DE102004028224A1 - Verfahren zum Betreiben eines Turboladers sowie Turbolader - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere einen Abgasturbolader, mit einer Turbine, um in einem ersten Luftmassenstrom, insbesondere in einem Abgasstrom, enthaltene Energie in mechanische Energie zum Antrieb eines Verdichters (3) des Turboladers zu wandeln, wobei dem Verdichter (3) des Turboladers ein zweiter Luftmassenstrom (10), insbesondere einen Frischluftmassenstrom, zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist dem Verdichter (3) eine Einrichtung (16) zum Injizieren eines Fluids (15) in den zweiten Luftmassenstrom (10), insbesondere in den Frischluftmassenstrom, vorgeschaltet ist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Turboladers wird vor dem Eintritt des zweiten Luftmassenstroms (10), insbesondere des Frischluftmassenstroms, in den Verdichter (3) des Turboladers in den zweiten Luftmassenstrom ein Fluid (15) injiziert, wobei das injizierte Fluid (15) im Verdichter (3) verdunstet und so eine Kühlung des Verdichters (3) bewirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers, insbesondere eines Abgasturboladers, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung einen Turbolader, insbesondere einen Abgasturbolader, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
  • Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, werden zur Leistungssteigerung bei Brennkraftmaschinen verwendet. So offenbart zum Beispiel die DE 199 28 925 A1 einen Turbolader mit einem Verdichter sowie einer Turbine, die über eine Welle gekoppelt sind, wobei über die Turbine einem Luftmassenstrom Energie entnommen und diese Energie in mechanische Energie gewandelt wird, die dann zum Antreiben des Verdichters des Turboladers verwendet wird. Nach dem Stand der Technik umfasst der Verdichter ein Verdichterrad sowie die Turbine ein Turbinenrad.
  • Moderne Turbolader verdichten innerhalb des Verdichters einen Luftmassenstrom auf derart hohe Drücke, dass am Austritt des Verdichters, insbesondere am Austritt des Verdichterrads, Temperaturen von mehreren hundert Grad Kelvin erreicht werden. Das Verdichterrad des Verdichters ist vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung gebildet, wobei bei Temperaturen von mehreren hundert Grad Kelvin am Verdichterrad das Problem auftritt, dass die Aluminiumlegierung des Verdichterrads speziell am Außendurchmesser einen dauerhaften Festigkeitsverlust erleidet (thermische Alterung). Dies kann zu einem Versagen des Verdichterrads und damit zu einer verkürzten Lebensdauer desselben führen. Es ist demnach wünschenswert, die Temperaturen im Bereich des Verdichterradaustritts zu beschränken.
    •
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, einen neuartigen Turbolader, insbesondere einen neuartigen Abgasturbolader, und ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers, insbesondere eines Abgasturboladers, zu schaffen.
  • Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird vor dem Eintritt des Verdichtermassenstroms (im folgenden auch als zweiter Luftmassenstrom bezeichnet), insbesondere des Frischluftmassenstroms, in den Verdichter des Turboladers in den zweiten Luftmassenstrom ein Fluid injiziert, wobei das injizierte Fluid im Verdichter verdunstet und so eine Kühlung insbesondere eines Verdichterrads des Verdichters bewirkt. Desweiteren wirkt sich diese Maßnahme auch auf den Nachleitapparat aus, wo Ölablagerungen vermieden werden. Außerdem ist eine günstige Beeinflussung hinsichtlich einer NOx-Bildung festzustellen.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, in den durch den Verdichter des Turboladers zu verdichtenden, zweiten Luftmassenstrom vor dem Eintritt desselben in den Verdichter ein Fluid zu injizieren, wobei das Fluid innerhalb des Verdichters verdunstet und vorzugsweise vor Erreichen des Austritts des Verdichters bzw. des Verdichterrads vollständig (aber auch teilweise würde helfen) verdunstet ist. Hierdurch kann eine Kühlung des Verdichters bzw. des Verdichterrads bewirkt werden. Durch Überschreitung der zulässigen Temperatur des Verdichterrads bewirkte Festigkeitsminderungen desselben können so auf einfache und sichere Art und Weise vermieden werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Fluid derart in den zweiten Luftmassenstrom injiziert wird, dass der Anteil des Fluids am Gesamtmassenstrom aus zweitem Luftmassenstrom und Fluid vorzugsweise bei in etwa 1 % liegt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Fluid vor dem Injizieren desselben in den zweiten Luftmassenstrom verdichtet und derart erhitzt, dass das Fluid beim Injizieren eine Temperatur aufweist, die unter den Umgebungsbedingungen des Injizierens 20K bis 100K oberhalb der Siedetemperatur des Fluids liegt.
  • Der erfindungsgemäße Turbolader ist im unabhängigen Patentanspruch 9 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    •
  • 1: eine Prinzipskizze eines Turboladers nach dem Stand der Technik; und
  • 2: eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Turboladers.
  • Bevor nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 auf die hier vorliegende Erfindung im Detail eingegangen wird, soll vorab am Beispiel eines Abgasturboladers die aus dem Stand der Technik bekannte Funktionsweise eines Abgasturboladers beschrieben werden.
  • 1 zeigt stark schematisiert einen Abgasturbolader 1 in Verbindung mit einem Zylinder 2 einer Brennkraftmaschine, wobei der Abgasturbolader 1 einen Verdichter 3 mit einem Verdichterrad 4 und eine Turbine 5 mit einem Turbinenrad 6 umfasst.
  • Über ein dem Zylinder 2 der Brennkraftmaschine zugeordnetes Auslassventil 7 wird im Sinne des Pfeils 8 ein erster Luftmassenstrom, nämlich ein Abgasstrom, dem Turbinenrad 6 der Turbine 5 zugeführt, wobei Energie des ersten Luftmassenstroms durch das Turbinenrad 6 in mechanische Energie gewandelt und zum Antreiben des Verdichterrads 4 des Verdichters 3 des Turboladers 1 verwendet wird. Der im Bereich der Turbine 5 entspannte erste Luftmassenstrom, also der Abgasstrom, wird im Sinne des Pfeils 9 aus dem Turbolader 1 herausbewegt.
  • Wie 1 weiterhin entnommen werden kann, wird vom Verdichter 3 des Turboladers 1 im Sinne des Pfeils 10 ein zweiter Luftmassenstrom, nämlich ein Frischluftmassenstrom, angesaugt und verdichtet, wobei der verdichtete, zweite Luftmassenstrom im Sinne des Pfeils 11 über ein Einlassventil 12 der Brennkraftmaschine, nämlich dem Zylinder 2 derselben, zuführbar ist. Wie 1 entnommen werden kann, kann ein solcher Abgasturbolader weiterhin einen Ladeluftkühler 13 sowie eine Ladedruckregeleinrichtung 14 umfassen.
  • Das Verdichterrad 4 des Verdichters 3 der in 1 dargestellten Abgasturbine 1 ist vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung gebildet, wobei bei der Verdichtung des zweiten Luftmassenstroms innerhalb des Verdichters 3 der Abgasturbine 1 am Austritt des Verdichterrads 4 Temperaturen von mehreren hundert Grad Kelvin auftreten können. Hierdurch kann die zulässige Bauteiltemperatur des Verdichterrads 4 überschritten werden, was zu einem Festigkeitsverlust desselben führen kann.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung (siehe 2) wird vorgeschlagen, vor dem Eintritt des zweiten Luftmassenstroms 10 in den Verdichter 3 des Turboladers in den zweiten Luftmassenstrom 10 ein Fluid 15 zu injizieren. Das Fluid 15 wird über eine entsprechende Einrichtung 16, die dem Verdichter 3 vorgeschaltet ist, in den zweiten Luftmassenstrom 10 injiziert. Das in den zweiten Luftmassenstrom 10 injizierte Fluid 15 wird im Verdichter 3 verdunstet und bewirkt so eine Kühlung des Verdichters, nämlich des Verdichterrads desselben.
  • Das in den zweiten Luftmassenstrom 10 injizierte Fluid 15 wird im Verdichter insbesondere vollständig verdunstet. Am Austritt des Verdichterrads 4 hat demnach eine vollständige Verdunstung des injizierten Fluids stattgefunden. Um dies zu ermöglichen, wird beim Injizieren des Fluids 15 über die Einrichtung 16 in den zweiten Luftmassenstrom 10 das Fluid 15 möglichst fein zerstäubt. Dies lässt sich vorzugsweise dadurch erzielen, dass das zu injizierende Fluid 15 vor dem Injizieren zuerst über eine Pumpe 17 verdichtet und anschließend über einen Wärmetauscher 18 auf eine definierte Temperatur erhitzt wird. Das Fluid 15 wird dabei vor dem Injizieren desselben in den zweiten Luftmassenstrom 10 derart vom Wärmetauscher 18 erhitzt, dass das Fluid 15 beim Injizieren, also im Bereich der Einrichtung 16, eine Temperatur aufweist, die unter den Umgebungsbedingungen des Injizierens 20K bis 100K oberhalb der Siedetemperatur des Fluids 15 liegt. Beim Injizieren des Fluids 15 mit einer solchen Temperatur in den zweiten Luftmassenstrom 10 erfolgt ein Zerplatzen von Fluidtropfen im Sinne eines sogenannten Flash-Effekts.
  • Vorzugsweise wird das Fluid derart in den zweiten Luftmassenstrom 10 injiziert, dass der Anteil des Fluids 15 am Gesamtmassenstrom aus dem Fluid 15 und dem zweiten Luftmassenstrom 10 zwischen 0,1% und 5%, vorzugsweise zwischen 0,5% und 2%, besonders bevorzugt bei in etwa 1 %, liegt. Als Fluid wird vorzugsweise Wasser in den zweiten Luftmassenstrom injiziert.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach vorgeschlagen, dem zweiten, von einen Verdichters eines Turboladers zu verdichtenden Luftmassenstrom vor Zuführung desselben in den Verdichter ein Fluid zu injizieren, wobei das Fluid innerhalb des Verdichters vor Erreichen des Austritts des Verdichterrads vollständig verdunstet. Bei der Verdunstung stellt sich eine Kühlung bzw. Temperaturerniedrigung des Verdichterrads ein. Hierdurch kann das Überschreiten der zulässigen Bauteiltemperatur des Verdichterrads vermieden und ein temperaturbedingter Festigkeitsverlust desselben verhindert werden.
    • 1
    Abgasturbolader
    2
    Zylinder
    3
    Verdichter
    4
    Verdichterrad
    5
    Turbine
    6
    Turbinenrad
    7
    Auslassventil
    8
    Pfeil
    9
    Pfeil
    10
    Pfeil
    11
    Pfeil
    12
    Einlassventil
    13
    Ladeluftkühler
    14
    Ladedruckregeleinrichtung
    15
    Fluid
    16
    Einrichtung
    17
    Pumpe
    18
    Wärmetauscher

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Turboladers, insbesondere eines Abgasturboladers, wobei die in einem ersten Luftmassenstrom, insbesondere in einem Abgasstrom, enthaltene Energie in einer Turbine des Turboladers in mechanische Energie zum Antrieb eines Verdichters der Turboladers gewandelt wird, und wobei der Verdichter der Turboladers einen zweiten Luftmassenstrom, insbesondere einen Frischluftmassenstrom, ansaugt und verdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eintritt des zweiten Luftmassenstroms, insbesondere des Frischluftmassenstroms, in den Verdichter des Turboladers in den zweiten Luftmassenstrom ein Fluid injiziert wird, wobei das injizierte Fluid im Verdichter verdunstet und so eine Kühlung des Verdichters bewirkt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid beim Injizieren desselben in den zweiten Luftmassenstrom zerstäubt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid vor dem Injizieren desselben in den zweiten Luftmassenstrom verdichtet und erhitzt wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid vor dem Injizieren desselben in den zweiten Luftmassenstrom derart erhitzt wird, dass das Fluid beim Injizieren eine Temperatur aufweist, die 20K bis 100K oberhalb der Siedetemperatur des Fluids liegt.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das injizierte Fluid im Verdichter vollständig verdunstet.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid Wasser in den zweiten Luftmassenstrom injiziert wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid derart in den zweiten Luftmassenstrom injiziert wird, dass der Anteil des Fluids am Gesamtmassenstrom aus zweitem Luftmassenstrom und Fluid zwischen 0,1% und 5% liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Fluids am Gesamtmassenstrom aus zweitem Luftmassenstrom und Fluid zwischen 0,5% und 2%, insbesondere bei in etwa 1 %, liegt.
  9. Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, mit einer Turbine, um in einem ersten Luftmassenstrom, insbesondere in einem Abgasstrom, enthaltene Energie in mechanische Energie zum Antrieb eines Verdichters der Turboladers zu wandeln, wobei dem Verdichter der Turboladers ein zweiter Luftmassenstrom, insbesondere einen Frischluftmassenstrom, zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter eine Einrichtung zum Injizieren eines Fluids in den zweiten Luftmassenstrom, insbesondere in den Frischluftmassenstrom, vorgeschaltet ist.
  10. Turbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung zum Injizieren des Fluids in den zweiten Luftmassenstrom einerseits ein Wärmetauscher und andererseits ein Verdichter vorgeschaltet ist.
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