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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Biturboladeranordnung für eine große Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck „große Maschine” auf solche Brennkraftmaschinen, die eine Leistung von mehr als 150 kW pro Zylinder erzeugen können. Typischer Weise werden diese Art von großen Maschinen als beispielsweise Hauptantriebsmaschinen oder Hilfsmaschinen in Marineschiffen oder in Kraftwerken für die Erzeugung von Wärme und/oder Elektrizität verwendet.
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Hintergrund
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In modernen Maschinen ist das Laden bzw. Füllen von Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschinen normale Praxis. Die Aufladung verbessert die Effizienz der Maschine und hat einen positiven Einfluss auf die Emissionen. Wahrscheinlich sind die populärsten Einrichtungen zum Laden von Luft in die Zylinder Turbolader. Mit Turboladern sind Pumpenvorrichtungen gemeint, die durch Abgase einer Maschine angetrieben werden. Der Turbolader ist um eine Welle herum aufgebaut, die an ihrem mittleren Teil an Lagern angeordnet ist. Beide Enden der Welle sind mit einem Rotor versehen, der von einem Gehäuse umgeben wird. Beide Gehäuse haben einen Gaseinlass und einen Gasauslass. An einem Ende der Welle wird die Rotor-Gehäusekombination eine Turbine genannt, wenn der Gaseinlass deren Gehäuses an einem Kanal befestigt ist, der Abgase von der Maschine bringt. Die Abgase lassen den Turbinenrotor drehen, wodurch sich auch die Welle des Turboladers dreht. An dem entgegengesetzten Ende wird die Rotor-Gehäusekombination Kompressor genannt. Der Rotor des Kompressors saugt Luft in dem Gehäuse durch seinen Einlass hindurch an und zwängt die Luft mit einem erhöhten Druck aus dem Gasauslass aus. Normalerweise ist der Gasauslass in Strömungsverbindung mit dem Einlasskrümmer einer Maschine, wodurch die Luft, die in die Maschinenzylinder strömt, einen erhöhten Druck hat. Dies bedeutet, dass der Zylinder mit Luft geladen wird, wodurch die Dichte der Luft höher ist, dass es mehr Sauerstoff in der geladenen Luft gibt, und dass mehr Kraftstoff in dem Zylinder verbrennen kann. Auf diese Weise ist die Leistungsabgabe des Zylinders im Vergleich zu normalen Saugmaschinen erhöht.
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Jedoch ist es eine bekannte Tatsache, dass Turbolader nicht mit der gleichen Effizienz durchgehend über einen Maschinendrehzahlbereich arbeiten können. Dies liegt daran, dass sich die benötigte Luftmenge bei unterschiedlichen Drehzahlen einer Maschine ändert. Mit anderen Worten gesagt, falls ein Turbolader ausgelegt ist, um die gesamte Luft, die notwendig ist, wenn die Maschine bei voller Geschwindigkeit und Volllast läuft, handzuhaben und mit Druck zu beaufschlagen, ist die physikalische Größe des Turboladers und seiner Gehäuse und Rotoren groß. Die große und schwere Rotor-Welle-Rotor-Kombination eines großen Turboladers kann nicht schnell beschleunigen, wenn die Maschinendrehzahl niedrig ist und die Abgasströmung gering ist. Solch eine niedrige Abgasströmung der Maschine kann nicht die Welle des großen Turboladers mit einer Geschwindigkeit drehen, die den Luftdruck so hoch wie gewünscht erhöhen kann. Dadurch ist das Ansprechen auf eine Drossel schwach und langsam.
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Um das vorstehend genannte Problem zu lösen, ist vorgeschlagen worden, dass zwei Turbolader in Reihe verbunden werden. Mit anderen Worten gesagt ein kleiner Turbolader, der ausgelegt ist, um kleine Mengen von Gas und Luft handzuhaben und der bei niedrigen Maschinendrehzahlen arbeiten kann, und ein größerer Turbolader, der die Anforderungen erfüllen kann, die eine Maschine für ihre Gasströmungen bei voller Geschwindigkeit festlegt. Diese Art einer Turboladeranordnung wird eine Biturboladeranordnung genannt. Die Anordnung arbeitet derart, dass der Abgaseinlass der Turbine des kleineren Turboladers in Strömungsverbindung mit dem Maschinenauslasskrümmer angebracht ist. Die Abgase, die aus der Turbine des kleineren Turboladers austreten, werden zu dem Abgaseinlass der Turbine des größeren Turboladers geführt, um die Welle und den Kompressor des größeren Turboladers zu betreiben. Frischluft wird zuerst in den Kompressor des größeren Turboladers geführt, von wo sie zu dem Lufteinlass des kleineren Turboladers strömt. Mit anderen Worten gesagt ist die Luftströmung in einem Sinn entgegengesetzt zu der Abgasströmung. Diese Art einer Biturboladeranordnung arbeitet derart, dass, wenn die Maschinendrehzahl relativ niedrig ist, wodurch die Abgasströmung von der Maschine auch niedrig ist, die Abgase noch die Welle eines kleineren Turboladers drehen können, der einen ausreichend hohen Ladedruck für die Einlassluft gewährleistet. Aus diesem Grund wird der kleinere Turbolader auch ein Hochdruckturbolader und der größere ein Niederdruckturbolader genannt. Die Abgase, die zu der Turbine des größeren Turboladers strömen, können dessen Welle langsam drehen, wodurch dessen Kompressor den Luftdruck nicht wenigstens in ausreichender Weise erhöhen kann. Sobald jedoch die Maschinendrehzahl erhöht wird, erhöht sich die Menge des Abgases und selbst der große Turbolader kann den Ladeluftdruck erhöhen. Gleichzeitig verringert sich das Vermögen des kleinen Turboladers, den Ladeluftdruck zu erhöhen, allmählich, so dass der Ladedruck, der durch die komplette Biturboladeranordnung geschaffen wird, im Wesentlichen konstant bleibt, wie es gewünscht ist.
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Die Turbolader und die Einrichtungen, die in Verbindung mit diesem angeordnet sind, wie beispielsweise ein Luftreiniger, Ladeluftkühler, Schmiersysteme, Kühlsysteme etc. erfordern eine beträchtliche Menge an Raum. Eine Position, an der die Turbolader sehr oft eingebaut werden, ist auf der Maschine, wie beispielsweise in
US-A-5,697,217 gezeigt ist. Jedoch hat dieser Einbau einige Nachteile, die eine Suche nach einer besseren Position für die Turbolader und die Einrichtungen anregen. Erst einmal sind insbesondere in großen Maschinen die Turbolader sowie die übrigen Einrichtungen schwer und erfordern deshalb starke Balken und Plattformen, an denen sie über der Maschine abgestützt werden können. Aufgrund der Ventilmechanismen, Kraftstoffeinspritzeinrichtung, etc., die über dem Zylinderkopf/den Zylinderköpfen angeordnet sind, und insbesondere aufgrund des Raums, der für Ihre Wartung freizuhalten ist, können die Turbolader und deren Einrichtungen nicht zu nah an der Maschine angeordnet werden. Zweitens ist manchmal der Raum über der Maschine begrenzt, oder manchmal sind die Turbolader die einzigen Vorrichtungen, die den zusätzlichen Raum über der Maschine erfordern, wodurch, zum Einsparen von Raum, die Turbolader an einer anderen Stelle in der Nähe der Maschine eingebaut werden sollten. Des Weiteren, wenn die Turbolader an dem Ende der Maschine angeordnet werden, werden sie normalerweise an separaten Abstützungen eingebaut, so dass die Kanalführung für sowohl die Luft als auch die Abgase zwischen den Turboladern kompliziert ist und viel Raum erfordert.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Biturboladeranordnung zu gestalten, die kompakter als Anordnungen des Stands der Technik ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Stelle, an der die Turbolader installiert werden können, derart vorzusehen, dass sie nicht einen Raum über der Maschine einnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Wenigstens eine Aufgabe der Erfindung wird durch eine Biturboladeranordnung für eine große Brennkraftmaschine erreicht, wobei die Maschine einen Maschinenblock mit einer Vielzahl von Zylindern, einen oder mehrere Zylinderköpfe, wenigstens einen Auslasskrümmer, wenigstens einen Einlasskrümmer und zwei Turbolader aufweist, die in Reihe angeordnet sind, um durch die Maschinenabgase gedreht zu werden, und die zum Laden von Luft in die Maschinenzylinder dienen, wobei beide Turbolader ein Abgaseinlassgehäuse, ein Abgasauslassgehäuse und ein Kompressorgehäuse haben, wobei die Turbolader an einem Ende der Maschine positioniert sind, die durch eine gemeinsame Halterung gestützt ist bzw. an dieser befestigt ist, wobei das Abgasauslassgehäuse eines ersten Turboladers mittels eines Galgens an dem Abgaseinlassgehäuse eines zweiten Turboladers angebracht ist.
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Wenigstens eine Aufgabe der Erfindung wird durch die große Brennkraftmaschine erreicht, die einen Maschinenblock mit einer Vielzahl von Zylindern, einen oder mehrere Zylinderköpfe, wenigstens einen Auslasskrümmer, wenigstens einen Einlasskrümmer und zwei Turbolader aufweist, die in Reihe angeordnet sind, um durch die Maschinenabgase gedreht zu werden, und die zum Laden von Luft in die Maschinenzylinder dienen, wobei beide Turbolader ein Abgaseinlassgehäuse, ein Abgasauslassgehäuse und ein Kompressorgehäuse haben, wobei die Maschine mit der Biturboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 versehen ist.
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Die vorliegende Erfindung führt, wenn sie wenigstens eine der vorstehend genannten Aufgaben erreicht, auch zu einer Reihe von Vorteilen, von denen einige nachstehend aufgelistet sind:
- – Die Biturboladeranordnung kann derart eingebaut werden, dass keine komplizierten Stützstrukturen über der Maschine notwendig sind.
- – Die Biturboladeranordnung ist derart gestaltet, dass sie in einen begrenzten Raum passt. Beispielsweise erhöht sie nicht wesentlich die Breite einer Reihenmaschine.
- – Sowohl die zwei Turbolader als auch deren Abgas- und Ladeluftkanalführung sowie die Zusatzeinrichtungen, wie ein oder mehrere Ladeluftkühler, sind derart gestaltet, dass die Größe des Gesamtpakets kompakt ist und im Wesentlichen in die Breite einer Reihenmaschine passt.
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Es sollte jedoch zu versehen sein, dass die aufgelisteten Vorteile nur optional sind, wobei es von der Weise abhängt, wie die Erfindung praktisch umgesetzt wird, falls einer oder mehrere der Vorteile erhalten werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In dem Folgenden wird die Turboladeranordnung der vorliegenden Erfindung detaillierter mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erklärt.
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1 ist eine schematische perspektivische Ansicht der Turboladeranordnung der vorliegenden Erfindung, und
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2 ist eine schematische Draufsicht der Turboladeranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 und 2 stellen schematisch die Turboladeranordnung der vorliegenden Erfindung dar. Die Brennkraftmaschine (teilweise geschnitten) ist durch Bezugszeichen 2 gezeigt. Die Maschine hat eine Vielzahl von Zylindern 4 in einem Maschinenblock 6 und einen oder mehrere Zylinderköpfe 8. Der Zylinderkopf/die Zylinderköpfe 8 ist/sind mit Auslasskanälen 10 versehen, die die Abgase zu einem Auslasskrümmer 12 führen. Ein Ende der Maschine 2, entweder das Ende am Schwungrad FW (hier gezeigt) oder das entgegengesetzte Ende, ist mit einer Halterung 14 versehen. Die Halterung 14 kann an einer Endfläche des Zylinderblocks 6 an einer Endfläche des Zylinderkopfs 8 oder an beiden befestigt werden. Die Halterung 14 hat zwei Turbolader 16 und 18 von unterschiedlicher Größe, die an dieser befestigt sind. Die zwei Turbolader 16 und 18 bilden eine Biturboladeranordnung, da sie in Reihe angeordnet worden sind, derart, dass sie miteinander in Strömungsverbindung sind.
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Das Abgaseinlassgehäuse 20 der Turbine des kleineren Turboladers 16, d. h. des Hochdruckturboladers, ist an dem Auslasskrümmer 12 der Maschine zum Empfangen der Abgase befestigt. Das Gasauslassgehäuse 22 der Turbine des kleineren Turboladers 16 ist über einen Balgen 24 an einem Gaseinlassgehäuse 26 des größeren Turboladers 18, d. h. des Niederdruckturboladers, zum Einleiten des Abgases in diesen befestigt. Der Balgen 24 ist zwischen den Turboladern 16 und 18, die an einer gemeinsamen Halterung 14 angebracht sind, zum Absorbieren der wärmeverursachten Ausdehnung der Turbolader angeordnet. Das Gasauslassgehäuse 28 des größeren Turboladers 18 gibt die Abgase zu einem Abgasrohr oder dergleichen (nicht gezeigt) ab.
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Der größere Turbolader 18, d. h. der Niederdruckturbolader, empfängt Luft über eine Luftfilter/Schalldämpfer 30 an seinem Kompressorgehäuse 32, von wo aus die Luft über einen ersten Zwischenladeluftkanal 36, der mit einem ersten optionalen Ladeluftkühler 34 versehen ist, zu dem Lufteinlass des Kompressorgehäuses 38 des Hochdruckturboladers 16 abgeleitet wird. Die Luft, die in dem Kompressorgehäuse 38 mit Druck beaufschlagt wird, wird über einen zweiten Zwischenladeluftkanal 40, der mit einem zweiten optionalen Ladeluftkühler 42 versehen ist, zu dem Einlasskrümmer (nicht gezeigt) der Maschine 2 abgegeben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Halterung 14 ein platten- bzw. gestellartiges festes Bauteil, das das Gewicht der gesamten Biturboladeranordnung tragen kann. In der Ausführungsform, die in den Figuren dargestellt ist, ist die Halterung bei solch einer Höhe an dem Ende der Maschine positioniert worden, dass der Auslasskrümmer 12 die Abgase direkt in den axialen Abgaseinlass des kleineren Turboladers 16 einleiten kann. Die Turbolader 16 und 18 sind derart angeordnet worden, dass der kleinere Turbolader 16 die Abgase radial in den axialen Abgaseinlass des größeren Turboladers 18 abgibt. Mit anderen Worten gesagt ist der leichteste Einbau derart, dass die Achse des kleineren Hochdruckturboladers im Wesentlichen parallel zu der Achse der Kurbelwelle (oder der Längsrichtung) der Maschine verläuft und die Achse des Niederdruckturboladers quer zu der Achse der Kurbelwelle verläuft. Mittels der vorstehend beschriebenen Anordnung können die zwei Turbolader sehr nah zueinander gebracht werden, wodurch sie nur einen kleinen Raum an einem Ende der Maschine einnehmen. Falls beispielsweise der Hochdruckturbolader ein radiales Abgaseinlassgehäuse hätte und die Abgase aufnehmen würde, wie gezeigt ist, d. h. direkt von dem Auslasskrümmer, wodurch die Achse des Hochdruckturboladers quer zu der Maschine wäre, müsste der Ladelufteinlass in Richtung zu der Seite der Maschine angeordnet werden. Dies würde eine Erhöhung der Ladeluftwegstrecke von dem Niederdruckturbolader zu dem Hochdruckturbolader und eine Erhöhung des Raums quer zu der Maschine bedeuten, die die Turboladeranordnung einnehmen würde. Somit wird durch Verwenden von zwei Turboladern, die beide axiale Abgaseinlassgehäuse haben, die Anforderung nach einem kompakten Gesamtaufbau am Besten erfüllt.
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Um des Weiteren die kompakte Konstruktion zu bezwecken, ist es eine Option, die Vorrichtungen, die die Ladeluft handhaben, so anzuordnen, dass sie durch die Halterung 14 derart gestützt sind, dass die Ladeluftkanäle 36 und 40 sowie die optionalen Ladeluftkühler 34 und 42 wenigstens teilweise unter der Halterung 14 angeordnet sind und sich möglichst ein wenig weiter weg von dem Ende der Maschine als die Turbolader 16 und 18 erstrecken.
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Eine Alternative zu dem vorstehend beschriebenen Einbau ist derart, dass die Achsen beider Turbolader quer zu der Längsrichtung der Maschine sind. In solch einem Fall ist die Turbine des kleineren Hochdruckturboladers radial, d. h. sie empfängt die Abgase radial und gibt diese in einer Axialrichtung in das axiale Abgaseinlassgehäuse des größeren Turboladers ab. In diesem Fall sind die Turbinen der zwei Turbolader auch mittels eines Galgens verbunden.
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Die vorstehend beschriebenen Figuren zeigen, dass die neue Biturboladeranordnung im Wesentlichen innerhalb die Breite der Maschine passt, d. h. die Breitenanforderung der Maschine nicht signifikant erhöht. Da dies eine Tatsache in Verbindung mit einer Reihenmaschine ist, ist es klar, dass das Gleiche auch für V-Maschinen gilt, bei denen die Raumanforderungen wenigstens in der Querrichtung der Maschine nicht so schwer zu erfüllen sind. Somit kann die Biturboladeranordnung der vorliegenden Erfindung auch mit V-Maschinen verwendet werden.
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Es ist zu verstehen, dass das Vorstehende nur eine beispielhafte Beschreibung einer neuen und erfinderischen Biturboladeranordnung ist. Die vorstehende Erklärung sollte nicht so zu verstehen sein, dass sie die Erfindung in irgendeiner Weise beschränkt, sondern der gesamte Umfang der Erfindung ist nur durch die angehängten Ansprüche definiert. Von der vorstehenden Beschreibung sollte zu verstehen sein, dass einzelne Merkmale der Erfindung in Verbindung mit anderen einzelnen Merkmalen verwendet werden können, selbst falls solch eine Kombination in der Beschreibung oder in den Zeichnungen nicht speziell gezeigt worden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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