DD214172A1

DD214172A1 - Einrichtung zur verdampfung von tiefsiedenden, verfluessigten brenngasen

Info

Publication number: DD214172A1
Application number: DD83248711A
Authority: DD
Inventors: Andreas Schmeltzer
Original assignee: Ifa Motorenwerke
Priority date: 1983-03-11
Filing date: 1983-03-11
Publication date: 1984-10-03

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf den Waermeaustausch zwischen dem in einem Kryotank verfluessigt gespeicherten Brenngas fuer einen vorzugsweise mobil eingesetzten Motor und der von letzterem angesaugten Verbrennungsluft.Um Betriebsstoerungen zu vermeiden,die sich bei der Verwendung verfluessigter Brenngase betriebs- bzw. witterungsbedingt einstellen, wird eine deutliche Reduzierung des Feuchtigkeitsgehaltes der Verbrennungsluft angestrebt. Dies geschieht durch die Integration zweier Waermetauscher in das Ansaugsystem bzw. die Brenngaszufuehrung eines Motors. Einer dieser Waermetauscher ist in an sich bekannter Weise ein z. B. im Luftfilter angeordneter Verdampfer fuer das vom Kryotank kommende, noch fluessige Brenngas. Das diesen Verdampfer verlassende Brenngas gelangt nun in einen weiteren, im Ansaugschacht fuer die Verbrennungsluft befindlichen Waermetauscher. Hier wird das Brenngas der Umgebungstemperatur angenaehert und anderseits die Verbrennungsluft vorgekuehlt. Dabei kondensiert die Luftfeuchtigkeit zum groessten Teil und wird aus dem Ansaugschacht abgeleitet. Dadurch wird eine Vereisung des Luftfilters vermieden sowie der Fuellungsgead des Motors verbessert.

Description

Titel der Erfindung: - " . .

Einrichtung zur Verdampfung von tiefsiedenden, verflüssigten "Brenngasen

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung kommt bei Verbrennungskraftmaschinen zur Anwendung, die mit Brenngasen betrieben werden und insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dienen, Zu diesem Zweck müssen die in verflüssigter SOrm in Tieftemperaturtanks gespeicherten Gase, wie z, B, Methan aus Brdgas, Klärgas oder Biogas sowie andere tiefsiedende Brenngase in die Gasphase zurückgeführt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Die Umwandlung der flüssig gespeicherten Brenngase in ihren ursprünglichen gasförmigen Zustand erfolgt auf dem Weg zwischen Tieftemperaturtank und Motor durch einen oder mehrere Wärmetauscher;, zur Aufheizung dienen dabei z, B. die Ansaugluft und die Kühlflüssigkeit (DE-OS 21 08 183) bzw, umgekehrt (DE-OS 26 13 175),

Es ist auch bekannt, allein die dem Motor zugeführte Verbrennungsluft zum Verdampfen des verflüssigten Brenngases zu nutzen. Der dazu in der Ansaugleitung angeordnete Wärmetauscher besteht aus brenngasdurchströmten Rohren, die von wirkungsgraderhöhenden Rippen umschlossen sind und mit ihren Enden in Entspannungsbehälter münden. Bei einer motorischen Verbrennung nach stöchiometrischem Verhältnis z, B, für Methan kühlt sich die Verbrennungsluft im

Wärmetauscher um etwa 40 bis 50 K ab, -wenn die Wärme, die dem Brenngas zugeführt wird, ausschließlich der Verbrennungsluft entzogen wird. Der ,Kontakt der relativ warmen Luft mit den kalten Wärmetauscherflächen führt .dabei zum Kondensieren der natürlichen Luftfeuchtigkeit und in der Folge zum Vereisen des Wärmetauschers, dessen Wirkungsgrad, sich nunmehr erheblich verschlechtert. Es kann somit dazu kommen, daß das flüssige Brenngas nicht mehr vollständig verdampft und Flüssigkeitströpfchen mit in das Ansaugrohr bzw. in den Brennraum gelangen. Eine . solche ungleichmäßige Brenngasbereitstellung führt zu einem unruhigen Motorlauf oder gar zu Betriebsstörungen, denn im ungünstigen Pail (insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit) kann es im Wärmetauscherbereich zum Zufrieren der Luftwege kommen.

Ziel der Erfindung:

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung sollen witterungswie auch betriebsbedingte Funktionsstörungen von mit verflüssigten Brenngasen betriebenen Motoren vermieden werden,

Darlegung; des Wesens der Erfindung:

Die zu lösende technische Aufgabe besteht darin, den Feuchtigkeitsgehalt der Ansaugluft, bevor sie in 7/armeaustausch mit der Flüssigphase der Brenngase tritt, entscheidend zu verringern.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das Ansaugsystem eines Motors mit zwei Wärmetauschern kombiniert ist, die zum System der Brenngasbereitstellung gehören». Einer dieser Wärmetauscher, er hat die Funktion eines Verdampfers, ist in den Luftfilter integriert und besteht z. B* aus einer innerhalb des ringförmigen Luftfiltereinsatzes angeordneten Kupferrohrschlange, die einerseits mit dem. flüssigen Inhalt des Kryotanks für das Brenngas in Verbindung steht und andererseits zu einem zweiten Wärmetauscher verläuft. Dieser besteht aus einem dem Luftfilter vorgeschalteten, länglichen, sich

vorzugsweise in vertikaler Richtung erstreckenden Ansaugschacht für die Verbrennungsluft, in d.em sich mehrere längs verlaufende Wärmetauscherrohre für das vom Verdampfer im Luftfilter kommende Brenngas befinden. Das Brenngas verläßt den Ansaugschacht in der Nähe der Eintrittsöffnungen für die Luft, so daß sich die vom Motor angesaugte Verbrennungsluft und das zum Motor strömende Brenngas im Gegenstrom befinden. Die Leitungen für Verbrennungsluft und Brenngas vereinigen sich schließlich in einer motornahen Mischeinrichtung, Der dampfförmige Anteil des Brenngases im Kryotank wird durch ein separates Gasrohr abgeleitet, und zwar zwischen Verdampfer und Ansaugschacht in die vom Verdampfer kommende, Brenngas führende Leitung; eine Passage des Verdampfers erübrigt sich in diesem Pail. Die Notwendigkeit einer solchen zusätzlichen, separat abschaltbaren Gasleitung ergibt sich daraus, daß der durch die Isolation des Kryotanks einfallende Wärmestrom eine Verdampfung von Brenngas bewirkt, Zu Zeiten, in denen keine Gasentnahme stattfindet, erhöht das abdampfende Gas d.en Behälterinnendruck, der bei Inbetriebnahme durch Gasentnahme direkt aus der Dampfphase bis auf den normalen Betriebsdruck der Anlage abgebaut wird, Der untere Teil des Ansaugschachtes weist eine Rohrverbindung zum Verdampfer, z, B, zum Außenmantel des Luftfilters sowie ein Sammelbecken für das anfallende Kondenswasser auf, das an der tiefsten Stelle durch eine Ventilöffnung abgelassen werden kann.

Im Verdampfer kommt es zu einem Wärmeübergang von der Verbrennungsluft in das aus dein Kryotank in die Kupferrohrschlange strömende flüssige Brenngas, wodurch eine weitgehende Verdampfung der Flüssigphase eintritt« Die hohe Temperaturdifferenz zwischen Verbrennungsluft . und. Brenngas v/ürde in Verbindung mit der üblichen Luftfeuchtigkeit normalerweise zur Vereisung des mit dem Verdampfer kombinierten Luftfilters führen und. damit zu deutlichen funktioneilen Beeinträchtigungen im Motorbetrieb,

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Das wird nun durch eine Vortrocknung der Verbrennungsluft vermieden, die bei dem Wärmeaustausch im Ansaugschacht stattfindet und dazu führt, daß die Luft je nach Feuchtigkeitsanteil und Umgebungstemperatur zwischen 50 und 90 % ihres Wassergehaltes verliert sowie um etwa 15 bis 20 K abgekühlt wird. Durch zweckmäßige Anordnung und Gestaltung der Wärmetauscherrohre im Ansaugschacht kann darauf Einfluß genommen werden, daß sie nicht oder höchstens geringfügig vereisen, sich dagegen der größte Teil des Kondenswassers in Tröpfchenform niederschlägt und in den tiefsten Teil des Ansaugschachtes abtropft. Bei günstigen Verhältnissen hat das Brenngas nach der Passage beider Wärmetauscher annähernd Umgebungstemperatur und die Verbrennungsluft eine derart verringerte Temperatur, daß dadurch eine deutliche Füllungsgradverbesserung im Motor eintritt,

Sine erfindungsgemäße Besonderheit besteht darin, daß auf eine Kombination von Verdamper und Luftfilter verzichtet und statt dessen der Luftfilter vor beiden Wärmetauschern angeordnet wird, so d.aQ bereits gereinigte. Verbrennungsluft in den Ansaugschacht, also in den ersten Wärmetauscher, und "dann zum Verdampfer, dem zweiten Wärmetauscher, gelangt.

Ausführungsbeispiel:

Anhand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung näher erläutert»

Das Saugrohr 1 des Motors 2 steht über ein Frischluftrohr 3 mit dem Luftfilter 4 in Verbindung.. Das für den Motorbetrieb benötigte verflüssigte Brenngas befindet sich in einem.nicht dargestellten Krvotank, dessen zum tiefsten zentralen Flüssigkeitspunkt reichendes Tauchrohr tankextern in eine Kupferrohrschlange 5 mündet, die im Innern des ringförmigen Luftfiltereinsatzes 6 angeordnet ist. Die aus dem Luftfilter 4 wieder auslastende Leitung 7 der Kupferrohrschlange 5 wird in einen länglichen Ansaugschacht 8 geführt, der unweit von dieser Stelle eine Rohrverbindung 9 zum'Außenmantel des Luftfilters 4 sowie an

seinem tiefsten Punkt eine Ventileffnung 10 "besitzt, während das entgegengesetzte Ende 11 des Ansaugschachtes 8 Eintrittsöffnungen 12 aufweist, Die Leitung 7 setzt sich in mehreren Wärmetauscherrohren 13 fort, die sich längs durch den Ansaugschacht 8 erstrecken und. in seinem oberen Teil erneut durch eine Leitung 14 zusammengefaßt werden* Außerhalb des Ansaugschachtes 8 mündet diese Leitung 14 in ein Magnetventil 15, anschließend in einen Druckregler 16, dem eine Drosselklappe 17 nachgeordnet ist, und letztlich nahe am Motor 2 in eine in dem Frischluftrohr 3 befindliche Mischeinrichtung 18,

Der dampfförmige Anteil des Kryotankinhalts bildet das Druckpolster zur Förderung der Flussigphase über das Tauchrohr in den Luftfilter 4» Übersteigt der Behälterinnendruck einen bestimmten Grenzwert, so wird dem Kryo^stank über ein Gasrohr 19, das zwischen Luftfilter 4 und Ansaugschacht 8 in die Leitung 7 einmündet, dampfförmiges Brenngas entnommen, bis der Behälterinnendruck auf einen bestimmten Mindestdruck abgesunken ist.

Die vorstehend in ihrem Aufbau beschriebene Einrichtung arbeitet wie folgt. Durch die Eintrittsoffnungen 12 gelangt die Verbrennungsluft in den Ansaugschacht 8, anschließend durch die Rohrverbindung 9 in den Luftfilter 4, den sie durch das Frischluftrohr 3 verläßt, um nach Passage der Mischeinrichtung 18 das Saugrohr 1 des Motors 2 zu erreichen. Die Kraftstoffzufuhr verläuft derart, daß dem Kryotank zugeordnete, bekannte Steuereinrichtungen mit Vorrang zunächst den Austritt des gasförmigen Inhaltes gewährleisten, falls der Behälterinnendruck einen bestimmten Wert übersteigt. Das Gas gelangt über das Gasrohr 19 in die Leitung 7, von dort durch die im Ansaugschacht 8 verlaufenden Wärmetauscherrohre 13 in eine Leitung 14. In der Mischeinrichtung 18 schließlich wird das aus der Leitung 14 entlassene Brenngas gleichmäßig in die im Frischluftrohr 3 strömende Verbrennungsluft eingebracht.

Sobald der Druck im Kryotank einen bestimmten Wert unterschreitet, erfolgt entsprechend einer druckabhängigen automatischen Umsteuerung durch den [Dankinnendruck der Austritt der Flüssigphase, die nunmehr auf einem separaten Weg in die krvores.istente Kupferrohrschlange 5 strömt, Deren Anordnung im Luftfilter 4 gewährleistet einen Wärmeaustausch mit der Verbrennungsluft, wodurch die Flüssigphase in den gewünschten gasförmigen Zustand überführt wird. Über die Leitung 7 gelangt das Brenngas, wie bereits beschrieben, zum Motor 2. Bei dem Brenngas, gleich ob vom Gasrohr 19 oder von der Kupferrohrschlange 5 kommend, handelt es sich um ein immer noch kaltes Medium. Aus diesem Grunde erfährt die Verbrennungsluft innerhalb des Ansaugschachtes 8 bei ihrem Gegenstrom an den brenngasführenden Wärmetauscherrohren 13 entlang eine beträchtliche Abkühlung, Die dabei an den Wärmetauscherrohren T3 kondensierenden Feuchtigkeitsanteile der Verbrennungsluft sammeln sich an der tiefsten Stelle des Ansaugschachtes 8 und können über eine Ventilöffnung 10 abgelassen werden. Die derart vorgekühlte, relativ trockene Verbrennungsluft vermag bei der folgenden Luftfilterpassage keine störende Vereisung mehr su verursachen.

Claims

ο O ο 0 0 β Erfindungsanspruch: ,

1, Einrichtung zur Verdampfung von tiefsiedenden, verflüssigten Brenngasen, die durch Wärmeaustausch·mit der Verbrennungsluft, z, B, innerhalb des Luftfiiters, in ihren gasförmigen Zustand zurückgeführt werden, gekennzeichnet dadurch, daß das Ansaugsystem eines Motors (2) zwei hintereinandergeschaltete Wärmetauscher aufweist, wobei ein zuerst von der Verbrennungsluft durchströmter, sich vorzugsweise in vertikaler Richtung erstreckender, länglicher Ansaugschacht (8) in Längsrichtung verlaufende Wärmetauscherrohre (13) umschließt, denen von einem anderen Wärmetauscher, z, B. einer von der Verbrennungsluft umspülten, verflüssigtes Brenngas aufnehmenden Kupferrohrschlange (5) Brenngas zuströmt, das sich nach Passage der Wärmetauscherrohre (13) im Bereich der in den Ansaugschacht (8) eintretenden Verbrennungsluft in einer zur motornahen Mischeinrichtung- (18) des Prischluftrohres (3) führenden Leitung (14) sammelt,

2. Einrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der dem Ansaugschacht (8) von der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft her nachgeordnete bzw, von der Strömungsrichtung d.es Brenngases her vorgeschaltete, z« B, aus einer Kupferrohrschlange (5) bestehende Wärmetauscher (Verdampfer) in an sich bekannter Weise in den Luftfilter (4) integriert, insbesondere innerhalb eines Luftfiltereinsatzes (6) angeordnet ist,

3· Einrichtung nach Punkt 1 und. 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein zwischen Verdampfer und Ansaugschacht (8) in die vom Verdampfer ausgehende Leitung (7) einmündendes Gasrohr (19) mit dem obersten Bereich des Brenngastankinnern in Verbindung steht.

4. Einrichtung nach Punkt 1 und. 3» gekennzeichnet dadurch, daß der Luftfilter beiden Wärmetauschern vorgeschaltet, für die angesaugte Verbrennungsluft also erste Durchgangsstation ist,

5. Einrichtung nach Punkt 1 bis A-, gekennzeichnet dadurch, daß der tiefste Punkt des unweit darüber durch eine Rohrverbindung (9) an den Verdampfer bzw. den Luftfilter (4) angeschlossenen Ansaugschachtes (8) eine Ventilöffnung (10) für anfallendes Kondenswasser aufweist.

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