DE102009041223A1 - Exhaust gas turbocharger arrangement, thus equipped drive system and method for laying out the drive system - Google Patents
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Abstract
Abgasturbolader-Anordnung für einen Verbrennungsmotor, damit ausgerüstetes Antriebssystem und Verfahren zum Auslegen des Antriebssystems, wobei die Abgasturbolader-Anordnung aufweist: einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine, die in einem mit einem Abgasausgang des Verbrennungsmotors in Fluidverbindung zu bringenden Abgasstrang angeordnet ist, und einem mit der Abgasturbine in Drehantriebsverbindung stehenden Verdichter, der in einem mit einem Lufteingang des Verbrennungsmotors in Fluidverbindung zu bringenden Ladeluftstrang angeordnet ist, und eine Abgasrezirkulations-Einrichtung mit einem Eingang, der mit dem Abgasstrang fluidverbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Ladeluftstrang fluidverbunden ist, so dass aus dem Abgasstrang abgezweigtes Abgas an einer Abgaseintrittsposition in den Ladeluftstrang eintreten kann, und wobei sich die Abgaseintrittsposition in einem Fluidverdichtungspfad im Verdichter befindet, so dass in den Verdichter einströmendes Abgas unter lediglichem Ausgleich einer Druckdifferenz zwischen einem Eintrittsdruck des Abgases in den Fluidverdichtungspfad und einem zu erzielenden Ladedruck von dem Eintrittsdruck aus gerade bis auf den zu erzielenden Ladedruck verdichtet wird.Exhaust gas turbocharger arrangement for an internal combustion engine, drive system equipped therewith and method for designing the drive system, the exhaust gas turbocharger arrangement comprising: an exhaust gas turbocharger with an exhaust gas turbine, which is arranged in an exhaust gas line to be brought into fluid communication with an exhaust gas outlet of the internal combustion engine, and one with the Exhaust gas turbine in rotary drive connection compressor, which is arranged in a charge air line to be brought into fluid communication with an air inlet of the internal combustion engine, and an exhaust gas recirculation device with an input, which is fluidly connected to the exhaust gas line, and an output, which is fluidly connected to the charge air line that exhaust gas branched off from the exhaust gas line can enter the charge air line at an exhaust gas entry position, and wherein the exhaust gas entry position is located in a fluid compression path in the compressor, so that exhaust gas flowing into the compressor is only available m compensation of a pressure difference between an inlet pressure of the exhaust gas in the fluid compression path and a boost pressure to be achieved from the inlet pressure from just to the boost pressure to be achieved.
Description
Die Erfindung betrifft eine Abgasturbolader-Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, ein mit einer solchen Abgasturbolader-Anordnung ausgerüstetes Antriebssystem und ein Verfahren zum Auslegen des Antriebssystems.The invention relates to an exhaust gas turbocharger arrangement according to the preamble of
Eine Abgasturbolader-Anordnung der eingangsgenannten Art ist aus
Zur Erfüllung zukünftiger Abgasgrenzwerte von Verbrennungsmotoren, insbesondere hinsichtlich von deren NOx-Emissionen, werden zunehmend Abgasturbolader-Anordnungen mit Abgasrückführung bzw. Abgasrezirkulation eingesetzt. Dabei geht es darum, Abgas des Verbrennungsmotors der Ladeluft für den Verbrennungsmotor beizumischen.To meet future exhaust emission limits of internal combustion engines, in particular with regard to their NOx emissions, exhaust gas turbocharger arrangements with exhaust gas recirculation or exhaust gas recirculation are increasingly being used. It is about mixing exhaust gas from the combustion engine with the charge air for the combustion engine.
Bei einer Abgasrückführung muss in der Regel ein ”Spülgefälle”, d. h. eine Druckdifferenz zwischen dem Druck in einer Ladeluftleitung und dem Druck in einer Abgasleitung, überbrückt werden, wozu z. B. separate Gebläse eingesetzt werden oder das Abgas vor einem Verdichter der jeweiligen Abgasturbolader-Anordnung in den Ladeluftstrang hinein zugemischt wird. In jedem Fall ist zur Überwindung des Spülgefälles ein nicht unerheblicher Energieaufwand notwendig, welcher den Wirkungsgrad der Abgasturbolader-Anordnung beeinträchtigen kann.In an exhaust gas recirculation usually has a "purge gradient", d. H. a pressure difference between the pressure in a charge air line and the pressure in an exhaust pipe to be bridged, including z. B. separate blowers are used or the exhaust gas is mixed in front of a compressor of the respective exhaust gas turbocharger arrangement in the charge air line. In any case, a considerable expenditure of energy is necessary to overcome the Spülfallälläles, which may affect the efficiency of the exhaust gas turbocharger assembly.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasturbolader-Anordnung bereitzustellen, bei der der Energieaufwand zur Verdichtung eines in den Ladeluftstrang hinein rückzuführenden Abgasstroms reduziert bzw. minimiert ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein mit einer solchen Abgasturbolader-Anordnung ausgerüstetes Antriebssystem und ein Verfahren zum Auslegen eines solchen Antriebssystems bereitzustellen.The object of the invention is to provide an exhaust-gas turbocharger arrangement in which the energy required for compressing an exhaust-gas flow to be recirculated into the charge-air line is reduced or minimized. A further object of the invention is to provide a drive system equipped with such an exhaust gas turbocharger arrangement and a method for designing such a drive system.
Die oben genannten Aufgaben werden mit einer Abgasturbolader-Anordnung gemäß Anspruch 1, mit einem Antriebssystem gemäß Anspruch 7 bzw. einem Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.The above objects are achieved with an exhaust gas turbocharger arrangement according to
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Abgasturbolader-Anordnung für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, welche aufweist: einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine, die in einem mit einem Abgasausgang des Verbrennungsmotors in Fluidverbindung zu bringenden Abgasstrang der Abgasturbolader-Anordnung angeordnet ist, und einem mit der Abgasturbine in Drehantriebsverbindung stehenden Verdichter, der in einem mit einem Lufteingang des Verbrennungsmotors in Fluidverbindung zu bringenden Ladeluftstrang der Abgasturbolader-Anordnung angeordnet ist, und eine Abgasrezirkulations-Einrichtung mit einem Eingang, der mit dem Abgasstrang fluidverbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Ladeluftstrang fluidverbunden ist, so dass aus dem Abgasstrang abgezweigtes Abgas über den Ausgang an einer Abgaseintrittsposition in den Ladeluftstrang eintreten kann.According to a first aspect of the invention, an exhaust-gas turbocharger arrangement for an internal combustion engine is provided which comprises an exhaust-gas turbocharger with an exhaust-gas turbine which is arranged in an exhaust line of the exhaust-gas turbocharger arrangement to be brought into fluid communication with an exhaust-gas outlet of the internal combustion engine and with the exhaust-gas turbine rotary drive compressor disposed in a charge air line of the exhaust gas turbocharger assembly to be fluidly communicated with an air inlet of the internal combustion engine, and an exhaust gas recirculation device having an input fluidly connected to the exhaust line and an output fluidly connected to the charge air line is, so that branched off from the exhaust gas exhaust gas can enter via the output at an exhaust gas inlet position in the charge air line.
Die erfindungsgemäße Abgasturbolader-Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgaseintrittsposition derart in einem Fluidverdichtungspfad im Verdichter angeordnet ist, dass in den Verdichter einströmendes Abgas unter lediglichem Ausgleich einer Druckdifferenz zwischen einem Eintrittsdruck des Abgases in den Fluidverdichtungspfad und einem zu erzielenden Ladedruck von dem Eintrittsdruck aus gerade bis auf den zu erzielenden Ladedruck verdichtet wird.The exhaust-gas turbocharger arrangement according to the invention is characterized in that the exhaust gas entry position is arranged in a fluid compression path in the compressor such that exhaust gas flowing into the compressor merely compensates for a pressure difference between an inlet pressure of the exhaust gas into the fluid compression path and a boost pressure to be achieved from the inlet pressure is compressed just up to the targeted boost pressure.
Mit anderen Worten wird dem Abgas genau die Arbeit bzw. Energie zugeführt, die zum Ausgleichen bzw. Überbrücken einer Druckdifferenz zwischen Eintrittsdruck des Abgases und zu erzielendem Ladedruck notwendig ist.In other words, the exhaust gas is supplied with exactly the work or energy that is necessary to equalize or bridge over a pressure difference between the inlet pressure of the exhaust gas and the boost pressure to be achieved.
Gemäß der Erfindung wird nur lokal ein begrenzter Teil des Verdichters, der auch noch im Gereicht geringerer Fliehkraftbeanspruchung liegen kann oder sogar im Leitgittersystem des Verdichters, mit Abgas beaufschlagt.According to the invention, only a limited part of the compressor, which may still be in the lower centrifugal load or even in the Leitgittersystem of the compressor, subjected to exhaust gas only locally.
Damit kann der Energieaufwand zur Verdichtung des in den Ladeluftstrang rückzuführenden Abgases reduziert bzw. minimiert werden, wodurch der Wirkungsgrad der Abgasturbolader-Anordnung verbessert werden kann.Thus, the energy consumption for compression of the recirculated charge air in the charge air exhaust gas can be reduced or minimized, whereby the efficiency of the exhaust gas turbocharger assembly can be improved.
Damit wird zur Erfüllung zukünftiger Abgasgrenzwerte von Verbrennungsmotoren, insbesondere hinsichtlich von deren NOx-Emissionen, eine wirkungsgradoptimierte Abgasturbolader-Anordnung mit Abgasrückführung bzw. Abgasrezirkulation bereitgestellt, die insbesondere auch für langsamlaufende Zweitaktmotoren und mittelschnelllaufende Viertaktmotoren im Schwerölbetrieb einsetzbar ist.Thus, in order to meet future exhaust emission limits of internal combustion engines, in particular with regard to their NOx emissions, an efficiency-optimized exhaust gas turbocharger arrangement with exhaust gas recirculation or exhaust gas recirculation is provided which can be used in particular for low-speed two-stroke engines and medium-speed four-stroke engines in heavy oil operation.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasturbolader-Anordnung befindet sich die Abgaseintrittsposition zwischen einem Laufrad-Fluideintritt des Verdichters und einem Diffusor-Fluidaustritt des Verdichters.According to one embodiment of the exhaust gas turbocharger arrangement according to the invention, the exhaust gas inlet position is located between an impeller fluid inlet of the compressor and a diffuser fluid outlet of the compressor.
Dieser Bereich im Fluidverdichtungspfad des Verdichters stellt im Wesentlichen den Bereich des Druckaufbaus im Verdichter dar, so dass durch die Wahl einer geeigneten Abgaseintrittsposition, welche von dem Eintrittsdruck des Abgases und einer Verdichterkennlinie abhängig ist, die zur Verdichtung des Abgases aufzuwendende Arbeit bzw. Energie optimal reduziert bzw. minimiert werden kann.This area in the fluid compression path of the compressor essentially represents the area of the pressure build-up in the compressor, so that by the selection of a suitable exhaust gas inlet position, which is dependent on the inlet pressure of the exhaust gas and a compressor characteristic that is used to compress the Exhaust gas to be expended work or energy can be optimally reduced or minimized.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasturbolader-Anordnung befindet sich die Abgaseintrittsposition zwischen dem Laufrad-Fluideintritt des Verdichters und einem Nachleitapparat-Fluidaustritt des Verdichters.According to one embodiment of the exhaust gas turbocharger arrangement according to the invention, the exhaust gas inlet position is located between the impeller fluid inlet of the compressor and a Nachleitapparat fluid outlet of the compressor.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasturbolader-Anordnung befindet sich die Abgaseintrittsposition zwischen dem Laufrad-Fluideintritt des Verdichters und einem Laufrad-Fluidaustritt des Verdichters.According to a further embodiment of the exhaust gas turbocharger arrangement according to the invention, the exhaust gas inlet position is located between the impeller fluid inlet of the compressor and an impeller fluid outlet of the compressor.
Eine derartige Abgaseintrittsposition ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Druckdifferenz bzw. das Spülgefälle relativ hoch ist.Such an exhaust gas inlet position is particularly advantageous when the pressure difference or the purging gradient is relatively high.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasturbolader-Anordnung befindet sich die Abgaseintrittsposition zwischen dem Laufrad-Fluidaustritt des Verdichters und dem Diffusor-Fluidaustritt des Verdichters.According to yet another embodiment of the exhaust gas turbocharger arrangement according to the invention is the exhaust gas inlet position between the impeller fluid outlet of the compressor and the diffuser fluid outlet of the compressor.
Eine derartige Abgaseintrittsposition ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Druckdifferenz bzw. das Spülgefälle relativ gering ist, wie z. B. bei Zweitaktmotoren.Such an exhaust gas inlet position is particularly advantageous if the pressure difference or the purging gradient is relatively low, such. B. in two-stroke engines.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasturbolader-Anordnung ist der Eingang der Abgasrezirkulations-Einrichtung an einer Abgasabzweigposition mit dem Abgasstrang fluidverbunden, wobei sich die Abgasabzweigposition entlang des Abgastranges vor einem Turbineneingang befindet.According to a further embodiment of the exhaust gas turbocharger arrangement according to the invention, the inlet of the exhaust gas recirculation device is fluidly connected to the exhaust gas line at an exhaust gas branch position, wherein the exhaust gas branch position is located in front of a turbine inlet along the exhaust gas line.
Eine solche Abgasabzweigposition gewährleistet, dass der Eintrittsdruck des Abgases möglichst hoch ist und damit das Spülgefälle bzw. die Druckdifferenz möglichst gering ist.Such a Abgasabzweigposition ensures that the inlet pressure of the exhaust gas is as high as possible and thus the purging gradient or the pressure difference is as low as possible.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasturbolader-Anordnung kann die Abgasrezirkulations-Einrichtung einen Abgaskühler und/oder einen Abgaswäscher aufweisen.According to yet another embodiment of the exhaust gas turbocharger arrangement according to the invention, the exhaust gas recirculation device may comprise an exhaust gas cooler and / or an exhaust gas scrubber.
Mit anderen Worten kann das Abgas aus dem Abgasstrang von ”nach Zylinder” des Verbrennungsmotors bzw. ”vor Abgasturbine” ggf. gekühlt und gereinigt nach ”vor Zylinder” in den im Verdichter befindlichen Fluidverdichtungspfad des Ladeluftstrangs beigemischt werden.In other words, the exhaust gas from the exhaust line from "to cylinder" of the internal combustion engine or "in front of exhaust gas turbine" possibly cooled and cleaned after "before cylinder" are added to the located in the compressor fluid compression path of the charge air line.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Antriebssystem mit einer Abgasturbolader-Anordnung gemäß einer, mehreren oder allen zuvor definierten Ausführungsform(en) der Erfindung in jeder denkbaren Kombination und einem Verbrennungsmotor bereitgestellt, wobei der Abgasstrang der Abgasturbolader-Anordnung mit dem Abgasausgang des Verbrennungsmotors in Fluidverbindung steht und der Ladeluftstrang der Abgasturbolader-Anordnung mit dem Lufteingang des Verbrennungsmotors in Fluidverbindung steht.According to a second aspect of the invention, a drive system is provided with an exhaust gas turbocharger assembly according to one, several or all previously defined embodiment (s) of the invention in any conceivable combination and an internal combustion engine, wherein the exhaust line of the exhaust gas turbocharger arrangement with the exhaust gas outlet of the internal combustion engine Fluid connection is and the charge air of the turbocharger arrangement is in fluid communication with the air inlet of the engine.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Auslegen eines erfindungsgemäßen Antriebssystems bereitgestellt, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen einer lastabhängigen Abgasdruck-Kennlinie für den Verbrennungsmotor, Bestimmen einer lastabhängigen Ladedruck-Kennlinie für den Verdichter, Bestimmen einer z. B. durchschnittlichen Arbeitslast (z. B. einer Motorlast, mit der der Verbrennungsmotor hauptsachlich betrieben werden soll) für den Verbrennungsmotor, Bestimmen einer auf die Arbeitslast bezogenen Druckdifferenz zwischen der Abgasdruck-Kennlinie und der Ladedruck-Kennlinie, Bestimmen einer verdichterspezifischen Druckaufbau-Kennlinie in Abhängigkeit von einer auf eine Verdichtungspfadlänge bezogenen Längenposition im Fluidverdichtungspfad, Bestimmen einer Längenposition im Fluidverdichtungpfad, an der ein vom Verdichter erzielbarer Druckaufbau gleich der bestimmten Druckdifferenz zwischen Abgasdruck-Kennlinie und Ladedruck-Kennlinie ist, und Festlegen der Abgaseintrittsposition, so dass die Abgaseintrittsposition der bestimmten Längenposition entspricht.According to a third aspect of the invention, a method for designing a drive system according to the invention is provided, wherein the method comprises at least the following steps: determining a load-dependent exhaust pressure characteristic for the internal combustion engine, determining a load-dependent boost pressure characteristic for the compressor, determining a z. For example, the average work load (eg, an engine load with which the engine is to be mainly operated) for the internal combustion engine, determining a pressure difference related to the workload between the exhaust gas pressure characteristic and the boost pressure characteristic, determining a compressor-specific pressure build-up characteristic Dependence on a length position in the fluid compression path related to a compression path length, determining a length position in the fluid compression path at which a pressure build-up achievable by the compressor is equal to the determined pressure difference between the exhaust pressure characteristic and the boost pressure characteristic, and determining the exhaust gas inlet position such that the exhaust gas inlet position of the determined length position equivalent.
Im Fazit wurde vom Erfinder erkannt, dass, da das Abgas vor der Abgasturbine bereits auf einem relativ hohen Druckniveau ist, lediglich ein Ort bzw. eine Position (Abgaseintrittsposition) gefunden werden muss, wo die restliche Druckerhöhung bis auf Ladedruckniveau erzielt werden kann.In conclusion, the inventor recognized that, since the exhaust gas in front of the exhaust gas turbine is already at a relatively high pressure level, only one location or position (exhaust gas inlet position) has to be found, where the remaining pressure increase can be achieved up to boost pressure level.
Gemäß Ausführungsfomen der Erfindung könnte sich die Abgaseintrittsposition z. B. in einem Radialverdichter an der Deckelkontur nach dem Laufrad-Fluideintritt bis vor den Laufrad-Fluidaustritt befinden. Bei entsprechend niedrigem Spülgefälle, wie bei Zweitaktmotoren, könnte sich die Abgaseintrittsposition zwischen dem Laufrad-Fluidaustritt und Diffusor-Fluidaustritt befinden, da auch dort noch eine Erhöhung des statischen Druckes stattfindet.According to embodiments of the invention, the exhaust gas inlet position z. B. in a radial compressor on the lid contour after the impeller fluid inlet to the impeller fluid outlet. With a correspondingly low flushing gradient, as in two-stroke engines, the exhaust gas inlet position between the impeller fluid outlet and diffuser fluid outlet could be located, since there is still an increase in the static pressure there.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.In the following the invention will be described in more detail by means of preferred embodiments and with reference to the attached figures.
Das Antriebsystem
Die Abgasturbolader-Anordnung
Der Abgasturbolader
Der Turbineneingang
Der Turbinenausgang
Die Abgasleitung
Der Verdichtereingang
Der Verdichterausgang
Die Frischluftleitung
Die Abgasrezirkulations-Einrichtung
Wie in
Gehäuse
Genauer gesagt erstreckt sich der Fluidverdichtungspfad VP von einem Laufrad-Fluideintritt
Wie die
Wie eingangs beschrieben weist das Abgas A einen von der Motorlast L des Verbrennungsmotors
Gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen, die Abgaseintrittsposition AE in dem Fluidverdichtungspfad VP im Verdichter
In allgemeinster Form wird sich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung also die Abgaseintrittsposition AE zwischen dem Laufrad-Fluideintritt
Gemäß der in
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann sich die Abgaseintrittsposition AE auch zwischen dem Laufrad-Fluidaustritt
Gemäß den obigen Erläuterungen wird ein Verfahren zum Auslegen des erfindungsgemäßen Antriebssystems
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Antriebsystemdrive system
- 1010
- Abgasturbolader-AnordnungTurbocharger arrangement
- 2020
- Abgasturboladerturbocharger
- 2121
- Abgasturbineexhaust turbine
- 21a21a
- Turbineneingangturbine inlet
- 21b21b
- Turbinenausgangturbine output
- 2222
- Abgasleitungexhaust pipe
- 2323
- Auslassleitungoutlet pipe
- 2525
- Verbindungswelleconnecting shaft
- 2626
- Verdichtercompressor
- 26a26a
- Verdichtereingangcompressor inlet
- 26b26b
- Verdichterausgangcompressor output
- 260260
- Gehäusecasing
- 261261
- LaufradWheel
- 262262
- Laufradschaufel(n)The impeller blade (s)
- 263263
- Laufrad-FluideintrittImpeller fluid inlet
- 264264
- Laufrad-FluidaustrittImpeller fluid exit
- 265265
- Diffusordiffuser
- 266266
- Diffusor-FluisaustrittDiffuser Fluisaustritt
- 267267
- Spiralkanalspiral channel
- 268268
- Nachleitapparatguide vane
- 2727
- FrischluftleitungFresh air line
- 2828
- Zuluftleitungair supply
- 2929
- Zuluftleitungair supply
- 3030
- Abgasrezirkulations-EinrichtungExhaust gas recirculation device
- 30a30a
- Eingangentrance
- 30b 30b
- Ausgangoutput
- 4040
- LadeluftkühlerIntercooler
- 6060
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 60a60a
- Lufteingangair inlet
- 60b60b
- Abgasausgangexhaust outlet
- AEAE
- AbgaseintrittspositionExhaust inlet position
- VPVP
- FluidverdichtungspfadFluid compression path
- aa
- erste Begrenzungfirst limit
- bb
- zweite Begrenzungsecond boundary
- PP
- Druckprint
- PAPA
- Abgasdruckexhaust gas pressure
- PLPL
- Ladedruckboost pressure
- ΔP.DELTA.P
- Druckdifferenzpressure difference
- LL
- Motorlastengine load
- ALAL
- Arbeitslastworkload
- AA
- Abgasexhaust
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R020 | Patent grant now final |
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