterstufe (23) in Radialrichtung hinführenden Kanalabschnitt (32b) Leitschaufeln (33) angeordnet sind.
4. Turbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dassin ein Gehäuse (27) des Verdichters (21) Kühlkanäle (34) eingebracht sind, über die Verdichterstufen (22, 23) des Verdichters kühlbar sind.
5. Turbolader nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet,dasser ein Lagergehäuse (31) aufweist, in welches weitere Kühlkanäle (34) eingebracht sind.
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