DE19960152A1

DE19960152A1 - Verdichteranlage zur Erzeugung von Druckluft

Info

Publication number: DE19960152A1
Application number: DE19960152A
Authority: DE
Inventors: Harald Wenzel
Original assignee: Compair Drucklufttechnik Zweigniederlassung der Gardner Denver Deutschland GmbH
Current assignee: Compair Drucklufttechnik Zweigniederlassung der Gardner Denver Deutschland GmbH
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: US6726457B2; CN1340131A; CN1175173C; US20020127122A1; WO2001044635A1; JP2003517133A; AU2829601A; EP1153210A1; DE19960152C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichteranlage zur Erzeugung von Druckluft, bestehend aus einem durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Verdichter, der über eine Leitung mit Druckluftentnahmestellen verbunden ist und dem ein antriebsseitig an der Abgasseite der Brennkraftmaschine angeschlossener Abgasturbolader vorverdichtete Luft zuführt. DOLLAR A Der Gesamtwirkungsgrad einer solchen Maschine wird dadurch verbessert, daß an der Abgasseite ein erster Abgasturbolader (20), der einem Dieselmotor (40) vorverdichtete Luft zuführt, und ein zweiter Abgasturbolader (21), der einem flüssigkeitseingespritzten Verdrängerverdichter (50) vorverdichtete Luft zuführt, hintereinander angeordnet sind, wobei die turbinenseitige Laufradgeometrie des Abgasturboladers (20), beispielsweise der Außendurchmesser des Laufrades, an den Abgasgegendruck und die Temperatur, resultierend aus dem nachgeschalteten Abgasturbolader (21) des Verdrängerverdichters (50), angepaßt ist und die turbinenseitige Laufradgeometrie des Abgasturboladers (21), beispielsweise der Durchmesser des Laufrades, an die unterschiedlichen Massenströme auf der Turbinen- und der Verdichterseite des Abgasturboladers (21) angepaßt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichteranlage zur Erzeugung von Druckluft be stehend aus einem durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Verdichter, der über eine Leitung mit Druckluftentnahmestellen verbundenen ist und dem ein antriebsseitig an der Abgasseite der Brennkraftmaschine angeschlossener Abga sturbolader vorverdichtete Luft zuführt.

Eine derartige Verdichteranlage soll durch die Nutzung der entstehenden Pro zeßwärme den Wirkungsgrad der Anlage verbessern und somit Energie einspa ren.

Aus der Patentschrift DE 41 23 208 C2 ist eine Verdichteranlage bekannt, bei der antriebsseitig an der Abgasseite einer Brennkraftmaschine mindestens ein Abgasturbolader in der Saug- und/oder Druckleitung eines Verdichters angeord net ist und dem Verdichter vorverdichtete Luft zuführt und/oder die vom Ver dichter verdichtete Druckluft nachverdichtet.

Nachteilig hierbei ist, dass durch die Anordnung eines oder mehrerer Abgastur bolader im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine deren Abgasgegendruck er höht und somit deren mechanische Nutzleistung verringert wird. Der Abgasge gendruck steigt auf etwa 1,5 bar an und bewirkt eine Reduzierung der mechani schen Nutzleistung aufgrund der höheren Ausschiebearbeit der Kolben der Brennkraftmaschine von etwa 20% bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen mit einem niedrigen mittleren effektiven Druck.

Zusätzlich bewirkt der Abgasgegendruck eine schlechtere Füllung der Brenn kraftmaschine mit Frischluft, weshalb die Kraftstoffmenge zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs verringert werden muß und die Lei stung der Brennkraftmaschine sinkt. Der hierdurch verursachte Leistungsverlust liegt bei herkömmlichen Saugmotoren etwa bei 10%.

Somit ergibt sich ein Gesamtleistungsverlust der Brennkraftmaschine von etwa 30%. Dieser Leistungsverlust der Brennkraftmaschine und der daraus re sultierende Verdichtungsverlust des durch die Brennkraftmaschine angetriebe nen Verdichters ist zu hoch, da er nicht durch die zusätzlich gewonnene Ver dichtung durch die eingesetzten Abgasturbolader kompensiert werden kann. Der gegenüber einer herkömmlichen Verdichteranlage ohne einen dem Verdich ter vorgeschalteten Abgasturbolader höhere bauliche Aufwand der Verdich teranlage nach der Patentschrift DE 41 23 208 C2 bewirkt, dass eine solche Anlage sehr unwirtschaftlich und ineffizient ist.

Ziel der Erfindung ist es, bei einer Verdichteranlage mit einem dem Verdichter vorgeschalteten Abgasturbolader den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern und somit eine wirtschaftliche Anwendbarkeit einer solchen Verdichteranlage zu er möglichen.

Erreicht wird dies nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die in den Nebenansprüchen 2 und 3 beschriebenen Merk male dienen ebenfalls dem Ziel der Erfindung. Die Unteransprüche 4 bis 11 be schreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades wird demnach dadurch erreicht, dass zwei Abgasturbolader so hintereinander angeordnet sind, dass der Abgas massenstrom eines Dieselmotors zuerst den ersten Abgasturbolader antreibt, der diesem Dieselmotor verdichtete Luft zuführt und anschließend den zweiten Ab gasturbolader antreibt, der dem Verdichter vorverdichtete Luft zuführt.

Durch die so erreichte Erhöhung des mittleren effektiven Drucks des verwende ten Dieselmotors wird der Verlust an mechanischer Nutzleistung auf etwa 15% reduziert. Ein Leistungsverlust aufgrund einer schlechteren Füllung des Diesel motors mit Frischluft kann durch einen höheren Ladedruck vermieden werden. Der Gesamtleistungsverlust des Dieselmotors verursacht durch den Abgasgegen druck wird so auf etwa 15% verringert.

Eine zusätzliche Verringerung der Verluste des Dieselmotors kann dadurch er reicht werden, dass die Ladeluft vorm Eintritt in den Dieselmotor zwischenge kühlt wird. Hierdurch erhöht sich der mittlere effektive Druck des Motors, wo durch der Abgasgegendruck von ca. 1,5 bar lediglich zu einem Verlust an me chanischer Nutzleistung von etwa 10% führt. Auch in diesem Fall treten kei nerlei Verluste aufgrund einer schlechten Füllung des Dieselmotors mit Frisch luft auf, weshalb sich der Gesamtleistungsverlust auf etwa 10% verringert.

Die in dem Abgasturbolader vor dem Verdrängerverdichter gewonnene Verdich terleistung entspricht etwa 25% der mechanischen Nutzleistung des Motors. Daraus resultierend ergibt sich für die erfindungsgemäße Verdichteranlage ein Leistungsgewinn von 15%.

Desweiteren ist die erfindungsgemäße Verdichteranlage mit einem Dieselmotor mit Abgasturbolader vorteilhaft, da der nutzbare Drehzahlbereich des Diesel motors hier größer ist. Die Veränderung der Drehzahl des Dieselmotors ist von großer Bedeutung, da die Druckluftentnahme aus der Verdichteranlage schwan kend erfolgt und somit die Motordrehzahl je nach Druckluftentnahme angehoben oder verringert wird.

Bei herkömmlichen Verdichteranlagen ist lediglich eine Reduzierung der Mo tordrehzahl um 30% bis 40% ausgehend von einer maximal nutzbaren Drehzahl möglich, da ein in etwa konstanter Drehmomentbedarf des Verdichters zur Be reitstellung eines konstanten Enddrucks über den gesamten Drehzahlbereich des Motors vorliegt. Der nutzbare Drehzahlbereich liegt beispielsweise zwischen 2500 Umdrehungen pro Minute und 1500 Umdrehungen pro Minute.

Bei der Verdichteranlage mit zusätzlichem Abgasturbolader setzt sich der Drehmomentbedarf aus zwei Teilen zusammen, dem des Schraubenverdichters und dem des zusätzlichen Turboladers. Mit sinkender Drehzahl des Dieselmotors verringert sich auch die Abgasturboladerleistung und somit der Abgasgegen druck. Der sinkende Abgasgegendruck bewirkt nun einen Anstieg des mecha nisch nutzbaren Motordrehmoments des Dieselmotors, so dass auch in diesem Betriebszustand ein ausreichendes Motordrehmoment zur Bereitstellung des an gestrebten Enddrucks durch den Verdichter anliegt.

Es ist somit möglich, den Drehzahlbereich des Dieselmotors hin zu niedrigen Drehzahlen zu vergrößern, so dass ein Drehzahlbereich zwischen 2500 Umdre hungen pro Minute und 1000 Umdrehungen pro Minute nutzbar ist. Dies ent spricht einer Vergrößerung des nutzbaren Drehzahlbereichs um etwa 50%. Gerade bei einer nur gelegentlichen Entnahme von Druckluft aus der Verdich teranlage ergibt sich durch die Nutzbarkeit niedrigerer Drehzahlen des Diesel motors ein Kraftstoffeinsparpotential von bis zu 30% gegenüber herkömmlichen Verdichteranlagen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verdichteranlage liegt in der Ver wendung eines Verdrängerverdichters.

Es ist bei durch Brennkraftmaschinen angetriebenen Verdichteranlagen üblich, die Liefermenge an Druckluft auch über die Maschinendrehzahl zu regulieren. Eine Verringerung der Motordrehzahl und ein daraus resultierender Verlust an Vordruck bewirkt allerdings ebenfalls eine Verringerung der Verdichterleistung des Abgasturboladers vor dem Verdichter. Der daraus resultierende geringere Vordruck bedingt die Erzeugung eines höheren Druckverhältnisses durch den Verdichter zur Erzielung eines angestrebten konstanten Enddruckes.

Die erfindungsgemäße Verdichteranlage löst dieses Problem durch die Verwen dung eines Verdrängerverdichters, der auch bei sich ändernden Druckverhältnis sen vor dem Verdichter noch in der Lage ist, einen konstanten Enddruck bereit zustellen, da praktisch kein Schadraum vorhanden ist. Im speziellen soll ein flüssigkeitseingespritzter Verdrängerverdichter, beispielsweise ein Schrauben- oder Rotationsverdichter, Anwendung finden.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines flüssigkeitseingespritzten Verdrän gerverdichters ist, dass dieser bereits in einer einstufigen Bauform die benötigte Kompression bereitstellt, wodurch die gesamte Verdichteranlage baulich klein gehalten werden kein.

Weitere Lösungen der Aufgabe der Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Verdichteranlage werden in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.

In Anspruch 2 ist angeregt, die turbinenseitige Laufradgeometrie des dem Ver drängerverdichter vorgeschalteten Abgasturboladers, beispielsweise den Durch messer des Laufrades, an die unterschiedlichen Massenströme auf der Turbinen- und der Verdichterseite des Abgasturboladers anzupassen.

In Anspruch 3 ist angeregt, die turbinenseitige Laufradgeometrie des dem Die selmotor vorgeschalteten Abgasturboladers, beispielsweise den Außendurchmes ser des Laufrades, an den Abgasgegendruck und die Temperatur resultierend aus dem nachgeschalteten Abgasturbolader des Verdrängerverdichters anzupassen.

Im Folgenden soll anhand einer schematischen Zeichnung der Aufbau einer Aus führungsform der erfindungsgemäßen Verdichteranlage dargestellt werden.

Verbrennungsluft wird über einen Luftfilter 10 gereinigt und durch eine Ansau gleitung 70 einem Abgasturbolader 20 zugeführt.

Eine Leitung 72 führt die nun vorkomprimierte Verbrennungsluft einem Zwi schenkühler 90 und eine Leitung 74 die zwischengekühlte Verbrennungsluft ei nem Dieselmotor 40 zu.

Eine Leitung 41 leitet das Abgas des Dieselmotors 40 zum Abgasturbolader 20. Eine möglichst kurze Verbindung 42 führt das teilentspannte Abgas einem zweiten Abgasturbolader 21 zu. Nach Durchtritt durch Abgasturbolader 21 wird das entspannte Abgas abgeleitet.

Die zu verdichtende Luft wird über einen Luftfilter 11 und eine Ansaugleitung 71 dem Abgasturbolader 21 zugeführt.

Eine Leitung 75 führt die nun vorkomprimierte Verbrennungsluft einem Zwi schenkühler 91 und eine Leitung 75 die zwischengekühlte vorverdichtete Luft einem flüssigkeitseingespritzten Verdrängerverdichter 50 zu.

Eine Druckleitung 76 leitet die Druckluft mit der Einspritzflüssigkeit dem Druckbehälter 80 zu, wo ein Flüssigkeitsabscheider 81 die Einspritzflüssigkeit von der Druckluft trennt. Über eine Leitung 77, einen Filter 60, eine Leitung 78, einen Kühler 61 und eine Leitung 79 wird die Einspritzflüssigkeit wieder zum flüssigkeitseingespritzten Verdrängerverdichter zurückgeführt.

Die Druckluft wird aus dem Druckbehälter 80 über den Flüssigkeitsabscheider 81, ein Druckhalterückschlagventil 82 und eine Leitung 83 den Druckluftent nahmestellen 84 zugeführt.

Claims

1. Verdichteranlage zur Erzeugung von Druckluft bestehend aus einem von ei ner Brennkraftmaschine angetriebenen Verdichter, der über eine Leitung mit Druckluftentnahmestellen verbundenen ist und dem ein antriebsseitig an der Abgasseite der Brennkraftmaschine angeschlossener Abgasturbolader vor verdichtete Luft zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass

- an der Abgasseite ein erster Abgasturbolader (20),
- der einem Dieselmotor (40) vorverdichtete Luft zuführt,

und

- ein zweiter Abgasturbolader (21),
- der einem flüssigkeitseingespritzten Verdrängerverdichter (50) vorver dichtete Luft zuführt
- hintereinander angeordnet sind.

2. Verdichteranlage zur Erzeugung von Druckluft bestehend aus einem von ei ner Brennkraftmaschine angetriebenen Verdichter, der über eine Leitung mit Druckluftentnahmestellen verbundenen ist und dem ein antriebsseitig an der Abgasseite der Brennkraftmaschine angeschlossener Abgasturbolader vor verdichtete Luft zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass die turbinenseitige Laufradgeometrie des einem durch einen Dieselmotor (40) angetriebenen Verdrängerverdichter (50) vorgeschalteten Abgasturboladers (21), beispielsweise der Durchmesser des Laufrades, an die unterschiedlichen Massenströme auf der Turbinen- und der Verdichterseite des Abgasturbola ders (21) angepaßt ist.

3. Verdichteranlage zur Erzeugung von Druckluft bestehend aus einem von ei ner Brennkraftmaschine angetriebenen Verdichter, der über eine Leitung mit Druckluftentnahmestellen verbundenen ist und dem ein antriebsseitig an der Abgasseite der Wärmekraftmaschine angeschlossener Abgasturbolader vor verdichtete Luft zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass die turbinenseitige Laufradgeometrie eines einem Dieselmotor (40) vorge schalteten Abgasturboladers (20), beispielsweise der Außendurchmesser des Laufrades, an den Abgasgegendruck und die Temperatur resultierend aus dem nachgeschalteten Abgasturbolader (21) eines Verdrängerverdichters (50) an gepaßt ist.

4. Verdichteranlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil, beispielsweise ein pneumatisches Ventil, zum Abblasen der durch den Abgasturbolader (21) vorverdichteten Luft bei nur geringer oder keiner Druckluftentnahme an den Druckluftentnahmestellen (84) zwischen dem Ab gasturbolader (21) und dem Verdrängerverdichter (50) angeordnet ist.

5. Verdichteranlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführleitung mit Ventil zur Rückführung der durch den Abgastur bolader (21) vorverdichteten Luft bei nur geringer oder keiner Druckluf tentnahme an den Druckluftentnahmestellen (84) von der Zuführleitung zum Verdrängerverdichter zur Ansaugleitung (71) des Abgasturbolader (21) ge führt ist.

6. Verdichteranlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil, beispielsweise ein pneumatisches Ventil, zum Abblasen der dem Abgasturbolader (21) durch eine Zuführleitung (42) zugeführten Ab gase bei nur geringer oder keiner Druckluftentnahme an den Druckluftent nahmestellen (84) in der Zuführleitung (42) zum Abgasturbolader (21) an geordnet ist.

7. Verdichteranlage nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (21) für den Verdrängerverdichter (50) möglichst nahe am Abgasaustritt des Abgasturboladers (20) des Dieselmotors (40) angeord net ist.

8. Verdichteranlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (21) des Verdrängerverdichters (50) am Ölkreislauf des Dieselmotors (40) angeschlossen ist.

9. Verdichteranlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (21) des Verdrängerverdichters (50) am Dieselmotor (40) direkt angebaut ist.

10. Verdichteranlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das turbinen- als auch das verdichterseitige Laufrad des Abgasturbo laders (21) des Verdrängerverdichters (50) in Radialbauweise ausgeführt ist.

11. Verdichteranlage nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Abgasturboladern (20, 21) verdichtete Luft vorm Eintritt in den Dieselmotor (40) beziehungsweise den Verdrängerverdichter (50) durch Zwi schenkühler (90, 91) gekühlt wird.