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Die Erfindung betrifft ein Verdampfungselement zum Eindampfen einer Flüssigkeit in ein Gas, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit einem porösen Körper, dessen Oberfläche zumindest teilweise vom Gas anströmbar ist, sowie mit einem Anschluss zur Zuführung der Flüssigkeit.
Bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen ergibt sich die Notwendigkeit in ein strö- mendes, gasförmiges Medium eine Substanz einzubringen und dort verdampfen zu lassen.
Diese Notwendigkeit besteht vomämlich aus folgenden Gründen: - Es wird ein Gas mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung benötigt. Die
Komponente kann dem Gas aber erst nachträglich zugeführt werden. Die Substanz muss also durch Eindampfen dem Gas zugesetzt werden, wobei eventuell auftretende Tempera- turerniedrigung der Gasströmung wegen der Verdampfungswärmeverluste in Kauf ge- nommen wird, - dem Gas wird zum Zweck der Kühlung durch Entzug der Verdampfungswärme eine flüs- sige Substanz zugesetzt. Die Substanz selbst wird nicht direkt benötigt, ihr Vorhandensein in der Gasströmung ist aber auch nicht schädlich für einen eventuellen Folgeprozess.
Im Idealfall kann sowohl die Substanz selbst, als auch die Kühlung durch Verdampfungs- wärme vorteilhaft eingesetzt werden.
Es sind verschiedene Verfahren zum Zusätzen einer Flüssigkeit in ein Gas bekannt. Die Flüs- sigkeit kann mittels Hochdruckpumpen in die Gasströmung eingespritzt oder eingeblasen werden. Es ist auch bekannt die Flüssigkeit durch Ultraschallzerstäubung in möglichst kleine und möglichst fein verteilte Tröpfchen zu teilen und so direkt in die Gasströmung einzubrin- gen, damit die Flüssigkeit in der Gasströmung selbst verdampfen kann.
Die einzubringende Substanz liegt prinzipbedingt im flüssigen Aggregatzustand vor. Das Ziel ist, einen bestimmen Dampfgehalt der einzubringenden Substanz im Gasstrom zu erreichen.
Mittels Eindüsen, Einspritzen oder Ultraschallzerstäubung wird eine zwar feine, allerdings lokal sehr unterschiedliche Verteilung verschieden grosser, singulärer Tröpfchen erreicht.
Diese Tröpfchen verdampfen aber nur unvollständig, insbesondere falls die Temperatur der Gasströmung nur knapp die Verdamfungstemperatur der Flüssigkeit überschreitet. Dadurch ergeben sich in weiterer Folge mehr oder weniger stark ausgeprägte Unregelmässigkeiten in der Dampfverteilung, die sich im eventuell nachfolgenden Prozess negativ bemerkbar machen können. Durch die unregelmässige Verteilung kann es auch zur kaum vorhersagbaren Wand- anlagerung der eingebrachten Substanz in flüssiger Form kommen, da sich die Tröpfchen an allen kalten Stellen der Wand wieder zu einem Flüssigkeitsfilm vereinigen. Diese Flüssig- keitsansammlungen sind meist unerwünscht und können - bei stärkerer Ausbildung - auch prozessgefahrdend werden.
Vereinzelt kann es auch vorkommen, dass grössere Tröpfchen - ohne zu verdampfen - von dem Gasstrom mitgerissen werden und den Nachfolgeprozess errei- chen.
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Ein weiterer Nachteil ist, dass leistungsfähigere Systeme, wie Hochdruckpumpen mit hoch- drucktauglichen Zerstäubungsdüsen, nicht kontinuierlich, sondern intermittierend arbeiten.
Damit wird aber die exakte Dosierung der im einzelnen Schritt zu zerstäubenden Substanz- menge zum vorrangigen Problem. Bekannte Systeme zur Zerstäubung sind daher sehr auf- wendig und kostspielig.
Dazu kommt, dass für jede flüssige Substanz eigene Zerstäubungseinrichtungen konzipiert und verwendet werden müssen, da sich die Flüssigkeiten grundsätzlich in chemischer und physi- kalischer Hinsicht stark unterscheiden. So besitzt beispielsweise Wasser völlig andere tribolo- gische Eigenschaften als ein Kraftstoff.
Eine Möglichkeit, die genannten Nachteile zu vermeiden, ist, die einzubringende Substanz zuerst völlig zu verdampfen und sie erst anschliessend dem Gasstrom zuzumischen. Diese Lö- sung ist jedoch aufwendig und damit auch teuer.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Verdampfungsoberfläche im Eindampfungsbe- reich, beispielsweise durch Verwendung von porösen Materialien zu erhöhen.
Aus der US 4 088 104 A ist eine Einrichtung zur Erhöhung der Verdunstungsrate für Flüssig- keiten bekannt, welche einen konischen, porösen Hohlkörper aufweist. Die mit Benzin ange- reicherte kalte Frischluft strömt dabei durch den porösen Körper. Dadurch werden geome- trisch die Bedingungen zur Benzinverdunstung, die aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit der Frischluft gegeben ist, verbessert. Trotzdem können aber Flüssigkeitsteilchen in den Gasstrom gelangen. Wegen der tiefen Temperaturen tritt nur eine Verdunstung, aber keine Verdampfung auf.
Aus der US 4 997 598 A ist ebenfalls eine Einrichtung zur Erhöhung der Verdunstungsrate von Flüssigkeiten mit einer Düse bekannt, welche eine Wand aus porösem Material, bei- spielsweise aus gesintertem Bronze aufweist, durch welche die Flüssigkeit, beispielsweise ein Kraftstoff, verdampft wird. Die Durchfluss- und Verdunstungscharakteristik der Flüssigkeit durch das poröse Material wird dabei durch unterschiedliche Oberflächenbehandlung defi- niert, was relativ aufwendig ist.
Aus der SU 1 158 889 A ist eine Verdunstungseinrichtung mit einem Kapillarrohr bekannt, welches sich in eine Kammer erweitert, in welcher poröses Material angeordnet ist, dessen an den Gasstrom grenzende Oberfläche eingebuchtet ist. Die erreichbaren Verdampfungsraten sind mit dieser Einrichtung allerdings nur sehr klein.
Aus der GB 1 496 548 A ist weiters eine Verdunstungs- bzw. Verdampfungseinrichtung für den Einlassströmungsweg einer Brennkraftmaschine bekannt, welche im Bodenbereich eine poröse Oberfläche aufweist, welche über Asbestfasern mit einem Tank verbunden ist. Durch die Kapillarwirkung der Asbestfasern gelangt das Wasser aus dem Tank zum porösen Mate- rial, wo es verdunstet bzw. verdampft. Die Verdunstungs- bzw. Verdampfungsrate ist auch hier relativ gering, insbesondere ausserhalb des Vollastbereiches, wenn die zur Verdampfung erforderliche Ladelufttemperatur noch nicht erreicht wird. Da die Asbestfasern direkt vom Tank ausgehen, darf die Entfernung zwischen Tank und dem porösen Material nicht zu gross
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sein. Dadurch ergeben sich konstruktive Zwänge in der Anordnung der Verdampfungsein- richtung und des Tankes.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine Verdampfungs- einrichtung vorzuschlagen, mit welcher mit möglichst geringem Aufwand hohe Verdamp- fungsraten erzielt werden können.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der poröse Körper zumindest teilweise in die Gasströmung hineinragt. Da der poröse Körper nicht nur im Wandbereich angeordnet ist, sondern in den Gasstrom hineinragt, wird dessen Oberfläche vom Gas umströmt. Durch die relativ grosse vom Gas kontaktierte Oberfläche des porösen Körpers wird die Verdampfungs- rate gesteigert.
Der poröse Körper besteht vorzugsweise aus einem porösen, metallischen Sinterkörper. Dazu eignen sich am besten Körper aus zusammengeschweissten Aluminium- oder Bronzekügel- chen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erste Ende des Kapillarenkörper tiefer angeordnet ist als das zweite Ende.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verdampfungselement im wesentlichen eine längliche, vorzugsweise eine zylindrische Gestalt aufweist und vorzugsweise quer in den Gasströ- mungsweg einmündet. Dadurch wird bei möglichst geringer Steigerung des Strömungswider- standes erreicht, dass eine grosse Oberfläche des porösen Körpers von der zu verdampfenden Flüssigkeit benetzt wird. Da der poröse Körper radial weit in die Gasströmung hineinragt, wird dieser mit relativ hoher Gasgeschwindigkeit angeströmt und umströmt, was sich vorteil- haft auf die Verdampfungsrate auswirkt. Dabei steht eine grosse Verdampfungsoberfläche zu Verfügung, wobei der poröse Körper in direktem Kontakt mit dem warmen Gasstrom steht und rasch von diesem aufgeheizt wird.
Das in die Gasströmung hineinragende Ende des porö- sen Körpers kann zur Verminderung des Strömungswiderstandes abgerundet und vorzugsweise auf der der Strömung zugewandten Seite durch ein eng anliegendes Metallschild abgedeckt sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist für einzudampfende Flüssigkeiten vorgesehen, dass der poröse Körper einen länglichen Kapillarenkörper zumin- dest teilweise umgibt, dessen erstes Ende vorzugsweise im Bereich des Anschlusses und des- sen zweites Ende innerhalb des porösen Körpers angeordnet ist. Die Flüssigkeit kommt über eine Zuleitung von einem Aussentank in den Bereich des ersten Endes des Kapillarenkörpers, welches tiefer angeordnet ist als das zweite Ende. Durch die Kapillarenwirkung wird der Flüs- sigkeitsspiegel auf die Höhe des porösen Körpers angehoben und die Flüssigkeit kommt in Kontakt mit dem aussenliegenden porösen Körper. Dieser poröse Körper, der eine sehr grosse wirksame Oberfläche besitzt, ist der eigentliche Teil, wo die Verdampfung der Flüssigkeit stattfindet.
Durch den Kapillarenkörper werden auch eventuell vorhandene Druckschwankun- gen in der Zuleitung soweit gedämpft und unschädlich gemacht, dass ein Überschwappen der Flüssigkeit ins Gas mit Sicherheit unterbunden wird. Falls die einzudampfende Substanz gel- bzw. wachsartig ist, wird der Kapillarenkörper weggelassen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der poröse Körper innerhalb des Strömungsweges teilweise von einem Gehäusemantel umgegeben ist, wobei vorzugsweise der zumindest teilweise in die Gasströmung ragende Gehäusemantel an der Anströmseite hochgezogen und an der Abström- seite gegenüber dem porösen Körper freigestellt ist. Durch den hochgezogenen Gehäuseman- tel wird einerseits ein Mitreissen eventuell vorhandener Flüssigkeitströpfchen verhindert und andererseits der poröse Körper vor eventuell vorhandenen Verunreinigungen im Gas ge- schützt.
Der Kapillarenkörper selbst kann aus Fasermaterial oder aus einem zweiten, sehr viel feineren Sinterkörper als der poröse Körper bestehen, beispielsweise aus poröser Keramik mit grossem Durchflusswiderstand.
Der poröse Körper, der sich im direkten Kontakt mit dem Gasstrom befindet, wird von diesem selbst aufgeheizt. Dies ist allerdings nur dann möglich, wenn sich die Gastemperatur stets über der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit befindet. Ist die Gastemperatur zu niedrig, kann vorgesehen sein, dass der poröse Körper elektrisch beheizbar ist.
Bevorzugte Anwendungsgebiete des erfindungsgemässen Verdampfungselementes sind Luft- oder Abgasleitungen von Brennkraftmaschinen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Verdampfungselement in einer Abgasrückführleitung angeordnet ist, wobei vorzugsweise die in das rückgeführte Abgas eingedampfte Flüssigkeit Wasser ist.
Das erfindungsgemässe Verdampfungselement ist im wesentlichen selbstregelnd. Der Haupt- regelparameter ist dabei die Temperatur des porösen Körpers. Je höher diese ist, desto mehr Flüssigkeit kann verdampfen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 das erfindungsgemässe Verdampfungselement in einem Längsschnitt und Fig.
2 ein Ausführungsbeispiel bei einer Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung.
Die Figuren zeigen ein in einen Strömungsweg 1 eingebautes Verdampfungselement 3. Im Beispiel wird der Strömungsweg 1 durch eine Abgasrückführleitung einer Brennkraftma- schine 2 gebildet. Das Verdampfungselement 3 besteht aus einem im wesentlichen zylindri- schen porösen Körper 4, einem den porösen Körper 4 zum Teil umgebenden Gehäusemantel 5 und einem Kapillarenkörper 6. Beim porösen Körper 4 handelt es sich um einen in den Ge- häusemantel 5 eingepressten, porösen Metallteil mit möglichst grosser Oberfläche, welcher beispielsweise aus gesintertem Aluminium oder Bronze besteht. Das in die Gasströmung 7 der Abgasrückführleitung 1 einmündende Ende 8 des porösen Körpers 4 ist abgerundet, um den Luftwiderstand möglichst gering zu halten. Der Kapillarenkörper 6 ist in einer axialen Boh- rung 9 des porösen Körpers 4 angeordnet.
Das Gehäuse 10 des Verdampfungselementes 3 weist einen Anschluss 11 zur Zuführung der einzudampfenden Flüssigkeit auf. An diesen ist eine Zuführleitung 12 angeschlossen, welche von einem Tank 13 ausgeht. Der Tank 13 ist weiters über eine weitere Druckausgleichsleitung 14 mit der Abgasrückführleitung 1 verbunden.
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Das erste Ende 15 des Kapillarenkörpers 6 ist im Bereich des Anschlusses 11angeordnet. Das zweite Ende 16 des Kapillarenkörpers 6 befindet sich mitten im porösen Körper 4. Der Ka- pillarenkörper 6 hat die Aufgabe einerseits den Flüssigkeitsspiegel auf die Höhe des porösen Körpers 4 zu heben und andererseits die eventuell vorhandenen Druckschwankungen in der Zuführleitung 12 soweit zu dämpfen und somit unschädlich zu machen, dass ein Überschwap- pen der Flüssigkeit in die Gasströmung 7 mit Sicherheit unterbunden bleibt. Der Kapillaren- körper 6 kann aus Fasermaterial, feinem Metallmaschengeflecht oder aber aus einem weiteren Sinterkörper bestehen, der viel feiner ausgebildet ist als der poröse Körper 4, beispielsweise aus poröser Keramik mit grossem Durchflusswiderstand.
Der Gehäusemantel 5 ist direkt in radialer Richtung in die Abgasrückführleitung 1 einge- schraubt. An der Anströmseite 5a ist der Gehäusemantel 5 hochgezogen, um ein Mitreissen eventuell vorhandener Flüssigkeitströpfchen zu verhindern. Ausserdem soll der poröse Körper 4 gegen eventuell vorhandene Verunreinigungen geschützt werden. An der Abströmseite 5b ist der Gehäusemantel 5 ausgenommen.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsvariante mit einen in die Bohrung 9 eingesetzten Ka- pillarenkörper 6 eignet sich für einzudampfende Flüssigkeiten. Hat die einzudampfende Sub- stanz eine gel- bzw. wachsartige Konsistenz, so wird der Kapillarenkörper 6 weggelassen. In diesem Fall muss die einzudampfende Substanz über eine separate Fördereinrichtung dem Verdampfungselement 3 zugeführt werden. Insbesondere zur Verdampfung von gel- bzw. wachsartigen Substanzen ist eine separate externe beispielsweise elektrische Heizung des po- rösen Körpers 4 vorteilhaft. Eine externe Aufwärmung ist aber auch bei einzudampfenden Flüssigkeiten von Vorteil, wenn die Gastemperatur zu niedrig ist.
Das Verdampfungselement 3 wird bei Verwendung eines Kapillarenkörpers 6 grundsätzlich so eingebaut, dass sich die Zulauföffnung 11an der tiefsten Stelle befindet. Die Längsachse 3a des Verdampfungselementes 3 ist dabei etwa senkrecht ausgerichtet bzw. kann um einen Winkel von +/- 45 von der Senkrechten abweichen.
Die Flüssigkeit kommt über die Zuleitung 12 vom Tank 13 in den Bereich des Kapillarenkör- pers 6. Durch die Kapillarenwirkung wird der Flüssigkeitsspiegel angehoben und die Flüssig- keit kommt in Kontakt mit dem aussenliegenden porösen Körper 4. Dieser poröse Körper 4 besitzt eine sehr grosse wirksame Oberfläche und ist der eigentliche Teil, wo die Verdampfung der Substanz stattfindet. Der poröse Körper 4 wird dabei direkt vom Gasstrom aufgeheizt. Die Gastemperatur muss dabei allerdings stets über der Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit liegen. Ist die Gastemperatur zu niedrig, so muss der poröse Körper 4 extern, beispielsweise elektrisch beheizt werden.
Das beschriebene Verdampfungselement 3 ist im wesentlichen selbstregelnd. Der Hauptregel- parameter ist dabei die Temperatur des porösen Körpers 4. Je höher diese ist, desto mehr Flüs- sigkeit verdampft. Neben den rein konstruktiven Möglichkeiten, die maximale Durchtritts- menge der Flüssigkeit festzulegen (Durchmesser der Zuleitung 12, Fallhöhe des Tanks 13, Oberfläche des porösen Körpers 4, Durchflusswiderstand des Kapillarenkörpers 6 etc. ) kann über folgende Parameter die Verdampfung beeinflusst werden:
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a) Temperatur des porösen Körpers 4. b) Druck im Tank 13. c) Drosselung der Flüssigkeitsmenge in der Zuleitung 12 über ein in den Figuren nicht wei- ter dargestelltes Regelventil.
Da beim Betrieb mit einer zu verdampfenden gel- bzw. wachsartigen Substanz die Zuführung dieser über eine Fördereinrichtung erfolgt, liegen keine Beschränkungen hinsichtlich der Ein- baulage vor.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Einbaubeispiel des Verdampfungselementes 3 in der Abgas- rückführleitung 1 wird Wasser in die heisse Gasströmung 7 eingebracht. Die Menge der Gas- strömung 7 kann über das Abgasrückführventil 17 gesteuert werden. Durch die Abgasrückfüh- rung allein können die NOx-Emissionen einer Brennkraftmaschine um mehr als 50% gesenkt werden. Wird, wie im vorliegenden Fall, die rückgeführte Abgasmenge zusätzlich gekühlt (Entzug der Verdampfungswärme), ist eine weitere Reduktion der NOx-Emissionen um 10- 20% möglich. Der vorhandene Wasserdampf im rückgeführten Abgas (ca. 5-20% der aktuel- len Kraftstoffmasse) senkt zusätzlich auch den Kraftstoffverbrauch im Teillastbereich um einige Prozentpunkte.
Das beschriebene Verdampfungselement 3 hat den Vorteil, dass die zu verdampfende Substanz exakt dosiert dem Gasstrom zugesetzt werden kann. Der in den Gasstrom ragende poröse Körper 4, der im wesentlichen quer zur Gasströmung angeordnet ist, ermöglicht hohe Ver- dampfungsraten. Die Zuführung durch den Kapillarenkörper 6 bewirkt, dass die Einbringung von Flüssigkeitströpfchen in den Gasstrom weitgehend verhindert wird.