EP1061265A1 - Aufladegruppe für einen Grossdieselmotor - Google Patents

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EP1061265A1
EP1061265A1 EP00810411A EP00810411A EP1061265A1 EP 1061265 A1 EP1061265 A1 EP 1061265A1 EP 00810411 A EP00810411 A EP 00810411A EP 00810411 A EP00810411 A EP 00810411A EP 1061265 A1 EP1061265 A1 EP 1061265A1
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EP
European Patent Office
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compressor
diffuser
air
outlet
impeller
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EP00810411A
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English (en)
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EP1061265B1 (de
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Henri Ruch
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Wartsila NSD Schweiz AG
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Wartsila NSD Schweiz AG
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Publication date
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Publication of EP1061265A1 publication Critical patent/EP1061265A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F2007/0097—Casings, e.g. crankcases or frames for large diesel engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/52—Outlet

Definitions

  • the invention relates to a supercharger for a large diesel engine according to the preamble of the independent claim.
  • purge or charge air which the cylinders for purging and for the combustion process is fed to compress.
  • a charging group usually comprises a compressor in which fresh air is sucked in by means of an impeller, compressed and by a Exit spiral is ejected, as well as a turbine, which the impeller of the compressor drives and an intercooler.
  • the turbine is powered by the hot exhaust gases that occur in the cylinders during combustion, driven.
  • the turbine and the compressor are also called turbochargers designated. Downstream of the turbocharger is an intercooler, in which the compressed air is cooled. After going through the The charge air cooler mostly gets its air through an inlet receiver designated container to the individual cylinders. Depending on the type of Large diesel engines feed the air into the cylinders different places.
  • the diffuser is, for example, as a self expanding tube in which the flow cross-section for the Air is constantly expanding.
  • the charging group should make the best possible use of space guarantee.
  • the charging group solving this task is characterized by the characteristics of the characterized independent claim.
  • a supercharger for a large diesel engine proposed using a compressor for compressing air that acts as purge air Cylinders of the large diesel engine is supplied, which compressor one Outlet for the compressed air and one arranged on an axis Has impeller for compressing the air, with a turbine for driving of the impeller of the compressor, the turbine with exhaust gases from the Is driven by cylinders, and with a diffuser to reduce the Flow rate of the compressed air, which with the outlet of the compressor is connected.
  • the compressor outlet is on one Height level arranged, which with respect to the normal use is on or above the axis of the compressor.
  • turbocharger The unit consisting of compressor and turbine is called a turbocharger.
  • compressor and turbine are in one Housing housed. Therefore in the following the "foot level of the Compressor "as synonymous with the" base level of the turbocharger " understand.
  • the diffuser is preferably tubular in the direction of flow of the air designed to extend and extends essentially to the foot level of the compressor or turbocharger.
  • the compressor or turbocharger is on mounted on a platform so that its base level rests on the platform.
  • the fact that the diffuser is the base of the compressor or Turbocharger does not fall below an intercooler, in which the from Air coming into the diffuser flows in, just below the platform to be ordered. This reduces the overall height of the Charging group, which is particularly with a view to being as compact as possible Design of the large diesel engine is advantageous.
  • the diffuser is particularly efficient when it turns essentially flared at least over part of its length, where the half opening angle of the extension is less than 12 °, is in particular 4 ° to 8 °.
  • the diffuser with respect to the flow direction the air is at least partially curved.
  • the diffuser can for example at its with the outlet of the compressor connected end so that it is a continuation of the Exit spiral of the compressor forms.
  • the diffuser one at its end connected to the discharge of the compressor Has entry surface that is at most half, in particular at most one Third of the exit surface at the other end of the diffuser is.
  • the high flow rate of air e.g. B. at the outlet of the compressor can be up to 100 m / s, in the diffuser to significantly lower values, for example 30 m / s to 40 m / s at the exit of the diffuser. This can create significant pressure regain what, especially from a thermodynamic point of view the efficiency of charging is advantageous.
  • the diffuser is designed in one piece.
  • the diffuser comprises at least two arranged one behind the other with respect to the direction of flow of the air Parts, a compensator being provided between the two parts.
  • the compensator can cause thermal changes the expansion of the diffuser and volute casing can be compensated.
  • the diffuser has a fastening device for Fixing the diffuser and for removing those acting on the diffuser Has forces, the fastening device substantially on the is arranged at the same height level as the axis of the impeller of the Compressor. Because the diffuser is not yet at this level maximum flow cross-section has also been reached by the pressure forces in the air are not so great.
  • the charging group according to the invention is particularly suitable for such Large diesel engines, which are particularly compact and space-saving Design is sought.
  • Fig. 1 shows essential in a partially highly schematic representation Parts of an embodiment of a large diesel engine, which as longitudinally flushed two-stroke engine is formed and overall with the Reference numeral 10 is designated. With the reference numeral 11 is one of the Usually designated several cylinders of the large diesel engine 10.
  • a piston 14 is arranged in the cylinder 11 so as to be movable up and down.
  • the Piston is by means of a piston rod 15 with a not shown Cross head connected, which on the other hand via a push rod with the Crankshaft of the large diesel engine 10 is connected.
  • a plurality of purge air slots 16 are provided, which depending on Position of the piston 14 are covered or released by this.
  • the purge air slots 16 can the fresh air referred to as purge or charge air flow into the cylinder 11, as indicated by the arrow S.
  • One or more injection nozzles 12 are located in the upper region of the cylinder 11 for introducing fuel into the combustion chamber of the cylinder 11 provided, and a centrally arranged outlet valve 13 through which the gases generated during combustion flow out as exhaust gas.
  • the Exhaust gas flows through an exhaust pipe 8, which is connected to the exhaust valve 13 connects into an exhaust gas receiver 6.
  • the Exhaust gas receiver 6 also connected to the other cylinders.
  • the charging group 1 includes one Compressor 2 for compressing air, a turbine 3 for driving the Compressor 2, a diffuser 4 connected downstream of the compressor 2 for Reduce the flow velocity of the compressed air, as well as one Charge air cooler 5, in which the compressed air is cooled.
  • the Compressor 2 and the turbine 3 are in a common housing arranged and form a turbocharger.
  • the air flows through a pressure line 17 to an inlet receiver 18, from which the purge air to the Purge air slots 16 of the cylinder 11 arrives. If the piston 14 the Purge air slots 16 then releases the purge air into the cylinder 11 flow in as indicated by arrow S in Fig. 1.
  • the compressor 2 (see FIG. 2) comprises an impeller 21 which is on an axis A is arranged and with several each extending away from the axis A. Buckets or wings 211 is provided. The direction of rotation of the impeller 21 is indicated by the arrow D in FIG. 2. Around the impeller 21 an exit spiral 22 is provided. Regarding the radial direction between the impeller 21 and the outlet spiral 22 in a known manner Several stationary guide vanes 25 are provided.
  • the Outlet spiral 22 surrounds the radially outer ends of the guide vanes 25 and delimits a spiral space 22a which extends in the direction of rotation D of the Impeller 21 seen radially expanded, so that the distance d between the radially outer ends of the guide vanes 25 and the wall of the Exit spiral 22 increases seen in the direction of rotation D.
  • the admission of the Compressor 2 is arranged so that the fresh air drawn in in the direction the axis A flows to the impeller 21, as indicated by the arrow F in FIG. 2.
  • the impeller 21 conveys the fresh air into the spiral space 22a, of which the compressed air reaches the outlet 23 of the compressor 2.
  • the outlet 23 means the end of the outlet spiral 22, the means the cross-sectional area of the exit spiral 22 that lies where the spiral space 22a is just making its first turn through 360 ° around the axis A. (ie a complete course of the spiral).
  • the spiral space 22a begins at that with B. designated place and expands - seen in the direction of rotation D - with respect to the radial direction.
  • the outer wall of the exit spiral 22 thus describes a spiral in this representation.
  • the outlet 23 of the compressor 2 According to the illustration in FIG. 2, the cross section of the outlet 23 is radial extension of the connecting line from axis A to Point B.
  • the outlet 23 of the compressor 2 is on one Height level arranged which with respect to that shown in Fig. 2 normal position of use lies above the axis A of the compressor 2.
  • the compressor 2 or the housing of the turbocharger 2, 3 also has one Foot 24, which is mounted on a platform 19 which is on the motor housing is fixed.
  • the lower boundary surface of the foot 24 with which the foot 24 contacts the platform 19, is used as the base level 24a of the compressor 2 designated.
  • the impeller 21 of the compressor is in a known manner from the Turbine 3 (see Fig. 1) driven.
  • the turbine 3 is preferably on the same axis A is mounted on which the impeller 21 is also arranged.
  • the exhaust gas flows out of the exhaust gas receiver 6 through an exhaust gas line 7 the turbine 3 and drives it. After flowing through the turbine 3, the Exhaust gas discharged through a further exhaust pipe, not shown, like this the arrow G in Fig. 1 indicates.
  • the rotating turbine 3 drives the impeller 21 of the axis A.
  • Compressor 2 This draws in fresh air through the inlet shown in FIG. 1 lies behind the drawing plane and is therefore not visible.
  • the fresh air flows from the direction of the axis A on the impeller 21 and is by the latter Wings 211 promoted in the spiral space 22a. Then the flows compressed air out of the compressor 2 through the outlet 23.
  • the outlet 23 of the compressor 2 is connected to the diffuser 4.
  • the Diffuser 4 is tubular, widening in the direction of air flow designed.
  • the diffuser 4 has an entry surface 41 at one end and at its other end an exit surface 42 for the compressed Air.
  • the diffuser is 4th designed in one piece.
  • the diffuser 4 is such curved that he is a continuation of the exit spiral 22 of the Compressor 2 forms.
  • the diffuser 4 adjoins the outlet directly 23 of the compressor 2 and is in the direction of flow increasing cross section. That connected to the outlet 23
  • the end of the diffuser 4 forms the entry surface 41 of the diffuser 4, which is the same is the cross-sectional area of the outlet 23 of the compressor 2.
  • the diffuser 4 can, together with the outlet spiral 22, as a structural unit be designed so that it is an integral part of the compressor 2. It it is also possible to manufacture the diffuser 4 as a separate component and then to be connected to the outlet spiral 22, for example by means of a Flange connection or a welded connection.
  • the charge air cooler comprises 5, which is arranged directly under the platform 19, an air transfer duct 51, which is connected to the lower end of the diffuser 4, so that the air flowing through the outlet surface 42 of the diffuser 4 through the latter Air passage 51 can flow into the charge air cooler 5.
  • a compensator 43 provided for thermal expansion of the diffuser and the Compensate the spiral casing of the outlet spiral 22.
  • the compensator 43 is designed, for example, as a bellows and via flange connections 43a connected to the diffuser 4.
  • the compensator 43 is connected then the air inlet duct 51 of the charge air cooler 5.
  • Fastening means (not shown) on the diffuser 4 are also preferred provided the forces and torques on the motor housing to derive.
  • the entire diffuser 4 is preferably designed such that its Exit surface 42 at least twice as large and preferably at least is three times the size of its entrance area 41.
  • the flow velocity of the compressed can be measured Air, for example, up to 100 m / s through the entrance surface 41 of the Diffuser 4 flows, reduce to typically 40 m / s to 30 m / s, which air pressure is obtained to a considerable extent.
  • FIG. 3 shows in a representation analogous to Fig. 2, the compressor 2 and Diffuser 4 of a further embodiment of the invention Charger group 1.
  • the following is mainly the differences received, otherwise the explanations apply to that in FIG. 2 shown embodiment in an analogous manner also for the 3 shown in FIG. In particular, they have The same reference numerals in FIG. 3 as in FIG. 2.
  • the diffuser 4 comprises two parts 4a, 4b, which are each designed as pipe sections and with respect the flow direction of the air are arranged one behind the other.
  • the top, curved part 4a immediately adjoins the outlet 23 of the compressor 2 and is preferably with one in the flow direction increasing cross section. That connected to the outlet 23
  • the end of the upper part 4a forms the entry surface 41 of the diffuser 4 is equal to the cross-sectional area of the outlet 23 of the compressor 2.
  • the upper part 4a is curved in the same direction as the exit spiral 22 and extends approximately to the level at which the axis A of the impeller 21 lies so that the exit surface of the upper part 4a in is essentially parallel to the platform 19.
  • the upper part 4a can be designed together with the outlet spiral 22 as a structural unit, so that the upper part 4a is an integral part of the compressor 2. It is but also possible to produce the upper part 4a as a separate component and then to be connected to the outlet spiral 22, for example by means of a Flange connection or a welded connection.
  • the compensator 43 is between the top Part 4a and the lower part 4b provided.
  • the compensator is for example via flange connections 43a to the upper and the lower part 4a, 4b of the diffuser connected.
  • 3 are preferred Fasteners provided on the diffuser 4 to the forces and Derive torques on the motor housing. Because the diffuser 4 on Height of the axis A has not yet reached its maximum cross section here in particular the forces caused by the static pressure not so great. Therefore, it is in terms of mechanical stress Fasteners advantageous, this essentially at the height level to provide the axis A of the impeller 21.
  • the lower part 4b of the diffuser extends from the compensator 43 to the Platform 19 on which the turbocharger 2, 3 is mounted. Preferably the lower end of the lower part 4b by fastening means 44 on the Platform 19 attached.
  • the exit surface 42 of the diffuser 4 is therefore on the same height as the base level 24a of the compressor 2 or Turbocharger 2.3.
  • the lower part 4b is funnel-shaped, that is it broadens conically from the compensator 43 to Exit surface 42.
  • the cross-sectional area of the lower part 4b can angular, e.g. B. square, or round, z. B. circular. in the With regard to the best possible efficiency of the diffuser 4, it is advantageous for the Design the extension so that half the opening angle a is less than 12 ° and in particular 4 ° to 8 °.
  • the diffuser 4 widens from the outlet 23 of the compressor 2 to Level 24a of the compressor 2, where the diffuser 4 ends.
  • the Expansion such that the size of the entry surface 41 of the diffuser 4 again at most half, preferably at most a third of Size of the exit surface 42 of the diffuser 4 is.
  • the outlet 23 of the compressor at height or above the axis A of the impeller 21 is between the outlet 23 and the Foot level 24a of the compressor 2 or the platform 19 has sufficient space around there a diffuser 4 with the geometries described above regarding the opening angle a and the ratio of input and Place exit surface 41.42.
  • the diffuser 4 thus ends at the height the base level 24a of the compressor 2 or the turbocharger 2, 3 without the effective diffuser length must be reduced. Since the diffuser 4 not down over the base level 24a of the compressor 2 or the Platform 19 protrudes, the charge air cooler 5 directly, that is without Distance, are arranged below the platform 19, whereby the total height of charging group 1 reduced.
  • the charging group 1 according to the invention also for other large diesel engines than the longitudinally purged described here Two-stroke engine is suitable.
  • the inventive Charging group 1 in an analogous manner also part of a Four-stroke large diesel engine, in which the charge air via one or more inlet valves arranged in the cylinder cover are introduced into the cylinder becomes.

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Abstract

Es wird eine Aufladegruppe für einen Grossdieselmotor vorgeschlagen, mit einem Verdichter (2) zum Verdichten von Luft, die als Spülluft Zylindern (11) des Grossdieselmotors (10) zugeführt wird, welcher Verdichter (2) einen Auslass (23) für die verdichtete Luft sowie ein auf einer Achse (A) angeordnetes Laufrad (21) zum Verdichten der Luft aufweist, mit einer Turbine (3) zum Antreiben des Laufrads (21) des Verdichters (2), wobei die Turbine (3) mit Abgasen aus den Zylindern (11) antreibbar ist, und mit einem Diffusor (4) zum Reduzieren der Strömungsgeschwindigkeit der verdichteten Luft, welcher mit dem Auslass (23) des Verdichters (2) verbunden ist, wobei der Auslass (23) des Verdichters (2) auf einem Höhenniveau angeordnet ist, welches bezüglich der normalen Gebrauchslage auf oder oberhalb der Achse (A) des Verdichters (2) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladegruppe für einen Grossdieselmotor gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
In Grossdieselmotoren, die beispielsweise als Hauptantriebsaggregate für Schiffe oder als Stationäranlagen zur Stromgewinnung eingesetzt werden, dienen Aufladegruppen dazu, die als Spül- oder Ladeluft bezeichnete Luft, welche den Zylindern zur Spülung und für den Verbrennungsprozess zugeführt wird, zu verdichten.
Eine Aufladegruppe umfasst üblicherweise einen Verdichter, in welchem mittels eines Laufrads Frischluft angesaugt, verdichtet und durch eine Austrittsspirale ausgestossen wird, sowie eine Turbine, welche das Laufrad des Verdichters antreibt und einen Ladeluftkühler. Die Turbine wird mittels der heissen Abgase, die bei der Verbrennung in den Zylindern entstehen, angetrieben. Die Turbine und der Verdichter werden auch als Turbolader bezeichnet. Dem Turbolader nachgeschaltet ist ein Ladeluftkühler, in welchem die komprimierte Luft abgekühlt wird. Nach Durchlaufen des Ladeluftkühlers gelangt die Luft meistens über einen als Einlassreceiver bezeichneten Behälter zu den einzelnen Zylindern. Je nach Typ des Grossdieselmotors erfolgt die Einspeisung der Luft in die Zylinder an unterschiedlichen Orten. So wird beispielsweise bei längsgespülten Zweitakt-Motoren die Luft über Spülluftschlitze, die im unteren Bereich des Zylinders angeordnet sind, in den Zylinder eingebracht. Bei Viertakt-Motoren wird z. B. die Ladeluft über ein oder mehrere Einlassventile, die im Zylinderdeckel angeordnet sind, in den Zylinder eingebracht.
Um den Wirkungsgrad der Aufladung zu verbessern, ist meistens zwischen dem Auslass des Verdichters und dem Ladeluftkühler ein Diffusor vorgesehen, in welchem die Strömungsgeschwindigkeit der aus dem Verdichter austretenden Luft reduziert wird, wodurch sich Druck zurückgewinnen lässt. Der Diffusor ist beispielsweise als ein sich erweiterndes Rohr ausgebildet, in dem sich der Strömungsquerschnitt für die Luft stetig erweitert.
Nachteilig an bekannten Aufladegruppen mit Verdichter, Diffusor und Ladeluftkühler ist jedoch, dass ein bestimmter Abstand zwischen dem Verdichter und dem Ladeluftkühler eingehalten werden muss, um dort einen wirkungsvollen Diffusor anzuordnen. Dies bedingt grosse Abmessungen der Aufladegruppe, was dem Bestreben entgegensteht, Grossdieselmotoren möglichst platzsparend und mit optimaler Raumausnutzung auszugestalten.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine besonders kompakte und platzsparende Aufladegruppe für einen Grossdieselmotor bereitzustellen, ohne dass dafür Zugeständnisse an die Effizienz des Diffusors vonnöten sind. Die Aufladegruppe soll eine möglichst gute Raumausnutzung gewährleisten.
Die diese Aufgabe lösende Aufladegruppe ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gekennzeichnet.
Erfindungsgemäss wird also eine Aufladegruppe für einen Grossdieselmotor vorgeschlagen, mit einem Verdichter zum Verdichten von Luft, die als Spülluft Zylindern des Grossdieselmotors zugeführt wird, welcher Verdichter einen Auslass für die verdichtete Luft sowie ein auf einer Achse angeordnetes Laufrad zum Verdichten der Luft aufweist, mit einer Turbine zum Antreiben des Laufrads des Verdichters, wobei die Turbine mit Abgasen aus den Zylindern antreibbar ist, und mit einem Diffusor zum Reduzieren der Strömungsgeschwindigkeit der verdichteten Luft, welcher mit dem Auslass des Verdichters verbunden ist. Der Auslass des Verdichters ist auf einem Höhenniveau angeordnet, welches bezüglich der normalen Gebrauchslage auf oder oberhalb der Achse des Verdichters liegt.
Durch diese Massnahme kann der Diffusor seitlich am Verdichter angeordnet werden, wodurch die Distanz zwischen dem Verdichter und den nachgeschalteten Baugruppen, beispielsweise einem Ladeluftkühler, deutlich reduziert werden kann, ohne dass die in Strömungsrichtung gesehene Länge des Diffusors, die wesentlich für seine Wirksamkeit ist, verkleinert werden muss. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausgestaltung der Aufladegruppe, und der zur Verfügung stehende Raum wird optimal ausgenutzt.
Die Einheit aus Verdichter und Turbine wird als Turbolader bezeichnet. Üblicherweise sind der Verdichter und die Turbine in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Daher ist im Folgenden die "Fussebene des Verdichters" als gleichbedeutend mit der "Fussebene des Turboladers" zu verstehen.
Vorzugsweise ist der Diffusor rohrförmig, sich in Strömungsrichtung der Luft erweiternd ausgestaltet und erstreckt sich im wesentlichen bis zur Fussebene des Verdichters bzw. Turboladers. Der Verdichter bzw. der Turbolader ist auf einer Plattform montiert, sodass seine Fussebene auf der Plattform aufliegt. Dadurch, dass der Diffusor die Fussebene des Verdichters bzw. des Turboladers nicht unterschreitet, kann ein Ladeluftkühler, in welchen die aus dem Diffusor kommende Luft einströmt, unmittelbar unterhalb der Plattform angeordnet werden. Hierdurch reduziert sich die gesamte Bauhöhe der Aufladegruppe, was insbesondere im Hinblick auf eine möglichst kompakte Ausgestaltung des Grossdieselmotors vorteilhaft ist.
Es hat sich erwiesen, dass der Diffusor besonders effizient ist, wenn er sich zumindest über einen Teil seiner Länge im wesentlichen konisch erweitert, wobei der halbe Öffnungswinkel der Erweiterung weniger als 12°, insbesondere 4° bis 8° beträgt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Diffusor bezüglich der Strömungsrichtung der Luft zumindest teilweise gekrümmt ausgestaltet ist. Somit kann der Diffusor möglichst nahe seitlich am Verdichter angeordnet werden, wodurch der zur Verfügung stehende Raum sehr gut ausgenutzt wird. Der Diffusor kann beispielsweise an seinem mit dem Auslass des Verdichters verbundenen Ende so ausgestaltet werden, dass er eine Fortsetzung der Austrittsspirale des Verdichters bildet.
Im Hinblick auf die Effizienz des Diffusors ist es vorteilhaft, wenn der Diffusor an seinem mit dem Auslass des Verdichters verbundenen Ende eine Eintrittsfläche aufweist, die höchstens die Hälfte, insbesondere höchstens ein Drittel der Austrittsfläche am anderen Ende des Diffusors beträgt. Durch diese Massnahme lässt sich die hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft, die z. B. am Auslass des Verdichters bis zu 100 m/s betragen kann, im Diffusor auf deutlich geringere Werte, beispielsweise 30 m/s bis 40 m/s am Ausgang des Diffusors, reduzieren. Hierdurch lässt sich erheblicher Druck zurückgewinnen, was insbesondere unter thermodynamischen Aspekten für den Wirkungsgrad der Aufladung vorteilhaft ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Diffusor einteilig ausgestaltet.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung umfasst der Diffusor mindestens zwei bezüglich der Strömungsrichtung der Luft hintereinander angeordnete Teile, wobei zwischen den beiden Teilen ein Kompensator vorgesehen ist. Durch den Kompensator können nämlich thermische bedingte Änderungen der Ausdehnung von Diffusor und Spiralgehäuse ausgeglichen werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Diffusor eine Befestigungsvorrichtung zum Fixieren des Diffusors und zum Abführen von auf den Diffusor wirkenden Kräften aufweist, wobei die Befestigungsvorrichtung im wesentlichen auf dem gleichen Höhenniveau angeordnet ist wie die Achse des Laufrads des Verdichters. Da der Diffusor auf diesem Höhenniveau noch nicht seinen maximalen Strömungsquerschnitt erreicht hat, sind auch die durch den Druck der Luft verursachten Kräfte nicht so gross.
Die erfindungsgemässe Aufladegruppe eignet sich insbesondere für solche Grossdieselmotoren, bei denen eine besonders kompakte und platzsparende Ausgestaltung angestrebt wird.
Weitere vorteilhafte Massnahmen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen, nicht massstäblichen Zeichnung zeigen:
Fig. 1:
einen Grossdieselmotor mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Aufladegruppe
Fig. 2:
den Verdichter und den Diffusor des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 in einem Schnitt senkrecht zur Achse des Laufrads, und
Fig.3:
wie Fig. 2, aber für ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Aufladegruppe.
In der folgenden Beschreibung beziehen sich relative Lagebezeichnungen wie "oben, unten, oberhalb, unterhalb ..." auf die in den Figuren 1-3 dargestellte normale Gebrauchslage. Ferner wird begrifflich nicht zwischen Spül- und Ladeluft unterschieden.
Fig. 1 zeigt in einer teilweise stark schematisierten Darstellung wesentliche Teile eines Ausführungsbeispiels eines Grossdieselmotors, der als längsgespülter Zweitaktmotor ausgebildet ist und gesamthaft mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Mit dem Bezugszeichen 11 ist einer der üblicherweise mehreren Zylinder des Grossdieselmotors 10 bezeichnet.
In dem Zylinder 11 ist ein Kolben 14 auf- und abbewegbar angeordnet. Der Kolben ist mittels einer Kolbenstange 15 mit einem nicht dargestellten Kreuzkopf verbunden, der andererseits über eine Schubstange mit der Kurbelwelle des Grossdieselmotors 10 verbunden ist. Im unteren Bereich des Zylinders 11 sind mehrere Spülluftschlitze 16 vorgesehen, welche je nach Stellung des Kolbens 14 von diesem überdeckt oder freigeben werden. Durch die Spülluftschlitze 16 kann die als Spül- oder Ladeluft bezeichnete Frischluft in den Zylinder 11 einströmen, wie dies durch den Pfeil S angedeutet ist.
Im oberen Bereich des Zylinders 11 sind ein oder mehrere Einspritzdüsen 12 zum Einbringen von Brennstoff in den Brennraum des Zylinders 11 vorgesehen, sowie ein zentral angeordnetes Auslassventil 13, durch welches die bei der Verbrennung entstehenden Gase als Abgas ausströmen. Das Abgas strömt durch einen Abgasstutzen 8, der sich an das Auslassventil 13 anschliesst, in einen Abgasreceiver 6. In sinngemäss gleicher Weise ist der Abgasreceiver 6 auch mit den anderen Zylindern verbunden.
Zum Beschicken des Zylinders 11 mit der Spülluft ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Aufladegruppe vorgesehen, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Die Aufladegruppe 1 umfasst einen Verdichter 2 zum Verdichten von Luft, eine Turbine 3 zum Antreiben des Verdichters 2, einen dem Verdichter 2 nachgeschalteten Diffusor 4 zum Reduzieren der Strömungsgeschwindigkeit der verdichteten Luft, sowie einen Ladeluftkühler 5, in welchem die komprimierte Luft gekühlt wird. Der Verdichter 2 und die Turbine 3 sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und bilden einen Turbolader.
Vom Ausgang des Ladeluftkühlers 5 strömt die Luft durch eine Druckleitung 17 zu einem Einlassreceiver 18, aus welchem die Spülluft zu den Spülluftschlitzen 16 des Zylinders 11 gelangt. Wenn der Kolben 14 die Spülluftschlitze 16 freigibt, kann dann die Spülluft in den Zylinder 11 einströmen wie dies der Pfeil S in Fig. 1 andeutet.
Der Verdichter 2 (siehe Fig. 2) umfasst ein Laufrad 21, das auf einer Achse A angeordnet ist und mit mehreren jeweils von der Achse A weg verlaufenden Schaufeln oder Flügeln 211 versehen ist. Die Rotationsrichtung des Laufrads 21 ist in Fig. 2 durch den Pfeil D angedeutet. Um das Laufrad 21 herum ist eine Austrittsspirale 22 vorgesehen. Bezüglich der radialen Richtung sind zwischen dem Laufrad 21 und der Austrittsspirale 22 in an sich bekannter Weise mehrere ortsfeste Nachleitschaufeln 25 vorgesehen. Die Austrittsspirale 22 umgibt die radial äusseren Enden der Nachleitschaufeln 25 und begrenzt einen Spiralraum 22a, der sich in Rotationsrichtung D des Laufrads 21 gesehen radial erweitert, sodass der Abstand d zwischen den radial äusseren Enden der Nachleitschaufeln 25 und der Wandung der Austrittsspirale 22 in Rotationsrichtung D gesehen zunimmt. Der Einlass des Verdichters 2 ist so angeordnet, dass die angesaugte Frischluft in Richtung der Achse A zu dem Laufrad 21 strömt, wie dies der Pfeil F in Fig. 2 andeutet.
Das Laufrad 21 fördert die Frischluft in den Spiralraum 22a, von welchem die komprimierte Luft zum Auslass 23 des Verdichters 2 gelangt.
Mit dem Auslass 23 ist dabei das Ende der Austrittsspirale 22 gemeint, das heisst diejenige Querschnittsfläche der Austrittsspirale 22, die dort liegt, wo der Spiralraum 22a gerade seine erste Windung um 360° um die Achse A (also einen kompletten Gang der Spirale) vollendet hat. In der Querschnittdarstellung in Fig. 2 beginnt der Spiralraum 22a an der mit B bezeichneten Stelle und erweitert sich - in Rotationsrichtung D gesehen - bezüglich der radialen Richtung. Die äussere Wandung der Austrittsspirale 22 beschreibt also in dieser Darstellung eine Spirale. Dort, wo diese Spirale ihre erste Windung um 360° vollendet, ist der Auslass 23 des Verdichters 2. Gemäss der Darstellung in Fig. 2 ist der Querschnitt des Auslasses 23 die radial verlaufende Verlängerung der Verbindungslinie von der Achse A zum Punkt B. Erfindungsgemäss ist der Auslass 23 des Verdichters 2 auf einem Höhenniveau angeordnet welches bezüglich der in Fig. 2 dargestellten normalen Gebrauchslage oberhalb der Achse A des Verdichters 2 liegt.
Der Verdichter 2 bzw. das Gehäuse des Turboladers 2,3 hat ferner einen Fuss 24, der auf einer Plattform 19 montiert ist, welche am Motorengehäuse fixiert ist. Die untere Begrenzungsfläche des Fusses 24, mit welcher der Fuss 24 die Plattform 19 kontaktiert, wird als Fussebene 24a des Verdichters 2 bezeichnet.
Das Laufrad 21 des Verdichters wird in an sich bekannter Weise von der Turbine 3 (siehe Fig. 1 ) angetrieben. Dazu ist die Turbine 3 vorzugsweise auf der gleichen Achse A montiert, auf der auch das Laufrad 21 angeordnet ist. Das Abgas strömt aus dem Abgasreceiver 6 durch eine Abgasleitung 7 zu der Turbine 3 und treibt diese an. Nach Durchströmen der Turbine 3 wird das Abgas durch eine weitere, nicht dargestellte Abgasleitung abgeführt wie dies der Pfeil G in Fig. 1 andeutet.
Die rotierende Turbine 3 treibt über die Achse A das Laufrad 21 des Verdichters 2 an. Dieses saugt Frischluft durch den Einlass an, der in Fig. 1 hinter der Zeichenebene liegt und daher nicht sichtbar ist. Die Frischluft strömt aus der Richtung der Achse A auf das Laufrad 21 und wird von dessen Flügeln 211 in den Spiralraum 22a gefördert. Anschliessend strömt die komprimierte Luft durch den Auslass 23 aus dem Verdichter 2 heraus.
Der Auslass 23 des Verdichters 2 ist mit dem Diffusor 4 verbunden. Der Diffusor 4 ist rohrförmig, sich in Strömungsrichtung der Luft erweiternd ausgestaltet. Der Diffusor 4 hat an seinem einen Ende eine Eintrittsfläche 41 und an seinem anderen Ende eine Austrittsfläche 42 für die komprimierte Luft.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Diffusor 4 einstückig ausgestaltet. Wie dies Fig. 2 zeigt, ist der Diffusor 4 derart gekrümmt ausgebildet, dass er eine Fortsetzung der Austrittsspirale 22 des Verdichters 2 bildet. Der Diffusor 4 schliesst sich unmittelbar an den Auslass 23 des Verdichters 2 an und ist mit einem in Strömungsrichtung zunehmendem Querschnitt ausgebildet. Das mit dem Auslass 23 verbundene Ende des Diffusors 4 bildet die Eintrittsfläche 41 des Diffusors 4, die gleich der Querschnittsfläche des Auslasses 23 des Verdichters 2 ist.
Der Diffusor 4 kann zusammen mit der Austrittsspirale 22 als bauliche Einheit ausgestaltet sein, sodass er integraler Bestandteil des Verdichters 2 ist. Es ist aber auch möglich, den Diffusor 4 als separates Bauteil herzustellen und dann mit der Austrittsspirale 22 zu verbinden, beispielsweise mittels einer Flanschverbindung oder einer Schweissverbindung.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Ladeluftkühler 5, der direkt unter der Plattform 19 angeordnet ist, einen Luftübertrittskanal 51, der mit dem unteren Ende des Diffusors 4 verbunden ist, sodass die durch die Austrittsfläche 42 des Diffusors 4 ausströmende Luft durch diesen Luftübertrittskanal 51 in den Ladeluftkühler 5 einströmen kann.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist am unteren Ende des Diffusors 4, also etwa auf Höhe der Plattform 19, ein Kompensator 43 vorgesehen, um thermisch bedingte Dehnungen des Diffusors und des Spiralgehäuses der Austrittsspirale 22 auszugleichen. Der Kompensator 43 ist beispielsweise als Faltenbalg ausgestaltet und über Flanschverbindungen 43a mit dem Diffusor 4 verbunden. An den Kompensator 43 schliesst sich dann der Lufteintrittskanal 51 des Ladeluftkühlers 5 an.
Vorzugsweise sind ferner nicht dargestellte Befestigungsmittel am Diffusor 4 vorgesehen, um die Kräfte und Drehmomente auf das Motorengehäuse abzuleiten.
Der gesamte Diffusor 4 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass seine Austrittsfläche 42 mindestens doppelt so gross und vorzugsweise mindestens dreimal so gross ist wie seine Eintrittsfläche 41. Mit diesen geometrischen Abmessungen lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit der komprimierten Luft, die beispielsweise mit bis zu 100 m/s durch die Eintrittsfläche 41 des Diffusors 4 strömt, auf typischerweise 40 m/s bis 30 m/s reduzieren, wodurch in erheblichem Masse Druck der Luft gewonnen wird.
Fig. 3 zeigt in einer zu Fig. 2 analogen Darstellung den Verdichter 2 und den Diffusor 4 eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Aufladergruppe 1. Im Folgenden wird hauptsächlich auf die Unterschiede eingegangen, ansonsten gelten die Erläuterungen bezüglich des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels in sinngemäss gleicher Weise auch für das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel. Insbesondere haben die Bezugszeichen in Fig. 3 die gleiche Bedeutung wie in Fig. 2.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Diffusor 4 zwei Teile 4a, 4b, die jeweils als Rohrstücke ausgestaltet sind und bezüglich der Strömungsrichtung der Luft hintereinander angeordnet sind. Das obere, gekrümmt ausgestaltete Teil 4a schliesst sich unmittelbar an den Auslass 23 des Verdichters 2 an und ist vorzugsweise mit einem in Strömungsrichtung zunehmendem Querschnitt ausgebildet. Das mit dem Auslass 23 verbundene Ende des oberen Teils 4a bildet die Eintrittsfläche 41 des Diffusors 4, die gleich der Querschnittsfläche des Auslasses 23 des Verdichters 2 ist. Das obere Teil 4a ist in der gleichen Richtung gekrümmt wie die Austrittsspirale 22 und erstreckt sich etwa bis auf das Höhenniveau, auf welchem die Achse A des Laufrads 21 liegt, sodass die Austrittsfläche des oberen Teils 4a im wesentlichen parallel zur Plattform 19 liegt. Das obere Teil 4a kann zusammen mit der Austrittsspirale 22 als bauliche Einheit ausgestaltet sein, sodass das obere Teil 4a integraler Bestandteil des Verdichters 2 ist. Es ist aber auch möglich, das obere Teil 4a als separates Bauteil herzustellen und dann mit der Austrittsspirale 22 zu verbinden, beispielsweise mittels einer Flanschverbindung oder einer Schweissverbindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kompensator 43 zwischen dem obern Teil 4a und dem unteren Teil 4b vorgesehen. Der Kompensator ist beispielsweise über Flanschverbindungen 43a mit dem oberen sowie dem unteren Teil 4a,4b des Diffusors verbunden. Zur Reduktion der Kräfte und Momente, welche infolge des Drucks im Diffusor 4 auf das Spiralgehäuse bzw. den Fuss 24 des Turboladers 2,3 wirken, sind vorzugsweise Befestigungsmittel am Diffusor 4 vorgesehen, um die Kräfte und Drehmomente auf das Motorengehäuse abzuleiten. Da der Diffusor 4 auf Höhe der Achse A noch nicht seinen maximalen Querschnitt erreicht hat, sind hier insbesondere die durch den statischen Druck verursachten Kräfte noch nicht so gross. Daher ist es im Hinblick auf die mechanische Belastung der Befestigungsmittel vorteilhaft, diese im wesentlichen auf dem Höhenniveau der Achse A des Laufrads 21 vorzusehen.
Das untere Teil 4b des Diffusors erstreckt sich vom Kompensator 43 bis zur Plattform 19, auf welcher der Turbolader 2,3 montiert ist. Vorzugsweise ist das untere Ende des unteren Teils 4b durch Befestigungsmittel 44 an der Plattform 19 befestigt. Die Austrittsfläche 42 des Diffusors 4 liegt also auf der gleichen Höhe wie die Fussebene 24a des Verdichters 2 bzw. des Turboladers 2,3. Das untere Teil 4b ist trichterförmig ausgestaltet, das heisst es erweitert sich im wesentlichen konisch vom Kompensator 43 bis zur Austrittsfläche 42. Die Querschnittsfläche des unteren Teils 4b kann dabei eckig, z. B. viereckig, oder rund, z. B. kreisförmig, ausgebildet sein. Im Hinblick auf eine möglichst gute Effizienz des Diffusors 4 ist es vorteilhaft, die Erweiterung so auszubilden, dass der halbe Öffnungswinkel a weniger als 12° und insbesondere 4° bis 8° beträgt.
Der Diffusor 4 erweitert sich vom Auslass 23 des Verdichters 2 bis zur Fussebene 24a des Verdichters 2, wo der Diffusor 4 endet. Dabei ist die Erweiterung derart, dass die Grösse der Eintrittsfläche 41 des Diffusors 4 wiederum höchstens die Hälfte, vorzugsweise höchstens ein Drittel der Grösse der Austrittsfläche 42 des Diffusors 4 beträgt.
Da bei beiden Ausführungsbeispielen (Fig. 2 und Fig. 3) und erfindungsgemäss der Auslass 23 des Verdichters auf Höhe oder oberhalb der Achse A des Laufrads 21 liegt, ist zwischen dem Auslass 23 und der Fussebene 24a des Verdichters 2 bzw. der Plattform 19 ausreichend Platz um dort einen Diffusor 4 mit den vorangehend beschriebenen Geometrien betreffend den Öffnungswinkel a und das Verhältnis von Ein- und Austrittsfläche 41,42 zu plazieren. Der Diffusor 4 endet somit auf der Höhe der Fussebene 24a des Verdichters 2 bzw. des Turboladers 2,3, ohne dass dafür die wirksame Diffusorlänge reduziert werden muss. Da der Diffusor 4 nicht nach unten über die Fussebene 24a des Verdichters 2 bzw. die Plattform 19 hinausragt, kann der Ladeluftkühler 5 direkt, das heisst ohne Abstand, unterhalb der Plattform 19 angeordnet werden, wodurch sich die gesamte Höhe der Aufladegruppe 1 reduziert.
Es versteht sich, dass die erfindungsgemässe Aufladegruppe 1 auch für andere Grossdieselmotoren als den hier beschriebenen längsgespülten Zweitakt-Motor geeignet ist. Beispielsweise kann die erfindungsgemässe Aufladegruppe 1 in sinngemäss gleicher Weise auch Bestandteil eines Viertakt-Grossdieselmotors sein, bei dem die Ladeluft über ein oder mehrere im Zylinderdeckel angeordnete Einlassventile in den Zylinder eingebracht wird.

Claims (9)

  1. Aufladegruppe für einen Grossdieselmotor, mit einem Verdichter (2) zum Verdichten von Luft, die als Spülluft Zylindern (11) des Grossdieselmotors (10) zugeführt wird, welcher Verdichter (2) einen Auslass (23) für die verdichtete Luft sowie ein auf einer Achse (A) angeordnetes Laufrad (21) zum Verdichten der Luft aufweist, mit einer Turbine (3) zum Antreiben des Laufrads (21) des Verdichters (2), wobei die Turbine (3) mit Abgasen aus den Zylindern (11) antreibbar ist, und mit einem Diffusor (4) zum Reduzieren der Strömungsgeschwindigkeit der verdichteten Luft, welcher mit dem Auslass (23) des Verdichters (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (23) des Verdichters (2) auf einem Höhenniveau angeordnet ist, welches bezüglich der normalen Gebrauchslage auf oder oberhalb der Achse (A) des Verdichters (2) liegt.
  2. Aufladegruppe nach Anspruch 1, wobei der Diffusor (4) rohrförmig, sich in Strömungsrichtung der Luft erweiternd ausgestaltet ist und sich im wesentlichen bis zur Fussebene (24a) des Verdichters (2) erstreckt.
  3. Aufladergruppe nach Anspruch 2, mit einem Ladeluftkühler (5), in welchen die aus dem Diffusor (4) kommende Luft einströmt, wobei der Verdichter mit seiner Fussebene (24a) auf einer Plattform (19) angeordnet ist und der Ladeluftkühler (5) unmittelbar unterhalb der Plattform (19) angeordnet ist.
  4. Aufladegruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem sich der Diffusor (4) zumindest über einen Teil seiner Länge im wesentlichen konisch erweitert, wobei der halbe Öffnungswinkel (α) der Erweiterung weniger als 12°, insbesondere 4° bis 8° beträgt.
  5. Aufladegruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Diffusor (4) bezüglich der Strömungsrichtung der Luft zumindest teilweise gekrümmt ausgestaltet ist.
  6. Aufladegruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Diffusor (4) an seinem mit dem Auslass (23) des Verdichters (2) verbundenen Ende eine Eintrittsfläche (41) aufweist, die höchstens die Hälfte, insbesondere höchstens ein Drittel der Austrittsfläche (42) am anderen Ende des Diffusors (4) beträgt.
  7. Aufladegruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Diffusor (4) zwei bezüglich der Strömungsrichtung der Luft hintereinander angeordnete Teile (4a,4b) umfasst, wobei zwischen den beiden Teilen ein Kompensator (43) vorgesehen ist.
  8. Aufladegruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Diffusor (4) Befestigungsmittel zum Abführen von auf den Diffusor (4) wirkenden Kräften aufweist, wobei die Befestigungsmittel im wesentlichen auf dem gleichen Höhenniveau angeordnet sind wie die Achse (A) des Laufrads (21) des Verdichters (2).
  9. Grossdieselmotor mit einer Aufladegruppe (1) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche.
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