DE102005028172B3

DE102005028172B3 - Injektor für Kraftstoffexpander eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102005028172B3
Application number: DE102005028172A
Authority: DE
Inventors: Rainer Pfalz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2025-06-18

Abstract

Der Injektor für Kraftstoffexpander ist ein Konzept für überdurchschnittliche Kraftstoffeinsparungen oder mit entsprechenden großen Leistungszugewinnen. Das wird erreicht, indem man zu dem gezündeten Kraftstoff destilliertes Wasser oder ein gasförmiges bzw. flüssiges, höherwertiges Gemisch spritzt. Durch die Verdampfung und die teilweise Aufspaltung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff wird ein Nachbrennen indiziert. Der Druck auf den Kolben der Brennkraftmaschine (44) bleibt über den Arbeitsweg enthalten bzw. wird verstärkt und die Antriebsleistung erhöht oder durch die reduzierte Kraftstoffzufuhr der Verbrauch gesenekt. Dabei werden auch nicht vollständig verbrannte Restkraftstoffe mit verbrannt und für die Antriebsleistung genutzt, wodurch die Emissionsabgase deutlich gesenekt werden. Der Injektor für Kraftstoffexpander hat keine Fremdsteuerung bzw. keinen eigenen Antrieb, sondern passt sich automatisch dem Lauf des Motors an und spritzt unmittelbar nach der Zündung des Kraftstoffgemisches ein. Das System des Injektors für Kraftstoffexpander ist geeignet für alle Verbrennungsmotoren, ob Zweitakt-, Viertakt-, Kreiskolben- oder Gegenkolbenmotor. Er ist als Diesel-, Benzin-, Öl- und Petroleummotor einsetzbar. Die Kraftstoffeinsparungen liegen bei ca. 35%, wenn die Einsparung das Ziel ist, oder bei ca. 22% mehr Leistung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Injektor für Kraftstoffexpander gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Kraftstoffexpander wird in das gezündete Gasgemisch eines Verbrennungsmotors eingespritzt, verdampft und fördert dadurch die Verbrennung und den Arbeitsdruck im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors über den Kolben (44).
Das Patent WO 01/18378 A1 stellt eine Variante dar, mit der Flüssigkeit in einem Verbrennungsmotor gedrückt wird, und das bei jedem Kolbenhub. Dabei wird schon Wasser eingespritzt, selbst dann, wenn die Zündung nicht erfolgt ist, zum Beispiel beim Starten und Abstellen des Motors.
Der Unterschied der vorliegende Erfindung ist, dass bei dem Injektor für Kraftstoffexpander eine Flüssigkeit oder ein gasförmiges Gemisch über die gleiche Kammer eingespritzt werden kann. Die beiden Expander können auch gemischt eingesetzt werden. Die Einspritzung vom Wasser erfolgt erst, wenn der Kompressionsdruck überschritten wird, also nach dem Zündvorgang des Kraftstoffes.
Aus der DE 697 25 873 T2 ist bekannt, dass durch eine Zugabe von Sekundärluft in den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors eine Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors erreicht werden kann.
Hiervon ausgehend hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, flüssigen als auch gasförmigen Kraftstoffexpander durch eine einzige Vorrichtung in den Verbrennungsraum einzubringen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist durch die nachfolgend aufgeführten Figuren beschrieben.
1 Injektor komplett
2 Injektor
3 bis 3c Schalteinstellungen des regelbaren Ventils
und 4 Rückschlagenbite
5 Injektoreinbau
Der Injektor, dargestellt in 2 und 5, arbeitet mit dem Arbeitsdruck, der den Kolben der Brennkraftmaschine (44) zum Antrieb des Motors bewegt. Dieser Druck liegt auch an der unteren Kolbenfläche (28) an und drückt den Kolben (14) in die Kammer (19), damit muss der Kraftstoffexpander über das erste Kugelventil (17) mit Kanal in den Verbrennungsraum (42) zur Reaktion. Die untere Kolbenfläche (28) sollte mindestens siebenmal größer sein als die obere Kolbenfläche (29), um keine Einspritzverzögerungen in den Verbrennungsraum (42) zu riskieren. Das Einspritzen des Kraftstoffexpanders erfolgt unmittelbar nach der Zündung des Gasgemisches im Verbrennungsraum (42), wenn der Arbeitsdruck und die Temperatur am Größten sind. Dabei wird der vorgewärmte Kraftstoffexpander verdampft und üherhitzt, so dass ein Teil des Expanders in Wasser- und Sauerstoff zerfällt und die Kraftstoff verbrennung unter einen größeren Arbeitsdruck kommt. Das hat zur Folge, dass aller Kraftstoff besonders bei Dieselmotoren, im unteren Drehzahlbereich mit verbrannt wird und die Russpartikel vom restlichen Wasserdampf gebunden und ausgeschieden werden. Die Ansaugung des Kraftstoffexpanders erfolgt aus Kraftstoffexpandertank (4), über die Leitungen (6), die Heizung (2) über das Einlassventil (20) in die Kammer (19). Die Druckfeder (21) ist so dimensioniert, dass sie das Einlassventil (20) gerade abdichtet. Die Kugelventile (17, 4 und 18) haben die Aufgabe den Verbrennungsraum (42) bei Ansaugung der Luft und des Kraftstoffexpanders zu sperren und, wenn der Injektor nicht im Betrieb ist, vor Verunreinigungen zu schützen. Der Funktionsablauf des Injektors funktioniert nur mit dem gezündeten Kraftstoff da sonst kein ausreichender Arbeitsdruck über den Kolben (14) aufgebaut werden kann. Mit dieser Abhängigkeit, Zündung des Treibstoffes und damit den Druckaufbau über den Kolben der Brennkraftmaschine (44) und dem Kolben (14) des Injektors, sind Funktionsfehler bei korrekter Auslegung nicht möglich. Das System reguliert sich selbst und somit automatisch. Wie viel von dem Gemisch in den Verbrennungsraum (42) gelangt, wird mit dem regelbaren Ventil (1) eingestellt und durch die Druckfeder (21) bestimmt. Es kann die angesaugte Luft, oder ein Gemisch aus Luft und Kraftstoffexpander oder nur dem Kraftstoffexpander in die Kammer (19) geleitet werden. Wird der Kolben (14) durch das gezündete Kraftstoffgemisch bewegt, gibt es keinen Druckabbau, weil das Volumen über den Kolben der Brennkraftmaschine (44) um das Volumen der Verschiebung des Kolbens (14) des Injektors größer wird. Mit der Verschiebung des Kolbens (14) wird die Luft aus dem Tellerfederraum (30) in den Verbrennungsraum (42) gedrückt. Diese zusätzliche Luft ersetzt nicht nur das Volumen des zurückweichenden Kolbens (14) sondern macht ein Nachbrennen von Restkraftstoffen möglich, das besonders bei Dieselmotoren im unteren Drehzahlbereich von großem Interesse ist. Das führt zur verbesserten Energieumsetzung und verringerter Emissionsabgabe des Antriebsmotors nach außen. Die Wellenscheibe (13) hat die Aufgabe den Zurücklauf des Kolbens (14) zu dämpfen.
Die Lage des Injektors für Kraftstoffexpander entspricht der Darstellung der 5, bzw. in ähnlicher Form. Der Injektor für Kraftstoffexpander wird in der Regel im Zylinderkopf positioniert und in Ausnahmen mit externem Antrieb und geeigneten Kraftstoffexpandern im Einlasskanal (40).
Der Luftfilter (5) reinigt die Luft von Staubpartikeln, das bedeutet: wenn die Kapazität des Luftfilters vom Antriebsmotor ausreichend ist, wird der Injektor mit an den vorhandenen Luftfilter angeschlossen.
Die 3a, 3b und 3c zeigen die Schaltstellung bei Einsatz des Injektors 2 wo die Luft in mindestens ein drittes Kugelventil 4 in den Tellerfederraum (30) zu den Kugelventilen 1 und 3 4 und (18) mit Kanal in den Verbrennungsraum (42) geleitet wird. Des Weiteren wird der Kraftstoffexpander in die Kammer (19) gesaugt und über das zweite Kugelventil (18) in den Verbrennungsraum (42) gespritzt. Mit dieser Einstellung sind die großen Kraftstoffeinsparungen oder Leistungszugewinne möglich, da ein Maximum vom Kraftstoffexpander und Luft in den Verbrennungsraum (42) gedrückt werden kann. Die einzelnen Einstellungen werden stufenlos angesteuert, so dass der Motorrundlauf sich nicht sprunghaft verändert. Bei der 3b kommt kein oder nur sehr wenig vom Kraftstoff expander, je nach Auslegung des Einlasskanals (34), in die Kammer (19) und dann in den Verbrennungsraum (42). Die Luftmenge aus dem Tellerfederraum (30) ist größer als bei der Einstellung gemäß 3a, weil sich kein Kompressionsdruck in der Kammer (19) aufbauen kann. Die eindeutige Auslegung dieser Einstellung sollte den Vorrang haben, da diese Einstellung unter Last im unteren Drehzahlenbereich ein Nachbrennen von Restkraftstoffen ermöglicht und die Leistung verbessert und dabei die Emissionsabgabe des Antriebsmotors wesentlich reduziert. Bei der 3c sind alle Wege mit dem regelbaren Ventil (1) abgeschaltet und nur die Menge des Kraftstoffexpanders der durch die Möglichkeit der Kompression der Luft im Tellerfederraum (30) ist, wird von der Kammer (19) in den Verbrennungsraum (42) gespritzt. Mit dieser Einstellung kommt der Injektor bei sehr guter Abdichtung mit vorgespannter Tellerfeder (25) in Ruhestellung. Bei Langhubmotoren sind die Tellerfederkräfte größer, denn da sollte die Einspritzung mit einer kleinen Verzögerung erfolgen, um ein ideales Druckgefälle für diesen Motortyp aufzubauen.
Steuerung Variante I
Die Steuerung (8) für den Injektor für die einzelnen Einstellungen wird mit der Gaspedalstellung geregelt. In Abhängigkeit mit der Einstellung aus den 3a, 3b und 3c stellt sich die Kraftstoffreduzierung ein, in dem der Einlasskanal (40) mit einer mechanischen oder elektrischen Stalleinheit gedrosselt wird.
Steuerung Variante II
Bei dieser Steuerung (8) Variante II ist ein Drehmomenten- Messsystem im Antriebsstrang integriert und schaltet die Einstellungen und Zwischeneinstellungen 3a, 3b und 3c automatisch. Mit dieser Steuerungsvariante können die größten Kraft-stoffeinsparungen, ca. 35% erzielt werden, wenn mit dem Programm „Kraftstoff-einsparen" gefahren wird. Hat das Programm „mehr Leistung" den Vorrang, dann kommen die Kraftstoffeinsparungen nur dann zustande, wenn das Antriebsmoment nicht benötigt wird aber die Motordrehzahl. Auch dabei werden immer noch ca. 22% Kraftstoff eingespart.
Der Kraftstoffexpandertank (4) und Kraftstofftank (11) mit der Aufteilung von ca. 35%/65% haben die Größe des bekannten Kraftstofftanks. Es ist somit kein Platzbedarf für den Flüssigkeits- Kraftstoffexpandertank (4) erforderlich.
Mit einer Gasflasche (9) wird eine weitere Kategorie Kraftstoffexpander bereitgehalten, die für sich oder parallel zum Flüssigkeitsexpander eingesetzt werden kann. Im Mischer-ventil (10) kommen der Gasexpander und die angesaugte Luft im Verhältnis von ca. 1 zu 10 bis 1 zu 5 zusammen und werden mit dem Injektor 2 in den Verbrennungsraum (42) gedrückt. Der Platzbedarf für die Gasflasche (9) muss bereitgehalten werden, da dies eine 2- bis 5-Literflasche ist. Das bedeutet kein größeres Problem.
Es gibt sehr verschiedene und spezifische Kraftstoffexpander, die für Verbrennungsmotoren aller Art mit dem Injektor 2 eingesetzt werden können, zum Beispiel:

1. Luft,
2. Luft und Gasexpander im Verhältnis 1/5 bis 1/10,
3. Flüssigkeitsexpander aus destilliertem Wasser,
4. Flüssigkeitsexpander mit destilliertem Wasser und Alkohol im Verhältnis 1/5 bis 1/10,
5. Flüssigkeitsexpander mit destilliertem Wasser, Benzin oder Diesel im Verhältnis 1/5 bis 1/10.

Die Vorteile der Kraftstoffexpander liegen in ihren geringen Kosten und die einfache Anwendung um Kraftstoff zu sparen, ohne Leistungseinbußen in Kauf nehmen zu müssen. Bei einem zusätzlichen Einsatz von Kraftstoffexpandern gibt es eine Antriebsleistungserhöhung. So kann man mit dem Verhältnis Kraftstoff zu den Kraftstoffexpandern die Motorleistung sehr stark beeinflussen und variieren, um den Antriebsleistungsbedarf zum Kraftstoffverbrauch abzustimmen. Durch die Kraftstoffexpander wird aber auch der Energiehaushalt verbessert, indem keine Restkraftstoffe freigesetzt werden und durch den Expander weniger Wärme nach außen abgeführt werden muss, da er bei der Einspritzung und Aufheizung Wärme verbraucht. Der Expander wird in das gezündete Gasgemisch eingespritzt und verdampft, bzw. zerfällt zum Teil in Sauer- und Wasserstoff die beide die Verbrennung und den Arbeitsdruck fördern. Sind die Kraftstoffexpander mit Alkohol versetzt, bekommen die Expander eine neue Dimension, die dann die Spielräume zum Vorteil für noch geringeren Verbrauch oder mehr Leistung verbessert, bei etwas höheren Kosten für den Kraftstoff expander. Eine weitere Kategorie der Kraftstoffexpander sind die parallel eingesetzten Gasexpander, die der angesaugten Luft zugesetzt werden, um den Kraftstoffverbrauch auf 35% zu senken, oder die Antriebsleistung um 22% zu steigern. Zieht man in Betracht, dass vom Antriebsmotor meistens nicht die maximale Motorleistung abgefordert wird, sind diese Expander interessant, da man mit dem injektor die konzipierte Motorleistung plus der Mehrleistung bei Bedarf sofort wider einstellen kann. Es müssen dann drei Tanks bereitgehalten werden. Der herkömmliche Tank wird in den Kraftstoffexpandertank (4) und Kraftstofftank (11) im Verhältnis von ca. 35%/65% aufgeteilt und zusätzlich die Gasflasche (9) für die Gasexpander. Die Kraftstoffexpander-Variationen, ob flüssig oder gasförmig, können alle mit dem System Injektor genutzt und betrieben werden.
Kraftstoffeinsparungen mit den Einstellungen der 3a, 3b und 3e

1. Nur Luft ca. 5%,
2. Luft und Gasexpander im Verhältnis 1/5 bis 1/10 mit ca. 5 bis 8%,
3. Flüssigkeitsexpander aus destilliertem Wasser mit ca. 12%,
4. Flüssigkeitsexpander mit destilliertem Wasser und Alkohol im Verhältnis 1/5 bis 1/10 mit ca. 12 bis 17%
5. Flüssigkeitsexpander mit destilliertem Wasser, Benzin oder Diesel im Verhältnis 1/5 bis 1/10 mit ca. 14 bis 21%
6. mit Punkt 1 und 3 mit ca. 10 bis 15%
7. mit Punkt 1 und 4 mit ca. 14 bis 20%
8. mit Punkt 1 und 5 mit ca. 17 bis 22%
9. mit Punkt 2 und 3 mit ca. 20%
10. mit Punkt 2 und 4 mit ca. 19 bis 25%
11. mit Punkt 2 und 5 mit ca. 25 bis 34% Kraftstoffeinsparung ist zu rechnen.

Die Leistungssteigerung liegt zwischen 5 bis 28% über alle Expander betrachtet. Mit guten Expandern wie Punkt 4 und 5 in verschiedenen Qualitäten, sind Kostenreduzierungen in der Größenordnung von bis zu 35 bis 45% möglich. Es ist dabei wünschenswert, dass die Betriebstemperatur vom Antriebsmotor etwas höher liegen sollte, um bessere Voraussetzungen der guten Nachverbrennung zu haben. Die Einstellungen 3a, 3b und 3c und die Lage bzw. Führung der Kanäle (31, 32 und 33) können auch den gewünschten Zielstellungen angepasst werden, z.B. ist bei Langhubmotoren eine andere Kanalaufteilung interessant um größere Leistungssteigerung zu erwarten.
Bei einem Verbrennungsmotor mit einem Verbrauch von 10 Litern auf 100 Kilometern und der Geschwindigkeit von 100 km/h werden maximal 10 mm³ vom Injektor 2 pro gezündetes Kraftstoffgemisch eingespritzt. Dies entspricht etwa 25% der gesamten Kraftstoffmenge bei destilliertem Wasser, das verheizt wird. Mit hochwertigeren Kraftstoff expandern kann mehr eingespritzt werden und damit der Kraftstoffverbrauch deutlich gesenkt, oder die Leistung erhöht werden.
Das Einstoßvolumen der Gasexpander ist doppelt so groß, obwohl mehr Volumen vorhanden ist, jedoch werden 2/3 durch Kompression nicht mit in den Verbrennungsraum (42) gedrückt.
Mit dem Injektor hat man nicht nur Vorteile der Leistungssteigerung bzw. der Senkung des Kraftstoffverbrauchs, sondern auch eine sehr starke Reduzierung der Russpartikel und der Abgasemissionen. Durch die Nachverbrennung des restlichen Wasserdampfes werden die Russpartikel mit dem Wasserdampf gebunden und ausgeschieden. Damit werden die Abgase nicht erst in einem aufwändigen System außerhalb des Motors gereinigt.
Eine erste Heizung (2) für den flüssigen Kraftstoffexpander erfolgt mit den Abgasen des Verbrennungsmotors. Damit hat man eine weitere Nachnutzung der verbrauchten Energie, da der Kraftstoffexpander mit einer kürzeren Reaktionszeit im Verbrennungsraum (42) wirken kann. Die Wertigkeit der ersten Heizung (2) zeigt sich besonders bei den höherwertigen flüssigen Kraftstoffexpandern, die vorzugsweise bei höheren Motorbetriebstemperaturen eingesetzt werden.
Eine zweite Heizung (3) für die gasförmigen Kraftstoffexpander erfolgt ebenfalls mit den Abgasen des Verbrennungsmotors, da die heiße Luft auf den Expander und der Reaktionszeit im Verbrennungsraum (42) zu Gute kommt. Dazu kommt, dass die Gasexpander an der Verwirbelung der Flüssigkeitsexpander im Verbrennungsraum (42) einen großen Anteil haben.

1: regelbares Ventil
2: erste Heizung
3: zweite Heizung
4: Kraftstoffexpandertank
5: Luftfilter
6: Leitung
7: Leitung
8: Steuerung
9: Gasflasche
10: Mischerventil
11: Kraftstofftank
12: Kraftstoffleitung
13: Sicherungsring mit Wellenscheibe
14: Kolben
15: Injektorgehäuse
16: O-Ring
17: erstes Kugelventil mit Kanal
18: drittes Kugelventil mit Kanal
19: Kammer
20: Einlassventil
21: Druckfeder
22: Scheibe
23: Sicherungsring
24: Dichtung
25: Tellerfeder
26: Überwurfmutter
27: Dichtring
28: untere Kolbenfläche
29: obere Kolbenfläche
30: Tellerfederraum
31: Hauptkanal
32: Belüftungskanal
33: Steuerkanal
34: Einlasskanal
35: Kugel
36: Lagerscheibe
37: Druckfeder
38: Verschluss
39: Kanal
40: Einlasskanal
41: Auslasskanal
42: Verbrennungsraum
43: Zündkerze
44: Kolben der Brennkraftmaschine
45: Überströmkanal

Claims

Injektor für einen Kraftstoffexpander, mit einem Kolben (14), der in einem Injektorgehäuse (15) des Injektors axial zwischen einer oberen und einer unteren Position verschiebbar angeordnet ist, wobei Kraftstoffexpander aus einem Kraftstoffexpandertank (4) über ein Einlassventil (20) in eine Kammer (19) angesaugt wird wenn sich der Kolben (14) zur unteren Position bewegt und der angesaugte Kraftstoffexpander über ein erstes Kugelventil (17) in einen Verbrennungsraum (42) eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird, wenn sich der Kolben (14) aufgrund des im Verbrennungsraum (42) des Verbrennungsmotors vorherrschenden Druckes zur oberen Position bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein zweites Kugelventil (4) ein gasförmiger Kraftstoffexpander in einen Tellerfederraum (30) eingesaugt wird, wenn sich der Kolben (14) zur unteren Position bewegt, und der angesaugte gasförmige Kraftstoffexpander über zumindest ein drittes Kugelventil (18) in den Verbrennungsraum (42) eines Verbrennungsmotors eingedüst wird, wenn sich der Kolben (14) aufgrund des im Verbrennungsraum (42) des Verbrennungsmotors vorherrschenden Druckes zur oberen Position bewegt.
Injektor für einen Kraftstoffexpander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Tellerfederraum (30) eine Tellerfeder (25) angeordnet ist, die den Kolben (14) auf eine Wellenscheibe (13) vorspannt.
Injektor für einen Kraftstoffexpander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuerung (8) ein regelbares Ventil (1) stufenlos ansteuerbar ist, um das gewünschte Verhältnis zwischen den flüssigen und den gasförmigen Kraftstoff expander einzustellen
Injektor für einen Kraftstoffexpander nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (8) zur Regelung des regelbaren Ventils Motorbetriebsgrößen als Eingangsgrößen verwendet.
Injektor für einen Kraftstoffexpander nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das regelbare Ventil (1) sowohl flüssiger als auch gasförmiger Kraftstoff expander in die Kammer (19) gefüllt wird.
Injektor für einen Kraftstoffexpander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Kraftstoffexpander durch eine erste Heizung (2) und der gasförmige Kraftstoffexpander durch eine zweite Heizung (3) aufgeheizt werden.
Injektor für einen Kraftstoffexpander nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, das zweite und zumindest ein drittes Regelventil (17, 4, 18) als Rückschlagventil ausgebildet ist.
Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor als Nachrüstbausatz für alle Verbrennungsmotoren wie Diesel-, Benzin-, Öl- und Petroleumsmotor eingesetzt wird.