DE2365255B2 - Verfahren und vorrichtung zur verringerung der emmission schaedlicher bestandteile im abgas einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung der Emission schädlicher Bestandteile im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei Brennstoff vor der Einbringung in den Verbrennungsraum einem Zerfalls-(Spalt-) und Oxidationsprozeß unterworfen wird.

Bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen haben sich die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zur Verringerung schädlicher Bestandteile im Abgas vielfach primär auf die Eliminierung solcher Bestandteile aus dem Abgas oder auf eine Perfektionierung der Verbrennung des Brennstoffes selbst konzentriert. Meist wurde weniger Aufmerksamkeit der Verbesserung des verwendeten Brennstoffes geschenkt.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bzw. bei der eine besonders wirksame Verbrennung des Brennstoffes und Reinhaltung des Abgases stattfindet.

Erfindungsgem£ß wird dies dadurch gelöst, daß sowohl dem Zerfalls- und Oxidationsprozeß unterworfene Brennstoff als auch letzterem Prozeß nicht unterworfener Brennstoff in den Verbrennungsraum eingebracht werden und daß die Gesamtmenge des im Verbrennungsraum zur Verbrennung gelangenden Brennstoffes so ausgewählt ist, daß sich ein mageres Luft-Brennstoff-Verhältnis ergibt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner die nach dem genannten Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine selbst.

Man erhält durch den Zerfalls- und Oxidationsprozeß des Brennstoffes in Gegenwart von Sauerstoff eine Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten, einschließlich verschiedener Reaktionsprodukte, und leitet diese Mischung in die Zylinder ein. Der erwähnte Prozeß wird im folgenden »Umwandlungsbehandlung« oder kurz »Behandlung« genannt.

Diese Mischung von Zerfaiis- und Oxidationsproduk ten schließt verschiedene chemische Verbindungen, wie Aldehyde und Ketone, niederwertige aliphatisch^ <<5 Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen. Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Derivate von Alkylbenzolen, organische Karbonsäuren u. dgl. ein.

Durch Einleiten dieser Mischung in die Zylinder wird die Verbrennung in folgender Hinsicht beeinflußt:

L Die Aldehyde und Ketone und deren bei einer Oxidation entstehende Zwischenprodukte tragen in starkem Ausmaß zur Verbesserung und Steuerung der Verbrennung bei.

2. Die niedrigerwertigen aüphatisdien Kohlenwasserstoffe, die durch das Aufbrechen chemischer Bindungen entstehen, die gasförmigen Kohlenwasserstoffe, das Kohlenstoffmonoxid und der Wasserstoff führen zusammen mit den zuvor erwähnten Produkten ferner dazu, daß die Geschwindigkeit des Verbrennungsvorgangs und die Verbrennung selbst verbessert werden. Diese Wirkung ist insbesondere dann bemerkenswert, wenn diese Stoffe in der Umgebung der Zündungsquelle und der Brennfläche der Flamme vorhanden sind.

3. Der Wasserstoff trägt zur Reduktion und zum Zerfall der Stickoxide bei, die im Verbrennungsvorgang zusammen mit Kohlenmonoxid und anderen Stoffen entstehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es stellt dar

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen dem Mischungsverhältnis von Luft und Kohlenwasserstoff-Brennstoff einerseits und der Temperatur in einer Reihe von Zerfalls- und Oxidationsreaktionen,

Fig. 2 die Beziehung zwischen den Zerfalls- und Oxidationsprodukten von η-Hexan einerseits und der Temperatur andererseits,

Fig. 3 die Beziehung zwischen dem Umwandlungsgrad des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs einerseits und einem Temperaturanstieg andererseits bei Einwirken eines Katalysators,

Fig.4 ein Beispiel der Veränderungen der Zusammensetzung der Mischung der Reaktionsprodukte bei einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 3 und einer Reaktionstemperatur von 400⁰C,

Fig. 5 eine Darstellung des Reaktionsgrades im Oxidationsprozeß für gasförmige Kohlenwasserstoffe,

F i g. 6 die Verbrennungsgeschwindigkeit von Gasen, die aus Mischungen von einer Umwandlungsbehandlung unterzogenen Kohlenwasserstoff-Brennstoffen und Luft bestehen, bei verschiedenen Mischungsverhältnissen von Luft und Brennstoff und bei verschiedenen Temperaturen der Behandlung,

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine nach einem Ausführungsbeispiel,

F i g. 8a und 8b Vorrichtungen zur Brennstoffbehandlung nach einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 9a bis 9c Diagramme für die Beziehung zwischen dem Luft-Brennsloff-Verhältnis und dem mittleren Arbeitsdruck bzw. der Emissionsmenge von Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen für den Betrieb einer Brennkraftmschine sowohl mit Brennstoffen, die einer Umwandlungsbehandlung unterworfen sind, als auch mit Brennstoffen, die einer solchen Behandlung nicht unterworfen sind.

Bei einer Brennkraftmaschine, wie sie die Erfindung vorschlägt, wird ein Teil des in Form von Kohlenwasserstoffen vorliegenden Brennstoffes (im folgenden Kohlenwasserstoff-Brennstoff) in Gegenwart von Sauerstoff oder Luft behandelt. Man erhält dabei eine Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten in verschiedenen Zusammensetzungen; diese Mischung wird den

Zylindern des Verbrennungsmotors zugeführt.

Wird ein Kohlenwasse: itoff-Brennstoff in Gegenwart eines Überschusses von Sauerstoff oder Luft hohen Temperaturen ausgesetzt, dann läuft der Oxidationsvorgang allgemein im wesentlichen perfekt ab; die primären Produkte in dem Bereich, in dem dieser Vorgang stattfindet, sind Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Eine Umwandlungsbehandlung, die die Erfindung voraussetzt, ist eine Behandlung unter Bedingungen, die gegenüber den Bedingungen für den Ablauf des oben geschilderten Vorgangs erheblich abgeschwächt sind, d. h. in Gegenwart von weniger Sauerstoff und bei relativ geringen Temperaturen.

Für die Bedingungen einer Umwandlungsbehandlung lassen sich folgende Bereiche einschließen: Eine Region, in der eine teilweise Oxidation von Kohlenwasserstoffen stattfindet und in der die Entstehung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff stärker ausgeprägt ist; eine Region, in der die Behandlung etwas abgeschwächt ist; in ihr entstehen niedrigerwertige Kohlenwasserstoffe: mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen durch Aufbrechen chemischer Bindungen, ferner als Produkte einer Zuführung von Sauerstoffen zu den niedrigerwertigen Kohlenwasserstoffen und zu Aldehyden und Ketonen, welche oxygenierte Verbindungen darstellen, die durch Zuführung von Sauerstoff zu den Kohlenwasserstoffmolekülen entstehen; eine Region noch weiter abgeschwächter Behandlungsbedingungen, in dem eine vorwiegend gasförmige Mischung besteht, deren Zusammensetzung ähnlich wie diejenige der flüchtigen Komponenten des ursprünglichen Kohlenwasserstoff-Brennstoffes ist.

F i g. 1 zeigt schematisch die Grenzen der erwähnten Eiereiche hinsichtlich des Verhältnisses von Luft und Kohlenwasserstoff-Brennstoff (z. B. Benzin) und der Temperatur. Die einzelnen Reaktionsbereiche sind mit A, B, C, D, E, fi und Ei bezeichnet.

A ist der Bereich perfekter Oxidation. B der Bereich leilweiser Oxidation, C der Bereich intermolekularer Oxidation, Dder Bereich thermischen Zerfalls und £der Bereich, in dem keine Reaktion mehr auftritt. Im Bereich A sind die Hauptkomponenten CXh, H2O, im Bereich B sind es CO, H2, im Bereich C Aldehyde und Ketone, im Bereich D niedrigerwertige Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, im Bereich £1 ist es eine Mischung von Kohlenwasserstoffen in gasförmigem Zustand und im Bereich Ei eine Mischung flüssiger Kohlenwasserstoffe.

Umwandlungsbehandlungen schließen folgende Vorgänge ein: in einer Reihe von Zerfalls- und Oxidationsreaktionen, die bei Behandlung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes in Gegenwart von Sauerstoffen ablaufen, entsteht der Bereich des Zerfalls und der Oxidation, in dem die Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen durch Aufbrechen chemischer Bindungen der Kohlenwasserstoffe des Treibstoffes und durch Zuführung von Sauerstoff zu ihnen erzeugt werden und in dem als Oxidationsprodukte wiederum dieser Produkte dann Aldehyde und Ketone entstehen; es bildet sich ferner der Bereich der partiellen Oxidation aus, in dem Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen, sowie der Bereich der Vergasung, in dem die Kohlenwasserstoffe des Brennstoffes verdampfen.

Der Grundbereich der Bedingungen, unter denen die Umwandiungsbehandlung stattfindet, ist durch relativ geringe Temperaturen und Sauerstoff-Konzentration gegeben, d.h. durch 150 bis 500°C und durch ein Gewichtsverhältnis von Luft zu Brennstoff-Kohlenwasserstoffen von 1 bis 5. Diese Bedingungen erreicht man durch entsprechende Funktion und Aufbau der Vorrichtung zur Behandlung des Treibstoffes, die bei einer Brennkraftmaschine Anwendung findet. Eine Möglichkeil hierzu besteht darin, die Bedingungen der Behandlung durch geeignete Auswahl des Katalysators zu beeinflussen, der die Oxidation, die die Hauptreaktion darstellt, katalytisch fördert. Ist die Auswahl des Katalysators und anderer wichtiger Faktoren, wie der Temperatur, der Luft-(Sauerstoff-)Temperatur, der Strömungsgeschwindigkeit der reagierenden Stoffe über dem Katalysatorbett entsprechend diesen Anforderungen getroffen, erhält man gezielt eine Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten, die zu einer Verbesserung des Verbrennungsablaufs in den Zylindern führt.

Die Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten, die man auf diese Weise erhält, enthält Aldehyde und Ketone, niedrige aliphalische Kohlenwasserstoffe mit 1

zo bis 5 Kohlenstoffatomen, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Derivate von Alkylbenzolen, organische Karbonsäuren sowie noch reagierende Kohlenwasserstoffe, ferner Wasser und restliche Bestandteile von Luft, die als Oxidationsmittel verwendet wurde.

F i g. 2 zeigt die Bildung einer Mischung von Zerfallsund Oxidationsprodukten gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Umwandlungsbehandlung bei n-Hexan und einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 3. Die Hauptprodukte der Reaktion sind: Produkte perfekter Oxidation im Bereich A, und zwar H2O im Bereich A\ und CO2 im Bereich Ai; Produkte partieller Oxidation im Bereich B, und zwar H2 im Bereich ßi und CO im Bereich Bi; Kohlenwasserstoffe von Aldehyden und Ketonen, die Sauerstoff enthaltende Kohlenwasser-Stoffverbindungen darstellen, im Bereich C; Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, die niedrige Kohlenwasserstoffverbindungen darstellen, im Bereich D: ferner Kohlenwasserstoffe, die noch reagieren, nämlich η-Hexan, im Bereich £.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Anteil umgewandelten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes und der Temperatur bzw. einem Temperaturanstieg bei Anwesenheit eines Katalysators. Mit A und B sine typische Kurven für die Umwandlungsbehandlung be einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von 3 mit einerr Katalysator bzw. ohne einen Katalysator bezeichnet.

F i g. 4 zeigt an einem Beispiel verschiedene Zusam mensetzungen der Mischung bei einem Luft-Brennstoff Verhältnis von 3 und einer Reaktionstemperatur vor 400°C; die weiße Säule bzw. die diagonal schraffiert! SäuL zeigen die während der Behandlung entstehende! Komponenten mit bzw. ohne Katalysator.

Wie die Fig.3 und 4 zeigen, steigt der Antei umgewandelten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes seh stark mit einem Temperaturanstieg im Bereich zwi sehen 150 und 500°C. Die Starttemperatur nach de Kurve A ist niedriger als für die Kurve B. de Umwandlungsgrad selbst bei der Kurve A größer al die bei der Kurve B. Die Mischung der chemische Verbindungen, die einen Beitrag zur Verbrennun leisten, nämlich H2, CO, CH4 und andere kann je nac Auswahl der Katalysatoren bestimmt werden.

Die bei der Behandlung entstehende Mischung de Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Kohlenwassei stoff-Brennstoffes nimmt nun am Verbrennungsablai teil und hat dabei folgende Wirkungen:
1. Die Aldehyde und Ketone und deren bei eins Oxidation entstehende Zwischenprodukte trage

in starkem Ausmaß zur Verbesserung und Steuerung der Verbrennung bei.

2. Die niedrigerwertigen aliphatischen Kohlenwasserstoffe, die durch das Aufbrechen chemischer Bindungen entstehen, die gasförmigen Kohlenwasserstoffe, das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff führen zusammen mit den zuvor erwähnten Produkten ferner dazu, daß die Geschwindigkeit des Verbrennungsvorgangs und die Verbrennung selbst verbessert werden. Diese Wirkung ist insbesondere dann bemerkenswert, wenn diese Stoffe in der Umgebung der Zündungsquelle und der Brennfläche der Flamme vorhanden sind.

3. Der Wasserstoff trägt zur Reduktion und zum Zerfall der Stickoxide bei, die im Verbrennungsvorgang zusammen mit Kohlenmonoxid und anderen Stoffen entstehen.

Die oben erstgenannte Wirkung, der besondere Bedeutung zukommt, sei noch wie folgt näher erläutert: Und zwar kann man gemäß mehrfach geäußerter Lehrmeinung davon ausgehen, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Flamme und die Verbrennungsgeschwindigkeit an der Trennfläche zwischen Flamme und brennbarem Medium, die die durch das brennbare Medium wandernde Reaktionszone beeinflussen, von einer beim Verbrennungsvorgang stattfindenden Kettenreaktion abhängen und daß die Ablaufgeschwindigkeit dieser Kettenreaktion von der Konzentration von Kettenträgern, die im Zuge dieses Prozesses entstehen, bestimmt wird.

Unter den Zerfalls- und Oxidationsprodukten, die bei der Umwandlungsbehandlung entstehen, können nun die niederwertigen Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, die beim Aufbrechen chemischer Bindung entstehen, sowie die Aldehyde und Ketone, die als deren Oxidationsprodukte entstehen, deutlich festgestellt werden. In dem Zylinder einer Brennkraftmaschine werden auch diese Oxidationsprodukte im Verbrennungsvorgang einer weiteren Oxidation ausgesetzt, die durch die weiter unten angegebene Formel (1) ausgedrückt werden kann. Dabei entstehen daraus als Zwischenprodukte Peroxid-Radikale und daraus dann OH-, H- und O-Radikale, die als Kettenträger agieren und so die Kettenreaktion fördern.

R _ CHO+ 02-R-CO(OOHV-R-COO+ OH (1)

Zur weiteren Erklärung sei auf F i g. 5 Bezug genommen, die die typischen kinetischen Kurven für die Oxidation von gasförmigen Kohlenwasserstoffen über der Zeit zeigt; dabei stellt die Kurve A den Druckanstieg über der Zeil bei Oxidation einer Kohlenwasserstoff-Luftmischung und die Kurve B den Druckanstieg für den Fall, daß im Gemisch ein kleiner Anteil von Aldehyden enthalten ist, dar.

Daraus ergibt sich, daß die Beimengung von Aldehyden, die bei der Behandlung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes entstehen, die Reaktionsgeschwindigkeit stark beschleunigt und damit die Verbrennungsgeschwindigkeit fördert. Insbesondere trägt die Einführung von Aldehyden mit einem Karbonyl-Radikal in die Zylinder zur Verbesserung der Verbrennungsgeschwindigkeit an der Brennfläche der Flamme bei.

F i g. 6 zeigt die Abhängigkeit der Verbrennungsgeschwindigkeit von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis für mehrere vor der Reaktion bestehende Temperaturen für Gase, die man durch die Behandlung dieser Mischung erhält. Aus Fig.6 geht hervor, daß die Verbrennungsgeschwindigkeit einer Mischung von Luft und Kohlenwasserstoff-Brennstoff rapide zunimmt, wenn man die Oberfläche einer Flamme mit chemischen Substanzen, wie sie bei der Umwandlungsbehandlung bei relativ geringer Temperatur entstehen, beaufschlagt.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Brennkraftmaschine mit verschiedenen Vorteilen, die durch den verbesserten Verbrennungsablauf bedingt sind. Dabei wird ein Teil des der Brennkraftmaschine zugeführten Kohlenwasserstoff-Brennstoffes unter den obenerwähnten Bedingungen einer Behandlung unterzogen; die dabei entstehende Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten wird dann in die Zylinder eingeleitet.

Es wird also im Rahmen der Erfindung lediglich ein Teil des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, der dem Motor zugeleitet wird, der Umwandlungsbehandlung unterzogen. Der Grund dafür ist, daß lediglich eine kleine Menge dieser Mischung dazu ausreicht, die Zündung und Verbrennung in den Zylindern sicherzustellen und zu verbessern. Eine Behandlung des gesamten, einem Motor zugeführten Brennstottes würde verschiedene Nachteile mit sich bringen, wie z. B. eine Abnahme des volumetrischen Liefergrades, einen Verlust an dem Brennstoff innewohnenden Heizwert, Schwierigkeiten bei der Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses und der Aufbereitung des Brennstoffes beim Start oder beim Anhalten des Motors. Eine nur teilweise Behandlung des zugeführten Brennstoffes hat den Vorteil, daß, falls notwendig, das Kompressionsverhältnis gesteigert und damit der Verbrauch an Brennstoff um 10 bis 15% erniedrigt werden kann. Es wird dabei erfindungsgemäß und überraschenderweise auch möglich, ein mageres Gemisch zu zünden und zu verbrennen, was in einem herkömmlichen Motor, der mit einem Vergaser ausgerüstet ist, nicht möglich ist: auf diese Weise werden die schädlichen Elemente im Abgas weiter reduziert. Ferner enthält der einer Behandlung unterzogene Brennstoff im Vergleich mit dem ursprünglichen Kohlenwasserstoff — Brennstoff größere Anteile an niedrigwertigen Kohlenwasserstoff-Molekülen und anderen chemischen Verbindungen, die durch Zerfall und Oxidation entstehen. Gelangen sie in die Umgebung einer Zündungsquelle oder der Brennfläche einer Flamme, dann kann man auch relativ leicht leichtes öl verbrennen, was herkömmlicherweise nicht möglich ist. Ein Motor, der nach den Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, eignet sich daher für eine große Vielfalt von Brennstoffen.

Die Konstruktion, die Funktion und die Wirkungsweise eines Viertakt-Hubkolben-Motors als Ausführungsbeispiel wird im folgenden beschrieben.

F i g. 7 zeigt einen Motor mit einem Hauptvergaser 1 einem Hilfsvergaser 2, einer Brennstoffbehandlungs Vorrichtung 4, deren eines Ende über ein Hilfsansaug rohr 3a mit dem Hilfsvergaser 2 und deren anderes Ende mit dem Hilfsansaugrohr 3i> in Verbindung steht. Da: Hilfsansaugrohr 3b ist im Ansaugkanal 6 installiert seine Spitze endet oberhalb des Einlaßventils 7 um öffnet sich in Richtung der Kammer 10. Diese Kamme wirkt als Falle und fängt einen Teil des Gemischs de Zerfalls- und Oxidationsprodukte ein. In die Kammer Ii ist eine Zündkerze 8 eingebaut; die Kammer 10 steh über Öffnungen 9a, 9Z> mit dem Verbrennungsraum Il i Verbindung. Mit 5 ist das Hauptansaugrohr, mit 12 da Auslaßventil, mit 13 die Abgasableitung, mit 14 di Abgasöffnung und mit 15 der Kolben bezeichnet.

Die Fig.8a und 8b zeigen den Aufbau dt Brennstoffbehandlungsvorrichtung 4. Sie weist eine

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Einlaß 20, einen Bchandlungsteil 21 und einen Auslaß 22 auf. Der Behandlungsteil 21 wird durch den Zylinder 26. das Katalysatorbett 24 aus Aluminiumoxid, Platin oder ähnlichem, einer elektrischen Heizvorrichtung 25, die von einer (nicht gezeigten) Batterie gespeist wird, gebildet. In Strömungsrichtung, kurz vor der elektrischen Heizvorrichtung 25, ist ein Element 25' angeordnet, das dazu dient, einen Flammenrückschlag in das Hilfsansaugrohr 3a zu verhindern. In Fig.8a besteht das Element 25' zur Verhinderung eines Flammenrückschlags aus Katalysatoren. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet ein am Auslaß 22 vorgesehenes Thermometer.

Fig.8b zeigt ebenfalls einen Einlaß 20, einen Behandlungsteil 21 und einen Auslaß 22; dabei ist der Behandlungsteil als Zylinder ausgebildet. Im Behandlungsteil ist ferner eine elektrische Heizvorrichtung 25 angeordnet, die von einer (nicht gezeigten) Batterie gespeist wird. In Fig.8b ist jedoch kein Katalysatorbett vorgesehen. Fig.8b zeigt den Fall, in dem die Behandlung eines Teils des Brennstoffes durch Erwärmung in der Heizvorrichtung 25 erfolgt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 7, 8a, 8b kann der vom Hilfsvergaser 2 her zugeführte Brennstoff in Nähe der Zündkerze gezündet werden; 12 bis 38% des gesamten Brennstoffs reichen für eine solche Menge der Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten aus, die für die nachfolgende Verbrennung und deren Steuerung erforderlich ist Diese 12 bis 38°/o des Brennstoffes werden im Vergaser 2 auf eine relativ fette Mischung eingestellt. Diese relativ fette Mischung gelangt über das Hilfsansaugrohr3aindie Behandlungsvorrichtung 4. Durch Erhitzung in der Heizvorrichtung 25 wird dieses Gemisch nun der Umwandlungsbehandlung unterworfen. Diese Behandlung wird durch das Katalysatorbett 24 aufrechterhalten, dessen Temperatur den bestimmten Wert so lange hält, bis man die angestrebte Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten erhält. Ein Teil des derart behandelten Brennstoffes gelangt dann während des Ansaughubs über das Hilfsansaugrohr 3b, das geöffnete Einlaßventil 7 und die öffnung 9a in die Kammer 10. Da sich die Spitze des Hilfsansaugrohres 3b in Richtung der Kammer 10, und zwar in Strömungsrichtung oberhalb bzw. vor dem Einlaßventil 7 öffnet, gelangt ein beachtlicher Teil der Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten über die öffnung 9a in die Kammer f 0. Der restliche Teil der Mischung gelangt in den oberen Teil des Verbrennungsraumes 11. Bei Ende eines Kompressionshubes gelangt nun ein Teil dieses Anteils wiederum zurück in die Kammer 10, und zwar über die öffnungen 9a und 9b. Der andere Teil verbleibt in Nähe der öffnungen 9a und 9b oben im Verbrennungsraum 11. Dann wird während des Ansaughubes das relativ magere Gemisch, das vom Hauptvergaser her angesaugt worden ist, den Zylindern über Einlaßöffnung und Einlaßventil 7 zugeführt.

Die relativ fette Mischung der Zerfalls- und Oxidationsprodukte, die jetzt in der Kammer 10 vorhanden ist, kann dann durch die Zündkerze 8 leicht gezündet werden. Die Verbrennung beginnt. Dann schlägt ein Flammenstrahl durch die Öffnungen 9a und 9b in den Bereich außerhalb der Kammer 10. Durch diese Flammenzündung wird nun das magere Gemisch, das den größeren Teil des Verbrennungsraumes 11 und des Raumes innerhalb der Zylinder einnimmt, zuverlässig verbrannt. So wird das magere Gemisch als Ganzes verbrannt werden und die Menge der schädlichen

Elemente im Abgas reduziert.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wi-rde eil Hilfsansaugrohr und ei'ie als Brennstoffalle wirkend« Kammer verwendet; sie stellen ein wirksames Mittel füi die Einführung des behandelten Brennstoffes dar. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese speziellen, dei Umwandlungsbehandlung nachgeschalteten Mittel be schränkt.

Derjenige Teil des Brennstoffes, der in dem ober ίο beschriebenen Ausführungsbeispiel dem Hilfsvergasei zugeführt wird, liegt zwischen 12 und 38%. Diesel Anteilsbereich hat sich als bestes Verhältnis im Hinblick auf eine Reduzierung der schädlichen Elemente irr Abgas herausgestellt, wenn man, wie in diesem Ausführungsbeispiel, ein Hilfsansaugrohr und eine als Falle wirkende Kammer verwendet. Das Verhältnis kann jedoch je nach konstruktiver Ausbildung der Brennkraftmaschine und je nach seiner Leistung, auch anders sein.

Bei Verwendung eines Kreiskolbenmotors erreicht man die oben beschriebenen Wirkungen dadurch, daß man die Mischung der Zerfalls- und Oxidationsprodukte nach Art eines Gürtels entlang der Mittelachse der Breitseite des Rotors ansaugt und an der Stelle hält, wo die Zündkerze angeordnet ist. Man umgeht damit auch Schwierigkeiten der Verbrennung bei herkömmlichen Kreiskolbenmotoren und erreicht bessere Leistung und bessere Zusammensetzungen der Abgase.

Die Fig.9a bis 9d zeigen mit der Erfindung erzielte Verbesserungen hinsichtlich der Leistung eines Motors und hinsichtlich der Emission von Abgasen mit schadhaften Bestandteilen.

Um die Vorteile der Erfindung derart darstellen zu

können, wurden sowohl Versuche mit einer Brennkraft-

maschine, die eine als Falle wirkende Kammer aufwies.

als auch Versuche mit einem herkömmlichen Motor

durchgeführt.

Die Fig. 9a bis 9d zeigen Diagramme, die ein Vergleich charakteristischer Eigenschaften in folgenden Hallen ergibt:

(W) Betrieb einer herkömmlichen Brennkraftmaschine

mit einer Behandlung nicht unterworfenem

Brennstoff;
(X) Betrieb einer herkömmlichen Brennkraftmaschine

^m" ^einer Behandlung unterworfenem Brennstoff; (Y) Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer als

Falle wirkenden Kammer, mit einer Behandlung

nicht unterworfenem Brennstoff; ' ' Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer als

Falle wirkenden Kammer und einer Behandlung unterworfenem Brennstoff.

Zu den Kurven nach Fig.9a bis 9d im einzelnen: Mg. 9a zeigt die Beziehung zwischen dem Luft-Brennstot.-Verhältnis und dem mittleren Arbeitsdruck. Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, ergibt sich hinsicht-Γ!fu^{eS Drehm}°ments nur ein geringer Unterschied in Abhängigkeit davon, ob der Brennstoff einer Umwandlungsbehandlung unterworfen wird oder nicht. ^üie Mg.9b und 9c zeigen die Beziehung zwischen am Luft-Brennstoff-Verhältnis und der Emissionsmenge von Stickoxiden (NOx) für eine herkömmliche brennkraftmaschine und einer solchen mit einer als haue wirkenden Kammer. Aus diesen Kurven geht h^rH^Or' £ ^{dle Menge der} Emission von Stickoxiden in Deiaen Hallen erheblich geringer ist, wenn ein einer Denandlung unterzogener Brennstoff verwendet wird, uaruber hinaus zeigt sich auch an den Kurven nach

F i g. 9c, daß sich hinsichtlich der Emission von Kohlenwasserstoffen (gemessen in C-haltige Teile pro eine Million Teile) kaum ein Unterschied zwischen der Verwendung von Brennstoffen, die einer Behandlung unterzogen worden sind, und einer Verwendung mil 5 Brennstoffen, die dieser Behandlung nicht unterlagen, ergibt. Im Falle der Verwendung einer herkömmlichen Brennkraftmaschine verschiebt sich jedoch der Bereich, in dem die Menge der abgegebenen Kohlenwasserstoffe ein Maximum hat, dann, wenn ein einer Umwandlungsbehandlung unterworfener Brennstoff verwendet wird, nach rechts; das bedeutet, daß der kritische Bereich für das Luft-Brennstoff-Verhältnis entsprechend breiter wird.

Beim Stande der Technik wird die gesamte der Brennkraftmaschine zugeführte Brennstoffmenge der Umwandlungsbehandlung unterworfen. Dies hat Nachteile, auf die noch einzeln eingegangen werden wird. Die von der Erfindung vorgeschlagene Behandlung nur eines Teiles der Brennstoffmenge bei gleichzeitiger Speisung der Maschine mit nicht dieser Umwandlungs-'lehandlung unterworfenem Brennstoff macht es vor allem möglich, insgesamt mit rngerem Luft-Brcnnsioff-Verhältnis zu arbeiten. Es wird davon ausgegangen, daß der Fachmann unter einem »mageren« Gemisch ein solches mit Luft-Brennstoff-Verhältnis von Ib und höher versieht.

Es ist bereits bekannt, bei mit Festbrennstofl betriebenen Brennkraftmaschinen sowohl Generatorgas als auch flüssigen Brennstoff (letzteren ?.i Zündungszwecken des Dieselprozesses) in den Ver brennungsraum einzubringen. Daß eine solche Brenn kraftmaschine mit magerem Luft-Brennstoff-Verhaltni: im vorliegend vorausgesetzten Sinne je betrieber worden ist oder betreibbar war, ist druckschriftlich nich belegbar.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (24)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verringerung der schädlichen Bestandteile der Abgase beim Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei welchem Brennstoff vor der Einbringung in den Verbrennungsraum einem Zerfalls- und Oxidationsprozeß (auch »Behandlung« genannt) unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl dem genannten Prozeß ίο unterworfener (»behandelter«) Brennstoff als auch ihm nicht unterworfener Brennstoff in den Verbrennungsraum eingebracht werden und daß die Gesamtmenge des im Verbrennungsraum zur Verbrennung gelangenden Brennstoffes so ausgewählt wird, daß sich ein mageres Luft-Brennstoff-Verhältnis ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft und unbehandeltem Brennstoff vermischt werden, bevor das dadurch entstehende Gesamtgemisch im Verbrennungsraum (11) gezündet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff und die Luft, die nicht durch die Behandlungsvorrichtung (4) geleitet wurden, ein mageres Luft-Brennstoff-Gemisch bilden und daß die Zerfalls- und Oxidationsprodukte des behandelten Brennstoffs getrennt davon in den Verbrennungsraum (11) eingeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn-Eeichnet, daß die Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffs in den Verbrennungsraum (11) in Nähe der Zündkerze (8) eingeleitet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffs im Verbrennungsraum (ll)gänz'ich oder zum Teil in eine in diesem angeordnete und die Zündkerze (8) umgebende Falle (10) eingeleitet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennreichnet, daß die Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffes Kohlenmonoxyd und Wasserstoff tnthalten.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennleichnet, daß die Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffes Aldehyde und Ketone enthalten.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennteichnet, daß die Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffs niedrigerwertige alephatische Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen tnthalten.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennteichnet, daß die von der Behandlungsvorrichtung (4) abgegebenen Produkte ein Gemisch bilden, das verdampften, nicht umgewandelten Brennstoff enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß — wie vielfach bekannt — an· Brennstoffbehandlung in Gegenwart eines Katalysators (24) erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der der Behandlungsvorrichtung (4) zugeführten Luft zu dem dieser Vorrichtung zugeführten Brennstoff zwischen 1 und 5 liegt und daß die Behandlung bei Temperaturen von 150 bis 500°C erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

zeichnet daß die der Behandlungsvorrichtung (4) zugeführte Menge Brennstoffes 12 bis 38% des gesamten im Verbrennungsraum (11) zu verbrennenden Brennstoffes beträgt.

13 Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Zerfalls- und Oxida'ionsprodukte des Brennstoffes in den Verbrennungsraum (11) durch ein Hilfsansaugrohr (3b) eingeleitet werden, das im Ansaugkanai (6), durch den das unbehandelte Luft-Brennstoff-Gemisch in den Verbrennungsraum eingeleitet wird, vor dem Einlaßventil (7) und in Nähe desselben einmündet.

14. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Falle (10) zumindest eine öffnung (9a) aufweist, durch die Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffes in die Falle eingeleitet werden, und daß in der Falle die Zündung dieses Teils der Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffes derart erfolgt, und die dabei entstehende Flamme sich durch die genannte öffnung (9a) oder weitere öffnungen (9b) in das im restlichen Teil des Verbrennungsraumes (11) enthaltene Gemisch ausbreitet.

15. Brennkraftmaschine mit Einrichtungen zur Verminderung der schädlichen Bestandteile der Abgase beim Betrieb der Maschine, bei welcher Einrichtungen vorgesehen sind, welche Brennstoff vor dem Einbringen in den Verbrennungsraum einem Zerfalls- und Oxidationsprozeß (auch »Behandlung« genannt) unterwerfen, dadurch gekenn zeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die sowohl dem genannten Prozeß unterworfenen (»behandelten«) Brennstoff als auch ihm nicht unterworfenen Brennstoff in den Verbrennungsraum einbringen, wobei die Gesamtmenge des im Verbrennungsraum zur Verbrennung gelangenden Brennstoffes so ausgewählt ist, daß sich ein mageres Luft-Brennstoff-Verhältnis ergibt.

16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15. dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (3b) die Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffes in den Verbrennungsraum (11) in Nähe der Zündkerze (8) einleitet.

17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Luft und Brennstoff, die der Behandlungsvorrichtung (4) zugeführt werden, zwischen 1 und 5 beträgt.

18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15. dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffbehandlung bei Temperaturen von 150 bis 500⁰C erfolgt.

19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Vergaser (1) für unbchandelten und ein zweiter Vergaser (2) für den zu behandelnden Brennstoff vorgesehen ist.

20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zuleitung der Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffes zum Verbrennungsraum (11) dienende Leitung (3b) vor und in Nähe des Einlaßventils (7) endet, das im Ansaugkanal (6) angeordnet ist, durch den dem Verbrennungsraum (11) vom ersten Vergaser (1) Luft und Brennstoff zugeführt werden.

21. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbrennungsraum (11) eine (-alle (10) angeordnet ist, die die Zündkerze (8) umgibt und zumindest eine öffnung (9 a) aufweist, durch die die Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Brennstoffes gänzlich oder zum Teil in die Falle (10)

eintreten, wobei das Gemisch in der Falle (10) entzündet wird und die dadurch entstehende Flamme durch die genannte öffnung (9a) oder weitere öffnungen (96) in den außerhalb der Falle liegenden lChocs »erbrenniingsra, :.7ics({l)äu:>inn.

22. Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Vergaser 12 bis 38% der gesamten im Verbrennungsraum (H) zu verbrennenden Brennstoffmenge zugeführt wird.

23. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsvorrichtung (4) einen Katalysator (24) aufweist, in dessen Gegenwart die Behandlung erfolgt.

24. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsvorrichtung (4) eine Heizvorrichtung (25) aufweist, die den Brennstoff erhitzt und daß dort ferner Mittel (25') vorgesehen sind, die einen Flammt.irückschlag verhindern.