DE2450240A1 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine und hubkolben-brennkraftmaschine zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine und hubkolben-brennkraftmaschine zur durchfuehrung des verfahrens

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Description

  • Verfahren zum 3etreiben einer Brennkraftmaschine und Hubkolben-Brennkraftma schine zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit verringerten Schadstoffanteilen in den die Arbeitsräume der Brennkraftmascnine verlassenden Abgasen und auf eine Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.
  • Brennkraftmaschinen, denen, wie derzeit üblich, der Brennstoff in flüssiger Form zur Verbrennung i.n den Brennräumen zugeführt wird, weisen in dem die Brennräume verlassenden Abgas eine relativ große Menge an Schadstoffen auf. Diese Schadstoffe sind im allgemeinen auf eine unzuxeichende Verbrennung des den Arbeitsräumen zugeführten und in Luft dispergierten, flüssigen Kraft stoffes zurückzuführen. Besonders beim Kaltstart und während des Warmlaufes der Brennkraftmaschine ergeben sich relativ große Schadstoffmengen, da in diesen Betriebszuständen die Aufbereitung des Brennstoff-Luft-Gemisches besonders sobl@cht und dmait dessen Verbrennung in den Arbeitsräumen der Brennkraftmaschine besonders unvollkomnen ist.
  • Andererseits ist festgestellt worden, daß eine relativ vollständige Verbrenoung mit nur wenig Schadstoffen dann erreicht wird, wenn anstelle des flüssigen Kraftstoffes ein gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird. Ein Nachteil bei der Verwendung von gasförmigen Brennstoffen besteht jedoch darin, daß diese zur Speicherung ein relativ großes Volumen erfordern, das auch dann noch unverhältnismäßig groß ist, wenn die Gase etwa unter erhöhtem Druck verflüssigt vorliegen. Dieser relativ große Aufwand für die Speicherung eines gasförmigen Kraftstoffes hat bisher seine Verwendung in den Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, verhindert.
  • Aus diesem Grunde ist bereits ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem in einem besonderen, der Brennkraftmaschine vorgeschalteten Reaktionsvergaser aus flüssigen Brennstoffen durch thermische und/oder katalytische Reaktion gasförmige Brennstoffe, d. h. dissoziierte Brenngase, erzeugt werden, die gegebenenfalls zusammen mit flüssigem Brennstoff und vermischt mit Luft der Brennkraftmaschine zugeführt werden.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein weiteres Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine zur Iurchführung dieses Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine aufzuzeigen, mit deren Hilfe die in den Abgasen enthaltenden Schadstoffe wesentlich verringert werden können.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, das die folgenden, gegebenenfalls mehrfach parallel ablaufenden Verfahrens schritte aufweist: a) ein LuStsolumen wird in einen Kompressionsraum angesaugt und in diese verdichtet; b) das verdichtete Luftvolumen wird in eine auf höheren Betriebstemperaturen gehaltene Reaktionsk@mmer geschoben, in der ein leicht dissoziierbarer Brennstoff kontinuierlich zugeführt und durch thermische und/oder katalytische Reaktion in dissoziierte Brenngase umgewandelt wird; c) das in der Reaktionskammer erzeugte Brenngas-Luft-Gemisch wird in einen Expansionsraum geschoben, in dem es nach seiner Zündung durch eine Zündvorrichtung unter Arbeitsleistung expandiert und von dem es danach in die Umgebung ausgestoßen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verbrennungsverfahren ähnelt damit dem in einer BrenmcraftmaschSue mit innerer kontinuierlicher Verbrennung ablaufenden, bekannten Verfahren. Bei diesem, beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 1 776 047 bekannten Verfahren wird zunächst in einem Kompressionstakt Frischluft verdichtet, die im Bereich des oberen Totpunktes in eine Brennknmmer übergeschoben wird und dort nach Zuführung von Brennstoff in einer kontinuierlich brennenden Flamme verbrennt, um schließlich als heißes, verbranntes Gas in einen eine Expansion ausführenden Arbeitszylinder geleitet zu werden, von wo sie mit Beendigung des Arbeitsverfahrens in die Umgebung abgeleitet wird. Der Unterschied des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber diesen bekannten Verfahren mit kontinuierlicher innerer Verbrennung besteht darin, daß die Reaktionskammer nicht zur Verbrennung des Brennstoff-LuSt-Gemisches, sondern als Reaktionsraum für die thermische und/oder katalytische Zersetzungsreaktion des leicht dissoziierbaren Brennstoffes herangezogen wird und daß die Verbrennung des auf diese Weise erzeugten Brenngas-Luft-Gemisches erst in dem Expansionsraum erfolgt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß durch die Integrierung dieser Zersetzungsreaktion in das Verbrennuiigsverfahren und durch die Vorsehung eines besonderen,getrennten Raumes für die Zersetzung die dabei stattfindende lissoziation des Brennstoffes relativ gut gesteuert werden kann. Die Steuerung dieser Zersetzungsreaktion kann dabei durch den in der Reaktionskammer herrschenden Druck, durch die Temperatur oder durch die Dosierung des der Reaktionskammer zugeführter,leicht dissoziierbaren Brennstoffes erreicht werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des.Verfahrens soll als Brennstoff Methanol verwendet werden. Dieser an sich bekannte Brennstoff mit der chemischen Formel Cll30H zeigt den Vorteil, daß er schon bei relativ niedrigen Reaktionstemperaturen um ca. 2000C zu einem erheblichen Anteil dissoziert gemäß der Formel Wenn gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen verfahrens in der Reaktionskammer eine gewisse Menge Wasser zugeführt wird, dann ergibt sich entsprechend der Formel und damit also eine etwas größere Ausbeute an Wasserstoff. Beide Reaktionen verlaufen endotherm mit einem Energiebedarf von ca.
  • 1.000 kcallkg.
  • Sinne Bubkolben-Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens weist gemäß der Erfindung wenigstens einen über einen Einlaßkanal mit Frischluft beaufschlagten Kompressionszylinder, eine über einen ersten Überströmkanal mit dem Kompressionszylinder verbindbare Reaktionskammer, die auf einer erhöhten Betriebstemperatur Gehalten ist und eine Vorrichtung zur Zuführung eines leicht dissoziierbaren Brennstoffec aufweist, und wenigstens einen mit der Reaktionskammer über einen zweiten Überströmkanal verbindbaren Expansionszylinder mit einer Zündvorrichtung und einem gesteuerten Auslaßkanal zur Ableitung der Verbrennungsabgase auf. Dabei kann zweckmäßigerweise eine die Reaktionskammer umgehende Bypassleitung zur Verbindung des ersten mit dem zweiten Überströmkanal vorgesehen sein, wobei ein Ventil zur Steuerung des Durchflußquerschnittes der Bypassleitung vorgesehen ist.
  • Um den für die Umsetzungsreaktion in der Reaktionskammer erforderlichen Energiebedarf zu decken, kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die Reaktionskammer beheizbar ausgebildet sein. Dabei bietet sich eine k%ckeizung durch die aus dem Expansionszylinder austretenden abgase besonders an.
  • Schließlich könnte es &uch vorteilhaft schon, wenn in der Reaktionskammer ein Katalysator angeordnet ist, der die in der Reaktionskammer erfolgende Dissoziation des vorzugsweise aus Methanol bestehenden leicht dissoziierbaren Brennstoffes untorstützt. Die Verwendung von Methanol als Brennstoff ermöglicht es dabei,verhältnismäßig einfache Katalysatoren, beispielsweise Nichtedelietall-Katalysatoren wie Nickel oder dergleichen,heranzuziehen.
  • In de Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellungsweise gezeigt, das im folgenden näher erläutert wird.
  • Die Zeichnung zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung, wobei mit 1 einervon mehreren Kompressionszylindern, mit 2 einer von mehreren Ex pansionszylindern und mit 3 eine gemeinsame Reaktionskammer be.
  • zeichnet ist. 4 stellt einen in dem Kompressionszylinder 1 gebildeten und durch den Kolben 7 begrenzten Arbeitsraum mit veränderlichem Volumen dar,in den ein durch ein Einlaßventil 6 gesteuerter Einlaßkanal 5 einmündet. Dieser Arbeitsraum 4 ist über einen durch ein Ventil 9 gesteuerten Überströmkanal 8 mit dem Innenraum 10 der beispielsweise mehrschalig ausgebildeten Reaktionskammer 3 verbunden. In der Zeichnung ist angedeutet, daß die Reaktionskammer 3 ein den Innen@aum 10 bildendes Innengehäuse 11 sowie ein äußeres Gehäuse 12 aufweist, daE gegenüberdem Innengehäuse 11 einen Zwischenraum 13 einhält. Mit 14 ist eine in den Innenraum 10 der Reaktionskammer 3 hineinragende Einspritzdüse bezeichnet, die zur Zuführung des leicht dissoziierbaren lrennstof£es, beispielsweise des Methanols, dient.
  • 15 bezeichnet einen zweiten, durch ein Ventil 16 gesteuerten Überströmkanal, der die Verbindung des Innenraumes 10 der Reaktionskammer 3 mit einem in dem Expansionszylinder 2 gebildeten Arbeitsraum 17 herstellt. Dieser Arbeitsraum 17 weist je nach Stellung eines Kolbens 18 ein unterschiedliches Volumen auf und ist mit einem durch ein Auslaßventil 20 gesteuerten Auslaßkenai 19 verbunden. In den Arbeitsraum 17 ragt außerdem eine durch eine Zündkerze 21 gebildete Zündvorrichtung hinein.
  • 22 stellt eine die Reaktionskammer 3 umgehende Bypassleitung zur Verbindung des ersten Überströmkanales 8 mit dem zweiten Überströmkanal 15 dar, in dem ein Ventil 23 zur Steuerung des Durchflußquerschnittes angeordnet ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren läuft nun nach Art eines Viertaktverfahrens in der Weise ab, daß während des ersten Taktes von dem Kompressionszylinder 1 über den Ansaugkanal 5 Frischluft angesaugt wird, die während des zweiten Taktes in dem Arbeitsraum 4 verdichtet wird. Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes öffnet ds Überströmventil 9, so daß das in dem Arbeitsraum 4 vorhandene, verdichtete Luftvolumen über den Überströmkanal 8 in den Innenraum 10 der Reaktionskammer 3 geschoben wird.
  • In dem Innenraum 10 der Reaktionskammer 3 wird mittels der Einspritzdüse 14 Methanol und gegebenenfalls zusätzlich noch Wasser eingespritzt, wobei eine der obengenannten Umwandlungsreaktionen zur Bildung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd bzw. Kohlendioxyd einsetzt. Da an diesem Umwandlungsverfahren auch die in dem Arbeitsraum 4 verdichtete Luft teilni@mt,ist in dem über den zweiten Überströmkanal 15 in den Arbeitsraum 17 des Expansionszylinders 2 übergeschobenen Gasvolumen selbstverständlich auch Sickstoff enthalten. Das Überschieben dieses, gegebenenfalls über die Rypassleitung 22 mit verdichteter Luft vermischten ziindfähigen Gasvolumens erfolgt für kurze Zeit nach Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens 18 durch Öffnung des Überströmventils 16.
  • Anschließend erfolgt die Zündung dieses Gasgemisches mittels der Zündkerze 21 sowie die Arbeit leistende Expansion des Gasgemisches in dem Arbeitsraum 17. Als letzter Takt des Arbeitsverfahrens erfolgt das Ausschieben der verbrannten, expandierten Gase über den Auslaßkanal 19 nach Öffnung des Auslaßventil 20.
  • Wenn auch in der Zeichnung für den Kompressionszylinder 1 und der Expansionszylinder 2 zwei verschiedene Zylinder dargestellt sind, so ist es äbnlich wie bei Brennkraftmaschinen mit innerer kontinuierlicher Verbrennung möglich, die Kompression und Expansion in einem einzigen Zylinder stattfinden zu lassen, der dann im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens über die beiden gesteuerten Überströmkanäle mit der Reaktionskammer zum Austausch der komprimierten Luft gegen das Brenngas-Luft-Gemisch verbunden werden muß. Um ein kontinuierliches Verfahren ohne größere Druck- und Energieverluste zu erzielen, ist es selbstverständlich vorteilhaft, wenn eine nach diesem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine eine Vielzahl von Kompressions- und Expansionszylinder aufweist, die über entsprechende Überströmkanäle mit einer gemeinsamen Reaktionskarger verbunden sind. Durch die Vielzahl der an dem Verfahren betciligten Zylinder würde dann sichergestellt, daß ohne größere Druckschwankungen eine ständige Zufuhr von verdichteter Luft bzw. Abfuhr der in der Reaktionskammer 3 erzeugten Brenngase bei kontinuierlicher Gaserzeugung in der Reaktionskammer erfolgt.
  • Dawie bereits eingangs erwähnt wurde, die Umwandlungsreaktionen des Methanols einen erheblichen Energiebedarf aufweisen, ist es zweckmäßig, die Reaktionskammer 3 zu beheizen und möglichst gegen Wärmeverluste zu schützen. Dazu kann diese Reaktionskammer mehrschalig ausgebildet sein, indem das den Innenraum 10 begrenzende Innengehäuse 11 mit Abstand zu dem äußeren Gehäuse 12 angeordnet ist. Bei dieser Koritruktion kann durch den Zwischenraum 13 zwischen dem Innengehäuse 11 und dem Außengehäuse 12 ein Heizmittel, vorzugsweise Abgas aus dem Expansionszylinder 2 zur Heizung des Innengehäuses 11 durchgeleitet werden. Zu diesem Zweck könnte, was hier nicht weiter gezeigt ist, das Außengehäuse 12 über eine Verbindungsleitung mit dem Auslaßkanal 19 verbunden sein. Diese Beheizung des Innengehäuses 11 würde eine ständig erhöhte Temperatur in dem Innenraum 10 der Reaktionskammer 3 ergeben, so daß die schon bei Temperaturen um 2000 C stattfindende Dissoziation des Methanols sichergestellt ist.
  • Diese Umwandlungsreaktion könnte durch in dem Innenraum angeordnete, hier nicht weiter gezeigte Katalysatoren vorteilhaft unterstützt werden.
  • Die in dem Arbeitsraum 17 des Expansionszylinders 2 stattfindende Verbrennung des zu einem erheblichen Teil aus dissozierten, in der Reaktionskammer 3 erzeugten Brenngasen bestehenden Brennstoff-Luft-Gemisches erfolgt dammit einem sehr guten Verbrennungsgrad, so daß die in den Abgasen enthaltenden Schadstoffe nur noch sehr gering sind.

Claims (9)

  1. A N S P R Ü C H E
    Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit verringerten Schadstoffanteilen in den die Arbeitsräume der Brennkraftmaschine verlassenden Abgasen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrens schritte: a) ein Luftvolumen wird in einen Kompressionsraum angesaugt und in diesem verdichtet; b) das verdichtete Luftvolumen wird in eine auf höheren Betriebstemperaturen gehaltene Reaktionskammer geschoben, in der ein leicht dissoziierbarer Brennstoff kontinuierlich zugeführt und durch thermische und/oder katalytische Reaktion in dissozierte Brenngase umgewandelt wird; c) das in der Reaktionskammer erzeugte Brenngas-Luft-Gemi3ch wird in einen Expansionsraum geschoben, in dem es nach seiner Zündung durch eine Zündvorrichtung unter Arbeitsleistung expandiert und von dem es danach in die Umgebung ausgestoßen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennstoff Methanol verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer eine gewisse Menge Wasser zugeführt wird.
  4. 4. Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 3, gekennzeichnet durch wenigstens einen über einen Einlaßkanal (5) mit Frischluft beaufschlagbaren Kompressionszylinder (1), eine über einen ersten gesteuerten Überströmkanal (8) mit dem Kompressionszylinder verbindbare XeaRtionskammer (3), die auf einer erhöhten Betriebstemperatur gehalten ist und eine Vorrichtung (14) zur Zuführung eines leicht dissoziierbaren Brennstoffes aufweist, und durch wenigstens einen mit der Reaktioiiskammer über einen zweiten Überströmkanal (15) verbindbaren Expansionszylinder (2) mit einer Zündvorrichtung (21) und einem gesteueiten Auslaßkanal (19) zur Ableitung der Verbronnungsabgase.
  5. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Reaktionskammer (3) umgehende Bypassleitung (22) zur Verbindung-des ersten mit dem zweiten Überströmkanal (s) bzw. (15) vorgesehen ist.
  6. 6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (23) zur Steuerung des Durchflußquerschnittes in der lypassleitnng (22) vorgesehen ist.
  7. 7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (3) beheizbar ausgebildet ist.
  8. 8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (3) mit den aus dem Expansionszylinder (2) austretenden Abgasen beheizbar ist.
  9. 9. Brennkraftmaschine nach einem der Anspruche 4 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer (3) ein Katalysator angeordnet ist
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