DE102007001487A1

DE102007001487A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verdichterradkühlung eines Verdichters

Info

Publication number: DE102007001487A1
Application number: DE200710001487
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr. Bignion
Original assignee: Deutz Power Systems GmbH
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2007-01-10
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2027-01-11
Also published as: DE102007001487B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mittels einer Abgasturbine und eines Verdichters, mit einem Verdichterrad, ein- oder mehrstufig aufgeladenen Brennkraftmaschine, mit einem Ladeluft- oder Gemischkühler in der Ladeluftleitung und einen Verdichter zur Durchführung des Verfahrens. Erfindungsgemäß wird ein gattungsgemäßes Verfahren derart weitergebildet, dass ein beim Betrieb der Brennkraftmaschine anfallendes Kühlfluid zur direkten Kühlung des Verdichterrads verwendet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das bei der ein- oder mehrstufigen Verdichtung der Ladeluft anfallende Wasser zur Kühlung des Verdichterrads verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mittels einer Abgasturbine und eines Verdichters, mit einem Verdichterrad, ein- oder mehrstufig aufgeladenen Brennkraftmaschine, mit einem Ladeluft- oder Gemischkühler in der Ladeluftleitung.
Bei nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird beim Ansaugen von Luft durch die Kolben ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt. Der Unterdruck steigt mit wachsender Drehzahl an und begrenzt die erreichbare Leistung des Motors. Eine der Möglichkeiten, dem entgegenzuwirken, ist die Aufladung der Zylinder mittels eines Turboladers.
Ein Turbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom, die über eine Welle mit einem Verdichter in der Ladeluftleitung verbunden ist. Die Abgasturbine wird vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter beziehungsweise dessen Verdichterrad an. Der Verdichter erhöht den Druck in der Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in die Zylinder gelangt als bei einer nicht aufgeladenen Brennkraftmaschine. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur Verfügung, so dass die Leistungsabgabe erhöht ist.
Im Gegensatz zu nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen, in welchen sich die Luft während des Ansaugens durch den Unterdruck abkühlt, kommt es bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen durch die Komprimierung zu einer deutlichen Erwärmung der Ladeluft. Um das zu vermeiden wird die Ladeluft bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen in der Regel durch Ladeluftkühler gekühlt.
Beim Verdichten der Ladeluft und beim anschließenden Abkühlen im Ladeluftkühler oder Gemischkühler wird Wasser als Kondensat abgeschieden, da die relative Feuchte in der Ladeluft eine Funktion der Dichte und der Temperatur ist (siehe Mollier-Diagramme). Eine Erhöhung des Ladedrucks als auch eine Verringerung der Temperatur der Ladeluft führen jeweils zu einer Erhöhung der relativen Feuchte. Erreicht diese den Wert 1, wird Wasser als Kondensat abgeschieden.
Bei einer Leistung einer Brennkraftmaschine von beispielsweise 5000 kW, einem Lambda von ca. 1,8 und einem Ladedruck nach Verdichter von ca. 7 bar absolut, fallen grob 1000 I Wasser pro Stunde an. Das ist nur die Größenordnung, im Detail hängt die anfallende Wassermenge insbesondere von der Feuchte der angesaugten Luft und der Temperatur nach dem Ladeluftkühler oder Gemischkühler ab.
Dieses Wasser wird bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen einfach über eine Bohrung in der Ladeluftleitung ausgeblasen. Bei kleinen Brennkraftmaschinen und kleinen Aufladegraden ist die auskondensierte Wassermenge recht klein und wird einfach durch die Zylinder der Brennkraftmaschine "entsorgt".
Das Problem des Kondensatanfalls verschärft sich mit zunehmenden Druckverhältnissen. Gleichzeitig steigen die Verdichtungsendtemperaturen im Verdichterrad des Turboladers an, das aus Kostengründen in der Regel aus Aluminium gefertigt wird. Aktuell liegt man bei ca. 220°C Austrittstemperatur am Verdichter, künftig wird man bei ca. 280°C und darüber liegen. Damit kommt man sehr schnell in den Bereich der Zeitstandsfestigkeit der Verdichterräder und muss Gegenmaßnahmen ergreifen.
Die gattungsgemäße DE 10 2004 028 224 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers sowie einen Turbolader. Es wird vorgeschlagen, dem von einem Verdichter eines Turboladers zu verdichtenden Luftmassenstrom, vor Zuführung desselben in den Verdichter, ein Fluid zu injizieren, wobei das Fluid innerhalb des Verdichters, vor Erreichen des Austritts des Verdichterrads, vollständig verdunsten soll. Bei der Verdunstung stellt sich eine Kühlung bzw. Temperaturerniedrigung des Verdichterrads ein. Hierdurch soll das Überschreiten der zulässigen Bauteiltemperatur des Verdichterrads vermieden und ein temperaturbedingter Festigkeitsverlust desselben verhindert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer mittels einer Abgasturbine und eines Verdichters, mit einem Verdichterrad, ein- oder mehrstufig aufgeladenen Brennkraftmaschine, mit einem Ladeluft- oder Gemischkühler in der Ladeluftleitung, derart zu verbessern, dass ein beim Betrieb der Brennkraftmaschine anfallendes Kühlfluid zur direkten Kühlung des Verdichterrads verwendet wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das bei der ein- oder mehrstufigen Verdichtung der Ladeluft anfallende Wasser zur Kühlung des Verdichterrads verwendet wird. Somit wird das ohnehin anfallende Wasser, auch Kondensatstrom genannt, zur effizienten Kühlung des Verdichterrads genutzt.
In erfinderischer Ausgestaltung wird das Wasser auf die Verdichterradrückwand aufgesprüht beziehungsweise eingedüst.
In erfinderischer Ausgestaltung wird das Wasser in Strömungsrichtung hinter dem Ladeluft- oder Gemischkühler der Ladeluftleitung entnommen und/oder es wird dem Ladeluft- oder Gemischkühler entnommen. Die überschüssige Wassermenge kann anderweitig entsorgt werden.
Der Sättigungszustand für Luft liegt bei den im Verdichter erreichten Drücken bei deutlich niedrigeren Temperaturen als die Verdichteraustrittstemperatur, so dass eventuell auf eine Kondensatabscheidung aus dem Verdichter verzichtet werden kann, auch wenn zusätzliches Wasser der verdichteten Luft zugeführt wird. Für die unterschiedlichen Gasgemische bei gemischaufgeladenen Brennkraftmaschinen ist dies zu prüfen.
Gegebenenfalls kann es trotzdem sinnvoll sein, grundsätzlich eine getrennte Abscheidung des Kühlwassers aus dem Verdichtergehäuse vorzusehen.
Für niedrige Aufladegrade/Lastpunkte (keine ausreichende Kondensatbildung) kann zusätzlich das Verdichterrad durch die der Ladeluftleitung in Strömungsrichtung hinter dem Ladeluft- oder Gemischkühler entnommene Ladeluft gekühlt werden. Eine entsprechende Auslegung der Kühlvorrichtung ist dabei zu berücksichtigen.
Ein erfindungsgemäßer Verdichter mit einem Verdichtergehäuse zur Durchführung des genannten Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass im Verdichtergehäuse eine auf die Verdichterradrückwand gerichtete Düse angeordnet ist, die über eine wasserführende Kühlleitung mit der Ladeluftleitung hinter dem Ladeluft- oder Gemischkühler oder direkt mit dem Ladeluft- oder Gemischkühler verbunden ist.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die Brennkraftmaschine eine fremdgezündete, insbesondere eine gasbetriebene, oder eine selbstzündende Brennkraftmaschine.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004028224 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer mittels einer Abgasturbine und eines Verdichters, mit einem Verdichterrad, ein- oder mehrstufig aufgeladenen Brennkraftmaschine, mit einem Ladeluft- oder Gemischkühler in der Ladeluftleitung, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der ein- oder mehrstufigen Verdichtung der Ladeluft anfallende Wasser zur Kühlung des Verdichterrads verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser auf die Verdichterradrückwand aufgesprüht bzw. eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser in Strömungsrichtung hinter dem Ladeluft- oder Gemischkühler der Ladeluftleitung entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser dem Ladeluft- oder Gemischkühler entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine zusätzliche Kondensatabscheidung aus dem Verdichter verzichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich das Verdichterrad durch die der Ladeluftleitung in Strömungsrichtung hinter dem Ladeluft- oder Gemischkühler entnommene Ladeluft gekühlt wird.
Verdichter mit einem Verdichtergehäuse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdichtergehäuse eine auf die Verdichterradrückwand gerichtete Düse angeordnet ist, die über eine wasserführende Kühlleitung mit der Ladeluftleitung hinter dem Ladeluft- oder Gemischkühler oder direkt mit dem Ladeluft- oder Gemischkühler verbunden ist.
Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine fremdgezündete oder eine selbstzündende Brennkraftmaschine ist.