DE102008053438A1

DE102008053438A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung von Verbrennungsluft

Info

Publication number: DE102008053438A1
Application number: DE102008053438A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr.-Ing. Graup; Knut Dipl.-Ing. Köchli; Rainer Dipl.-Ing. Kuppe
Original assignee: LINTRA GmbH
Current assignee: LINTRA GmbH
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung der qualitativen und quantitativen Zusammensetzung von Verbrennungsluft sowohl zum Zwecke der Minimierung von Stickoxidanteilen in den Verbrennungsabgasen, insbesondere aus Dieselmotoren, als auch zum Zwecke der Aufbereitung von schwerer brennbaren Gasen, wie zum Beispiel von Deponiegasen mit geringem Methangehalt oder von sonstigen zündunwilligen Schwachgasgemischen, für eine Verbrennung in Brennkraftmaschinen, Gasturbinen und speziellen Feuerungsanlagen. Erfindungsgemäß wird die Verbrennungsluft mittels Kapillarmodul zur Stofftrennung zwischen Sauerstoff und Stickstoff aus Luft mit wahlweise mit Stickstoff oder mit Sauerstoff angereichert und der Verbrennung, vorzugsweise in Brennkraftmaschinen, zugeführt. Vorteilhaft an der Erfindung ist zum einen, dass so mit relativ einfachen, funktionstüchtigen und wartungsarmen Mitteln in Form der Vorrichtung, stickoxidarme, praktisch stickoxidfreie Abgase beim Betrieb von Brennkraftmaschinen, Gasturbinen und Feuerungsanlagen erhalten werden. Dies wiederum erlaubt den Einsatz solcher Maschinen auch unter sehr strengen Umweltschutzauflagen für die Reinhaltung der Atemluft. Zum anderen eignet sich die Erfindung auch zur Sauerstoffanreicherung in der Verbrennungsluft, was für die Bereitung zündwilliger Gasgemische vorteilhaft ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung der qualitativen und quantitativen Zusammensetzung von Verbrennungsluft sowohl zum Zwecke der Minimierung von Stickoxidanteilen in den Verbrennungsabgasen, insbesondere aus Dieselmotoren, Gasturbinen und sonstigen Feuerungsanlagen, als auch zum Zwecke der Aufbereitung von schwerer brennbaren Gasen, wie zum Beispiel von Bestandteilen in Deponiegasen, sogenannten Schwachgasen mit Methananteilen von weniger als 25%.
Stickoxide sind Blut- und Reizgifte sowie in hohem Maße umweltschädlich, weshalb deren Erzeugung weitgehend vermieden oder zumindest minimiert werden sollte.
Bekannt ist, dass die Bildung der Menge von Stickoxiden in den Verbrennungsabgasen im wesentlichen zum einen von der Prozesstemperatur und zum anderen von der Verbrennungsluftbeschaffenheit, d. h. von deren Anteilen an Sauerstoff und Stickstoff abhängig ist.
Bekannt ist ein Verfahren zur Minimierung von Stickoxid in den Abgasen von Brennkraftmaschinen als Abgasrückführung, bei welchem Abgase teilweise mit der Verbrennungsluft vermischt werden und dieses Gemisch dem Brennraum wieder zugeführt wird

– (Lapuerta, M; Salavert, J. M.; Domenesch, C; Modelling and Experimental Study About the Effect of Exhaust Gas Recirculation an Diesel Engine Combustion and Emission SAE-Paper 950216, S. 1–7
– Lösing, K. H.; Lutz, R; Einhaltung zukünftiger Emissionsvorschriften durch gekühlte Abgasrückführung, MTZ 60 (1999) 7/8, S. 470–475.
– Aabo; K.; Kjemtrup, N.; Latest an Emission Control Water Emulsion and Exaus Gas Re-Circulation, CIMAC Kyoto 2004, Paper 126
– Bergmann, D.; Philipp, Ch.; Rall, H.; Traub, R.; Erprobung der Abgasrückführung an schnelllaufenden Schiffs- und Lokomotivmotoren, MTZ 67 (2006), S. 20–26
– Schneemann, A; Bergmann, D.; Kech, J.; Konzept zur Darstellung der zukünftigen Emissionsgrenzwerte für Industriemotoren < 560 kW, 11. Tagung „Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors", Graz 20. und 21. September 2007, S. 203–214).

Nachteilig ist daran, dass das rückgeführte Abgas gekühlt werden muss, was wiederum den Einsatz von effizienter und verschmutzungsunempfindlicher Kühler voraus setzt.
Bekannt ist auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachbehandlung von Dieselmotorenabgasen durch Reduktion der darin enthaltenen Stickoxide mittels Zusatz von Harnstoff.
Nachteilig ist daran der relativ hohe technische Aufwand durch die erforderliche Anordnung eines Reduktionskatalysators mit Harnstoffeinspritzung, die Bevorratung des Harnstoffs sowie der Einrichtung für die Regelung der gesamten Baugruppe zur Optimierung derselben.
Zur Verbesserung des Zünd- und Brennverhaltens von schwerer brennbaren Gasen in Brennkraftmaschinen, Gasturbinen und speziellen Feuerungsanlagen ist es bekannt der Verbrennungsluft Sauerstoff zuzusetzen.
Dies erfolgt durch eine zusätzliche Zufuhr von Verbrennungsluft, die verdichtet werden muss, was zu zusätzlichen Anlagen- und Betriebsaufwendungen führt.
Bekannt ist weiterhin eine halbdurchlässige Membrane zur Anreicherung von Verbrennungsluft für Brennkraftmaschinen mit Sauerstoff oder mit Stickstoff. Nachteilig ist daran deren geringe Effizienz ( US 5960777 ).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer einerseits der Anteil an Stickoxiden in Verbrennungsabgasen von Brennkraftmaschinen, Gasturbinen und speziellen Feuerungsanlagen minimiert wird und/oder mittels derer das Zünd- und brennverhalten von schwerer brennbaren Gasen und Gasgemischen verbessert wird. Letzteres bezieht sich zum Beispiel auf die Verbrennung von Deponiegasen mit geringem Methangehalt oder von sonstigen zündunwilligen Schwachgasgemischen von Brennkraftmaschinen.
Die Aufgabe wird wie mit den Ansprüchen angegeben gelöst.
Verfahrensgemäß wird

– die Verbrennungsluft mittels eines Überdruckgenerators, wie Turbolader,
– Kompressor oder anderem geeigneten Gebläse auf einen definierten regelbaren Überdruck gebracht und
– die Verbrennungsluft sodann über einen Verbrennungslufttrakt einem Kapillarmodul zugeführt, welche diesen durchströmt, wobei innerhalb des Kapillarmoduls eine partielle Stofftrennung von Sauerstoff und von Stickstoff aus der Verbrennungsluft erfolgt und sodann
– wahlweise einerseits Verbrennungsluft von Sauerstoff abgereichert, was andererseits gleichzeitig zu einer Stickstoffanreicherung der sauerstoffabgereicherten Verbrennungsluft führt, welche dann dem Verbrennungsprozess zum Zwecke der Stickoxidminimierung zugeführt wird und/oder
– wahlweise einerseits Verbrennungsluft mit Sauerstoff angereichert, welche dann einem Verbrennungsprozess von schwerer zünd- und brennfähigen Gasen oder Gasgemischen zugeführt wird und
– der Verfahrensprozess in Abhängigkeit von den Verbrennungsparametern gesteuert und geregelt.

Diese Kapillarmodule nutzen Eigenschaften polarer und nichtpolarer Stoffe und ermöglichen über eine speziell ausgelegte aktive Schicht (active layer) wahlweise auf der Permeatseite oder auf der Retentatseite das wahlweise Herauslösen verschieden großer, insbesondere auch größerer Moleküle auf der Permeatseite unter Ausnutzung des natürlichen Trennprinzip der Natur.
Die so einerseits mit Stickstoff in definiertem Maße angereicherte Verbrennungsluft führt zu einer homogenisierten Niedertemperaturverbrennung, was wiederum damit die Erzeugung bzw. die Bildung einer geringeren Menge von Stickoxidanteilen in den Verbrennungsabgasen bewirkt.
Das andererseits so mit Sauerstoff angereicherte Ladegas verbessert das Zünd- und Brennverhalten von schwerer brennbaren Gasen und Gasgemischen.
Die Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Anreicherung von Stickstoff oder von Sauerstoff in Verbrennungsluft besteht im wesentlichen aus einem Überdruckgenerator für die Verbrennungsluft, einem Kapillarmodul zur Stofftrennung von Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft, einer Steuer- und Regeleinrichtung für die stoffliche Zusammensetzung der Verbrennungsluft in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Verbrennung sowie den Verbrennungsluftkanälen vom Überdruckgenerator über das Kapillarmodul zur Brennstelle.
In einer ersten Variante des Kapillarmoduls zur Sauerstoffabreicherung und Stickstoffanreicherung der Verbrennungsluft weist dieses mindestens eine regelbare Kammer mit einer Kapillarwandung zur Durchströmung der Verbrennungsluft auf.
Die Kammer mit der stickstoffangereicherten Luft ist dabei im Verbrennungslufttrakt befindlich. Die mit Sauerstoff angereicherte Luft jenseits der Kapillarwandung entweicht in die Umgebung.
Eine zweite Variante des Kapillarmoduls zur Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft weist zwei von einander mittels Kapillarwandung getrennte Kammern auf. Eine der beiden Kammern weist eine Öffnung für den Eintritt der Verbrennungsluft sowie eine regelbare Abluftöffnung auf. Die andere Kammer, zur Sammlung der stickstoffabgereicherten und sauerstoffangereicherten Verbrennungsluft, weist eine Öffnung zur Fortführung des Verbrennungslufttraktes bis zur Brennstelle auf.
Vorteilhaft an der Erfindung ist zum einen, dass so mit relativ einfachen, funktionstüchtigen und wartungsarmen Mitteln in Form der Vorrichtung, stickoxidarme, praktisch stickoxidfreie Abgase beim Betrieb von Brennkraftmaschinen, Gasturbinen und Feuerungsanlagen bei hoher Effizienz erhalten werden.
Dies wiederum erlaubt den Einsatz solcher Maschinen auch unter sehr strengen Umweltschutzauflagen für die Reinhaltung der Atemluft. Zum anderen eignet sich die Erfindung auch zur Sauerstoffanreicherung in der Verbrennungsluft, was für die Bereitung zündwilliger Gasgemische vorteilhaft ist.
Nachstehend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen erläutert.
Mit der zugehörigen Zeichnung sind mit
1 die Vorrichtung gemäß erster Variante und mit
2 die Vorrichtung gemäß zweiter Variante sowie deren Anordnung im Verbrennungsluftansaugtrakt schematisch dargestellt.
Beispiel 1
(erste Variante)
Im Ansaugtrakt eines 4 Zylinder Dieselmotors mit einer Leistung von 124 kW zum Betrieb eines elektrischen Generators und mit Abgasturbolader ist zwischen Abgasturbolader und Verbrennungslufteinlasskrümmer ein Kapillarmodul zwischen geschaltet.
Dieses Kapillarmodul ist so gestaltet, dass es mindestens eine Kammer aufweist, welche mittels einer für Sauerstoff durchlässige Kapillarwandung gegenüber der Umgebungsluft abgetrennt ist. Diese Kammer ist einerseits mit dem Ladeluftstutzen des Turboladers und andererseits mit dem Verbrennungslufteinlasskrümmer verbunden.
In Funktion des Dieselmotors gelangt dessen Abgas über den Turbolader ins Freie. Das vom Turbolader auf einen Druck von 1,29 bar komprimierte Ladegas durchströmt diese Kammer, wobei ein definierter Sauerstoffanteil derselben durch die Kapillarwandung hindurch ins Freie diffundiert. In der die Kammer durchströmenden Ladeluft verbleibt die ursprüngliche Stickstoffmenge, so dass der prozentuale Stickstoffanteil darin ansteigt, was zu einer Stickstoffanreicherung der Ladeluft und damit zu einer Stickoxidreduzierung in den Abgasen führt.
Beispiel 2
(zweite Variante)
Im Verbrennungsluftansaugtrakt eines Gasmotors für den Antrieb eines elektrischen Generators, der mit schwer brennbarem Deponiegas betrieben wird, ist zunächst ein Gebläse zur Erzeugung eines Ladedruckes von 1,5 bar angeordnet und mittels Verbrennungsluftkanal mit der Eintrittsöffnung in eine der Kammern eines zwischengeschalteten Kapillarmoduls mit zwei Kammern, welche voneinander mittels einer kapillaren Wandung getrennt sind. Diese erste Kammer weist neben der Verbrennungslufteintrittsöffnung eine weitere regelbare Öffnung auf. Die zweite Kammer ist wiederum über eine Öffnung in derselben mit dem Fortsatz des Verbrennungsluftkanals und so mit der Brennstelle verbunden.
In Funktion der Vorrichtung gelangt die Verbrennungsluft zunächst vom Gebläse über den Verbrennungsluftkanal in die erste Kammer und von dort über die kapillare Wandung durch diese hindurch in die zweite Kammer, wobei Stickstoff in der ersten Kammer zurückgehalten wird, so dass die durch die kapillare Wandung gelangte Verbrennungsluft einen größeren Anteil Sauerstoff enthält. Die so mit Sauerstoff angereicherte Verbrennungsluft begünstigt den Brennprozess und somit die Funktionsfähigkeit des Motors. Ein Teil der in der ersten Kammer mit Stickstoff angereicherten Luft entweicht über die regelbare Öffnung ins Freie.

1: Überdruckgenerator (Turbolader, Gebläse)
2: Verbrennungslufttrakt
3: Kapillarmodul (1. Variante)
4: Sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft (Ladeluft)
5: Stickstoffangereicherte Verbrennungsluft (Ladeluft)
6: Kapillarwandung
7: Kapillarmodul (2. Variante)
8: Öffnung für Verbrennungslufteinlass
9: Abluftöffnung
10: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5960777 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Lapuerta, M; Salavert, J. M.; Domenesch, C; Modelling and Experimental Study About the Effect of Exhaust Gas Recirculation an Diesel Engine Combustion and Emission SAE-Paper 950216, S. 1–7 [0004]
- Lösing, K. H.; Lutz, R; Einhaltung zukünftiger Emissionsvorschriften durch gekühlte Abgasrückführung, MTZ 60 (1999) 7/8, S. 470–475. [0004]
- Aabo; K.; Kjemtrup, N.; Latest an Emission Control Water Emulsion and Exaus Gas Re-Circulation, CIMAC Kyoto 2004, Paper 126 [0004]
- Bergmann, D.; Philipp, Ch.; Rall, H.; Traub, R.; Erprobung der Abgasrückführung an schnelllaufenden Schiffs- und Lokomotivmotoren, MTZ 67 (2006), S. 20–26 [0004]
- Schneemann, A; Bergmann, D.; Kech, J.; Konzept zur Darstellung der zukünftigen Emissionsgrenzwerte für Industriemotoren < 560 kW, 11. Tagung „Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors”, Graz 20. und 21. September 2007, S. 203–214 [0004]

Claims

Verfahren zur Optimierung von Verbrennungsluft für Brennkraftmaschinen mittels Stofftrennung, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verbrennungsluft mittels eines Überdruckgenerators (1), wie Turbolader, Kompressor oder anderem geeigneten Gebläse auf einen definierten regelbaren Überdruck gebracht wird und – die Verbrennungsluft sodann über einen Verbrennungslufttrakt (2) einem Kapillarmodul (3) zugeführt wird, welche diesen durchströmt, wobei innerhalb des Kapillarmoduls (3) eine partielle Stofftrennung von Sauerstoff und von Stickstoff aus der Verbrennungsluft erfolgt und sodann – wahlweise einerseits Verbrennungsluft von Sauerstoff abgereichert wird, was andererseits gleichzeitig zu einer Stickstoffanreicherung der sauerstoffabgereicherten Verbrennungsluft (5) als Ladeluft führt, welche dann dem Verbrennungsprozess zum Zwecke der Stickoxidminimierung zugeführt wird und/oder – wahlweise einerseits Verbrennungsluft (5) als Ladeluft mit Sauerstoff angereichert wird, welche dann einem Verbrennungsprozess von schwerer zünd- und brennfähigen Gasen oder Gasgemischen zugeführt wird und – der Verfahrensprozess in Abhängigkeit von den Verbrennungsparametern gesteuert und geregelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung im wesentlichen aus einem Überdruckgenerator (1) für die Verbrennungsluft, einem Kapillarmodul (3) zur Stofftrennung von Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft, einer Steuer- und Regeleinrichtung für die stoffliche Zusammensetzung der Verbrennungsluft in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Verbrennung sowie dem Verbrennungslufttrakt (2) vom Überdruckgenerator (1) über das Kapillarmodul (3, 7) zur Brennstelle, besteht, wobei – in einer ersten Variante das Kapillarmodul (3) zur Sauerstoffabreicherung und Stickstoffanreicherung der Verbrennungsluft dieses mindestens eine Kammer mit einer Kapillarwandung (6) zur Durchströmung der Verbrennungsluft (4) aufweist, wobei die Kammer mit der stickstoffangereicherten Luft dabei im Verbrennungslufttrakt (2) befindlich ist und/oder – in einer zweiten Variante des Kapillarmoduls (7) zur Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft zwei von einander mittels Kapillarwandung (6) getrennte Kammern angeordnet sind, wobei eine der beiden Kammern mit einer Öffnung (8) für den Eintritt der Verbrennungsluft sowie mit einer regelbaren Abluftöffnung (9) versehen ist und die andere Kammer, zur Sammlung der stickstoffabgereicherten und sauerstoffangereicherten Verbrennungsluft (4), eine Öffnung (10) zur Fortführung des Verbrennungslufttraktes (2) bis zur Brennstelle aufweist.