DE102007042236A1 - Verfahren zum Schutz vor Motorschäden von mit Emulsionskraftstoffen betriebenen Motoren - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Steuerung des Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses in einer Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion für einen mit der Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion betriebenen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch die Schritte: Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem ersten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis, Auswählen eines vom ersten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis abweichenden zweiten Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses und Ändern des Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses vom ersten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis zum zweiten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis mittels einer Rampenfunktion, wobei die jeweilige Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion in Abhängigkeit von ihrem Kraftstoff/Wasser-Verhältnis zum Erreichen einer motorverträglichen Viskosität temperiert wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses in einer Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion für einen mit der Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion betriebenen Verbrennungsmotor.
- Thermodynamisch stabile Kraftstoff/Wasser-Mikroemulsionen, beispielsweise wasserhaltige Diesel-Emulsionen, haben gegenüber herkömmlichen Kraftstoffen den Vorteil geringerer Ruß- und NOx-Bildung. Im Zuge der weltweit strenger werdenden Anforderungen an Emissionswerte, insbesondere auch für die Werte für Ruß und NOx, wird immer häufiger der Einsatz von Emulsionskraftstoffen im Bereich der Großdieselmotoren, z. B. bei Schiffen, notwendig.
- Im Gegensatz zum beispielsweise bei Schiffen heute hauptsächlich verwendeten Schweröl (HFO; Heavy Fuel Oil) und Dieselöl (MDO; Marine Diesel Oil) haben Kraftstoffemulsionen erheblich andere physikalische Eigenschaften als der reine nicht mit Wasser vermengte Kraftstoff. Insbesondere ist hier die gegenüber herkömmlichen Kraftstoffen unterschiedliche Viskosität von Emulsionen zu nennen, die zu großen Problemen beim Betrieb u. a. von Großdieselmotoren führen kann.
- Um einen Großdieselmotor beispielsweise mit HFO zu betreiben, ist es erforderlich, den Kraftstoff auf Temperaturen von ca. 130 bis 145°C aufzuheizen, um die erforderliche Einspritzviskosität zu erhalten. Dieser Wert richtet sich nach der gerade zur Verfügung stehenden Kraftstoffqualität und wird automatisch über Viskositätsregelanlagen eingestellt. Beim Betrieb mit Emulsionen hingegen kann ein Aufheizen auf höhere Temperaturen, heute bis hin zu 170°C notwendig werden, um die erforderliche Einspritzviskosität zu erhalten. Es kann jedoch auch eine niedrigere Temperatur als normal erforderlich sein.
- Ein zu schnelles Verändern der Kraftstoffqualität, d. h. der Anteile an Kraftstoff und Wasser kann zu großen Motorschäden bis hin zum Totalausfall führen. So hätte ein Aufheizen auf zu hohe Temperaturen aufgrund der im überhöhten Temperaturbereich zu niedrigen Viskosität Motorschäden zur Folge, ebenso wie eine zu geringe Temperatur eine zu hohe Viskosität mit sich bringen würde. Die Umstellung der Kraftstoffqualitäten ist somit mit einem Temperatursprung von bis zu über 100°C verbunden, wenn beispielsweise gleichzeitig auch die Kraftstoffqualität von HFO auf z. B. schwefelarmen MDO Kraftstoff geändert wird.
- Bei den bekannten Anlagen besteht daher die Gefahr, dass bei Änderung des Wasseranteils im Emulsionskraftstoff oder bei Umstellung vom reinen Kraftstoffbetrieb auf Kraftstoffemulsionen eine sprunghafte Veränderung des Wassergehaltes, d. h. innerhalb einer Zeitspanne von wenigen Sekunden, zu erheblichen Motorschäden führen kann. Insbesondere besteht im Fall einer an sich notwendigen schnellen Reduzierung der Kraftstofftemperatur das Problem, das die erforderlichen Temperaturen nicht schnell genug eingestellt werden können, da die War metauscher ausschließlich zum Heizen, nicht aber zum Kühlen des Emulsionskraftstoffs ausgelegt sind
- Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Steuerung des Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses in einer Kraftstoff/Wasser-Emulsion für einen mit der Kraftstoff/Wasser-Emulsion betriebenen Verbrennungsmotor bereit zu stellen, das die Gefahr einer Beschädigung des Motors durch Einspritzen eines Emulsionskraftstoffs mit für den Motor ungeeigneter Viskosität verhindert.
- Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
- Grundgedanke der Erfindung ist es, das Verfahren zum Schutz vor Motorschäden von mit Emulsionskraftstoffen betriebenen Motoren derart auszugestalten, dass bei Veränderung des Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses von einem ersten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis zu einem zweiten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis eine Rampenfunktion dafür sorgt, dass die jeweilige Kraftstoff/Wasser-Emulsion in Abhängigkeit von ihrem Kraftstoff/Wasser-Verhältnis auf eine vorbestimmte Temperatur eingestellt wird, sodass eine motorverträgliche Viskosität des Emulsionskraftstoffs erreicht wird, die im unschädlichen Arbeitsbereich des Motors liegt.
- Dabei kann das erste Kraftstoff/Wasser-Verhältnis ein beim Start des Motors voreingestelltes Kraftstoff/Wasser-Verhältnis sein, das nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel 1:0 (i. e. 100% Kraftstoff, 0% Wasser) betragen kann, also aus reinem Kraftstoff bestehen würde. Wird nun manuell oder automatisch nach Inbetriebnahme des Motors ein zweites Kraftstoff/Wasser-Verhältnis ausgewählt, erfolgt keine sprunghafte Änderung der Emulsionskraftstoffzusammensetzung, sondern wird das Kraftstoff/Wasser-Verhältnis gemäß einer programmierbaren Rampenfunktion (zu Gunsten von Wasser oder zu Gunsten von Kraftstoff) stetig verändert. Dabei ist aufgrund von bekannten Werten jedem Kraftstoff/Wasser-Verhältnis, d. h. jedem Punkt der Rampenfunktion, ein Temperaturwert des Emulsionskraftstoffs zugeordnet, der zum Erreichen einer motorverträglichen Viskosität notwendig ist. Die Zuordnung kann beispielsweise tabellarisch und/oder in einer Datenbank erfolgen.
- Dabei wird die Rampenfunktion bevorzugt in Teilabschnitten ausgeführt wird, wobei ein sich an einen ausgeführten Teilabschnitt anschließender Teilabschnitt erst bei Erreichen eines vorbestimmten, gemessenen Temperatur- und/oder Viskositätswerts ausgeführt wird. Damit wird sichergestellt, dass die Rampenfunktion, die besonders bevorzugt programmierbar ausgestaltet ist, nicht unkontrolliert durchlaufen wird, sondern anhand von Temperatur-, Viskositäts- und/oder Wassersensoren überprüft werden kann, ob die durch die Rampenfunktion vorgegebenen Werte auch tatsächlich erreicht werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass, falls diese Werte nicht oder nicht innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls erreicht werden, ein Alarmsignal ausgegeben wird und/oder der Motor abgeschaltet oder automatisch auf eine motorverträgliche Einstellung umgeschaltet wird.
- Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Temperierung der Kraftstoff/Wasser-Emulsion oder Wasser/Kraftstoff Emulsion in Abhängigkeit des Verhältnisses von gemessener Viskosität zu der der Rampenfunktion zugeordneten Viskosität der Kraftstoff/Wasser-Emulsion erfolgt. Durch Berechnung dieses Verhältnisses ist es nämlich möglich, die Leistung des wenigstens einen Wärmetauschers energiesparend zu regulieren oder beispielsweise bei benötigter hoher Temperatur zu dem einen bereits verwendeten Wärmetauscher einen weiteren Wärmetauscher hinzuzuschalten.
- Zur Umsetzung des Verfahrens ist erfindungsgemäß auch eine Wärmekraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Kraftstofftank, einem Wassertank, einem Emulsionserzeuger zur Erzeugung einer Kraftstoff/Wasser-Emulsion oder einer Wasser/Kraftstoff Emulsion, wenigstens einem Wärmetauscher zur Temperierung der Kraftstoff/Wasser-Emulsion oder Wasser/Kraftstoff Emulsion und einer den Verbrennungsmotor mit dem Emulsionserzeuger verbindenden Kraftstoffleitung vorgesehen.
- Für eine automatische oder manuelle Veränderung des Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses von einem ersten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis zu einem zweiten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis ist eine unter Verwendung einer Rampenfunktion derart auf den Emulsionserzeuger und den Wärmetauscher wirkende Steuereinheit vorgesehen, die die Temperatur der jeweiligen Kraft stoff/Wasser-Emulsion oder Wasser/Kraftstoff Emulsion in Abhängigkeit von ihrem Kraftstoff/Wasser-Verhältnis zum Erreichen einer motorverträglichen Viskosität reguliert.
- Wie oben bereits beschrieben kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Rampenfunktion abschnittsweise durchfahren wird und Sensoren eine Überwachung des Einstellvorgangs gewährleisten, die ein automatisches oder manuelles Eingreifen bei Auftreten einer Fehlfunktion ermöglichen.
- Um eine möglichst exakte Steuerung des oben beschriebenen Verfahrens zu erreichen, ist es vorteilhaft, den wenigstens einen Wärmetauscher im Bereich der Kraftstoffleitung und/oder des Emulsionserzeugers anzuordnen, wobei besonders bevorzugt auf die Steuereinheit wirkende, die Viskosität der Kraftstoff/Wasser-Emulsion oder Wasser/Kraftstoff Emulsion erfassende, beispielsweise in der Kraftstoffleitung angeordnete Sensoren zur Regelung der Leistung des wenigstens einen Wärmetauschers vorgesehen sein können.
- Schließlich ist der Verbrennungsmotor bevorzugt als Diesel und/oder Dieselwasser verbrennender Dieselmotor ausgebildet.
Claims (10)
- Verfahren zur Steuerung des Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses in einer Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion für einen mit der Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion betriebenen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch die Schritte: – Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem ersten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis, – Auswählen eines vom ersten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis abweichenden zweiten Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses und – Ändern des Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses vom ersten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis zum zweiten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis mittels einer Rampenfunktion, wobei die jeweilige Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion in Abhängigkeit von ihrem Kraftstoff/Wasser-Verhältnis zum Erreichen einer motorverträglichen Viskosität temperiert wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rampenfunktion in Teilabschnitten ausgeführt wird, wobei ein sich an einen ausgeführten Teilabschnitt anschließender Teilabschnitt erst bei Erreichen eines vorbestimmten, gemessenen Temperatur- und/oder Viskositätswerts ausgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierung der Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion in Abhängigkeit des Verhältnisses von gemessener Viskosität zu der der Rampenfunktion zugeordneten Viskosität der Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rampenfunktion programmierbar ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff Diesel und der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kraftstoff/Wasser-Verhältnis 1:0 beträgt.
- Wärmekraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Kraftstofftank, einem Wassertank, einem Emulsionserzeuger zur Erzeugung einer Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion, wenigstens einem Wärmetauscher zur Temperierung der Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion und einer den Verbrennungsmotor mit dem Emulsionserzeuger verbindenden Kraftstoffleitung, gekennzeichnet durch eine bei Veränderung des Kraftstoff/Wasser-Verhältnisses von einem ersten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis zu einem zweiten Kraftstoff/Wasser-Verhältnis unter Verwendung einer Rampenfunktion auf den Emulsionserzeuger und den Wärmetauscher wirkende Steuereinheit zur Anpassung der Temperatur der jeweiligen Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion in Abhängigkeit von ihrem Kraftstoff/Wasser-Verhältnis zum Erreichen einer motorverträglichen Viskosität.
- Wärmekraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff Diesel und der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist.
- Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmetauscher im Bereich der Kraftstoffleitung und/oder des Emulsionserzeugers angeordnet ist.
- Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch auf die Steuereinheit wirkende, die Viskosität der Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsion erfassende Sensoren zur Regelung der Leistung des wenigstens einen Wärmetauschers.
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