AT15363U1 - Brennverfahren und Brennstoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine zum Verbrennen von flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen, die Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten, wobei in einem Brennraum der Brennkraftmaschine ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, wobei das Brennverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das unverbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch diskrete Zündkeime umfasst, die als eine Dispersion im Kraftstoff-Luft- Gemisch vorliegen, wobei die Zündkeime einen Massenanteil von weniger als 1% des unverbrannten Kraftstoffs aufweisen und im Kraftstoff und in Luft bis 400 K thermisch stabil sind und wobei deren Zerfallsreaktion in Luft bei Temperaturen bis höchstens 700 K initiiert wird, und wobei die Zündkeime durch die Restgasverdichtung der Startverbrennung aktiviert werden. Die Erfindung betrifft ferner einen Kraftstoff zur Verwendung in einem solchen Brennverfahren.

Description

Beschreibung

BRENNVERFAHREN UND BRENNSTOFF

[0001] Die Erfindung betrifft ein Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine zum Verbrennen von flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen, die Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten, wobei in einem Brennraum der Brennkraftmaschine ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird.

[0002] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftstoff zur Verwendung in einem solchen Brennverfahren.

[0003] Die Zündfälligkeit von Kraftstoffen, die in Brennkraftmaschinen verbrannt werden, kann durch die Zugabe von Additiven gezielt beeinflusst werden.

[0004] Bei ottomotorischen Kraftstoffen werden hierzu Stoffe verwendet, die das Selbstzün-dungsverhalten global verzögern. Der ottomotorische Verbrennungsvorgang wird im Brennraum durch Fremdzündung des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches ausgelöst. Der Verbrennungsvorgang startet dabei in unmittelbarer Nähe einer Zündkerze oder einer alternativen Zündquelle, die vorzugsweise im Zentrum des Brennraums angeordnet ist. Durch die Zündquelle wird eine Flammenfront erzeugt, welche sich im angestiebten Fall der regulären Verbrennung durch Transportprozesse über den Brennraum ausbreitet. Die Ausbildung von mehreren zeitgleichen Flammenfronten in Teilbereichen des Brennraums kann durch Mehrfachzündquellensysteme erreicht werden. Wesentliche Limitierung bei der Umsetzung von Mehrquellenzündsystemen sind geometrische Restriktionen und der resultierende Aufwand, weshalb derartige Systeme nur für wenige Anwendungen mit einer geringen Anzahl an Zündquellen umgesetzt worden sind. Eine wesentliche Limitierung bei der Realisierung einer ottomotorischen Verbrennung besteht im Umstand, dass im Bereich der unverbrannten Ladung der Brennstoff mit der ihn umgebenden Luft als zündfähiges Gemisch vorliegt und durch die Kurbeltriebsbewegung in Verbindung mit der temperaturerhöhenden Wirkung der sich ausbreitenden Flammenfront (=Restgasver-dichtung) die thermische Stabilitätsgrenze des Kraftstoffes überschritten wird und die Selbstzündung der unverbrannten Ladung eingeleitet wird. Die dabei ablaufende Kinetik kann über den Zündverzug beschrieben werden. Bei Betriebsbedingungen wo die Flammenfront nicht die gesamte unverbrannte Ladung innerhalb Zündverzuges durchläuft, kommt es zur praktisch zeitgleichen Selbstzündung der noch unverbrannten Restladung. Dieses Phänomen wird in gängiger Weise als „Klopfen" bezeichnet Die Intensität des Klopfens ist direkt abhängig von der Masse der unverbrannten Restladung. Als unmittelbare Folge des vergleichsweise sehr raschen Energieumsatzes kann es zur Ausbildung von Stoßwellen und damit verbunden lokal zum Verschwinden von Wandgrenzschichten und in weiterer Folge zu stark überhöhten Wandwärmeströmen kommen. Dies führt somit zu erheblichen mechanischen und thermischen Zusatzbelastungen der den Brennraum umgebenden Bauteile und resultiert in vorzeitigen Schädigungen von diesen.

[0005] Eine gängige Methode zur Erkennung von klopfender Verbrennung besteht im Einsatz von Klopfsensoren welche den Körperschall im Motorblock erfassen. Die für eine klopfende Verbrennung charakteristischen Signalsignaturen werden von den dazu gehörigen Signalauswerteeinheiten aufbereitet und der Klopfregelung der Motorsteuerung zur Verfügung gestellt.

[0006] Zur Vermeidung einer klopfenden Verbrennung stehen neben zahlreichen Maßnahmen während der Auslegung und Entwicklung dann im Betrieb noch folgende Möglichkeiten zur Verfügung, welche kombiniert eingesetzt werden (können): [0007] - Steigerung der Klopffestigkeit des Kraftstoffes durch spezifische Formulierung und

Additive. Nachteilig sind unter anderem: Mehlkosten, ökologische Aspekte, geringere Verfügbarkeit und geringere Heizwerte dieser Kraftstoffe. Eine Charakterisierung der Klopffestigkeit der Kraftstoffe erfolgt über die Oktanzahl oder die Methanzahl.

[0008] - „Spätverstellung der Zündung", um in weiterer Folge mit der Expansionsbewegung des Kolbens der verbrennungsinduzierten Restgasverdichtung der Ladung entgegen zu wirken, Nachteilig sind unter anderem: Wirkungsgradeinbußen, verschleppte Verbrennungen und daraus resultierende höhere Emissionen an teilverbrannten Kohlenwasserstoffen und erhöhte Abgastemperaturen. Zur Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen hinsichtlich Emissionsstabilität ist diese Wirkungskette bereits in der Auslegung und Entwicklung zu berücksichtigen und führt in der Regel zu Mehraufwendungen in der Entwicklung, im Aggregat und im Betrieb.

[0009] Bei dieselmotorischen Verbrennungen (sowohl nach dem klassischen Verfahren als auch gemäß sogenannten alternativen Verfahren) werden durch die Kraftstoffeinbringung in den Brennraum sowie die nachfolgende Aufbereitung und Mischung mit der dort befindlichen Luft lokal (teil-) vorgemischte Kraftstoff-Luft-Gemische erzeugt und diese soweit erhitzt, dass nach Ablauf der vorwiegend endotherm verlaufenden Kraftstoffzerfallsreaktionen während der Zündverzugszeit diese dann durch Selbstzündung verbreimen. Die Stabilität und Effizienz des Brennverfahrens wird dabei stark von der Selbstzündwilligkeit des Gemisches kontrolliert, Aus diesem Grund wird die Selbstzündungswilligkeit von dieselmotorischen Kraftstoffen über die Bestimmung der Cetanzahl charakterisiert.

[0010] Kraftstoffe mit niedriger Cetanzahl weisen daher erhöhte Zündverzüge auf, wodurch im Zuge der Gemischbildung erhöhte Mengen an teilvorgemischtem Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt werden, welche dann in weiterer Folge sehr rasch umgesetzt werden, was sich in hohen Druckgradienten, hohen Spitzendrücken und hohem Verbrennungsgeräusch äußert.

[0011] In konventioneller Weise können diese negativen Auswirkungen durch sogenannte Voreinspritzungen abgemildert werden. Eine Erkennung der tatsächlichen Kraftzündfähigkeit und adaptiven Anpassung der Einspritzung ist nicht gebräuchlich. Stattdessen werden in der Entwicklung entsprechende marktspezifische bzw. länderspezifische Kalibrierungsvarianten erstellt. Dies erhöht den Entwicklungsaufwand der Aggregate und den Aufwand bzw. Wirkungsgrad in der Umsetzung von fossilen oder regenerierbaren Primärkraftstoffen in kundenfähige Kraftstoffe.

[0012] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die oben beschriebenen Empfindlichkeiten der Brennverfahren in Bezug auf die Kraftstoffqualität zu mindern und einen hohen Wirkungsgrad in der Umsetzung der Verbrennungsenergie in mechanische Energie zu erreichen, indem ein alternatives Brennverfahren sowie ein Kraftstoff zur Verwendung in diesem Verfahren bereitgestellt werden.

[0013] Diese Aufgabe wird durch ein eingangs genanntes Brennverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das unverbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch diskrete Zündkeime umfasst, die als eine Dispersion im Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegen , wobei die Zündkeime einen Massenanteil von weniger als 1% des unverbrannten Kraftstoffs aufweisen und im Kraftstoff und in Luft bis 400 K thermisch stabil sind und wobei deren Zerfallsreaktion in Luft bei Temperaturen bis höchstens 700 K initiiert wird, und wobei die Zündkeime durch die Restgasverdichtung der Startverbrennung aktiviert werden.

[0014] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Kraftstoff zur Verwendung in einem Brennverfahren gemäß der Erfindung, wobei der Kraftstoff erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass er flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen und diskrete Zündkeime umfasst, wobei die Zündkeime im Kraftstoff dispergiert sind, wobei die Zündkeime einen Massenanteil von weniger als 1% des Kraftstoffs aufweisen, wobei die Zündkeime im Kraftstoff und in Luft bis 400 K thermisch stabil sind und wobei deren Zerfallsreaktion in Luft bei Temperaturen bis höchstens 700 K initiierbar ist. Flüssige Kraftstoffe mit darin dispergierten Zündkeimen werden hierin auch als Suspensionen bezeichnet, gasförmige Kraftstoffe mit darin dispergierten Zündkeimen als Aerosole.

[0015] Durch das Vorhandensein von Zündkeimen, die im Kraftstoff-Luft-Gemisch dispergiert sind, können bei ottomotorischen Brennverfahren im Brennraum zusätzliche Selbstzündungs herde geschaffen werden, die gleichmäßig über das Volumen der Ladung verteilt sind, Infolgedessen kann sich eine Vielzahl an zusätzlichen Flammenfronten in lokalisierter Form ausbilden, die eine konzentrierte Wärmefreisetzung bewirken. Dadurch wird einerseits der gesamte Verbrennungsfortschritt wesentlich beschleunigt und andererseits die Intensität einer unkontrollierten Selbstzündung der nach der Startverbrennung verbleibenden Restladung erheblich reduziert. Die Erfindung ermöglicht somit den Einsatz verschiedener Kraftstoffqualitäten bei einem hohen Wirkungsgrad der Gleichraumverbrennung, wobei auch das Problem des Klopfens minimiert oder sogar beseitigt werden kann. Aufgrund der beschleunigten Verbrennung kann zudem die Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas reduziert und eine hohe Emissionsstabilität erreicht werden.

[0016] Das Vorhandensein von im Kraftstoff-Luft-Gemisch dispergierten Zündkeimen bei dieselmotorischen Brennverfahren und anderen vorwiegend diffusiven Brennverfahren ermöglicht es, Kraftstoffqualitäten einzusetzen, welche kein ausreichendes Selbstzündungsverhalten aufweisen. Somit wird es dank der Erfindung möglich, eine höhere Bandbreite an Kraftstoffen auch für diese Brennverfahren einzusetzen.

[0017] Erfindungsgemäß kommen in Brennverfahren für Brennkraftmaschinen folglich flüssige oder gasförmige Kraftstoffe auf Kohlenwasserstoffbasis bzw. die entsprechenden Kraftstoff-Luft-Gemische zum Einsatz, die geringe Mengen an stabilen fein verteilten Zündkeimen umfassen, die im Brennraum der Brennkraftmaschine durch die dort herrschenden Bedingungen aktiviert werden. Der Begriff „Zündkeim" bezieht sich dabei auf Komponenten, welche über den Kraftstoff oder den Luftpfad dem Brennraum zugeführt werden können und deren Kinetik zu einer Selbstentzündung bei Temperaturen, welche deutlich unterhalb von jenen des sie umgebenden Kohlenwasserstoffgemisches liegen, führt. Der Begriff impliziert im Weiteren das Vorliegen der Komponente in konzentrierter Form im Brennraum in einer Mindestgröße bzw. in einer Mindestgrößenverteilung, sodass die hervor gerufenen Wärmefreisetzungen zu ausreichenden lokalen Temperaturerhöhungen und in weiterer Folge zur Ausbildung von Flammenfronten im die Zündkeime umgebenden Luft-Kraftstoff-Gemisch führen. Der nötige Sauerstoff für die exotherme Reaktion der Zündkeime kann dabei wahlweise in der Komponente selbst chemisch gebunden vorliegen, oder aus der den Zündkeim umgebenden Luft stammen.

[0018] Da die Zündkeime im Kraftstoff dispergiert sowie nicht oder kaum darin gelöst sind und daher nicht homogen mit den Kohlenwasserstoffverbindungen gemischt sind, können sich im Ladungsvolumen lokale, voneinander beabstandete Selbstzündungsherde ausbilden. Beispielsweise führt die Zugabe von Wasserstoff H2 zu Erdgas zu einer homogenen Mischung und nicht zur Ausbildung von diskreten Zündkeimen, wodurch es nur zu einer Beschleunigung der laminaren Brenngeschwindigkeit und zu einer Reduktion der Klopffestigkeit der Gesamtladung kommt.

[0019] Die Zündkeime müssen einen bestimmten Energiegehalt aufweisen, so dass es zu einer konzentrierten Wärmefreisetzung kommen kann. Durch die Restgasverdichtung der Startverbrennung erhöht sich die Temperatur der unverbrannten Ladung, wodurch der Energiefreisetzungsbedarf signifikant abnimmt. Die Startverbrennung muss typischerweise eine Energiefreisetzung von ca. 10 mJ (Millijoule) aufweisen, um Aussetzer zu vermeiden. Die Zündkeime weisen vorzugsweise einen Energiegehalt pro Zündkeim auf, der weniger als 50% der Zündfunkenenergie der Startverbrennung beträgt. Der Mindestenergiegehalt der Zündkeime beträgt vorzugsweise zumindest 100 pJ (Mikrojoule) und der maximale Energiegehalt der Zündkeime liegt vorzugsweise bei höchstens 1 mJ (Millijoule). Im Zuge der Zersetzung der Zündkeime und der dadurch bedingten Wärmefreisetzung wird die vorgemischte Ladung in der unmittelbaren Umgebung der Zündkeime entzündet. Der entstandene Flammenkern wächst hernach zu einer Flammenfront heran, mit einer verbrannten Zone, einer Reaktionszone und einer unverbrannten Zone, wobei in der verbrannten Zone dann eine adiabate Flammentemperatur erreicht wird. Es liegt im Ermessen und Können eines Fachmanns, in Abhängigkeit der zu verbrennenden Kohlenwasserstoffe, der Brennraumdimension bzw. Brennraumgeometrie und des Anwendungsgebiets des Brennverfahrens, entsprechend geeignete Zündkeime auszuwählen.

[0020] Der Energiegehalt kann bei auf Feststoffen basierenden Zündkeimen, z.B. bei festen Explosivstoffen, über die Partikelgröße eingestellt werden. Bei flüssigen Zündkeimen, wie bei den unten beschriebenen ionischen Fluiden, ist es möglich, durch Auswahl der entsprechenden Anionen und Kationen die Oberflächenspannung so anzupassen, dass die Tröpfchengröße gezielt eingestellt werden kann, [0021] Die Zündkeime weisen zweckmäßigerweise eine Größe auf, die einen Transport im gesamten hydraulischen System der Brennkraftmaschine ermöglicht. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen sie charakteristischenweise einen Durchmesser von 5 pm bis 30 pm (Mikrometer) auf.

[0022] Feiner ist es von Vorteil, wenn die Zündkeime nach Einleitung der Zerfallsreaktion die gebundene Energie innerhalb von 2 ms (Millisekunden) freisetzen. Auf diese Weise erfolgt die Wärmefreisetzung ausreichend rasch, da ansonsten aufgrund der Diffusions- und Wärmeleitvorgänge die umgebenden Kohlenwasserstoffe nicht gezündet werden. Beispielsweise haben sich Zündkeime, die Ammoniumnitrat umfassen, als besonders geeignet herausgestellt.

[0023] Die Zündkeime liegen erfindungsgemäß in sehr geringer Menge im Kraftstoff vor, bzw. werden diese alternativ über den Luftpfad in den Brennraum eingebracht und weisen einen Massenanteil von weniger als 1%, vorzugweise weniger als 100ppm (engl, parts per million), der zugeführten Kraftstoffmasse auf. Die Zündkeime stellen daher einen Nebenbestandteil des Kraftstoff-Luft-Gemisches dar.

[0024] Die Anzahldichte der Zündkeime beträgt vorzugsweise mindestens 15 pro zu zündender unverbrannter Restladung. Bei einer zu geringen Anzahl an durch die Zündkeime gebildeten zusätzlichen Flammenfronten besteht das Risiko, dass deren Wirksamkeit im Sinne der Beschleunigung des Gesamtwärmeumsatzes zu gering ist.

[0025] Erfindungsgemäß sind die Zündkeime in Kraftstoff und in Luft bis zu 400 K (126,9^) thermisch stabil. Damit wird sichergestellt, dass die Zerfallsreaktion der Zündkeime erst nach Einbringung in den Brennraum und nach der Startverbrennung initiiert wird und nicht schon während der Lagerung, der Zuführung oder dem Dispergieren der Zündkeime startet. Oberhalb dieser thermischen Stabilitätsgrenze können beispielsweise reaktive Radikale gebildet oder Radikalbildner freigesetzt weiden, z.B. Wasserstoff H2. Für Anwendungsfälle mit geringem Vorentflammungsrisiko (z.B. im Rennsport) werden Zündkeime zum Einsatz kommen, die eine geringere titermische Stabilität, die z.B. bei ungefähr 400 K liegen kann, aufweisen. Für andere Anwendungen, z.B. Gasmotoren, sind Zündkeime mit deutlich höherer thermischer Stabilität zweckmäßig. Beispielsweise kann für Zündkeime aus der Klasse der Explosivstoffe die Verpuffungstemperatur zur Charakterisierung der thermischen Stabilität herangezogen werden.

[0026] Erfindungsgemäß wird die Zerfallsreaktion der Zündkeime in Luft bei Temperaturen bis höchstens 700 K initiiert. Dadurch wird ein ausreichender Abstand zum Zündverzug des Kraftstoffs gewährleistet, so dass den sich ausbildenden Flammen fronten genügend Zeit bleibt, tun zu wachsen.

[0027] In der beiliegenden Fig. 1 sind die Zündverzugszeiten in Millisekunden von Gemischen aus Kohlenwasserstoff-Kraftstoff und unterschiedlichen Anteilen von verdunstetem Motoröl über der dimensionslosen Temperaturfunktion 1000 (in K, Kelvin)/Temperatur T (in K, Kelvin) bzw. der Temperatur (in K, Kelvin) dargestellt. Mit Zunahme der Temperatur ist eine sehr rasche Abnahme der Zündverzugszeit zu beobachten, wobei sieh im Bereich von rund 700 K bis etwa 800 K ein für Kohlenwasserstoffverbindungen typisches Plateau ausbildet. In der Fig. 1 ist erkennbar, dass besonders der „linke Ast" des S-förmigen Kurvenverlaufs für die praktische Anwendung von großer Relevanz ist. Der links im Diagramm eingezeichnete Pfeil 1 markiert den typischen Temperaturbereich, bei welchem bei Dieselmotoren die Selbstzündung erfolgt. Der rechts im Diagramm eingezeichnete Pfeil 2 markiert typische Fremdzündungsbedingungen von Ottomotoren. Dieser Darstellung überlagert ist nun der Bereich 3 (als gestricheltes Rechteck 3 dargestellt) der erfindungsgemäß als für Zündkeime als geeignet eingestuften Substanzen. Ihre Zündverzugscharakteristik soll im Vergleich zum Zündverzugsverhalten von Kohlen-

Wasserstoffverbindungen zu deutlich niedrigeren Temperaturen verschoben sein, vorzugsweise um ca. 200 K.

[0028] Fig. 2 zeigt die Zündverzugszeit in Mikrosekunden (ps) („linker Ast"; vgl. Fig. 1) verschiedener in Kraftstoffen enthaltenen Kohlenwasserstoffverbindungen (CH4, C2H5OH, C2H6, C5H6, C4H10, n-C7Hi6) in Abhängigkeit der Temperaturfunktion 1000/T (in Kelvin). Der Bereich 4 für als Zündkeime geeignete Substanzen ist darin als gestrichelter Bereich eingezeichnet. Aus der Darstellung erkennt man, dass sich die bekannten Unterschiede in der Klopffestigkeit von Köhlenwasserstoffverbindungen auch zu einem signifikanten Unterschied im Zusammenhang von Zündverzugszeit und Temperaturfunktion führen. Dies hat zur Folge, dass in Abhängigkeit der Kraftstoffzusammensetzung (und spezifischer Motorkennparameter wie effektives Verdichtungsverhältnis und Motordrehzahl) sich unterschiedliche Stoffe als besonders geeignet erweisen.

[0029] Der Begriff „Brennkraftmaschine" wie hierin verwendet bezieht sich dabei auf Wärmekraftmaschinen, die durch die Verbrennung von Kraftstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis deren chemische Energie in mechanische Energie umwandeln. Darunter sind insbesondere Verbrennungsmotoren wie Ottomotoren, Dieselmotoren, Gasmotoren, Gasturbinen und Flugtriebwerke zu verstehen.

[0030] Flüssige Kraftstoffe umfassen zum Beispiel ottomotorische Kraftstoffe wie Benzin und Alkohole, Dieselkraftstoffe, Kerosin und schwere Destillate wie MFO (Marine Fuel Oil) und HFO (Heavy Fuel Oil). Unter die gasförmigen Kraftstoffe fallen zum Beispiel Propan/Butan-Gasge-mische (Autogas), Flüssigerdgas, Erdgas und Wasserstoff.

[0031] Die Zündkeime, die für das erfindungsgemäße Brennverfahren bzw. den erfindungsgemäßen Kraftstoff geeignet sind, sind vorzugsweise aus einer Gruppe umfassend Explosivstoffe, ionische Flüssigkeiten, die hydrierbar sind oder hydrierbare Verbindungen enthalten, Metallhydride und/oder Katalysator-Edelmetallpartikel, ausgewählt Die Zündkeime können entweder nur eine Verbindung aus dieser Gruppe oder Mischungen aus den genannten Verbindungen umfassen.

[0032] Günstigerweise sind die Zündkeime aus einem Explosivstoff aus einer Gruppe umfassend Nitratverbindungen und/oder Nitroverbindungen ausgewählt. Vorzugsweise handelt es sich um einen bei Raumtemperatur festen Explosivstoff.

[0033] Der Begriff Raumtemperatur wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine Temperatur von 20 <€ (293K).

[0034] Mit Vorteil wird der Explosivstoff für das Brennverfahren aus einer Gruppe umfassend Ammoniumnitrat, Trinitrotoluol (TNT), Nitroglycerin, Glycodinitrat, Nitropenta, Oktogen, Hexogen, Nitroguanidin, Trinitrophenylmethylnitramin (Tetryl) und/oder Hexanitrostilben ausgewählt. Nitroglycerin und Glycodinitrat, die bei Raumtemperatur flüssig sind und in Kraftstoff und in Luft bis 400 K thermisch stabil sind, werden dabei mit Vorteil nicht über den Kraftstoff, sondern über den Luftpfad in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht und dort im Kraftstoff-Luft-Gemisch unter Ausbildung eines Aerosols dispergiert. Zündkeime in Form von festen Explosivstoffen können über den Kraftstoff oder über die Luft in den Brennraum eingebracht werden.

[0035] Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Explosivstoff, der in einem flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff gemäß der Erfindung dispergiert ist, um einen bei Raumtemperatur festen Explosivstoff, der aus einer Gruppe umfassend Ammoniumnitrat, Trinitrotoluol (INT), Nitropenta, Oktogen, Hexogen, Nitroguanidin, Trinitrophenylmethylnitramin (Tetryl) und/oder Hexanitrostilben ausgewählt ist.

[0036] Bei einer vorteilhaften Variante umfassen die Zündkeime einen festen Explosivstoff, der Ammoniumnitrat ist oder zumindest einen Anteil von Ammoniumnitrat enthält. Ammoniumnitrat ist bei Raumtemperatur fest, bis zu einer Temperatur von ca. 483 K (210Ό) stabil und weist darüber eine stark exotherme Reaktion auf.

[0037] Weitere vorteilhafte Verbindungen für Zündkeime betreffen ionische Flüssigkeiten, die hydrierbar sind oder hydrierbare Verbindungen enthalten. Ionische Flüssigkeiten, die Wasserstoff speichern und abgeben können, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der EP 2030948 A1. Bei ionischen Flüssigkeiten handelt es sich um niederschmelzende ionische Verbindungen, die einen sehr geringen Dampfdruck und gute Dispergiereigenschaften aufweisen. Durch die gezielte Auswahl und Funktionalisierung von Anion und Kation lassen sich ionische Flüssigkeiten mit gewünschten physikalisch-chemischen Eigenschaften erhalten. Für das Brennverfahren gemäß der Erfindung werden die Zündkeime basierend auf ionischen Flüssigkeiten vorzugsweise aus einer Gruppe umfassend Guanidinium-borhydrid, Methylguanidiniumborhydrid, N-Ethylcarbazol und/oder Mischungen aus Metallhydriden, bevorzugt Aluminiumhydrid, mit ionischen Flüssigkeiten, ausgewählt. N-Ethylcarbazol wird dabei mit Vorteil nicht über den Kraftstoff, sondern über den Luftpfad in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht und dort im Kraftstoff-Luft-Gemisch dispergiert.

[0038] Dementsprechend sind die Zündkeime, die in einem flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff gemäß der Erfindung dispergiert sind und aus ionischen Flüssigkeiten, die hydrierbar sind oder hydrierbare Verbindungen enthalten, ausgewählt sind, aus einer Gruppe umfassend Gua-nidiniumborhydrid, Methylguanidiniumborhydrid und/oder Mischungen aus Metallhydriden, bevorzugt Aluminiumhydrid, mit ionischen Flüssigkeiten, ausgewählt.

[0039] Bei weiteren vorteilhaften Varianten sind die Zündkeime aus einem Metallhydrid, vorzugsweise aus Aluminiumhydrid, ausgewählt.

[0040] Bei anderen Varianten können die Zündkeime Katalysator-Edelmetallpartikel umfassen, wobei als vorteilhaftes Beispiel CerDioxid-Edelmetallpartikel zu nennen sind. Durch die katalytische Wirkung des Katalysators, z.B. CerDioxid, werden die C-H-Bindungen der Kohlenwasserstoffverbindungen im Kraftstoff auf beschleunigte Weise gespalten.

[0041] Bei ottomotorischen Verbrennungsvorgängen kann beim erfindungsgemäßen Brennverfahren die Startverbrennung bei einer Variante durch einen extern erzeugten Zündfunken initiiert werden.

[0042] Alternativ dazu kann bei ottomotorischen Verbrennungsvorgängen die Startverbrennung durch Selbstzündung einer zugeführten Kraftstoffladung erzeugt werden (z.B. mit Dieselstrahlzündung).

[0043] Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Brennverfahrens liegen die Zündkeime als Dispersion im unverbrannten Kraftstoff vor und der unverbrannte Kraftstoff mit den darin dispergierten Zündkeimen wird über ein Einspritzsystem in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht. Für diese Variante kommt mit Vorteil ein erfindungsgemäßer Kraftstoff wie hierin beschrieben zur Anwendung.

[0044] Bei einer anderen vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Brennverfahrens weiden die Zündkeime über den Luftpfad der Brennkraftmaschine in den Brennraum eingebracht, wo eine Mischung mit dem Kraftstoff erfolgt und die Zündkeime schließlich als Dispersion im Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegen.

[0045] Die Erfindung kann in beliebiger dem Fachmann bekannter Weise abgeändert werden und ist nicht auf die beschriebenen Varianten beschränkt. Auch können einzelne Aspekte der Erfindung aufgegriffen und weitgehend miteinander kombiniert werden. Wesentlich sind die der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken, welche in Anbetracht dieser Lehre durch einen Fachmann in mannigfaltiger Weise ausgeführt werden können und trotzdem als solche aufrechterhalten bleiben.

Claims (20)

1. Ansprüche

   1. Brennverfahren für eine Brennkraftmaschine zum Verbrennen von flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen, die Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten, wobei in einem Brennraum der Brennkraftmaschine ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, wobei das Brennverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das unverbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch diskrete Zündkeime umfasst, die als eine Dispersion im Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegen, wobei die Zündkeime einen Massenanteil von weniger als 1% des unverbrannten Kraftstoffs aufweisen und im Kraftstoff und in Luft bis 400 K thermisch stabil sind und wobei deren Zerfallsreaktion in Luft bei Temperaturen bis höchstens 700 K initiiert wird, und wobei die Zündkeime durch die Restgasverdichtung der Startverbrennung aktiviert werden,
2. 2. Brennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime aus einer Gruppe umfassend Explosivstoffe, ionische Flüssigkeiten, die hydrierbar sind oder hydrierbare Verbindungen enthalten, Metallhydride und/oder Katalysator- Edelmetallpartikel, ausgewählt sind.
3. 3. Brennverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime aus einem Explosivstoff aus einer Gruppe umfassend Nitratverbindungen und/oder Nitroverbindungen ausgewählt werden.
4. 4. Brennverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Explosivstoff aus einer Gruppe umfassend Ammoniumnitrat, Trinitrotoluol (TNT), Nitroglycerin, Glycodinitrat, Nitropenta, Oktogen, Hexogen, Nitroguanidin, Trinitrophenylmethylnitramin (Tetryl) und/ oder Hexanitrostilben ausgewählt wird.
5. 5. Brennverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Explosivstoff Ammoniumnitrat ist oder zumindest einen Anteil von Ammoniumnitrat umfasst.
6. 6. Brennverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime aus ionischen Flüssigkeiten, die hydrierbar sind oder hydrierbare Verbindungen enthalten, ausgewählt sind, und aus einer Gruppe umfassend Guanidiniumborhydrid, Methylguanidi-niumborhydrid, N-Ethylcarbazol und/oder Mischungen aus Metallhydriden, bevorzugt Aluminiumhydrid, mit ionischen Flüssigkeiten, ausgewählt werden.
7. 7. Brennverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime aus Aluminiumhydrid ausgewählt werden.
8. 8. Brennverfahren, nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime CerDi-oxid-Edelmetallpartikel umfassen.
9. 9. Brennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Startverbrennung durch einen extern erzeugten Zündfunken initiiert wird.
10. 10. Brennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Startverbrennung durch Selbstzündung einer zugeführten Kraftstoffladung erzeugt wird.
11. 11. Brennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime als Dispersion im unverbrannten Kraftstoff vorliegen und der unverbrannte Kraftstoff mit den darin dispergierten Zündkeimen über ein Einspritzsystem in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird.
12. 12. Brennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime über den Luftpfad in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht werden.
13. 13. Kraftstoff zur Verwendung in einem Brennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen und diskrete Zündkeime umfasst, wobei die Zündkeime im Kraftstoff dispergiert sind, wobei die Zündkeime einen Massenanteil von weniger als 1% des Kraftstoffs aufweisen, wobei die Zündkeime im Kraftstoff und in Luft bis 400 K thermisch stabil sind und wobei deren Zerfallsreaktion in Luft bei Temperaturen bis höchstens 700 K initiierbar ist.
14. 14. Kraftstoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime aus einer Gruppe umfassend feste Explosivstoffe, ionische Flüssigkeiten, die hydrierbar sind oder hydrierbare Verbindungen enthalten, Metallhydride und/oder Katalysator- Edelmetallpartikel ausgewählt sind.
15. 15. Kraftstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime aus einem festen Explosivstoff aus einer Gruppe umfassend Nitratverbindungen und/oder Nitroverbindungen ausgewählt sind.
16. 16. Kraftstoff nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Explosivstoff aus einer Gruppe umfassend Ammoniumnitrat, Trinitrotoluol (TNT), Nitropenta, Oktogen, Hexogen, Nitroguanidin, Trinitrophenylmethylnitramin (Tetryl) und/oder Hexanitrostilben ausgewählt ist.
17. 17. Kraftstoff nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Explosivstoff Ammoniumnitrat ist oder zumindest einen Anteil von Ammoniumnitrat umfasst.
18. 18. Kraftstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime aus ionischen Flüssigkeiten, die hydrierbar sind oder hydrierbare Verbindungen enthalten, ausgewählt sind, und aus einer Gruppe umfassend Guanidiniumborhydrid, Methylguanidinium-borhydrid und/oder Mischungen aus Metallhydriden, bevorzugt Aluminiumhydrid, mit ionischen Flüssigkeiten, ausgewählt sind.
19. 19. Kraftstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime aus Aluminiumhydrid ausgewählt sind.
20. 20. Kraftstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkeime CerDioxid-Edelmetallpartikel umfassen. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen