DE2108579A1 - Verbrennungsmotorisches Verfahren mit außerhalb des Motors stattfindender und über eine partielle Verbrennung erfolgen der Vergasung flüssiger Brennstoffe und Kolben Brennkraftmaschine zur Durchfuh rung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Verbrennungsmotorisches Verfahren mit außerhalb des Motors stattfindender und über eine partielle Verbrennung erfolgendervergasung flüssiger Brennstoffe und Kolben-Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens Die erfindung bezieht sich auf ein in Zweitakt oder Viertakt arbeitendes, gemischansaugendes verbrennungsmotorisches Verfahren mit einer vor ihrer Verbrennung im Ms>tor außerhalb des Motors über eine abgestimmte partielle Verbrennung erfolgenden Vergasung von flüssigen Brennstoffen, vorzugsweise von bleifreien und nicht mit Aromaten künstlich angereicherten Leichtkraftstoffen, und auf eine Kolben-Brennkraftmaschinenanlage zur Durchführung des Verfahrens.
• Die Erfindung stellt sich vor allem die Aufgabe, mit einer zweckdienlichen, einfachen exothermen Vergasung flüssiger Brennstoffe die immer mehr zunehmende Verseuchung insbesondere der Großstadtluft mit gesundheitsschad lichen und belästigenden Inhaltsstoffen der von den konventionellen Kraftfahrzeug-Ottomotoren emittierten Abgase entscheidend einzudämmen. Hierbei sollen im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und Betriebstüchtigkeit die erforderlichen Maßnalmen möglichst einfach sein.
• Gleichzeitig mit einer entscheidenden Entgiftung der Abgase soll gegenüber den konventionellen Benzin-Ottomotoren - selbst unter Beibehaltung des für diese typischen homogenen Brennstoff/Luftgemisches - unter Ausnutzung der besseren Gemischbildungs- und Verbrennungsbedingungen bei einem gasförmigen Brennstoff über eine daraus resultierende sehr viel weitergehende Qualitätsregelung (Lastverminderung durch Verkleinerung des Gemischheizwertes = sog.
• Abmagerung des Gemisches) möglichst der spezifische Kraftstoffverbrauch be [g/PSe h] besonders in dem für Kraftfahrzeugmotoren wichtigen Teillastbetrieb vermindert worden.
• Abgesehen vom damit erreichten wirtsshaftl.ichen Vorteil liegt dies ganz im Sinne der vom Ethos ihres Derufes erfüllten tSotorenforscher, wie z.B. des weltweit bekannten M.otorenfachmannes Sir RICARDO, der fordert, daß die nicht unerschöpflichen Mineralölvorräte mit Hilfe verbrauchsgünstiger Verbrennungskraftmaschinen im Interesse unserer Nachkommen gestreckt werden müssen. Von besonderem Gewicht hinsichtlich des technischen Fortschrittes ist natürlich der mit dem Einsatz eines gasförmigen Brennstoff es verbundene, oben bereits erwähnte Vorteil einer gegenüber herkömmlichen,mit bleihaltigem und/oder zumindest aromatenhaltigem Benzin betriebenen Ottomotoren für die Reinhaltung der Atmungsluft entscheidenden Verminderung der Emission nicht nur an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, sondern - was sonst so problematisch ist - gleichzeitig auch an Stickoxid (NO).
• Das ist diejenige Komponente, die sowohl ein wichtiger Reaktionspartner bei der photosynthetischen Bildung des gefürchteten smogs ist, als auch unabhängig davon als solche stark toxisch wirkt, weshalb sie seit lanyem in einigen Ländern bei Untertagehetrieb ebenso wie Kohlenmonoxid konzentrationsmäßig limitiert wurde.
• Der mit dem vorgeschlagenen Verfahren erreichbare technische Fortschritt kann in erster Näherung aus den von anderer Seite entspre«-cend den Fahrbedingungen in Los Angeles durchgeführten Vergleichsversuchen beurteilt werden (vgl. R.C. LEE u. D.B. WIMMER: "ENhaust Emission Abatement by Fuel Variations to Produce Lean Ccmbustion", SAE-paper 680 769, insbesondere S. 13).
• Mit einer jeweils optimalen Frühzündung und mit einer für einen zündaussetzerfreien Betrieb jeweils größtmöglichen Abmagerung des Brennstoff/Luftgemisches wurde bei einem CFR-Einzylinder-Ylopfmotor, bei dem zwecks Erreichens eines möglichst homogenen Kraftstoff/Luftgemisches auch bei normalem Benzinbetrieb besondere Maßnahmen im Ansaugsystem vorgenommen worden waren (vgl. S. 13, Appendix A, linke Spalte: "baffled fuel-air mixing and vaporizing tank to produce as uniform a fuel-air mixture as possible"),das eine Mal handelsübliches Superbenzin und das andere Mal ein Gas in das Ansaugrohr im Sinne einer möglichst homogenen Gemischbildung eingeführt. Bis auf den Wasserdampfgehalt, der aber durch einen mit 82,2°C (# 180°F) betriebenen Gaskühler sehr wesentlich herabgesetzt wurde, entsprach das Gas zusammensetzungsmäßig demjenigen, welches sich aufgrund des Simultan-Gleichgewichtes bei 537,8°C (#1000°F) und 3,4 Atmosphären bei der bekannten endothermen Spaltvergasung von 1 kg Hexan mit 1,71 kg Wasser ergibt (vgl. Seite ll,linke Spalte, S. 3 ff u. S. 13, rechte Spalte, Appendix A, 2. Absatz).
• Im Vergleich zum Normalbetrieb mit Superbenzin konntentrotz der dort getroffenen Sondermaßnahmen zur Gemischhomogenisierung bei Betrieb mit obigem Spaltgas abgasemissionsmäßig im simulierten Großstadtverkehr folgende außercrdentlich gravierenden Vorteile erreicht werden, nämlich: a) Verminderung der Kohlenmonoxid-Fmission ur 98% b) Verminderung der Kolllellwasserstoff-"Emission um 99% c) Verminderung der Stickoxid-Emission um 87% (l) Gleichzeitig wurde der i@@izierte spezifische Brennstoffverbrauch um 13% erniedrigt (vgl. 5. rechte Spalte, Nr. 3).
• Diese ausnehmend große Reduzierung in der Emission giftiger Abgasinhaltsstoffe ist - wie in der angegebenen Litraturquelle im einzelnen nachgewiesen wird - die Folge einer besonders weitgehenden Gemischabmagerung bei Verwendung dieses Spaltgases als Brennstoff.
• Sie übertrifft, wie ebenfalls aus dieser Arbeit hervorgeht, selbst diejenige, wie sie bei Betrieb mit Methan erreicht werden kann und hat zur Folge, daß bei sonst gleichguten Emissionsvelrminderungen die Emissionsverminderung das Stickoxids beträchtlich größer ist, nämlich 87% gegenüber 59% (vgl. S. 12, rechte Spalte 3.d mit 2.d).
• In Anbctracht der besonders zunehmend strengeren Eimitierung der Emission gerade dieses Schadstoffes, die in nicht ferner Zukunft das Ende des konventionellen Otto-Benzinmotors sein kann, ist dieser Vorteil von ausschlaggebender Bedeutung.
• Das Wesen der Erfindung besteht nun darin, diese Vorteile eires Gasbetriebes zu erlangen und dabei ohne eine schon wegen der erforderlichen Katalysatoren aufwendige und besondere regeltechnische Probleme aufwerfende sowie aufbereitetes Wasser erfordernde Benzinspaltvergasungranlage auszukommen. Für eine erfolgreiche Anwendung von Gas als Brennstoff bei den PKW-Ottomotoren ist ja die Erfüllung der Forderung nach Einfachheit und damit Billigkeit sowie nach Robustheit und geringem Raumbedarf und nicht zuletzt nach guter Regelbarkeit sowie großem Aktionsradius eine unabuingbare Voraussetzung.
• Erfindungsgemäß wird diesen Forderungen unter weitgehender Beibehaltung der aufgezeigten abgasemissionsmäßigen Vorteile des Betreibs mit dem aus Benzin (und anderen leichtflüchtigen Kraftstoffen) und Wasser erzeugten Spaltgas dadurch entsprochen, daß ein vergleichsweise wesentlich einfacheres Gaserzeugunqsxrerfahren angewandt wird. Dies ist, genau wie das mit Wasser arbeitende katalytische Gaserzeugungsverfahren, an sich schon länqst von der Gaserzeugungsindustrie her bekannt, seine Applizierung bei Ottomotoren mit homogener Gemisch bildung zum Zwecke einer besonders ?eit.gehenden Verminderung unerwünschter Abgasinhaltsstoffe jedoch neu. Es handelt sich hierbei um eine Vergasung von flüssigen Brennstoffen mit Hilfe der in einer relativ einfachen, kontinuierlich arbeitenden Brennkammer bewery:-stelligten Verbrennung unter Luftmangel (partielle Verbrennung) Im Interesse eines guten Nutzwirkungsgrades der aus Brennkraftmaschine und Vergasungsreaktor bestehenden Gesamtanlage ist es vorteilhaft, vorzugsweise niedrigsiedende Brennstoffe, wie z.R, straight-run-Benzin (Grundbenzin), als Einsatzbrennstoff zu verwenden. Diese Art von Brennstoffen kann nämlich grundsätzlich riit relativ großem Luftmangel und entsprechend niedriger Reaktionstemperatur rußfrei vergast werden, so daß der der fühbaren wärme des erzeugten Brenngases am Austritt des Vergasun'qsreaktors cntsprechende Verlust an im Motor nutzbarer Brennstoffwär:ne, wie er bei der aus Gründen der Einfachheit vorgesehenen Gas zugabe ins Ansaugsystem des Motors aurtritt, klein gehalten werden kann.
• In an sich bekannter Weise kann durch eine äußere oder innere Rezirkulation einer abgestimmten Teilmenge des erzeugten Brenngases zum Anfang des Vergasungsreaktors die für eine rußfreie Vergasung erforderliche Reaktbnstemperatur noch weiter abgesenkt werden.
• Aufgrund der von dritter Seite vorgelegten Forschungsergebnisse kann die zulässige Reaktionstemperatur (Vergasungstemperatur) durch eine Wasserzugabe in den Vergasungsreaktor oder in die Leitung für die äußere Rezirkulation noch weiter erniedrigt werden, z.B. auf 600°C im Falle eines Destillatbenzins, was einem Luftverhältnis von nur #= rd. 0,18 entspricht. Im Vergleich zu der endothermen Spaltvergasung ist dabei der erforderliche Wasserbedarf pro kg eingesetzten Benzins wesentlich geringer, nämlich z.B. nur 0,2 kg Wasser/ kg Benzin. Mit höherer Siedelage (mittlererSiedetemperatur) des zu vergasenden Brennstoffes erhöht sich die zulässige niedrigste Vergasungstemperatur. Sie beträgt beispielsweise bei handelsüblichem Dieselkraftstoff 7500C,entsprechend einem Luftverhältnis von i = rd. 0,25 und einer Wasserzugabe von rd. 0,4 kg/kg Diesclkraftstoff.
• Ferner ist es im Zusammenhang mit einem Benzinvergasungsreaktor für alkalische Niedertemperatur-Brennstoffzelle bekannt, das Luftverhältnis x und damit die Vergasungstemporatur dadurch ungewöhnlich stark zu erniedrigen, daß die über eine partielle Verbrennung erfolgende Vergasung des eingesetzten straight-run-Benzins (Grundbenzins) in Gegenwart eines KataLysators durchgeführt wirdr der in geeigneter Weise auf einer zweckdienlich angeordneten keramikartigen Trägersubstanz aufgebracht ist. Diese Vergasungsart eignet sich besonders gut für das erfindungsgemäße motorische Verfahren, denn sie drängt aufgrund ihrer besonders geringen Exothermidität den thermodynamischen Nachteil des Verfahrens, nämlich den einer zeitunrichtigen Freisetzung von Brennstoffwärme, stark zurück.
• Dem genannten prinzipbedingten thermodynamischen Verlust bei dem erfindungsgemäßen Gasbetrieb wirkt im gesamten Betriebsbereich -die im Vergleich zum normalen Benzinbetrieb erwiesene bessere Verbrennung entgegen, welche sich durch eine Erhöhung des Gütegrades der Verbrennung äußert. Abgesehen vom obersten Leistungsbereich wirken sich außerdem als Fcige einer weitgehend ermöglichten QualitEtsregelung bei Gasbetrieb vor allem die geringeren Gaswechselverluste thermodynamisch günstig aus, die bekanntlich beim konventionellen Ottomotor mit seiner erforderlichen Quntitätsregelung (Drosselregelung) mit abnehmender Last und steigender Drehzahl immer größer werden und sich in einem sehr ungünstigen Teillastverbrauch äußern. Es kann erwartet werden, daß deswegen in einem weiten Betriebsbereich diese Vorteile den erörterten prinzipbedingten Nachteil sogar mehr als ausgleichen, so daß insgesamt mit einer merklichen Verbrauchseinsparung gerechnet werden kann. Dies wird umso mehr der Fall sein, je höher die Nennleistung eines Motors im Vergleich zum Gewicht des von diesem angetriebenen Kraftfahrzeugs ist, ein Trend, der zunehmend bei Personenkraftwagen zu beobachten ist.
• Wegen der durch Vorschriften oder durch das zunehmende Verkehrsaufkommen bedingten Fahrgeschwindigkeitsverminderung müssen nämlich derartig leistungsstarke Fahreuge mit immer niedrigerer Teillast betrieben werden, d.h. mehr gedrosselt werden.
• Der durch die fühlbare Wärme des durch partielle Verbrennung erzeugten Brenngases bedingte thermodynamische Verlust wird sich dagegen wegen geringerer gaswechselarbeitsmäßiger Vorteile mdglicherweise nicht ganz im oberen Leistungsbereich ausgleichen lassen, wenn die Motorleistung so niedrig gehalten ist, daß sie nicht nur gelegentlich beim Beschleunigen und beim Vollgas-Fahren auf der Autobahn voll in Anspruch genommen wird.
• Bei derartig im Vergleich zum Fahzeuggewicht kleinen Motoren wirkt sich ferner nachteilig die mit dem vorgeschlagenen Verfahren einhergehende Liefergradeinbuße aus, die durch die Zugabe von Brenngasen ins Ansaugsystem bedingt ist und die die Motorhöchstleistung entsprechend herabsetzt. Es sei jedoch an dieser Stelle ausdritcklich betont, daß dieser Nachteil naturgemäß bei Motoren nicht zum Tragen kommt, die so stark sind, daß sie praktisch nicht mit Volllast betrieben werden können, was im übrigen auch ihrer Lebensdauer zugute- kommt. Hier ergibt sich im Gegenteil sogar noch der Vorteil, daß die Grenzleistung, bei deren Unterschreitung zwecks Sicherstellung einer noch genügend schnellen Verbrennung von der Qualitäts-Regelung auf die gaswechselarbeitserhöhende Quantitäts (Drosse Regelung übergegangen werden muß, aufgrund der das Verbrennun-£-temperaturniveau erhöhenden Zugabe von heißen Brenngasen in die Ansaugluft noch zu kleineren Werten hin verschoben werden kanne Aus Vorstehendem ergibt sich zunächst die Schlußfolgerung, daß sah das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut für Kraftfahrzeuge mit. eügend starken Motoren eignet.
• Um seine Anwendung jedoch auch für Kraftfahrzeuge mit mittelstarken und vor allem für relativ schwache Motoren ohne Einbuße an die im normalen Benzinbetrieb erreichbare Höchstleistung zu erreichen, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, das Leistungsdefizit durch eine Abgasturboaufladung zumindest auszugleichen und darüberhinaus, um den Mehraufwand einer Abgasturboaufladung zu kompensieren, je nach den durch die mechanische und thermische Belastbarkeit des Motors vorgegebenen Grenzen,unter Berücksichtigung einer akzeptablen Lebensdauer des Motors die Höchstleistung gegenüber der im Benzin-Normalbetrieb erzielten zu erhöhen.
• Im Vergleich zum Normalbetrieb mit mehr oder weniger verbleitem Benzin ergibt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren dabei noch wegen des Einsatzes unverbleiter Kraftstoffe der Vorteil, daß störende Bleiablagerungen nicht nur im Motorbrennraum, sondern auch an der Beschaufelung der Turbine des Abgasturboladers, wo sie bekanntlich zu einer Verminderung des Turbinenwirkungsgrades führen können, vollständig eliminiert sind.
• Bedingt durch die besonders saubere Gasverbrennung werden bei Gasbetrieb auch andere vom Brennstoff herrührende Ablagerungen im Motor und in der Turbine hintangehalten, was auch den Verschleiß des Motors außerordentlich reduziert und die Stand zeit des Motorenöl s stark erhöht, zumal wegen der sehr viel geringeren Stickoxidbildung auch mit einer vergleichsweise yeringeren Versäuerung des (5ls durch aus Stickoxiden gebildete Salpetersäure gerechnet werden kann.
• Hinzu kommt als weiterer Vorteil des Betriebes mit aus flüssigen Kraftstoffen erzeugtem Gast daß wegen des gasförmigen Charakters des Brennstoffes und der daraus- r'esultierewJen vollständigeren Verbrennung die Bildung organischer Säuren, wie Ameisen- und Essigsäure, praktisch vermieden werden kann, was nicht nur die Ölversäuerung hemmt, sondern auch die Standzeit des Abgassystems erhöht und weiter die Reizwirkung des Abgases auf Nase und Auge sowie die Geruchsbelästigung durch Abgase herabsetzt. Gleiches slt auch bezug lich der Hintanhaltung der durch Aldehyde bedingten schädlichen Wirkung auf Nase und Auge sowie auch auf die Atmungsorgane, denn die Aldehyde (z.B. Formaldehyde und Acrolein) sind typische rrodukte steckengebliebener Verbrennungsreaktionen, deren Bildung mit Sicherheit bei Gasbetrieb entscheidend zurückgedrängt werden kann, und zwar nicht nur bei betriebswarmer tmschi.ne, sondern auch schon während deren Warmfahrperiode. Derselbe Vorteil ist bei Gasbetrieb in bezug auf die Emission von Abgasinhaltsstoffen zu erwarten, die krebserregend wirken können, wie vor allem das berüchtigte 3,4-Benzpyren. Diecer polycyclische Kohlenwasserstoff wird nach den neuesten Untersuchungen, bei denen die verbesserten Analysenmethoden nach Professor GRIF ER, Universität Hamburg, angewendet wurden, bei konventionellen Ottomotoren - entgegen den bisherigen Messungen - im ganzen Betriebsbereich emittiert und zudem noch in einer enge, die ganz wesentlich größer ist als diejenige, die man bisher erfassen konnte.
• Weiterhin. wird die Emission dieses heimtückischen Abgasinhaltsstoffes insofern von vornherein vermindert, als allein schon wegen des erwiesenen Zusammenhanges zwischen Aromatengehalt im flüssigen Kraftstoff und 3,4-Benzpyren-Gehalt im Abgas von Ottomotoren beim erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem von praktisch aromatenfreien, zumindest aber von im Vergleich zu Normalbenzin und Superbenzin aromatenarmen flüssigen Kraftstoffen ausgegangen wird, schlimmstenfalls mit einer unbedenklichen Emission dieses Schadstoffes gerechnet werden muß.
• Vollständig eliminiert wird schließlich beim vorgeschlagenen Verfahren, das die Verwendung bleifreier Benzine erlaubt, die Emission von Blei, das nach Meinung namhafter Wissenschaftler schon bei kleinen Konzentrationen in der l,uft zu Langzeitschä.digungen führen kann.
• Im Zusammenhang mit Maßnahmen zur Steigerung der Leistung des liefergradmäßig benachteiligten Verfahrens mit der einfachen Zugabe von aus flüssigen Kraftstoffen erzeugtem Brenngas ins Ansaugrohr des Motors wird, insbesondere für leistungsschwache Motoren, noch vorgeschlagen, das heiße Brenngas zu kühlen. Eine Abkühlung des Brenngases kann sich auch dann als notwendig erweisen, wenn die Gefahr besteht, daß sich das heiße Brenllgas schon beim Zurnischen in die Ansaugluft entzündet, was natürlich unter allen Umständen vermieden werden muß.
• In bekannter Weise kann das entweder indirekt durch einen mit Kühllu't oder einem flüssigen Kühlmedium beaufschlagter. Caskühler oder direkt durch eine zweckdienliche Wassereinspritzung in das heiße Brenngas nach dem Vergasungsreaktor bewerkstelligt werden, wobei in etzterem Falle vor allem durch eine bei der motorischen Verbrennung auftretende Ballastoffwirkung des entstehenden Wasserdampfes noch eine über die durch din Brenngasabkbhlung bedingte Reduzierung der Stickoxidbildung hinausgehende Verminderung der Bildung dieser glftigen Abgaskomponente erreicht wird.
• zum 1^m den Wasserverbrauch in Grenzen zu halten, soll dabei die @ssereinspritzung nur im oberen Lastbereich stattfinden, wo die @@@fergradeinbuße durch heißes Brenngas nachteilig und die Stick-@@@dbildung groß ist, oder mit abnehmender Motortemperatur (und da--i@ ab@chmander Last) immer mehr reduziert werden.
• @@@ eine möglichst weitgehende Anwendung der Qualitu@sregelung ist e@@ @@ch vorteilhaft, die indirekte Brenngaskühlung @@er Zuhilfenahme be@annter Regelungsanlagen so wie die Wassereinspritzung zu regeln.
• Im Fal@@ einer möglichst einfachen Anlage wird jedoch vorgeschlagen,im ga@@en Betriebsbereich eine indirekte Kühlung des erzeugten Brenngases durch @@ne äußere Verrippung der brenngasführenden Lei@ungen des Ansaugsystems vorzunehmen.
• Im Falle eines aufgeladenen Motors mit einem zur thermischen und mechanischen Entlastung sowieso vorgesehenen Ladeluftkühler kann dieser durch eine entsprechende Vergrößerung der Wärmeaustauschflächen und/oder des Kühlmitteldurchsatzes mit zur indirekten Kühlung des Brenngases herangezogen werden, wenn dieses mit Hilfe eines an sich bekannten Gasmischers in die die Verbrennungsluft des rotors führende Druckleitung des Abgasturboladers vor deren Eintritt in den Ladeluftkühler' eingeführt wird.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, zwecks Erzielung einer an sich bekannten passenden Ladungsschichtung im Zentrum des Brennraumes und einer damit verbundenen ganz besonders weitgehenden Gemischabmagerungsmöglichkeit sowie Erhöhung der Motorklopffestigkeit während des Ansaughubes eines Viertaktmotors durch bekannte Mittel, wie z.B. Schirmventil, tangential in den Zylinder einmündenden Einlaßkanal, Drallkanal, einen geeigneten Drall der Zylinderladung um die Zylinderachse zu Erzeugen. Zur Erhöhung der Winkelcjeschwindigkeit (Q der sich wie ein Festkörper drehenden, aus Luft und Brenngas sowie gegebenenfalls aus Restgas bestehenden Zylinderladung und damit zu einer besseren Ansammlung des im Vergleich zur Luft wegen seines niedrigeren mittleren Molekulargewichtes leichteren Brenngases im Zentrum des Brennraumes wird vorgeschlagen, in bekannter Weise einen im Bereich der Zylinderachse liegenden, im wesentlichen rotationskörperförmigen Brennraum zu benutzen, dessen größter Durchmesser,je nach den Erfordernissen der Intensität der Ladungsschichtung und der Verbrennung,mehr oder weniger kleiner als der Zylinderdurchmesser ist, wobei in an sich bekannter Weise der Brennraum im Kolben oder im Zylinderkopf oder teilweise sowohl im Kolben als auch im Zylinderkopf angeordnet ist.
• Als ein prinzipielles Merkmal des Verfahrens ist die erfindungsgemäße Abzweigung der Vergasungsluft von der zur Brennkraftmaschine hin strömenden Luft zu werten. Im Falle eines freisaugenden Verbrennungsmotors erfolgt dabei die Abzweigung der Vergasungsluft hinter einem gemeinsamen Luftfilter für die lIotorverbrennungsluft, im Falle der aufgeladenen Brennkraftmaschine erfolgt dagegen die Entnahrne der Vergasungsluft aus dem Luftzufuhrsystem des Motors hinter dem Lader.
• Im Falle des freisaugenden Motors erfolgt die Eihrung des im Vergasungsreaktor erzeugten Breringases vor der Drosselklappe in der Hauptleitung des Ansaugsystems, die erst dama wirksam wird, wenn die Grenze einer vorteilhaften Gemischabmagerung erreicht ist, d.h. im unteren bis mittleren Lastbereich.
• Im Falle des aufgeladenen Motors mit einer nach dem Lader.angeordneten Drosselklappe erfolgt die Einführung des Brenngases aus Gründen einer regelungstechnischen Vereinfachung ebenfalls vor der Dros selklappe, wobei bezüglich des Wirksamwerdens der Drosselklappe das Gleiche gilt wie für die freisaugende maschine, Sofern ein wechselweiser Normalbetrieb mit einem geeigneten Leichtkraftstoff erwünscht ist, kann dieser in einfachster Weise dadurch realisiert werden, daß in den Vergasungsreaktor zwar dieser Kraftstoff eingedüst wird, jedoch nicht gezündet wird. Um einen zündaussetzerfreien und überhaupt einwandfreien Motorbetrieb sicherzustellen, muß dann allerdings zur Leistungsregelung auf die bei konventionellen Ottomotoren erforderliche Drossel (Quantitäts-) regelung übergegangen werden, wobei in bekannter Weise die pro Zeiteinheit eingespritzte Brennstoffmenge sich vor allem nach dem Luftdurchsatz richtet, aber auch, wie bei Benzineinspritzmotoren, noch andere Betriebsgrößen berücksichtigt werden. Eine Umschalung auf Normalbebetrieb mit einem geeigneten Leichtkraftstoff läßt sich auch dadurch erreichen, daß in bekannter Weise im eigentlichen Ansaugrohr des Motors ein Vergaser installiert wird oder eine normale Einspritzanlage mit Saugrohreinspritzuny vorgesehen wird, die durch eine Kraftstoffumschaltvorrichtung in Funktion gesetzt werden kann.
• Die Regelung der dem Vergasungsreaktor zuzuführenden Vergasungsluft menge und zu vergasenden flüssigen Brennstoffmenge, deren Verhältnis bekanntlich stark die Gaszusammensetzung und die Gastemperatur bestimmt, soll im einfachsten Fall derart erfolgen, daß im gesamten Betriebsbereich, d.h. bei allen Durchsätzen an Vergasungsluft und Einsatzbrennstoff, die Gastemperatur im wesentlichen auf einen konstanten Wert gehalten wird, bei dem einerseits eine Rußbildung noch nicht auftritt und andererseits bei einem vorgegebenen Ottomotor eine klopfende Verbrennung vermieden wird und unter Beachtung einer günstigen Kraftstoffausbeute (effektiver spezifischer Verbrauch) und Leistungsausbeute (Höchstleistung, effektiver Vollast-Mitteldruck) eine möglichst große Verminderung der Emission schädlicher Abgasinhaltsstoffe in den Abgastestverfahren, wie z.B.
• Oalifornia-Test oder Europa-Test, eintritt.
• Die Verwirklichung dieses Regelungsverfahrens kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß mit Hilfe eines am Ausgang des Vergasungsreaktors angeordneten Thermostaten, dessen Temperaturfühler vom erzeugten Gas bespült wird und der die Regelimpulse gibt, die den Brennstoff- und Vergasungsluftdurchsatz steuernden Organe, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Verstärkervorrichtungen, entsprechend verstellt werden.
• Unter Inkaufnahme einer etwas aufwendigeren Regelungsanlaae und womöglich eines etwas geringeren thermodynamischen Wirkungsgrades läßt sich die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens einer entscheidenden Abgasentgiftung noch optimaler lösen. Hierzu wird vorgeschlagen, die Temperatur des den Vergasungsreaktor verlassenden Gases (Reaktionstemperatur) und damit das Mengenv@rhältnis Vergasungsluft zu Einsatzbrennstoff nicht auf einen konstanten Wert einzuregeln, sondern je nach Last und Drehzahl <½ es Motors sowie gegebenenfalls je nach dem Zustand der Umgebungsluft mit Hilfe bekannter Regelungsvorrichtungen derart zu variieren, daß mit abnehmender Motorleistung (Produkt aus Last urd Drehzahl) und/oder Umgebungstemperatur eine höhere Reaktionstemperatur und als Folge davon ein wasserstoffreicheres Reaktionsgas erhalten wird und umgekehrt mit zunehmender Motorleistung und/oder Umgebungstemperatur eine niederere Reaktionstemperatur und als Folge davon ein methanreicheres Reaktionsgas mit einer höheren Klopffestigkeit bzw. höheren "performance number" erhalten wird, wodurch der mit zunehmender Leistungsabgabe zunehmenden Klopfneigung eines Ottomotors entgegengewirkt werden kann.
• Das vorgeschlagene Verfahren beschränkt sich natürlich nicht nur auf im Viertakt- oder Zweitakt- arbeitende tiubkvlbenmotoren, sondern kann selbstverständlich auch bei Rotationskolbenmotoren mit Fremdzündung angewendet werden.
• Bei beiden Kolbenmotorenarten soll dabei unter Fremdzündung nicht nur die konventionelle Zeitpunktzündung verstanden werden, sondern auch diejenigen Fremdzündungsmethoden eingeschlessen sein, die durch Einspritzen von Zündöl, durch katalytiscile Mittel oder durch lokalisierte heiße Stellen, wie z.B. Stabglühkerze,eine Zündung bewirken.
• Von den vielen Varianten der Kolben-Brennkraftmaschinen, die zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens in Betracht kommen, seien nachstehend die in Fig. 1 bzw.Fig.2 in vereinfachter schematischer Form beispielhaft dargestellte einfache Anlage bzw. komplexere Anlage erläutert.
• Bei der einfachen Prennkraftmaschinenanlage nach Fig. 1 gelangt der zu vergasende flüssige Brennstoff aus dem Brennstoff-Vorratsbehälter 1 über den geöffneten Brennstoffhahn 2 und die Brennstoffleitung 3 zur Brennstoffpumpe 4, die ihn unter einem fr eine gute Zerstäubung ausreichenden Druck über das Brennstoffmengenregelventil 5 und über eine nicht dargestellte Zerlstäubungsvorrichtung in den mit partieller Verbrennung (innere Beheizung) arbeitenden wärmeisoliertan Brennstoffvergasungsreaktor 6 in passend dosierter Menge einbrisgt. Die Vergasungsluftmenge wird von dem von der Kolben-Brennkraftmaschine angesaugten und in der Luftleitung 8 geführten Gesamtluftstrom, der im Luftfilter 7 gereinigt wird, abgezweigt und gelaugt durch die Vergasungsluftleitung 9 über das vergasungsluftm@ege@regelventil 11 in passend dosierter Menge in den Brennstoff-@@asungsreaktor 6.
• w@hl die Regelung der Brennstoffmenae als auch die der Vergasungs-@ftmenge erfolgt im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit Hilfe eines @@ Impulsgeber fungierenden Fühlers 12 für die Brenngastemperatur @ Austritt des Vergasungsreaktors 6 und mit Hilfe weiterer bekannter, @@ @icht dargestellter Regelungsanlagenteile im Sinne der Auf-@cht@rhaltung einer geeigneten konstanten Vergasungstemperatur im @samten Motorbetriebsbereich.
• wärderung der Vergasungsluft zum Vergasungsre@@@ 6 wird dadurch @@@belligt, daß in ihm durch Anschließen der dort ausgehenden @@@@s@eitung 13 an den engsten Querschnitt des Venturirohrförmig @@@@el @deten Gas/Buftmischers 14 ein genügend starker Unterdruck Pe@enäber @e Luftleitung 8 entsteht.
• @@@ @r1. bes Lastverminderung ein nicht mehr verbrenm@@gs@ und damit auch verbrauchsgünstiger Betrieb durch eine drosselverlustarme Dibmagerung des im Gas/Luft-Mischer erzeugten homogenen Brenngas/ Luft-Gemisches allein erreicht werden kann (Qualitätsregelung), wird der Gemischmengcndurchsatz durch Betätigen der Drosselklappe 15 reduziert (kombinierte Qualitäts-Quantitätsregelung).
• Die Abgase der Brennkraftmaschine 16, deren Abtriebswelle mit 17 bezeichnet ist, werden durch die Abgasleitung 18 abgeführt.
• Als Brennkraftmaschinenarten kommen für den gewählten Beispielsfall nicht nur fremdgezündete gemischansaugende Ottomotoren, sondern auch sogenannte Dieselgasmotoren in Betracht, die zwar auch ein srenngas/Luft-Gemisch ansaugen, im Gegensatz zu den Otto-Gasmotoren wird jedoch die Zündung des Gemisches durch zeitgerechtes Einspritzen einer zweckentsprechenden Zündölraenge in den Motorzylinder herbeigeführt.
• Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Brennkraftmaschinenanlage zur Durchführung des Verfahrens in an sich bekannter Weise noch derart modifiziert wird, daß wechselweise oder sogar parallel zum erfindungsgemäßen Betrieb mit Brennstoffvergasung Ottomotoren-2ormalbetrieb mit Benzinvergaser oder Benzineinspritzunq bzw. im Falle des Dieselgasverfahrens Diesel-Normalbetrieb durchgeführt werden kann.
• Eine komplexere Brennkraftraaschinenanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beispielhaft und schematisch vereinfacht in Figur 2 dargestellt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, handelt es sich um eine durch Abgasturboaufladung in ihrer Leistung gesteigerte, gemischverdichtende Brennkraftmaschine, bei der zwecks günstiger Beeinflussung der erreichbaren Höchstleistung und des spezifischen Erennstoffverbrauchs im oberen Lastberei'ch einerseits und zwecks Verbesserung der motorischen Verbrennung und damit vor allem der abgasentgiftenden, aber auch die Drosselverluste reduzierenden Gemischabmagerungsmöglichkeit im mittleren und unteren Lastbereich andererseits sowohl die Vergasungstemperatur als auch die Temperatur des Brenngas /Luft-Gemisches nach dem Lader in der Weise geregelt werden, daß mit infolge abnehmender Last und /oder Drehzahl und /oder Umgebungslufttemperatur gleichfalls abnehmender Motortemperatur sowohl die Vergasungstemperatur (Brenngastemperatur) als auch die Temperatur des Brenngas /Luft-Gemisches vor Eintritt in die Brennkraftmaschine zunimmt und umgekehrt.
• Dinzelheiten der als Beispiel ausgewählten komplexen Brennkraftmaschinenanlage sind aus Fig. 2 ersichtlich. Die Anlagenteile, die in der einfachen Anlage nach Fig. 1 enthalten sind, hahen die gleiche Kennzahl wie in Fig. 1.
• Als zusätzliche Anlagenteile sind hervorzuheben: der Abgasturbolader 19, der aus dem Zentrifugalverdichter V und der ihn antreibenden, über die Leitung 18a mit Abgasen beaufschlagten Turbine T besteht; der die Motortemperatur erfassende Fühler 23, der im Sinne des oben erörterten Regelgesetzes den Sollwert der vom Brenngastemperaturregler 12a einzuregelnden Brenngastemperatur beeinflußt, wobei,genau wie bei der einfachen Anlage,die Mengenregelventile für die Vergasungsluft (11) und für den flüssigen Brennstoff (5) verstellt werden; der Kühler 20 für das im Gas-Mischer 14 erzeugte Brenngas/Luft-Gemisch, dessen Kühlwirkunq im Sinne des obigen Regelgesetzes unter Zuhilfenahme des Motortemperaturfühlers mit abnehmender Motortemperatur durch eine entsprechende Verstellung des Kühlmittelmengen-Regelventils 22 im Kühlmittelzulauf 21a (oder auch im Kühlmittelablauf 21b) zurückgeht.
• Zu bemerken ist noch, daß die Vergasungsluft aus der Ladeluftdruckleitung 8b.abgezweigt wird und wieder über die Vergasungsluftleitung 9 unter der Wirkung des durch den Gasmischer 14 aufgebauten Druckgefälles dem Vergasungsreaktor 6 zugeführt wird, wobei die mengenmäßig richtige Dosierung dem Vergasungsluftmengen-Regelventil li obliegt.

Claims (7)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Brennstoff/Luft-Gemisch ansaugende, durch Fremdzündung oder durch Zündöleinspritzung gezündete Hubkolben- oder Rotationskolben-Brennkraftmaschinc ohne oder mit Aufladung1 dadurch gekennzeichnet, daß zwecks einer besonders weitgehenden Abmagerungsmöglichkeit des Brennstoff/Luft-Gmisches und damit zwecks einer höchst intensiven Entgiftung des Abgases in in bezug auf (1) Kohlenmonoxid, (2) Kohlenwasserstoffe, einschließlich der kanzerogenen, (3) Sauerstoff enthaltenden, üblen Geruch sowie Auge, Nase und Atmungsorgane reizenden Kohlenwasserstoffverbindungen (wie Aldehyde und organiscne Säuren) und zugleich in bezug auf (4) Stickoxide der flüssige Ausgangsbrennstoff,vorzugsweise ein an Aromaten und Olefinen armes, unverbleites,vergleichsweise billiges Grundbenzin (straight-run-Benzin u.ä.), vor seiner motorischen Verbrennung mittels eines von der Gaserzeugungstechnik her an sich bekannten, mit partieller Verbrennung arbeitenden Vergasungsreaktors unter Uuhilfenahme einer von der Motorluftzuführungsleitung abgezweigten1 dem Vergasungsreaktor zugeführten Vergasungsruftmenqe in ein zweckentsprechendes rußfreies Brenngas umgewandelt wird und danach durch bekannte Mittel,wie z.B. ein venturiförmiger Gas-Mischer, mit der Verbrennungsluft zu einem homogenen Brenngas/Luft-Gemisch aufbereitet wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks weitgehender Verminderung des thermodynamischen Nachteils einer zeitunrichtigen Freisetzung eines Teils der Brennstoffwärme im Vergasungsreaktor an sich bekannte Vergasungsverfahren angewendet werden, die durch katalytische Mittel und/oder durch äußere oder innere partielle Brenngasrückführung zum Anfang des Vergasungsreaktors eine rußfreie Vergasung des flüssigen Ausgangsbrennstoffes trotz sehr groben Luftmangels, d.h. trotz sehr kleinen Luftverhältnisses, ermöglichen, was gleichbedeutend mit einer relativ niedrigen Vergasungstemperatur (Brenngastemperatur am Auslaß des Vergasungsreaktors) ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2,dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erhöhung der Klopf festigkeit und zugleich zur Verminderung der brenngasbedingten Liefcrgladeinbuße und damit zur Verbesserung der Leistungsausbeute und Yraftstof fa'snutzung ir oberen Lastbereich einerseits und zwecks Verbesserung der motorischen Verbrennung und damit vor allem zwecks Erreichung einer weitergehenden abgasentgiftenden, aber auch drosselverlustabsenkenden Gemischabmagerungsmöglichkeit im mittleren und unteren Lastbereich andererseits die Vergasungstemperatur in Abhängigkeit von der durch Last, Drehzahl und Umgebungstemperatur bestimmten Motortemperatur oder von mit dieser in einem eindeutigen Zusammenhang stehenden Betriebsgrößen (z.B. Abgastemperatur) derart gereyelt wird, daß, ausgehend von einer möglichst niedrigen Vergasungstemperatur bei der höchsten Motortemperatur (Ilöchstleistung), mit abnehmender Motortemperatur, gegebenenfalls sogar unter Inkaufnahme einer noch relativ geringen Verbrauchsechöh1ng (dafür aber Gewinn an Abgasentgiftung), die Vergasungstemperatur durch Einregulierung eines größeren Luftverhältnisses im Vergasungsreaktor zunimmt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2,dadurch gekennzeichnet, daß zwecks vereinfachter Regelung die Vergasungstemperatur in Abhängigkeit von der Motortemperatur oder von mit dieser in einem eindeutigen Zusammenhang stehenden Betriebsgrößen derart geregelt wird, daß, ausgehend von einer möglichst niedrigen Vergasungstemperatur bei der höchsten Motortemperatur (Höchstleistung), die Vergasungstemperatur bis herab zu einer bestimmten niedrigeren, aber noch einer relativ hohen Leistung entsprechenden Motortemperatur annähernd eingehalten wird und erst bei weiterer Motortemperaturerniedrigung die Vergasungstemperatur auf eine wergleichsweise höheren, wiederum annähernd konstanten Wert gehalten wird.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 1, 2 u.3 oder 4,dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erhöhung der Klopffestigkeit sowie des Liefergrades und damit der Leistungsausbeute und der Kraftstoffausnutzung sowie zwecks zusätzlicher Verminderung der Stickoxidemission das Brenngas vor seiner Vermischung mit der der Brennkraftmaschine zuströmenden Verbrennungsluft in Abhangigkeit von der Motortemperatur oder von Betriebsgrößen, die mit dieser in einem eindeutigen Zusammenhang stehen, mit Hilfe eines Kühlers oder durch Wassereinspritzung ab einer bestimmten, einer relativ hohen Leistung entsprechenden Motortemperatur mit zunehmender Itotortemperatur in seiner Temperatur entweder immer mehr erniedrigt wird oder ab dieser bestimmten Motortemperatur auf einer annahernd konstanten niedrigen Temperatur gehalten wird.

6. Brennkraftmaschine mit Aufladung nach Anspruch 1, 2 oder 1, 2 u.3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erreichung der in Anspruch 5 erörterten Vorteile das der Hrennkraftmaschine zuströmende Brenngas/Luft-Gemisch mit Hilfe eines Kühlers oder durch Wassereinspritzung ab einer bestimmten, einer relativ hohen Leistung entsprechenden Motortemperatur mit zunehmender Motortemperatur in seiner Temperatur entweder immer mehr erniedrigt wird oder ab dieser bestimwnten Motortemperatur auf einer annähernd konstanten niedrigen Temperatur gehalten- wird.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verstärkung der Klopffestigkeit und AMmagerungsmöglichkeit des Brenngas/Luft-Gemisches und der daraus resultierenden Vorteile bezüglich Abgasentgiftung, Leistungsausbeute und Kraftstoffausnutzung eine an sich bekannte Ladungsschichtung im mit einer Zündguelle ausgerüsteten zentralen Bereich des Motorbrennraumes herbeigeführt wird, indem mit Hilfe bekannter Mittel, wie Schirmventil oder besser drallerzeugender Einlaßkanal, dem Brenngas/Luft-Gemisch beim Einströmen in den Motorzylinder eine derartige Drehbewegung um die Brennraumachse aufgezwungen wird, daß eine für eine wirkungsvolle zentrale Ladungsschichtung ausreichend große Menge des im Vergleich zur Verbrennungsluft spezifisch leichteren Brenngases unter der Wirkung des sich im festkörperartigen Wirbel einstellenden, nach innen gerichteten radialen Druckgefälles in der bis zur Zündeinleitung zur Verfügung stehenden Zeit in das Brennraumzentrum gelangt, um dort auch bei Betrieb mit einem stark verarmten Gesamtgemisch ein gut zünd- und brennfähiges Gemisch annähernd stöchiometrischer Zusammensetzung zu bilden.