DE102014114995A1

DE102014114995A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schutz einer Verdichterturbine eines Verbrennungsmotors sowie Verdichteranordnung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102014114995A1
Application number: DE102014114995.5A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Schnorbus
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Verdichterturbine (22) eines Verbrennungsmotors (40) vor einer Beschädigung durch flüssige und/oder feste Fremdteilchen (31) im Gasstrom (30), wobei die Verdichterturbine (22) zum Verdichten des Gasstroms (30) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (10) zum Schutz einer Verdichterturbine (22) eines Verbrennungsmotors (40), aufweisend einen Schutzabschnitt (11), wobei der Schutzabschnitt (11) in einem Gasstrom (30) in einer Luftzuführung (23) der Verdichterturbine (22) anordenbar ist sowie eine Verdichteranordnung (20) für einen Verbrennungsmotor (40), aufweisend eine Verdichterturbine (22) und eine Vorrichtung (10) zum Schutz der Verdichterturbine (22).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer Verdichterturbine eines Verbrennungsmotors vor einer Beschädigung durch flüssige und/oder feste Fremdteilchen im Gasstrom, wobei die Verdichterturbine zum Verdichten des Gasstroms ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Schutz einer Verdichterturbine eines Verbrennungsmotors, aufweisend einen Schutzabschnitt, wobei der Schutzabschnitt in einem Gasstrom in einer Luftzuführung der Verdichterturbine anordenbar ist sowie eine Verdichteranordnung für einen Verbrennungsmotor, aufweisend eine Verdichterturbine und eine Vorrichtung zum Schutz der Verdichterturbine.
Es ist grundsätzlich bekannt, bei Verbrennungsmotoren Vorrichtungen zur Erhöhung eines Drucks einer Ladeluft des Verbrennungsmotors zu verwenden. Die durch den Verbrennungsmotor erzielbare Leistung kann dadurch oftmals erheblich gesteigert werden. Besonders bevorzugt werden dabei oftmals Verdichterturbinen eingesetzt, die insbesondere als Teil eines Abgasturboladers ausgebildet sein können. Derartige Verdichterturbinen weisen dabei Verdichterschaufeln auf, die durch schnelle Rotation eine Verdichtung der Ladeluft bewirken. Enthält der Gasstrom der Ladeluft dabei Fremdteilchen, beispielsweise Schmutzpartikel oder Flüssigkeitstropfen, und treffen diese auf die schnell rotierenden Verdichterschaufeln, kann eine Beschädigung bis hin zur völligen Zerstörung der Verdichterschaufeln die Folge sein. Insbesondere bei einem Einsatz einer Abgasrückführung, bei der ein Abgas des Verbrennungsmotors der Ladeluft des Verbrennungsmotors zugeführt wird, kann es in der Ladeluft zu einer Kondensation von im Abgas vorhandenen Wasserdampf kommen. Besonders bei einer Niederdruckabgasrückführung, bei der beispielsweise das Abgas einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors nach einer Abgasturbine entnommen und der Ladeluft vor der Verdichterturbine zugeführt wird, kann diese Kondensation und damit die Bildung von Fremdteilchen auftreten.
Um eine Schädigung der Verdichterturbine zu verhindern oder zumindest zu vermindern, ist es gemäß dem Stand der Technik bekannt, Fremdteilchen, insbesondere Flüssigkeitstropfen aus dem Gasstrom vor der Verdichterturbine zu entfernen. So kann zu diesem Zweck beispielsweise gemäß der DE 10 2005 050 133 A1 ein Kondensatabscheider, insbesondere ein Fliehkraft- oder Zyklonabscheider oder auch ein Filter, zur Entfernung von Flüssigkeitstropfen aus dem Gasstrom eingesetzt werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass diese Kondensatabscheider oftmals mechanisch aufwendig sind und insbesondere den Gasstrom zur Verdichterturbine deutlich beeinflussen. Auch muss ein derartiger Kondensatabscheider in regelmäßigen Abständen ausgetauscht oder zumindest gewartet und gereinigt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz einer Verdichterturbine eines Verbrennungsmotors sowie eine Verdichteranordnung für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, die in einfacher und kostengünstiger Art und Weise einen Schutz der Verdichterturbine vor Fremdteilchen im Gasstrom ermöglichen und die gleichzeitig besonders wartungsfreundlich ausgebildet sind.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Schutz einer Verdichterturbine eines Verbrennungsmotors vor einer Beschädigung durch flüssige und/oder feste Fremdteilchen im Gasstrom mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Schutz einer Verdichterturbine eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 4, sowie durch eine Verdichteranordnung für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung und jeweils umgekehrt, so dass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Schutz einer Verdichterturbine eines Verbrennungsmotors vor einer Beschädigung durch flüssige und/oder feste Fremdteilchen im Gasstrom, wobei die Verdichterturbine zum Verdichten des Gasstroms ausgebildet ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist dabei durch folgende Schritte gekennzeichnet:

a) Zuführen des Gasstroms zu einer Vorrichtung zum Schutz der Verdichterturbine,
b) Zerkleinern von im Gasstrom enthaltenen flüssigen und/oder festen Fremdteilchen durch die Vorrichtung zum Schutz der Verdichterturbine, und
c) Zuführen des Gasstroms zur Verdichterturbine, wobei der Gasstrom zerkleinerte, insbesondere flüssige und/oder feste, Fremdteilchen enthält.

Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann eine Verdichterturbine eines Verbrennungsmotors geschützt werden. Eine derartige Verdichterturbine kann dabei insbesondere zum Verdichten eines Gasstroms einer Ladeluft des Verbrennungsmotors ausgebildet und beispielsweise Teil eines Turboladers sein. Bei einem Aufprall von im Gasstrom enthaltenen flüssigen und/oder festen Fremdteilchen auf insbesondere schnell rotierende Verdichterschaufeln der Verdichterturbine können diese beschädigt, im schlimmsten Fall sogar zerstört werden. Es hat sich herausgestellt, dass der Grad der Beschädigung der Verdichterturbine, die bei einem Aufeinanderprallen der flüssigen und/oder festen Fremdteilchen und der Verdichterschaufeln entsteht, deutlich von der Größe der flüssigen und/oder festen Fremdteilchen abhängt.
Der Gasstrom kann Fremdteilchen enthalten, die die Verdichterturbine schädigen könnten. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Größe der Fremdteilchen im Gasstrom zu verringern. Dazu ist gemäß Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, den Gasstrom einer Vorrichtung zum Schutz der Verdichterturbine zuzuführen. Dieses Zuführen wird dabei selbstverständlich in Strömungsrichtung des Gasstroms vor der Verdichterturbine vorgenommen.
Anschließend werden in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens die im Gasstrom enthaltenen flüssigen und/oder festen Fremdteilchen durch die Vorrichtung zum Schutz der Verdichterturbine zerkleinert, bevorzugt zertrümmert und/oder aufgelöst und/oder verdampft. Die Größe der Fremdteilchen wird dadurch deutlich verringert, wodurch der Schaden, der durch das einzelne Fremdteilchen erzeugt wird, ebenfalls erheblich verkleinert wird. Gleichzeitig wird dadurch jedoch die Anzahl der Fremdteilchen erhöht. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Verringerung der Beschädigung durch die Verkleinerung der einzelnen Fremdteilchen die Erhöhung der Anzahl der Fremdteilchen bei weitem überwiegt. Insgesamt kann somit durch das Zerkleinern der flüssigen und/oder festen Fremdteilchen im Gasstrom eine Beschädigung der Verdichterturbine deutlich verringert und diese dadurch geschützt werden.
Der Gasstrom mit den zerkleinerten, bevorzugt zertrümmerten und/oder aufgelösten und/oder verdampften, insbesondere flüssigen und/oder festen Fremdteilchen wird in Schritt c) schließlich der Verdichterturbine zugeführt. Die flüssigen und/oder festen Fremdteilchen wurden bevorzugt im Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Größe zerkleinert, die nur eine vernachlässigbare oder zumindest deutlich verminderte Beschädigung der Verdichterturbine erzeugen. Insbesondere im Schritt c) enthält der Gasstrom daraufhin zerkleinerte flüssige und/oder feste Fremdteilchen. Es werden unter dem Ausdruck „zerkleinerte flüssige und/oder feste Fremdteilchen“ selbstverständlich auch gasförmige Fremdteilchen verstanden, welche z. B. durch das Zerkleinern, insbesondere Verdampfen entstehen und sich z. B. in einen besonders großen Abstand voneinander bewegen. Durch das Zuführen des Gasstroms zur Verdichterturbine mit den darin enthaltenen zerkleinerten flüssigen und/oder festen Fremdteilchen kann auf Filter oder ähnliche Vorrichtungen zum Entfernen der Fremdteilchen aus dem Gasstrom verzichtet werden. Eine Wartung und/oder Reinigung derartiger Filter und/oder Vorrichtungen zum Entfernen der Fremdteilchen ist daher nicht nötig. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist somit besonders einfach und kann dazu beitragen, den Wartungsaufwand beim Betrieb der Verdichterturbine und damit des gesamten Verbrennungsmotors zu reduzieren.
Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ferner vorgesehen sein, dass die flüssigen und/oder festen Fremdteilchen auf eine maximale Größe von ca. 0,2mm, bevorzugt auf eine maximale Größe von ca. 0,1mm, zerkleinert werden. Als Größe der Fremdteilchen wird dabei gemäß der Erfindung insbesondere deren maximaler Durchmesser angesehen. Bereits ab einer Größe der Fremdteilchen kleiner als 0,2mm ist eine Beschädigung der Verdichterturbine, beispielsweise der Verdichterschaufeln der Verdichterturbine, durch die Fremdteilchen derart deutlich vermindert, dass eine Gefahr eines Ausfalls der Verdichterturbine bedingt durch eine Beschädigung durch im Gasstrom enthaltenen Fremdteilchen sicher vermieden oder zumindest deutlich eingeschränkt werden kann. Durch das Sicherstellen einer maximalen Größe der Fremdteilchen von 0,1mm oder weniger kann die Beschädigung nochmals reduziert und dadurch die Gefahr eines Ausfalls noch deutlicher verringert werden. Eine Steigerung der Lebensdauer der Verdichterturbine kann somit erreicht werden.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend ausgebildet sein, dass die flüssigen und/oder festen Fremdteilchen durch eine Kollision mit einer Zerkleinerungsvorrichtung der Vorrichtung zum Schutz der Verdichterturbine zerkleinert werden. Derartige Kollisionen stellen dabei eine besonders einfache Art und Weise dar, um ein Zerkleinern der flüssigen und/oder festen Fremdteilchen zu erreichen. Die Fremdteilchen prallen dabei beispielsweise auf eine Oberfläche der Zerkleinerungsvorrichtung, die bevorzugt im Gasstrom angeordnet ist. Durch den Aufprall bricht das Fremdteilchen auseinander und wird dadurch zerkleinert. Insbesondere kann allein die Fließgeschwindigkeit des Gasstroms dabei ausreichen, um die zur Zerkleinerung nötige Aufprallgeschwindigkeit sicherzustellen. Die Zerkleinerungsvorrichtung muss somit keine beweglichen Teile aufweisen und kann als starres Element im Gasstrom angeordnet sein. Eine besonders einfache Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch ermöglicht werden.
Ferner ist es denkbar, dass die flüssigen und/oder festen Fremdteilchen dadurch zerkleinert werden, dass sie verdampft und/oder aufgelöst werden. Durch z. B. eine Energiezufuhr, insbesondere Wärmezufuhr, können dabei die Fremdteilchen dadurch zerkleinert werden, dass sie in einen gasförmigen Aggregatzustand überführt werden. Hierdurch enthält insbesondere im Schritt c) der Gasstrom zerkleinerte flüssige und/oder feste Fremdteilchen, die gasförmig sind und sich somit bevorzugt in einem größeren Abstand voneinander bewegen. Somit ist die Beschädigung durch im Gasstrom enthaltene Fremdteilchen noch weiter reduzierbar. Die Energiezufuhr erfolgt dabei z. B. durch ein beheizbares Gitter. Bevorzugt ist die Zerkleinerungsvorrichtung dazu ausgebildet, ein Verdampfen und/oder Auflösen der Fremdteilchen auszulösen, z. B. ist die Zerkleinerungsvorrichtung dazu beheizbar und/oder als beheizbares Gitter ausgebildet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Schutz einer Verdichterturbine eines Verbrennungsmotors, aufweisend einen Schutzabschnitt, wobei der Schutzabschnitt in einem Gasstrom in einer Luftzuführung der Verdichterturbine anordenbar ist. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzabschnitt eine Zerkleinerungsvorrichtung aufweist, wobei die Zerkleinerungsvorrichtung zum Zerkleinern von flüssigen und/oder festen Fremdteilchen im Gasstrom ausgebildet ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Schutz einer Verdichterturbine eines Verbrennungsmotors verwendet werden, wobei die Verdichterturbine dabei beispielsweise Teil eines Abgasturboladers des Verbrennungsmotors ist. Der Schutzabschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei in einer Luftzuführung der Verdichterturbine anordenbar, wobei insbesondere der Schutzabschnitt im Gasstrom der Luftzuführung anordenbar ist. Beispielsweise kann die Vorrichtung auch komplett in die Luftzuführung integriert sein. Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass der gesamte Gasstrom mit dem Schutzabschnitt in Kontakt kommt, beispielsweise dass der Schutzabschnitt eine Öffnung aufweist, durch die der gesamte Gasstrom geführt ist. Ein besonders guter Schutz der Turbine kann dadurch erreicht werden.
Bei einem Aufprall von im Gasstrom enthaltenen flüssigen und/oder festen Fremdteilchen auf insbesondere schnell rotierende Verdichterschaufeln der Verdichterturbine können diese beschädigt, im schlimmsten Fall sogar zerstört werden. Es hat sich herausgestellt, dass der Grad der Beschädigung der Verdichterturbine, die bei einem Aufeinanderprallen der flüssigen und/oder festen Fremdteilchen und der Verdichterschaufeln entsteht, deutlich von der Größe der flüssigen und/oder festen Fremdteilchen abhängt. Durch ein Zerkleinern der flüssigen und/oder festen Fremdteilchen im Gasstrom durch die Zerkleinerungsvorrichtung kann somit eine Beschädigung der Verdichterturbine verhindert oder zumindest deutlich vermindert werden. Die damit einhergehende Erhöhung der Anzahl der Fremdteilchen im Gasstrom wird durch die Verringerung der Beschädigung durch die Verkleinerung der einzelnen Fremdteilchen bei weitem ausgeglichen. Erfindungswesentlich weist der Schutzabschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Zerkleinerungsvorrichtung auf, die zum Zerkleinern von flüssigen und/oder festen Fremdteilchen im Gasstrom ausgebildet ist. Das Zerkleinern wird dabei erfindungsgemäß bevorzugt durch eine Kollision der Fremdteilchen mit einer Oberfläche der Zerkleinerungsvorrichtung erreicht. Selbstverständlich kann die dafür vorgesehene Oberfläche der Zerkleinerungsvorrichtung dahingehend ausgebildet sein, beispielsweise durch eine Beschichtung oder durch die Wahl eines besonders stabilen Materials, dass sie durch diese Kollisionen nicht oder zumindest nur unwesentlich beschädigt wird. Durch das ledigliche Zerkleinern der Fremdteilchen verbleiben diese im Gasstrom, wodurch ein wartungsintensives Filtern des Gasstroms vermieden werden kann. Insgesamt kann somit durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Verdichterturbine vor Beschädigung geschützt werden, wobei gleichzeitig eine aufwändige Wartung vermieden werden kann.
Besonders bevorzugt kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass sie zur Ausführung eines Verfahrens gemäß des ersten Aspekts der Erfindung ausgebildet ist. Dementsprechend bringt eine erfindungsgemäße Vorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert worden sind.
Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass eine freie Weglänge senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Gasstroms entlang der Zerkleinerungsvorrichtung ca. 0,2mm, bevorzugt von ca. 0,1mm, beträgt. Eine Flugbahn parallel zur Strömungsrichtung des Gasstroms wird im Sinne der Erfindung als frei bezeichnet, wenn über die gesamte Länge der Zerkleinerungsvorrichtung die Flugbahn keine Oberfläche der Zerkleinerungsvorrichtung kreuzt und es somit zu keiner Kollision eines Fremdteilchens auf dieser Flugbahn mit der Zerkleinerungsvorrichtung kommt. Eine freie Weglänge im Sine der Erfindung ist der maximale Durchmesser, den das Fremdteilchen aufweisen darf, um auf einer freien Flugbahn ohne Kollision durch die gesamte Zerkleinerungsvorrichtung zu fliegen. Mit anderen Worten begrenzt die maximale freie Weglänge die maximale Größe der Fremdteilchen, die ohne zerkleinert zu werden durch die Zerkleinerungsvorrichtung fliegen können. Da alle größeren Fremdteilchen folglich in der Zerkleinerungsvorrichtung zerkleinert werden, entspricht die maximale freie Weglänge auch dem maximalen Durchmesser und damit der maximalen Größe der Fremdteilchen nach Durchfliegen der Zerkleinerungsvorrichtung. Es hat sich herausgestellt, dass bereits ab einer Größe der Fremdteilchen kleiner als 0,2mm, die durch eine maximale freie Weglänge von 0,2mm einstellbar ist, eine Beschädigung der Verdichterturbine, durch die zerkleinerten Fremdteilchen derart deutlich vermindert ist, dass eine Gefahr eines Ausfalls der Verdichterturbine bedingt durch eine Beschädigung durch im Gasstrom enthaltenen Fremdteilchen sicher vermieden oder zumindest deutlich eingeschränkt werden kann. Durch das Sicherstellen einer maximalen Größe der Fremdteilchen von 0,1mm oder weniger, erreichbar durch eine maximale freie Weglänge von 0,1mm, kann die Beschädigung nochmals reduziert und dadurch die Gefahr eines Ausfalls noch deutlicher verringert werden. Eine Steigerung der Lebensdauer der Verdichterturbine kann somit erreicht werden.
Auch kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass die Zerkleinerungsvorrichtung eine Vielzahl von Kanten aufweist, die senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Gasstroms angeordnet sind. Kanten sind dabei der Bereich, an dem zwei Flächen eines Abschnitts der Zerkleinerungsvorrichtung zusammentreffen. Durch die Anordnung der Kanten senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung sind die Kanten automatisch derart platziert, dass sie eine freie Flugbahn der Fremdteilchen blockieren. Insbesondere können die Kanten bevorzugt derart angeordnet sein, dass eine Beeinflussung des Gasstroms selbst gering ist. Dies ist beispielsweise durch einen besonders kleinen Winkel, bevorzugt kleiner 30°, unter dem die Flächen zusammentreffen erreichbar, wobei die Flächen mit einer Strömungsrichtung des Gasstroms einen möglichst kleinen Winkel einschließen. Kanten sind somit besonders geeignet, um durch Kollisionen die Fremdteilchen im Gasstrom zu zerkleinern, wobei gleichzeitig eine möglichst geringe Beeinflussung des Gasstroms erreicht werden kann.
In einer Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass zumindest zwei der Kanten entlang der Strömungsrichtung des Gasstroms hintereinander angeordnet sind, wobei die Kanten gegeneinander verkippt sind. Kanten können bevorzugt linear ausgedehnt ausgebildet sein. Eine derartige linear ausgebildete Kante kann jedoch nur in einer Raumrichtung die Flugbahnen der Fremdteilchen blockieren. Durch das Anordnen von zumindest zwei der Kanten hintereinander, wobei die Kanten gegeneinander verkippt sind, kann durch die vordere Kante eine erste Raumrichtung und durch die zweite Kante eine zweite, gegenüber der ersten Kante verkippte, Raumrichtung für Flugbahnen der Fremdteilchen blockiert werden. Besonders bevorzugt sind die beiden Kanten dabei um ca. 90° gegeneinander verkippt. Selbstverständlich können auch mehrere Kanten hintereinander angeordnet sein, beispielsweise in zwei um 90° gegeneinander verkippten Lagen. Eine gitterartige Struktur mit einer besonders kleinen freien Weglänge kann dadurch geschaffen werden. Eine besonders wirkungsvolle Zerkleinerung der Fremdteilchen ist dadurch erreichbar.
Auch kann in einer weiteren Weiterentwicklung eine erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend ausgebildet sein, dass die Kanten zumindest teilweise geschärft sind. Durch eine Schärfung der Kanten kann das Zerkleinern der Fremdteilchen nochmals verbessert werden. Bei einer Kollision der Fremdteilchen mit den geschärften Kanten werden die Fremdteilchen zerschnitten, wodurch die Energie, die durch die Kanten absorbiert werden muss, im Vergleich zu einem reinen Aufprall der Fremdteilchen an den Kanten deutlich vermindert ist. Die Lebensdauer der Kanten kann dadurch erhöht werden.
Auch kann ferner bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Zerkleinerungsvorrichtung zum Zerkleinern der flüssigen und/oder festen Fremdteilchen zumindest eines der folgenden Elemente aufweist:

– Gitter,
– Netz,
– Sieb,
– Gewebe.

Selbstverständlich kann die Zerkleinerungsvorrichtung auch mehrere dieser Elemente aufweisen. Auch ist die Liste nicht abgeschlossen und kann durch technisch äquivalente Elemente erweitert werden. Die aufgezählten Elemente sind dadurch gekennzeichnet, dass sie dem Gasstrom keinen großen, bevorzugt nur einen unwesentlichen, Widerstand entgegensetzen, aber dennoch so feinmaschig sind, dass flüssige und/oder feste Fremdteilchen durch eine Kollision zuverlässig zerkleinert werden. Diese Elemente stellen somit besonders einfache Möglichkeiten dar, eine Zerkleinerungsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitzustellen.
Besonders kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung ferner dahingehend ausgebildet sein, dass die Zerkleinerungsvorrichtung zumindest teilweise ein Metallmaterial aufweist. Metallmaterialien sind besonders stabile Materialien und sind daher besonders geeignet, um durch Kollisionen die im Gasstrom enthaltenen flüssigen und/oder festen Fremdteilchen zu zerkleinern. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch eine Zerkleinerungsvorrichtung, die zumindest teilweise ein Metallmaterial aufweist, somit insbesondere auch langlebiger und wartungsfreundlicher ausgebildet werden.
Besonders bevorzugt kann ferner bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Zerkleinerungsvorrichtung direkt vor der Verdichterturbine anordenbar ist. Auf diese Art und Weise kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung besonders nah an der Verdichterturbine angeordnet werden. Auch kann dabei die Zerkleinerungsvorrichtung in eine Luftzuführung der Verdichterturbine integriert sein. Ein insgesamt besonders kompakter und bauraumsparender Aufbau ist dadurch ermöglicht.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Verdichteranordnung für einen Verbrennungsmotor, aufweisend eine Verdichterturbine und eine Vorrichtung zum Schutz der Verdichterturbine. Eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Schutz der Verdichterturbine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Dementsprechend bringt eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schutz der Verdichterturbine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erläutert worden sind.
Bevorzugt kann bei einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung ferner vorgesehen sein, dass die Verdichterturbine Teil eines Abgasturboladers ist. Ein derartiger Abgasturbolader kann dabei insbesondere eine Abgasturbine aufweisen, die durch ein Abgas des Verbrennungsmotors antreibbar ist. Die Abgasturbine wiederum treibt die Verdichterturbine an, wodurch ein zusätzlicher Motor für das Betreiben der Verdichterturbine nicht nötig ist. Ein besonders energiesparender Betrieb einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung kann dadurch ermöglicht werden.
Darüber hinaus kann eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung derart ausgebildet sein, dass der Verdichterturbine im Gasstrom ein Abgas des Verbrennungsmotors durch eine Abgasrückführung, insbesondere durch eine Niederdruckabgasrückführung, zuführbar ist. Durch eine derartige Abgasrückführung, bei der Abgas des Verbrennungsmotors einem Ladeluftstrom des Verbrennungsmotors zugeführt wird, kann beispielsweise eine Senkung von in der Verbrennung entstehenden Stickoxiden erreicht werden. Insbesondere bei einer Niederdruckabgasrückführung, bei der Abgas mit niedrigem Druck einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors entnommen wird, beispielsweise nach einer Abgasturbine, und der Ladeluft vor der Verdichterturbine zugeführt wird, kann es zu Kondensation von im Abgas vorhandener Feuchtigkeit kommen. Durch eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung und insbesondere durch die darin enthaltene Vorrichtung zum Schutz der Verdichterturbine, können die so entstehenden flüssigen Fremdteilchen jedoch unschädlich gemacht werden. Eine Abgasrückführung ohne schädlichen Einfluss auf die Verdichterturbine kann so erreicht werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den einzelnen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
2a, b eine Ausgestaltungsform einer Zerkleinerungsvorrichtung, und
3 einen Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 gezeigt, wobei insbesondere ein Schutzabschnitt 11 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in einer Explosionsdarstellung abgebildet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 kann dabei bevorzugt in der Luftzuführung einer Verdichterturbine 22 einer Verdichteranordnung 20 eines Verbrennungsmotors 40 (nicht mit abgebildet) angeordnet sein. In etwa mittig im Schutzabschnitt 11 ist eine Zerkleinerungsvorrichtung 12 angeordnet, die in der abgebildeten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 als ein Gitter ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungsformen, beispielsweise als ein Netz, ein Sieb oder ein Gewebe, der Zerkleinerungsvorrichtung 12 möglich. Die Zerkleinerungsvorrichtung 12 ist derart angeordnet, dass ein Gasstrom 30 der Ladeluft des Verbrennungsmotors entlang seiner Strömungsrichtung 32 vollständig durch die Zerkleinerungsvorrichtung 12 strömt. Flüssige und/oder feste Fremdteilchen 31, die im Gasstrom 30 enthalten sind, werden bei diesem Durchströmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 durch die Zerkleinerungsvorrichtung 12 zerkleinert, beispielsweise durch einen Aufprall auf eine Kante 13 (nicht mit abgebildet) zertrümmert. Nach dem Durchströmen der Zerkleinerungsvorrichtung 12 sind die zerkleinerten Fremdteilchen 31.1 dadurch deutlich kleiner. Der Gasstrom 30 wird im Anschluss daran zusammen mit den zerkleinerten Fremdteilchen 31.1 der Verdichterturbine 22 zugeführt. Es hat sich herausgestellt, dass eine Reduktion eines Schadens an der Verdichterturbine, die durch diese zerkleinerten Fremdteilchen 31.1 hervorgerufen wird, die Vergrößerung der Anzahl der Fremdteilchen 31.1, die beim Zerkleinern auftreten kann, bei weitem überwiegt. Insgesamt kann dadurch die Lebensdauer einer Verdichterturbine 22 gesteigert werden. Da die zerkleinerten Fremdteilchen 31.1 im Gasstrom 30 verbleiben, kann darüber hinaus auch auf einen wartungsintensiven Einsatz von Filtern und/oder Flüssigkeitsabscheidern verzichtet werden.
Die 2a, b zeigen eine weiter mögliche Ausgestaltungsform eines Schutzabschnitts 11 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, insbesondere einer Zerkleinerungsvorrichtung 12. Dabei ist in 2a eine Seitenansicht senkrecht zu einer Strömungsrichtung 32 und in 2b eine Ansicht parallel zur Strömungsrichtung 32 gezeigt. Die Zerkleinerungsvorrichtung 12 weist in dieser Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 mehrere dachartige Elemente auf, die bzgl. der Strömungsrichtung 32 hintereinander in zwei Ebenen angeordnet sind. Dabei weist jedes der Elemente der Zerkleinerungsvorrichtung 12 eine Kante 13 auf, die insbesondere geschärft sein kann. Fremdteilchen 31 (nicht mit abgebildet) prallen auf diese Kanten 13 und werden durch sie zerkleinert, insbesondere zerschnitten und/oder zertrümmert. Die Elemente und damit die Kanten 13 sind dabei innerhalb den beiden Ebenen jeweils parallel zueinander angeordnet, die Anordnung der Kanten 13 der beiden Ebenen ist zueinander verkippt, insbesondere um 90° gedreht. Dadurch kann erreicht werden, dass eine freie Weglänge 33 durch die gesamte Zerkleinerungsvorrichtung 12 sich aus den jeweiligen Abständen der parallel zueinander angeordneten Elemente der Zerkleinerungsvorrichtung 12 einer Ebene zusammensetzt. Eine besonders kleine freie Weglänge 33 kann dadurch erreicht werden. Da durch die freie Weglänge 33 insbesondere die Größe der zerkleinerten Fremdteilchen 31.1 bestimmt wird, kann somit diese Größe der zerkleinerten Fremdteilchen 31.1 besonders einfach begrenzt werden.
3 zeigt einen Verbrennungsmotor 40, in dem eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung 20 angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor 40 weist dabei einen Motorblock 41 auf, der mehrere Zylinder aufweisen kann. Die Verdichteranordnung 20 ist in der abgebildeten Ausgestaltungsform mit einem Abgasturbolader 21 ausgebildet, wobei eine Abgasturbine 24 in einer Abgasleitung 42 und eine Verdichterturbine 22 in einer Luftzuführung 23 des Verbrennungsmotors 40 angeordnet sind. Die Abgasturbine 24 und die Verdichterturbine 22 sind schematisch dargestellt durch eine Welle 25 miteinander verbunden, wodurch das Abgas des Verbrennungsmotors 40 zum Antreiben der Verdichterturbine 22 verwendet werden kann. Ferner ist der gezeigt Verbrennungsmotor mit zwei möglichen Abgasrückführungen 43 abgebildet, zum einen eine Hochdruckabgasrückführung 44 und zum anderen eine Niederdruckabgasrückführung 45. Insbesondere durch die Niederdruckabgasrückführung 45 kann es in der Luftzuführung 23 zu einer Kondensation von im Abgas vorhandener Feuchtigkeit kommen, wodurch flüssige Fremdteilchen 31 (nicht mit abgebildet) in einem Gasstrom 30 der Ladeluft des Verbrennungsmotors 40 entstehen. Um eine Beschädigung der Verdichterturbine 22 der Verdichteranordnung 20 durch diese und alle weiteren Fremdteichen 31 zu vermeiden, ist bzgl. einer Strömungsrichtung 32 vor der Verdichterturbine 22 eine Vorrichtung 10 zum Schutz der Verdichterturbine 22 angeordnet. In dieser Vorrichtung 10, die insbesondere direkt vor der Verdichterturbine 22 angeordnet ist, werden die Fremdteilchen 31 in einem Schutzabschnitt 11 durch eine Zerkleinerungsvorrichtung 12 (nicht mit abgebildet) zerkleinert, beispielsweise zertrümmert. Eine Beschädigung der Verdichterturbine 22 kann dadurch vermieden oder zumindest deutlich vermindert werden. Die Lebensdauer einer Verdichterturbine 22 kann auf diese Weise verlängert werden. Da darüber hinaus die zerkleinerten Fremdteilchen 31.1 (nicht mit abgebildet) im Gasstrom 30 verbleiben, kann darüber hinaus auch auf einen wartungsintensiven Einsatz von Filtern und/oder Flüssigkeitsabscheidern verzichtet werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
11: Schutzabschnitt
12: Zerkleinerungsvorrichtung
13: Kante
20: Verdichteranordnung
21: Abgasturbolader
22: Verdichterturbine
23: Luftzuführung
24: Abgasturbine
25: Welle
30: Gasstrom
31: Fremdteilchen
31.1: zerkleinerte Fremdteilchen
32: Strömungsrichtung
33: Freie Weglänge
40: Verbrennungsmotor
41: Motorblock
42: Abgasleitung
43: Abgasrückführung
44: Hochdruckabgasrückführung
45: Niederdruckabgasrückführung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005050133 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Schutz einer Verdichterturbine (22) eines Verbrennungsmotors (40) vor einer Beschädigung durch flüssige und/oder feste Fremdteilchen (31) im Gasstrom (30), wobei die Verdichterturbine (22) zum Verdichten des Gasstroms (30) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Zuführen des Gasstroms (30) zu einer Vorrichtung (10) zum Schutz der Verdichterturbine (22), b) Zerkleinern von im Gasstrom (30) enthaltenen flüssigen und/oder festen Fremdteilchen (31) durch die Vorrichtung (10) zum Schutz der Verdichterturbine (22), und c) Zuführen des Gasstroms (30) zur Verdichterturbine (22), wobei der Gasstrom (30) zerkleinerte flüssige und/oder feste Fremdteilchen (31) enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigen und/oder festen Fremdteilchen (31) auf eine maximale Größe von ca. 0,2mm, bevorzugt auf eine maximale Größe von ca. 0,1mm, zerkleinert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigen und/oder festen Fremdteilchen (31) durch eine Kollision mit einer Zerkleinerungsvorrichtung (12) der Vorrichtung (10) zum Schutz der Verdichterturbine (22) zerkleinert werden.
Vorrichtung (10) zum Schutz einer Verdichterturbine (22) eines Verbrennungsmotors (40), aufweisend einen Schutzabschnitt (11), wobei der Schutzabschnitt (11) in einem Gasstrom (30) in einer Luftzuführung (23) der Verdichterturbine (22) anordenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzabschnitt (11) eine Zerkleinerungsvorrichtung (12) aufweist, wobei die Zerkleinerungsvorrichtung (12) zum Zerkleinern von flüssigen und/oder festen Fremdteilchen (31) im Gasstrom (30) ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale freie Weglänge (33) senkrecht zu einer Strömungsrichtung (32) des Gasstroms (30) entlang der Zerkleinerungsvorrichtung (12) ca. 0,2mm, bevorzugt von ca. 0,1mm, beträgt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungsvorrichtung (12) eine Vielzahl von Kanten (13) aufweist, die senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung (32) des Gasstroms (30) angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Kanten (13) entlang der Strömungsrichtung (32) des Gasstroms (30) hintereinander angeordnet sind, wobei die Kanten (13) gegeneinander verkippt sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (13) zumindest teilweise geschärft sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungsvorrichtung (12) zum Zerkleinern der flüssigen und/oder festen Fremdteilchen (31) zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: – Gitter, – Netz, – Sieb, – Gewebe.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungsvorrichtung (12) zumindest teilweise ein Metallmaterial aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungsvorrichtung (12) direkt vor der Verdichterturbine (22) anordenbar ist.
Verdichteranordnung (20) für einen Verbrennungsmotor (40), aufweisend eine Verdichterturbine (22) und eine Vorrichtung (10) zum Schutz der Verdichterturbine (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) zum Schutz der Verdichterturbine (22) nach einem der Ansprüche 4 bis 12 ausgebildet ist.
Verdichteranordnung (20) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterturbine (22) Teil eines Abgasturboladers (21) ist.
Verdichteranordnung (20) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterturbine (22) im Gasstrom (30) ein Abgas des Verbrennungsmotors (40) durch eine Abgasrückführung (43), insbesondere durch eine Niederdruckabgasrückführung (45), zuführbar ist.