DE1428103B - Einrichtung zur Druckerhöhung eines von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Verdrangerverdichters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Druckerhöhung eines von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Verdrängerverdichters mit zwei in einem eine Niederdruckeinlaßöffnung und eine Hochdruckauslaßöffnung aufweisenden Gehäusehohlraum miteinander kämmenden und dabei eine progressive Verdichtung bewirkenden Rotoren, wobei in den Verdrängerverdichter noch der Förderstrom eines Turboverdichters eingeleitet wird.

Bekannt ist ein Zahnradverdichter (siehe die französische Patentschrift 1 232 429), der mehrere Paare von Zahnrädern hat, die über eine gemeinsame Ansaugöffnung zu verdichtendes Gas ansaugen. In einer Stufe wird das angesaugte Gas vorverdichtet, und dieses in der ersten Stufe vorverdichtete Gas wird in einem ersten Teilstrom der zweiten Stufe und in einem zweiten Teilstrom der dritten Stufe zugeleitet. Die Zuleitung in den nachgeschalteten Stufen erfolgt zwischen der Saugseitc und der Druckseite. Der aus der zweiten Stufe kommende Gasstrom wird der dritten Stufe zwischen dessen Saug- und Druckseitc zugeleitet. Da bei dieser Anordnung alle Stufen zusätzlich zu der Einleitung vorverdichteten Gases aus den vorgeschalteten Stufen nicht vorverdichtetes Gas ansaugen, so daß die Druckdifferenz zwischen dem angesaugten Gas und dem vorverdichteten Gas groß ist, insbesondere deshalb, weil das angesaugte Gas in einzelnen Stufen auf dem Weg von der Saugseite zur Druckseite zunächst nicht progressiv höher verdichtet wird, vielmehr eine Verdichtung erst an

ίο der Abgabe zur Druckseite erfolgt — durch Förderung in Gegenwirkung gegen den Gegendruck an der Druckseite —, geht ein Druckausgleich zwischen dem angesaugten — praktisch unverdichteten — Gas und dem vorverdichteten Gas aus den vorgeschalteten Stufen vonstatten, so daß ein erheblicher Teil der zur Vorverdichtung des Gases aufgewendeten Energie wieder verlorengeht, wenn sich als Folge der Druckdifferenz das vorverdichtete Gas nach der Einleitung in die nachgeschalteten Stufen wieder ausdehnt. Der Wirkungsgrad dieses Verdichters, der mit mehreren Stufen arbeitet, ist deshalb vergleichsweise gering.

Ferner ist ein Schraubenräderkapselwerk (siehe die f~~ deutsche Patentschrift 87 685) bekannt, das in einem » Gehäusehohlraum miteinander kämmende Schraubenrotoren aufweist, die insbesondere auch konisch ausgebildet sein können. Wenn dieses bekannte Schraubenräderkapselwerk als Pumpe bzw. Verdichter eingesetzt werden soll, wird an der einen Seite angesaugt und das angesaugte Gas durch die miteinander kämmenden Gewindegänge der Schraubenrotoren unter progressiver Verdichtung zur Druckseite gefördert. Bei dieser bekannten Anordnung sind an verschiedenen axialen Stellen längs des Arbeitsraums des als Verdichter arbeitenden Kapselwerks öffnungen vorgesehen, die nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden können, um von verschiedenen Stellen des Arbeitsraums aus verdichtetes Gas ableiten zu können, das entsprechend der axialen Lage der öffnung einen größeren oder kleineren Kompressionsdruck hat.

Ferner ist ein Schraubenverdichter (siehe die USA.-Patentschrift 2 709 336) bekannt, der zwei Rotoren aufweist und von einer Gasturbine angetrieben ist. Ihm ist ein Turboverdichter als erste Stufe vorgeschaltet. Dieser wird von der Welle des Schraubenverdichters aus angetrieben. Der gesamte Förderstrom des Turboverdichters wird der Abgasseite der Gasturbine zugeleitet. Dort findet der Förderstrom Verwendung in der Endexpansion und trägt zur Verringerung des Brennstoff bedarf s der Gasturbine bei und verringert gleichzeitig die Gastemperatur vor der Strahldüse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der in Frage stehenden Art zu schaffen, bei der die Energie der Abgase der Brennkraftmaschine in dem Verdrängerverdichter ausgenutzt werden, um die Energieausbeute der Brennkraftmaschine in der Form einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Verdrängerverdichter zu erhöhen, also den Wirkungsgrad in der Energieausbeute der Brennkraftmaschine zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Turboverdichter der Verdichterteil eines vom Abgas der Brennkraftmaschine angetriebenen Turboladers ist und daß der Fördergasstrom desselben über zwei auf dem Weg des Fördergases entlang der Rotoren zwischen der Niederdruckeinlaß- und der Hochdruckauslaßöffnung

gelegene Ladegaseinlaßöffnungen des Verdrängerverdichters in dessen Förderraum bzw. Gehäusehohlraum einleitbar ist, wobei diese Ladegasöffnungen an einer Stelle dieses Gehäusehohlraums bzw. des Arbeitsraums der Rotoren angeordnet sind, an der der Kompressionsdruck des Verdrängerverdichters noch unterhalb des Drucks des Ladegases liegt, und somit auf Grund der Druckdifferenz zwischen dem Ladegas und dem Verdichtergas an der betreffenden Stelle das Ladegas unter nur geringer Expansion einströmen kann.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verdrängerverdichter zwei miteinander kämmende Schraubenrotoren aufweist und daß die Ladegaseinströmöffnungen des Verdichters durch je eine schlitzförmige Öffnung in der dem betreffenden Rotor jeweils zugeordneten Gehäusebohrungswand gebildet werden, wobei die Öffnung in ihrer Lage der Steigung der Schraubengänge des dazugehörigen Rotors angepaßt ist.

Durch diese Maßnahmen wird eine Erhöhung des Wirkungsgrades in der Verdichtungsleistung des Verdrängerverdichters erreicht, nämlich dadurch, daß man die in den Abgasen enthaltene Energie zum Antrieb eines Turboladers verwendet, der einen zusätzlichen Gasstrom verdichtet. Dieser zusätzliche Gasstrom wird so in den Verdrängerverdichter eingeleitet, daß kein nennenswerter Energieverlust durch Ausdehnung des vorkomprimierten Ladegases auftritt. Die Folge ist eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades in der Verdichterleistung des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Verdrängerverdichters.

Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. eine schematische Darstellung der gesamten Einrichtung zur Druckerhöhung eines von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Verdrängerverdichters,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den in F i g. 1 gezeigten Verdrängerverdichter mit zum Teil weggebrochener Gehäusewand,

Fig. 3 eine Einzelheit im Schnitt entlang der Linie 3-3 der F i g. 2,

F i g. 4 einen Querschnitt gemäß der Linie 4-4 der Fig. 2,

Fig. 5 eine schematische Abwicklung des Verdichtergehäuses und der Rotoren zur Darstellung der Kompressionsdrücke an verschiedenen Stellen der Arbeitsräume, in denen die Schraubenrotoren umlaufen, und

F i g. 6 ein Diagramm des Kompressionsdrucks als Funktion der Drehung der Rotoren zur Veranschaulichung der Energieersparnis, die man erreichen kann.

In F i g. 1 bezeichnet 10 einen Verdrängerverdichter, der mit einer Brennkraftmaschine 12 gekuppelt ist. Der Verdrängerverdichter hat ein Gehäuse 14 und zwei miteinander kämmende Rotoren 16 und 18, die drehbar im Gehäuse 14 gelagert sind. Das Gehäuse 14 weist zwei einander schneidende, parallele Bohrungen 20 und 22 auf, die mit einer Niederdruckeinlaßöffnung 24 in Verbindung stehen, die in radialer Richtung öffnet und an einem Gehäuseende angeordnet ist. Ferner stehen sie mit einer Hochdruckauslaßöffnung 26 in Verbindung, die axial öffnet und am anderen Ende des Gehäuses angeordnet ist.

Die beiden Rotoren sind in der Form von Schraubenrotoren vorgesehen, die in den parallelen Gehäusebohrungen 20 und 22 gelagert sind. Der Rotor 16 hat vier Schraubengänge 16 a, 16 b, 16 c, 16 d, der Rotor 18 hat sechs Schraubennuten 18 a, 18 b, 18 c, 18 d, 18 e, 18 /. Als Folge des Kämmens der beiden Schraubenrotoren miteinander bei ihrer Drehung öffnen sich die von ihnen gebildeten Arbeitsräume nacheinander auf ihr volles Volumen und füllen sich mit dem zu verdichtenden Medium, da sie

ίο in diesem Augenblick mit der Einlaßöffnung 24 in Verbindung stehen. Nachdem sich die einzelnen Arbeitsräume so weit verdreht haben, daß sie nicht mehr in Verbindung mit der Einlaßöffnung 24 stehen, wird das Luftvolumen in den einzelnen Arbeitsräumen progressiv verringert, und dadurch erhöht sich in bekannter Weise der Kompressionsdruck progressiv von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite.
Die Arbeitsweise des Verdrängerverdichters 10 ist im einzelnen aus Fig. 5 zu ersehen. Dort ist eine schematische Abwicklung des Gehäuses 14 und der beiden Rotoren gezeigt. Im Verdichter wird Gas von Niederdruck O auf den Hochdruck S verdichtet. Wenn sich die beiden Rotoren in der in Fig. 5 gezeigten Lage befinden, befindet sich der Arbeitsraum 30 α in radialer und axialer Verbindung mit der Einlaßöffnung 24 und nimmt eine volle Gasladung unter Niederdruck auf. Die Räume 30 b, 30 c und 30 d haben sich über den Rand der Einlaßöffnung hinaus verdreht, und die Volumina der entsprechenden Räume verringern sich infolge des zunehmend größeren Eingriffs der Schraubengänge 16 b bis 16 d in die Schraubennuten 18 b bis 18 d. Wie zu sehen ist, befindet sich der Raum 30 d in einer Lage unmittelbar vor der Öffnung zur Auslaßöffnung 26. Bei einer weiteren Drehung der Rotoren gelangt er mit der Auslaßöffnung in Verbindung, und das ausströmende Gas ist auf den Kompressionsdruck S verdichtet worden. In die Arbeitsräume 30 α bis 30 d wird ein Ladegas eingeleitet, um das an der Auslaßöffnung 26 abfließende Gasvolumen zu vergrößern. Das Ladegas kommt von einem Turbolader, der eine Antriebsturbine 32 und ein Gasgebläse 34 umfaßt. Die Turbine wird durch die heißen Abgase angetrieben, die vom Auspuff 36 des Motors kommen. Der Kompressionsdruck des Gebläses 34 ist höher als der Druck an der Niederdruckseite des Verdichters 10.

Auf gegenüberliegenden Seiten des mittleren Teils des Verdichtergehäuses 14 sind zwei Ladegaseinlaßöffnungen 38 und 40 vorgesehen. Die Öffnungen 38 und 40 sind zweckmäßigerweise als längliche Schlitze ausgebildet, die die Gehäusebohrungen 20 und 22 mit Zuleitungen 42 und 44 verbinden, die einstückig am Gehäuse angegossen sein können. Die Öffnungen 38 und 40 liegen schräg an der gekrümmten Wand des Gehäuses 14. Sie sind so ausgebildet, daß sich ihre Längskanten im wesentlichen mit den Schraubenspitzen der Rotoren 16 und 18 decken. Diese Anordnung der Öffnungen ermöglicht ein vollständiges Öffnen, wenn die nachlaufenden Kanten der Schraubenspitzen nacheinander über den vorderen Rand der Öffnungen laufen. Die öffnungen 38 und 40 sind so angeordnet, daß sie jeweils nacheinander mit den jeweiligen Arbeitsräumen in Verbindung gelangen. Deshalb muß die Breite der Öffnungen 38 und 40 im wesentlichen der Breite der Spitzen des zugehörigen Rotors entsprechen, damit ein Überfließen von Gas von einem Arbeitsraum zum anderen verhindert

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wird. Außerdem soll die Fläche der Öffnungen aus- verdreht haben, daß die Arbeitsräume von der Einlaßreichend groß sein, damit eine nennenswerte Drosse- seite getrennt sind und deren Volumina verringert lung des durchströmenden Ladegases verhindert wird. werden. Erfindungsgemäß wird das Ladegas bei einem Die Zuleitungen 42 und 44 können mit Gewinde Arbeitsraumdruck R in den Arbeitsraum eingeleitet, aufweisenden öffnungen versehen sein, die zur Auf- S und dadurch steigt der Druck im Arbeitsraum schnell nähme gleichweise mit Gewinde versehener An- an, wie das durch die Kurve RQ dargestellt ist. Da der Schlußleitungen 46 und 48 dienen, durch die das Druckanstieg während des Einleitens des Ladegases Ladegas vom Turbolader 34 zum Verdichter fließt. als Folge der Trägheit des Ladegases nicht momentan Die Ladegaseinlaßöffnungen 38 und 40 sind dem stattfindet, verläuft das Kurvenstück RQ nicht senk-Gehäuse 14 gegenüber in Längsrichtung so angeord- io recht, sondern leicht geneigt. Nachdem der Druck in net, daß sie mit aufeinanderfolgenden Arbeitsräumen dem Arbeitsraum als Folge des Einleitens des Lade-30 a bis 3OJ in Verbindung gelangen, nachdem die gases bis zum Punkt Q angestiegen ist, steigt der Räume über die Einlaßöffnung 24 die normale Gas- Kompressionsdruck durch die weitere Drehung der füllung erhalten haben und nachdem sie durch die Rotoren in der üblichen Weise entsprechend dem Drehung der Rotoren von der Einlaßöffnung getrennt 15 Kurvenzug QS weiter bis zum endgültigen Kompressind. Das Ladegas, das durch die Ladegaseinlaß- sionsdruck 5. Wäre eine entsprechende Ladegasmenge öffnungen 38 und 40 zugeleitet wird, wird erst dann unmittelbar nach dem Trennen der Arbeitsräume von in die Arbeitsräume eingeleitet, wenn der sich in den der Einlaßseite zugeleitet worden, nämlich beim Arbeitsräumen aufbauende Druck einen Sollwert Punkt O, so hätte der Kompressionsdruck einen erreicht hat. In Fig. 5 ist zu sehen, welche räumliche 20 raschen Anstieg gemäß dem gestrichelt dargestellten Anordnungen die Ladegaseinlaßöffnungen 38 und 40 Kurvenstück OP erfahren, und er hätte sich anschlierelativ zur Einlaßöffnung 24 und zu den sich axial ßend in normaler Weise entsprechend dem Kurven- ,_ bewegenden Arbeitsräumen 30 α bis 30 d haben. Die stück PQS auf den Auslaßdruck S erhöht. ( (£■ Ladegaseinlaßöffnungen 38 und 40 stehen mit dem Nimmt man an, daß das Ladegas am Turbo-Arbeitsraum 30 b in Verbindung, der von der Einlaß- 25 verdichter mit dem Druck T zur Verfügung steht und öffnung schon getrennt ist. In diesem Arbeitsraum daß es den Kompressionsdruck, je nachdem, an wel-30 ft hat sich ein Kompressionsdruck R eingestellt. chem Punkt die Zuleitung des Ladegases beginnt, Die Entfernung der Lagegaseinlaßöffnungen von der von O auf P oder von R auf Q erhöht, so zeigt das Druckseite des Verdichtergehäuses 14 bestimmt das Schaubild, daß eine Verzögerung in der Zuleitung Verdichtungsverhältnis in dem mit den Ladegas- 30 des Ladegases einen geringeren Druckabfall desselben einlaßöffnungen in Verbindung stehenden Arbeits- bei der Einleitung in den Arbeitsraum zur Folge hat, raum. Bei der Festlegung der räumlichen Anordnung wodurch ein Teil der Energie, die dem Ladegas durch der Ladegaseinlaßöffnungen muß dafür gesorgt sein, den Turboverdichter 34 zugeführt worden ist, erhaldaß der Druck des Ladegases notwendigerweise etwas ten bleibt. Wenn das Ladegas somit am Punkt O bzw. größer als der Kompressionsdruck ist, der erreicht 35 bei Trennung des Arbeitsraums von der Einlaßwird, wenn der entsprechende Arbeitsraum mit den öffnung zugeführt wird, dehnt es sich aus, und sein Ladegaseinlaßöffnungen in Verbindung gelangt, so Druck fällt von T auf O ab. Wird das Ladegas jedoch daß das Ladegas in den Arbeitsraum einströmen zugeführt, wenn der Kompressionsdruck nach einer kann. Die geringe Druckdifferenz, die zwischen dem Verdichtung entlang OR erreicht hat, fällt sein Druck Druck des Ladegases und dem Kompressionsdruck 40 als Folge der Ausdehnung nur von T auf R ab. Ein bestehen muß, damit das Ladegas einströmt, hängt erheblicher Teil der Energie wird also ausgenutzt, von dem Druck ab, der während der Ladeperiode in geht also nicht verloren, als wenn das Ladegas dem Arbeitsraum erreicht wird, außerdem natürlich unmittelbar nach dem Trennen des Arbeitsraums von von unvermeidlichen Druckverlusten in den Ladegas- der Einlaßseite zugeleitet wird.
einlaßöffnungen und in den Leitungen zwischen den 45 Zur Veranschaulichung der Energieersparnis sei Ladegaseinlaßöffnungen und dem Turboverdichter. darauf hingewiesen, daß die vom Verdichter zur Weiche Vorteile man aus dieser Einrichtung zieht, Erhöhung des Gasdrucks vom Einlaßdruck auf den ist aus Fig. 6 zu sehen. Dort ist die Arbeitsweise der Auslaßdruck 5 geleistete Arbeit durch die Fläche vorliegenden Einrichtung der Arbeitsweise einer An- unter den Kompressionskurven ORQS bzw. OPQS Ordnung gegenübergestellt, bei der der Arbeitsraum 50 dargestellt wird. Die durch Verzögerung der Einfühunmittelbar nach Trennen von der Einlaßöffnung mit rung des Ladegases gemäß der Erfindung gesparte Ladegas beschickt wird. In dem Schaubild ist der Energie wird durch die Fläche OPQR dargestellt. Die Kompressionsdruck als Funktion der Rotordrehung bessere Ausnutzung der Energie des Ladegases nach Trennung von der Einlaßöffnung aufgetragen. ermöglicht eine Verringerung der Antriebsleistung Der ausgezogene Kurvenzug OR stellt den normalen 55 des Verdichters 10 seitens des Motors 12, so daß sich Anstieg des Drucks in einem Arbeitsraum dar, wenn eine Verringerung der Betriebskosten eines solchen sich die beiden miteinander kämmenden Rotoren so Gesamtaggregates ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Druckerhöhung eines von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Verdrängerverdichters mit zwei in einem eine Niederdruckeinlaßöffnung und eine Hochdruckauslaßöffnung aufweisenden Gehäusehohlraum miteinander kämmenden und dabei eine progressive Verdichtung bewirkenden Rotoren, wobei in den Verdrängerverdichter noch der Förderstrom eines Turboverdichters eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Turboverdichter (34) der Verdichterteil eines vom Abgas der Brennkraftmaschine (12) angetriebenen Turboladers (43, 34) ist und daß der Fördergasstrom desselben über zwei auf dem Weg des Fördergases entlang der Rotoren zwischen der Niederdruckeinlaß- (24) und der Hochdruckauslaßöffnung (26) gelegene Ladegaseinlaßöffnungen (38, 40) des Verdrängerverdichters (10) in dessen Förderraum bzw. Gehäusehohlraum (20, 22) einleitbar ist, wobei diese Ladegasöffnungen an einer Stelle dieses Gehäusehohlraums bzw. Arbeitsraums der Rotoren angeordnet sind, an der der Kompressionsdruck des Verdrängerverdichters noch unterhalb des Drucks des Ladegases liegt, und somit auf Grund der Druckdifferenz zwischen dem Ladegas und dem Verdichtergas an der betreffenden Stelle das Ladegas unter nur geringer Expansion einströmen kann.

2. Einrichtung zur Druckerhöhung eines von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Verdrängerverdichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerverdichter (10) zwei miteinander kämmende Schraubenrotoren (16, 18) aufweist und daß die Ladegaseinströmöffnungen (38, 40) des Verdichters durch je eine schlitzförmige öffnung in der dem betreffenden Rotor jeweils zugeordneten Gehäusebohrungswand gebildet werden, wobei die Öffnung (38, 40) in ihrer Lage der Steigung der Schraubengänge des dazugehörigen Rotors angepaßt ist.