DE19544554A1

DE19544554A1 - Ultraschallemulgator für Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE19544554A1
Application number: DE19544554A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Heinrich Dipl I Hunck
Original assignee: Hunck Wolfgang Heinrich Dipl-Ing 47533 Kleve
Current assignee: Hunck Wolfgang Heinrich Dipl-Ing 47533 Kleve
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1995-11-29
Publication date: 1996-06-27

Description

Die Neuerung beschreibt eine Emulgationsvorrichtung mittels longitudinalen Wechselfeldern, beispielsweise (Ultra)-Schallwellen für Kohlenwasserstoffe mittleren bis niedrigen Viskositätsgrads mit Wasser zu Antriebszwecken in Verbrennungsmaschinen wie Turbinen, Otto- und Dieselmotoren sowie Verbrennungsanlagen und Feuerungssystemen.

Die Fa. Mercedes Benz AG und die Volkswagengruppe haben in ihren Forschungs- und Entwicklungsabteilungen mit der Wasserinjektion in den Verbrennungsraum von Verbrennungskraftmaschinen experimentiert, um den Wirkungsgrad der Maschinen zu erhöhen und die Schadstoffemission in die Umwelt zu senken. Dabei waren alle Ergebnisse dieser F in dem Bereich als eher negativ zu bewerten.

Ein amerikanischer Unternehmer kam auf die Idee, ein Naphta- Wasseremulgationsgemisch im Mischungsverhältnis von 1 : 1, welches mit chemischen Bindemitteln stabil gehalten wurde, in einem Dieselmotor zu verbrennen. Dabei ergaben sich andersartige und unvorhergesehene technische Fakten:

1. Der Wirkungsgrad der Verbrennung stieg an und der Schadstoffemissionswert sank sehr stark.
2. Der Kraftstoffverbrauch verringerte sich.

Dieses Kraftstoffgemisch wird in den USA von 50.000 LKW seit über einem Jahr getestet und bis jetzt für gut befunden.

Emulgationen von Brennstoffen mit Wasser in Verbindung mit chemischen Emulgatoren für Verbrennungskraftmaschinen stellen als solches somit keine Neuerung in diesem Marktsegment dar.

Unsere eigenen Forschungsergebnisse besagen, daß ein Emulgationsgemisch von Brennstoff und Wasser von 40 Sekunden bis über eine Minute bei sehr feiner Emulgation stabil ist. Damit sind die Voraussetzungen für ein Vorschaltgerät erfüllt, welches ohne chemische Emulgatoren in der Kraftstoffzuführung zur Verbrennungskraftmaschine auskommt, denn die Emulsion wird schneller verbrannt, als daß sie zerfällt. Wir fanden weiterhin heraus, daß je feiner die Emulsion ist, desto besser ist der homogen verlaufende Reaktionsabbrand des Gemisches in der Verbrennungskraftmaschine.

Ebenso fanden wir heraus, daß bei unterschiedlichen Drehmomentverteilungen auf eine bestimmte Umdrehungszahl bezogen, das Emulgationsverhältnis zwischen Wasser und Kraftstoff eine große Wirkung auf den Wirkungsgrad und auf die Gegenmomentenentwicklung hat. Diese Forschungsergebnisse geben die Verwendung der Ultraschalltechnik für die Emulgation, bei dem derzeitigen Stand der Technik, zwingend vor, da die statistische Tröpfchengröße des Emulgationsgemisches homogen einheitlich groß sein muß, um eine optimale Verbrennungskatalyse hervorzurufen.

Dieses hat zur Folge, daß bei einer optimalen Verbrennungsnutzung des Kraftstoffes das Emulgationsverhältnis regeldynamisch verändert werden muß. Da besonders bei Kraftstoffen mit hoher Entflammtemperatur oder/und niedrigem Verdampfungsgrad es damit auf die statistische Konstellation der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der chemisch reaktiven Moleküle an den Begrenzungsoberflächen zum Kraftstoffgemisch ankommt, um eine Oxidationsreaktion zu starten, bei der eine Verdampfungsreaktion durch die freiwerdende thermodynamisch aktive Energie "Oxidationswärme" des Brennstofftröpfchens bewirkt wird, bei der die Tröpfchenoberfläche noch weiter ansteigt, bis eine statistisch hoch verstärkte Einzelmolekülreaktion mit dem Sauerstoff der Luft abläuft. Bei Emulgation von Wasser in gewissen Masseanteilen mit dem Brennstoff, bewirkt mit zwei Effekten eine verstärkte Oxidationsreaktion im Verbrennungsablauf mit dem Sauerstoff der Luft:
Die Verdampfungstemperatur bei den entstehenden physikalischen Vorbedingungen ist im allgemeinen niedriger als die des Brennstoffes und bewirkt zusammen mit der katalytischen Oxidationsvermittlungsfähigkeit des Wassers durch Dissoziation und polaren Ionenbindungsfeldern eine hohe Verstärkung des Verdampfungsgrades und die statistischen Oxidationsreaktionswahrscheinlichkeiten eines Oxidationsabbrandes mit dem Sauerstoff der Luft.

Damit kommt es bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Wasser nicht mehr zur Entstehung zweier Oxidationsstufen während der Verbrennung, d. h. es kommt fast nicht mehr zur CO-Bildung und zur Bildung von Rußpartikeln.

Wir definierten die Anforderungen an das zu entwickelnde System wie folgt: Die Emulgationsanordnung wurde mit einem Ultraschallemulgator bei einer Frequenz von 20 KHz realisiert, wobei eine möglichst kleine Tröpfchengröße, im Verhältnis zum technologischem Aufwand erreicht wird. Der Ultraschallemulgator kann technisch zwei Voraussetzungen erfüllen:

1. Ultraschallvorschaltemulgator für gegebene umzurüstende Systeme.
2. Ultraschalleinspritzvorrichtung mit Kraftstoff-Wasser-Emulgationskanal.

Bei der zweiten Anordnung, bzw. einem Nachrüstsatz für Verbrennungskraftmaschinen würde bei Einspritzmotoren die Einspritzpumpe entfallen. Für die technologische Spezialisierbarkeit der Emulgationseinrichtung kann man elektronisch über eine Steuerung die physikalischen Verbrennungswertparameter über die Mischungsverhältnisänderung verändern. Der fertigungstechnologische Aufwand bei Ultraschallemulgatoreinspritzvorrichtungen sinkt mit der Maßnahme des Ersatzes der herkömmlichen Einspritzvorrichtung erheblich und die Anpassung eines vorhandenen Systems mit dieser neuen Anforderungsumgebung wird maßgeblich vereinfacht.

Die Umwelttechnische Vorteile des wasseremulgierten Kraftstoffes lassen sich folgendermaßen vereinheitlichen:
Verbrennungskraftmaschinen haben mit wasseremulgierten Kraftstoffen einen höheren Nutzleistungsfaktor und bessere Schadstoffemissions grenzwerte. Die Schadstoffemissionswerte sind deshalb so niedrig, weil nach unseren Forschungsergebnissen bei der Verbrennung des Kraftstoffgemisches mit der Luft (ca. 21% Sauerstoff) das Wasser eine katalytische Wirkung bei der sauerstoffoxidationsreaktiven Redoxreaktion aufweist, und zwar in der Art, das die Dissoziation des Wassers und die physikalische Bindung des Wassers an Sauerstoff, die Aufenthalts wahrscheinlichkeit des Sauerstoffes in der Luft an das zu verbrennende Kraftstoffgemisch stark steigert, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit des Abbrandes steigt, und die unvollständigen Abbrandreaktionen sinken.

Eine Anwendungsspezialisierung ist der Bereich der Hausfeuerungsanlagen, die sich auch mit diesem System nachrüsten lassen können. So können auch ältere Anlagen verschärfte Abgasverordnungen erfüllen.

Die Anwendung des wasseremulgierten Kohlenwasserstoffes in Ottomotoren ist eine durchaus denkbare Realisierung zur Schadstoffreduktion als Alternative zum Dreiwegekatalysator.

Claims

1. Emulgationseinrichtung zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zu Verbrennungszwecken, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emulgationsvorrichtung mittels longitudinalen Wechselfeldern, beispielsweise (Ultra)-Schallwellen für Kohlenwasserstoffen mittleren bis niedrigen Viskositätsgrads mit Wasser zu Antriebszwecken in Verbrennungsmaschinen wie Turbinen, Otto- und Dieselmotoren sowie Verbrennungsanlagen und Feuerungssystemen eingesetzt wird.

2. Emulgationseinrichtung zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zu Verbrennungszwecken nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emulgationsvorrichtung mittels longitudinalen Wechselfeldern, beispielsweise (Ultra)-Schallwellen für Kohlenwasserstoffen mittleren bis niederigen Viskositätsgrads mit Wasser zu Antriebszwecken in Verbrennungsmaschinen wie Turbinen, Otto- und Dieselmotoren sowie Verbrennungsanlagen und Feuerungssystemen als Nachrüstsatz eingesetzt wird.

3. Emulgationseinrichtung zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zu Verbrennungszwecken nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenfeld auf dem Abstrahlelement, welches den Schalldruck für die zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser notwendige Energie, durch Interferieren von zwei oder mehreren Wellenfeldern untereinander erzeugt wird.

4. Emulgationseinrichtung zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zu Verbrennungszwecken nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer optimalen Verbrennungsnutzung des Kraftstoffes das Emulgationsverhältnis der Emulgationspartner regeldynamisch veränderbar ist.

5. Emulgationseinrichtung zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zu Verbrennungszwecken nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Kohlenwasserstoffemulgation mit Wasser als Einspritzanordnung in den Verbrennungsreaktionsraum für Verbrennungsmotoren, Turbinen und Feuerungseinrichtungen genutzt wird.

6. Emulgationseinrichtung zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zu Verbrennungszwecken nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emulgationsvorrichtung mittels longitudinalen Wechselfeldern, beispielsweise (Ultra)-Schallwellen zur Kohlenwasserstoffemulgation mit Wasser als Einspritzanordnung in den Verbrennungsreaktionsraum für Verbrennungsmotoren, Turbinen und Feuerungseinrichtungen genutzt wird.

7. Emulgationseinrichtung zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zu Verbrennungszwecken nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emulgationsvorrichtung mittels longitudinalen Wechselfeldern, beispielsweise (Ultra)-Schallwellen zur Kohlenwasserstoffemulgation mit Wasser als Einspritzanordnung in den Verbrennungsreaktionsraum für Verbrennungsmotoren, Turbinen und Feuerungseinrichtungen als Nachrüstsatz genutzt wird.

8. Emulgationseinrichtung zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zu Verbrennungszwecken nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emulgationsvorrichtung, welche den Schalldruck für die zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wassernotwendige Energie, durch Interferieren von zwei oder mehreren Wellenfeldern untereinander erzeugt mittels longitudinalen Wechselfeldern, beispielsweise (Ultra)-Schallwellen zur Kohlenwasserstoffemulgation mit Wasser als Einspritzanordnung in den Verbrennungsreaktionsraum für Verbrennungsmotoren, Turbinen und Feuerungseinrichtungen genutzt wird.

9. Emulgationseinrichtung zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wasser zu Verbrennungszwecken nach einem der vorhergehenden oder nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emulgationsvorrichtung welche den Schalldruck für die zum Emulgieren von Kohlenwasserstoffen mit Wassernotwendige Energie, durch Interferieren von zwei oder mehreren Wellenfeldern untereinander erzeugt mittels longitudinalen Wechselfeldern, beispielsweise (Ultra)-Schallwellen zur Kohlenwasserstoffemulgation mit Wasser als Einspritzanordnung in den Verbrennungsreaktionsraum für Verbrennungsmotoren, Turbinen und Feuerungseinrichtungen als Nachrüstsatz genutzt wird.