DE3435732A1

DE3435732A1 - Turbo-verbund-kompressoraggregat

Info

Publication number: DE3435732A1
Application number: DE19843435732
Authority: DE
Inventors: Kunio Horiai; Hitoshi Kato; Tomoyuki Mashiko; Toshihiko Oyama Tochigi Nishiyama; Kinichiro Kanuma Tochigi Watanabe; Hiromasa Yamaguchi
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1983-09-29
Filing date: 1984-09-28
Publication date: 1985-04-18
Also published as: US4679992A; JPS6057721U; BE900705A; JPH0130571Y2

Description

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Turbo-Vorbund-KornpreGn.jr.'.ggregat

Beschreibung

·

Die Erfindung bezieht sich, auf ein Kompressoraggregat und richtet sich insbesondere auf eine Anordnung zum Verhindern des Entstehens eines Druckstaus in' einem pneumatischen System eines Turbo-Verbund-Kompressoraggregats, welches einen von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Kreiselkompressor mit positiver Verdrängung aufweist.

Die veröffentliche japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 55-165920 beschreibt ein kompaktes, wohlfeiles und einen hohen Wirkungsgrad aufweisendes Turbo-Verbund-Kompres-

soraggregat, bei welchem die Energie der Abgase einer Brennkraftmaschine zurückgewonnen und genutzt wird. Dieses Aggregat weist eine von einem Turbolader aufgeladene Brennkraftmaschine auf, welche einen Kreiselkompressor mit positiver Verdrängung antreibt. Ein mit dem Kreiselkompres-

sor verbundenes pneumatisches System enthält einen Vorkompressor, welcher mit einer am Auslaß der Expansionsturbine des Turboladers angeschlossenen Energie-Rückgewinnungsturbine verbunden ist. Die vom Vorkompressor geförderte Luft wird dem Kreiselkompressor zugeleitet, um den Druck der von diesem angesaugten Luft zu erhöhen.

Die Grundlagen einer derartigen Turbo-Verbund-Kompressoranlage sind in der GB-PS 1 441 498 beschrieben.

^ow Diese bekannten Turbo-Verbund-Kompressoranlage') weisen den · Nachteil auf, daß es in der pneumatischen Anlage des Kreiselkompressors zu einem Druckstau kommen kann, wenn der Kreiselkompressor mit geringer Belastung gefahren wird oder gänzlich unbelastet arbeitet. Insbesondere bei dem in der

japanischen Gebrauchsmusteranmeldung 55-165920 beschriebenen Aggregat kann es leicht zu einem solchen Druckstau im Vorkompressor kommen, wenn der Kreiselkompressor mit positiver Verdrängung zu wenig oder garnicht belastet ist.

Angesichts des Vorstehenden ist ein Ziel der Erfindung die Schaffung eines Turbo-Verbund-Kompressoraggregats der genannten Art, bei welchem die von einem mit einer am Auslaß der Expansionsturbine des Turboladers für eine Brennkraftmaschine angeschlossenen Energie-Rückgewinnungsturbine verbundenen Vorkompressor geförderte Luft bei einer Verringerung der von einem Kreiselkompressor mit positiver Verdrängung geförderten Luftmenge teilweise oder insgesamt über eine mit·einem Absperrventil versehene Beipassleitung abgeleitet wird, um das Auftreten eines Druckstaus im Vorkompressor zu vermeiden. . .

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zum Verhindern des Auftretens eines Druckstaus in einem Vorkompressor unter Vermeidung von umweltschädigenden Einflüssen wie Erzeugung von übermäßigem Lärm.oder Freisetzung von Ölnebel bei der Ableitung von .Luft aus dem Vorkompressor.

In einer ersten Ausführungsform schafft die Erfindung ein Turbo-Verbund-Kompressoraggregat mit einem mit einer an der Auslaßseite einer Expansionsturbine eines Turboladers für eine Brennkraftmaschine angeschlossenen Energie-Rückgewinnungsturbine verbundenen Vorkompressor und einem von der Brennkraftmaschine antreibbaren Kreiselkompressor mit positiver Verdrängung, welcher über eine Rohrleitung mit der vom Vorkömpressor geförderten Luft gespeist ist, wobei gemäß der Erfindung eine mit einem Absperrventil versehene Beipaßleitung zum Verhindern des Auftretens von Druckstaus vorgesehen ist.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die Beipaßleitung an der Rohrleitung angeschlossen, über welche der Kreiselkompressor mit positiver Verdrängung mit der vom Vorkompressor geförderten Luft gespeist ist.

Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist die Beipaßleitung an einer Abgasleitung angeschlossen, welche

vom Auslaß der Expansionsturbine zum Einlaß der Energie-Rückgewinnungsturbine führt.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines Turbo-Verbund-Kompressoraggregats in einer ersten Äusführungsform der Erfindung,
10

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eineFig. 1 entsprechende Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Antriebsleistung eines von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Kreiselkompressors mit positiver Verdrängung und der Ausgangsleitung der Expansionsturbine eines Turboladers der Brennkraftmaschine,

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Auslaßdruck.'der Expansionsturbine und dem Auslaßdruckeines einen Kreiselkompressor mit positiver Verdrängung mit vorkomprimierter Luft speisenden Vorkompressors,

Fig. 7 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils einer Beipaßleitung eines Turbo-Verbund-Kompressoraggregats gemäß der Erfindung,

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Öffnen eines Drosselventils in einer Druckluft-Speiseleitung zwischen dem Vorkompressor und dem

Kreiselkompressor mit positiver Verdrängung und der Speisung des Kreiselkompres:;ors, und

Fig. 9 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem durch das Drosselventil erzeugten Differentialdruck und dem öffnen des Ventils.

In der schematisierten Darstellung in Fig.· 1 erkennt man eine Brennkraftmaschine 1, einen von der Brennkraftmaschine antreibbaren Kreiselkompressor 2 mit positiver Verdrängung, und einen der Brennkraftmaschine 1 zugeordneten Turbolader 3. Der Turbolader 3 hat ein Verdichterrad 4, welches auslaßseitig mit dem Einlaß der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist, während der Auslaß" der Brennkraftmaschine 1 über eine Abgasleitung mit der Einlaßseite einer Expansionsturbine des Turboladers 3 verbunden ist. Die Auslaßseite 'der Expansionsturbine 5 ist über eine Leitung 6 mit der Einlaßseite einer Energie-Rückgewinnungsturbine 8 verbunden. Diese ist über eine Welle starr mit einem Radialgebläse oder Vorkompressor 9 verbunden» Die Auslaßseite des Vorkompressors ist über eine Luftleitung 10 mit dem Lufteinlaß des Kreiselkompressors 2 verbunden. Die Leitung 10 weist einen Kühler 11 und ein Drosselventil 12 auf. Der Kühler 11 dient dazu, die vom Vorkompressor 9 vorkomprimierte Luft zu kühlen.

Wenn der 'Kreiselkompressor 2 nur eine geringe Menge Luft oder überhaupt keine Druckluft zu liefern braucht, d.h. wenn der Luftdruck in einem an der Auslaßseite des Kompressors angeschlossenen (nicht gezeigten) Druckluftbehälter auf einen vorbestimmten Wert angestiegen ist, wird das Drosselventil 12 teilweise oder ganz geschlossen, um die Speisung des Kreiselkompressors 2 mit der vom Vorkompressor 9 vorkomprimierten Luft teilweise bzw. vollständig zu unterbrechen.

Die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung Q2 der Expansionsturbine 5 und der Antriebsleistung Q1 des Kreiselkompressors 2 mit positiver Verdrängung ist'in Fig. 5 grafisch dargestellt. Bei abnehmender Antriebsleistung Q1 für den

ν · W W W

Kreiselkompressor 2 nimmt auch die Ausgangsleistung Q2 der Expansionsturbine 5 entsprechend ab. Die Abnahme von Q2 erfolgt jedoch langsamer" als die Abnahme von Q1 . Fällt dabei Q1 bis unter ein bestimmtes Niveau Qn ab, so ist dann Q1 <TQ2, wie in Fig. 5 zu erkennen. Damit ist dann der Auslaßdruck P1 der Expansionsturbine 5 niedriger als der Ausgangsdruck P2 desrVorkompressors 9, wie man in Fig. 6 erkennt. Als Ergebnis kann dabei ein Druckstau im Vorkompressor 9 entstehen. ·

.

Um der Entstehung eines solchen Druckstaus im Vorkompressor 9 vorzubeugen, ist in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsfiorm der Erfindung eine Beipaßleitung 13 vorgesehen, welche nahe dem Auslaß des Vorkompressors 9 an der Luftleitung 10 · angeschlossen und mit einem Absperrventil 14 versehen ist.. Ein Auslaß der Beipaßleitung 13 mündet im Bereich des 'Aus- .· lasses der Energie-Rückgewinnungsturbäme 8 aus.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Turbo-Verbund-Kompressoraggregat wird die Expansionsturbine 5 durch die Abgase der Brennkraftmaschine 1 in Drehung versetzt und treibt das Verdichterrad 4 an, um die Brennkraftmaschine 1 aufzuladen. Die aus der Expansionsturbine 5 austretenden Abgase versetzen die Energie-Rückgewinnungsturbine 8 und damit den Vorkorapressor 9 in Drehung. Die durch den Vorkompressor 9 geförderte Luft wird über die Leitung 10 dem Kreiselkompressor 2 zugeführt. Bei Verringerung der Antriebsleistung für den Kreiselkompressor 2 wird das Absperrventil 14 geöffnet, so daß die vom Vorkompressor 9 geförderte Luft über die Beipaßleitung 13 entweichen kann, um damit einem Druckstau im Vorkompressor 9 vorzubeugen.

Fig. 2 zeigt ein Turbo-Verbund-Kompressoraggregat in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausfühgg rungsform weist die Beipaßleitung 13 an der Abströmseite des Absperrventils 14 einen Schalldämpfer 15 und einen mit diesem zusammenwirkenden Ölnebelabscheider auf und mündet abströmseitig desselben ins Freie aus. Dabei kann die Bei-

•1 paßleitung 13 mit einem Diffusor 1? der in Pig. 7 gezeigten Art versehen sein. Der Diffusor 17 verringert die .Geschwindigkeit der ausströmenden Luft auf einen Wert, welcher im wesentlicheni'dem der Geschwindigkeit der von einem (nicht gezeigten) Kühlgebläse der Brennkraftmaschine 1 geförderten Luft entspricht. Das Ableiten der vom Vorkompressor 9 geförderten Luft in die freie Atmosphäre ist die einfachste Weise, einen Druckstau im Vorkompressor 9 zu vermeiden. Die Verwendung des ölnebelabscheiders und des Diffusors dient dabei der Verhütung von umweltschädigenden Einflüssen wie Luftverschmutzung· und Lärm.

Ein Turbb-Verbund-Kompressoragg.regat in einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 3. In dieser Ausführungsform ist die Beipaßleitung 13 auslaßseitig mit der Einlaßseite des Verdichterrades 4 des Turboladers 3, unmittelbar mit der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine 1 -. oder mit einem anderen Abschnitt an der Saugseite der Brennkraftmaschine verbunden.

Die Anordnung nach Fig. 3 kann auch in der Weise abgewandelt werden, daß die Beipaßleitung 13 auslaßseitig mit der Einlaßseite des Vorkompressors 9 oder der Einlaßseite des Schalldämpfers 16 verbunden wird. Ferner ist es auch möglieh, die Beipaßleitung 13 auslaßseitig mit dem Einlaß der Energie-Rückgewinnungsturbine 8 zu verbinden. Alle diese Anordnungen dienen einer wirksamen Vorbeugung gegen umweltbelastende Einflüsse wie Luftverschmutzung und Lärm.

Fig. 4 zeigt ein Turbo-Verbund-Koropressoraggregat in einer vierten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform verbindet eine mit einem Absperrventil 14 versehene Beipaßleitung 13 die vom Auslaß der Expansionsturbine 5 zum Einlaß der Energie-Rückgewinnungsturbine 8 führende Leitung 6 mit der Auslaßneite der Energie-Rückgewinnungsturbine 8. Bei verringerter Antriebsleistung für den Kreiselkompressor 2 öffnet das in der Beibai.Vleitung 13 vorhandene Absperrventil 14, wodurch sich die Förderleistung des

Vor'/ornpr''·. .':<>v:\ 9 erheblich vorr \ngert und damit der Entstehung eines Druckstaus im Vorkompressor vorgebeugt ist. Der Auslaß der Beipaßleitung 13 ist an der Zustromseite des Schalldämpfers 16 mit dern Auslaß der Energie-Rückgewinnungsturbine 8 verbunden.

Nachstehend sei die Betätigung und Wirkungsweise des in der Beipaßleitung 13 vorhandenen Absperrventils 14 im einzelnen erläutert. Die Förderleistung des von der Brennkraft- maschine 1 angetriebenen Kreiselkompressors 2 wird gewöhnlich in der Weise gesteuert, daß der Druck in dem (nicht gezeigten) Druckluftbehälter überwacht und in Abhängigkeit vom jeweils ermittelten Druck das an der Einlaßseite des Kreiselkompressors 2 angeordnete Drosselventil 12 mehr oder wenigecrgeöffnet und/oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine· geregelt wird.· Der Druck im Druckluftbehälter kann-· beispielsweise mittels eines Druckschalters überwacht werden, wobei dann die Betätigung des Absperrventils 14 in Abhängigkeit von einem vom Druckschalter erzeugten Signal erfolgen kann. Falls es sich bei dem Absperrventil 14 um ein Magnetventil handelt, kann seine Betätigung direkt durch das vom Druckschalter erzeugte Signal erfolgen. Bei einem pneumatisch oder hydraulisch betätigbaren Absperrventil erfolgt die Betätigung indirekt über ein zwischengeschaltetes Magnetventil.

Die Ausgangsleistung oder Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 kann in der Weise gesteuert werden, daß ein mit einer Einspritzpumpecund/oder Drosselklappe verbundener Leistungshebijl in Abhängigkeit· von dem im Druckluftbehälter herrschenden Druck verstellt wird. Der Leistungshebel kann dabei über ein Gestänge betätigungsübertragend mit dem "Absperrventil 14 verbunden sein. Anderenfalls kann auch ein durch den Leistungshebel betätigbarer Begrenzungsschalter vorgesehen sein, welcher die Betätigung des Absperrventils 14 direkt oder über ein zwischengeschaltetes Magnetventil steuert. Das Absperrventil 14 wird dann geöffnet, wenn sich der Leistungshebel in eienr Stellung für verringerte Brenn-

Stoffeinspritzung befindet und/oder wenn das Drosselventil 12 bis zu einem vorbestimmten Maße geschlossen ist.

Wenn der Druck im Druckluftbehälter bis auf einen vorbestimmten Wert ansteigt, werden die Ausgangsleistung und die Drehzahl der Brennkraftmaschine, wie bereits erwähnt, verringert. Dabei kann ein auf das Abfallen der Drehzahl ansprechender elektrischer Sensor^oder auch eine entsprechende hydraulische oder mechanische Einrichtung für die. Betätigung .des Absperrventils' 14 vorgesehen sein.

Bei Vorhandensein einer elektronisch gesteuerten Brennstoff-Einspritzpumpe kann der im Druckluftbehälter herrschende Druck durch einen Druckwandler überwacht werden. Ein von diesem erzeugtes Signal fließt.dann der elektronischen Steuerung zu, um die Drehzahl der Brennkraftmaschine zu steuern und die Betätigung des Absperrventils 14 auszulösen.

Dabei wird dann die Drehzahl derrBrennkraftmaschine mit steigendem Druck im Druckluftbehälter verringert, während das Absperrventil 14 geöffnet wird, wenn der Druck im Druckluftbehälter auf einen bestimmten Wert ansteigt.

Die Betätigung des Absperrventils 14 braucht nicht allein in Abhängigkeit von dem im Druckluftbehälter herrschenden

25. Druck zu erfolgen, sie kann vielmehr auch in Abhängigkeit von dem durch das an der Einlaßseite des Kreiselkompressors 2 angeordnete Drosselventil 12 erzeugten Differentialdruck durchgeführt werden. Dieser Diffecentialdruck kann in eine mechanische Bewegung oder in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Erreicht diese Bewegung bzw. dieses Signal . dann eine vorgegebene Größe, so kann dadurch das Öffnen des Absperrventils 14 bewirkt werden.

Ferner kann das Absperrventil auch in Abhängigkeit vom Gasdruck an der Einlaßseite der Energie-Rückgewinnungsturbine und/odervom Luftdruck an der Auslaßseite des Vorkompressors 9 gesteuert werden, wobei es öffnet, wenn der betreffende Druck einen vorgegebenen Wert unter- bzw. überschreitet.

Die Beziehungen zwischen dem Öffnen des Drosselventils und der Leistungsaufnahme des Kreiselkompressors 2 mit positiver Verdrängung bzw. zwischen dem Öffnen des Drosselventils 12 und dem durch dieses erzeugten Differentialdruck sind grafisch in Fig. 8 bzw. Fig. 9 dargestellt.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen .und der Zeichnung hervorgehende Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Claims

Patentansprüche

Turbo-Verbund-Kompressoraggregat mit einem mit einer an der Auslaßseite einer Expansionsturbine eines Turboladers für eine Brennkraftmaschine angeordneten und durch die Abgase der Brennkraftmaschine antreibbaren Energie-Rückgewinnungsturbine verbundenen Vorkompressor und einem von der Brennkraftmaschine antreibbaren Kreiselkompressor mit positiver Verdrängung, welcher über eine mit einem Drosselventil bestückte Luftleitung mit vom Vorkompressor geförderter Luft gespeist ist,, gekennzeichnet durch eine mit einem Absperrventil (14) bestückte Beipaßleitung (13) zur Vorbeugung gegen das Auftreten von Druckstau.

2. Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 1, da':;rch gekennzeichnet, daß die Beipaßleitung (13) an der Luftleitung (10) angeschlossen ist.

3. Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß die.. Beipaßleitung (13) an einer von der Auslaßseite des Expansionsturbine (5) zur Einlaßseite der Energie-Rückgewinnungsturbine (8) führenden Leitung (6) angeschlossen ist.

k. Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß. ein Auslaß der Beipaßleitung (13) mit der Auslaßseite der Energie-Rückg'ewinnungsturbine (8) verbunden ist.

5. Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beipaßleitung (13) mit ihrem Auslaß in der freien Atmosphäre ausmündet und an der Zuströmseite des Auslasses mit einem

Schalldämpfer (15) mit einem Ölnebelabscheider versehen ist.

6. Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslaß der Beipaßleitung (13) mit der Ansaugseite der Brennkraft-

maschine (1) verbunden ist.

7. Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslaß der Beipaßleitung (13) mit der Einlaßseits des Vorkompressors

(9) verbunden ist.

8. Turbo^Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslaß der Beipaßleitung (13) mit der Einlaßseite eines Schalldämpfers (16) verbunden ist.

9- Turbo-Verbund-Korapressoraggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslaß der

Beipaßleitung (13) mit der Einlaßseite der Energie-Rückgewinnungsturbine (8) verbunden ist.'

10. Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet; daß ein Auslaß der Beipaßleitung (13) mit der Auslaßseite der Energie-Rückgewinnungsturbine (8) verbunden ist'.

11. Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auslaß der Beipaßleitung (13) mit dem Einlaß eines Schalldämpfers (16) verbunden ist.

T2. . Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (14) in Abhängigkeit vom Druck in einem vom Kreisel- .· kompressor (2) mit positiver Verdrängung druckgespeisten Druckluftbehälter gesteuert ist.

13- Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (14) in Abhängigkeit von einem durch das Drosselventil (12) erzeugten Differentialdruck gesteuert ist.

14. Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (14) in Abhängigkeit von dem am Auslaß des Vorkompressors (9) herrschenden Luftdruck gesteuert ist.

15. Turbo-Verbund-Kompressoraggregat nach Anspruch 1, dadurch^, gekennzeichnet, daß das Absperrventil (14) in Abhängigkeit von dem am Einlaß der Energie-Rückgewinnungsturbine (8) herrschenden Gasdruck gesteuert ist.