DE10250483A1

DE10250483A1 - Verfahren und Anlage zum Verändern von Pflanzenölen für den Einsatz in Dieselmotoren

Info

Publication number: DE10250483A1
Application number: DE10250483A
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Koch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-05-06

Abstract

Zur Angabe eines leichter einsetzbaren Treibstoffersatzes zur Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik wird ein Verfahren zum Verändern von Pflanzenölen für den Einsatz in Dieselmotoren vorgeschlagen, bei dem Ultraschall auf Pflanzenöl einwirkt. Weiterhin wird eine Anlage zum Verändern von Pflanzenölen für den Einsatz in Dieselmotoren vorgeschlagen, die einen Ultraschallemitter aufweist, der auf den Treibstoff einwirkend angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Verändern von Pflanzenölen für den Einsatz in Dieselmotoren.
Seit längerem wird untersucht, inwieweit sich chemisch veränderte Pflanzenöle als Treibstoffersatz, insbesondere als Dieselersatz, zum Antrieb von Kfz eignen.
Die aus ölreichen Pflanzen primär gewonnenen Pflanzenöle bestehen aus mit Glycerin veresterten langkettigen Fettsäuren, die vor dem Einsatz als Ersatztreibstoff mit Methanol in Gegenwart eines Katalysators zu Fettsäuremethylestern (FAME) umgeestert werden müssen. Bei diesem Herstellungsprozeß muß leichtendzündliches und toxisches Methanol verwendet, und das bei der Reaktion entstehende Glycerin anschließend aus der Reaktionsmischung entfernt werden.
Die Verwendung von chemisch veränderten Pflanzenölen im Vergleich zum Einsatz von Diesel ist in erster Linie aus Umweltschutzgründen vorteilhaft. Derartige Pflanzenöle weisen eine annährend neutrale CO₂-Bilanz auf, das heißt, die Pflanzenöle setzen maximal soviel CO₂ frei, wie die Pflanzen vorher aufgenommen haben. Die Bilanz wird lediglich durch die Notwendigkeit der chemischen Veränderung unausgeglichen. Chemisch veränderte Pflanzenöle sind aromatenfrei, so daß deren Verbrennungsprodukte wesentlich ungefährlicher als die des Diesels sind. Daneben sind chemisch veränderte Pflanzenöle auch annährend schwefelfrei und müssen nicht wie Rohdiesel erst kostenintensiv entschwefelt werden. Im Gegensatz zu schwefelarmem Diesel ist die Schmierfähigkeit des chemisch veränderten Pflanzenöles erheblich besser als die des vergleichbaren Diesels.
Nachteilig an FAME ist jedoch, daß die Energiedichte und die chemische Stabilität geringer als die des Diesels sind. Weiterhin besitzen reine FAME einen Stockpunkt von unter 0°C, so daß es im Winterbetrieb zu Problemen mit der Zerstäubung und damit der Zündung des Motors kommen kann. Weiterhin sind FAME chemisch instabiler und neigen eher zur Zersetzung als Dieseltreibstoffe.

Um die Probleme des Winterbetriebes zu umgehen, bieten Gary und C. Sack auf ihren Internetseiten (http://people.freenet.de/csack/) einen Bausatz an, bei dem die Einspritzdüse eines Dieselmotors mittels induktiver Heizung erwärmt wird. Diese Heizung besteht aus mehreren Windungen Draht, an die eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird. Bei dieser Anordnung sind jedoch sowohl Sicherheit als auch Haltbarkeit mehr als fraglich. Zudem umgeht dieser Stand der Technik nur einen der geschilderten Nachteile.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen leichter einsetzbaren Treibstoffersatz anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem Ultraschall auf Pflanzenöl einwirkt. Wie eingangs geschildert, musste Pflanzenöl bislang erst chemisch verändert werden, um es als Treibstoff an Tankstellen anbieten zu können. Dazu ist zum einen Energie aufzuwenden, was die CO₂-Bilanz des so gewonnen Treibstoffes verschlechtert und zum anderen sind dazu teilweise giftige Chemikalien nötig. Eine direkte Umsetzung des Pflanzenöles zu verwertbarem Treibstoff unter Fortlassung sämtlicher Reaktionsschritte erlaubt dagegen die Verwendung von Ultraschall. Bei der Einwirkung von Ultraschall auf flüssiges Pflanzenöl kommt es zur Bildung von Kavitäten. Beim Kollaps der Kavitationsblasen kommt es oft zur Einstülpung einer Wandseite, woraus sich ein Flüssigkeitsstrahl bildet, der mit hoher Geschwindigkeit durch das Gasbläschen schießt und auf die gegenüberliegende Wand auftrifft. Dabei entstehen kurzfristig Temperaturen bis 10.000 K und Drücke bis 10.000 bar. In den Molekülen der mit Ultraschall beaufschlagten Flüssigkeit kommt es so zu Ladungstrennungen und Bindungsbrüchen, so daß Hochtemperatur- und Radikalreaktionen ablaufen. Auf diese Weise lassen sich die im Pflanzenöl vorhandenen, mit Glycerin veresterten langkettigen Fettsäuren zu kürzerkettigen Molekülen umsetzen, so daß ein daraus erzeugter Treibstoff dieselben Eigenschaften aufweist, wie ein konventionell erzeugter Ersatztreibstoff, ohne daß toxische Chemikalien eingesetzt werden müssten.

Als Zusatznutzen ist festzustellen, daß durch den großflächigen mechanischen Energieeintrag des Ultraschalls weiterhin eine Erwärmung des Pflanzenöls erreicht wird, so daß dessen Viskosität bei niedrigen Temperaturen herabsetzt und Probleme mit der Zündung ausgeschlossen werden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß Ultraschall auf unmodifiziertes Pflanzenöl einwirkt. Durch die Verwendung von unmodifiziertem Pflanzenöl anstelle von modifiziertem Pflanzenöl wird ein Verarbeitungsschritt eingespart, und so die Energie- und CO₂-Bilanz verbessert. Bei der Verwendung von unmodifiziertem Sonnenblumenöl, Rapsöl und/oder Öl aus hochölsäurehaltigen Pflanzen ergibt sich mit Vorteil ein besonders effektiver Ersatztreibstoff.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ultraschall eine Frequenz zwischen 20 und 100 kHz, vorzugsweise 20 kHz aufweist. Bei diesem Frequenzbereich ist die Reaktionsführung optimal, da besonders effektive Kavitäten gebildet werden.

Wird, wie vorgeschlagen, daß Verfahren im Kfz eingesetzt, so ergeben sich besondere Vorteile insbesondere bei der Einwirkung auf eine Kraftstoffzufuhrleitung durch die so ermöglichte in-situ-Erzeugung. Die durch längere Lagerhaltung auftretende Stabilitätsprobleme werden so vermieden. Fragen der chemischen Stabilität gegenüber Oxidationsprozessen oder ähnlichem spielen keine Rolle mehr.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Ultraschall-Energieeintrag geregelt, vorzugsweise adaptiv geregelt, erfolgt. Durch die Regelung des Ultraschall-Energieeintrages wird die dem Motor jeweils zur Verfügung gestellte Treibstoffqualität konstant gehalten und die Treibstoffmenge dem Belastungsgrad des Motors angepaßt. Bei stärkerer Belastung wird entsprechend mehr Pflanzenöl durch Wahl geeigneter Reaktionsbedingungen hergestellt, bei geringerer Motorbelastung entsprechend weniger. Die adaptive Regelung stellt mit Vorteil sicher, daß das Verfahren an unterschiedliche Pflanzenöle, bzw. an sich ändernde Pflanzenölqualitäten angepasst ist, wobei die Adaption beispielsweise anhand der Viskosität oder des Energiegehaltes des Ersatztreibstoffes vorgenommen wird.

Die Aufgabe wird auch durch eine Anlage gelöst, die einen Ultraschallemitter aufweist, der auf den Treibstoff einwirkend angeordnet ist. Eine solche erfindungsgemäße Anlage erlaubt die direkte Umsetzung des Pflanzenöles zu verwertbarem Treibstoff unter Fortlassung sämtlicher Reaktionsschritte. Durch die direkte Einwirkung von Ultraschall auf Pflanzenöle lassen sich die im Pflanzenöl vorhandenen, mit Glycerin veresterten langkettigen Fettsäuren zu kürzerkettigen Molekülen umsetzen, so daß ein daraus erzeugter Treibstoff dieselben Eigenschaften aufweist, wie ein konventionell erzeugter Ersatztreibstoff, ohne daß toxische Chemikalien eingesetzt werden müssten.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Anlage als ein Teil einer Treibstoffversorgung ausgebildet ist, vorzugsweise, daß sie eine bereits vorhandene Treibstoffleitung teilweise ersetzend ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung erlaubt mit Vorteil die Nachrüstbarkeit von konventionellen Motoren mit der erfindungsgemäßen Anlage, da so lediglich ein Teil der alten Anlage ausgetauscht werden muß.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sie an eine elektrische Spannungsversorgung eines Kfz, vorzugsweise mit 12 V oder 24 V, angeschlossen ist. Diese Ausgestaltung erlaubt mit Vorteil die Verwendung der in Kfz stets vorhandenen Spannungsversorgung, so daß eine aufwendige Umrüstung der elektrischen Anlage unterbleiben kann.

Weiterhin ist vorgesehen, daß der Ultraschallemitter als piezoelektrisches Schwingquarz oder magnetostriktives Element ausgebildet ist. Derartige piezoelektrische Schwingquarze und magnetostriktive Elemente sind besonders einfach herzustellen und zu handhaben und weisen eine hohe Lebensdauer auf.

Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Erfindung, bei der Ultraschallemitter im Frequenzbereich von 20 bis 100 kHz emittierend ausgebildet ist. Ultraschall in diesem Frequenzbereich bildet besonders effektive Kavitäten, so daß eine optimale Reaktionsführung möglich ist.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß der Ultraschallemitter von Treibstoff umflossen ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung erspart die Kopplung, so daß die erfindungsgemäße Anlage noch einfacher und damit auch betriebssicherer ist.

Mit Vorteil ist vorgesehen, daß ein Regelkreis für den Ultraschall-Energieeintrag vorgesehen ist, der eine Amplitude und/oder Frequenz des emittierten Ultraschalls in Abhängigkeit eines Treibstoffdurchflusses regelnd ausgebildet ist, um vorzugsweise den Energieeintrag pro Volumeneinheit und/oder Gewichtseinheit des Treibstoffes im wesentlichen konstant haltend ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines Regelkreises für den Ultraschall-Energieeintrag wird die dem Motor jeweils zur Verfügung gestellte Treibstoffqualität konstant gehalten und die Treibstoffmenge dem Belastungsgrad des Motors angepaßt. Bei stärkerer Belastung sinkt die Verweildauer, so daß in kürzerer Zeit mehr Ersatztreibstoff erzeugt werden muß. Bei geringerer Belastung steigt die Verweildauer im Ultraschallemitter, so daß in längerer Zeit weniger Ersatztreibstoff erzeugt werden muß. Den sich ändernden Durchflussparametern wird über die Variation von Frequenz und Amplitude Rechnung getragen.

Weiterhin ist vorgesehen, daß die Regelung adaptiv in Abhängigkeit der jeweils zur Verfügung stehenden Treibstoffqualität erfolgen ausgebildet ist. Die adaptive Regelung erfolgt beispielsweise anhand der Viskosität oder des Energiegehaltes des Ersatztreibstoffes und erlaubt mit Vorteil, die Anpassung an unterschiedliche Pflanzenöle, bzw. an sich ändernde Pflanzenölqualitäten.

Die weiteren Vorteile der Erfindung werden im folgenden bevorzugten Ausführungsbeispiel anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert, wobei

1 eine schematische Skizze der erfindungsgemäßen Anlage zeigt.

In 1 ist schematisch die Treibstoffversorgung eines Motors 1 in einem Kfz dargestellt. Dieser steht über eine Treibstoffleitung 7 mit einem Treibstofftank 2 in Verbindung. Innerhalb dieser Verbindung sind zusätzlich noch eine Treibstoffpumpe 4 und ein Ultraschallemitter 3 angeordnet. Ein Regel- und Steuergerät 6 steht über eine Wirkleitung 8 mit der Treibstoffpumpe 4 und dem Ultraschallemitter 3 in Wirkverbindung. Der Ultraschallemitter 3 ist dabei über eine Spannungsversorgung 9 mit einer Spannungsquelle 6 des Kfz verbunden.
Durch den Ultraschallemitter 3 wird die Umwandlung des Pflanzenöls in Ersatztreibstoff verursacht, der Ersatztreibstoff wird also gleichsam in situ erzeugt. Eine Vorratshaltung entfällt, so daß auch keine Probleme aufgrund der chemischen Unbeständigkeit entstehen. Die erzeugte Menge ist dabei genau an den Bedarf angepasst. Dieser ändert sich in Abhängigkeit von der Motorbelastung. Das heißt, das je nach Motorbelastung mal mehr und mal weniger Ersatztreibstoff pro Zeiteinheit benötigt wird. Die benötigte Fördermenge wird mittels der Treibstoffpumpe 4 ermittelt, die das Pflanzenöl aus dem Tank 2 in den Motor 1 fördert.
Anhand der über die Treibstoffpumpe 4 ermittelten Fördermenge variiert das Regel- und Steuergerät 6 die durch den Ultraschallemitter 3 erzeugten Ultraschallwellen in Frequenz und Amplitude, so daß stets eine optimale Reaktionsführung zur Erzeugung von Ersatztreibstoff vorliegt. So kann die Qualität des Ersatztreibstoffes auch bei sich änderndem Bedarf an Ersatztreibstoff konstant gehalten werden.
Gleichzeitig wird der mechanische Energieeintrag durch die Regel- und Steuergerät 6 so gesteuert, daß der Ersatztreibstoff eine für die Fließfähigkeit und Zerstäubung zur Zündung optimale Temperatur aufweist.

1: Motor
2: Treibstofftank
3: Ultraschallemitter
4: Treibstoffpumpe
5: Regel- und Steuergerät
6: Spannungsquelle
7: Treibstoffleitung
8: Meßleitung
9: Spannungsversorgung
10: Wirkleitung

Claims

Verfahren zum Verändern von Pflanzenölen für den Einsatz in Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschall auf das Pflanzenöl einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall auf unmodifiziertes Pflanzenöl, vorzugsweise auf unmodifiziertes Sonnenblumenöl, Rapsöl und/oder auf Öl aus hochölsäurehaltigen Pflanzen, einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall eine Frequenz zwischen 20 und 100 kHz, vorzugsweise 20 kHz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es im Kfz eingesetzt wird und vorzugsweise auf eine Treibstoffleitung (7) einwirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Energieeintrag geregelt, vorzugsweise adaptiv geregelt, erfolgt.
Anlage zum Verändern von Pflanzenölen für den Einsatz in Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Ultraschallemitter aufweist, der auf den Treibstoff einwirkend angeordnet ist.
Anlage gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als ein Teil einer Treibstoffversorgung ausgebildet ist, vorzugsweise daß sie eine bereits vorhandene Treibstoffleitung (7) teilweise ersetzend ausgebildet ist.
Anlage gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie an eine elektrische Spannungsversorgung (6, 9) eines Kfz, vorzugsweise mit 12 V oder 24 V, angeschlossen ausgebildet ist.
Anlage gemäß Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch v, daß der Ultraschallemitter als piezoelektrisches Schwingquarz oder magnetostriktives Element ausgebildet ist.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallemitter im Frequenzbereich von 20 bis 100 kHz emittierend ausgebildet ist.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallemitter von Treibstoff umflossen ausgebildet ist.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis für den Ultraschall-Energieeintrag vorgesehen ist, der eine Amplitude und/oder Frequenz des emittierten Ultraschalls in Abhängigkeit eines Treibstoffdurchflusses regelnd ausgebildet ist, um vorzugsweise den Energieeintrag pro Volumeneinheit und/oder Gewichtseinheit des Treibstoffes im wesentlichen konstant haltend ausgebildet ist.
Anlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung adaptiv in Abhängigkeit der jeweils zur Verfügung stehenden Treibstoffqualität erfolgend ausgebildet ist.