DE1270887B

DE1270887B - Abgasturboladeranlage fuer Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE1270887B
Application number: DEP1270A
Authority: DE
Inventors: Arthur Attwood Zuhn
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1964-03-26
Filing date: 1964-03-26
Publication date: 1968-06-20

Description

Abgasturboladeranlage für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladeranlage für Brennkraftmaschinen mit einem von einer Abgasturbine über eine gemeinsame Welle angetriebenen mehrstufigen Lader und mit einem zwischen Lader und Brennkraftmaschine eingefügten, die Temperatur der hochverdichteten Luft herabsetzenden Wärmetauscher.
Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, die in der Abgasturbine einer solchen Anlage verwertete Abgasenergie nicht nur zur Vorverdichtung der der Brennkraftmaschine zugeführten Ladeluft, sondern außerdem noch für die in dem Wärmetauscher durchzuführende Kühlung der verdichteten Ladeluft auszunutzen. Zu diesem Zweck ist eine Abgasturboladeranlage der erwähnten Art erfindungsgemäß mit einem hinter der ersten Laderstufe abzweigenden Kanal versehen, der zur Zuführung niedrig verdichteter und nur gering erwärmter, als Kühlmittel dienender Luft mit dem Wärmetauscher verbunden ist.
Im Gegensatz zu einem bekannten Turbolader, bei welchem ein besonderer Niederdruckverdichter für die den Zylinder einer Brennkraftmaschine beaufschlagende Kühlluft sowie der Hochdruckverdichter für die Verbrennungsluft auf einem gemeinsamen Rotor, jedoch mit getrennten Kreisläufen ausgebildet sind, wird bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Anlage die erste Laderstufe zweifach ausgenutzt: Die erste Laderstufe liefert einerseits die in den Wärmetauscher zu schickende Kühlluft, und sie dient andererseits zur Vorverdichtung der in den anschließenden Laderstufen hochverdichteten Verbrennungsluft. Durch diese doppelte Ausnutzung der ersten Laderstufe läßt sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand ein hoher Gesamtwirkungsgrad der Turboladeranlage erzielen.
Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist eine Ausbildung der Anlage vorgesehen, bei welcher der Kanal zwischen einem Teil der Ladergehäusewandung und einer innerhalb dieser konzentrisch zum Austritt der ersten Laderstufe angeordneten, axial verlaufenden, ringförmigen Trennwand gebildet ist. Der Kanal kann dabei in einen durch das Ladergehäuse begrenzten Ringraum münden, von dem eine Verbindungsleitung zum Wärmetauscher führt.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert, welche in schematischer Darstellung, teilweise im Schnitt, eine gemäß der Erfindung ausgebildete Abgasturboladeranlage zeigt.
In der Zeichnung bezeichnet 10 eine Brennkraftmaschine mit einer Ansaugleitung 11 und einem Auspuffsammler 12. Ein Abgasturbolader, der im Ganzen mit 14 bezeichnet ist, wird durch den Auspuffdruck aus dem Auspuffsammler 12 angetrieben, um die Luft zu verdichten, welche der Ansaugleitung 11 nach dem Durchtritt durch einen Wärmetauscher 15 zugeführt wird. Dieser hat die Aufgabe, die Temperatur der der Brennkraftmaschine zum Verbrauch zugeführten Luft herabzusetzen. Eine Wand 17 trennt in einem Gehäuse 16 den Turbinenteil von dem Verdichterteil, wobei die Turbinen- und die Verdichterschaufeln auf einer gemeinsamen Welle 18 angeordnet sind, die in Lagern 19 und 20 gelagert ist. Das aus dem Auspuffsammler 12 austretende Gas tritt in eine Kammer 21 im Turbinenabschnitt ein und nimmt dann seinen Weg radial nach innen durch einen Satz von radialen und axialen Turbinenschaufeln 23 bzw. 24.
Der Verdichterabschnitt des Laders ist mehrstufig und umfaßt eine erste Laderstufe 26, welche bei Umlauf Außenluft durch eine Einlaßöffnung 27 ansaugt. Durch eine zweite radiale Stufe 28 wird die aus der ersten Stufe 26 austretende Luft noch weiter verdichtet und durch Kanäle einer dritten radialen Laderstufe 30 zugeführt. Die aus dieser austretende hochverdichtete Luft wird durch eine Leitung 31 und Wärmetauscher 15 in eine Leitung 32 geleitet, die zur Ansaugleitung 11 der Brennkraftmaschine führt; die Strömungsrichtung durch den Wärmetauscher ist durch einen Pfeil 33 angegeben.
Um die Temperatur der hochverdichteten Luft im Wärmetauscher 15 herabzusetzen, wird ein Teil der Luft hinter der ersten Laderstufe durch einen äußeren Kanal 36 abgezweigt, der durch eine von einem Armkreuz oder von Stegen gehaltene Ringwand 35 gebildet wird. Ein größerer Teil der Fördermenge der Laderstufe 26 wird so in einen Ringraum 37 geleitet, während der Rest durch den inneren Ringkanal radial zur zweiten und zur dritten Laderstufe 28 bzw. 30 strömt, in welchen die Luft weiterverdichtet und über den Wärmetauscher der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Aus dem Ringraum 37 des Gehäuses 16 tritt die Luft als Kühlmittel durch Wärmetauscher 15 in Richtung des Pfeiles 40 in die Auslaßleitung 41.
Der Wärmetauscher kann in einer herkömmlichen Bauart mit Rohren oder rippenartigen Bauteilen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein, wobei die als Kühlmittel dienende Luft von niedrigem Druck von der zu kühlenden hochverdichtenden und erhitzten Luft getrennt gehalten wird.
Bei der beschriebenen Anordnung hat es sich als möglich erwiesen, die Temperatur der hochverdichteten Luft von 260 auf etwa 65° C herabzusetzen, wobei die als Kühlmittel dienende Luft von niedrigem Druck aus dem Auslaß 41 mit einer Temperatur austritt, die etwa um 140° C höher ist als diejenige, mit welcher sie in den Wärmetauscher eingetreten ist. Es wird daher eine sehr wirksame Kühlung mit einer Leistung erzielt, die durch den Abgasdruck der Brennkraftmaschine, also nicht unmittelbar durch diese selbst geliefert wird der Leistungsverlust der Brennkraftmaschine ist deshalb äußerst gering.
Die beschriebene Anordnung hat ferner den Vorteil der Einfachheit im Vergleich zu bekannten Anordnungen, bei welchen die Kühlung mit Hilfsgebläsen erfolgt, die unmittelbar von der Brennkraftmaschine angetrieben werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Abgasturboladeranlage für Brennkraftmaschinen mit einem von einer Abgasturbine über eine gemeinsame Welle angetriebenen mehrstufigen Lader und mit einem zwischen Lader und Brennkraftmaschine eingefügten, die Temperatur hochverdichteten Luft herabsetzenden Wärmetauscher, gekennzeichnet durch einen hinter der ersten Laderstufe (26) abzweigenden Kanal (36), der zur Zuführung niedrigverdichteterund nur gering erwärmter, als Kühlmittel dienender Luft mit dem Wärmetauscher (15) verbunden ist.
2. Abgasturboladeranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (36) zwischen einem Teil der Ladergehäusewandung und einer innerhalb dieser konzentrisch zum Austritt der ersten Laderstufe (26) angeordneten, axial verlaufenden, ringförmigen Trennwand (35) gebildet ist.
3. Abgasturboladeranlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (36) in einem durch das Ladergehäuse begrenzten Ringraum (37) mündet, von dem eine Verbindungsleitung zum Wärmetauscher (15) führt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 850 969, 573 940, 521071, 409 619; britische Patentschrift Nr. 499 357; USA.-Patentschrift Nr. 2 918 787.