WO2005031144A1 - Brennkraftmaschineneinheit mit befeuchtungseinrichtung - Google Patents

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WO2005031144A1
WO2005031144A1 PCT/DE2004/002103 DE2004002103W WO2005031144A1 WO 2005031144 A1 WO2005031144 A1 WO 2005031144A1 DE 2004002103 W DE2004002103 W DE 2004002103W WO 2005031144 A1 WO2005031144 A1 WO 2005031144A1
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combustion engine
internal combustion
water
air
heat exchanger
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PCT/DE2004/002103
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Wulf Kraneis
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Munters Euroform Gmbh
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    • F01N2240/22—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a condensation chamber
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine unit having an internal combustion engine, a device for humidifying the intake air of the internal combustion engine, through which the intake air and water flow and come into contact with one another, a device for heating the intake air and / or water arranged upstream of the humidification device, and an exhaust gas line the internal combustion engine.
  • the present invention has for its object to provide an internal combustion engine unit of the type specified, in which the humidification of the intake air can be carried out in a particularly economical manner.
  • This object is achieved according to the invention in an internal combustion engine unit of the type mentioned at the outset in that a condenser for water recovery from the exhaust gas is arranged in the exhaust line and a water conduit leading from the condenser to the humidification device is arranged. return line is provided.
  • the solution according to the invention is based on the basic idea of recovering the water contained in the exhaust gas in the form of water vapor and resulting from the actual combustion of the fuel in the internal combustion engine and the humidification of the inlet air according to the invention, and to act on the humidification device with this.
  • the internal combustion engine unit designed according to the invention can comprise any internal combustion engines, for example gasoline engines, diesel engines, which are equipped with or without a turbocharger.
  • Known devices used for such purposes can be used as a device for humidifying the intake air of the internal combustion engine. find application if these devices ensure a suitable contact between the inlet air and the water used for humidification and thereby the inlet air is sufficiently humidified.
  • a humidification device as described in WO 02/075141 AI.
  • the moistening device can have a single moistening stage or a plurality of moistening stages connected in series.
  • the humidification device is preferably designed as a trickle humidifier and therefore has one or more trickle bodies through which water flows, for example, from top to bottom, while the inlet air flows through them in the transverse direction, this absorbing corresponding moisture in an adiabatic manner.
  • the invention is not limited to the design of the moistening device as described above. As mentioned, other systems can also be used, and water and air can be contacted in addition to cross-flow in cocurrent or counter-current.
  • the inlet air or the water or both media are appropriately heated before humidification in order to achieve the desired humidification.
  • sufficient hot water of 60-100 ° C or even above 100 ° C leads to a desired high level of humidification of the inlet air with simultaneous heating thereof.
  • a water inlet temperature of 90 ° C an air temperature of 60-70 ° C with a wet bulb temperature of over 50 ° C can be achieved.
  • the heat energy required to heat the inlet air and / or the water is preferably taken from the cooling water or the exhaust gas of the internal combustion engine via suitable heat exchangers. Such systems are known and need not be explained in detail here.
  • the internal combustion engine unit designed according to the invention therefore no longer has the disadvantage of high fresh water consumption in the prior art, since the water required for humidification is circulated and only a little fresh water has to be supplied (for example when the average engine load is very low and / or the ambient temperatures are very high).
  • the water required for humidification is circulated and only a little fresh water has to be supplied (for example when the average engine load is very low and / or the ambient temperatures are very high).
  • the air / fuel ratio lambda fluctuates in the bandwidths common today, even water can still be released from the system, i.e. not all of the water vapor in the exhaust gas is needed to humidify the intake air.
  • Due to the "closed" water circuit designed according to the invention the water quality can moreover be adjusted much better to the properties of the humidification device (of the trickling body), so that the humidification device achieves a particularly long service life. A permanent supply of fresh water can shorten the life of the humidifier.
  • a first embodiment of the invention is characterized in that it is the device for heating the intake air. a heat exchanger through which the intake air and the exhaust gas or cooling water of the internal combustion engine are concerned.
  • the device for heating the water is a heat exchanger through which the recovered water and the exhaust gas or the cooling water of the internal combustion engine flow. Both embodiments can also work together be double. In the former case, the heated inlet air is cooled in the humidification device (trickle body) and the heat energy contained in the air is converted into water vapor, which is applied to the internal combustion engine.
  • the water recovered from the exhaust gas is heated by the exhaust gas or the cooling water of the internal combustion engine, for example to 60 to 100 ° C., and contacted with the inlet air in the humidification device, so that predominantly water vapor also forms with which the internal combustion engine is acted upon.
  • the condenser provided according to the invention in the exhaust pipe of the internal combustion engine is preferably an exhaust gas / air heat exchanger. Exhaust gas flows through this heat exchanger on the one hand and the ambient lift on the other hand, the ambient air being able to be supplied to the heat exchanger under pressure, for example with the aid of a suitable fan. The water contained in the exhaust gas as water vapor is thereby condensed, collected via a suitable sump and returned to the humidification device. A speed control of the fan can be carried out via a sensor arranged in the exhaust pipe.
  • the condenser can also be an exhaust gas / water heat exchanger.
  • the humidification device is preferably arranged upstream of the compressor of the turbocharger, so that humidified air (water vapor) is compressed in the compressor of the turbocharger and is then fed to the internal combustion engine.
  • Humidification of the intake air in the compressed state i.e. H . after passing the compressor, is according to the invention also possible.
  • the internal combustion engine unit between the compressor and the internal combustion engine has an air / air heat exchanger downstream of the humidifying device, through which the heated, humidified inlet air and ambient air flow, for cooling the inlet air.
  • the intake air After compression by the compressor, the intake air is still cooled in order to improve the degree of filling of the internal combustion engine. In this way, additional thermal energy is obtained which can be used to heat the intake air.
  • the entire intake air can therefore be guided through the air / air heat exchanger connected downstream of the compressor and introduced into the humidification device, or additional heated intake air can be generated in this way.
  • Such an air / Lixft heat exchanger can be omitted if the humidification device is arranged downstream of the compressor.
  • a heat exchanger through which the recovered water and the exhaust gas flow is arranged between the internal combustion engine and the condenser for heating the recovered water.
  • the recovered water is thus heated by the exhaust gas.
  • This embodiment can be combined with the embodiment described above, in which the recovered water is heated by the cooling water of the internal combustion engine. Overall, this embodiment has the advantage that the system achieves a high degree of humidification in a very short time because the heating phase of the cooling water of the internal combustion engine does not have to be taken into account here.
  • Using a speed-controlled pump it is possible to control the amount of heat taken from the exhaust gas or to regulate the amount of humidification. lose. This can take place, for example, as a function of a temperature sensor.
  • a conventional cooling water cooler is connected downstream or in parallel with the heat exchanger through which the recovered water and the cooling water of the internal combustion engine flow. If not all of the engine heat from the cooling water is to be converted in the humidification device, this conventional cooling water cooler can be used.
  • a device for heating the inlet air is used, then this is preferably a heat exchanger arranged in the exhaust pipe and through which ambient air and exhaust gas flow, to which a line leading to the humidification device for the heated ambient air (inlet air) is connected.
  • this embodiment can also be combined with the embodiment in which the recovered water is heated via the cooling water of the internal combustion engine or the exhaust gas thereof.
  • the air / air heat exchanger for cooling the (compressed) inlet air is coupled to the heat exchanger in the exhaust line, the latter being acted upon by the heated ambient air of the air / air heat exchanger.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a combustion engine unit
  • Figure 2 is a schematic representation corresponding to Figure 1 of a second embodiment of an internal combustion engine unit
  • Figure 3 is a schematic representation corresponding to Figure 1 of a third embodiment of an internal combustion engine unit
  • Figure 4 is a schematic representation corresponding to Figure 1 of a fourth embodiment of an internal combustion engine unit
  • Figure 5 is a schematic representation corresponding to Figure 1 of a fifth embodiment of an internal combustion engine unit.
  • Figure 6 is a schematic representation corresponding to Figure 1 of a sixth embodiment of an internal combustion engine unit.
  • the internal combustion engine unit shown in FIG. 1 has an internal combustion engine 1, which is, for example, a diesel engine.
  • This internal combustion engine is supplied with intake air, which is shown at 3 as ambient air.
  • intake air which is shown at 3 as ambient air.
  • a humidifying device 2 in the form of one or more trickling bodies through which the inlet air 3 flows in the transverse direction.
  • the corresponding fuel supply to the internal combustion engine 1 and further details thereof are not shown and play no role in the present invention. It is important that the internal combustion engine 1 a Has cooling water circuit.
  • the exhaust gas generated by the internal combustion engine 1 is released into the atmosphere via a suitable exhaust gas line 4.
  • a condenser 5 in the form of an air / air heat exchanger, in which the exhaust gases flowing through the condenser 5 are acted upon by ambient air via a fan 6.
  • the water vapor formed in the combustion and contained in the exhaust gas and the water vapor formed by the humidification of the inlet air are condensed out and returned to the humidification device 2 via a return line 7 in which a suitable pump 8 is arranged.
  • This water which passes through a suitable line 13 to the top of the moistening device 2 (one or more trickle bodies), trickles down over the trickle bodies and is carried along by the inlet air flowing through the trickle bodies in the transverse direction in the form of water vapor.
  • a heat exchanger 10 is arranged in the water return line 7, through which the cooling water of the internal combustion engine 1 and the water returned via the line 7 flow.
  • the returned water is heated by this heat exchanger 10, for example to a temperature between 70 and 10 ° C. If the entire engine heat of the cooling water is not to be converted in the humidification device 2, a conventional cooling water cooler 11 is switched on, for example, via a thermostat 12, which cools the cooling water which is circulated.
  • the internal combustion engine unit shown here can easily be provided with a turbocharger, the compressor of which between the moistening device 2 and the internal combustion engine 1 and the turbine of which Exhaust line 4 of the internal combustion engine can be switched. This does not change the way the unit works.
  • FIG. 2 differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that this embodiment has a turbocharger with compressor 16 and turbine 17 which, as described above, are arranged in the inlet air supply line and the exhaust line of the internal combustion engine , Furthermore, this embodiment differs from that
  • Embodiment of Figure 1 characterized in that the compressor 16 of the turbocharger is followed by a heat exchanger 14 which serves to cool the heated and humidified inlet air compressed by the compressor 16.
  • this heat exchanger 14 is flowed through on the one hand by the compressed heated and humidified inlet air and on the other hand by ambient air 3, which is heated in the heat exchanger 14 and is fed via the line 15 to the humidification device 2 in order to flow through it in the transverse direction.
  • the ambient air 3 serves as intake air.
  • the water recovered from the exhaust gas is not heated via the cooling water of the internal combustion engine, as explained in the two embodiments described above, but via a heat exchanger 18, which on the one hand from the exhaust gas Internal combustion engine and on the other hand through the condenser 5 recovered water with the help of the pump 8. From this air / water heat exchanger 18, the heated water is returned via line 7 directly to the lighting device 2.
  • the bottom of the humidification device 2 is connected via a line 9 to the bottom of the condenser 5, the water discharged from the humidification device 2 via line 9 together with the water recovered by the condenser 5 via the heat exchanger 18 and line 7 can again be supplied to the moistening device 2.
  • the embodiment shown in FIG. 3 also has a heat exchanger 14 for cooling the compressed, heated and humidified inlet air for the internal combustion engine.
  • the embodiment shown in FIG. 4 differs from the embodiment shown in FIG. 3 essentially only in that the recirculated water is heated here both by the exhaust gas and by the cooling water of the internal combustion engine.
  • the heat exchanger 10 already shown in the embodiments of FIGS. 1 and 2 is thus provided, through which the cooling water of the internal combustion engine flows through for heating the returned water.
  • a bypass, not shown, around the water cooler 11 of the internal combustion engine makes it possible to achieve a higher level of humidification, especially during the starting phase.
  • the amount of water recovered can be kept constant or sufficiently high in a simple manner by regulating the rotation of the fan 6 of the condenser 5. This is especially important if the facility is provided with a blowdown, as shown by the blowdown valve 30 shown here, in order to maintain the water quality in the event that water pollution occurs during operation, for example due to air pollution or the formation of sulfurous acid.
  • fresh water can be fed in via a small make-up water tank (not shown here) in order to be able to cope with very warm environmental conditions and very unfavorable ones
  • the pump 8 is controlled by a temperature sensor T, which regulates the flow rate in the water return line 7 and thus the humidification level and also the exhaust gas cooling.
  • FIG. 5 shows an embodiment of an internal combustion engine unit in which the water recovered from the exhaust gas of the internal combustion engine 1 via the condenser 5 is heated by the cooling water of the internal combustion engine 1 via the heat exchanger 10 as in the embodiments 1 and 2.
  • the intake air of the internal combustion engine is also heated.
  • an air / air heat exchanger 20 is connected into the exhaust gas line 4 of the internal combustion engine, through which the exhaust gas of the internal combustion engine flows on the one hand and ambient air 3 on the other hand.
  • Ambient air which is the intake air of the internal combustion engine, is heated in the heat exchanger 20 and passes via the line 22 to the humidification device 2, which flows through it in the transverse direction. Otherwise this embodiment works like that in connection with the figure 1 described embodiment.
  • this principle of heating the inlet air introduced into the humidification device 2 via the exhaust gas emitted by the internal combustion engine is used.
  • a corresponding heat exchanger 20 is provided in the exhaust line 4 of the internal combustion engine.
  • This heat exchanger 20 is connected via an air line 40 to the heat exchanger 14 for cooling the compressed, heated and humidified inlet air for the internal combustion engine 1.
  • the ambient air shown at 3 thus flows over the heat exchanger 14 and is heated there for the first time.
  • the heated air then reaches the heat exchanger 20 via the line 40 and is heated therein for the second time by the exhaust gas. It is then fed to the moistening device 2.
  • FIG. 6 The embodiment shown in FIG. 6 is provided with a turbocharger, of which the compressor is shown at 16 and the turbine at 17. Otherwise, this embodiment works like the embodiment shown in FIG. 5. It is also suitable for an arrangement with a humidification device behind the compressor.

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Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschineneinheit mit einer Brennkraftmaschine, einer Einrichtung zur Befeuchtung der Einlassluft der Brennkraftmaschine, durch die die Einlassluft und Wasser strömen und miteinander in Kontakt treten, einer stromauf der Befeuchtungseinrichtung angeordneten Vorrichtung zum Erwärmen der Einlassluft und/oder des Wassers und einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine (1) beschrieben. In der Abgasleitung (4) ist ein Kondensator (5) zur Wasserrückgewinnung aus dem Abgas angeordnet, und eine vom Kondensator (5) zur Befeuchtungseinrichtung (2) führende Wasserrückführleitung (13) ist vorgesehen. Durch die Rückführung des aus dem Abgas gewonnenen Wassers und die Verwendung dieses Wassers zur Befeuchtung der Einlassluft muss in das System überhaupt kein oder nur eine geringe Menge an Frischwasser eingespeist werden.

Description

Brennkraftmaschineneinheit mit Befeuchtungseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschineneinheit mit einer Brennkraftmaschine, einer Einrichtung zur Befeuchtung der Einlaßluft der Brennkraftmaschine, durch die die Einlaßluft und Wasser strömen und miteinander in Kontakt treten, einer stromauf der Befeuchtungseinrichtung angeordneten Vorrichtung zum Erwärmen der Einlaßluft und/oder des Wassers und einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine.
Es ist bekannt, die Einlaßluft von Brennkraftmaschinen zu befeuchten, um auf diese Weise den NOx-Gehalt im Abgas der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Hierzu gibt es eine Reihe von Veröffentlichungen, die sich mit Brennkraftmaschinen mit oder ohne Turbolader befassen und diverse Wege zur Befeuchtung der Einlaßluft vorschlagen. Um eine angemessene Befeuchtung zu erreichen, werden entweder die Einlaßluft oder das Wasser oder beide vor dem Kontakt in der Befeuchtungseinrichtung erwärmt, wobei zum Erwärmen die Energie des Kühlwassers oder der Abgase der Brennkraftmaschine über geeignete Wäremtauscher genutzt wird. Eine derartige Brennkraftmaschineneinheit, die die Merkmale des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 aufweist, ist beispielsweise in der WO 02/075141 AI beschrieben. Das für die Befeuchtung benötigte Wasser wird bei derartigen bekannten Brennkraftmaschineneinheiten in Tanks aufbewahrt und der Befeuchtungseinrichtung zugeführt . Bei Brenn- kraftmaschineneinheiteή von Schiffen wird das für die Be- feuchtung benötigte Wasser hauptsächlich als Salzwasser dem Medium entnommen, in dem sich das Schiff bewegt. Bei dieser Lösung müssen keine Tanks zur Speicherung des für die Befeuchtung benötigten Wassers mitgeführt werden. Andere mobile E nheiten, wie Kraftfahrzeuge, benötigen jedoch derar- tige Tanks zur Mitführung des für die Befeuchtung verwendeten Wassers.
Bei einer Befeuchtung mit Salzwasser (beispielsweise bei Schiffen) müssen die mit dem Salzwasser in Berührung tre- tenden Teile der Brennkraftmaschineneinheit aus korrosionsfesten Werkstoffen, die darüber hinaus druckfest sein müssen, hergestellt werden, wodurch die Herstellkosten und Betriebskosten von derartigen Anlagen hoch sind. Wie erwähnt, tritt bei mobilen Systemen der Nachteil auf, daß erhebliche Wassermengen mitgeführt werden müssen, die für eine hohe NOx-Reduktion erforderlich sind, wodurch das Gesamtgewicht (Brennkraftmaschineneinheit und Tank) von derartigen mobilen Einheiten stark erhöht und deren Ladekapazität verringert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschineneinheit der angegebenen Art zu schaffen, bei der sich die Befeuchtung der Einlaßluft auf besonders wirtschaftliche Weise durchführen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Brennkraftmaschineneinheit der eingangs wiedergegebenen Art dadurch gelöst, daß in der Abgasleitung ein Kondensator zur Wasserrückgewinnung aus dem Abgas angeordnet ist und eine vom Kondensator zur Befeuchtungseinrichtung führende Wasser- rückführleitung vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf dem Grundgedanken, das im Abgas in Form von Wasserdampf enthaltene und aus der eigentlichen Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkraftmaschine und der erfin- dungsgemäß durchgeführten Befeuchtung der Einlaßluft resultierende Wasser zurückzugewinnen und hiermit die Befeuch- tungseimrichtung zu beaufschlagen. Da durch die Verbrennung permanent Wasserdampf im Abgas gebildet wird, wird daher nicht nur der durch die Befeuchtung der Einlaßluft erzeugte Wasserdampf im Abgas zurückgewonnen, sondern auch der durch die Verbrennung selbst erzeugte Wasserdampf, so daß im Betrieb der Brennkraftmaschine permanent ausreichend Wasser zur Beaufschlagung der Befeuchtungseinrichtung zur Verfügung steht. Es wird daher überhaupt kein zusätzliches Was- ser bzw. nur wenig zusätzliches Wasser benötigt, das in das System eingeführt werden muß. Derartiges zusätzliches Wasser wird allenfalls in der Anlaufphase der Brennkraftmaschine, in einer Leerlaufphase derselben oder bei hohen Umgebungstemperaturen benötigt, so daß der Aufwand in bezug auf die Lagerung bzw. Gewinnung des Befeuchtungswassers gering ist. Die erfindungsgemäß ausgebildete Brennkraftmaschine ist daher insbesondere für mobile Einheiten, beispielsweise in Lastkraftwagen, geeignet, ohne daß große Wassertanks benötigt werden. Ferner können die Befeuch- tungsein chtungen der Brennkraftmaschineneinheit aus preiswerten Werkstoffen hergestellt werden, da kein Salzwasser mehr benötigt wird (auf Schiffen) , wodurch die Herstellkosten beträchtlich gesenkt werden.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Brennkraftmaschineneinheit kann beliebig ausgebildete Brennkraftmaschinen umfassen, beispielsweise Benzinmotoren, Dieselmotoren, die mit oder ohne Turbolader ausgestattet sind. Als Einrichtung zur Befeuchtung der Einlaßluft der Brennkraftmaschine können be- kannte, für derartige Zwecke verwendete Einrichtungen Ver- wendung finden, wenn diese Einrichtungen für einen geeigneten Kontakt zwischen der Einlaßluft und dem für die Befeuchtung verwendeten Wasser sorgen und hierdurch die Einlaßluft in hinreichender Weise befeuchtet wird. Nur rein beispielhaft sei hierbei auf eine Befeuchtungseinrichtung verwiesen, wie sie in der WO 02/075141 AI beschrieben ist. Die Befeuchtungseinrichtung kann dabei eine einzige Befeuchtungsstufe oder mehrere hintereinander geschaltete Befeuchtungsstufen aufweisen. Vorzugsweise ist die Befeuch- tungseinrichtung als Rieselbefeuchter ausgebildet und weist daher einen oder mehrere Rieselkörper auf, die beispielsweise von oben nach unten vom Wasser durchströmt werden, während sie in Querrichtung von der Einlaßluft durchströmt werden, wobei diese entsprechende Feuchtigkeit auf adiaba- tische Weise aufnimmt .
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die Ausbildung der Befeuchtungseinrichtung der vorstehend beschriebenen Weise beschränkt ist. So können, wie erwähnt, auch andere Systeme Verwendung finden, und Wasser und Luft können neben einem Kreuzstrom auch in Gleichstrom oder Gegenstrom kontaktiert werden.
Wesentlich ist, daß entweder die Einlaßluft oder das Wasser oder beide Medien vor dem Befeuchten in geeigneter Weise erwärmt werden, um die gewünschte Befeuchtung zu erreichen. So führt beispielsweise genügend heißes Wasser von 60-100 °C oder auch über 100 °C (wenn beispielsweise ein über Atmosphär-endruck liegender Druck nach einem Turbolader vorliegt) zu einer gewünschten hohen Befeuchtung der Einlaßluft mit gleichzeitiger Erwärmung derselben. So können beispielsweise bei einer Vorlauftemperatur des Wassers von 90 °C durchaus 60-70 °C Lufttemperatur bei einer Feuchtkugeltempertur von über 50 °C erreicht werden. Die zur Erwärmung der Einlaßluft und/oder des Wassers benötigte Wärmeenergie wird vorzugsweise dem Kühlwasser oder dem Abgas der Brennkraftmaschine über geeignete Wärmetauscher entnommen. Derartige Systeme sind bekannt und müssen an dieser Stelle nicht im einzelnen erläutert werden.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Brennkraftmaschineneinheit hat somit den Nachteil eines hohen Frischwasserverbrauches beim Stand der Technik nicht mehr, da das für die Befeuch- tung benötigte Wasser im Kreislauf geführt wird und nur wenig Frischwasser zugeführt werden muß (beispielsweise dann, wenn die durchschnittliche Motorlast sehr gering und/oder die Umgebungstemperaturen sehr hoch sind) . Unter den üblichen Betriebsbedingungen, d.h. wenn das Luft/Brennstoff- Verhältnis Lambda in den heute üblichen Bandbreiten schwankt, kann sogar noch Wasser aus dem System abgegeben werden, d.h. es wird nicht der gesamte Wasserdampf im Abgas zur Befeuchtung der Einlaßluft benötigt. Durch den erfindungsgemäß konzipierten "geschlossenen" Wasserkreislauf kann darüber hinaus die Wasserqualität wesentlich besser auf die Eigenschaften der Befeuchtungseinrichtung (des Rieselkörpers) eingestellt werden, so daß die Befeuchtungseinrichtung eine besonders lange Lebenszeit erreicht. Durch eine dauernde Frischwasserzufuhr kann sich die Lebensdauer der Befeuchtungseinrichtung verkürzen.
Eine erste A sführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß es sich bei der Vorrichtung zum Erwärmen der Einlaßluft um. einen von der Einlaßluft und vom Abgas oder dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine durchströmten Wärmetauscher handelt. Bei einer zweiten Ausführungsform handelt es sich bei der Vorrichtung zum Erwärmen des Wassers um einen vom rückgewonnenen Wasser und vom Abgas oder dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine durchströmten Wärmetau- scher. Beide Ausführungsformen können auch miteinander kom- biniert sein. Im erstgenannten Fall wird die erwärmte Einlaßluft in der Befeuchtungseinrichtung (Rieselkörper) abgekühlt und die in der Luft enthaltene Wärmeenergie in Wasserdampf umgesetzt, mit dem die Brennkraftmaschine beauf- schlagt wird. Bei der zweiten Ausführungsform wird das aus dem Abgas rückgewonnene Wasser durch das Abgas oder das Kühlwasser der Brennkraftmaschine erhitzt, beispielsweise auf 60 bis 100 °C, und in der Befeuchtungseinrichtung mit der Einlaßluft kontaktiert, so daß sich ebenfalls vorwie- gend Wasserdampf bildet, mit dem die Verbrennungskraftmaschine beaufschlagt wird.
Bei dem er indungsgemäß in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine vorgesehenen Kondensator handelt es sich vorzugs- weise um einen Abgas/Luft-Wärmetauscher. Dieser Wärmetauscher wird einerseits vom Abgas und andererseits von der Umgebungslift durchströmt, wobei die Umgebungsluft dem Wärmetauscher unter Druck zugeführt werden kann, beispielsweise mit Hilfe eines geeigneten Ventilators. Das als Was- serdampf im Abgas enthaltene Wasser wird hierdurch kondensiert, über einen geeigneten Sumpf aufgefangen und zur Befeuchtungseinrichtung zurückgeführt. Eine Drehzahlregulierung des Ventilators kann über einen in der Abgasleitung angeordneten Sensor durchgeführt werden.
Der Kondensator kann auch ein Abgas/Wasser-Wärmetauscher sein .
Wenn die Brennkraftmaschine einen Turbolader aufweist , ist die Befeuchtungseinrichtung vorzugsweise stromauf des Kompressors des Turboladers angeordnet , so daß befeuchtete Luft (Wasserdampf ) im Kompressor des Turboladers komprimiert und danach der Brennkraftmaschine zugeführt wird . Eine Befeuchtung der Einlaßluft im komprimierten Zustand, d . h . nach Passieren des Kompressors , ist erfindungsgemäß ebenfalls möglich.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Brennkraftmaschineneinheit zwischen Kompressor und Brennkraftmaschine einen von der erwärmten befeuchteten Einlaßluft und Umgebungsluft durchströmten., der Befeuchtungseinrichtung nachgeschalteten Luft/Luft-Wärmetauscher zum Abkühlen der Einlaßluft auf. Die EinlaßlufTt wird nach Verdichtung durch den Kompressor noch gekühlt, um den Füllungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Aαif diese Weise wird zusätzliche Wärmeenergie gewonnen, die zur Erhitzung der Einlaßluft verwendet werden kann. Bei dieser Ausführungsform kann daher die gesamte Einlaßluft üter den dem Kompressor nachgeschalteten Luft/ Luft-Wärmetauscher geführt und in die Befeuchtungseinrich- tung eingeführt werden, oder es kann auf diese Weise zusätzliche erwärmte Einlaßluft erzeugt werden. Ein derartiger Luft/Lixft-Wärmetauscher kann entfallen, wenn die Befeuchtungseinrichtung stromab des Kompressors angeordnet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen Brennkraftmaschine und Kondensator ein vom rückgewonnenen Wasser und dem Abgas durchströmter Wärmetauscher zum Erhitzen des rückgewonnenen Wassers angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird somit das rückgewonnene Wasser durch das Abg-as erhitzt. Diese Ausführungsform kann mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kombiniert sein, bei der das rückgewonnene Wasser vom Kühlwasser der Brennkraftmaschine erhitzt wird. Insgesamt hat diese Ausfüh- rungsform dne Vorteil, daß das System in sehr kurzer Zeit eine hohe Befeuchtung erzielt, weil hierbei die Aufhei- zungsphase des Kühlwassers der Brennkraftmaschine nicht berücksichtigt werden muß. Über eine drehzahlgeregelte Pumpe ist es möglich, die dem Abgas entnommene Wärmemenge zu steuern bzw. dadurch die Höhe der Befeuchtung zu regu- lieren. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem Temperatursensor erfolgen.
Bei einer anderen Ausfuhrungsform der Erfindung ist dem vom rückgewonnenen Wasser und dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine durchströmten Wärmetauscher ein konventioneller Kühlwasserkühler nach- bzw. parallel geschaltet. Wenn nicht die gesamte Motorwärme aus dem Kühlwasser in der Befeuchtungseinrichtung umgesetzt werden soll, kann dieser konven- tionelle Kühlwasserkühler Anwendung finden.
Wenn bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschineneinheit anstelle der Erwärmung des aus dem Abgas rückgewonnenen Wassers oder zusätzlich zu dieser eine Vorrichtung zum Er- wärmen der Einlaßluft Verwendung findet, so handelt es sich bei dieser vorzugsweise um einen in der Abgasleitung angeordneten, von Umgebungsluft und Abgas durchströmten Wärmetauscher, an den eine zur Befeuchtungseinrichtung führende Leitung für die erwärmte Umgebungsluft (Einlaßluft) ange- schlössen ist. Natürlich kann diese Ausführungsform auch mit der Ausfuhrungsform kombiniert sein, bei der eine Erwärmung des rückgewonnenen Wassers über das Kühlwasser der Brennkraftmaschine oder das Abgas derselben stattfindet.
Bei Weiterbildung dieser Ausfuhrungsform ist der Luft/Luft- Wärmetauscher zum Abkühlen der (komprimierten) Einlaßluft mit dem Wärmetauscher in der Abgasleitung gekoppelt, wobei letzterer mit der erwärmten Umgebungsluft des Luft/Luft- Wärmetauschers beaufschlagt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei- spielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert . Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brenn- kraftmaschineneinheit ;
Figur 2 eine schematische Darstellung entsprechend Figur 1 einer zweiten Ausfuhrungsform einer Brennkraftmaschineneinheit ;
Figur 3 eine schematische Darstellung entsprechend Figur 1 einer dritten Ausführungsform einer Brennkraftmaschineneinheit;
Figur 4 eine schematische Darstellung entsprechend Figur 1 einer vierten Ausführungsform einer Brennkraftmaschineneinheit;
Figur 5 eine schematische Darstellung entsprechend Figur 1 einer fünften Ausführungsform einer Brennkraftmaschineneinheit; und
Figur 6 eine schematische Darstellung entsprechend Figur 1 einer sechsten Ausfuhrungsform einer Brennkraftmaschineneinheit .
Die in Figur 1 dargestellte Brennkraftmaschineneinheit besitzt eine Brennkraftmaschine 1, bei der es sich beispiels- weise um einen Dieselmotor handelt. Diese Brennkraftmaschine wird mit Einlaßluft versorgt, die bei 3 als Umgebungsluft dargestellt ist. In der Einführungsleitung der Einlaßluft befindet sich eine Befeuchtungseinrichtung 2 in der Form von einem oder mehreren Rieselkörpern, die in Querrichtung von der Einlaßluft 3 durchströmt werden.
Die entsprechende Brennstoffversorgung der Brennkraftmaschine 1 sowie weitere Einzelheiten derselben sind nicht dargestellt und spielen für die vorliegende Erfindung keine Rolle. Wichtig ist, daß die Brennkraftmaschine 1 einen Kühlwasserkreis aufweist .
Das von der Brennkraftmaschine 1 erzeugte Abgas wird über eine geeignete Abgasleitung 4 an die Atmosphäre abgegeben. In der Abgasleitung 4 befindet sich ein Kondensator 5 in der Form eines Luft/Luft-Wärmetauschers, bei dem die den Kondensator 5 durchströmenden Abgase über einen Ventilator 6 mit Umgebungsluft beaufschlagt werden. Auf diese Weise wird der durch die Verbrennung gebildete, im Abgas enthal- tene Wasserdampf sowie der durch die Befeuchtung der Einlaßluft gebildete Wasserdampf auskondensiert und über eine Rückführleitung 7, in der eine geeignete Pumpe 8 angeordnet ist, zur Befeuchtungseinrichtung 2 zurückgeführt. Dieses Wasser, das über eine geeignete Leitung 13 zur Oberseite der Befeuchtungseinrichtung 2 (ein oder mehrere Rieselkörper) gelangt, rieselt über die Rieselkörper nach unten und wird dabei von der die Rieselkörper in Querrichtung durchströmenden Einlaßluft in der Form von Wasserdampf mitgeführt .
In der Wasserrückführleitung 7 ist ein Wärmetauscher 10 angeordnet , der vom Kühlwasser der Brennkraftmaschine 1 und vom über die Leitung 7 zurückgeführten Wasser durchflössen wird. Durch diesen Wärmetauscher 10 wird das zurückgeführte Wasser erwärmt, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 70 und 1O0 °C. Wenn nicht die gesamte Motorwärme des Kühlwassers in der Befeuchtungseinrichtung 2 umgesetzt werden soll, wird beispielsweise über einen Thermostat 12 ein herkömmlicher Kühlwasserkühler 11 zugeschaltet, der eine Küh- lung des im Kreislauf geführten Kühlwassers bewirkt.
Es versteht sich, daß die hier dargestellte Brennkraftmaschineneinheit ohne weiteres mit einem Turbolader versehen sein kann, dessen Kompressor zwischen Befeuchtungseinrich- tung 2 und Brennkraftmaschine 1 und dessen Turbine in die Abgasleitung 4 der Verbrennungsmaschine geschaltet sein kann. An der Funktionsweise der Einheit ändert sich hierdurch nichts.
Auf der Oberseite der Befeuchtungseinrichtung 2 sind Wasserverteiler 21 gezeigt, die das über die Leitung 13 zugeführte Wasser auf den oder die Rieselkörper in der Befeuchtungseinrichtung 2 verteilen. Die in Figur 2 dargestellte Ausfuhrungsform einer Brennkraftmaschineneinheit unter- scheidet sich gegenüber der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform dadurch, daß diese Ausfuhrungsform einen Turbolader mit Kompressor 16 und Turbine 17 besitzt, die, wie vorstehend beschrieben, in der Einlaßluftzuführleitung und der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Ferner unterscheidet sich diese Ausführungsform von der
Ausfuhrungsform der Figur 1 dadurch, daß dem Kompressor 16 des Turboladers ein Wärmetauscher 14 nachgeschaltet ist, der zum Kühlen der durch den Kompressor 16 verdichteten erwärmten und befeuchteten Einlaßluft dient. Dieser Wärme- tauscher 14 wird, wie erwähnt, einerseits von der komprimierten erwärmten und befeuchteten Einlaßluft und andererseits von Umgebungsluft 3 durchströmt, die im Wärmetauscher 14 erwärmt und über die Leitung 15 der Befeuchtungseinrichtung 2 zugeführt wird, um diese in Querrichtung zu durch- strömen. Die Umgebungsluft 3 dient hierbei als Einlaßluft. Durch Anordnung des Luft/Luft-Wärmetauschers 14 zum Kühlen der in die Brennkraftmaschine eingeführten komprimierten, erwärmten und befeuchteten Einlaßluft kann der Füllungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert werden.
Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform wird das aus dem Abgas zurückgewonnene Wasser nicht über das Kühlwasser der Brennkraftmaschine erwärmt, wie bei den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erläutert, sondern über einen Wärmetauscher 18, der einerseits vom Abgas der Brennkraftmaschine und andererseits vom über den Kondensator 5 zurückgewonnenen Wasser mit Hilfe der Pumpe 8 durchströmt wird. Von diesem Luft/Wasser-Wärmetauscher 18 wird das erwärmte Wasser über die Leitung 7 direkt zur Be euchtungseinrichtung 2 zurückgeführt. Der Sumpf der Befeuchtungseinrichtung 2 steht über eine Leitung 9 mit dem Sumpf des Kondensators 5 in Verbindung, wobei das aus der Befeuchtungseinrichtung 2 über die Leitung 9 abgeführte Wasser zusammen mit dem durch den Kondensator 5 zurückge- wonnenen Wasser über den Wärmetauscher 18 und die Leitung 7 wieder der Befeuchtungseinrichtung 2 zugeführt werden kann.
Wie bei Ausführungsform 2 hat auch die in Figur 3 gezeigte Ausfuhrungsform einen Wärmetauscher 14 zum Kühlen der kom- primierten erwärmten und befeuchteten Einlaßluft für die Brennkraftmaschine .
Die in Figur 4 dargestellte Ausfuhrungsform unterscheidet sich von der in Figur 3 dargestellten Ausfuhrungsform im wesentlichen nur dadurch, daß das rückgeführte Wasser hier sowohl durch das Abgas als auch durch das Kühlwasser der Brennkraftmaschine erwärmt wird. In die Wasserrückführlei- tung 7 ist hier somit zusätzlich zum Wärmetauscher 18 der bereits bei den Ausfuhrungsformen der Figuren l und 2 dar- gestellte Wärmetauscher 10 vorgesehen, der vom Kühlwasser der Brennkraftmaschine zum Erwärmen des rückgeführten Wassers durchflössen wird. Über einen nichtgezeigten Bypass um den Wasserkühler 11 der Brennkraftmaschine herum ist es hierbei vor allem während der Startphase schon möglich, eine höhere Befeuchtung zu erzielen.
Die Menge des zurückgewonnenen Wassers kann in einfacher Weise durch eine Umdrehungsregelung des Ventilators 6 des Kondensators 5 konstant bzw. ausreichend hoch gehalten wer- den. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Anlage mit einer Abschlämmung versehen ist, wie durch das hier dargestellte Abschlämmventil 30 gezeigt, um die Wasserqualität zu erhalten, falls durch den Betrieb eine Wasserverschmutzung auftritt, beispielsweise durch Luftverunreini- gungen oder die Bildung von schwefeliger Säure.
Es versteht sich ferner, daß bei sämtlichen Ausführungsformen Frischwasser über einen kleinen Zusatzwassertank (hier nicht gezeigt) eingespeist werden kann, um für den Fall von sehr warmen Umgebungsbedingungen und von sehr ungünstigen
Betriebsbedingungen der Einheit (sehr viel Leerlauf des Motors, d.h. geringe oder keine Last) Vorsorge zu treffen. Ein derartiger Tank ist nicht dargestellt.
Bei der in Figur 4 dargestellten Ausfuhrungsform wird die Pumpe 8 von einem Temperatursensor T gesteuert, der die Durchflußmenge in der Wasserruckfuhrleitung 7 und damit die Befeuchtungshöhe bzw. auch die Abgaskühlung reguliert.
Figur 5 zeigt eine Ausfuhrungsform einer Brennkraftmaschineneinheit, bei der das über den Kondensator 5 aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 1 zurückgewonnene Wasser wie bei den Ausführungsformen 1 und 2 über den Wärmetauscher 10 durch das Kühlwasser der Brennkraftmaschine 1 erwärmt wird. Zusätzlich zu dieser Erwärmung des rückgeführten Wassers findet jedoch auch eine Erwärmung der Einlaßluft der Brennkraftmaschine statt. Hierzu ist in die Abgasleitung 4 der Brennkraftmaschine ein Luft/Luft-Wärmetauscher 20 geschaltet, der einerseits vom Abgas der Brennkraftmaschine und andererseits von Umgebungsluft 3 durchströmt wird. Diese
Umgebungsluft, bei der es sich um die Einlaßluft der Brennkraftmaschine handelt, wird im Wärmetauscher 20 erhitzt und gelangt über die Leitung 22 zur Befeuchtungseinrichtung 2, die sie in Querrichtung durchströmt. Im übrigen funktio- niert diese Ausführungsform wie die in Verbindung mit Figur 1 beschriebene Ausfuhrungsform.
Auch bei der in Figur 6 gezeigten Ausfuhrungsform kommt dieses Prinzip der Erwärmung der in die Befeuchtungsein- richtung 2 eingeführten Einlaßluft über das von der Verbrennungsmaschine abgegebene Abgas zur Anwendung. Auch hier ist ein entsprechender Wärmetauscher 20 in der Abgasleitung 4 der Brennkraftmaschine vorgesehen. Dieser Wärmetauscher 20 ist über eine Luftleitung 40 an den Wärmetauscher 14 zum Abkühlen der komprimierten erwärmten und befeuchteten Einlaßluft für die Brennkraftmaschine 1 angeschlossen. Bei dieser Ausführungsform strömt somit die bei 3 gezeigte Umgebungsluft über den Wärmetauscher 14 und wird dort zum ersten Mal erwärmt . Die erwärmte Luft gelangt dann über die Leitung 40 zum Wärmetauscher 20 und wird in diesem durch das Abgas zum zeiten Mal erwärmt. Sie wird dann der Befeuchtungseinrichtung 2 zugeführt .
Die in Figur 6 gezeigte Ausführungsform ist mit einem Tur- bolader versehen, von dem der Kompressor bei 16 und die Turbine bei 17 dargestellt sind. Im übrigen funktioniert diese Ausfuhrungsform wie die in Figur 5 dargestellte Aus- führungsform. Sie ist ebenfalls für eine Anordnung mit Befeuchtungseinrichtung hinter dem Kompressor geeignet.

Claims

Patentansprüche
1. Brennkraftmaschineneinheit mit einer Brennkraftmaschine, einer Einrichtung zur Befeuchtung der Einlaßluft der Brennkraftmaschine, durch die die Einlaßluft und Wasser strömen und miteinander in Kontakt treten, einer stromauf der Befeuchtungseinrichtung angeordneten Vorrichtung zum Erwärmen der Einlaßluft und/oder des Wassers und einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgaslei- tung (4) ein Kondensator (5) zur Wasserrückgewinnung aus dem Abgas angeordnet ist und eine vom Kondensator (5) zur Befeuchtungseinrichtung (2) führende Wasserruckfuhrleitung (7) vorgesehen ist.
2. Brennkraftmaschineneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Vorrichtung zum Erwärmen der Einlaßluft um einen von der Einlaßluft und vom Abgas oder dem Kühlwasser der Brennkraftmaschine (1) durchströmten Wärmetauscher handelt.
3. Brennkraftmaschineneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Vorrichtung zum Erwärmen des Wassers um einen vom rückgewonnenen Wasser und vom Abgas oder dem Kühlwasser der Brennkraft- maschine (1) durchströmten Wärmetauscher handelt.
4. Brennkraftmaschineneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, .dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kondensator (5) um einen Abgas/Luft-Wärmetauscher handelt .
5. Brennkraftmaschineneinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (5) von einem Ventilator (6) mit Luft beaufschlagt wird.
6. Brennkraftmaschineneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (1) einen Turbolader aufweist und die Befeuchtungseinrichtung (2) stromauf des Kompressors (16) des Turboladers angeordnet ist.
7. Brennkraftmaschineneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen Kompressor (16) und Brennkraftmaschine (1) einen von der komprimierten erwärmten und befeuchteten Einlaßluft und Umgebungs- luft durchströmten, der Befeuchtungseinrichtung (2) nachgeschalteten Luft/Luft-Wärmetauscher (14) zum Abkühlen der komprimierten Einlaßluft aufweist.
8. Brennkraftmaschineneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Brennkraftmaschine (1) und Kondensator (5) ein vom rückgewonnenen Wasser und dem Abgas durchströmter Wärmetauscher (18) zum Erhitzen des rückgewonnenen Wassers angordnet ist.
9. Brennkraftmaschineneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem vom rückgewonnenen Wasser und dem Kühlwasser der Brenn- kraftmaschine (1) durchströmten Wärmetauscher (10) ein konventioneller Kühlwasserkühler (11) nach- bzw. parallel geschaltet ist.
10. Brennkraftmaschineneinheit nach einem der vorangehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtungseinrichtung (2) von der Einlaßluft und vom rückgewonnenen Wasser im Kreuzstrom durchströmt wird.
11. Brennkraftmaschineneinheit nach einem der vorangehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtungseinrichtung (2) einen oder mehrere Riesel- körper aufweist.
12. Brennkraftmaschineneinheit nach einem der vorangehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Vorrichtung zum Erwärmen der Einlaßluft um einen in der Abgasleitung (4) angeordneten, von Umgebungsluft und Abgas durchströmten Wärmetauscher (20) handelt, an den eine zur Befeuchtungseinrichtung (2) führende Leitung (21) für die erwärmte Umgebungsluft (Einlaßlfut) angeschlossen ist.
13. Brennkraftmaschineneinheit nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, daß der Luft/Luft-Wärmetauscher (14) zum Abkühlen der komprimierten Einlaßluft mit dem Wärmetauscher (20) in der Abgasleitung (4) gekoppelt ist und letzterer mit der erwärmten Umgebungsluft des Luft/Luft-Wärmetauschers (14) beaufschlagt wird.
14. Brennkraftmaschineneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Befeuchtungseinrichtung (2) ein Tropfenabscheider nachgeschaltet ist.
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