DE60220301T2

DE60220301T2 - Anordnung und verfahren in verbindung mit einem dieselmotor

Info

Publication number: DE60220301T2
Application number: DE60220301T
Authority: DE
Inventors: Thomas Hägglund; Harry Holmgren
Original assignee: Wartsila Finland Oy
Current assignee: Wartsila Finland Oy
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: US7013846B2; JP2005504918A; US20040244734A1; JP4225903B2; EP1434936A1; ATE363021T1; DE60220301D1; FI20011965A0; KR20050032505A; FI20011965L; CN1568402A; FI114562B; WO2003031795A1; EP1434936B1; KR100867058B1; CN100334342C; JP2008281008A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung in Verbindung mit einer Dieselmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein Verfahren in Verbindung mit einer Dieselmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7.
Wie das Allgemein bekannt ist, kann die Verwendung einer Dieselmaschine zu einer beträchtlichen Menge an Stickoxid-Emissionen führen. Zur Reduzierung der Emissionen sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, wie beispielsweise geregelte Katalysator-Reduktionssysteme, eine direkte Wassereinspritzung in die Brennkammer, oder die Anfeuchtung von Ansaugluft mit Dampf oder Wasser. Alle Anstrengungen hierzu im Stand der Technik verursachen hohe Investitionen und sind technisch relativ kompliziert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung und ein Verfahren vorzusehen, mit denen die Probleme im Stand der Technik minimiert werden. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren vorzusehen, mit denen die Stickstoff-Emissionen einer mit Druck beaufschlagten Dieselmaschine einfach und effektiv reduziert werden können.
Die Ergebnisse der Erfindung werden im Grunde im größeren Detail in den Ansprüchen 1 und 7 wie auch in den anderen Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Einrichtung in Verbindung mit einer Dieselmaschine umfasst ein Luftzufuhrsystem zum Zuführen von Ansaugluft aus der Umgebung an die Maschine. Das Luftzufuhrsystem weist überdies mindestens eine Kanalanordnung, einen Kompressor und einen Wärmetauscher für Ansaugluft auf. Die Einrichtung umfasst überdies einen Kühlkreis, mit dem Abwärme von der Dieselmaschine rückgewonnen wird, an welchen Kreislauf mindestens ein Wärmetauscher angeschlossen ist. Der an dem Kühlkreis angeschlossene Wärmetauscher dient dazu, Wasser durch diejenige Wärme zu verdampfen, die aus dem Kühlkreis erhalten wird. Zusätzlich ist der Wärmetauscher über einen Dampf-Zufuhrkanal an die Kanalanordnung des Luftzufuhrsystems angeschlossen. Der Dampf-Zufuhrkanal ist angeordnet, um die Kanalanordnung an den Wärmetauscher anzuschließen, wodurch erzeugter Dampf an die Ansaugluft der Maschine geführt werden kann.
Vorzugsweise ist der Dampf-Zufuhrkanal so angeordnet, so dass der in der Kanalanordnung vorherrschende Druck auf den in dem Wärmetauscher vorherrschende Druck einwirken kann, wobei der Verdampfungsdruck reduziert wird und somit auch der Siedepunkt herabgesetzt wird. In einem solchen Fall ist das erforderte Temperaturniveau in dem Kühlkreis niedriger als es bei einem höheren Verdampfungsdruck der Fall wäre. Vorzugsweise ist der die Wärme von der Dieselmaschine rückgewinnende Kühlkreis ein Kühlkreislauf eines Dieselmaschinenblocks und/oder eines Zylinderkopfs, der/die bei einem höheren Temperaturniveau arbeiten kann, wodurch ebenso die Verdampfungstemperatur relativ hoch wird.
Der Wärmetauscher ist vorteilhaft an dem Kühlkreislauf der Maschine angeschlossen, so dass der Dampf-Zufuhrkanal in der Strömungsrichtung der Ansaugluft vor dem Kompressor an der Kanalanordnung angeschlossen ist. Der Strömungskanal des Kühlkreises hat eine Verzweigung, um zwei separate Kanäle zu bilden, von denen der erste an dem Wärmetauscher vorbeiläuft und der zweite durch den Wärmetauscher geht. Der Kühlkreis ist nachfolgend im Wärmetauscher in der Strömungsrichtung des Kühlmittels an einen Wärmetauscher für Ansaugluft angeschlossen, der in dem Luftzufuhrsystem vorgesehen ist.
In dem Verfahren in Verbindung einer Dieselmaschine aufweisend ein Luftzufuhrsystem für die Dieselmaschine, welches Luftzufuhrsystem mindestens eine Kanalanordnung, einen Kompressor und einen Wärmetauscher für Ansaugluft, einen Kühlkreis für die Dieselmaschine aufweist, an welchen Kreislauf mindestens ein Wärmetauscher angeschlossen ist, wobei während dem Lauf der Maschine Ansaugluft, die von dem Kompressor unter Druck gesetzt wird, mittels des Luftzufuhrsystems der Dieselmaschine an die Maschine geführt wird, wobei das in dem Kühlkreislauf strömende Kühlmedium durch einen Wärmetauscher gekühlt wird, der an dem Kühlkreis angeschlossen ist, und wobei Wasser in den Wärmetauscher gegeben wird, um dies mittels dem Wärmetauscher zu verdampfen und Dampf zu erzeugen, wobei der auf diese Weise erzeugte Dampf in das Luftzufuhrsystem der Dieselmaschine eingeführt wird.
Vorzugsweise wird ein Teil des erzeugten Dampfes in das Luftzufuhrsystem der Dieselmaschine eingeführt, und zwar an einer speziellen Stelle vor dem Kompressor. Folglich ist das Druckniveau an dieser Dampfzufuhrstelle relativ gering und näherungsweise gleich dem Umgebungsdruck. Die Wasserverdampfung in dem Wärmetauscher ist so vorgesehen, dass sie vorzugsweise bei einem Druck von ca. ≤ 1 bar erfolgt. Die Wasserverdampfung in dem Wärmetauscher wird durch Zuleiten eines Teils des Kühlmediums gesteuert, das in dem Kühlkreislauf unter Umgehung des Wärmetauschers ohne Zuführ jeglicher Wärme dort strömt.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine beträchtliche Reduktion an Stickoxid-Emissionen einer Dieselmaschine durch relativ geringe Investitionen und Betriebskosten erreicht. Durch Anfeuchten der Luft mittels dem Dampf kann die Bildung von Wassertröpfchen vollständig vermieden werden, wodurch der Kompressor deshalb nicht verschleißt. Zusätzlich kann das Erfordernis einer Behandlung des zu verdampfenden Wassers auf ein Minimum gemäß der Erfindung reduziert werden, wobei das natürlich von der Qualität des erhältlichen Wassers abhängt.
Im Folgenden wird die Erfindung exemplarisch mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der 1 die Einrichtung in Verbindung mit einer Dieselmaschine schematisch zeigt.
In 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Dieselmaschine. Ein Luftzufuhrsystem 2 ist in Verbindung mit der Dieselmaschine 1 angeordnet. Das Luftzufuhrsystem umfasst eine Kanalanordnung 3 zum Zuführen von Ansaugluft an die Maschine 1 aus der Umgebung. In Verbindung mit der Kanalanordnung 3 ist eine Kompressorvorrichtung vorgesehen, von der aus Gründen einer klaren Darstellung nur ein Kompressor 4 gezeigt ist. Im Folgenden wird der Betrieb der Dieselmaschine mit Bezug auf die vorliegende Erfindung beschrieben. Die Maschine umfasst andererseits Bestandteile, die an sich bekannt sind und sie wird betrieben und kann derart verwendet werden, wie das allgemein bekannt ist.
Es ist allgemein bekannt, den Maschinenblock und andere Bestandteile zu kühlen. Gemäß der Erfindung wird Wärme von den Kühlkreisen 5 der Maschine zum Verdampfen von Wasser in den Wärmetauscher 6 übertragen. Gemäß der Erfindung ist es in dem Wärmetauscher 6 vorzugsweise möglich, einen Druck aufrechtzuerhalten, der maximal dem Umgebungsdruck entspricht.
Das zum Anfeuchten der Ansaugluft der Maschine erforderliche Wasser kann demzufolge vorzugsweise durch ein Fluid verdampft werden, das bei einer relativ geringen Temperatur vorliegt, und ebenso durch sehr einfache Vorrichtungen. Gemäß der Erfindung kann das in der Kanalanordnung 3 des Luftzufuhrsystems 2 entwickelte Druckniveau, das geringer als der Umgebungsdruck ist, zum Reduzieren auch des Druck auf der Wasserseite des Wärmetauschers verwendet werden, wodurch der Siedepunkt des Wassers fällt. Um dies zu ermöglichen, ist der Wärmetauscher an dem Luftzufuhrsystem 2 so angeschlossen, dass der Druck in dem Luftzufuhrsystem 2 auf dem Druck in dem Wärmetauscher 6 einwirken kann. Eine Wasserzufuhrleitung 20 ist an dem Wärmetauscher 6 zum Zuführen von Wasser zur Verdampfung in dem Wärmetauscher 6 angeschlossen. Ein Ventil 19 ist vorgesehen, um die zuzuführende Menge an Wasser zu regeln. Die Einrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung können auch angewendet werden, wenn das Kühlmittel bei einer Temperatur von mindestens 100°C erhältlich ist. Dann kann der Wärmetauscher auch bei Überdruck, d.h. bei einem Druck von mehr als ca. 1 bar verwendet werden.
Das von der Maschine 1 strömende Kühlmittel wird an den Wärmetauscher 6 geleitet, wo das zum Anfeuchten verwendete Wasser mittels der von dem Kühlmittel erhaltenen Wärme verdampft wird. Der Wärmetauscher 6 ist an dem Kühlkreis 5 der Maschine angeschlossen, so dass der Strömungskanal abzweigt, um zwei separate Kanäle 7, 8 zu bilden, von denen der erste 7 an dem Wärmetauscher vorbeiführt, und der zweite 8 durch den Wärmetauscher geht. Diese werden mittels eines Ventils 9 nachfolgend dem Wärmetauscher 6 zusammengeführt, um wieder einen einzelnen Strömungskanal zu bilden. Die Menge an zu produzierendem Dampf kann mittels des Ventils 9 gesteuert werden, so dass die Verdampfung umso intensiver ist, je mehr Kühlmittel durch das Ventil 9 durch den zweiten Kanal 8 und den Wärmetauscher 6 geführt wird. Ein Dampfzufuhrkanal 10 von dem Wärmetauscher ist angeordnet, der sich an die Kanalanordnung 3 des Luftzufuhrsystems 2 erstreckt, so dass dieser an einem Punkt nachfolgend dem Ansaugluftfilter 11 und vor dem Kompressor 4 öffnet. Nach dem Ventil 9 ist ein Wärmetauscher 12 für Ansaugluft an dem Kühlkreis angeschlossen. Der Wärmetauscher 12 ist an dem Kühlkreis 5 der Maschine so angeschlossen, dass der Strömungskanal abzweigt, um zwei separate Kanäle 13, 14 zu bilden, von denen der erste 13 an dem Wärmetauscher vorbeiführt, und der zweite 14 durch den Wärmetauscher hindurch führt. Diese laufen nachfolgend dem Wärmetauscher 12 mittels eines Drei-Wegeventils 15 zusammen, um wieder einen einzelnen Strömungskanal zu bilden. Der Betrieb des Wärmetauschers 12 und die Temperatur der Ansaugluft können durch Einstellen des Ventils 15 ge steuert werden. Vorzugsweise umfasst die Einrichtung auch einen Wärmetauscher 16, mittels dem das Kühlmittel auf eine für das Kühlen der Maschine 1 geeignete Temperatur gekühlt werden kann, bevor das Kühlmittel an die Maschine 1 rückgeführt wird.
Die Anordnung umfasst ferner Mittel 17 zum Bestimmen der Luftfeuchtigkeit und Temperatur, die vorzugsweise vor dem Kompressor 4 positioniert sind. Diese Mittel 17 sind an ein Automationssystem 18 angeschlossen, das ferner den Betrieb der Ventile 9, 15 und 19 steuert. Der Betrieb der Ventile 9 und 15 ist auf der Grundlage der bestimmten Feuchtigkeit und Temperatur gesteuert, und das Ventil 19 ist so gesteuert, dass die Oberfläche in dem Wärmetauscher 6 auf einem gewünschten Niveau (nicht gezeigt) liegt. Der Zustand der Ansaugluft der Maschine hinsichtlich der Feuchtigkeit und Temperatur wird auf einem gewünschten Niveau aufrechterhalten, wobei jedoch eine Kondensation vermieden ist.
Gemäß der Erfindung wird die Temperatur der Ansaugluft bei ca. 35°C und die relative Feuchtigkeit bei ca. 95 % erhalten, wodurch die Stickoxid-(NOx)-Emissionen durch ca. 40–50 % reduziert werden können. Zusätzlich ist es vorteilhaft, zu sehen, dass die Temperatur in der Luftkammer (nicht gezeigt) der Maschine selbst ca. 62°C beträgt.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen begrenzt, da mehrere andere Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche möglich sind.

Claims

Einrichtung in Verbindung mit einer Dieselmaschine (1), aufweisend ein Luftzufuhrsystem (2) für die Dieselmaschine zum Zuführen von Ansaugluft aus der Umgebung an die Maschine, wobei das Luftzufuhrsystem (2) zumindest eine Kanalanordnung (3), einen Kompressor (4) und einen Wärmetauscher (12) für Ansaugluft aufweist, einen Kühlkreis (5) zum Rückgewinnen von Abwärme der Dieselmaschine, an welchen Kreis mindestens ein Wärmetauscher angeschlossen ist, wobei der mindestens eine Wärmetauscher (6) angeordnet ist, um Wasser durch die von dem Kühlkreis (5) erhaltene Wärme zu verdampfen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserzufuhrleitung (20) an dem Kühlkreis-Wärmetauscher (6) zum Zuführen des zu verdampfenden Wassers an den Wärmetauscher (6) angeschlossen ist, und dass der Wärmetauscher (6) über einen Dampfzufuhrkanal (10) an der Kanalanordnung (3) des Luftzufuhrsystems (2) angeschlossen ist, um den Dampf, der durch das über die Wasserzufuhrleitung beförderte Wasser produziert wird, in die Kanalanordnung einzuführen.
Einrichtung in Verbindung mit einer Dieselmaschine (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreis, mit dem Abwärme der Dieselmaschine rückgewonnen wird, ein Kühlkreis eines Dieselmaschinenblocks und/oder eines Zylinderkopfes ist.
Einrichtung in Verbindung mit einer Dieselmaschine (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfzuführkanal (10) auf die Kanalanordnung (3) in der Strömungsrichtung der Luft vor dem Kompressor (4) trifft.
Einrichtung in Verbindung mit einer Dieselmaschine (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfzufuhrkanal (10) angeordnet ist, um die Wirkung des in der Kanalanordnung vorherrschenden Druckes über den Kühlkreis-Wärmetauscher (6) zu übertragen.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreis-Wärmetauscher (6) an dem Kühlkreis (5) der Maschine so angeschlossen ist, dass ein Strömungskanal abzweigt, um zwei separate Kanäle (7, 8) zu bilden, von denen der Erste (7) an dem Wärmetauscher (6) vorbeiführt und der Zweite (8) durch den Wärmetauscher geht.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreis nachfolgend dem Kühlkreis-Wärmetauscher (6) in der Strömungsrichtung des Kühlmittels an dem Wärmetauscher (12) angeschlossen ist, der für Ansaugluft in dem Luftzufuhrsystem (2) angeordnet ist.
Verfahren in Verbindung mit einer Dieselmaschine (1), aufweisend ein Luftzufuhrsystem (2) für die Dieselmaschine, welches Luftzufuhrsystem (2) mindestens eine Kanalanordnung (3), einen Kompressor (4) und einen Wärmetauscher (12) für Ansaugluft, einen Kühlkreis (5) zum Rückgewinnen von Abwärme der Dieselmaschine aufweist, an welchen Kreis mindestens ein Wärmetauscher angeschlossen ist, in welchem Verfahren während des Laufs der Maschine – Ansaugluft, die durch den Kompressor unter Druck gesetzt wird, an die Maschine mit Hilfe des Luftzufuhrsystems (2) der Maschine geführt wird, – das in den Kühlkreis strömende Kühlmittel mittels eines Wärmetauschers (6) gekühlt wird, der an dem Kühlkreis (5) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser in den Kühlkreis-Wärmetauscher (6) eingeführt wird, das mittels des Wärmetauschers (6) zur Erzeugung von Dampf verdampft wird, und dass der auf diese Weise erzeugte Dampf in das Luftzufuhrsystem (2) der Dieselmaschine eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserverdampfung in dem Kühlkreis-Wärmetauscher (6) so vorgesehen ist, das sie bei einem Druck von ca. ≤ 1 bar abläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserverdampfung in dem Kühlkreis-Wärmetauscher (6) gesteuert wird, indem ein Teil des in dem Kühlkreis strömenden Kühlmittels an dem Wärmetauscher (6) vorbeigeführt wird, ohne hier jegliche Wärme abzugeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des erzeugten Dampfes in das Luftzufuhrsystem (2) der Dieselmaschine eingeführt wird, und zwar an einer Stelle vor dem Kompressor.