DE102017121322A1 - Brennkraftmaschine, Turbolader für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine, Turbolader für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Brennkraftmaschine, insbesondere Gasmotor (10), mit mehreren Zylindern (11), wobei in den Zylindern (11) ein Gemisch aus Ladeluft und einem gasförmigen Kraftstoff verbrennbar ist, mit einem ersten Turbolader (12), in welchem ausschließlich die Ladeluft (14) verdichtbar ist, und mit einem zweiten Turbolader (13), in welchem ausschließlich der gasförmige Kraftstoff (20) verdichtbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Turbolader für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
  • Eine als Gasmotor oder Dual-Fuel-Motor ausgebildete Brennkraftmaschine verfügt über mehrere Zylinder, wobei in den Zylindern ein Gemisch aus Ladeluft und einem gasförmigen Kraftstoff verbrannt wird. Bei aus der Praxis bekannten Gasmotoren oder Dual-Fuel-Motoren wird das Gemisch aus Ladeluft und dem gasförmigen Kraftstoff stromaufwärts der Zylinder der Brennkraftmaschine gemischt und gemeinsam über einen Abgasturbolader verdichtet. Zur Verdichtung der Ladeluft und des gasförmigen Kraftstoffs ist demnach ein gemeinsamer Turbolader vorhanden.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Brennkraftmaschine, einen Turbolader für eine solche Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist einen ersten Turbolader, in welchem ausschließlich die Ladeluft verdichtbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist ferner einen zweiten Turbolader, in welchem ausschließlich der gasförmige Kraftstoff verdichtbar ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die Ladeluft im ersten Turbolader und unabhängig hiervon der gasförmige Kraftstoff im zweiten Turbolader verdichtet. Hierdurch ist es möglich, Ladeluft und gasförmigen Kraftstoff auf individuelle Drücke zu verdichten und die Mischung von Ladeluft und gasförmigem Kraftstoff im Bereich eines Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine vorzunehmen.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der erste Turbolader eine einzige Verdicherstufe, wobei der zweite Turbolader mindestens zwei Verdichterstufen umfasst. Hierdurch ist es auf besonders vorteilhafte Art und Weise möglich, den gasförmigen Kraftstoff auf einen höheren Druck zu verdichten als die Ladeluft.
  • Der erfindungsgemäße Turbolader für eine solche Brennkraftmaschine, welcher ausschließlich der Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs dient, ist in Anspruch 4 definiert. Ein solcher Turbolader verfügt über eine besonders kompakte Bauform. Derselbe dient der Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs unabhängig von der Verdichtung der Ladeluft.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung verläuft zwischen den Verdichterstufen des Verdichters ein gekrümmter Strömungskanal mit einem ersten, von der ersten Verdichterstufe in Radialrichtung wegführenden Kanalabschnitt, einem zweiten, zu der zweiten Verdichterstufe in Radialrichtung hinführenden Kanalabschnitt und einem dritten, zwischen derselben verlaufenden, gekrümmten Kanalabschnitt, wobei im zweiten, zu der zweiten Verdichterstufe in Radialrichtung hinführenden Kanalabschnitt Leitschaufeln angeordnet sind. Hierdurch kann der in der ersten Verdichterstufe vorverdichtete, gasförmige Kraftstoff vorteilhaft der zweiten Verdichterstufe zur weiteren Verdichtung zugeführt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind in das Gehäuse des Verdichters Kühlkanäle eingebracht, über die Verdichterstufen des Verdichters kühlbar sind. Vorzugsweise sind in ein Lagergehäuse weitere Kühlkanäle eingebracht. Die Kühlung des Verdichters und damit die Kühlung des vom Verdichter verdichteten, gasförmigen Kraftstoffs erlaubt einen besonders vorteilhaften Betrieb der Brennkraftmaschine.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ist in Anspruch 9 definiert. Dadurch, dass der gasförmige Kraftstoff unabhängig von der Ladeluft auf einen höheren Druck verdichtet wird als die Ladeluft, ist vorteilhafter Betrieb der Brennkraftmaschine möglich.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 ein Blockschaltbild einer als Gasmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine,
    • 2 einen Axialschnitt durch ein Turbolader der Brennkraftmaschine.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine als Gasmotor oder Dual-Fuel-Motor ausgebildete Brennkraftmaschine, einen Turbolader für eine solche Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt stark schematisiert ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gasmotors 10. Der Gasmotor 10 verfügt über mehrere Zylinder 11, in welchen ein Gemisch aus Ladeluft und einem gasförmigen Kraftstoff verbrannt wird.
  • Der Gasmotor 10 verfügt über mehrere Turbolader 12, 13.
  • Ein erster Turbolader 12 dient ausschließlich der Verdichtung von Ladeluft 14. Hierzu umfasst der erste Turbolader 12 einen Verdichter 15 zur Verdichtung der Ladeluft sowie über eine Turbine 16 zur Entspannung von Abgas 17, welches die Brennkraftmaschine verlässt. Abgas 17 wird einem Abgassammler 18 entnommen und der Turbine 16 des ersten Turboladers 12 zugeführt, um in der Turbine 16 des ersten Turboladers 12 entspannt zu werden, wobei hier gewonnene Energie genutzt wird, um die Ladeluft 14 im Verdichter 15 des Turboladers 12 zu verdichten und einem Zylinderkopf 19 zuzuführen.
  • Während der erste Turbolader 12 ausschließlich der Verdichtung von Ladeluft dient, dient der zweite Turbolader 13 ausschließlich der Verdichtung von gasförmigem Kraftstoff 20. Hierzu umfasst der zweite Turbolader 13 einen Verdichter 21 mit mehreren Verdichterstufen 22, 23. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Verdichter 21 des zweiten Turboladers 13 zwei Verdichterstufen 22, 23 zur Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs 20, der als verdichteter gasförmiger Kraftstoff 20 ebenfalls dem Zylinderkopf 19 zugeführt werden kann, um die verdichtete Ladeluft 14 und den verdichteten gasförmigen Kraftstoff 20 im Bereich des Zylinderkopfs 19 zu mischen.
  • Der zweite Turbolader 13 verfügt über eine Turbine 24, in welcher ebenfalls Abgas 17 der Zylinder 11 entspannt werden kann, um hierbei Energie zu gewinnen und unter Nutzung der bei der Entspannung des Abgases 17 in der Turbine 24 des zweiten Turboladers 13 gewonnenen Energie die beiden Verdichterstufen 22, 23 des Verdichters 21 zur Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs 20 anzutreiben.
  • Der erfindungsgemäße Gasmotor 10 verfügt demnach über Turbolader 12, 13, in welchen unabhängig voneinander einerseits Ladeluft 14 und andererseits gasförmiger Kraftstoff 20 verdichtet werden kann.
  • Der verdichtete gasförmige Kraftstoff 20 sowie die verdichtete Ladeluft 14 werden erst im Bereich eines Zylinderkopfs 19 gemischt. Dadurch, dass der zweiteTurbolader 13, welcher der Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs 20 dient, eine höhere Anzahl von Verdichterstufen aufweist als der erste Turbolader 12, welcher der Verdichtung der Ladeluft 14 dient, wird der gasförmige Kraftstoff 20 auf einen höheren Druck verdichtet als die Ladeluft 14. Hierdurch kann für den Gasmotor 10 ein besonders vorteilhafter, insbesondere geregelter, Betrieb gewährleistet werden.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch den zweiten Turbolader 13, welcher der Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs dient. So zeigt 2 die Turbine 24, die einen Turbinenrotor 25 und ein Turbinengehäuse 26 umfasst.
  • Die Turbine 24 ist vorzugsweise als Radialturbine ausgeführt, dieselbe wird vorzugsweise in Radialrichtung vom zu entspannenden Abgas angeströmt, wobei entspanntes Abgas vom Turbinenrotor 25 vorzugsweise in Axialrichtung abströmt.
  • Der Verdichter 21 umfasst ein Verdichtergehäuse 27 mit Verdichtergehäuseabschnitte 27a, 27b sowie einen Verdichterrotor, welcher die beiden Verdichterstufen 22, 23 bereitstellt. So umfasst die erste Verdichterstufe 22 einen ersten Verdichterrotor 28 und die Verdichterstufe 23 einen zweiten Verdichterrotor 29, die auf einer gemeinsamen Welle 30 angeordnet sind. De Turbinenrotor 25 ist über diese Welle 30 mit den beiden Verdichterrotoren 28, 29 gekoppelt. Die Welle 30 ist in einem Lagergehäuse 31 gelagert, wobei das Lagergehäuse 31 und in einem Lager 35 einerseits mit dem Turbinengehäuse 26 und andererseits mit dem Verdichtergehäuse 27 verbunden ist, insbesondere mit dem Verdichtergehäuseabschnitt 27b.
  • Die beiden Verdichterstufen 22, 23 des Verdichters 21 des Turboladers 13, welcher ausschließlich der Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs dient, sind beide als Radialverdichterstufen ausgebildet, dieselben werden demnach vom zu verdichtenden, gasförmigen Kraftstoff in Axialrichtung angeströmt, der verdichtete gasförmige Kraftstoff strömt in Radialrichtung ab.
  • Der im Bereich der ersten Verdichterstufe 22 verdichtete gasförmige Kraftstoff ist über einen Strömungskanal 32 der zweiten Verdichterstufe 29 zur weiteren Verdichtung zuführbar.
  • Dieser Strömungskanal 32 verfügt über mehrere Kanalabschnitte 32a, 32b und 32c. Ein erster Kanalabschnitt 32a erstreckt sich in Radialrichtung und führt den im Bereich der ersten Verdichterstufe 22 verdichteten, gasförmigen Kraftstoff von der ersten Verdichterstufe 22 weg. Der zweite Kanalabschnitt 32b erstreckt sich ebenfalls in Radialrichtung und führt den im Bereich der ersten Verdichterstufe 22 verdichteten, gasförmigen Kraftstoff in Richtung auf die zweite Verdichterstufe 23. Zwischen diesen beiden sich in Radialrichtung erstreckenden Kanalabschnitten 32a, 32b ist ein dritter, gekrümmter Kanalabschnitt 32c ausgebildet, der den verdichteten, gasförmigen Kraftstoff um in etwa 180° umlenkt.
  • Im zweiten Kanalabschnitt 32b nach der Strömungsumlenkung im Bereich des dritten Kanalabschnitts 32c sind Leitschaufeln 33 angeordnet. Die Leitschaufeln 33 dienen der optimalen Zuführung des vorverdichteten, gasförmigen Kraftstoffs in Richtung auf die zweite Verdichterstufe 23.
  • In das Gehäuse 27 des Verdichters 21 bzw. in die Verdichtergehäuseabschnitte 27a, 27b sowie in das Lagergehäuse 31 sind Kühlkanäle 34 eingebracht. Über diese Kühlkanäle 34 kann der Verdichter 21 sowie das Lagergehäuse 31 gekühlt werden. Ferner ist eine Kühlung des gasförmigen Kraftstoffs möglich.
  • Die Kühlkanäle im Bereich des Lagergehäuses 31 bewirken eine thermische Isolation von der heißen Turbinenseite. Hierdurch ist ein besonders vorteilhafter Betrieb des Turboladers und eines den Turbolader umfassenden Gasmotors möglich.
  • Der Gasmotor 10 wird so betrieben, dass der gasförmige Kraftstoff 20 unabhängig von der Ladeluft 14 verdichtet wird. Dabei wird der gasförmige Kraftstoff 20 auf einen höheren Druck verdichtet als die Ladeluft 14.
  • Diese auf unterschiedliche Druckniveaus verdichteten Medien, nämlich der gasförmige Kraftstoff 20 und die Ladeluft 14, werden vorzugsweise im Bereich des Zylinderkopfs 19 oder vor dem Zylinderkopf 19 gemischt, um dann die Mischung aus Ladeluft 14 und gasförmigem Kraftstoff 20 den Zylindern 11 zur Verbrennung zuzuführen.
  • Obwohl die für einen Gasmotor beschrieben wurde, kann die Erfindung auch an einen Dual-Fuel-Motor zum Einsatz kommen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Gasmotor
    11
    Zylinder
    12
    Turbolader
    13
    Turbolader
    14
    Ladeluft
    15
    Verdichter
    16
    Turbine
    17
    Abgas
    18
    Abgassammler
    19
    Zylinderkopf
    20
    gasförmiger Kraftstoff
    21
    Verdichter
    22
    Verdichterstufe
    23
    Verdichterstufe
    24
    Turbine
    25
    Turbinenrotor
    26
    Turbinengehäuse
    27
    Verdichtergehäuse
    27a, 27b
    Verdichtergehäuseabschnitt
    28
    Verdichterrotor
    29
    Verdichterrotor
    30
    Welle
    31
    Lagergehäuse
    32
    Strömungskanal
    32a
    Kanalabschnitt
    32b
    Kanalabschnitt
    32c
    Kanalabschnitt
    32d
    Kanalabschnitt
    33
    Leitschaufel
    34
    Kühlkanal
    35
    Lager

Claims (10)

  1. Brennkraftmaschine, insbesondere Gasmotor (10), mit mehreren Zylindern (11), wobei in den Zylindern (11) ein Gemisch aus Ladeluft und einem gasförmigen Kraftstoff verbrennbar ist; gekennzeichnet durch einen ersten Turbolader (12), in welchem ausschließlich die Ladeluft (14) verdichtbar ist, einen zweiten Turbolader (13), in welchem ausschließlich der gasförmige Kraftstoff (20) verdichtbar ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Turbolader (12) eine einzige Verdicherstufe umfasst, der zweite Turbolader (13) mindestens zwei Verdichterstufen (22, 23) umfasst.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Turbolader (13) nach einem der Ansprüche 4 bis 8 ausgebildet ist.
  4. Turbolader (13) für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welcher ausschließlich der Verdichtung des gasförmigen Kraftstoffs dient, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe einen Verdichter (21) mit einer ersten Verdichterstufe (22) und einem ersten Verdichterrotor (28) und einer zweiten Verdichterstufe (23) und einem zweiten Verdichterrotor (29) aufweist, derselbe eine Turbine (24) mit einem Turbinenrotor (25) aufweist, der Turbinenrotor (25), der ersten Verdichterrotor (28) und der zweite Verdichterrotor (29) alle über eine gemeinsamen Welle (30) gekoppelt sind.
  5. Turbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufen (22, 23) des Verdichters (21) Radialverdichterstufen sind, die Turbine (24) eine Radialturbine ist.
  6. Turbolader nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Verdichterstufen (22, 23) des Verdichters (21) ein gekrümmter Strömungskanal (32) mit einem ersten, von der ersten Verdichterstufe (22) in Radialrichtung wegführenden Kanalabschnitt (32a), einem zweiten, zu der zweiten Verdichterstufe (23) in Radialrichtung hinführenden Kanalabschnitt (32b) und einem dritten, zwischen derselben verlaufenden, gekrümmten Kanalabschnitt (32c) verläuft, wobei im zweiten, zu der zweiten Verdichterstufe (23) in Radialrichtung hinführenden Kanalabschnitt (32b) Leitschaufeln (33) angeordnet sind.
  7. Turbolader nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (27) des Verdichters (21) Kühlkanäle (34) eingebracht sind, über die Verdichterstufen (22, 23) des Verdichters kühlbar sind.
  8. Turbolader nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in ein Lagergehäuse (31) weitere Kühlkanäle (34) eingebracht sind.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweiten Turbolader (13) der gasförmigen Kraftstoff (20) auf einen höheren Druck verdichtet wird als die Ladeluft (14) durch den ersten Turbolader (12).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Ladeluft (14) und der unabhängig verdichte gasförmige Kraftstoff (20) in einem Zylinderkopf (19) oder vor dem Zylinderkopf (19) gemischt werden.
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