DE2148506A1

DE2148506A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2148506A1
Application number: DE19712148506
Authority: DE
Inventors: Axel Dr-Ing Koenig
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1971-09-29
Filing date: 1971-09-29
Publication date: 1973-04-05
Also published as: DE2148506B2

Description

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zur Verminderung der Schadstoffanteile in dem die Arbeitsräume der Brennkraftmaschine verlassenden Abgas.
Brennkraftmaschinen, denen flüssiger Kraftstoff zur Verbrennung in den Arbeitsräumen zugeführt wird, weisen in dem die Arbeitsräume verlassenden Abgas einen erheblichen Teil an Schadstoffen auf. Diese Schadstotre sind im allgemeinen auf eine unzureichende Verbrennung des den Arbeitsräumen sugeführten und in Luft dispergierten, flüssigen Kraftstoffes zurückzuführen. Bei den herkömmlichen, mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen kann der flüssige Kraftstoff im wesentlichen auf zweierlei Arten in der für die Verbrennung erforder@ichen Juft tispergiert werden. Im einen Fall wird der Kraftstoff durch die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luft aus einer Düse mitgerissen oder durch eine Einspritzd@se in die von der Brennkraftmaschine angesaugte Luft eingespritzt und gemeinsam mit der Luft in Qen Arbeitaraur gebracht. Im anderen Fall wird der flüssige Kraftstoff in einen mit komprimierter Luft gefüllten Arbeitsraum über eine Düse eingespritzt. Der in der Luft dispergierte Kraftstoff geht vor der Verbrennung in den gasförmigen Zustand über. Der gasförmige Kraftstoff befindet sich in einem Zustandsbereich, welcher der Taulinie verhältnismäßig nahe liegt. Der Zustand des vergasten, ursprünglich flüssigen Kraftetoffes bestimmt dabei im wesentlichen den Grad der Verbrennung und somit den Anteil der Schadstoffe im Abgas. Mit zunehmendem Abstand des thermischen Zustandes des vergasten Kraftatoffes von der Taulìnie nimmt der Verbrennunge grad des Gemisches zu, wodurch die Schadstoffanteile im Abgas abnehmen*. Da der thermische Zuatand des vergasten Kraftstoffee bei warmgelaufenen Brennkraftmaschinen von der Taulinie weiter entfernt liegt als bei noch kalten Maschinen, ist der Schadstoffanteil im Abgas bei warmgelaufenen Brennkraftmaschinen geringer als in der Kaltstartphase der Maschinen. Gelangt das Genisch aus vergastem Kraftstoff und Luft beim Kaltstart an die kalten Zylinderwandungen des Motors, kondensiert der Kraftstoff an den Zylinderwandungen, so daß das ab misch an vergastem Kraftstoff verarmt. Die Verarmung des Gemisches an vergastem Kraftstoff kann soweit gehen, daß das für die Zündung erforderliche Mischungsverhältnis von Luft und vergastem Kraftstoff nicht mehr erreicht wird und infolgedessen eine Zündung und Verbrennung des Gemische nicht mehr zustande kommt. Um eine derartige Verarmung des Gemisches zu verhindern, mitß den Arbeitsräumen eine erhöhte Menge an flüssigem Kraftstoff zug@führt werden. Die Folge ist, daß im Arbeitsraum eine in kondensierter und vergaster Form vorliegende Kraftstoffmenge vorhanden lt, der zu einer vollständigen Verbrennung nicht mehr die genügende Luftmenge zur Verfügung steht. Man-spricht in diesem Fall von einem überfetteten Gemisch. Da der im Arbeitsraum befindliche Kraftstoff nicht mehr vollständig verbrennnen kann, enthältWdas aus dem Arbeitsraum austretende abgas eine sehr große Menge an unvollständig verbrannten Stoffen, wie Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe.
Den herkömmlichen, mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen werden daher Nachverbrennungsanlagen nachgeschaltet, in denen für eine vollständige Umsetzung der halbverbrannten Stoffe gesorgt wird. Derartige Nachverbrennungsanlagen arbeiten jedoch nur dann zufriedenstellend, wenn sie ihre erforderliche Betriebstemperatur erreicht haben. Diese Betriebstemperatur erreichen die Nachverbrennungsanlagen jedoch erst nach geraumer Betriebszeit, so daß die Nachverbrennungeanlagen genau zu dem Zeitpunkt, in welchem an sie die höchsten Anforderungen gestellt werden, die geringste Leistung erbringen.
Da es bisher nicht gelungen ist, Nachverbrennungsanlagen zu schaffen, die von Anbeginn ihre volle Leistung erreichen, hat man nach einem V>-rfahr-en zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gesucht, bei welchem von vornherein ungeachtet des Betriebszustandes des Motors in den Arbeitsräumen eine vollständige Verbrennung erreicht wird. Bei einer derartigen, vollständigen Verbrennung wäre das aus den Arbeitsräumen austretende Abgas frei von Schadstoffen, so daß die der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Nachverbrennungsanlagen entfallen können.
Man hat festgestel@t, daß iii den Arbeitsräumen von Brennkraftmaschinen unabhängig von der Art des Betriebszustandes eine vollständige Verbrennung erreicht werden kann, wenn der flüssige Kraftstoff durch einen gasförmigen Kraftstoff ersetzt wird. Bei diesen Verfahren wird der gasförmige Kraftstoff wie bei den herkqmmlichen, mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen mit Luft vermischt und zusammen mit der Luft den Arbeitsräumen der Brennkraftmaschine zugeführt. Da der gasförmige Kraftstoff bei Zimmertemperatur und auch bei einer darunter liegenden Temperatur in seinem gasförmigen Aggregatzustand verbleibt, führt auch eine Berührung des gasförmigen Kraftstoffes mit kalten Zylindervänden nicht zu einer Kondensation des gasförm@gen Kraftstoffes. Hierdurch behält das in die Ar--beitaräume der Brennkraftmaschine eingeführte Luft-/ Kraftstoffgemisch seine Konzentration und damit sein Mischungsverhältnis bei, so daß sich auch bei einem Kaltstart die Zusammensetzung des Gemisches aus Luft und in gasförmigew Zustand befindlichen Kraftstoff nicht ändert. Eine richtig bemessene LuSt-/Kraftstoffmischung führt daher auch in der Phase des Kaltstart es zu einer vollständigen Verbrennung, aufgrund der die die Arbeitsräume verlassenden Abgase frei von Schad--stofren sind.
Da der Gemischheizwert einer Zylinderfüllung bei mit «asförxigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen geringer ist als bei mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Motoren, iBt die Leistung bei mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motoren entsprechend geringer.
Die Leistungseinbuße wirkt sich besonders im Vollastbetrieb unangenehm aus. Die Schadstofffreiheit des AbgaS9B wird somit bei diesem bekannten Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer erheblichen Leistungseinbuße bezahlt.
Mit der Erfindung soll daher ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen werden, bei welchem das die Arbeitsräume des Motors verlassende Abgas frei von Schadstoffen ist und eine den herkömmlichen, mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen vergleichbare Leistung erzielt wird. Dies wird.gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Brennkraftma schine zumindest zeitweise gleichzeitig flüssiger und gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird und daß die anteilmäßige Zusammensetzung des der Brennkraftmaschine zugeführten Gesamtkraftstoffes unter Berücksichtigung verschiedener Parameter, wie Motorbelastung, Drehzahl, Temperaturen, Zustand der Umgebungsluft geregelt und geändert wird.
Durch die Kombination von flüssigem und gasförmigem Kraftstoff lassen sich die Vorteile sowohl des Betriebes mit gasförmigem als auch mit flüssigem Kraftstoff miteinander vereinen, ohne daß gleichzeitig die jedem Betrieb allein anhaftenden Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Da nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Anteile an flüssigem und gasförmigem Kraftstoff unter Berückeichtigung verschiedener Parameter, wie Motortelastang, Drehzahl, Temperaturen, Zustand der Umgebungsluft und dergl. geregelt und geändert werden, ist sichergestellt, daß für jeden Betriebezustand der Brennkraftm2echine die optimale Zusammensetzung des Gesamtkraftstoffes erreicht wird, die auf der einen Seite zu einer vellstandigen und schadstofffreien Verbrennung und auf der anderen Seite zu einer optimalen Leistung des Motors führt. Je nach dem Betriebazustand der Brennkraftmaschine wird also einmal der Anteil des gasförmigen Kraftstoffes gröber sein als der des flüssigen Kraftstoffes und ein andermal wird sich das Verhältnis umkehren.
So werden beispielsweise sehr gute Ergebnisse erzielt, wenn der Brennkraftmaschine beim Kaltstart und im unteren Teillastbereich überwiegend gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird, der mit zunehmender Annäherung an den Vollastbetrieb zugunsten des flüssigen KrAftstoffes kontinuierlich verringert wird. Da in diesem Fall der Gesamtkraftstoff beim Kaltstart und im unteren Teillastbereich hauptsächlich gasförmigen Kraftstoff enthält, ist der Anteil an Schadstoffen im die Arbeitsräume verlassenden Abgas sehr gering. Auf der anderen Seite wird der durch den gasförmigen Kraftstoff verursachte geringe Gemisohheizwert durch die Anwesenheit von etwas flüssigem Kraftstoff entsprechend aufgebessert, so daß der Motor eine besere Leistung abgeben kann, als dies bei einer reinen Zufuhr von gasförmigem Kraftstoff der Fall wäre.
Bei Vollastbetrieb dagegen überwiegt der Anteil des flüssigen KraftBtoffes, so daß die Brennkraftmaschine in diesem Betriebszustand eine Leistung abgibt, die den in herkömmlicher Weise mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen entspricht. Wenn man davon auseeht, daß die Brennkraftmaschine im Vollastbetrieb ihre Betriebsteperatur erreicht hat, wird, wie eingangs erläutert, im wesentlichen eine vollständige Verbrennung erreicht, die zu einem schadstofffrtien Abgas führt.
Wenn man einerseits beim Kaltstart jegliche Kondensation des vergasten, ursprünglich flüssigen Kraftatoffes an den kalten Zylinderwänden vermeiden und auf der anderen Seite im Vollastbetrieb die volle Leistung der mit flüssigem Kraftstoff betriebenen etnkraftmaschinen erreichen will, so läßt sich dies dadurch bewerkstelligen, daß der Brennkraftmaschine beim Kaltstart und im unteren Teillastbereich ausschließlich ga3förmiger Kraftstoff und im Vollastbetrieb ausschließlich flüssiger Kraftstoff zugeführt wird und daß mit zunehmender Annäherung an den Vollastbetrieb der Anteil des gasförmigen Kraftstoffes kontinuierlich bis auf null abnimmt, während gleichzeitig der Anteil des flüssigen Kraftstoffes mit zunehmender Annäherung an den Vollastbetrieb kontinuierlich bis zu seinem Höchstwert zunimmt.
Der gasförmige Kraftstoff kann ein bei Raumtemperatur unter Druck verflüssigbarer Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch dieser Kohlenwasserstoffe oder ein Gas sein, dessen Hauptbestandteile einer oder mehrere dieser Kohlenwasserstoffe sind. Diese Gase können beispielsweise in flüssiger Form in Druckflaschen- aufbewahrt und Je nach Bedarf aus diesen Flaschen abgezogen werden.
Derartige Flaschen können ohne weiteres in Kraftfahrbeugen mitgeführt werden.
Der gasförmige Kraftstoff kann jedoch auch Methan, Wasserstoff oder Kohlenmonoxyd oder eine Mischung hieraus oder ein Gasgemisch sein, dessen Hauptkomponenten oder mehreren hauptsächlich aus einem/der genannten Gase bestehen.
Auch diese Gase können in Druckflaschen in gasförmigem Zustand gespeichert und in diesen Druckflaschen im Kraftfahrzeug mitgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, diese als gasförmigen Kraftstoff' verwendeten Gase eigens hierfür vorgesehenen' Reaktionevergasern zu entnehmen.
Diese Verfahrensmaßnahme hat den Vorteil, daß der erforderliche, gasförmige Kraftstoff je nach Bedarf kontinuierlich mit Hilfe des ohnehin mitgeführten Kraftstoffes hergestellt werden kann.
Der gasförmige Kraftstoff kann beispielsweise einem Reaktionsvergaser ent@ommen werden, welcher den gasförmigen Kraftstoif durch eine partielle Verbrennung von flüssigem Kraftstoff unter Luftrnangel erzeugt. Da bei derartigen Reaktionsvergasern die Umwandlung von flüssigem Kraftstoff in gasförmigen Kraftstoff über eine exotherme Reaktion erfolgt, wird der Reaktionsvergaser stets auf seiner Betriebstemperatur gehalten.
Es ist in diesem Fall nicht erforderlich, daß dem Reaktionsvergaser Wärme zugeführt wird.
Der gasförmige Kraftstoff kann auch einem Resktionsvergaser entnommen werden, welcher den gasförmigen Kraftstoff aus einem Gemisch aus Luft, Abgas und flüssigem Brennstoff erzeugt. Der aus diesem Reektionsvergaser entnommene Kraftstoff-führt das erfindungsgemäße Verfahren zu besondere guten Ergebnissen. Bei dem zuletzt genannten Reaktionsvergaser laufen zwei Reaktionen parallel ab, von denen die eine eine exotherme Teiloxydation des flüssigen Kraftetoffes ist und die andere eine endotherme Reaktion des flüssigen Kraftstoffes mit dem Motorabgas darstellt. Die beiden Reaktionen können durch eine entsprechende Einstellung des Mischungsverhältnisees von Luft und Abgas so e"ingestellt werden, daß die bei der exothermen Reaktion frei werdende Wärmemenge gleich ist der für die endotherme Reaktion erforderlichen Wärmemenge. Bei der endothermen Reaktion ist die Ausbeute an gasförmigem Kraftstoff größer als bei der exothermen Reaktion, wenn man von der gleichen umzusetzenden Menge an flüssigem Kraftstoff ausgeht. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist es daher zweckmäßig, den Reaktionsvergaser oder die in den Reakticnsvergaser eingesprizten Komponenten mittels des Motorabgases zu erwärmen, um hierdurch die von der exothermen Reaktion aufzubringcnde Wärmemenge zu verringarn. Durch diese Maßnahme kann die im Abgas enthaltene Wärmemenge noch weiter ausgenutzt werden, so daß der tllermodynamische Wirkungsgrad der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine noch erhöht wird.
Die für die Umsetzung des flüssigen Kraftstoffes erforderlichen Reaktionsvergaser müssen bei einer Verwendung für Kraftfahrzeuge auf der einen Seite in einer kleinen Bauform herstellbar sein und auf der anderen Seite eine niedere Betriebstemperatur haben, damit der Reaktionsvergaser innerhalb kürzester Zeit für die Inbetriebnahne der Brennkraftmaschine auf seinen Betriebszustand gebracht werden kann. Zu diesem Zweck werden die Reaktionsvergaser mit Katalysatoren versehen.
Der aus den Reaktionsvergasern austretende gasförmige Kraftstoff weist eine verhältnismäßig hohe Temperatur auf. Ba kann daher unter Umständen die Gefahr bestehen, daß sich der gasförmige Kraftstoff bei der Zumischung von Luft vorzeitig und selbst entzündet. Dieser eventuellen Gefahr kann dadurch vorgebeugt werden, daß der aus dem Reaktionsvergaser austretende, gasförmige Kraftstoff tor wer Zumischung der für die Verbrennung erforderlichen Luft gekühlt wird.
Wenn eine Brennkraftmaschine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Nähe des Vollastbereiches betrieben wird, enthält das Genisoh aus Luft und Gesamtkraftstoff hauptschlich vergasten, ursprünglich flüssigen Kraftstoff, während der Anteil des von Anfang an in gasförmigem Zustand be@indlichen Kraftstoffes sehr gering ist oder sogar bis auf null abgenommen hat. In diesem Betriebazustand wird dem Reaktionsvergaser kein oder nur sehr wenig gasförmiger Kraftstoff entnommen. Die Herstellung des gasförmigen Kraftstoffes unterbleibt daher im Reaktionsvergaser. Wenn dieser Betriebszustand über einen ausreichend langen Zeitraum anhält, kühlt der Reaktionsvergaser aus. Es muß daher Vorsorge getroffen werden, daß der Reaktionsvergaser stets auf seiner Betriebstemperatur und damit stets einsatzbereit gehalten wird. Dies läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß bei einer geringen oder unterbrochenen Entnahme vcn gasförmigem Kraftstoff der Re aktionsvergas er durch die Abgase erwärmt und auf seiner Betriebstemperatur gehalten wird.

Claims

b. nsprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eur Verminderung der Schadstoffanteile in dem die Arbeitsräume der Brennkraftmaschine verlassenden Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkraftmaschine zumindest zeitweise gleichzeitig flüssiger und gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird und daß die anteilmäßige Zusammensetzung des der Brennkraftmaschine zugeführten Gesamtkraftstoffe. unter Berücksichtigung verschiedener Parameter, wie Motorbelastung, Drehzahl, Temperaturen, Zustand der Um,-gebungsluft geregelt und geändert wird.

2. Verfahren nach Ansprltch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkraftmaschine beim Kaltstart und im unteren Teillastbereich überwiegend gaeförmiger Kraftstoff zugeführt wird, der mit zunehmender Annäherung an den Volle.stbetrieb zugunsten des flüssigen Kraftstoffe. kontinuierlich verringert wird.

3. Verfahren ncch Anstruh 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkraftmaschine beim Kaltstart und im unteren Teillastbereich ausschließlich gasförmiger Kraftstoff und im Vollastbetrieb ausschließlich flüssiger Kraftstoff zugeführt wird und daß mit zunehmender Annäherung an den Vollastbetrieb der Anteil des gasförmigen Kraftstoffes kontinuierlich bis auf null abnimmt, während gleichzeitig der Anteil des flüssigen Kraftstoffes mit zunehmender Annäherung an den Vollastbetrieb kontinuierlich bis zu seinem Höchstwert zunimmt.

4. Verfahren nach einem dee @nsprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Kraftstoff ein bei Raumtemperatur unter Druck verflüssigbarer Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch dieser $Kohlenwasserstoffe oder ein Gas ist, dessen Hauptbestandteile einer oder mehrere dieser Kohlenwasserstoffe sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichr.et, daß der gasförmige Kraftstoff Methan, Wasserstoff, Kohlenmono-»yd oder eine Mischung hieraus oder ein Gasgemisch ist, dessen Haup+komponenten hauptsächlich aus ei-oder mehreren nem/der genann+en Gase bestehen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeicllnet daß der gasförmige Kraftstoff aus Druckflaschen entnommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ausprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß @er gas@örmige Kraftstoff einem Re@ktionsvergaser entno@men wird, welcher den gasförmigen Krafistoff durch eine partielle Verbrennu@, von flüssigem Kraftstoff unte@ Luft@angel erzeugt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Kraftstoff einem Reaktionevergaser entnommen wird, welcher den gasförmigen Kraftstoff aus einem Gemisch aus Luft, Abgas und flüssigem Kraftstoff erzeugt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Luft, Abgas und flüssigei Kraftstoff und/oder eine Komponente des Getisches vor dem Eintritt in den Reaktionsvergaser durch das aus der Brennkraftmaschine austretende Abgas vorgewärmt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Reaktionsvergaser austretende, gasförmige Kraftstoff vor der Zumischung der für die Verbrennung erforderlichen Luft gekühlt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer geringen oder unterbrochenen Entnahme von gasförinigem Kraftstoff der Reaktionsvergaser durch die Abgase erwärmt und auf seiner Betriebstemperatur gehalten wird.

12. Brennkraftmaschine, die nach einem der Verfahren nach Anspruch 1 bis 11 betrieben wird.