DD214172A1

DD214172A1 - DEVICE FOR THE EVAPORATION OF DEEP DEBRIS, LIQUIDED FUEL GASES

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.The invention relates to the heat exchange between the liquefied in a cryotank stored fuel gas for a preferably mobile used engine and the latter sucked Verbrennungsluft.Um to avoid operating problems, the use of liquefied combustion gases operational or weather conditions set, is a clear Reduction of the moisture content of the combustion air sought. This is done by integrating two heat exchangers in the intake system or the fuel gas supply of an engine. One of these heat exchangers is in a conventional manner a z. B. arranged in the air filter evaporator for coming from the cryogenic tank, still liquid fuel gas. The fuel gas leaving this evaporator now passes into another, located in the intake duct for the combustion air heat exchanger. Here, the fuel gas is approaching the ambient temperature and, on the other hand, the combustion air is precooled. The humidity condenses for the most part and is discharged from the intake shaft. As a result, icing of the air filter is avoided and improves the Fulungsgead the engine.

Description

Titel der Erfindung: - " . . Title of the invention: - ".

Einrichtung zur Verdampfung von tiefsiedenden, verflüssigten "BrenngasenDevice for the evaporation of low-boiling, liquefied "combustion gases

Field of application of the invention:

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.The invention is used in internal combustion engines, which are operated with fuel gases and in particular for driving motor vehicles, For this purpose, stored in liquefied SOrm in cryogenic tanks gases such as, B, methane from Brdgas, sewage gas or biogas and other low-boiling fuel gases be returned to the gas phase.

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), Characteristic of the known technical solutions: The conversion of the liquefied stored fuel gases in their original gaseous state takes place on the way between cryogenic tank and engine through one or more heat exchangers, for heating serve z, B. the intake air and the cooling liquid (DE-OS 21 08 183) or, vice versa (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 imIt is also known to use only the combustion air supplied to the engine for vaporizing the liquefied fuel gas. The arranged in the intake manifold heat exchanger consists of fuel gas flowed through pipes, which are surrounded by Wirkgraderhöhne ribs and open with their ends in flash tank. In a combustion engine according to stoichiometric ratio z, B, for methane, the combustion air cools in

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.Heat exchanger by about 40 to 50 K from -wenn, when the heat that is supplied to the fuel gas, is extracted exclusively from the combustion air. The, contact of the relatively warm air with the cold heat exchanger surfaces leads .dabei to condense the natural humidity and, consequently, to icing of the heat exchanger, the efficiency of which now deteriorates considerably. It can thus happen that the liquid fuel gas is no longer completely evaporated and liquid droplets get into the intake pipe or into the combustion chamber. One. Such uneven fuel gas supply leads to a turbulent engine running or even to malfunction, because in unfavorable Pail (especially at high humidity), it can come in the heat exchanger area to freeze the airways.

Object of the invention:

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung sollen witterungswie auch betriebsbedingte Funktionsstörungen von mit verflüssigten Brenngasen betriebenen Motoren vermieden werden,The device according to the invention is intended to avoid weather-related as well as operational malfunctions of engines operated with liquefied combustion gases,

presentation; the essence of the invention:

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.The technical problem to be solved is to decisively reduce the moisture content of the intake air before it enters into liquid exchange with the liquid phase of the combustion gases.

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, sichThe achievement of this object is that the intake system of an engine with two heat exchangers is combined, which belong to the system of fuel gas supply ». One of these heat exchangers, it has the function of an evaporator, is integrated into the air filter and consists for. B * from a arranged inside the annular air filter cartridge copper coil, on the one hand with the. liquid content of the cryotank for the fuel gas is in communication and on the other hand extends to a second heat exchanger. This consists of an air filter upstream, elongated, itself

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.preferably in the vertical direction extending intake duct for the combustion air, in which there are a plurality of longitudinal heat exchanger tubes for coming from the evaporator in the air filter fuel gas. The fuel gas leaves the intake duct in the vicinity of the inlet openings for the air, so that the combustion air sucked in by the engine and the fuel gas flowing to the engine are in countercurrent. The lines for combustion air and fuel gas finally unite in a mixing device close to the engine, the vaporous portion of the fuel gas in the cryotank is discharged through a separate gas pipe, between the evaporator and intake duct in the line coming from the evaporator, fuel gas line; a passage of the evaporator is unnecessary in this Pail. The need for such an additional, separately switchable gas line results from the fact that the incident through the insulation of the cryogenic tank heat flow causes evaporation of fuel gas, At times when no gas removal takes place, the evaporating gas increases the internal pressure of the container, which at startup by The lower part of the suction duct has a pipe connection to the evaporator, z, B, to the outer jacket of the air filter and a reservoir for the accumulating condensation on the lowest point by a Valve opening can be drained.

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,In the evaporator there is a transfer of heat from the combustion air into the flowing from your cryotank in the copper coil liquid fuel gas, whereby a substantial evaporation of the liquid phase occurs «The high temperature difference between combustion air. and. Combustion gas in combination with the usual humidity normally leads to icing of the air filter combined with the evaporator and. thus significant functional impairments in engine operation,

β φ ·β φ ·

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,This is avoided by pre-drying the combustion air, which takes place during the heat exchange in the intake duct and causes the air depending on the moisture content and ambient temperature between 50 and 90 % of its water content loses and is cooled by about 15 to 20 K. By appropriate arrangement and design of the heat exchanger tubes in the intake shaft can be taken to influence that they do not or at most slightly freeze, however, the largest part of the condensate precipitates in droplet form and drips into the deepest part of the intake duct. In favorable conditions, the fuel gas after passage of both heat exchanger approximately ambient temperature and the combustion air has such a reduced temperature that thereby enters a significant improvement in the degree of filling in the engine,

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.Sine inventive feature is that dispenses with a combination of Verdamper and air filter and instead of the air filter is placed in front of two heat exchangers, so d.aQ already cleaned. Combustion air into the intake duct, ie in the first heat exchanger, and then "to the evaporator, the second heat exchanger, passes.

Embodiment:

Anhand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung näher erläutert»Reference to a drawing, an embodiment of the device according to the invention is explained in more detail »

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 anThe suction pipe 1 of the engine 2 is connected to the air filter 4 via a fresh air pipe 3. The liquefied fuel gas required for engine operation is located in a Krvotank (not shown) whose dip tube, which extends to the lowest central liquid point, discharges out of the tank into a copper pipe coil 5 is arranged in the interior of the annular air filter insert 6. The reusable from the air filter 4 line 7 of the copper coil 5 is guided in an elongated intake duct 8, not far from this point a pipe connection 9 zum'Außenmantel the air filter 4 and to

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,at its lowest point has a valve opening 10 ", while the opposite end 11 of the intake duct 8 has inlet openings 12. The conduit 7 continues in a plurality of heat exchanger tubes 13 which extend longitudinally through the intake duct 8 and again in its upper part by a conduit 14 outside the intake duct 8 opens this line 14 in a solenoid valve 15, then in a pressure regulator 16, which is a throttle valve 17 downstream, and ultimately close to the engine 2 in a fresh air tube 3 located in the mixing device 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.The vaporous content of Kryotankinhalts forms the pressure pad to promote the Flussigphase on the dip tube in the air filter 4 »If the container internal pressure exceeds a certain limit, the Kryo ^s tank via a gas pipe 19, which opens between air filter 4 and 8 intake duct into the line 7 , Evaporated fuel gas removed until the internal pressure of the container has dropped to a certain minimum pressure.

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.The device described above in its construction operates as follows. Through the Eintrittsoffnungen 12, the combustion air passes into the intake duct 8, then through the pipe connection 9 in the air filter 4, which it leaves through the fresh air pipe 3 to reach the intake manifold 1 of the engine 2 after passage of the mixing device 18. The fuel supply is such that the cryotank associated, known control means with priority initially ensure the escape of the gaseous content, if the container internal pressure exceeds a certain value. The gas passes via the gas pipe 19 into the conduit 7, from there through the heat exchanger tubes 13 extending in the intake duct 8 into a conduit 14. Finally, in the mixing device 18, the fuel gas discharged from the conduit 14 is introduced uniformly into the combustion air flowing in the fresh air duct 3.

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.As soon as the pressure in the cryotank falls below a certain value, the pressure in the air filter 4 ensures a heat exchange with the pressure in accordance with a pressure-dependent automatic reversal by the [internal pressure of the liquid phase, which now flows on a separate path in the krvores.istente copper coil Combustion air, whereby the liquid phase is converted to the desired gaseous state. Via the line 7, the fuel gas passes, as already described, to the engine 2. In the fuel gas, whether coming from the gas pipe 19 or from the copper pipe 5, it is still a cold medium. For this reason, the combustion air undergoes considerable cooling within the intake duct 8 at its counterflow to the fuel gas carrying heat exchanger tubes 13. The moisture components of the combustion air condensing on the heat exchanger tubes T3 accumulate at the lowest point of the suction duct 8 and can be discharged via a valve opening 10 , The thus pre-cooled, relatively dry combustion air can not cause annoying icing more su in the following air filter passage.

Claims

ο O ο 0 0 β Entitlement to the invention:

1, device for the evaporation of low-boiling, liquefied fuel gases, which are returned to their gaseous state by heat exchange with the combustion air, z, B, within the air filter, characterized in that the intake system of an engine (2) comprises two heat exchangers connected in series, wherein a first through the combustion air, preferably in the vertical direction extending, elongated intake duct (8) longitudinally extending heat exchanger tubes (13) encloses those of another heat exchanger, z., A of the combustion air flowing around, liquefied fuel gas receiving copper coil ( 5) fuel gas flows in, which collects after passage of the heat exchanger tubes (13) in the region of the combustion air entering the intake duct (8) in a line (14) leading to the mixing means (18) of the pristine air duct (3) close to the engine;

2. Device according to item 1, characterized in that the suction duct (8) downstream of the flow direction of the combustion air ago or, upstream of the flow direction d.es fuel gas, z «B, from a copper coil (5) existing heat exchanger (evaporator ) integrated in a manner known per se in the air filter (4), in particular within an air filter insert (6) is arranged,

3 · Setup according to item 1 and. 2, characterized in that between the evaporator and suction duct (8) in the outgoing line from the evaporator line (7) opening gas pipe (19) with the uppermost portion of the fuel gas tank interior is in communication.

4. Equipment according to item 1 and. 3 »characterized in that the air filter upstream of two heat exchangers, for the intake combustion air is thus first transit station,

5. Device according to item 1 to A-, characterized in that the lowest point of not far above by a pipe connection (9) to the evaporator or the air filter (4) connected to the intake duct (8) has a valve opening (10) for accumulating condensation ,

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