WO2010127378A1 - Verfahren zum einspritzen von wasser in einen raum und danach arbeitende vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum einspritzen von wasser in einen raum und danach arbeitende vorrichtung Download PDF

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WO2010127378A1
WO2010127378A1 PCT/AT2010/000157 AT2010000157W WO2010127378A1 WO 2010127378 A1 WO2010127378 A1 WO 2010127378A1 AT 2010000157 W AT2010000157 W AT 2010000157W WO 2010127378 A1 WO2010127378 A1 WO 2010127378A1
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temperature
water
supply line
nozzle
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PCT/AT2010/000157
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Harold R. Simmons
Vishwas Iyengar
David Ransom
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Steirische Gas-Wärme Gmbh
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B47/00—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines
    • F02B47/02—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being water or steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0221—Details of the water supply system, e.g. pumps or arrangement of valves
    • F02M25/0224—Water treatment or cleaning
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M25/03—Adding water into the cylinder or the pre-combustion chamber
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for injecting water into a substantially closed space, in particular a combustion chamber of a
  • the invention relates to a device, in particular an internal combustion engine, comprising a substantially closed space such as a combustion chamber, a water reservoir with a conveyor and a supply line with a nozzle which opens into or in the room, wherein the supply line communicates with the water reservoir so that water can be transported through the supply line by the conveyor and can be injected through an opening of the nozzle into the room.
  • a related approach is to additionally inject water into the combustion chamber of an internal combustion engine, which should at least lead to a significant reduction in NO x emissions.
  • Such a measure is applied not only in newly built internal combustion engines, where appropriate, but also provided for later in larger plants, in order to reduce given NO x emissions. It has been found, however, that when water is injected into a combustion chamber of an internal combustion engine, it is subject to high wear as well as high susceptibility to corrosion, resulting in an increased cost of service, and therefore, an operating time and hence productivity are reduced. Extensive research has shown that the increased wear and the increased
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned, in which in the water injection vibrations of the space is injected into the avoided or at least reduced.
  • the procedural object is achieved by setting the first pressure greater than the second pressure and the first temperature equal to or higher than a boiling temperature of the water at the second pressure in a method of the type mentioned.
  • An advantage achieved by a method according to the invention can be seen in the fact that due to an injection of water with increased pressure and elevated temperature, vibrations of the enclosed space into which the water is injected are avoided or compared with an injection of water below a boiling point at the second Pressure are reduced.
  • the knowledge is exploited that the perceived as disadvantageous vibrations can be caused by a water injection under unfavorable conditions and only the inventively provided pressure and temperature control to exclude or leads to the reduction of such vibrations.
  • an effective nebulization of the injected water in the room is obtained, since water injected into the room immediately starts to boil, which effectively leads to nebulization or atomization of the injected water.
  • the first temperature is set to less than a boiling temperature at the first pressure.
  • the first temperature is at most 10 0 C below the boiling point at the first pressure.
  • the second temperature may be below the boiling point of the water at the second pressure.
  • a temperature difference between the first temperature and the second temperature is then preferably more than 10 0 C, in particular more than 15 0 C.
  • Such a temperature difference also requires sufficient pressures or a corresponding pressure difference, so that these conditions can be met.
  • a temperature difference of more than 10 0 C, in particular more than 15 0 C, between the first temperature and the second temperature proves to be in terms of controllability of the method of advantage. If a temperature difference is large enough, it is comparatively easy to maintain these conditions in the supply line and in space. In this context, it proves expedient that a difference between the first pressure and the second pressure is at least 10 bar, in particular at least 15 bar.
  • the second temperature may also be above the boiling temperature of the water at the second pressure, with respect to boiling temperature at the second pressure, the above-mentioned temperature difference is advantageously maintained analogously.
  • the feed line is formed by a cylindrical tube.
  • the first temperature is just below the boiling temperature at the first pressure, it comes during the supply of water already to the formation of small bubbles in the supply line. Is the supply line complex? formed, so the small bubbles can unite at appropriate positions to very large bubbles, which is not desirable.
  • a cylindrical tube By a cylindrical tube, the risk of formation of very large bubbles in the supply line is at least reduced.
  • the nozzle is used with a preferably circular opening with a maximum diameter of 1 mm or less, for reasons of effective nebulization or atomization of injected water.
  • the further object of the invention is achieved by a device of the type mentioned, in which with the conveyor, a first pressure of the water in the supply line is adjustable, which is above a second pressure in the room, and a heating device is provided, with which the Supply line can be heated above a first temperature which is equal to or higher than a boiling point of the water at the second pressure and optionally higher than a given temperature in the room.
  • An advantage achieved with a device according to the invention is that injection of water into the room can take place like a combustion chamber without undesirable vibrations of the space or the combustion chamber or such vibrations compared to injection at lower pressure and lower Temperature are at least reduced.
  • Another advantage is the fact that in a device according to the invention, the water can be introduced finely distributed in the closed space.
  • the first temperature may be higher than a given temperature in the room, but this is not mandatory.
  • water transported in the supply line can only be heated with the heating device to a first temperature which is lower than a boiling temperature at the first pressure but higher than a boiling temperature at the second pressure.
  • water transported in the supply line can be heated to a first temperature which is at most 10 ° C. below the boiling point at the first pressure.
  • a temperature difference between the first temperature and the second temperature or the boiling temperature of the water at the second pressure of more than 10 0 C, in particular more than 15 0 C, is adjustable.
  • a pressure difference between the first pressure and the second pressure of at least 10 bar, in particular at least 15 bar, is adjustable.
  • the feed line can be of any desired design, but is preferably formed as a cylindrical tube, since in this case, when the temperature is just below the boiling point at the first pressure, a desired formation of small bubbles is possible without small bubbles to larger Agglomerate bubbles.
  • the tube is suitably surrounded by an electric heater and / or one or more gas burners and / or one or more heat exchangers.
  • the nozzle preferably has a circular opening with a maximum diameter of 1 mm or less. Even a small maximum diameter of the opening can contribute to an effective nebulization of injected water, although such effects are rather small.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention
  • Fig. 2 is a diagram relating to a boiling temperature of water as a function of pressure
  • Fig. 1 is a device according to the invention, which is part of a
  • the device comprises a substantially closed combustion chamber 1.
  • substantially completed means that the combustion chamber 1 is basically completed, but one or more openings for particular separate supply of, for example, fuels may have, but in the combustion chamber 1 at the same time a high pressure of, for example, 10 bar or more can be built.
  • the device has a water reservoir 5 and an adjoining supply line 2.
  • the supply line 2 is connected at one end to the water reservoir 5, in which water is located, and at the opposite end to the combustion chamber 1.
  • an unillustrated conveyor is provided, with which water can be transported with simultaneous pressurization and without admixtures of fuels or the like through the supply line 2 to the projecting into the combustion chamber 1 end of the supply line 2.
  • the feed line 2 has an end nozzle 3 in the region projecting into the combustion chamber 1.
  • at least one heating device 6 is provided, with which water, which is transported through the supply line 2, can be heated. As shown schematically in FIG. 1, various heating devices 6 may be provided.
  • the supply line 2 is formed as a cylindrical tube and the heater 6 is arranged around the supply line 2, for example in the form of a heating coil, although other means for heating the water in the supply line 2 may be provided, for example a heat exchanger and / or a gas burner.
  • the supply line 2, like the nozzle 3, is preferably formed from a steel.
  • An inventive method which is used in a device of the type shown above, operates according to the apparent in Fig. 2 principle.
  • the water during or before the promotion by the supply line 2 to a first pressure p1 and z. B. is brought by means of the heater 6 to a first temperature T1
  • the first pressure p1 is above a second pressure p2, which is given in the combustion chamber 1.
  • the first temperature T1 is above a boiling temperature TS2 at the second pressure p2.
  • the first temperature T1 is preferably kept just below a boiling temperature TS 1 at the first pressure p1 or the water is preferably heated in the supply line 2 to this temperature.
  • Fig. 1 expediently not shown pressure or temperature sensors, with which Pressures and temperatures are measured, with sensor data thus obtained being used to control the conveying means and the heating device 6.
  • the size increases the already large bubbles 8 to even larger bubbles 9, since the water is now above a boiling point in relation to the pressure and temperature conditions in the combustion chamber 1.
  • T2 stands in Fig. 3 for a temperature in the combustion chamber 1, which is below the boiling temperature TS2 at the second pressure p2, but in use can also be significantly higher.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Wasser in einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum, insbesondere eine Brennkammer (1) einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Wasser durch eine Zuleitung (2) mit einem ersten Druck (p1) und einer ersten Temperatur (T1) zu einer Düse (3) geführt und über die Düse (3) in den Raum eingespritzt wird, in welchem ein zweiter Druck (p2) und eine zweite Temperatur (T2) gegeben sind. Um beim Einspritzen Vibrationen des Raumes bzw. der Brennkammer (1) auf ein möglichst geringes Maß zu reduzieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Druck (p1) größer als der zweite Druck (p2) und die erste Temperatur (T1) gleich oder höher als eine Siedetemperatur (TS2) des Wassers beim zweiten Druck (p2) eingestellt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere Verbrennungskraftmaschine, bei welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Anwendung kommt.

Description

VERFAHREN ZUM EINSPRITZEN VON WASSER IN EINEN RAUM UND DANACH
ARBEITENDE VORRICHTUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspritzen von Wasser in einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum, insbesondere eine Brennkammer einer
Verbrennungskraftmaschine, wobei das Wasser durch eine Zuleitung mit einem ersten Druck und einer ersten Temperatur zu einer Düse geführt und über die Düse in den Raum eingespritzt wird, in welchem ein zweiter Druck und eine zweite Temperatur gegeben sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum wie eine Brennkammer, ein Wasserreservoir mit einer Fördereinrichtung sowie eine Zuleitung mit einer Düse, die in den oder im Raum mündet, wobei die Zuleitung mit dem Wasserreservoir in Verbindung steht, sodass durch die Fördereinrichtung Wasser durch die Zuleitung transportierbar und durch eine Öffnung der Düse in den Raum einspritzbar ist.
Bei Verbrennungskraftmaschinen mit Gasturbinen werden in Brennkammern Kraftstoffe verbrannt, um letztlich Energie zu gewinnen. Bei der Verbrennung eines Kraftstoffes tritt häufig das Problem einer Bildung von unerwünschten Stickoxiden auf. Soll eine nachteilige Abfuhr von Stickoxid- bzw. NOx-Emissionen in die Umwelt vermieden werden, so sind Maßnahmen zur Reinigung des Abgases vorzusehen, was allerdings aufwendig ist und zudem einen Betriebsaufwand erhöht.
Man ist daher bestrebt, eine Verbrennung des Kraftstoffes so zu führen, dass NOx- Emissionen möglichst unterbunden werden. Ein diesbezüglicher Ansatz besteht darin, in die Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine zusätzlich Wasser einzuspritzen, was zumindest zu einer deutlichen Reduktion der NOx-Emissionen führen sollte. Eine solche Maßnahme wird nicht nur bei neu zu bauenden Verbrennungskraftmaschinen gegebenenfalls angewendet, sondern insbesondere bei größeren Anlagen auch nachträglich vorgesehen, um gegebene NOx-Emissionen zu verringern. Es wurde allerdings festgestellt, dass bei Einspritzen von Wasser in eine Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine dieselbe einem hohen Verschleiß wie auch einer hohen Korrosionsanfälligkeit unterliegt, was zu einem erhöhten Reparatur- bzw. Serviceaufwand führt, weshalb eine Einsatzzeit und daher eine Produktivität verringert ist. Umfangreiche Untersuchungen haben ergeben, dass der erhöhte Verschleiß und die erhöhte
Korrosionsanfälligkeit mit Vibrationen der Brennkammer im Zusammenhang stehen, die durch die Wassereinspritzung verursacht werden. Die hervorgerufenen Vibrationen der Brennkammer, die in der Fachliteratur auch als Pulsationen oder akustische Schwingungen bezeichnet werden, führen zu zusätzlichen Belastungen derselben im Betrieb, was insbesondere bei großen und daher schweren Anlagen wegen einer Bewegung von großen Massen zu einer signifikanten Mehrbelastung führen kann, die nicht erwünscht ist und die erwähnten Nachteile nach sich zieht.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem bei der Wassereinspritzung Vibrationen des Raumes, in den eingespritzt wird, vermieden oder zumindest verringert sind.
Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher im Einsatz Vibrationen des Raumes, in den eingespritzt wird, vermieden oder zumindest verringert sind.
Die verfahrensmäßige Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art der erste Druck größer als der zweite Druck und die erste Temperatur gleich oder höher als eine Siedetemperatur des Wassers beim zweiten Druck eingestellt wird.
Ein mit einem erfindungsgemäßen Verfahren erzielter Vorteil ist darin zu sehen, dass aufgrund einer Einspritzung von Wasser mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur Vibrationen des abgeschlossenen Raumes, in den das Wasser eingespritzt wird, vermieden oder im Vergleich mit einer Einspritzung von Wasser unterhalb einer Siedetemperatur beim zweiten Druck verringert sind. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass die als nachteilig empfundenen Vibrationen durch eine Wassereinspritzung bei ungünstigen Bedingungen hervorgerufen werden können und erst die erfindungsgemäß vorgesehene Druck- und Temperaturführung zum Ausschluss bzw. zur Verringerung derartiger Vibrationen führt. Darüber hinaus wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine effektive Vernebelung des eingespritzten Wassers im Raum erhalten, da in den Raum eingespritztes Wasser sofort zu sieden beginnt, was in effektiver Weise zu einer Vernebelung bzw. Zerstäubung des eingespritzten Wassers führt.
Damit zugeführtes Wasser während eines Zuführens in der Zuleitung nicht zu sieden beginnt, ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Temperatur kleiner als eine Siedetemperatur beim ersten Druck eingestellt wird. Gleichzeitig ist es jedoch zweckmäßig, dass die erste Temperatur maximal 10 0C unter der Siedetemperatur beim ersten Druck liegt. Damit ist eine effektive Vernebelung bzw. eine dergleichen Zerstäubung beim Eintritt des Wassers in den Raum sichergestellt.
Die zweite Temperatur kann unterhalb der Siedetemperatur des Wassers beim zweiten Druck liegen. Eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur beträgt dann vorzugsweise mehr als 10 0C, insbesondere mehr als 15 0C. Eine derartige Temperaturdifferenz setzt auch ausreichende Drücke bzw. eine entsprechende Druckdifferenz voraus, damit diese Bedingungen eingehalten werden können. Eine Temperaturdifferenz von mehr als 10 0C, insbesondere mehr als 15 0C, zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur erweist sich im Hinblick auf eine Regelbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens von Vorteil. Ist eine Temperaturdifferenz groß genug, so ist es im Einsatz vergleichsweise einfach, diese Bedingungen in der Zuleitung und im Raum aufrechtzuerhalten. In diesem Zusammenhang erweist es sich als zweckmäßig, dass eine Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck zumindest 10 bar, insbesondere zumindest 15 bar, beträgt. Im Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine kann die zweite Temperatur aber auch über der Siedetemperatur des Wassers beim zweiten Druck liegen, wobei in Bezug auf Siedetemperatur beim zweiten Druck die vorstehend erwähnte Temperaturdifferenz mit Vorteil analog eingehalten wird.
Es hat sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn die Zuleitung durch ein zylindrisches Rohr gebildet wird. Insbesondere wenn die erste Temperatur knapp unterhalb der Siedetemperatur beim ersten Druck liegt, kommt es während des Zuleitens von Wasser bereits zur Bildung von kleinen Blasen in der Zuleitung. Ist die Zuleitung komplex ausgebildet, so können sich an geeigneten Positionen die kleinen Blasen zu sehr großen Blasen vereinigen, was nicht gewünscht ist. Durch ein zylindrisches Rohr ist die Gefahr einer Ausbildung von sehr großen Blasen in der Zuleitung zumindest verringert.
Es hat sich des Weiteren als zweckmäßig erwiesen, dass die Düse mit einer vorzugsweise kreisförmigen Öffnung mit einem maximalen Durchmesser von 1 mm oder weniger eingesetzt wird, und zwar aus Gründen einer effektiven Vernebelung bzw. Zerstäubung eingespritzten Wassers.
Die weitere Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher mit der Fördereinrichtung ein erster Druck des Wassers in der Zuleitung einstellbar ist, der über einem zweiten Druck in dem Raum liegt, und eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Zuleitung über eine erste Temperatur erwärmbar ist, die gleich oder höher als eine Siedetemperatur des Wassers beim zweiten Druck und gegebenenfalls höher als eine in dem Raum gegebene Temperatur ist.
Ein mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielter Vorteil ist darin zu sehen, dass ein Einspritzen von Wasser in den Raum wie eine Brennkammer erfolgen kann, ohne dass unerwünschte Vibrationen des Raumes bzw. der Brennkammer auftreten oder derartige Vibrationen im Vergleich mit einer Einspritzung bei niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur zumindest verringert sind. Ein anderer Vorteil ist darin zu sehen, dass bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung das Wasser in den abgeschlossenen Raum fein verteilt eingebracht werden kann. Die erste Temperatur kann dabei höher als eine in dem Raum gegebene Temperatur sein, was jedoch nicht zwingend ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass in der Zuleitung transportiertes Wasser mit der Heizeinrichtung nur auf eine erste Temperatur erwärmbar ist, die kleiner als eine Siedetemperatur beim ersten Druck, jedoch höher als eine Siedetemperatur beim zweiten Druck ist.
Um eine effektive Vernebelung bzw. Zerstäubung von eingespritztem Wasser beim Eintritt in den Raum sicherzustellen, ist in der Zuleitung transportiertes Wasser auf eine erste Temperatur erwärmbar, die maximal 10 °C unter der Siedetemperatur beim ersten Druck liegt. In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, dass mit der Heizeinrichtung eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur oder der Siedetemperatur des Wassers beim zweiten Druck von mehr als 10 0C, insbesondere mehr als 15 0C, einstellbar ist.
Insbesondere für größere Anlagen bzw. Verbrennungskraftmaschinen wie Gasturbinen ist es zweckmäßig, dass eine Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck von zumindest 10 bar, insbesondere zumindest 15 bar, einstellbar ist.
Die Zuleitung kann an sich beliebig ausgebildet sein, bevorzugt ist jedoch eine Ausbildung als zylindrisches Rohr, da in diesem Fall, wenn die Temperatur knapp unterhalb des Siedepunktes beim ersten Druck liegt, eine erwünschte Bildung von kleinen Blasen möglich ist, ohne dass kleine Blasen zu größeren Blasen agglomerieren. Das Rohr ist zweckmäßigerweise von einer elektrischen Heizeinrichtung und/oder einem oder mehreren Gasbrenner und/oder einem oder mehreren Wärmetauschern umgeben.
Die Düse weist bevorzugt eine kreisförmige Öffnung mit einem maximalen Durchmesser von 1 mm oder weniger auf. Auch ein kleiner maximaler Durchmesser der Öffnung kann zu einer effektiven Vernebelung eingespritzten Wassers beitragen, wenngleich diesbezügliche Effekte eher gering sind.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 2 ein Diagramm betreffend eine Siedetemperatur von Wasser in Abhängigkeit von einem Druck;
Fig. 3 Druck- und Temperaturverhältnisse beim Einspritzen von Wasser in einer
Vorrichtung gemäß Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die Teil einer
Verbrennungskraftmaschine sein kann, schematisch näher dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine im Wesentlichen abgeschlossene Brennkammer 1. Im Wesentlichen abgeschlossen bedeutet, dass die Brennkammer 1 grundsätzlich zwar abgeschlossen ist, aber eine oder mehrere Öffnungen zur insbesondere separaten Zuleitung von beispielsweise Kraftstoffen aufweisen kann, wobei jedoch in der Brennkammer 1 gleichzeitig ein hoher Druck von beispielsweise 10 bar oder mehr aufbaubar ist.
Neben der Brennkammer 1 weist die Vorrichtung ein Wasserreservoir 5 sowie eine daran anschließende Zuleitung 2 auf. Die Zuleitung 2 ist an einem Ende mit dem Wasserreservoir 5, in dem sich Wasser befindet, und an dem gegenüberliegenden Ende mit der Brennkammer 1 verbunden. Im Bereich des Wasserreservoirs 5 ist ein nicht dargestelltes Fördermittel vorgesehen, mit welchem Wasser unter gleichzeitiger Druckbeaufschlagung und ohne Beimengungen von Kraftstoffen oder dergleichen durch die Zuleitung 2 zu dem in die Brennkammer 1 einragenden Ende der Zuleitung 2 transportierbar ist. Die Zuleitung 2 weist im in die Brennkammer 1 einragenden Bereich eine endseitige Düse 3 auf. Des Weiteren ist zumindest eine Heizeinrichtung 6 vorgesehen, mit welcher Wasser, das durch die Zuleitung 2 transportiert wird, erwärmbar ist. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, können verschiedene Heizeinrichtungen 6 vorgesehen sein. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Zuleitung 2 als zylindrisches Rohr ausgebildet ist und die Heizeinrichtung 6 um die Zuleitung 2 herum beispielsweise in Form einer Heizspule angeordnet ist, wenngleich auch andere Einrichtungen zur Erwärmung des Wassers in der Zuleitung 2 vorgesehen sein können, beispielsweise ein Wärmetauscher und/oder ein Gasbrenner. Die Zuleitung 2 ist ebenso wie die Düse 3 bevorzugt aus einem Stahl gebildet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren, das bei einer Vorrichtung der vorstehend dargestellten Art zur Anwendung kommt, arbeitet nach dem in Fig. 2 ersichtlichen Prinzip. Aus dem Wasserreservoir 5 stammendes und durch die Zuleitung 2 gefördertes Wasser, das während oder vor der Förderung durch die Zuleitung 2 auf einen ersten Druck p1 und z. B. mittels der Heizeinrichtung 6 auf eine erste Temperatur T1 gebracht wird, wird in die Brennkammer 1 eingespritzt. Der erste Druck p1 liegt über einem zweiten Druck p2, der in der Brennkammer 1 gegeben ist. Des Weiteren liegt die erste Temperatur T1 über einer Siedetemperatur TS2 beim zweiten Druck p2. Die erste Temperatur T1 wird bevorzugt knapp unterhalb einer Siedetemperatur TS 1 beim ersten Druck p1 gehalten bzw. das Wasser wird bevorzugt in der Zuleitung 2 auf diese Temperatur erwärmt. Zur Einstellung der Druck- und Temperaturverhältnisse in der Zuleitung 2 weist die in Fig. 1 zweckmäßigerweise nicht dargestellte Druck- bzw. Temperatursensoren auf, mit welchen Drücke und Temperaturen gemessen werden, wobei so erhaltene Sensordaten zur Regelung des Fördermittels und der Heizeinrichtung 6 herangezogen werden.
Die Erwärmung des Wassers z. B. in der Zuleitung 2 gemeinsam mit der vorgesehenen Druckbeaufschlagung auf den ersten Druck p1 führt dazu, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, dass sich im in Pfeilrichtung transportierten Wasser ab dem Übergang von der Zuleitung 2 zur Düse 3 kleine Blasen 7 bilden, da in der Düse 3 entsprechend dem Bernoulli-Gesetz im Vergleich mit einem rohrförmigen Abschnitt der Zuleitung 2 ein geringerer Druck vorliegt und sich das Wasser knapp unterhalb der Siedetemperatur TS1 beim ersten Druck p1 befindet. Diese kleinen Blasen 7 wachsen entlang der Düse 3 zur Brennkammer 1 hin betrachtet zu größeren Blasen 8 an, und zwar infolge eines weiter verringerten Druckes in der Düse 3. Wenn das Wasser durch eine Öffnung 4 der Düse 3 in die Brennkammer 1 austritt, vergrößern sich die bereits großen Blasen 8 zu noch größeren Blasen 9, da sich das Wasser nun oberhalb einer Siedetemperatur in Bezug auf die Druck- und Temperaturverhältnisse in der Brennkammer 1 befindet. Sobald eine der noch größeren Blasen 9 auf eine Grenzfläche 10 zwischen dem in die Brennkammer 1 eingetretenen Wasserstrahl und einer Atmosphäre in der Brennkammer 1 trifft, platzt diese auf, was effektiv zur Vernebelung bzw. Zerstäubung des eingetretenen Wasserstrahls beiträgt. T2 steht in Fig. 3 für eine Temperatur in der Brennkammer 1 , die unterhalb der Siedetemperatur TS2 beim zweiten Druck p2 liegt, im Einsatz aber auch deutlich darüber liegen kann.
Versuche in weiten Druck- und Temperaturbereichen haben ergeben, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowohl bei niedrigen Drücken und niedrigen Temperaturen, also knapp oberhalb Normalbedingungen, wie auch bei sehr hohen Drücken von mehr als 15 bar und Temperaturen von mehr als 170 0C anwendbar ist, wobei in allen Fällen eine effektive Vernebelung von eingespritztem Wasser feststellbar war. Des Weiteren wurde in Versuchen festgestellt, was noch wichtiger ist, dass Vibrationen der Brennkammer 1 wesentlich reduziert werden konnten, wobei abnehmende Vibrationen mit zunehmender Temperatur und insbesondere beste Ergebnisse dann erzielt wurden, wenn eine erste Temperatur T1 knapp unterhalb einer Siedetemperatur TS1 beim ersten Druck p1 lag.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Einspritzen von Wasser in einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum, insbesondere eine Brennkammer (1) einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Wasser durch eine Zuleitung (2) mit einem ersten Druck (p1) und einer ersten Temperatur (T1) zu einer Düse (3) geführt und über die Düse (3) in den Raum eingespritzt wird, in welchem ein zweiter Druck (p2) und eine zweite Temperatur (T2) gegeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck (p1) größer als der zweite Druck (p2) und die erste Temperatur (T1) gleich oder höher als eine Siedetemperatur (TS2) des Wassers beim zweiten Druck (p2) eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (T1) kleiner als eine Siedetemperatur (TS1) beim ersten Druck (p1) eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Temperatur (T1) maximal 10 0C unter der Siedetemperatur (TS1) beim ersten Druck (p1) liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2) oder der Siedetemperatur (TS2) des Wassers beim zweiten Druck (p2) mehr als 10 0C, insbesondere mehr als 15 0C, beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz zwischen dem ersten Druck (p1) und dem zweiten Druck (p2) zumindest 10 bar, insbesondere zumindest 15 bar, beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung durch ein zylindrisches Rohr gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) mit einer vorzugsweise kreisförmigen Öffnung (4) mit einem maximalen Durchmesser von 1 mm oder weniger eingesetzt wird.
8. Vorrichtung, insbesondere Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen im Wesentlichen abgeschlossenen Raum wie eine Brennkammer (1), ein Wasserreservoir (5) mit einer Fördereinrichtung sowie eine Zuleitung (2) mit einer Düse (3), die in den oder im Raum mündet, wobei die Zuleitung (2) mit dem Wasserreservoir (5) in Verbindung steht, sodass durch die Fördereinrichtung Wasser durch die Zuleitung (2) transportierbar und durch eine Öffnung (4) der Düse (3) in den Raum einspritzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Fördereinrichtung ein erster Druck (p1 ) des Wassers in der Zuleitung (2) einstellbar ist, der über einem zweiten Druck (p2) in dem Raum liegt, und eine Heizeinrichtung (6) vorgesehen ist, mit welcher die Zuleitung (2) über eine erste Temperatur (T1) erwärmbar ist, die gleich oder höher als eine Siedetemperatur (TS2) des Wassers beim zweiten Druck (p2) und gegebenenfalls höher als eine in dem Raum gegebene Temperatur (T2) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (2) transportiertes Wasser mit der Heizeinrichtung (6) nur auf eine erste Temperatur (T1 ) erwärmbar ist, die kleiner als eine Siedetemperatur (TS1) beim ersten Druck (p1), jedoch höher als eine Siedetemperatur (TS2) beim zweiten Druck (p2) ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (2) transportiertes Wasser auf eine erste Temperatur (T1 ) erwärmbar ist, die maximal
10 0C unter der Siedetemperatur (TS1) beim ersten Druck (p1) liegt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Heizeinrichtung (6) eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Temperatur (T1) und der zweiten Temperatur (T2) oder der Siedetemperatur (TS2) des Wassers beim zweiten Druck (p2) von mehr als 10 0C, insbesondere mehr als 15 0C, einstellbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck (p1) und dem zweiten Druck (p2) von zumindest 10 bar, insbesondere zumindest 15 bar, einstellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (2) als zylindrisches Rohr ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr von der Heizeinrichtung (6) umgeben ist und die Heizeinrichtung (6) eine elektrische Heizeinrichtung (6) und/oder einen oder mehrere Gasbrenner und/oder einen oder mehrere Wärmetauscher umfasst.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) eine vorzugsweise kreisförmige Öffnung (4) mit einem maximalen Durchmesser von 1 mm oder weniger aufweist.
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