DE10233182A1

DE10233182A1 - Integration einer Lufttrennmembran und eines Sammelfilter zur Anwendung bei einem Lufteinlasssystem eines Motors

Info

Publication number: DE10233182A1
Application number: DE10233182A
Authority: DE
Inventors: Michael E Moncelle
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2003-07-03
Also published as: JP2003201924A; US6523529B1

Abstract

Ein Einlasslufttrennsystem, das für Verbrennungsluft eines Verbrennungsmotors geeignet ist, wird offenbart. Eine Lufttrennvorrichtung des Systems weist eine Vielzahl von Fasern auf, wobei jede Faser ein Rohr mit einer Durchlassbarrierenlage auf seiner Außenseite besitzt, und eine Sammellage auf seiner Innenseite, um Flüssigkeitströpfchen davon abzuhalten, die Durchlassbarrierenlage zu berühren.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Einlassluftrennsysteme für Verbrennungsmotoren und insbesondere auf ein Einlassluftrennsystem, welches eine Lufttrennmembran aufweist, die geeignet ist, um Ströme von sauerstoffangereicherter Luft und stickstoffangereicherter Luft zu erzeugen, und zwar integriert mit einem Sammelfilter zur Entfernung von Flüssigkeiten.

Hintergrund

Abgasemissionsregelungen sind immer restriktiver geworden, und Hersteller von Verbrennungsmotoren stehen entgegenlaufenden Interessen gegenüber, dass sie Emissionsanforderungen erfüllen müssen, während sie eine akzeptable Motorleistung bieten müssen, die einen guten Brennstoffwirkungsgrad mit einschließt. Abgasemissionen weisen sichtbaren Rauch, Partikelstoffe und Stickoxide (NO_x) auf. Partikelstoffe weisen unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Ruß auf, während NO_x-Emissionen eine in gewisser Weise unbestimmte Mischung von Stickoxiden sind, die in erster Linie NO und NO₂ aufweisen können. Viele Ansätze sind verwendet worden, um Emissionsausgaben anzusprechen, wie beispielsweise die Brennstoffeinspritzung, Verbrennungssteuerstrategien und -systeme, Nachbehandlungssysteme und Abgasrückzirkulationssysteme (AGR-Systeme).
Versuche bei der Lösung eines Bereiches können einen negativen Einfluss auf die anderen haben. Beispielsweise haben Abgasreduktionssysteme oft einen negativen Effekt auf die Brennstoffausnutzung. Um die Brennstoffausnutzung oder die Leistungsdichte zu verbessern, ist es bekannt, die Menge des Sauerstoffs in der Brennkammer zu steigern. Dies ist in der Vergangenheit getan worden durch Komprimieren der Verbrennungsluft, die zur Brennkammer geliefert wurde. Das Komprimieren der Verbrennungsluft steigert den Sauerstoff, der für die Verbrennung verfügbar ist. Turbolader sind für diesen Zweck verwendet worden.
Die Nachbehandlung von Abgasen kann verwendet werden, um die Menge von unverbranntem Kohlenwasserstoffen zu reduzieren, und zwar durch fortgesetzte Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe. Eine Sekundärluftversorgung kann in dem Abgasstrom vorgesehen werden. Die schon hohe Temperatur des Abgasstromes wird die weitere Verbrennung mit der Einleitung von zusätzlichem Sauerstoff in den Abgasstrom unterstützen. Ein Konflikt tritt dahingehend auf, dass während die Partikelstoffe verringert werden, eine weitere Oxidation immer höhere Temperaturen im Abgassystem erzeugt. Die Auslegung der Abgassysteme für diese höheren Temperaturen erfordert Komponenten, die einer viel heißeren Umgebung widerstehen können. Solche Komponenten sind oft schwer und teuer und können eine häufigere Instandhaltung erfordern.
Ein verringerter Brennstoffverbrauch und eine verringerte Partikelerzeugung gehen oft Hand in Hand. Jedoch steigt gleichzeitig die NO_x-Produktion oft an. NO_x bildet sich, wenn sich Stickstoff bei einer Umgebung mit hoher Temperatur mit übermäßigem Sauerstoff vermischt, der nicht im Verbrennungsprozess verwendet wurde. Während daher übermäßiger Sauerstoff und hohe Verbrennungstemperaturen bei der Reduzierung des Brennstoffverbrauches vorteilhaft sind, ist die gleiche Kombinationen bezüglich der gesteigerten NO_x-Bildung schädlich. Motorhersteller müssen ein genaues Gleichgewicht treffen, wodurch die NO_x-Produktion, der Brennstoffverbrauch und die Bildung von Partikelstoffen gesteuert werden, um Abgasregelungen und die Anforderungen des Anwenders des Motors zu erfüllen.
Die NO_x-Reduktion ist unter Verwendung der Abgasrückzirkulation (AGR) erreicht worden. Durch Einleitung eines AGR-Flusses in die Brennkammer wird die Menge des verfügbaren Sauerstoffes zur Bildung von NO_xverringert. Durch Verringerung der Sauerstoffmenge wird der Verbrennungsprozess verlangsamt, wodurch die Spitzentemperaturen in der Brennkammer verringert werden. AGR-Systeme verwenden typischerweise Abgas, können jedoch auch angereicherte Quellen für Stickstoff verwenden.
Das US-Patent 6289884 "INTAKE SEPARATION SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE" (Einlassluftrennsystem für einen Verbrennungsmotor), ausgegeben am 18. September 2001 offenbart ein Verfahren und ein System zur Einlasslufttrennung in einem Verbrennungsmotor. Eine Einlasslufttrennvorrichtung verwendet eine Membran zur Trennung der Einlassluft in einen Fluss von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluss von stickstoffangereicherter Luft. Eine Spülluftschaltung wird verwendet, um einen Fluss von Spülluft oder Reinigungsluft in die Lufttrennvorrichtung zu liefern, wodurch die Wirksamkeit der Lufttrennung gesteigert wird.
Eines der Probleme, das mit der Anwendung von Lufttrennmembranen assoziiert ist, ist die Ansammlung von kleinen Tröpfchen von Strömungsmittel (Aerosole) auf der Oberfläche der Membranen, und zwar mit der daraus folgenden Absenkung des Wirkungsgrades der Auftrennung. Aerosole können aus einer Schmierung von stromaufwärts liegenden Ausrüstungsgegenständen resultieren, wie beispielsweise Kompressoren, und aus der Kondensation von Wasser oder anderen Dämpfen, die in dem Gasstrom vorhanden sind, der getrennt wird. In stationären Systemen und Verarbeitungssystemen, die die Technologie der Lufttrennmembranen verwenden, kann das Problem durch Anwendung von getrennten Sammelfiltern überwunden werden, um die Aerosole stromaufwärts der Trennmembran zu entfernen. Bekannte Konstruktionen von solchen Sammelfiltern sind Relativ zu dem verarbeiteten Volumen des Luftstroms groß und haben große Druckabfälle, die mit den dort hindurch geleiteten Luftströmen assoziiert sind. Wegen der Größe des Filters und des assoziierten Druckabfalls ist die Anwendung von getrennten Sammelfiltern bei den meisten Motoranwendungen, die Lufttrennmembranen einsetzen, nicht praktisch durchführbar gewesen.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der Erfindung sieht ein Einlasslufttrennungssystem stickstoffangereicherte Luft für einen Verbrennungsprozess in einen Verbrennungsmotor vor. Das Einlasslufttrennungssystem wird mit Einlassluft beliefert, die geeignet ist, um Einlassluft zu liefern, die beim Verbrennungsprozess für den Motor verwendet wird. Eine Einlasslufttrennvorrichtung ist in Flussverbindung mit der gelieferten Einlassluft und ist geeignet, um die Einlassluft aufzunehmen und die Einlassluft in einen sauerstoffangereicherten Luftstrom und einen stickstoffangereicherten Luftstrom aufzutrennen. Die Einlassluftvorrichtung weist einen integralen Sammelfilter auf. Ein Permeat- bzw. Durchlassauslass ist in Strömungsmittelverbindung mit der Einlasslufttrennvorrichtung und ist geeignet, um den sauerstoffangereicherten Luftstrom aufzunehmen. Ein Retenat- bzw. Rückhaltauslass ist in Strömungsmittelverbindung mit der Einlasslufttrennvorrichtung und der Einlasssammelleitung.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung weist ein Verfahren zur Trennung eines Einlassluftflusses in einem Verbrennungsmotor mit einem Einlassluftsystem, dass geeignet ist, um Einlassluft zu einer Einlasssammelleitung zu liefern und auch zu einer oder mehreren Brennkammern, folgende Schritte auf: vorsehen einer Einlasslufttrennvorrichtung, die eine Durchlassbarrierenlage aufweist; leiten der Einlassluft in die Einlasslufttrennvorrichtung; Aufteilung der Einlassluft bei der Durchlassbarrierenlage in der Einlasslufttrennvorrichtung in einen sauerstoffangereicherten Luftstrom und einen stickstoffangereicherten Luftstrom; vorsehen einer Sammellage in der Einlasslufttrennvorrichtung zum Rückhalt von flüssigen Tröpfchen, so dass sie nicht die Durchlassbarrierenlage erreichen; und leiten der flüssigen Tröpfchen von der Lufttrennvorrichtung weg mit dem stickstoffangereicherten Luftstrom.
Gemäß noch eines weiteren Aspektes der Erfindung ist eine Gastrennvorrichtung zur Auftrennung eines herein kommenden Gasstroms in einen Strom mit einem ersten Gasbestandteil und einen Strom mit einem zweiten Gasbestandteil mit einer Hülle, mit einem Einlass in die Hülle zur Aufnahme des herein kommenden Abgasstromes, mit einem Durchlassauslass aus der Hülle für den Strom mit dem ersten Gasbestandteil und einem Rückhaltauslass aus der Hülle für den Strom mit dem zweiten Gasbestandteil vorgesehen. Eine Vielzahl von Fasern ist in der Hülle angeordnet, die jeweils geeignet sind, um einen Teil des herein kommenden Gasstromes aufzunehmen. Jede Faser weist eine Durchlassbarrierenlage auf, die geeignet ist, um den Teil des herein kommenden Gasstromes in einen Strom mit einem ersten Gasbestandteil und einen Strom mit einem zweiten Gasbestandteil aufzutrennen, und eine Sammellage, die den Durchlass von Flüssigkeitstropfen zur Durchlassbarrierenlage beschränkt.
Gemäß noch eines weiteren Aspektes der Erfindung ist ein Verbrennungsmotor mit einem Verbrennungsabschnitt vorgesehen, der eine Vielzahl von Brennkammern aufweist, weiter ein Abgassystem, dass eine Auslassleitung aufweist, eine Einlasssammelleitung und ein Einlasslufttrennsystem, das geeignet ist, um einen stickstoffangereicherten Luftstrom für einen Verbrennungsprozess innerhalb der Vielzahl von Brennkammern zu liefern. Das Einlassluftrennsystem hat einen Einlasslufteinlass, der geeignet ist, um die in dem Verbrennungsprozess für den Motor verwendete Einlassluft zu liefern. Eine Einlasslufttrennvorrichtung ist in Flussverbindung mit dem Einlasslufteinlass und ist geeignet, um die Einlassluft aufzunehmen und die Einlassluft in einen sauerstoffangereicherten Luftstrom und einen stickstoffangereicherten Luftstrom aufzutrennen. Die Einlasslufttrennvorrichtung weist einen integralen Sammelfilter auf. Ein Durchlassauslass ist in Strömungsmittelflussverbindung mit der Einlasslufttrennvorrichtung und ist geeignet, um den sauerstoffangereicherten Luftstrom aufzunehmen. Ein Rückhaltauslass ist in Strömungsmittelflussverbindung mit der Einlasslufttrennvorrichtung und der Einlasssammelleitung und ist geeignet, um den stickstoffangereicherten Luftstrom zur Einlasssammelleitung zu liefern, und zwar zur Verwendung im Verbrennungsprozess.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Einlassluftsystem mit einer integrierten Lufttrennmembran und einen Sammelfilter der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Lufttrennvorrichtung;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung in Längsquerschnitt; und
Fig. 4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht von einer Faser der Lufttrennvorrichtung.

Detaillierte Beschreibung

Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Einlasslufttrennsystems 10 für einen Schwerlast- Dieselmotor 12 gezeigt.
Eine Einlassseite des Dieselmotors 12 weist eine Einlassluftleitung 14, eine Einlasssammelleitung 16 und eine Komprimierungsvorrichtung 18 für die Einlassluft auf, wie beispielsweise einen Turbolader, der einen Einlassluftkompressor 20 aufweist, der damit verbunden ist, und der von einer abgasgetriebenen Turbine 22 angetrieben wird. Ein Zwischenkühler oder Luft-Luft- Nachkühler (ATAAC) 24 ist in der Einlassluftleitung 14 vorgesehen, und zwar zwischen dem Kompressor 20 und der Einlasssammelleitung 16. Der Luftkompressor 20 nimmt Einlassluft von einem Einlasslufteinlass 26 auf.
Der Motor 12 weist weiter einen Hauptverbrennungsabschnitt 30 auf, der u. a. einen Motorblock und einen Zylinderkopf aufweist, die eine Vielzahl von Brennkammern 32 darin bilden. Brennstoffeinleitungsmittel wie beispielsweise eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, ein Einspritzanschluss oder eine Sammelleitungseinleitung für den Brennstoff; eine Zylinderauskleidung; mindestens ein Einlassanschluss und entsprechende Einlassventile; mindestens ein Auslassanschluss und entsprechende Auslassventile und ein hin und her bewegbarer Kolben in jeder Kammer 32 sind vorgesehen oder mit jeder Brennkammer 32 assoziiert.
Ein Abgassystem 40 weist eine Auslasssammelleitung 42 oder geteilte Auslasssammelleitungen auf, und eine oder mehrere Auslassleitungen 44, die einen Auslassstrom bzw. Abgasstrom enthalten, wie von den Pfeilen 46 angezeigt, und zwar aus der Auslasssammelleitung 42. Die Auslassleitung 44 leitet den Abgasstrom 46 zur Turbine 22, um die Turbine 22 in bekannter Weise anzutreiben. Die Auslassleitung 44 leitet den Abgasstrom 46 weg von der Turbine 22 zur weiteren Verwendung, wie noch beschrieben wird, und zum daraus folgenden Auslass. Optional kann das Auslasssystem bzw. Abgassystem 40 weiter eine oder mehrere (nicht gezeigte) Nachbehandlungsvorrichtungen aufweisen, wie beispielsweise Partikelfallen, NOx- Absorptionsvorrichtungen, Oxidations- und/oder Mager-NOx-Katalysatoren oder ähnliche Vorrichtungen.
Ein Motorsteuermodul (ECM) 50 ist vorgesehen, um betriebsmässig die Brennstoffeinspritzzeitsteuerung und die Betriebsvorgänge der Ventile des Luftsystems ansprechend auf einen oder mehrere gemessene oder abgefühlte Motorbetriebsparameter zu steuern. Um Eingangsdaten zum Motor Steuermodul 50 zu liefern, sind einer oder mehreren Sensoren 52 vorgesehen, die verschiedene Motorbetriebszustände bei verschiedenen Stellen im Motor abfühlen. Beispielsweise ist ein solcher Sensor 52 in der Einlasssammelleitung 16 gezeigt, er könnte jedoch irgendwo sonst im Lufteinlasssystem 10 vorgesehen werden, um Daten bezüglich des Einlassluftdruckes zum Motorsteuermodul 50 zu liefern. Andere Sensoren 52 können Temperatursensoren, Sauerstoffsensoren oder ähnliches sein, wie der Fachmann leicht verstehen wird, um die nötigen Eingangsinformationen bezüglich der Betriebszustände des Motors 12 zu liefern. Zusätzlich weist der Motor 12 verschiedene Ventile, Filter, Betätigungsvorrichtungen, Bypass- bzw. Überleitungsschaltungen usw. auf, die betriebsmässig mit dem Motorsteuermodul 50 durch Operatoren bzw. Steuergeräte 54 gekoppelt sind, die ansprechend auf eine Vielzahl von Motorbetriebszustände zu steuern sind, wie beispielsweise die Motordrehzahl, die Motorbelastung, der Ladedruckzustand usw.
Während das vorliegende Einlassluftrennsystem 10 zur Anwendung in einem direkt einspritzenden Schwerlast-Reihen-Sechs-Zylinder-Vier-Takt- Dieselmotor beschrieben wird, können verschiedene andere Bauarten eines Motors verwendet werden, wie beispielsweise Motoren für alternative Brennstoffe, Benzinmotoren, Erdgasmotoren, Zwei-Takt-Motoren, Dual- Brennstoff-Motoren usw. Die Motorkonfigurationen können Reihen-Motoren und/oder V-Motoren sein, genauso wie verschiedene Modifikationen bezüglich der Anzahl der vorgesehenen Brennkammern 32.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Einlassluftleitung 14 in Flussverbindung mit dem Einlasslufteinlass 26, mit dem Kompressor 20 des Turboladers 18 und dem ATAAC bzw. Luft-Luft-Nachkühler 24. Obwohl das Einlassluftrennsystem 10 in Verbindung mit einem turboaufgeladenen Dieselmotor gezeigt und beschrieben wird, ist das System 10 genauso bei Motoren mit einem Turbolader mit variabler Geometrie (VGT) oder in anderen überladenen Motoren nützlich.
Das Einlassluftrennsystem 10 weist eine Einlassgastrennvorrichtung oder Einlasslufttrennvorrichtung 60 auf, die geeignet ist, um Verbrennungsluft am Einlass 62 der Trennvorrichtungen 60 aufzunehmen. Innerhalb der Trennvorrichtungen 60 wird der herein kommende Gasstrom, der in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ein Verbrennungsluftstrom ist, der von den Pfeilen 64 gezeigt wird, in einen Strom mit einem ersten Gasbestandteil und einen Strom mit einem zweiten Gas Bestandteil getrennt. Der Verbrennungsluftstrom 64 kann die gesamte erforderliche Verbrennungsluft für den Motor 12 sein, oder kann zumindest ein Teil der erforderlichen Verbrennungsluft in einem (nicht gezeigten) System sein, in dem ein Teil der Verbrennungsluft an der Trennvorrichtung 60 vorbeilaufen kann. In dem System 10 ist der Strom mit dem ersten Gasbestandteil einen sauerstoffangereicherten Luftstrom, der von den Pfeilen 66 bezeichnet wird, und der Strom mit dem zweiten Gasbestandteil ist ein stickstoffangereicherten Luftstrom, der von den Pfeilen 68 bezeichnet wird, die die Trennvorrichtung 60 über einen Durchlassauslass 70 bzw. einen Rückhaltauslass 72 verlassen. Bei anderen Anwendungen der vorliegenden Erfindung können die Ströme mit den ersten und zweiten Gasbestandteilen andere Gase sein als die sauerstoffangereicherten und stickstoffangereicherten Gase.
Ein Spülgaseinlass 74 ist auch vorgesehen, um ein Spülgas oder ein Reinigungsgasfluss, der durch die Pfeile 76 angezeigt wird, zu liefern, um den Wirkungsgrad für die Permeation bzw. Filterung der Trennvorrichtungen 60 zu verbessern. Der Spüleinlass 74 ist über eine Spülgasleitung 78 mit der Auslassleitung bzw. Abgasleitung 74 verbunden, wodurch Abgas als Spülgasfluss 76 geliefert wird. Es sei bemerkt, dass der Spülgasfluss 76 auch von anderen Quellen als der Auslassleitung 44 geliefert werden kann. Beispielsweise kann auch saubere Luft von der Einlassseite des Kompressors 20 verwendet werden, wobei in diesem Fall die Spülgasleitung 78 angeschlossen sein könnte, um einen Luftfluss vom Einlasslufteinlass 26 aufzunehmen. Der Spülgasfluss 76 wird im wesentlichen mit dem Durchlassfluss oder dem sauerstoffangereicherten Luftstrom 66 kombiniert, der die Trennvorrichtung 60 über den Durchlassauslass 70 verlässt.
Die Einlasslufttrennvorrichtung 60 verwendet vorzugsweise selektiv permeable bzw. selektiv durchlässige Trennmembran 80, die einen herein kommende Gasstrom in erste und zweite Ströme auftrennt, die mit unterschiedlichen Gasen angereichert sind. Für den Motor 12, wie veranschaulicht wird, werden Membranen 80 bezüglich ihrer Fähigkeit zur Auftrennung der umgebenden Einlassluft in Ströme von sauerstoffangereicherter Luft und von stickstoffangereicherter Luft aufzutrennen. Solche Membranen 80 sind in der Technik wohlbekannt, wie von den Veröffentlichungen im US-Patent 5649517 (Poola und andere); im US-Patent 5526641 (Sekar und andere); im US-Patent 5640845 (Ng und andere); und im US-Patent 5147417 (Nemser);
und in einer Veröffentlichung von T. Stork und R. Poola, betitelt "Membrane- Based Air Composition Control for Light Duty Disel Vehicles", Center for Transportation Research Argonne National Library (October 1998) dargestellt.
Wie in den Fig. 2, 3 und 4 zusehen, weist die Lufttrennvorrichtung 60 ein Gehäuse oder eine Hülle 82 mit einem Verbrennungslufteinlass 62, mit einem Spülgaseinlass 74, mit einem Durchlassauslass 70 und einen Rückhaltauslass 72 darin auf. Die Membran 80 weist eine Vielzahl von selektiv permeablen bzw. durchlässigen Fasern 84 auf, die im allgemeinen in einer längst gerichteten oder schraubenförmigen Orientierung innerhalb des Gehäuses 2 und 80 angeordnet sind, und die an jedem Ende in einem Dichtungsmaterial (potting material) beziehungsweise Keramikmaterial 86 eingebettet sind. Die Anwendung des Dichtungsmaterials 86 ist vorteilhaft bei der Erleichterung der Herstellung und Montage; jedoch können auch andere Dichtungssubstanzen verwendet werden. Beispielsweise kann ein Elastomer-Flächenelement am Ende mit Löchern verwendet werden, die um jede hohle Fasern 84 herum sitzen. Nur einige der Fasern 84 sind zur Verdeutlichung in Fig. 2 genau dargestellt worden. Der Verbrennungsluftstrom 64 kann in die Vorrichtung 60 nur dadurch eintreten, dass er in die hohlen Fasern 84 fließt, und zwar weil das Gebiet zwischen den Fasern 84 durch das Dichtungsmaterial beziehungsweise Keramikmaterial 86 abgedichtet ist.
Wie in Fig. 4 gezeigt sind die Fasern 84 hohle, poröse Strukturen, durch welche ausgewählte Gase relativ schnell nach außen diffundieren, während andere Gase vergleichsweise langsam nach aussen diffundieren bzw. laufen (Permeation) und dazu tendieren, in der Struktur gehalten zu werden und entlang deren Länge transportiert zu werden. Es ist für das Einlassluftrennsystem 10 von Wichtigkeit, das Sauerstoff durch die Fasern 84 schneller hindurchläuft bzw. diffundiert als Stickstoff.
Jede Faser 84 weist ein stark durchlässiges Rohr 90 auf, welches ein strukturelles Element der Faser bildet. Eine Durchlassbarrierenlage 92 ist an der Außenseite des Rohrs 90 vorgesehen. Die Lage 92 ist eine selektive Barriere für die Permeation bzw. die Diffusion von Gasen dort hindurch und ist daher verantwortlich für die Auftrennung des Verbrennungsluftstroms 64 in einen sauerstoffangereicherten Strom 66 und einen stickstoffangereicherten Luftstrom 68. Ein Sammelfilter ist in der Art und Weise einer Sammellage bzw. Kondensationslage 94 auf der Innenseite von jedem Rohr 90 vorgesehen. Der herein kommende Verbrennungsluftstrom 64 wird zuerst der Sammellage 94 ausgesetzt, und irgendein Aerosol oder eine Flüssigkeit wird in kleinen Tröpfchen 96 gesammelt, die sich auf der Sammellage 94 akkumulieren bzw. ansammeln. Die Sammellage 94 begrenzt die Wanderung von Flüssigkeiten und Aerosolen durch das Rohr 90 in der Durchlassbarrierenlage 92.
Der Verbrennungsluftstrom 64 wird in die Einlasslufttrennvorrichtung 60 im allgemeinen am Ende des Gehäuses 82 und der Fasern 84 eingeleitet, um durch die Längsrichtung dort hindurch zufließen. Sauerstoff tendiert dazu, durch die Fasern 84 hindurch zulaufen bzw. zu diffundieren, während Stickstoff dies nicht tut. Der Spülgasfluss 76 wird in die Lufttrennvorrichtung 60 auf den Durchlassseiten der Fasern 84 eingeleitet.
Um ordnungsgemäß das Abgas zur Anwendung in der Lufttrennvorrichtung 60 als Spülgasfluss 76 zu konditionieren bzw. vorzubereiten, ist ein Partikelfilter 98 (Fig. 1) zur Entfernung von Verunreinigungen und ein Wärmetauscher 100 zur Konditionierung bzw. Vorbereitung der Temperatur des Gases in der Spülgasleitung 78 vorgesehen.
Weiterhin können Flusssteuervorrichtungen wie beispielsweise Ventile 102 verwendet werden, um den Fluss des Verbrennungsluftstroms 64, des sauerstoffangereicherten Luftstroms 66, des stickstoffangereicherten Luftstroms 68 und des Spülgasflusses 76 zu steuern. Beispielhafte Ventile 102 sind in den Zeichnungen an verschiedenen Stellen gezeigt, und wiederum wird der Fachmann leicht erkennen, dass mehr oder weniger Ventile 102 verwendet werden können.

Industrielle Anwendbarkeit

Im Gebrauch und im Betrieb eines Einlassluftrennsystem 10 der vorliegenden Erfindung wird Brennstoff zu den Brennkammern 230 zusammen mit der Verbrennungsluft geliefert, wie noch beschrieben wird, und die Mischung des Brennstoffes und der Verbrennungsluft wird in bekannter Weise verbrannt. Abgas von den Kammern 32 wird zur Auslasssammelleitung 42 ausgelassen und fließt zur Auslassleitung 44. Der Abgasstrom 46 in der Auslassleitung 44 fließt durch die Turbine 22, was Leistung zur Drehung der Turbine 22 liefert. Die Turbine 22 wiederum treibt den Kompressor 20 in bekannter Weise an.
Einlassluft wird durch den Einlasslufteinlass 26 zum Kompressor 20 hineingezogen und wird darin komprimiert und zur Einlassleitung 14 ausgelassen. Der Verbrennungsluftstrom 64 fließt durch die Einlassleitung 14 und den Luft-Luft-Nachkühler bzw. ATAAC 24 zur Lufttrennvorrichtung 60. Schmieröl, welches im Kompressor 20 vorgesehen ist, kann in dem Luftfluss durch den Kompressor 20 enthalten sein. Weiterhin können Temperaturveränderungen während des Prozesses die Kondensation von Gasen zu Flüssigkeiten zur Folge haben, die auch in dem Verbrennungsluftstrom 64 enthalten sein können. Falls sie nicht entfernt werden, sammeln sich die kleinen. Tröpfchen der Flüssigkeiten auf der Membran 80, und insbesondere bei der Durchlassbarrierenlage 92, was deren Wirkungsgrad der Trennung verringert.
Der Verbrennungsluftstrom 64 tritt in die Vorrichtung 60 am Einlass 62 ein und fließt durch die Fasern 84. Die selektive Durchlässigkeit der Fasern 84 teilt den Verbrennungsluftstrom 64 in einen sauerstoffangereicherten Luftstrom 66, der jene Gase einschließt, die durch die Fasern 84 hindurchlaufen bzw. diffundiert sind, und insbesondere durch die Durchlassbarrierenlage 92 davon, die dann zum Durchlassauslass 70 fließen; und den stickstoffangereicherten Luftstrom 68, der jene Gase einschließt, die nicht durch die Fasern 84 hindurchlaufen können, und insbesondere durch ihre Durchlassbarrierenlage 92, bevor sie den Rückhaltauslass 72 erreichen.
Die Aerosole bzw. Sprühnebel und andere Tröpfchen von Strömungsmittel, die in dem Verbrennungsluftstrom 64 enthalten sind, werden auf der Sammellage 94 gesammelt und werden davon abgehalten, durch das Rohr 90 zu laufen, um die Lage 92 zu erreichen. Der Luftfluss durch jede Faser 84 bewirkt, dass die Tröpfchen 96 auf der Sammellage 94 zum Rückhaltauslass 72 wandern. Die Positionierung der Lufttrennvorrichtung 60 in zumindest einer minimalen vertikalen Orientierung, wobei der Einlass 62 an einer höheren Position ist, als der Rückhaltauslass 72, hilft dabei, die Tröpfchen 96 zum Rückhaltauslass 72 zubewegen. Bei den meisten Umständen können die Tröpfchen 96 zu den Brennkammern 32 ohne schädliche Effekte auf den Verbrennungsprozess in den Brennkammern 32 laufen.
Es sei bemerkt, dass während die Funktion der Fasern 84 so beschrieben wurde, dass sie den Verbrennungsluftstrom 64 in einen sauerstoffangereicherten Luftstrom 66 und einen stickstoffangereicherten Luftstrom 68 aufteilen, wird jeder der aufgeteilten Luftströme viele andere Gase als entweder Sauerstoff oder Stickstoff enthalten. Der sauerstoffangereicherte Luftstrom 66 ist reicher als der stickstoffangereicherte Luftstrom 68 mit den Gasen angereichert, die leicht durch die Fasern 84 hindurch laufen, wie beispielsweise Wasserstoff, Wasserdämpfe und Kohlendioxid zusätzlich zu Sauerstoff. Der stickstoffangereicherte Luftstrom 68 ist bezüglich den Gasen besser angereichert als der sauerstoffangereicherte Luftstrom 66, die nicht durch die Fasern 84 leicht hindurchlaufen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid und Stickstoff. Weiterhin ist es keine definitive Trennung der Gase. Beispielsweise läuft nicht der gesamte Sauerstoff durch die Fasern 84 hindurch. Eine ausreichende Sauerstoffmenge bleibt in dem stickstoffangereicherten Luftstrom 68, um die Verbrennung in den Brennkammern 32 zu unterstützen.
Ein Teil des Abgases vom Abgasstrom 46 tritt in die Spülgasleitung 78 ein, wodurch er ein Spülgasfluss 76 wird, und fließt durch die Spülgasleitung 78zum Spülgaseinlass 74 der Lufttrennvorrichtung 60. Der Spülgasfluss 76 tritt in die Lufttrennvorrichtung 60 auf der Durchlassseite der Fasern 84 ein. Der Spülgasfluss 76, der ein Abgas aus der Verbrennung in den Brennkammern 32 ist, hat einen geringen Sauerstoffgehalt und einen hohen Stickstoffgehalt.
Unter den Faktoren, die die Durchlassraten der Gase durch die Fasern 84 beeinflussen, sind die Partialgasdrücke der Gase auf den gegenüberliegende Seiten der Fasern 84. Durch vorsehen eines Reinigungs- oder Spülgasflusses 76 auf der Durchlassseite der Fasern 84, der einen hohen Stickstoffgehalt und einen niedrigen Sauerstoffgehalt hat, werden die Durchlassraten des Sauerstoffes und des Stickstoffflusses durch die Fasern 84 beeinflusst. Durch Verwendung eines Spülgasflusses 76 wie beschrieben, wird eine höhere Rate des Sauerstoffdurchlasses ohne eine Steigerung der Rate des Stickstoffdurchlasses erreicht. Somit kann insbesondere bei höheren Belastungen des Motors 12 ein höherer Sauerstofffluss ohne eine Steigerung des Stickstoffflusses erreicht werden. Alternativ ist weniger Oberfläche der Fasern 84 für eine gegebene Reinheitsanforderung des zurückgehaltenen Stickstoffes erforderlich, und zwar mit einer entsprechenden Verringerung des Brennstoffverbrauches auf Grund der Verringerung des gesamten Massenflusses über die Fasern 84.
Die Vorrichtung 60 mit den geeigneten Membranen 80 kann verwendet werden, um einen hereinkommenden Gasstrom in einen Strom mit einem ersten Gasbestandteil und in einen Strom mit einem zweiten Gasbestandteil aufzutrennen, und zwar für andere Gase als Sauerstoff und Stickstoff, und für andere Prozesse als die Lieferung eines Verbrennungsluftstroms für einen Motor. Die Anwendung einer Sammellage 94 gemäß der vorliegenden Erfindung bietet Vorteile zur Trennung von Gasströmen ebenfalls in diesen alternativen Situationen. Während weiterhin die Erfindung mit einer Membran 80 gezeigt und beschrieben wurde, die mit den hohlen Fasern 84 assoziiert ist, kann die Membrane 80 auch als eine Barriere zwischen den gegenüberliegenden Seiten davon in anderen Anordnungen als Rohren verwendet werden, und die Sammellage 94, die damit assoziiert ist, wird Vorteile bieten.
Der Fluss kann entgegengesetzt zu jenem sein, der gezeigt wird, wobei der hereinkommende Gasstrom auf der Außenseite der Rohre 90 vorgesehen wird, wobei in diesem Fall die Durchlassbarrierenlage 92 und die Sammellage 94 bezüglich ihrer Position umgedreht sein werden, wobei die Sammellage 94 auf der Außenseite des Rohrs 90 liegt, und wobei die Durchlassbarrierenlage 92 auf der Innenseite des Rohrs 90 liegt. Die Sammellage 94 ist zwischen dem hereinkommenden Gasstrom und der Durchlassbarrierenlage 92 in Gasflussrichtung vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung bietet eine verbesserte Leistung einer Lufttrennmembran durch Entfernung von Aerosolen oder kleinen Flüssigkeitströpfchen, die in dem Luftstrom vorhanden sind, der einer Trennung unterworfen wird. Eine Entfernung wird wirkungsvoll ausgeführt, und zwar ohne eine Notwendigkeit von großen extra dafür vorgesehenen bzw. getrennten Vorrichtungen und ohne einen daraus resultierenden signifikanten Druckabfall, der oft mit getrennten Sammelfiltern assoziiert ist.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Einlassluftrennsystem, das geeignet ist, um stickstoffangereicherte Luft für einen Verbrennungsprozess innerhalb eines Verbrennungsmotors zu liefern, der eine Einlasssammmelleitung besitzt, wobei das Einlassluftrennsystem folgendes aufweist:
einen Einlasslufteinlass, der geeignet ist, um Einlassluft zu liefern, die in den Verbrennungsprozess für den Motor verwendet wird;
eine Einlasslufttrennvorrichtung in Flussverbindung mit dem Einlasslufteinlass und geeignet zur Aufnahme der Einlassluft und zur Auftrennung der Einlassluft in einen sauerstoffangereicherten Luftstrom und einen stickstoffangereicherten Luftstrom, wobei die Einlasslufttrennvorrichtung einen integralen Sammelfilter aufweist;
einen Durchlassauslass in Strömungsmittelverbindung mit der Einlasslufttrennvorrichtung und geeignet zur Aufnahme des sauerstoffangereicherten Luftstroms; und
einen Rückhaltauslass in Strömungsmittelverbindung mit der Einlasslufttrennvorrichtung und der Einlasssammmelleitung, wobei der Rückhaltauslass geeignet ist, um den stickstoffangereicherten Luftstrom zur Einlasssammmelleitung zur Verwendung in dem Verbrennungsprozess zu liefern.

2. Einlassluftrennsystem nach Anspruch 1, wobei die Einlasslufttrennvorrichtung eine Vielzahl von hohlen Fasern aufweist, die integrale Sammelfilter besitzen.

3. Einlassluftrennsystem nach Anspruch 2, wobei die Fasern jeweils ein Rohr, eine Durchlassbarrierenlage und eine Sammellage besitzen.

4. Einlassluftrennsystem nach Anspruch 3, wobei die Durchlassbarrierenlagen auf den Außenflächen der Rohre angeordnet sind, und wobei die Sammellagen auf den Innenflächen der Rohre angeordnet sind.

5. Einlassluftrennsystem nach Anspruch 4, wobei die Einlasslufttrennvorrichtung eine Hülle besitzt, wobei die Rohre in der Hülle angeordnet sind, und wobei die Rohre enden besitzen, die in einem Dichtungsmaterial bzw. Keramikmaterial eingebettet sind.

6. Einlassluftrennsystem nach Anspruch 5, wobei die Einlasslufttrennvorrichtung einen Einlass für die Einlassluft besitzt, und wobei die Einlasslufttrennvorrichtung in dem Einlass an einer höheren Höhe angeordnet ist, als der Rückhaltauslass.

7. Einlassluftrennsystem nach Anspruch 1, wobei die Einlasslufttrennvorrichtung einen Einlass für die Einlassluft besitzt, und wobei die Einlasslufttrennvorrichtung so angeordnet ist, dass sie auf einer höheren Höhe liegt als der Rückhaltauslass.

8. Einlasslufttrennvorrichtung nach Anspruch 1, die einen Kompressor in Strömungsmittelflussverbindung mit dem Einlasslufteinlass und der Einlasslufttrennvorrichtung aufweist.

9. Verfahren zur Auftrennung eines Einlassluftflusses in einem Verbrennungsmotor, wobei der Motor ein Einlassluftsystem besitzt, das geeignet ist, um Einlassluft zu einer Einlasssammmelleitung, und eine oder mehrere Brennkammern zu liefern, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
vorsehen einer Einlasslufttrennvorrichtung, die eine Durchlassbarrierenlage aufweist;
leiten der Einlassluft zu der Einlasslufttrennvorrichtung;
in der Einlasslufttrennvorrichtung an der erwähnten Durchlassbarrierenlage, Aufteilung der Einlassluft in einen sauerstoffangereicherten Luftstrom und einen stickstoffangereicherten Luftstrom;
vorsehen einer Sammellage in der Einlasslufttrennvorrichtung um Flüssigkeitströpfchen davon abzuhalten, die Durchlassbarrierenlage zu erreichen; und
leiten von Flüssigkeitströpfchen aus der Lufttrennvorrichtung mit dem stickstoffangereicherten Luftstrom.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dass die Behandlung der Einlassluft mit der Sammellage aufweist, bevor die Einlassluft mit der Durchlassbarrierenlage behandelt wird bzw. dieser ausgesetzt wird.

11. Gastrennvorrichtung zur Auftrennung eines eintretenden Abgasstromes in einen Strom mit einem ersten Gasbestandteil und einem Strom mit einem zweiten Gasbestandteil, wobei die Gastrennvorrichtung folgendes aufweist:
eine Hülle;
einen Einlass in der erwähnten Hülle zur Aufnahme des eintretenden Abgasstromes in der Hülle,
einen Durchlassauslass aus der Hülle für dem Strom mit den ersten Gasbestandteilen; einen Rückhaltauslass aus der Hülle für den Strom mit dem zweiten Gasbestandteil; und
eine Vielzahl von Fasern, die in der Hülle angeordnet sind, wobei jede Faser geeignet ist, um einen Teil des hereinkommenden Gasstroms aufzunehmen, wobei jede Faser folgendes aufweist:
eine Durchlassbarrierenlage, die geeignet ist, um den Teil des eintretenden Gasstroms in einen Strom mit einem ersten Gasbestandteil und in einen Strom mit einem zweiten Gasbestandteil aufzutrennen; und
eine Sammellage, die den Durchgang von Strömungsmitteltröpfchen durch die Durchlassbarrierenlage zurückhält.

12. Gastrennvorrichtung nach Anspruch 11, wobei jede Faser ein hohles Rohr aufweist, wobei die Durchlassbarrierenlage auf einer Außenfläche des hohlen Rohrs angeordnet ist, und wobei die Sammellage auf einer Innenseite des hohlen Rohrs angeordnet ist.

13. Gastrennvorrichtung nach Anspruch 12, wobei jedes hohle Rohr in einem Bett von Dichtungsmaterial bzw. Keramikmaterial an dem Einlass angeordnet ist, um den hereinkommenden Luftstrom so zu leiten, dass er in die Rohre fließt.

14. Verbrennungsmotor, der folgendes aufweist:
einen Verbrennungsabschnitt, der eine Vielzahl von Brennkammern aufweist;
ein Abgassystem, dass eine Abgasleitung aufweist;
eine Einlasssammmelleitung;
ein Einlasslufttrennsystem, das geeignet ist, um einen Strom mit stickstoffangereicherter Luft für einen Verbrennungsprozess innerhalb der Vielzahl von Brennkammern zu liefern, wobei das Einlassluftrennsystem folgendes aufweist:
einen Einlasslufteinlass, der geeignet ist, um die Einlassluft zu liefern, die in dem Verbrennungsprozess für den Motor verwendet wird;
eine Einlasslufttrennvorrichtung in Flussverbindung mit dem Einlasslufteinlass und zwar geeignet zur Aufnahme der Einlassluft und zur Auftrennung der Einlassluft in einen sauerstoffangereicherten Luftstrom und einen stickstoffangereicherten Luftstrom, wobei die Einlasslufttrennvorrichtung einen integralen Sammelfilter aufweist;
einen Durchlassauslass in Flussverbindung mit der Einlasslufttrennvorrichtung und geeignet zur Aufnahme des sauerstoffangereicherten Luftstroms; und
einen Rückhaltauslass in Flussverbindung mit der Einlasslufttrennvorrichtung und der Einlasssammmelleitung, wobei der Rückhaltauslass geeignet ist, um den stickstoffangereicherten Luftstrom zur Einlasssammmelleitung zur Anwendung in dem Verbrennungsprozess zu leiten.

15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, der einen Turbolader mit einem Kompressor aufweist, der unter Druck gesetzte Einlassluft zur Einlasslufttrennvorrichtung liefert, und mit einer Turbine, die durch den Abgasfluss durch die Auslasssammelleitung angetriebenen wird.

16. Verbrennungsmotor nach Anspruch 15, wobei die Einlasslufttrennvorrichtung eine Vielzahl von hohlen Fasern mit integralen Sammelfiltern aufweist.

17. Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, wobei die Fasern jeweils ein Rohr aufweisen bzw. sind, weiter eine Durchlassbarrierenlage und eine Sammellage.

18. Verbrennungsmotor nach Anspruch 17, wobei die Durchlassbarrierenlagen auf den Außenseiten der Rohre angeordnet sind, und wobei die Sammellagen auf den Innenseiten der Rohre angeordnet sind.

19. Verbrennungsmotor nach Anspruch 17, wobei die Einlasslufttrennvorrichtung eine Hülle besitzt, wobei die Rohre in der Hülle angeordnet sind, und wobei die Rohre enden besitzen, die in einem Dichtungsmaterial bzw. Keramikmaterial eingebettet sind.

20. Verbrennungsmotor nach Anspruch 19, wobei die Einlasslufttrennvorrichtung einen Einlass für die Einlassluft besitzt, und wobei die Einlasslufttrennvorrichtung in dem erwähnten Einlass an einer höheren Höhe angeordnet ist, als der Rückhaltauslass.