DE4231681A1

DE4231681A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Klimatisieren der den Brennkammern von Brennkraftmaschinen zuzuführenden Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches durch direkten und/oder indirekten Austausch von Wärme und Feuchte

Info

Publication number: DE4231681A1
Application number: DE4231681A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dallinga
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-07-29
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1994-03-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Klimatisierung der den Brennkammern von Brennkraftmaschinen zuzuführenden Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches durch direkten und/ oder indirekten Austausch von Wärme und Feuchte.

Zum Verständnis der Erfindung ist folgendes vorauszuschicken:

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 verbesser ten Nutzung oder Umwandlung der Abwärme durch direkten und/oder indirekten Austausch von Wärme und Feuchte in mechani sche Energie liegen kann.

Eine höhere Verdichtung würde zwar den thermischen Wirkungs grad verbessern, gleichzeitig aber auch die Verbrennungs spitzentemperatur 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 war bisher eng begrenzt, und zwar zum einen wegen der geringen spezifischen Wärme der Frischluft und zum anderen wegen des Leistungsab falls 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 Einlaß ventil kann 300 bis 500 Grad und das Auspuffventil sogar 600 bis 800 Grad erreichen) ist anzustreben, die Ventil temperaturen so niedrig wie möglich zu halten.

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

In der Hauptanmeldung P 4225050.1 wurden diese Nachteile durch direkten Austausch von Wärme und Feuchtigkeit und Trennung von Gasgemischen gelöst.

Da dieses System zur Zeit noch nicht für jeden Anwendungs fall einsetzbar ist, wurde als weitere Ausbildung der Erfindung die Kombination des direkten und/ oder indirekten Austausches von Wärme und Feuchtigkeit erfunden, um die Anwendungsmöglichkeiten auszuweiten.

Bei der Befeuchtung der den Brennkammern von Brennkraft maschinen zuzuführenden Frischluft bzw. Frischluft- Kraftstoffgemisch wurden physikalische Gesetzmäßigkeiten der Klimatisierung von Frischluft bzw. des Frischluft- Kraftstoffgemisches nicht beachtet, wie zum Beispiel:
"Die Luft liefert die Verdampfungswärme für das Wasser und nimmt den Wasserdampf auf; dabei kühlt sie sich ab." (Pohlmann, Taschenbuch für Kältetechniker, 14. Auflage, Seite 78).

Erfindungsgemäß wurde erkannt:

Um eine optimale Abwärmeausnutzung durch indirekten Wärme austausch zu erreichen, ist es unbedingt erforderlich, die zu klimatisierende Frischluft bzw. die des Frischluft- Kraftstoffgemisches vor oder während der Befeuchtung auf eine Temperatur zu überhitzen (z. B. über 150°C), die deut lich über der gewünschten Ansaugtemperatur der zu klimatisie renden Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches liegt, um die durch die Befeuchtung eintretende Abkühlung der Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches auf die gewünschte Ansaugtemperatur und Feuchte zu berücksichti gen.

Durch dieses Vorgehen ist auch unterhalb der Temperatur von 100°C eine gesteuerte Befeuchtung (und Wärmeaustausch) möglich.

Ausgehend von den geschilderten Zusammenhängen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu erhöhen und gleich zeitig die Stickoxid-Emission zu senken.

Zur Lösung der Aufgabe werden erfindungsgemäß das in den Patentansprüchen beschriebene Verfahren sowie die Vorrich tung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen.

Wie bekannt, ist die spezifische Wärme und der Wärmeinhalt relativ trockener Luft sehr gering und wegen der Volumenver größerung ist aus diesem Grund eine Erwärmung der Frischluft vor dem Eintreten in die Brennkammer bisher unerwünscht. Es wurde aber für die Verbesserung des Wirkungsgrades bei Brennkraftmaschinen nicht erkannt, daß die spezifische Wärme und der Wärmeinhalt von Frischluft durch Erwärmen und gleich zeitige 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°C nicht zur Erhöhung der Verbrennungstempera turen 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 Verbrennungs temperatur genau steuern.

Zum besseren Verständnis der Erfindung nachfolgend ein Bei spiel.:

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 = 36000 g = 36 kg mitzugeben.

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

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 erhöh ten Wirkungsgrad erheblich vermindert.

Die Wirkung der hohen Wärmerückgewinnung wird dadurch erzielt, daß der Wärmeinhalt der Frischluft bzw. des Frisch luft-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 = 24000 kcal (das spezifische Gewicht von einem Kubikmeter Luft bei 60 Grad C wurde vereinfachend mit 1 angenommen).

Diese Wärmemenge von ca. 24000 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.

Die Darstellung ist von Grund auf gleich mit der Fig. 2 aus der Hauptanmeldung P 4225050.1.

In der Fig. 1′ wurden die erforderlichen Ergänzungen für die Zusatzanmeldung gestrichelt eingezeichnet.

Fig. 1′ zeigt in schematischer Darstellung, nämlich in einem teilweise als Blockschaltbild ausgebildeten Schaltplan, eine Vorrichtung bzw. Anlage zum Klimatisieren der für die Verbrennung in Brennkraftmaschinen erforder lichen Frischluft oder des Frischluft-Kraftstoffgemisches, durch direkten und/oder indirekten 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, zum Beispiel:
Hub-Drehkolben, Gasturbine, Diesel- oder Otto-Motoren usw.

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

Dieses ist auch aus der Hauptanmeldung P 4225050.1, Fig. 2, bekannt.

Gemäß dieser Zusatzanmeldung liegt die Verbesserung der Erfindung darin, daß zur indirekten Rückgewinnung der Wärme und Feuchtigkeit aus dem Abgas das Abgas ganz oder teilweise über die Abgasleitung 1′ über einen oder mehrere Wärmeaus tauscher 14, 12 geleitet und dabei im Gegenstrom die Frischluft bzw. das Frischluft-Kraftstoffgemisch erwärmt wird und zwar über die gewünschte Ansaugtemperatur hinaus. Die dadurch bedingte Abkühlung des Abgases hat zur Folge, daß die im Abgas enthaltene Feuchtigkeit zum größten Teil kondensiert und über die Leitung 17 in den Kondensat sammeltopf 18 gelangt.

Vom Kondensatsammeltopf 18 gelangt das Kondensat über die Pumpe 19, das Rückschlagventil 20, über die Leitung 17 und den Luftbefeuchter 21 in die Ansaugleitung 8 und befeuchtet hier die Frischluft bzw. das Frischluft- Kraftstoffgemisch, wobei durch die Verdampfungswärme des Wassers, der Frischluft bzw. dem Frischluft-Kraftstoff gemisch Wärme entzogen wird.

Das abgekühlte Abgas gelangt vom Wärmeaustauscher 12 über die Leitung 1′ ins Freie oder in die Abgasleitung 7.

Bezugszeichenliste

1 Abgasleitung-Abgasleitung 1′
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
17 Leitung
18 Kondensatsammeltopf
19 Pumpe
20 Rückschlagventil
21 Luftbefeuchter

Claims

1.′ Verfahren zum Klimatisieren der den Brennkammern von Brennkraftmaschinen zuzuführenden Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischluft bzw. das Frischluft-Kraftstoff gemisch vor oder während der Befeuchtung und vor der Einleitung in die Brennkammern, ganz oder teilweise im indirekten Wärmeaustausch mit dem Abgas oder einer anderen Heizquelle über die vorgesehene Ansaugtemperatur hinaus überhitzt wird und während oder nach der Überhitzung mit aus dem Abgas gewonnenen Kondensat oder aufbereitetem Wasser auf die gewünschte Feuchte angereichert bzw. auf die vorgesehene Ansaugtemperatur eingestellt wird.

2.′ Verfahren nach Anspruch 1′, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugtemperatur der befeuchteten (klimatisierten) Frischluft bzw. des Frischluft-Kraftstoffgemisches vor Eintritt in die Brennkammern höher ist als 46 Grad C.

3.′ Verfahren nach Anspruch 1′, dadurch gekennzeichnet, daß die Frischluft bzw. das Frischluft- Kraftstoffgemisch vor Eintritt in die Brennkammern und vor der Befeuchtung eine gegenüber der gewünschten Ansaugtemperatur überhitzte Temperatur aufweist und höher ist als 64 Grad C.

4.′ Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, eine zusätzliche Einrichtung für den indirekten Austausch von Feuchte und Wärme aus dem Abgas für die Frischluft bzw. das Frischluft-Kraftstoffgemisch durch die Anlagenteile (1′, 14, 12, 17, 18, 19, 20 und 21) nach Fig. 1′.

5.′ Vorrichtung nach Anspruch 1 der Hauptanmeldung P 4225050.1 gekennzeichnet durch, eine Schaltung der Trennkammer bzw. Gaszentrifuge (6) vor die Mischkammer (4) (in die Leitung 1), um eine Gastrennung des Abgases im wesentlichen in N₂, CO₂, und H₂O vorzunehmen damit Torzugsweise nur das H₂O in die Mischkammer (4) geleitet wird.