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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,
wobei der poröse
Körper
zumindest teilweise in die Gasströmung hineinragt, wobei der
poröse
Körper
einen länglichen Kapillarenkörper zumindest
teilweise umgibt, dessen erstes Ende im Bereich des Anschlusses
und dessen zweites Ende innerhalb des porösen Körpers angeordnet ist.
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Bei
einer Vielzahl von technischen Anwendungen ergibt sich die Notwendigkeit
in ein strömendes,
gasförmiges
Medium eine Substanz einzubringen und dort verdampfen zu lassen.
Diese Notwendigkeit besteht vornämlich
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 Temperaturerniedrigung der Gasströmung wegen der Verdampfungswärmeverluste
in Kauf genommen wird,
- – dem
Gas wird zum Zweck der Kühlung
durch Entzug der Verdampfungswärme
eine flüssige Substanz
zugesetzt. Die Substanz selbst wird nicht direkt benötigt, ihr
Vorhandensein in der Gasströmung
ist aber auch nicht schädlich
für einen
eventuellen Folgeprozess.
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Im
Idealfall kann sowohl die Substanz selbst, als auch die Kühlung durch
Verdampfungswärme vorteilhaft
eingesetzt werden.
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Es
sind verschiedene Verfahren zum Zusetzen einer Flüssigkeit
in ein Gas bekannt. Die Flüssigkeit
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 einzubringen, damit die
Flüssigkeit
in der Gasströmung
selbst verdampfen kann.
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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 Verdampfungstemperatur
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 Wandanlagerung der eingebrachten
Substanz in flüssiger
Form kommen, da sich die Tröpfchen
an allen kalten Stellen der Wand wieder zu einem Flüssigkeitsfilm
vereinigen. Diese Flüssigkeitsansammlungen
sind meist unerwünscht
und können – bei stärkerer Ausbildung – auch prozessgefährdend werden.
Vereinzelt kann es auch vorkommen, dass größere Tröpfchen – ohne zu verdampfen – von dem Gasstrom
mitgerissen werden und den Nachfolgeprozess erreichen.
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Ein
weiterer Nachteil ist, dass leistungsfähigere Systeme, wie Hochdruckpumpen
mit hochdrucktauglichen Zerstäubungsdüsen, nicht
kontinuierlich, sondern intermittierend arbeiten. Damit wird aber
die exakte Dosierung der im einzelnen Schritt zu zerstäubenden
Substanzmenge zum vorrangigen Problem. Bekannte Systeme zur Zerstäubung sind daher
sehr aufwendig und kostspielig.
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Dazu
kommt, dass für
jede flüssige
Substanz eigene Zerstäubungseinrichtungen
konzipiert und verwendet werden müssen, da sich die Flüssigkeiten grundsätzlich in
chemischer und physikalischer Hinsicht stark unterscheiden. So besitzt
beispielsweise Wasser völlig
andere tribologische Eigenschaften als ein Kraftstoff.
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Eine
Möglichkeit,
die genannten Nachteile zu vermeiden, ist, die einzubringende Substanz
zuerst völlig
zu verdampfen und sie erst anschließend dem Gasstrom zuzumischen.
Diese Lösung
ist jedoch aufwendig und damit auch teuer.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, die Verdampfungsoberfläche im Eindampfungsbereich, beispielsweise
durch Verwendung von porösen
Materialien zu erhöhen.
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Aus
der
US 4 088 104 A ist
eine Einrichtung zur Erhöhung
der Verdunstungsrate für
Flüssigkeiten bekannt,
welche einen konischen, porösen
Hohlkörper
aufweist. Die mit Benzin angereicherte kalte Frischluft strömt dabei
durch den porösen
Körper. Dadurch
werden geometrisch 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.
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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, beispielsweise
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 definiert, was
relativ aufwendig ist.
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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.
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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 Material,
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 sein.
Dadurch ergeben sich konstruktive Zwänge in der Anordnung der Verdampfungseinrichtung
und des Tankes.
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Die
US 3 352 545 A beschreibt
eine Vergasereinrichtung für
eine Brennkraftmaschine mit einem in eine Gasströmung hineinragenden porösen zylindrischen
Körper, über welchen
Kraftstoff in die Ansaugleitung eingebracht wird. 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 Verdampfungsrate gesteigert.
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Die
GB 2 263 501 A offenbart
ebenfalls eine Vergasereinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem
in einem Ansaugrohr angeordneten porösen Körper. In einem Hohlraum des
porösen
Körpers
wird Kraftstoff eingespritzt. In einer Ausführung ist der von einem sekundären Luftstrom
durchströmte
poröse Körper gegenüber dem
umgebenden Gasstrom abgeschirmt. In einer anderen Ausführung wird
der poröse
Körper
vom Gasstrom des Ansaugrohres durchströmt. Um die Verdampfungsrate
zu verbessern, ist eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen.
Zur Kraftstoffeinspritzung in den porösen Körper sind externe Fördereinrichtungen
erforderlich.
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Aus
der
DD 268 981 A1 ist
eine Vorrichtung zum Befeuchten der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine
mit einem porösen
Körper
bekannt, welcher in die Ansaugströmung hineinragt und einen länglichen Kapillarkörper umgibt.
Der poröse
Körper
wird zumindest teilweise von der Ansaugluft angeströmt, wodurch
er Verun reinigungen ausgesetzt ist. Weiters kann es zu einem Mitreißen von
Flüssigkeitsteilchen kommen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, bei einer Verdampfungseinrichtung der genannten
Art mit möglichst
geringem Aufwand hohe Verdampfungsraten zu erreichen, wobei ein
Mitreißen
von Flüssigkeitsteilchen
vermieden werden soll.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass der poröse
Körper
innerhalb des Strömungsweges
für das
Gas teilweise von einem Gehäusemantel umgegeben
ist und der zumindest teilweise in die Gasströmung ragende Gehäusemantel
an der Anströmseite
hochgezogen und an der Abströmseite gegenüber dem
porösen
Körper
freigestellt 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 Flüssigkeitsspiegel
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 Druckschwankungen in der Zuleitung soweit gedämpft und
unschädlich
gemacht, dass ein Überschwappen
der Flüssigkeit
ins Gas mit Sicherheit unterbunden wird. Durch den hochgezogenen
Gehäusemantel
wird einerseits ein Mitreißen
eventuell vorhandener Flüssigkeitströpfchen verhindert
und andererseits der poröse
Körper
vor eventuell vorhandenen Verunreinigungen im Gas geschützt.
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Der
poröse
Körper
besteht vorzugsweise aus einem porösen, metallischen Sinterkörper. Dazu eignen
sich am besten Körper
aus zusammengeschweißten
Aluminium- oder Bronzekügelchen.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass das erste Ende des Kapillarenkörpers tiefer
angeordnet ist als das zweite Ende. Das Verdampfungselement mündet somit
im Wesentlichen von unten in den Strömungsweg ein. Dadurch wird
die Gefahr, dass Flüssigkeitströpfchen in
den Strömungsweg
gelangen, zusätzlich
vermindert.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Verdampfungselement im Wesentlichen
eine längliche, vorzugsweise
eine zylindrische Gestalt aufweist und vorzugsweise quer, besonders
vorzugsweise im Bereich einer Querschnittserweiterung in den Gasströmungsweg
einmündet.
Dadurch wird bei möglichst geringer
Steigerung des Strömungswiderstandes
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 vorteilhaft 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
porösen
Körpers
kann zur Verminderung des Strömungswiderstandes
abgerundet und vorzugsweise auf der der Strömung zugewandten Seite durch
ein eng anliegendes Metallschild abgedeckt sein.
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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.
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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.
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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.
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Das
erfindungsgemäße Verdampfungselement
ist im wesentlichen selbstregelnd. Der Hauptregelparameter ist dabei
die Temperatur des porösen Körpers. Je
höher diese
ist, desto mehr Flüssigkeit kann
verdampfen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 das
erfindungsgemäße Verdampfungselement
in einem Längsschnitt
und
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2 ein
Ausführungsbeispiel
bei einer Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung.
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Die
Figuren zeigen ein in einen Strömungsweg 1 eingebautes
Verdampfungselement 3. Im Beispiel wird der Strömungsweg 1 durch
eine Abgasrückführleitung
einer Brennkraftmaschine 2 gebildet. Das Verdampfungselement 3 besteht
aus einem im wesentlichen zylindrischen 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 Gehäusemantel 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 Bohrung 9 des porösen Körpers 4 angeordnet.
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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 11 angeordnet. Das zweite Ende 16 des
Kapillarenkörpers 6 befindet
sich mitten im porösen
Körper 4.
Der Kapillarenkörper 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 Überschwappen
der Flüssigkeit
in die Gasströmung 7 mit
Sicherheit unterbunden bleibt. Der Kapillarenkörper 6 kann aus Fasermaterial,
feinem Metallmaschengeflecht oder aber aus einem weiteren Sinterkörper bestehen,
der viel feiner ausgebildet ist als der po röse Körper 4, beispielsweise
aus poröser
Keramik mit großem
Durchflusswiderstand.
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Der
Gehäusemantel 5 ist
direkt in radialer Richtung in die Abgasrückführleitung 1 eingeschraubt.
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.
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Die
in 1 dargestellte Ausführungsvariante mit einen in
die Bohrung 9 eingesetzten Kapillarenkörper 6 eignet sich
für einzudampfende
Flüssigkeiten.
Hat die einzudampfende Substanz 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 porösen Körpers 4 vorteilhaft.
Eine externe Aufwärmung
ist aber auch bei einzudampfenden Flüssigkeiten von Vorteil, wenn
die Gastemperatur zu niedrig ist.
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Das
Verdampfungselement 3 wird bei Verwendung eines Kapillarenkörpers 6 grundsätzlich so eingebaut,
dass sich die Zulauföffnung 11 an
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.
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Die
Flüssigkeit
kommt über
die Zuleitung 12 vom Tank 13 in den Bereich des
Kapillarenkörpers 6. Durch
die Kapillarenwirkung wird der Flüssigkeitsspiegel angehoben
und die Flüssigkeit
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.
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Das
beschriebene Verdampfungselement 3 ist im wesentlichen
selbstregelnd. Der Hauptregelparameter ist dabei die Temperatur
des porösen
Körpers 4.
Je höher
diese ist, desto mehr Flüssigkeit
verdampft. Neben den rein konstruktiven Möglichkeiten, die maximale Durchtrittsmenge
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:
- 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 weiter dargestelltes Regelventil.
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Da
beim Betrieb mit einer zu verdampfenden gel- bzw. wachsartigen Substanz
die Zuführung
dieser über
eine Fördereinrichtung
erfolgt, liegen keine Beschränkungen
hinsichtlich der Einbaulage vor.
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Bei
dem in 2 dargestellten Einbaubeispiel des Verdampfungselementes 3 in
der Abgasrückführleitung 1 wird
Wasser in die heiße
Gasströmung 7 eingebracht.
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Die
Menge der Gasströmung 7 kann über das
Abgasrückführventil 17 gesteuert
werden. Durch die Abgasrückführung 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 aktuellen Kraftstoffmasse) senkt zusätzlich auch
den Kraftstoffverbrauch im Teillastbereich um einige Prozentpunkte.
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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 Verdampfungsraten. Die Zuführung
durch den Kapillarenkörper 6 bewirkt,
dass die Einbringung von Flüssigkeitströpfchen in
den Gasstrom weitgehend verhindert wird.