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Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb
einer mit Fremdzündung arbeitenden Brennkraftmaschine, die mit verschiedenartigen
Kraftstoffen gefahren werden kann. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum Betrieb einer zu einem Kraftfahrzeug
gehörigen Brennkraftmaschine.
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Es ist bekannt, daß der benzinbetrisbene Ottomotor nur durch Quantitätsreaelung
des Gemisches gesteuert werden kann, da eine Qualitätsregelung durch die Fehlzündungsgrenze
magerer Benzin-Luft-Gemische bei einem Luftverhältnis
von ist 1,2
nur in einem sehr engen Bereich möglich ist. Bei der Quantitätsregelung sind nun
mit zunehmender Drosselung steigende Veiuste zu erwarten, so daß sich bei abnehmendem
Druck ein für die heutigen Benzinmotoren charakteristischer degressiv abnehmender
Verlauf des thermischen Wirkungsgrades über dem in Prozenten des fIöchstwertes angegebenen
indizierten Elitteldruck ergibt.
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Dabei stellt sich bereits mit einer Drosselung von 50 % der Vollast
eine Abnahme des thermischen Wirkungsgrades um etwa 8 % und bei einer Drosselung
auf lo % bereits eine Abnahme um etwa 23 % bei einem Ausgangswert von etwa 35 %
ein.
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Demgegenüber ist bei reiner Qualitätsregelung, die bei gasbetriebenen
Ottomotoren, hauptsächlich bei Verwendung von Wasserstoff und methan oder einem
Gasgemisch, das diese Gase reichlich enthält, über einen weiten Bereich anwendbar
ist, mit nahezu gleichbleibend hohem thermischen Wirkungsgrad von Vollast bis ins
untere Teillastgebiet zu rechnen.
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Weiterhin ist bekannt, daß methan- und wasserstoffbetriebene Ottomotoren
neben diesem besseren Wirkungsgrad auch geringere Schadstoffemissionen aufweisen
als herkömmliche Benzinmotoren. Vergleichende Messungen an einem CFR-Prüfmotor zeigten,
daß beim Betrieb mit Propan die Emission von Kohlenmonoxid um 87 X und die Stickoxidemission
um 53 % kleiner ist als bei Benzinbetrieb. Beim Betrieb mit Elethan war die Emission
von Kohlenmonoxid und von unverbrannten Kohlenwasserstoffen um 99 %, die von Stickoxiden
um 59 , gegenüber Benzinbetrieb reduziert. Noch bessere
Ergebnisse
wurden unter Verwendung eines Gasgemisches erzielt, wie es z.B. bei der Dampf-Reformierung
von Hexan entsteht. Dieses Gemisch besteht aus etwa 35 Vol. % methan 30 Vol. % Wasserstoff
3 Vol. % Kohlenmonoxid i6 Vol. % Kohlendioxid und 15 Vol. % Wasserdampf.
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Damit ergab sich im Vergleich zum Betrieb mit Benzin eine Verringerung
der Kohlenmonoxidemission um 98 %1 der Kohlenwasserstoffemission um 99 % und der
Stickoxidemission um 87 %, wobei als unverbrannter Kohlenwasserstoff fast ausschließlich
das ungefährliche Methan auftrat. Entsprechende Ergebnisse wurden auch bei der Verwendung
von Drenngas aus dampf-reformiertem, bleifreiem Benzin erhalten.
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Problematisch ist beim Methan- und Wasserstoffbetrieb die Treibstoffspeicherung
im Fahrzeug, Sollen die mitgeführten Gasmengen im IIeizwert dem Denzin entsprechen,
so ergeben sich gegenüber dem Benzinbetrieb um mindestens einen Faktor 10 erhöhte
Gewichte. hier verspricht der Spaltvergaser eine Lösung, der aus Benzin, Luft und
Abgas oder Wasser ein sehr wasserstoff- und methanreiches Gas genügend hoher Elopffestigkeit
erzeugt, das den Betrieb eines Ottomotors mit hohen Luftverhältnissen (?L > 1,6)
erlaubt.
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Ein prinzipieller Nachteil des Gasbetriebs ist in dem aufgrund des
Eigenvolumens der Brenngase im angesaugten Gemisch gegenüber Benzinmotoren verringerten
Füllungsgrad der Gasmaschinen vorhanden. Der daraus resultierende Literleistungsverlust
beträgt zwischen 20 und 40 X, so daß sich bei einer bestimmten geforderten Ilotorhöchstleistung
für ein Fahrzeug das Bauvolumen und das Cewicht der Naschine entsprechend in unwirtschaftlicher
Weise erhöhen.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, diese Nachteile zu vermeiden und
ein Verfahren vorzuschlagen, das einerseits die Vorteile geringer schädlicher Bestandteile
im Abgas und hoher Teillastwirkungsgrade aufweist, andererseits aber hohe Leistung
erbringen kann1 und das im IIinblick auf diese Vorteile von Betriebsstoffen ausgeht,
die bei verhältnismäßig geringem Gewicht und Volumen große Ileizwerte aufweisen.
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Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, die zur Durchführung des Verfahrens
notwendige Vorrichtung zu erstellen.
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Deshalb wird nun gemäß der Erfindung vorgeschlagen, je nach dem Lastbereich,
in dem die Brennkraftmaschine gefahren wird, Gas, Gas und Benzin oder nur Benzin
als Kraftstoff zu verwenden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß im unteren Teillastbereich qnantitatsgeregelt Gas bei hoher Luftverhältniszahl
, im mittleren Teillastbereich qualitätsgeregelt Gas und Benzin bei angepaßtem 2t
und bei Vollast nur Benzin bei einer Luftverhäitniszahl # = 1 verwendet wird. Dabei
kann im mittleren Teillastbereich bei abnehmender Gasmenge und im gleichen Verhältnis
steigender Benzinmenge die Luftwechselzahl entsprechend bis auf # = 1 bei reinem
Benzinbetrieb abnehmen.
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Anstelle von Benzin kann ebenfalls in erfindungsgemäßer Weise aber
auch Methanol, Aethanol oder sonst ein Alkohol als Flüssigkraftstoff Verwendung
finden. Insbesondere die Verwendung von t.ethanol bietet wesentliche Vorteile gegenüber
Benzin, so eine Steigerung der Literleistung um ca. 20 % und eine Erhöghung des
Vollastwirkungsgrades um 10 bis i5 54. Die bei Methanolbetrieb von fremdgezündeten
Verbrennungsmaschinen bekannten Kaltstart-Schwierigketon werden dagegen durch dieses
Verfahren vermieden, da das Anlassen des Motors ini unteren Lastbereich mit reinem
Gas erfolgt.
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Außerdem kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen werden,
daß als Gas ein Gemisch aus Wasserstoff und methan oder ein Gemisch aus Wasserstoff,
Methan, Kohlenmonoxid und In@ertgasen wie Kohlendioxid und Stickstoff verwendet
wird.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens dient eine Vorrichtung zum Betrieb
einer zu einen' Kraftfahrzeug gehörigen Brennkraftmaschine, bei der auf dem Kraftfahrzeug
je ein Behälter für Gas und Benzin oder Alkohol vorgesehen ist. Dabei kann der Behälter
für Gas durch einen Spaltvergaser ersetzt werden, der aus flüssigen kohlenwasserstoffen
warmes Gas erzeugt, das in diesem Zustand der Verbrennungskraftmaschine zugeführt
wird.
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Diese Vorrichtung ist im übrigen so ausgebildet, daß die dosierte
Menge des dem Behälter entnommenen Betriebsstoffs mittels einer Regeleinrichtung
zugeführt wird, zu der ein Benzinvergaser mit Zusatzluftführung oder eine Denzineinspritzanlage
und
ein Gasmischer gehört. Die Vorrichtung kann aber auch so ausgebildet sein, daf die
dosierte tienge des dem Behälter entnommenen Betriebsstoffes mittels einer Regeleinrichtung
zugeführt wird, zu der ein Benzin vergaser mit Zusatzluftführung oder eine Benzineinspritzanlage
und eine Gaseinblaseeinrichtung gehört, die das Gas direkt in die Brennkammer des
Motors bl st.
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Als Gas kann bei der burchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
entweder ein Wasserstoff-Methangemisch Verwendung finden, das in einem geeigneten
Speiciier im Fahrzeug mitgeführt wird, oder ein Gasgemisch, die es bei der Spaltung
von flüssigen lolilenwasserstoffen, (Methanol, Benzin, Diesel) unter Luft- und/oder
Wasserdampfzusatz bei hohen Temperaturen entsteht. Wesentlich ist vor allem der
hasserstoffgellalt des Gasgemisches im hinblick auf den grossen Zündbereich und
die hohe Zündgeschwindigkeit des Gas serstoffes.
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Die Erhöhung der Zündgrenzen von Benzin-Luft-Gemischen durch Zumischung
von wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas bis zu Luftverhältnissen # = 2 und
darüber ist nach theoretischen bberlegungen zu erwarten und wurde inzwischen experimentell
nachgewiesen. Die Klopffestigkeit der in Frage kommenden Spaltgase wird bei den
angeführten Luftverhältnissen in der Crößenordnung von Superbenzin oder darüber
liegen, so daß bei den heute für Benzinbetrieb üblichen Verdichtungsverhältnissen
(##9) keine Schwierigkeiten durch den Betrieb mit Spaltgas im unteren Leistungsbereich
zu erwarten sind. Der rotor selbst kann also konstruktiv unverändert vom reinen
Benzinbetrieb übernommen werden. Änderungen sind nur im Gemischaufbereitungsteil
vorzunehmen.
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In der folgenden Beschreibung, der auch weitere Einzelheiten des Gegenstandes
der Lrfindung entnommen werden können, werden das in erfindungsgemäßer Weise durchführbare
Verfahren und die zur Durchführung desselben verwendbare Vorrichtuna beschrieben.
l;s zeigen die Fig. 1 - 3 Diagramme, in denen die luftmenge und das Gemischvolumen
in Normalliter pro Liter Zylindervolumen und Ilub, die Wasserstoff-bzw. Benzinmenge
in Milligramm pro Liter Zylindervolumen und Hub sowie die Luftverhältniszahl 2t
sowie der thermische Wirkungsgrad in @rozent in Abhängigkeit vom indizierten tlitteldruck
in % vom @öchstwert dargestellt sind, die Fig. lj + 5 erfindungsgemdfie Regeleinrichtunge@
als Teile der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sei nun anhand der Fig. l bis 3 der
@infachheit halber ohne Berücksichtigung der Klopffestigkeit ar Beispiel der Zumisclwung
von reinem Wasserstoff naher erläutert. Die Verwendung von Methan-Wasserstoff-Gemisch
oder von Spaltgas (Gemisch aus @2, C1I4, CO, CO2, N2, H2O) mit ausreichender Klopffestigkeit
ändert die V@rhältnisse nicht gnindlegend. In Fig. l sind die Wasser.
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stoffmenge, die Denzinmenge, die luftmenge und das Normalvolumen des
Gemisches bezogen auf 1 Liter Zylindervolumen und einen lub in Abhängigkeit von
dem in Prozenten des Höchstertes angegebenen indizierten Mitteldruck aufgetragen,
wobei ein Füllungsgrad von 8o % angenommen wurde. Der Fig. 2 ist die jeweilige Luftverhältniszahl
# in Abhängigkeit von dem in prozenten
des Höchstwertes angegebenen
indizierten Mitteldruck zu entnehmen. Man entnimmt Fig. 1, daß der Motor in diesem
Beispiel bis 40 % Vollast nur mit Wasserstoff bei # # 3 quantitätsgeregelt betrieben
wird. Gasmenge, Luftmenge und Gemischvolumen steigen mit dem Mitteldruck an, während?Lkonstant
bleibt (Fig. 2). Ab 40 % Vollast wird mit steigendem Mitteldruck eine zunehmende
Benzinmenge zugeführt, während die Wasserstoffmenge abnimmt, bis schließlich bei
Vollast mit reinem Benzin gefahren wird. Die Wasserstoffzumischung ist stets ausreichend,
um das Benzin-Wasserstoff-Luft-Gemisch sicher zünden zu können und # fällt von #
3 auf 1 ab (Fig. 2). Der Motor wird also von 40 % Last bis Vollast qualitätsgeregelt
betrieben.
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Der bei dieser Misch-Betriebsart zu erwartende Wirkungsgrad ist in
Fig. 3 in Abhängigkeit von dem in Prozenten des Höchstwertes angegebenen indizierten
Nitteldruck aufgetragen. Die Kurve wurae aus Literaturdaten interpoliert und ist
bereits an einem Chevrolet Impala-V8-Notor experimcntell nachgewiesen. Zum Vergleich
ist wieder die Wirkungsgradkurve des benzinbetriebenen Blotors eingezeichnet. Man
entnimmt besonders im unteren Bereich eine deutliche Wirkungsgradsteigerung (über
50 %), so daß vor allem im Stadtverkehr und bei leistungsstarken Rotoren, die vornehmlich
in diesem Bereich betrieben werden, eine beträchtliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
zu erwarten ist.
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Die Schadstoff-Emission wird bis zu 40 % der Vollast (reiner Gasbetrieb)
vernachlässigbar sein (# # 3) und dann
ansteigen, um bei Vollast
(reincr Benzinbetriet) die Werte unentgifteter Dlotoren zu erreichen. Damit ist
gerade im Stadtverkehr ein praktisch schadstoff-emissionsfreie@ Betrieb möglich.
Da nun bei den üblichen Tests (CVS-Test, Europa-Test) die Motoren praktisch nicht
mit Vollast betrieben werden müssen, ist zu erwarten, daß die geforderten Emissionsgrenzwerte
unterschritten werden können.
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Um den beschriebenen Spaltgas-Benzin-Mischbetrieb durchzuführen, ist
neben dem vorhandenen Benzinvergaser oder der Benzin-Einspritzanlage entweder ein
zusätzlicher Gasmischer in der Ansaugleitung zu installieren oder eine zusätzliche
Gaseinblasanlage anzubringen, die das Gas direkt in den Brennraum dosiert. Bei Verwendung
eines Vergasers, der ein stöchiometrisches Benzin-Luft-Gemisch erzeugt, ist für
eine geeignete Zusatzluftzuführung zwischen Vergaser und Ansaugventil zu sorgen,
um die Ansaugluftmenge unabhängig regeln zu können und damit, wie anhand der Fig.
1 bzw. 2 erläutert, das Luftverhältnis # variabel zu machen.
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Die drei Größen Benzinmenge, Gasmenge und Luftmenge sind über den
ganzen Betriebsbereich geeignet zu regeln. Bei Verwendung eines Vergasers zur Benzindosierung
und einer Gasmischeinrichtung ergibt sich die in Fig. 4 skizzierte Anordnung auf
der Saugseite des Motors. Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung besteht dabei aus
einem Rohr l, dem vom Luftfilter her Luft zugeführt wird (Pfeil 2). Vor der Drosselklappe
3 sitzt im Rohr l der Benzinvergaser 4.
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Durch ihn wird dem Rohr l ein Benzin-Luft-Gemisch mit der Luftverhältniszahl
# = 1 zugeführt, das durch die Drosselklappe 3 geregelt wird. In Strömungsrichtung
hinter der Drosselklappe 3 mündet in das Rohr 1 ein Luftstutzen 5,
dem
ebenfalls Luft vom Luftfilter zugeführt wird. Diese Zusatzluft wird durch eine weitere
Drosselklappe 6 gerr- -gelt. Weiterhin wird durch einen als Gasmischer dienenden
Ringkanal 7 dem Rohr 1 Gas von der Gasversorgung her zugeführt, wobei die enge des
zugeführten Gases von einer Gasregeleinrichtung 8 gesteuert wird. Das eingeregelte
Kraftstoff-Luft-Gemisch wird über das Einlaßventil 9 dem Brennraum 11 des Zylinders
12 zugeführt.
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Bei Verwendung einer Benzin-Einspritzung ins Saugrohr und einer Gasmischeinrichtung
geht die Anordnung aus Fig. 5 hervor. Diese zeigt wiederum das Saugrohr 1, dem diesmal
vor der Drsselklappe 3 über einen ebenfalls als Gasmischer dienenden Ringkanal 7
Gas in einer von einer Regeleinrichtung 8 geregelten Diene zugeführt wird. Vorher
hatte das Saugrohr l bereits Luft vom Luftfilter gemäß Pfeil 2 erhalten. In einem
Bogen des Saugrohres 1 ist eine Düse 13 für die Benzineinspritzung vorgesehen. Das
Eraftstoffgemisch wird auch hier wieder dem Zylinder 12 in üblicher Weise über das
Einlaßventil 9 zugeführt.
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Die direkte Gaseinblasung in den Brennraum als alternative Möglichkeit
ist in den beiden Zeichnungen Fig. 4 und 5 gestrichelt angedeutet und mit Position
14 bezeichnet.
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Bei Verwendung von Methanol oder einem anderen Alkohol kann dieselbe
Vorrichtung eingesetzt werden.
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Das Gas ist entweder einem Speicher zu entnehmen oder in einer Spaltanlage
(Spaltvergaser) im Fahrzeug aus flüssigen
holllenwassel-stoffen
(Methanol, Benzin, Diesel) zu erzeugen, wobei die Spaltbedingungen so zu wählen
sind, daß ein möglichst wasserstoffreiches Gas ausreichender Klopffestigkeit cntsteht.
Da im oberen Leistungsbereich des T-lotors im wesentlichen mit Benzin gefahren wird,
kann der Spaltvergaser um den Faktor 2 bis 3 kleiner dimensioniert werden als bei
reinem Spaltgas-Betrieb bis zur vollen Last.
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Der Spaltvergaser liefert sehr heißes Gas (500 - 800 °C).
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Dieses Gas soll ungekühlt mit der Ansaugluft vermischt werden, um
damit die Temperatur des angesaugten Gemisches zu erhöhen. Dies bewirkt eine Füllungsgradverringerung
beim Übergang vom reinen Benzinbetrieb (Vollast) auf den reinen Gasbetrieb (unterer
Teillastbereich), wodurch der Bereich der Qualitätsregelung zum Schwachlastbereich
hin ausgedehnt werden kann.