DE2359332A1

DE2359332A1 - Gemischzufuehrungssystem fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2359332A1
Application number: DE2359332A
Authority: DE
Inventors: Tadahiko Nagaoka; Zene Ueno
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1972-11-28
Filing date: 1973-11-28
Publication date: 1974-06-27
Also published as: FR2208451A5; GB1454280A; US4004413A

Description

28. November 1973

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Nissan Motor Co., Ltd.

No. 2, Takara-machi, Kanagaxva-ku, Yokohama City, Japan

Gemischzuführungssystem für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein System für die Zuführung eines Kraftstoffgemisches in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Kolbenbrennkraftraas chine/ eines Kreiskolbenmotors, einer Gasturbine und einer Gasmaschine.

Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen, die die bei der Verbrennung von Kraftstoff freiwerdende Energie in mechanische Energie· umwandeln, ist es allgemein üblich, Luft als Träger für den Sauerstoff zu benutzen, der für die Verbrennung des Kraftstoffes notwendig ist. Jedoch führt die Verwendung von Luft als Quelle für den. Sauerstoff stets dazu, daß schädliche Stickoxyde erzeugt v/erden, da der Stickstoff, der 4/5 des Luftvolumens ausmacht, während des Verbrennungsprozesses oxydiert wird, so daß das aus der Maschine austretende Abgas zur Verunreinigung der Umgebungsluft führt.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, die Bildung von schädlichen

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Verunreinigungen, wie z.B. Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxyden und Stickoxyden, die von der Maschine ausgestoßen v/erden, wenn Luft als einziger Sauerstoffträger verwendet wird, zu verringern. Die Erfindung besteht darin, daß eine Quelle für einen nicht von Luft gebildeten Sauerstofftrüger vorgesehen ist sowie ein Haupt ans augkanal, der mit einem Ende in die Brennkammer und mit dem anderen Ende in die Atmosphäre mündet, daß ein Mebenansaugkanal vorgesehen ist, der rait einem Ende in die Brennkammer mündet und mit dem anderen Ende an die Quelle für den Sauerstoffträger angeschlossen ist, daß eine erste an eine Kraftstoffquelle anschließbare Kraftstoffleitung vorgesehen ist, die in die Hauptansaugleitung mündet, sowie eine zweite an die Kraftstoffquelle anschließbare Kraftstoffleitung, die in den Nebenansaugkanal mündet, und daß in dem Ilebenans augkanal stromauf von der Einmündung der zweiten Kraftstoffleitung und stromab von der Quelle für der. Sauerstoffträger eine Vorbrennkaminer angeordnet ist.

Das grundlegende Konzept der Erfindung besteht daher darin, einen Teil des Kraftstoffes unter Verwendung eines Oxydationsmittels zu verbrennen, das keinen Stickstoff enthält. Auf diese Weise können schädliche Stickoxyde nicht gebildet werden.

Wie sich aus der chemischen Gesetzmäßigkeit ergibt, kann bei einer Verwendung eines Sauerstoffträgers, wie z.B. eines flüssigen Wasserstoffperoxydes oder seiner aufgespalteten Bestandteile (H-O und 1/2 Ο~) die Verbrennung von verschiedenen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Kraftstoffen fast vollständig erfolgen, wobei die Konzentration von Stickoxyden einschließlich Kohlenmonoxyden im Abgas der Brennkraftmaschine auf einem Minimum gehalten werden können, zwei bis drei Volumenantei-

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le pro Million, was ungefähr 1/100 bis 1/1000 der Stickoxydkonzentration entspricht, die gewöhnlich von den herkömmlichen Brennkraftmaschinen ausgestoßen werden."Motorsysteme, die keine Luft als Sauerstoffträger verwenden, konnten bisher nur in begrenztem Umfang eingesetzt werden, wie z.B. H-O-Tri ebwerke, Welt rauint riebwerke und Raketentriebwerke.

-. Die vorlieaende Erfindung schlägt jedoch ein Verfahren vor, bei welchem ein nicht von Luft gebildeter Oxydationsträger nicht nur in den vorgenannten Spezialtriebwerken eingesetzt werden kann, sondern in herkömmlichen Brennkraftmaschinen, wie z.B. bei^Kolbenbrennkraftmaschinen und Kreiskolbenmotoren sowie bei Dampfmaschinen und Boilern für andere Anwe idungsfälle. Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur Vereinfachung soll jedoch ein System für die Zuführung eines Kraftstoffgemisches gemäß der Erfindung als Fördersystem für den Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine beschrieben werden, das z.B. bei einem Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges verwendet wird.

' Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig.l eine schematische .Darstellung eines Ausführungsbeispieles für ein Speisesystem für ein Kraftstoffgemisch gemäß der Erfindung;

Fig.2 eine scheraatisehe Darstellung einer Modifizierung des in der Fig.l gezeigten Systems und

Fig.3 eine scher.atische Darstellung einer weiteren

Modifizierung des in der Fig.l gezeigten Systeras.

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In der Fig.1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei die Prinzipien z.B. bei Gasturbinen und Gasmaschinen angewendet werden können. Mit dem Bezugszeichen 11 ist eine Quelle für einen Sauerstoffträger, in diesem Falle Wasserstoffperoxyd einer Konzentration von 30 bis 100 % bezeichnet. Von der Quelle 11 wird Wasserstoffperoxyd mittels einer Pumpe 12 in eine Reaktionskammer 13 gefördert, die mit einem Katalysator ausgestattet ist, wie z.B. einem Drahtgewebe aus Silber oder Kupfer. Der Katalysator spaltet das durch ihn hindurchströmende Wasserstoffperoxyd in HpO und 1/2 0« (elementaren Sauerstoff) unter dem Ablauf einer exothermen Reaktion bei 600 bis 700 C. Die Reaktionskammer 13 ist an eine Vorbrennkammer 14 angeschlossen, in welcher das aufgespaltene Wasserstoffperoxydgas aus der Kammer 13 mit einem.aus Kohlenwasserstoff bestehenden Kraftstoff vermischt wird, welcher der Vorbrennkammer 14 unter Druck von einer Kraftstoffquelle 15 mittels einer Kraftstoffpumpe 16 zugeführt wird. Die Vorbrennkammer 14 ist mit einer Zündeinrichtung 17 zur Entzündung des Gemisches aus gespaltenem Wasserstoffperoxydgas und Kraftstoff ausgestattet. Das sich bei der Vorverbrennung in der Vorbrennkammer ergebende heiße Gas wird in eine Hauptbrennkammer 18 gefördert, damit es in der Hauptbrennkamracr in Kombination mit einem Gemisch aus Luft von einem Verdichter 19 und weiterem aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Kraftstoff von der Quelle 15 verbrennt. Mit dem Bezugszeichen 20 ist eine Brennkraftmaschine, wie z.B. eine von heißem Gas aus der Hauptbrennkammer 18 angetriebene Turbine, bezeichnet.

Ein Hauptansaugkanal 9, in welchem der Verdichter 19 angeordnet ist, wird dazu verwendet, Luft in die Hauptbrennkammer

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zu leiten. Eine erste Kraftstoffleitung 7 führt von der Kraftstoffauelle 15 in den Hauptansaugkanal 9, damit in diesen Kanal Kraftstoff gefördert wird.

Der von der Kraftstoffquelle 15 kommende Kraftstoff wird über eine zweite Kraftstoffleitung 8 in die Vorbrennkaramer 14 gefördert, und der Sauerstoffträger wird von der Quelle 11 in die Vorbrennkammer 14 über einen Nebenansaugkanal 10, in welchem die Reaktionskammer B und die Pumpe 12 angeordnet sind,, zugeführt.

Es sei darauf hingewiesen, daß- das sich bei der Verbrennung des Kraftstoffgemisches aus aufgespaltenem Wasserstoffperoxvd und aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Kraftstoff in der Vorbrennkammer 14 ergebende heiße Gas im wesentlichen keine Stickoxyde aufweist und aus der Vorbrennkammer 14 mit einer hohen Temperatur von ungefähr 1500° C und hoher Geschwindigkeit ausströmt. Indem das heiße Gas von der Vorbrennkammer 14 in die Hauptbrennkammer 18 zugeführt wird, verbrennt das Kraftstoff-Luftgemisch in der Hauptbrennkammer 18 augenblicklich und optimal unter einer niedrigen Temperatur von ungefähr 1000° bis 1300° C. Das aus der Hauptbrennkammer 13 austretende Gas ist im wesentlichen frei von schädlichen Verunreinigungen wie NO , HC und CO, also unverbrannten Kohlenwasserstoffen, die bei einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffes auf-. treten würden. Bei dem in der Fig.l dargestellten Ausführungsbeispiel wird das aus der Hauptbrennkammer 18 austretende Gas zum Antrieb der Maschine 20 verwendet (hier eine Turbine).

Bei dem in der Fig.l dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Reaktionskammer 13 mit dem Katalysator zur Aufspaltung des Sauerstoffträgers und die Zündeinrichtung 17 in der Vor-

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brennkammer 14 vorgesehen. Es kann jedoch der eine oder andere Teil auch weggelassen v/erden, falls dies erwünscht ist, obwohl es bevorzugt ist, sowohl die Reaktionskammer als auch die Zündeinrichtung einzusetzen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Außerdem kann derjenige Teil des Kanales 10, der von der Vorbrennkammer 14 zur Hauptbrennkammer 18 führt, mit einer Einrichtung ausgestattet sein, die das durchströmende heiße Gas in eine Turbulenz versetzt, damit die Verbrennung mit einem möglichst großen Wirkungsgrad erfolgt. Bei dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Kraftstoff von der Quelle 15 in die Vorbrennkammer 14 gefördert. Es kann jedoch auch vorgesehen, daß der Kraftstoff aus einem unabhängigen System zugeführt wird, wobei er sich auch aus anderen Bestandteilen als Kohlenwasserstoffen zusammensetzen kann und entweder in fester oder flüssiger Form vorliegen kann. Als Brennstoff, der in die Vorbrennkarnmsr 14 gefördert wird, kann auch ein Gas, wie z.B. Viasserstoff, vorgesehen sein. Darüberhinaus wird bei dem in der Fig.l dargestellten Ausführungsbeispiel Wasserstoffperoxyd als Sauerstoffträger zur Begünstigung der Verbrennung in der Vorbrennkammer 14 verwendet. Es ist jedoch auch möglich, daß flüssiger Sauerstoff oder gasförmiger Sauerstoff anstatt des Wasserstoffperoxydes als Oydiermittel verwendet werden. Unter solchen Bedingungen v/ird die Reaktionskammer 13 nicht benötigt.

In der Fig.2 wird der Motor 20 von einer Kolbenbrennkraftiaschine gebildet, und es wird ein modifiziertes Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet. Die Brennkraftmaschine 20 weist einen Zylinder 21 mit einem entsprechenden Kolben 22 auf, der in dem Zylinder 21 in herkömmlicher Weise eine hin- und hergehende Bewegung ausführt. Die Brennkammer 18 wird vom Zylinder 21 und Kolben 22 begrenzt. Der Hauptansaugkanal 9

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bzw. der Nebenansaugkanal 10 münden in die Brennkammer 18 durch ventilgesteuerte Haupt- und I-T ebene in las se 26 und 27 ein, wobei die Einlasse iia wesentlichen in der Mitte bzw. an einer Seite des Zylinders 21 angeordnet sind. Die Kraftstoffguelle 15 enthält z^B. einen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Kraftstoff. Der von der Quelle 15 kommende Kraftstoff wird mittels einer Kraftstoffpumpe 16 unter Druck in einen sich in ;dem Nebenansaugkanal IO befindlichen Venturiabschnitt. 29 und in einen sich, in dein Hauptansaugkanal 9 befindlichen Venturiabschnitt 30 gefördert. Der Hauptansaugkanal 9, der in die Brennkammer 18 durch den Haupteinlaß 26 einmündet, wird mit Kraftstoff durch eine Kraftstoffleitung 7 versorgt, in welcher ein Strömungsregler 32 angeordnet ist.

Die Quelle für den. Sauerstoff träger 11 kann Wasserstoffperoxid enthalten, wie dies bereits in Verbindung mit dem in der Fig.l dargestellten &usführraigsbeispiel beschrieben wurde. Das Wasserstoffperoxid wird von der Quelle 11 über einen Strömungsregler 34 in die Reaktionskammer 13 geleitet, in welcher das ■ Wasserstoffperoxid mit Hilfe des Katalysators in H₂O und 1/2 O₂ aufgespaltet wird. Das aufgespaltete Wasserstoffperoxydgas wird mit Kraftstoff von der Quelle 15 vermischt und über den Nebenansaugkanal 10 und den Nebeneinlaß 27 der Brennkammer 18 zugeleitet. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Haupteinsaugkanal 9, welcher mit der Atmosphäre in Verbindung steht, wird durch, den Haupteinlaß 26 mit einem relativ niedrigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis in die Hauptbrennkammer 18 eingeleitet, wobei das Verhältnis von dem Strömungsregler 32 gesteuert wird.

Die Hauptbrennkammer 18 ist mit einer Zündeinrichtung, 17 versehen, die in der Mähe des Nebeneinlasses 27 angeordnet ist.

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An der anderen Seite des Zylinders 21 ist in bekannter Weise ein durch ein Ventil gesteuerter Auslaß 37 angeordnet.

Bei der vorbeschriebenen Kolbenbrennkraftmas chine 20 wird das aus dem aufgespaltenen Wasserstoffperoxydgas und dem Kraftstoff bestehende Gemisch durch den Nebeneinlaß 27 unter einem Druck in die Brennkammer 18 eingeführt, der von der Expansion des aufgespaltenen Gases selbst abhängig ist, und wird dann durch die Zündeinrichtung 17 gezündet. Bei der Verbrennung des Kraftstoff genisches wird eine Temperatur von 1.500° C erzeugt, es entstehen jedoch keine Stickoxvde, da keine Luft vorhanden ist. Die bei der Verbrennung dieses angereicherten Nebengemisches entstehende ^ärme wird dazu verwendet, eine Verbrennung des mageren Genisches, das durch den Haupteinlaß 26 zugeführt wurde, zu bewirken. Die Verbrennung erfolgt laminar und geht von der oberen Bodenfläche der Brennkammer 18 aus, wie dies gezeigt ist. Unter diesen Bedingungen erfolgt die Verbrennung des Kraftstoffgemisches, das durch den Haupteinlaß 26 zugeführt wurde, bei einer relativ niedrigen Temperatur zwischen 1000° und 1300° C, da dieses Gemisch mager ist, so daß die Entstehung von Verunreinigungen, wie z.B. Stickoxyden (MO ), unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxyden (CO) auf einem Minimum gehalten werden kann.

Außerdem wird durch die am Anfang erfolgende Verbrennung der fetteren oberen Schicht des Kraftstoffgemisches, das durch den Nebeneinlaß 27 zugeführt wurde, und das zur Verbrennung keine Luft als Oxydationsmittel benötigt, eine Unterdrückung der Bildung von schädlichen Verunreinigungen ermöglicht, die üblicherweise zu 3eginn der Verbrennung entstehen. Insbesondere wird durch die laminare Verbrennung die Erzeugung von

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Stickoxyden auf 1/100 bis 1/1000 der Menge reduziert, die
normalerweise in den Abgasen enthalten sind, welche von Brennkraftmaschinen ähnlichen Typs erzeugt v/erden.

In der Fig.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und das System weist in der zweiten Kraftstoffleitung 8 einen Strömungsregler 38 auf. Die Regler 34
und 38 öffnen während des Ansaughubes des Kolbens 22, so daß Wasserstoffperoxyd unter Druck in gasförmigem Zustand von
der Pumpe 12 unter Druck von der Quelle 11 in die Vorbrennkammer 14 gefördert wird, nachdem es in der Reaktionskammer 13 aufgespaltet wurde. Der Kraftstoff wird mittels der Pumpe 16 durch einen zusätzlichen Kraftstoffbehälter 2 8 ebenfalls unter Druck in die Vorbrennkammer 14 gerordert. Gleichzeitig wird Kraftstoff-Luft-Geraisch durch den von dem Ventil gesteuerten Haupteinlaß 26 in die Brennkammer 18 des Motors gefördert. Der Motor beginnt dann seinen Kompressionshub, und'wenn sich der Kolben 22 in der Nähe seines oberen Totpunktes befindet, wird das Gemisch in der Vorbrennkammer 14 durch die Zündeinrichtung 17 gezündet. Das in der Vorbrennkammer 14 erzeugte heiße Gas strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Düsen in die Ilauptbrennkammer 18 und entzündet das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Ilauptbrennkammer 18, -während es das Gemisch
in eine turbulente Bewegung versetzt. Die Strömungsregler 34 und 38 sind während des Verbrennungshübes des Motors geschlossen. Beim nachfolgenden Ausschieben ist der Auslaß 37 geöffnet, damit das Abgas■aus der Brennkammer 18 entweichen kann.

Es ist selbstverständlich, daß die Wirkung der beschriebenen Erfindung verbessert wird, wenn die in den Fig.l bis 3
gezeigten Anordnungen mit einer Einrichtung kombiniert sind, welche für eine genaue Bemessung des Kraftstoff-Luftverhält-

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nisses des Kraftstoffgenisches sorgt, welches der Brennkammer zugeführt wird, und wenn eine Einrichtung vorgesehen ist, die das Kraftstoff-Luftgemisch in die Brennkammer laminar einführt, oder eine Einrichtung, die für eine Wirbel- oder Turbulenzbewegunq des Kraftstoff-Luftgemisches sorgt.

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Claims

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Patentansprüche

ί1. feystem für die Zuführung eines Kraftstoffgenisches in
eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere
einer Kolbenbrennkraftmaschine, eines Kreiskolbenmotors, einer Gasturbine oder Gasmaschine, dadurch gekennzeichnet , daß eine Quelle (11) für ei.i Oxidationsmittel mit Ausnahme von Luft vorgesehen ist sowie,
ein Hauptansaugkanal (9), der mit einem Ende in die Brennkammer (18) und mit dem anderen Ende in die Atmosphäre
mündet, daß ein Nebenansaugkanal (10) vorgesehen ist, der mit einem Ende in die Brennkammer mündet und mit dem anderen Ende an die Quelle für das Oxidationsmittel angeschlossen ist, daß eine erste an eine Kraftstoffquelle (15) anschließbare Kraftstoffleitung (7) vorgesehen ist, die in die Hauptansaugleitung mündet, sowie eine zweite, an die Kraftstoffquelle anschließbare Kraftstoffleitung (8), die in den Nebenansaugkanal mündet, und daß in dem Nebenansaugkanal stromauf von der Einmündung der zweiten Kraftstoffleitung und stromab von der Quelle für das Oxidationsmittel eine Vorbrennkammer (14) angeordnet ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Pumpe (16,12) vorgesehen ist, die wenigstens einen Kraftstoffanteil von der Kraftstoff-quelle (15) in die erste Kraftstoffleitung (7) und in die

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zweite Kraftstoffleitung (8) pumpt und die das Oxidationsmittel von der Quelle (11) in den Nebenansaugkanal pumpt.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß in den Nebenansaugkanal (10) ferner eine RoaktionskanuTcr (13) zwischen dor Quelle (11) für das Oxidationsmittel und der Vorbrennkammer (14) angeordnet ist/ die eine Einrichtung enthält, welche aus dem durch die Reaktionskamrer strömenden Oxidationsmittel elementaren Sauerstoff ausscheidet.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung von einem Katalysator gebildet wi rd.
5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Katalysator wenigstens Kupfer oder Silber enthält.
6. System nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Kraftstoffleitung (7) ein Strömungsregler (32) angeordnet ist.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß in der Vorbrennkammer (14) eine Zündeinrichtung (17) angeordnet ist.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e kenn ζ ei chnet , daß in dem Nebenansaugkanal (10) ein Strömungsregler (29) angeordnet ist.

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9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e -

kennzeichnet , daß in der zweiten Kraftstoffleitung (8) ein Strömungsregler (38) angeordnet ist.
10. System nach, einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e kenn ζ ei c h η et, daß der Hauptansaugkanal (9) einen Venturiabschnitt ('3O) aufweist, und daß die erste Kraftstoffleitung in den Venturiabschnitt einmündet.
11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennkammer (14) einen Betriebsbestandteil der Brennkraftmaschine bildet.

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