Schraubenlader mit Innenkühlung

Abstract

 Es wird ein Schraubenkompressor zur Aufladung von Verbrennungsmotoren beschrieben, der innengekühlt ist. Die Innenkühlung erfolgt durch Einspritzen eines Fluids. Dieses Einspritzfluid ist Kraftstoff, der nach seiner Vorwärmung im Verdichtungsraum des Schraubenkompressors dem Brennraum des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Der mittlere Polytropenexponent der Verdichtung kann durch Variation des Kühlfluidmassenstroms den Betriebs­bedingungen des Verbrennungsmotors angepaßt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Schraubenkompressor zur Aufladung von Verbrennungsmotoren.

[0002] Die Abgasturboaufladung von Verbrennungsmotoren ist heute Stand der Technik.

[0003] Dennoch weisen Abgasturbolader (ATL) und mechanisch angetriebene Turbolader (TL) eine Reihe von Problemen auf:
- Die Betriebsgrenze ist durch die Pumpgrenze des Verdichters gegeben;
- sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten sind namentlich bei Radialrädern notwendig;
- bei kleineren Motorleistungen werden nur mäßige Wirkungsgrade vor allem im Teillastbereich erreicht;
- separate Ladeluftkühler bei höheren Ladedruckverhält­nissen verteuern die Ladeeinheit und erhöhen das Bauvolumen;
- eine mit der Motordrehzahl steil ansteigende Betriebskennlinie, die sich bei Hochdruckaufladung und hohen Drehzahlen ungünstig auf das Drehmoment­verhalten des Verbrennungsmotors auswirkt, kann nur mit aufwendigen Maßnahmen (Stoß-Aufladung, Abblasen von Abgasen oder Luft, Ladedruckregelung) verbessert werden.

[0004] Schraubenkompressoren als Lader (SL) weisen demgegenüber eine Reihe von Vorteilen auf:
- Keine Pumpgrenze als Verdrängermaschine;
- hohe Wirkungsgrade noch bei kleinen Motorleistungen;
- hohe Teillastwirkungsgrade;
- eine mit der Motordrehzahl flach verlaufende Betriebskennlinie, die nur gering von der Motordrehzahl abhängt;
- hohes Beschleunigungsverhalten durch vergleichsweise kleines polares Massenträgheitsmoment.

[0005] Bei trockenlaufenden Schraubenladern sind jedoch noch mehrere Nachteile der Turbolader vorhanden.

[0006] Erfindungsgemäß wird daher ein innengekühlter Schrauben­lader vorgeschlagen, der solche Probleme nicht aufweist und mit niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten (15÷60 ms⁻¹) betrieben werden kann, ermöglicht durch die dichtende Wirkung der Kühflüssigkeit zwischen Schraubenrotor und Gehäuse.

[0007] Bei "normalen" Ladedruckverhältnissen kann auf Ladeluft­kühler verzichtet werden, während für sehr hohe Lade­druckverhältnisse (bei π = 5) mäßige Kühlkapazitäten notwendig sind.

[0008] Durch Änderung der Kühlfluidmasse kann der mittlere Polytropenexponent den Betriebsbedingungen angepaßt werden, z.B. zur Erleichterung der Zündung.

[0009] Als Einspritzflüssigkeit wird für Dieselmotoren Diesel­kraftstoff gewählt, der so im Schraubenlader vorgewärmt, in den Motorbrennraum eingespritzt wird. Bei einem Laderdruckverhältnis von π _L = 3,5 erreicht der adiabate Turboverdichter, je nach Wirkungsgrad und Eintritts­temperatur, Austrittstemperaturen von t₂ = 170 ÷ 220 °C Am Austritt des Schraubenladers können bei gleichem Druckverhältnis Temperaturen von t₂ < 70 °C erreicht werden. Ein Ölkühler ist nur notwendig, wenn der Schraubenlader mit unbeschichteten Rotoren, quasi konventionell, betrieben werden soll.

[0010] Je nach Schaltung des ASL können Anfahrventile und eine mechanische Trennung der gesamten Ladeeinheit vom Motor vorgesehen werden, um den Startvorgang zu erleichtern bzw. erst zu ermöglichen.

[0011] Der in der Patentfigur dargestellte SL wird über ein Getriebe vom Motor angetrieben, beide stehen in einem festen Drehzahlverhältnis zueinander. Dadurch ergeben sich feste Zuordnungen von Motor- zu Laderdrehzahlen. Die Auslegung des SL's erfolgt auf den Motornennbe­triebspunkt, für alle anderen Drehzahlen ergibt sich dann die Lader-Betriebskennlinie. Der spezifische Kraftstoffverbrauch des Motors wird in dem innenge­kühlten SL weniger ansteigen als mit einem trocken­laufenden adiabaten Lader.

[0012] Das Getriebe kann auch zur Veränderung der Drehzahlver­hältnisse als Schaltgetriebe oder Strömungsgetriebe ausgebildet sein.

[0013] Es ist auch in bestimmten Fällen möglich, einen direkten Antrieb ohne Zwischenschaltung eines Getriebes durchzu­führen. Dies ist der Fall, wenn die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors und des Laders gleich sind.

Ansprüche

1. Schraubenkompressor zur Aufladung von Verbrennungs­motoren,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schraubenkompressor innengekühlt ist.

2. Schraubenkompressor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenkühlung durch Einspritzen eines Fluids erfolgt.

3. Schraubenkompressor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Einspritzfluid Kraftstoff verwendet wird.

4. Schraubenkompressor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der eingespritzte Kraftstoff nach seiner Vorwärmung im Verdichtungsraum des Schrauben­kompressors dem Brennraum des Verbrennungsmotors zugeführt wird.

5. Schraubenkompressor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der mittlere Polytropenexponent der Verdichtung im Schraubenkompressor durch Variation des Kühl­fluidmassenstroms den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors angepaßt werden kann.

Zeichnung