Verfahren und Einrichtung zur Ausleitung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen von Schiffen in das Umgebungswas- ser der Schiffe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur, insbesondere ILeis- tungssteigernden, Ausleitung von Abgasen von Verbrennuncys- kraftmaschinen von Schiffen in das Umgebungswasser der Schif- fe.

Es ist bekannt, die Abgase von Verbrennungskraftmaschinen von Schiffen in das Umgebungswasser der Schiffe einzuleiten,- sei es, um einen sichtbaren Ausstoß der Abgase (eine Abgasfahne) zu verhindern oder um eine Austragsmöglichkeit mit Hilfe von vorhandenen Waterjets zu nutzen. Die Austragsmöglichkeit von Abgasen durch die Austrittsöffnung des Waterjetstrahls aus einem Schiffsrumpf ist beispielsweise aus der US-PS 4.979.917 bekannt. Nachteilig ist jedoch dabei, dass die Verbrennungs- kraftmaschine gegen den hydrostatischen Druck des Wassers als Gegendruck arbeiten muss, also einen Leistungsabfall hat. Dieser Leistungsabfall ist besonders groß, wenn es sich um aufgeladene Dieselmotoren handelt, deren Abgasturbinen sehr gegendruckempfindlich sind. Aus diesem Grund wird das Alogas einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine gemäß des Vor¬ schlags in der DE 103 14 057 B3 in den Schnorchelmast des U- Boots, in dem die aufgeladene Verbrennungskraftmaschine ange¬ ordnet ist, geleitet. Diese Lösung erfordert jedoch einen sehr großen apparativen Aufwand und erhöht den Leistungsbe- darf des U-Boots beim Schnorcheln, da der Schnorchelmast ent¬ sprechend voluminöser ausgeführt werden muss.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrich¬ tung anzugeben, mit der gegenüber den bisherigen Austragsver- fahren von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen aus Üloer- oder Unterwasserschiffen eine gegenüber dem Stand der Technik erhebliche Leistungssteigerung erreichbar ist. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Abgase in einer dafür bestimm¬ ten Einrichtung mit einem dem Umgebungswasser entnommenen Wasserstrom in einem Unterdruckfeld vermischt werden, wobei der Unterdruck des Unterdruckfeldes durch eine Querschnitts- Verminderung des Wasserstroms vor der Mischung erzeugt wird. Der Wasserstrom wird dabei einfach in einer Pumpe vor der Einrichtung erzeugt.

Durch die Kombination eines Unterdruckfeldes für das Abgas mit einem Mischer für Abgas und Wasser ergibt sich eine über¬ raschend mögliche Leistungssteigerung, die insbesondere bei U-Booten erheblich ist. Für Überwasserfahrzeuge ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit eines Ausbringens der Abgase re¬ lativ tief unter der Wasseroberfläche. So wird verhindert, dass die Abgase detektiert werden können, es entsteht also ein sogenanntes „signaturfreies" Ausbringen von Abgasen aus Schiffen, auch aus U-Booten.

Das „signaturfreie" Ausbringen von Abgasen aus U-Booten ist aus der DE 100 61 487 Cl bekannt. Hier ist jedoch eine erheb¬ liche Fremdenergie notwendig, um den statischen Druck des Um¬ gebungswassers des Schiffes zu überwinden oder es muss ein nicht unerheblicher Leistungsabfall in Kauf genommen werden. Zur Vermeidung sind, wie bereits erwähnt, lange Abgasrohre im oder am Schnorchelmast notwendig.

Das Ausbringen von Abgasen außerhalb eines Schiffskörpers un¬ ter Wasser ist an sich bekannt, so z.B. aus der WO 93/07053. Hier erfolgt aber keine Vermischung, sondern es entstehen zwei Mengenströme, die ungemischt parallel verlaufen, wobei die entsprechende Einrichtung nur relativ wenig unter Wasser liegen darf. Es sind auch weitere Unterwasser-Ausbringungs¬ einrichtungen für Abgase bekannt, so z.B. aus der JP- 2001/239995 A, die, wie viele ähnliche Lösungen, einen Ejek- tor für Abgase zeigt. Ein derartiger Ejektor benötigt eine erhebliche Fremdenergie und führt nicht zu der gewünschten Vermischung von Abgas und Wasser, da der hoch beschleunigte, dichte Wasserstrahl sich nicht mit dem coaxial zugeführten Gas mischt und nahezu unverändert in das Umgebungswasser des Schiffes eintritt, ohne das Gas wirklich zu fördern.

Die vorstehend geschilderten Nachteile werden durch das er¬ findungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung vermieden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorge- sehen, dass die Querschnittsverminderung des Wasserstroms derart erfolgt, dass ein beschleunigter Wasserström in Form eines Hohlzylinders gebildet wird und dass die Abgase in das Innere des Hohlzylinder-Wasserstroms eingeführt werden. So ergibt sich ein sicherer Fördereffekt für das Gas, der vor- teilhaft im Zusammenwirken mit der Auflösung der Ringstruktur des Wasserstroms in kurzer Entfernung hinter der Mischein¬ richtung zu einem Zweiphasengemisch Abgas/Wasser führt, das nicht mehr detektiert werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgase auch auf die Außenseite des Hohlzylinder-,, Wasserstroms geführt werden. Diese Ausbildung des Verfahrens ist besonders vorteilhaft, wenn es sich um sehr große Abgas¬ ströme handelt, also z.B. wenn die Verbrennungskraftmaschine eine Gasturbine ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hohlzylinder—Wasserstrom in eine rotierende Bewegung ver¬ setzt wird, z.B. durch Drallerzeugungsmittel, wie etwa Schau- fein, und dass auch das Abgas in eine, dem Hohlzylinder- Wasserstrom entgegengesetzt verlaufende, Rotationsbewegung versetzt wird, z.B. ebenfalls durch Drallerzeugungsmittel, wie Schaufeln. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, das ge¬ wünschte Zweiphasengemisch auf sehr kurzem Durchlaufweg durch ein Leitrohr an oder auf dem Schiff zu erzeugen. Darüber hin¬ aus wird eine besonders feine und gleichmäßige Verteilung des Abgases im Wasser erreicht, im Idealfall sogar ein homogenes Gemisch.

In Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass der Abgasstrom in die Form eines Hohlzylinders gebracht wird, z.B. durch einen Verdrängungskörper im Abgasstrom. So kann vorteilhaft erreicht werden, dass innerhalb der Mischeinrich¬ tung eine rückströmungsfreie Axialdurchströmung stattfindet, wie sie für die Mischung und Unterdruckerzeugung vorteilhaft ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abgas zur Volumenverringerung vor der Einführung in das Unterdruckfeld auf unter 100 Grad C gekühlt wird, z.B. durch Wassereinspritzung. Durch diese bei Marineschiffen an sich bekannte Maßnahme kann das Gasvolumen soweit vermindert wer¬ den, dass mit auf U-Booten üblichen Rohrdurchmessern für die Einrichtung gearbeitet werden kann, z.B. mit einem Außen¬ durchmesser von 250 mm. Gleichzeitig wird sehr vorteilhaft verhindert, dass sich ein schwierig zu beherrschendes Drei¬ phasengemisch, z.B. aus Abgas, Dampf und Wasser, bildet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abgas im Anschluss an die Mischung mit dem Wasserstrom und nach Passieren des Unterdruckfeldes eine Drucksteigerung erfährt, z.B. in einem erweiterten Abgasaustrittsrohr mit Diffusoreffekt. Hinter dem erfindungsgemäß verwendeten Ver¬ drängungskörper in der Einrichtung ergibt sich bereits ein erheblicher, meist ausreichend drucksteigernder, Diffusoref- fekt. Anforderungsgerecht kann dieser ggf. durch eine einfa¬ che Nacherweiterung des Gemisch-Austrittsrohres noch weiter gesteigert werden. Abgasaustrittstiefen über 5 m hinaus sind so erreichbar.

Zur Durchführung des Verfahrens zur Ausleitung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen von Schiffen in das Umgebungs¬ wasser der Schiffe ist eine Einrichtung vorgesehen, die als Abgas-Wasser-Mischer ausgebildet ist und eine Unterdruckkam¬ mer aufweist. So ist vorteilhaft die leistungssteigernde Ab¬ gasausleitung mit ihren weiteren Vorteilen durchführbar.

In Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass in Strömungsrichtung vor der Unterdruckkammer eine Leiteinrich¬ tung für das Wasser angeordnet ist, die einen ringförmigen Querschnitt aufweist, so dass sich ein Hohlzylinder- Wasserstrahl bildet. So entsteht die Ausbildung eines Wasser- Strahls, die eine besonders günstige Einarbeitung des Abgases in den Wasserstrahl ermöglicht. So ist der Austrag des Abga¬ ses sicher möglich und es wird verhindert, dass Wasser und Gas ungemischt in das Umgebungswasser ausgetragen werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Strömungsrichtung vor der Unterdruckkammer eine Leitein¬ richtung für das Abgas angeordnet ist, die einen ringförmigen Querschnitt aufweist, so dass auch das Abgas in Form eines Hohlzylinders ausströmt. So entstehen sehr vorteilhaft zwei Mengenströme mit großen Oberflächen, die trotz großer Dichte— unterschiede der beiden Medien vermischt ausgetragen werden..,.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leiteinrichtung für das Wasser Leitelemente, insbesondere Schaufeln in Cycloidenform, aufweist, mit denen das Wasser in eine rotierende Bewegung versetzbar ist. So wird widerstands¬ arm eine vorteilhafte Rotationsbewegung des Wassers erreicht, die, wenn der Abgasstrom durch entsprechende Leitelemente, also insbesondere auch Schaufeln in Cycloidenform, in eine Gegendrehbewegung versetzt wird, die Mischung der beiden Men¬ genströme entscheidend verbessert und kurz hinter der Leit¬ einrichtung einen homogenen Abgas—Wasserstrom bildet.

Der dem Umgebungswasser entnommene Wasserstrom wird wahlweise durch eine Radialpumpe oder durch eine Axialpumpe erzeugt. Eine Radialpumpe ist dann angebracht, wenn die Pumpe z.B. auf dem freien Wellenende eines Dieselmotors angeordnet wird, da so, insbesondere vorteilhaft für U-Boote, eine besonders platzsparende Einrichtung entsteht. Eine Axialpumpe kann vor¬ teilhaft verwendet werden, wenn zusätzliche Leitelemente vor¬ gesehen sind, die die Bewegung des Schiffes durch das Wasser ausnutzen und einen Teilstrom entnehmen, der bereits auf Schiffsgeschwindigkeit beschleunigt ist. Außerdem kann eine derartige Axialpumpe unmittelbar vor der Mischeinrichtung an¬ geordnet werden, so dass ein nicht umgelenkter Wasserstrom in die Mischeinrichtung eintritt. Auch die Rotationsbewegung der Axialpumpe kann zur Drallerzeugung genutzt werden, der In¬ stallationsaufwand ist jedoch höher als bei der Anordnung ei¬ ner Radialpumpe auf dem freien Wellenende z.B. eines Diesel¬ motors.

Als Antriebsleistung der Pumpe für den Wasserstrom reichen in der Regel 20 — 30 KW aus, damit kann für einen Dieselmotor von mehr als 1000 KW bei 5 m Wassertiefe ein Abgasaustritt bei Normaldruck erreicht werden. Die Leistungssteigerung be¬ trägt für diesen Motor aber einige 100 KW.

Als Axialpumpe kommt eine Pumpe mit zentraler Welle, aber auch ein Außenläufer in Frage. Dies ist den jeweiligen Platz¬ verhältnissen am Schiff anzupassen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mischeinrichtung einen inneren Ver— drängungskörper für das zuströmende Gas aufweist. So erhält auch der Gasstrom vorteilhaft eine hohlzylinderförmige Aus¬ führung und gleichzeitig wird ein Zurückströmen des in der Mischeinrichtung gebildeten Gas/Wassergemisches in die Leit¬ elemente für den Wasserstrom und den Gasstrom verhindert. So ergibt sich ein vorteilhaft sicheres Arbeiten sowohl bei der Erzeugung des Unterdrucks als auch bei der Mischung.

Die Gas- und Wasserstromeinführung in die Einrichtung erfolgt vorteilhaft über Koaxialrohre für Gas und Wasser, mit denen die Ringform für den Gas- und den Wasserstrom bereits vorge- bildet wird. So ergeben sich besonders günstige Strömungsver- iiältnisse in der Mischeinrichtung.

Durch eine Kühleinrichtung für das Abgas wird dessen Volumen erheblich herabgesetzt, so dass die erfindungsgemäße Einrich¬ tung relativ klein baut und z.B. einen Außendurchmesser von 250 mm aufweisen kann. So wird insbesondere den Platzanforde- rungen eines U-Boots Rechnung getragen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist Steuer- und regelbare A_bsperrmittel mit Kontrolleinrichtungen auf, die vorteilhaft insbesondere mit dem Schiffs- oder mit dem Motorleitsystem verbunden sind. So kann sowohl eine zuverlässige Verriege- 1/ungsSchaltung für die Absperrmittel gebildet werden als auch der Anfahrdynamik der Verbrennungskraftmaschinen und der Mischeinrichtung und Auslassvorrichtung Rechnung getragen werden. Zusätzlich sind noch Rückschlagklappen, insbesondere mit einer Stellungsüberwachung, vorgesehen, so dass insgesamt die gleiche Sicherheit für ein U—Boot oder ein Überwasser- schiff erreichbar ist, die ohne die Verwendung der Einrich¬ tung vorliegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Ein¬ richtung ist vorteilhaft sowohl für eine Verwendung für U- Boote in Schnorchelfahrt als auch für Überwasserschiffe mit im Schiff verteilten Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für im Schiff verteilten Verbrennungskraftmaschinen— Generatorsätze, vorgesehen. Die Einrichtung wird bei Verwen¬ dung auf U-Booten vorteilhaft auf dem Achterschiff im Nach- ström des Turms oder des Turmunterbaus angeordnet und kann ■wahlweise in die Außenhülle des U-Boots integriert werden o- der aus dieser heraus bewegbar ausgebildet sein. Bei einer Anordnung auf dem Achterschiff im Nachstrom des Turms oder des Turmunterbaus ergibt sich besonders vorteilhaft, dass die Einrichtung keinen zusätzlichen Widerstand erzeugt und sogar in einem Bereich des U-Boots eingesetzt wird, in dem eine turbulente Strömung herrscht, die die Einleitung des gebilde¬ ten Zweiphasengemisches in das Umgebungswasser begünstigt.

Bei einer Verwendung für Überwasserschiffe ist es besonders vorteilhaft, wenn die Einrichtungen jeweils mit den dafür vorgesehenen Verbrennungskraftmaschinen in unterschiedlichen Schiffssicherheitsbereichen angeordnet sind. Dann ergibt sich nicht nur für die Überwasserschiffe, z.B. für Korvetten oder Fregatten, eine Signaturunterdrückung in Bezug auf das Abgas, sondern auch eine Sicherheit, die der Sicherheit von z.B. BrennstoffZeilensystemen, die an unterschiedlicher Stelle im Schiff angeordnet sind, entspricht. Es ist also eine Aus¬ tauschbarkeit möglich. Für Überwasserschiffe ist dabei beson¬ ders vorteilhaft, unter Umständen auch für Unterwasserschif- fe, wenn die sonstigen im Schiff erzeugten Abgase, z.B. die Abluft einer Klimaanlage oder die Reformerabluft von Brenn¬ stoffzellenanlagen dem Abgas der Verbrennungskraftmaschinen zugemischt werden. Dies ist vorteilhaft möglich, da die Abga¬ se ja mit Unterdruck ausgeführt werden, also keine Fremdener- gie zur Kompression der Abgase zur Ausleitung in das Umge¬ bungswasser notwendig ist.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, weitere erfin- derische Einzelheiten entnehmbar sind.

Im einzelnen zeigen: FIGUR 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Abgas¬ misch- und Unterdruckeinrichtung, FIGUR 2 eine 3D-DarStellung der Mischschaufeln mit dem mitt¬ leren Verdrängungskörper von der Austrittsseite aus gesehen und FIGUR 3 die Geschwindigkeitsverteilung der beiden Mengenströ¬ me in der Einrichtung auf berechneter Basis.

In FIGUR 1 bezeichnet 1 das Gehäuserohr der Abgasausleitungs- einrichtung, das gleichzeitig das Einleitungsrohr für das Misch- und Unterdruckerzeugungswasser ist. 2 bezeichnet das Gasrohr sowie 3 den erfindungswesentlich vorteilhaften, mit¬ tigen Verdrängungskörper für Gas und Wasser. Um den Verdrän¬ gungskörper 3 bildet sich das erfindungsgemäße Unterdruckge- biet auf der Außenseite der Aufweitung 4. Zur Dralleinleitung in den Wasser- und in den Gasstrom sind Leitelemente 5 und 6 vorgesehen, die gleichzeitig eine Halterung für den Verdrän¬ gungskörper 3 und den aufgeweiteten Wasserkanal 4 bilden kön¬ nen. Das der Misch- und Unterdruckerzeugungseinrichtung zuge— führte Wasser ist durch die Pfeile 7 symbolisiert und das Gas durch den Pfeil 8. Das gebildete Zweiphasengemisch ist durch den Doppelpfeil 9 symbolisiert.

Ganz wesentlich für die vorteilhafte Funktion der Misch- und Unterdruckerzeugungseinrichtung sind die geometrischen Ver¬ hältnisse, d.h. die Rohrdurchmesser und Rohrabschnittslängen in der Einrichtung. Aus diesem Grund sind die Einzellängen und die Hauptdurchmesser in FIGUR 1 eingetragen. Die Abmes¬ sungen in FIGUR 1 haben die Verhältnisse:

DA = 1,5 - 2,0 D4 Ll = 3 - 4,5 D4 L2 = 0,6 - 0,8 D4 L3 = 0,8 - 1,2 D4 L4 = 0,6 - 1,0 D4 L5 = 1,3 - 1,7 D4 L6 = 1,5 - 3,5 D4 Dl = 1,2 - 1,5 D4 D2 = 0,2 - 0,3 D4 D3 = 0,2 - 0,3 D4 D4 ist der Durchmesser des Abgasrohrs

Die in der Tabelle aufgeführten Verhältnisse sind für ein Ab- gasrohr von 250 mm Durchmesser berechnet, in dem die Abgase eines typischen, aufgeladenen U-Boot-Diesels in das Umge¬ bungswasser abgeleitet werden. Als typischer Diesel wird ein aufgeladener Diesel mit Abgasturboladern und einer Leistung von 1300 KW angesehen. Die Abgaseinlasstemperatur in die Ein¬ richtung ist nach ihrer erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlung 90 Grad C. Bei einer Einleitung des Zweiphasengemisches Gas/Wasser ist bei einer Anordnung der Einrichtung im Nach- ström des U-Boot—Turms oder einer ähnlichen Einrichtung an Bord des U-Boots keine zusätzliche Maßnahme zum guten Über¬ gang des Zweiphasengemisches in das Umgebungswasser notwen¬ dig.

Bei einem Einbau an anderer Stelle des U-Boots oder bei einem Einbau in Unterwasserausstoßanlagen von Überwasserschiffen kann noch ein zusätzliches Leitelement zur Erzeugung eines Wasserstroms mit entsprechendem Sog günstig sein.

In FIGUR 2 bezeichnet 10 den mittigen Verdrängungskörper und 11 die Drallerzeugungselemente, hier Cycloidalschaufeln, für die Drallerzeugung des Wassers und 12 die weiter innen lie¬ genden Drallerzeugungselemente, auch hier Cycloidalschaufeln, für das Gas. Die Schaufelform ist dabei so gewählt, dass sich ein nur geringer Axialwiderstand ergibt. Der nach hinten ver¬ längerte Verdrängungskörper 10 verhindert eine Rückströmung des Gases und. des Wassers in den Bereich der Drallerzeugungs¬ elemente und sorgt für eine sichere Funktion der Unterdruck— Mischeinrichtung. Anstelle der Cycloidalform können auch an- dere Schaufelformen wählbar sein. Dies hängt vom Misch/Wider¬ standsverhältnis ab, das erreicht werden soll.

Aus FIGUR 3 sind die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der beiden Medien Gas und Wasser in der Ausleitungseinrichtung zu ersehen, wobei die Grautönung die unterschiedlichen Geschwin¬ digkeiten wiedergibt. Im dunklen Bereich 13 ist die Geschwin¬ digkeit des Wassers am geringsten und erhöht sich im Bereich 14, ersichtlich aus dem helleren Grau, bis es schließlich im Bereich 15 zu einem Geschwindigkeitsabfall mit Drucksteige- rung kommt. Das einströmende Gas weist im hellen Bereich 16 seine übliche „Auspuff"—Geschwindigkeit auf und wird am Ver— drängungskörper ebenfalls hoch beschleunigt. Schließlich er- gibt sich im Bereich 18, dem Ausströmbereich aus der Einrich¬ tung, eine relative Angleichung mit einer besonders langsamen Strömung im Abströmbereich des Verdrängungskörpers. In diesem Bereich 15, 18 erfolgt durch Drall eine gute Vermischung, so dass die bei Ejektoren oder Waterjets auftretende Stabilität des Wasserstroms mit Sicherheit nicht gegeben ist. Es ergibt sich vielmehr ein echtes Zweiphasengemisch mit einem Unter¬ druck für das ausströmende Gas im Bereich 17, durch den die erfindungsgemäß gewünschte Leistungssteigerung von aufgelade- nen Dieselmotoren eintritt. 19 bezeichnet den Diffusorbe- reich, in dem ggf. der Rohrdurchmesser noch vergrößert wird.

Die in den Darstellungen und aus der Tabelle zu FIGUR 1 dar¬ gestellten Verhältnisse sind über einen weiten Leistungsbe- reich von Verbrennungskraftmaschinen anwendbar. Der als Be¬ rechnungsgrundlage dienende 1300 KW-Diesel stellt in etwa die Mitte des Anwendungsbereichs dar. Es sind sowohl deutlich größere aufgeladene Dieselmotore als auch kleinere Dieselmo- tore mit den gleichen Verhältnissen der erfindungsgemäßen Einrichtung betreibbar. Nach unten ist den Leistungen der entsprechenden Verbrennungskraftmaschinen keine Grenze ge¬ setzt. Auch Gasturbinenabgase können ähnlich unter Wasser bei Leistungssteigerung ausgetragen werden.