DE10338749B4

DE10338749B4 - Vorrichtung zur Zufuhr von Wasser für eine aufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10338749B4
Application number: DE10338749A
Authority: DE
Inventors: Stephan Haas; Heribert Imkamp; Peter Lauer
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2003-08-23
Filing date: 2003-08-23
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2023-08-24
Also published as: DE10338749A1; ITRM20040361A1; KR101123415B1; FI124256B; KR20050021254A; FI20041031A; FI20041031A0

Abstract

Vorrichtung zur Zufuhr von Wasser für eine aufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine zur NO_x-Reduzierung, bei der das Wasser mittels einer oder mehrerer Einspritzdüse oder -düsen zwischen dem Turbolader und dem nachgeschalteten Ladeluftkühler eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (10) oder -düsen (11, 13) in einem am Auslauf des Verdichters vorgesehenen, sich erweiternden Strömungsquerschnitt für die Ladeluft angeordnet sind, dass die Einspritzrichtung des Wassers der Strömungsrichtung a) der vom Verdichter gelieferten Ladeluft entgegengesetzt gerichtet ist, dass des weiteren Einspritzdüsen (10, 11, 13) verwendet werden, die einen mittleren Tröpfchendurchmesser von weniger als 300 μm, vorzugsweise 5 μm bis 200 μm liefern und deren Sprühkegel den Ladeluftstrom nicht bis zu den umgebenden Wandteilen durchdringt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zufuhr von Wasser für eine aufgeladene Brennkraftmaschine zur NO_x-Reduzierung, bei der das Wasser mittels einer oder mehrerer Einspritzdüse – oder -düsen zwischen dem Verdichter des Turboladers und dem nachgeschalteten Ladeluftkühler eingespritzt wird.

Die WO 03/089775 A1 zeigt bereits eine Vorrichtung zur Zufuhr von Wasser wie oben beschrieben, bei der immer mehrere Einspritzdüsen verwendet werden, die teilweise gegen die Strömungsrichtung der Ladeluft und teilweise in Richtung der Ladeluft gerichtet sind, um die Charakteristik des Sprühnebels beliebig zu variieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine optimale Verdampfung des Wassers liefert.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Einspritzdüse oder -düsen in einem am Austritt des Verdichters vorgesehenen, sich erweiternden Strömungsquerschnitt für die Ladeluft angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist ein solcher sich erweiternder Strömungsquerschnitt der Auslauf der Verdichteraustrittsspirale oder ein der Verdichteraustrittsspirale nachgeordneter Diffusor. Hierdurch wird eine möglichst große Wegstrecke für die Verdampfung der zerstäubten Wassertröpfchen bis zum Erreichen fester Einbauten erreicht.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einspritzrichtung des Wassers der Strömungrichtung der vom Verdichter gelieferten Ladeluft entgegengesetzt gerichtet. Hierdurch wird eine weitere Vergrößerung des zur Verdampfung der eingespritzten Wassertröpfchen zur Verfügung stehenden Weges erreicht. Gleichzeitig ergibt sich eine sehr gute Durchmischung der Wassertröpfchen mit der Ladeluft.

Vorzugsweise sind die Einspritzdüse oder -düsen am Ende einer sich entgegen der Strömungsrichtung der Ladeluft erstreckenden, lanzenförmigen Zuführleitung angeordnet. Durch diese Maßnahme wird die Strömung der Ladeluft so wenig wie möglich behindert, so dass keine Wassertröpfchen an Wandteile ablagernde Wirbel entstehen können.

Vorteilhaft ist das hintere Ende der Zuführleitung an einem Gehäusedeckel befestigt. Hierdurch ist eine leichte Auswechselbarkeit der Teile gewährleistet.

Um die Schwingungen der lanzenförmigen Zuführleitung zu vermeiden, ist diese zweckmäßig an der Halterung des Diffusors abgestützt.

Es hat sich herausgestellt, dass vorteilhaft Einspritzdüsen verwendet werden, die einen mittleren Tröpfchendurchmesser von weniger als 300 μm, vorzugsweise 5 bis 200 μm, liefern.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erwärmung des einzuspritzenden Wassers vorgesehen. Hierdurch kann die zu verdampfende Wassermenge vergrößert werden. Eine derartige Einrichtung kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein mit Schmieröl der Brennkraftmaschine beaufschlagter Wärmetauscher oder ein mit Kühlwasser der Brennkraftmaschine beaufschlagter Wärmetauscher oder ein mit Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagter Wärmetauscher sein. Vorteilhaft ist der Einrichtung zur Erwärmung des einzuspritzenden Wassers eine Druckpumpe vorgeschaltet. Wenn das Wasser einen mit dem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagten Wärmetauscher durchläuft, so kann hierdurch Wasser unter Überdruck eingedüst werden. Dann können auch Wassertemperaturen über 100°C erreicht werden, was die verdampfbare Wassermenge weiter erhöht.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den zusätzlichen Unteransprüchen und einer Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Auf dieser zeigt:
1 einen Schnitt durch die Verdichteraustrittsspirale und die nachgeschalteten zu einem Wärmetauscher führenden Teile,
2 eine Seitenansicht einer Mehrdüsenanordnung,
3 eine Stirnansicht zu 2 und
4 ein Schema der Wasserzuführung.
In 1 ist schematisch ein Verdichterlaufrad 1 angedeutet, mit dem die Ladeluft zu einer Verdichteraustrittsspirale 2 geführt wird. An die Verdichteraustrittsspirale 2 schließt sich ein Diffusor 3 an. Verdichteraustrittsspirale 2 und Diffusor 3 bilden zusammen einen sich stetig erweiternden Strömungsquerschnitt für die austretende Ladeluft. Der Diffusor 3 ist an einem die Ladeluft zu einem Ladeluftkühler 4 führenden Gehäuse 5 befestigt. Das Gehäuse 5 weist einen dem Austritt des Diffusors 3 gegenüberliegenden Deckel 6 auf. An dem Deckel 6 ist eine lanzenförmige Zuführleitung 7 für das einzuspritzende Wasser befestigt. Die Zuführleitung 7 erstreckt sich entgegen der mit dem Pfeil a bezeichneten Strömungsrichtung der Ladeluft. Die Zuführleitung 7 durchsetzt mittig den Diffusor 3 und ragt hier bis in das Ende der Verdichteraustrittsspirale 2 hinein. Um Schwingungen der Zuführleitung 7 zu vermeiden ist diese an einer am Gehäuse 5 befestigten Halterung 8 für den Diffusor 3 zusätzlich durch schmale Stege 9 abgestützt.
An den dem Deckel 6 gegenüberliegende Ende der Zuführleitung 7 ist innerhalb des Endes der Verdichteraustrittsspirale eine Einspritzdüse 10 angebracht. Die Einspritzdüse 10 ist vorteilhaft als Drall- oder Pralldüse ausgebildet. Die Einspritzdüse 10 ist so ausgelegt, dass sie das Wasser mit einem mittleren Tröpfchendurchmesser von höchstens 300 μm, vorzugsweise aber mit einem mittleren Tröpfchendurchmesser von 5 bis 200 μm einspritzt, und zwar entgegen der Strömungsrichtung der Ladeluft. Dabei ist der Sprühkegel der Einspritzdüse 10 so zu wählen, dass die Tröpfchen keine festen Gehäusewände erreichen. Aufgrund dieser Konfiguration ergibt sich ein relativer langer Weg zur Verdampfung der eingespritzten Wassertröpfchen, bevor die Ladeluft durch den Deckel 6 umgelenkt wird, so dass an dieser Stelle das Wasser vollständig verdampft ist und sich daher keine Wassertröpfchen mehr an dem Deckel 6 oder anderen Teilen des Gehäuses 5 ablagern können. Die Einspritzdüse 10 kann bei anderer Auslegung der Teile auch innerhalb des Diffusors 3 angeordnet sein.
Anstelle einer einzelnen Einspritzdüse 10 können auch mehrere Einspritzdüsen 11 vorgesehen sein, wie die 2 und 3 zeigen. Hier ist auf das Ende der Zuführleitung 7 ein Verteilerkreuz 12 aufgesetzt, mit dem das Wasser zu den am Ende der Arme des Verteilerkreuzes 12 angeordneten Einspritzdüsen 11 geführt wird. Zusätzlich ist eine zentrale Einspritzdüse 13 in Verlängerung der Zuführleitung 7 vorgesehen. Die Einspritzdüsen 11 und 13 sind dabei so auszulegen, dass sich ihre Sprühkegel möglichst nicht überschneiden. Bei Verwendung mehrerer Einspritzdüsen können diese auch in anderer Konfiguration angeordnet sein.
4 zeigt die Zuführung des Wassers zu den Einspritzdüsen 12, 13. Die gleiche Anordnung kann aber auch zur Zuführung des Wassers zu der Einspritzdüse 10 Verwendung finden. Das einzuspritzende Wasser kommt in Richtung des Pfeiles b von einer Wasseraufbereitungsanlage. Es durchströmt zunächst eine Druckpumpe 14 und dann einen Wärmetauscher 15. Dieser Wärmetauscher kann mit dem Schmieröl der Brennkraftmaschine, dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine oder dem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt werden. Das Wasser kann mittels zweier oder dreier Wärmetauscher in Stufen aufgeheizt werden, beispielsweise in einem ersten Wärmetauscher mit der Abwärme des Schmieröls, in einem zweiten Wärmetauscher mit der Abwärme des Kühlwassers und in einem dritten Wärmetauscher mit der Abwärme des Abgases. Sofern das Wasser mit dem Abgas erwärmt wird, kann dieses unter dem mit der Druckpumpe 14 erzeugten Druck mit einer über 100°C liegenden Temperatur eingespritzt werden, was zu einer weiteren Erhöhung der zu verdampfenden Wassermenge führt.

Claims

Vorrichtung zur Zufuhr von Wasser für eine aufgeladene Kolbenbrennkraftmaschine zur NO_x-Reduzierung, bei der das Wasser mittels einer oder mehrerer Einspritzdüse oder -düsen zwischen dem Turbolader und dem nachgeschalteten Ladeluftkühler eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (10) oder -düsen (11, 13) in einem am Auslauf des Verdichters vorgesehenen, sich erweiternden Strömungsquerschnitt für die Ladeluft angeordnet sind, dass die Einspritzrichtung des Wassers der Strömungsrichtung a) der vom Verdichter gelieferten Ladeluft entgegengesetzt gerichtet ist, dass des weiteren Einspritzdüsen (10, 11, 13) verwendet werden, die einen mittleren Tröpfchendurchmesser von weniger als 300 μm, vorzugsweise 5 μm bis 200 μm liefern und deren Sprühkegel den Ladeluftstrom nicht bis zu den umgebenden Wandteilen durchdringt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich erweiternde Strömungsquerschnitt der Auslauf der Verdichteraustrittsspirale (2) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der sich erweiternde Strömungsquerschnitt ein der Verdichteraustrittsspirale (2) nachgeschalteter Diffusor (3) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Verwendung von Dralldüsen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gekennzeichnet durch die Verwendung von Pralldüsen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (10) oder -düsen (11, 13) am Ende einer sich entgegen der Strömungsrichtung der Ladeluft erstreckenden, lanzenförmigen Zuführleitung (7) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung (7) an einem Gehäusedeckel (6) eines die Ladeluft zu einem Ladeluftkühler (4) führenden Gehäuses (5) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung (7) an der Halterung des Diffusors (3) abgestützt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erwärmung des einzuspritzenden Wassers vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen mit Schmieröl der Brennkraftmaschine beaufschlagten Wärmetauscher (15) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen mit Kühlwasser der Brennkraftmaschine beaufschlagten Wärmetauscher (15) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen mit dem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagten Wärmetauscher (15) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung zur Erwärmung des einzuspritzenden Wassers eine Druckpumpe (14) vorgeschlagen ist.