WO2023016984A2 - Method for the switching or alternating operation of diesel engines with diesel fuel or a diesel-fuel-and-water emulsion - Google Patents

Method for the switching or alternating operation of diesel engines with diesel fuel or a diesel-fuel-and-water emulsion Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for switchover or alternating operation of diesel engines, in particular for switchover operation of ship engines, the diesel engine being operated in diesel fuel mode by injecting pure diesel fuel into a combustion chamber of the diesel engine or in emulsion mode by injecting a diesel fuel-water emulsion , in particular as a function of the engine load of the diesel engine and/or the engine output, in particular as a retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with pure diesel fuel to switchover operation with diesel fuel or with a diesel fuel/water solution -Emulsion.
  • the present invention relates to an emulsion circulation system for a diesel engine system, in particular a ship engine system, in particular for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with diesel fuel to switchover operation between diesel fuel operation by injecting pure diesel fuel into a combustion chamber of the diesel engine and emulsion operation by injecting a diesel fuel-water emulsion, in particular for diesel fuel operation or for emulsion operation depending on the engine load of the diesel engine and/or the engine power.
  • the invention further relates to a retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with diesel fuel to switchover operation of a diesel engine of the diesel engine system with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion.
  • the present invention relates to an injection pump for a diesel engine of a diesel engine system and a diesel engine system with a diesel engine and with an emulsion circulation system and/or with an injection pump.
  • diesel engines For the operation of stationary systems, for example for power generation, and the propulsion of ships, for example, for economic reasons mainly used diesel engines.
  • the excellent economy of diesel engines is based on their typically very good level of efficiency and their high level of reliability. These advantages contribute significantly to the relatively low operating costs and low total costs over the entire engine life.
  • Suitable methods for supplying the water into the combustion chamber of the diesel engine are water injection to humidify the intake air, stratified and direct water injection, and injection of a diesel/water emulsion.
  • Intake air humidification is a simple water injection system.
  • the water can be injected into the intake system before and after a turbocharger or after an intercooler.
  • the evaporation of the water causes the air sucked into the cylinders to cool, with the thermodynamic efficiency of the cooling decisively depending on the temperature level of the intake air.
  • some of the water injected into the cylinder will reach the cylinder in liquid form and only lead to a reduction in the charge temperature there.
  • the reduction in nitrogen oxide emissions is then essentially achieved through the lower temperature of the cylinder charge, with a noticeable reduction in NOx emissions only occurring with a relatively high use of water.
  • the water introduced into the intake system and at least partially evaporated partially displaces the intake air and thus the oxygen required for combustion, so that the local combustion air ratio decreases, particularly in the area of higher engine loads, and thus an increase in soot and particle emissions .
  • intake air humidification is out of the question as the sole method of reducing emissions.
  • Direct water injection takes place using an additional injector integrated in the cylinder head, through which water is injected into the combustion chamber.
  • an additional injector integrated in the cylinder head
  • water injection quantities and pressure as well as the timing of the water injection can be freely selected.
  • the disadvantage is the increased expense for a water injection system and the installation space for the additional injector, which is usually not available in series diesel engines with four-valve technology.
  • Stratified water injection is a form of direct injection of diesel fuel and water through a common injector. Stratification can be in the injector or but already take place in the injection system before the injector. The ratio of water and diesel fuel can be quickly adjusted to the engine requirements.
  • the stratified water injection as well as the direct injection of water require a considerable need for adaptation of the engine and injection systems and are therefore less suitable for retrofitting, in particular of ship and stationary engines.
  • emulsion injection an emulsion of diesel fuel and water is injected into the combustion chamber via the injector in the engine's cylinder head.
  • the injection pump designed for diesel operation is generally used here. This means that a costly modification of the cylinder head and, if necessary, a more complex injection system, as in the case of stratified water injection, or the use of an additionally required high-pressure water injection, as in the case of direct water injection, can be dispensed with.
  • a fuel-water emulsion that has a sufficiently homogeneous distribution of the water in the diesel fuel.
  • Emulsions of diesel fuel and water consist of two components that are insoluble in one another. Water forms the disperse phase and is present as droplets in a diesel phase. The water droplets present in the emulsion have a strong tendency to irreversibly coalesce, resulting in high thermodynamic instability of the diesel-water emulsion.
  • One way to form a stable emulsion of diesel fuel and water is to use emulsifiers, which allow coalescence and aggregation of the water droplets in the mixture, at least over longer periods of time, for example when storing a ready-made emulsion.
  • emulsifiers which allow coalescence and aggregation of the water droplets in the mixture, at least over longer periods of time, for example when storing a ready-made emulsion.
  • a higher emulsifier consumption must also be taken into account, which leads to high operating costs.
  • Another advantageous variant of emulsion injection consists in producing the diesel fuel-water emulsion in the vicinity of the diesel engine, for example on board a ship (on-board), and then within a short period of time, during which the water droplets have not yet coalesced, or to the injection pumps.
  • the use of an emulsifier to stabilize the emulsion can be completely dispensed with.
  • one Adaptation of the water content in the emulsion to the respective operating conditions of the engine is relatively easy to implement.
  • the very favorable influence of the diesel-water emulsions on the soot and nitrogen oxide emission behavior can essentially be attributed to the fact that the higher heat of vaporization of the water in conjunction with an increased proportion of inert gas in the form of water vapor leads to reduced combustion chamber temperatures. Since the mixture formation processes that take place in the cylinder, such as the evaporation of fuel droplets and the chemical pre-reactions, are highly temperature-dependent, a reduced charge temperature leads to a slowdown in the mixture formation processes and thus to a longer ignition delay, namely the time interval between the start of fuel injection and the start of combustion.
  • a longer ignition delay means that a longer period of time is available for the mixing and preparation of the injected emulsion fuel with the combustion air in the cylinder, which means that a larger proportion of ignitable prepared fuel-air mixture is present at the beginning of the combustion process.
  • this "premixed mixture” is burned, there is a significantly lower soot concentration due to the lower proportion of over-enriched mixture zones.
  • the further diffusion-controlled combustion process due to the OH radicals formed in emulsion operation through dissociation of the water molecules, there is also an improved post-oxidation of the soot produced, so that overall there is a significantly reduced soot emission.
  • the lengthening of the ignition delay in emulsion operation at the beginning of combustion also leads to a larger proportion of ignitable prepared mixture with correspondingly higher fuel conversion rates in the first phase of the Combustion and thus to an overall favorable reduction in the overall duration of the combustion process for the thermodynamic process efficiency.
  • An important prerequisite for using the full emission reduction potential of diesel-water emulsion injection is to control the water content in the emulsion depending on the operating point in such a way that the greatest possible reduction in soot and NOx emissions is achieved with a thermodynamically favorable combustion process at the same time.
  • the emulsion can contain a larger proportion of water in order to achieve a significant reduction in NOx and particle emissions. With a water content of 50% to more than 60%, NOx reductions of more than 50% can be achieved with only slight reductions in consumption.
  • DE 44 12965 A1 discloses a method and a device for operating a diesel engine with a diesel fuel-water emulsion to reduce nitrogen oxide and soot emissions. With increasing water content, an increasing reduction in nitrogen oxide and soot emissions is achieved. At low engine loads, however, increased hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions occur as a result of deteriorated combustion, so that the higher water content in the emulsion, which is advantageous for high engine loads, must be reduced in the low-load range.
  • An emulsion supply system is therefore proposed that allows the water content in the emulsion to be adjusted to the engine operating range.
  • the generation of the emulsion before the injection pump of the diesel engine leads to a sluggish response, e.g. due to the storage of an emulsion in the emulsifying device and the transport lines, so that the emulsion does not have the desired optimum water content when the engine load changes.
  • water is injected under pressure into a mixing chamber in a ratio specified by a control unit and mixed with diesel fuel.
  • the mixing chamber is in a "recirculation system" to supply the engine injection pump and return of excess fuel to the mixing chamber. Due to a relatively large storage volume, this type of emulsifying system has a relatively high responsiveness to changes in the water content in the emulsion. Therefore, according to DE 44 129 65 A1, an additional reservoir divided by a membrane is introduced, in which diesel fuel and emulsion fuel are temporarily stored separately. With the stored diesel fuel, the injection pump can then be flushed when the load is reduced by appropriately switched valves, thus achieving rapid displacement of the emulsion.
  • the stored emulsion can reduce the proportion of diesel in the injection pump and thus quickly switch to emulsion operation with a higher proportion of water.
  • This emulsification supply system also allows switching to pure diesel operation by displacing the emulsion fuel from the injection pump.
  • EP 0 742 363 B1 discloses a method for mixing and pumping diesel fuel-water emulsions, which is designed for use, for example, in large ship diesel engines.
  • the aim of this process is to reduce nitrogen oxide and soot emissions as cost-effectively as possible using the existing fuel injection system, which is designed for diesel operation.
  • the emulsion supply system consists of a diesel pump and a water pump for dosing the water content in the emulsion, which is then formed in an emulsification plant, depending on the operating point. This emulsion is then fed through a delivery line to the injection pumps of the diesel engine.
  • an increase in the emulsion throughput in the injection pumps is proposed to improve the control behavior.
  • the excess quantity that is then not injected is fed back into a separation plant, in which the emulsion fuel is separated again into the components diesel fuel and water and stored in buffer tanks.
  • the amount of fuel and water that is used is fed from the storage tanks into the buffer tanks, from which diesel fuel and water are then fed to the dosing system.
  • the known method for operating the diesel engine with an emulsion fuel is based on utilizing the maximum delivery capacity of the injection pumps designed for diesel fuel operation.
  • the lower fuel requirement of the engine in the lower load range and the resulting overcapacity of the injection pumps allows the water content in the emulsion to be increased up to the limit of the pumps' delivery capacity. Accordingly, the engine performance is determined at least in the lower load range by the water content in the emulsion fuel.
  • This proposed method for operation with emulsion fuels requires complex engine control to avoid excessive water content in the emulsion and for load control.
  • the water content in the low load range must be adjusted so that the ignition delay does not become too long, which would result in excessive pollutant emissions from incomplete combustion.
  • the water content in the emulsion is too low.
  • this well-known concept does not achieve the emission-reducing potential of fuel-water injection. Taking into account the area of application for large engines, the proposed emulsion process could only be used in conjunction with other exhaust gas aftertreatment processes for a sufficient reduction in nitrogen oxides.
  • Document EP 2 772 640 A1 discloses a method for switching or alternating operation of diesel engines, with the diesel engine in diesel fuel operation by injecting a pure diesel fuel into a combustion chamber of the diesel engine or in emulsion operation by injecting a diesel fuel-water emulsion is operated.
  • There is an emulsion circulation system for a diesel fuel-water emulsion provided that a metering unit for metering emulsifying water and diesel fuel in the emulsion circulation system and an emulsifying unit for emulsifying emulsifying water and Has diesel fuel.
  • a switching device for operating the diesel engine with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion is provided, with emulsion operation taking a diesel fuel-water emulsion from a circulation line of the emulsion circulation system via at least one extraction point and feeding it to an injection pump of the diesel engine.
  • DE 338 449 A discloses a method for operating ship and boat engines with direct water injection, the heat of the combustion products being used to distill sea water and the distilled sea water being used as injection water for the engine.
  • DE 10 2019 209 639 A1 discloses a component for an injector for fuel and/or water injection in Otto engines, which has a metallic base material and a coating arranged at least in sections on the base material, the coating comprising at least one oxide of at least one valve metal or wherein the coating is a ceramic coating.
  • DE 10 2010 003 886 A1 relates to a high-pressure pump with a pump assembly and a drive shaft, which has at least one cam assigned to the pump assembly.
  • the pump assembly includes a roller running on a running surface of the cam and a roller shoe that receives the roller.
  • At least one anti-corrosion layer is provided on the roller, the roller shoe or the cam. This can prevent vibration cracking corrosion from occurring during operation, which can lead to breakouts near the surface under load and consequently to failure of the high-pressure pump.
  • the object of the present invention is to provide a method for switchover operation of a diesel engine and an emulsion circulation system for diesel engine systems, in particular for ship engine systems, which compared to the prior art improve the operation of diesel engines with pure diesel fuel in diesel fuel operation or allow with diesel fuel-water emulsions in an emulsion operation and in particular a simplified and inexpensive retrofitting and / or conversion of existing diesel engine systems, especially ship engine systems, for optional Enable operation with diesel fuel or with diesel fuel-water emulsions.
  • the object of the present invention is, in particular, to specify an emulsion injection method that is particularly suitable for retrofitting and/or converting larger diesel engines and a correspondingly designed and set up, in particular retrofitted and/or converted, diesel engine system that allows diesel engines with a Operating point adjustable composition of a fuel-water emulsion to operate with high efficiency and disadvantages of performance at higher, required for improved exhaust emission behavior, to avoid or at least reduce water content in the emulsion.
  • the disadvantages of an injection system tailored to large injection quantities for alternating operation with pure diesel fuel or with diesel fuel-water emulsions are to be avoided.
  • Another object of the present invention is to provide an injection pump for diesel engines of a diesel engine system and a diesel engine system that enable simplified and economical diesel fuel operation or emulsion operation of the diesel engine.
  • the invention provides an emulsion circulation system for a diesel fuel-water emulsion in a method for switching or alternating operation of diesel engines of the type mentioned at the outset.
  • the emulsion circulation system can be used when retrofitting or converting a diesel engine system that is designed and set up for operation with pure diesel fuel, or also when a new diesel engine system is installed be integrated into the system periphery.
  • the emulsion circulation system has a metering unit for metering emulsification water and diesel fuel into the emulsion circulation system and an emulsification unit for emulsifying emulsification water and diesel fuel.
  • a PLC-based controller can be provided to control the dosing unit and/or the emulsifying unit.
  • the emulsion circulation system also has at least one switchover device, in particular designed as a valve device, more particularly as a switchover valve, for operating the diesel engine with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion in particular as a function of load and/or power.
  • a diesel fuel-water emulsion is taken from a circulating line of the emulsion circulating system via at least one extraction point and fed to an injection pump of the diesel engine.
  • the diesel fuel-water emulsion is fed into the circulating line of the emulsifying unit at a constant flow rate during emulsion operation.
  • volume compensation of the emulsion circulation system is carried out according to the invention in emulsion operation taken and supplied to the injection pump by metering in diesel fuel and/or by metering in a regulated quantity of emulsifying water into the emulsion circulation system, so that in emulsion operation the diesel fuel-water emulsion is fed at a constant flow rate in the circulation line of the emulsifying unit.
  • the volume compensation preferably takes place continuously.
  • an automatic volume compensation is provided by controlled dosing of water and/or diesel fuel, which can preferably be added via the dosing unit.
  • it can also be supplied via a storage device in which a diesel fuel/water emulsion with a specific composition is stored.
  • the emulsion circulation system forms a closed system, with diesel fuel and/or emulsifying water and/or a diesel fuel-water emulsion being fed back into the emulsion circulation system to ensure constant volume between the dosing unit and emulsifying unit. In this way, the emulsion losses occurring in emulsion operation due to the removal of emulsion from the emulsion circulation system can be compensated.
  • the flow rate of the diesel fuel-water emulsion in the circulating line is preferably kept constant by volume equalization in the line section from the dosing unit to the emulsifying unit, in particular to the extraction point.
  • a "constant" flow rate within the meaning of the invention is related to the line cross-section at the respective location of the circulating line. According to the invention, the flow rate can change when the line cross-section changes in the circulation line. At the respective location of the circulating line, i.e.
  • the flow rate in emulsion operation remains constant due to the volume compensation described, with a decrease in flow rate due to the emulsion removal from the circulating system of the order of less than 10%, preferably less than 5%, can fall under the term "constant flow rate".
  • the flow velocity and/or the pressure in the circulating line can be measured at at least one point in the circulating line, preferably at different points. If there is a (slight) decrease in flow velocity and/or line pressure due to the removal of the emulsion from the circulating line, this can automatically lead to diesel fuel and/or emulsifying water being fed into the circulating line via the dosing unit. Following the law of communicating tubes, backfeed can occur simply due to a decrease in the line pressure in the circulation line.
  • diesel fuel and/or emulsifying water can be pumped out of the fuel supply line or the water supply line simply because of the existing differential pressure between the circulating line and the fuel supply line or the water supply line. In particular, no pump is required to establish the volume compensation.
  • the volume equalization ensures a constant inflow speed of the emulsifying unit.
  • a constant flow rate of the diesel fuel-water emulsion in the circulation line from the dosing unit to the emulsifying unit, in particular to the extraction point of at least 2.0 m/s, preferably at least 2.5 m/s, more preferably at least 3 .0 m/s to 5.0 m/s.
  • a volume flow of a diesel fuel-water emulsion can be provided or adjusted in the circulation line from the dosing unit to the emulsifying unit, in particular up to the extraction point, which is at least 1.5 times the volume flow, preferably at least twice the more preferably at least 2.5 times to at least 3 times or more, at maximum emulsion removal or the maximum engine consumption in emulsion operation.
  • the flow rate of the emulsion in the circulation line of the circulation system is preferably kept constant, at least from the dosing unit to the emulsifying unit and beyond to the extraction point(s) of the injection pump, which is achieved in particular by the above-described volume or quantity equalization of the emulsion circulation system in Emulsion mode extracted diesel fuel water emulsion can be achieved by supplying fuel and / or emulsifying water via the metering unit.
  • a constant inflow velocity can be set or guaranteed in the emulsion circulation system upstream of the emulsifying unit, independently of the emulsion removal by the diesel engine.
  • the constant inflow speed allows the advantageous use of very robust and maintenance-free working mechanical mixers.
  • the energy required for the mixing process can be provided by the kinetic energy of the flow.
  • the inventive method can in this Connection provide a preferably only fluidic emulsification of fuel and emulsifying water in a mechanical mixer.
  • the emulsifying unit of the dosing and emulsifying device of the emissions circulation system according to the invention has at least one mechanical mixer or exclusively mechanical mixers for the emulsification. It is expedient if the mixer is arranged downstream of the dosing unit, in particular downstream of a circulation pump of the emulsion circulation system.
  • the constant flow conditions mean that the mixer design can be optimally adjusted for uniformly good comminution and homogenization of the water droplets present in the raw emulsion at the mixer inlet.
  • emulsifying devices that require the supply of external energy can also be used. If, instead of a mechanical mixer, emulsifying devices that are largely insensitive to the inflow velocity, such as rotor, stator and/or high-pressure emulsifying devices, are used, in which the energy required for emulsification is not supplied or is not supplied solely via the flow energy of the material flow to be mixed , the excess emulsion quantity in the circulation system can be reduced or adjusted to the emulsion consumption.
  • the high flow rate to the injection pumps required for low transport delay must be maintained by appropriate design of the pipe cross-sections.
  • the emulsion circulation system has, in particular, a circulation line designed as a ring line or as a circulation line, in which the dosing unit, the emulsifying unit and the switching device and, preferably, a circulation pump are fluidically integrated and in which a diesel fuel-water emulsion circulates in emulsion mode.
  • a "constant" flow rate of the diesel fuel-water emulsion in the circulating line should preferably also be present within the meaning of the invention if there are changes in the flow rate of less than +/- 10 percent, preferably less than +/- 5 percent, more preferably less than 2%, comm.
  • Appropriate switchover valves can be used to switch quickly, cylinder by cylinder, between the fuel supply to the injection pump from the emulsion circulation system and a fuel supply line for pure diesel operation.
  • the changeover can also be achieved by a centrally arranged changeover valve in conjunction with non-return valves on the injection pumps.
  • a correspondingly designed and set up emulsion circulation system for diesel engine systems, in particular ship engine systems has a dosing and emulsifying device with a dosing and premixing unit, preferably a circulating pump, and an emulsifying unit downstream of the dosing unit.
  • diesel fuel and/or emulsifying water is metered in at a required fuel-water ratio, in particular in accordance with the set engine load and/or the engine output.
  • the supply of an injection pump or several injection pumps of the diesel engine with pure diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion takes place via the switching device using a valve device via one or more tapping points in the emulsion circulation system.
  • the extraction can take place via at least one valve which connects a circulating line of the circulating system to an injection pump or also to several injection pumps and via which the diesel fuel-water emulsion is fed to the injection pump or injection pumps.
  • the switchover device preferably has at least one switchover valve that can be connected or switched to a circulation line of the circulation system or a diesel fuel supply line, depending on the operation. In emulsion operation, a diesel fuel-water emulsion can then be taken from the circulation line via the switching valve and fed to the injection pump, while in diesel fuel operation, pure diesel fuel is taken from the diesel fuel supply line and pure diesel fuel is fed to the injection pump.
  • pure diesel fuel or “diesel fuel on its own is to be understood as non-water-enriched diesel fuel, in particular to be understood as fuel that is not present in the form of a diesel fuel-water emulsion.
  • a modular emulsion circulation system that has a dosing and emulsifying device integrated therein.
  • the emulsion circulation system according to the invention advantageously consists of individual modules adapted to the emulsion consumption of the engine, which are adapted to the small space available in ships.
  • the dosing and emulsifying device is set up or designed to produce an emulsion fuel with variable water proportions and allows a set water proportion of the emulsion to be changed when the load or performance of the diesel engine changes with a slight time delay.
  • the emulsion circulation system according to the invention has a switching system with at least one switching device, so that load- and/or output-dependent operation of the diesel engine with diesel fuel or with emulsion is made possible.
  • the injection of emulsion fuels with correspondingly high water contents of at least 45 to 50% or more may be possible, in particular with an intended increase in the delivery capacity of the injection pump(s) of the injection system compared to the delivery capacity of injection pumps designed for pure diesel operation.
  • the emulsion circulation system has, at least in a line section of a circulation line in which a fuel-water emulsion is conducted from the metering unit to the engine during emulsion operation, at least after the metering unit and a (changeover) valve of the circulation line, an area with a high flow rate of the pumped Emulsion to ensure rapid emulsion transport to the diesel engine injection pump.
  • the required relatively high transport speed of the emulsion can be achieved by a high, constant flow rate of a circulating pump of the emulsion circulating system in conjunction with appropriately designed pipe cross-sections.
  • the quantity of emulsion not consumed by the diesel engine can remain in the circulation system, so that an emulsion admission pressure required for filling the pump elements of the injection pumps is obtained via an overflow regulator or a pressure control valve.
  • the volume content of the emulsion circulation system is preferably kept constant.
  • a preferably continuous equalization of the diesel fuel-water emulsion taken from the emulsion circulation system in emulsion operation and fed to the injection pump(s) can be achieved by metering diesel fuel and/or by metering a controlled amount of emulsifying water into the emulsion circulation system via the Dosing unit may be provided, wherein the regulation of the amount of emulsifying water can take place according to a diesel fuel/emulsifying water ratio predetermined by the load point and/or the power of the diesel engine.
  • a correspondingly designed and set up measuring, control and/or regulating device can be provided.
  • the amount of emulsifying water, which is supplied via the dosing unit to compensate for the diesel fuel-water emulsion taken from the emulsion circulation system in emulsion operation and fed to the injection pump(s), depends on the performance-related diesel fuel consumption and, on the other hand, corresponds to the amount required for an optimal reduction of the soot and nitrogen oxide emissions for the respective operating point required water proportion.
  • the water content can be precisely controlled by comparing measured volume flows of diesel fuel and water supplied via the metering unit with the target values for the water content stored in an electronic control unit, for example in an engine load/speed map.
  • the map operating points can be defined either, as with directly driven ship propellers, according to the propeller performance curve only by the engine speed or, in simplified form, by the measured diesel fuel volume flow or by a combination of engine speed and engine load or fuel delivery quantity of the injection pumps.
  • the proposed dosing concept can be used particularly advantageously when retrofitting diesel engines if, for example, the existing diesel supply system continues to be used and therefore no additional diesel pre-supply pump and no additional dosing pump for the emulsion water are required.
  • the engine at operating temperature is generally operated with a composition of the water-diesel emulsion that is adapted to the load condition.
  • a composition of the water-diesel emulsion that is adapted to the load condition.
  • the greatest possible reduction in NOx and soot emissions is sought through a high water content in the emulsion of at least 40% to 50% or more.
  • the upper limit of the water content is essentially given by a delayed combustion process with a corresponding deterioration in the thermal efficiency as well as increasing carbon monoxide and soot emissions.
  • the water content in the emulsion fuel is increased via the dosing unit, with which an additional amount of water is added to the emulsion in the circulation system.
  • This emulsion formed with a higher proportion of water reaches the injection pumps of the engine after a short time delay due to the high transport speed provided according to the invention in the circulating system. In this way, good transient behavior of the diesel engine with regard to exhaust emissions can be achieved, for example in ship operation.
  • an emulsion with too high a water content for the lower load point can be present in the circulation system.
  • the emulsion in the circulation system which still has a higher water content corresponding to the previous higher load point, can be mixed with the dosing unit, based on the supplied diesel fuel, lower water content are added.
  • Diesel fuel can be taken from a diesel tank with a fuel pump and fed to the metering unit with a constant admission pressure of the fuel pump via a fuel supply line.
  • the diesel fuel can be metered into a circulating line of the emulsion circulating system, the circulating line being connected to the fuel supply line. If the pressure in the circulating line before the dosing unit drops due to the volume being removed via the engine's injection pump, diesel fuel can flow out of the fuel supply line simply because of the differential pressure between the circulation line and the fuel supply line are replenished.
  • no pump is required to meter diesel fuel from the fuel supply line into the circulation line.
  • a regulated supply of emulsifying water into the circulating line increases the line pressure so that correspondingly less diesel fuel is replenished. If no emulsifying water is pumped into the emulsion circulation system, only diesel fuel is preferably supplied.
  • the emulsion circulation system according to the invention can provide that a diesel fuel supply line connected to a diesel tank opens into a circulation line of the emulsion circulation system and that automatic metering of diesel fuel into the circulation line is preferably only based on the resulting differential pressure between a fuel admission pressure in the diesel fuel supply line and the pressure level in the circulation line he follows.
  • the diesel fuel-water emulsion contained in the emulsion circulation system is preferably completely discharged from the emulsion circulation system and then, more preferably, stored.
  • the complete discharge can affect all emulsion-carrying lines of the emulsion circulation system, at least a ring line with which the fuel is conveyed back from the metering unit to the diesel engine and from the diesel engine in the direction of the metering unit.
  • a switching valve can be used for removal be provided.
  • the emulsion circulation system is supplied with an emulsion adapted to the actual load point and/or the actual performance of the diesel engine by flushing the emulsion circulation system with a diesel fuel-water emulsion with a modified water content or with pure diesel fuel.
  • a diesel fuel-water emulsion with a changed water content can be produced by appropriate dosing of emulsifying water and diesel fuel via the dosing unit and emulsification in the emulsifying unit and fed to the emulsion circulating system, preferably essentially at the same time as the discharge or drainage of a diesel fuel-water emulsion from the emulsion circulating system or pure diesel fuel can be fed to the emulsion circulation system substantially contemporaneously with the discharge.
  • the diesel engine can be supplied with a diesel fuel-water emulsion with a modified water content and adapted to the current load point and/or the current output of the diesel engine, or pure diesel fuel, with the delay in the supply of an adapted diesel fuel Water emulsion and / or pure diesel fuel for diesel engine can be specified essentially only by the transport speed of the emulsion or diesel fuel in the emulsion circulation system.
  • the delay time in an adjustment of the generated diesel fuel-water emulsion or the supply of pure diesel fuel starting at the time of a load point change to the time at which a diesel fuel-water emulsion with the water content adapted to the changed load point is present on the engine and is fed in, less than 10 seconds, preferably less than 6 seconds, more preferably less than 4 seconds, up to less than 1.0 seconds, the delay time depending on the distance from the location at which the diesel fuel-water emulsion is generated, from the installation order of the engine.
  • the smallest possible distance is preferably provided in order to achieve a short delay time.
  • the emulsion contained in the emulsion circulation system is discharged and replaced by an emulsion with a modified water content, which is then fed to the engine.
  • the ejection takes place only in no-load or extremely low-load operation.
  • the discharge of the diesel fuel-water emulsion present in the emulsion circulation system with an unadapted water content and the formation of an emulsion with an adapted water content and supply to the engine or the supply of pure diesel fuel to the engine can preferably take place essentially at the same time.
  • An adjustment of the composition of the diesel fuel-water emulsion in the emulsion circulation system to a changed load point and/or a changed performance of the diesel engine, in particular in the lower and medium speed range, can be particularly preferred by discharging the diesel fuel-water emulsion contained in the emulsion circulation system and preferably forming it at the same time an emulsion with an adjusted water content and supply line to the diesel engine via the emulsion circulation system can be provided if the speed decreases by at least 70 percent to 90 percent compared to the nominal speed of the diesel engine at which the diesel engine achieves maximum power.
  • a fuel-water emulsion with a changed water content corresponding to the changed load point and/or the changed performance of the diesel fuel machine can be produced in the metering and emulsifying device and fed to the emulsion circulation system.
  • the emulsion volume present in a circulation line can be completely discharged and stored in an intermediate emulsion storage tank or emulsion collection tank, while at the same time the diesel-water emulsion corresponding to the load point or the engine line is made available by the metering unit and reaches the motor at high transport speed.
  • the time delay with which the respective emulsion reaches the engine is the same at high and also very low engine loads and only depends on the transport speed in the emulsion circulation system. If the emulsion volume from the emulsion circulation system is completely fed into the emulsion collection tank and the emulsifying water supply to the dosing unit is interrupted at the same time, the discharged circulation volume can also be completely replaced with pure diesel fuel. As a result, emulsion operation can be ended very quickly and converted to diesel operation. In addition, it prevents water residues from remaining in the emulsion-carrying lines and the injection system, which means that the engine can be started up again without any problems even if the engine has been idle for a long time.
  • the emulsifying circulating system can provide a device for rinsing the circulating system using a switching valve and for filling an emulsion collection container with level monitoring.
  • the flushing process can be monitored by a flow meter and the flushing process is preferably continued until the entire volume of the circulating system has been flushed into the collection container.
  • the volume of the collection container can be measured in such a way that, for example, five or more, further for example ten, consecutive flushing processes are possible.
  • a device for metering back the contents of the collection container into the circulating system can only be provided when the emulsion is in operation.
  • the emulsion circulation system according to the invention can have a control and/or regulating device for controlling and/or regulating the metering of diesel fuel and/or emulsifying water into the emulsion circulation system depending on the diesel fuel-water emulsion taken from the emulsion circulation system in emulsion operation.
  • the emulsion circulation system according to the invention can provide an emulsion collection container or buffer and a measuring, control and/or regulating device with which the filling and/or emptying of the emulsion collection container is carried out as a function of fill level measurements in the container and/or flow measurements in a circulation line of the emulsion circulation system is controlled and/or regulated.
  • An expedient development of the method according to the invention can provide for the diesel fuel-water emulsion discharged from the emulsion circulation system to be stored and for the stored diesel fuel-water emulsion to be fed back into the emulsion circulation system with a time delay, with the feed-back preferably being carried out using a volumetric Consumption of the diesel engine related volume flow of 2.5% to 15%, preferably from 5% to 10%.
  • the storage contents are then preferably continuously removed from the collection tank during emulsion operation of the diesel engine, for example by a metering pump, and can, preferably, be pumped into the water inlet of the metering unit.
  • River water, brackish water or sea water can be used as emulsifying water, in particular with river water, brackish water or sea water being treated before use, in particular desalinated, further in particular using a reverse osmosis process, with the treated river water, brackish water or sea water being stored and/or with river water , brackish water or seawater is taken from the environment during operation of the diesel engine and processed "on board" and/or as required.
  • a diesel engine system according to the invention can have a water treatment system. Desalination can preferably be carried out using a reverse osmosis system which, in contrast to ion exchangers, does not require any auxiliary substances such as salts or bases.
  • the membranes of the reverse osmosis system can be adapted to the salt content of the raw water. This enables system operation, for example in the area of use of a ship in river water, brackish water or sea water, or even blue water.
  • a correspondingly designed measuring, control and/or regulating device can be provided, for example a PLC-based controller.
  • Another possibility for the targeted lowering of the charge temperatures and thus in particular for the reduction of nitrogen oxides is to supply water to the engine's intake system.
  • Known methods use the heat of vaporization to reduce the intake air temperature by humidifying the intake air with water injected into the intake system, for example upstream or downstream of the intercooler. Since, in particular, supercharged ship engines with are equipped with at least one charge air cooler that can work with sea or river water as a cooling medium, relatively low charge air temperatures of less than 50 °C are already achieved. Therefore, the temperature reduction that can be achieved through condensation of the injected water is already severely limited in the intake manifold or in the air plenum.
  • a further aspect of the present invention relates to a method for switching operation of a diesel engine, with a direct supply of water being provided adjacent to the combustion chamber or a combustion chamber or cylinder of the diesel engine.
  • the present invention relates to a method in which a direct supply of water into an inlet port of a cylinder head of the diesel engine is provided.
  • the diesel engine can have at least one cylinder head with a valve arrangement having at least one inlet valve, preferably several inlet valves arranged one behind the other in the direction of flow, with water being fed directly into an inlet channel inside the cylinder head.
  • Directly feeding water into the intake port inside the cylinder head directly adjacent to the combustion chamber or a combustion chamber of the diesel engine ensures that the water gets into the combustion chamber during an intake process and evaporates there or very close to the combustion chamber.
  • an intake port injection nozzle can be arranged, which can extend from the outside through the intake port of the intake manifold to the connection level or beyond into the interior of the cylinder head, so that an atomizer nozzle for water injection can be injected directly into the intake port on the Connection level is or in the area of the intake port inside the cylinder head and thus beyond a connection level of the cylinder head for the intake manifold.
  • Clocked water injection is particularly preferred.
  • the droplet size of the water injected can be, for example, between 10 and 100 ⁇ m, based on the Sauter diameter of the droplets.
  • a particularly effective water injection can be achieved when the central axis of the intake port injection nozzle or the main flow direction of the injected water lies on the central axis of the intake port or is arranged centrally to or in the intake port.
  • a control and/or regulation device for the automatic control and/or regulation of the water injection can be provided.
  • the water that is brought in just before the intake valves can get into the cylinder as liquid droplets during the intake process, where it essentially leads to a significant reduction in charge temperatures due to rapid and complete evaporation.
  • the water in the intake port is preferably atomized with a nozzle immediately before it enters the combustion chamber.
  • a reduction in the gas temperatures in the combustion zones of the fuel-air mixture that are relevant for NOx formation is thus also achieved via heat transport processes. Due to the direct cooling of the cylinder charge, a comparatively small amount of water is required for NOx reduction compared to the supply into the intake air plenum further away from the combustion chamber, for example behind the intercooler.
  • the limitation of the injected water quantity is independent of the saturation of the air humidified in the intake manifold and largely only dependent on the influence on the combustion process. Since the method according to the invention can be applied precisely and quickly to an operating point via a map control, there is the advantageous possibility of supplementing the emulsion injection, which has a somewhat slower control behavior.
  • Water is preferably supplied via the intake duct only in the medium load range to the full load range of the diesel engine.
  • the usable speed range of the diesel engine can be, for example, in the range between 600 rpm and 1,000 rpm, with a water supply preferably being provided via the inlet channel only in the speed range between 700 rpm until the rated speed of, for example, 1,000 rpm is reached can be.
  • the medium load range to high load range is a ratio of the amount of water introduced into the intake port to the amount of water supplied to the combustion chamber with the diesel fuel-water emulsion of 0.5 to less than or equal to 1.0, in particular substantially the same amount of water is supplied via the inlet channel and via the emulsion, with, preferably, deviations of +/- 10 percent being tolerable.
  • the ratio of the water quantity supplied via the intake port to the water quantity supplied via the diesel fuel-water emulsion can be less than 0.5.
  • no water supply can be provided via the inlet channel in the lower speed range of, for example, less than 700 rpm.
  • the diesel engine system accordingly has a water injection device, designed and arranged for water injection into the inlet port of a cylinder head of the diesel engine adjacent to the inlet into the combustion chamber, so that the injected water during operation of the diesel engine preferably predominantly in liquid form during an intake process in the Combustion chamber reached.
  • the water pressure of up to 16 bar provided by an emulsifying water supply can preferably be used for continuous atomization of the water and for volume regulation. Instead of a continuous injection of the water, an intermittent injection can also be provided for further improved atomization of the water.
  • the calorific value of the emulsion fuel decreases with increasing water content. In order to achieve a performance behavior corresponding to basic diesel operation, it can therefore be provided according to the invention to increase the fuel quantity injected into the combustion chamber of the diesel engine in emulsion operation.
  • An injection pump consists of a housing in which a pump element consisting of a pump cylinder and a pump piston are integrated.
  • the pump piston is driven via a roller tappet mounted in the engine block, for example, by a special cam of the engine camshaft assigned to each pump.
  • the flow rate and thus the engine output are regulated by a pump element that works according to the well-known overflow principle in conjunction with a bevel edge control to change the useful stroke.
  • the rotation of the pump piston required for this takes place via a driver sleeve through an im Pump housing slidably mounted control rod, which is driven by an engine speed controller, for example.
  • an engine speed controller for example.
  • the engine speed is controlled at a constant value in accordance with a specified setpoint and within the power limits of the engine.
  • the pumping of the fuel that has previously been sucked into the pressure chamber of the pump element through the inlet bores begins when the inlet bores are closed by the upward movement of the pump piston. After the pressure has built up, it is pumped via a pressure valve into the injection line and then injected by the injector. Depending on the position of the control edge and the corresponding useful stroke, the end of delivery is reached when the fuel pressure in the pressure chamber of the pump element is reduced through the inlet bores released by the pump piston via an overflow groove into the suction chamber.
  • a further aspect of the invention which can preferably be combined with the aforementioned aspects, relates to a retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with diesel fuel to switchover operation of a diesel engine of the diesel engine system with or with diesel fuel a diesel fuel-water emulsion, in particular for diesel fuel operation or emulsion operation depending on the engine load of the diesel engine and/or the engine power, in particular for retrofitting and/or converting ship engines, with an injection pump selected and set up to operate the diesel engine with pure diesel fuel Diesel engine is replaced by a retrofit and / or replacement injection pump, which has a certain enlarged inner diameter of a pump cylinder of the injection pump and an enlarged outer diameter of a pump piston of the one may have injection pump.
  • the increase in the outside diameter of the pump piston of the injection pump is preferably limited to 5 percent to 20 percent, preferably up to 10 percent, based on the diameter of an injection pump set up to operate with pure diesel fuel.
  • an injection pump with a pump piston with a control edge geometry that is equally adapted to operation with a diesel fuel/water emulsion and operation with pure diesel fuel can be provided.
  • An increase in the inner diameter of the pump cylinder of the injection pump and the outer diameter of the pump piston as well as a modification of the control edge geometry of a pump element are preferably provided, which works according to the known overflow principle in conjunction with a bevel edge control for changing the useful stroke.
  • an increase in the piston diameter with a corresponding adjustment of the position of the control edge can be considered to increase the maximum injection quantity for economic reasons.
  • the increase in the inner diameter of the pump cylinder and/or the outer diameter of the pump piston and/or the modification of the control edge geometry described above are to be understood in relation to the inner diameter of the pump cylinder and outer diameter of the pump piston as well as the control edge geometry of the pump piston of an injection pump that is designed for pure diesel fuel operation .
  • the change in the delivery rate related to the control rod travel can be adapted to diesel or emulsion operation (alternating operation).
  • the modification of the control edge geometry at a lower control edge can provide a first control edge section with a lower control edge gradient for a lower delivery volume in diesel fuel operation and a second control edge section with a larger control edge gradient for a larger delivery volume in emulsion operation.
  • the pump piston can have a lower control edge slope suitable for diesel operation, so that, for example, an increase in the control rod travel required to increase the delivery rate causes a reduced delivery rate change compared to a straight control edge.
  • the pump piston is twisted by a corresponding further increase in the control rod travel in the area of a significantly steeper control edge. This achieves the quantity increase required for the higher load range of the engine.
  • the area of the control edge in the lower area of the piston torsion angle which is used in diesel operation, has a lower gradient, while a steeper control edge is provided for controlling the much larger injection quantities in emulsion operation, corresponding to the larger torsion angle of the pump piston.
  • the injection nozzle used in the emulsion injection system can be adapted to a larger injection quantity spread, so that low-emission combustion can also be achieved in diesel operation.
  • a limitation of the control rod travel controlled by the engine map can be provided.
  • this limitation of the amount of diesel can be withdrawn depending on the engine load and the proportion of water, for example in a stepwise or continuously controlled manner.
  • the control rod travel of a control rod provided for rotating the pump piston can accordingly be limited according to the invention to limit the delivery volume in diesel fuel operation and a larger control rod travel, in particular the maximum control rod travel, can be released for a larger delivery volume flow in emulsion operation.
  • the invention therefore preferably provides a further and/or alternative possibility for modifying the control edge geometry of a pump piston of the injection pump. An additional control edge can be arranged on the upper edge of the pump piston in the torsion area for high emulsion injection quantities. As a result, in emulsion operation, a delay in the start of delivery is used to further reduce nitrogen oxide emissions.
  • the pump piston can have a first upper control edge for the start of injection formed by the transition from an end face to the outer surface of the pump piston, the modification of the control edge geometry in addition to the first upper control edge at least one upper area that is recessed axially with respect to the first upper control edge and has at least one second upper control edge can provide for retarding the start of injection, and wherein, preferably, the second upper control edge is arranged in the area axially above a lower control edge for emulsion operation, so that the start of injection is retarded in emulsion operation.
  • a delay in the start of fuel delivery can be provided for further reducing the combustion temperatures and thus the NOx emissions.
  • a longer ignition delay in emulsion operation with a correspondingly larger proportion of premixed fuel-air mixture and the resulting shorter combustion period, especially in the higher load range, allows the injection to be moderately shifted in the "retarded" direction, with a limit essentially being set by the delay that is too great the start of injection occurring deterioration in efficiency is given.
  • pure diesel operation on the other hand, even a slight delay in the start of injection does not make sense because of the delayed combustion that occurs and the correspondingly worse efficiency behavior and increasing soot emissions.
  • the start of delivery can be delayed according to the invention by an additional "overhead" control edge, which separates the pressure chamber of the pump element from the inlet bore somewhat later during the upward movement of the pump piston, so that the injection pressure can build up.
  • the start of delivery can be shifted by approx. 2 to 5 degrees reach crank angle. Since the retardation of the start of delivery should only take place in the upper load range of emulsion operation, the upper control edge is accordingly arranged above the control edge for regulating the quantity of the emulsion fuel. The retardation can thus advantageously be limited to the upper load range in emulsion operation.
  • the diameter adjustment on the pump piston can be smaller. This also allows the load on a roller tappet to drive the pump piston to be reduced.
  • a switchable or controllable control rod travel limiter can be used to limit the diesel fuel injection quantities in the corresponding control edge area.
  • an increased or the entire control rod travel is released. The release can take place in particular as a function of the charging pressure and/or the water content of the emulsion.
  • a method according to the invention can accordingly provide that a modification of the control rod travel of a control rod provided for rotating the pump piston is provided, with the control rod travel being limited to limit the delivery volume flow in diesel fuel operation and with a larger control rod travel, in particular the maximum control rod travel, being required for a larger delivery volume flow in emulsion operation. is provided.
  • An SBS-based controller can be provided to control the control rod stops.
  • An injection pump according to the invention for a diesel engine provides a pump piston with a modified control edge geometry and/or with a previously described limitation of the control rod travel.
  • a pump piston of an injection pump and/or a valve needle of an injection valve of the diesel engine can have a wear-reducing coating and/or an anti-corrosion coating in certain areas.
  • the corresponding surfaces can be provided with a wear-reducing coating, in particular a CLD or carbon-like diamond coating. This wear protection Layering in connection with compared to standard pump element and nozzle fits lead to a comparatively considerably longer service life of these components.
  • the invention relates to a retrofitting and/or conversion method, in which an injection pump of the diesel engine that is set up for operation with diesel fuel is replaced by a retrofitting and/or replacement injection pump that has a pump piston with a wear-reducing coating and/or anti-corrosion coating provided at least in certain areas having.
  • an injection valve of the diesel engine that is set up for operation with diesel fuel can be replaced with a retrofit and/or replacement injection valve that has a valve needle with a wear-reducing coating and/or anti-corrosion coating provided at least in certain areas.
  • the coatings also provide very good corrosion protection. All other components of the injection system and the emulsion supply system that come into contact with the diesel-water emulsion fuel, such as emulsion-carrying pipes and valves, can be protected by using stainless steels or pipes or a surface coating with e.g. Nickel must be protected against corrosion and consist of corrosion-resistant steels, especially in the area of higher pressures. In the low-pressure area, for example in the area of emulsion water treatment, plastic pipes and/or corrugated hoses, for example made of EPDM or Teflon, can be used as flexible connections.
  • a cooling device can be provided in order to protect the fuel-water emulsion in the emulsion circulation system against excessive heating and thus to avoid a reduction in the emulsion stability.
  • 1 shows a system diagram of an embodiment of a diesel engine system with an emulsion circulation system of the type according to the invention for supplying the diesel engine with a fuel-water emulsion for a 6-cylinder engine and provided emulsifying water supply devices;
  • 2 shows a basic illustration of a fuel injection pump with a pump piston with a control edge geometry modified according to the invention;
  • FIG. 2A shows an individual illustration of the pump piston of the fuel injection pump from FIG. 2;
  • FIG. 3 shows an example of the course of the injection quantity as a function of the travel of the control rod when using a pump piston with a modified control edge course according to FIG. 2 provided according to the invention
  • FIG. 4 shows a basic illustration of a further pump piston for a fuel injection pump with a control edge geometry modified according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of an additional water injection into the intake port of a cylinder head of a diesel engine, for example the diesel engine system shown in FIG. 1, and
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a control device for a fuel-water emulsion supply system.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an emulsion supply system that is particularly suitable for retrofitting ship engines, consisting of the components of a pump unit (100) for removing the raw water and the components of an emulsifying water treatment (200) for the subsequent treatment and storage of the desalinated water to supply a Emulsification plant (300).
  • the emulsifying system (300) supplies a diesel engine (400) in emulsion operation with a diesel fuel-water emulsion via a circulation line designed as a ring line (401).
  • a fuel-water metering unit (314), an emulsion circulation pump (306) and an emulsifier (309) are fluidically integrated into the circulation line (401) and form components of an emulsion circulation system.
  • the emulsion circulation system has a number of changeover valves (405.1-6), which are provided to supply the cylinders of the diesel engine (400) with a diesel fuel-water emulsion in emulsion mode or with pure diesel fuel in diesel mode of the diesel engine (400).
  • the diesel fuel-water Emulsion from the circulation line (401) and the supply line.
  • the diesel engine (400) is supplied by removing emulsion fuel from the circulating line (401) and feeding it to the fuel injection pump (402) of the diesel engine (400).
  • All system components are individually scalable and can therefore be adapted to the required emulsion fuel requirement of the engine(s) as well as to the available installation space and the extraction options for sea or river water, for example.
  • the emulsion supply system is controlled or regulated by a PLC-based control and regulation unit (500) based on a PLC, which is connected to sensors and actuators.
  • the control and regulation unit (500) of all components of the emulsification supply system is operated via an operating unit (501).
  • the emulsification system (300) includes components of the emulsion circulation system and components of an emulsion storage unit (314).
  • the circulating line (401) forms an emulsion circuit and is designed as a ring line.
  • the emulsion circulating in the circulation line (401) in the fuel-water dosing unit (301) can be supplied with diesel fuel via a fuel pump (409) from a fuel tank (408) and emulsifying water.
  • the emulsifying water is metered by a water metering valve (303) which, according to a measured diesel fuel throughput, feeds an amount of water corresponding to the operating point to the emulsion circulation system.
  • a target value from a characteristic map that is stored in the control and regulation unit (500) is compared with measured diesel and water volume flows and corrected accordingly.
  • a water volume measuring unit (302) and a fuel volume measuring device (304) are provided for this purpose.
  • the supplied and pre-mixed mixture of diesel fuel and emulsifying water reaches the emulsifier (309) via an emulsion circulation pump (306), which is preferably designed as a flow-mechanical mixer. With this very low-maintenance mixer design, emulsification takes place without the addition of additional energy the kinetic energy of the flow. The corresponding pressure losses are compensated for by the emulsion circulation pump (306).
  • the circulation line (401) and the emulsion circulation system for a volume flow between the metering unit (301) and the diesel engine (400), which is preferably 1.5 to 2 times or greater multiple of the maximum emulsion consumption of the diesel engine (400) in Corresponds to emulsion operation, a constant high flow rate is achieved regardless of the fuel extraction by the diesel engine (400). Accordingly, there is a relatively short time lag between the increase in the proportion of water in the dosing unit (301) and the entry of the emulsion into the fuel injection pumps (402) of the diesel engine (400).
  • diesel engine (400) With the emulsion circulation system, it is possible very quickly to operate the diesel engine (400) either in pure diesel fuel operation or in emulsion operation.
  • pure diesel fuel is fed to the fuel injection pumps (402) via the switching valves (405) via a fuel supply line (404), which is already present in retrofitted diesel engines (400).
  • the direct switchover between diesel and emulsion operation via the switchover valves (405) advantageously enables, in addition to an emergency shutdown of the emulsion supply required for safety reasons, the starting process of the diesel process (400) in diesel operation as well as the operation of the emulsion circuit pump (306) to replace the emulsion contained in the circulation system by diesel fuel.
  • the water content in the emulsion When changing to operating points with lower engine loads, the water content in the emulsion must be reduced.
  • the emulsion volume contained in the circulation system with the water content corresponding to the higher engine load can generally be replaced by an emulsion with a lower water content due to the consumption of the diesel engine (400).
  • this adaptation process to low water proportions proceeds slowly, so that the emulsion fuel contained in the circulating system is discharged into the emulsion (temporary) storage unit (314).
  • About a purge valve (310) is the entire or at least a sufficiently large proportion of the emulsion fuel contained in the circulation system is fed into an emulsion collection tank (315) or flushed out.
  • the injection system of the diesel engine (400) is therefore designed and set up both for diesel operation and for emulsion operation with a very high proportion of water.
  • the delivery capacity of the fuel injection pumps (402) can be adapted to injection quantities that are up to 50 or 60% larger in emulsion operation.
  • the increase in the delivery quantity of the fuel injection pumps (402) can be achieved with a constant cam lift, in particular via a larger pump piston diameter of the fuel injection pumps (402).
  • FIG. 2 shows schematically a diesel engine (601) with an injection pump housing (602) in which an intermediate tappet (603) for a pump piston (612) of an injection pump of the diesel engine (601) and a pump cylinder (604) are accommodated.
  • the pump piston (612) is movably guided in the pump cylinder (604).
  • the pump cylinder (604) has two bores (605, 611) for the fuel inlet and outlet.
  • Fig. 2 shows a pressure valve holder (607) and an injection power connection (608).
  • the pump piston (612) has an axial longitudinal groove (617) on the outside of its piston skirt.
  • the pump piston (612) also has a control groove area (618).
  • the upper edge of the control groove area (618) facing the pressure chamber (609) forms a lower control edge (613, 614) and the edge of the end face (619) of the pump piston (612) forms an upper control edge (620).
  • the two control edges (613, 614, 620) interact with the control bores (605, 611) in such a way that the start and end of delivery of the fuel injection pump are determined during the pump piston stroke by releasing or closing the control bores (605, 611). are.
  • a flatter control edge section (613) is provided for the diesel operating range, so that the change in quantity when the pump piston rotates with a control rod (not shown) is lower in accordance with the higher energy content of the diesel fuel.
  • a greater increase in the delivery volume is provided, so that the control edge in the emulsion operating range has a control edge section (614) with a steeper progression.
  • the control edge geometry of the pump piston (612) for retarding the start of injection can, in addition to the first upper control edge (620), have an overhead area (621) that is recessed axially with respect to the first upper control edge (620) and has at least one second upper control edge (616) exhibit.
  • the second upper control edge (616) causes the bores (605, 611) in the pump cylinder (604) to close later and thus to a later start of the injection pressure build-up in the pressure chamber (609).
  • Figure 5 shows a section through part of the intake system of a larger diesel engine (400).
  • another possibility for reducing nitrogen oxides is water injection directly into an intake port (710) in a cylinder head (701) of the diesel engine 400.
  • treated and pressurized clean water (707) is used, for example a supply line (214) according to Fig. 1 is taken, via a pressurized water volume control (320) and optionally a further pressure increase of an atomizer nozzle (706) shown in Fig. 5.
  • the pure water drawn off via the supply line (214) reaches the atomizer nozzle (706) via a water supply line (705).
  • the intake manifold (703) delimits an intake channel (711) for the charge air.
  • An intake port injection nozzle (712) is guided through the intake manifold (703), and the atomizer nozzle (706) is arranged at the cylinder-side end of this nozzle.
  • the atomizer nozzle (706) is designed as a mist nozzle and is aligned with the inlet channel (710) in the cylinder head (701) of the diesel engine (400).
  • pure water (707) is directly fed into the intake port (710) of the cylinder head (701) immediately adjacent to a first intake valve (713), with part of the intake air water feed (708) also being fed into the intake area of a second intake valve (714) arrived.
  • the distance between the connection plane Y and the center axis X of the first inlet valve (713) can be between 100 and 150 mm or less.
  • the nozzle exit of the atomizer nozzle (706) is on the Y connection level in the embodiment shown, so that water is injected beyond the Y connection level.
  • the outlet opening of the atomizer nozzle (706) can also lie beyond the connection plane Y in the area within the inlet channel (710) of the cylinder head (701), ie it can be shifted to the left with reference to FIG.
  • the distance between the nozzle opening and the first inlet valve (713) is selected in such a way that pure water (707) enters the combustion chamber as water mist (709) and thus preferably predominantly in liquid form during an intake process of the diesel engine (400).
  • the arrow (708) in Fig. 5 shows schematically the intake air water supply to the intake valves (713, 714) of the diesel engine (400).
  • the central axis Z of the intake port injection nozzle (712) can be arranged on the central axis of the inlet port (710), so that the atomizer nozzle (706) is arranged centrally to or in the inlet port (710).
  • the dosing unit (301) shown in FIG. 1 is supplied with treated emulsifying water (214) from an emulsifying water reservoir (211).
  • the pump unit (100) sucks in water or raw water (201) from the outside via a feed pump (103) and feeds it to a fine filter (202).
  • the filtered raw water (201) is fed to a desalination plant (205) for subsequent desalination, which includes a reverse osmosis (RO) plant (206).
  • RO reverse osmosis
  • the conductance of the emulsifying water should preferably not exceed 20 pS/cm, since the salts fed to the diesel engine (400) with the emulsifying water can contribute to an increase in the particle emissions produced during combustion and to deposits in the injection system.
  • a conductance of 20 pS/cm corresponds to that of distilled water.
  • a mixed-bed ion exchanger can also be installed downstream of the RO system (206) to ensure a very low salt content.
  • the membranes used in the RO system (206) are matched to the salt content of the raw water (201) sucked in via the pump unit (100). Therefore, the salt content or the corresponding conductivity of the raw water (201) is continuously monitored by a conductivity sensor (104) of the pump unit (100). If the permissible salt content is exceeded, the electronic control (500) of the emulsion supply system causes the delivery rate of the feed pump (103) to be reduced and the bypass valve 105 to the disposal line 106 to open. The feed pump (103) is not switched on again until the measured conductance is again below a permissible value. Shorter interruptions in the water supply can be bridged by the emulsifying water reservoir (211).
  • the desalination system (205) to be used can be adapted accordingly due to the modular design of the emulsion supply system according to FIG.
  • the control of the emulsion supply system as well as the control rod travel limitation provided on the fuel injection pumps (402) is carried out by the central control and regulation unit (500) with interfaces to an operating unit (501) and to the power supply.
  • the individual measurement inputs and control outputs are shown in FIG. It goes without saying that the signal inputs and control outputs shown are selected as examples.
  • the engine speed is essentially required for the operating point-dependent control of the proportion of water when using ship engines.
  • the corresponding engine power results from the propeller curve, taking into account the propeller design.
  • the engine load or the engine torque can be determined via the injection quantity detected by means of a control rod displacement sensor.
  • the proportion of water is then stored in a map as a function of the engine speed and possibly the engine load in the control and regulation unit (500).
  • the water content in the emulsion is regulated by measuring the flow rate of the supplied diesel fuel and emulsifying water, with the water content being adjusted by the metering valve (303) controlled by the control and regulation unit (500). Furthermore, for the advantageous limitation of the injection quantities, particularly in diesel operation, a control rod travel limitation controlled via the engine characteristics map is used.
  • the control and monitoring of the emulsifying water treatment (200) based on the guide values of raw and emulsifying water as well as the pump monitoring are integrated in the control and regulation unit (500). Finally, some temperatures and system pressures for monitoring the emulsion supply system and the diesel engine (400) are recorded in the control and regulation unit (500) and fault messages are displayed if faults occur.
  • the operating states of the emulsion supply system are switched via the control and regulation unit (500) or the operating unit (501).
  • the control and regulation unit (500) or the operating unit (501) are switched via the control and regulation unit (500).
  • All safety requirements for example in ship operations, can be met.
  • Switching on the emulsion mode which is generally done manually, is controlled or regulated according to a sequence program stored in the control and regulation unit (500), the circulating pumps of the circulatory system, which initially only contains diesel fuel, being switched on first. Then the changeover to emulsion operation takes place via the corresponding changeover valves (405) in front of the injection pumps (402) and then the setting of the water content corresponding to the operating point.
  • the emulsion in the circulating system is then discharged via the flushing valve (310) into the emulsion buffer store (314) and replaced by an emulsion with a correspondingly lower water content or by diesel fuel.
  • the duration of the rinsing process is specified by the emulsion rinsing quantity measurement or is time-controlled.
  • FIGS. 2 and 2A show an example of the course of the injection quantity as a function of the control rod travel of a control rod used to rotate the pump piston (612), the pump piston (612) having a control edge geometry of the type shown in FIGS. 2 and 2A.
  • the injection quantity curve is shown schematically for an emulsion injection pump with an optimized control edge according to FIGS. 2 and 2A in comparison to the injection quantity curve when using a diesel injection pump with a standard control edge for diesel operation.
  • the emulsion injection pump achieves an injection quantity curve that is largely comparable to that of the basic diesel injection pump, while in area B the additional injection quantities required for emulsion operation can be provided.
  • a pump characteristics map is assigned to area A, which controls the operation of the diesel engine (400) with pure diesel fuel, and area B is the operating area in emulsion operation of the diesel engine (400).
  • control edge section 705 water supply line 614
  • control edge section 706 atomizing nozzle

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Abstract

The invention relates to a method for the switching or alternating operation of diesel engines (400), more particularly for the switching operation of marine engines, wherein the diesel engine (400) is operated, in a diesel fuel mode, by the injection of a pure diesel fuel into a combustion chamber of the diesel engine (400) or, in an emulsion mode, by the injection of a diesel-fuel-and-water emulsion, more particularly in accordance with the engine load of the diesel engine (400) and/or the engine power, more particularly as a retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system designed for operation with pure diesel fuel to the switching operation with diesel fuel or with a diesel-fuel-and-water emulsion.

Description

Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen mit Dieselkraftstoff oder einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion Process for switching or alternating operation of diesel engines with diesel fuel or a diesel fuel-water emulsion
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen, insbesondere zum Umschaltbetrieb von Schiffsmotoren, wobei die Dieselkraftmaschine in einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine oder in einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine und/oder der Motorleistung, insbesondere als Nach- und/oder Um rüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion. The invention relates to a method for switchover or alternating operation of diesel engines, in particular for switchover operation of ship engines, the diesel engine being operated in diesel fuel mode by injecting pure diesel fuel into a combustion chamber of the diesel engine or in emulsion mode by injecting a diesel fuel-water emulsion , in particular as a function of the engine load of the diesel engine and/or the engine output, in particular as a retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with pure diesel fuel to switchover operation with diesel fuel or with a diesel fuel/water solution -Emulsion.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftmaschinenanlage, insbesondere eine Schiffsmotorenanlage, insbesondere zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf einen Umschaltbetrieb zwischen einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine und einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere zum Dieselkraftstoffbetrieb oder zum Emulsionsbetrieb in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine und/oder der Motorleistung. In addition, the present invention relates to an emulsion circulation system for a diesel engine system, in particular a ship engine system, in particular for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with diesel fuel to switchover operation between diesel fuel operation by injecting pure diesel fuel into a combustion chamber of the diesel engine and emulsion operation by injecting a diesel fuel-water emulsion, in particular for diesel fuel operation or for emulsion operation depending on the engine load of the diesel engine and/or the engine power.
Weiter betrifft die Erfindung ein Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine der Dieselkraftmaschinenanlage mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser- Emulsion. The invention further relates to a retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with diesel fuel to switchover operation of a diesel engine of the diesel engine system with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Einspritzpumpe für eine Dieselkraftmaschine einer Dieselkraftmaschinen-Anlage und eine Dieselkraftmaschinen- Anlage mit einer Dieselkraftmaschine und mit einem Emulsionsumlaufsystem und/oder mit einer Einspritzpumpe. Finally, the present invention relates to an injection pump for a diesel engine of a diesel engine system and a diesel engine system with a diesel engine and with an emulsion circulation system and/or with an injection pump.
Für den Betrieb von stationären Anlagen, beispielsweise zur Energieerzeugung, sowie dem Antrieb von beispielsweise Schiffen, werden aus wirtschaftlichen Gründen überwiegend Dieselmotoren eingesetzt. Die ausgezeichnete Wirtschaftlichkeit von Dieselmotoren beruht auf ihrem typischen sehr guten Wirkungsgrad sowie auf deren hoher Zuverlässigkeit. Diese Vorteile tragen im erheblichem Maße zu den relativ niedrigen Betriebs- und über die gesamte Motorlebensdauer gerechnet günstigen Gesamtkosten bei. For the operation of stationary systems, for example for power generation, and the propulsion of ships, for example, for economic reasons mainly used diesel engines. The excellent economy of diesel engines is based on their typically very good level of efficiency and their high level of reliability. These advantages contribute significantly to the relatively low operating costs and low total costs over the entire engine life.
Neben den wirtschaftlichen Vorteilen von Dieselmotoren spielen zunehmend ökologische Herausforderungen eine wichtige Rolle. Hierbei gelten insbesondere die Stickoxid (NOx)- und Ruß- und Partikel-Emissionen als kritische Schadstoffkompo- nenten, die besonders bei den im See- und Binnenschiffsbereich vorzufindenden älteren Motorengenerationen häufig vergleichsweise hohe Werte aufweisen. Eine kurzfristigere Verbesserung des Emissionsverhaltens bestehender Schiffsflotten, beispielsweise durch den vermehrten Schiffsneubau, ist aufgrund der langen Nutzungsdauer von Schiffen nicht zu erwarten. In addition to the economic advantages of diesel engines, ecological challenges are playing an increasingly important role. In particular, the nitrogen oxide (NOx) and soot and particle emissions are considered to be critical pollutant components, which often have comparatively high values, especially in the older engine generations found in sea and inland waterway vessels. A short-term improvement in the emission behavior of existing shipping fleets, for example due to the increased number of new ships being built, is not to be expected due to the long service lives of ships.
Allerdings könnten regulatorische Maßnahmen zur Förderung schadstoffarmer Antriebstechnologien dazu führen, dass zur langfristigen Sicherstellung des Frachtverkehrs der Einsatz von emissionsreduzierten Schiffsantrieben erforderlich wird. Die hierfür notwendigen Emissionsminderungen könnten prinzipiell durch die Nachrüstung bestehender Schiffe mit modernen schadstoffarmen Motoren kombiniert und zusätzlich erforderlichen Abgasnachbehandlungssystemen, bestehend aus relativ großen Dieselpartikelfiltern sowie DeNOx-Katalysator-Systemen, erreicht werden. Der hierzu erforderliche Austausch des gesamten Antriebsstrangs sowie die in der Regel meist kaum in den vorhandenen Maschinenraum älterer Schiffe integrierbaren Abgasnachbehandlungssysteme bleiben als sehr kostenintensive Nachrüstmaßnahmen im Allgemeinen auf Sonderfälle beschränkt. Ähnliches gilt für die Nachrüstung von Motoren in älteren Schiffen mit einem Dieselpartikelfilter und, sofern möglich, auch mit einem DeNOx-System. However, regulatory measures to promote low-emission propulsion technologies could result in the use of reduced-emission ship propulsion systems being required to ensure freight traffic in the long term. The emission reductions required for this could in principle be achieved by retrofitting existing ships with modern low-emission engines and additionally required exhaust gas after-treatment systems, consisting of relatively large diesel particle filters and DeNOx catalytic converter systems. The replacement of the entire drive train required for this, as well as the exhaust gas aftertreatment systems that can usually hardly be integrated into the existing engine room of older ships, are generally limited to special cases as very cost-intensive retrofitting measures. The same applies to retrofitting engines in older ships with a diesel particle filter and, if possible, also with a DeNOx system.
Als deutlich kostengünstigere Maßnahme zur innermotorischen Reduzierung von Partikel- und Stickoxidemissionen zur Emissionsminderung finden Verfahren zur Nutzung von Wasser ein zunehmendes Interesse. Hierbei wird im Wesentlichen der durch die hohe Verdampfungsenthalpie sowie höhere Wärmekapazität bestehende Einfluss zur Absenkung der Temperatur der Zylinderladung und damit auf die dieselmotorischen Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgänge zu einer Minderung der Ruß- und der Stickoxidemissionen genutzt. Damit lässt sich grundsätzlich auch eine Entlastung der technisch aufwendigen und kostenintensiven Abgasnachbehandlungssysteme erreichen. Methods for using water are attracting increasing interest as a significantly more cost-effective measure for reducing particle and nitrogen oxide emissions within the engine. Here, the effect of the high vaporization enthalpy and higher heat capacity is used to lower the temperature of the cylinder charge and thus on the diesel engine mixture formation and combustion processes to reduce soot and nitrogen oxide emissions. In principle, this also allows one Achieve relief from the technically complex and cost-intensive exhaust gas aftertreatment systems.
Geeignete Verfahren für die Zufuhr des Wassers in den Brennraum des Dieselmotors bestehen in der Wassereinspritzung zur Anfeuchtung der Ansaugluft, der geschichteten und der direkten Wassereinspritzung sowie der Einspritzung einer Diesel-Wasser-Emulsion. Suitable methods for supplying the water into the combustion chamber of the diesel engine are water injection to humidify the intake air, stratified and direct water injection, and injection of a diesel/water emulsion.
Die Ansaugluftbefeuchtung stellt ein einfaches System zur Wassereinspritzung dar. Bei typischerweise aufgeladenen Dieselmotoren kann das Wasser vor und hinter einem Turbolader oder hinter einem Ladeluftkühler in das Ansaugsystem eingespritzt werden. Durch die Verdunstung des Wassers findet eine Abkühlung der in den Zylindern angesaugten Luft statt, wobei die thermodynamische Effizienz der Abkühlung entscheidend vom Temperaturniveau der Ansaugluft abhängt. Außerdem wird bei Motoren mit intensiver Ladeluftkühlung eingespritztes Wasser zum Teil in flüssiger Form in den Zylinder gelangen und erst dort zu einer Reduzierung der Ladungstemperatur führen. Die Reduzierung der Stickoxidemission wird dann im Wesentlichen durch die geringere Temperatur der Zylinderladung erreicht, wobei eine merkliche NOx-Emissionsabsenkung erst bei einem relativ hohen Wassereinsatz auftritt. Außerdem findet durch das ins Ansaugsystem eingebrachte und zumindest teilweise verdampfte Wasser eine partielle Verdrängung der Ansaugluft und damit des für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoffs statt, so dass besonders im Bereich höherer Motorlasten eine Verringerung des örtlichen Verbrennungsluftverhältnisses und damit eine Zunahme der Ruß- bzw. Partikelemissionen auftritt. Damit kommt die Ansaugluftbefeuchtung als alleiniges Verfahren zur Emissionsabsenkung nicht in Frage. Intake air humidification is a simple water injection system. In typically supercharged diesel engines, the water can be injected into the intake system before and after a turbocharger or after an intercooler. The evaporation of the water causes the air sucked into the cylinders to cool, with the thermodynamic efficiency of the cooling decisively depending on the temperature level of the intake air. In addition, in engines with intensive intercooling, some of the water injected into the cylinder will reach the cylinder in liquid form and only lead to a reduction in the charge temperature there. The reduction in nitrogen oxide emissions is then essentially achieved through the lower temperature of the cylinder charge, with a noticeable reduction in NOx emissions only occurring with a relatively high use of water. In addition, the water introduced into the intake system and at least partially evaporated partially displaces the intake air and thus the oxygen required for combustion, so that the local combustion air ratio decreases, particularly in the area of higher engine loads, and thus an increase in soot and particle emissions . This means that intake air humidification is out of the question as the sole method of reducing emissions.
Die direkte Wassereinspritzung erfolgt mittels einem im Zylinderkopf integrierten zusätzlichen Injektor, durch den Wasser in den Brennraum eingespritzt wird. Durch die Anwendung eines von der Dieseleinspritzung entkoppelten Wassereinspritzsystems lassen sich Wassereinspritzmengen und -druck sowie zeitliche Lage der Wassereinspritzung frei wählen. Auch bei diesem Verfahren liegt der Anwendungsschwerpunkt bei der Stickoxidabsenkung. Nachteilig ist dagegen der erhöhte Aufwand für eine Wassereinspritzsystem sowie der meist bei Seriendieselmotoren mit Vierventiltechnik nicht verfügbare Bauraum für den zusätzlichen Injektor. Die geschichtete Wassereinspritzung stellt eine Form der direkten Einspritzung von Dieselkraftstoff und Wasser durch einen gemeinsamen Injektor dar. Die Schichtung kann im Injektor oder aber bereits Einspritzsystem vor dem Injektor erfolgen. Das Verhältnis von Wasser und Dieselkraftstoff kann hierbei an die Motoranforderungen schnell angepasst werden. Die geschichtete Wassereinspritzung wie auch die direkte Einspritzung von Wasser erfordern einen erheblichen Anpassungsbedarf beim Motor- und Einspritzungssystemen und sind daher für eine Nachrüstung insbesondere von Schiffs- und Stationärmotoren weniger geeignet. Direct water injection takes place using an additional injector integrated in the cylinder head, through which water is injected into the combustion chamber. By using a water injection system that is decoupled from the diesel injection, water injection quantities and pressure as well as the timing of the water injection can be freely selected. With this method, too, the focus of application is on reducing nitrogen oxides. On the other hand, the disadvantage is the increased expense for a water injection system and the installation space for the additional injector, which is usually not available in series diesel engines with four-valve technology. Stratified water injection is a form of direct injection of diesel fuel and water through a common injector. Stratification can be in the injector or but already take place in the injection system before the injector. The ratio of water and diesel fuel can be quickly adjusted to the engine requirements. The stratified water injection as well as the direct injection of water require a considerable need for adaptation of the engine and injection systems and are therefore less suitable for retrofitting, in particular of ship and stationary engines.
Bei der Emulsionseinspritzung wird eine Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser über den im Zylinderkopf des Motors vorhandenen Injektor in den Brennraum eingespritzt. Hierbei wird im Allgemeinen die auf den Dieselbetrieb ausgelegte Einspritzpumpe verwendet. Damit lässt sich eine aufwendige Modifikation des Zylinderkopfes und gegebenenfalls auf komplexere Einspritzsystem, wie bei der geschichteten Wassereinspritzung, oder auch auf den Einsatz einer zusätzlich erforderlichen Hochdruck-Wassereinspritzen, wie bei der direkten Wassereinspritzung, verzichten. Weiter besteht die Notwendigkeit, den Motor mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion zu versorgen, die eine ausreichend homogene Verteilung des Wassers im Dieselkraftstoff aufweist. Emulsionen von Dieselkraftstoff und Wasser bestehen aus zwei ineinander unlöslichen Komponenten, bei der das Wasser die disperse Phase bildet und als Tropfen in einer Dieselphase vorliegt. Die in der Emulsion vorliegenden Wassertropfen weisen eine starke Neigung zum irreversiblen Zusammenfließen auf, wodurch eine hohe thermodynamische Instabilität der Diesel-Wasser-Emulsion gegeben ist. With emulsion injection, an emulsion of diesel fuel and water is injected into the combustion chamber via the injector in the engine's cylinder head. The injection pump designed for diesel operation is generally used here. This means that a costly modification of the cylinder head and, if necessary, a more complex injection system, as in the case of stratified water injection, or the use of an additionally required high-pressure water injection, as in the case of direct water injection, can be dispensed with. There is also a need to supply the engine with a fuel-water emulsion that has a sufficiently homogeneous distribution of the water in the diesel fuel. Emulsions of diesel fuel and water consist of two components that are insoluble in one another. Water forms the disperse phase and is present as droplets in a diesel phase. The water droplets present in the emulsion have a strong tendency to irreversibly coalesce, resulting in high thermodynamic instability of the diesel-water emulsion.
Eine Möglichkeit zur Bildung einer stabilen Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser stellt die Verwendung von Emulgatoren dar, die eine Koaleszenz und Aggregation der Wassertröpfchen der in der Mischung zumindest über längere Zeiträume, beispielsweise bei der Zwischenlagerung einer fertig zubereiteten Emulsion, ermöglichen. Hierbei ist bei größeren Dieselmotoren mit einem relativ hohen Dieselverbrauch auch ein höherer Emulgatorverbrauch zu berücksichtigen, was zu hohen Betriebskosten führt. One way to form a stable emulsion of diesel fuel and water is to use emulsifiers, which allow coalescence and aggregation of the water droplets in the mixture, at least over longer periods of time, for example when storing a ready-made emulsion. In the case of larger diesel engines with a relatively high diesel consumption, a higher emulsifier consumption must also be taken into account, which leads to high operating costs.
Eine weitere vorteilhafte Variante der Emulsionseinspritzung besteht darin, die Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Nähe des Dieselmotors, beispielsweise an Bord eines Schiffes (On-Board), herzustellen und dann innerhalb eines kurzen Zeitraums, währenddessen noch keine Koaleszenz der Wassertröpfchen eintritt, der oder den Einspritzpumpen zuzuführen. Hierdurch kann vollständig auf den Einsatz eines Emulgators zur Stabilisierung der Emulsion verzichtet werden. Außerdem ist eine Anpassung des Wasseranteils in der Emulsion an die jeweiligen Betriebsbedingungen des Motors relativ einfach zu realisieren. Another advantageous variant of emulsion injection consists in producing the diesel fuel-water emulsion in the vicinity of the diesel engine, for example on board a ship (on-board), and then within a short period of time, during which the water droplets have not yet coalesced, or to the injection pumps. As a result, the use of an emulsifier to stabilize the emulsion can be completely dispensed with. Also, one Adaptation of the water content in the emulsion to the respective operating conditions of the engine is relatively easy to implement.
Der sehr günstige Einfluss der Diesel-Wasser-Emulsionen auf das Ruß- und Stick- oxidemissionsverhalten lässt sich im Wesentlichen darauf zurückführen, dass die höhere Verdampfungswärme des Wassers in Verbindung mit einem erhöhten Inertgasanteil in Form von Wasserdampf zu verminderten Brennraumtemperaturen führt. Da die im Zylinder ablaufenden Gemischbildungsvorgänge, wie z.B. die Verdampfung der Kraftstofftröpfchen sowie die chemischen Vorreaktionen, stark temperaturabhängig sind, führt eine verminderte Ladungstemperatur zu einer Verlangsamung der Gemischbildungsvorgänge und damit zu einem längeren Zündverzug, nämlich dem Zeitintervall zwischen dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung und dem Brennbeginn. Durch einen verlängerten Zündverzug steht der Durchmischung und Aufbereitung des eingespritzten Emulsionskraftstoffes mit der im Zylinder befindlichen Verbrennungsluft ein längerer Zeitraum zur Verfügung, wodurch ein größerer Anteil zündfähig aufbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Beginn des Verbrennungsvorganges vorliegt. Bei der Verbrennung dieses "vorgemischten Gemisches" entsteht auf Grund des geringeren Anteils überfetteter Gemischzonen eine deutlich geringere Rußkonzentration. Während des weiteren diffusionsgesteuerten Verbrennungsablaufs erfolgt aufgrund der im Emulsionsbetrieb durch Dissoziation der Wassermoleküle entstandenen OH-Radikale auch eine verbesserte Nachoxidation des entstandenen Rußes, so dass insgesamt eine deutlich verminderte Rußemission auftritt. The very favorable influence of the diesel-water emulsions on the soot and nitrogen oxide emission behavior can essentially be attributed to the fact that the higher heat of vaporization of the water in conjunction with an increased proportion of inert gas in the form of water vapor leads to reduced combustion chamber temperatures. Since the mixture formation processes that take place in the cylinder, such as the evaporation of fuel droplets and the chemical pre-reactions, are highly temperature-dependent, a reduced charge temperature leads to a slowdown in the mixture formation processes and thus to a longer ignition delay, namely the time interval between the start of fuel injection and the start of combustion. A longer ignition delay means that a longer period of time is available for the mixing and preparation of the injected emulsion fuel with the combustion air in the cylinder, which means that a larger proportion of ignitable prepared fuel-air mixture is present at the beginning of the combustion process. When this "premixed mixture" is burned, there is a significantly lower soot concentration due to the lower proportion of over-enriched mixture zones. During the further diffusion-controlled combustion process, due to the OH radicals formed in emulsion operation through dissociation of the water molecules, there is also an improved post-oxidation of the soot produced, so that overall there is a significantly reduced soot emission.
Gleichzeitig tritt bei der Bildung eines Emulsionskraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisches eine Absenkung der Ladungstemperaturen auf, die auf Grund von Wärmetransportvorgängen zu geringeren Verbrennungstemperaturen in den für die Stickoxidbildung relevanten Gemischzonen im äußeren Bereich der Einspritzstrahlen führen. Da die NOx-Bildungsreaktionen stark temperaturabhängig verlaufen, führen diese verringerten Verbrennungstemperaturen zu einer deutlichen Reduzierung der Stickoxidemissionen, wobei mit steigendem Wasseranteil in der Emulsion aufgrund der stärkeren Absenkung der Verbrennungstemperaturen eine entsprechende Abnahme der NOx-Bildung stattfindet. At the same time, when an emulsion fuel-combustion air mixture is formed, the charge temperatures drop, which, due to heat transport processes, leads to lower combustion temperatures in the mixture zones relevant for the formation of nitrogen oxides in the outer area of the injection jets. Since the NOx formation reactions are highly temperature-dependent, these reduced combustion temperatures lead to a significant reduction in nitrogen oxide emissions, with a corresponding decrease in NOx formation taking place with an increasing water content in the emulsion due to the greater reduction in combustion temperatures.
Die Verlängerung des Zündverzuges im Emulsionsbetrieb zu Beginn der Verbrennung führt außerdem zu einem größeren Anteil an zündfähig aufbereitetem Gemisch mit entsprechend höheren Kraftstoffumsatzraten in der ersten Phase der Verbrennung und damit zu einer für den thermodynamischen Prozesswirkungsgrad insgesamt günstigen Verkürzung der Gesamtdauer des Verbrennungsvorgangs. The lengthening of the ignition delay in emulsion operation at the beginning of combustion also leads to a larger proportion of ignitable prepared mixture with correspondingly higher fuel conversion rates in the first phase of the Combustion and thus to an overall favorable reduction in the overall duration of the combustion process for the thermodynamic process efficiency.
Eine wichtige Voraussetzung für die Nutzung des vollen Emissionsminderungspotenzials der Diesel-Wasser-Emulsionseinspritzung besteht darin, den Wasseranteil in der Emulsion betriebspunktabhängig so zu regeln, dass eine möglichst hohe Minderung der Ruß- und NOx-Emissionen bei gleichzeitig thermodynamisch günstigem Verbrennungsablauf erreicht wird. Bei einem Motorbetrieb im oberen Leistungsbereich bis zur Volllast und damit relativ hohen Brennraumtemperaturen kann ein größerer Anteil Wasser in der Emulsion enthalten sein, um so eine starke Absenkung der NOx- und Partikelemissionen zu erreichen. Hierbei können bei Wasseranteilen von 50 % bis über 60 % NOx-Abnahmen von über 50 % bei gleichzeitig allerdings nur geringfügigen Verbrauchsabsenkungen erreicht werden. Bei niedrigeren Motorlasten mit entsprechend geringeren Brennraumtemperaturen ist eine Reduzierung des Wasseranteils in der Emulsion erforderlich, um eine zu starke Verlängerung von Zündverzug und Brenndauer mit dementsprechend erhöhten Emissionen an unverbranntem Kraftstoff bis hin zu Zündaussetzern zu vermeiden. An important prerequisite for using the full emission reduction potential of diesel-water emulsion injection is to control the water content in the emulsion depending on the operating point in such a way that the greatest possible reduction in soot and NOx emissions is achieved with a thermodynamically favorable combustion process at the same time. When the engine is operated in the upper performance range up to full load and thus relatively high combustion chamber temperatures, the emulsion can contain a larger proportion of water in order to achieve a significant reduction in NOx and particle emissions. With a water content of 50% to more than 60%, NOx reductions of more than 50% can be achieved with only slight reductions in consumption. At lower engine loads with correspondingly lower combustion chamber temperatures, a reduction in the proportion of water in the emulsion is necessary in order to avoid excessively lengthening the ignition delay and combustion duration with correspondingly increased emissions of unburned fuel up to and including ignition misfires.
Aus der DE 44 12965 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Dieselmotors mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion zur Reduzierung der Stickoxid- und Rußemissionen bekannt. Hierbei wird mit steigendem Wasseranteil eine zunehmende Reduzierung der Stickoxid- und Rußemissionen erreicht. Bei niedrigen Motorlasten treten allerdings als Ergebnis einer verschlechterten Verbrennung erhöhte Kohlenwasserstoff (HC)- und Kohlenmonoxid (CO)-Emissionen auf, so dass der für hohe Motorlast vorteilhafte höhere Wasseranteil in der Emulsion im Bereich niedriger Lasten reduziert werden muss. Daher wird ein Emulsionsversorgungs- sytem vorgeschlagen, dass eine Anpassung des Wasseranteils in der Emulsion an den Motorbetriebsbereich erlaubt. Allerdings führt die Erzeugung der Emulsion vor der Einspritzpumpe des Dieselmotors zu einer Ansprechträgheit, z.B. durch die Speicherung einer Emulsion in der Emulgiereinrichtung und den Transportleitungen, so dass die Emulsion bei Laständerungen des Motors nicht den gewünschten optimalen Wasseranteil aufweist. DE 44 12965 A1 discloses a method and a device for operating a diesel engine with a diesel fuel-water emulsion to reduce nitrogen oxide and soot emissions. With increasing water content, an increasing reduction in nitrogen oxide and soot emissions is achieved. At low engine loads, however, increased hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions occur as a result of deteriorated combustion, so that the higher water content in the emulsion, which is advantageous for high engine loads, must be reduced in the low-load range. An emulsion supply system is therefore proposed that allows the water content in the emulsion to be adjusted to the engine operating range. However, the generation of the emulsion before the injection pump of the diesel engine leads to a sluggish response, e.g. due to the storage of an emulsion in the emulsifying device and the transport lines, so that the emulsion does not have the desired optimum water content when the engine load changes.
Bei dem vorgeschlagenen Emulgierversorgungssystem wird Wasser in einem durch eine Steuereinheit vorgegebenen Verhältnis unter Druck in eine Mischkammer eingespritzt und mit Dieselkraftstoff vermischt. Die Mischkammer ist in einem "Rezirku- lationssystem" zur Versorgung der Motoreinspritzpumpe und Rückführung von überschüssigem Kraftstoff zur Mischkammer angeordnet. Diese Art von Emulgiersystem besitzt aufgrund eines relativ großen Speichervolumens eine relativ hohe Ansprechträgkeit bei Änderung des Wasseranteils in der Emulsion. Daher wird entsprechend der DE 44 129 65 A1 ein zusätzlicher durch eine Membran geteilter Vorratsraum eingeführt, in dem getrennt Dieselkraftstoff und Emulsionskraftstoff zwischengespeichert werden. Mit dem gespeicherten Dieselkraftstoff kann dann bei Lastverringerung durch entsprechend geschaltete Ventile die Einspritzpumpe gespült werden und so eine schnelle Verdrängung der Emulsion erreicht werden. Bei einer Erhöhung der Motorlast kann umgekehrt durch die gespeicherte Emulsion der Dieselanteil in der Einspritzpumpe reduziert werden und damit schnell auf einen Emulsionsbetrieb mit höherem Wasseranteil umgeschaltet werden. Dieses Emulgierversorgungssystem erlaubt außerdem die Umschaltung auf reinen Dieselbetrieb durch Verdrängung des Emulsionskraftstoffes aus der Einspritzpumpe. Neben einem relativ aufwändigen Aufbau der Emulsionsversorgung lässt sich eine durch das Motorkennfeld definierte Zusammensetzung des Kraftstoffes während der Lastwechselvorgänge nur sehr schwer einstellen. In the proposed emulsification supply system, water is injected under pressure into a mixing chamber in a ratio specified by a control unit and mixed with diesel fuel. The mixing chamber is in a "recirculation system" to supply the engine injection pump and return of excess fuel to the mixing chamber. Due to a relatively large storage volume, this type of emulsifying system has a relatively high responsiveness to changes in the water content in the emulsion. Therefore, according to DE 44 129 65 A1, an additional reservoir divided by a membrane is introduced, in which diesel fuel and emulsion fuel are temporarily stored separately. With the stored diesel fuel, the injection pump can then be flushed when the load is reduced by appropriately switched valves, thus achieving rapid displacement of the emulsion. Conversely, when the engine load increases, the stored emulsion can reduce the proportion of diesel in the injection pump and thus quickly switch to emulsion operation with a higher proportion of water. This emulsification supply system also allows switching to pure diesel operation by displacing the emulsion fuel from the injection pump. In addition to the relatively complex structure of the emulsion supply, it is very difficult to set a composition of the fuel during load changes that is defined by the engine characteristics map.
In der EP 0 742 363 B1 wird ein auf den Einsatz beispielsweise bei großen Schiffsdieselmotoren ausgerichtetes Verfahren zum Mischen und Fördern von Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsionen offengelegt. Das Ziel dieses Verfahrens besteht in der möglichst kostengünstigen Reduktion der Stickoxid- und Rußemissionen unter Verwendung des bestehenden, auf den Dieselbetrieb abgestimmten Kraftstoffeinspritzsystems. EP 0 742 363 B1 discloses a method for mixing and pumping diesel fuel-water emulsions, which is designed for use, for example, in large ship diesel engines. The aim of this process is to reduce nitrogen oxide and soot emissions as cost-effectively as possible using the existing fuel injection system, which is designed for diesel operation.
Das Emulsionsversorgungssystem besteht aus einer Diesel- und einer Wasserpumpe zur betriebspunktabhängigen Dosierung des Wasseranteils in der anschließend in einer Emulgieranlage gebildeten Emulsion. Diese Emulsion wird dann durch eine Förderleitung zu den Einspritzpumpen des Dieselmotors geleitet. In einer weiteren Variante wird zur Verbesserung des Regelverhaltens eine Erhöhung des Emulsionsdurchsatzes in den Einspritzpumpen vorgeschlagen. Die dann nicht eingespritzte Überschussmenge wird in eine Separierungsanlage zurückgeführt, in der der Emulsionskraftstoff wieder in die Komponenten Dieselkraftstoff und Wasser getrennt und in Puffertanks gespeichert wird. Der jeweils verbrauchte Kraftstoff- und Wasseranteil wird aus den Vorratstanks in die Puffertanks geleitet, aus denen dann Dieselkraftstoff und Wasser der Dosieranlage zugeführt werden. Das bekannte Verfahren zum Betrieb des Dieselmotors mit einem Emulsionskraftstoff beruht auf der Ausnutzung der auf den Dieselkraftstoffbetrieb ausgelegten maximalen Förderkapazität der Einspritzpumpen. Der im unteren Lastbereich geringere Kraftstoffbedarf des Motors und die damit bestehende Überkapazität der Einspritzpumpen ermöglicht eine Erhöhung des Wasseranteils in der Emulsion bis zur Grenze der Förderkapazität der Pumpen. Dementsprechend wird die Motorleistung zumindest im unteren Lastbereich durch den Wasseranteil im Emulsionskraftstoff bestimmt. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass zumindest bei sehr geringen Motorlasten eine verbrennungstechnisch vorgegebene Mengenbegrenzung für den Wasseranteil besteht. Diese Betriebsweise soll bis etwa 50 % der Motorlast möglich sein. Bei einer weiteren Erhöhung der Motorlast muss der Wasseranteil in der Emulsion reduziert werden, wobei im Volllastbereich nur noch reiner Dieselkraftstoff eingespritzt wird. Mit diesem Konzept soll eine möglichst kontante Einspritzmenge erreicht werden, so dass durch die Zerstäubung des Kraftstoffes durch die Einspritzdüsen im gesamten Lastbereich des Motors den optimalen Auslegungsbedingungen entspricht. The emulsion supply system consists of a diesel pump and a water pump for dosing the water content in the emulsion, which is then formed in an emulsification plant, depending on the operating point. This emulsion is then fed through a delivery line to the injection pumps of the diesel engine. In a further variant, an increase in the emulsion throughput in the injection pumps is proposed to improve the control behavior. The excess quantity that is then not injected is fed back into a separation plant, in which the emulsion fuel is separated again into the components diesel fuel and water and stored in buffer tanks. The amount of fuel and water that is used is fed from the storage tanks into the buffer tanks, from which diesel fuel and water are then fed to the dosing system. The known method for operating the diesel engine with an emulsion fuel is based on utilizing the maximum delivery capacity of the injection pumps designed for diesel fuel operation. The lower fuel requirement of the engine in the lower load range and the resulting overcapacity of the injection pumps allows the water content in the emulsion to be increased up to the limit of the pumps' delivery capacity. Accordingly, the engine performance is determined at least in the lower load range by the water content in the emulsion fuel. However, it must be taken into account that, at least at very low engine loads, there is a combustion-related quantity limit for the water content. This mode of operation should be possible up to about 50% of the engine load. If the engine load is increased further, the proportion of water in the emulsion must be reduced, with only pure diesel fuel being injected in the full-load range. With this concept, an injection quantity that is as constant as possible should be achieved so that the atomization of the fuel through the injection nozzles corresponds to the optimum design conditions over the entire load range of the engine.
Dieses vorgeschlagene Verfahren für den Betrieb mit Emulsionskraftstoffen erfordert zur Vermeidung zu hoher Wasseranteile in der Emulsion sowie zur Lastregelung eine aufwändige Motorregelung. Insbesondere ist der Wasseranteil im niedrigen Lastbereich so einzustellen, dass der Zündverzug nicht zu lang wird und dadurch zu hohe Schadstoffmissionen aus einer unvollständigen Verbrennung entstehen. Bei hohen Motorlasten und damit verbundenen höheren Stickoxidemissionen ist der Wasseranteil in der Emulsion zu gering. Insgesamt gesehen wird durch dieses bekannte Konzept das emissionsmindernde Potenzial der Kraftstoff-Wassereinsprit- zung nicht erreicht. Unter Berücksichtigung des Anwendungsbereiches bei Großmotoren könnte das vorgeschlagene Emulsionsverfahren nur in Verbindung mit weiteren Abgasnachbehandlungsverfahren für eine ausreichende Stickoxidabsenkung eingesetzt werden. This proposed method for operation with emulsion fuels requires complex engine control to avoid excessive water content in the emulsion and for load control. In particular, the water content in the low load range must be adjusted so that the ignition delay does not become too long, which would result in excessive pollutant emissions from incomplete combustion. At high engine loads and the associated higher nitrogen oxide emissions, the water content in the emulsion is too low. Overall, this well-known concept does not achieve the emission-reducing potential of fuel-water injection. Taking into account the area of application for large engines, the proposed emulsion process could only be used in conjunction with other exhaust gas aftertreatment processes for a sufficient reduction in nitrogen oxides.
Es ist bekannt, dass mit der Emulsionseinspritzung die auf den Wassereinsatz bezogene stärkste Reduzierung der Stickoxidemissionen und Rußemissionen erreicht werden kann. Mit einem Wasseranteil von bis zu 60 % lassen sich Ruß- und NOx- Minderungen, je nach Abstimmung des Einspritzsystems, von deutlich mehr als 50 % erreichen. Ein so hoher Wasseranteil führt allerdings zu einer erheblichen Reduzierung des Energieinhaltes der Emulsion. Ein Betrieb mit höheren Motorleistungen, wie es für die Bergfahrt von Schiffen auf Binnengewässern häufig erforderlich ist, ist nur bei gleichzeitiger erheblicher Reduzierung des Wassergehaltes in der Emulsion möglich. Damit wird das Potenzial zur Emissionsminderung deutlich schlechter genutzt. It is known that the greatest reduction in nitrogen oxide emissions and soot emissions can be achieved with emulsion injection in relation to the use of water. With a water content of up to 60%, soot and NOx reductions of well over 50% can be achieved, depending on how the injection system is tuned. However, such a high proportion of water leads to a significant reduction in the energy content of the emulsion. An operation with higher engine power, as is often necessary for the mountain journey of ships on inland waters, is only possible with a simultaneous significant reduction in the water content in the emulsion. This means that the potential for reducing emissions is used much less effectively.
Aus der DE 10 2018 126 095 A1 ist bekannt, additiv zum Emulsionseinspritzverfahren eine Wassereinspritzung in die Ansaugleitung des Motors vorzusehen, um trotz begrenzter Wasseranteile in der Emulsion eine vornehmlich zur Reduzierung der NOx-Emissionen notwendige Verminderung der Brennraumtemperaturen zu erreichen. Bei diesem additiv einsetzbaren Verfahren soll die Wassereinspritzung beispielsweise stromauf oder stromab des Abgasturboladers oder stromab des Ladeluftkühlers erfolgen und so eine Abkühlung der in den Brennraum angesaugten Luft. Dadurch soll eine Reduzierung der Verbrennungstemperaturen in den NOx-Bil- dungszonen im Brennraum bewirkt werden. Durch die bereits zum überwiegenden Anteil oder sogar vollständig bereits im Ansaugsystem auftretende Verdampfung des eingespritzten Wassers und der damit verbundenen Volumenvergrößerung wird ein Teil der angesaugten Frischladung verdrängt. Damit gelangt weniger Sauerstoff in den Brennraum, so dass bei großen eingespritzten Wassermengen wieder eine Zunahme der Rußemissionen auftreten kann. It is known from DE 10 2018 126 095 A1 to provide water injection in the intake line of the engine in addition to the emulsion injection method in order to achieve a reduction in combustion chamber temperatures, which is primarily necessary to reduce NOx emissions, despite limited water content in the emulsion. In this method, which can be used additively, the water injection should take place, for example, upstream or downstream of the exhaust gas turbocharger or downstream of the intercooler, and thus cooling of the air sucked into the combustion chamber. This is intended to bring about a reduction in the combustion temperatures in the NOx formation zones in the combustion chamber. Due to the evaporation of the injected water, which occurs for the most part or even completely in the intake system, and the associated increase in volume, part of the intake fresh charge is displaced. This means that less oxygen gets into the combustion chamber, so that if large quantities of water are injected, soot emissions can increase again.
Eine weitere Begrenzung der in die Ansaugleitung eingespritzten Wassermenge ergibt sich nach DE 10 2018 126 095 A1 aus der Gefahr der Abscheidung flüssigen Wassers durch Kondensation. Daher soll die relative Feuchte der Ladeluft unter der bei der jeweiligen Ladelufttemperatur bestehenden Sättigungslinie liegen. Allerdings liegt beispielsweise bei Schiffsmotoren die Ansauglufttemperatur hinter dem Ladeluftkühler, der im Allgemeinen mit kaltem Fluss- oder Seewasser versorgt wird, mit etwa 40°C auf einem so niedrigen Niveau, dass bereits bei relativ geringen eingespritzten Wassermengen eine Kondensation des Wassers in der Ansaugleitung auftreten kann. According to DE 10 2018 126 095 A1, a further limitation of the amount of water injected into the intake line results from the risk of liquid water separating out due to condensation. Therefore, the relative humidity of the charge air should be below the saturation line existing at the respective charge air temperature. However, in ship engines, for example, the intake air temperature behind the intercooler, which is generally supplied with cold river or sea water, is around 40°C at such a low level that even with relatively small amounts of injected water, condensation of the water in the intake line can occur .
Aus dem Dokument EP 2 772 640 A1 ist ein Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechsel betrieb von Dieselkraftmaschinen bekannt, wobei die Dieselkraftmaschine in einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine oder in einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird. Es ist ein Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorgesehen, dass eine Dosiereinheit zur Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff in das Emulsionsumlaufsystem und eine Emulgiereinheit zum Emulgieren von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff aufweist. Darüber hinaus ist eine Umschalteinrichtung zum Betrieb der Dieselkraftmaschine mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser- Emulsion vorgesehen, wobei im Emulsionsbetrieb eine Dieselkraftstoff-Wasser- Emulsion aus einer Umlaufleitung des Emulsionsumlaufsystems über wenigstens eine Entnahmestelle entnommen und einer Einspritzpumpe der Dieselkraftmaschine zugeführt wird. Document EP 2 772 640 A1 discloses a method for switching or alternating operation of diesel engines, with the diesel engine in diesel fuel operation by injecting a pure diesel fuel into a combustion chamber of the diesel engine or in emulsion operation by injecting a diesel fuel-water emulsion is operated. There is an emulsion circulation system for a diesel fuel-water emulsion provided that a metering unit for metering emulsifying water and diesel fuel in the emulsion circulation system and an emulsifying unit for emulsifying emulsifying water and Has diesel fuel. In addition, a switching device for operating the diesel engine with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion is provided, with emulsion operation taking a diesel fuel-water emulsion from a circulation line of the emulsion circulation system via at least one extraction point and feeding it to an injection pump of the diesel engine.
Aus der DE 338 449 A ist ein Verfahren zum Betrieb von Schiffs- und Bootsmotoren bekannt mit unmittelbarer Wassereinspritzung, wobei die Wärme der Verbrennungsprodukte zum Destillieren von Seewasser ausgenutzt und das destillierte Seewasser als Einspritzwasser für den Motor verwendet wird. DE 338 449 A discloses a method for operating ship and boat engines with direct water injection, the heat of the combustion products being used to distill sea water and the distilled sea water being used as injection water for the engine.
Die DE 10 2019 209 639 A1 offenbart ein Bauteil für einen Injektor für die Kraftstoff- und/oder Wassereinspritzung von Ottomotoren, das einen metallischen Grundwerkstoff und eine mindestens abschnittsweise auf dem Grundwerkstoff angeordnete Beschichtung aufweist, wobei die Beschichtung mindestens ein Oxid mindestens eines Ventilmetalls umfasst oder wobei die Beschichtung eine keramische Beschichtung ist. DE 10 2019 209 639 A1 discloses a component for an injector for fuel and/or water injection in Otto engines, which has a metallic base material and a coating arranged at least in sections on the base material, the coating comprising at least one oxide of at least one valve metal or wherein the coating is a ceramic coating.
Die DE 10 2010 003 886 A1 betrifft eine Hochdruckpumpe mit einer Pumpenbaugruppe und einer Antriebswelle, die zumindest einen der Pumpenbaugruppe zugeordneten Nocken aufweist. Hierbei umfasst die Pumpenbaugruppe eine auf einer Lauffläche des Nockens laufende Rolle und einen Rollenschuh, der die Rolle aufnimmt. An der Rolle, dem Rollenschuh oder an dem Nocken ist zumindest eine Korrosionsschutzschicht vorgesehen. Hierdurch kann verhindert werden, dass im Betrieb eine Schwingungsrisskorrosion auftritt, die unter Belastung zu oberflächennahen Ausbrüchen und in der Folge zum Versagen der Hochdruckpumpe führen kann. DE 10 2010 003 886 A1 relates to a high-pressure pump with a pump assembly and a drive shaft, which has at least one cam assigned to the pump assembly. Here, the pump assembly includes a roller running on a running surface of the cam and a roller shoe that receives the roller. At least one anti-corrosion layer is provided on the roller, the roller shoe or the cam. This can prevent vibration cracking corrosion from occurring during operation, which can lead to breakouts near the surface under load and consequently to failure of the high-pressure pump.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine und ein Emulsionsumlaufsystem für Dieselkraftmaschinen-An- lagen, insbesondere für Schiffsmotorenanlagen, zur Verfügung zu stellen, die einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Betrieb von Dieselkraftmaschinen mit reinem Dieselkraftstoff in einem Dieselkraftstoffbetrieb oder mit Dieselkraftstoff- Wasser-Emulsionen in einem Emulsionsbetrieb zulassen und insbesondere eine vereinfachte und kostengünstige Nach- und/oder Umrüstung bestehender Dieselkraftmaschinenanlagen, insbesondere von Schiffsmotorenanlagen, zum wahlweisen Betrieb mit Dieselkraftstoff oder mit Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsionen ermöglichen. The object of the present invention is to provide a method for switchover operation of a diesel engine and an emulsion circulation system for diesel engine systems, in particular for ship engine systems, which compared to the prior art improve the operation of diesel engines with pure diesel fuel in diesel fuel operation or allow with diesel fuel-water emulsions in an emulsion operation and in particular a simplified and inexpensive retrofitting and / or conversion of existing diesel engine systems, especially ship engine systems, for optional Enable operation with diesel fuel or with diesel fuel-water emulsions.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, ein insbesondere für die Nachrüstung und/oder Umrüstung von größeren Dieselmotoren geeignetes Emulsionseinspritzverfahren und eine entsprechend ausgebildete und eingerichtete, insbesondere nach- und/oder umgerüstete, Dieselkraftmaschinenanlage anzugeben, die es zulassen, Dieselmotoren mit einer an dem Betriebspunkt anpassbaren Zusammensetzung einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion bei hoher Wirtschaftlichkeit zu betreiben sowie Nachteile des Leistungsverhaltens bei höheren, für ein verbessertes Abgasemissionsverhalten erforderlichen, Wasseranteilen in der Emulsion zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Insbesondere sollen die Nachteile eines auf große Einspritzmengen abgestimmten Einspritzsystems für den Wechselbetrieb mit reinem Dieselkraftstoff oder mit Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsionen vermieden werden. The object of the present invention is, in particular, to specify an emulsion injection method that is particularly suitable for retrofitting and/or converting larger diesel engines and a correspondingly designed and set up, in particular retrofitted and/or converted, diesel engine system that allows diesel engines with a Operating point adjustable composition of a fuel-water emulsion to operate with high efficiency and disadvantages of performance at higher, required for improved exhaust emission behavior, to avoid or at least reduce water content in the emulsion. In particular, the disadvantages of an injection system tailored to large injection quantities for alternating operation with pure diesel fuel or with diesel fuel-water emulsions are to be avoided.
Schließlich ist es weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einspritzpumpe für Dieselkraftmaschinen einer Dieselkraftmaschinenanlage und eine Dieselkraftmaschinenanlage zur Verfügung zu stellen, die einen vereinfachten und wirtschaftlichen Dieselkraftstoffbetrieb oder Emulsionsbetrieb der Dieselkraftmaschine ermöglichen. Finally, another object of the present invention is to provide an injection pump for diesel engines of a diesel engine system and a diesel engine system that enable simplified and economical diesel fuel operation or emulsion operation of the diesel engine.
Die vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Umschaltbetrieb von Dieselkraftmaschinen mit den Merkmalen von Anspruch 1 , von Anspruch 5 oder Anspruch 10, ein Emulsionsumlaufsystem mit den Merkmalen von Anspruch 11 , ein Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetreib mit den Merkmalen von Anspruch 12, durch eine Einspritzpumpe mit den Merkmalen von Anspruch 15 sowie durch eine Dieselkraftmaschinenanlage mit den Merkmalen von Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. The above objects are achieved according to the invention by a method for switchover operation of diesel engines with the features of claim 1, claim 5 or claim 10, an emulsion circulation system with the features of claim 11, a retrofitting and / or conversion method for retrofitting and / or converting a diesel engine system set up for operation with pure diesel fuel to switchover operation with the features of claim 12, by an injection pump with the features of claim 15 and by a diesel engine system with the features of claim 16. Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgaben sieht die Erfindung bei einem Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen der eingangs genannten Art ein Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vor. Das Emulsionsumlaufsystem kann bei der Nach- oder Umrüstung einer für den Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff ausgebildeten und eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage oder auch bei einer Neuerrichtung einer Dieselkraftmaschinenanlage in die Anlagenperipherie integriert werden. Das Emulsionsumlaufsystem weist erfindungsgemäß eine Dosiereinheit zur Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff in das Emulsionsumlaufsystem und eine Emulgiereinheit zum Emulgieren von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff auf. Eine SPS-basierte Steuerung kann zur Steuerung der Dosiereinheit und/oder der Emulgiereinheit vorgesehen sein. In order to solve the aforementioned problems, the invention provides an emulsion circulation system for a diesel fuel-water emulsion in a method for switching or alternating operation of diesel engines of the type mentioned at the outset. The emulsion circulation system can be used when retrofitting or converting a diesel engine system that is designed and set up for operation with pure diesel fuel, or also when a new diesel engine system is installed be integrated into the system periphery. According to the invention, the emulsion circulation system has a metering unit for metering emulsification water and diesel fuel into the emulsion circulation system and an emulsification unit for emulsifying emulsification water and diesel fuel. A PLC-based controller can be provided to control the dosing unit and/or the emulsifying unit.
Das Emulsionsumlaufsystem weist weiter auf wenigstens eine Umschalteinrichtung, insbesondere ausgebildet als Ventileinrichtung, weiter insbesondere als Umschaltventil, zum insbesondere last- und/oder leistungsabhängigen Betrieb der Dieselkraftmaschine mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion. Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass im Emulsionsbetrieb eine Dieselkraftstoff- Wasser-Emulsion aus einer Umlaufleitung des Emulsionsumlaufsystems über wenigstens eine Entnahmestelle entnommen und einer Einspritzpumpe der Dieselkraftmaschine zugeführt wird. The emulsion circulation system also has at least one switchover device, in particular designed as a valve device, more particularly as a switchover valve, for operating the diesel engine with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion in particular as a function of load and/or power. According to the invention it is further provided that in emulsion operation a diesel fuel-water emulsion is taken from a circulating line of the emulsion circulating system via at least one extraction point and fed to an injection pump of the diesel engine.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, im Emulsionsbetrieb die Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit in der Umlaufleitung der Emulgiereinheit zuzuführen. According to a first aspect of the invention, the diesel fuel-water emulsion is fed into the circulating line of the emulsifying unit at a constant flow rate during emulsion operation.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren kommt es aufgrund der Entnahme von Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus einer Umlaufleitung im Emulsionsbetrieb zu Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit insbesondere im Bereich vor der Emulgiereinheit, was zu Nachteilen bei der Herstellung der Emulsion, insbesondere bei Verwendung von statischen Mischern führt. Um sicherzustellen, dass die Emulgiereinheit bzw. der Mischer von Dieselkraftstoff und Emulgierwasser im optimalen Arbeitspunkt arbeitet, und zwar auch dann, wenn im Emulsionsbetrieb unterschiedliche Mengen der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus der Umlaufleitung entnommen werden, wird erfindungsgemäß im Emulsionsbetrieb ein Volumenausgleich der dem Emulsionsumlaufsystem entnommenen und der Einspritzpumpe zugeführten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsionsmenge durch Zudosierung von Dieselkraftstoff und/oder durch Zudosierung einer geregelten Menge Emulgierwasser in das Emulsionsumlaufsystem vorgesehen, so dass im Emulsionsbetrieb die Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit in der Umlaufleitung der Emulgiereinheit zugeführt wird. Dadurch können Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung aufgrund der Entnahme von Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion ausgeglichen werden. Der Volumenausgleich erfolgt vorzugsweise kontinuierlich. Vorzugsweise ist ein automatischer Volumenausgleich durch gesteuerte Zudosierung von Wasser und/oder Dieselkraftstoff vorgesehen, wobei die Zugabe vorzugsweise über die Dosiereinheit erfolgen kann. Alternativ ist auch eine Zufuhr über eine Speichereinrichtung möglich, in der eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit bestimmter Zusammensetzung gespeichert ist. In the methods known from the prior art, due to the removal of diesel fuel-water emulsion from a circulating line in emulsion operation, there are fluctuations in the flow rate, especially in the area upstream of the emulsifying unit, which has disadvantages in the production of the emulsion, especially when using static mixers. In order to ensure that the emulsifying unit or the mixer of diesel fuel and emulsifying water works at the optimum operating point, even if different amounts of the diesel fuel-water emulsion are removed from the circulation line in emulsion operation, volume compensation of the emulsion circulation system is carried out according to the invention in emulsion operation taken and supplied to the injection pump by metering in diesel fuel and/or by metering in a regulated quantity of emulsifying water into the emulsion circulation system, so that in emulsion operation the diesel fuel-water emulsion is fed at a constant flow rate in the circulation line of the emulsifying unit. As a result, changes in the flow rate of the diesel fuel-water emulsion in the circulation line due to the removal of diesel fuel-water emulsion can be compensated for. The volume compensation preferably takes place continuously. Preferably, an automatic volume compensation is provided by controlled dosing of water and/or diesel fuel, which can preferably be added via the dosing unit. Alternatively, it can also be supplied via a storage device in which a diesel fuel/water emulsion with a specific composition is stored.
Das Emulsionsumlaufsystem bildet ein geschlossenes System, wobei zur Sicherstellung der Volumenkonstanz zwischen Dosiereinheit und Emulgiereinheit eine Nachspeisung von Dieselkraftstoff und/oder Emulgierwasser und/oder einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in das Emulsionsumlaufsystem vorgesehen wird. Damit lassen sich die im Emulsionsbetrieb durch Entnahme von Emulsion aus dem Emulsionsumlaufsystem entstehenden Emulsionsverluste ausgleichen. The emulsion circulation system forms a closed system, with diesel fuel and/or emulsifying water and/or a diesel fuel-water emulsion being fed back into the emulsion circulation system to ensure constant volume between the dosing unit and emulsifying unit. In this way, the emulsion losses occurring in emulsion operation due to the removal of emulsion from the emulsion circulation system can be compensated.
Vorzugsweise wird im Emulsionsbetrieb die Strömungsgeschwindigkeit der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung durch Volumenausgleich im Leitungsabschnitt von der Dosiereinheit bis zur Emulgiereinheit, insbesondere bis zur Entnahmestelle, konstant gehalten. Eine „konstante“ Strömungsgeschwindigkeit im Sinne der Erfindung ist bezogen auf den Leitungsquerschnitt am jeweiligen Ort der Umlaufleitung. Erfindungsgemäß kann sich die Strömungsgeschwindigkeit bei einem Leitungsquerschnittswechsel in der Umlaufleitung ändern. An dem jeweiligen Ort der Umlaufleitung, d.h. bei gleichbleibendem Leitungsquerschnitt, bleibt die Strömungsgeschwindigkeit im Emulsionsbetrieb durch den beschriebenen Volumenausgleich konstant, wobei eine Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Emulsionsentnahme aus dem Umlaufsystem in der Größenordnung von weniger als 10%, vorzugsweise von weniger als 5 %, unter den Begriff „konstante Strömungsgeschwindigkeit“ fallen kann. In emulsion operation, the flow rate of the diesel fuel-water emulsion in the circulating line is preferably kept constant by volume equalization in the line section from the dosing unit to the emulsifying unit, in particular to the extraction point. A "constant" flow rate within the meaning of the invention is related to the line cross-section at the respective location of the circulating line. According to the invention, the flow rate can change when the line cross-section changes in the circulation line. At the respective location of the circulating line, i.e. with a constant line cross-section, the flow rate in emulsion operation remains constant due to the volume compensation described, with a decrease in flow rate due to the emulsion removal from the circulating system of the order of less than 10%, preferably less than 5%, can fall under the term "constant flow rate".
Beispielsweise ist es möglich, dass die Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Druck in der Umlaufleitung an wenigstens einem Ort der Umlaufleitung, vorzugsweise an verschiedenen Stellen, gemessen wird. Kommt es aufgrund der Entnahme der Emulsion aus der Umlaufleitung zu einer (geringfügigen) Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit und/oder dem Leitungsdruck, kann dies automatisch zur Nachspeisung von Dieselkraftstoff und/oder Emulgierwasser über die Dosiereinheit in die Umlaufleitung führen. Dem Gesetz der kommunizierenden Röhren folgend, kann es zur Nachspeisung kommen, allein aufgrund einer Abnahme des Leitungsdrucks in der Umlaufleitung. Kommt es zu einem Druckabfall in der Umlaufleitung aufgrund der Volumenentnahme über die Einspritzpumpe des Motors, kann Dieselkraftstoff und/oder Emulgierwasser aus der Kraftstoffzuleitung bzw. der Wasserzuleitung allein aufgrund des bestehenden Differenzdrucks zwischen der Umlaufleitung und der Kraftstoffzuleitung bzw. der Wasserzuleitung nachgefördert werden. Insbesondere ist keine Pumpe erforderlich, um den Volumenausgleich herzustellen. For example, it is possible for the flow velocity and/or the pressure in the circulating line to be measured at at least one point in the circulating line, preferably at different points. If there is a (slight) decrease in flow velocity and/or line pressure due to the removal of the emulsion from the circulating line, this can automatically lead to diesel fuel and/or emulsifying water being fed into the circulating line via the dosing unit. Following the law of communicating tubes, backfeed can occur simply due to a decrease in the line pressure in the circulation line. If there is a drop in pressure in the circulating line due to the volume being removed via the engine's injection pump, diesel fuel and/or emulsifying water can be pumped out of the fuel supply line or the water supply line simply because of the existing differential pressure between the circulating line and the fuel supply line or the water supply line. In particular, no pump is required to establish the volume compensation.
Insbesondere wird durch den Volumenausgleich eine konstante Anströmgeschwindigkeit der Emulgiereinheit gewährleistet. In particular, the volume equalization ensures a constant inflow speed of the emulsifying unit.
Insbesondere im Emulsionsbetrieb wird eine konstante Strömungsgeschwindigkeit der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung von der Dosiereinheit bis zur Emulgiereinheit, insbesondere bis zur Entnahmestelle, von wenigstens 2,0 m/s, vorzugsweise wenigstens 2,5 m/s, weiter vorzugsweise wenigstens 3,0 m/s, bis 5,0 m/s, vorgesehen. In emulsion operation in particular, a constant flow rate of the diesel fuel-water emulsion in the circulation line from the dosing unit to the emulsifying unit, in particular to the extraction point, of at least 2.0 m/s, preferably at least 2.5 m/s, more preferably at least 3 .0 m/s to 5.0 m/s.
Im Emulsionsbetrieb kann ein Volumenstrom einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung von der Dosiereinheit bis zur Emulgiereinheit, insbesondere bis zur Entnahmestelle, vorgesehen bzw. eingestellt werden, der dem wenigstens 1 ,5-fachen des Volumenstroms, vorzugsweise wenigstens dem 2-fachen, weiter vorzugsweise wenigstens dem 2,5-fachen bis wenigstens 3-fachen oder höheren Mehrfachen, bei maximaler Emulsionsentnahme bzw. dem maximalen Motorverbrauch im Emulsionsbetrieb entspricht. In emulsion mode, a volume flow of a diesel fuel-water emulsion can be provided or adjusted in the circulation line from the dosing unit to the emulsifying unit, in particular up to the extraction point, which is at least 1.5 times the volume flow, preferably at least twice the more preferably at least 2.5 times to at least 3 times or more, at maximum emulsion removal or the maximum engine consumption in emulsion operation.
Vorzugsweise wird der Durchfluss der Emulsion in der Umlaufleitung des Umlaufsystems zumindest von der Dosiereinheit bis zur Emulgiereinheit und darüber hinaus bis zu der oder den Entnahmestelle(n) der Einspritzpumpen konstant gehalten, was insbesondere durch den oben beschriebenen Volumen- bzw. Mengenausgleich der dem Emulsionsumlaufsystem im Emulsionsbetrieb entnommenen Dieselkraftstoff- Wasser-Emulsion durch Zufuhr von Kraftstoff und/oder Emulgierwasser über die Dosiereinheit erreicht werden kann. Damit lässt sich im Emulsionsumlaufsystem vor der Emulgiereinheit eine konstante Anströmgeschwindigkeit unabhängig von der Emulsionsentnahme durch die Dieselkraftstoffmaschine einstellen bzw. gewährleisten. Die konstante Anströmgeschwindigkeit erlaubt den vorteilhaften Einsatz von sehr robusten und wartungsfrei arbeitenden mechanischen Mischern. Die erforderliche Energie für den Mischvorgang kann durch die kinetische Energie der Strömung bereitgestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in diesem Zusammenhang eine vorzugsweise lediglich strömungsmechanische Emulgierung von Kraftstoff und Emulgierwasser in einem mechanischen Mischer vorsehen. Die Emulgiereinheit der Dosier- und Emulgiereinrichtung des erfindungsgemäßen Emissionsumlaufsystems weist dementsprechend wenigstens einen mechanischen Mischer oder ausschließlich mechanische Mischer für die Emulgierung auf. Es ist zweckmäßig, wenn der Mischer stromabwärts von der Dosiereinheit, insbesondere stromabwärts von einer Umwälzpumpe des Emulsionsumlaufsystems, angeordnet ist. Da die Mischgüte der mit einem mechanischen Mischer erzeugten Emulsion in erheblichem Maße von der kinetischen Energie der Strömung abhängt, ist aufgrund der konstanten Strömungsverhältnisse eine optimale Anpassung der Mischerauslegung für eine gleichmäßig gute Zerkleinerung und Homogenisierung der in der Rohemulsion am Mischereintritt vorliegenden Wassertröpfchen möglich. The flow rate of the emulsion in the circulation line of the circulation system is preferably kept constant, at least from the dosing unit to the emulsifying unit and beyond to the extraction point(s) of the injection pump, which is achieved in particular by the above-described volume or quantity equalization of the emulsion circulation system in Emulsion mode extracted diesel fuel water emulsion can be achieved by supplying fuel and / or emulsifying water via the metering unit. In this way, a constant inflow velocity can be set or guaranteed in the emulsion circulation system upstream of the emulsifying unit, independently of the emulsion removal by the diesel engine. The constant inflow speed allows the advantageous use of very robust and maintenance-free working mechanical mixers. The energy required for the mixing process can be provided by the kinetic energy of the flow. The inventive method can in this Connection provide a preferably only fluidic emulsification of fuel and emulsifying water in a mechanical mixer. Accordingly, the emulsifying unit of the dosing and emulsifying device of the emissions circulation system according to the invention has at least one mechanical mixer or exclusively mechanical mixers for the emulsification. It is expedient if the mixer is arranged downstream of the dosing unit, in particular downstream of a circulation pump of the emulsion circulation system. Since the mixing quality of the emulsion produced with a mechanical mixer depends to a large extent on the kinetic energy of the flow, the constant flow conditions mean that the mixer design can be optimally adjusted for uniformly good comminution and homogenization of the water droplets present in the raw emulsion at the mixer inlet.
Auch Emulgiereinrichtungen, die eine Zufuhr von Fremdenergie erfordern, können grundsätzlich Verwendung finden. Werden statt einem mechanischen Mischer gegenüber der Anströmgeschwindigkeit weitgehend unempfindliche Emulgiereinrichtungen, wie beispielsweise Rotor-, Stator- und/oder Hochdruck-Emulgiereinrichtun- gen, eingesetzt, bei denen die zur Emulgierung notwendige Energie nicht oder nicht allein über die Strömungsenergie des zu mischenden Stoffstroms zugeführt wird, kann eine Reduzierung bzw. Anpassung der Emulsions-Überschussmenge im Umlaufsystem an den Emulsionsverbrauch erfolgen. Hierbei ist jedoch durch entsprechende Auslegung der Rohrquerschnitte die für einen geringen Transportverzug erforderliche hohe Strömungsgeschwindigkeit zu den Einspritzpumpen einzuhalten. In principle, emulsifying devices that require the supply of external energy can also be used. If, instead of a mechanical mixer, emulsifying devices that are largely insensitive to the inflow velocity, such as rotor, stator and/or high-pressure emulsifying devices, are used, in which the energy required for emulsification is not supplied or is not supplied solely via the flow energy of the material flow to be mixed , the excess emulsion quantity in the circulation system can be reduced or adjusted to the emulsion consumption. However, the high flow rate to the injection pumps required for low transport delay must be maintained by appropriate design of the pipe cross-sections.
Das Emulsionsumlaufsystem weist insbesondere eine als Ringleitung bzw. als Kreislaufleitung ausgeführte Umlaufleitung auf, in die jedenfalls die Dosiereinheit, die Emulgiereinheit und die Umschalteinrichtung sowie, vorzugsweise, eine Umwälzpumpe strömungstechnisch integriert sind und in der im Emulsionsbetrieb eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion umläuft. The emulsion circulation system has, in particular, a circulation line designed as a ring line or as a circulation line, in which the dosing unit, the emulsifying unit and the switching device and, preferably, a circulation pump are fluidically integrated and in which a diesel fuel-water emulsion circulates in emulsion mode.
Eine „konstante“ Strömungsgeschwindigkeit der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung soll im Sinne der Erfindung vorzugsweise auch dann vorliegen, wenn es aufgrund der Entnahme der Emulsion aus dem Umlaufsystem während des Motorbetriebs und dem beschriebenen Volumen- bzw. Mengenausgleich zu Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit von weniger als +/- 10 Prozent, vorzugsweise von weniger als +/- 5 Prozent, besonders bevorzugt von weniger als 2 %, komm. Durch entsprechende Umschaltventile kann ein zylinderweises schnelles Umschalten zwischen der Kraftstoffzufuhr zur Einspritzpumpe aus dem Emulsionsumlaufsystem und einer Kraftstoffzuleitung für den reinen Dieselbetrieb erfolgen. Alternativ kann die Umschaltung auch durch ein zentral angeordnetes Umschaltventil in Verbindung mit Rückschlagventilen an den Einspritzpumpen erreicht werden. A "constant" flow rate of the diesel fuel-water emulsion in the circulating line should preferably also be present within the meaning of the invention if there are changes in the flow rate of less than +/- 10 percent, preferably less than +/- 5 percent, more preferably less than 2%, comm. Appropriate switchover valves can be used to switch quickly, cylinder by cylinder, between the fuel supply to the injection pump from the emulsion circulation system and a fuel supply line for pure diesel operation. Alternatively, the changeover can also be achieved by a centrally arranged changeover valve in conjunction with non-return valves on the injection pumps.
Vorrichtungsgemäß wird ein dementsprechend ausgebildetes und eingerichtetes Emulsionsumlaufsystem für Dieselkraftmaschinenanlagen, insbesondere Schiffsmotorenanlagen, vorgeschlagen, dass eine Dosier- und Emulgiereinrichtung mit einer Dosier- und Vormischeinheit, vorzugsweise einer Umlaufpumpe, sowie einer der Dosiereinheit nachfolgenden Emulgiereinheit aufweist. In der Dosiereinheit erfolgt die Zudosierung von Dieselkraftstoff und/oder Emulgierwasser in einem geforderten Kraftstoff-Wasser-Verhältnis, insbesondere entsprechend der eingestellten Motorlast und/oder der Motorleistung. Die Versorgung einer Einspritzpumpe oder mehrerer Einspritzpumpen der Dieselkraftstoffmaschine mit reinem Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion erfolgt über die Umschalteinrichtung mittels einer Ventileinrichtung über eine oder mehrere Entnahmestellen im Emulsionsumlaufsystem. Die Entnahme kann über wenigstens ein Ventil erfolgen, das eine Umlaufleitung des Umlaufsystems mit einer Einspritzpumpe oder auch mehreren Einspritzpumpen verbindet und über das die Zuleitung der Dieselkraftstoff-Wasser- Emulsion zu der Einspritzpumpe bzw. den Einspritzpumpen erfolgt. Vorzugsweise weist die Umschalteinrichtung wenigstens ein betriebsabhängig mit einer Umlaufleitung des Umlaufsystems oder einer Dieselkraftstoffzuleitung verbindbares bzw. verschaltbares Umschaltventil auf. Im Emulsionsbetrieb kann dann eine Dieselkraftstoff- Wasser-Emulsion aus der Umlaufleitung über das Umschaltventil entnommen und der Einspritzpumpe zugeführt werden, während im Dieselkraftstoffbetrieb die Entnahme von reinem Dieselkraftstoff aus der Dieselkraftstoffzuleitung erfolgt und reiner Dieselkraftstoff der Einspritzpumpe zugeführt wird. According to the device, a correspondingly designed and set up emulsion circulation system for diesel engine systems, in particular ship engine systems, is proposed that has a dosing and emulsifying device with a dosing and premixing unit, preferably a circulating pump, and an emulsifying unit downstream of the dosing unit. In the metering unit, diesel fuel and/or emulsifying water is metered in at a required fuel-water ratio, in particular in accordance with the set engine load and/or the engine output. The supply of an injection pump or several injection pumps of the diesel engine with pure diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion takes place via the switching device using a valve device via one or more tapping points in the emulsion circulation system. The extraction can take place via at least one valve which connects a circulating line of the circulating system to an injection pump or also to several injection pumps and via which the diesel fuel-water emulsion is fed to the injection pump or injection pumps. The switchover device preferably has at least one switchover valve that can be connected or switched to a circulation line of the circulation system or a diesel fuel supply line, depending on the operation. In emulsion operation, a diesel fuel-water emulsion can then be taken from the circulation line via the switching valve and fed to the injection pump, while in diesel fuel operation, pure diesel fuel is taken from the diesel fuel supply line and pure diesel fuel is fed to the injection pump.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindungsbeschreibung ist der Begriff "reiner Dieselkraftstoff" oder "Dieselkraftstoff in Alleinstellung zu verstehen als nicht-wasserange- reicherter Dieselkraftstoff, insbesondere zu verstehen als nicht in Form einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorliegender Kraftstoff. In the context of the present description of the invention, the term “pure diesel fuel” or “diesel fuel on its own is to be understood as non-water-enriched diesel fuel, in particular to be understood as fuel that is not present in the form of a diesel fuel-water emulsion.
Erfindungsgemäß wird ein modular aufgebautes Emulsionsumlaufsystem vorgeschlagen, dass eine darin integrierte Dosier- und Emulgiereinrichtung aufweist. Das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem besteht vorteilhafterweise aus einzelnen an den Emulsionsverbrauch des Motors angepassten Modulen, die an den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum in Schiffen angepasst sind. According to the invention, a modular emulsion circulation system is proposed that has a dosing and emulsifying device integrated therein. The emulsion circulation system according to the invention advantageously consists of individual modules adapted to the emulsion consumption of the engine, which are adapted to the small space available in ships.
Die Dosier- und Emulgiereinrichtung ist zur Erzeugung eines Emulsionskraftstoffes mit variablen Wasseranteilen eingerichtet bzw. ausgebildet und lässt eine Änderung eines eingestellten Wasseranteils der Emulsion bei geänderter Last oder Leistung des Dieselmotors bei geringem Zeitverzug zu. Das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem weist ein Umschaltsystem mit wenigstens einer Umschalteinrichtung auf, so dass ein last- und/oder leistungsabhängiger Betrieb des Dieselmotors mit Dieselkraftstoff oder mit Emulsion ermöglicht wird. Insbesondere in Verbindung mit einem weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Einspritzsystem, das zur Ausnutzung der verbrennungstechnisch möglichen emissionsmindernden Eigenschaften von Diesel-Wasser-Emulsionen, insbesondere bei hohen Motorlasten bis zum Erreichen der Nennlast, ausgebildet ist, kann die Einspritzung von Emulsionskraftstoffen mit entsprechend hohen Wasseranteilen von wenigstens 45 bis 50 % oder mehr möglich sein, insbesondere bei einer vorgesehenen Erhöhung der Förderkapazität der Einspritzpumpe(n) des Einspritzsystems gegenüber der Förderkapazität von für den reinen Dieselbetrieb ausgelegten Einspritzpumpen. The dosing and emulsifying device is set up or designed to produce an emulsion fuel with variable water proportions and allows a set water proportion of the emulsion to be changed when the load or performance of the diesel engine changes with a slight time delay. The emulsion circulation system according to the invention has a switching system with at least one switching device, so that load- and/or output-dependent operation of the diesel engine with diesel fuel or with emulsion is made possible. In particular in connection with an injection system according to the invention described below, which is designed to utilize the combustion-technically possible emission-reducing properties of diesel-water emulsions, in particular at high engine loads up to reaching the nominal load, the injection of emulsion fuels with correspondingly high water contents of at least 45 to 50% or more may be possible, in particular with an intended increase in the delivery capacity of the injection pump(s) of the injection system compared to the delivery capacity of injection pumps designed for pure diesel operation.
Das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem weist zumindest in einem Leitungsabschnitt einer Umlaufleitung, in der im Emulsionsbetrieb eine Kraftstoff-Wasser- Emulsion von der Dosiereinheit zum Motor geführt wird, zumindest nach der Dosiereinheit und einem (Umschalt-)Ventil der Umlaufleitung, einen Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit der geförderten Emulsion auf, um einen schnellen Emulsionstransport zu der Einspritzpumpe des Dieselmotors sicherzustellen. Damit wird eine kurze Verweilzeit der Emulsion auf dem Weg zur Einspritzpumpe erreicht, die zum einen Koagulation der Emulsion verhindert und zum anderen einen entsprechend kurzen Zeitverzug zwischen der betriebspunktabhängigen Änderung des Wasseranteils in der Dosiereinheit und der Verfügbarkeit der geänderten Emulsionszusammensetzung an der Einspritzpumpe des Dieselmotors ermöglicht. Die erforderliche relativ hohe Transportgeschwindigkeit der Emulsion kann durch einen hohen, konstant gehaltenen Durchfluss einer Umwälzpumpe des Emulsionsumlaufsystems in Verbindung mit entsprechend ausgelegten Rohrquerschnitten erreicht werden. Die vom Dieselmotor nicht verbrauchte Emulsionsmenge kann im Umlaufsystem verbleiben, so dass über einen Überstromregler bzw. ein Druckhalteventil ein für die Füllung von Pumpenelementen der Einspritzpumpen erforderlicher Emulsionsvordruck erhalten wird. Der Volumeninhalt des Emulsionsumlaufsystems wird vorzugsweise konstant gehalten. Zu diesem Zweck kann wie oben beschrieben ein vorzugsweise kontinuierlicher Ausgleich der dem Emulsionsumlaufsystem im Emulsionsbetrieb entnommenen und der bzw. den Einspritzpumpe(n) zugeführten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion durch Dosierung von Dieselkraftstoff und/oder durch Dosierung einer geregelte Menge Emulgierwasser in das Emulsionsumlaufsystem über die Dosiereinheit vorgesehen sein, wobei die Regelung der Emulgierwassermenge entsprechend einem durch den Lastpunkt und/oder die Leistung der Dieselkraftmaschine vorgegebenen Dieselkraftstoff-Emulgierwasser-Verhältnis erfolgen kann. Zu diesem Zweck kann ein entsprechend ausgebildete und eingerichtete Mess-, Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen sein. The emulsion circulation system according to the invention has, at least in a line section of a circulation line in which a fuel-water emulsion is conducted from the metering unit to the engine during emulsion operation, at least after the metering unit and a (changeover) valve of the circulation line, an area with a high flow rate of the pumped Emulsion to ensure rapid emulsion transport to the diesel engine injection pump. This ensures a short dwell time for the emulsion on the way to the injection pump, which on the one hand prevents coagulation of the emulsion and on the other hand enables a correspondingly short time delay between the operating point-dependent change in the water content in the metering unit and the availability of the changed emulsion composition at the injection pump of the diesel engine. The required relatively high transport speed of the emulsion can be achieved by a high, constant flow rate of a circulating pump of the emulsion circulating system in conjunction with appropriately designed pipe cross-sections. The quantity of emulsion not consumed by the diesel engine can remain in the circulation system, so that an emulsion admission pressure required for filling the pump elements of the injection pumps is obtained via an overflow regulator or a pressure control valve. The volume content of the emulsion circulation system is preferably kept constant. For this purpose, as described above, a preferably continuous equalization of the diesel fuel-water emulsion taken from the emulsion circulation system in emulsion operation and fed to the injection pump(s) can be achieved by metering diesel fuel and/or by metering a controlled amount of emulsifying water into the emulsion circulation system via the Dosing unit may be provided, wherein the regulation of the amount of emulsifying water can take place according to a diesel fuel/emulsifying water ratio predetermined by the load point and/or the power of the diesel engine. For this purpose, a correspondingly designed and set up measuring, control and/or regulating device can be provided.
Die Emulgierwassermenge, die zum Ausgleich der dem Emulsionsumlaufsystem im Emulsionsbetrieb entnommenen und der bzw. den Einspritzpumpe(n) zugeführten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion über die Dosiereinheit zugeführt wird, ist abhängig vom leistungsbedingten Dieselkraftstoffverbrauch und entspricht zum anderen dem für eine optimale Reduzierung der Ruß- und Stickoxidemissionen für den jeweiligen Betriebspunkt erforderlichen Wasseranteil. Die genaue Regelung des Wasseranteils kann durch den Vergleich von gemessenen über die Dosiereinheit zugeführten Volumenströmen von Dieselkraftstoff und Wasser mit den in einer elektronischen Regeleinheit, beispielsweise in einem Motorlast-Drehzahlkennfeld, gespeicherten Sollwerten für den Wasseranteil erfolgen. Hierbei können je nach Motorbetriebsweise und eingesetzter Sensorik die Kennfeld-Betriebspunkte entweder, wie bei direktgetriebenen Schiffspropellern, entsprechend der Propellerleistungskurve nur durch die Motordrehzahl oder vereinfacht über den gemessenen Dieselkraftstoffvolumenstrom oder durch eine Kombination von Motordrehzahl und Motorlast bzw. Kraftstoff- Fördermenge der Einspritzpumpen definiert sein. The amount of emulsifying water, which is supplied via the dosing unit to compensate for the diesel fuel-water emulsion taken from the emulsion circulation system in emulsion operation and fed to the injection pump(s), depends on the performance-related diesel fuel consumption and, on the other hand, corresponds to the amount required for an optimal reduction of the soot and nitrogen oxide emissions for the respective operating point required water proportion. The water content can be precisely controlled by comparing measured volume flows of diesel fuel and water supplied via the metering unit with the target values for the water content stored in an electronic control unit, for example in an engine load/speed map. Depending on the engine mode of operation and the sensors used, the map operating points can be defined either, as with directly driven ship propellers, according to the propeller performance curve only by the engine speed or, in simplified form, by the measured diesel fuel volume flow or by a combination of engine speed and engine load or fuel delivery quantity of the injection pumps.
Das vorgeschlagene Dosierkonzept lässt sich besonders vorteilhaft im Rahmen der Nachrüstung von Dieselmotoren einsetzten, wenn beispielsweise das vorhandene Dieselversorgungssystem weiterverwendet wird und damit keine zusätzliche Dieselvorförderpumpe und keine zusätzliche Dosierpumpe für das Emulsionswasser erforderlich sind. The proposed dosing concept can be used particularly advantageously when retrofitting diesel engines if, for example, the existing diesel supply system continues to be used and therefore no additional diesel pre-supply pump and no additional dosing pump for the emulsion water are required.
Der betriebswarme Motor wird im Allgemeinen mit einer an den Lastzustand angepassten Zusammensetzung der Wasser-Diesel-Emulsion betrieben. Hierbei wird bei hohen Motorlasten und entsprechend hohen Verbrennungs- und Motortemperaturen eine möglichst starke Reduzierung der NOx- und Rußemissionen durch einen hohen Wasseranteil in der Emulsion von mindestens 40 % bis 50 % oder mehr angestrebt. Dabei ist die obere Grenze des Wasseranteils im Wesentlichen durch einen verschleppten Verbrennungsablauf mit einer entsprechend auftretenden Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrades sowie ansteigenden Kohlenmonoxid- und Rußemissionen gegeben. The engine at operating temperature is generally operated with a composition of the water-diesel emulsion that is adapted to the load condition. Here, at high engine loads and correspondingly high combustion and engine temperatures, the greatest possible reduction in NOx and soot emissions is sought through a high water content in the emulsion of at least 40% to 50% or more. The upper limit of the water content is essentially given by a delayed combustion process with a corresponding deterioration in the thermal efficiency as well as increasing carbon monoxide and soot emissions.
Die Erhöhung des Wasseranteils im Emulsionskraftstoff erfolgt über die Dosiereinheit, mit der der im Umlaufsystem befindlichen Emulsion eine zusätzliche Wassermenge hinzugefügt wird. Diese mit einem höheren Wasseranteil gebildeten Emulsion erreicht die Einspritzpumpen des Motors aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen hohen Transportgeschwindigkeit im Umlaufsystem nach kurzem Zeitverzug. Damit kann, beispielsweise im Schiffsbetrieb, ein bezüglich der Abgasemissionen gutes Übergangsverhalten des Dieselmotors erreicht werden. The water content in the emulsion fuel is increased via the dosing unit, with which an additional amount of water is added to the emulsion in the circulation system. This emulsion formed with a higher proportion of water reaches the injection pumps of the engine after a short time delay due to the high transport speed provided according to the invention in the circulating system. In this way, good transient behavior of the diesel engine with regard to exhaust emissions can be achieved, for example in ship operation.
Bei Reduzierung der Motorlast kann im Umlaufsystem eine Emulsion mit einem für den niedrigeren Lastpunkt zu hohen Wasseranteil anliegen. Bei einer Reduzierung der Motorlast, beispielsweise einer Reduzierung um maximal bis zu 50 Prozent zu 70 Prozent gegenüber Volllast, kann daher der im Umlaufsystem befindlichen Emulsion, die noch einen, dem vorherigen höheren Lastpunkt entsprechenden höheren Wasseranteil aufweist, mit der Dosiereinheit ein, bezogen auf den zugeführten Dieselkraftstoff, geringerer Wasseranteil zugemischt werden. Bedingt durch die bei einer Lastreduzierung auf nicht zu niedrige Werte ausreichenden Emulsionsentnahme durch den Motor verringert sich dann der zu hohe Wasseranteil in der Umlaufemulsion durch den Motorverbrauch, wobei aufgrund der thermischen Trägheit die durch den überschüssigen Wasseranteil auftretende Verringerung der Verbrennungstemperatur nur einen geringen Einfluss auf den Verbrennungsablauf hat. When the engine load is reduced, an emulsion with too high a water content for the lower load point can be present in the circulation system. When the engine load is reduced, for example by a maximum of up to 50 percent to 70 percent compared to full load, the emulsion in the circulation system, which still has a higher water content corresponding to the previous higher load point, can be mixed with the dosing unit, based on the supplied diesel fuel, lower water content are added. Due to the fact that the emulsion is removed by the engine when the load is not reduced to values that are too low, the excess water content in the circulating emulsion is then reduced as a result of engine consumption, with the reduction in combustion temperature occurring due to the excess water content only having a minor effect on the engine due to thermal inertia combustion process.
Dieselkraftstoff kann mit einer Kraftstoffpumpe einem Dieseltank entnommen und mit einem konstanten Vordruck der Kraftstoffpumpe über eine Kraftstoffzuleitung der Dosiereinheit zugeführt werden. In der Dosiereinheit kann eine Dosierung des Dieselkraftstoffs in eine Umlaufleitung des Emulsionsumlaufsystems vorgesehen sein, wobei die Umlaufleitung mit der Kraftstoffzuleitung verbunden ist. Kommt es zu einem Abfall des Drucks in der Umlaufleitung vor der Dosiereinheit aufgrund der Volumenentnahme über die Einspritzpumpe des Motos, kann Dieselkraftstoff aus der Kraftstoffzuleitung allein aufgrund eines bestehenden Differenzdrucks zwischen der Umlaufleitung und der Kraftstoffzuleitung nachgefördert werden. Besonders bevorzugt ist keine Pumpe erforderlich, um Dieselkraftstoff aus der Kraftstoffzuleitung in die Umlaufleitung zu dosieren. Durch eine geregelte Zufuhr von Emulgierwasser in die Umlaufleitung steigt der Leitungsdruck, so dass entsprechend weniger Dieselkraftstoff nachgefördert wird. Wird kein Emulgierwasser in das Emulsionsumlaufsystem gefördert, wird vorzugsweise lediglich Dieselkraftstoff zugeführt. Das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem kann in diesem Zusammenhang vorsehen, dass eine mit einem Dieseltank verbundene Dieselkraftstoffzuleitung in eine Umlaufleitung des Emulsionsumlaufsystems mündet und das eine automatische Dosierung von Dieselkraftstoff in die Umlaufleitung vorzugsweise lediglich aufgrund des resultierenden Differenzdrucks zwischen einem Kraftstoffvordruck in der Dieselkraftstoffzuleitung und dem Druckniveau in der Umlaufleitung erfolgt. Diesel fuel can be taken from a diesel tank with a fuel pump and fed to the metering unit with a constant admission pressure of the fuel pump via a fuel supply line. In the metering unit, the diesel fuel can be metered into a circulating line of the emulsion circulating system, the circulating line being connected to the fuel supply line. If the pressure in the circulating line before the dosing unit drops due to the volume being removed via the engine's injection pump, diesel fuel can flow out of the fuel supply line simply because of the differential pressure between the circulation line and the fuel supply line are replenished. Particularly preferably, no pump is required to meter diesel fuel from the fuel supply line into the circulation line. A regulated supply of emulsifying water into the circulating line increases the line pressure so that correspondingly less diesel fuel is replenished. If no emulsifying water is pumped into the emulsion circulation system, only diesel fuel is preferably supplied. In this context, the emulsion circulation system according to the invention can provide that a diesel fuel supply line connected to a diesel tank opens into a circulation line of the emulsion circulation system and that automatic metering of diesel fuel into the circulation line is preferably only based on the resulting differential pressure between a fuel admission pressure in the diesel fuel supply line and the pressure level in the circulation line he follows.
Bei einer stärkeren Reduzierung der Motorlast auf sehr niedrige oder nulllastnahe Lastwerte bzw. Motorleistungen und/oder bei Erreichen eines bestimmten Drehzahlsprungs in Abhängigkeit von der Nenndrehzahl, beispielsweise bei einer Drehzahlabnahme von 50 bis 100 U/min bezogen auf eine Nenndrehzahl von 800 bis 1 .200,00 U/min, insbesondere 1.000 U/min, und/oder bei einer Drehzahlabnahme von 10 bis 25 U/min bezogen auf eine Nenndrehzahl von 150 bis 300 U/min, insbesondere 200 bis 250 U/min, steigt aufgrund des dann im Umlaufsystem zu hohen Wasseranteils in Verbindung mit den entsprechend geringen, durch den Motorverbrauch aus dem Emulsionsumlaufsystem entnommenen Kraftstoffmengen, der Zeitverzug bis zur Anpassung des Wasseranteils in der Emulsion. Um eine schnelle Änderung des Wassergehalts der im Umlaufsystem befindlichen Emulsion bis hin zum reinen Dieselbetrieb und damit einen gleichmäßig guten Verbrennungsablauf und ein gutes Emissionsverhalten zu gewährleisten, kann gemäß einem alternativen Aspekt der Erfindung vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit vom Lastpunkt und/oder von der Leistung der Dieselkraftmaschine, insbesondere bei Änderung der Leistung auf einen Nulllast- oder Niedriglastbetrieb, und/oder bei Erreichen eines bestimmten Drehzahlsprungs, die im Emulsionsumlaufsystem enthaltene Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorzugsweise vollständig aus dem Emulsionsumlaufsystem ausgetragen, und dann, weiter vorzugsweise, gespeichert wird. In the event of a greater reduction in engine load to very low or near-zero load load values or engine power and/or when a certain speed jump is reached depending on the nominal speed, for example when the speed decreases by 50 to 100 rpm in relation to a nominal speed of 800 to 1,200 ,00 rpm, in particular 1,000 rpm, and/or with a speed decrease of 10 to 25 rpm based on a nominal speed of 150 to 300 rpm, in particular 200 to 250 rpm, increases due to the then im Circulation system too high a water content in connection with the correspondingly low fuel quantities taken from the emulsion circulation system due to engine consumption, the time delay before the water content in the emulsion is adjusted. In order to ensure a rapid change in the water content of the emulsion in the circulation system up to pure diesel operation and thus a consistently good combustion process and good emission behavior, it can be provided according to an alternative aspect of the invention that depending on the load point and / or the power of the diesel engine, in particular when the power changes to no-load or low-load operation, and/or when a certain speed jump is reached, the diesel fuel-water emulsion contained in the emulsion circulation system is preferably completely discharged from the emulsion circulation system and then, more preferably, stored.
Der vollständige Austrag kann alle emulsionsführenden Leitungen des Emulsionsumlaufsystems betreffen, jedenfalls eine Ringleitung, mit der der Kraftstoff von der Dosiereinheit zur Dieselkraftmaschine und von der Dieselkraftmaschine in Richtung zur Dosiereinheit zurückgefördert wird. Für die Entnahme kann ein Umschaltventil vorgesehen sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, durch Spülen des Emulsionsumlaufsystems mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem Wasseranteil oder mit reinem Dieselkraftstoff das Emulsionsumlaufsystem mit einer an den tatsächlichen Lastpunkt und/oder die tatsächliche Leistung der Dieselkraftmaschine angepassten Emulsion zu versorgen. The complete discharge can affect all emulsion-carrying lines of the emulsion circulation system, at least a ring line with which the fuel is conveyed back from the metering unit to the diesel engine and from the diesel engine in the direction of the metering unit. A switching valve can be used for removal be provided. For example, it can be provided that the emulsion circulation system is supplied with an emulsion adapted to the actual load point and/or the actual performance of the diesel engine by flushing the emulsion circulation system with a diesel fuel-water emulsion with a modified water content or with pure diesel fuel.
Vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich mit dem Austrag bzw. Ableiten einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus dem Emulsionsumlaufsystem kann eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem Wasseranteil durch entsprechende Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff über die Dosiereinheit und Emulgieren in der Emulgiereinheit erzeugt und dem Emulsionsumlaufsystem zugeführt werden oder es kann dem Emulsionsumlaufsystem im Wesentlichen zeitgleich mit dem Austrag reiner Dieselkraftstoff zugeführt werden. A diesel fuel-water emulsion with a changed water content can be produced by appropriate dosing of emulsifying water and diesel fuel via the dosing unit and emulsification in the emulsifying unit and fed to the emulsion circulating system, preferably essentially at the same time as the discharge or drainage of a diesel fuel-water emulsion from the emulsion circulating system or pure diesel fuel can be fed to the emulsion circulation system substantially contemporaneously with the discharge.
Bei Laständerungen, insbesondere bei einer Lastabnahme, kann der Dieselkraftmaschine eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem und an den aktuellen Lastpunkt und/oder die aktuelle Leistung der Dieselkraftmaschine angepasstem Wasseranteil oder reiner Dieselkraftstoff zugeführt werden, wobei die Verzögerung bei der Zufuhr einer angepassten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion und/oder von reinem Dieselkraftstoff zur Dieselkraftmaschine im Wesentlichen lediglich durch die Transportgeschwindigkeit der Emulsion oder des Dieselkraftstoffs in dem Emulsionsumlaufsystem vorgegeben sein kann. In the case of load changes, in particular in the event of a load decrease, the diesel engine can be supplied with a diesel fuel-water emulsion with a modified water content and adapted to the current load point and/or the current output of the diesel engine, or pure diesel fuel, with the delay in the supply of an adapted diesel fuel Water emulsion and / or pure diesel fuel for diesel engine can be specified essentially only by the transport speed of the emulsion or diesel fuel in the emulsion circulation system.
Vorzugsweise kann die Verzögerungszeit bei einer Anpassung der erzeugten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion oder der Zufuhr von reinem Dieselkraftstoff beginnend mit dem Zeitpunkt einer Lastpunktänderung bis zu dem Zeitpunkt, an dem eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit an den geänderten Lastpunkt angepasstem Wasseranteil am Motor anliegt und eingespeist ist, weniger als 10 Sekunden, vorzugsweise weniger als 6 Sekunden, weiter vorzugsweise weniger als 4 Sekunden, bis zu weniger als 1 ,0 Sekunden, betragen, wobei die Verzögerungszeit abhängt von dem Abstand des Ortes, an dem die Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion erzeugt wird, vom Aufstellungsordnung des Motors. Vorzugsweise ist ein möglichst geringer Abstand vorgesehen, um eine geringe Verzögerungszeit zu erreichen. Preferably, the delay time in an adjustment of the generated diesel fuel-water emulsion or the supply of pure diesel fuel starting at the time of a load point change to the time at which a diesel fuel-water emulsion with the water content adapted to the changed load point is present on the engine and is fed in, less than 10 seconds, preferably less than 6 seconds, more preferably less than 4 seconds, up to less than 1.0 seconds, the delay time depending on the distance from the location at which the diesel fuel-water emulsion is generated, from the installation order of the engine. The smallest possible distance is preferably provided in order to achieve a short delay time.
Während bei höheren Drehzahlen die im Emulsionsumlaufsystem enthaltene Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aufgrund des höheren Motorverbrauchs schnell entnommen wird, wird erfindungsgemäß insbesondere bei einer Lastabnahme und/oder im unteren bis mittleren Lastbereich die im Emulsionsumlaufsystem enthaltene Emulsion ausgeschleust und durch eine Emulsion mit verändertem Wasseranteil ersetzt, die dann zum Motor geleitet wird. Insbesondere erfolgt das Ausschleusen lediglich im Nulllast- oder extremen Niedriglastbetrieb. Das Ausschleusen der im Emulsionsumlaufsystem vorhandenen Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit nicht angepasstem Wasseranteil und die Bildung einer Emulsion mit angepasstem Wasseranteil und Zuleitung zum Motor oder auch die Zuleitung von reinem Dieselkraftstoff zum Motor kann vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich erfolgen. Damit wird sichergestellt, dass der Motor möglichst unterbrechungsfrei mit einer an den Lastpunkt und/oder die Leistung der Dieselkraftmaschine angepassten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion oder auch mit reinem Dieselkraftstoff versorgt wird. Besonders bevorzugt kann eine Anpassung der Zusammensetzung der Dieselkraftstoff-Wasser- Emulsion im Emulsionsumlaufsystem an einen geänderten Lastpunkt und/oder eine geänderte Leistung der Dieselkraftmaschine, insbesondere im unteren und mittleren Drehzahlbereich, durch Ausschleusen der im Emulsionsumlaufsystem enthaltenen Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion und vorzugsweise zeitgleiche Bildung einer Emulsion mit angepasstem Wasseranteil und Zuleitung zur Dieselkraftmaschine über das Emulsionsumlaufsystem dann vorgesehen sein, wenn die Drehzahl gegenüber der Nenndrehzahl der Dieselkraftmaschine, bei der die Dieselkraftmaschine die maximale Leistung erreicht, um wenigstens 70 Prozent bis 90 Prozent abnimmt. While the diesel fuel-water emulsion contained in the emulsion circulation system is quickly removed at higher speeds due to the higher engine consumption, according to the invention, in particular when there is a load decrease and/or in In the lower to medium load range, the emulsion contained in the emulsion circulation system is discharged and replaced by an emulsion with a modified water content, which is then fed to the engine. In particular, the ejection takes place only in no-load or extremely low-load operation. The discharge of the diesel fuel-water emulsion present in the emulsion circulation system with an unadapted water content and the formation of an emulsion with an adapted water content and supply to the engine or the supply of pure diesel fuel to the engine can preferably take place essentially at the same time. This ensures that the engine is supplied with as little interruption as possible with a diesel fuel/water emulsion adapted to the load point and/or the power of the diesel engine, or else with pure diesel fuel. An adjustment of the composition of the diesel fuel-water emulsion in the emulsion circulation system to a changed load point and/or a changed performance of the diesel engine, in particular in the lower and medium speed range, can be particularly preferred by discharging the diesel fuel-water emulsion contained in the emulsion circulation system and preferably forming it at the same time an emulsion with an adjusted water content and supply line to the diesel engine via the emulsion circulation system can be provided if the speed decreases by at least 70 percent to 90 percent compared to the nominal speed of the diesel engine at which the diesel engine achieves maximum power.
Vorzugsweise kann zeitgleich mit dem Austrag einer im Emulsionsumlaufsystem anstehenden Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem Wasseranteil entsprechend dem geänderten Lastpunkt und/oder der geänderten Leistung der Dieselkraftstoffmaschine in der Dosier- und Emulgiereinrichtung erzeugt und dem Emulsionsumlaufsystem zugeführt werden. Für eine schnelle Anpassung des Wasseranteils in der dem Motor zugeführten Emulsion kann das in einer Umlaufleitung vorhandene Emulsionsvolumen vollständig in einen Emulsionszwischenspeicher bzw. Emulsionssammelbehälter abgeführt und gespeichert werden, während gleichzeitig die dem Lastpunkt oder der Motorleitung entsprechende Diesel-Wasser-Emulsion durch die Dosiereinheit bereitgestellt wird und mit hoher Transportgeschwindigkeit zum Motor gelangt. Hierdurch ist der Zeitverzug, mit dem die jeweilige Emulsion zum Motor gelangt, bei hoher und auch sehr geringer Motorlast gleich lang und nur Abhängigkeit von der Transportgeschwindigkeit im Emulsionsumlaufsystem. Wird das Emulsionsvolumen aus dem Emulsionsumlaufsystem vollständig in den Emulsionssammelbehälter geleitet und gleichzeitig die Emulgierwasserzufuhr zur Dosiereinheit unterbrochen, kann das ausgeschleuste Umlaufvolumen auch vollständig durch reinen Dieselkraftstoff ersetzt werden. Dadurch lässt sich der Emulsionsbetrieb sehr schnell beenden und in den Dieselbetrieb überführen. Außerdem wird verhindert, dass Wasserreste in den emulsionsführenden Leitungen und dem Einspritzsystem verbleiben, wodurch auch bei längerem Stillstand des Motors eine problemlose Inbetriebnahme des Motors wieder möglich ist. Preferably, at the same time as the diesel fuel-water emulsion present in the emulsion circulation system is discharged, a fuel-water emulsion with a changed water content corresponding to the changed load point and/or the changed performance of the diesel fuel machine can be produced in the metering and emulsifying device and fed to the emulsion circulation system. For a quick adjustment of the water content in the emulsion supplied to the engine, the emulsion volume present in a circulation line can be completely discharged and stored in an intermediate emulsion storage tank or emulsion collection tank, while at the same time the diesel-water emulsion corresponding to the load point or the engine line is made available by the metering unit and reaches the motor at high transport speed. As a result, the time delay with which the respective emulsion reaches the engine is the same at high and also very low engine loads and only depends on the transport speed in the emulsion circulation system. If the emulsion volume from the emulsion circulation system is completely fed into the emulsion collection tank and the emulsifying water supply to the dosing unit is interrupted at the same time, the discharged circulation volume can also be completely replaced with pure diesel fuel. As a result, emulsion operation can be ended very quickly and converted to diesel operation. In addition, it prevents water residues from remaining in the emulsion-carrying lines and the injection system, which means that the engine can be started up again without any problems even if the engine has been idle for a long time.
Das erfindungsgemäße Emulgierumlaufsystem kann eine Einrichtung zur Spülung des Umlaufsystems unter Verwendung eines Umschaltventils vorsehen und eine Auffüllung eines Emulsionssammelbehälters mit Füllstandsüberwachung. Der Spülvorgang kann durch einen Durchflussmesser überwacht werden und der Spülvorgang wird vorzugsweise solange fortgesetzt, bis das gesamte Volumen des Umlaufsystems in den Sammelbehälter ausgespült worden ist. Das Volumen des Sammelbehälters kann so gemessen sein, dass beispielsweise fünf oder mehr, weiter beispielsweise zehn, aufeinander folgende Spülvorgänge möglich sind. Im Übrigen kann eine Einrichtung zur Rückdosierung des Sammelbehälterinhalts in das Umlaufsystem nur bei laufendem Emulsionsbetrieb vorgesehen sein. The emulsifying circulating system according to the invention can provide a device for rinsing the circulating system using a switching valve and for filling an emulsion collection container with level monitoring. The flushing process can be monitored by a flow meter and the flushing process is preferably continued until the entire volume of the circulating system has been flushed into the collection container. The volume of the collection container can be measured in such a way that, for example, five or more, further for example ten, consecutive flushing processes are possible. Furthermore, a device for metering back the contents of the collection container into the circulating system can only be provided when the emulsion is in operation.
Das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem kann eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Dosierung von Dieselkraftstoff und/oder von Emulgierwasser in das Emulsionsumlaufsystem in Abhängigkeit von der der dem Emulsionsumlaufsystem im Emulsionsbetrieb entnommenen Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aufweisen. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Emulsionsumlaufsystem einen Emulsionssammelbehälter bzw. Zwischenspeicher und eine Mess-, Steuer- und/oder Regelungseinrichtung vorsehen, mit der die Befüllung und/oder die Entleerung des Emulsionssammelbehälters in Abhängigkeit von Füllstandsmessungen des Behälters und/oder von Durchflussmessungen in einer Umlaufleitung des Emulsionsumlaufsystems gesteuert und/oder geregelt wird. The emulsion circulation system according to the invention can have a control and/or regulating device for controlling and/or regulating the metering of diesel fuel and/or emulsifying water into the emulsion circulation system depending on the diesel fuel-water emulsion taken from the emulsion circulation system in emulsion operation. In particular, the emulsion circulation system according to the invention can provide an emulsion collection container or buffer and a measuring, control and/or regulating device with which the filling and/or emptying of the emulsion collection container is carried out as a function of fill level measurements in the container and/or flow measurements in a circulation line of the emulsion circulation system is controlled and/or regulated.
Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass die aus dem Emulsionsumlaufsystem ausgetragene Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion gespeichert wird und dass eine zeitversetzte Rückspeisung der gespeicherten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in das Emulsionsumlaufsystem erfolgt, wobei, vorzugsweise, die Rückspeisung mit einem auf den volumetrischen Verbrauch der Dieselkraftmaschine bezogenen Volumenstrom von 2,5 % bis 15 %, vorzugsweise von 5 % bis 10 %, vorgesehen wird. Zur Entleerung des Emulsionssammelbehälters, der als Zwischenspeicher dient, wird während des Emulsionsbetriebs des Dieselmotors der Speicherinhalt dann beispielsweise durch eine Dosierpumpe vorzugsweise kontinuierlich aus dem Sammelbehälter abgeführt und, kann, vorzugsweise, in den Wasserzulauf der Dosiereinheit gefördert werden. Aufgrund der geringen Menge des rückgeführten Speicherinhalts wirkt sich die Abweichung der resultierenden Wasserdosierung nicht oder lediglich vernachlässigbar auf das Betriebsverhalten des Dieselmotors aus. Es versteht sich, dass eine entsprechende Anpassung des Mess-, Steuerungs- und/oder Regelungssystems vorgesehen ist, um die zuvor beschriebene Teilentleerung des Emulsionssammelbehälters zu steuern und/oder zu regeln. An expedient development of the method according to the invention can provide for the diesel fuel-water emulsion discharged from the emulsion circulation system to be stored and for the stored diesel fuel-water emulsion to be fed back into the emulsion circulation system with a time delay, with the feed-back preferably being carried out using a volumetric Consumption of the diesel engine related volume flow of 2.5% to 15%, preferably from 5% to 10%. To empty the emulsion collection tank, which serves as an intermediate store, the storage contents are then preferably continuously removed from the collection tank during emulsion operation of the diesel engine, for example by a metering pump, and can, preferably, be pumped into the water inlet of the metering unit. Due to the small amount of recirculated storage content, the deviation in the resulting water metering has no or only a negligible effect on the operating behavior of the diesel engine. It goes without saying that a corresponding adjustment of the measurement, control and/or regulation system is provided in order to control and/or regulate the previously described partial emptying of the emulsion collection container.
Als Emulgierwasser kann Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser eingesetzt werden, insbesondere wobei Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser vor dem Einsatz aufbereitet, insbesondere entsalzt wird, weiter insbesondere nach einem Verfahren der Umkehrosmose, wobei das aufbereitete Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser gespeichert wird und/oder wobei Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser während des Betriebs der Dieselkraftmaschine aus der Umgebung entnommen und „on board“ und/oder bedarfsabhängig aufbereitet wird. Zur Wasseraufbereitung, insbesondere Entsalzung, kann eine erfindungsgemäße Dieselkraftmaschinenanlage ein Wasseraufbereitungssystem aufweisen. Die Entsalzung kann vorzugsweise mit einer Umkehrosmoseanlage erfolgen, die im Gegensatz zur lonen- tauschern keine Hilfsstoffe, wie Salze oder Laugen, benötigt. Die Membranen der Umkehrosmoseanlage, wie eine Pumpe zur Erzeugung des erforderlichen Wasserdrucks, können an den Salzgehalt des Rohwassers angepasst sein. Hierdurch ist ein Anlagenbetrieb, beispielsweise dem Einsatzbereich eines Schiffes im Flusswasser, Brackwasser oder Seewasserbereich oder auch Blauwasser, möglich. Zur Steuerung und/oder Regelung der Rohwasserversorgung und Entsalzung des Emulsionswassers kann eine entsprechend ausgebildete Mess-, Steuer- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise eine SPS-basierte Steuerung. River water, brackish water or sea water can be used as emulsifying water, in particular with river water, brackish water or sea water being treated before use, in particular desalinated, further in particular using a reverse osmosis process, with the treated river water, brackish water or sea water being stored and/or with river water , brackish water or seawater is taken from the environment during operation of the diesel engine and processed "on board" and/or as required. For water treatment, in particular desalination, a diesel engine system according to the invention can have a water treatment system. Desalination can preferably be carried out using a reverse osmosis system which, in contrast to ion exchangers, does not require any auxiliary substances such as salts or bases. The membranes of the reverse osmosis system, like a pump to generate the required water pressure, can be adapted to the salt content of the raw water. This enables system operation, for example in the area of use of a ship in river water, brackish water or sea water, or even blue water. To control and/or regulate the raw water supply and desalination of the emulsion water, a correspondingly designed measuring, control and/or regulating device can be provided, for example a PLC-based controller.
Eine weitere Möglichkeit zur gezielten Absenkung der Ladungstemperaturen und damit insbesondere zur Stickoxid-Reduzierung besteht in der Zuführung von Wasser in das Ansaugsystem des Motors. Bekannte Verfahren nutzen durch die Anfeuchtung der Ansaugluft durch in das Ansaugsystem, beispielsweise vor- oder hinter dem Ladeluftkühler eingespritztem Wasser, die Verdampfungswärme zur Verminderung der Ansauglufttemperatur. Da insbesondere aufgeladene Schiffsmotoren mit zumindest einem Ladeluftkühler, der mit See- oder Flusswasser als Kühlmedium arbeiten kann, ausgerüstet sind, werden bereits relativ niedrige Ladelufttemperaturen von weniger als 50 °C erreicht. Daher ist die erreichbare Temperaturabsenkung durch Kondensation des eingespritzten Wassers bereits im Saugrohr bzw. im Luftsammler stark begrenzt. Another possibility for the targeted lowering of the charge temperatures and thus in particular for the reduction of nitrogen oxides is to supply water to the engine's intake system. Known methods use the heat of vaporization to reduce the intake air temperature by humidifying the intake air with water injected into the intake system, for example upstream or downstream of the intercooler. Since, in particular, supercharged ship engines with are equipped with at least one charge air cooler that can work with sea or river water as a cooling medium, relatively low charge air temperatures of less than 50 °C are already achieved. Therefore, the temperature reduction that can be achieved through condensation of the injected water is already severely limited in the intake manifold or in the air plenum.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine, wobei eine direkte Zuführung von Wasser benachbart zum Brennraum bzw. einer Brennkammer oder Zylinders der Dieselkraftmaschine vorgesehen ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, bei dem eine direkte Zuführung von Wasser in einen Einlasskanal eines Zylinderkopfes der Dieselkraftmaschine vorgesehen ist. Dementsprechend kann die Dieselkraftmaschine wenigstens einen Zylinderkopf aufweisen mit einer wenigstens ein Einlassventil, vorzugsweise mehrere in Strömungsrichtung hintereinander liegende Einlassventile, aufweisenden Ventilanordnung, wobei eine direkte Zuführung von Wasser in einen Einlasskanal im Inneren des Zylinderkopfes erfolgt. Durch direkte Zuführung von Wasser in den Einlasskanal im Inneren des Zylinderkopfes unmittelbar benachbart zum Brennraum bzw. einer Brennkammer der Dieselkraftmaschine wird sichergestellt, dass das Wasser während eines Ansaugvorgangs in die Brennkammer gelangt und dort oder ganz benachbart zur Brennkammer verdampft. A further aspect of the present invention relates to a method for switching operation of a diesel engine, with a direct supply of water being provided adjacent to the combustion chamber or a combustion chamber or cylinder of the diesel engine. In particular, the present invention relates to a method in which a direct supply of water into an inlet port of a cylinder head of the diesel engine is provided. Accordingly, the diesel engine can have at least one cylinder head with a valve arrangement having at least one inlet valve, preferably several inlet valves arranged one behind the other in the direction of flow, with water being fed directly into an inlet channel inside the cylinder head. Directly feeding water into the intake port inside the cylinder head directly adjacent to the combustion chamber or a combustion chamber of the diesel engine ensures that the water gets into the combustion chamber during an intake process and evaporates there or very close to the combustion chamber.
Erfindungsgemäß ist die Eindüsung von Wasser jenseits einer Anschlussebene des Zylinderkopfes für einen Ansaugkrümmer vorgesehen. In einem Ansaugkrümmer oder Ansaugluftsammler kann eine Ansaugkanal-Einspritzdüse angeordnet sein, die sich von außen durch den Ansaugkanal des Ansaugkrümmers bis zur Anschlussebene oder darüber hinaus bis in das Innere des Zylinderkopfes erstrecken kann, so dass eine Zerstäuberdüse für eine Wassereindüsung direkt in den Einlasskanal auf der Anschlussebene liegt oder im Bereich des Einlasskanals im Inneren des Zylinderkopfes und damit jenseits einer Anschlussebene des Zylinderkopfes für den Ansaugkrümmer. According to the invention, water is injected beyond a connection plane of the cylinder head for an intake manifold. In an intake manifold or intake air plenum, an intake port injection nozzle can be arranged, which can extend from the outside through the intake port of the intake manifold to the connection level or beyond into the interior of the cylinder head, so that an atomizer nozzle for water injection can be injected directly into the intake port on the Connection level is or in the area of the intake port inside the cylinder head and thus beyond a connection level of the cylinder head for the intake manifold.
Besonders bevorzugt erfolgt eine getaktete Wassereindüsung. Clocked water injection is particularly preferred.
Die Tröpfchengröße des eingedüsten Wassers kann bezogen auf den Sauterdurch- messer der Tröpfchen beispielsweise zwischen 10 bis 100 pm betragen. Eine besonders wirksame Wassereindüsung kann dann erreicht werden, wenn die Mittelachse der Ansaugkanal-Einspritzdüse bzw. die Hauptströmungsrichtung des eingedüsten Wassers auf der Mittelachse des Einlasskanals liegt bzw. zentrisch zum bzw. im Einlasskanal angeordnet ist. The droplet size of the water injected can be, for example, between 10 and 100 μm, based on the Sauter diameter of the droplets. A particularly effective water injection can be achieved when the central axis of the intake port injection nozzle or the main flow direction of the injected water lies on the central axis of the intake port or is arranged centrally to or in the intake port.
Es kann eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zur automatischen Steuerung und/oder Regelung der Wassereindüsung vorgesehen sein. A control and/or regulation device for the automatic control and/or regulation of the water injection can be provided.
Das kurz vor den Einlassventilen eingebrachte Wasser kann als flüssige Tröpfchen während des Ansaugvorgangs in den Zylinder gelangen und führt dort im Wesentlichen durch die schnelle und vollständige Verdampfung zu einer deutlichen Absenkung der Ladungstemperaturen. Vorzugsweise wird das Wasser im Einlasskanal unmittelbar vor dem Einlass in den Brennraum mit einer Düse zerstäubt. Damit wird über Wärmetransportvorgänge auch eine Reduzierung der Gastemperaturen in den für die NOx-Bildung relevanten Verbrennungszonen des Kraftstoff-Luft-Gemisches erreicht. Durch die direkte Abkühlung der Zylinderladung ist im Vergleich zur weiter vom Brennraum entfernten Zufuhr in den Ansaugluftsammler, beispielsweise hinter dem Ladeluftkühler, eine vergleichsweise geringe Wassermenge zur NOx-Minde- rung erforderlich. Außerdem ist die Begrenzung der eingespritzten Wassermenge unabhängig von der Sättigung der im Saugrohr angefeuchteten Luft und weitgehend lediglich abhängig vom Einfluss auf den Verbrennungsablauf. Da das erfindungsgemäße Verfahren über eine Kennfeldsteuerung genau und schnell auf einen Betriebspunkt anwendbar ist, besteht die vorteilhafte Möglichkeit einer Ergänzung der vom Regelverhalten etwas langsameren Emulsionseinspritzung. The water that is brought in just before the intake valves can get into the cylinder as liquid droplets during the intake process, where it essentially leads to a significant reduction in charge temperatures due to rapid and complete evaporation. The water in the intake port is preferably atomized with a nozzle immediately before it enters the combustion chamber. A reduction in the gas temperatures in the combustion zones of the fuel-air mixture that are relevant for NOx formation is thus also achieved via heat transport processes. Due to the direct cooling of the cylinder charge, a comparatively small amount of water is required for NOx reduction compared to the supply into the intake air plenum further away from the combustion chamber, for example behind the intercooler. In addition, the limitation of the injected water quantity is independent of the saturation of the air humidified in the intake manifold and largely only dependent on the influence on the combustion process. Since the method according to the invention can be applied precisely and quickly to an operating point via a map control, there is the advantageous possibility of supplementing the emulsion injection, which has a somewhat slower control behavior.
Eine Wasserzufuhr über den Ansaugkanal erfolgt vorzugsweise lediglich im mittleren Lastbereich bis Volllastbereich der Dieselkraftmaschine. Der nutzbare Drehzahlbereich der Dieselkraftmaschine kann beispielsweise im Bereich zwischen 600 U/min bis 1.000 U/min liegen, wobei, vorzugsweise, eine Wasserzufuhr über den Einlasskanal lediglich im Drehzahlbereich zwischen 700 U/min bis zum Erreichen der Nenndrehzahl von beispielsweise 1.000 U/min vorgesehen sein kann. Besonders bevorzugt ist im mittleren Lastbereich bis hohen Lastbereich ein Verhältnis der in den Einlasskanal eingebrachten Wassermenge zur Wassermenge, die der Brennkammer mit der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion zugeführt wird, von 0,5 bis kleiner oder gleich 1 ,0 vorgesehen, insbesondere wird im Wesentlichen die gleiche Wassermenge über den Einlasskanal und über die Emulsion zugeführt, wobei, vorzugsweise, Abweichungen von +/- 10 Prozent tolerierbar sind. Im Leerlauf bei geringeren Drehzahlen bis zum mittleren Lastbereich kann das Verhältnis der über den Einlasskanal zugeführten Wassermenge zu der über die Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion zugeführten Wassermenge bei kleiner 0,5 liegen. Im Leerlauf bis zum mittleren Lastbereich kann auch auf eine Wasserzufuhr über den Einlasskanal verzichtet werden. Beispielsweise kann im unteren Drehzahlbereich von beispielsweise kleiner 700 U/min keine Wasserzufuhr über den Einlasskanal vorgesehen sein. Water is preferably supplied via the intake duct only in the medium load range to the full load range of the diesel engine. The usable speed range of the diesel engine can be, for example, in the range between 600 rpm and 1,000 rpm, with a water supply preferably being provided via the inlet channel only in the speed range between 700 rpm until the rated speed of, for example, 1,000 rpm is reached can be. Particularly preferred in the medium load range to high load range is a ratio of the amount of water introduced into the intake port to the amount of water supplied to the combustion chamber with the diesel fuel-water emulsion of 0.5 to less than or equal to 1.0, in particular substantially the same amount of water is supplied via the inlet channel and via the emulsion, with, preferably, deviations of +/- 10 percent being tolerable. Idle at lower At engine speeds up to the medium load range, the ratio of the water quantity supplied via the intake port to the water quantity supplied via the diesel fuel-water emulsion can be less than 0.5. When idling up to the medium load range, there is no need for a water supply via the intake port. For example, no water supply can be provided via the inlet channel in the lower speed range of, for example, less than 700 rpm.
Vorrichtungsgemäß weist die erfindungsgemäße Dieselkraftmaschinenanlage dementsprechend eine Wassereinspritzeinrichtung auf, ausgebildet und angeordnet zur Wassereinspritzung in den Einlasskanal eines Zylinderkopfes der Dieselkraftmaschine benachbart zum Einlass in die Brennkammer, so dass das eingespritzte Wasser beim Betrieb der Dieselkraftmaschine vorzugsweise mit überwiegendem Anteil in flüssiger Form während eines Ansaugvorgangs in die Brennkammer gelangt. According to the device, the diesel engine system according to the invention accordingly has a water injection device, designed and arranged for water injection into the inlet port of a cylinder head of the diesel engine adjacent to the inlet into the combustion chamber, so that the injected water during operation of the diesel engine preferably predominantly in liquid form during an intake process in the Combustion chamber reached.
Zur kontinuierlichen Zerstäubung des Wassers und zur Mengenregulierung kann vorzugsweise der durch eine Emulgierwasserversorgung bereitgestellte Wasservordruck von bis zu 16 bar genutzt werden. Statt einer kontinuierlichen Einspritzung des Wassers kann auch eine intermittierende Einspritzung zur weiter verbesserten Zerstäubung des Wassers vorgesehen sein. The water pressure of up to 16 bar provided by an emulsifying water supply can preferably be used for continuous atomization of the water and for volume regulation. Instead of a continuous injection of the water, an intermittent injection can also be provided for further improved atomization of the water.
Mit steigendem Wasseranteil nimmt der Heizwert des Emulsionskraftstoffes ab. Um ein dem Basisdieselbetrieb entsprechendes Leistungsverhalten zu erreichen, kann daher erfindungsgemäß vorgesehen sein, die in den Brennraum der Dieselkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge im Emulsionsbetrieb zu vergrößern. The calorific value of the emulsion fuel decreases with increasing water content. In order to achieve a performance behavior corresponding to basic diesel operation, it can therefore be provided according to the invention to increase the fuel quantity injected into the combustion chamber of the diesel engine in emulsion operation.
Ein hoher Anteil an größeren Dieselmotoren für den stationären oder mobilen Einsatz, beispielsweise als Schiffsantrieb, ist mit Pumpe-Leitungs-Düse-(PLD)- Einspritzsystemen ausgerüstet, bei denen eine Einspritzpumpe über eine Einspritzleitung und den Injektor jeweils einen Zylinder mit Kraftstoff versorgt. Eine Einspritzpumpe besteht aus einem Gehäuse, in das ein Pumpenelement, bestehend aus einem Pumpenzylinder und einem Pumpenkolben, integriert sind. Der Pumpenkolben wird über einen z.B. im Motorblock gelagerten Rollenstößel von einem jeweils einer Pumpe zugeordneten speziellen Nocken der Motornockenwelle angetrieben. Die Regelung der Fördermenge und damit der Motorleistung erfolgt durch ein Pumpenelement, das nach dem bekannten Überströmprinzip in Verbindung mit einer Schrägkantensteuerung zur Nutzhubveränderung arbeitet. Die hierzu erforderliche Verdrehung des Pumpenkolbens erfolgt über eine Mitnehmerhülse durch eine im Pumpengehäuse verschiebbar gelagerte Regelstange, die z.B. von einem Motordrehzahlregler angetrieben wird. Mit diesem beispielsweise im Schiffsbetrieb häufig eingesetzten Reglertyp wird die Motordrehzahl, entsprechend einem vorgegebenen Sollwert und innerhalb der Leistungsgrenzen des Motors, auf einem kontanten Wert geregelt. A large proportion of larger diesel engines for stationary or mobile use, for example as ship propulsion systems, are equipped with pump-line-nozzle (PLD) injection systems in which an injection pump supplies one cylinder with fuel via an injection line and the injector. An injection pump consists of a housing in which a pump element consisting of a pump cylinder and a pump piston are integrated. The pump piston is driven via a roller tappet mounted in the engine block, for example, by a special cam of the engine camshaft assigned to each pump. The flow rate and thus the engine output are regulated by a pump element that works according to the well-known overflow principle in conjunction with a bevel edge control to change the useful stroke. The rotation of the pump piston required for this takes place via a driver sleeve through an im Pump housing slidably mounted control rod, which is driven by an engine speed controller, for example. With this type of controller, which is often used in ship operation, for example, the engine speed is controlled at a constant value in accordance with a specified setpoint and within the power limits of the engine.
Die Förderung des zuvor durch Zulaufbohrungen in den Druckraum des Pumpenelementes angesaugten Kraftstoffs beginnt mit dem Verschließen der Zulaufbohrungen durch die Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens. Nach dem Druckaufbau erfolgt die Förderung über ein Druckventil in die Einspritzleitung sowie die anschließende Einspritzung durch den Injektor. Das Ende der Förderung wird je nach Lage der Steuerkante und entsprechendem Nutzhub dann erreicht, wenn der Kraftstoffdruck im Druckraum des Pumpenelements durch die vom Pumpenkolben freigegebenen Zulaufbohrungen über eine Überströmnut in den Saugraum abgebaut wird. The pumping of the fuel that has previously been sucked into the pressure chamber of the pump element through the inlet bores begins when the inlet bores are closed by the upward movement of the pump piston. After the pressure has built up, it is pumped via a pressure valve into the injection line and then injected by the injector. Depending on the position of the control edge and the corresponding useful stroke, the end of delivery is reached when the fuel pressure in the pressure chamber of the pump element is reduced through the inlet bores released by the pump piston via an overflow groove into the suction chamber.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung, der vorzugsweise mit den vorgenannten Aspekten kombiniert werden kann, betrifft ein Nach- und/oder Um rüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine der Dieselkraftmaschinenanlage mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser- Emulsion, insbesondere zum Dieselkraftstoffbetrieb oder Emulsionsbetrieb in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine und/oder der Motorleistung, insbesondere zum Nach- und/oder Umrüsten von Schiffsmotoren, wobei eine zum Betrieb der Dieselkraftmaschine mit reinem Dieselkraftstoff ausgewählte und eingerichtete Einspritzpumpe der Dieselkraftmaschine durch eine Nachrüst- und/oder Austausch-Einspritzpumpe ausgetauscht wird, die einen bestimmten vergrößerten Innendurchmesser eines Pumpenzylinders der Einspritzpumpe und einen vergrößerten Außendurchmesser eines Pumpenkolbens der Einspritzpumpe aufweisen kann. Die Vergrößerung des Außendurchmessers des Pumpenkolbens der Einspritzpumpe ist vorzugsweise begrenzt auf 5 Prozent bis 20 Prozent, vorzugsweise bis 10 Prozent, bezogen auf den Durchmesser einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Einspritzpumpe. A further aspect of the invention, which can preferably be combined with the aforementioned aspects, relates to a retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with diesel fuel to switchover operation of a diesel engine of the diesel engine system with or with diesel fuel a diesel fuel-water emulsion, in particular for diesel fuel operation or emulsion operation depending on the engine load of the diesel engine and/or the engine power, in particular for retrofitting and/or converting ship engines, with an injection pump selected and set up to operate the diesel engine with pure diesel fuel Diesel engine is replaced by a retrofit and / or replacement injection pump, which has a certain enlarged inner diameter of a pump cylinder of the injection pump and an enlarged outer diameter of a pump piston of the one may have injection pump. The increase in the outside diameter of the pump piston of the injection pump is preferably limited to 5 percent to 20 percent, preferably up to 10 percent, based on the diameter of an injection pump set up to operate with pure diesel fuel.
Alternativ oder insbesondere ergänzend kann eine Einspritzpumpe mit einem Pumpenkolben mit einer an den Betrieb mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion und den Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff gleichermaßen angepassten Steuerkantengeometrie vorgesehen sein. Vorzugsweise ist eine Vergrößerung des Innendurchmessers des Pumpenzylinders der Einspritzpumpe und des Außendurchmessers des Pumpenkolbens sowie eine Modifikation einer Steuerkantengeometrie eines Pumpenelements vorgesehen, das nach dem bekannten Überströmprinzip in Verbindung mit einer Schrägkantensteuerung zur Nutzhubveränderung arbeitet. Für die Umrüstung auf den Dieselkraftstoff- Wasser-Emulsionsbetrieb kommt zur Vergrößerung der maximalen Einspritzmenge aus wirtschaftlichen Gründen eine Vergrößerung des Kolbendurchmessers mit entsprechender Anpassung der Lage der Steuerkante vorteilhaft in Betracht. Da die Empfindlichkeit des Motorreglers auf den Basis-Dieselbetrieb abgestimmt ist, tritt bei vergrößertem Kolbendurchmesser eine bezogen auf den Regelstangenweg stärkere Änderung der Fördermenge auf. Dies führt bei Änderungen, beispielsweise der Motordrehzahl, entsprechend dem dynamischen Regelverhalten, zu kurzeitigen Überschwingern und damit zu einer stärkeren Vergrößerung der Einspritzmenge verbunden mit der Gefahr einer verstärkten Rußbildung. Außerdem treten aufgrund der begrenzten Regelgenauigkeit große Schwankungen der Kraftstoffeinspritzmengen auf. Alternatively or in particular additionally, an injection pump with a pump piston with a control edge geometry that is equally adapted to operation with a diesel fuel/water emulsion and operation with pure diesel fuel can be provided. An increase in the inner diameter of the pump cylinder of the injection pump and the outer diameter of the pump piston as well as a modification of the control edge geometry of a pump element are preferably provided, which works according to the known overflow principle in conjunction with a bevel edge control for changing the useful stroke. When converting to diesel fuel/water emulsion operation, an increase in the piston diameter with a corresponding adjustment of the position of the control edge can be considered to increase the maximum injection quantity for economic reasons. Since the sensitivity of the engine controller is adjusted to the basic diesel operation, the larger the piston diameter, the greater the change in the flow rate in relation to the travel of the control rod. In the event of changes, for example in the engine speed, this leads to brief overshoots in accordance with the dynamic control behavior and thus to a greater increase in the injection quantity, combined with the risk of increased soot formation. In addition, due to the limited control accuracy, there are large fluctuations in the fuel injection quantities.
Die zuvor beschriebene Vergrößerung des Innendurchmessers des Pumpenzylinders und/oder des Außendurchmessers des Pumpenkolbens und/oder die Modifikation der Steuerkantengeometrie sind im Verhältnis zum Innendurchmesser des Pumpenzylinders und Außendurchmesser des Pumpenkolbens sowie der Steuerkantengeometrie des Pumpenkolbens einer Einspritzpumpe zu verstehen, die für den reinen Dieselkraftstoffbetrieb ausgelegt ist. The increase in the inner diameter of the pump cylinder and/or the outer diameter of the pump piston and/or the modification of the control edge geometry described above are to be understood in relation to the inner diameter of the pump cylinder and outer diameter of the pump piston as well as the control edge geometry of the pump piston of an injection pump that is designed for pure diesel fuel operation .
Durch eine erfindungsgemäße Änderung der Steuerkantengeometrie bzw. die Verwendung einer Einspritzpumpe mit einem Pumpenkolben, der eine solche angepasste Steuerkantengeometrie aufweist, lässt sich die auf den Regelstangenweg bezogene Änderung der Fördermenge an den Diesel- oder Emulsionsbetrieb (Wechselbetrieb) anpassen. Vorzugsweise kann die Modifikation der Steuerkantengeometrie bei einer unteren Steuerkante einen ersten Steuerkantenabschnitt mit einer geringeren Steuerkantensteigung für ein geringeres Fördervolumen im Dieselkraftstoffbetrieb und einen zweiten Steuerkantenabschnitt mit einer größeren Steuerkantensteigung für ein größeres Fördervolumen im Emulsionsbetrieb vorsehen. Der Pumpenkolben kann eine für den Dieselbetrieb geeignete geringere Steuerkantensteigung aufweisen, so dass beispielsweise eine für die Erhöhung der Fördermenge erforderliche Vergrößerung des Regelstangenweges eine gegenüber einer geraden Steuerkante reduzierte Fördermengenänderung bewirkt. Für größere Fördermengen, wie sie für den Emulsionsbetrieb erforderlich sind, erfolgt eine Verdrehung des Pumpenkolbens durch eine entsprechend weitere Vergrößerung des Regelstangenweges in den Bereich einer deutlich steiler angeordneten Steuerkante. Hierdurch wird eine für den höheren Lastbereich des Motors erforderliche Mengenanhebung erreicht. Hierbei weist der Bereich der Steuerkante im unteren Bereich des Kolbenverdrehwinkels, der im Dieselbetrieb benutzt wird, eine geringere Steigung auf, während für die Regelung der sehr viel größeren Einspritzmengen im Emulsionsbetrieb, entsprechend dem größeren Verdrehwinkel des Pumpenkolbens, eine steiler verlaufende Steuerkante vorgesehen ist. Damit wird trotz größerem Pumpenkolbendurchmesser im Bereich kleinerer Regelstangenwege ein weitgehend der Basis-Dieseleinspritzpumpe vergleichbarer Einspritzmengenverlauf erreicht, während im anschließenden Bereich bei Vergrößerung des Regelstangenweges die für den Emulsionsbetrieb erforderlichen zusätzlichen Einspritzmengen bereitgestellt werden können. Die im Emulsionseinspritzsystem eingesetzte Einspritzdüse kann an eine größere Einspritzmengenspreizung angepasst sein, so dass auch im Dieselbetrieb eine schadstoffarme Verbrennung erreicht werden kann. By changing the control edge geometry according to the invention or by using an injection pump with a pump piston that has such an adapted control edge geometry, the change in the delivery rate related to the control rod travel can be adapted to diesel or emulsion operation (alternating operation). Preferably, the modification of the control edge geometry at a lower control edge can provide a first control edge section with a lower control edge gradient for a lower delivery volume in diesel fuel operation and a second control edge section with a larger control edge gradient for a larger delivery volume in emulsion operation. The pump piston can have a lower control edge slope suitable for diesel operation, so that, for example, an increase in the control rod travel required to increase the delivery rate causes a reduced delivery rate change compared to a straight control edge. For bigger Delivery quantities, such as are required for emulsion operation, the pump piston is twisted by a corresponding further increase in the control rod travel in the area of a significantly steeper control edge. This achieves the quantity increase required for the higher load range of the engine. In this case, the area of the control edge in the lower area of the piston torsion angle, which is used in diesel operation, has a lower gradient, while a steeper control edge is provided for controlling the much larger injection quantities in emulsion operation, corresponding to the larger torsion angle of the pump piston. Despite the larger pump piston diameter in the area of smaller control rod travel, an injection quantity profile that is largely comparable to that of the basic diesel injection pump is achieved, while in the subsequent area the additional injection quantities required for emulsion operation can be provided when the control rod travel is increased. The injection nozzle used in the emulsion injection system can be adapted to a larger injection quantity spread, so that low-emission combustion can also be achieved in diesel operation.
Um im reinen Dieselbetrieb ein Überschwingen des Pumpenreglers in Bereiche der Steuerkante, in denen zu große Dieselkraftstoffmengen mit entsprechenden Nachteilen bei den Ruß- bzw. Partikelemissionen verbunden sein können, zu verhindern, kann eine vom Motorkennfeld gesteuerte Begrenzung des Regelstangenweges vorgesehen sein. Diese Begrenzung der Dieselmenge kann im Emulsionsbetrieb abhängig von der Motorlast und dem Wasseranteil, beispielsweise stufenweise oder aber kontinuierlich geregelt, zurückgenommen werden. Der Regelstangenweg einer zur Verdrehung des Pumpenkolbens vorgesehenen Regelstange kann dementsprechend erfindungsgemäß zur Begrenzung des Fördervolumens im Dieselkraftstoffbetrieb begrenzt und für einen größeren Fördervolumenstrom im Emulsionsbetrieb kann ein größerer Regelstangenweg, insbesondere der maximale Regelstangenweg, freigegeben werden. In order to prevent the pump controller from overshooting in areas of the control edge in pure diesel operation, in which too large quantities of diesel fuel can be associated with corresponding disadvantages in terms of soot or particle emissions, a limitation of the control rod travel controlled by the engine map can be provided. In emulsion operation, this limitation of the amount of diesel can be withdrawn depending on the engine load and the proportion of water, for example in a stepwise or continuously controlled manner. The control rod travel of a control rod provided for rotating the pump piston can accordingly be limited according to the invention to limit the delivery volume in diesel fuel operation and a larger control rod travel, in particular the maximum control rod travel, can be released for a larger delivery volume flow in emulsion operation.
Mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoff-Wasser-Emulsionsverfahren ist es aufgrund hoher einsetzbarer Wasseranteile besonders bei hohen Motorleistungen möglich, eine erhebliche Minderung der Ruß- und Stickoxidemissionen sowie gegebenenfalls etwas günstigere Kraftstoffverbrauchswerte zu erzielen. Allerdings ist die tatsächlich erreichbare Verbesserung des Emissionsverhaltens abhängig von der Abstimmung des Einspritzsystems sowie des Brennverfahrens. Insbesondere bei einer Nach- bzw. Umrüstung von älteren Motoren mit relativ hohen Ausgangswerten für die Stickoxidemissionen kann es vorteilhaft sein, zusätzlich zum Emulsionsbetrieb weitere Maßnahmen zur Verbesserung des Schadstoffemissionsverhaltens anzuwenden. Die Erfindung sieht daher vorzugsweise eine weitere und/oder alternative Möglichkeit zur Modifikation der Steuerkantengeometrie eines Pumpenkolbens der Einspritzpumpe vor. An der Oberkante des Pumpenkolbens kann im Verdrehbereich für hohe Emulsionseinspritzmengen eine zusätzliche Steuerkante angeordnet sein. Hierdurch wird im Emulsionsbetrieb eine Verspätung des Förderbeginns zur weiteren Absenkung der Stickoxidemission genutzt. With the fuel-water emulsion process according to the invention, it is possible to achieve a considerable reduction in soot and nitrogen oxide emissions and possibly somewhat more favorable fuel consumption values due to the high proportion of water that can be used, particularly at high engine outputs. However, the improvement in emission behavior that can actually be achieved depends on the tuning of the injection system and the combustion process. Especially when retrofitting or converting older engines with relatively high initial values for the nitrogen oxide emissions, it can be advantageous to use further measures to improve the pollutant emission behavior in addition to emulsion operation. The invention therefore preferably provides a further and/or alternative possibility for modifying the control edge geometry of a pump piston of the injection pump. An additional control edge can be arranged on the upper edge of the pump piston in the torsion area for high emulsion injection quantities. As a result, in emulsion operation, a delay in the start of delivery is used to further reduce nitrogen oxide emissions.
Der Pumpenkolben kann erfindungsgemäß eine durch den Übergang einer Stirnseite zur Mantelfläche des Pumpenkolbens gebildete erste obere Steuerkante für den Einspritzbeginn aufweisen, wobei die Modifikation der Steuerkantengeometrie zusätzlich zur ersten oberen Steuerkante wenigstens einen obenliegenden axial gegenüber der ersten oberen Steuerkante vertieften Bereich mit wenigstens einer zweiten oberen Steuerkante vorsehen kann für eine Spätverschiebung des Einspritzbeginns, und wobei, vorzugsweise, die zweite obere Steuerkante im Bereich axial oberhalb einer unteren Steuerkante für den Emulsionsbetrieb angeordnet ist, so dass eine Spätverstellung des Einspritzbeginns im Emulsionsbetrieb erfolgt. According to the invention, the pump piston can have a first upper control edge for the start of injection formed by the transition from an end face to the outer surface of the pump piston, the modification of the control edge geometry in addition to the first upper control edge at least one upper area that is recessed axially with respect to the first upper control edge and has at least one second upper control edge can provide for retarding the start of injection, and wherein, preferably, the second upper control edge is arranged in the area axially above a lower control edge for emulsion operation, so that the start of injection is retarded in emulsion operation.
Insbesondere wegen hoher NOx-Emissionen im oberen Lastbereich kann eine Verspätung des Kraftstoffförderbeginns zur weiteren Reduzierung der Verbrennungstemperaturen und damit der NOx-Emissionen vorgesehen werden. Ein im Emulsionsbetrieb verlängerter Zündverzug mit entsprechend größerem Anteil vorgemischten Kraftstoff-Luft-Gemisches und der daraus resultierenden kürzeren Brenndauer, insbesondere im höheren Lastbereich, erlaubt eine moderate Verschiebung der Einspritzung in Richtung "spät", wobei eine Grenze im Wesentlichen durch die bei zu starker Verspätung des Einspritzbeginns auftretende Wirkungsgradverschlechterung gegeben ist. Im reinen Dieselbetrieb dagegen ist selbst eine geringe Verspätung des Einspritzbeginns wegen der auftretenden verschleppten Verbrennung sowie dementsprechend verschlechtertem Wirkungsgradverhalten und zunehmender Rußemission nicht sinnvoll. Due to high NOx emissions in the upper load range in particular, a delay in the start of fuel delivery can be provided for further reducing the combustion temperatures and thus the NOx emissions. A longer ignition delay in emulsion operation with a correspondingly larger proportion of premixed fuel-air mixture and the resulting shorter combustion period, especially in the higher load range, allows the injection to be moderately shifted in the "retarded" direction, with a limit essentially being set by the delay that is too great the start of injection occurring deterioration in efficiency is given. In pure diesel operation, on the other hand, even a slight delay in the start of injection does not make sense because of the delayed combustion that occurs and the correspondingly worse efficiency behavior and increasing soot emissions.
Eine Spätverschiebung des Förderbeginns kann erfindungsgemäß durch eine zusätzliche "obenliegende" Steuerkante erreicht werden, die bei der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens den Druckraum des Pumpenelements etwas später von der Zulaufbohrung trennt, so dass ein Aufbau des Einspritzdruckes stattfinden kann. Hierbei lässt sich eine Verschiebung des Förderbeginns um ca. 2 bis 5 Grad Kurbelwinkel erreichen. Da die Spätverstellung des Förderbeginns nur im oberen Lastbereich des Emulsionsbetriebes stattfinden soll, ist die obere Steuerkante entsprechend oberhalb der Steuerkante zur Mengenregelung des Emulsionskraftstoffes angeordnet. Damit lässt sich die Spätverstellung vorteilhafter weise auf den oberen Lastbereich im Emulsionsbetrieb begrenzen. The start of delivery can be delayed according to the invention by an additional "overhead" control edge, which separates the pressure chamber of the pump element from the inlet bore somewhat later during the upward movement of the pump piston, so that the injection pressure can build up. The start of delivery can be shifted by approx. 2 to 5 degrees reach crank angle. Since the retardation of the start of delivery should only take place in the upper load range of emulsion operation, the upper control edge is accordingly arranged above the control edge for regulating the quantity of the emulsion fuel. The retardation can thus advantageously be limited to the upper load range in emulsion operation.
Bei einer Kombination von Kolbendurchmesservergrößerung und Vergrößerung des Nutzhubes durch Anpassung der Steuerkante am Pumpenkolben zur Beendigung des Fördervorgangs kann eine Durchmesseranpassung am Pumpenkolben geringer ausfallen. Dadurch lässt sich auch die Belastung eines Rollenstößels zum Pumpenkolbenantrieb reduzieren. With a combination of increasing the piston diameter and increasing the useful stroke by adjusting the control edge on the pump piston to end the pumping process, the diameter adjustment on the pump piston can be smaller. This also allows the load on a roller tappet to drive the pump piston to be reduced.
Zur Begrenzung der Dieselkraftstoffeinspritzmengen im entsprechenden Steuerkantenbereich kann eine schaltbare bzw. steuerbare Regelstangenwegbegrenzung eingesetzt werden. Bei einer kennfeldabhängigen größeren Einspritzmenge im Emulsionsbetrieb wird ein vergrößerter oder der gesamte Regelstangenweg freigegeben. Die Freigabe kann insbesondere in Abhängigkeit vom Ladedruck und/oder dem Wasseranteil der Emulsion erfolgen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann dementsprechend vorsehen, dass eine Modifikation des Regelstangenweges einer zur Verdrehung des Pumpenkolbens vorgesehene Regelstange vorgesehen wird, wobei der Regelstangenweg zur Begrenzung des Fördervolumenstroms im Dieselkraftstoffbetrieb begrenzt wird und wobei für einen größeren Fördervolumenstrom im Emulsionsbetrieb ein größerer Regelstangenweg, insbesondere der maximale Regelstangenweg, vorgesehen wird. Zur Steuerung der Regelstangenanschläge kann eine SBS-basierte Steuerung vorgesehen sein. A switchable or controllable control rod travel limiter can be used to limit the diesel fuel injection quantities in the corresponding control edge area. In the case of a map-dependent larger injection quantity in emulsion operation, an increased or the entire control rod travel is released. The release can take place in particular as a function of the charging pressure and/or the water content of the emulsion. A method according to the invention can accordingly provide that a modification of the control rod travel of a control rod provided for rotating the pump piston is provided, with the control rod travel being limited to limit the delivery volume flow in diesel fuel operation and with a larger control rod travel, in particular the maximum control rod travel, being required for a larger delivery volume flow in emulsion operation. is provided. An SBS-based controller can be provided to control the control rod stops.
Eine erfindungsgemäße Einspritzpumpe für eine Dieselkraftmaschine sieht einen Pumpenkolben mit modifizierter Steuerkantengeometrie und/oder mit einer zuvor beschriebenen Begrenzung des Regelstangenweges vor. An injection pump according to the invention for a diesel engine provides a pump piston with a modified control edge geometry and/or with a previously described limitation of the control rod travel.
Ein Pumpenkolben einer Einspritzpumpe und/oder eine Ventilnadel eines Einspritzventils der Dieselkraftmaschine können bereichsweise eine verschleißmindernde Beschichtung und/oder eine Korrosionsschutzbeschichtung aufweisen. Zur Verminderung des im Emulsionsbetrieb erhöhten Verschleißes am Pumpenkolben sowie an der Ventilnadel des Einspritzventils im Injektor können die entsprechenden Flächen mit einer verschleißmindernden Beschichtung, insbesondere einer CLD- bzw. car- bon-like-diamond-Beschichtung versehen werden. Diese Verschleißschutzbe- Schichtung in Verbindung mit im Vergleich zu serienmäßigen Pumpenelement- und Düsenpassungen führen zu einer vergleichsweise erheblich längeren Lebensdauer dieser Bauteile. Die Erfindung betrifft in diesem Zusammenhang ein Nach- und/oder Umrüstverfahren, wobei eine zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichtete Einspritzpumpe der Dieselkraftmaschine durch eine Nachrüst- und/oder Austausch-Einspritzpumpe ausgetauscht wird, die einen Pumpenkolben mit zumindest bereichsweise vorgesehener verschleißmindernder Beschichtung und/oder Korrosionsschutzbeschichtung aufweist. Alternativ oder ergänzend kann im Wege der Nach- und/oder Umrüstung ein zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichtetes Einspritzventil der Dieselkraftmaschine durch ein Nachrüst- und/oder Austausch-Einspritzventil ausgetauscht werden, das eine Ventilnadel mit zumindest bereichsweise vorgesehener verschleißmindernder Beschichtung und/oder Korrosionsschutzbeschichtung aufweist. A pump piston of an injection pump and/or a valve needle of an injection valve of the diesel engine can have a wear-reducing coating and/or an anti-corrosion coating in certain areas. To reduce the increased wear on the pump piston in emulsion operation and on the valve needle of the injection valve in the injector, the corresponding surfaces can be provided with a wear-reducing coating, in particular a CLD or carbon-like diamond coating. This wear protection Layering in connection with compared to standard pump element and nozzle fits lead to a comparatively considerably longer service life of these components. In this context, the invention relates to a retrofitting and/or conversion method, in which an injection pump of the diesel engine that is set up for operation with diesel fuel is replaced by a retrofitting and/or replacement injection pump that has a pump piston with a wear-reducing coating and/or anti-corrosion coating provided at least in certain areas having. Alternatively or additionally, as part of retrofitting and/or conversion, an injection valve of the diesel engine that is set up for operation with diesel fuel can be replaced with a retrofit and/or replacement injection valve that has a valve needle with a wear-reducing coating and/or anti-corrosion coating provided at least in certain areas.
Die Beschichtungen stellen außerdem einen sehr guten Korrosionsschutz dar. Alle anderen Komponenten des Einspritzsystems sowie der Emulsionsversorgungsanlage, die mit dem Diesel-Wasser-Emulsionskraftstoff in Kontakt kommen, wie emulsionsführende Rohrleitungen und Ventile, können durch Verwendung rostfreier Stählen bzw. Rohre oder einer Oberflächenbeschichtung mit z.B. Nickel korrosionsgeschützt ausgeführt sein und insbesondere im Bereich höherer Drücke aus korrosionsbeständigen Stählen bestehen. Im Niederdruckbereich, beispielsweise im Bereich einer Emulsionswasser-Aufbereitung, können Kunststoffrohre und/oder Wellschläuche, beispielsweise aus EPDM oder Teflon, als flexible Verbindungen zum Einsatz kommen. The coatings also provide very good corrosion protection. All other components of the injection system and the emulsion supply system that come into contact with the diesel-water emulsion fuel, such as emulsion-carrying pipes and valves, can be protected by using stainless steels or pipes or a surface coating with e.g. Nickel must be protected against corrosion and consist of corrosion-resistant steels, especially in the area of higher pressures. In the low-pressure area, for example in the area of emulsion water treatment, plastic pipes and/or corrugated hoses, for example made of EPDM or Teflon, can be used as flexible connections.
Darüber hinaus kann eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, um die Kraftstoff-Wasser-Emulsion im Emulsionsumlaufsystem gegen eine übermäßige Erwärmung zu schützen und damit eine Reduzierung der Emulsionsstabilität zu vermeiden. In addition, a cooling device can be provided in order to protect the fuel-water emulsion in the emulsion circulation system against excessive heating and thus to avoid a reduction in the emulsion stability.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. In der Zeichnung zeigen The invention is explained below by way of example with reference to the drawing. Show in the drawing
Fig. 1 ein Anlagenschema einer Ausführungsform einer Dieselkraftmaschinenanlage mit einem Emulsionsumlaufsystem der erfindungsgemäßen Art zur Versorgung der Dieselkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion für einen 6-Zylindermotor und vorgesehene Emulgierwasserversorgungseinrichtungen; Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Kraftstoff-Einspritzpumpe mit einem Pumpenkolben mit erfindungsgemäß modifizierter Steuerkantengeometrie; 1 shows a system diagram of an embodiment of a diesel engine system with an emulsion circulation system of the type according to the invention for supplying the diesel engine with a fuel-water emulsion for a 6-cylinder engine and provided emulsifying water supply devices; 2 shows a basic illustration of a fuel injection pump with a pump piston with a control edge geometry modified according to the invention;
Fig. 2A eine Einzeldarstellung des Pumpenkolbens der Kraftstoff-Einspritzpumpe aus Fig. 2; FIG. 2A shows an individual illustration of the pump piston of the fuel injection pump from FIG. 2;
Fig. 3 eine beispielhafte Darstellung des Einspritzmengenverlaufes in Abhängigkeit vom Regelstangenweg bei Verwendung eines Pumpenkolbens mit einem erfindungsgemäß vorgesehenen modifizierten Steuerkantenverlauf gemäß Fig. 2; 3 shows an example of the course of the injection quantity as a function of the travel of the control rod when using a pump piston with a modified control edge course according to FIG. 2 provided according to the invention;
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Pumpenkolbens für eine Kraftstoff- Einspritzpumpe mit erfindungsgemäß modifizierter Steuerkantengeometrie; 4 shows a basic illustration of a further pump piston for a fuel injection pump with a control edge geometry modified according to the invention;
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer Wasser-Zusatzeinspritzung in den Einlasskanal eines Zylinderkopfes eines Dieselmotors, beispielsweise der in Fig. 1 dargestellten Dieselkraftmaschinenanlage, und 5 shows a schematic diagram of an additional water injection into the intake port of a cylinder head of a diesel engine, for example the diesel engine system shown in FIG. 1, and
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Steuergerätes für ein Kraftstoff-Was- ser-Emulsionsversorgungssystem. 6 shows a schematic representation of a control device for a fuel-water emulsion supply system.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine besonders für die Nachrüstung von Schiffsmotoren geeignetes Emulsionsversorgungssystem, bestehend aus den Komponenten einer Pumpeneinheit (100) zur Entnahme des Rohwassers und den Komponenten einer Emulgierwasseraufbereitung (200) zur anschließenden Aufbereitung und Speicherung des entsalzten Wassers zur Versorgung einer Emulgieranlage (300). Die Emulgieranlage (300) versorgt über eine als Ringleitung (401 ) ausgebildete Umlaufleitung einen Dieselmotor (400) in einem Emulsionsbetrieb mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion. Eine Kraftstoff-Wasser-Dosiereinheit (314), eine Emulsionskreislaufpumpe (306) und ein Emulgierer (309) sind strömungstechnisch in die Umlaufleitung (401 ) integriert und bilden Komponenten eines Emulsionsumlaufsystems. Zudem weist das Emulsionsumlaufsystem mehrere Umschaltventile (405.1-6) auf, die zur Versorgung der Zylinder des Dieselmotors (400) mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion im Emulsionsbetrieb oder mit reinem Dieselkraftstoff in einem Dieselbetrieb des Dieselmotors (400) vorgesehen sind. Über die Umschaltventile (405) erfolgt im Emulsionsbetrieb eine Entnahme der Dieselkraftstoff-Wasser- Emulsion aus der Umlaufleitung (401 ) und die Zuleitung zu. Die Versorgung des Dieselmotors (400) erfolgt durch die Entnahme von Emulsionskraftstoff aus der Umlaufleitung (401 ) und die Zuleitung zu Kraftstoffeinspritzpumpen (402) des Dieselmotors (400). Fig. 1 shows a schematic representation of an emulsion supply system that is particularly suitable for retrofitting ship engines, consisting of the components of a pump unit (100) for removing the raw water and the components of an emulsifying water treatment (200) for the subsequent treatment and storage of the desalinated water to supply a Emulsification plant (300). The emulsifying system (300) supplies a diesel engine (400) in emulsion operation with a diesel fuel-water emulsion via a circulation line designed as a ring line (401). A fuel-water metering unit (314), an emulsion circulation pump (306) and an emulsifier (309) are fluidically integrated into the circulation line (401) and form components of an emulsion circulation system. In addition, the emulsion circulation system has a number of changeover valves (405.1-6), which are provided to supply the cylinders of the diesel engine (400) with a diesel fuel-water emulsion in emulsion mode or with pure diesel fuel in diesel mode of the diesel engine (400). In emulsion operation, the diesel fuel-water Emulsion from the circulation line (401) and the supply line. The diesel engine (400) is supplied by removing emulsion fuel from the circulating line (401) and feeding it to the fuel injection pump (402) of the diesel engine (400).
Alle Anlagenkomponenten sind einzeln skalierbar und damit sowohl an den erforderlichen Emulsionskraftstoffbedarf des oder der Motoren als auch an den verfügbaren Einbauraum sowie die Entnahmemöglichkeiten von beispielsweise See- oder Flusswasser anpassbar. Die Steuerung bzw. Regelung des Emulsionsversorgungssystems erfolgt durch eine SPS-basierte Steuer- und Regeleinheit (500) auf Basis einer SPS, die mit Sensoren und Aktoren verbunden ist. All system components are individually scalable and can therefore be adapted to the required emulsion fuel requirement of the engine(s) as well as to the available installation space and the extraction options for sea or river water, for example. The emulsion supply system is controlled or regulated by a PLC-based control and regulation unit (500) based on a PLC, which is connected to sensors and actuators.
Die Bedienung der Steuer- und Regeleinheit (500) aller Komponenten der Emulgierversorgungsanlage erfolgt über eine Bedieneinheit (501 ). The control and regulation unit (500) of all components of the emulsification supply system is operated via an operating unit (501).
Weitere Bauteile und Komponenten der Pumpeneinheit (100), der Emulgierwasseraufbereitung (200), der Emulgieranlage (300) und des Dieselmotors (400) können der Bezugszeichenliste entnommen werden. Further parts and components of the pump unit (100), the emulsifying water treatment (200), the emulsifying system (300) and the diesel engine (400) can be found in the list of reference numbers.
Als zentrale Komponente des Emulsionsversorgungssystems umfasst die Emulgieranlage (300) Komponenten des Emulsionsumlaufsystems und Komponenten einer Emulsionsspeichereinheit (314). Die Umlaufleitung (401) bildet einen Emulsionskreislauf und ist als Ringleitung konzipiert. Innerhalb der Emulgieranlage (300) kann der in der Umlaufleitung (401 ) umlaufenden Emulsion in der Kraftstoff-Wasser-Do- siereinheit (301) Dieselkraftstoff über eine Kraftstoffpumpe (409) aus einem Kraftstofftank (408) sowie Emulgierwasser zugeführt werden. Die Dosierung des Emulgierwassers erfolgt durch ein Wasserdosierventil (303), dass entsprechend einem gemessenen Dieselkraftstoffdurchsatz eine dem Betriebspunkt entsprechende Menge an Wasser dem Emulsionsumlaufsystem zuführt. Zur Regelung des Wasseranteils wird ein Sollwert aus einem Kennfeld, dass in der Steuer- und Regeleinheit (500) hinterlegt ist, mit gemessenen Diesel- und Wasservolumenströmen verglichen und entsprechend korrigiert. Hierzu sind eine Wasservolumenmesseinheit (302) und eine Kraftstoffvolumenmesseinrichtung (304) vorgesehen. Die zugeführte und vorgemischte Mischung von Dieselkraftstoff und Emulgierwasser gelangt über eine Emulsionskreislaufpumpe (306) zum Emulgierer (309), der vorzugsweise als strömungsmechanischer Mischer ausgeführt ist. Mit dieser sehr wartungsarmen Mischerbauart erfolgt die Emulgierung ohne Zufuhr zusätzlicher Energie nur durch die kinetische Energie der Strömung. Die entsprechenden Druckverluste werden durch die Emulsionskreislaufpumpe (306) ausgeglichen. As a central component of the emulsion supply system, the emulsification system (300) includes components of the emulsion circulation system and components of an emulsion storage unit (314). The circulating line (401) forms an emulsion circuit and is designed as a ring line. Within the emulsifying system (300), the emulsion circulating in the circulation line (401) in the fuel-water dosing unit (301) can be supplied with diesel fuel via a fuel pump (409) from a fuel tank (408) and emulsifying water. The emulsifying water is metered by a water metering valve (303) which, according to a measured diesel fuel throughput, feeds an amount of water corresponding to the operating point to the emulsion circulation system. To regulate the proportion of water, a target value from a characteristic map that is stored in the control and regulation unit (500) is compared with measured diesel and water volume flows and corrected accordingly. A water volume measuring unit (302) and a fuel volume measuring device (304) are provided for this purpose. The supplied and pre-mixed mixture of diesel fuel and emulsifying water reaches the emulsifier (309) via an emulsion circulation pump (306), which is preferably designed as a flow-mechanical mixer. With this very low-maintenance mixer design, emulsification takes place without the addition of additional energy the kinetic energy of the flow. The corresponding pressure losses are compensated for by the emulsion circulation pump (306).
Durch eine Auslegung der Umlaufleitung (401 ) und des Emulsionsumlaufsystems auf einen Volumenstrom zwischen der Dosiereinheit (301 ) und dem Dieselmotor (400), der vorzugsweise dem 1 ,5- bis 2-fachen oder größeren Mehrfachen des maximalen Emulsionsverbrauchs des Dieselmotors (400) im Emulsionsbetrieb entspricht, wird eine unabhängig von der Kraftstoffentnahme durch den Dieselmotor (400) konstante hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Entsprechend besteht eine relativ kurze Zeitverzögerung zwischen der Erhöhung des Wasseranteils in der Dosiereinheit (301 ) und dem Eintritt der Emulsion in den Kraftstoffeinspritzpumpen (402) des Dieselmotors (400). By designing the circulation line (401) and the emulsion circulation system for a volume flow between the metering unit (301) and the diesel engine (400), which is preferably 1.5 to 2 times or greater multiple of the maximum emulsion consumption of the diesel engine (400) in Corresponds to emulsion operation, a constant high flow rate is achieved regardless of the fuel extraction by the diesel engine (400). Accordingly, there is a relatively short time lag between the increase in the proportion of water in the dosing unit (301) and the entry of the emulsion into the fuel injection pumps (402) of the diesel engine (400).
Mit dem Emulsionsumlaufsystem ist es sehr schnell möglich, den Dieselmotor (400) wahlweise in einem reinen Dieselkraftstoffbetrieb oder in einem Emulsionsbetrieb zu betreiben. Im Dieselkraftstoffbetrieb wird reiner Dieselkraftstoff über eine Kraftstoffversorgungsleitung (404), die bei nachgerüsteten Dieselmotoren (400) bereits vorhanden ist, über die Umschaltventile (405) den Kraftstoffeinspritzpumpen (402) zugeleitet. Damit lässt sich der Dieselmotor (400) sehr schnell vom Emulsionsbetrieb auf den reinen Dieselbetrieb umschalten. Diese Möglichkeit der Betriebsartumschaltung ist aus Gründen der Betriebssicherheit im Schiffsbetrieb erforderlich. Außerdem ermöglicht die direkte Umschaltung zwischen Diesel- und Emulsionsbetrieb über die Umschaltventile (405) in vorteilhafter Weise, neben einer aus Sicherheitsgründen erforderlichen Notabschaltung der Emulsionszufuhr, den Startvorgang des Dieselvorgangs (400) im Dieselbetrieb wie auch den Betrieb der Emulsionskreislaufpumpe (306) zum Austausch der im Umlaufsystem enthaltenen Emulsion durch Dieselkraftstoff. With the emulsion circulation system, it is possible very quickly to operate the diesel engine (400) either in pure diesel fuel operation or in emulsion operation. In diesel fuel operation, pure diesel fuel is fed to the fuel injection pumps (402) via the switching valves (405) via a fuel supply line (404), which is already present in retrofitted diesel engines (400). This allows the diesel engine (400) to be switched very quickly from emulsion operation to pure diesel operation. This possibility of switching the operating mode is necessary for reasons of operational safety in ship operation. In addition, the direct switchover between diesel and emulsion operation via the switchover valves (405) advantageously enables, in addition to an emergency shutdown of the emulsion supply required for safety reasons, the starting process of the diesel process (400) in diesel operation as well as the operation of the emulsion circuit pump (306) to replace the emulsion contained in the circulation system by diesel fuel.
Beim Übergang auf Betriebspunkte mit niedrigerer Motorlast ist eine Reduzierung des Wasseranteils in der Emulsion erforderlich. Das im Umlaufsystem enthaltene Emulsionsvolumen mit dem der höheren Motorlast entsprechenden Wasseranteil kann im Allgemeinen durch den Verbrauch des Dieselmotors (400) durch eine Emulsion mit geringerem Wasseranteil ersetzt werden. Bei dem im Niedriglastbereich geringen volumetrischen Kraftstoffverbrauch verläuft dieser Anpassungsprozess an niedrige Wasseranteile jedoch langsam, so dass eine Ableitung des im Umlaufsystem enthaltenen Emulsionskraftstoffs in die Emulsions(zwischen)speichereinheit (314) vorgesehen ist. Über ein Spülventil (310) wird der gesamte oder zumindest ausreichend große Anteil des im Umlaufsystem enthaltenen Emulsionskraftstoffs in einen Emulsionssammelbehälter (315) geleitet bzw. ausgespült. Hierbei wird nach Erreichen eines durch eine Emulsionsspülmengenmesseinrichtung (317) erfassten Emulsionsvolumens oder aber nach einer vorbestimmten Zeit die Ableitung der Emulsion aus dem Umlaufsystem beendet. Parallel zur Ausleitung des Umlaufvolumens findet über die Dosiereinheit (301) eine Zufuhr von Dieselkraftstoff und eine dem niedrigeren Lastpunkt entsprechende Wasserzufuhr statt. Wird die Wasserzufuhr gesperrt, kann auch das gesamte Umlaufsystem mit Dieselkraftstoff aufgefüllt werden. Hierdurch wird zum einen der Neustart des Motors im reinen Dieselbetrieb möglich, zum anderen wird bei längerem Motorstillstand das Zerfallen der im Umlaufsystem verbliebenen Emulsion vermieden. When changing to operating points with lower engine loads, the water content in the emulsion must be reduced. The emulsion volume contained in the circulation system with the water content corresponding to the higher engine load can generally be replaced by an emulsion with a lower water content due to the consumption of the diesel engine (400). However, given the low volumetric fuel consumption in the low-load range, this adaptation process to low water proportions proceeds slowly, so that the emulsion fuel contained in the circulating system is discharged into the emulsion (temporary) storage unit (314). About a purge valve (310) is the entire or at least a sufficiently large proportion of the emulsion fuel contained in the circulation system is fed into an emulsion collection tank (315) or flushed out. In this case, after reaching an emulsion volume detected by an emulsion flushing quantity measuring device (317) or after a predetermined time, the discharge of the emulsion from the circulating system is terminated. Parallel to the discharge of the circulating volume, diesel fuel is supplied via the metering unit (301) and water is supplied corresponding to the lower load point. If the water supply is shut off, the entire circulation system can also be filled with diesel fuel. On the one hand, this enables the engine to be restarted in pure diesel operation and, on the other hand, the emulsion remaining in the circulation system is prevented from disintegrating if the engine is not running for a long time.
Für besondere Betriebszustände, beispielsweise im Niedriglastbereich oder in eventuell erforderlichen Warmlaufphasen sowie als Notbetrieb, ist gleichwohl ein reiner Dieselbetrieb des Dieselmotors (400) möglich. Daher ist das Einspritzsystem des Dieselmotors (400) sowohl für den Dieselbetrieb als auch für den Emulsionsbetrieb mit sehr hohen Wasseranteilen ausgebildet und eingerichtet. Entsprechend kann die Förderkapazität der Kraftstoffeinspritzpumpen (402) an um bis zu 50 oder 60 % größere Einspritzmengen im Emulsionsbetrieb angepasst sein. Die Vergrößerung der Fördermenge der Kraftstoffeinspritzpumpen (402) kann bei konstantem Nockenhub insbesondere über einen größeren Pumpenkolbendurchmesser der Kraftstoffeinspritzpumpen (402) erreicht werden. Pure diesel operation of the diesel engine (400) is nevertheless possible for special operating states, for example in the low-load range or in warm-up phases that may be required, as well as in emergency operation. The injection system of the diesel engine (400) is therefore designed and set up both for diesel operation and for emulsion operation with a very high proportion of water. Accordingly, the delivery capacity of the fuel injection pumps (402) can be adapted to injection quantities that are up to 50 or 60% larger in emulsion operation. The increase in the delivery quantity of the fuel injection pumps (402) can be achieved with a constant cam lift, in particular via a larger pump piston diameter of the fuel injection pumps (402).
Zur Verbesserung des Motorregelverhaltens im Dieselbetrieb sowie zur Darstellung großer Einspritzmengen im Emulsionsbetrieb kann die Steuerkantengeometrie des Pumpenkolbens der Kraftstoffeinspritzpumpen (402) gemäß Fig. 2 einen modifizierten Verlauf aufweisen. Fig. 2 zeigt schematisch einen Dieselmotor (601) mit einem Einspritzpumpengehäuse (602), in dem ein Zwischenstößel (603) für einen Pumpenkolben (612) einer Einspritzpumpe des Dieselmotors (601 ) sowie ein Pumpenzylinder (604) aufgenommen sind. In dem Pumpenzylinder (604) ist der Pumpenkolben (612) bewegbar geführt. Der Pumpenzylinder (604) hat bei der gezeigten Ausführung der Kraftstoffeintrittspumpe (402) zwei Bohrungen (605, 611 ) für den Kraftstoffzu- bzw. ablauf. Diese Bohrungen (605, 611) stehen mit einem dem Pumpenzylinder (604) umgebenden Saugraum (610) in Verbindung. Mit Förderbeginn wird im Verlauf der Hubbewegung des Pumpenkolbens (612) der Kraftstoffdruck in einem Pumpenarbeitsraum bzw. Druckraum (609) erhöht, bis ein Druckventil (606) öffnet und Kraftstoff oder eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion über eine Einspritz-Druckleitung zu einer Einspritzdüse strömt. Im Übrigen zeigt Fig. 2 einen Druckventilhalter (607) und einen Einspritzleistungsanschluss (608). To improve the engine control behavior in diesel operation and to represent large injection quantities in emulsion operation, the control edge geometry of the pump piston of the fuel injection pump (402) according to FIG. 2 can have a modified profile. Fig. 2 shows schematically a diesel engine (601) with an injection pump housing (602) in which an intermediate tappet (603) for a pump piston (612) of an injection pump of the diesel engine (601) and a pump cylinder (604) are accommodated. The pump piston (612) is movably guided in the pump cylinder (604). In the embodiment of the fuel inlet pump (402) shown, the pump cylinder (604) has two bores (605, 611) for the fuel inlet and outlet. These bores (605, 611) are connected to a suction chamber (610) surrounding the pump cylinder (604). When delivery begins, the fuel pressure in a pump working chamber or pressure chamber (609) is increased during the stroke movement of the pump piston (612) until a pressure valve (606) opens and fuel or a fuel-water emulsion is injected via an injection pressure line to a Injector flows. Incidentally, Fig. 2 shows a pressure valve holder (607) and an injection power connection (608).
Der Pumpenkolben (612) hat außen auf seinem Kolbenmantel eine axiale Längsnut (617). Im Übrigen weist der Pumpenkolben (612) einen Steuernutbereich (618) auf. Die dem Druckraum (609) zugewandte obere Kante des Steuernutbereichs (618) bildet eine untere Steuerkante (613, 614) und die Kante der Stirnfläche (619) des Pumpenkolbens (612) bildet eine obere Steuerkante (620). Beim Pumpenhub wirken die beiden Steuerkanten (613, 614, 620) mit den Steuerbohrungen (605, 611) in der Weise zusammen, dass während des Pumpenkolbenhubs durch Freigabe bzw. Verschließen der Steuerbohrungen (605, 611 ) der Förderbeginn und das Förderende der Kraftstoffeinspritzpumpe festgelegt sind. The pump piston (612) has an axial longitudinal groove (617) on the outside of its piston skirt. The pump piston (612) also has a control groove area (618). The upper edge of the control groove area (618) facing the pressure chamber (609) forms a lower control edge (613, 614) and the edge of the end face (619) of the pump piston (612) forms an upper control edge (620). During the pump stroke, the two control edges (613, 614, 620) interact with the control bores (605, 611) in such a way that the start and end of delivery of the fuel injection pump are determined during the pump piston stroke by releasing or closing the control bores (605, 611). are.
Gemäß Fig. 2A ist für den Dieselbetriebsbereich ein flacher verlaufender Steuerkantenabschnitt (613) vorgesehen, so dass die Mengenänderung bei der Verdrehung des Pumpenkolbens mit einer nicht gezeigten Regelstange entsprechend dem höheren Energiegehalt des Dieselkraftstoffs geringer ist. Im Emulsionsbetrieb bei hohen Motorlasten und größeren Wasseranteilen ist dagegen eine stärkere Zunahme des Fördervolumens vorgesehen, so dass die Steuerkante im Emulsionsbetriebsbereich einen Steuerkantenabschnitt (614) mit steilerem Verlauf aufweist. According to FIG. 2A, a flatter control edge section (613) is provided for the diesel operating range, so that the change in quantity when the pump piston rotates with a control rod (not shown) is lower in accordance with the higher energy content of the diesel fuel. On the other hand, in emulsion operation at high engine loads and larger proportions of water, a greater increase in the delivery volume is provided, so that the control edge in the emulsion operating range has a control edge section (614) with a steeper progression.
Aufgrund des schnelleren Verbrennungsablaufs im Emulsionsbetrieb und damit ohne thermodynamisch ungünstige Verzögerung des Verbrennungsendes ist eine weitere Reduzierung von NOx-Emissionen durch einen späteren Förderbeginn zu erreichen. Gemäß Fig. 4 kann die Steuerkantengeometrie des Pumpenkolbens (612) für eine Spätverschiebung des Einspritzbeginns zusätzlich zur ersten oberen Steuerkante (620) einen obenliegenden axial gegenüber der ersten oberen Steuerkante (620) vertieften Bereich (621 ) mit wenigstens einer zweiten oberen Steuerkante (616) aufweisen. Die zweite obere Steuerkante (616) führt bei der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens (612) zu einem späteren Verschließen der Bohrungen (605, 611 ) im Pumpenzylinder (604) und damit zu einem späteren Beginn des Einspritzdruckaufbaus im Druckraum (609). Due to the faster combustion process in emulsion operation and thus without a thermodynamically unfavorable delay in the end of combustion, a further reduction in NOx emissions can be achieved by starting delivery later. According to Fig. 4, the control edge geometry of the pump piston (612) for retarding the start of injection can, in addition to the first upper control edge (620), have an overhead area (621) that is recessed axially with respect to the first upper control edge (620) and has at least one second upper control edge (616) exhibit. During the upward movement of the pump piston (612), the second upper control edge (616) causes the bores (605, 611) in the pump cylinder (604) to close later and thus to a later start of the injection pressure build-up in the pressure chamber (609).
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen Teil des Ansaugsystems eines größeren Dieselmotors (400). Die durch einen Abgasturbolader verdichtete und gekühlte Ladeluft strömt durch einen Luftsammler (702) zu Saugrohrabgängen bzw. Ansaugkrümmern (703) der Zylinder des Dieselmotors (400). Eine weitere Möglichkeit zur Stickoxidminderung besteht gemäß Fig. 5 in der Wassereinspritzung direkt in einen Einlasskanal (710) in einem Zylinderkopf (701 ) des Dieselmotors 400. Hierbei wird aufbereitetes und unter Druck stehendes Reinwasser (707), das beispielsweise einer Versorgungsleitung (214) gemäß Fig. 1 entnommen wird, über eine Druckwasser-Mengenregelung (320) und eine gegebenenfalls weitere Druckerhöhung einer in Fig. 5 dargestellten Zerstäuberdüse (706) zugeführt. Das über die Versorgungsleitung (214) entnommene Reinwasser gelangt über eine Wasserzufuhrleitung (705) zu der Zerstäuberdüse (706). Figure 5 shows a section through part of the intake system of a larger diesel engine (400). The charge air, compressed and cooled by an exhaust gas turbocharger, flows through an air collector (702) to the intake manifold outlets or intake manifolds (703) of the cylinders of the diesel engine (400). According to FIG. 5, another possibility for reducing nitrogen oxides is water injection directly into an intake port (710) in a cylinder head (701) of the diesel engine 400. In this case, treated and pressurized clean water (707) is used, for example a supply line (214) according to Fig. 1 is taken, via a pressurized water volume control (320) and optionally a further pressure increase of an atomizer nozzle (706) shown in Fig. 5. The pure water drawn off via the supply line (214) reaches the atomizer nozzle (706) via a water supply line (705).
Der Ansaugkrümmer (703) begrenzt einen Ansaugkanal (711 ) für die Ladeluft. Durch den Ansaugkrümmer (703) ist eine Ansaugkanal-Einspritzdüse (712) geführt, an de- rem zylinderseitigen Ende die Zerstäuberdüse (706) angeordnet ist. Die Zerstäuberdüse (706) ist als Nebeldüse ausgeführt und auf den Einlasskanal (710) im Zylinderkopf (701 ) des Dieselmotors (400) ausgerichtet. The intake manifold (703) delimits an intake channel (711) for the charge air. An intake port injection nozzle (712) is guided through the intake manifold (703), and the atomizer nozzle (706) is arranged at the cylinder-side end of this nozzle. The atomizer nozzle (706) is designed as a mist nozzle and is aligned with the inlet channel (710) in the cylinder head (701) of the diesel engine (400).
Im Ergebnis ist eine direkte Zuführung von Reinwasser (707) in den Einlasskanal (710) des Zylinderkopfes (701 ) unmittelbar benachbart zu einem ersten Einlassventil (713) vorgesehen, wobei ein Teil der Ansaugluft-Wasserzufuhr (708) auch in den Einlassbereich eines zweiten Einlassventils (714) gelangt. As a result, pure water (707) is directly fed into the intake port (710) of the cylinder head (701) immediately adjacent to a first intake valve (713), with part of the intake air water feed (708) also being fed into the intake area of a second intake valve (714) arrived.
Die Eindüsung von Wasser erfolgt jenseits einer Anschlussebene Y des Zylinderkopfes (701 ) für einen Ansaugkrümmerflansch (704) des Ansaugkrümmers (703). Der Abstand zwischen der Anschlussebene Y und der Mittelachsel X des ersten Einlassventils (713) kann zwischen 100 bis 150 mm oder weniger betragen. Hierbei liegt der Düsenaustritt der Zerstäuberdüse (706) bei der gezeigten Ausführungsform auf der Anschlussebene Y, so dass die Eindüsung von Wasser jenseits der Anschlussebene Y erfolgt. Die Austrittsöffnung der Zerstäuberdüse (706) kann jedoch auch jenseits der Anschlussebene Y im Bereich innerhalb des Einlasskanals (710) des Zylinderkopfes (701) liegen, d.h. mit Bezug auf Fig. 5 nach links verschoben sein. Der Abstand zwischen der Düsenöffnung und dem ersten Einlassventil (713) ist so gewählt, dass Reinwasser (707) als Wassernebel (709) und damit vorzugsweise mit überwiegendem Anteil in flüssiger Form während eines Ansaugvorgangs des Dieselmotors (400) in den Brennraum gelangt. Der Pfeil (708) in Fig. 5 zeigt schematisch die Ansaugluft-Wasserzufuhr zu den Einlassventilen (713, 714) des Dieselmotors (400). Wie sich weiter aus Fig. 5 ergibt, kann die Mittelachse Z der Ansaugkanal-Einspritzdüse (712) auf der Mittelachse des Einlasskanals (710) angeordnet sein, so dass die Zerstäuberdüse (706) zentrisch zum bzw. im Einlasskanal (710) angeordnet ist. Water is injected beyond a connection plane Y of the cylinder head (701) for an intake manifold flange (704) of the intake manifold (703). The distance between the connection plane Y and the center axis X of the first inlet valve (713) can be between 100 and 150 mm or less. The nozzle exit of the atomizer nozzle (706) is on the Y connection level in the embodiment shown, so that water is injected beyond the Y connection level. However, the outlet opening of the atomizer nozzle (706) can also lie beyond the connection plane Y in the area within the inlet channel (710) of the cylinder head (701), ie it can be shifted to the left with reference to FIG. The distance between the nozzle opening and the first inlet valve (713) is selected in such a way that pure water (707) enters the combustion chamber as water mist (709) and thus preferably predominantly in liquid form during an intake process of the diesel engine (400). The arrow (708) in Fig. 5 shows schematically the intake air water supply to the intake valves (713, 714) of the diesel engine (400). As can also be seen from FIG. 5, the central axis Z of the intake port injection nozzle (712) can be arranged on the central axis of the inlet port (710), so that the atomizer nozzle (706) is arranged centrally to or in the inlet port (710).
Die in Fig. 1 gezeigte Dosiereinheit (301 ) wird aus einem Emulgierwasserspeicher (211 ) mit aufbereitetem Emulgierwasser (214) versorgt. Dazu wird im Falle einer Schiffsinstallation über die Pumpeneinheit (100) außen Wasser bzw. Rohwasser (201 ) über eine Förderpumpe (103) angesaugt und einem Feinfilter (202) zugeführt. Das filtrierte Rohwasser (201 ) wird zur anschließenden Entsalzung einer Entsalzungsanlage (205) zugeführt, die eine Umkehrosmoseanlage (RO-Anlage) (206) umfasst. Mit Hilfe eines Leitfähigkeitssensors (209) wird der Leitwert der durch die Umkehrosmose gewonnenen Reinwassers (208) bzw. des Permeats bestimmt und damit der Grad der Entsalzung ermittelt. Vorzugsweise sollte der Leitwert des Emulgierwassers 20 pS/cm nicht übersteigen, da die mit dem Emulgierwasser dem Dieselmotor (400) zugeführten Salze zu einer Erhöhung der bei der Verbrennung entstehenden Partikelemissionen sowie zu Ablagerungen im Einspritzsystem beitragen können. Ein Leitwert von 20 pS/cm entspricht dem von destilliertem Wasser. In besonderen Fällen kann zur Sicherstellung eines sehr niedrigen Salzgehaltes auch ein Mischbett-Ionentauscher der RO-Anlage (206) nachgeschaltet werden. The dosing unit (301) shown in FIG. 1 is supplied with treated emulsifying water (214) from an emulsifying water reservoir (211). For this purpose, in the case of a ship installation, the pump unit (100) sucks in water or raw water (201) from the outside via a feed pump (103) and feeds it to a fine filter (202). The filtered raw water (201) is fed to a desalination plant (205) for subsequent desalination, which includes a reverse osmosis (RO) plant (206). With the help of a conductivity sensor (209), the conductance of the pure water (208) obtained by reverse osmosis or of the permeate is determined and the degree of desalination is thus determined. The conductance of the emulsifying water should preferably not exceed 20 pS/cm, since the salts fed to the diesel engine (400) with the emulsifying water can contribute to an increase in the particle emissions produced during combustion and to deposits in the injection system. A conductance of 20 pS/cm corresponds to that of distilled water. In special cases, a mixed-bed ion exchanger can also be installed downstream of the RO system (206) to ensure a very low salt content.
Die in der RO-Anlage (206) eingesetzten Membranen sind auf den Salzgehalt des über die Pumpeneinheit (100) angesaugten Rohwassers (201) abgestimmt. Daher wird der Salzgehalt bzw. der korrespondierende Leitwert des Rohwassers (201 ) kontinuierlich durch einen Leitfähigkeitssensor (104) der Pumpeneinheit (100) überwacht. Bei Überschreiten des zulässigen Salzgehaltes wird durch die elektronische Steuerung (500) des Emulsionsversorgungssystems eine Reduzierung der Förderleistung der Förderpumpe (103) sowie ein Öffnen des Bypassventils 105 zur Entsorgungsleitung 106 veranlasst. Erst wenn der gemessene Leitwert wieder unterhalb eines zulässigen Wertes liegt, wird die Förderpumpe (103) wieder eingeschaltet. Kürzere Unterbrechungen der Wasserversorgung können durch den Emulgierwasserspeicher (211 ) überbrückt werden. The membranes used in the RO system (206) are matched to the salt content of the raw water (201) sucked in via the pump unit (100). Therefore, the salt content or the corresponding conductivity of the raw water (201) is continuously monitored by a conductivity sensor (104) of the pump unit (100). If the permissible salt content is exceeded, the electronic control (500) of the emulsion supply system causes the delivery rate of the feed pump (103) to be reduced and the bypass valve 105 to the disposal line 106 to open. The feed pump (103) is not switched on again until the measured conductance is again below a permissible value. Shorter interruptions in the water supply can be bridged by the emulsifying water reservoir (211).
Bei der Nachrüstung von Schiffsmotoren kann entsprechend dem Einsatzbereich, beispielsweise in Flusswasser, Brackwasser und Seewasser oder Blauwasser, durch den modularen Aufbau der Emulsionsversorgungsanlage gemäß Fig. 1 eine entsprechende Anpassung der einzusetzenden Entsalzungsanlage (205) entfolgen. Die Steuerung des Emulsionsversorgungssystems sowie die an den Kraftstoffeinspritzpumpen (402) vorgesehene Regelstangenwegbegrenzung erfolgt durch die zentrale Steuer- und Regeleinheit (500) mit Schnittstellen zu einer Bedieneinheit (501 ) und zur Spannungsversorgung. Die einzelnen Messeingänge und Steuerausgänge sind in Fig. 6 dargestellt. Es versteht sich, dass die gezeigten Signaleingänge und Steuerausgänge exemplarisch ausgewählt sind. When retrofitting ship engines, the desalination system (205) to be used can be adapted accordingly due to the modular design of the emulsion supply system according to FIG. The control of the emulsion supply system as well as the control rod travel limitation provided on the fuel injection pumps (402) is carried out by the central control and regulation unit (500) with interfaces to an operating unit (501) and to the power supply. The individual measurement inputs and control outputs are shown in FIG. It goes without saying that the signal inputs and control outputs shown are selected as examples.
Für die betriebspunktabhängige Regelung des Wasseranteils ist für den Schiffsmotoreneinsatz im Wesentlichen die Motordrehzahl erforderlich. Die entsprechende Motorleistung ergibt sich unter Berücksichtigung der Propellerauslegung über die Propellerkurve. Die Motorlast bzw. das Motordrehmoment kann über die mittels eines Regelstangenweggebers erfasste Einspritzmenge ermittelt werden. Der Wasseranteil wird dann in einem Kennfeld als Funktion von Motordrehzahl und gegebenenfalls Motorlast in der Steuer- und Regeleinheit (500) gespeichert. The engine speed is essentially required for the operating point-dependent control of the proportion of water when using ship engines. The corresponding engine power results from the propeller curve, taking into account the propeller design. The engine load or the engine torque can be determined via the injection quantity detected by means of a control rod displacement sensor. The proportion of water is then stored in a map as a function of the engine speed and possibly the engine load in the control and regulation unit (500).
Die Regelung des Wasseranteils in der Emulsion erfolgt über die Durchflussmengenmessung von zugeführtem Dieselkraftstoff und Emulgierwasser, wobei der Wasseranteil durch das von der Steuer- und Regeleinheit (500) angesteuerte Dosierventil (303) eingestellt wird. Weiterhin wird zur vorteilhaften Begrenzung der Einspritzmengen insbesondere im Dieselbetrieb eine über das Motorkennfeld gesteuerte Regelstangenwegbegrenzung eingesetzt. Zudem ist die Steuerung und Überwachung der Emulgierwasseraufbereitung (200) anhand der Leitwerte von Roh- und Emulgierwasser sowie die Pumpenüberwachung in der Steuer- und Regeleinheit (500) integriert. Schließlich werden auch einige Temperaturen und Systemdrücke zur Überwachung des Emulsionsversorgungssystems und des Dieselmotors (400) in der Steuer- und Regeleinheit (500) erfasst und bei Auftreten von Störungen gegebenenfalls Störmeldungen angezeigt. The water content in the emulsion is regulated by measuring the flow rate of the supplied diesel fuel and emulsifying water, with the water content being adjusted by the metering valve (303) controlled by the control and regulation unit (500). Furthermore, for the advantageous limitation of the injection quantities, particularly in diesel operation, a control rod travel limitation controlled via the engine characteristics map is used. In addition, the control and monitoring of the emulsifying water treatment (200) based on the guide values of raw and emulsifying water as well as the pump monitoring are integrated in the control and regulation unit (500). Finally, some temperatures and system pressures for monitoring the emulsion supply system and the diesel engine (400) are recorded in the control and regulation unit (500) and fault messages are displayed if faults occur.
Die Betriebszustände des Emulsionsversorgungssystems einschließlich einer Notaussteuerung werden über die Steuer- und Regeleinheit (500) oder die Bedieneinheit (501 ) geschaltet. Auf diese Weise lassen sich alle Sicherheitsauflagen, beispielsweise im Schiffsbetrieb, erfüllen. Das Einschalten des Emulsionsbetriebs, dass im Allgemeinen manuell erfolgt, wird gemäß eines in der Steuer- und Regeleinheit (500) hinterlegten Ablaufprogramms gesteuert bzw. geregelt, wobei zunächst die Umwälzpumpen des Kreislaufsystems eingeschaltet werden, in dem sich zunächst nur Dieselkraftstoff befindet. Danach erfolgt die Umschaltung in den Emulsionsbetrieb durch die entsprechenden Umschaltventile (405) vor den Einspritzpumpen (402) und dann die dem Betriebspunkt entsprechende Einstellung des Wasseranteils. Bei Unterschreiten einer Grenzdrehzahl, entsprechend einer sehr geringen Last oder beim Abschalten des Emulsionsbetriebs, wird über das Spülventil (310) dann genau die im Umlaufsystem befindliche Emulsion in den Emulsionszwischenspeicher (314) ausgeleitet und durch eine Emulsion mit entsprechend geringerem Wasseranteil oder durch Dieselkraftstoff ersetzt. Die Dauer des Spülprozesses wird hierbei durch die Emulsionsspülmengenmessung vorgegeben oder ist zeitgesteuert. Im ausgeschalteten Zustand ist damit die Emulsionsanlage zur Vermeidung der Emulsionstrennung und Anreichung von Wasser in Teilen der Anlage und eventuell auftretenden Ablagerungen immer mit reinem Dieselkraftstoff gefüllt. The operating states of the emulsion supply system, including an emergency control, are switched via the control and regulation unit (500) or the operating unit (501). In this way, all safety requirements, for example in ship operations, can be met. Switching on the emulsion mode, which is generally done manually, is controlled or regulated according to a sequence program stored in the control and regulation unit (500), the circulating pumps of the circulatory system, which initially only contains diesel fuel, being switched on first. Then the changeover to emulsion operation takes place via the corresponding changeover valves (405) in front of the injection pumps (402) and then the setting of the water content corresponding to the operating point. If the engine speed falls below a limit, corresponding to a very low load or if the emulsion mode is switched off, the emulsion in the circulating system is then discharged via the flushing valve (310) into the emulsion buffer store (314) and replaced by an emulsion with a correspondingly lower water content or by diesel fuel. The duration of the rinsing process is specified by the emulsion rinsing quantity measurement or is time-controlled. When switched off, the emulsion system is always filled with pure diesel fuel to avoid emulsion separation and accumulation of water in parts of the system and any deposits that may occur.
Fig. 3 zeigt beispielhaft den Einspritzmengenverlauf in Abhängigkeit vom Regelstangenweg einer zur Verdrehung des Pumpenkolbens (612) eingesetzten Regelstange, wobei der Pumpenkolben (612) eine Steuerkantengeometrie der in Fig. 2 und Fig. 2A gezeigten Art aufweist. Der Einspritzmengenverlauf ist schematisch für eine Emulsionseinspritzpumpe mit optimierter Steuerkante gemäß Fig. 2 und Fig. 2A im Vergleich zu dem Einspritzmengenverlauf bei Verwendung einer Dieseleinspritzpumpe mit Standardsteuerkante für den Dieselbetrieb gezeigt. Trotz größerem Pumpenkolbendurchmesser im Bereich A wird mit der Emulsionseinspritzpumpe ein weitgehend der Basis-Dieseleinspritzpumpe vergleichbarer Einspritzmengenverlauf erreicht, während im Bereich B die für den Emulsionsbetrieb erforderlichen zusätzlichen Einspritzmengen bereitgestellt werden können. Dem Bereich A ist ein Pumpenkennfeld zugeordnet, dass den Betrieb des Dieselmotors (400) mit reinem Dieselkraftstoff steuert und dem Bereich B der Betriebsbereich im Emulsionsbetrieb des Dieselmotors (400). 3 shows an example of the course of the injection quantity as a function of the control rod travel of a control rod used to rotate the pump piston (612), the pump piston (612) having a control edge geometry of the type shown in FIGS. 2 and 2A. The injection quantity curve is shown schematically for an emulsion injection pump with an optimized control edge according to FIGS. 2 and 2A in comparison to the injection quantity curve when using a diesel injection pump with a standard control edge for diesel operation. Despite the larger pump piston diameter in area A, the emulsion injection pump achieves an injection quantity curve that is largely comparable to that of the basic diesel injection pump, while in area B the additional injection quantities required for emulsion operation can be provided. A pump characteristics map is assigned to area A, which controls the operation of the diesel engine (400) with pure diesel fuel, and area B is the operating area in emulsion operation of the diesel engine (400).
Bezugszeichenhste: Reference number:
100 Pumpeneinheit 311 Kühler 100 pump unit 311 cooler
101 Anlagenhauptventil 312 Emulgierwasserzufuhr 101 main plant valve 312 emulsifying water supply
102 Rohwasserfilter 40 313 Druckregler 102 raw water filter 40 313 pressure regulator
103 Förderpumpe 314 Emulsionsspeichereinheit103 feed pump 314 emulsion storage unit
104 Leitfähigkeitssensor 315 Emulsionssammelbehälter104 conductivity sensor 315 emulsion collection tank
105 Bypass-Ventil 316 Rücklaufdosierpumpe 105 bypass valve 316 return dosing pump
106 Rücklaufsammelleitung 317 Emulsionsspülmengenmessein¬106 return manifold 317 emulsion flushing quantity measurement unit
45 richtung 45 direction
200 Aufbereitung 318 Füllstandsgeber 200 processing 318 level sensor
201 Rohwasser 319 Versorgungsleitung 201 raw water 319 supply line
202 Feinfilter 32Q Druckwasser-Mengenregelung202 fine filter 32Q pressurized water volume control
203 vorbehandeltes Emulgierwasser 203 pretreated emulsifying water
204 Rückspülwasser 50 400 Dieselmotor 204 backwash water 50 400 diesel engine
205 Entsalzungsanlage 401 Umlaufleitung 205 desalination plant 401 circulation line
206 RO-Anlage 402 Kraftstoffeinspritzpumpen206 RO system 402 fuel injection pumps
207 Konzentratabfuhr 403 Kraftstoffinjektor 207 concentrate drain 403 fuel injector
208 Reinwasser 404 Krafts toffve rsorgungsleitung208 pure water 404 fuel supply line
209 Leitfähigkeitssensor 55 405 Umschaltventil 209 conductivity sensor 55 405 switching valve
210 Emulgierwasserversorgung 406 Einspritzdüsenleckage-Sammel¬210 emulsifying water supply 406 injection nozzle leakage collection
211 Emulgierwasserspeicher leitung 211 emulsifying water storage line
212 Füllstandsmessung 408 Kraftstofftank 212 level measurement 408 fuel tank
213 Reinwasserpumpe 409 Kraftstoffpumpe 213 clean water pump 409 fuel pump
214 Emulgierwasser
Figure imgf000045_0001
214 emulsifying water
Figure imgf000045_0001
500 Steuer- und Regeleinheit500 control and regulation unit
300 Emulgieranlage 501 Bedieneinheit 300 emulsifying plant 501 control unit
301 Kraftstoff-Wasser-Dosiereinheit 301 fuel-water metering unit
302 Wasservolumenmesseinrichtung 601 Dieselmotor 302 water volume measuring device 601 diesel engine
303 Wasserdosierventil 65 602 Einspritzpumpengehäuse303 water metering valve 65 602 injection pump housing
304 Krafts toffvo lumenmesseinrichtung 603 Zwischenstößel 304 Fuel volume measuring device 603 Intermediate tappet
305 Vormischer 604 Pumpenzylinder 305 pre-mixer 604 pump cylinder
306 Emulsionskreislaufpumpe 605 Bohrung 306 emulsion circulation pump 605 bore
307 Entlüftungsventil 606 Druckventil 307 vent valve 606 pressure valve
308 Kraftstoffzufuhr 70 607 Druckventilhalter 308 fuel supply 70 607 pressure valve holder
309 Emulgiereinheit 608 Einspritzleistungsanschluss309 emulsification unit 608 injection power connection
310 Spülventil 609 Druckraum 610 Saugraum 702 Luftsammler 310 purge valve 609 pressure chamber 610 suction chamber 702 air collector
611 Bohrung 15 703 Ansaugkrümmer 611 bore 15 703 intake manifold
612 Pumpenkolben 704 Ansaugkrümmerflansch612 pump piston 704 intake manifold flange
613 Steuerkantenabschnitt 705 Wasserzufuhrleitung 614 Steuerkantenabschnitt 706 Zerstäuberdüse 613 control edge section 705 water supply line 614 control edge section 706 atomizing nozzle
616 Steuerkante 707 Reinwasser 616 control edge 707 pure water
617 Längsnut 20 708 Ansaugluft 617 longitudinal groove 20 708 intake air
618 Steuernutbereich 709 Wassernebel 618 control groove area 709 water mist
619 Stirnfläche 710 Einlasskanal 620 obere Steuerkante 711 Ansaugkanal 619 face 710 intake port 620 upper control edge 711 intake port
621 Bereich 712 Ansaugkanal-Einspritzdüse621 area 712 intake port injector
25 713 Einlassventil 25 713 intake valve
701 Zylinderkopf 701 cylinder head

Claims

45 Patentansprüche: 45 patent claims:
1 . Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen (400), insbesondere zum Umschaltbetrieb von Schiffsmotoren, wobei die Dieselkraftmaschine (400) in einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine (400) oder in einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, insbesondere als Nach- und/oder Um rüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, 1 . Method for switching or alternating operation of diesel engines (400), in particular for switching operation of ship engines, the diesel engine (400) in diesel fuel operation by injecting a pure diesel fuel into a combustion chamber of the diesel engine (400) or in emulsion operation by injecting a diesel fuel Water emulsion is operated, in particular as a function of the engine load of the diesel engine (400) and/or the engine power, in particular as a retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with pure diesel fuel to switchover operation with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion,
- wobei ein Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorgesehen und/oder nachgerüstet wird, - where an emulsion circulation system for a diesel fuel-water emulsion is provided and/or retrofitted,
- wobei das Emulsionsumlaufsystem aufweist eine Dosiereinheit (301 ) zur Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff in das Emulsionsumlaufsystem und eine Emulgiereinheit (309) zum Emulgieren von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff, - wherein the emulsion circulation system has a metering unit (301) for metering emulsifying water and diesel fuel into the emulsion circulation system and an emulsifying unit (309) for emulsifying emulsifying water and diesel fuel,
- wobei das Emulsionsumlaufsystem weiter aufweist wenigstens eine Umschalteinrichtung (405) zum last- und/oder leistungsabhängigen Betrieb der Dieselkraftmaschine (400) mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, - wherein the emulsion circulation system further comprises at least one switching device (405) for load- and/or power-dependent operation of the diesel engine (400) with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion,
- wobei im Emulsionsbetrieb eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus einer Umlaufleitung (401 ) des Emulsionsumlaufsystems über wenigstens eine Entnahmestelle entnommen und einer Einspritzpumpe (402) der Dieselkraftmaschine (400) zugeführt wird und - wherein in emulsion operation a diesel fuel-water emulsion is taken from a circulating line (401) of the emulsion circulating system via at least one extraction point and fed to an injection pump (402) of the diesel engine (400) and
- wobei im Emulsionsbetrieb ein Volumenausgleich der dem Emulsionsumlaufsystem im Emulsionsbetrieb entnommenen und der Einspritzpumpe (402) zugeführten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion durch Dosierung von Dieselkraftstoff und/oder durch Dosierung einer geregelten Menge Emulgierwasser (214) in das Emulsionsumlaufsystem vorgesehen ist, so dass die Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion der Emulgiereinheit (309) im Emulsionsbetrieb mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird. 46 - wherein in emulsion operation a volume equalization of the diesel fuel-water emulsion taken from the emulsion circulation system in emulsion operation and fed to the injection pump (402) is provided by metering diesel fuel and/or by metering a controlled amount of emulsifying water (214) into the emulsion circulation system, so that the diesel fuel - water emulsion is fed to the emulsifying unit (309) in emulsion mode at a constant flow rate. 46
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in der Umlaufleitung (401 ) im Emulsionsbetrieb durch Volumenausgleich von der Dosiereinheit (301 ) bis zur Emulgiereinheit (309), insbesondere bis zur Entnahmestelle, konstant gehalten wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the flow rate of the diesel fuel-water emulsion in the circulating line (401) in emulsion operation is kept constant by volume compensation from the dosing unit (301) to the emulsifying unit (309), in particular to the extraction point .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Volumenausgleich im Emulsionsbetrieb eine konstante Strömungsgeschwindigkeit von der Dosiereinheit (301 ) bis zur Emulgiereinheit (309), insbesondere bis zur Entnahmestelle, von wenigstens 2,0 m/s erreicht wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a constant flow rate from the dosing unit (301) to the emulsifying unit (309), in particular to the removal point, of at least 2.0 m/s is achieved by the volume compensation in emulsion operation.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Emulsionsbetrieb ein Volumenstrom einer Dieselkraftstoff-Wasser- Emulsion in der Umlaufleitung (401 ) von der Dosiereinheit (301) bis zur Emulgiereinheit (309), insbesondere bis zur Entnahmestelle, vorgesehen wird, der dem wenigstens 1 ,5-fachen des Volumenstroms bei maximaler Emulsionsentnahme im Emulsionsbetrieb entspricht. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in emulsion operation a volume flow of a diesel fuel-water emulsion is provided in the circulation line (401) from the dosing unit (301) to the emulsifying unit (309), in particular to the extraction point, which corresponds to at least 1.5 times the volume flow at maximum emulsion removal in emulsion operation.
5. Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen (400), insbesondere zum Umschaltbetrieb von Schiffsmotoren, wobei die Dieselkraftmaschine (400) in einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine (400) oder in einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, insbesondere als Nach- und/oder Um rüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. Method for switching or alternating operation of diesel engines (400), in particular for switching operation of ship engines, the diesel engine (400) in diesel fuel operation by injecting a pure diesel fuel into a combustion chamber of the diesel engine (400) or in emulsion operation by injecting a Diesel fuel-water emulsion is operated, in particular as a function of the engine load of the diesel engine (400) and/or the engine power, in particular as a retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with pure diesel fuel switchover operation with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion, in particular according to one of the preceding claims,
- wobei ein Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorgesehen und/oder nachgerüstet wird, - where an emulsion circulation system for a diesel fuel-water emulsion is provided and/or retrofitted,
- wobei das Emulsionsumlaufsystem aufweist eine Dosiereinheit (301 ) zur Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff in das Emulsionsumlaufsystem und eine Emulgiereinheit (309) zum Emulgieren von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff, 47 - wherein the emulsion circulation system has a metering unit (301) for metering emulsifying water and diesel fuel into the emulsion circulation system and an emulsifying unit (309) for emulsifying emulsifying water and diesel fuel, 47
- wobei das Emulsionsumlaufsystem weiter aufweist wenigstens eine Umschalteinrichtung (405) zum last- und/oder leistungsabhängigen Betrieb der Dieselkraftmaschine (400) mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, - wherein the emulsion circulation system further comprises at least one switching device (405) for load- and/or power-dependent operation of the diesel engine (400) with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion,
- wobei im Emulsionsbetrieb eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus einer Umlaufleitung (401 ) des Emulsionsumlaufsystems über wenigstens eine Entnahmestelle entnommen und einer Einspritzpumpe (402) der Dieselkraftmaschine (400) zugeführt wird und - wherein in emulsion operation a diesel fuel-water emulsion is taken from a circulating line (401) of the emulsion circulating system via at least one extraction point and fed to an injection pump (402) of the diesel engine (400) and
- wobei bei einer Lastpunkt- und/oder der Leistungsänderung der Dieselkraftmaschine (400), insbesondere bei Änderung auf einen Nulllast- oder Niedriglastbetrieb, weiter insbesondere bei Erreichen eines bestimmten Absolutwertes der Drehzahländerung, die im Emulsionsumlaufsystem enthaltene Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion vorzugsweise vollständig aus dem Emulsionsumlaufsystem abgeleitet wird. - Wherein a load point and/or power change of the diesel engine (400), in particular when changing to no-load or low-load operation, more particularly when a certain absolute value of the speed change is reached, the diesel fuel-water emulsion contained in the emulsion circulation system is preferably completely removed from the Emulsion circulation system is derived.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich mit dem Ableiten einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus dem Emulsionsumlaufsystem eine Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion mit verändertem Wasseranteil durch entsprechende Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff über die Dosiereinheit (301 ) und Emulgieren in der Emulgiereinheit (309) erzeugt und dem Emulsionsumlaufsystem zugeführt wird oder dass vorzugsweise im Wesentlichen zeitgleich mit dem Ableiten einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion aus dem Emulsionsumlaufsystem im Wesentlichen nicht-wasserangereicherter Dieselkraftstoff dem Emulsionsumlaufsystem zugeführt wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that a diesel fuel-water emulsion with a changed water content is preferably essentially simultaneously with the discharge of a diesel fuel-water emulsion from the emulsion circulation system by appropriate metering of emulsifying water and diesel fuel via the metering unit (301) and Emulsification is generated in the emulsifying unit (309) and fed to the emulsion circulation system, or that essentially non-water-enriched diesel fuel is fed to the emulsion circulation system essentially at the same time as a diesel fuel-water emulsion is discharged from the emulsion circulation system.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Emulsionsumlaufsystem abgeleitete Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion gespeichert wird und dass eine Rückspeisung der gespeicherten Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion in das Emulsionsumlaufsystem erfolgt, wobei, vorzugsweise, die Rückspeisung mit einem auf den volumetrischen Verbrauch der Dieselkraftmaschine bezogenen Volumenstrom von 2,5 % bis 15 %, vorzugsweise von 5 % bis 10 %, erfolgt. 7. The method according to any one of the preceding claims 5 or 6, characterized in that the diesel fuel-water emulsion derived from the emulsion circulation system is stored and that the stored diesel fuel-water emulsion is fed back into the emulsion circulation system, with preferably the feeding back with a volumetric flow of 2.5% to 15%, preferably 5% to 10%, based on the volumetric consumption of the diesel engine.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise lediglich mechanische Emulgierung von Kraftstoff und Emulgierwasser in einem strömungsmechanischen Mischer (309) vorgesehen wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a preferably only mechanical emulsification of fuel and emulsifying water is provided in a fluid mechanical mixer (309).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser als Emulgierwasser eingesetzt wird, insbesondere wobei Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser weiter insbesondere on-board aufbereitet, insbesondere entsalzt wird, weiter insbesondere nach dem Verfahren der Umkehrosmose, wobei, vorzugsweise, das aufbereitete Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser gespeichert wird und/oder wobei Flusswasser, Brackwasser oder Seewasser während des Betriebs der Dieselkraftmaschine (400) aus der Umgebung entnommen und aufbereitet wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that river water, brackish water or sea water is used as emulsifying water, in particular wherein river water, brackish water or sea water is further processed, in particular on-board, in particular desalinated, further in particular according to the reverse osmosis process, wherein , Preferably, the treated river water, brackish water or sea water is stored and / or wherein river water, brackish water or sea water is removed from the environment during operation of the diesel engine (400) and treated.
10. Verfahren zum Umschalt- bzw. Wechselbetrieb von Dieselkraftmaschinen (400), insbesondere zum Umschaltbetrieb von Schiffsmotoren, wobei die Dieselkraftmaschine (400) in einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines reinen Dieselkraftstoffs in einen Brennraum der Dieselkraftmaschine (400) oder in einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion betrieben wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, insbesondere als Nach- und/oder Um rüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit reinem Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, 10. A method for switching or alternating operation of diesel engines (400), in particular for switching ship engines, the diesel engine (400) in diesel fuel operation by injecting a pure diesel fuel into a combustion chamber of the diesel engine (400) or in emulsion operation by injecting a Diesel fuel-water emulsion is operated, in particular as a function of the engine load of the diesel engine (400) and/or the engine power, in particular as a retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with pure diesel fuel switchover operation with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion, in particular according to one of the preceding method claims,
- wobei die Dieselkraftmaschine (400) wenigstens einen Zylinderkopf (701) aufweist mit einer wenigstens ein Einlassventil (713), vorzugsweise mehrere in Strömungsrichtung hintereinanderliegende Einlassventile (713, 714), aufweisenden Ventilanordnung und wobei eine direkte Eindüsung von Wasser in den Einlasskanal (710) des Zylinderkopfes (701 ) vorgesehen wird. - wherein the diesel engine (400) has at least one cylinder head (701) with a valve arrangement having at least one intake valve (713), preferably a plurality of intake valves (713, 714) arranged one behind the other in the direction of flow, and wherein water is injected directly into the intake port (710) of the cylinder head (701) is provided.
11. Emulsionsumlaufsystem für eine Dieselkraftmaschinenanlage, insbesondere eine Schiffsmotorenanlage, insbesondere zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf einen Umschaltbetrieb zwischen einem Dieselkraftstoffbetrieb durch Einspritzung eines Dieselkraftstoffs in einen Brennraum einer Dieselkraftmaschine (400) und einem Emulsionsbetrieb durch Einspritzung einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere zum Dieselkraftstoffbetrieb oder zum Emulsionsbetrieb in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, mit einer Dosiereinheit (301 ) zur Dosierung von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff in das Emulsionsumlaufsystem und einer Emulgiereinheit (309) zum Emulgieren von Emulgierwasser und Dieselkraftstoff und mit einer Umschalteinrichtung (405) zum last- und/oder leistungsabhängigen Betrieb der Dieselkraftmaschine (400) mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, wobei das Emulsionsumlaufsystem eingerichtet und ausgebildet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 11. Emulsion circulation system for a diesel engine system, in particular a ship engine system, in particular for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with diesel fuel to switchover operation between diesel fuel operation by injecting a diesel fuel into a combustion chamber of a diesel engine (400) and emulsion operation by injecting a Diesel fuel-water emulsion, in particular for diesel fuel operation or for emulsion operation depending on the engine load of the diesel engine (400) and / or the engine power, with a Metering unit (301) for metering emulsifying water and diesel fuel into the emulsion circulation system and an emulsifying unit (309) for emulsifying emulsifying water and diesel fuel and with a switchover device (405) for load- and/or power-dependent operation of the diesel engine (400) with diesel fuel or with one Diesel fuel-water emulsion, wherein the emulsion circulation system is set up and designed to carry out a method according to one of the preceding claims.
12. Nach- und/oder Umrüstverfahren zum Nach- und/oder Umrüsten einer zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Dieselkraftmaschinenanlage auf den Umschaltbetrieb einer Dieselkraftmaschine (400) der Dieselkraftmaschinenanlage mit Dieselkraftstoff oder mit einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion, insbesondere zum Dieselkraftstoffbetrieb oder Emulsionsbetrieb in Abhängigkeit von der Motorlast der Dieselkraftmaschine (400) und/oder der Motorleistung, insbesondere zum Nach- und/oder Umrüsten von Schiffsmotoren, insbesondere mit den Verfahrensmerkmalen eines der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, 12. Retrofitting and/or conversion method for retrofitting and/or converting a diesel engine system set up for operation with diesel fuel to switchover operation of a diesel engine (400) of the diesel engine system with diesel fuel or with a diesel fuel-water emulsion, in particular for diesel fuel operation or emulsion operation as a function on the engine load of the diesel engine (400) and/or the engine power, in particular for retrofitting and/or converting ship engines, in particular with the method features of one of the preceding claims 1 to 10,
- wobei eine zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichtete Einspritzpumpe der Dieselkraftmaschine (400) durch eine Nachrüst- und/oder Austausch- Einspritzpumpe (402) mit einem vergrößerten Fördervolumen der Einspritzpumpe (402) und/oder mit einer gegenüber der zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichteten Einspritzpumpe modifizierten Steuerkantengeometrie eines Pumpenkolbens (612) der Einspritzpumpe ausgetauscht wird. - An injection pump of the diesel engine (400) set up for operation with diesel fuel being modified by a retrofit and/or replacement injection pump (402) with an increased delivery volume of the injection pump (402) and/or with an injection pump set up for operation with diesel fuel Control edge geometry of a pump piston (612) of the injection pump is exchanged.
13. Nach- und/oder Umrüstverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modifikation des Regelstangenweges einer zur Verdrehung des Pumpenkolbens (612) vorgesehene Regelstange vorgesehen wird, wobei der Regelstangenweg zur Begrenzung des Fördervolumenstroms im Dieselkraftstoffbetrieb begrenzt wird und wobei für einen größeren Fördervolumenstrom im Emulsionsbetrieb ein größerer Regelstangenweg, insbesondere der maximale Regelstangenweg, vorgesehen bzw. freigegeben wird. 13. Retrofitting and/or conversion method according to Claim 12, characterized in that a modification of the control rod travel of a control rod provided for rotating the pump piston (612) is provided, with the control rod travel being limited to limit the delivery volume flow in diesel fuel operation and with a larger delivery volume flow in emulsion operation, a larger control rod travel, in particular the maximum control rod travel, is provided or released.
14. Nach- und/oder Umrüstverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, wobei eine zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichtete Einspritzpumpe der Dieselkraftmaschine (400) durch eine Nachrüst- und/oder Austausch- Einspritzpumpe (402) ausgetauscht wird, die einen Pumpenkolben (612) mit zumindest bereichsweise aufweisender verschleißmindernder Beschichtung und/oder Korrosionsschutzbeschichtung aufweist, und/oder14. Retrofitting and/or conversion method according to one of the preceding claims 12 or 13, wherein an injection pump of the diesel engine (400) which is set up for operation with diesel fuel is replaced by a retrofit and/or replacement injection pump (402) which has a pump piston ( 612) with a wear-reducing coating and/or anti-corrosion coating at least in certain areas, and/or
- wobei ein zum Betrieb mit Dieselkraftstoff eingerichtetes Einspritzventil der Dieselkraftmaschine (400) durch ein Nachrüst- und/oder Austausch-Ein- spritzventil ausgetauscht wird, das eine Ventilnadel mit zumindest bereichsweise ausweisender verschleißmindernder Beschichtung und/oder Korrosionsschutzbeschichtung aufweist. - An injection valve of the diesel engine (400) that is set up for operation with diesel fuel is replaced by a retrofit and/or replacement injection valve that has a valve needle with a wear-reducing coating and/or anti-corrosion coating that is at least partially visible.
15. Einspritzpumpe (402) für eine Dieselkraftmaschine (400) einer Dieselkraftmaschinenanlage, mit einem Pumpenkolben (612) mit modifizierter Steuerkantengeometrie nach Anspruch 12 und/oder ausgebildet zur Begrenzung des Regelstangenweges nach Anspruch 13. 15. Injection pump (402) for a diesel engine (400) of a diesel engine system, with a pump piston (612) with modified control edge geometry according to claim 12 and/or designed to limit the control rod travel according to claim 13.
16. Dieselkraftmaschinenanlage mit einer Dieselkraftmaschine (400) und mit einem Emulsionsumlaufsystem nach Anspruch 11 und/oder mit einer Einspritzpumpe (402) nach Anspruch 15 und/oder eingerichtet und ausgebildet zur direkten Zuführung von Wasser in einen Einlasskanal (711 ) eines Zylinderkopfes (701 ) der Dieselkraftmaschine (400) nach Anspruch 10. 16. Diesel engine system with a diesel engine (400) and with an emulsion circulation system according to claim 11 and/or with an injection pump (402) according to claim 15 and/or set up and designed for the direct supply of water into an inlet port (711) of a cylinder head (701) the diesel engine (400) of claim 10.
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