DE102014003796B4

DE102014003796B4 - Apparat und Verfahren zur Wasserrückgewinnung aus den Abgasen eines Fahrzeug-Dieselmotors mit Wiedereinsatz des Wassers zur Herstellung einer Diesel/Wasser-Emulsion an Bord des Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102014003796B4
Application number: DE102014003796.7A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-03-15
Also published as: DE102014003796A1

Abstract

Ein Apparat zur Herstellung einer Dieselöl/Wasser-Emulsion, bei dem der Wasseranteil der Emulsion aus den Abgasen des mit der Emulsion betriebenen Dieselmotors durch Kapillar- und im geringen Maße durch thermische Kondensation gewonnen und dem Dieselöl zugemischt wird, und gemeinsam durch zweistufige Hochdruck-Homogenisierung zu einer Dieselöl/Wasser-Emulsion als Kraftstoff für den Dieselmotor verarbeitet wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Abgase aus der Auspuffstrecke des Dieselmotors in der jeweils vom Verfahren abhängigen Menge geregelt über einen Kanal zur Kondensationsstrecke abgezweigt werden und im weiteren Verlauf das gewonnene Wasser mit Dieselöl in einem Dreiwege-Mischventil in einem vorgegebenen Verhältnis gemischt wird und die erstellte Rohemulsion in einer Hochdruck-Homogenisieranlage in zwei gleichen Vorrichtungen in zwei Stufen mit hohen Drücken von mindestens 800 bar homogenisiert wird und der Hochdruckpumpe des Motors zur Verfügung gestellt wird, wobei die Kondensationsstrecke aus folgenden Komponenten besteht: a) einer mit Motor betrieben Drosselklappe im Abgaskanal hinter dem Kondensator zum Aufbau des Staudrucks in dem Kondensator, oder b) einem Turbogenerator im Abgaskanal hinter dem Kondensator zum Aufbau eines Staudrucks in dem Kondensator und zur Energierückgewinnung, oder c) einem zusätzlichen Turbolader zur Druckerhöhung der Abgase und einem Turbogenerator, und weiterhin folgende Komponenten aufweist: – einen Luft/Gaskühler, ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Apparat und ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wasser aus den Abgasen eines Fahrzeug-Dieselmotors durch Kapillarkondensation mit nachfolgendem Wiedereinsatz des Wassers zur Herstellung einer Kraftstoff-Dieselöl/Wasser-Emulsion durch mehrstufige Hochdruck-Homogenisierung für selbigen Dieselmotor.
Die Abgase werden dabei in eine Kondensationsstrecke abgezweigt, in der der Druck erhöht und die Temperatur in einem Luft/Gas-Kühler gesenkt wird. Im Kondensator, der mit einem Register aus porösen Rohren ausgestattet ist, wird ein Teil des enthaltenen Wasserdampfes im Gas durch Kapillarkondensation vom Gas getrennt.
Im weiteren Verlauf des Verfahrens wird das gewonnene, reine, salzfreie Kondensat mit Dieselöl vermischt und in einer zwei-stufigen Hochdruck-Homogenisiervorrichtung zu einer feinen Kraftstoff-Diesel/Wasser-Emulsion verarbeitet und an die Hochdruckpumpe des Dieselmotors zur Beschickung des Common Rail Systems weitergeleitet.
Die vorteilhafte Technologie dieser Erfindung ermöglicht es, dieselmotorbetriebene Fahrzeuge mit kraftstoffsparenden und schadstoffreduzierenden Dieselöl/Wasser-Emulsionen unabhängig von einer äußeren Versorgung mit Emulsionen oder Wasser zu betreiben
REFERENZEN

a) WO 2012/129560 A1 Mar. 24. 2011 Brian L Bischoff
b) US 2014/0048619 A1 Feb. 05. 2013 Matt Snow
c) WO 02/059043 A2 Dec. 20. 2001 Jagtoyen, Marit
d) EP 1 952 006 B1 Aug. 31. 2006 Adrian Verstallen
e) US 8 287 735 B2 Oct. 31. 2006 Jan Hendrik Hanemaaijer
f) US 748 462 B2 Mar. 23. 2006 Roddie R. Judhins
g) US 2009/0078232 A1 Sep. 22. 2008 Guenther Kramb
h) US 6,607,566 B1 Jul. 01. 1998 Gerald Coleman
i) US 6,125,796 A Feb. 18. 1998 Gerald Coleman
j) US 5,873,916 A Feb. 17. 1998 Richard Cemenska
k) US 4,938,606 A Jul. 03. 1987 Gerold Kunz
l) US 6,281,253 B1 Sep. 21. 1999 John R. Satterfield
m) US 6,609,704 B2 Feb. 02. 2001 John R. Satterfield

STAND DER TECHNIK
Mit den Referenzen a) bis d) wird der heutige Stand der Technik hinsichtlich Verfahren zur Rückgewinnung von Wasser aus den Abgasen von Wärmekraftmaschinen und zur Vermischung des gewonnenen Wassers mit dem Kraftstoff der Wärmekraftmaschinen oder zur direkten Einspritzung des gewonnenen Wassers in die Wärmekraftmaschinen dargestellt.

a) Mit dem Patent WO 2012/129560 A1 ”Reclamation of potable water from mixed gas streams” wird der heutige Stand der Technik zur Rückgewinnung von purem Wasser aus den Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt. Mit dieser Technologie wird Trinkwasser aus den Abgasen eines Dieselmotors durch Kapillarkondensation gewonnen. Genau wird in der Patentschrift der Aufbau der Kondensationsrohre beschrieben, die aus porösen Stützrohren mit poröser Kondensationsschicht bestehen, und die innerhalb Konvektionsrohren größeren Durchmessers, die aus leitendem Material bestehen, eingesetzt sind, wobei das gewonnene Kondensat zwischen Stützrohren und Konvektionsrohren zum Sammler geleitet wird und an der Außenseite der Konvektionsrohre kalte Luft zum Abtransport der Wärme entlang geführt wird
b) Die Technologie, die mit US 2014/0048619 A1 ”Water injection system using water reclaimed from combustion exhaust” dargestellt wird, setzt für die Rückgewinnung des Wassers aus den Abgasen ein Verfahren entsprechend des Patentes WO 2012/129560 A1 ein, das unter a) im einzelnen beschrieben wird. Des weiteren umfaßt diese Technologie ein Verfahren zum Vermischen dieses Wassers mit Alkohol, wobei das Gemisch zusätzlich zum Kraftstoff in eine Wärmekraftmaschine eingespritzt wird um die Leistung dieser Maschine zu erhöhen.
c) Beim Patent WO 02/059043 A2 (Apparatus and method for the recovery and purification of water from the exhaust gases of internal combustion engines) handelt es sich um ein Verfahren und um einen Apparat, mit dem durch thermische Kondensation dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine Wasser entzogen wird. Da bei diesem Verfahren auch schädliche Stoffe kondensiert werden, werden zusätzliche Prozesse zur Reinigung des Wassers eingesetzt.
d) Beim europäische Patent EP 1 952 006 B1 (Vorrichtung zur Herstellung einer Dieselöl-Wasser-Mikro- Emulsion und zur Einspritzung dieser Emulsion in einen Dieselmotor) handelt es sich um eine Apparatekombination, die aus einer einstufigen Hochdruck-Homogenisieranlage und einer gekoppelten synchronlaufenden Hochdruck-Kraftstoffförderpumpe besteht. Im wesentlichen besteht der Apparat aus einer Pumpeneinheit mit einem dreiteiligen Stufenkolben und einem Gegenstrahl-Homogenisierventil. Die untere Stufe des Stufenkolbens stellt die Hochdruck-Kraftstoffpumpe dar, mit der die produzierte Emulsion direkt zum Motor gefördert wird.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Dieselöl/Wasser-Emulsionen wurden bislang als Kraftstoff für Dieselmotoren eingesetzt um die Entstehung von Schadstoffen bei der Verbrennung zu reduzieren. Durch viele motorische Veränderungen und durch den Einsatz von zusätzlichen Technologien w. z. B. durch Filtration der Abgase oder durch eine chemische Behandlung dieser ist es jedoch gelungen, den Ausstoß der schädlichen Stoffe wie Rußpartikel (PM), polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH) und Stickoxyde so weit zu minimieren, daß keine weiteren Erfolge mit wirtschaftlich vertretbaren Technologien erzielt werden können.
Der Focus liegt gegenwärtig auf die Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und des CO₂-Ausstoßes. Beachtliche Ergebnisse wurden bislang schon mit dem Einsatz von Dieselöl/ Wasser-Emulsionen erzielt, die ursprünglich nur für die Reduzierung der Schadstoffe eingesetzt wurden. Die Erfahrung hat gelehrt, daß diese Kraftstoffe, wenn sie entsprechend produziert werden, sehr effektiv zur Verbesserung des Brennvorgangs in den Zylindern und als Konsequenz zur Schadstoffminimierung und zur Einsparung des Kraftstoffverbrauches beitragen können.
Im wesentlichen liegen diese Erfolge darin begründet, daß zwei physio-chemische Vorgänge während der Verbrennung im Motor stattfinden. Zum einen führen Mikroexplosionen der im Dieselöl eingeschlossenen kleinsten Wassertropfen zu einer verbesserten Atomisierung des Brennstoffes und zum anderen verbessert die Thermolyse der Wassermoleküle die räumliche Kinetik des Verbrennungsvorgangs.
Emulsionen aus flüssigen Kohlenwasserstoffen und Wasser können mit diversen technischen Prozessen hergestellt werden. Hierbei können u. a. folgende Maschinen eingesetzt werden: Turbinenmischer, Kolloidmühlen, Homogenisatoren, Kugelmühlen, Rührwerkskugel-mühlen, Scheibenmühlen, Hochdruckhomogenisatoren und Ultraschall-Apparate.
Eine einmal hergestellte Emulsion ist nur für die Dauer von einigen Minuten stabil. Hierbei ist auch die Größe der Tröpfchen von entscheidender Bedeutung. Feine Emulsionen mit Tropfen im Nanometerbereich bleiben ohne Zusätze etwas länger stabil. Im allgemeinen hat die Emulsion jedoch das Bestreben sich wieder in zwei Phasen mit minimaler Grenzfläche zu trennen. Für Emulsionen, die für längere Zeiträume gelagert werden müssen, werden zur Stabilisierung oberflächenaktive Substanzen verwendet, die als Emulgatoren bezeichnet werden. Diese Substanzen haben einen hydrophoben Schwanz, der sich im Öltröpfchen auflöst, und einen hydrophilen Kopf, der in die wässerige Phase ragt. Sie stellen auf diese Weise die Verbindung zwischen dem Öl und dem Wasser her.
Die Emulsionen können vorgefertigt und in großen Behältnissen gespeichert werden. Ein übermäßig großer Einsatz dieser Emulsionen für den Betrieb von Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen setzt jedoch voraus, daß vorgefertigte Emulsionen in großen Mengen in Raffinerien hergestellt werden müßten, die dann landesweit mit Tankfahrzeugen auf Tankstellen verteilt werden, damit Fahrzeuge überall im Land und zu jeder Stunde mit dem spezifischen Treibstoff versorgt werden können. Jedoch würde die Herstellung der Emulsion mit Dieselöl und vollentsalztem Wasser sowie der Transport und die Bevorratung in den Raffinerien und bei den Tankstellen einen gewaltigen finanziellen Aufwand erfordern, der mit dem Nutzen durch das Fahren mit der Emulsion nicht gerechtfertigt wäre.
Die individuelle Herstellung der Emulsion am Ort des Verbrauchs, zum Beispiel auf einem fahrenden Fahrzeug, würde eine landesweite Bevorratung in Tankstellen hinfällig machen. Die Emulsion könnte direkt nach der Herstellung innerhalb von einigen Sekunden dem Dieselmotor zugeführt werden und eine Zugabe von Emulgatoren wäre dann nicht erforderlich, denn sie würde für die kurze Dauer auf der Strecke zum Motor stabil bleiben.
Emulsionen müssen jedoch mit salzfreiem, klarem Wasser hergestellt werden. Normales Leitungswasser als Bestandteil der Emulsion könnte alle möglichen Rückstände in der Aufbereitungsanlage und dem Motor hinterlassen, die zu Verstopfungen und zur Korrosion führen könnten. In einem Fahrzeug müßte das entsalzte Wasser zur Emulsionsherstellung in einem separaten Tank mitgeführt werden und es sollte die Möglichkeit bestehen, den leeren Tank an jeder Tankstelle wieder zu füllen. Entweder müßten dafür individuelle Vollentsalzungsanlagen vorgesehen, oder das vollentsalzte Wasser müßte den Tankstellen von einer zentralen Anlage geliefert werden. Ebenso wie die Bevorratung von vorgefertigten Emulsionen an den Tankstellen, würde die Bevorratung von vollentsalztem Wasser wirtschaftlich nicht vertretbar sein.
Es bleibt somit die Entsalzung des Rohwassers auf dem Fahrzeug. Hierfür kämen zwei bekannte Verfahren in Betracht. In erster Linie käme hierfür das Umkehr-Osmose-Verfahren in Frage, mit dem das Rohwasser mit einer Membrane unter Hochdruck in ein salzfreies (Permeat) und ein mit Salz konzentriertes Wasser (Konzentrat) separiert wird. Das Umkehr-Osmose-Verfahren ist sehr energieintensiv und es erfordert jeweils, abhängig von der Rohwasserqualität eine 150 bis 175 prozentige Wasserbevorratung, da ein Großteil des zu entsalzenden Wassers als hoch salzhaltiges Konzentrat anfällt, das entsorgt werden muß. Als weitere Beschwernis käme hinzu, daß das Wasser vor dem Eintritt in die Umkehr-Osmoseanlage enthärtet werden muß, da die Membrane andernfalls beschädigt werden kann. Hierfür müßte noch eine separate kleine Enthärtungsanlage vorgesehen werden.
Ein weiteres in der Industrie bekanntes Verfahren, das zur Entsalzung des Wassers eingesetzt wird, ist das Ionen-Austauschverfahren. Da für diese Technologie Ionen-Austausch-harze verwandt werden, die dem jeweiligen Rohwasser zugeschnitten werden müssen, kommt es für den Einsatz auf einem fahrenden Fahrzeug nicht in Frage, da die Qualität der Rohwässer an jeder Tankstelle unterschiedlich sein kann. Außerdem müßten für die Regeneration der Harze Chemikalien vorgehalten werden, und neben der Menge des zu entsalzenden Wassers müßte zusätzliches Wasser für die Regeneration und für die Spülung zur Verfügung gestellt werden.
In Anbetracht der begrenzten Verfügbarkeit vorproduzierter Diesel/Wasser-Emulsionen an Tankstellen und Autohöfen oder der Schwierigkeit bei der Beschaffung des vollentsalzten Wassers, kann der Betrieb eines Fahrzeugs mit einer vorgefertigten Diesel/Wasser Emulsion oder auch die Herstellung der Emulsion an Bord des Fahrzeuges nur wirtschaftlich sein, wenn das Fahrzeug einer Flotte von vielen Fahrzeugen zugehörig ist, die täglich zu einem Stützpunk zurückkehren, und wo die Emulsion oder vollentsalztes Wasser getankt werden kann. In einigen Städten Europas und Nord-Amerikas zum Beispiel werden Busse des Nahverkehrs mit Diesel/Wasser-Emulsionen mit hohem Spareffekt betrieben. Sie werden dort in den zentralen Remisen mit dem Kraftstoff betankt, wo entweder die Emulsion direkt hergestellt oder wo die Zulieferung von einem Spezialunternehmen durchgeführt wird. Für Fahrzeuge allerdings, die wochenlang über Land und in der Welt im Einsatz sind, und die nicht über eine solche Basis verfügen, kann die hier dargestellte Erfindung eine Möglichkeit bieten, das Fahrzeug mit Emulsionen zu betreiben ohne dabei von einer Versorgung mit einer vorgefertigten Emulsion oder von einer Betankung mit Wasser in irgendwelcher Form abhängig zu sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorteilhafte Besonderheit dieser Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Diese/Wasser-Emulsion mit Rückgewinnung des Wassers aus den Abgasen des mit der Emulsion befeuerten Fahrzeug-Dieselmotors, um damit unabhängig von einer Wasserzufuhr aus jeglicher äußeren Quelle zu sein. Im einzelnen umfaßt die Erfindung die Gewinnung des Wassers durch Kapillarkondensation aus einem Teil der Abgase sowie die Förderung des gewonnenen Wassers und des vorrätigen Dieselöls in den jeweils erforderlichen Mengen zur Emulsionsanlage, um eine Emulsion mit einem einstellbaren Mischungsverhältnis herzustellen, das als Brennstoff, abhängig von der Last und den äußeren Umständen, die höchstmögliche Leistung des Motors erbringt. Vorteilhaft dabei ist eine Emulsionsanlage, bestehend aus einer Mischvorrichtung mit einem Dreiwege-Ventil, einem statischem Mischer sowie einer zweistufigen Hochdruck-Homogenisiervorrichtung. Die in der Mischvorrichtung hergestellte Rohemulsion wird zunächst im Vorrichtung 320, 3 homogenisiert und von dort zur Zwillings-Vorrichtung 340 3 geleitet indem durch Wiederholung des Homogenisiervorgangs eine noch intensivere Reduzierung, der Tröpfchen sowie eine enge Verteilung und ein weiteres Cracken der langkettigen Kohlenwasserstoffe erzielt wird. Diese Verfeinerungen bewirken eine verbesserte Atomarisierung des Brennstoffs während des Einspritzvorgangs in die Zylinder und eine homogenere Verteilung der Partikel im Zylinder und somit eine bessere Verbrennung. Alle Verfahrensschritte werden dabei durch einen elektronischen Rechner gesteuert.
Bei der Verbrennung von Dieselöl im Dieselmotor werden ca. 15,6 kg Abgase pro kg des eingesetzten Dieselöls erzeugt. Ungefähr 9% oder ca. 1.41 kg hiervon besteht aus Wasserdampf, das normalerweise mit den Abgasen über den Auspuff in die Atmosphäre gelangt. Bei einem Betrieb mit einer Diesel/Wasser Emulsion als Kraftstoff käme noch der Wasseranteil der Emulsion in Höhe von 0,39 kg pro kg des eingesetzten Dieselöls hinzu, sodaß der Gesamtanteil an Wasserdampf im Abgas 1,80 kg pro kg verbranntem Dieselöl betragen kann. Für die Herstellung einer Emulsion sind jedoch nur maximal 0,39 kg Wasser pro kg des eingesetzten Dieselöls erforderlich, sodaß theoretisch nur 24% des Abgases zur Wassergewinnung über die Kondensationsanlage geführt werden muß um 0,39 kg Wasser in flüssiger Form zu erhalten. Da jedoch die Leistung der Kondensationsanlage niemals den Wirkungsgrad von 100% erreichen wird, und auch sehr von der Temperatur des Kühlmittels abhängig ist, die je nach Wetterlage und Jahreszeit sehr schwanken kann, und auch der Wasserbedarf zur Emulsionsherstellung je nach erforderlicher Motorleistung variieren kann, muß es möglich sein, die Abgasmenge die durch die Kondensationsanlage fließen muß, diesen Umständen anzupassen. Die Erfindung berücksichtigt hierfür verschiedene Verfahren, die sowohl aus Drosselung, Verzweigung und auch aus mechanischer Druckerhöhung des Abgasstromes bestehen kann.
Zur Gewinnung eines puren, salzfreien Wassers nutzt diese Erfindung das Verfahren der Kapillarkondensation. Sie erfolgt dann, wenn ein Gemisch aus Gasen und Dämpfen mit Flächen aus sorptionsfähigen Materialien in Berührung kommt. Bei Porengrößen im Bereich von 3–20 nm können durch Adsorption nur Wassermoleküle in die Zellen, Poren und Kapillaren des Materials eindringen. Dämpfe mit größeren Molekülen werden zurückgehalten. Ist das Material dünnwandig und besteht aus durchgehenden Poren, kann das adsorbierte Wasser bei einem Druckunterschied zwischen der Eintrittsfläche und der gegenüberliegenden Fläche langsam durch gedrückt werden.
Die dieser Erfindung zugehörige Kondensationsanlage kann aus folgenden Komponenten bestehen:

a) Einem zusätzlichen Turbolader zur Druckerhöhung der kalten Abgase.
b) Einem Luft/Gaskühler zur Abkühlung der Abgase vor dem Kondensator.
c) Einem Kapillarkondensator.
d) Einem Luft/Wasserkühler zur Kühlung des gewonnenen Wassers
e) Einer Umwälzpumpe zur Zirkulation des gewonnenen Wassers durch den Kondensator und durch den Wärmetauscher
f) Einer Drosselklappe oder einem möglichen Turbo-Generator zur Druckhaltung des Abgases im Kondensator und zur Druckreduzierung des Abgases hinter dem Kondensator sowie zur möglichen Rückgewinnung der aufgewandten Energie.

Im Fall, dass der Abgasdruck vor dem Kondensator nicht ausreichen sollte, kann der nötige Druck durch den Einbau eines zusätzlichen Turboladers im Abgaskanal der Kondensationsstrecke erzeugt werden. Zur Abkühlung der Abgase vor dem Kondensator ist ein Gas/Luft Kühler vorgesehen. Der Kapillarkondensator als Bestandteil dieser Erfindung, besteht aus einem zylindrischen Hohlkörper, indem eine Vielzahl von Kondensationsrohren zwischen zwei Platten mittels Zugstangen eingeklemmt ist. Der Hohlkörper besteht aus dem Einlaufteil, dem Mittelteil und dem Rücklaufteil, die jeweils durch Flansche verbunden sind. Eine der zylindrischen Klemmplatten ist zwischen den Flanschen des Einlauf- und Mittelteils eingeklemmt. Die andere zylindrische Klemmplatte bildet mit dem Innendurchmesser des Mittelteils mit einem eingepaßten Dichtungsring eine gleitende und dichte Verbindung, sodaß zwischen der unteren und der oberen Klemmplatte und um die Kondensationsrohre herum ein geschlossener Raum gebildet wird. Die Wände der Kondensationsrohre bestehen aus zwei Schichten, wobei eine Schicht als Stützschicht dient und aus porösem Aluminiumoxyd mit Porengrößen von 100 nm hergestellt ist. Die zweite Schicht, welche die eigentliche Kondensationsschicht bildet und nur einige μm dick ist, wird auf die Innenwand der Stützschicht aufgetragen. Sie hat Porengrößen von 3 nm bis zu 10 nm.
Der Kapillarkondensator ist für die Trennung und zur Kondensation des Wasserdampfes aus einer Gasmischung vorgesehen. Diese Funktion erfolgt in folgender Weise: Abgas unter erhöhtem Überdruck strömt aus dem Abgaskanal durch den Eintrittsstutzen des Einlaufteils unten in den Kondensator, der vertikal aufgestellt ist, und strömt von unten nach oben durch die einzelnen Kondensationsrohre. Beim Durchströmen der Rohre wird der mit dem Gas transportierte Wasserdampf von den Poren der Kondensationsschicht adsorbiert und kondensiert und strömt weiter unter Druck zuerst durch die feinen Poren der Kondensationsschicht und weiter durch die groben Poren der Stützschicht zur Außenwand des Rohres. Das Kondensat gelangt in den geschlossenen Raum zwischen Registerplatten und Rohre. Bereits gekühltes Kondensat vom außenliegenden Luft/Wasser-Kühler kommend, wird oben in den Kondensator eingebracht und strömt an der Außenseite der Rohre nach unten. Dabei kühlt es die Rohre und das Abgas und nimmt gleichzeitig dabei das Kondensat auf, das vom Inneren der Rohre durch die Poren zur Außenwand gedrückt wird.
Zur Kühlung des Kondensats auf eine Temperatur, die 5 K über der Außenlufttemperatur liegt, ist eine Luft/Wasser Kühler vorgesehen der außerhalb des Kondensators angebracht ist. Mit einer Kreiselpumpe wird das Kondensat aus dem Sammelbehälter, der unter dem Kondensator angebracht ist, gezogen und durch den Luft/Wasser-Kühler gepumpt, wobei ein Teil des Kondensats zur Emulsionsherstellung gefördert wird und der größere Teil zur Kühlung zum Kondensator fließt.
Von besonderer Bedeutung für die Funktion des Kapillarkondensators ist der Druckunterschied zwischen dem Abgas in den Kondensationsrohren und dem bereits gewonnenen und gekühlten Kondensat, das vom außenliegenden Luft/Wasser-Kühler kommend, im Raum an der Außenseite der Kondensationsrohre vorbei strömt. Dieser Druckunterschied sollte es ermöglichen, daß der kondensierte Wasserdampf durch die Poren der Kondensationschicht und des Stützrohres gedrückt wird. Zum Druckaufbau des Abgases innerhalb der Kondensatorrohre bieten sich mehrere Möglichkeiten an, die abhängig vom Fahrzeug oder Dieselmotor besonders vorteilhaft eingesetzt werden können.
Von besonderer Bedeutung ist die Umgehungsstrecke um die Kondensationsanlage herum mit eingebauter Drosselklappe. Mit dieser Einrichtung können die Gasströme durch die Umgehungsstrecke und durch die Kondensationsanlage reguliert werden. Durch Drosseln des Abgasstroms in der Umgehungsstrecke fließt mehr Gas durch die Kondensationsanlage und der Druck des Gases wird durch den Fließwiderstand erhöht und mehr Wasserdampf wird kondensiert. Im Fall, daß weniger Kondensat benötigt wird, kann die Drosselung des Stromes durch die Umgehungsstrecke reduziert werden.
Im nächsten Verfahrensschritt der Erfindung wird das rückgewonnene Wasser (bislang als Kondensat bezeichnet) zur Hochdruck-Homogenisier-Vorrichtung gefördert. Über eine Anschlußleitung an das Kondensat-Kühlsystem gelangt es zunächst zum Dreiwege-Mischventil, in dem es mit genau eingestellter Menge dem Dieselöl zugegeben wird um eine Dieselöl/Wasser-Mischung im Verhältnis von 0–30% Wasserinhalt herzustellen. Das Mischungsverhältnis ist von den Leistungsanforderungen des Dieselmotors abhängig und wird durch Signale vom elektronischen Rechner vorgegeben. Dabei wird es Fälle geben bei denen sich der Wasseranteil bei 30% bewegt und auch solche bei denen der Motor vollständig ohne Emulsion betrieben werden muß und ausschließlich mit Dieselöl versorgt wird, zum Beispiel beim Starten und Abstellen der Anlage.
Das Dieselöl wird im Tank 200 1–3 gelagert. Mit der Kreiselpumpe 201 wird es über die Leitung 202 zum Dreiwege-Mischventil 206 gefördert, wo Wasser zugemischt wird.
Neben der Wasserwiedergewinnung durch Kapillarkondensation werden die Vorzüge dieser Erfindung und dieses Verfahrens auch durch die Homogenisierung der Emulsion in zwei Stufen mit zwei Vorrichtungen bestimmt. Hierfür können Maschinen und Apparate unterschiedlichster Bauart und unterschiedlichster Hersteller verwendet werden. Bestandteil dieser Erfindung ist eine vom Erfinder unter der Nr. der Nr, 195206 in Europa und unter der Nr. 7,249,574 B2 in den USA patentierte Vorrichtung, die in zweifacher Ausführung eingesetzt wird.
Bei einem Dieselmotor der mit einer Common Rail Einspritztechnik ausgestattet ist, können die Homogenisierventile mit fest eingestellten Ventilen ausgestattet sein. Die Menge an Kraftstoff, die durch die Hochdruckpumpe zum Common Rail gefördert wird, ist bei dieser Anlage immer konstant und etwas höher als der maximale Verbrauch des Motors um etwaige Mehranforderungen des Motors sofort erfüllen zu können. Der überschüssige Kraftstoff wird bei purer Dieselölbetrieb zurück zum Dieselöltank geleitet. Bei dieser Erfindung fließt die überschüssige Emulsion zurück zum Vorlagebehälter 360.
Wie in 1, 1a, 1b, 3 dargestellt, wird bei diesem Zweistufen-Homogenisierverfahren zunächst der Apparat 320 mit Rohemulsion beschickt und von diesem zu einer Emulsion verarbeitet. Durch den Homogenisierungsvorgang wird ein Teil der eingebrachten Energie in Wärme umgewandelt, die in einem Luft/Wasser-Kühler abgeführt wird. Vom Luft/Wasser-Kühler 326 wird die Emulsion zur weiteren Verfeinerung zur zweiten Vorrichtung 340 geleitet, in der sie nochmals unter Verwendung hoher Drücke homogenisiert und danach im zweiten Luft/Wasser-Kühler abgekühlt wird. Die fertige Emulsion wird zum Vorlagebehälter 360 geleitet, aus dem die Hochdruckpumpe E30 das Common Rail E32 mit Kraftstoff versorgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 Zeigt eine schematische Darstellung, die einen Überblick über die Wasserwiedergewinnung und den Emulsionsprozesses im Zusammenhang mit dem Dieselmotor liefert. Der dargestellte Dieselmotor verfügt über eine Common Rail Einspritztechnik sowie über einen Turbolader mit Abgasrückführung.
1A Veranschaulicht die gleiche schematische Darstellung wie 1, mit dem Unterschied jedoch, daß anstatt der Drosselklappe im Abgaskanal hinter dem Kondensator ein Turbogenerator vorgesehen ist, der einen Teil der aufgewandten Druckenergie rückgewinnen soll.
1B Veranschaulicht die gleiche schematische Darstellung wie 1, mit dem Unterschied jedoch, daß ein zusätzlicher Turbolader zur Druckerhöhung im Abgaskanal vorgesehen ist, und daß anstatt der Drosselklappe im Abgaskanal hinter dem Kondensator ein Turbogenerator eingebaut ist, der einen Teil der aufgewandten Druckenergie rückgewinnen soll.
2 Zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung der Wassergewinnungsanlage und der Dieselöl/Wasser Mischanlage zur vereinfachten Identifizierung der einzelnen Bauteile.
3 Zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung der Emulsionsanlage (Homogenisiervorrichtung) zur vereinfachten Identifizierung der einzelnen Bauteile.
4 Zeigt ein Detail des Kapillarkondensators.
KURZBESCHREIBUNG DES KRAFTSTOFF- UND ABGASSYSTEMS DES DIESELMOTORS
Dieselmotoren können mit unterschiedlichen Kraftstoffeinspritzsystemen und Abgasanlagen ausgerüstet sein. Der bei dieser Erfindung durch Emulsion betriebene Dieselmotor, dessen Abgase das Wasser für die Herstellung der Dieselöl/Wasser Emulsion liefern soll, ist mit einem Common Rail Einspritzsystem und einem Turbolader mit Abgasrückführung ausgerüstet. Diese Technology ist frei gewählt worden und hat keinen Einfluß auf diese Erfindung. Sie stellt jedoch den gegenwärtigen Stand der Technik der Fahrzeugausrüstungen dar. Zur Unterscheidung zwischen den Komponenten, die dieser Erfindung zugeordnet sind, und den Bauteilen des Dieselmotors, sind die dem Dieselmotor zugehörigen Teile mit dem Zusatz E auf den Zeichnungen gekennzeichnet.
Wie auf der schematischen Darstellung in 1 dargestellt; wird das Common Rail E32 des Dieselmotors E1 durch die Hochdruckpumpe E30 mit Kraftstoff über die Leitung E31 versorgt, der dann mit den angeschlossenen Injektoren E33 in die Zylinder eingespritzt wird. Der überschüssige Kraftstoff wird über die Leitung E4 und den Kühler E5 zurück zum Eintritt der Hochdruckpumpe E30 geleitet.
Das Verbrennungsluftsystem funktioniert in folgender Weise: Außenluft wird durch den Luftfilter E15 angesaugt und strömt durch den Kanal E16 zum Eintritt des Turboladers E11 und wird dort mit kalten Abgasen aus dem Kanal E18 vermischt. Der Turbolader saugt das Gemisch an, verdichtet es und leitet es durch den Kanal E12 zum Eintritt E2 des Dieselmotors. Die Verdichtungswärme wird mit dem wassergekühlten Wärmetauscher E13 abgeführt.
Über den Heißgas-Bypass E8 mit der Regulierklappe E14 könnte das Gas an dem Dieselmotor vorbeigeführt und in die Heißgaskanäle E9 und E21 eingeleitet werden.
Heiße Abgase verlassen den Dieselmotor und werden in die Heißgaskanäle E7, E9 und E21 geleitet, (auf der Zeichnung 1 gepunktet und schattiert dargestellt.) und werden zur Turbine E10 des Turboverdichters E11 geführt oder zur Turbine 34 des Druckerhöhungsgebläses 35, wenn letzteres zusätzlich vorgesehen ist.
Das kalte Abgas aus den Turbinen E10 und E12 fließt durch den Kanal E22 zum Gaskühler E17 und verteilt sich dann auf die Kanäle E18 und E20. Der Kanal E20 leitet das kalte Abgas zum Partikel Filter E23 und zur chemischen Stickoxydbehandlung in der Armatur E24.
Stromabwärts von der Armatur E24 durchströmt das Abgas die Kondensationsanlage, die Bestandteil dieser Erfindung ist, und die abhängig vom jeweiligen Fahrzeugtyp aus dem Turbogebläse 34, 35 den Kanälen 25, 26 und 29, dem Luft/Gaskühler 101 und dem Kondensator 102 bestehen kann. Zur Energierückgewinnung und zur Druckhaltung im Kondensator kann unter Umständen noch der Turbogenerator 36 anstatt der Drosselklappe 28 in den Abgaskanal Kanal 29 eingebaut werden. Die Funktion der Kondensations- und der Emulgieranlage wird im nachfolgenden Abschnitt im Detail beschrieben
DETAIL BESCHREIBUNG
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen 1, 1a. 1b 2, 3 und 4 beispielhaft näher erläutert. Diese zeigen die Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Beschreibung dieses Verfahrens beginnt mit der Rückgewinnung des Wassers aus den Abgasen des Dieselmotors und endet mit der Übergabe der fertigen Emulsion an die Hochdruckpumpe des Dieselmotors.
Abgase aus Dieselmotoren, die mit dem Kraftstoff Diesel/Wasser-Emulsion betrieben werden, enthalten ohne eine Nachbehandlung bedeutend geringere Schadstoffe als Abgase aus Dieselmotoren, die mit purem Dieselöl betrieben werden. Bei dieser Erfindung jedoch wird es beim Starten und Abschalten des Dieselmotors kurze Zeitabschnitte geben in denen die Kraftstoffversorgung auf pures Dieselöl umgestellt werden muß. Für diese Ausnahmefälle sind ein Partikelfilter und eine chemische Behandlung des Stickoxydes im Abgaskanal vorgesehen, die die betreffenden Schadstoffe minimieren. Vorteilhaft übernimmt das Verfahren zur Rückgewinnung des Wassers das gereinigte Abgas direkt hinter dieser Reinigungstrecke. Verschmutzungen und Korrosion werden somit in den nachfolgenden Anlagenteilen verhindert. Wie auf der schematische Zeichnung 2 dargestellt, wird das kalte Abgas mit einer Temperatur von ca. 150°C vom Apparat E24 kommend in den Kanal 25 und in den Umgehungskanal 26 geleitet. Die Massenströme, die durch den Kanal 25 und den Bypass-Kanal 26 fließen, werden durch die Drosselklappe 28 im Kanal 25 und durch die Drosselklappe 27 in Umgehungskanal 26 geregelt. Die entscheidenden Regelgrößen sind hierbei der Abgasdruck im Kondensator 102, der durch den Drucksensor P1 im Abgaskanal 25 gemessen wird, sowie die Menge des Wassers, das aus dem Wasserdampf des Abgases im Kondensator gewonnen wird. Dieser Wert wird anhand des Wasserstandes im Sammelbehälter 103 mit dem Niveauanzeiger L1 gemessen. Die Sensoren P1 und L1 senden ihre aufgenommenen Meßdaten zum elektronische Rechner (wird in der Zeichnung nicht dargestellt) der die erforderlichen Drücke und Massenströme errechnet und die entsprechenden Stellgrößen an die Drosselklappen 27 und 28 signalisiert. Sinkt zum Beispiel das Niveau im Kondensatsammelbehälter 103 muß die Klappe 27 im Kanal 26 weiter gedrosselt werden, sodaß sich der Massenstrom des Abgases zum Kondensator 102 erhöht. Wegen des erhöhten Strömungswiderstandes steigt gleichzeitig der Abgasdruck mit der Folge, daß auch der Abfluß des Kondensats durch die Poren der Kondensatorschicht und des Stützrohres erhöht wird. Die Drosselung des Abgasstromes im Kanal 29 kann statt durch die Drosselklappe 28 auch durch einen Turbogenerator 36 übernommen werden, wie auf der Zeichnung 1A und 1B dargestellt wird. Bei dieser Konstellation könnte zusätzliche elektrische Energie erzeugt werden.
Bevor das Abgas in den Kondensator gelangt muß seine Temperatur zur Beschleunigung der Kondensation von ca. 150°C auf 110°C reduziert werden. Für diese Aufgabe ist der Luft/Gas-Kühler 101 vorgesehen, der vor dem Kondensator 102 im Kanal 25 eingebaut ist. Bei diesem Kühler handelt es sich um einen handelsüblichen Apparat der aus Edelstahl hergestellt ist. Die Kühlung hierbei erfolgt mit Außenluft, die durch ein Gebläse mit E-motor angesaugt und über die Kühlelemente geblasen wird. Über einen Kanal mit Schutzgitter wird sie zurück in die Atmosphäre gegeben.
Zur Kondensation des Wasserdampfes in den Abgasen wird die besonders vorteilhafte Kapillarkondensation eingesetzt, die schon bei Temperaturen oberhalb des Taupunktes des Wasserdampfes ihren Anfang nehmen kann. Sie findet dort statt, wo der Abgasstrom mit Oberflächen eines Materials in Berührung kommt, das porös ist, wobei die Poren fein und durchgängig sind, den Wasserdampf adsorbieren und kondensieren, sowie das entstandene Kondensat unter Druck durch die Poren zum Austritt an der gegenüberliegenden Fläche leitet. Die Kondensationselemente bestehen aus Rohren, die aus Aluminiumoxyd hergestellt werden und an der Innenwand mit einem hochfeinen porösen Material von mehreren Mikrometern Dicke beschichtet sind. Die Rohre bilden das Stützelement für die dünne Kondensationsschicht. Sie sind porös, wobei die Poren von ca. 100 nm Größe von der Innenwand zur Außenwand der Rohre durchgängig sind damit der Durchgang des Kondensats von innen nach außen der Rohre möglich ist. Die Größe der Poren in der Kondensationsschicht schwankt zwischen 3 nm und 10 nm. Es ist eine Größe, die nur den Durchgang von Wassermolekülen erlaubt und somit eine saubere Trennung zwischen Abgasen und Wasser ermöglicht. Auf der Zeichnung 4 wird das Rohr 55 mit der Kondensationsschicht 56 vergrößert dargestellt. Die Rohre mit den Schutzschichten werden durch eine begrenzte Anzahl von Spezialunternehmen weltweit vertrieben.
Der Aufbau des Kapillarkondensators 102 wird auf der Zeichnung 4 dargestellt. Er besteht aus einem zylindrischen Hohlkörper 51, indem eine Vielzahl von Kondensationsrohren 55 zwischen zwei Platten 59 und 60 aus Edelstahl mit den darauf liegenden Druckplatten 69 und 70 mittels Zugstangen 78 eingeklemmt sind. Der Hohlkörper besteht aus dem Einlaufteil 50, dem Mittelteil 51 und dem Rücklaufteil 52, die jeweils durch Flansche 53 und 54 verbunden sind. Eine der zylindrischen Klemmplatten 59 ist zwischen den Flanschen 53 des Einlauf- und Mittelteils eingeklemmt 50 und 51. Die andere zylindrische Klemmplatte 60 bildet mit dem Innendurchmesser des Mittelteils 51 mit einem eingepaßten Dichtungsring 65 eine gleitende und dichte Verbindung, sodaß zwischen den Klemmplatten um die Kondensationsrohre herum ein abgeschlossener Raum 67 gebildet wird, der jedoch durch das Blech 61 aufgeteilt wird, womit zwischen der oberen Klemmplatte 60 und diesem Blech 61 eine Kammer 66 zur Verteilung des durchströmenden, kühlenden Kondensats gebildet wird. Die Abdichtung des abgeschlossenen Raumes zur Abgasseite am Eintritt 72 und Austritt 77 wird mit konkav konisch geformten Dichtungen 57 vorgenommen, die zwischen den konvex konischen Rohrenden 58 und den Bohrungen in den Klemmplatten 59 und 60 eingesetzt werden und durch die aufgeschraubten Druckplatten 69 und 70 in Position gehalten werden. Im unteren Teil des Apparates im Einlaufteil noch unterhalb des Eintrittsstutzens befindet sich der Kondensatsammelraum 74. Er wird durch die Aufteilung des Einlaufteils 50 mit einer zylindrischen Platte aus Aluminiumoxyd 75 mit einer aufgetragenen Kondensationsschicht 76 gebildet. Seitlich am zylindrischen Hohlkörper 51 sind 3 Konsolen 68 angebracht, mit denen der Kondensator 102 in vertikaler Position aufgestellt werden kann.
Der erfinderische Teil des Kapillarkondensators wird durch die Art der Kühlung und des Sammelns des Kondensats charakterisiert mit dem es möglich ist in einem Verfahrensschritt die Rohre und das Abgas mit Kondensat zu kühlen und gleichzeitig das gewonnene Kondensat mit dem kühlenden Kondensat aufzunehmen und zu vermischen. Da auch die Temperatur und der verfügbare Druck des Abgases für den Wirkungsgrad der Kondensation von großer Bedeutung sind, wird bei dieser Erfindung ein besonderer Wert auf die Kühlung und Druckhaltung gelegt.
Der Verfahrensablauf hierbei erfolgt in folgender Weise: Abgas vom Luft/Gaskühler 101 kommend tritt unten am Eintritt 72 in den Kondensator ein und wird auf die einzelnen Rohre des Rohrregisters 55 verteilt. Beim Durchströmen durch das Rohrregister wird ein Teil des im Abgas mitgeführten Wasserdampfes an der Innenseite der Rohre durch die Poren in der Kondensationsschicht adsorbiert und kondensiert. Das entstandene Kondensat wird langsam unter Druck zur Außenseite der Rohre gepreßt und wird mit dem an den Rohrumfängen herunter fließenden gekühlten Kondensat vermischt. Das im außenliegenden Luft/Wasser Kühler 106, gekühlte Kondensat, auf Zeichnung 2 dargestellt, tritt durch den Stutzen 62 in die Wasser-Verteilungskammer 66 des Kondensators ein. Über die zylindrischen Schlitze 71, auf Zeichnung 4 dargestellt, die im Blech 61 zylindrisch um jedes Rohr des Rohrbündels vorgesehen sind, wird das Kondensat auf alle Rohre verteilt. Dabei werden die Rohre und das darin nach oben strömende Abgas gekühlt.
Das erwärmte Kondensat läuft über ein Sammelrohr zum Kondensatsammelraum. Etwaiges Kondensat, das im Luft/Gas-Kühler 101 entstanden ist oder aus den Kondensationsrohren nach unter fließt und sich auf dem Abdeckblech 75 über dem Kondensatsammelraum 74 absetzt, wird durch den Abgasdruck durch die Poren der Kondensatschicht 76 auf dem Abdeckblech 75 und durch die Poren des Abdeckbleches in den Kondensatsammelraum 74 gedrückt. Von dort wird das Kondensat zum Sammelbehälter 103 geleitet, von dem es mit der Kreiselpumpe 104 zum Luft/Wasser-Kühler 106 gefördert wird. Vom Austritt des Luft/Wasser-Kühlers wird eine kleine Dosis über die Leitung 111 zum Mischen mit Dieselöl in Richtung Dreiwege-Mischventil 206 gefördert. Der überwiegende Teil jedoch fließt zur Kühlung über die Leitung 109 zum Kondensator 102 zurück. In der Leitung 111 ist die Durchflußmeßeinrichtung F1 eingebaut, die den Massenstrom des Wassers zum Dreiwege-Mischventil mißt und die Messung mittels eines elektrischen Signals zum Rechner weiterleitet, der gleichzeitig die Signale vom Durchflußmesser F2 in der Dieselölleitung 202 erhält und aus den Meßdaten beider Instrumente ein Signal zur Einstellung des Dreiwege-Mischventils errechnet. Die Pumpe 104 wird nicht drehzahlgesteuert, sodaß der Förderstrom ziemlich gleich bleibt. Schwankende Wasserverbräuche der Emulsionsanlage werden mit dem Kühlwasserstrom durch die Regelung des Ventils 110 in Leitung 109 ausgeglichen. Das Rückschlagventil 114 in Leitung 111 verhindert den Rückfluß von Dieselöl und Wasser in den Sammelbehälter. Unter normalen Umständen kann es zu Druckstößen in der Leitung 111 nicht kommen. Sollte das jedoch durch ein plötzliches Schließen des Dreiwege-Mischventils 206 und des Ventils 110 doch geschehen, wird der Druckanstieg über das Entlastungsventil 107 abgebaut.
Wie auf der Zeichnung 2 dargestellt, wird Dieselöl im Tank 200 gelagert und mit der Kreiselpumpe 201 über die Leitung 202 zum Dreiwege-Mischventil 206 gefördert. Die Anpassung der Fördermenge an den jeweils erforderlichen Dieselölverbrauch erfolgt durch Steuerung der Motordrehzahl der Pumpe nach Vorgaben des elektronischen Rechners. Dieser bestimmt die Einstellung des Dreiwege-Mischventils 206 entsprechend der gewünschten Dieselöl/Wasser-Zusammensetzung. Das Durchflußmeßgerät F2 kontrolliert den geförderten Massenstrom und signalisiert die Meßdaten zum elektronischen Rechner, der sie bei der Einstellungsvorgabe des Dreiwege-Mischventils verarbeitet. Das Rückschlagventil 203 in Leitung 202 verhindert den Rückfluß von Dieselöl und Wasser in den Dieselöltank 200. Unter normalen Umständen kann es zu Druckstößen in der Leitung 202 nicht kommen. Sollte das jedoch durch ein plötzliches Schließen des Dreiwege-Mischventils 206 geschehen, wird der Druckanstieg über das Entlastungsventil 204 abgebaut.
Nach dem Dreiwege-Mischventil strömt das Gemisch aus Dieselöl und Wasser zur besseren Durchmischung durch den statischen Mischer 300. Diese Apparatur besteht aus einem Rohr mit angeschraubten Rohrkappen an beiden Seiten und einem Einsatz aus Umlenkblechen. Nach diesem Mischer gelangt die Rohemulsion, wie auf der Zeichnung 2 und 3 dargestellt, über die Leitung 301 und 302 zur Homogenisiervorrichtung 320 Die Erfahrung hat gelehrt, daß die Qualität einer Emulsion, die durch Hochdruckhomogenisierung hergestellt wird, sehr von der Höhe der eingesetzten Energie abhängig ist. Je mehr Energie eingesetzt wird, je kleiner werden die Teilchen. Mit der Wiederholung des Homogenisiervorgangs kann die Emulsion weiter verfeinert werden indem zusätzliche Energie eingebracht wird und womit die Größe der Teilchen weiter reduziert und annähernd angeglichen werden kann.
Diese Erfindung nutzt für die Emulsionsherstellung zwei gleiche Vorrichtungen, die unter der Nr, 1 952 006 B1 in Europa und unter der Nr. 7,249,574 B2 in den USA patentiert sind. Wie in den Patenten beschrieben wird, kann die Konstruktion der Hochdruckpumpe der Vorrichtung verschiedentlich gestaltet werden. Die Hochdruckzylinder können in einer Reihe hintereinander angeordnet werden, oder alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Hochdruckzylinder parallel nebeneinander arrangiert sind. Bei dieser Erfindung ist die parallele Anordnung der Kolben nebeneinander vorgesehen. Zum Antrieb der Hochdruckpumpen kann sowohl ein hydraulisches als auch mechanische Triebwerk eingesetzt werden. Bei dieser Erfindung sind die beiden Vorrichtungen an einem gemeinsamen Nockengetriebe 180° versetzt angeschlossen. Das Nockengetriebe 410 kann durch einen Elektro-Motor, oder direkt über ein Kettengetriebe von der Antriebswelle des Dieselmotors angetrieben werden.
Die Vorrichtungen 320 und 340 bestehen jeweils aus zwei Hochdruck-Kolbenpumpen, die mit zwei nebeneinander liegenden Kolben 321 und 322 in Vorrichtung 320 sowie 341 und 342 in der Vorrichtung 340 ausgestattet sind. Beide Vorrichtungen verfügen über integrierte Gegenstrahl-Homogenisierventile, die in der Vorrichtung 320 mit 325 und in Vorrichtung 340 mit 345 bezeichnet werden. Jedes Gegenstrom-Homogenisierventil wird durch zwei 180° gegenüberliegenden festeingestellte Ventile charakterisiert. Die beiden nebeneinander liegenden Kolben werden synchron von zwei Nockenrädern 411 und 412 des Nockengetriebes 410 gehoben, dabei wird die Rohemulsion von beiden Kolben mit einem Druck von 800 bar zu den beiden Eintrittsseiten des Gegenstrahl-Homogenisierventils gefördert. Der Antrieb der beiden Hochdruckpumpen durch die Nockenräder erfolgt alternierend. Bei einer Halbdrehung der Nockenräder werden die beiden Kolben einer Hochdruckpumpe mit ansteigenden Nocken auf einer Hälfte der Nockenräder synchron gehoben und fördern damit die Flüssigkeit zum jeweiligen Gegenstrahl-Homogenisierventil, während gleichzeitig die beiden Kolben der gegenüberliegenden Vorrichtung durch die einströmende Flüssigkeit auf die absteigenden Nocken der anderen Hälfte der Nockenräder zurückgedrückt werden.
Wie auf der Zeichnung 3 dargestellt, wird die erste Stufe des Homogenisierungsverfahrens in der Vorrichtung 320 durchgeführt. Die Rohemulsion, die unter einem Druck von ca. 2,5 bar vom statischen Mischer 300 kommt, wird über die Leitungen 301 und 302 auf die zwei Anschlüsse 323 und 324 der Vorrichtung 320 verteilt. Beim Eintritt in die Druckräume der Hochdruckpumpe der Vorrichtung werden die Kolben 321 und 322 in die Ausgangstellung zurückgedrückt. Beim Vorwärtshub der Kolben wird die Rohemulsion mit einem Druck von 800 bar über zwei interne Kanäle zu den beiden Öffnungen des Gegenstrahl-Homogenisierventils 325 gefördert, wo sie durch zwei gegenüberliegende festeingestellte Ventile gepreßt wird, wobei die Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt wird, sodaß die aus den Ventilen austretenden Emulsionsströme mit Überschallgeschwindigkeit mittig kollidieren und sich vereinen. Ein Teil, der zur Herstellung dieser Emulsion aufgewandten Energie, wird dabei in Wärme umgewandelt, die im nachgeschalteten Luft/Wasser-Kühler 326 mit der eingeblasenen Außenluft an die Atmosphäre abgegeben wird. Im weiteren Verlauf wird die abgekühlte Emulsion über die Leitungen 331 und 332 zur zweiten Homogenisierstufe zur Vorrichtung 340 geführt.
Zur Sicherung einer störungsfreien Beschickung der Hochdruckpumpe der Vorrichtung 340 sind die Zuläufe mit den Puffern 343 und 344 ausgestattet. Diese Puffer verfügen über einen Speicher um etwaige Lieferschwankungen auszugleichen. Der weitere Ablauf des Homogenisierprozesses im Gegenstrahl-Homogenisierventil 345 und der Kühlung im Luft/Wasser-Kühler 346 erfolgt in der gleichen Weise wie schon für den Apparat 325 und 326 beschrieben. Über die Leitung 352 wird die fertige Emulsion zum Druckbehälter 360 geleitet, in der die Emulsion als Vorlage für die Hochdruckpumpe E30 mit einem Druck von 2,5 bar speichert wird.
In der Fachwelt ist es durchaus bekannt, daß ein Elektromotor beim Start nicht sofort das höchst erforderliche Drehmoment zum Antrieb einer Maschine entwickeln kann. Eine kurze Anlaufphase muß bei jeder Maschine möglich sein, um das Stoppen und das Durchbrennen des Motors zu verhindern. Da bei dieser Erfindung ein Dieselmotor mit Common Rail Technik versorgt wird, bei der die Masse des geförderten Kraftstoffs konstant und geringfügig höher als der Verbrauch des Dieselmotors sein muß, können Gegenstrahl-Homogenisierventile mit an den konstanten Massenstrom angepassten, fest eingestellten Ventildurchgängen ausgerüstet werden, die jedoch einen sehr hohen hydraulischen Widerstand beim Flüssigkeitsdurchgang aufbauen, der durch die Hochdruckpumpe der Homogenisiervorrichtungen nur mit einem hohen Drehmoment des Nockengetriebes und des Motors überwunden werden kann. Für die Startphase sind deshalb als erfinderischer Schritt Umgehungsleitungen um die beiden Homogenisierventile vorgesehen. Beim Gegenstrahl-Homogenisierventil 325 sind es die Umgehungsleitungen 327 und 328. Und beim Gegenstrahl-Homogenisierventil 345 sind es die Umgehungsleitungen 350 und 351. Die Umgehungsleitungen sind mit motorisierten Absperrventilen 330 und 348 ausgerüstet, die beim Starten des Nockengetriebemotors zunächst geöffnet werden um den Förderstrom der Pumpen um die Homogenisierventile herum zu führen. Die motorisierten Ventile werden langsam geschlossen und der Förderstrom kehrt um und fließt mit steigender Durchflullmenge und Förderdruck durch die Gegenstrahl-Homogenisierventile. bis der Betriebsdruck bei geschlossenen Absperrventilen erreicht ist. Durch den langsamen Aufbau des Förderdrucks mit langsam steigender Belastung der Pumpen kann der Antriebsmotor sein volles Drehmoment ohne Schaden zu nehmen langsam entwickeln. Ein Rückströmen der Emulsion bei geöffneten Motorventilen wird durch die Rückschlagventile 239 und 347 verhindert.

Claims

Ein Apparat zur Herstellung einer Dieselöl/Wasser-Emulsion, bei dem der Wasseranteil der Emulsion aus den Abgasen des mit der Emulsion betriebenen Dieselmotors durch Kapillar- und im geringen Maße durch thermische Kondensation gewonnen und dem Dieselöl zugemischt wird, und gemeinsam durch zweistufige Hochdruck-Homogenisierung zu einer Dieselöl/Wasser-Emulsion als Kraftstoff für den Dieselmotor verarbeitet wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Abgase aus der Auspuffstrecke des Dieselmotors in der jeweils vom Verfahren abhängigen Menge geregelt über einen Kanal zur Kondensationsstrecke abgezweigt werden und im weiteren Verlauf das gewonnene Wasser mit Dieselöl in einem Dreiwege-Mischventil in einem vorgegebenen Verhältnis gemischt wird und die erstellte Rohemulsion in einer Hochdruck-Homogenisieranlage in zwei gleichen Vorrichtungen in zwei Stufen mit hohen Drücken von mindestens 800 bar homogenisiert wird und der Hochdruckpumpe des Motors zur Verfügung gestellt wird, wobei die Kondensationsstrecke aus folgenden Komponenten besteht: a) einer mit Motor betrieben Drosselklappe im Abgaskanal hinter dem Kondensator zum Aufbau des Staudrucks in dem Kondensator, oder b) einem Turbogenerator im Abgaskanal hinter dem Kondensator zum Aufbau eines Staudrucks in dem Kondensator und zur Energierückgewinnung, oder c) einem zusätzlichen Turbolader zur Druckerhöhung der Abgase und einem Turbogenerator, und weiterhin folgende Komponenten aufweist: – einen Luft/Gaskühler, – einen Kapillarkondensator, – einen Kondensatsammelbehälter, – einen Luft/Wasserkühler, – eine Kreiselpumpe.
Apparat nach Anspruch 1, wobei der Kapillarkondensator zur kapillaren Kondensation des Wasserdampfes in den Abgasen aus vier Elementen besteht: a) aus einem Rohrregister, das aus Rohren gebildet wird, die zwischen zwei Klemmplatten aus Edelstahl mittels Zugstangen eingeklemmt sind, und die aus poröser Keramik bestehen, die durchgehende Poren von ca. 100 nm aufweist und mit einer porösen keramischen Schicht von mehreren Mikrometer Dicke versehen ist, die durchgehende Poren von 3 nm bis 10 nm besitzt. b) aus einem geflanschten Einlaufteil sowie einem abschliessenden Rohrboden und seitlichen Eintrittsstutzen, sowie einer Abdeckplatte, die aus der gleichen Keramik besteht aus der die Rohre gefertigt sind, und die mit der gleichen porösen Schicht mit 3 nm bis 10 nm durchgehenden Poren bedeckt ist und mit dem Rohrboden einen Kondensatsammelraum bildet. c) aus einem Mittelstück, charakterisiert durch einen zylindrischen Hohlkörper aus Edelstahl, der beidseitig geflanscht ist, und in dem das Rohrregister eingesetzt ist, wobei die untere Klemmplatte des Rohrregisters zwischen den beiden Flanschen des Einlaufteils und des Mittelstücks eingesetzt ist und die obere Klemmplatte des Rohrregisters mit einem Dichtelement am Umfang und zwischen der Innenwand des zylindrischen Mittelstücks abgedichtet ist, sodass um die Rohre und zwischen der Innenwand des Mittelstücks ein geschlossener Raum gebildet wird, der mittels einer Verteilungsplatte unterhalb der oberen Klemmplatte abgeteilt wird, womit eine Kondensatverteilungskammer gebildet wird, aus der über zylindrische Schlitze in der Verteilungsplatte kühlendes Kondensat auf den Umfang der Rohre verteilt wird.,
Apparat nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase unten in den Kapillarkondensator eintreten und durch die Rohre des vertikal positionierten Rohrregisters nach oben strömen, wobei der anteilige Wasserdampf der Abgase durch die poröse Schicht an der Innenwand der Rohre adsorbiert und kondensiert wird und durch das Druckgefälle zwischen der Innenseite und der Aussenseite der Rohre nach aussen gepresst wird.
Apparat nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das kühlende Kondensat von einem aussen befindlichen Luft/Wasserkühler kommend in die Kondensatverteilungskammer des Kapillarkondensators geleitet wird und über die Schlitze in der Verteilungsplatte auf die Aussenseite der Rohre verteilt wird, wo es am Umfang der Rohre nach unten fliesst, dabei die Rohre kühlt und das gewonnene Kondensat aufnimmt.
Apparat nach Anspruch 2 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat auf der unteren Klemmplatte des Kapillarkondensators aufgefangen wird und unten über ein Rohr in den Kondensatsammelraum gelangt, und zu einem aussen liegenden Sammelbehälter geleitet wird.
Apparat nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das durch mögliche thermische Kondensation im Luft/Gaskühler entstandene Kondensat im Einlaufteil des Kapillarkondensators auf der Abdeckplatte über dem Kondensatsammelraum gesammelt wird und durch die Druckdifferenz zwischen dem Abgas und dem Kondensat im Sammelraum durch die Poren der porösen Kondensationsschicht und der keramischen Abdeckplatte in den Kondensatsammelraum gepresst wird.
Apparat nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das kühlende und gewonnene Kondensat mit einer Kreiselpumpe aus dem Kondensatsammelbehälter abgezogen und durch einen Luft/Wasserkühler geleitet und gekühlt wird, wonach ein Teil zur Mischung mit Dieselöl zu einem Dreiwege-Mischventil gefördert wird und der andere größere Teil zum Kapillarkondensator zur Kühlung und zur Aufnahme des gewonnen Kondensats geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der erforderliche Wasserbedarf (Kondensat) zur Emulsionsherstellung anhand des Wasserstands im Kondensatsammelbehälter durch eine Flüssigkeitstand-Messeinrichtung überwacht wird, wobei ein entsprechendes elektronisches Signal zum elektronischen Rechner übertragen wird.
Apparat nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom des Abgases, der durch die Kondensationsstrecke geleitet wird, in Abhängigkeit vom erforderlichen Wasser (Kondensat) erfolgt, und zwar durch Steuerung der Geschwindigkeit des Turboladers in der Kondensationsstrecke oder durch Regelung der Drosselklappe in dem Abgaskanal hinter dem Kondensator und durch Regelung der Drosselklappe in einer Abgas-Umgehungsstrecke, wobei die Stellgrößen zur Regelung von einem elektronischen Rechner an die Stellmotoren der Drosselklappen im heißen Abgaskanal zum Turbolader sowie an die Stellmotoren der Drosselklappen in den Abgaskanälen hinter dem Kondensator und in der Umgehungsstrecke gesandt werden.
Apparat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom des Wassers zum Dreiwege-Mischventil mit einem Durchflußmengen-Messgerät überwacht wird, und dass das daraus resultierende elektronische Signal zu einem elektronischen Rechner übertragen wird.
Apparat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das in einem Tank gespeicherte Dieselöl mit einer von einem elektronische Rechner drehzahlgesteuerten Kreiselpumpe zur Mischung mit Wasser zum Dreiwege-Mischventil gefördert wird, und mit einem Durchflußmengen-Messgerät überwacht wird, welches das daraus resultierende elektronische Signal zum elektronischen Rechner überträgt.
Apparat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Dieselöl/ Wasser Mischungsverhältnis von einem elektronischen Rechner des Dieselmotors entsprechend der Motorbelastung errechnet wird, der ein Signal an den elektronischen Rechner sendet, der mittels elektronischer Signale das Dreiwege-Mischventil und die Drehzahl einer Dieselöl fördernden Kreiselpumpe einstellt.
Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Emulsionsherstellung eine zweistufige Hochdruck-Homogenisieranlage eingesetzt wird, bei der die Hochdruckpumpen der beiden Stufen jeweils mit zwei synchron laufenden Kolben ausgestattet sind, die durch eine gemeinsames Nockengetriebe angetrieben werden, und bei der jede Pumpe die Emulsion zu einem ihr zugeordneten integrierten Gegenstrom-Homogenisierventil fördert.
Apparat nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockengetriebe der Hochdruck-Homogenisieranlage direkt von der Antriebswelle des Dieselmotors über ein Kettengetriebe oder durch einen angekoppelten Motor betrieben werden kann.
Apparat nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion nach jedem Homogenisierschritt in einem Luft/Emulsionskühler gekühlt wird.
Apparat nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz eines Antriebmotors am Nockengetriebe gegen Überlastung um jedes der beiden Gegenstrom-Homogenisierventile Umgehungsleitungen mit Motorventilen vorgesehen sind, die beim Start des Verfahrens geöffnet sind und zum Aufbau des Betriebsdruckes langsam geschlossen werden.
Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Verfahrensabläufe durch einen elektronischen Rechner vorgenommen wird, der zum einen nach Vorgaben eines zentralen Rechners am Dieselmotor und aus den Messdaten der Zuliefersysteme für Dieselöl und Wasser das Mischungsverhältnis Dieselöl/Wasser errechnet und entsprechende Stellsignale an das Dreiwege-Mischventil leitet, und zum anderen die Leistung des Kapillarkondensators durch Steuerung der Abgasmenge und des Betriebsdruckes regelt, und des weiteren die Umstellung auf den reinen Dieselbetrieb während der Start- und Abstellphase durch Einstellungen des Dreiwege-Mischventils regelt, sowie die Umleitung des Förderstroms um die Gegenstrom-Homogenisierventile während der Startphase steuert.
Verfahren zur Herstellung einer Dieselöl/Wasser-Emulsion mit einem Apparat nach einem der Ansprüche 1–17.