DE102021124730A1

DE102021124730A1 - Verfahren und System für den Betrieb von Dieselkraftmaschinen mit Dieselkraftstoff oder einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion

Info

Publication number: DE102021124730A1
Application number: DE102021124730.6A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hilger; Roman TANIEL
Original assignee: Aqdisol GmbH
Current assignee: AQDISOL GMBH, DE
Priority date: 2021-08-10
Filing date: 2021-09-24
Publication date: 2023-02-16

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen (400), insbesondere zum Umschaltbetrieb von Schiffsmotoren, wobei die Dieselkraftmaschine (400) in einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine (400) oder in einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, insbesondere als Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen, insbesondere zum Umschaltbetrieb von Schiffsmotoren, wobei die Dieselkraftmaschine in einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine oder in einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine und/oder der Motorleistung, insbesondere als Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftmaschinenanlage, insbesondere eine Schiffsmotorenanlage, insbesondere zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf einen Umschaltbetrieb zwischen einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine und einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere zum Dieselkraftstoffbetrieb oder zum Emulsionsbetrieb in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine und/oder der Motorleistung.
Weiter betrifft die Erfindung ein Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine der Dieselkraftmaschinenanlage mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Einspritzpumpe für eine Dieselkraftmaschine einer Dieselkraftmaschinen-Anlage und eine Dieselkraftmaschinen-Anlage mit einem Emulsionsumlaufsystem und/oder mit einer Einspritzpumpe.
Für den Betrieb von stationären Anlagen, beispielsweise zur Energieerzeugung, sowie dem Antrieb von beispielsweise Schiffen, werden aus wirtschaftlichen Gründen überwiegend Dieselmotoren eingesetzt. Die ausgezeichnete Wirtschaftlichkeit von Dieselmotoren beruht auf ihrem typischen sehr guten Wirkungsgrad sowie auf deren hoher Zuverlässigkeit. Diese Vorteile tragen im erheblichem Maße zu den relativ niedrigen Betriebs- und über die gesamte Motorlebensdauer gerechnet günstigen Gesamtkosten bei.
Neben den wirtschaftlichen Vorteilen von Dieselmotoren spielen zunehmend ökologische Herausforderungen eine wichtige Rolle. Hierbei gelten insbesondere die Stickoxid (NOx)- und Ruß- und Partikel-Emissionen als kritische Schadstoffkomponenten, die besonders bei den im See- und Binnenschiffsbereich vorzufindenden älteren Motorengenerationen häufig vergleichsweise hohe Werte aufweisen. Eine kurzfristigere Verbesserung des Emissionsverhaltens bestehender Schiffsflotten, beispielsweise durch den vermehrten Schiffsneubau, ist aufgrund der langen Nutzungsdauer von Schiffen nicht zu erwarten.
Allerdings könnten regulatorische Maßnahmen zur Förderung schadstoffarmer Antriebstechnologien dazu führen, dass zur langfristigen Sicherstellung des Frachtverkehrs der Einsatz von emissionsreduzierten Schiffsantrieben erforderlich wird. Die hierfür notwendigen Emissionsminderungen könnten prinzipiell durch die Nachrüstung bestehender Schiffen mit modernen schadstoffarmen Motoren kombiniert und zusätzlich erforderlichen Abgasnachbehandlungssystemen, bestehend aus relativ großen Dieselpartikelfiltern sowie DeNOx-Katalysator-Systemen, erreicht werden. Der hierzu erforderliche Austausch des gesamten Antriebsstrangs sowie die in der Regel meist kaum in den vorhandenen Maschinenraum älterer Schiffe integrierbaren Abgasnachbehandlungssysteme bleiben als sehr kostenintensive Nachrüstmaßnahmen im Allgemeinen auf Sonderfälle beschränkt. Ähnliches gilt für die Nachrüstung von Motoren in älteren Schiffen mit einem Dieselpartikelfilter und, sofern möglich, auch mit einem DeNOx-System.
Als deutlich kostengünstigere Maßnahme zur innermotorischen Reduzierung von Partikel- und Stickoxidemissionen zur Emissionsminderung finden Verfahren zur Nutzung von Wasser ein zunehmendes Interesse. Hierbei wird im Wesentlichen der durch die hohe Verdampfungsenthalpie sowie höhere Wärmekapazität bestehende Einfluss zur Absenkung der Temperatur der Zylinderladung und damit auf die dieselmotorischen Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgänge zu einer Minderung der Ruß- und der Stickoxidemissionen genutzt. Damit lässt sich grundsätzlich auch eine Entlastung der technisch aufwendigen und kostenintensiven Abgasnachbehandlungssysteme erreichen.
Geeignete Verfahren für die Zufuhr des Wasser in den Brennraum des Dieselmotors bestehen in der Wassereinspritzung zur Anfeuchtung der Ansaugluft, der geschichteten und der direkten Wassereinspritzung sowie der Einspritzung einer Diesel-Wasser-Emulsion.
Die Ansaugluftbefeuchtung stellt ein einfaches System zur Wassereinspritzung dar. Bei typischerweise aufgeladenen Dieselmotoren kann das Wasser vor und hinter einem Turbolader oder hinter einem Ladeluftkühler in das Ansaugsystem eingespritzt werden. Durch die Verdunstung des Wassers findet eine Abkühlung der in den Zylindern angesaugten Luft statt, wobei die thermodynamische Effizienz der Abkühlung entscheidend vom Temperaturniveau der Ansaugluft abhängt. Außerdem wird bei Motoren mit intensiver Ladeluftkühlung eingespritztes Wasser zum Teil in flüssiger Form in den Zylinder gelangen und erst dort zu einer Reduzierung der Ladungstemperatur führen. Die Reduzierung der Stickoxidemission wird dann im Wesentlichen durch die geringere Temperatur der Zylinderladung erreicht, wobei eine merkliche NOx-Emissionsabsenkung erst bei einem relativ hohen Wassereinsatz auftritt. Außerdem findet durch das ins Ansaugsystem eingebrachte und zumindest teilweise verdampfte Wasser eine partielle Verdrängung der Ansaugluft und damit des für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoffs statt, so dass besonders im Bereich höherer Motorlasten eine Verringerung des örtlichen Verbrennungsluftverhältnisses und damit eine Zunahme der Ruß- bzw. Partikelemissionen auftritt. Damit kommt die Ansaugluftbefeuchtung als alleiniges Verfahren zur Emissionsabsenkung nicht in Frage.
Die direkte Wassereinspritzung erfolgt mittels einem im Zylinderkopf integrierten zusätzlichen Injektor, durch den Wasser in den Brennraum eingespritzt wird. Durch die Anwendung eines von der Dieseleinspritzung entkoppelten Wassereinspritzsystems lassen sich Wassereinspritzmengen und -druck sowie zeitliche Lage der Wassereinspritzung frei wählen. Auch bei diesem Verfahren liegt der Anwendungsschwerpunkt bei der Stickoxidabsenkung. Nachteilig ist dagegen der erhöhte Aufwand für eine Wassereinspritzsystem sowie der meist bei Seriendieselmotoren mit Vierventiltechnik nicht verfügbare Bauraum für den zusätzlichen Injektor. Die geschichtete Wassereinspritzung stellt eine Form der direkten Einspritzung von Dieselkraftstoff und Wasser durch einen gemeinsamen Injektor dar. Die Schichtung kann im Injektor oder aber bereits Einspritzsystem vor dem Injektor erfolgen. Das Verhältnis von Wasser und Dieselkraftstoff kann hierbei an die Motoranforderungen schnell angepasst werden. Die geschichtete Wassereinspritzung wie auch die direkte Einspritzung von Wasser erfordern einen erheblichen Anpassungsbedarf beim Motor- und Einspritzungssystemen und sind daher für eine Nachrüstung insbesondere von Schiffs- und Stationärmotoren weniger geeignet.
Bei der Emulsionseinspritzung wird eine Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser über den im Zylinderkopf des Motors vorhandenen Injektor in den Brennraum eingespritzt. Hierbei wird im Allgemeinen die auf den Dieselbetrieb ausgelegte Einspritzpumpe verwendet. Damit lässt sich eine aufwendige Modifikation des Zylinderkopfes und gegebenenfalls auf komplexere Einspritzsystem, wie bei der geschichteten Wassereinspritzung, oder auch auf den Einsatz einer zusätzlich erforderlichen Hochdruck-Wassereinspritzen, wie bei der direkten Wassereinspritzung, verzichten. Weiter besteht die Notwendigkeit, den Motor mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion zu versorgen, die eine ausreichend feine und gleichmäßige Verteilung der Wassertröpfchen aufweist. Die Emulsion von Dieselkraftstoff und Wasser besteht aus zwei ineinander unlöslichen Komponenten, bei der das Wasser eine disperse Phase bildet und als Tropfen in einer Dieselphase vorliegt. Die Emulsion ist eine thermodynamische instabil.
Eine Möglichkeit zur Bildung einer stabilen Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser stellt die Verwendung von Emulgatoren dar, die eine Aggregation und Koaleszenz der Wassertröpfchen der in der Mischung zumindest über längere Zeiträume, beispielsweise bei der Zwischenlagerung einer fertig zubereiteten Emulsion, ermöglichen. Hierbei ist bei größeren Dieselmotoren mit einem relativ hohen Dieselverbrauch auch ein höherer Emulgatorverbrauch zu berücksichtigen, was zu hohen Betriebskosten führt.
Eine weitere vorteilhafte Variante der Emulsionseinspritzung besteht darin, die Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Nähe des Dieselmotors, beispielsweise an Bord eines Schiffes (On-Board), herzustellen und dann innerhalb eines kurzen Zeitraums, währenddessen noch keine Koaleszenz der Wassertröpfchen eintritt, der oder den Einspritzpumpen zuzuführen. Hierdurch kann vollständig auf den Einsatz eines Emulgators zur Stabilisierung der Emulsion verzichtet werden. Außerdem ist eine Anpassung des Wasseranteils in der Emulsion an die jeweiligen Betriebsbedingungen des Motors relativ einfach zu realisieren.
Der sehr günstige Einfluss der Diesel-Wasser-Emulsionen auf das Ruß- und Stickoxidemissionsverhalten lässt sich im Wesentlichen darauf zurückführen, dass die höhere Verdampfungswärme des Wassers in Verbindung mit einem erhöhten Inertgasanteil in Form von Wasserdampf zu verminderten Brennraumtemperaturen führt. Da die im Zylinder ablaufenden Gemischbildungsvorgänge, wie z.B. die Verdampfung der Kraftstofftröpfchen sowie die chemischen Vorreaktionen, stark temperaturabhängig sind, führt eine verminderte Ladungstemperatur zu einer Verlangsamung der Gemischbildungsvorgänge und damit zu einem längeren Zündverzug, nämlich dem Zeitintervall zwischen dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung und dem Brennbeginn. Durch einen verlängerten Zündverzug steht der Durchmischung und Aufbereitung des eingespritzten Emulsionskraftstoffes mit der im Zylinder befindlichen Verbrennungsluft ein längerer Zeitraum zur Verfügung, wodurch ein größerer Anteil zündfähig aufbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Beginn des Verbrennungsvorganges vorliegt. Bei der Verbrennung dieses „vorgemischten Gemisches“ entsteht auf Grund des geringeren Anteils überfetteter Gemischzonen eine deutlich geringere Rußkonzentration. Während des weiteren diffusionsgesteuerten Verbrennungsablaufs erfolgt aufgrund der im Emulsionsbetrieb durch Dissoziation der Wassermoleküle entstandenen OH-Radikale auch eine verbesserte Nachoxidation des entstandenen Rußes, so dass insgesamt eine deutlich verminderte Rußemission auftritt.
Gleichzeitig tritt bei der Bildung eines Emulsionskraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisches eine Absenkung der Ladungstemperaturen auf, die auf Grund von Wärmetransportvorgängen zu geringeren Verbrennungstemperaturen in den für die Stickoxidbildung relevanten Gemischzonen im äußeren Bereich der Einspritzstrahlen führen. Da die NOx-Bildungsreaktionen stark temperaturabhängig verlaufen, führen diese verringerten Verbrennungstemperaturen zu einer deutlichen Reduzierung der Stickoxidemissionen, wobei mit steigendem Wasseranteil in der Emulsion aufgrund der stärkeren Absenkung der Verbrennungstemperaturen eine entsprechende Abnahme der NOx-Bildung stattfindet.
Die Verlängerung des Zündverzuges im Emulsionsbetrieb zu Beginn der Verbrennung führt außerdem zu einem größeren Anteil an zündfähig aufbereitetem Gemisch mit entsprechend höheren Kraftstoffumsatzraten in der ersten Phase der Verbrennung und damit zu einer für den thermodynamischen Prozesswirkungsgrad insgesamt günstigen Verkürzung der Gesamtdauer des Verbrennungsvorgangs.
Eine wichtige Voraussetzung für die Nutzung des vollen Emissionsminderungspotenzials der Diesel-Wasser-Emulsionseinspritzung besteht darin, den Wasseranteil in der Emulsion betriebspunktabhängig so zu regeln, dass eine möglichst hohe Minderung der Ruß- und NOx-Emissionen bei gleichzeitig thermodynamisch günstigem Verbrennungsablauf erreicht wird. Bei einem Motorbetrieb im oberen Leistungsbereich bis zur Volllast und damit relativ hohen Brennraumtemperaturen kann ein grö-ßerer Anteil Wasser in der Emulsion enthalten sein, um so eine starke Absenkung der NOx- und Partikelemissionen zu erreichen. Hierbei können bei Wasseranteilen von 50 % bis über 60 % NOx-Abnahmen von über 50 % bei gleichzeitig allerdings nur geringfügigen Verbrauchsabsenkungen erreicht werden. Bei niedrigeren Motorlasten mit entsprechend geringeren Brennraumtemperaturen ist eine Reduzierung des Wasseranteils in der Emulsion erforderlich, um eine zu starke Verlängerung von Zündverzug und Brenndauer mit dementsprechend erhöhten Emissionen an unverbranntem Kraftstoff bis hin zu Zündaussetzern zu vermeiden.
Aus der DE 44 129 65 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Dieselmotors mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion zur Reduzierung der Stickoxid- und Rußemissionen bekannt. Hierbei wird mit steigendem Wasseranteil eine zunehmende Reduzierung der Stickoxid- und Rußemissionen erreicht. Bei niedrigen Motorlasten treten allerdings als Ergebnis einer verschlechterten Verbrennung erhöhte Kohlenwasserstoff (HC)- und Kohlenmonoxid (CO)-Emissionen auf, so dass der für hohe Motorlast vorteilhafte höhere Wasseranteil in der Emulsion im Bereich niedriger Lasten reduziert werden muss. Daher wird ein Emulsionsversorgungssytem vorgeschlagen, das eine Anpassung des Wasseranteils in der Emulsion an den Motorbetriebsbereich erlaubt. Allerdings führt die Erzeugung der Emulsion vor der Einspritzpumpe des Dieselmotors zu einer Ansprechträgheit, z.B. durch die Speicherung einer Emulsion in der Emulgiereinrichtung und den Transportleitungen, so dass die Emulsion bei Laständerungen des Motors nicht den gewünschten optimalen Wasseranteil aufweist.
Bei dem vorgeschlagenen Emulgierversorgungssystem wird Wasser in einem durch eine Steuereinheit vorgegebenen Verhältnis unter Druck in eine Mischkammer eingespritzt und mit Dieselkraftstoff vermischt. Die Mischkammer ist in einem „Rezirkulationssystem“ zur Versorgung der Motoreinspritzpumpe und Rückführung von überschüssigem Kraftstoff zur Mischkammer angeordnet. Diese Art von Emulgiersystem besitzt aufgrund eines relativ großen Speichervolumens eine relativ hohe Ansprechträgkeit bei Änderung des Wasseranteils in der Emulsion. Daher wird entsprechend der DE 44 129 65 A1 ein zusätzlicher durch eine Membran geteilter Vorratsraum eingeführt, in dem getrennt Dieselkraftstoff und Emulsionskraftstoff zwischengespeichert werden. Mit dem gespeicherten Dieselkraftstoff kann dann bei Lastverringerung durch entsprechend geschaltete Ventile die Einspritzpumpe gespült werden und so eine schnelle Verdrängung der Emulsion erreicht werden. Bei einer Erhöhung der Motorlast kann umgekehrt durch die gespeicherte Emulsion der Dieselanteil in der Einspritzpumpe reduziert werden und damit schnell auf einen Emulsionsbetrieb mit höherem Wasseranteil umgeschaltet werden. Dieses Emulgierversorgungssystem erlaubt außerdem die Umschaltung auf reinen Dieselbetrieb durch Verdrängung des Emulsionskraftstoffes aus der Einspritzpumpe. Neben einem relativ aufwändigen Aufbau der Emulsionsversorgung lässt sich eine durch das Motorkennfeld definierte Zusammensetzung des Kraftstoffes während der Lastwechselvorgänge nur sehr schwer einstellen.
In der EP 0 742 363 B1 wird ein auf den Einsatz beispielsweise bei großen Schiffsdieselmotoren ausgerichtetes Verfahren zum Mischen und Fördern von Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsionen offengelegt. Das Ziel dieses Verfahrens besteht in der möglichst kostengünstigen Reduktion der Stickoxid- und Rußemissionen unter Verwendung des bestehenden, auf den Dieselbetrieb abgestimmten Kraftstoffeinspritzsystems.
Das Emulsionsversorgungssystem besteht aus einer Diesel- und einer Wasserpumpe zur betriebspunktabhängigen Dosierung des Wasseranteils in der anschließend in einer Emulgieranlage gebildeten Emulsion. Diese Emulsion wird dann durch eine Förderleitung zu den Einspritzpumpen des Dieselmotors geleitet. In einer weiteren Variante wird zur Verbesserung des Regelverhaltens eine Erhöhung des Emulsionsdurchsatzes in den Einspritzpumpen vorgeschlagen. Die dann nicht eingespritzte Überschussmenge wird in eine Separierungsanlage zurückgeführt, in der der Emulsionskraftstoff wieder in die Komponenten Dieselkraftstoff und Wasser getrennt und in Puffertanks gespeichert wird. Der jeweils verbrauchte Kraftstoff- und Wasseranteil wird aus den Vorratstanks in die Puffertanks geleitet, aus denen dann Dieselkraftstoff und Wasser der Dosieranlage zugeführt werden.
Das bekannte Verfahren zum Betrieb des Dieselmotors mit einem Emulsionskraftstoff beruht auf der Ausnutzung der auf den Dieselkraftstoffbetrieb ausgelegten maximalen Förderkapazität der Einspritzpumpen. Der im unteren Lastbereich geringere Kraftstoffbedarf des Motors und die damit bestehende Überkapazität der Einspritzpumpen ermöglicht eine Erhöhung des Wasseranteils in der Emulsion bis zur Grenze der Förderkapazität der Pumpen. Dementsprechend wird die Motorleistung zumindest im unteren Lastbereich durch den Wasseranteil im Emulsionskraftstoff bestimmt. Allerdings ist zu berücksichtigen, das zumindest bei sehr geringen Motorlasten eine verbrennungstechnisch vorgegebene Mengenbegrenzung für den Wasseranteil besteht. Diese Betriebsweise soll bis etwa 50 % der Motorlast möglich sein. Bei einer weiteren Erhöhung der Motorlast muss der Wasseranteil in der Emulsion reduziert werden, wobei im Volllastbereich nur noch reiner Dieselkraftstoff eingespritzt wird. Mit diesem Konzept soll eine möglichst kontante Einspritzmenge erreicht werden, so dass durch die Zerstäubung des Kraftstoffes durch die Einspritzdüsen im gesamten Lastbereich des Motors den optimalen Auslegungsbedingungen entspricht.
Dieses vorgeschlagene Verfahren für den Betrieb mit Emulsionskraftstoffen erfordert zur Vermeidung zu hoher Wasseranteile in der Emulsion sowie zur Lastregelung eine aufwändige Motorregelung. Insbesondere ist der Wasseranteil im niedrigen Lastbereich so einzustellen, dass der Zündverzug nicht zu lang wird und dadurch zu hohe Schadstoffmissionen aus einer unvollständigen Verbrennung entstehen. Bei hohen Motorlasten und damit verbundenen höheren Stickoxidemissionen ist der Wasseranteil in der Emulsion zu gering. Insgesamt gesehen wird durch dieses bekannte Konzept das emissionsmindernde Potenzial der Kraftstoff-Wassereinspritzung nicht erreicht. Unter Berücksichtigung des Anwendungsbereiches bei Großmotoren könnte das vorgeschlagene Emulsionsverfahren nur in Verbindung mit weiteren Abgasnachbehandlungsverfahren für eine ausreichende Stickoxidabsenkung eingesetzt werden.
Es ist bekannt, dass mit der Emulsionseinspritzung die auf den Wassereinsatz bezogene stärkste Reduzierung der Stickoxidemissionen und Rußemissionen erreicht werden kann. Mit einem Wasseranteil von bis zu 60 % lassen sich Ruß- und NOx-Minderungen, je nach Abstimmung des Einspritzsystems, von deutlich mehr als 50 % erreichen. Ein so hoher Wasseranteil führt allerdings zu einer erheblichen Reduzierung des Energieinhaltes der Emulsion. Ein Betrieb mit höheren Motorleistungen, wie es für die Bergfahrt von Schiffen auf Binnengewässern häufig erforderlich ist, ist nur bei gleichzeitiger erheblicher Reduzierung des Wassergehaltes in der Emulsion möglich. Damit wird das Potenzial zur Emissionsminderung deutlich schlechter genutzt.
Aus der DE 10 2018 126 095 A1 ist bekannt, additiv zum Emulsionseinspritzverfahren eine Wassereinspritzung in die Ansaugleitung des Motors vorgesehen, um trotz begrenzter Wasseranteile in der Emulsion eine vornehmlich zur Reduzierung der NOx-Emissionen notwendige Verminderung der Brennraumtemperaturen zu erreichen. Bei diesem additiv einsetzbaren Verfahren soll die Wassereinspritzung beispielsiweise stromauf oder stromab des Abgasturboladers oder stromab des Ladeluftkühlers erfolgen und so eine Abkühlung der in den Brennraum angesaugten Luft. Dadurch soll eine Reduzierung der Verbrennungstemperaturen in den NOx-Bildungszonen im Brennraum bewirkt werden. Durch die bereits zum überweigenden Anteil oder sogar vollständig bereits im Ansaugsystem auftretende Verdampfung des eingespritzten Wassers und der damit verbundenen Volumenvergrößerung wird ein Teil der angesaugten Frischladung verdrängt. Damit gelangt weniger Sauerstoff in den Brennraum, so dass bei großen eingespritzten Wassermengen wieder eine Zunahme der Rußemissionen auftreten kann.
Eine weitere Begrenzung der in die Ansaugleitung eingespritzten Wassermenge ergibt sich nach DE 10 2018 126 095 A1 aus der Gefahr der Abscheidung flüssigen Wassers durch Kondensation. Daher soll die relative Feuchte der Ladeluft unter der bei der jeweiligen Ladelufttemperatur bestehenden Sättigungslinie liegen. Allerdings liegt beispielsweise bei Schiffsmotoren die Ansauglufttemperatur hinter dem Ladeluftkühler, der im Allgemeinen mit kaltem Fluss- oder Seewasser versorgt wird, mit etwa 40°C bereits auf einem so niedrigen Niveau, dass bereits bei relativ geringen eingespritzten Wassermengen eine Kondensation des Wassers in der Ansaugleitung auftreten kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine und ein Emulsionsumlaufsystem für Dieselkraftmaschinen-Anlagen, insbesondere für Schiffsmotorenanlagen, zur Verfügung zu stellen, die eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Betrieb von Dieselkraftmaschinen mit reinem Dieselkraftstoff in einem Dieselkraftstoffbetrieb oder mit Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsionen in einem Emulsionsbetrieb zulassen und insbesondere eine vereinfachte und kostengünstige Nach- und/oder Umrüstung bestehender Dieselkraftmaschinenanlagen, insbesondere von Schiffsmotorenanlagen, zum wahlweisen Betrieb mit Dieselkraftstoff oder mit Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsionen ermöglichen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, ein insbesondere für die Nachrüstung und/oder Umrüstung von größeren Dieselmotoren geeignetes Emulsionseinspritzverfahren und eine entsprechend ausgebildete und eingerichtete, insbesondere nach- und/oder umgerüstete, Dieselkraftmaschinenanlage anzugeben, die es zulassen, Dieselmotoren mit einer an dem Betriebspunkt anpassbaren Zusammensetzung einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion bei hoher Wirtschaftlichkeit zu betreiben sowie Nachteile des Leistungsverhaltens bei höheren, für ein verbessertes Abgasemissionsverhalten erforderlichen, Wasseranteilen in der Emulsion zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Insbesondere sollen die Nachteile eines auf große Mengen abgestimmten Einspritzsystems für den Wechselbetrieb mit reinem Dieselkraftstoff oder mit Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsionen vermieden werden.
Schließlich ist es weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einspritzpumpe für Dieselkraftmaschinen und eine Dieselkraftmaschinenanlage zur Verfügung zu stellen, die einen vereinfachten und wirtschaftlichen Dieselkraftstoffbetrieb oder Emulsionsbetrieb der Dieselkraftmaschine ermöglichen.
Die vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Umschaltbetrieb von Dieselkraftmaschinen mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder von Anspruch 12, ein Emulsionsumlaufsystem mit den Merkmalen von Anspruch 7, ein Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetreib mit den Merkmalen von Anspruch 8 oder 14 und durch eine Einspritzpumpe mit den Merkmalen von Anspruch 10 sowie durch eine Dieselkraftmaschinenanlage mit den Merkmalen von Anspruch 11,13 oder 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgaben sieht ein erster Aspekt der Erfindung bei einem Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen ein Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vor. Das Emulsionsumlaufsystem kann bei der Nach- oder Umrüstung einer für den Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff ausgebildeten und eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage oder auch bei einer Neuerrichtung einer Dieselkraftmaschinenanlage in die Anlagenperipherie integriert werden. Das Emulsionsumlaufsystem weist erfindungsgemäß eine Dosiereinheit zur Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff in das Emulsionsumlaufsystem und eine Emulgiereinheit zum Emulgieren von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff auf. Eine SBS-basierte Steuerung kann zur Steuerung der Dosiereinheit und/oder der Emulgiereinheit vorgesehen sein.
Das Emulsionsumlaufsystem weist weiter auf wenigstens eine Umschalteinrichtung, insbesondere ausgebildet als Ventileinrichtung, weiter insbesondere als Umschaltventil, zum insbesondere last- und/oder leistungsabhängigen Betrieb der Dieselkraftmaschine mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion. Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass im Emulsionsbetrieb eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus einer Umlaufleitung des Emulsionsumlaufsystems über wenigstens eine Entnahmestelle entnommen und einer Einspritzpumpe der Dieselkraftmaschine zugeführt wird, wobei im Emulsionsbetrieb eine konstante Strömungsgeschwindigkeit der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung von der Dosiereinheit bis zur Entnahmestelle vorgesehen wird, insbesondere von wenigstens 2,0 m/s, vorzugsweise wenigstens 2,5 m/s, weiter vorzugsweise wenigstens 3,0 m/s, bis 5,0 m/s, und/oder wobei im Emulsionsbetrieb ein Volumenstrom einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung von einer Dosiereinheit bis zur Entnahmestelle vorgesehen wird, der dem wenigstens 1,5-fachen des Volumenstroms, vorzugsweise wenigstens dem 2-fachen, weiter vorzugsweise wenigstens dem 2,5-fachen bis wenigstens 3-fachen oder höheren Mehrfachen, bei maximaler Emulsionsentnahme bzw. dem maximalen Motorverbrauch im Emulsionsbetrieb entspricht.
Das Emulsionsumlaufsystem weist insbesondere eine als Ringleitung bzw. als Kreislaufleitung ausgeführte Umlaufleitung auf, in die die Dosiereinheit, die Emulgiereinheit und die Umschalteinrichtung sowie, vorzugsweise, eine Umwälzpumpe strömungstechnisch integriert sind und in der im Emulsionsbetrieb eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion umläuft.
Eine „konstante“ Strömungsgeschwindigkeit der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung soll im Sinne der Erfindung vorzugsweise auch Zustände umfassen, wenn es zu Abweichungen der Strömungsgeschwindigkeit von maximal +/- 5 Prozent, vorzugsweise von +/- 10 Prozent, kommt, insbesondere aufgrund der Entnahme der Emulsion aus dem Umlaufsystem durch den Motorverbrauch.
Durch entsprechende Umschaltventile kann ein zylinderweises schnelles Umschalten zwischen der Kraftstoffzufuhr zur Einspritzpumpe aus dem Emulsionsumlaufsystem und einer Kraftstoffzuleitung für den reinen Dieselbetrieb erfolgen. Alternativ kann die Umschaltung auch durch ein zentral angeordnetes Umschaltventil in Verbindung mit Rückschlagventilen an den Einspritzpumpen erreicht werden.
Vorrichtungsgemäß wird ein dementsprechend ausgebildetes und eingerichtetes Emulsionsumlaufsystem für Dieselkraftmaschinenanlagen, insbesondere Schiffsmotorenanlagen, vorgeschlagen, dass eine Dosier- und Emulgiereinrichtung mit einer Dosier- und Vormischeinheit, vorzugsweise einer Umlaufpumpe, sowie einer der Dosiereinheit nachfolgenden Emulgiereinheit aufweist. In der Dosiereinheit erfolgt die Zudosierung von Dieselkraftstoff und/oder Emulgierwasser in einem geforderten Kraftstoff-Wasser-Verhältnis, insbesondere entsprechend der eingestellten Motorlast und/oder der Motorleistung. Die Versorgung einer Einspritzpumpe oder mehrerer Einspritzpumpen der Dieselkraftstoffmaschine mit reinem Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion erfolgt über die Umschalteinrichtung mittels einer Ventileinrichtung über eine oder mehrere Entnahmestellen im Emulsionsumlaufsystem. Die Entnahme kann über wenigstens ein Ventile erfolgen, das eine Umlaufleitung des Umlaufsystems mit einer Einspritzpumpe oder auch mehreren Einspritzpumpen verbindet und über das die Zuleitung der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion zu der Einspritzpumpe bzw. den Einspritzpumpen erfolgt. Vorzugsweise weist die Umschalteinrichtung wenigstens ein betriebsabhängig mit einer Umlaufleitung des Umlaufsystems oder einer Dieselkraftstoffzuleitung verbindbares bzw. verschaltbares Umschaltventil auf. Im Emulsionsbetrieb kann dann eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus der Umlaufleitung über das Umschaltventil entnommen und der Einspritzpumpe zugeführt werden, während im Dieselkraftstoffbetrieb die Entnahme von reinem Dieselkraftstoff aus der Dieselkraftstoffzuleitung erfolgt und reiner Dieselkraftstoff der Einspritzpumpe zugeführt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindungsbeschreibung ist der Begriff „reiner Dieselkraftstoff“ oder „Dieselkraftstoff“ in Alleinstellung zu verstehen als nicht-wasserangereicherter Dieselkraftstoff, insbesondere zu verstehen als nicht in Form einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorliegender Kraftstoff.
Erfindungsgemäß wird ein modular aufgebautes Emulsionsumlaufsystem vorgeschlagen, dass eine darin integrierte Dosier- und Emulgiereinrichtung aufweist. Das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem besteht vorteilhafterweise aus einzelnen an den Emulsionsverbrauch des Motors angepassten Modulen, die an den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum in Schiffen angepasst sind.
Die Dosier- und Emulgiereinrichtung ist zur Erzeugung eines Emulsionskraftstoffes mit variablen Wasseranteilen eingerichtet bzw. ausgebildet und lässt eine Änderung eines eingestellten Wasseranteils der Emulsion bei geänderter Last oder Leistung des Dieselmotors bei geringem Zeitverzug zu. Das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem weist ein Umschaltsystem mit wenigstens einer Umschalteinrichtung auf, so dass ein last- und/oder leistungsabhängiger Betrieb des Dieselmotors mit Dieselkraftstoff oder mit Emulsion ermöglicht wird. Insbesondere in Verbindung mit einem weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Einspritzsystem, das zur Ausnutzung der verbrennungstechnisch möglichen emissionsmindernden Eigenschaften von Diesel-Wasser-Emulsionen, insbesondere bei hohen Motorlasten bis zum Erreichen der Nennlast, ausgebildet ist, kann die Einspritzung von Emulsionskraftstoffen mit entsprechend hohen Wasseranteilen von wenigstens 45 bis 50 % oder mehr möglich sein, insbesondere bei einer vorgesehenen Erhöhung der Förderkapazität der Einspritzpumpe(n) des Einspritzsystems gegenüber der Förderkapazität von für den reinen Dieselbetrieb ausgelegten Einspritzpumpen.
Das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem weist zumindest in einem Leitungsabschnitt einer Umlaufleitung, in der im Emulsionsbetrieb eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion von der Dosiereinheit zum Motor geführt wird, zumindest nach der Dosiereinheit und einem (Umschalt-)Ventil der Umlaufleitung, einen Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit der geförderten Emulsion auf, um einen schnellen Emulsionstransport zu der Einspritzpumpe des Dieselmotors sicherzustellen. Damit wird eine kurze Verweilzeit der Emulsion auf dem Weg zur Einspritzpumpe erreicht, die zum einen Koagulation der Emulsion verhindert und zum anderen einen entsprechend kurzen Zeitverzug zwischen der betriebspunktabhängigen Änderung des Wasseranteils in der Dosiereinheit und der Verfügbarkeit der geänderten Emulsionszusammensetzung an der Einspritzpumpe des Dieselmotors ermöglicht. Die erforderliche relativ hohe Transportgeschwindigkeit der Emulsion kann durch einen hohen, konstant gehaltenen Durchfluss einer Umwälzpumpe des Emulsionsumlaufsystems in Verbindung mit entsprechend ausgelegten Rohrquerschnitten erreicht werden. Die vom Dieselmotor nicht verbrauchte Emulsionsmenge kann im Umlaufsystem verbleiben, so dass über einen Überstromregler bzw. ein Druckhalteventil ein für die Füllung von Pumpenelementen der Einspritzpumpen erforderlicher Emulsionsvordruck erhalten wird.
Der Volumeninhalt des Emulsionsumlaufsystems wird vorzugsweise konstant gehalten. Zu diesem Zweck kann ein vorzugsweise kontinuierlicher Ausgleich der dem Emulsionsumlaufsystem im Emulsionsbetrieb entnommenen und der bzw. den Einspritzpumpe(n) zugeführten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion durch Dosierung von Dieselkraftstoff und/oder durch Dosierung einer geregelte Menge Emulgierwasser in das Emulsionsumlaufsystem über die Dosiereinheit vorgesehen sein, wobei die Regelung der Emulgierwassermenge entsprechend einem durch den Lastpunkt und/oder die Leistung der Dieselkraftmaschine vorgegebenen Dieselkraftstoff-Emulgierwasser-Verhältnis erfolgen kann. Zu diesem Zweck kann ein entsprechend ausgebildete und eingerichtete Mess-, Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen sein.
Die Emulgierwassermenge, die zum Ausgleich der dem Emulsionsumlaufsystem im Emulsionsbetrieb entnommenen und der bzw. den Einspritzpumpe(n) zugeführten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion über die Dosiereinheit zugeführt wird, ist abhängig vom leistungsbedingten Dieselkraftstoffverbrauch und entspricht zum anderen dem für eine optimale Reduzierung der Ruß- und Stickoxidemissionen für den jeweiligen Betriebspunkt erforderlichen Wasseranteil. Die genaue Regelung des Wasseranteils kann den Vergleich von gemessenen über die Dosiereinheit zugeführten Volumenströmen von Dieselkraftstoff und Wasser mit den in einer elektronischen Regeleinheit, beispielsweise in einem Motorlast-Drehzahlkennfeld, gespeicherten Sollwerten für den Wasseranteil erfolgen. Hierbei können die Kennfeld-Betriebspunkte entweder, wie bei direktgetriebenen Schiffspropellern, entsprechend der Propellerleistungskurve nur durch die Motordrehzahl oder durch eine Kombination von Motordrehzahl und Motorlast bzw. Kraftstoff-Fördermenge der Einspritzpumpen definiert sein.
Das vorgeschlagene Dosierkonzept lässt sich besonders vorteilhaft im Rahmen der Nachrüstung von Dieselmotoren einsetzten, wenn beispielsweise das vorhandene Dieselversorgungssystem weiterverwendet wird und damit keine zusätzliche Dieselvorförderpumpe und keine zusätzliche Dosierpumpe für das Emulsionswasser erforderlich sind.
Der betriebswarme Motor wird im Allgemeinen mit einer an den Lastzustand angepassten Zusammensetzung der Wasser-Diesel-Emulsion betrieben. Hierbei wird bei hohen Motorlasten und entsprechend hohen Verbrennungs- und Motortemperaturen eine möglichst starke Reduzierung der NOx- und Rußemissionen durch einen hohen Wasseranteil in der Emulsion von mindestens 40 % bis 50 % oder mehr angestrebt. Dabei ist die obere Grenze des Wasseranteils im Wesentlichen durch einen verschleppten Verbrennungsablauf mit einer entsprechend auftretenden Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrades sowie ansteigenden Kohlenmonoxid- und Rußemissionen gegeben.
Die Erhöhung des Wasseranteils im Emulsionskraftstoff erfolgt über die Dosiereinheit, mit der der im Umlaufsystem befindlichen Emulsion eine zusätzliche Wassermenge hinzugefügt wird. Diese mit einem höheren Wasseranteil gebildeten Emulsion erreicht die Einspritzpumpen des Motors aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen hohen Transportgeschwindigkeit im Umlaufsystem nach kurzen Zeitverzug. Damit kann, beispielsweise im Schiffsbetrieb, ein bezüglich der Abgasemissionen gutes Übergangsverhalten des Dieselmotors erreicht werden.
Bei Reduzierung der Motorlast kann im Umlaufsystem eine Emulsion mit einem für den niedrigeren Lastpunkt zu hohen Wasseranteil anliegen. Bei einer Reduzierung der Motorlast, beispielsweise einer Reduzierung um maximal bis zu 20 Prozent bis 30 Prozent gegenüber Volllast, kann daher der im Umlaufsystem befindlichen Emulsion, die noch einen, dem vorherigen höheren Lastpunkt entsprechenden höheren Wasseranteil aufweist, mit der Dosiereinheit ein, bezogen auf den zugeführten Dieselkraftstoff, geringerer Wasseranteil zugemischt werden. Bedingt durch die bei einer Lastreduzierung auf nicht zu niedrige Werte ausreichenden Emulsionsentnahme durch den Motor verringert sich dann der zu hohe Wasseranteil in der Umlaufemulsion durch den Motorverbrauch, wobei die durch den überschüssigen Wasseranteil auftretende Verringerung der Brennraumtemperatur nur einen geringen Einfluss auf den Verbrennungsablauf hat.
Dieselkraftstoff kann mit einer Kraftstoffpumpe einem Dieseltank entnommen und mit einem konstanten Vordruck der Kraftstoffpumpe über eine Kraftstoffzuleitung der Dosiereinheit zugeführt werden. In der Dosiereinheit kann eine Dosierung des Dieselkraftstoffs in eine Umlaufleitung des Emulsionsumlaufsystems vorgesehen sein, wobei die Umlaufleitung mit der Kraftstoffzuleitung verbunden ist. Kommt es zu einem Abfall des Drucks in der Umlaufleitung vor der Dosiereinheit aufgrund der Volumenentnahme über die Einspritzpumpe des Motos, kann Dieselkraftstoff aus der Kraftstoffzuleitung allein aufgrund eines bestehenden Differenzdrucks zwischen der Umlaufleitung und der Kraftstoffzuleitung nachgefördert werden. Besonders bevorzugt ist keine Pumpe erforderlich, um Dieselkraftstoff aus der Kraftstoffzuleitung in die Umlaufleitung zu dosieren. Durch eine geregelte Zufuhr von Emulgierwasser in die Umlaufleitung steigt der Leitungsdruck, so dass entsprechend weniger Dieselkraftstoff nachgefördert wird. Wird kein Emulgierwasser in das Emulsionsumlaufsystem gefördert, wird vorzugsweise lediglich Dieselkraftstoff zugeführt. Das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem kann in diesem Zusammenhang vorsehen, dass eine mit einem Dieseltank verbundene Dieselkraftstoffzuleitung in eine Umlaufleitung des Emulsionsumlaufsystems mündet und das eine automatische Dosierung von Dieselkraftstoff in die Umlaufleitung vorzugsweise lediglich aufgrund des resultierenden Differenzdrucks zwischen einem Kraftstoffvordruck in der Dieselkraftstoffzuleitung und dem Druckniveau in der Umlaufleitung erfolgt.
Bei einer stärkeren Reduzierung der Motorlast auf niedrige oder nulllastnahe Lastwerte bzw. Motorleistungen und/oder bei Erreichen eines bestimmten Drehzahlsprungs in Abhängigkeit von der Nenndrehzahl, beispielsweise bei einer Drehzahlabnahme von 50 bis 100 U/min bezogen auf eine Nenndrehzahl von 800 bis 1.200,00 U/min, insbesondere 1.000 U/min, und/oder bei einer Drehzahlabnahme von 10 bis 25 U/min bezogen auf eine Nenndrehzahl von 150 bis 300 U/min, insbesondere 200 bis 250 U/min, steigt aufgrund des dann im Umlaufsystem zu hohen Wasseranteils in Verbindung mit den entsprechend geringen, durch den Motorverbrauch aus dem Emulsionsumlaufsystem entnommenen Kraftstoffmengen, der Zeitverzug bis zur Anpassung des Wasseranteils in der Emulsion. Um eine schnelle Änderung des Wassergehalts der im Umlaufsystem befindlichen Emulsion bis hin zum reinen Dieselbetrieb und damit einen gleichmäßig guten Verbrennungsablauf und ein gutes Emissionsverhalten zu gewährleisten, kann gemäß einem alternativen Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit vom Lastpunkt und/oder von der Leistung der Dieselkraftmaschine und/oder vom Erreichen eines bestimmten Drehzahlsprungs die im Emulsionsumlaufsystem enthaltene Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorzugsweise vollständig aus dem Emulsionsumlaufsystem ausgetragen wird. Der vollständige Austrag kann alle emulsionsführenden Leitungen des Emulsionsumlaufsystems betreffen, jedenfalls eine Ringleitung, mit der der Kraftstoff von der Dosiereinheit zur Dieselkraftmaschine und von der Dieselkraftmaschine in Richtung zur Dosiereinheit zurückgefördert wird. Für die Entnahme kann ein Umschaltventil vorgesehen sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, durch Spülen des Emulsionsumlaufsystems mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem Wasseranteil oder mit reinem Dieselkraftstoff das Emulsionsumlaufsystem mit einer an den tatsächlichen Lastpunkt und/oder die tatsächliche Leistung der Dieselkraftmaschine angepassten Emulsion zu versorgen. Vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich mit dem Austrag einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus dem Emulsionsumlaufsystem kann eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem Wasseranteil durch entsprechende Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff über die Dosiereinheit und Emulgieren in der Emulgiereinheit erzeugt und dem Emulsionsumlaufsystem zugeführt werden oder es kann dem Emulsionsumlaufsystem im Wesentlichen zeitgleich mit dem Austrag reiner Dieselkraftstoff zugeführt werden.
Bei Laständerungen, insbesondere bei einer Lastabnahme, kann der Dieselkraftmaschine eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem und an den aktuellen Lastpunkt und/oder die aktuelle Leistung der Dieselkraftmaschine angepasstem Wasseranteil oder reiner Dieselkraftstoff zugeführt werden, wobei die Verzögerung bei der Zufuhr einer angepassten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion und/oder von reinem Dieselkraftstoff zur Dieselkraftmaschine im Wesentlichen lediglich durch die Transportgeschwindigkeit der Emulsion oder des Dieselkraftstoffs in dem Emulsionsumlaufsystem vorgegeben sein kann.
Vorzugsweise kann die Verzögerungszeit bei einer Anpassung der erzeugten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion oder der Zufuhr von reinem Dieselkraftstoff beginnend mit dem Zeitpunkt einer Lastpunktänderung bis zu dem Zeitpunkt, an dem eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit an den geänderten Lastpunkt angepasstem Wasseranteil am Motor anliegt und eingespeist ist, weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise weniger als 6 Sekunden, weiter vorzugsweise weniger als 4 Sekunden, bis zu weniger als 1,0 Sekunden, betragen, wobei die Verzögerungszeit abhängt von dem Abstand des Ortes, an dem die Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion erzeugt wird, vom Aufstellungsordnung des Motors. Vorzugsweise ist ein möglichst geringer Abstand vorgesehen, um eine geringe Verzögerungszeit zu erreichen.
Während bei höheren Drehzahlen die im Emulsionsumlaufsystem enthaltene Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aufgrund des höheren Motorverbrauchs schnell entnommen wird, wird erfindungsgemäß insbesondere bei einer Lastabnahme und/oder im unteren bis mittleren Lastbereich die im Emulsionsumlaufsystem enthaltene Emulsion ausgeschleust und durch eine Emulsion mit verändertem Wasseranteil ersetzt, die dann zum Motor geleitet wird. Das Ausschleusen der im Emulsionsumlaufsystem vorhandenen Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit nicht angepasstem Wasseranteil und die Bildung einer Emulsion mit angepasstem Wasseranteil und Zuleitung zum Motor oder auch die Zuleitung von reinem Dieselkraftstoff zum Motor kann vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich erfolgen. Damit wird sichergestellt, dass der Motor möglichst unterbrechungsfrei mit einer an den Lastpunkt und/oder die Leistung der Dieselkraftmaschine angepassten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion oder auch mit reinem Dieselkraftstoff versorgt wird. Besonders bevorzugt kann eine Anpassung der Zusammensetzung der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion im Emulsionsumlaufsystem an einen geänderten Lastpunkt und/oder eine geänderte Leistung der Dieselkraftmaschine, insbesondere im unteren und mittleren Drehzahlbereich, durch Ausschleusen der im Emulsionsumlaufsystem enthaltenen Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion und vorzugsweise zeitgleiche Bildung einer Emulsion mit angepasstem Wasseranteil und Zuleitung zur Dieselkraftmaschine über das Emulsionsumlaufsystem dann vorgesehen sein, wenn die Drehzahl gegenüber der Nenndrehzahl der Dieselkraftmaschine, bei der die Dieselkraftmaschine die maximale Leistung erreicht, um wenigstens 10 Prozent, vorzugsweise wenigstens 20 Prozent, weiter vorzugsweise wenigstens 30 Prozent, besonders bevorzugt wenigstens 40 Prozent oder um wenigstens 50 Prozent abnimmt.
Vorzugsweise kann zeitgleich mit dem Austrag einer im Emulsionsumlaufsystem anstehenden Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem Wasseranteil entsprechend dem geänderten Lastpunkt und/oder der geänderten Leistung der Dieselkraftstoffmaschine in der Dosier- und Emulgiereinrichtung erzeugt und dem Emulsionsumlaufsystem zugeführt werden. Für eine schnelle Anpassung des Wasseranteils in der dem Motor zugeführten Emulsion kann das in einer Umlaufleitung vorhandene Emulsionsvolumen vollständig in einen Emulsionszwischenspeicher bzw. Emulsionssammelbehälter abgeführt werden, während gleichzeitig die dem Lastpunkt oder der Motorleitung entsprechende Diesel-Wasser-Emulsion durch die Dosiereinheit bereitgestellt wird und mit hoher Transportgeschwindigkeit zum Motor gelangt. Hierdurch ist der Zeitverzug, mit dem die jeweilige Emulsion zum Motor gelangt, bei hoher und auch sehr geringer Motorlast gleich lang und nur Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit im Emulsionsumlaufsystem.
Wird das Emulsionsvolumen aus dem Emulsionsumlaufsystem vollständig in den Emulsionssammelbehälter geleitet und gleichzeitig die Emulgierwasserzufuhr zur Dosiereinheit unterbrochen, kann das ausgeschleuste Umlaufvolumen auch vollständig durch reinen Dieselkraftstoff ersetzt werden. Dadurch lässt sich der Emulsionsbetrieb sehr schnell beenden und in den Dieselbetrieb überführen. Außerdem wird verhindert, dass Wasserreste in den emulsionsführenden Leitungen und dem Einspritzsystem verbleiben, wodurch auch bei längerem Stillstand des Motors eine problemlose Inbetriebnahme des Motors wieder möglich ist.
Das erfindungsgemäße Emulgierumlaufsystem kann eine Einrichtung zur Spülung des Umlaufsystems unter Verwendung eines Umschaltventils vorsehen und eine Auffüllung eines Emulsionssammelbehälters mit Füllstandsüberwachung. Der Spülvorgang kann durch einen Durchflussmesser überwacht werden und der Spülvorgang wird vorzugsweise solange fortgesetzt, bis das gesamte Volumen des Umlaufsystems in den Sammelbehälter ausgespült worden ist. Das Volumen des Sammelbehälters kann so gemessen sein, dass beispielsweise fünf oder mehr, weiter beispielsweise zehn, aufeinander folgende Spülvorgänge möglich sind. Im Übrigen kann eine Einrichtung zur Rückdosierung des Sammelbehälterinhalts in das Umlaufsystem nur bei laufendem Emulsionsbetrieb vorgesehen sein.
Das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem kann eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Dosierung von Dieselkraftstoff und/oder von Emulgierwasser in das Emulsionsumlaufsystem in Abhängigkeit von der der dem Emulsionsumlaufsystem im Emulsionsbetrieb entnommenen Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aufweisen. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem einen Emulsionssammelbehälter bzw. Zwischenspeicher und eine Mess-, Steuer- und/oder Regelungseinrichtung vorsehen, mit der die Befüllung und/oder die Entleerung des Emulsionssammelbehälters in Abhängigkeit von Füllstandsmessungen des Behälters und/oder von Durchflussmessungen in einer Umlaufleitung des Emulsionsumlaufsystems gesteuert und/oder geregelt wird.
Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass die aus dem Emulsionsumlaufsystem ausgetragene Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion gespeichert wird und dass eine zeitversetzte Rückspeisung der gespeicherten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in das Emulsionsumlaufsystem erfolgt, wobei, vorzugsweise, die Rückspeisung mit einem auf den volumetrischen Verbrauch der Dieselkraftmaschine bezogenen Volumenstrom von 2,5 % bis 15 %, vorzugsweise von 5 % bis 10 %, vorgesehen wird. Zur Entleerung des Emulsionssammelbehälters, der als Zwischenspeicher dient, wird während des Emulsionsbetriebs des Dieselmotors der Speicherinhalt dann beispielsweise durch eine Dosierpumpe vorzugsweise kontinuierlich aus dem Sammelbehälter abgeführt und, kann, vorzugsweise, in den Wasserzulauf der Dosiereinheit gefördert werden. Aufgrund der geringen Menge des rückgeführten Speicherinhalts wirkt sich die Abweichung der resultierenden Wasserdosierung nicht oder lediglich vernachlässigbar auf das Betriebsverhalten des Dieselmotors aus. Es versteht sich, dass eine entsprechende Anpassung des Mess-, Steuerungs- und/oder Regelungssystems vorgesehen ist, um die zuvor beschriebene Teilentleerung des Emulsionssammelbehälters zu steuern und/oder zu regeln.
Vorzugsweise wird der Durchfluss der Emulsion in der Umlaufleitung des Umlaufsystems zumindest von der Dosiereinheit bis zur Emulgiereinheit und darüber hinaus bis zu der oder den Entnahmestelle(n) der Einspritzpumpen konstant gehalten, was insbesondere durch den oben beschriebenen Mengenausgleich der dem Emulsionsumlaufsystem im Emulsionsbetrieb entnommenen Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion durch Zufuhr von Kraftstoff und/oder Emulgierwasser in der Dosiereinheit erreicht werden kann. Damit liegt im Emulsionsumlaufsystem vor der Emulgiereinheit eine konstante Anströmgeschwindigkeit unabhängig von der Emulsionsentnahme durch die Dieselkraftstoffmaschine vor. Die konstante Anströmgeschwindigkeit erlaubt den vorteilhaften Einsatz von sehr robusten und wartungsfrei arbeitenden mechanischen Mischern. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in diesem Zusammenhang eine vorzugsweise lediglich strömungsmechanische Emulgierung von Kraftstoff und Emulgierwasser in einem mechanischen Mischer vorsehen. Die Emulgiereinheit der Dosier- und Emulgiereinrichtung des erfindungsgemäßen Emissionsumlaufsystems weist dementsprechend wenigstens einen mechanischen Mischer für die Emulgierung auf. Es ist zweckmäßig, wenn der Mischer stromabwärts von der Dosiereinheit, insbesondere stromabwärts von einer Umwälzpumpe des Emulsionsumlaufsystems, angeordnet ist. Da die Mischgüte der mit einem mechanischen Mischer erzeugten Emulsion in erheblichem Maße von der kinetischen Energie der Strömung abhängt, ist aufgrund der konstanten Strömungsverhältnisse eine optimale Anpassung der Mischerauslegung für eine gleichmäßig gute Zerkleinerung und Homogenisierung der in der Rohemulsion am Mischereintritt vorliegenden Wassertröpfchen möglich.
Auch Emulgiereinrichtungen unter Zuführung von Fremdenergie können alternativ Verwendung finden. Werden statt einem mechanischen Mischer gegenüber der Aströmgeschwindigkeit weitgehend unempfindliche Emulgiereinrichtungen, wie beispielsweise Rotor-, Stator- und/oder Hochdruck-Emulgiereinrichtungen, eingesetzt, bei denen die zur Emulgierung notwendige Energie nicht oder nicht allein über die Strömungsenergie des zu mischenden Stoffstroms zugeführt wird, kann eine Reduzierung bzw. Anpassung der Emulsions-Überschussmenge im Umlaufsystem an den Emulsionsverbrauch erfolgen. Hierbei ist jedoch durch entsprechende Auslegung der Rohrquerschnitte die für einen geringen Transportverzug erforderliche hohe Strömungsgeschwindigkeit zu den Einspritzpumpen einzuhalten.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, der auch unabhängig von den zuvor beschriebenen Verfahrensmerkmalen des ersten Aspekts verwirklicht sein kann, betrifft die Verwendung von Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser als Emulgierwasser, insbesondere wobei Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser aufbereitet, insbesondere entsalzt wird, weiter insbesondere nach einem Verfahren der Umkehrosmose, wobei das aufbereitete Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser gespeichert wird und/oder wobei Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser während des Betriebs der Dieselkraftmaschine aus der Umgebung entnommen und „on board“ und/oder bedarfsabhängig aufbereitet wird. Zur Wasseraufbereitung, insbesondere Entsalzung, kann eine erfindungsgemäße Dieselkraftmaschinenanlage ein Wasseraufbereitungssystem aufweisen. Die Entsalzung kann vorzugsweise mit einer Umkehrosmoseanlage erfolgen, die im Gegensatz zur Ionentauschern keine Hilfsstoffe, wie Salze oder Laugen, benötigt. Die Membranen der Umkehrosmoseanlage, wie eine Pumpe zur Erzeugung des erforderlichen Wasserdrucks, können an den Salzgehalt des Rohwassers angepasst sein. Hierdurch ist ein Anlagenbetrieb, beispielsweise dem Einsatzbereich eines Schiffes im Flusswasser, Brackwasser oder Seewasserbereich oder auch Blauwasser, möglich. Zur Steuerung und/oder Regelung der Rohwasserversorgung und Entsalzung des Emulsionswassers kann eine entsprechend ausgebildete Mess-, Steuer- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise eine SBS-basierte Steuerung.
Mit steigendem Wasseranteil nimmt der Heizwert des Emulsionskraftstoffes ab. Um ein dem Basisdieselbetrieb entsprechendes Leistungsverhalten zu erreichen, kann daher gemäß einen weiteren Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, die in den Brennraum der Dieselkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge im Emulsionsbetrieb zu vergrößern.
Ein hoher Anteil an größeren Dieselmotoren für den stationären oder mobilen Einsatz, beispielsweise als Schiffsantrieb, ist mit Pumpe-Leitungs-Düse-(PLD)- Einspritzsystemen ausgerüstet, bei denen eine Einspritzpumpe über eine Einspritzleitung und den Injektor jeweils einen Zylinder mit Kraftstoff versorgt. Eine Einspritzpumpe besteht aus einem Gehäuse, in das ein Pumpenelement, bestehend aus einem Pumpenzylinder und einem Pumpenkolben, integriert sind. Der Pumpenkolben wird über einen z.B. im Motorblock gelagerten Rollenstößel von einem jeweils einer Pumpe zugeordneten speziellen Nocken der Motornockenwelle angetrieben. Die Regelung der Fördermenge und damit der Motorleistung erfolgt durch ein Pumpenelement, das nach dem bekannten Überströmprinzip in Verbindung mit einer Schrägkantensteuerung zur Nutzhubveränderung arbeitet. Die hierzu erforderliche Verdrehung des Pumpenkolbens erfolgt über eine Mitnehmerhülse durch eine im Pumpengehäuse verschiebbar gelagerte Regelstange, die z.B. von einem Motordrehzahlregler angetrieben wird. Mit diesem beispielsweise im Schiffsbetrieb häufig eingesetzten Reglertyp wird die Motordrehzahl, entsprechend einem vorgegebenen Sollwert und innerhalb der Leistungsgrenzen des Motors, auf einem kontanten Wert geregelt.
Die Förderung des zuvor durch Zulaufbohrungen in den Druckraum des Pumpenelementes angesaugten Kraftstoffs beginnt mit dem Verschließen der Zulaufbohrungen durch die Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens. Nach dem Druckaufbau erfolgt die Förderung über ein Druckventil in die Einspritzleitung sowie die anschließende Einspritzung durch den Injektor. Das Ende der Förderung wird je nach Lage der Steuerkante und entsprechendem Nutzhub dann erreicht, wenn der Kraftstoffdruck im Druckraum des Pumpenelements durch die vom Pumpenkolben freigegebenen Zulaufbohrungen über eine Überströmnut in den Saugraum abgebaut wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung, der vorzugsweise mit den vorgenannten Aspekten kombiniert werden kann, betrifft ein Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine der Dieselkraftmaschinenanlage mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere zum Dieselkraftstoffbetrieb oder Emulsionsbetrieb in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine und/oder der Motorleistung, insbesondere zum Nach- und/oder Umrüsten von Schiffsmotoren, wobei eine zum Betrieb der Dieselkraftmaschine mit reinem Dieselkraftstoff ausgewählte und eingerichtete Einspritzpumpe der Dieselkraftmaschine durch eine Nachrüst- und/oder Austausch-Einspritzpumpe mit einem bestimmten vergrößerten Innendurchmesser eines Pumpenzylinders der Einspritzpumpe und einem vergrößerten Außendurchmesser eines Pumpenkolbens der Einspritzpumpe. Die Vergrößerung des Außendurchmessers des Pumpenkolbens der Einspritzpumpe ist vorzugsweise begrenzt auf 5 Prozent bis 20 Prozent, vorzugsweise bis 10 Prozent, bezogen auf den Durchmesser einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Einspritzpumpe. Alternativ oder insbesondere ergänzend kann eine Einspritzpumpe mit einem Pumpenkolben mit einer an den Betrieb mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion und den Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff gleichermaßen angepassten Steuerkantengeometrie vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist eine Vergrößerung des Innendurchmessers des Pumpenzylinders der Einspritzpumpe und des Außendurchmessers des Pumpenkolbens sowie eine Modifikation einer Steuerkantengeometrie eines Pumpenelements vorgesehen, das nach dem bekannten Überströmprinzip in Verbindung mit einer Schrägkantensteuerung zur Nutzhubveränderung arbeitet. Für die Umrüstung auf den Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsionsbetrieb kommt zur Vergrößerung der maximalen Einspritzmenge aus wirtschaftlichen Gründen eine Vergrößerung des Kolbendurchmessers mit entsprechender Anpassung der Lage der Steuerkante vorteilhaft in Betracht. Da die Empfindlichkeit des Motorreglers auf den Basis-Dieselbetrieb abgestimmt ist, tritt bei vergrößertem Kolbendurchmesser eine bezogen auf den Regelstangenweg stärkere Änderung der Fördermenge auf. Dies führt bei Änderungen, beispielsweise der Motordrehzahl, entsprechend dem dynamischen Regelverhalten, zu kurzeitigen Überschwingern und damit zu einer stärkeren Vergrößerung der Einspritzmenge verbunden mit der Gefahr einer verstärkten Rußbildung. Außerdem treten aufgrund der begrenzten Regelgenauigkeit große Schwankungen der Kraftstoffeinspritzmengen auf.
Die zuvor beschriebene Vergrößerung des Innendurchmessers des Pumpenzylinders und/oder des Außendurchmessers des Pumpenkolbens und/oder die Modifikation der Steuerkantengeometrie sind im Verhältnis zum Innendurchmesser des Pumpenzylinders und Außendurchmesser des Pumpenkolbens sowie der Steuerkantengeometrie des Pumpenkolbens einer Einspritzpumpe zu verstehen, die für den reinen Dieselkraftstoffbetrieb ausgelegt ist.
Durch eine erfindungsgemäße Änderung der Steuerkantengeometrie bzw. die Verwendung einer Einspritzpumpe mit einem Pumpenkolben, der eine solche angepasste Steuerkantengeometrie aufweist, lässt sich die auf den Regelstangenweg bezogene Änderung der Fördermenge an den Diesel- oder Emulsionsbetrieb (Wechselbetrieb) anpassen. Vorzugsweise kann die Modifikation der Steuerkantengeometrie bei einer unteren Steuerkante einen ersten Steuerkantenabschnitt mit einer geringeren Steuerkantensteigung für ein geringeres Fördervolumen im Dieselkraftstoffbetrieb und einen zweiten Steuerkantenabschnitt mit einer größeren Steuerkantensteigung für ein größeres Fördervolumen im Emulsionsbetrieb vorsehen. Der Pumpenkolben kann eine für den Dieselbetrieb geeignete geringere Steuerkantensteigung aufweisen, so dass beispielsweise eine für die Erhöhung der Fördermenge erforderliche Vergrößerung des Regelstangenweges eine gegenüber einer geraden Steuerkante reduzierte Fördermengenänderung bewirkt. Für größere Fördermengen, wie sie für den Emulsionsbetrieb erforderlich sind, erfolgt eine Verdrehung des Pumpenkolbens durch eine entsprechend weitere Vergrößerung des Regelstangenweges in den Bereich einer deutlich steiler angeordneten Steuerkante. Hierdurch wird eine für den höheren Lastbereich des Motors erforderliche Mengenanhebung erreicht. Hierbei weist der Bereich der Steuerkante im unteren Bereich des Kolbenverdrehwinkels, der im Dieselbetrieb benutzt wird, eine geringere Steigung auf, während für die Regelung der sehr viel größeren Einspritzmengen im Emulsionsbetrieb, entsprechend dem größeren Verdrehwinkel des Pumpenkolbens, eine steiler verlaufende Steuerkante vorgesehen ist. Damit wird trotz größerem Pumpenkolbendurchmesser im Bereich kleinerer Regelstangenwege ein weitgehend der Basis-Dieseleinspritzpumpe vergleichbarer Einspritzmengenverlauf erreicht, während im anschließenden Bereich bei Vergrößerung des Regelstangenweges die für den Emulsionsbetrieb erforderlichen zusätzlichen Einspritzmengen bereitgestellt werden können. Die im Emulsionseinspritzsystem eingesetzte Einspritzdüse kann an eine größere Einspritzmengenspreizung angepasst sein, so dass auch im Dieselbetrieb eine schadstoffarme Verbrennung erreicht werden kann.
Um im reinen Dieselbetrieb ein Überschwingen des Pumpenreglers in Bereiche der Steuerkante, in denen zu große Dieselkraftstoffmengen mit entsprechenden Nachteilen bei den Ruß- bzw. Partikelemissionen verbunden sein können, zu verhindern, kann eine vom Motorkennfeld gesteuerte Begrenzung des Regelstangenweges vorgesehen sein. Diese Begrenzung der Dieselmenge kann im Emulsionsbetrieb abhängig von der Motorlast und dem Wasseranteil, beispielsweise stufenweise oder aber kontinuierlich geregelt, zurückgenommen werden. Der Regelstangenweg einer zur Verdrehung des Pumpenkolbens vorgesehenen Regelstange kann dementsprechend erfindungsgemäß zur Begrenzung des Fördervolumens im Dieselkraftstoffbetrieb begrenzt und für einen größeren Fördervolumenstrom im Emulsionsbetrieb kann ein größerer Regelstangenweg, insbesondere der maximale Regelstangenweg, freigegeben werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoff-Wasser-Emulsionsverfahren ist es aufgrund hoher einsetzbarer Wasseranteile auch bei hohen Motorleistungen möglich, eine erhebliche Minderung der Ruß- und Stickoxidemissionen sowie gegebenenfalls etwas günstigere Kraftstoffverbrauchswerte zu erzielen. Allerdings ist die tatsächlich erreichbare Verbesserung des Emissionsverhaltens abhängig von der Abstimmung des Einspritzsystems sowie des Brennverfahrens. Insbesondere bei einer Nach- bzw. Umrüstung von älteren Motoren mit relativ hohen Ausgangswerten für die Stickoxidemissionen kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zum Emulsionsbetrieb weitere Maßnahmen zur Verbesserung des Schadstoffemissionsverhaltens anzuwenden. Die Erfindung sieht daher vorzugsweise eine weitere und/oder alternative Möglichkeit zur Modifikation der Steuerkantengeometrie eines Pumpenkolbens der Einspritzpumpe vor. An der Oberkante des Pumpenkolbens kann im Verdrehbereich für hohe Emulsionseinspritzmengen eine zusätzliche Steuerkante angeordnet sein. Hierdurch wird im Emulsionsbetrieb eine Verspätung des Förderbeginns zur weiteren Absenkung der Stickoxidemission genutzt.
Der Pumpenkolben kann erfindungsgemäß eine durch den Übergang einer Stirnseite zur Mantelfläche des Pumpenkolbens gebildete erste obere Steuerkante für den Einspritzbeginn aufweisen, wobei die Modifikation der Steuerkantengeometrie zusätzlich zur ersten oberen Steuerkante wenigstens einen obenliegenden axial gegenüber der ersten oberen Steuerkante vertieften Bereich mit wenigstens einer zweiten oberen Steuerkante vorsehen kann für eine Spätverschiebung des Einspritzbeginns, und wobei, vorzugsweise, die zweite obere Steuerkante im Bereich axial oberhalb einer unteren Steuerkante für den Emulsionsbetrieb angeordnet ist, so dass eine Spätverstellung des Einspritzbeginns im Emulsionsbetrieb erfolgt.
Insbesondere wegen hoher NOx-Emissionen im oberen Lastbereich kann eine Verspätung des Kraftstoffförderbeginns zur weiteren Reduzierung der Verbrennungstemperaturen und damit der NOx-Emissionen vorgesehen werden. Ein im Emulsionsbetrieb verlängerter Zündverzug mit entsprechend größerem Anteil vorgemischten Kraftstoff-Luft-Gemisches und der daraus resultierenden kürzeren Brenndauer, insbesondere im höheren Lastbereich, erlaubt eine moderate Verschiebung der Einspritzung in Richtung „spät“, wobei eine Grenze im Wesentlichen durch die bei zu starker Verspätung des Einspritzbeginns auftretende Wirkungsgradverschlechterung gegeben ist. Im reinen Dieselbetrieb dagegen ist selbst eine geringe Verspätung des Einspritzbeginns wegen der auftretenden verschleppten Verbrennung sowie dementsprechend verschlechtertem Wirkungsgradverhalten und zunehmender Rußemission nicht sinnvoll.
Eine Spätverschiebung des Förderbeginns kann erfindungsgemäß durch eine zusätzliche „obenliegende“ Steuerkante erreicht werden, die bei der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens den Druckraum des Pumpenelements etwas später von der Zulaufbohrung trennt, so dass ein Aufbau des Einspritzdruckes stattfinden kann. Hierbei lässt sich eine Verschiebung des Förderbeginns um ca. 2 bis 5 Grad Kurbelwinkel erreichen. Da die Spätverstellung des Förderbeginns nur im oberen Lastbereich des Emulsionsbetriebes stattfinden soll, ist die obere Steuerkante entsprechend oberhalb der Steuerkante zur Mengenregelung des Emulsionskraftstoffes angeordnet. Damit lässt sich die Spätverstellung vorteilhafter Weise auf den oberen Lastbereich im Emulsionsbetrieb begrenzen.
Bei einer Kombination von Kolbendurchmesservergrößerung und Vergrößerung des Nutzhubes durch Anpassung der Steuerkante am Pumpenkolben zur Beendingung des Fördervorgangs kann eine Durchmesseranpassung am Pumpenkolben geringer ausfallen. Dadurch lässt sich auch die Belastung eines Rollenstößels zum Pumpenkolbenantrieb reduzieren.
Zur Begrenzung der Dieselkraftstoffeinspritzmengen im entsprechenden Steuerkantenbereich kann eine schaltbare bzw. steuerbare Regelstangenwegbegrenzung eingesetzt werden. Bei einer kennfeldabhängigen größeren Einspritzmenge im Emulsionsbetrieb wird ein vergrößerter oder der gesamte Regelstangenweg freigegeben. Die Freigabe kann insbesondere in Abhängigkeit vom Ladedruck und/oder dem Wasseranteil der Emulsion erfolgen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann dementsprechend vorsehen, dass eine Modifikation des Regelstangenweges einer zur Verdrehung des Pumpenkolbens vorgesehene Regelstange vorgesehen wird, wobei der Regelstangenweg zur Begrenzung des Fördervolumenstroms im Dieselkraftstoffbetrieb begrenzt wird und wobei für einen größeren Fördervolumenstrom im Emulsionsbetrieb ein größerer Regelstangenweg, insbesondere der maximale Regelstangenweg, vorgesehen wird. Zur Steuerung der Regelstangenanschläge kann eine SBS-basierte Steuerung vorgesehen sein.
Eine erfindungsgemäße Einspritzpumpe sieht einen Pumpenkolben mit modifizierter Steuerkantengeometrie und/oder mit einer zuvor beschriebenen Begrenzung des Regelstangenweges vor.
Eine weitere Möglichkeit zur gezielten Absenkung der Ladungstemperaturen und damit insbesondere zur Stickoxid-Reduzierung besteht in der Zuführung von Wasser in das Ansaugsystem des Motors. Bekannte Verfahren nutzen durch die Anfeuchtung der Ansaugluft durch in das Ansaugsystem, beispielsweise vor- oder hinter dem Ladeluftkühler eingespritztem Wasser, die Verdampfungswärme zur Verminderung der Ansauglufttemperatur. Da insbesondere aufgeladene Schiffsmotoren mit zumindest einem Ladeluftkühler, der meist mit See- oder Flusswasser als Kühlmedium arbeitet, ausgerüstet sind, werden bereits relativ niedrige Ladelufttemperaturen von weniger als 50 °C erreicht. Daher ist die erreichbare Temperaturabsenkung durch die Kondensation des eingespritzten Wassers bereits im Saugrohr bzw. im Luftsammler stark begrenzt. Eine bessere Möglichkeit zur Absenkung der Gastemperaturen im Zylinder besteht in der mengengeregelten Einspritzung von Wasser direkt in den Ansaugkanal eines jeden Zylinders. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft dementsprechend ein Verfahren zum Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine, wobei eine direkte Zuführung von Wasser in den Ansaugkanal eines Brennraums bzw. einer Brennkammer oder Zylinders der Dieselkraftmaschine unmittelbar benachbart zum Einlass in den Brennraum vorgesehen wird, so dass das Wasser während eines Ansaugvorgangs in die Brennkammer gelangt und dort verdampft. Das kurz vor den Einlassventilen im Ansaugkanal eingebrachte Wasser gelangt teilweise noch als flüssige Tröpfchen während des Ansaugvorgangs in den Zylinder und führt dort im Wesentlichen durch die schnelle und vollständige Verdampfung zu einer deutlichen Absenkung der Ladungstemperaturen. Vorzugsweise wird das Wasser im Ansaugkanal unmittelbar vor dem Einlass in den Brennraum mit einer Düse zerstäubt. Damit wird über Wärmetransportvorgänge auch eine Reduzierung der Gastemperaturen in den für die NOx-Bildung relevanten Verbrennungszonen des Kraftstoff-Luft-Gemisches erreicht. Durch die direkte Abkühlung der Zylinderladung ist im Vergleich zur weiter vom Brennraum entfernten Zufuhr in den Ansaugluftsammler, beispielsweise hinter dem Ladeluftkühler, eine vergleichsweise geringe Wassermenge zur NOx-Minderung erforderlich. Außerdem ist die Begrenzung der eingespritzten Wassermenge unabhängig von der Sättigung der im Saugrohr angefeuchteten Luft und weitgehend lediglich abhängig vom Einfluss auf den Verbrennungsablauf. Da dieses Verfahren über eine Kennfeldsteuerung genau und schnell auf einen Betriebspunkt anwendbar ist, besteht die vorteilhafte Möglichkeit einer Ergänzung der vom Regelverhalten etwas langsameren Emulsionseinspritzung.
Eine Wasserzufuhr über den Ansaugkanal erfolgt vorzugsweise lediglich im mittleren Lastbereich bis Volllastbereich der Dieselkraftmaschine. Der nutzbare Drehzahlbereich der Dieselkraftmaschine kann beispielsweise im Bereich zwischen 600 U/min bis 1.000 U/min liegen, wobei, vorzugsweise, eine Wasserzufuhr über den Ansaugkanal lediglich im Drehzahlbereich zwischen 700 U/min bis zum Erreichen der Nenndrehzahl von beispielsweise 1.000 U/min vorgesehen sein kann. Besonders bevorzugt ist im mittleren Lastbereich bis hohen Lastbereich ein Verhältnis der in den Ansaugkanal zugeführten Wassermenge zur Wassermenge, die der Brennkammer mit der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion zugeführt wird, von 0,5 bis kleiner oder gleich 1,0 vorgesehen, insbesondere wird im Wesentlichen die gleiche Wassermenge über den Ansaugkanal und über die Emulsion zugeführt, wobei, vorzugsweise, Abweichungen von +/- 10 Prozent tolerierbar sind. Im Leerlauf bei geringeren Drehzahlen bis zum mittleren Lastbereich kann das Verhältnis der über den Ansaugkanal zugeführten Wassermenge zu der über die Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion zugeführten Wassermenge bei kleiner 0,5 liegen. Im Leerlauf bis zum mittleren Lastbereich kann auch auf eine Wasserzufuhr über den Ansaugkanal verzichtet werden. Beispielsweise kann im unteren Drehzahlbereich von beispielsweise kleiner 700 U/min keine Wasserzufuhr über den Ansaugkanal vorgesehen sein.
Vorrichtungsgemäß weist die erfindungsgemäße Dieselkraftmaschinenanlage dementsprechend eine Wassereinspritzeinrichtung auf, ausgebildet und angeordnet zur Wassereinspritzung in den Ansaugkanal einer Brennkammer der Dieselkraftmaschine benachbart zum Einlass in die Brennkammer, insbesondere in einen Ansaugkrümmer zur Brennkammer, so dass das eingespritzte Wasser beim Betrieb der Dieselkraftmaschine mit überwiegendem Anteil in flüssiger Form während eines Ansaugvorgangs in die Brennkammer gelangt.
Zur kontinuierlichen Zerstäubung des Wassers und zur Mengenregulierung kann vorzugsweise der durch eine Emulgierwasserversorgung bereitgestellte Wasservordruck von bis zu 16 bar genutzt werden. Statt der kontinuierlichen Einspritzung des Wassers kann auch eine intermittierende Einspritzung zur weiterverbesserten Zerstäubung des Wassers vorgesehen sein.
Ein Pumpenkolben einer Einspritzpumpe und/oder eine Ventilnadel eines Einspritzventils der Dieselkraftmaschine können bereichsweise eine verschleißmindernde Beschichtung und/oder eine Korrosionsschutzbeschichtung aufweisen. Zur Verminderung des im Emulsionsbetrieb erhöhten Verschleißes am Pumpenkolben sowie an der Ventilnadel des Einspritzventils im Injektor können die entsprechenden Flächen mit einer verschleißmindernden Beschichtung, insbesondere einer CLD- bzw. carbon-like-diamond-Beschichtung versehen werden. Diese Verschleißschutzbeschichtung in Verbindung mit im Vergleich zu serienmäßigen Pumpenelement- und Düsenpassungen führen zu einer vergleichsweise erheblich längeren Lebensdauer dieser Bauteile. Die Beschichtungen stellen außerdem einen sehr guten Korrosionsschutz dar. Alle anderen Komponenten des Einspritzsystems sowie der Emulsionsversorgungsanlage, die mit dem Diesel-Wasser-Emulsionskraftstoff in Kontakt kommen, wie emulsionsführende Rohrleitungen und Ventile, können durch Verwendung rostfreier Stählen bzw. Rohre korrosionsgeschützt ausgeführt sein und insbesondere im Bereich höherer Drücke aus korrosionsbeständigen Stählen bestehen. Im Niederdruckbereich, beispielsweise im Bereich einer Emulsionswasser-Aufbereitung, können Kunststoffrohre und/oder Wellschläuche, beispielsweise aus EPDM oder Teflon, als flexible Verbindungen zum Einsatz kommen.
Darüber hinaus kann eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, um die Kraftstoff-Wasser-Emulsion im Emulsionsumlaufsystem gegen einen übermäßige Erwärmung zu schützen und damit eine Reduzierung der Emulsionsstabilität zu vermeiden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 ein Anlagenschema einer Ausführungsform einer Dieselkraftmaschinenanlage mit einem Emulsionsumlaufsystem der erfindungsgemäßen Art zur Versorgung der Dieselkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion für einen 6-Zylindermotor und vorgesehene Emulgierwasserversorgungseinrichtungen;
2 eine Prinzipdarstellung einer Kraftstoff-Einspritzpumpe mit einem Pumpenkolben mit erfindungsgemäß modifizierter Steuerkantengeometrie;
2A eine Einzeldarstellung des Pumpenkolbens der Kraftstoff-Einspritzpumpe aus 2;
3 eine beispielhafte Darstellung des Einspritzmengenverlaufes in Abhängigkeit vom Regelstangenweg bei Verwendung eines Pumpenkolbens mit einem erfindungsgemäß vorgesehenen modifizierten Steuerkantenverlauf gemäß 2;
4 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Pumpenkolbens für eine Kraftstoff-Einspritzpumpe mit erfindungsgemäß modifizierter Steuerkantengeometrie;
5 eine Prinzipdarstellung einer Wasser-Zusatzeinspritzung in den Ansaugkrümmer eines Zylinders eines Dieselmotors der in 1 dargestellten Dieselkraftmaschinenanlage und
6 eine schematische Darstellung eines Steuergerätes für ein Kraftstoff-Wasser-Emulsionsversorgungssystem.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine besonders für die Nachrüstung von Schiffsmotoren geeignetes Emulsionsversorgungssystem, bestehend aus den Komponenten einer Pumpeneinheit (100) zur Entnahme des Rohwassers und den Komponenten einer Emulgierwasseraufbereitung (200) zur anschließenden Aufbereitung und Speicherung des entsalzten Wassers zur Versorgung einer Emulgieranlage (300). Die Emulgieranlage (300) versorgt über eine als Ringleitung (401) ausgebildete Umlaufleitung einen Dieselmotor (400) in einem Emulsionsbetrieb mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion. Eine Kraftstoff-Wasser-Dosiereinheit (314), eine Emulsionskreislaufpumpe (306) und ein Emulgierer (309) sind strömungstechnisch in die Umlaufleitung (401) integriert und bilden Komponenten eines Emulsionsumlaufsystems. Zudem weist das Emulsionsumlaufsystem mehrere Umschaltventile (405.1-6) auf, die zur Versorgung der Zylinder des Dieselmotors (400) mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion im Emulsionsbetrieb oder mit reinem Dieselkraftstoff in einem Dieselbetrieb des Dieselmotors (400) vorgesehen sind. Über die Umschaltventile (405) erfolgt im Emulsionsbetrieb eine Entnahme der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus der Umlaufleitung (401) und die Zuleitung zu . Die Versorgung des Dieselmotors (400) erfolgt durch die Entnahme von Emulsionskraftstoff aus der Umlaufleitung (401) und die Zuleitung zu Kraftstoffeinspritzpumpen (402) des Dieselmotors (400).
Alle Anlagenkomponenten sind einzeln skalierbar und damit sowohl an den erforderlichen Emulsionskraftstoffbedarf des oder der Motoren als auch an den verfügbaren Einbauraum sowie die Entnahmemöglichkeiten von beispielsweise See- oder Flusswasser anpassbar. Die Steuerung bzw. Regelung des Emulsionsversorgungssystems erfolgt durch eine Steuer- und Regeleinheit (500), die mit Sensoren und Aktoren verbunden ist.
Die Bedienung der Steuer- und Regeleinheit (500) aller Komponenten der Emulgierversorgungsanlage erfolgt über eine Bedieneinheit (501).
Weitere Bauteile und Komponenten der Pumpeneinheit (100), der Emulgierwasseraufbereitung (200), der Emulgieranlage (300) und des Dieselmotors (400) können der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Als zentrale Komponente des Emulsionsversorgungssystems umfasst die Emulgieranlage (300) Komponenten des Emulsionsumlaufsystems und Komponenten einer Emulsionsspeichereinheit (314). Die Umlaufleitung (401) bildet einen Emulsionskreislauf und ist als Ringleitung konzipiert. Innerhalb der Emulgieranlage (300) kann der in der Umlaufleitung (401) umlaufenden Emulsion in der Kraftstoff-Wasser-Dosiereinheit (301) Dieselkraftstoff über eine Kraftstoffpumpe (409) aus einem Kraftstofftank (408) sowie Emulgierwasser zugeführt werden. Die Dosierung des Emulgierwassers erfolgt durch ein Wasserdosierventil (303), dass entsprechend einem gemessenen Dieselkraftstoffdurchsatz eine dem Betriebspunkt entsprechende Menge an Wasser dem Emulsionsumlaufsystem zuführt. Zur Regelung des Wasseranteils wird ein Sollwert aus einem Kennfeld, dass in der Steuer- und Regeleinheit (500) hinterlegt ist, mit gemessenen Diesel- und Wasservolumenströmen verglichen und entsprechend korrigiert. Hierzu sind eine Wasservolumenmesseinheit (302) und eine Kraftstoffvolumenmesseinrichtung (304) vorgesehen. Die zugeführte und vorgemischte Mischung von Dieselkraftstoff und Emulgierwasser gelangt über eine Emulsionskreislaufpumpe (306) zum Emulgierer (309), der vorzugsweise als strömungsmechnischer Mischer ausgeführt ist. Mit dieser sehr wartungsarmen Mischerbauart erfolgt die Emulgierung ohne Zufuhr zusätzlicher Energie nur durch die kinetische Energie der Strömung. Die entsprechende Druckverluste werden durch die Emulsionskreislaufpumpe (306) ausgeglichen.
Durch eine Auslegung der Umlaufleitung (401) und des Emulsionsumlaufsystems auf einen Volumenstrom zwischen der Dosiereinheit (301) und dem Dieselmotor (400), der vorzugsweise dem 1,5- bis 2-fachen oder größeren Mehrfachen des maximalen Emulsionsverbrauchs des Dieselmotors (400) im Emulsionsbetrieb entspricht, wird eine unabhängig von der Kraftstoffentnahme durch den Dieselmotor (400) konstante hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Entsprechend besteht eine relativ kurze Zeitverzögerung zwischen der Erhöhung des Wasseranteils in der Dosiereinheit (301) und dem Eintritt der Emulsion in den Kraftstoffeinspritzpumpen (402) des Dieselmotors (400).
Mit dem Emulsionsumlaufsystem ist es sehr schnell möglich, den Dieselmotor (400) wahlweise in einem reinen Dieselkraftstoffbetrieb oder in einem Emulsionsbetrieb zu betreiben. Im Dieselkraftstoffbetrieb wird reiner Dieselkraftstoff über eine Kraftstoffversorgungsleitung (404), die bei nachgerüsteten Dieselmotoren (400) bereits vorhanden ist, über die Umschaltventile (405) den Kraftstoffeinspritzpumpen (402) zugeleitet. Damit lässt sich der Dieselmotor (400) sehr schnell vom Emulsionsbetrieb auf den reinen Dieselbetrieb umschalten. Diese Möglichkeit der Betriebsartumschaltung ist aus Gründen der Betriebssicherheit im Schiffsbetrieb erforderlich. Außerdem ermöglicht die direkte Umschaltung zwischen Diesel- und Emulsionsbetrieb über die Umschaltventile (405) in vorteilhafter Weise den Startvorgang des Dieselvorgangs (400) im Dieselbetrieb wie auch den Betrieb der Emulsionskreislaufpumpe (306) zum Austausch der im Umlaufsystem enthaltenen Emulsion durch Dieselkraftstoff.
Beim Übergang auf Betriebspunkte mit niedrigerer Motorlast ist eine Reduzierung des Wasseranteils in der Emulsion erforderlich. Das im Umlaufsystem enthaltene Emulsionsvolumen mit dem der höheren Motorlast entsprechenden Wasseranteil kann im Allgemeinen durch den Verbrauch des Dieselmotors (400) durch eine Emulsion mit geringerem Wasseranteil ersetzt werden. Bei dem im Niedriglastbereich geringen volumetrischen Kraftstoffverbrauch verläuft dieser Anpassungsprozess an niedrige Wasseranteile jedoch langsam, so dass eine Ableitung des im Umlaufsystem enthaltenen Emulsionskraftstoffs in die Emulsions(zwischen)speichereinheit (314) vorgesehen ist. Über ein Spülventil (310) wird der gesamte oder zumindest ausreichend große Anteil des im Umlaufsystem enthaltenen Emulsionskraftstoffs in einen Emulsionssammelbehälter (315) geleitet bzw. ausgespült. Hierbei wird nach Erreichen eines durch eine Emulsionsspülmengenmesseinrichtung (317) erfassten Emulsionsvolumens oder aber nach einer vorbestimmten Zeit die Ableitung der Emulsion aus dem Umlaufsystem beendet. Parallel zur Ausleitung des Umlaufvolumens findet über die Dosiereinheit (301) eine Zufuhr von Dieselkraftstoff und eine dem niedrigeren Lastpunkt entsprechende Wasserzufuhr statt. Wird die Wasserzufuhr gesperrt, kann auch das gesamte Umlaufsystem mit Dieselkraftstoff aufgefüllt werden. Hierdurch wird zum einen der Neustart des Motors im reinen Dieselbetrieb möglich, zum anderen wird bei längerem Motorstillstand das Zerfallen der im Umlaufsystem verbliebenen Emulsion vermieden.
Aufgrund des besseren Schadstoffemissionsverhaltens kann vorgesehen sein, den Motorbetrieb im gesamten Betriebsbereich, auch bei höheren Motorlasten oder bei Volllast, im Emulsionsbetrieb vorzunehmen. Für besondere Betriebszustände, beispielsweise im Niedriglastbereich oder in eventuell erforderlichen Warmlaufphasen sowie als Notbetrieb, ist gleichwohl ein reiner Dieselbetrieb des Dieselmotors (400) möglich. Daher ist das Einspritzsystem des Dieselmotors (400) sowohl für den Dieselbetrieb als auch für den Emulsionsbetrieb mit sehr hohen Wasseranteilen ausgebildet und eingerichtet. Entsprechend kann die Förderkapazität der Kraftstoffeinspritzpumpen (402) an um bis zu 50 oder 60 % größere Einspritzmengen im Emulsionsbetrieb angepasst sein. Die Vergrößerung der Fördermenge der Kraftstoffeinspritzpumpen (402) kann bei konstantem Nockenhub insbesondere über einen grö-ßeren Pumpenkolbendurchmesser der Kraftstoffeinspritzpumpen (402) erreicht werden.
Zur Verbesserung des Motorregelverhaltens im Dieselbetrieb sowie zur Darstellung großer Einspritzmengen im Emulsionsbetrieb kann die Steuerkantengeometrie des Pumpenkolbens der Kraftstoffeinspritzpumpen (402) gemäß 2 einen modifizierten Verlauf aufweisen. 2 zeigt schematisch einen Dieselmotor (601) mit einem Einspritzpumpengehäuse (602), in dem ein Zwischenstößel (603) für einen Pumpenkolben (612) einer Einspritzpumpe des Dieselmotors (601) sowie ein Pumpenzylinder (604) aufgenommen sind. In dem Pumpenzylinder (604) ist der Pumpenkolben (612) bewegbar geführt. Der Pumpenzylinder (604) hat bei der gezeigten Ausführung der Kraftstoffeintrittspumpe (402) zwei Bohrungen (605, 611) für den Kraftstoffzu- bzw. ablauf. Diese Bohrungen (605, 611) stehen mit einem dem Pumpenzylinder (604) umgebenden Saugraum (610) in Verbindung. Mit Förderbeginn wird im Verlauf der Hubbewegung des Pumpenkolbens (612) der Kraftstoffdruck in einem Pumpenarbeitsraum bzw. Druckraum (609) erhöht, bis ein Druckventil (606) öffnet und Kraftstoff oder eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion über eine Einspritz-Druckleitung zu einer Einspritzdüse strömt. Im Übrigen zeigt 2 einen Druckventilhalter (607) und einen Einspritzleistungsanschluss (608).
Der Pumpenkolben (612) hat außen auf seinem Kolbenmantel eine axiale Längsnut (617). Im Übrigen weist der Pumpenkolben (612) einen Steuernutbereich (618) auf. Die dem Druckraum (609) zugewandte obere Kante des Steuernutbereichs (618) bildet eine untere Steuerkante (613, 614) und die Kante der Stirnfläche (619) des Pumpenkolbens (612) bildet eine obere Steuerkante (620). Beim Pumpenhub wirken die beiden Steuerkanten (613, 614, 620) mit den Steuerbohrungen (605, 611) in der Weise zusammen, dass während des Pumpenkolbenhubs durch Freigabe bzw. Verschließen der Steuerbohrungen (605, 611) der Förderbeginn und das Förderende der Kraftstoffeinspritzpumpe festgelegt sind.
Gemäß 2A ist für den Dieselbetriebsbereich ein flacher verlaufender Steuerkantenabschnitt (613) vorgesehen, so dass die Mengenänderung bei der Verdrehung des Pumpenkolbens mit einer nicht gezeigten Regelstange entsprechend dem höheren Energiegehalt des Dieselkraftstoffs geringer ist. Im Emulsionsbetrieb bei hohen Motorlasten und größeren Wasseranteilen ist dagegen eine stärkere Zunahme des Fördervolumens vorgesehen, so dass die Steuerkante im Emulsionsbetriebsbereich einen Steuerkantenabschnitt (614) mit steilerem Verlauf aufweist.
Aufgrund des schnelleren Verbrennungsablaufs im Emulsionsbetrieb und damit ohne thermodynamisch ungünstigen Verzögerung des Verbrennungsendes ist eine weitere Reduzierung von NOx-Emissionen durch einen späteren Förderbeginn zu erreichen. Gemäß 4 kann die Steuerkantengeometrie des Pumpenkolbens (612) für eine Spätverschiebung des Einspritzbeginns zusätzlich zur ersten oberen Steuerkante (620) einen obenliegenden axial gegenüber der ersten oberen Steuerkante (620) vertieften Bereich (621) mit wenigstens einer zweiten oberen Steuerkante (616) aufweisen. Die zweite obere Steuerkante (616) führt bei der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens (612) zu einem späteren Verschließen der Bohrungen (605, 611) im Pumpenzylinder (604) und damit zu einem späteren Beginn des Einspritzdruckaufbaus im Druckraum (609).
Eine weitere Möglichkeit zur Stickoxidminderung besteht gemäß 5 in der Wassereinspritzung jeweils direkt vor einem Einlasskanal im Zylinderkopf (701). Hierbei wird aufbereitetes und unter Druck stehendes Reinwasser (707) gemäß 1 einer Versorgungsleitung (319) entnommen und über eine Druckwasser-Mengenregelung (320) und eine gegebenenfalls weitere Druckerhöhung den in 5 dargestellten Zerstäubungsdüsen (706) zugeführt. 5 zeigt einen Schnitt durch einen Teil des Ansaugsystems eines größeren Dieselmotors (400). Die durch einen Abgasturbolader verdichtete Ladeluft strömt durch einen Luftsammler (702) zu den Saugrohrabgängen (703) bzw. Ansaugkrümmern der einzelnen Zylinder des Dieselmotors (400). Die Zerstäuberdüse (706) ist als Nebeldüse ausgeführt und auf den Ansaugkanal im Zylinderkopf (701) des Dieselmotors (400) ausgerichtet.
Im Ergebnis ist eine direkte Zuführung von Reinwasser (707) in den Ansaugkrümmer (703) des Zylinderkopfes (701) unmittelbar benachbart zum Einlass in den Zylinderkopf (701) vorgesehen, wobei der Abstand zwischen einem Ansaugkrümmerflansch (704) und der Zerstäubungsdüse (706) so gewählt ist, dass das Reinwasser (707) als Wassernebel (709) und damit mit überwiegenden Anteil in flüssiger Form während eines Ansaugvorgangs des Dieselmotors (400) in den Brennraum gelangt. Der Abstand kann beispielsweise weniger als 5 cm betragen. Der Pfeil (708) in 5 zeigt schematisch die Ansaugluft-Wasserzufuhr zu einem Zylinder des Dieselmotors (400). Das über die Versorgungsleitung (319) entnommene Reinwasser gelangt über eine Wasserzufuhrleitung (705) zu einer Zerstäubungsdüse (706).
Die in 1 gezeigte Dosiereinheit (301) wird aus einem Emulgierwasserspeicher (211) mit aufbereitetem Emulgierwasser (214) versorgt. Dazu wird im Falle einer Schiffsinstallation über die Pumpeneinheit (100) außen Wasser bzw. Rohwasser (201) über eine Förderpumpe (103) angesaugt und einem Feinfilter (202) zugeführt. Das filtrierte Rohwasser (201) wird zur anschließenden Entsalzung einer Entsalzungsanlage (205) zugeführt, die eine Umkehrosmoseanlage (RO-Anlage) (206) umfasst. Mit Hilfe eines Leitfähigkeitssensors (209) wird der Leitwert der durch die Umkehrosmose gewonnenen Reinwassers (208) bzw. des Permeats bestimmt und damit der Grad der Entsalzung ermittelt. Vorzugsweise sollte der Leitwert des Emulgierwassers 20 µS/cm nicht übersteigen, da die mit dem Emulgierwasser dem Dieselmotor (400) zugeführten Salze zu einer Erhöhung der bei der Verbrennung entstehenden Partikelemissionen beitragen können. Ein Leitwert von 20 µS/cm entspricht dem von destilliertem Wasser. In besonderen Fällen kann zur Sicherstellung eines sehr niedrigen Salzgehaltes auch ein Mischbett-Ionentauscher der RO-Anlage (206) nachgeschaltet werden.
Die in der RO-Anlage (206) eingesetzten Membranen sind auf den Salzgehalt des über die Pumpeneinheit (100) angesaugten Rohwassers (201) abgestimmt. Daher wird der Salzgehalt bzw. der korrespondierende Leitwert des Rohwassers (201) durch einen Leitfähigkeitssensor (104) der Pumpeneinheit (100) überwacht. Bei Überschreiten des zulässigen Salzgehaltes wird durch die elektronische Steuerung (500) des Emulsionsversorgungssystems eine Abschaltung der Förderpumpe (103) veranlasst. Erst wenn der gemessene Leitwert wieder unterhalb eines zulässigen Wertes liegt, wird die Förderpumpe (103) wieder eingeschaltet. Kürzere Unterbrechungen der Wasserversorgung können durch den Emulgierwasserspeicher (211) überbrückt werden.
Bei der Nachrüstung von Schiffsmotoren kann entsprechend dem Einsatzbereich, beispielsweise in Flusswasser, Brackwasser und Seewasser oder Blauwasser, durch den modularen Aufbau der Emulsionsversorgungsanlage gemäß 1 eine entsprechende Anpassung der einzusetzenden Entsalzungsanlage (205) entfolgen.
Die Steuerung des Emulsionsversorgungssystems sowie die an den Kraftstoffeinspritzpumpen (402) vorgesehene Regelstangenwegbegrenzung erfolgt durch die zentrale Steuer- und Regeleinheit (500) mit Schnittstellen zu einer Bedieneinheit (501) und zur Spannungsversorgung. Die einzelnen Messeingänge und Steuerausgänge sind in 6 dargestellt. Es versteht sich, dass die gezeigten Signaleingänge und Steuerausgänge exemplarisch ausgewählt sind.
Für die betriebspunktabhängige Regelung des Wasseranteils ist für den Schiffsmotoreneinsatz im Wesentlichen die Motordrehzahl erforderlich. Die entsprechende Motorleistung ergibt sich unter Berücksichtigung der Propellerauslegung über die Propellerkurve. Die Motorlast bzw. das Motordrehmoment kann über die mittels eines Regelstangenweggebers erfasste Einspritzmenge ermittelt werden. Der Wasseranteil wird dann in einem Kennfeld als Funktion von Motordrehzahl und gegebenenfalls Motorlast in der Steuer- und Regeleinheit (500) gespeichert.
Die Regelung des Wasseranteils in der Emulsion erfolgt über die Durchflussmengenmessung von zugeführtem Dieselkraftstoff und Emulgierwasser, wobei der Wasseranteil durch das von der Steuer- und Regeleinheit (500) angesteuerte Dosierventil (303) eingestellt wird. Weiterhin wird zur vorteilhaften Begrenzung der Einspritzmengen insbesondere im Dieselbetrieb eine über das Motorkennfeld gesteuerte Regelstangenwegbegrenzung eingesetzt. Zudem ist die Steuerung und Überwachung der Emulgierwasseraufbereitung (200) anhand der Leitwerte von Roh- und Emulgierwasser sowie die Pumpenüberwachung in der Steuer- und Regeleinheit (500) integriert. Schließlich werden auch einige Temperaturen und Systemdrücke zur Überwachung des Emulsionsversorgungssystems und des Dieselmotors (400) in der Steuer- und Regeleinheit (500) erfasst und bei Auftreten von Störungen gegebenenfalls Störmeldungen angezeigt.
Die Betriebszustände des Emulsionsversorgungssystems einschließlich einer Notaussteuerung werden über die Steuer- und Regeleinheit (500) oder die Bedieneinheit (501) geschaltet. Auf diese Weise lassen sich alle Sicherheitsauflagen, beispielsweise im Schiffsbetrieb, erfüllen. Das Einschalten des Emulsionsbetriebs, dass im Allgemeinen manuell erfolgt, wird gemäß eines in der Steuer- und Regeleinheit (500) hinterlegten Ablaufprogramms gesteuert bzw. geregelt, wobei zunächst die Umwälzpumpen des Kreislaufsystems eingeschaltet werden, in dem sich zunächst nur Dieselkraftstoff befindet. Danach erfolgt die Umschaltung in den Emulsionsbetrieb durch die entsprechenden Umschaltventile (405) vor den Einspritzpumpen (402) und dann die dem Betriebspunkt entsprechende Einstellung des Wasseranteils. Bei Unterschreiten einer Grenzdrehzahl, entsprechend einer sehr geringen Last oder beim Abschalten des Emulsionsbetriebs, wird über das Spülventil (310) dann genau die im Umlaufsystem befindliche Emulsion in den Emulsionszwischenspeicher (314) ausgeleitet und durch eine Emulsion mit entsprechend geringerem Wasseranteil oder durch Dieselkraftstoff ersetzt. Die Dauer des Spülprozesses wird hierbei durch die Emulsionsspülmengenmessung vorgegeben oder ist zeitgesteuert. Im ausgeschalteten Zustand ist damit die Emulsionsanlage zur Vermeidung der Emulsionstrennung und Anreichung von Wasser in Teilen der Anlage und eventuell auftretenden Ablagerungen immer mit reinem Dieselkraftstoff gefüllt.
3 zeigt beispielhaft den Einspritzmengenverlauf in Abhängigkeit vom Regelstangenweg einer zur Verdrehung des Pumpenkolbens (612) eingesetzten Regelstange, wobei der Pumpenkolben (612) eine Steuerkantengeometrie der in 2 und 2A gezeigten Art aufweist. Der Einspritzmengenverlauf ist schematisch für eine Emulsionseinspritzpumpe mit optimierter Steuerkante gemäß 2 und 2A im Vergleich zu dem Einspritzmengenverlauf bei Verwendung einer Dieseleinspritzpumpe mit Standardsteuerkante für den Dieselbetrieb gezeigt. Trotz größerem Pumpenkolbendurchmesser im Bereich A wird mit der Emulsionseinspritzpumpe ein weitgehend der Basis-Dieseleinspritzpumpe vergleichbarer Einspritzmengenverlauf erreicht, während im Bereich B die für den Emulsionsbetrieb erforderlichen zusätzlichen Einspritzmengen bereitgestellt werden können. Dem Bereich A ist ein Pumpenkennfeld zugeordnet, dass den Betrieb des Dieselmotors (400) mit reinem Dieselkraftstoff steuert und dem Bereich B der Betriebsbereich im Emulsionsbetrieb des Dieselmotors (400).
Bezugszeichenliste

100: Pumpeneinheit
101: Anlagenhauptventil
102: Rohwasserfilter 40
103: Förderpumpe
104: Leitfähigkeitssensor
105: Bypass-Ventil
106: Rücklaufsammelleitung 45
200: Aufbereitung
201: Rohwasser
202: Feinfilter
203: vorbehandeltes Emulgierwasser
204: Rückspülwasser
205: Entsalzungsanlage
206: RO-Anlage
207: Konzentratabfuhr
208: Reinwasser
209: Leitfähigkeitssensor
210: Emulgierwasserversorgung
211: Emulgierwasserspeicher
212: Füllstandsmessung
213: Reinwasserpumpe
214: Emulgierwasser 60
300: Emulgieranlage
301: Kraftstoff-Wasser-Dosiereinheit
302: Wasservolumenmesseinrichtung
303: Wasserdosierventil 65
304: Kraftstoffvolumenmesseinrichtung
305: Vormischer
306: Emulsionskreislaufpumpe
307: Entlüftungsventil
308: Kraftstoffzufuhr 70
309: Emulgierer
310: Spülventil
311: Kühler
312: Emulgierwasserzufuhr
313: Druckregler
314: Emulsionsspeichereinheit
315: Emulsionssammelbehälter
316: Rücklaufdosierpumpe
317: Emulsionsspülmengenmesseinrichtung
318: Füllstandsgeber
319: Versorgungsleitung
320: Druckwasser-Mengenregelung
400: Dieselmotor
401: Umlaufleitung
402: Kraftstoffeinspritzpumpen
403: Kraftstoffinjektor
404: Kraftstoffversorgungsleitung
405: Umschaltventil
406: Einspritzdüsenleckage-Sammelleitung
408: Kraftstofftank
409: Kraftstoffpumpe
500: Steuer- und Regeleinheit
501: Bedieneinheit
601: Dieselmotor
602: Einspritzpumpengehäuse
603: Zwischenstößel
604: Pumpenzylinder
605: Bohrung
606: Druckventil
607: Druckventilhalter
608: Einspritzleistungsanschluss
609: Druckraum
610: Saugraum
611: Bohrung
612: Pumpenkolben
613: Steuerkantenabschnitt
614: Steuerkantenabschnitt
616: Steuerkante
617: Längsnut
618: Steuernutbereich
619: Stirnfläche
620: obere Steuerkante
621: Bereich
701: Zylinderkopf
702: Luftsammler
703: Saugrohrabgang
704: Ansaugkrümmerflansch
705: Wasserzufuhrleitung
706: Zerstäuberdüse
707: Reinwasser
708: Ansaugluft-Wasserzufuhr
709: Wassernebel

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

DE 4412965 A1 [0019, 0020]
EP 0742363 B1 [0021]
DE 102018126095 A1 [0026, 0027]

Claims

Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen (400), insbesondere zum Umschaltbetrieb von Schiffsmotoren, wobei die Dieselkraftmaschine (400) in einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine (400) oder in einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, insbesondere als Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, - wobei ein Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorgesehen und/oder nachgerüstet wird, - wobei das Emulsionsumlaufsystem aufweist eine Dosiereinheit (301) zur Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff in das Emulsionsumlaufsystem und eine Emulgiereinheit (309) zum Emulgieren von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff, - wobei das Emulsionsumlaufsystem weiter aufweist wenigstens eine Umschalteinrichtung (405) zum last- und/oder leistungsabhängigen Betrieb der Dieselkraftmaschine (400) mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, - wobei im Emulsionsbetrieb eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus einer Umlaufleitung (401) des Emulsionsumlaufsystems über wenigstens eine Entnahmestelle entnommen und einer Einspritzpumpe (402) der Dieselkraftmaschine (400) zugeführt wird und - wobei im Emulsionsbetrieb eine konstante Strömungsgeschwindigkeit der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung (401) von der Dosiereinheit (301) bis zur Entnahmestelle vorgesehen wird, insbesondere von wenigstens 2,0 m/s, und/oder wobei im Emulsionsbetrieb ein Volumenstrom einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung (401) von der Dosiereinheit (301) bis zur Entnahmestelle vorgesehen wird, der dem wenigstens 1,5-fachen des Volumenstroms bei maximaler Emulsionsentnahme im Emulsionsbetrieb entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorzugsweise kontinuierlicher Ausgleich der dem Emulsionsumlaufsystem im Emulsionsbetrieb entnommenen und der Einspritzpumpe (402) zugeführten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion durch Dosierung von Dieselkraftstoff und/oder durch Dosierung einer geregelten Menge Emulgierwasser in das Emulsionsumlaufsystem vorgesehen wird.
Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen (400), insbesondere zum Umschaltbetrieb von Schiffsmotoren, wobei die Dieselkraftmaschine (400) in einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine (400) oder in einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, insbesondere als Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, - wobei ein Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorgesehen und/oder nachgerüstet wird, - wobei das Emulsionsumlaufsystem aufweist eine Dosiereinheit (301) zur Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff in das Emulsionsumlaufsystem und eine Emulgiereinheit (309) zum Emulgieren von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff, - wobei das Emulsionsumlaufsystem weiter aufweist wenigstens eine Umschalteinrichtung (405) zum last- und/oder leistungsabhängigen Betrieb der Dieselkraftmaschine (400) mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, - wobei im Emulsionsbetrieb eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus einer Umlaufleitung (401) des Emulsionsumlaufsystems über wenigstens eine Entnahmestelle entnommen und einer Einspritzpumpe (402) der Dieselkraftmaschine (400) zugeführt wird, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, und - wobei bei einer Lastpunkt- und/oder der Leistungsänderung der Dieselkraftmaschine (400), insbesondere bei Erreichen eines bestimmten Absolutwertes der Drehzahländerung, die im Emulsionsumlaufsystem enthaltene Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorzugsweise vollständig aus dem Emulsionsumlaufsystem abgeleitet wird, vorzugsweise durch Spülen des Emulsionsumlaufsystems mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem Wasseranteil oder mit im Wesentlichen nicht-wasserangereichertem Dieselkraftstoff, wobei vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich mit dem Ableiten einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus dem Emulsionsumlaufsystem eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem Wasseranteil durch entsprechende Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff über die Dosiereinheit (301) und Emulgieren in der Emulgiereinheit (309) erzeugt und dem Emulsionsumlaufsystem zugeführt wird oder wobei vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich mit dem Ableiten im Wesentlichen nicht-wasserangereicherter Dieselkraftstoff dem Emulsionsumlaufsystem zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Emulsionsumlaufsystem ausgetragene Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion gespeichert wird und dass eine Rückspeisung der gespeicherten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in das Emulsionsumlaufsystem erfolgt, wobei, vorzugsweise, die Rückspeisung mit einem auf den volumetrischen Verbrauch der Dieselkraftmaschine bezogenen Volumenstrom von 2,5 % bis 15 %, vorzugsweise von 5 % bis 10 %, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise lediglich mechanische Emulgierung von Kraftstoff und Emulgierwasser in einem strömungsmechanischen Mischer (309) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser als Emulgierwasser eingesetzt wird, insbesondere wobei Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser weiter insbesondere on-board aufbereitet, insbesondere entsalzt wird, weiter insbesondere nach dem Verfahren der Umkehrosmose, wobei, vorzugsweise, das aufbereitete Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser gespeichert wird und/oder wobei Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser während des Betriebs der Dieselkraftmaschine (400) aus der Umgebung entnommen und aufbereitet wird.
Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftmaschinenanlage, insbesondere eine Schiffsmotorenanlage, insbesondere zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf einen Umschaltbetrieb zwischen einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines Dieselkraftstoffs in einen Brennraum einer Dieselkraftmaschine (400) und einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere zum Dieselkraftstoffbetrieb oder zum Emulsionsbetrieb in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, mit einer Dosiereinheit (301) zur Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff in das Emulsionsumlaufsystem und einer Emulgiereinheit (309) zum Emulgieren von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff und mit einer Umschalteinrichtung (405) zum last- und/oder leistungsabhängigen Betrieb der Dieselkraftmaschine (400) mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, wobei das Emulsionsumlaufsystem eingerichtet und ausgebildet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine (400) der Dieselkraftmaschinenanlage mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere zum Dieselkraftstoffbetrieb oder Emulsionsbetrieb in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, insbesondere zum Nach- und/oder Umrüsten von Schiffsmotoren, insbesondere mit den Verfahrensmerkmalen eines der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichtete Einspritzpumpe der Dieselkraftmaschine (400) durch eine Nachrüst- und/oder Austausch-Einspritzpumpe (402) mit einem vergrößerten Fördervolumen der Einspritzpumpe (402) und/oder mit einer gegenüber der zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Einspritzpumpe modifizierten Steuerkantengeometrie ausgetauscht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modifikation des Regelstangenweges einer zur Verdrehung des Pumpenkolbens (612) vorgesehene Regelstange vorgesehen wird, wobei der Regelstangenweg zur Begrenzung des Fördervolumenstroms im Dieselkraftstoffbetrieb begrenzt wird und wobei für einen größeren Fördervolumenstrom im Emulsionsbetrieb ein größerer Regelstangenweg, insbesondere der maximale Regelstangenweg, vorgesehen bzw. freigegeben wird.
Einspritzpumpe (402) mit einem Pumpenkolben (612) mit modifizierter Steuerkantengeometrie nach Anspruch 8 und/oder ausgebildet zur Begrenzung des Regelstangenweges nach Anspruch 9.
Dieselkraftmaschinenanlage mit einer Dieselkraftmaschine (400) und mit einem Emulsionsumlaufsystem nach Anspruch 7 und/oder mit einer Einspritzpumpe (402) nach Anspruch 10.
Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen (400), insbesondere zum Umschaltbetrieb von Schiffsmotoren, wobei die Dieselkraftmaschine (400) in einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine (400) oder in einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, insbesondere als Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei eine direkte Zuführung von Wasser in den Ansaugkanal (703) des Brennraums unmittelbar benachbart zum Einlass in den Brennraum vorgesehen wird, so dass das Wasser beim Betrieb der Dieselkraftmaschine (400) mit überwiegendem Anteil in flüssiger Form während eines Ansaugvorgangs in den Brennraum gelangt.
Dieselkraftmaschinenanlage mit einer Dieselkraftmaschine (400), insbesondere Schiffsmotorenanlage, ausgebildet und eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 12, mit einer Wassereinspritzeinrichtung (705, 706), ausgebildet und angeordnet zur Wassereinspritzung in den Ansaugkanal (703) eines Brennraums der Dieselkraftmaschine (400) benachbart zum Einlass in den Brennraum, insbesondere in einen Ansaugkrümmer (703) zum Brennraum, so dass das eingespritzte Wasser beim Betrieb der Dieselkraftmaschine (400) mit überwiegendem Anteil in flüssiger Form während eines Ansaugvorgangs in den Brennraum gelangt.
Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine (400) der Dieselkraftmaschinenanlage mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere zum Dieselkraftstoffbetrieb oder Emulsionsbetrieb in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, insbesondere zum Nach- und/oder Umrüsten von Schiffsmotoren, insbesondere nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, - wobei eine zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichtete Einspritzpumpe der Dieselkraftmaschine (400) durch eine Nachrüst- und/oder Austausch-Einspritzpumpe (402) ausgetauscht wird, die einen Pumpenkolben (612) mit zumindest bereichsweise aufweisender verschleißmindernder Beschichtung und/oder Korrosionsschutzbeschichtung aufweist, und/oder - wobei ein zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichtetes Einspritzventil der Dieselkraftmaschine (400) durch ein Nachrüst- und/oder Austausch-Einspritzventil ausgetauscht wird, das eine Ventilnadel mit zumindest bereichsweise ausweisender verschleißmindernder Beschichtung und/oder Korrosionsschutzbeschichtung aufweist.
Dieselkraftmaschinenanlage mit einer Dieselkraftmaschine (400), insbesondere Schiffsmotorenanlage, ausgebildet und eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 14, mit einer einen Pumpenkolben (612) mit zumindest bereichsweise ausweisender verschleißmindernder Beschichtung und/oder Korrosionsschutzbeschichtung aufweisenden Einspritzpumpe (402) und/oder mit einem eine Ventilnadel mit zumindest bereichsweise ausweisender verschleißmindernder Beschichtung und/oder Korrosionsschutzbeschichtung aufweisenden Einspritzventil.