DE19911251A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion des Wassergehalts in einem verdichteten Luftstrom - Google Patents

Abstract

Bei der Detektion des Wassergehalts in einem verdichteten Luftstrom lassen sich dadurch vergleichsweise gut erkennbare Ergebnisse erreichen, dass aus dem Luftstrom eine Probe abgezweigt wird, die in eine erste Fraktion (17), die nur tröpfchenfreie Luft enthält und eine zweite Fraktion (18), die das Wasser der Probe und einen geringeren Luftanteil enthält, aufgeteilt wird, wobei anschließend der Druck der zweiten Fraktion (18) abgesenkt und dann ihre Temperatur mit der Eingangstemperatur der Probe verglichen wird. Zur Bildung der ersten und zweiten Fraktion (17, 18) findet zweckmäßig ein Zyklon (5) Verwendung, wobei die erste Fraktion (17) in die Umgebung ausgeblasen und die zweite Fraktion (18) in einen Entspannungsraum (12) eingeleitet wird. Hauptanwendungsgebiet ist die Überwachung der einer Brennkraftmaschine zugeführten Ladeluft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine. Vorrichtung zur Detektion des Wassergehalts einem verdichteten Luftstrom, insbesondere in der einer Brennkraftmaschine zugeführten Ladeluft.

Zur Erzielung einer hohen Motorleistung sind ein hoher Ladeluftdruck und eine möglichst niedrige Ladelufttemperatur erforderlich. Hierzu wird die Ladeluft mittels eines Abgasturboladers verdichtet und mittels eines dem Abgasturbolader nachgeordneten Ladeluftkühlers gekühlt. Da hierbei Kondensat anfällt, ist dem Ladeluftkühler in der Regel ein Wasserscheider nachgeordnet. Eine vollständige Abscheidung des bei der Kühlung sich bildenden Kondensats ist jedoch vielfach nicht möglich, so dass ein Teil dieses Kondensats in Form kleiner Tröpfchen zusammen mit der Ladeluft in die Verbrennungsräume des Motors gelangt. Eine zu große Wassermenge begünstigt allerdings den Verschleiß der Kolbenringe und der Zylinderbüchsen. Bisher wurde dieser Nachteil, in Kauf genommen, da es in der Praxis nicht möglich war, die tatsächliche Wassermenge zu ermitteln.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die. Detektion des Gehalts an Wassertröpfchen in einem Storm von verdichteter Luft in einer für den praktischen Einsatz geeigneten Weise zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 6 gelöst.

Die verfahrensmäßige Lösung sieht vor, dass aus dem Luftstrom eine Probe abgezweigt wird, die in eine erste Fraktion, die nur tröpfchenfreie Luft enthält, und eine zweite Fraktion, welche die Wassertröpfchen der Probe und einen geringeren Luftanteil enthält, aufgeteilt wird, und dass anschließend der Druck der, zweiten Fraktion abgesenkt und dann ihre Temperatur mit der Eingangstemperatur der Probe verglichen wird.

Diese Lösung beruht auf der Beobachtung, dass entspannte Luft mehr Wasserdampf halten kann; als verdichtete Luft und dass die Verdampfungswärme der Luft entzogen wird, so dass deren Temperatur absinkt. Die auf diese Weise sich ergebende Temperaturdifferenz zur Eingangstemperatur kann ins Verhältnis mit dem Wassergehalt gesetzt werden. Dadurch, dass der Wassergehalt in der zweiten Fraktion angereichert wird, ist sichergestellt, dass sich auch bei einem vergleichsweise geringen Wassergehalt, wie das beispielsweise im einem Wasserabscheider nachgeordneten Bereich der Ladeluftleitung eines Motors der Fall ist, noch eine ausreichend große, gut erkennbare Temperaturdifferenz ergibt, so dass auch kleinere Schwankungen erkennbar und die Auslösung eines Alarms beim Überschreiten einer zulässigen Toleranzgrenze möglich sind. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Brennkraftmaschinen, wobei mit Hilfe der Erfindung die eingangs geschilderten Nachteile vollständig vermieden werden können, was sich vorteilhaft auf die erreichbare Lebensdauer der Kolben und Zylinderbüchsen auswirkt und damit die Wartungs- und Instanthaltungskosten senken kann.

Zweckmäßig kann die erste Fraktion volumenmäßig 10 bis 20 mal größer als die zweite Fraktion sein. Hiermit wird eine ausreichend hohe Wasseranreicherung in der zweiten Fraktion gewährleistet.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass die Druckabsenkung der zweiten Fraktion in Stufen erfolgt, wobei die zweite Fraktion in viele, düsenstrahlförmige Teilströme aufgeteilt wird. Dies gewährleistet eine zuverlässige Verdampfung des Wassers, so dass zuverlässige Ergebnisse erzielbar sind.

Die vorrichtungsmäßige Lösung der obigen Aufgabe sieht vor, dass in einem mit verdichteter Luft, die Wassertröpfchen mitführt, beaufschlagbaren Kanal eine Probeentnahmedüse angeordnet ist, die an einen Zyklon angeschlossen ist, der einen ersten Ausgang für trockene Luft und einen dem gegenüberliegenden, in einen Entspannungsraum mündenden, zweiten Ausgang für Wasser und einen geringeren Luftanteil aufweist. Der hier zur Anwendung kommenden Zyklon stellt ein stationäres uncl dementsprechend sehr robustes, praktisch wartungsfreies Bauteil dar, das auf einfache Weise die erwünschte Fraktionierung der aus dem Luftstrom entnommenen Probe ermöglicht.

In vorteilhafter Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann der Zyklon einen mit einem tangential angeordneten Eingang versehenen Zylinder aufweisen, in den ein zentrales, den ersten Ausgang bildendes Rohr hineinragt und an den ein Trichter angesetzt ist, der über einen den zweiten Ausgang bildenden Stutzen mit dem Entspannungsraum verbunden ist. Das den ersten Ausgang bildende Rohr verhindert eine gegenseitige Störung der äußeren und inneren Luftströme. Der an den Zylinder angesetzte Trichter ergibt eine zum Zentrum hin konvergierende Luftströmung, was die zentrale Ableitung erleichtert.

Eine weitere, besonders zu bevorzugende Maßnahme kann darin bestehen, dass den Ausgängen einstellbare Drosseleinrichtungen zugeordnet sind. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, die lichten Strömungsquerschnitte im Bereich des ersten und zweiten Ausgangs und damit die Volumenstromverhältnisse der ersten und zweiten Fraktion einzustellen.

Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann darin bestehen, dass der Entspannungsraum mehrere, nacheinander durchströmbare, vorteilhaft durch Lochbleche voneinander getrennte Kammern aufweist, wobei die letzte Kammer wenigstens einen Anschluss an die Umgebung aufweist. Hierdurch wird eine stufenförmige Druckabsenkung und eine Aufteilung der zweiten Fraktion in viele, düsenstrahlförmige Teilströme erreicht. Dies führt zu hohen Turbulenzen, die für die erwünschte Verdampfung förderlich sind. Aufgrund der dabei sich ergebenden Hochgeschwindigkeitsdüsenanordnung ist es zudem möglich, die ganze Apparatur so einzustellen, dass sich bei einem kritischen Kondensatgehalt ein sprunghafter Temperaturabfall ergibt, der leicht erkennbar ist und die Auslösung eines Alarms etc. vereinfacht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

Die Zeichnung enthält eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion des Wassergehalts der einer Brennkraftmaschine zugeführten Ladeluft.

In der Zeichnung ist ein Strömungskanal 1 angedeutet, bei dem es sich um die zu einer Verteilerleitung führende Ladeluftleitung einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Zweitakt-Großdieselmotors, handeln soll. Die Ladeluft wird in einem hier nicht näher dargestellten Abgasturbolader auf etwa 3-4 bar verdichtet und mittels eines dem Abgasturbolader nachgeordneten, ebenfalls nicht dargestellten Ladeluftkühlers gekühlt. Diesem ist ein ebenfalls nicht dargestellter, stromaufwärts von dem hier vorliegenden Abschnitt der Ladeluftleitung angeordneter Wasserabscheider zur Abscheidung des bei der Kühlung anfallenden Kondensats nachgeordnet. Eine vollständige Wasserabscheidung ist jedoch in, der Praxis nicht möglich. Das nicht abgeschiedene Wasser gelangt daher in Form kleiner Tröpfchen zusammen mit der Ladeluft in die Verbrennungsräume der Brennkraftmaschine.

Da ein zu großer Wassergehalt zu Zerstörungen der Kolbenringe und der Zylinderbüchsen führen kann, werden der Gehalt an Wassertröpfchen in der Ladeluft erfasst und beim Überschreiten eines kritischen Werts z. B. ein Alarm ausgelöst, wie durch eine Hupe 2 angedeutet ist. Das Personal kann im Falle eines Alarms in geeigneter Weise eingreifen, beispielsweise den Wasserabscheider reinigen, die Last absenken oder etwa die Temperatur der Ladeluft erhöhen. So wäre es denkbar, beim Überschreiten eines kritischen Werts eine den Ladeluftkühler umgehende By­ pass-leitung zu aktivieren, um eine Wärmezufuhr zur Ladeluft zu bewerkstelligen.

Die Vorrichtung zur Erfassung des Wassertröpfchengehalts in der Ladeluft enthält eine in der Ladeluftleitung angeordnete, als Samplerdüse ausgebildete Probeentnahmedüse 3, die über eine Verbindungsleitung 4 mit einem Zyklon 5 verbunden ist. Mittels der Probeentnahmedüse wird der Ladeluft eine Probe entnommen, die im Zyklon 5 weiter behandelt wird. Die die Probeentnahmedüse 3 bildende Samplerdüse stellt sicher, dass sich keine Geschwindigkeitsverluste ergeben, das heißt dass die Geschwindigkeit der Luft im Zyklon 5 der Geschwindigkeit der Luft im Strömungskanal 1 entspricht. Die Verbindungsleitung 4 mündet tangential in den Zyklon 5 ein. Der Mündungsbereich kann dabei als in Strömungsrichtung konvergierendes Strahlrohr 6 ausgebildet sein.

Der mit lotrechter Achse angeordnete Zyklon 5 enthält einen oberen Zylinder 7, in den die dem Strömungskanal 1 entnommene Probe einmündet, und einen an den Zylinder 7 angesetzten, nach unten konvergierenden Trichter 8. In den Zylinder 7 ragt von oben ein zentrales, etwa bis zum Trichterbereich reichendes Rohr 9 hinein, das an seinem unteren Ende offen ist und dessen gegenüberliegendes, außerhalb des Zylinders 7 sich, befindendes Ende über einen Schalldämpfer 10 in die Umgebung mündet. Der Schalldämpfer 10 kann eine oder mehrere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete perforierte Platten aufweisen, die als Lochplatten ausgebildet sein können. Der Trichter 8 ist über einen nach unten abgehenden Stutzen 11 mit einem. Entspannungsraum 12 verbunden.

Der Entspannungsraum 12 enthält mehrere, strömungsmäßig hintereinander angeordnete Kammern 13, die durch perforierte Wände 14 voneinander getrennt sind. Die perforierten Wände 14 können einfach durch Lochbleche gebildet werden. Die Gesamtfläche der die Perforationen bildenden Löcher der. Wände 14 ist zweckmäßig größer als die Gesamtfläche der Perforationen der perforierten Platten des Schalldämpfers 10. Die, letzte Kammer 13 ist mit einem Luft- und/oder Wasserausgang 15 versehen und so an die Umgebung angeschlossen, so dass in ihr der Umgebungsdruck herrscht.

Die dem Zyklon 5 zugeführte Luftprobe führt im Zylinder 7 eine durch eine Strömungslinie 16 schematisch angedeutete, schraubenförmig nach unten gehende Bewegung aus, wobei die von der Luft mitgeführten Wassertröpfchen durch die Fliehkraftwirkung an der Wand des Zylinders 7 abgeschieden werden. Im Bereich des Trichters 8 wird die Strömung infolge der Konizität des Trichters 8 nach radial innen gelenkt, wobei sich gleichzeitig für den größten Teil der Luft eine Umlenkung nach oben ergibt. Dieser Teil der Probe, der praktisch keine Wassertröpfchen mehr enthält, strömt als durch einen Pfeil 17 angedeutete, erste Fraktion über das zentrale Rohr 9 ab. Nur ein kleinerer Teil der Luft strömt zusammen mit dem durch die Trichterwandung kanalisierten Wässer als durch einen Pfeil 18 angedeutete, zweite Fraktion nach unten über den Stutzen 11 zum Entspannungsraum 12 ab.

Die durch den Pfeil 18 angedeutete, zweite Fraktion enthält dementsprechend das in der gesamten Probe enthaltene Wasser zusammen mit einem kleineren Anteil der Luft. In der genannten zweiten Fraktion ergibt sich somit eine Anreicherung des Wassers. Die Anordnung ist zweckmäßig so getroffen, dass der die durch den Pfeil 17 angedeutete, ausschließlich aus tröpfchenfreier Luft bestehende, erste Fraktion bildende Volumenstrom abhängig vom Verhältnis der Masse des Wassers zur Masse des totalen Luftstroms etwa 10-20 mal größer als der die durch den Pfeil 18 angedeutete zweite Fraktion bildende Volumenstrom ist. Dies, kann durch geeignete Querschnittsbemessungen des den der ersten Fraktion zugeordneter, Ausgang bildenden Rohrs 9 und des den der zweiten Fraktion zugeordneten Ausgang bildenden Stutzens 11 bewerkstelligt werden. Zweckmäßig sind den durch das Rohr bzw. den Stutzen 11 gebildeten Ausgängen einstellbare Drosseleinrichtungen 19 bzw. 20, wie Klappen, Jalousien etc., zugeordnet, durch welche die wirksamen Strömungsquerschnitte einstellbar sind.

Die dem Entspannungsraum 12 zugeführte Fraktion wird im Entspannungsraum 12 stufenförmig bis auf den Umgebungsdruck entspannt. Hierzu enthält der Entspannungsraum 12 wie oben schon angedeutet wurde, mehrere, nacheinander durchströmbare durch einen Lochblechstapel gebildete Kammern 13, zwischen denen durch durch die Lochbleche etc. gebildete perforierte Wände 14 vorgesehen sind. Zweckmäßig können 5-10 Kammern vorgesehen sein. In der letzten Kammern herrscht infolge ihrer Umgebungsverbindung Umgebungsdruck.

Da entspannte Luft mehr Wasserdampf halten kann, als verdichtete Luft, erfolgt im Entspannungsraum 12 nach und nach eine Verdampfung des Wassers. Die Verdampfung wird dabei durch den durch die Perforationen der Wände 14 verursachten Düseneffekt und die hierdurch bewirkten Turbulenzen begünstigt, so dass auf dem Weg bis zur letzten Kammer 13 praktisch das ganze Wasser verdampft ist. Die zur Verdampfung nötige Verdampfungswärme muss der Luft entzogen werden, deren, Temperatur sich dadurch erniedrigt. Da die dem Entspannungsraum 12 zugeführte zweite. Fraktion vergleichsweise wenig Luft und das ganze Wasser der aus dem Strömungskanal 1 entnommenen Probe enthält, ergibt sich auch bei einem vergleichsweise geringen Wassergehalt der den Strömungskanal durchsetzenden Probe eine vergleichsweise starke Temperaturabsenkung. Bei praktischen Versuchen im Zusammenhang mit einem. Zweitakt-Großdieselmotor wurde eine Temperaturabsenkung von 10-13°C erreicht.

Diese Temperaturabsenkung ist proportional zum Wassergehalt in der den Strömungskanal 1 durchsetzenden Luft, hier der Ladeluft. Zur Messung der Temperaturabsenkung sind zwei Temperaturfühler 21, 22 vorgesehen, von denen einer im Eingangsbereich des Zyklons 5 und einer im Ausgangsbereich des Entspannungsraums 12 angeordnet ist und deren Ausgänge an einem Komparator 23 liegen, mittels dessen die Temperaturdifferenz, welche der genannten Temperaturabsenkung entspricht, feststellbar ist. Der Komparator 23 kann so ausgebildet sein, dass hierdurch, beim Überschreiten eines kritischen Werts die Alarmeinrichtung 2 ausgelöst wird. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, mit Hilfe des Komperators 23, wie durch den Pfeil 24 angedeutet ist, direkt in die Motorsteuerung einzugreifen und beispielsweise die Last zu reduzieren.

Vorteilhaft kann mit Hilfe des Komparators 23 beim Überschreiten eines kritischen Werts auch die Zufuhr von Wärme, z. B. in Form einer Beigabe von warmer Luft, wie am Ladeluftkühler vorbeigeführter By-pass-Luft, zur Ladeluft zum Verdampfen der vorhandenen Wassertröpfchen aktiviert Werden. Bei einer besonders komfortablen. Anordnung können mehrere Vorrichtungen hier vorliegender Art vorgesehen sein, nämlich wenigstens eine mit ausreichendem Abstand von den Zylindern angeordnete derartige Vorrichtung, durch die eine Wärmebeaufschlagung der Ladeluft aktivierbar ist, und wenigstens eine weiter stromabwärts kurz vor den Zylindern angeordnete derartige Vorrichtung, durch die ein Alarm, auslösbar ist, sofern trotz Wärmezufuhr zur Ladeluft der Gehalt an Wassertröpfchen immer noch zu hoch sein sollte.

Um Temperaturverluste im Bereich des Zyklons 5 und damit eine Verfälschung des Ergebnisses zu vermeiden, kann der, Zyklon 5 mit einer ihn umfassenden Wärmeisolation 25 versehen sein. Dasselbe gilt für die Entspannungskammer 12 und einen zwischen Zyklon 5 und Entspannungskammer 12 eventuell vorgesehenen Stutzen 11. Die Innenseite des Zyklons 5 kann mit einer perforierten Wand 26, die durch ein Webmaterial 27 hinterlegt ist, verkleidet sein, um eine gute Ableitung der Wassertröpfchen zu fördern.

Claims (17)

1. Verfahren zur Detektion des Wassergehalts in einem verdichteten Luftstrom, insbesondere in der einer Brennkraftmaschine zugeführten Ladeluft, wobei aus dem Luftstrom eine Probe abgezweigt wird, die in eine erste Fraktion (17) die nur tröpfchenfreie Luft enthält und eine zweite Fraktion (18), die das Wasser der Probe und einen geringeren Luftanteil enthält, aufgeteilt wird, wobei anschließend der Druck der zweiten Fraktion (18) abgesenkt und dann ihre Temperatur mit der Eingangstemperatur der Probe verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe geschwindigkeitsverlustlos aus dem Luftstrom entnommen wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fraktion (17) volumenmäßig 10-20 mal größer als die zweite Fraktion (18) ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckabsenkung der zweiten Fraktion (18) in Stufen erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fraktion (18) bei der Druckabsenkung in viele, düsenstrahlförmige Teilströme aufgeteilt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mit verdichteter Luft, die Wassertröpfchen mitführt, beaufschlagbaren Kanal (1), insbesondere im Ladeluffkanal einer Brennkraftmaschine, eine Probeentnahmedüse (3) angeordnet ist, die an einen Zyklon (5) angeschlossen ist, der einen ersten Ausgang (9) für trockene Luft und einen dem gegenüberliegenden, in einen Entspannungsraum (12) mündenden, zweiten Ausgang (11) für Wasser und einen geringeren Luftanteil aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zyklon (5) einen mit einem tangential angeordneten Eingang versehenen Zylinder (7) aufweist, in den ein zentrales, den ersten Ausgang (9) bildendes Rohr hineinragt und an den ein Trichter (8) angesetzt ist, der über einen den zweiten Ausgang (11) bildenden Stutzen mit dem Entspannungsraum (12) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zyklon (5) mit lotrechter Achse angeordnet ist, wobei der erste Ausgang (9) nach oben und der zweite Ausgang (11) nach unten abgehen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Ausgang (9) bzw. (11), vorzugsweise, beiden Ausgängen (9, 11), eine einstellbare Drosseleinrichtung (19, 20) zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausgang (9) in die Umgebung mündet, wobei ihm vorzugsweise ein Schalldämpfer (10) zugeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Probeentnahmedüse (3) als Samplerdüse ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Zyklon (5), vorzugsweise der Zyklon (5) und der Entspannungsraum (3), mit einer Wärmeisolation versehen ist bzw. sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-12, dadurch gekennzeichnet, dass der Entspannungsraum (12) mehrere, nacheinander durchströmbare Kammer (13) aufweist, wobei die letzte Kammer (13) wenigstens einen Anschluss (15) an die Umgebung aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kammern (13) vorzugsweise, als Lochbleche ausgebildete, perforierte Wände (14) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-14, dadurch gekennzeichnet, dass im eingangsseitigen Bereich des Zyklons (5) und im, ausgangsseitigen Bereich des Entspannungsraums (12) Temperaturfühler (21, 22) vorgesehen sind, denen ein Komperator (23) nachgeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine mittels des Komperators (23) eine Warneinrichtung (2) betätigbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine die Probeentnahmedüse (3) in einem einem Wasserabscheider, nachgeordneten Bereich der Ladeluftleitung (1) angeordnet ist, die mit mittels eines Abgasturboladers verdichteter und mittels eines diesem nachgeordneten Ladeluftkühlers gekühlter Luft beaufschlagbar ist.