DE102018005821B3 - Device for in-situ production of a water-in-diesel fuel with the use of the exhaust gas enthalpy and the water in the exhaust gas to increase the efficiency of a diesel engine in a commercial vehicle and to minimize pollutant emissions - Google Patents
Device for in-situ production of a water-in-diesel fuel with the use of the exhaust gas enthalpy and the water in the exhaust gas to increase the efficiency of a diesel engine in a commercial vehicle and to minimize pollutant emissions Download PDFInfo
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Abstract
Es ist seit langem bekannt, dass man beim Betrieb eines Dieselmotors mit einem Diesel-in-Wasser-Emulsionskraftstoff eine Dieselölersparnis erzielen kann, die in der Höhe dem Wasseranteil der Emulsion entspricht und folglich zu einer Reduzierung der CO2-Emission im gleichen Maße führen kann. Darüber hinaus können dabei die Stickoxide um 30% und die Rußpartikel bis zu 90% reduziert werden. Allerdings ist die Bereitstellung fertiger Emulsionen an Tankstellen nicht flächendeckend möglich. Es würde den Kraftstoff extrem verteuern, da neben den Herstellungs-Transport- und Lagerkosten zur Stabilitäts- und zur Frostsicherung Konditionierungsstoffe zugegeben werden müssten.
Laut verschiedener Vorschläge könnte die Herstellung einer Emulsion durch Hochdruckhomogenisierung an Bord eines LKWs mit sofortiger Einspritzung in den Dieselmotor eine alternative Variante darstellen. Der Einsatz von Emulgatoren würde dabei hinfällig, da die Emulsion nach der Herstellung kurzzeitig stabil bleibt. Nachteilig jedoch müsste das mitgeführte Wasser in einem Tank gegen Frost geschützt werden. Zudem würde der hohe Energiebedarf zum Hochdruck-Homogenisieren bei diesem Prozess die erzielten Vorteile bedeutend schmählern.
Mit dieser neuen Vorrichtung sollen die genannten Nachteile des in-situ Herstellungsprozesses aufgehoben werden. Dabei soll die Energie zum Hochdruck-Homogenisieren aus der Enthalpie der Abgase gewonnen und die jeweils erforderliche Wassermenge dem Abgas entzogen werden. Als zusätzlicher Vorteil soll mit der Vorrichtung elektrische Energie zum Betrieb von Nebenanlagen generiert werden.
It has long been known that when operating a diesel engine with a diesel-in-water emulsion fuel, one can achieve a diesel oil savings equivalent in height to the water content of the emulsion and thus can result in a reduction in CO2 emissions to the same extent. In addition, the nitrogen oxides can be reduced by 30% and the soot particles by up to 90%. However, the provision of finished emulsions at filling stations is not possible everywhere. It would make the fuel extremely expensive, since in addition to the manufacturing transport and storage costs for stability and frost protection conditioning must be added.
According to various proposals, the production of an emulsion by high-pressure homogenization on board a truck with immediate injection into the diesel engine could be an alternative variant. The use of emulsifiers would be obsolete because the emulsion remains stable for a short time after production. Disadvantageously, however, the entrained water in a tank would have to be protected against frost. In addition, the high energy requirement for high-pressure homogenization in this process would significantly diminish the benefits achieved.
With this new device, the aforementioned disadvantages of the in-situ production process are to be repealed. The energy for high-pressure homogenization to be obtained from the enthalpy of the exhaust gases and the respective required amount of water to be removed from the exhaust gas. As an additional advantage to be generated with the device electrical energy for the operation of ancillary equipment.
Description
BetreffSubject
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff nach Anspruch 1 mit der Aufgabe, den Wirkungsgrad und die Schadstoffreduzierung eines Dieselmotors an Bord eines Fahrzeugs durch den Betrieb mit einem Wasser-in-Diesel Emulsionskraftstoff (WiDE) zu erhöhen, der in situ durch Nutzung der Abgasenthalpie und durch Nutzung des im Abgas befindlichen Wassers hergestellt wird .Durch den Betrieb mit der (WiDE) soll mindestens eine 13%tige Kraftstoffeinsparung erzielt werden. Eine weitere 3-5%tige Kraftstoffeinsparung soll durch eine Hochdruckeinspritzung dieses Kraftstoffes in den Dieselmotor erreicht werden.The invention relates to a device according to the preamble of
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, die Herstellung der Emulsion durch Hochdruck-Homogenisation in situ durchzuführen. Die erforderliche Energie zum Antrieb der Hochdruckpumpe, die sowohl den Druck zum Homogenisieren als auch die Beschickung des Common Rails mit WiDE bereitstellen muss, soll durch Umwandlung der Abgasenthalpie mittels eines thermodynamischem Kreisprozesses in mechanische Antriebsenergie erfolgen. Hierfür ist eine Vorrichtung mit einer Heißgasmaschine vorgesehen, die mit einem Kapillarkondensator zur Entnahme des Wassers aus dem Abgas mit der Hochdruck-Kraftstoffförderpumpe und einer Gleichstrommaschine eine integrierte Einheit bildet.To solve this problem, it is proposed to carry out the preparation of the emulsion by high-pressure homogenization in situ. The energy required to drive the high-pressure pump, which must provide both the pressure for homogenization and the feed of the common rail with WiDE, is to be converted into mechanical drive energy by converting the exhaust gas enthalpy into a thermodynamic cycle. For this purpose, a device with a hot gas engine is provided which forms an integrated unit with a Kapillarkondensator for removing the water from the exhaust gas with the high-pressure fuel pump and a DC machine.
Zusätzlich soll die erzeugte mechanische Energie, die über den erforderlichen Bedarf zum Antrieb der Hochdruckkraftstoffförderpumpe hinausgeht, simultan zum Antrieb einer Gleichstrommaschine eingesetzt werden um damit elektrische Energie zu erzeugen, die in einer Batterie gespeichert und zum Antrieb der Nebenaggregate genutzt werden kann.. Vorteilhaft sollen zur Steigerung des Wirkungsgrades weder Hilfsmittel von außen zum Einsatz kommen, noch soll der Dieselmotor zusätzlich belastet werden. Mit einer Energieeinsparung durch diese Erfindung von mindestens 15% kann die Energiebilanz somit sehr positiv ausfallen.In addition, the generated mechanical energy, which goes beyond the required demand for driving the high-pressure fuel pump, simultaneously to drive a DC machine to be used to generate electrical energy that can be stored in a battery and used to drive the ancillaries .. Advantageously Increasing the efficiency neither aids are used from the outside, nor should the diesel engine be charged additionally. With an energy saving of at least 15% by this invention, the energy balance can thus be very positive.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUNDTECHNOLOGICAL BACKGROUND
In Druckschriften wird im hohen Maße über Verfahren, Vorrichtungen und Apparate zur Effizienzsteigerung und Reduzierung der Schadstoffemissionen von Dieselmotoren berichtet. Verfahren zur Herstellung und Nutzung von Wasser-in-Diesel Emulsionen nehmen dabei einen großen Platz ein.There is a great deal of literature on methods, devices and apparatuses for increasing the efficiency and reducing the pollutant emissions of diesel engines. Processes for the production and use of water-in-diesel emulsions occupy a large place here.
Es ist schon sehr lange bekannt, dass Wasser als Zugabe zum Kraftstoff die Verbrennung im Motor verbessert, besonders dann, wenn das Wasser als Teil einer Wasser-in-Diesel Emulsion eingesetzt wird. Im Wesentlichen liegen diese Erfolge darin begründet, dass zwei physiochemische Vorgänge während der Verbrennung der Emulsion im Motor stattfinden. Zum einen führen Mikroexplosionen der im Dieselöl eingeschlossenen kleinsten Wassertropfen zu einer verbesserten Atomisierung des Kraftstoffes und zum anderen verbessert die Verdampfung des Wassers die räumliche Kinetik des Verbrennungsvorgangs, wobei der erzeugte Dampf einen zusätzlichen Druck auf den Kolben ausübt und somit zur Steigerung der Leistungseffizienz beiträgt. Unterstützend hierbei ist eine extensive Vorab-Fragmentierung der Tröpfchen schon bei der Herstellung der WiDE und weiter durch Kavitation bei der Einspritzung in den Motor.It has been known for a long time that water added to the fuel improves combustion in the engine, especially when the water is used as part of a water-in-diesel emulsion. Essentially, these successes are due to the fact that two physiochemical processes take place during the combustion of the emulsion in the engine. On the one hand, micro-explosions of the smallest drops of water enclosed in the diesel oil lead to an improved atomization of the fuel and, on the other hand, the evaporation of the water improves the spatial kinetics of the combustion process, whereby the generated steam exerts an additional pressure on the piston and thus contributes to an increase in the power efficiency. Supportive here is an extensive pre-fragmentation of the droplets already in the production of WiDE and further by cavitation during injection into the engine.
Vorteilhaft wird bei der explosionsartigen Verflüchtigung und Verdampfung der Wassertropfen mit Ausstrahlung in den Verbrennungsraum ein hoher Anteil an Verdampfungswärme aufgewandt mit dem Resultat, dass die Temperatur beim Verbrennungsprozess dabei um ca. 100 -200 Grad Kelvin abgesenkt wird Die Bedingungen für die Bildung von Stickoxyden werden dadurch wesentlich eingeschränkt und dem zufolge werden beträchtlich weniger Stickoxide gebildet. Der verbleibende Teil an Stickoxiden kann somit mit der nachgeschalteten Reduktionsanlage in elementaren Stickstoff und Wasser umgewandelt werden.Advantageously, in the explosive volatilization and evaporation of the water droplets with radiation into the combustion chamber a high proportion of heat of evaporation expended with the result that the temperature during the combustion process is thereby lowered by about 100 -200 degrees Kelvin The conditions for the formation of nitrogen oxides are characterized Significantly limited and that significantly less nitrogen oxides are formed. The remaining part of nitrogen oxides can thus be converted into elemental nitrogen and water with the downstream reduction plant.
Zu diesem Thema wurden bislang unzählige Forschungen durchgeführt, die im Prinzip über Einsparungen des spezifischen Kraftstoffverbrauchs und über das Maß der Schadstoffreduzierungen berichten, Bei einer objektiven Auswertung der Ergebnisse muss konstatiert werden, dass der WiDE-Verbrauch mit einem Wasseranteil von 10% mindestens 3 bis 5 % geringer ausfällt als der Verbrauch mit einem puren Dieselkraftstoff. Insgesamt summiert sich damit die Dieselersparnis auf 13% bis 15 %.So far, countless researches have been carried out on this subject, which report in principle about savings in specific fuel consumption and the level of pollutant reductions. In an objective evaluation of the results must be stated that the WiDE consumption with a water content of 10% at least 3 to 5 % lower than consumption with a pure diesel fuel. In total, the diesel saving adds up to 13% to 15%.
Wie auch im Fall der Kraftstoffersparnisse wurden Schadstoffemissionswerte gemessen, die je nach Wasseranteil der WiDE differieren. Reduktionen der NOx von 29% bis 37% bei einem Wasseranteil von 13% der WiDE und NOx Reduktionen von 18% bei einem Wasseranteil von 10% und 15% sind festgestellt worden Des Weiteren wurde über eine Verminderung der Kohlenwasserstoffe von bis zu 68% sowie über eine Dezimierung der Ruß-Partikel von bis zu 90% berichtet.As in the case of fuel savings, pollutant emission levels were measured, which differ depending on the water content of the WiDE. Decreases in NOx from 29% to 37% at a water content of 13% of the WiDE and NOx reductions of 18% at a water content of 10% and 15% have been found in addition to a reduction of hydrocarbons of up to 68% and over reported a soot particle decay of up to 90%.
Emulsionen aus flüssigen Kohlenwasserstoffen und Wasser können mit diversen technischen Prozessen hergestellt werden. Hierbei können u.a. folgende Maschinen eingesetzt werden: Turbinenmischer, Kolloidmühlen, Homogenisatoren, Kugelmühlen, Rührwerkskugelmühlen, Scheibenmühlen, Hochdruck-Homogenisatoren und Ultraschall-Apparate. Emulsions of liquid hydrocarbons and water can be prepared by various technical processes. The following machines may be used here: turbine mixers, colloid mills, homogenizers, ball mills, stirred ball mills, disc mills, high-pressure homogenizers and ultrasound apparatus.
Sehr wirkungsvoll haben sich dabei Hochdruck-Homogenisatoren erwiesen. Hochdruck-Homogenisieranlagen bestehen überwiegend aus einem druckerzeugenden Apparat und einer druckreduzierenden Einheit, in der durch Kavitation, Scherung, Reibung, Aufprall, Druck und Stoß Zerkleinerung der Tröpfchen oder Partikel erfolgen. Als druckerzeugende Apparate können Hochdruckpumpen oder auch hydraulische oder pneumatische Druckübersetzer eingesetzt werden. Diese Apparate können mit Hochdruck betrieben werden um viel Energie für den Fragmentierungsprozess einzubringen. Sie benötigen dafür sehr viel mechanische Energie.High-pressure homogenizers have proved to be very effective. High-pressure homogenizing systems consist predominantly of a pressure-generating apparatus and a pressure-reducing unit, in which by cavitation, shear, friction, impact, pressure and impact comminution of the droplets or particles. High-pressure pumps or hydraulic or pneumatic pressure intensifiers can be used as pressure-generating apparatus. These devices can be operated at high pressure to bring much energy for the fragmentation process. You need a lot of mechanical energy.
Eine einmal hergestellte Emulsion ist nur für die Dauer von einigen Minuten stabil. Hierbei ist auch die Größe der Tröpfchen von entscheidender Bedeutung. Feine Emulsionen mit sehr kleinen Tropfen bleiben ohne Zusätze etwas länger stabil. Im Allgemeinen hat die Emulsion jedoch das Bestreben, sich wieder in zwei Phasen mit minimaler Grenzfläche zu trennen. Für Emulsionen, die für längere Zeiträume gelagert werden müssen, werden zur Stabilisierung oberflächenaktive Substanzen verwendet, die als Emulgatoren bezeichnet werden. Diese Substanzen haben einen hydrophoben, lipophilen Schwanz, der sich im Öltropfen auflöst, und einen hydrophilen Kopf, der in die wässerige Phase ragt. Sie stellen auf diese Weise die Verbindung zwischen dem Öl und dem Wasser her.A once prepared emulsion is only stable for a few minutes. The size of the droplets is also crucial here. Fine emulsions with very small drops remain stable for a little longer without additives. In general, however, the emulsion tends to re-separate into two phases with minimal interface. For emulsions which have to be stored for longer periods of time, surfactants are used for stabilization, which are referred to as emulsifiers. These substances have a hydrophobic, lipophilic tail that dissolves in the oil drop and a hydrophilic head that protrudes into the aqueous phase. They create the connection between the oil and the water in this way.
Mikro-Emulsionen aus Dieselöl und Wasser bestehen aus viel kleineren Tröpfchen als Makro-Emulsionen. Sie können nur durch eine Zugabe von sehr großen Mengen an Emulgatoren physiochemikalisch schlagartig hergestellt werden. Da sie aus sehr kleinen Teilchen bestehen, würde man erwarten, dass sie bei der Fragmentierung Makro-Emulsionen übertreffen würden. Das Gegenteil berichten jedoch.
Diesel Wasser Emulsionen, die als Kraftstoff für den Dieselmototor bestimmt sind, können in separaten Anlagen hergestellt werden und in Tankstellen zum Tanken vorgehalten werden. In Süd-Europa werden Wasser-in-Diesel-Emulsionen mit der Fachbezeichnung „ Auquazol “ verbreitet vertrieben.Diesel water emulsions, which are intended as fuel for the diesel engine, can be produced in separate plants and kept in gas stations for refueling. In Southern Europe, water-in-diesel emulsions with the trade name "Auquazol" are widely distributed.
Die individuelle Herstellung der Emulsion am Ort des Verbrauchs, zum Beispiel auf einem fahrenden Fahrzeug macht eine landesweite Bevorratung in Tankstellen hinfällig. In mehrfache Patentschriften wird über ein solches Verfahren berichtet. Die Emulsion wird dabei direkt nach der Herstellung innerhalb von einigen Sekunden dem Motor zugeführt und eine Zugabe von Emulgatoren wird dann nicht erforderlich, denn sie wird für die kurze Dauer auf der Strecke zum Motor stabil bleiben.The individual preparation of the emulsion at the place of consumption, for example on a moving vehicle, makes a nationwide storage in service stations obsolete. Several patent specifications report such a process. The emulsion is then added to the motor within a few seconds directly after production and no addition of emulsifiers is then required because it will remain stable for the short duration on the route to the engine.
Das erforderliche Wasser zur Bildung der WiDE kann in einem separaten Behälter mitgeführt werden oder es kann direkt aus den Abgasen des Dieselmotors durch Kondensation entnommen werden und sofort mit dem Diesel vermischt und homogenisiert dem Motor zugeführt werden. Letztere Form ist zu bevorzugen, da fatalerweise in der kalten Jahreszeit bei Minustemperaturen gespeichertes Wasser an Bord eines Fahrzeugs einfrieren kann. Es hätte zum anderen den Vorteil, dass der Betreiber des Fahrzeugs sich nicht mit dem Nachfüllen des Wassers befassen muss.The required water to form the WiDE can be carried in a separate container or it can be taken directly from the exhaust gases of the diesel engine by condensation and immediately mixed with the diesel and homogenized fed to the engine. The latter form is to be preferred, since in cold weather cold water stored at cold temperatures can unfortunately freeze on board a vehicle. On the other hand, it would have the advantage that the operator of the vehicle does not have to deal with refilling the water.
Die Herstellung einer WiDE durch Hochdruck-Homogenisation in situ sowie die Hochdruck-Injektion in den Dieselmotor erfordert allerdings einen hohen Energieeintrag, Sollte dieser durch den Dieselmotor ausnahmslos allein aufgebracht werden, zum Beispiel über einen Riemenantrieb, der diese Energie vom Getriebe überträgt oder durch einen E-Motor, der von der Batterie gespeist wird, dann würde der erzielte Energiegewinn durch den Betrieb mit dem WiDE- Kraftstoff erkennbar geschmälert.The production of a WiDE by high-pressure homogenization in situ and the high-pressure injection into the diesel engine, however, requires a high energy input, Should this be applied by the diesel engine without exception alone, for example via a belt drive that transfers this energy from the transmission or by an E Motor, which is powered by the battery, then the energy gain achieved by the operation with the WiDE fuel would be noticeably reduced.
Der Einsatz des WiDE-Kraftstoffs hat sich bislang noch nicht weitflächig durchsetzten können. Der Aufwand für den Einsatz teurer Emulgatoren, die Bereitstellung dieses Kraftstoffes landesweit in Tankstellen oder das Mitführen von Wasser für eine in situ Herstellung und natürlich der dabei erforderliche Energieeinsatz, konnten mit dem Gewinn durch die Kraftstoffeinsparung und der Schadstoffreduzierung nur minimal aufgehoben werden.The use of the WiDE fuel has not been able to prevail far. The cost of using expensive emulsifiers, the provision of this fuel nationwide in gas stations or carrying water for in situ production and of course the required energy use, could be minimized with the gain of the fuel savings and emissions reduction only minimally.
Mit dieser Erfindung soll der Einsatz dieses Kraftstoffes attraktiver werden. Der Dieselverbrauch des Motors kann damit um mindestens15 % gesenkt und die Bildung von NOx um 30% sowie der Rußpartikel um 90 % reduziert werden. Der entscheidende Faktor hierbei ist die Nutzung der Abgas-Enthalpie und die Verwertung des im Abgas enthaltenen Wassers zur in situ Herstellung der WiDE, die sofort nach Fertigstellung mit hohem Druck zum Common Rail des Motors gefördert wird, und durch Eispritzung in den Motor eine optimale Verbrennung bewirkt. Vorteilhaft und von großer Bedeutung für den Ablauf des Fahrbetriebs und die Wirtschaftlichkeit ist der Umstand, dass bei diesem Verfahren weder der Dieselmotor zusätzlich belastet wird noch müssen chemischen Mittel oder Wasser von außen eingebracht werden.With this invention, the use of this fuel to be attractive. The diesel consumption of the engine can thus be reduced by at least 15% and the formation of NOx by 30% as well as the soot particles be reduced by 90%. The decisive factor here is the use of the exhaust gas enthalpy and the utilization of the water contained in the exhaust gas for in situ production of the WiDE, which is promoted immediately after completion with high pressure to the common rail of the engine, and by icing in the engine optimal combustion causes. Advantageous and of great importance for the course of the driving operation and the economy is the fact that in this method neither the diesel engine is additionally burdened nor chemical agents or water must be introduced from the outside.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Nachfolgende Referenzen liefern eine Übersicht zum heutigen Stand der Technik zur Herstellung von Diesel-Wasser- Emulsionen in-situ durch Verwendung von Hochdruck-Homogenisatoren, die sowohl durch hydraulische oder auch durch elektrische Aggregate angetrieben werden können. Ebenso wird der Stand der Technik hinsichtlich Wärmekraftmaschinen behandelt, die die Enthalpie der Dieselabgase nutzen und die als Antrieb von Nebenanlagen eingesetzt werden.
- a) Beim europäische
Patent EP (Vorrichtung zur Herstellung einer Dieselöl-Wasser-Mikro- Emulsion und zur Einspritzung dieser Emulsion in einen Dieselmotor) handelt es sich um eine Apparatekombination, die aus einer einstufigen Hochdruck-Homogenisieranlage und einer gekoppelten synchronlaufenden Hochdruck-Kraftstoffförderpumpe (des Weiteren als HDKFP bezeichnet) besteht. Im Wesentlichen besteht der Apparat aus einer Pumpeneinheit mit einem dreiteiligen Stufenkolben und einem Gegenstrahl-Homogenisierventil. Die untere Stufe des Stufenkolbens stellt die hydraulisch betriebene HDKFP dar, mit der die produzierte Emulsion direkt zum Motor gefördert wird.1 952 006 B1 - b) Das deutsche Offenlegungsschrift
DE 103 55 029 A1 - c) Patent
DE 102013009219 A1 - d) Die deutsches Offenlegungsschrift
DE 199 60 762 A1 - e)
Offenlegungsschrift DE : Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Apparat zur Rückgewinnung von Wasser aus den Abgasen eines Fahrzeug-Dieselmotors durch Kapillarkondensation mit nachfolgendem Wiedereinsatz des Wasser zur Herstellung einer Kraftstoff-Dieselöl-Wasser-Emulsion durch mehrstufige Hochdruck-Homogenisation für selbigen Dieselmotor10 2014 003 796 A1
- a) For the
European patent EP (Device for producing a diesel oil-water micro-emulsion and for injection of this emulsion in a diesel engine) is an apparatus combination consisting of a single-stage high-pressure homogenizer and a coupled synchronous high-pressure fuel pump (further referred to as HDKFP) , Essentially, the apparatus consists of a pump unit with a three-piece stepped piston and a counter jet homogenizing valve. The lower stage of the stepped piston represents the hydraulically operated HDKFP, with which the produced emulsion is conveyed directly to the engine.1 952 006 B1 - b) The German patent application
DE 103 55 029 A1 - c) Patent
DE 102013009219 A1 - d) The German Offenlegungsschrift
DE 199 60 762 A1 - e)
Disclosure DE This invention relates to a method and apparatus for recovering water from the exhaust gases of a vehicle diesel engine by capillary condensation followed by reuse of the water to produce a fuel-diesel-water emulsion by multi-stage high pressure homogenization for that diesel engine10 2014 003 796 A1
REFERENZENREFERENCES
AUFGABETASK
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines Dieselmotors an Bord eines Fahrzeugs durch den Betrieb einer in-situ hergestellten WiDE-Kraftstoff (Wasser in Diesel-Emulsion) um ca. 15 % zu erhöhen, und daraus folgend die CO2 Emissionen um den gleichen Wert zu senken. Vorteilhaft soll dabei zusätzlich der Ausstoß des Feinstaubs um 90% reduziert und die Bildung der Stickoxyde bei der Verbrennung um 30 % herabgesetzt werden. Durch ein erfinderisches Verfahren, soll weder Wasser noch chemische Zusätze von außen für die Lösung dieser Aufgabe zum Einsatz kommen, noch soll der Dieselmotor dabei zum Antrieb möglicher Hilfsaggregate zusätzlich belastet werden.The invention has for its object to increase the efficiency of a diesel engine on board a vehicle by the operation of an in-situ produced WiDE fuel (water in diesel emulsion) by about 15%, and consequently the CO2 emissions by the same Lowering the value. Advantageously, the output of particulate matter should be reduced by 90% and the formation of nitrogen oxides during combustion should be reduced by 30%. By an inventive method, neither water nor chemical additives from the outside should be used for the solution of this task, nor should the diesel engine thereby additionally be charged to drive possible auxiliary equipment.
LOSUNGSOLUTION
Das Verfahren zur Realisierung dieses Vorhabens stützt sich auf den Einsatz hoher Energien zur feinen Fragmentierung der Flüssigkeitstropfen bei der Herstellung der WiDE und bei der Hochdruck-Einspritzung der WiDE über die Injektoren in den Motor, Vorteilhaft kann der hierfür erforderlich hohe Energiebedarf bei dieser Erfindung durch Umwandlung eines Teils der Abgaswärme gewonnen werden ohne dabei den Dieselmotor zu belasten. Günstig ist ebenfalls, dass das Wasser als Teil der Emulsion dem feuchten Abgas entzogen werden kann. Besonders eignet sich hierfür die Kapillarkondensation, bei der Wasser reinster Qualität ohne Verunreinigungen erzielt wird. Vorteilhaft kann die Abgasnutzung in Form der Energieerzeugung und Kapillarkondensation aufeinander abgestimmt werden.The method of realization of this project relies on the use of high energies for fine fragmentation of the liquid droplets in the production of WiDE and in the high-pressure injection of the WiDE via the injectors into the engine. Advantageously, the required high energy demand in this invention can be converted Part of the exhaust heat can be obtained without burdening the diesel engine. It is also beneficial that the water can be removed as part of the emulsion of the moist exhaust gas. Particularly suitable for this purpose is the capillary condensation, in which water of the purest quality without impurities is obtained. Advantageously, the exhaust gas utilization in the form of energy production and capillary condensation can be matched to one another.
Die Erfindung besteht aus handelsübliche Ausrüstungsgegenstände, die kombiniert eine Vorrichtung bilden, mit der mit aufeinander abgestimmten Verfahrensschritten, die angestrebten Kraftstoffeinsparungen und Emissionsreduktion erzielt werden können. Die Teilbereiche der Vorrichtung, die der Ausführung der einzelnen Verfahrensschritte dienen, werden nachfolgend mit den entsprechenden Ausrüstungsgegenständen beschrieben.The invention consists of commercially available equipment which, combined, form a device with which, with coordinated process steps, the desired fuel savings and emission reduction can be achieved. The subsections of the device which serve to carry out the individual method steps are described below with the corresponding equipment.
Abgase zur Wärmenutzung aus Fahrzeug-Dieselmotoren, die mit NOx- Reduktionsanlagen ausgestattet sind, verlassen diese Anlagen mit einer Reaktions-Temperatur von ca. 400 °C und einem absoluten Druck von ca.1,05 bar. Bei einem Emulsions-Kraftstoff bestehend aus 80% Dieselöl und 20% Wasser würden die Einzelbestandteile der Abgase pro kg des verbrannten Kraftstoffes, folgende Werte aufweisen:
Alle Werte beziehen sich auf ein Abgas nach dem Verbrauch von 1 kg WiDE
All values refer to an exhaust gas after consumption of 1 kg WiDE
Die Nutzung der Enthalpie und Umwandlung in mechanische Energie soll mit dieser erfinderischen Vorrichtung in zwei Stufen durchgeführt werden, wobei in jeder Stufe ein thermodynamischer Kreisprozess vollzogen werden soll. Hierfür soll eine Heißgasmaschine
Wie auf den Zeichnungen
Entsprechend den Zeichnungen
- Stufe I
- a) Absaugung der Außenluft durch Verdichter
3 durch das Filter 43 - b) Isentrope Verdichtung der Luft mit dem Verdichter. 3
- c) Isobares Heizen durch die Wärmeübertagung vom Abgas auf die Luft im Wärmetauscher
- d) Isentrope Expansion der Luft in
der Entspannungsturbine 5 und Übertragung der mechanische Energie auf die Welle
- a) Absaugung der Außenluft durch Verdichter
- Stufe II
- a) Absaugung der Außenluft durch Verdichter
6 durch das Filter 43 - b) Isentrope Verdichtung der Luft mit dem Verdichter. 6
- c) Isobares Heizen durch die Wärmeübertagung vom Abgas auf die
Luft im Wärmetauscher 7 - d) Isentrope Expansion der Luft in
der Entspannungsturbine 8 und Übertragung der mechanische Energie auf die Welle
- a) Absaugung der Außenluft durch Verdichter
- Stage I
- a) Extraction of the outside air by
compressors 3 through thefilter 43 - b) Isentropic compression of the air with the compressor. 3
- c) Isobaric heating by the heat transfer from the exhaust gas to the air in the heat exchanger
- d) Isentropic expansion of the air in the
expansion turbine 5 and transmission of mechanical energy to the shaft
- a) Extraction of the outside air by
- Stage II
- a) Extraction of the outside air by
compressors 6 through thefilter 43 - b) Isentropic compression of the air with the compressor. 6
- c) isobaric heating by the heat transfer from the exhaust gas to the air in the heat exchanger. 7
- d) Isentropic expansion of the air in the expansion turbine
8th and transmission of mechanical energy to the shaft
- a) Extraction of the outside air by
Die nachfolgende Tabelle nimmt Bezug auf die schematische Darstellung der Heißgasmaschine auf Zeichnung
Die Leistung der zwei Stufen der Vorrichtung kann wie folgt ermittelt werden:
- q = Wärmeinhalt kJ/ kg verbrannter Kraftstoff
- cp = Spezifischer Wärmekoeffizient in kJ/K
- m = Masse in kg
- T = Temperatur in °Kelvin
- q = heat content kJ / kg of burned fuel
- c p = specific heat coefficient in kJ / K
- m = mass in kg
- T = temperature in ° Kelvin
Bei einem Kraftstoffverbrauch von mindestens 20kg/h WiDE eines schweren Nutzfahrzeugs zum Beispiel könnten 963 × 20 = 19.260 kJ/h gleich 5,35 kWh/h mechanische Energie aus dem Abgas gewonnen werden um damit die HDKFP
Das Kondensat als Wasseranteil der WiDE wird im Kapillarkondensator
Die geringfügigen und erforderlichen Änderungen an der patentierten Einheit laut Offenlegungsschrift
Von besonderer Bedeutung ist der Abgas-Bypass
Die Herstellung der Emulsion und die Förderung derselben zum Common Rail erfolgt durch Vermischung des Dieselöls in 4 Stufen, wie in
Es gehört zum Wissen der Fachwelt, dass die Leistung einer Kreiselpumpe durch eine Kurve dargestellt werden kann, welche eine Korrelation zwischen der Druckdifferenz und der Förderung des Mediums erzeugt. Beim Betrieb der Pumpe entlang seiner Leistungskurve wird sie immer die Menge an Medium fördern, die mit dem Druck auf der Leistungskurve korreliert Eine Erhöhung des Massenstroms hat eine Reduzierung des Förderdrucks zur Folge und eine Reduzierung des Massenstroms wird mit einer Druckerhöhung beantwortet.It belongs to the knowledge of the art that the performance of a centrifugal pump can be represented by a curve which produces a correlation between the pressure difference and the delivery of the medium. When operating the pump along its power curve, it will always deliver the amount of fluid that correlates with the pressure on the power curve. An increase in mass flow will result in a reduction in delivery pressure and a reduction in mass flow will be addressed with an increase in pressure.
Durch Änderung der Geschwindigkeit allerdings wird die Leistungskurve nach oben oder nach unten verschoben, und der Massenstrom kann geändert werden unter Beibehaltung des Förderdruckes. Plötzliche Druckanstiege in der Leitung, verursacht durch ein Schließen von Ventilen, werden durch ein Entspannungsventil
Durch den Rückstrom der Emulsion in der Leitung
Die Erfindung ist für ein Fahrzeug konzipiert, das mit einem Common Rail System ausgestattet ist. Dieses System, das auf der Zeichnung
Die Leistung der HDKFP
Vorteilhaft wird der Antrieb dieser Pumpe
Als besonders vorteilhaft erweist sich diese konstante Fördermenge der HDKFP
Im Falle besonderer Umstände, die von einem Normalbetrieb gelegentlich abweichen können, wie zum Beispiel bei geringer Ladung des Fahrzeugs, sowie in der Parkposition oder bei Fahrten in ebenem Gelände, kann die Leistung der HDKFP
Für den Antrieb der HDKFP
Die Förderung der WiDE zum Common Rail sowie die Homogenisierung erfolgt erfinderisch in nur einem Prozessschritt. Mit dieser Konzeption wird eine gesonderte Hochdruckpumpe zum Homogenisieren hinfällig. Fortschrittlich wird innerhalb der Druckleitung
Die Gegenstrahl-Homogenisiereinheit
Zur Feineinstellung der beiden Ventile haben sich bei diesen hohen Betriebsdrücken Motorgetriebe
Beim Durchströmen der Flüssigkeiten durch die engen Spalte zwischen den Ventilkegeln und den Ventilsitzen der Homogenisiereinheit
Das Druckhalteventil
Der Aufbau der gesamten Vorrichtung soll einen reibungslosen Ablauf des Verfahrens ermöglichen, das mit der Inbetriebnahme des Diesel Motors
Mit zunehmender Temperatur der Abgase und damit steigender Leistung der Gasturbine soll der Antrieb der HDKFP
Auf der Zeichnung
Die automatische Funktion der Vorrichtung soll durch folgende Regelkreise mit folgenden Instrumenten in Verbindung mit der elektronischen Regel-und Steuer-Einheit
- a) Überwachung der Drehzahl durch einen Regler
RV 92 auf derWelle der HDKFP 32 mit Regelung der Drehzahl der Vorrichtung durch einen Drehzahlregler34 ander Gleichstrommaschine 33 , wenn diese als Antriebsmotor aktiv ist, zum Beispiel in der Anfahrphase - b) Regelung der Drehzahl durch Regelung der Geschwindigkeit der
Gasturbine 2. 3. 5. 6. und 8.,wenn die Gleichstrommaschine 33 auf den Generatorbetrieb umgeschaltet ist, durch Verstellung der Motorklappe42 im Außenluft-Ansaugkanal 10 sowie einer Kaskaden ähnliche Regelung durch eine Feineinstellung der Zulaufschaufeln. vor dem Turbinenrotor der Gasturbine. - c) Messung des Homogenisatordruckes vor der Gegenstrahl-
Homogenisiereinheit 71 miteinem Druckaufnehmer PI 86 und Regelung des Druckes durch Feineinstellung der Ventile mittels hochuntersetzter Motorgetriebe 72 - d) Regelung des Förderdruckes zum Common Rail durch Messung des Druckes vor
dem Druckhalteventil 75 mittels Druckaufnehmer PI 87 und Regelung der Ventilstellung durchein Motorgetriebe 76 an der Ventilspindel - e) Messung des Rücklaufstroms vom Common Rail mit Durchflussmesser FI89 in
der Rücklaufleitung 78 zur Bestimmung des Kraftstoffverbrauchs und der daraus zu bestimmenden Emulsions-Herstellungs- und Fördermenge durch Einstellung der Umlaufgeschwindigkeit der Anlage. - f) Kontrolle der Durchflussgeschwindigkeit in den
Kondensatorrohren des Kapillarkondensators 9 mittels einesDurchflussmessers FI 88 in einem der Rohre zur Steuerung des Abgasstromes durch die Rohre und über den Kondensator-Bypass mittels Einstellung der Klappe11 im Kondensator Bypass 38 . - g) Messung des Massenstroms des Dieselöls mit
dem Durchflussmesser FI 91 inder Leitung 65 zur Einstellung des Mischungsverhältnisse Dieselöl/Kondensat mit der Venturi-Mischdüse 66 durch Regelung des Ventils31 inder Leitung 27 . - h) Messung des
Abgasdruckes im Kapillarkondensator 9 mitdem Druckaufnehmer PI 93
- a) Monitoring the speed by a
regulator RV 92 on the wave ofHDKFP 32 with control of the speed of the device by aspeed controller 34 on theDC machine 33 if this is active as a drive motor, for example in the start-up phase - b) Control of the speed by regulating the speed of the
gas turbine 2. 3. 5. 6. and 8., if theDC machine 33 is switched to the generator mode, by adjusting theengine door 42 in the outsideair intake duct 10 and a cascade-like control by a fine adjustment of the inlet blades. in front of the turbine rotor of the gas turbine. - c) Measurement of the homogenizer pressure before the counter
jet homogenizing unit 71 with apressure transducer PI 86 and control of the pressure by fine adjustment of the valves by means of highly stepped motor gear 72nd - d) Control of the delivery pressure to the common rail by measuring the pressure in front of the
pressure maintenance valve 75 by means ofpressure transducer PI 87 and regulation of the valve position by amotor gearbox 76 at the valve spindle - e) Measurement of the return flow from the common rail with flow meter FI89 in the
return line 78 for determining the fuel consumption and the resulting emulsion production and delivery rate by adjusting the rotational speed of the system. - f) Control of the flow rate in the condenser tubes of the
capillary condenser 9 by means of aflow meter FI 88 in one of the pipes for controlling the flow of exhaust gas through the pipes and over the condenser bypass by adjusting theflap 11 in thecondenser bypass 38 , - g) Measurement of the mass flow of diesel oil with the
flow meter FI 91 in thepipe 65 for adjusting the mixing ratio of diesel oil / condensate with theVenturi mixing nozzle 66 by regulating thevalve 31 in thepipe 27 , - h) Measurement of the exhaust gas pressure in the
capillary condenser 9 with thepressure transducer PI 93
- D1
- Diesel Motor
- D2
- Eintritt des Luft/Abgasgemisches zum Diesel Motor
- D4
- Kraftstoff-Rücklaufleitung vom Common Rail
- D5
- Kühler in Kraftstoffrücklaufleitung
- D7
- Heißes Abgasrohr vom Diesel Motor zum Turbolader
- D8
- Bypass Abgasrohr
- D9
- Abgasrohr vom Bypass zum heißen Abgasrohr
- D10
- Turbolader Turbine
- D11
- Turbolader Verdichter
- D12
- Luft/Abgas Gemisch vom Turbolader zum Diesel Motor
- D13
- Wärmetauscher
- D14
- Regelklappe im Bypass Abgasrohr
- D15
- Luftfilter
- D16
- Luftrohr
- D17
- Kühler
- D18
- Abgasrohr
- D19
- Regelklappe im Abgasrohr
- D20
- Abgasrohr
- D21
- Heißes Abgasrohr zur Gasturbine
- D22
- Kaltes Abgasrohr aus Gasturbine
- D23
- Partikel Filter
- D24
- NOx Conversionsanlage (SCR selective catalytic reduction, gleich NOx Umwandlungsanlage)
- D25
- Common Rail
- D26
- Injektor
- D1
- Diesel engine
- D2
- Entry of the air / exhaust gas mixture to the diesel engine
- D4
- Fuel return line from common rail
- D5
- Radiator in fuel return line
- D7
- Hot exhaust pipe from the diesel engine to the turbocharger
- D8
- Bypass exhaust pipe
- D9
- Exhaust pipe from bypass to hot exhaust pipe
- D10
- Turbocharger turbine
- D11
- Turbocharger compressor
- D12
- Air / exhaust gas mixture from turbocharger to diesel engine
- D13
- heat exchangers
- D14
- Control damper in the bypass exhaust pipe
- D15
- air filter
- D16
- air pipe
- D17
- cooler
- D18
- exhaust pipe
- D19
- Control flap in the exhaust pipe
- D20
- exhaust pipe
- D21
- Hot exhaust pipe to the gas turbine
- D22
- Cold exhaust pipe from gas turbine
- D23
- Particle filter
- D24
- NOx Conversion Plant (SCR Selective Catalytic Reduction, same as NOx Conversion Plant)
- D25
- Common rail
- D26
- injector
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018005821.3A DE102018005821B3 (en) | 2018-07-25 | 2018-07-25 | Device for in-situ production of a water-in-diesel fuel with the use of the exhaust gas enthalpy and the water in the exhaust gas to increase the efficiency of a diesel engine in a commercial vehicle and to minimize pollutant emissions |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publication Number | Publication Date |
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DE102018005821B3 true DE102018005821B3 (en) | 2019-05-09 |
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Family Applications (1)
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