DE60222883T2

DE60222883T2 - Verfahren und vorrichtung zur verringerung von verbrennungsmotoremissionen

Info

Publication number: DE60222883T2
Application number: DE60222883T
Authority: DE
Inventors: Göran Sundholm
Original assignee: Marioff Corp Oy
Current assignee: Marioff Corp Oy
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2022-03-14
Also published as: AU2002240970B2; DE60222883D1; FI20010514A0; ATE375442T1; CN100347424C; US20040216699A1; NO20034039D0; NO20034039L; JP4156928B2; FI20010514L; KR100864328B1; WO2002073013A1; KR20040005885A; RU2003130266A; JP2004521227A; FI114112B; CA2439054A1; HK1059810A1; US7231893B2; CN1496441A

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs.
Ein Verfahren dieser Art ist aus der DE-A-4 230 302 bekannt. Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zum Einspeisen von feuchtem Gas in einen Verbrennungsmotor, wobei zu der Einrichtung gehören: ein Sprühkopf zur Einspeisung von wässrigem Nebel in einen Raum in dem Verbrennungsmotor, Gaseinspeisungsmittel zum Einspeisen von Gas in den Sprühkopf, Flüssigkeitseinspeisungsmittel zum Einspeisen von wässriger Flüssigkeit in den Sprühkopf und Vermischungsmittel, um eine Mischung von Gas und wässrigem Nebel aus dem Sprühkopf in den Raum zu liefern, der dazu eingerichtet ist, strömungsmäßig mit der Brennkammer des Verbrennungsmotors verbunden zu sein und die Mischung von Gas und wässrigem Nebel in die Brennkammer zu liefern, und wobei die Einrichtung Steuermittel enthält, um die Einspeisungsmenge an wässriger Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitseinspeisungsmittel zu steuern, und Steuermittel, um die Einspeisungsmenge des Gases aus dem Gaseinspeisungsmittel so zu steuern, dass das zugeführte Mischungsverhältnis von Gas und wässrigem Nebel in Abhängigkeit von Änderungen der Motorbelastung verändert werden kann. Diese Art einer Vorrichtung ist aus der DE-A 4 230 302 bekannt.
Eines der Ziel des Umweltschutzes basiert auf der Reduzierung von Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren. Die vorliegende Erfindung schafft eine Lösung, durch die Abgasemissionen nicht nur von Dieselmotoren, sondern auch von sonstigen Verbrennungsmotoren reduziert werden.
Abgase von Dieselmotoren enthalten vielfältige schädliche Verbrennungsprodukte, unter denen Stickoxide, d.h. NO_x, für die Umgebung am schädlichsten sind. Die Stickoxide tragen beträchtlich zur Entstehung von Smog, zum Treibhauseffekt und zur Bodenversauerung bei und verzögern außerdem beispielsweise das Wachstum von Wäldern.
Die Dieselmotoren von Schiffen tragen in hohem Maße zur Luftverschmutzung bei. Gemäß einer vor einigen Jahren veröffentlichten US-Studie werden 14 % der Stickstoffemissionen und 16 % der Schwefelemissionen auf der Erde durch den Seeverkehr verursacht. Ruß- und Kohlenstoffemissionen von Dieselmotoren, die hauptsächlich entstehen, wenn der Motor mit geringer Leistung läuft, sind ebenfalls problematisch. Außerdem werden beträchtliche Stickstoffemissionen erzeugt, wenn der Motor mit niedriger Leistung läuft. Typischerweise werden Schiffsmotoren mit geringer Leistung betrieben, wenn sich die Schiffe im Hafen befinden, daher stellen die Emissionen auch ein beachtliches Problem dar, wenn sich das Schiff im Hafen befindet.
In Dieselmotoren lassen sich Stickstoffemissionen auf bekannte Weise durch Senken der Verbrennungstemperatur reduzieren, was die Emissionen während ihrer Entstehung reduziert. Die Verbrennungstemperatur kann auf vielfältigen Wegen gesenkt werden. Sie lässt sich durch Einspritzen von Wasser in die Brennkammer oder durch den Einsatz einer wässrigen Emulsion im Kraftstoff senken.
Gemäß einigen Studien kann die Injektion von Wasser in die Brennkammer die Emissionen von Rauch steigern. Außerdem kann der Kraftstoffverbrauch steigen, falls große Mengen an Wasser in den Motor injiziert werden. Allerdings zeigen andere Studien, dass das sogenannte HAM-(Humid Air Motor Feuchtluftmotor)-Verfahren, bei dem feuchte Luft in den Motor eingespeist wird, hinsichtlich der Emissionen gute Ergebnisse erbringen. Bei diesem Verfahren wird die Ladeluft des Dieselmotors in einem Verdunster/Verdampfer befeuchtet und der Kraftstoff verbrennt in dem Motorzylinder nicht in gewöhnlicher sondern in feuchter Luft. Das HAM-Verfahren weist den Nachteil auf, dass es die Leistungskapazität des Dieselmotors beträchtlich reduziert. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens ist, dass sich das Wasser nicht in ausreichend kleine Tropfen in dem Verdunster zerteilen lässt, vielmehr sind die darin erzeugten Tropfen verhältnismäßig groß und konsequenterweise verdunsten/verdampfen sie nicht rasch und bereitwillig. Um die Emissionen zu senken und auch in sonstiger Hinsicht einen runden Lauf des Motors zu erreichen, ist eine rasche Verdampfung der Tropfen unbedingt erforderlich.
Der Einsatz einer wässrigen Emulsion im Kraftstoff reduziert Stickoxide, ohne die Kohlendioxidmengen zu erhöhen. Gemäß einigen Studien sind die erzielten Ergebnisse nicht so gut, wie jene eines Verfahrens, bei dem Wasser in die Zylinder injiziert wird. Allerdings basiert ein Problem im Zusammenhang mit dem "wässrigen Emulsionsverfahren" darauf, dass sich keine ausreichende Menge an Wasser mit dem Kraftstoff vermischen lässt.
Die US-Patente 4 459 943 und 4 411 224 beschreiben Systeme zum Einspeisen von Gas und Wassernebel in die An saugluft eines Verbrennungsmotors. Die Menge an Gas und Wassernebel werden jeweils direkt proportional zu der Last des Motors erhöht. Die DE-A-4 230 302 beschreibt ein Einspritzsystem zum Einspritzen eines Gemisches aus Kraftstoff, Luft und Wasser in einen Verbrennungsmotor.
Ein abgeändertes und außerdem zur Luftbefeuchtung komplementäres Verfahren basiert darauf, Abgasstickstoffemissionen mit einem Katalysator zu entfernen. Mittels des Katalysators werden die Stickoxide durch Einsprühen eines Gemisches von Harnstoff und Wasser in die Abgase zu Stickstoff und Wasserdampf reduziert. Die Katalysatoren verringern Stickstoffemissionen effizient, sind allerdings in Schiffsanwendungen sehr kostspielig: sie betragen etwa 30 % des Motoranschaffungspreises und im Falle großer Motoren sind sie sogar noch höher. Darüber hinaus beansprucht der Katalysator in einem Schiff sehr viel Platz, und aufgrund der Wartung entstehen beträchtliche Betriebskosten.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wirtschaftliche und wirkungsvolle Lösung zur Beseitigung von Abgasemissionen zu schaffen, die von unterschiedlichen Verbrennungsmotoren, und insbesondere von großen Zwei- und Viertakt-Dieselmotoren, ausgehen. Dieselmotoren von Schiffen und Dieselkraftwerken sind daher wichtige Anwendungen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß der Erfindung gelöst, das durch die kennzeichnenden Merkmale nach Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Aufgrund der Gaszufuhr reduziert sich die einzuspeisende Wassermenge und deren Trop fengröße im Vergleich zu der einfachen Wasserzufuhr, d.h. bei einer Wasserzufuhr unter demselben Einspeisungsdruck (dem Druck des Gas/Wasser-Nebel-Gemisches) jedoch ohne die Zufuhr von Gas. Je mehr Gas im Verhältnis zu dem Anteil an zugeführtem Wasser eingespeist wird, um so kleiner werden die Tropfen sein. Die Zufuhr von Gas trägt dazu bei, dass sehr kleine Tröpfchen entstehen, die ohne weiteres und rasch verdunsten, wobei große Energiemengen gebunden werden und die Temperatur der Verbrennung gesenkt wird. Auf diese Weise wird eine gewünschte Tropfengröße erlangt, die den Motor optimal kühlt, wenn dieser im Teillastbereich läuft.
Wenn die Motorbelastung die vorgegebene Belastung überschreitet, wird empfohlen, die Gaszufuhr weitgehend zu unterbrechen und die Flüssigkeitszufuhr fortzusetzen, wodurch die zugeführt Flüssigkeitsmenge gewöhnlich mit dem Ansteigen der Motorbelastung erhöht wird. Der Grund, weshalb es möglich ist, die Gaszufuhr bei hohen Belastungen weitgehend oder vollständig zu unterbrechen, liegt darin, dass die Temperatur der Motorladeluft bei hohen Belastungen so hoch ist, dass auch verhältnismäßig große Wassertropfen ohne weiteres verdunsten.
Während kleine Tröpfchen verdunsten, binden sie große Energiemengen. In einigen Anwendungen kann die Kühlwirkung zu stark geraten, was sich verhindern lässt, indem die dem Sprühkopf zuzuführende wässrige Flüssigkeit mittels der in den Abgasen des Motors vorhandenen Wärme erwärmt wird, womit die Flüssigkeit vorgewärmt in den Motor eingespeist wird.
Falls das Verfahren gewaschene Abgase aus dem Motor als Gas verwendet, wird für das in den Motor einzuspeisende Gemisch eine höhere spezifische Wärme bereitgestellt, was die maximalen Temperaturen des Motors weiter reduziert.
In den beigefügten Ansprüchen 2 bis 12 werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß der Erfindung offenbart.
Die Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhalten, dass die Erfindung, insbesondere bei Anwendung auf einen im Teillastbereich laufenden Dieselmotor, eine effiziente Verringerung von Stickstoffemissionen ermöglicht, sich sehr genau an die betreffenden Anforderungen beliebiger spezieller Anwendungen und Einsätze von Triebwerken anpassen lässt und mit wenig Platzbedarf ohne größere Änderungen problemlos in dem Motor installiert werden kann. In der Praxis können Emissionen von Schiffen deutlich reduziert werden, da Schiffsdieselmotoren besonders in Häfen und in Landnähe im Teillastbereich betrieben werden. Das Verfahren beseitigt den Einsatz von riskanten, explosionsanfälligen Verdunstern. Dies ist darauf zurückzuführen, dass unter Bedingungen mit hohem Druck und hoher Temperatur in Verbindung mit einer korrosiven Umgebung Explosionsgefahr besteht. Auf den Einbau von Katalysatoren kann ganz verzichtet werden oder zumindest ganz erheblich verringert werden. Darüber hinaus sind die Investitions- und Betriebskosten des Verfahrens niedrig.
Die Vorrichtung der Erfindung ist durch die Merkmale gemäß dem zweiten Teil nach Anspruch 13 gekennzeichnet.
Das Gaseinspeisungsmittel weist vorteilhafterweise einen Verdichter/Kompressor auf. Die Gaseinspeisung des Verdichters lässt sich problemlos exakt hinsichtlich eines beliebigen speziellen Bedarfs einstellen.
Das Flüssigkeitszufuhrmittel enthält vorteilhafterweise eine Pumpe. Die Pumpe ist dazu eingerichtet, die wässrige Flüssigkeit bei dem durch die Gaseinspeisungsmittel erzeugten Druck einzuspeisen. Die Pumpe ist beispielsweise eine Kolbenpumpe, bei der der Pumpendruck sich automatisch auf den Druck der Gaseinspeisung einstellt.
In einigen Anwendungen senkt der wässrige Nebel möglicherweise die Verbrennungstemperatur zu sehr. Mit Blick auf diese Tatsache kann die Vorrichtung vorteilhafterweise ein Erwärmungsmittel zum Erwärmen der in die Sprühdüse einzuspeisenden wässrigen Flüssigkeit aufweisen, wobei das Erwärmungsmittel vorteilhafterweise auf einem Gasströmungsraum basiert, der in dem Auslasskrümmer des Verbrennungsmotor angeordnet ist, wobei eine Quelle der wässrigen Flüssigkeit durch den Krümmer hindurch eingerichtet ist, um die wässrige Flüssigkeit so einzuspeisen, dass sie thermische Energie aus den Abgasen aufnimmt und erwärmte wässrige Flüssigkeit in den Sprühkopf eingespeist werden kann. Diese Lösung nutzt die thermische Energie der Abgase, die andernfalls ungenutzt verlorengehen würde.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den beigefügten Ansprüchen 14 bis 21 offenbart.
Hauptvorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind, dass sie Stickstoffemissionen insbesondere dann effektiv reduziert, wenn ein im Teillastbereich laufender Dieselmotor betroffen ist, und dass ihre Konstruktion und Montage darüber hinaus einfach sind. Die Vorrichtung lässt sich sehr genau an die Anforderungen jeder speziellen Anwendung und der Nutzung eines Triebwerks anpassen, und sie lässt sich problemlos ohne größere Änderungen an dem Motor auf kleinem Raum anbringen. Darüber hinaus sind die Investitions- und Betriebskosten der Vorrichtung niedrig, und es besteht keine Explosionsgefahr.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung eingehender beschrieben:
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 veranschaulicht eine wichtige Komponente der Erfindung;
4 zeigt eine Abgasspüleinrichtung, die sich für die Ausführungsbeispiele nach 1 und 2 verwenden lässt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt einen großen 6-Zylinder-Dieselmotor eines Schiffs. Der Motor ist mit einem Lader 1 versehen, der unter Druck gesetzte Verbrennungsluft in Ansaugrohrleitungen 2 einspeist. Um die Stickstoffemission des Motors zu reduzieren sind die Ansaugrohrleitungen 2 mit einem Sprühkopf 3 versehen, der dazu eingerichtet ist, ein Gemisch aus Gas und Wassernebel in den Ansaugkrümmer einzuspeisen, von wo aus das Gemisch in die Motorzylinder 4 gelangt. Da das Gemisch aus Gas und wässrigem Nebel in den Zylinder eintritt, sinkt die Verbrennungstemperatur in dem jeweiligen Zylinder 4. Die Verbrennungstemperatur nimmt auf wirkungsvolle Weise sowohl dann ab, wenn der Motor mit voller Leistung läuft als auch dann, wenn er im Teillastbereich arbeitet. Der Grund weshalb die Verbrennungstemperatur auch dann deutlich abnimmt, wenn der Motor im Teillastbereich läuft, liegt darin, dass der Sprühkopf 3 auch Gas in die Ansaugrohrleitungen einspeist. Die Gaseinspeisung verkleinert die Größe der Wassertropfen, was wichtig ist, um zu erreichen, dass die Wassertropfen auch dann leicht und rasch verdunsten, wenn der Motor im Teillastbereich läuft und seine Temperatur verhältnismäßig niedrig ist, und der zur Emissionsverringerung erforderliche Anteil an Wasser geringer ist als beim Volllastbetrieb des Motors. Aufgrund der gesenkten Verbrennungstemperatur werden Stickstoffemissionen über die gesamte Leistungskurve (d.h. die Kurve, in der die Leistung gegenüber der Drehzahl aufgetragen ist) hinweg für den Motor effizient reduziert. Somit löst die Gaseinspeisung das bekannte Problem ausreichend kleine Tropfen zu erzielen, insbesondere im Teillastbetrieb des Motors.
In 3 zeigt den in den Ansaugrohrleitungen 2 angeordneten Sprühkopf 3 vergrößert. Der Sprühkopf 3 enthält eine Vielzahl von Düsen 5, die eine gleichmäßige Einspeisung des Gemisches von Gas und Wassernebel in die Ansaugrohrleitungen 2 ermöglichen. Die Anzahl von Düsen 5 kann variieren. Grundsätzlich reicht eine einzige Düse mögli cherweise aus. Der Sprühkopf 3 ist von der Bauart eines sogenannten Zwillingsflüssigkeitssprühkopfs, in den Gas und Flüssigkeit getrennt eingeleitet werden und bei dem das Gas und die Flüssigkeit sich innerhalb des Sprühkopfs vermischen, bevor die sich ergebende Mischung durch die Düsen 4 als Nebel versprüht wird.
Im Falle von 1 ist Luft das dem Sprühkopf 3 zugeführte Gas, und das Bezugszeichen 6 bezeichnet daher einen Druckluftkompressor. Die Luft wird über ein Rohr 7 in den Sprühkopf 3 eingeleitet. Der Druck kann beispielsweise 30 Bar betragen. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Luftpumpe, das Bezugszeichen 14 einen Elektromotor, das Bezugszeichen 15 ein Filter und das Bezugszeichen 16 ein Rückschlagventil, das das Medium daran hindert, aus dem Rohr 7 in die Pumpe 13 übertragen zu werden.
Die in den Sprühkopf 3 eingeleitete Flüssigkeit ist Süßwasser oder eine wässrige Flüssigkeit mit einem hohen Wasseranteil. In der Praxis beträgt der Wasseranteil 95 bis 100 wobei gewöhnlich in diesem Falle Werte in Nähe der oberen Grenze des Bereichs gewählt werden. Vorteilhafterweise kann die Flüssigkeit Korrosionsschutzzusatzstoffe oder ein Entkalkungsmittel enthalten. Das Süßwasser wird mittels einer Pumpeneinheit 8 aus einem Behälter 9 über ein Rohr 10 zu dem Sprühkopf 3 geleitet. Die Pumpeneinheit 8 weist eine Kolbenpumpe 11 und einen Elektromotor 12 auf, dessen Betriebsdrehzahl sich durch in der Figur mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnete Steuermittel steuern lässt. Beispielsweise können die Steuermittel 50 vorgesehen sein, um auf die Betriebsdrehzahl des Dieselmotors anzusprechen. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet ein Rückschlagventil, das verhindert, dass das Medium aus dem Sprühkopf über das Rohr 10 in die Pumpe 11 oder in den Behälter 9 übertragen wird. Die Bezugszeichen 18 und 19 bezeichnen ein Rohr bzw. ein Freigabeventil, durch das das Wasser strömen kann, falls der Druck der Pumpe 11 und in dem Rohr 18 einen gegebenen, vorherberechneten Grenzwert überschreiten. Das Rohr 18 und das Freigabeventil 19 dienen als Sicherheitseinrichtungen, um zu verhindern, dass der Druck so weit ansteigt, dass eine Komponente beschädigt werden könnte. Die Bezugszeichen 20 und 21 bezeichnen Ventile und das Bezugszeichen 22 zeigt ein Filter an. Das Filter 22 verhindert das Eintreten von Partikeln in den Sprühkopf 3, die den Sprühkopf verstopfen könnten.
Der Dieselmotor nach 1 arbeitet in der Weise, dass sowohl Luft als auch Wasser in den Sprühkopf 3 eingespeist werden, wenn der Dieselmotor mit geringer Leistung läuft. Der Hauptteil der von dem Motor benötigten Verbrennungsluft wird über einen Lader 1 in den Ansaugkrümmer eingespeist. Die Luft aus dem Verdichter 6 und das Wasser aus der Pumpe 11 vermischen sich in dem Sprühkopf 3, und die Sprühkopfdüsen sprühen das Gemisch aus Luft und Wasser in die Ansaugrohrleitungen 2. Das Wasser liegt in Form eines hochfeinen Nebels mit einer Tröpfchengröße von höchstens 200 μm vor, die vorzugsweise kleiner als 100 μm und noch weiter bevorzugt kleiner als 50 μm ist. Diese exemplarischen Werte der Tropfengröße bezeichnen die Abmessung sämtlicher Tropfen und nicht eine durchschnittliche Abmessung. Je höher die Betriebsdrehzahl des Dieselmotors ist, um so höher ist die Geschwindigkeit, mit der die Pumpeneinheit 8 angetrieben wird, wodurch der in den Sprühkopf einzuspeisende Anteil an Wasser ansteigt. Die Pumpeneinheit 8 lässt sich abhängig von dem verwendeten Steuerungsmittel auf vielfältige Weise steuern. Ein Verfahren basiert darauf, dafür zu sorgen, dass die Betriebsdrehzahl der Pumpe 11 von der Betriebsdrehzahl des Dieselmotors abhängt. Die Verfahren zum Steuern/Regeln sind dem Fachmann bekannt, und daher werden diese oder die Pumpensteuerung im Vorliegenden nicht eingehender beschrieben. Die in den Sprühkopf 3 einzuspeisende Menge von Wasser hängt daher von der Betriebsdrehzahl des Dieselmotors und seiner momentanen Leistung ab. Falls die Leistung hoch ist, wird mehr Wasser eingespeist. Die einzuspeisende Wassermenge beträgt etwa das 0,5- bis 2,5-fache der dem Dieselmotor zuzuführenden Kraftstoffmenge. Hinsichtlich der Verringerung von Stickstoffemissionen ist es besonders wichtig, Wasser einzuspeisen, wenn der Dieselmotor mit geringer Leistung läuft. Die in den Sprühkopf 3 einzuspeisende Luftmenge ist konstant oder ändert sich in Abhängigkeit von der Betriebsdrehzahl des Dieselmotors nur unwesentlich, wenn der Dieselmotor im Teillastbereich betrieben wird. Aufgrund der oben erwähnten Tatsachen nimmt der Wasseranteil des aus dem Sprühkopf 3 versprühten Gemisches ab, und die Wassertropfengröße wird kleiner, je geringer die Leistung ist, durch die der Dieselmotor belastet wird.
Falls die Betriebsdrehzahl des Dieselmotors eine vorgegebene, verhältnismäßig hohe Grenze überschreitet, und der Dieselmotor mit hoher Leistung betrieben wird, wird die Zufuhr von Luft in den Sprühkopf 3 unterbrochen oder bedeutend reduziert, da bei Betrieb des Motors mit hoher Leistung aufgrund der Tatsache, dass die Verbrennungstemperatur dann hoch ist, sogar verhältnismäßig große Tropfen ohne weiteres verdunsten.
Falls gewünscht, kann die Tropfengröße des wässrigen Nebels ausreichend groß ausgewählt werden, so dass die Was sertropfen bis zu den Zylindern 4 gelangen und erst verdunsten, wenn sie sich während des Verdichtungstakts im Innern der Zylinder befinden. Bei der Verdampfung/Verdunstung wird die Verdichtungsarbeit reduziert und dies ermöglicht einen verbesserten Wirkungsgrad des Betriebes des Dieselmotors.
Wenn der Wasserstand in dem Behälter 9 einen vorgegebenen Pegel unterschreitet, öffnet ein Schalter 23 ein Ventil 21. Ein Schalter 24 schließt das Ventil 21, wenn der Wasserstand in dem Behälter 9 auf einen vorgegebenen Pegel angestiegen ist.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das in dem Dieselmotor eingebaut ist. In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 2 beziehen sich ähnliche Bezugszeichen auf Komponenten, die jenen in 1 ähneln. Die Lösung nach 2 unterscheidet sich von der Lösung nach 1 insofern, als das in einen Sprühkopf 3' eingespeiste Medium erwärmt (vorgewärmt) wird. Die Erwärmung wird in der Weise durchgeführt, dass ein Rohr 710' in einem Gasströmungsraum 31' in dem Auslasskrümmer 30' des Dieselmotors angeordnet ist, wobei die heißen, strömenden Abgase Wärmeenergie an das in dem Rohr 710' strömende Medium, d.h. an die Luft/Wasser-Mischung, abgeben. Da das Medium in dem Rohr 710' vorgewärmt ist, kühlt das aus dem Sprühkopf 3' versprühte Gemisch die in den Motor einzuspeisende feuchte Luft nicht übermäßig ab. Selbstverständlich ist das Maß des Vorheizens an die Betriebsbedingungen angepasst. Der Gasströmungsraum 31' kann einen Heißwassertank aufweisen, der dazu eingerichtet ist, Wärme aus den Abgasen des Verbrennungsmotors aufzunehmen.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach 1 zusätzlich insofern, als die Luft und das Wasser, die in den Sprühkopf 3' einzuspeisen sind, vor dem Einspeisen in den Sprühkopf gemischt werden. Auf diese Weise lässt sich die Konstruktion des Sprühkopfs 3' einfacher gestalten als jene des Sprühkopfs 3 in 1. Die Vermischung findet hauptsächlich an der Stelle P' statt, jedoch wird die Vermischung in einem Rohrabschnitt 710 zwischen dem Punkt P' und dem Sprühkopf 3' noch fortgesetzt.
Im Übrigen arbeitet die Vorrichtung nach 2 wie die Vorrichtung nach 1.
4 zeigt eine Einrichtung zum Reinigen von Abgasen durch Spülung. Die Vorrichtung ist gemäß 1 und 2 in Auspuffrohrleitungen des Motors eingebaut. Das Bezugszeichen 61 bezeichnet Hochdrucksprühköpfe, die in spezielle Rohre 90 eingebaut sind, durch einen Körper 60 getragen werden und wässrigen Nebel versprühen, wobei die Sprühköpfe mit einem Druck zwischen 10 bis 300 Bar, vorzugsweise 20 bis 100 Bar, betrieben werden. Während die Düsen der Sprühköpfe 61 arbeiten, erzeugen sie eine Saugwirkung, die Abgase ansaugt. Der wässrige Nebel und die Stickoxide aus den Abgasen reagieren chemisch, um in den Rohrleitungen 90, die Reaktionskammern darstellen, Salpetersäure zu erzeugen. Die gereinigten, d.h. gewaschenen Abgase treten aus dem Rohr 70 aus, von wo aus sie durch ein (nicht gezeigtes) Rohr zu der Düse 3 und 3' (siehe 1 und 2) geleitet werden. Die Reaktionsprodukte des Wassernebels und der Abgase werden aus einem Flansch 100 abgegeben, von dem aus die Reaktionsprodukte über ein (nicht gezeigtes) Rohr abgeführt werden können. Die Vorrichtung nach 4 ist dazu eingerichtet mittels eines Flansches 80 an einer Seite des Auslasskrümmers 30, 30 angebracht zu werden. In einer Abwandlung kann der Flansch 80 weggelassen werden, und die Vorrichtung ist in diesem Fall im Innern des Auslasskrümmers angeordnet, so dass die Abgase durch die Vorrichtung strömen. Stromaufwärts des Flansches 80 kann vorzugsweise ein (nicht gezeigtes) Leitblech angeordnet sein, das eine Einstellung des Verhältnisse der in den Flansch 80 geleiteten Abgasmenge zu der Menge ermöglicht, der es erlaubt ist, in den Krümmer 30 zu strömen. Die in dem Rohr 70 aufwärts strömenden gespülten Abgase können durch ein (nicht gezeigtes) Rohr zu dem stromaufwärts des Flansches 80 angeordneten Krümmer 30 (und, falls vorhanden, zu dem Leitblech) zurückgeleitet werden. Dank der Beseitigung von Stickoxiden aus den Abgasen ergibt die Kombination der Spülvorrichtung nach 4 mit der Vorrichtung nach 1 und 2 ein System, durch das die Emissionen, und zwar insbesondere die Stickoxidemissionen sehr gering gehalten werden. Die Vorrichtung nach 4 reduziert außerdem erheblich die Emission von Schwefel.
Die Erfindung ist im Vorausgehenden lediglich anhand von zwei Beispielen beschrieben, und es sollte daher beachtet werden, dass die Erfindung auf vielfältigen Wegen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche verwirklicht werden kann. Das in den Sprühkopf eingespeiste Gas muss daher nicht unbedingt Luft sein, sondern kann ein beliebiges sonstiges Gas sein, beispielsweise von dem Motor stammende gewaschene Abgase. In letzterem Fall werden Temperaturspitzenwerte des Motors gesenkt, da die spezifische Wärme von Rauchgasen höher ist als jene von Luft, mit der Folge, dass die spezifische Wärme des von dem Sprühkopf her eingespeisten Gasgemisches höher ist. Die Anzahl von Düsen in dem Sprühkopf und die gegenseitigen Winkel und Abstände der Düsen können von den in 3 gezeigten Werten abweichen. Grundsätzlich können mehrere Sprühköpfe 3 vorhanden sein, jedoch ist anzunehmen, dass die Erfindung am erfolgreichsten unter Verwendung eines einzigen Sprühkopfs verwirklicht wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung kann auch für andere Motoren als Dieselmotoren genutzt werden: so kann das Verfahren auf Ottomotoren und Gasturbinen angewandt werden.

Claims

Verfahren zur Reinigung von Abgasen eines Kolbenmotors insbesondere eines Dieselmotors, wobei gemäß dem Verfahren feuchtes Gas in eine Brennkammer des Motors eingeleitet wird, wobei eine Mischung von Gas und wässrigem Nebel mit einem Sprühkopf (3, 3') in einen Raum (2, 2') eingespeist wird, der zu der Brennkammer führt, wobei das Mischungsverhältnis des Gases und des wässrigen Nebels in Abhängigkeit von Änderungen der Last des Verbrennungsmotors verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis so geändert wird, dass der Anteil an dem wässrigen Nebel in der Mischung, während die Motorbelastung bis zu einem vorgegebenen Lastpegel ansteigt, erhöht wird, wobei der Motor mit einer Teilleistung läuft, und dass der Anteil an dem wässrigen Nebel in der Mischung verringert wird, während die Motorlast abnimmt, so dass der absolute Wasseranteil mit der Motorlast erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, während die Motorbelastung den vorgegebenen Lastwert überschreitet, die Gaseinspeisung weitgehend unterbrochen wird, und die Einspeisung wässriger Flüssigkeit fortgesetzt wird, um den wässrigen Nebel aus dem Sprühkopf (3, 3') bereit zu stellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas und die wässrige Flüssigkeit zu einer Mischung vermischt werden, die dem Sprühkopf (3) zugeführt wird, um die Gas und wässrigen Nebel enthaltende Mischung zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Gas und wässrige Flüssigkeit dem Sprühkopf (3') zugeführt werden, in dem das Gas und die Flüssigkeit miteinander vermischt werden, um die Mischung zu bekommen, die Gas und wässrigen Nebel enthält.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Luft ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft mittels eines Kompressors (6, 6') zugeführt wird, und dass die wässrige Flüssigkeit mittels einer Pumpe (11, 11') in den Sprühkopf (3, 3') eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Abgase aus dem Verbrennungsmotor verwendet werden, die vor der Einspeisung in den Sprühkopf (3, 3') gewaschen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wässrige Nebel in die Abgase gesprüht wird, um die Abgase zu waschen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wässrige Nebel mit einem Druck zwischen 10 bis 300 Bar versprüht wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Medium, das wässrige Flüssigkeit enthält, mittels der in den Motorabga sen enthaltenden Wärme vorgewärmt wird und in den Sprühkopf (3, 3') eingespeist wird und in den besagten Raum (2, 2') im Motor gesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfengröße des wässrigen Nebels in der Mischung höchstens 200 μm beträgt.
Verfahren zur Reinigung der Abgase eines Kolbenmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfengröße des wässrigen Nebels in der Mischung so groß ist, dass einige der Tropfen als solche in die Brennkammer eintreten und während des Verdichtungstakts darin verdunsten.
Einrichtung zum Einspeisen von feuchtem Gas in einen Verbrennungsmotor, wobei zu der Einrichtung gehören: ein Sprühkopf (3, 3') zur Einspeisung von wässrigem Nebel in einen Raum (2, 2') in den Verbrennungsmotor, Gaseinspeisungsmittel (6, 6') zum Einspeisen von Gas in den Sprühkopf (3, 3'), Flüssigkeitseinspeisungsmittel (8, 8') zum Einspeisen von wässriger Flüssigkeit in den Sprühkopf und Vermischungsmittel (P'), um eine Mischung von Gas und wässrigem Nebel aus dem Sprühkopf in den Raum (2, 2') zu liefern, der dazu eingerichtet ist, strömungsmäßig mit der Brennkammer des Verbrennungsmotors verbunden zu sein und die Mischung von Gas und wässrigem Nebel in die Brennkammer zu liefern, und wobei die Einrichtung Steuermittel (50, 50') enthält, um die Einspeisungsmenge an wässriger Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitseinspeisungsmittel (8, 8') zu steuern, und Steuermittel, um die Einspeisungsmenge des Gases aus dem Gaseinspeisungsmittel (6, 6') so zu steuern, dass das Mischungsverhältnis des einzuspeisenden Gases und des wässrigen Nebels in Abhängigkeit von Änderungen der Motorbelastung verändert werden können, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel (50, 50') zum Steuern der Einspeisungsmenge der wässrigen Flüssigkeit dazu eingerichtet sind, die Einspeisungsmenge an wässriger Flüssigkeit in der Weise zu steigern, dass der Anteil an dem wässrigen Nebel in der Mischung erhöht wird, während die Motorlast auf einen vorgegebenen Lastpegel ansteigt, wobei der Motor mit einer Teilleistung läuft und der Anteil an wässrigem Nebel in der Mischung verringert wird, während die Motorlast abnimmt, so dass der Wasseranteil mit der Motorlast erhöht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinspeisungsmittel einen Verdichter (6, 6') aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14 mit einem Hochdrucksprühkopf (61) zum Einsprühen von wässrigem Nebel in die aus dem Verbrennungsmotor stammenden Abgase, um diese zu waschen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseinspeisungsmittel Mittel (70) aufweist, um die gewaschenen Abgase in den Sprühkopf (3, 3') zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitseinspeisungsmittel eine Flüssigkeitsquelle (9, 9') und eine Pumpe (11, 11') zum Einspeisen der Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsquelle in den Sprühkopf (3, 3') aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (11, 11') Steuermittel (50, 50') aufweist, um die Pumpendrehgeschwindigkeit zu erhöhen, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors ansteigt, und die Pumpendrehzahl zu verringern, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors abnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Erwärmungsmittel (31') zum Erhitzen der in den Sprühkopf (3') einzuspeisenden wässrige Flüssigkeit aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmungsmittel auf einem Gasströmungsraum (31') basiert, der in dem Auslasskrümmer (30') des Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei die Quelle (9') der wässrigen Flüssigkeit dazu eingerichtet ist, die wässrige Flüssigkeit durch den Gasströmungsraum hindurch in den Sprühkopf (3') einzuspeisen, so dass die wässrige Flüssigkeit vor dem Einspeisen in den Sprühkopf (3') thermische Energie von den Abgasen aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Vermischungsmittel in dem Sprühkopf (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischungsmittel (P') bezüglich der Strömungsrichtung der wässrigen Flüssigkeit stromaufwärts des Sprühkopfs (3') angeordnet sind.