NO159407B - Fremgangsmaate og innretning for innfoering av et flytende medium i arbeidsrommet i en forbrenningsmotor. - Google Patents

Abstract

Et flytende medium bringes inn i arbeidsrommet (1). i en med gassformet brennstoff drevet forbrennings-. kraftmaskin i den hensikt å redusere kvelstoffoksyd-emmisjonen og å oppnå en forbedring av virkningsgraden. Væsken blir'kontinuerlig eller intermitterende tilført det gassformede brennstoff, hvoretter gass/væskebland-ingen blåses inn i arbeidsrommet (1) under påvirkning av gasstrykket. I tillegg til vann kan det også fordelaktig brukes alkoholer og alkohol/vannblandinger,. det vil si medier med bunnede OH-grupper. For innfør-ing av det flytende medium i et gasstilføringsrør (18) kan det i røret like før en innløpsventil (2) munne ut et doseringsrør (3).

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for innføring av et flytende medium, eksempelvis i form av vann eller alkohol, også

som alkoholblanding eller som en alkohol/vannblanding, i arbeidsrommet til en gassdrevet forbrenningsmotor, hvor det flytende medium tilføres gassbrenselet kontinuerlig eller intermitterende før inngangen i arbeidsrommet.

Oppfinnelsen vedrører også en innretning for gjennomføring av fremgangsmåten, med et i et brennrom munnende gasstilførings-rør, idet det mellom gasstilføringsrøret og forbrenningsrommet i strømningsretningen like foran en innløpsventil for tilføring av det flytende medium er anordnet en tilføringsinnretning i gasstilføringsrøret.

Et kjent formål ved innføring av væskers, særlig vann, i brennrommet, i med flytende brennstoffer drevne motorer er å kunne redusere kvelstoffoksydkonsentrasjonen i avgassen ved å senke prosesstemperaturnivået. Dessuten kan man påvirke banketendens-en ved vanninnføring når det anvendes brennstoffer med banke-tendenser.

Innføringen av vann eller alkohol i brennrommet i slike motorer er et kjent og utprøvet middel for redusering av NOx-emmisjonen fra forbrenningsmotorer. Det har allerede flere ganger vært påvist at opptil en viss væskemengde lar det seg ikke fastslå noen negative innvirkninger på virkningsgraden.

Kvelstoffoksyddannelsen under forebrenningen bestemmes vesent-lig av forbrenningstemperaturen og lar seg også redusere ved

en tilsetting av inerte komponenter til ladningen. De inerte ladningsbestanddeler kan i samsvar med sin spesifikke varme-kapasitet - ved flytende stoffer i tillegg i samsvar med for-dampningsvarmen - oppta en betydelig andel av den under den motoriske prosess frigjorte varme, hvorved prosesstemperaturen

senkes.

Som fremgangsmåte for innføring av væske til med flytende brennstoffer drevne motorer, er det i dag kjent å tilsette væske til motorens forbrenningsluft foran motorens arbeidsrom, og det er også kjent å foreta en høytrykkinnsprøyting av væsken i brennrommet. Ved den første metode, som også benevnes som suge-rør-metoden, oppkalt etter det .mest anvendte sted for væske-tilsetningen, blir væsken under lavt trykk kontinuerlig eller også intermitterende sprøytet inn i forbrenningsluftstrømmen gjennom en sentral eller også flere separete dyser. For å

oppnå en homogen fordeling av væsken i forbrenningsluften må innsprøytingsdysene kunne gi en finforstøvning av væsken.

De for dette nødvendige små dysetverrsnitt stiller store krav til væsken som skal sprøytes inn med hensyn til forurensninger. Er væsken vann spiller også vannets hårdhet en rolle her. Dessuten kan man ved sugerør-metoden ikke utelukke at væske delvist utskilles langs sugerørveggen, med skadelige følger herav.

Ved sugerør-metoden er man ikke sikret en god forstøvning av væsken. Grunnen til dette er at en høy sylinderfylling gir lave strømningshastigheter ved innsugingen av blandingen.

En forfordamping av væsken med etterfølgende innblanding i

den inngående luft er forbundet med problemer i forbindelse med en nøyaktig dosering av den væskemengde som skal tilsettes. Dessuten kan man da ikke utnytte fordampningsentalpien til væsken for senking av prosesstemperaturnivået.

Ved en høytrykkksinnsprøyting av væske blir det flytende medium sprøytet direkte inn i brennrommet ved hjelp av høytrykksinn-sprøytingsutstyr. Er motoren forsynt med et dieselinnsprøytings-anlegg, så kan væsken sprøytes inn sammen med dieselbrennstof-fet i form av en emulsjon. Doseringen av væsken og tilveie-bringelsen og opprettholdelsen av emulsjonen krever et betydelig teknisk utstyr. Dessuten må man treffe egnede tiltak i innsprøytingssystemet for å unngå korrosjonsskader.

Ved bruk av et separat høytrykkinnsprøytingsanlegg for væske-innsprøytingen må man benytte krevende utstyr. I alle tilfel-ler krever også denne metode en viss oppredning av væsken.

De kjente metoder for tilsetting av et flytende medium til

med flytende brennstoffer drevne motorer kan ikke uten videre overføres til gassmotorer. Grunnen til dette er at gassmotorer er beregnet for særlig høye ståtider, og alle de kjente metoder, eksempelvis for vanntilsetting, reduserer levetiden og den forstyrrelsesfrie drift av motorene ganske betydelig.

Av hensyn til anvendelsesområdet for gassmotorer kan man ikke tolerere dette og man har derfor hittil tatt avstand fra å anvende den foran beskrevne vann- eller alkoholinnfør ing i brennrommene i disse spesielle motorer.

Nedenfor følger en nærmere omtale av en del patentpublikasjoner, som belyser teknikkens stand.

Fra US-PS 3.983.882 er det kjent en gassmotor. Denne kjente motor drives med vannstoff som gassbrensel. Det foretas en ytre blanding av vannstoff med luft for dannelse av en eksplo-siv blanding. Utenfor arbeidsrommet dannes en gass/luftblanding, som så tilføres forbrenningskammeret. Gjennom en innsprøytnings-dyse tilføres vann til vannstoff-luftblandingen. Denne vanntil-førsel skjer likeledes utenfor forbrenningsrommet.

Fra FR-PS 2.504.984 er det kjent en forbrenningsmotor som ikke er en gassmotor, men en motor drevet av flytende brensel. Det er anordnet utstyr som sprøyter vann inn i innsugningsrøret i motsatt retning av brenselretningen, slik at den høye hastig-heten til det gassformede brensel vil gi virvling av vannet og således forstøvning av dette. Denne kjente teknikk muliggjør bare en relativt utilstrekkelig innføring av vannet, fordi kvaliteten ene og alene vil være avhengig av virvlingen ved hjelp av gasstrømmen.

Oppfinnelsen tar utgangspunkt i den ovenfor skisserte kjente teknikk og vedrører således en fremgangsmåte for innføring av et flytende medium, eksempelvis i form av vann eller-'-alkohol, også som alkoholblahding eller som en alkohol/vannblanding, i arbeidsrommet til en gassdrevet forbrenningsmotor,hvor det flytende medium tilføres gassbrenselet kontinuerlig eller intermitterende før inngangen i arbeidsrommet, og det som kjennetegner den nye fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen er at det flytende medium tilføres gassbrenselet i sin flytende fase og at deretter gass/væskeblandingen blåses inn i arbeidsrommet under gassbrenselets trykk, hvorunder det flytende medium fordamper ved inngangen i arbeidsrommet og blander seg med gassbrenselet.

Dette representerer en videreutvikling av den kjente teknikk i en slik retning at det ikke lenger vil være nødvendig å anvende et kostbart og relativt lite driftsvennlig høytrykk-innsprøyt-ningsanlegg med innsprøytningsdyser. Det flytende medium til-føres gassen i flytende form og det hele blåses inn i arbeidsrommet under gasstrykket. Det er altså først i arbeidsrommet at fordampning og overføring av det flytende medium til gass-fase skjer. Blandingen av forbrenningsluft med gass samt med 'den fordampede væske skjer inne i brennrommet, slik at man altså har en intern blanding. Dette medfører den fordel at den nye fremgangsmåte lar seg gjennomføre på en meget enkel teknisk måte.

'ifølge oppfinnelsen foreslås det også en ny innretning for gjennomføring av fremgangsmåten, med et i et brennrom munnende gasstilføringsrør, idet det mellom gasstilføringsrøret og forbrenningsrommet i strømningsretningen like foran en innløpsven-til for tilføring av det flytende medium er anordnet en tilfør-<5>ingsinnretning i gasstilføringsrøret, og det som kjennetegner innretningen ifølge oppfinnelsen er at tilføringsinnretningen

er et doseringsrør og at innløpsventilen har en sylindrisk utforming i seteområdet.

Den sylindriske utforming av innløpsventilen i seteområdet gir på en meget virkningsfull måte den fordel at det flytende medium ved passeringen av innløpsventilen underkastes en god for-støvning som følge av den høye strømningshastighet.

Med oppfinnelsen oppnår man også den fordel at kvelstoffoksydkonsentrasjonen i motoravgassen kan senkes og man kan også redusere bankefaren ved anvendelse av brennstoff med lavt metan-itall.

Man har kunnet fastslå at det ved anvendelse av medier med bunnede OH-grupper kan oppnås en betydelig redusering av kvelstoffoksyder i avgassen. Etter de resultater man hittil har vil den høyere tilbakedannelsesgrad med hensyn til N0x~ emmisjonen ved disse medier virke til å fremme den ønskede NOx~reduksjonen. Særlig gjelder dette også for en anvendelse av alkohol/vannblandinger, hvor man har funnet at volumandeler på fra 45-55 volum-% vannandel er særlig gunstige. I dette området ligger det et optimum med hensyn til oppnåbar N0x~ reduksjon og et gunstigere spesifikk brennstoff-forbruk.

Det som flytende medium, enten alene eller i blanding med alkoholer tilførte vann kan fordelaktig være oppredet vann fra det kommunale vann-nett. Fremfor alt ved stasjonær anvendelse av forbrenningskraftmaskiner vil dette være av fordel, fordi det ifølge oppfinnelsen ikke er nødvendig og heller ikke er beregnet at man skal benytte.et høytrykk-innsprøytingsanlegg. Det kommunale vanntrykk vil være tilstrekkelig, og man kan derfor oppnå betydelige innsparinger av aggregatkomponenter. Væsketrykket holdes fordelaktig over gassforsyningstrykket.

Den som flytende medium anvendte alkohol kan ha ulike renhets-grader, og særlig gjelder at man kan benytte råmetanol som av fremstillingstekniske grunner og som følge av tilsetnings-stoffer ikke alltid vil ha identisk samme analyse.

Ved en hensiktsmessig utførelsesform av oppfinnelsen foretas reguleringen av den væskemengde som skal tilsettes det gass-f ormede brennstoff i avhengighet av det momentane''g as sf or bruk og/eller en karakteristisk konstruksjonskomponent-temperatur og/eller særlig i avhengighet av et signal for måling av bankeintensiteten. Disse innflytelses-verdier kan benyttes for reguleringen, enten enkeltvis eller i kombinasjon.

Det er videre hensiktsmessig ifølge oppfinnelsen å foreta innstillingen av den av reguleringsverdiene beregnede væske-^ mengde under utnyttelse av åpningstiden for væsketilførselen ved en taktmessig styring og/eller ved utnyttelse av trykkforskjellen mellom væske- og gass-system og/eller under utnyttelse av en struping av væsketilførselen.

For å unngå motorskader som følge av korrosjon eller væske-slag brytes væsketilførselen ved stående, utløpende eller ennå ikke driftsvarme forbrenningskraftmaskiner. Ved stopp av motoren blir ved hjelp av en følgestyring først væsketil-førselen og deretter etter en definert tid motoren selv stop-pet.

Hensiktsmessig er det i en tilførselsledning til doserings-røret etter hverandre i strømningsretningen anordnet en innstillbar trykkreduksjonsinnretning, en magnetsperreventil for avbryting av væsketilførselen i avhengighet av en sikkerhetsstyreenhet, en reguleringsventil for regulering av den tilførte væskemengde i avhengighet av en reguleringsenhet, og en tilbakeslagsventil. Reguleringsenheten kan for måling av bankeintensiteten være tilordnet en trykk- eller akselerasjonsmåler. Reguleringsventilen kan være utført som en innstillbar struper ved kontinuerlig væsketilførsel eller som en taktstyrt ventil ved intermitterende væsketilførsel. Det er dessuten fordelaktig å anvende en differansetrykkregulator som trykkreduksjonsinnretning.

Med den beskrevne oppfinnelse muliggjøres en på enkel måte dosert innføring av væsker i arbeidsrommet til med gassformede brennstoffer drevne forbrenningskraftmaskiner. Væsken blir sammen med brenngassen blåst under trykk gjennom en ventil og gjennom arbeidsrommet. Den oppnådde ideelle volummessige tilordning av brenngass og væske vil gi en optimal utnyttelse av væsken for senking av NOx-emmisjonen og redusering av banke-risikoen.

De som følge av den smale ventilspalte oppnådde høye strøm-ningshastigheter vil gi en god forstøvning av den innblåste væske. Som følge herav stilles ingen spesielle krav til væske-tilførselen med hensyn til forstøvningen. Oppredningen av den anvendte væske for redusering av forurensninger og - ved anvendelse av vann - vannets hardhet - kan gjennomføres på en enklere måte enn ved direkte væskeinnsprøyting. .De i dagens forbrenningskraftmaskiner med gassinnblåsing van-lige gassinnblåsingstrykk medfører at trykket i kommunale vann-nett vil være tilstrekkelig for innføring av tilstrekkelige vannmengder.

Ytterligere detaljer, trekk og fordeler av oppfinnelsen vil

gå frem av den etterfølgende beskrivelse under henvisning til tegningene. Tegningene er skjematiske og

figur 1 viser en utførelsesform av en innretning for innføring av vann i abbeidsrommet i en stempel-forbrenningsmotor,

mens

figur 2 viser et snitt gjennom en irinblåsningsventil.

I figur 1 er et brennrom betegnet med 1. I brennrommet er det vist et forbrenningsmotorstempel. Et gasstilføringsrør 18 for et gassformet brennstoff er tilknyttet brennrommet. En inn-blåsningsventil 2 er anordnet i rørets 18 utmunning i brennrommet 1. Som vist i figur 2 har innblåsningsventilen en sylindrisk formgivning 17 i seteområdet, slik at det ved åp-ningen bare frigis en trang, ringformet spalte.

Like over ventilen 2 munner et doseringsrør 3 ut i røret 18. Dette doseringsrør er tilknyttet én tilløpsledning 19 for

vann, og gjennom doseringsrøret kan således flytende vann bringes inn umiddelbart foran ventilen 2. Den foran ventilen 2 ennå innhomogene gass-vannblanding blir ved åpning av ventilen, hvilket skjer ved hjelp av en egnet ventilstyring 4, blåst inn i brennrommet 1 under påvirkning av trykket i maskinens gass-forsyningsnett. Den høye gass-innstrømningshastighet som oppstår i ringspalten ved ventilsetet bevirker at vann som ligger foran ventilen 2 vil finforstøves. Det skjer en rask, fullstendig fordampning av det innblåste vann i brennrommet 1.

For regulering av styring av vanntilførselen er det i tilfør-selsledningen 19 etter hverandre anordnet en tilbakeslagsventil 5, en av en reguleringsenhet 7 betjent reguleringsventil 6,

en av en sikkerhetsstyreenhet 9 betjent magnetbæreventil 8 og en trykkreduseringsinnretning 10. Med stiplede linjer er to vannforsyningsmuligheter inntegnet.

Vann vil således ved stasjonær anvendelse av motoren kunne tas direkte fra et vannforsyningsnett 16, gjennom en sperreventil 15 og et filter 14. Ved mobil anvendelse av motoren kan vann tas fra en vannbeholder 13, gjennom et filter 12 og en pumpe 11. Trykkreduseringsinnretningen 10 holder vanntrykket på en kon-stant verdi, som ligger høyere enn gassforsyningstrykket.

Ved vekslende gasstrykk utføres trykkreduseringsinnretningen

10 som en differansetrykkregulator.

Magnetsperreventilen 8 tjener til avbryting av vanntilførselen og åpnes av en sikkerhetsstyreenhet 9 bare ved løpende og driftsvarm maskin. Når motoren stoppes vil en i sikkerhets-styringen 8 integrert følgekobling først stoppe vanntlførs-elen og så stoppe motoren etter en definert tid. Derved unn-går man væskeavsetninger i motoren med tilhørende skader.

Den nevnte følgekobling har imidlertid ingen funksjon ved en nødsstopp.

Reguler ingsventilen 6 tjener til regulering av den tilførte vannmengde. Den kan være utført som en innstillbar struper ved kontinuerlig vanntilførsel, eller som en taktstyrt ventil ved intermitterende vanntilførsel. Den tilsvarende tilpassede enhet 7 innstiller vanngjennomstrømningen i avhengighet av én eller flere reguleringsverdier. Eksempelvis kan en karakteristisk konstruksjonsdeltemperatur, stilling til en effektinn-stillingsanordning (strupespjell, reguleringsstang) eller signaler fra en for måling av bankeintensiteten anvendt målekjede benyttes for reguleringen.

En annen mulighet for styring av vanngjennomstrømningen består

i å la reguleringsinnretningen 7 virke som still-ledd på en innstillbar trykkreduseringsinnretning 10 og styre vanngjennom-strømningen ved å forandre trykkforskjellen mellom vannreservo-aret og gassreservoaret.

Sikkerhets-tilbakeslagsventilen 5 er montert like foran doser-ingsrøret 3 og forhindrer en utstrømning av gass til vannsystem-et når vanntrykket uteblir.

Istedenfor det i utførelseseksemplet som flytende medium anvendte vann kan det benyttes alkoholer, alkoholblandinger eller alkohol/vannblandinger, man kan da benytte den samme innretning. I en stasjonær, gassdrevet totakt-forsøksmotor med én sylinder fikk man følgende måleresultater for NOx~emmisjonen ved samme virkningsgrad (forbruk) i prosent i forhold til den respektive utgangsverdi, som repi.jenterer motordrift uten tilsetting av et flytende medium:

Eksempel 1: Tilsetting av vann

Mengde : 85 g/kwh mek. Relativ reduksjon av N0x~

emmisjon : 40%.

Eksempel 2: Tilsetting av ren metanol

Mengde :330 g/kwh mek. Relativ reduksjon av N0x~

emmisjon : 50%.

Eksempel 3: Tilsetting av en metanol/vannblanding med

50 volum-% vannandel

Mengde metanol :115 g/kwh mek.

Mengde vann :145 g/kwh mek. Relativ reduksjon av NOx~

emmisjon : 70%.

I området mellom 45 og 55 vol.-% vannandel i metanol/vann-blandingen oppnådde man nesten de samme prosentuelle N0x~ reduksjoner.

Hvis man aksepterer svakere NOx~reduksjoner så kan man med oppfinnelsen oppnå betydelige reduksjoner av forbruk av brenngass, henholdsvis virkningsgradforbedringer.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for innføring av et flytende medium, eksempelvis i form av vann eller alkohol, også som alkoholblanding eller som en alkohol/vannblanding, i arbeidsrommet til en gassdrevet forbrenningsmotor, hvor det flytende medium tilføres gassbrenselet kontinuerlig eller intermitterende før inngangen i arbeidsrommet, karakterisert ved at det flytende medium tilføres gassbrenselet i sin flytende fase og at deretter gass/væskeblandingen blåses inn i arbeidsrommet under gassbrenselets trykk, hvorunder det flytende medium fordamper ved inngangen i arbeidsrommet og blander seg med gassbrenselet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det anvendes en alkohol/vannblanding med 30-79 volum- vann, fortrinnsvis 45-55 volum- vann.

3. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-2, karakterisert ved at det som flytende medium benyttes alkohol med fremstillingsbetingede forurensninger, særlig råmetanol.

4. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at reguleringen av den væskemengde som tilsettes gassbrenselet foretas i avhengighet av det momentane gassforbruk og/eller en karakteristisk konstruksjonsdeltemperatur og/eller særlig i avhengighet av et signal for måling av bankeintensiteten.

5 . Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at innstillingen av den ved hjelp av reguleringsverdier beregnede væskemengde foretas under utnyttelse av åpningstiden til væsketilførselen ved taktvis styring og/eller under utnyttelse av trykkforskjellen mellom væske- og gassystem og/eller under utnyttelse av en struping av væsketilførselen.

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at væsketilførselen brytes ved stående, utløpende eller ikke driftsvarm forbrenningsmotor, idet ved stopp av motoren først væsketilførselen og deretter etter en definert tid motoren selv stoppes, ved hjelp av en følgestyr-ing.

7. Innretning for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-6, med et i et brennrom (1) munnende gasstilfør-ingsrør (18), idet det mellom gasstilføringsrøret (18) og f orbrennlngsrommet (1) i strømningsretningen like foran en innløpsventil (2) for tilføring av det flytende medium er anordnet en tilføringsinnretning i gasstilføringsrøret (18), karakterisert ved at tilføringsinnretningen er et doseringsrør (3) og at innløpsventilen (2) har en sylindrisk utforming (17) i seteområdet.

8. Innretning ifølge krav 7,karakterisert ved at det i en tilførselsledning (19) til doseringsrøret (3) i strømningsretningen etter hverandre er anordnet en innstillbar trykkreduseringsinnretning (10), en magnetsperreventil (8) for avbryting av væsketilførselen i avhengighet av en sikkerhetsstyreenhet (9), en reguleringsventil (6) for regulering av den tilsatte væskemengde i avhengighet av en regulerlngsenhet (7), og en tilbakeslagsventil (5).

9. Innretning ifølge krav 8, karakterisert ved at reguleringsenheten er styrbar ved hjelp av signalet fra en for måling av bankeintensiteten anvendt målekjede med trykk- eller akselerasjonsmåler.

10. Innretning ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at reguleringsventilen (6) er utført som en innstillbar struper ved kontinuerlig væsketilførsel, eller er utført som en taktstyrt ventil ved intermitterende væsketilførsel.

11. Innretning ifølge et av kravene 8-10, karakterisert ved at trykkreduseringsinnretningen (10) er utført som en differansetrykkregulator.