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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer stabilen Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion für einen Dieselmotor, bei welcher Vorrichtung zunächst eine Wasser-Additivmischung aus einem wasserlöslichen Additiv und Wasser vorgegebener Konzentration hergestellt wird, welche Wasser-Additivmischung dem Kraftstoff in einer einstellbaren Menge vor der Verbrennung zugeführt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausbrandverbesserung beim Betrieb von Großdieselmotoren und Schiffsdieselmotoren, die mit einem Dieselkraftstoff betrieben werden. Es wird daher im Folgenden überwiegend von einem Schiffsdieselmotor gesprochen, ohne dass damit eine Beschränkung verbunden sein soll.
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Im Zuge der immer strenger werdenden Emissionsschutzvorschiften ist es bekannt, den Kraftstoff vor der Verbrennung im Motor mit Additiven zu versetzen, damit unter anderem der Ausbrand verbessert und somit die Rußemission verringert werden. Diese Additive werden allgemein als Primäradditive bezeichnet. Weiterhin sind Entstickungs- und Entschwefelungsmaßnahmen bekannt, die im Rauch- oder Abgaskamin eingesetzt werden. Solche Maßnahmen werden bei stationären Feuerungen mit Erfolg eingesetzt, so dass dort die Emissionsrichtlinien und -grenzwerte in der Regel eingehalten werden können. Diese Additive werden allgemein als Sekundäradditive bezeichnet.
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Die Emissionsschutzvorschiften richten sich nach nationalen Bestimmungen, so dass für jedes Land unterschiedliche Grenzwerte gelten können. In Deutschland gilt beispielsweise die BImSchV (Verordnung zur Durchführung des Bundesimissionsschutzgesetzes). Beim Verbrennen von sogenannten Bunkerölen in Schiffsdieselmotoren gelten demnach in Häfen verschiedener Ländern unterschiedliche Vorschriften, die der Schiffsbetreiber insbesondere bei der Einfahrt und dem Aufenthalt im Hafen einhalten muss. Dies ist aber bei Schiffsdieselkraftstoffen sehr schwer möglich, da als Kraftstoff häufig Bunkeröl minderer Qualität eingesetzt wird, so dass die geltenden oder zu erwartenden Grenzwerte der Schadstoffemissionen nicht eingehalten werden können. Auch bezieht ein Schiff den Kraftstoff aus unterschiedlichen Quellen, so dass keine gleichbleibende Qualität des Kraftstoffs vorliegt. Dies erfordert zudem eine variable Einstellung der Additivzugabe.
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Bei Dieselmotoren werden häufig öllösliche Additive vor der Verbrennung dem Kraftstoff zugesetzt, damit sich das Ausbrandverhalten und somit die Rußemission verringert. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Verwendung von derartigen öllöslichen Primäradditiven bei Schiffsdieselmotoren und der darin verbrannten Dieseltreibstoffe nicht ausreicht, die strengen Grenzwerte für die Schadstoffemissionen einzuhalten. Insbesondere können auch die sichtbaren Emissionen durch Ruß nicht zuverlässig verhindert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ausbrandverbesserung beim Betrieb von Verbrennungsmotoren bereit zu stellen, mit welchen insbesondere ein Großdiesel- oder Schiffsdieselmotor emissionsarm betrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass zunächst eine Wasser-Additivmischung zumindest aus einem Emulgator als Additiv und enthärtetem Wasser in vorgegebener Konzentration hergestellt wird, welche Wasser-Additivmischung dem Kraftstoff in einer einstellbaren Menge auf der Niederdruckseite des Dieselmotors in die Kraftstoffleitung unter Bildung der Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion zugeführt wird. Als Additiv kann nur der Emulgator eingesetzt werden. Es hat sich herausgestellt, dass bereits durch die Zugabe einer Mischung aus Emulgator als Additiv und Wasser zum Brennstoff die Schadstoffemission und insbesondere die Rußbildung deutlich reduziert werden kann. Dies ist unter anderem auf die spontane Verdampfung des Trägerwassers beim Eindüsen in den Brennraum zurückzuführen, durch welche eine große Reaktionsoberfläche bereitgestellt wird. Der Emulgator bewirkt zum einen eine gute Vermischung des Wassers in dem Kraftstoff. Zum anderen werden durch den Emulgator Kavitationsschäden an den Düsen beim Eindüsen der Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion vermieden.
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Besonders günstig ist es, wenn die Wasser-Additivmischung weiterhin die Verbrennung beeinflussende wasserlösliche Wirkstoffe beziehungsweise Additive enthält. Der Emulgator kann ein Tensid sein und kann der Wasser-Additivmischung in einer Menge von 0,01 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% bezogen auf den Wassergehalt beigemischt werden. Die Zugabe der Wasser-Additivmischung zum Kraftstoff kann über eine Dosierpumpe gut variiert werden.
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Alternativ kann vorgesehen werden, dass zur Herstellung einer stabilen Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion für einen Dieselmotor zunächst ein wasserlösliches Additivkonzentrat aus Emulgator als Additiv und enthärtetem Wasser vorgegebener Konzentration bereitgestellt wird. Es wird dem Kraftstoff eine einstellbare Menge Wasser zugeführt, und das Additivkonzentrat wird in einer einstellbaren Menge dem Kraftstoff vor, gleichzeitig oder nach der Zugabe des Wassers unter Bildung der Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion vor der Verbrennung in dem Dieselmotor zugeführt. Es kann auch vorgesehen werden, dass das Additivkonzentrat zunächst dem Wasser und die dadurch gebildete Wasser-Additivmischung dem Kraftstoff auf der Niederdruckseite des Dieselmotors in der Kraftstoffleitung zugeführt wird.
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Vorzugsweise enthält das Additivkonzentrat 0,05 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% Emulgator. Es kann auch vorgesehen werden, dass der Emulgator in der gleichen Menge dem zugeführten Wasser zugegeben wird. Dies ermöglicht eine weitere Einstellung der Additivzugabe für die Verbrennung, so dass flexibel und schnell auf die unterschiedlichsten Kraftstoffqualitäten reagiert werden kann.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Zuführung des Wassers und/oder des Additivkonzentrats oder der Wasser-Additivmischung in den Kraftstoff lastabhängig erfolgt. Dadurch kann die Zugabe des Additivs optimiert werden.
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Es kann vorgesehen werden, dass die Zuführung des Wassers und/oder des Additivkonzentrats oder der Wasser-Additivmischung in die Kraftstoffleitung weniger als 20,0 m und insbesondere weniger als 10,0 m vor dem Brennraum des Dieselmotors erfolgt. Insbesondere befindet sich die Einführstelle hinter dem Regelventil für die zu verbrennende Kraftstoffmenge und vor der Hochdruckpumpe des Dieselmotors. Dadurch braucht die Dosierpumpe nicht gegen einen zu hohen Druck in der Kraftstoffleitung zu arbeiten. Auch wird nur dem tatsächlich verbrennenden Kraftstoff die Wasser-Additivmischung beziehungsweise das Additivkonzentrat und/oder das Wasser in der eingestellten Menge zugeführt. Eine Rückführung der gebildeten Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion in den Kraftstofftank ist tritt daher nicht auf.
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Vorzugsweise erfolgt die Zuführung der Additivmischung über einen statischen Mischer mit keinem oder nur geringen Druckverlust. Solche Mischer sind wegen fehlender beweglicher Teile äußerst robust und haben auch unter den rauen Betriebsbedingungen im Maschinenraum eines Schiffs eine hohe Lebensdauer. Durch den Mischer wird die Bildung einer homogenen Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion begünstigt, die bis zur Verbrennung aufrechterhalten bleibt.
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Als Kraftstoff können Bunkeröle oder andere sogenannte Marine Fuels für den Betrieb eines Schiffsdieselmotors eingesetzt werden. Das wasserlösliche Additiv kann als Verbrennungskatalysatoren oder -wirkstoffe zusätzlich Eisen, Kalzium, Cer und/oder Magnesium, das zur SO3-Neutralisation dient, enthalten. Diese Wirkstoffe haben sich bei der Emissionsreduzierung bewährt. Die Wirkstoffe können als wasserlösliche metallorganische Verbindungen vorliegen.
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Für eine ausreichende Rußminderung ist vorgesehen, dass dem Kraftstoff 0,1 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% der vorab gebildeten Wasser-Additivmischung zugeführt wird. Die Wasser-Additivmischung kann dabei aus einem Vorratsbehälter entnommen werden oder laufend aus Wasser und einem Additivkonzentrat gebildet werden. Die tatsächlich zugeführte Menge hängt von der Art des Dieselmotors und von der Qualität des Kraftstoffs sowie von der Last ab.
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Vorzugsweise wird das Additiv in Form eines wasserlöslichen Additivkonzentrats bereitgestellt, das neben den verbrennungswirksamen Additiven den Emulgator und enthärtetes Wasser als Trägerstoff enthält. Es kann vorgesehen werden, dass in dem Additivkonzentrat 1,0 % bis 40,0 % Verbrennungskatalysatoren als Metallionengehalt gerechnet enthalten sind. Die Zusammensetzung der Wirkstoffe untereinander hängt ebenfalls von der Kraftstoffqualität und dem Dieselmotor ab. Die Mengenverhältnisse können für jeden Wirkstoff zwischen 0 % und 100% bezogen auf die Gesamtmenge der Wirkstoffe betragen. Ein Mengenverhältnis von 1 Teil Cer, 3 Teilen Eisen und 6 Teilen Calcium hat sich für viele Anwendungsfälle als ausreichend wirksam herausgestellt.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ausbrandverbesserung bei der Verbrennung von Dieselkraftstoffen in Dieselmotoren, insbesondere in Schiffsdieselmotoren, bei welcher Vorrichtung dem Dieselkraftstoff ein Additiv zuführt wird. Es wird vorgeschlagen, dass das Additiv in Form einer wässrigen Lösung vor der Verbrennung dem Dieselkraftstoff über einen statischen Mischer unter Bildung einer stabilen Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion zugeführt wird. Das Additiv wird dabei gemäß der oben geschilderten Vorgehensweise dem Dieselkraftstoff bereitgestellt und zugeführt.
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Bei manchen Dieselölqualitäten ist die vorbeschriebene Zuführung des wasserlöslichen Additivs unter Bildung der Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion kurz vor der Brennkammer des Dieselmotors nicht ausreichend, um die gewünschte Rußverringerung zu erzielen. Es ist daher gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass dem Dieselkraftstoff vor der Zuführung des wasserlöslichen Additivs zusätzlich ein öllösliches Additiv zur Ausbrandverbesserung zugeführt wird. Bei einem öllöslichen Additiv wird ein Öl als Trägerstoff verwendet. Die kombinierte Zugabe eines öllöslichen Additivs und eines wasserlöslichen Additivs brachte eine deutliche Abnahme des Rußgehalts im Abgas. Zweckmäßig ist es dabei, wenn das öllösliche Additiv die gleichen Wirkstoffe wie das wasserlösliche Additiv enthält.
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Bei einer kombinierten Zugabe von öllöslichen und wasserlöslichen Additiven zum Kraftstoff wird durch den Emulgator eine stabile Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion in der Kraftstoffleitung gebildet. Beim Eindüsen verdampft das Wasser spontan, und die Additivwirkstoffe werden fein verteilt, so dass die Verbrennung gleichmäßig unter Ausnutzung der Additivwirkstoffe erfolgt. Durch diesen Effekt kann die Staubemission deutlich reduziert werden.
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So konnte in einer mit Schweröl befeuerten stationären Kesselanlage bei einer Messung ohne Additive eine Rußzahl (gemäß DIN 51402 Teil 1) von 7 festgestellt werden. Bei dem Betrieb mit wasserlöslichem Additiv und 5,0 Gew.-% Wasser sank die Rußzahl auf 2-3. Bei der gleichzeitigen Zugabe von öllöslichen und wasserlöslichen Additiv und 5,0 Gew.-% Wasser sank die Rußzahl auf 1. Damit konnte der Staubemissionsgrenzwert eingehalten werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei welchem einem Kraftstoff kurz vor der Verbrennung ein wasserlösliches Additiv unter Bildung einer stabilen Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion zugeführt wird, können die geforderten Emissionsgrenzwerte eingehalten werden. Durch die Wirkstoffe im Additiv wird der Verbrennungsvorgang günstig beeinflusst. Durch den weiterhin beigegebenen Emulgator wird eine gleichmäßige Vermischung der Wirkstoffe im Kraftstoff erreicht, so dass diese gut wirksam werden können. Das in der Emulsion enthaltende Wasser wird bei der Verbrennung spontan verdampft, so dass eine große Reaktionsoberfläche für die Wirkstoffe bereitgestellt wird und die gewünschten Reaktionen bei der Verbrennung vollständig bei sparsamem Additivzusatz stattfinden können. Durch das weiterhin zugeführte öllösliche Additiv werden die Emissionen weiter unter die Grenzwerte gesenkt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer stabilen Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion in der Kraftstoffleitung eines Dieselmotors weist einen Vorratsbehälter für eine Wasser-Additivmischung und eine Dosierpumpe auf, die die Wasser-Additivmischung in der vorgegebenen Menge der Kraftstoffleitung zuführt. Die Menge der Wasser-Additivmischung wird lastabhängig zugeführt. Es ist hier vorgesehen, dass die Vorrichtung weiterhin einen statischen Mischer aufweist, der kurz vor der oder den Brennkammern des Dieselmotors auf der Niederdruckseite in der Kraftstoffleitung angeordnet ist und über welchen das wasserlösliche Additiv in die Kraftstoffleitung in Form des oben beschriebenen Additivkonzentrats oder der Wasser-Additivmischung im In-Line-Blending-Verfahren eingeleitet wird. Der statische Mischer kann in einfacher Weise vor dem Dieselmotor auf dessen Niederdruckseite auch nachträglich installiert werden.
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Vorzugsweise befindet sich der statische Mischer weniger als 20,0 m und insbesondere weniger als 10,0 m vor der Hochdruckpumpe des Dieselmotors in der Kraftstoffleitung. Solche statischer Mischer arbeiten ohne Druckverlust und sind als solche bekannt und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.
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Die Vorrichtung zur Ausbrandverbesserung benötigt daher wenig Einbauraum, und es sind keine aufwändigen Umbaumaßnahmen erforderlich. Es wird lediglich ein Vorratsbehälter mit beispielsweise 1.000 1 Fassungsvermögen benötigt, in dem die zuzuführende Wasser-Additivmischung bereitgehalten wird. Das Additiv selbst wird vorzugsweise in Form eines wasserlöslichen Additivkonzentrats in kleineren Gebinden, beispielsweise in 200-1-Fässern, bereitgestellt. Solche Fässer können problemlos an Bord eines Schiffs gebracht und dort gelagert werden. Die dem Kraftstoff tatsächlich zugeführte Additiv-Wassermischung wird erst an Bord hergestellt.
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Die Vorrichtung kann beim Betrieb des Dieselmotors in Abhängigkeit der Kraftstoffqualität unabhängig und individuell eingestellt werden. Bei sehr guten Kraftstoffqualitäten ist es möglich, keine oder nur wenige Additive zuzusetzen. Als nächste Stufe ist die Zuführung von Emulgator als Additiv und Wasser vorgesehen. Durch das Wasser wird bereits eine bessere Verbrennung erreicht. Es kann zusätzlich ein öllösliches Additiv zugeführt werden.
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Bei Kraftstoffen minderer Qualität können der Wasser-Emulgatormischung noch wasserlösliche verbrennungswirksame Additive zugesetzt werden, die als die oben beschriebene Wasser-Additivmischung dem Kraftstoff in der Kraftstoffleitung zuführt werden. Sofern die Zugabe der wasserlöslichen Additive nicht ausreicht, die Emissionen zu reduzieren, kann dann noch ein öllösliches Additiv zugesetzt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 das Anlagenschema einer Vorrichtung zum Herstellen einer Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion vor einem Dieselmotor und
- 2 das Anlagenschema einer anderen Vorrichtung zum Herstellen einer Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion vor einem Dieselmotor.
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung zum Herstellen einer stabilen Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion weist ein Gebinde 11 auf, in dem das wasserlösliche Additivkonzentrat bereitgestellt und bevorratet wird. Er kann als handelsübliches 200-1-Fass ausgebildet sein, das bei Bedarf einfach auszutauschen ist. Es ist eine Pumpe 12 vorgesehen, die Frischwasser aus einer Quelle 13 und das Additivkonzentrat 11 in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis in einen Vorratsbehälter 14 unter Bildung einer Wasser-Additivmischung fördert. Der Füllstand in dem Vorratsbehälter 14 wird durch bekannte und nicht gezeigte Maßnahmen erfasst, und die Nachfüllung erfolgt automatisch, so dass stets eine ausreichende Menge Wasser-Additivmischung vorrätig ist.
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Der Kraftstoff wird aus dem nicht gezeigten Tank über eine Förderpumpe 15 einem Dieselmotor 16 zugeführt. Es ist ein Regelventil 17 vorhanden, über das die zugeführte Menge Kraftstoff reguliert werden kann. Der zugeführte Kraftstoff wird durch eine Hochdruckpumpe 20 auf den erforderlichen Einspritzdruck gebracht und anschließend in den Brennraum des Dieselmotors 16 eingedüst.
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Zwischen dem Regelventil 17 und der Hochdruckpumpe 20 des Dieselmotors 16 ist in räumlicher Nähe zum Dieselmotor ein statischer Mischer 18 vorhanden, in dem der Kraftstoff mit der Wasser-Additivmischung aus dem Vorratsbehälter 14 vermischt wird. Die Wasser-Additivmischung enthält neben Wasser einen Emulgator, beispielsweise ein Tensid, und die Wirkstoffe Cer, Eisen, Kalzium und gegebenenfalls Magnesium und wird über eine Dosierpumpe 19 aus dem Vorratsbehälter 14 zum Mischer 18 gefördert. Hinter dem statischen Mischer 18 liegt eine stabile Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion vor, die der Hochdruckpumpe 20 des Dieselmotors 16 zugeführt wird. Durch die Zuführung der Wasser-Additivmischung auf der Niederdruckseite des Dieselmotors 16 wird die regelbare Zugabe des Additivs in der gewünschten Menge vereinfacht.
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Es ist weiterhin ein Durchflussmesser 21 in der Zuleitung 22 des Kraftstoffs in Strömungsrichtung hinter dem Regelventil 17 vorhanden. Die erfasste Menge zugeführten Kraftstoffs wird zur Regelung der zugeführten Menge der Wasser-Additivmischung herangezogen, wie es in der Zeichnung durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
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Außerdem ist eine Dosiereinrichtung für die Zuführung eines öllöslichen Additivs zum Kraftstoff vorgesehen. Es ist ein Gebinde 23 mit einem öllöslichen Additiv vorhanden, dass die gleichen Wirkstoffe wie das wasserlösliche Additiv in gleicher oder einer anderen Zusammensetzung aufweisen kann. Mit einer Dosierpumpe 24 wird das öllösliche Additiv durch eine In-Line-Blending-Dosierung 35 in die Kraftstoffleitung vor dem statischen Mischer 18 und vor dem Durchflussmesser 21 in den Kraftstoff gegeben. Das öllösliche Additiv vermischt sich aufgrund der Öllöslichkeit gut mit dem Kraftstoff. Auch hier wird die zugeführte Menge des öllöslichen Additivs über die durch den Durchflussmesser 21 erfasste Menge des Kraftstoffs eingestellt, wie es durch die gestrichelten Linien gezeigt ist.
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Bei der in 2 gezeigten Vorrichtung wird das wasserlösliche Additivkonzentrat ohne die vorherige Bildung und Bevorratung einer Wasser-Additivmischung in die Kraftstoffleitung eingeführt. Es sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen.
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Die Vorrichtung umfasst ein Gebinde 30 mit dem wasserlöslichen Additivkonzentrat. Das Additiv kann nur der Emulgator sein. Es ist eine Dosierpumpe 31 vorgesehen, die das Additivkonzentrat unmittelbar in die Wasserleitung zu dem ebenfalls der Verbrennung zugeführten Wasser fördert, um es dem Kraftstoff zuzuführen. Weiterhin ist ein Vorratsbehälter 33 für enthärtetes Wasser vorgesehen, das über eine Dosierpumpe 34 dem Kraftstoff über einen statischen Mischer 32 zugeführt wird. Der Füllstand wird über die Zuführung aus einer Wasserquelle 13 für enthärtetes Wasser auf einem vorgegebenen Niveau gehalten. Grundsätzlich kann das Wasser auch unmittelbar über einen Durchflussbegrenzer dem Kraftstoff zugeführt werden.
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Sowohl die Dosierpumpe 31 für das wasserlösliche Additivkonzentrat als auch die Dosierpumpe 34 für das Wasser können in Abhängigkeit von der Durchflussmenge des Kraftstoffs geregelt werden, wie es durch die gestrichelten Linie angedeutet ist. Bei dieser Vorrichtung werden das Wasser und das wasserlösliche Additivkonzentrat vor dem statischen Mischer 32 zusammengeführt. Es wird sich kontinuierlich eine Wasser-Additivmischung bilden, die anschließend dem Kraftstoff über den statischen Mischer 32 zugeführt wird. Es erfolgt eine gute Vermischung, und eine stabile Kraftstoff-Wasser-Additiv-Emulsion wird gebildet. Es kann auch vorgesehen werden, dass das Additivkonzentrat vor oder nach der Zugabe des Wassers zum Kraftstoff dem Kraftstoff zugeführt wird. Wegen des enthaltenden Emulgators wird sich das Wasser und der Kraftstoff unter Bildung einer Emulsion gut vermischen. Durch die gebildete Emulsion werden zudem die Kavitationseffekte beim Eindüsen des Kraftstoffs unter hohem Druck in den Brennraum des Dieselmotors vermieden oder zumindest reduziert.
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Durch das Vorhandensein der verschiedenen Dosiermöglichkeiten mittels der zwei Dosierpumpen 31, 34 für das wasserlösliche Additiv und der Dosierpumpe 24 für das öllösliche Additiv kann bei der in 2 gezeigten Vorrichtung die Verbrennung schnell und gezielt auf den jeweils gebunkerten Kraftstoff eingestellt werden, so dass die geforderten Emissionsgrenzwerte eingehalten werden können.
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Insgesamt kann durch diese Maßnahmen eine Reduzierung des Rußgehalts im Abgas des Dieselmotors und insbesondere eines Schiffsdieselmotors erreicht werden. Die hierfür erforderlichen Vorrichungen und Aggregate (statischer Mischer, Dosiereinrichtung, Vorratsbehälter) können in einfacher Weise auch nachträglich eingebaut werden, so dass auch ältere Schiffe umweltbewusst betrieben werden können.