DE102017119260A1 - Charging device, turbocharger and method for charging an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Eine Aufladungsvorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine umfasst einen Verdichter 31 zum Verdichten von Ladeluft für die Brennkraftmaschine, und einen stromaufwärts des Verdichters angeordneten Zerstäuber 8 zum berührungslosen Zerstäuben von in der Ladeluft dispergierten Feuchtigkeitstropfen.A charging device for charging an internal combustion engine comprises a compressor 31 for compressing charge air for the internal combustion engine, and an atomizer arranged upstream of the atomizer 8 for the non-contact atomization of dispersed in the charge air moisture droplets.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Aufladungsvorrichtungen für Brennkraftmaschinen, insbesondere von Turboladern. Sie betrifft eine Aufladungsvorrichtung mit einem Verdichter zur Aufladung einer Brennkraftmaschine.The present invention relates to the field of supercharging devices for internal combustion engines, in particular turbochargers. It relates to a charging device with a compressor for charging an internal combustion engine.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Aufladungsvorrichtungen, insbesondere mechanische Aufladungsvorrichtungen und Turbolader, für Brennkraftmaschinen, insbesondere Kolbenmaschinen, dienen dazu, durch Vorkommpression der zugeführten Luft die Leistung der Maschine zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch der Maschine zu verringern.Charging devices, in particular mechanical charging devices and turbochargers, for internal combustion engines, in particular piston engines, serve to increase the power of the engine by pre-compressing the supplied air and to reduce the fuel consumption of the engine.
Turbolader, welche auch als Abgasturbolader bezeichnet werden, sind im Allgemeinen aus einem Verdichter und einer Abgasturbine aufgebaut, welche über eine gemeinsame Welle mechanisch miteinander verbunden sind. Abgase der Brennkraftmaschine (der Kolbenmaschine) werden der Abgasturbine zugeführt. Da diese Abgase unvollständig expandiert sind, wird ein Teil der noch vorhandenen Energie des Abgases in Rotationsenergie der Abgasturbine umgewandelt. Die Rotationsenergie der Abgasturbine wird über die Welle auf den Verdichter übertragen, welcher die der Kolbenmaschine zugeführte Ladeluft verdichtet. So kann die Kolbenmaschine mit deutlich mehr Luft aufgeladen werden, was zu einer Effizienzsteigerung der Kolbenmaschine führt.Turbochargers, which are also referred to as exhaust gas turbocharger, are generally constructed of a compressor and an exhaust gas turbine, which are mechanically connected to each other via a common shaft. Exhaust gases of the internal combustion engine (the piston engine) are supplied to the exhaust gas turbine. Since these exhaust gases are expanded incompletely, a part of the remaining energy of the exhaust gas is converted into rotational energy of the exhaust gas turbine. The rotational energy of the exhaust gas turbine is transmitted via the shaft to the compressor, which compresses the charge air supplied to the piston engine. Thus, the piston engine can be charged with significantly more air, which leads to an increase in efficiency of the piston engine.
Bei einem zweistufigen Turbolader sind zwei Stufen in Serie geschaltet.
Bei der Verdichtung in der Niederdruckstufe wird nicht nur der Druck, sondern auch die Temperatur der Frischluft erhöht. Durch diese Temperaturerhöhung sinkt die Dichte der Frischluft beim Eintritt in den Verdichter
Die Effizienz eines solchen mehrstufigen Turbolader-Systems ist wie oben diskutiert stark abhängig von der Temperatur der Zwischenkühlung. Problematisch ist dabei, dass durch die Zwischenkühlung die relative Luftfeuchtigkeit der Frischluft steigt. Dadurch kann der Taupunkt unterschritten werden, was zur Bildung von Wassertropfen in der Luftströmung führt. Diese Wassertropfen treffen mit hoher Relativgeschwindigkeit auf den Verdichter der Hochdruckstufe auf und können aufgrund der Inkompressibilität des Wassers und aufgrund des hohen Impulses der Wassertropfen zu Tropfenerosion auf den Verdichterschaufeln der Hochdruckstufe führen. So können die Wassertropfen am Verdichter zu Tropfenschlag führen, welcher eine Tropfenerosion zur Folge haben kann.The efficiency of such a multi-stage turbocharger system, as discussed above, is highly dependent on the temperature of the intermediate cooling. The problem is that the relative humidity of the fresh air increases due to the intercooling. This can be below the dew point, which leads to the formation of water droplets in the air flow. These water droplets impinge on the compressor of the high-pressure stage at high relative speed and, due to the incompressibility of the water and due to the high momentum of the water droplets, can lead to drop erosion on the compressor blades of the high-pressure stage. Thus, the drops of water on the compressor can lead to dripping, which can result in a drop erosion.
Besonders ausgeprägt sind diese Probleme bei zwei- und mehrstufigen Turboladern mit Zwischenkühlung. Das Problem der Wassertropfen ist jedoch nicht auf diese Fälle beschränkt. Auch in anderen Fällen können auskondensierende, in der Ladeluft dispergierte (schwebende) Flüssigkeitstropfen in der Aufladungsvorrichtung zu Problemen wie Tropfenschlag führen. Ein weiteres Beispiel ist etwa die Rückführung von Abgasen, die aufgrund ihres hohen Feuchtigkeitsgehalts ebenfalls zu Bildung dispergierter Tropfen führen können, sowie jede Art von Kühlung der Ladeluft.These problems are particularly pronounced in two-stage and multi-stage turbochargers with intercooling. However, the problem of water droplets is not limited to these cases. In other cases, condensing, in the charge air dispersed (floating) liquid droplets in the charging device can lead to problems such as drop impact. Another example is the recirculation of exhaust gases, which can also lead to the formation of dispersed droplets due to their high moisture content, as well as any type of cooling of the charge air.
Auch nach der Verdichtung und bei Eintritt in die Kolbenmaschine können die Flüssigkeitstropfen zu Problemen führen. Beispielsweise können die Flüssigkeitstropfen mit dem Schmieröl für die Kolbenmaschine interagieren und dann zu Kolbenfressen führen.Even after compression and when entering the piston engine, the liquid droplets can lead to problems. For example, the liquid droplets may interact with the lubricating oil for the reciprocating engine and then lead to piston seizure.
Eine allgemein bekannte Lösung dieses Problems bei mehrstufigen Turboladern mit Zwischenkühlung besteht darin, die Zwischenkühlung so auszulegen, dass die Luft den Taupunkt nicht unterschreitet. Bei der Auslegung muss eine gewisse Sicherheit berücksichtigt werden, so dass die zulässige relative Luftfeuchtigkeit deutlich unter 100 Prozent gehalten werden muss. Dies bedeutet, dass das effizienzsteigernde Kühlen nach unten deutlich beschränkt wird und dadurch die Gesamteffizienz des Turboladers limitiert wird. A well-known solution to this problem with multi-stage turbochargers with intermediate cooling is to design the intermediate cooling so that the air does not fall below the dew point. When designing a certain security must be taken into account so that the permissible relative humidity must be kept well below 100 percent. This means that the efficiency-enhancing cooling down is significantly limited and thereby the overall efficiency of the turbocharger is limited.
Zur Lösung dieses Problems ist aus
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit den Flüssigkeitstropfen einhergehenden Probleme zumindest einzuschränken, und gleichzeitig die Nachteile der oben beschriebenen Lösungen zu mindern.The object of the present invention is to at least limit the problems associated with the drops of liquid, and at the same time to reduce the disadvantages of the solutions described above.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung und das Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is achieved by the device and the method having the features of the independent claims. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Aufladungsvorrichtung zur Aufladung einer Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt. Die Aufladungsvorrichtung umfasst einen Verdichter zum Verdichten von Ladeluft für die Brennkraftmaschine, und einen stromaufwärts des Verdichters angeordneten Zerstäuber zum berührungslosen Zerstäuben von in der Ladeluft dispergierten Flüssigkeitstropfen.According to one aspect of the invention, a charging device for charging an internal combustion engine is provided. The charging device comprises a compressor for compressing charge air for the internal combustion engine, and an atomizer arranged upstream of the compressor for non-contact atomization of liquid droplets dispersed in the charge air.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Aufladen einer Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst: Zuführen von Ladeluft zu einem Zerstäuber; Berührungsloses Zerstäuben, durch den Zerstäuber, von in der Ladeluft dispergierten Flüssigkeitstropfen; Verdichten, durch einen Verdichter, der Ladeluft mit den zerstäubten Flüssigkeitstropfen; und Zuführen der verdichteten Ladeluft zu der Brennkraftmaschine.According to another aspect of the invention, a method for charging an internal combustion engine is provided. The method comprises: supplying charge air to an atomizer; Non-contact atomization, through the atomizer, of liquid droplets dispersed in the charge air; Compressing, through a compressor, the charge air with the atomized liquid drops; and supplying the compressed charge air to the internal combustion engine.
Hierin sind die Begriffe „stromaufwärts, stromabwärts“ als Richtungsangabe in Bezug zur Strömungsrichtung der Ladeluft entlang einer Ladeluftleitung zu verstehen (bzw. turbinenseitig in Bezug zur Strömungsrichtung des Abgases entlang einer Abgasleitung).As used herein, the terms "upstream, downstream" are to be understood as indicating the direction with respect to the flow direction of the charge air along a charge air line (or turbine side with respect to the flow direction of the exhaust gas along an exhaust gas line).
Als Ladeluft ist irgendein der Brennkraftmaschine zuzuführendes Gas oder Gaskomponente aufzufassen, vor oder nach der Verdichtung oder Teilverdichtung. Ladeluft umfasst also beliebiges aufzuladendes, teilaufzuladendes, teilaufgeladenes und/oder aufgeladenes Gas. Typischerweise ist die Ladeluft Frischluft. Bei einer Abgasrückführleitung kann der Frischluft auch Abgas beigemischt sein. Auch ist das dem Verdichter zugeführte bzw. zuzuführende Abgas (nach dem Abzweigen von der Abgashauptleitung, aber auch vor dem Vermischen mit Frischluft) als Ladeluft aufzufassen.As charge air, any gas or gas component to be supplied to the internal combustion engine is to be considered before or after the compression or partial compression. Charge air thus includes any charge, partially charged, partially charged and / or charged gas. Typically, the charge air is fresh air. In an exhaust gas recirculation line, the fresh air can also be admixed with exhaust gas. Also, the exhaust gas to be supplied or supplied to the compressor (after the branching from the exhaust main line, but also before mixing with fresh air) is to be regarded as charge air.
Die Erfinder stellten fest, dass die mit den Flüssigkeitstropfen einhergehenden Probleme (z.B. Tropfenerosion, Kolbenfresser) stark von der Größe der Flüssigkeitstropfen abhängig sind und in erster Linie von großen Flüssigkeitstropfen verursacht werden. Kleine Flüssigkeitstropfen haben dagegen keinen ausreichenden Impuls, um die Tropfenerosion zu verursachen oder genügend Öl für einen Kolbenfresser zu verdrängen. Daher können die beschriebenen Probleme bereits lediglich mit einer Größenreduzierung der Flüssigkeitstropfen behoben oder stark verringert werden, auch wenn die in der Luft dispergierte Gesamtflüssigkeitsmenge nicht reduziert wird und/oder die Anzahl der Flüssigkeitstropfen entsprechend der Größenreduzierung erheblich erhöht wird. Diese Größenreduzierung wird durch den Zerstäuber erreicht, welcher die in der Ladeluft dispergierten Flüssigkeitstropfen berührungslos zerstäubt. Dadurch, dass die zerstäubten (größenreduzierten) Flüssigkeitstropfen kein großes Risiko mehr darstellen, wird beispielsweise eine stärkere Abkühlung der Ladeluft ermöglicht, ohne dass es zu den beschriebenen Erosionsschäden auf dem Verdichterrad kommt. Die stärkere Abkühlung kann zu einer erhöhten Gesamteffizienz des Turboladers führen.The inventors have found that the problems associated with the liquid drops (e.g., drop erosion, piston eaters) are highly dependent on the size of the liquid drops and are primarily caused by large liquid drops. On the other hand, small drops of liquid do not have sufficient momentum to cause drop erosion or to displace enough oil for a piston eater. Therefore, the described problems can be alleviated or greatly reduced even with size reduction of the liquid droplets even if the total amount of air dispersed in the air is not reduced and / or the number of liquid droplets corresponding to the size reduction is considerably increased. This size reduction is achieved by the atomizer, which atomizes the liquid droplets dispersed in the charge air in a contactless manner. The fact that the atomized (reduced size) liquid droplets pose no great risk, for example, a greater cooling of the charge air is made possible, without causing the described erosion damage on the compressor wheel. The greater cooling may result in increased overall efficiency of the turbocharger.
Weiter ist es nicht notwendig, sich ansammelndes Wasser über einen Wasserabfluss nach außen abzuführen.Furthermore, it is not necessary to dissipate accumulating water via a water drain to the outside.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 eine Brennkraftmaschine mit einer vorbekannten Aufladungsvorrichtung; -
2 eine Brennkraftmaschine mit einer Aufladungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; -
3 eine Brennkraftmaschine mit einer Aufladungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; -
4 eine Brennkraftmaschine mit einer Aufladungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; -
5 eine Brennkraftmaschine mit einer Aufladungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und -
6 einen berührungslosen Zerstäuber für eine Aufladungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
-
1 an internal combustion engine with a prior art charging device; -
2 an internal combustion engine with a charging device according to a first embodiment of the invention; -
3 an internal combustion engine with a charging device according to a second embodiment of the invention; -
4 an internal combustion engine with a charging device according to a third embodiment of the invention; -
5 an internal combustion engine with a charging device according to a fourth embodiment of the invention; and -
6 a non-contact atomizer for a charging device according to an embodiment of the invention.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst. Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.The reference numerals used in the drawings are summarized in the list of reference numerals. Basically, the same parts are provided with the same reference numerals.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Die Aufladungsvorrichtung
Weiter umfasst die Aufladungsvorrichtung
Zur Linderung dieser Probleme ist entlang der Ladeluftleitung zwischen der Kühlvorrichtung
Durch das berührungslose Zerstäuben reduziert der Zerstäuber
Der Zerstäuber
Das Ultraschallfeld
Der Zerstäuber
Der Zerstäuber
Der Zerstäuber ist nicht auf die Ausführungsform von
Zusätzlich zu den
Zusätzlich weist die Aufladungsvorrichtung
In
In
Diese Figuren sollen illustrieren, dass die erfindungsgemäße Aufladungsvorrichtung mit stromaufwärts des Verdichters angeordnetem Zerstäuber in vielen verschiedenen Konfigurationen eingesetzt werden kann. Auch weitere, hier nicht gezeigte Konfigurationen sind möglich, etwa indem die Turboladerstufe der
Die Erfindung kann auch auf mehrere Stufen verallgemeinert werden. Bei einem solchen mehrstufigen Turbolader sind dann mehrere Stufen analog zum zweistufigen Turbolader in Serie geschaltet, wobei die erfindungsgemäße Zerstäuber (optional stromabwärts einer Kühlvorrichtung) stromaufwärts eines oder mehrerer der Verdichter vorgesehen ist.The invention can also be generalized to several stages. In such a multi-stage turbocharger then several stages are connected in series analogous to the two-stage turbocharger, wherein the atomizer according to the invention (optionally downstream of a cooling device) upstream of one or more of the compressor is provided.
Ausserdem kann das Prinzip auf allgemeine Formen der Aufladung verallgemeinert werden, wobei der Antrieb der Verdichter nicht zwingend über eine Abgasturbine erfolgen muss, sondern der Verdichter beispielsweise auch direkt von einer Kolbenmaschine oder von einem Elektromotor angetrieben sein kann.In addition, the principle can be generalized to general forms of charging, wherein the drive of the compressor does not necessarily have to be made via an exhaust gas turbine, but the compressor may for example be driven directly by a piston engine or by an electric motor.
Im Folgenden werden noch weitere Aspekte der Erfindung erläutert, die mit beliebigen weiteren Aspekten oder Ausführungsformen kombiniert werden können. Dabei dienen die verwendeten Bezugszeichen lediglich zur Illustration entsprechender Merkmale in den Figuren, sollen aber keine Einschränkung auf die jeweiligen Ausführungsformen bedeuten.In the following, further aspects of the invention are explained, which can be combined with any further aspects or embodiments. The reference numerals used merely serve to illustrate corresponding features in the figures, but are not intended to limit the respective embodiments.
Gemäß einem Aspekt weist die Aufladungsvorrichtung einen Verdichter
Gemäß einem weiteren Aspekt weist der Zerstäuber
Gemäß einem weiteren Aspekt weist die Aufladungsvorrichtung eine Kühlvorrichtung
Gemäß einem Aspekt ist der Verdichter angeordnet, um die verdichtete Ladeluft ohne weitere Verdichtung einer Kolbenmaschine
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Aufladungsvorrichtung eine zumindest zweistufige Aufladungsvorrichtung. Der Verdichter ist dann ein Hochdruckverdichter
Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Zerstäuber
Gemäß einem weiteren Aspekt weist die Aufladungsvorrichtung auf: eine Frischluftleitung
Gemäß einem weiteren Aspekt weist der Zerstäuber
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Aufladungsvorrichtung eine Abgasrückführleitung
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Kühlvorrichtung eingerichtet, um die Ladeluft auf unter 60 Grad Celsius, vorzugsweise auf
Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Zerstäuber eingerichtet, um beim Zerstäuben den Durchmesser der Flüssigkeitstropfen auf unter 200 µm, vorzugsweise unter 100 µm zu reduzieren.According to another aspect, the atomizer is arranged to reduce the diameter of the liquid droplets to less than 200 microns, preferably less than 100 microns when sputtering.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Ladeluftleitung im Bereich des Zerstäubers
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Aufladungsvorrichtung ein Turbolader und umfasst weiter eine durch Abgas der Brennkraftmaschine angetriebene Turbine
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Brennkraftmaschine mit einer Kolbenmaschine
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Aufladen einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Das Verfahren kann den Betrieb einer beliebigen hierin beschriebenen Aufladungsvorrichtung umfassen.According to a further aspect, a method for charging an internal combustion engine is proposed. The method may include the operation of any of the charging devices described herein.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kolbenmaschinepiston engine
- 22
- zweistufiger Turboladertwo-stage turbocharger
- 33
- NiederdruckstufeLow pressure stage
- 3131
- Verdichter der NiederdruckstufeCompressor of the low-pressure stage
- 3232
- Abgasturbine der NiederdruckstufeExhaust gas turbine of the low-pressure stage
- 3333
- Welle der NiederdruckstufeWave of low pressure stage
- 44
- HochdruckstufeHigh pressure stage
- 4141
- Verdichter der HochdruckstufeCompressor of the high pressure stage
- 4242
- Abgasturbine der HochdruckstufeExhaust gas turbine of the high-pressure stage
- 4343
- Welle der HochdruckstufeShaft of the high pressure stage
- 55
- FrischluftleitungFresh air line
- 66
- Abgasleitungexhaust pipe
- 77
- Kühlvorrichtung / ZwischenkühlungCooling device / intermediate cooling
- 88th
- Berührungsloser Zerstäuber / UltraschallvorrichtungNon-contact atomizer / ultrasonic device
- 8181
- Emitteremitter
- 8282
- Reflektorreflector
- 8383
- Ultraschallfeldultrasonic field
- 831831
- Länge des UltraschallfeldesLength of the ultrasonic field
- 832832
- Amplitude des UltraschallfeldesAmplitude of the ultrasonic field
- 833833
- Wellenlänge des UltraschallfeldesWavelength of the ultrasonic field
- 99
- Strömungskanalflow channel
- 9191
- StrömungsquerschnittFlow area
- 9292
- Flüssigkeitstropfenliquid drops
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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