DE4225050C1

DE4225050C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Klimatisieren der den Brennkammern von Brennkraftmaschinen zuzuführenden Frischluft

Info

Publication number: DE4225050C1
Application number: DE4225050A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dallinga
Original assignee: Helmut Dallinga
Current assignee: DALLINGA, GEB. SCHOLZ, MARGARETE, 47445 MOERS, DE
Priority date: 1992-07-29
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2012-07-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Klimatisierung der den Brennkammern von Brennkraftmaschinen zuzuführenden Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 5.

Der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad für Brennkraftmaschinen beträgt rund 65%. Hingegen liegt der praktisch erreichbare Wirkungsgrad wesentlich niedriger, nämlich bei PKW-Motoren je nach Betriebspunkt zwischen Null im Leerlauf bis zum Bestwert von rund 35%. Bei Hochleistungs-Schiffsdieselmotoren sind Bestwerte von bis zu ca. 52% erreichbar. Die nicht in mechanische Energie umgewandelte Brennstoffenergie steckt in der Abwärme, d. h. im Kühlmedium und im Abgas. Mechanische Möglichkeiten, wie Ventilführungen durch die Nockenwelle, Ventilüberschneidungen, verbesserte Kolbenringe und dergleichen erscheinen ausgereizt, so daß eine bedeutende Wirkungsgradverbesserung nur in der verbesserten Nutzung oder Umwandlung der Abwärme in mechanische Energie liegen kann.

Eine höhere Verdichtung würde zwar den thermischen Wirkungsgrad verbessern, gleichzeitig aber auch die Verbrennungsspitzentemperatur und damit den Anteil an Stickoxid-Emission erhöhen, denn die Stickoxid-Bildung erfolgt überproportional mit dem Ansteigen der Verbrennungstemperatur.

Das indirekte Vorwärmen der Frischluft durch Auspuffgase oder durch das Kühlmedium der Brennkraftmaschine ist eng begrenzt, und zwar zum einen wegen der geringen spezifischen Wärme der Frischluft und zum anderen wegen des Leistungsabfalls durch die höhere Verbrennungstemperatur.

Bekanntlich soll die Temperatur der Ladung des Zylinders zum Zeitpunkt der Entflammung möglichst niedrig sein. Weil die Ladung im Brennraum selbst auch Wärme aufnehmen kann, und zwar von den heißen Ventiltellern (das Einlaßventil kann 300 bis 500 Grad und das Auspuffventil sogar 600 bis 800 Grad erreichen) ist anzustreben, die Ventiltemperaturen so niedrig wie möglich zu halten.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Wasserdampf der Verbrennungsluft, dem Luftkraftstoff-Gemisch oder dem Kraftstoff zur Verbesserung des Wirkungsgrades und der Klopffestigkeit beizumischen sowie auch Wasser direkt in den Verbrennungsraum einzuspritzen (DE-O 5 26 45 237). Durch Letzteres soll der Anteil giftiger Verbrennungsrückstände im Abgas reduziert werden. Das Beimischen von Wasserdampf wird bevorzugt, um den bei Wassereinspritzung auftretenden Energieentzug durch die hohe Verdampfungswärme des Wassers zu vermeiden, doch ist zur Erzeugung des Wasserdampfes ebenfalls Energie notwendig, so daß auch dieser Vorschlag nicht wirtschaftlich genug ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu erhöhen und gleichzeitig die Stickoxid-Emission zu senken.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 5.

In der Terminologie ist darauf zu achten, daß von Frischluft bzw. Frischluft-Kraftstoffgemisch und Abgas bis zum Eintritt in die Mischkammer 4 gesprochen wird.

In der Mischkammer 4 bis Trennkammer bzw. Gaszentrifuge 6 von Gasgemisch.

Ab der Trennkammer bzw. Gaszentrifuge 6 von Abgas, Ladeluft bzw. Ladeluft-Kraftstoffgemisch.

Wie bekannt, ist die spezifische Wärme und der Wärmeinhalt relativ trockener Luft sehr gering und wegen der Volumenvergrößerung ist aus diesem Grund eine Erwärmung der Frischluft vor dem Eintreten in die Brennkammer unerwünscht. Es wurde aber bisher für die Verbesserung des Wirkungsgrades bei Brennkraftmaschinen nicht erkannt, daß die spezifische Wärme und der Wärmeinhalt von Frischluft durch Erwärmen und gleichzeitige Befeuchtung ganz erheblich gesteigert werden kann. In diesem Zusammenhang wird dann eine Nutzung der Abwärme besonders sinnvoll. Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die Vorerwärmung der Frischluft (bei gleichzeitiger Erhöhung der Luftfeuchtigkeit z. B. Sättigung) auf Temperaturen von z. B. über 100 Grad C nicht zur Erhöhung der Verbrennungstemperaturen gegenüber einer Frischlufttemperatur von +10 Grad C führen muß. Es wurde festgestellt, daß mit zunehmender Temperatur der angesaugten Luft nicht zwangsläufig eine Erhöhung der Verbrennungstemperatur verbunden ist, wenn die angesaugte Luft entsprechend den Vorschlägen der Erfindung klimatisiert wurde.

Unter Ausnutzung der Parameter Luftfeuchte, Luftladedruck, Lufttemperatur und Kraftstoffmenge läßt sich die Verbrennungstemperatur genau steuern.

Zum besseren Verständnis der Erfindung nachfolgend ein Beispiel:
Die angesaugte Luftmenge bei einem 4-Takt-Motor mit 2000 cm³ Hubvolumen und 4000 U/min beträgt ca. 240 m³/h. Bei einer Temperatur von +10 Grad C beträgt der Wassergehalt der gesättigten Luft 9,51 g/m³. Bei einer Temperatur von +60 Grad C beträgt der Wassergehalt der gesättigten Luft 161 g/m³.

Es ist also möglich, der Luftmenge von 240 m³ durch Erwärmen von +10 Grad C auf +60 Grad C und Befeuchten zusätzlich eine Wassermenge von 150 g/m³ = 240 × 150 = 36 000 g = 36 kg mitzugeben.

Die hohe spezifische Wärme von Wasserdampf würde in diesem Fall die Verbrennungstemperatur im Brennraum trotz der Vorerwärmung auf +60 Grad C deutlich absenken.

Selbst eine Vorerwärmung der angesaugten Luft auf 120 Grad C gesättigt würde durch den hohen Wasserdampfgehalt noch ein Absenken der Verbrennungstemperatur nach sich ziehen. Dadurch und durch die veränderte Kompressibilität und die erhöhte Verdichtung dieser Luft, insbesondere während der Verbrennung, wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine ganz wesentlich verbessert. Die Stickoxid-Bildung wird durch das Absenken der Verbrennungstemperatur und durch den erhöhten Wirkungsgrad erheblich vermindert.

Die Wirkung der hohen Wärmerückgewinnung wird dadurch erzielt, daß der Wärmeinhalt der Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches durch gleichzeitiges Erwärmen und Befeuchten vervielfacht wird.

Der gesamte Wärmeinhalt feuchter Luft erhöht sich von ca. 7 kcal/kg bei +10 Grad C auf 109 kcal/kg bei +60 Grad C. Bei einer Luftmenge von 240 m³/h + 240 × 100 = 24 000 kcal (das spezifische Gewicht von einem Kubikmeter Luft bei 60 Grad C wurde vereinfachend mit 1 angenommen).

Diese Wärmemenge von ca. 24 000 kcal läßt sich realistisch zusätzlich aus dem Abgas der Brennkraftmaschine gewinnen und zum großen Teil in mechanische Energie umwandeln. Bei entsprechender Steigerung der Vorwärmtemperatur und Feuchte der angesaugten Luft läßt sich dieser Betrag noch erheblich steigern.

Die Erfindung und die Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung weiter erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage bzw. Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 eine Anlage bzw. Vorrichtung entsprechend Fig. 1, jedoch mit zusätzlichen Ladedruckeinrichtungen, zusätzlichen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen für die Drucksteuerung im System und Wärmeaustauscher für eine genaue Temperierung der Ladeluft bzw. der Gasgemische im System.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung, nämlich in einem teilweise als Blockschaltbild ausgebildeten Schaltplan, eine Vorrichtung bzw. Anlage zum Klimatisieren und Vorverdichten der für die Verbrennung in Brennkraftmaschinen erforderlichen Frischluft oder des Frischluft-Kraftstoffgemisches, durch direkten Austausch mit der im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Wärme und Feuchtigkeit.

Es sei ausdrücklich darauf verwiesen, daß die Realisierung des Gegenstandes gemäß Fig. 1 auch in einer geschlossenen, kompakten Vorrichtung möglich ist, wobei die tatsächliche technische Ausbildung vom jeweiligen Anwendungsfall abhängt und außerdem von den jeweiligen Gegebenheiten u. a. von der Art der Brennkraftmaschine, z. B. Hub-Drehkolben, Gasturbine, Diesel- oder Otto-Motoren usw.

Bei der Vorrichtung oder Anlage gemäß Fig. 1 wird die zu klimatisierende Frischluft bzw. das Frischluft-Kraftstoffgemisch über eine Ansaug- und Zuführungsleitung 2 durch den Lader 3 zusammen mit dem Abgas (aus der Brennkraftmaschine) über die Abgasleitung 1 in die Mischkammer 4 geführt.

In der Mischkammer 4 kühlt sich das Abgas ab.

Die Frischluft bzw. das Frischluft-Kraftstoffgemisch erwärmt sich.

Der durch die Abkühlung im Abgas freiwerdende Wasserdampf wird wegen der ansteigenden Temperatur der Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches von dieser/diesem aufgenommen.

Wegen des bei der Verbrennung des Kraftstoffes in den Brennkammern der Brennkraftmaschinen freiwerdenden Wassers kann mit fortlaufender Betriebszeit der Brennkraftmaschine selbst bei extrem erhöhter Vorwärmtemperaturen eine Sättigung der Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches mit Wasserdampf erreicht werden.

Die Wirkung der hohen Wärmerückgewinnung wird in der Mischkammer 4 durch die direkte Übergabe von Wärme und Feuchtigkeit von dem Abgas an die Frischluft bzw. das Frischluft-Kraftstoffgemisch erzielt.

Der gesamte Wärmeinhalt gesättigter Luft erhöht sich von ca. 7 kcal/kg bei +10 Grad C auf 109 kcal/kg bei +60 Grad C. Bei einer Luftmenge von 240 m³/h = 240 × 100 = 24 000 kcal (das spezifische Gewicht von einem Kubikmeter Luft bei 60 Grad C wurde vereinfachend mit 1 angenommen). Nachdem in der Mischkammer 4 durch die vorher bestimmte Frischluftmenge der gewünschte Austausch von Wärme und Feuchtigkeit aus dem Abgas erreicht wurde, gelangt das Gasgemisch aus der Mischkammer 4 über die Leitung 5 in die Trennkammer bzw. Gaszentrifuge 6.

In der Trennkammer bzw. Gaszentrifuge 6 wird das Abgas wieder von der nun mit Feuchtigkeit und Wärme angereicherten Frischluft (Ladeluft) bzw. dem Frischluft-(Ladeluft)-Kraftstoffgemisch getrennt. Das Abgas gelangt über die Abgasleitung 7 und über das Überstromventil 9 ins Freie.

Das Überströmventil 9 kann auch als Drossel oder ähnliches ausgebildet sein und dient der Sicherstellung des gewünschten Ladedruckes. Die klimatisierte Ladeluft bzw. das Ladeluft-Kraftstoffgemisch gelangt von der Trennkammer bzw. Gaszentrifuge 6 über die Zuführleitung 8 in die Brennkammer(n) der Brennkraftmaschine.

Die Anlage bzw. Vorrichtung nach Fig. 1 läßt es zweckmäßig erscheinen, die für die Brennkraftmaschine erforderliche Kraftstoffmenge erst nach der Trennkammer bzw. Gaszentrifuge 6 in die Zuführleitung 8 oder durch geeignete Vorrichtungen wie Vergaser oder durch Direkteinspritzung in die Brennkammer einzubringen.

Auch bezüglich des Gegenstandes gemäß Fig. 2 sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß es sich hierbei um eine kompakte Brennkraftmaschine, wie auch um eine Brennkraftmaschinen-Anlage handeln kann, je nach dem, welche Anforderungen auch hinsichtlich der Gesamtleistung gestellt werden.

Dabei handelt es sich steuer- bzw. regeltechnisch um eine Erweiterung gegenüber Fig. 1, insbesondere für die Druck- und Temperatur-Steuerung bzw. Regelung, desgleichen für die Anfahrt- und Startphasen.

In Fig. 2 ist eine Druck-Steuer- bzw. Regelstation 15 vorgesehen, die den Abgasdruck in der Trennkammer bzw. Gaszentrifuge 6 und der Leitung 7 bis zur Druck-Steuer- bzw. Regelstation 15 konstant hält und direkten Einfluß auf den Ladedruck über die Leitung 8 nimmt.

Die Steuer- bzw. Regelstation 16 ist eine 3-Wege-Schaltung, die insbesondere das Abgas direkt und vor dem Austausch in der Mischkammer 4 ganz oder teilweise ins Freie leiten kann.

Diese Schaltung ist besonders wichtig in der Anfahrtphase bis zum Warmlaufen der Brennkraftmaschine.

In Fig. 2 sind Wärmeaustauscher 12 und 14 vorgesehen, die die jeweiligen Gasgemische, die Ladeluft bzw. Ladeluft-Kraftstoffgemische temperieren können. Dabei kann es sich um eine Abkühlung handeln oder aber auch um eine Überhitzung, die nachfolgende Kondensationserscheinungen verhindert. Die Anzahl der Wärmeaustauscher im System nach Fig. 1 und 2 ist variabel.

Die in Fig. 2 zusätzlich eingeplanten Lader 11 und 13 können die Drücke im System nach den Fig. 1 und 2 variieren und geben die Möglichkeit den Druck in der Trennkammer bzw. Gaszentrifuge 6 unabhängig von dem Ladedruck für die Brennkammern zu gestalten.

Bezugszeichenliste

1 Abgasleitung
2 Leitung für Frischluft bzw. Frischluft-Kraftstoffgemisch
3 Lader (Ladeeinrichtung)
4 Mischkammer
5 Leitung
6 Trennkammer bzw. Gaszentrifuge
7 Leitung
8 Leitung
9 Überströmventil oder Drossel
10 Brennkraftmaschine
11 Lader
12 Wärmeaustauscher
13 Lader
14 Wärmeaustauscher
15 Druck-Steuer- bzw. Regeleinrichtung
16 3-Wege-Steuer- bzw. Regeleinrichtung

Claims

1. Verfahren zum Klimatisieren der den Brennkammern von Brennkraftmaschinen zuzuführenden Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischluft bzw. das Frischluft-Kraftstoffgemisch vor der Einleitung in die Brennkammer in einer Mischkammer mit dem Abgas der Brennkraftmaschine vermischt wird und dabei der erhöhten Temperatur und dem erhöhten Sättigungsdruck entsprechend mit Wasser bzw. Wasserdampf aus dem Abgas angereichert wird, und danach das Abgas von der klimatisierten Frischluft in einer Trennkammer bzw. Gaszentrifuge wieder getrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas von der Brennkraftmaschine vor Eintritt in die Mischkammer 4 teilweise über die Steuer- oder Regeleinrichtung 16 ins Freie abgeleitet werden kann.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lade- und/oder Abgasdruck geregelt oder gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gemisches in der Trennkammer oder Gaszentrifuge 6 bzw. die Ladeluft vor Eintritt in die Brennkammer geregelt oder gesteuert ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch, eine Mischkammer 4, in die die Frischluft bzw. das Frischluft-Kraftstoffgemisch über die Leitung 2 und dem Lader 3 zusammen mit dem Abgas der Brennkraftmaschine über die Leitung 1 eingeleitet werden kann, und einer Verbindungsleitung 5 von der Mischkammer 4 zur Trennkammer bzw. Gaszentrifuge 6 , in der das Abgas wieder von der Ladeluft bzw. dem Ladeluft-Kraftstoffgemisch getrennt und über die Leitungen 7 und 8 weitergeleitet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch, Ladeeinrichtung (3) und/oder zusätzliche Lader (11, 13) zur Erhöhung des Druckes im jeweiligen Bereich.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch, Wärmeaustauscher (12) und/oder zusätzliche Wärmetauscher (14) zur Temperierung des Gemiches in der Trennkammer bzw. Gaszentrifuge (6) oder der Ladeluft.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch, eine Steuer- bzw. Regeleinheit (15) zur Steuerung bzw. Regelung des Abgasdruckes.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch, eine 3-Wege-Steuerung- bzw. Regelung des Abgases.