DE20105865U1 - Verbrennungsmotor mit verbessertem Verbrennungsprozess - Google Patents

Verbrennungsmotor mit verbessertem Verbrennungsprozess

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Description

Verbrennungsmotor mit verbessertem Verbrennungsprozess
Die Erfindung gehört zum Maschinenbau und zwar zum Motorbau mit der Benutzung ergänzlicher und unergänzlicher Kohlenkraftstoffen mit Wasser als Oxydiermittell.
Bekannt ist die Benutzung des Wassers in den Verbrennungsmotoren als Brennstoffzusatz [2,4]. Die Wasserhinzufühgung (7-10 %) zum Kraftstoff-Luft-Gemisch senkt die Maximaltemperatur des Brennprozesses. Die Bildungsverhältnisse der Stickstoffoxyden (NxOy) [4] verschlechtern sich, die Oktanzahl des Brennstoffes wird auf 5-7 Einheiten erhöht, bei den Dieselmotoren wird das Geräusch vermindert [3,4]. Die zur Verfügung stehenden Daten der Auswirkung des Wasserzusatzes auf die Leistungsfähigkeit und Ökonomie des Motors sind widersprüchlich.
Weit bekannt ist die Benutzung der Wasser-Brennstoff-Emulsion in den Ottomotoren [1,2,3,]. Die Wasser-Brennstoff-Emulsionen (Kraftstoff, Wasser und Emulgator) erhöhen die Oktanzahl der Benzine im Durchschnitt auf 10 Einheiten [1,2]. Dieses ermöglicht die Erhöhung des Verdichtungsgrades des Motors, was die Leistungsfähigkeit und die ökonomischen Daten des Motors verbessert [1,3]. Als Mängel der Wasser-Brennstoff-Emulsion kann man ihre geringe physikalische und chemische Stabilität nennen.
Zum erstenmal wurde das Wasser als Oxydiermittel im Konversionsgenerator zur Konversion des Kraftstoffes benutzt [5-9]. In diesem Generator wurde der kohlenwasserstoffhaltige Kraftstoff unter Sauerstoffmangel verbrannt, dann wurde der Kohlenoxyd (CO) im Wasserdampf zum Kohlendioxyd (CO2) oxydiert und der Wasserstoff des Wassers als Wasserstoff (H2) reduktioniert, das gebildete wasserstoffhaltige Gas wurde abgekühlt und dann in die Zylinder des Motors angesaugt. Ähnlicher Konversionsgenerator wurde in das Auto "Chevrolet" (Bj. 1973) eingebaut [8]. Es wurden bei der Prüfung positive Ergebnisse der leistungsfähigen, ökonomischen und ökologischen Daten erreicht. Mangelhaft ist, dass das Auto mit einem zusätzlichen feuergefährlichen und komplizierten Konversionsgenerator ausgestattet wird.
In den Erfindungen [11,13] wurde die Konversion des Kraftstoffes (Benzin, Diesel und Gas) in den Zylindern des Motors durchgeführt, d.h. dass die Notwendigkeit des Konversionsgenerators im Auto ausfällt. Aber die Konstruktion der Brennkammer ist bedeutend komplizierter geworden, erhöht sind die aerodinamischen Verluste bei der Überströmungen, vergrößert ist die relative Berührungsoberfläche der Gase. Die Konversion des Kraftstoffes im Wasserdampf wurde bei der Atmosphärenluftanwesenheit durchgeführt, was der Reduktion des Wasserstoffes aus Wasser verhindert.
Als Prototyp der Erfindung ist die Erfindung "Arbeitsweise des Verbrennungsmotors" gebraucht [13]. Mittels eines Verbrennungsmotors mit Fremdzündung, wobei der Brennraum in einen Hauptbrennraum und zwei untereinander verbundene Nebenbrennräume aufgeteilt ist, wird in einer Nebenkammer fettes Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt, welches in die zweite Nebenkammer überstömt, mit dem dort angesaugten überhitzten Wasserdampf reagiert und anschließend weiter in den Hauptraum ausströmt, um dort restlich zu oxydieren.
Zu den Mängeln des Prototyps gehören:
- die Erhöhrung der aerodinamischen Verluste bei der Übersrömung der Gase von einer Kammer in die andere, was zur Verminderung des Effektivwirkungsgrades des Motors führt;
- die Vergrößerung der relativen Berührungsoberfläche der Gase, was zu zusätzlichen Wandwärmeverlusten führt;
- die Komplikation der Brennkammerkonstruktion, was zur Erhöhung der Herstellungskosten führt und
- die Durchführung der Kraftstoffkonversion bei der Atmosphärenluftanwesenheit, was zur Verminderung des Wasserstoffreduktionsgrades führt.
Der in Schutzansprüchen angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Funktion des Verbrennungsmotors mit Erdöl-, Syntese- und Pflanzenbrennstoffen sicherzustellen, seine Umweltverschmutzung zu vermindern und seine leistungsfähigen und ökonomischen Daten beizubehalten und bei der Saurstoffbenutzung - zu verbessern.
Dieses Problem wird mit den in Schutzansprüchen aufgeführten Merkmalen, wie die folgerichtige Verbrennung des Kraftstoffes: zuerst Oxydations-Reduktions-Reaktion und dann - Oxydationsreaktion; das Vorhandensein eines Generatorzylinders, der nicht mit der Atmosphäre verbunden ist, und eines (mehreren) Arbeitszylinders; die Verbindung der Evaporationskammer mit der elektromagnetischen und automatischen Düse für Zufuhr des Kraftstoffes und Wassers, sowie mit dem Ansaugventil und sie ist im direkten Kontakt mit dem Auspuffkrümmer; die Bestehung des Ansaugkrümmers aus zwei durch ein elektromagnetisches Ventil miteinander verbundenen Luftrohleitung und Gasrohrleitung; die Verbindung der Gasrohrleitung des Ansaugkrümmers mit dem Auspuffventil des Generatorzylinders und der Luftrohrleitung - mit dem Filter des Motors und den Ansaugventilen der Arbeitszylinder; der Beginn der Einspritzung des Kraftstoffes und Wassers in die Evaporationskammer am Anfang der Verdichtung im Generatorzylinder; die entsprechenden Verhälnisse des Volumens der Gasrohrleitung und des Hubraums des Generatorzylinders, gelöst.
Die angemeldeten gekennzeichneten Merkmale machen den Verbrennungsmotor mit Fremdzündung alles verzehrend (universal), einfach, günstiger und bei der Erdölkrise sehr benutzbar, weil der Erdöl-, Syntese- oder Pflanzenkraftstoff und Wasser in die Evaporationskammer am Anfang der Verdichtung des Generatorzylinders eingespritzt, mit der Wärme der Auspuffgase erhitzt und verdampft, dann in den Generatorzylinder angesaugt und angezündet wird, wo eine Oxydations-Reduktions-Reaktion vorgeht und ein wasserstoffhaltiges Gas gebildet wird, das dann in den Arbeitszylindern restlich in der Atmosphärenluft (Sauerstoff) verbrannt wird, das gewährleistet das Erfindungsziel. Mit der Erfindung wird erreicht:
- dass bei der Benutzung des Sauerstoffes am Auto:
a) die Leistung des Motors sich teoretisch 4,8 Mal erhöht;
b) der Brennstoffverbrauch sich auf 5-7 % vermindert wird und
c) der Motor für die Umwelt nicht gefährlich ist, außer der CO2-emission;
- dass bei der Atmosphärenluftbenutzung die leistungsfähigen, ökonomischen und
ökologischen Daten beibehalten werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhang der Figuren 1-6 erläutert. Es zeigt: Fig.1. Das prizipielle Schema des Verbrennungsmotors mit verbessertem
• ·*··· · I &Idigr; »,I, · i &idigr;
„ 4 -
Verbrennungsprozess (Längsschnitt);
Fig.2. Das Diagramm der Anordnung der Kurbelkröpfung eines Dreizylinderottomotors
und seine Zylinderreihenfolge (2-1-3);
Fig.3. Querschnitt (dem Ansaugventil des Arbeitszylinders entlang) des
Motors;
Fig.4. Querschnitt (dem Ansaugventil des Generatorzylinders entlang) des
Motors;
Fig.5. Querschnitt (dem Auspuffventilm des Generatorzylinders entland) des
Motors und
Fig.6. Querschnitt (dem Auspuffventilm des Arbeitszylinders entlang) des
Motors.
Als Beispiel der technischen Verwirklichung der Erfindung ist ein Dreizylinderottomotor (1) mit den serienproduktionsgestattenen Mechanismen und Systemen (Fig.1) genommen, außer den Ansaug- und Auspuffkrümmern, die modernisiert werden. Es wird die Verbreitung der Erfindung an alle Bauformen, Arten und Typen der Verbrennungsmotoren mit zwei und mehreren Zylindern vorgesehen.
Das Kurbelgetriebe des Motors besteht aus einem Zylinderblock 2 mit Arbeitszylindern 3,4 und Generatorzylinder 5, in denen sich Kolben 6, 7, 8 mit Pleueln 9,10, 11 befinden, die mit der Kurbelwelle 12 verbunden sind. Die Kurbelkröpfungen 13, 14, 15 der Kurbelwelle 12 sind zueinander im Winkel von 240 ° angeordnet (Fig.2).
Das Ventilsteuerungsgetriebe des Motors besteht aus Zylinderblockkopf 16 (Fig.1), in dem die Ansaugventile 17, 18, 19 und Auspuffventile 20, 21, 22 eingebaut sind.
Die Ansaugventile 17, 18 (Fig.3) verbinden entsprechend der Gasverteilung des Motors den Raum der Arbeitszylinder 3, 4 mit dem Ansaugskanal 23 des Zylinderblockkopfs 16, mit den Quer- 24 und Längs- 25 Luftrohrleitungen durch ein elektromagnetisches Ventil (Drosselklappe) 26 mit der Gasrohrleitung 27 des Ansaugkrümmers 28.
Das Ansaugventil 19 (Fig.4) verbindet entsprechend der Gasverteilung des Motors den Raum des Generatorzylinders 5 mit dem Raum 29 der Evaporationskammer 30 durch den Ansaugskanal 31. In der Evaporationskammer 30 wird eine elektromagnetische Düse 32 ( es ist möglich drei Düsen einzubauen) für Zufuhr der schweren (Pflanzenöl) und leichten (Benzin) Kraftstoffe und Wasser eingebaut. Zur Verbesserung des Evaporationsprozesses des schweren Kraftstoffes und Wassers ist in äer Evaporationskammer 30 auf ihrem Boden eine Reihe von Rippen 33 vorgesehen und sie ist mit dem Auspuffkrümmer 34 in direktem Kontakt.
Das Auspuffventil 22 (Fig.5) verbindet den Raum des Generatorzylinders 5 mit der Gasrohrleitung 27 durch die Querrohrleitung 35 des Ansaugkrümmers 28 und Ansaugskanals 36 des Zylinderblockkopfs 16.
Die Luftrohrleitung 25 des Ansaugkrümmers 28 ist mit dem Luftfilter 37 des Motors verbunden, aber sie kann auch mit enem Sauestoffgenerator (auf den Figuren nicht gezeigt) verbunden sein.
Die Auspuffventile 20, 21 verbinden im erforderlichen Moment den Raum des Arbeitszylinders 3, 5 mit dem Auspuffkrümmer 34 durch ein Auspuffkanal 38 des Zylinderblockkopfs 16 (Fig.6).
Der Verbrennungsmotor mit verbessertem Verbrenungsprozess funktioniert auf folgende Weise:
• ·
Funktion des erwärmten Motors auf allen Regimen
Wenn der Kolben 8 des Generatorszylinders 5 sich in die Richtung von UTP zum OTP bewegt und die Ventile 19 und 22 sind geschlossen ( Beginn des Dichtungstaktes, auf den Figuren ist dieser Moment nich gezeigt) wird in den Raum 29 der Evaporationskammer 30 mit der elektromagnetischen Düse 32 schweres Kraftstoff (Diesel, Pflanzenöl) und Wasser unter Druck 5-10 Bar eingespritzt. Die Zeit, die der Kolben 8 zur Durchführung der Dichtungs-, Arbeits- und Auspufftakten braucht, wird zur Erwärmung (Wärme der Auspuffgase) und Evaporation des Kraftstoffes und Wassers festgesetzt. Die ist 3-4 Mal länger als die Zeit, die grundsätzlich zur Gemischbildung bei den bekannten Ottomotoren festgesetzt ist. Außerdem wird im Raum 29 der Evaporationskammer 30 die Temperatur in Toleranz 200-300 0C beibehalten. Dieses ermöglicht noch vor dem Ansaugstakt des Generatorzylinders 5 ein vollevaporiertes, gleichmäßig verteiltes Gasgemisch von Kraftstoff und Wasser zu bekommen.
Bei der Bewegung des Kolbens 8 von OTP zum UTP (Ansaugstakt, 180 ° der Umdrehung der Kurbelkröpfung 15, Fig.2) und bei geöffnetem Ventil 19 (Fig.4) wird aus dem Raum 29 der Evaporationskammer 30 das gasförmige Wasser-Kraftstoff -Gemisch in den Zylinder 5 eingesaugt.
Wenn die Kurbelkröpfung 15 (Fig.2) sich bis 360 ° umdreht und der Kolben 8 sich von UTP zum OTP bei den geschlossenen Ventile 19, 22 bewegt, wird das Wasser-Kraftstoff-Gemisch verdichtet und in entsprechendem Moment entzündet. Nach dem folgt in dem Generatorzylinder 5 bei Idealfall eine Oxydation-Reduktion-Reaktion nach folgender Formel:
CmHn + 2m H2O = m CO2 + (0,5n+2m) H2 &tgr; + Q1 (1
Die ausgeschiedene Wärme Q1 wird in mechanische Arbeit verrichtet: der Kolben 8 bewegt sich von OTP bis UTP und die Kurbelkröpfung 15 dreht sich bis 540 "um.
Bei weiteren Umdrehungen der Kurbelwelle 12 bewegt die Kurbel kröpfung 15 den Kolben 8 bei geöffnetem Auspuffventil 22 vom UTP zum OTP. Das wasserstoffhaltige Gas wird in die Gasrohrleitung 27 ausgestoßen (Fig.5), das zu dem elektromagnetischen Ventil 26 der Arbeitszylinder 3 und 4 geführt wird (Fig. 3). Dann wird bei geöffneten Ansaugventilen 17, 18 und elektromagnetischem Ventil 26, wegen des im Zylinder 3 gebildeten Unterdruck, der aus der Gasrohrleitung 27 wasserstoffhaltiges Gas und die Luft (Sauerstoff) aus dem Luftfilter 37 die Luft- 25 und Querrohrleitung 24 entlang zusammen den Ansaugskanal 23 entlang in diesen Zylinder (Fig. 3) entsprechend der Arbeitsordnung des Motors eingesaugt. Also werden die Arbeitszylinder 3 und 4 bei dem Ansaugprozess mit dem Gasgemisch aus Luft(Sauerstoff), aus Wasser (H2O) und Kraftstoff (C1nHn) reduzierten Wasserstoff (H2) und Kohlendioxyd (CO2) gefüllt (s. Formel 1).
Das verdichtetes Gasgemisch wird in den Arbeitszylindern 3 und 4 entsprechend der Arbetsordnung des Motors fremd gezündet. In der Brennungskammer dieser Zylinder wird eine Oxydation-Reaktion nach folgender Formel vorgehen:
- wenn Sauerstoff eingesaugt wird, dann
2H2 + O2 = 2H2O + Q2, (2)
— &ogr; --
CO2 - Nebenrest,
O2-ReSt;
- wennÄtmosphärenluft eingesaugt wird, dann
2'H2+ O2= 2 H2O + Q3, (3)
&khgr; N2+O2= 2 N„0 -Giftigkeitskomponenten, ,
CO2 -Nebenrest,
. O2 -Rest. ■ '
Die anderen Takten in den Arbeitszylindern gehen anaiogisch wie bei bekannten Motoren mit Fremdzündung vor, deshalb ist ihre Beschreibung und Erklärung sinnlos.
Anlaß des kalten Motors und seine Erwärmung
Anlaß des kalten Motors bei den höher als Gefrierpunkt Temperaturen und der Benutzung des Krafstoffes wie Benzine, Petroleum, Methanol, Alkogohol, Gase und anderer leichten kohlenwasserstoffigen Brennstoffe wird problemlos. Für diesen Fall hat man eine automatische Abschaltung der Zufuhr des Wassers ,in die Evaporationskammer 30 und während der Erwärmung des Motors wieder ihre Einschaltung vorgesehen. .
Die problemlose Anlaßfähigkeit des Motors erzielt man durch die Verlängerung des Evaporations- und Gemischprozesses gegen bekannten Ottomotor auf 5-6 Mal. Damit der Motor auch bei Minustemperaturen problemlos anspringt, benutzt man in der Evaporationskammer 30 eine Glühkerze (auf den Figuren nicht gezeigt).
Bei der Benutzung des schweren Kraftstoffes wie Diesel und Pflanzenöl wid der Anlaß und die Erwärmung des Motors mit leichtem Brennstoff durchgeführt und dann automatisch umgeschaltet. ;
Die Leistung und Umdrehungen des Motors können in folgender Weise gesteuert werden: . . .·...-'-
. - mit der Regelung der Mischung, wobei man auf die Menge des Kraftstoffes und Wasser wirkt, die Luftmenge bleibt konstant (Fall des Dieselmotors);
- mit Mengenregelung, wobei man auf die Menge der Ansaugluft wirkt, die Kraftstoffmenge ist von Luftmenge abhängig (Fall des Ottomotors mit einem Vergaser) und ■
- mit Kombinierungsregelung, wobei man auf die Kraftstoff-,und Luftmengen wirkt ( Fall des Ottomotors mit dem Kraftstoffeinspritz und der Drosselklappe).
Die bei der Gefrierung des Wassers entstehenden Probleme werden nicht erklärt. Sie sollten vorläufig mit bekannter Weise gelöst werden. In der Zukunft ist es möglich dem Menschen eines "leichtes Wasser" herzustellen, dessen Gefrierpunkt sich unter dem O 0C befindet. ' ■ ." . > ' . ,

Claims (1)

  1. Verbrennungsmotor mit verbessertem Verbrennungsprozess, der ein Kurbel- und Gasverteilgetriebe und die äußerst notwendigen Systeme des Einspritzottomotors, sowie auch ein System für Kraftstoff- und Wasserzufuhr, Ansaug- und Auspuffanlage enthält, dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Verbrennung des Kraftstoffes folgerichtig: zuerst die Oxydations- Reduktions-Reaktion und dann die Oxydationsreaktion dirchgeführt wird;
    - dass der Zylinderblock (2) aus einem (mehreren) Arbeitszylinder (3, 4) und einem Generatorzylinder (5) besteht, der nicht mit der Atmosphärenluft verbunden ist;
    - dass die Evaporationskammer (30) eine (mehrere) elektromagnetische und automatische Düse (32) für Zufuhr des Kraftstoffes und Wassers hat, mit dem Ansaugventil (19) verbunden ist und befindet sich mit dem Auspuffkrümmer (34) in direktem Kontakt;
    - dass der Ansaugkrümmer (28) aus Luftrohrleitung (25) und Gasrohrleitung (27) besteht, die miteinander mit einem elektromagnetischen Ventil (Drosselklappe) (26) verbunden sind;
    - dass die Gasrohrleitung (27) des Ansaugkrümmers (28) mit dem Auspuffventil (22) des Generatorzylinders (5) und die Luftrohrleitung (25) mit dem Luftfilter (37) und den Ansaugventile (17, 18) des Arbeitszylinders (3, 4) verbunden sind;
    - dass die Einspitzung des Kraftstoffes und Wassers in die Evaporationskammer (30) am Anfang der Verdichtung im Generatorzylinder (5) beginnt.
    - dass das Volumen (VGas) der Gasrohrleitung (27) und der Hubraum (VGen) des Generatorzylinders (5) im Verhältnis, wie n ≤ VGas/VGen ≥ 0,8 × n (n- Anzahl der Arbeitszylindern), sind;
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