DE2602287A1

DE2602287A1 - Verfahren zum verbrennen eines brennstoffgemisches

Info

Publication number: DE2602287A1
Application number: DE19762602287
Authority: DE
Inventors: Ingwer Hunwartzen; Hans-Joachim Kalisch; Manfred Ulbricht
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1975-01-24
Filing date: 1976-01-22
Publication date: 1976-07-29
Also published as: SE7600728L; FR2298690B1; IT1053420B; GB1525021A; FR2298690A1

Description

Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffaerisches

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zinn Verbrennen eines Brennstoffgenisches aus einem flüssigen Brennstoff und Luft oder einen anderen Oxidationsmittel in einer Verbrennimas^raftnaschine mit mindestens einein Verbrennuncrsraun. Die Erfirdun" betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführuna des Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl mit Otto-Motoren als auch mit Dieselmotoren durchführbar. Vorzugsweise v/ird es jedoch mit Otto-Motoren durchgeführt.

Es ist bereits bekannt, Wasser oder Dampf in den Verbrennungsraum von Verbrennungskraftmaschinen einzuspritzen. Dies bringt eine Anzahl von vorteilhaften Ergebnissen, beispielsweise eine Verminderung der umweltverschinutzenden Abgase und eine Verringerung der erforderlichen Oktanzahl, wodurch Brennstoffe pit aerincreren Bleigehalt verwendbar sind. Das Einspritzen von Wasser erfordert allerdings

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ORIGINAL INSPECTED

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eine besondere .Vorrichtung zum feinen Zerstäuben des Wassers vor dem Einspritzen. Eine derartige Zerstäubunasvorrich tuner ist für die Dartpfeinspritzung nicht erforderlich. Bei der Dampfeinspritzung muß hingegen während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine dauernd eine bestimmte Wassermencre sieden. Dies führt zu einem hohen Wasserverbrauch, falls überhaupt Verbesserungen erzielt werden sollen, wodurch ein großer Wassertank und/oder ein häufiges Füllen des Wassertanks notwendig sind.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß sich einerseits die Anforderungen an die Oktanzahl eines mit einem Brennstoff/ Luftgemisch betriebenen Motors in Abhängigkeit von der Gashebelstellung und/oder der Motorbelastung ändert und daß andererseits die größte Oktanzahl lediglich während eines Teils, oft nur während eines sehr kleinen Teils der gesamten Betriebszeit des Motors verlangt wird.

Derzeit ist es üblich, einen Motor mit einen Brennstoff zu betreiben, dessen Oktanzahl hoch genug ist, um selbst bei stärkster Belastung ein Klopfen des Motors zu vermeiden, obgleich derartige Belastungen nur gelegentlich auftreten.

Der Erfindung liecft die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbrennung von Brennstoffgemischen in Verbrennungskraftnaschinen zu schaffen, welches geringere schädliche Rückstände als bekannte

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Verbrennungsverfahren liefert und dabei gleichzeitig die Verwendung von Brennstoffen mit geringerer Oktanzahl ermöglicht, ohne daß große Vorrichtungen zur Dampferzeugung und zur Speicherunq des Wassers erforderlich sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren der einaanas erwähnten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ledialich während eines oder mehrerer ausgewählter Phasen des Betriebs zusätzlich Dampf in den Verbrennungsraum einaespeist wird.

Dadurch wird erreicht, daß die Verbrennungskraftmaschine oder der Motor selbst bei geringerer Oktanzahl des Kraftstoffs in wesentlichen klopffrei betreibbar ist.

Ausgewählte Phasen des Betriebs sind vorzugsweise Bereiche von Halbgasbeschleunigungen, Vollgasbeschleunigungen und Vollastdauergeschwindigkeitszuständen.

Bevorzugte Merkmale der Erfindungen sind das Speichern von Wasser in einem Tank und das gesteuerte Abgeben des Wassers an einen Verdampfungsraum, ein Thermoelement oder eine ähnliche Einrichtung zur Messung der Wassertemperatur im Wassertank und zum Abschalten einer Wasserpumpe bein Absinken der Wassertempe- . ratur unter eine über dem Gefrierpunkt liegende ausgewählte Untergrenze, eine Heizvorrichtung für den Wassertank und eine Sperrvorrichtung zur Verhinderung von Wasserübertritt von Wassertank in den Verdampfungsraum.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen und Figuren näher erläutert.

Beispiel 1

Figur 1 zeigt einen Motor mit einer üblichen Brennstoffzuleituna, mit einem Luftfilter und mit einem Veraaser 12.

Eine Verdampfungskammer 15 für Wasser liegt in der Nähe der Auspuff leitungen, so daß diese von den Abgasen beheizt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß die Verdampfungskammer 15 zweckmäßigerweise so nahe wie möglich am Motor liegt, um die Warne der Abgase möglichst stark auszunützen. Die Verdampfungskammer 15 ist isoliert und weist eine vollständig isolierte Leitung 17 mit einer kleinen Bohrung von etwa 8 mm auf, welche die Verdampfungskammer 15 mit der Luftzufuhrstelle 18 unter 6er. Luftfilter und vor dem Vergaser 12 verbindet. Der Dampf kann aber auch nach dem Vergaser oder·direkt in den Vergaser eingespeist werden.

Das Wasser wird der Verdampfungskammer 15 von einem Wassertank zugeführt. Dies erfolgt mittels einer motorbetriebenen Zahnradpumpe 21, die Wasser durch einen Wasserfilter 23 saugt und durch Leitungen 25 und 26, durch ein Ventil 27 und durch eine Sprühdüse 24 fördert. Zum Antrieb der Zahnradpumpe 21 dient ein von einer üblichen Autobatterie gespeister Elektromotor 22.

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Die Drehzahl des Elektromotors 22 ist in der Weise regelbar, daß der Pumpendruck bei höherer Motordrehzahl höher v/ird und die Pumpe eine größere Wasserme ige durch die Leitunaen 25 und 26 zum Ventil 27 fördert. Das Ventil 27 ist ein federbewehrtes Kugelventil, wobei die Feder die Kugel in eine Verschlußsteliung des Ventils drückt. Das Ventil ist so eingebaut und eingestellt, daß es bei einem vorgewählten minimalen Wasserdruck in der Leitung 26 öffnet, bei den in den Leitungen 17 und 18 und damit auch in der Verdampfungskammer 15 im Betrieb auftretenden möglichen Unterdrücken jedoch geschlossen bleibt, so daß die Verdampfungskammer 15 nicht mit eventuell angesaugten Wasser volläuft.

Wie bereits erwähnt, ist die Drehzahl des Elektromotors 22 regelbar. Die Regelung erfolgt so, daß dieser nur während eines bestimmten Zeitraums während gewisser Bereiche einer Halbgasbeschleunigung und bei Vollgasbetrieb in wesentlichen andauernd angetrieben wird.

Eine erste Steuerung 29 für den Halbaasbetrieb ist schenatisch dargestellt und enthält eine mittels eines ersten Schalters aktivierbare elektronische Schaltung, wobei der erste Schalter bein Auftreten von Vakuum in einer eigenen Vakuumkammer in Abhängigkeit von stromabwärts von einer Vergaserklappe auftretende]*¹ Vakuum betätigt wird. Die elektronische Schaltung enthält ein Zeitrelais, das nach dem Ansteuern des Elektromotors 22 über einen vornewählten Zeitraum von beisnielsweise 2 oder 3 Sekun-

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den wirkt. Danach deaktiviert das Zeitrelais den ersten Schalter und hält dadurch den Elektromotor 22 an. Dieser Betriebszustand tritt immer dann auf, wenn der Motor mit Halbaas läuft und ansonsten ein Klopfen des Motors auftreten würde. Die Betriebsbedingungen sind natürlich für verschiedene Motoren unterschiedlich, die Vakuumkamraer/Schaltereinrichtung ist jedoch an verschiedene Motortypen angleichbar. Für einen einzigen Motortyp liegen jeweils sehr ähnliche Betriebsverhältnisse vor, so daß die Schalter- und Zeitrelaisabstinnungen für alle Motoren des gleichen Typs vom Hersteller oder vom Montagewerk einstellbar sind. Figur 1 zeigt außerdem eine zweite schenatisch daraestellte Steuerung 30 für den Elektromotor 22. Die zweite Steuerung enthält ebenfalls eine elektronische Schaltuna, die von einem zweiten Schalter mittels des Gasnedals ansteuerbar ist, wenn dieses fast vollständig, d.h. zu etwa 90 %, vorzuasweise 85 bis 90 %, niedergedrückt wird. Die zweite Steuerung enthält kein Zeitrelais, so daß der Elektromotor, 22 nur solange läuft, wie das Gaspedal entsprechend weit niedergedrückt ist.

Wie bereits erwähnt, dient der Elektromotor 22 zur Förderung von Wasser aus dem Wassertank 20 in die Verdampfungskammer 15. Ist der Wassertank 20 beispielsweise bei im Winter über Nacht abgestelltem Fahrzeug eingefroren, dann könnte die Pumpe natürlich beim Betrieb beschädigt werden. Daher besitzt der Wassertank ein Thermoelement 31. Das Thermoelement 31 ist an eine dritte Steuerung 32 angeschlossen, die den Elektromotor 22 vollkommen

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abschaltet. Bei einer vorgewählten niedersten Ter-peratur von etwa 3° bis 5°C im Wassertank 20 schaltet das Thermoelement den Elektromotor vorzugsweise ab, und dieser ist dann weder durch Betätigen des ersten noch des zweiten Schalters antfeibbar.

Zum Auftauen des Eises und/oder zum Erwärmen des Wassertanks auf eine vorgewählte Temperatur wird das Motorkühlwasser verwendet. Gemäß Figur 1 wird ein Teil des Kühlwassers von der Austrittsseite der Motorkühlung abgezweiat und durch eine Leitung 33 zu Wärmeaustauschrohren 34 im Wassertank 20 geleitet. Von dort strömt das Kühlwasser durch ein Ventil 35 und eine Leitung 36 zum Einlaß der Motorkühlung zurück. Das Ventil 35 ist ein ein/ausschaltbares Ventil. Unter normalen Wetterbedingungen, und falls Eis aufgetaut wurde, halten die Umaebunastemperatur und/oder die vom Motor allgemein abgeriebene Wärme das Wasser im Wassertank 20 deutlich über der unteren Grenze von 5°C. Ein Zirkulieren des Kühlwassers durch die Leitungen 33, 34 und 36 ist daher zumeist nicht erforderlich, so daß das Ventil 35 normalerweise geschlossen ist. Es ist vom Fahrer entweder direkt oder indirekt durch eine übertragungseinrichtung vom Fahrgastraum beispielsweise mechanisch oder elektromechanisch betätigbar.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt auf folgende Weise: Nach dem Starten des Motors wird Wasser im Wassertank 20 über die Leitungen 33, 34, 36 und durch das Ventil 35 erwärmt, falls es kälter als 5°C ist. Bei einer Wassertemperatur von mehr als 5°C kann das Ventil 35 geschlossen werden.

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Beim Beschleunigen kann sich ein Zustand einstellen, bei den der.. Motor normalerweise bei der Verwendung eines Kraftstoffs von aeringer Oktanzahl klopfen würde. Stellen sich diese Zustände ein, dann wird das Vakuum in einer besonderen Vakuumkammer hoch -genug, um den ersten Schalter zu betätiaen und den Elektromotor 22 zwei bis drei Sekunden je nach der Einstellung des Zeitrelais anzutreiben .

Während dieser kurzen Zeiträume wird Wasser durch die Leitunaen 25 und 26 gefördert und das Ventil 27 durch den Wasserdruck geöffnet, so daß Wasser durch die Sprühdüse 24 gedrückt wird. Das zerstäubte Wasser tritt in die Verdampfungskammer 15 und trifft auf die verhältnismäßig heißen Auspuffrohre, wodurch es unnittelbar zu überhitztem Dampf umgewandelt wird. Der Dampf strömt durch die Leitung 17 und an der Eintrittsstelle 18 in den Luftstrom. Dabei kondensiert möglicherweise ein Teil des Dampfes in der Leitung 17.

Bein Abfallen des Zeitrelais nach zwei bis drei Sekunden schaltet der Elektromotor 22 automatisch ab und bleibt solange abgeschaltet, bis sich ein ähnlicher Zustand neuerlich einstellt oder das Gaspedal nahezu vollständig niedergedrückt wird. Bei etwa 90 %-irrem Niederdrücken des Gaspedals werden der zweite Schalter, betätigt und der Elektromotor sowie die Pumpe mit höherer Umdrehungszahl angetrieben. Dabei wird aufgrund der höheren Drehzahl verhältnismäßig mehr Wasser gefördert und somit mehr Dampf in den Luftstrom eingespritzt als bei Halbgasbetrieb. Beim Loslassen des Gaspedals

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schaltet der zweite Schalter-wieder aus. Der■Elektromotor 22 hält an und das Ventil 27 schließt wieder. Es wird solange kein weiterer Dampf erzeugt, solange das Gaspedal nicht wiederum zu etwa 90% niedergedrückt wird oder bis sich die beschriebenen Teil-" lastzustände einstellen.

Beispiel 2

Figur 2 betrifft ebenfalls eine Verbrennungskraftmaschine oder einen Motor. Dabei sind gleiche Teils mit gleichen Bezucrs zeichen gemäß Figur 1 versehen. Figur 2 zeigt außerdem die in Verbindungmit Beispiel 1 beschriebene Anordnung der Schalter.

Beispiel 2 beschreibt im wesentlichen dieselbe Vorrichtung wie Figur 1 , wobei die Veränderungen hauptsächlich eine günstigere Anordnung der einzelnen Teile betreffen. In Figur 2 ist die Leitung 25 von Wassertank zur Verdampfungskfmner lediglich eine einzige Leitung, während Figur 1 zwei Leitungen 25 und 26 zei^t. Es ist somit möglich, mittels der erfindunasgenäPen Vorrichtuna und des erfindungsgemäßen Verfahrens Dampf mir dann zu erzeugen, wenn ein mit einem Kraftstoff mit zu geringer Oktanzahl betriebener Motor ansonsten klopfen würde.

Das bedeutet, daß Dampf nicht andauernd erzeugt und somit Wasser nicht andauernd verbraucht wird, sondern daß die Dampferzeugung nur während eines Teils, vermutlich nur während eines sehr kleinen Teils der Betriebszeit des Motors erfolgt. Dadurch kann der Was-

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sertank 20 wesentlich kleiner als- bei bekannten Vorrichtungen sein. Er braucht außerdem nicht so oft nachgefüllt zu werden, wie .dies für bekannte Wassertanks notwendig war. Für einen Automotor beträgt'der Wasserverbrauch etwa 0,5 bis' 1 1 je -lOOkn.· ·· · Außerdem wird beim Abschalten des Motors kein weiteres Wasser verdampft, wie dies bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren der Fall ist. Korrosionsprobleme sind somit wesentlich vermieden.

Das Einspritzen von Dampf soll angeblich eine aerinae Leistunasminderung des Motors bewirken. Diese eventuell auftretende Leistungsverminderung ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren äußerst gering, da Dampf lediglich während bestimmter Phasen erzeugt und eingespritzt wird.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liscrfc darin, daß der Wasserbehälter nicht mit dem Auspuffrohr in Verbindung steht, wodurch Korrosionsprobleme vermieden v/erden. Der einzige Wasserkontakt zwischen Auspuffrohr und Verdarapfungswasser erfolrrt zum Zeitpunkt des Verdampfens. Während anderer Zeiten enthält die Verdampfungskammer 15 kein Wasser.

Es wird darauf hingewiesen, daß im Rahmen der Erfindung zahlreiche Änderungen möglich sind. Beispielsweise kann der Dampf·zu jedem Vergaser eines mit mehreren Vergasern versehenen Motors zugeführt werden. Die Verdampfungskammer braucht ebenfalls nicht notwendigerweise das Auspuffrohr umgeben, sie kann auch ein Teil der Auspuffleitung sein. Der Wassertank 20 kann aus durchsichtigem

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Kunststoff sein oder einen Wasserspiegelanzainer-aufweisen. Us hat sich· gezeigt, daß ein Dainler-Benz 200/8 gemäß Erfindung klopffrei mit einem Normalbenzin von etwa 92 KOM betreibbar ist, während'er zuvor ein' Su'perbenzin mit' etwa '98' ROM erforderte'. '

Prüfversuche wurden mit einem Daimler-Benz 200/8 durchgeführt. Dabei betrug der maximale Wasserverbrauch 120 ml/min.

Es wurden die folgenden Chassis-Dynamometertests durchaeführt: Ein Daimler-Benz 200/8 wurde mit unterschiedlichen Brennstoffen von etwa konstantemΔ R (RON - RON 100) und konstanter Empfindlichkeit (RON - MON) betrieben und lieferte die folaenden Ergebnisse bei voll geöffneter Vergaserklappe.

CORC-Prüfergebnisse 1 500 U/min

Benzin A: Ohne Dampf Mit Dampf

Benzin B: Ohne Dampf Mit Dampf

Benzin C: Ohne Dampf Mit Dampf

Benzin D: Ohne Dampf Mit Dampf

RON	ROTJ 100	MON
97,4 93,1 4 , ό	83,6 79,6 4,0	90,3 87,2
97 ,4 92,6	93,8 90,6	84,0 80,9
3,8	3,2	3,9
96,4 91,3	91,6 87,3	90,9 86,4
5,1	4,3	4,5
96,9 92,9 ~47ö	87,1 · 82,3	88,1 85,5 2,6

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Weit offene Verqaserklappe, konstante Geschwindigkeit 4000 U/min (maximale Oktanzahlen erforderlich) .

Benzin A: Ohne Dampf
Mit Dampf

Benzin B: Ohne Dampf
Mit Dampf

93 ,1 89,8" 3,3

98,6 93,5 5,1"

RON 100

79,6

77,3

2,3

95,0

91,1

3,9

MON

87,2 84,7 "2,5

85,1

81,3

3,8

Die Tabellen zeigen, daß der Motor Oktzanzahlen erfordert, wie sie Superbenzine haben. Die Verwendung von Dampf nach den erfindungsgemäßen Verfahren läßt die erforderliche Oktanzahl auf Werte für Normalbenzine absinken.

Dies ist selbstverständlich ein äußerst bedeutender Vorteil, da in Zukunft aus Umweltschutzgründen lediglich Benzine mit gerinnen Bleigehalt erlaubt sein v/erden.

Es zeigte sich außerdem überraschend, daß ein nach den erfinclunasgemäßen Verfahren arbeitender Motor nur wenige Vol.% mehr CO und Kohlenwasserstoffe ausstößt, jedoch im Abgas 10 bis 20 % weniaer NO ohne Veränderung der Vergasereinstelluncr enthält. Mit einen Daimler-Benz 200/8-Testauto vmrden klopffrei die folgenden Werte erzielt:

Halbganbetrieb zwischen 1500 und 3QQQ U/min

CO VoI. %

Ohne Dampf
Mit Dampf

Änderung in %

5,8 6,0

+3

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HC

ppn

400 415

+4

NO_x ppn.

1400 1200

-14

Weit offene Vergaserklappe,· konstante Geschwind irrkeit, 4.QQO U/ni η

CO HC TIO VoI.% ppn ppn

Ohne. Dampf .. .... . 4,3 275 ,1220 .

Mit Dairipf ' ' 4,5 ' 290 960

Änderung in % +5 +5 -21

Die geringe Zunahme von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen wird durch bekannte Abgasreiniger aufgefangen, die inner häuf irrer eingesetzt bzw. vom Gesetz gefordert werden. Der NO -Gehalt wird gemäß Erfindung wesentlich herabgesetzt und stellt einen weiteren Vorteil der Erfindung dar.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoffgemisches aus einen flüssigen Brennstoff und Luft oder einem anderen Oxidationsmittel in einer Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Verbrennungsraum, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich während eines oder mehrerer ausaewählter Phasen des Betriebs zusätzlich Dampf in den Verbrennungsraum eingespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf vor dem Verbrennungsraum in die Luft oder in das Oxidationsmittel eingespeist wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf nur dann dem Benzingemisch eines Otto-Motors zugesetzt wird, wenn die Gefahr eines Klopfens des Motors aufgrund einer zu geringen Oktanzahl besteht.
4. Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem Verbrennungsraum, mit einer Brennstoffgemisch-Zufuhreinrichtung und mit einer Auspuffeinrichtung zum Entfernen des verbrannten Brennstoffgemisches aus dem Verbrennungsraiim, gekennzeichnet durch eine Dampfeinspritzeinrichtung für das Einspritzen von Dampf in den Verbrennungsraum ledirrlich während bestimmter Betriebszustände.

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5. Vorrichtung nach Anspruch' 4,-dadurch gekennzeichnet, daß .die Dampfeinspritzeinrichtung vor den Eingang zum Verbrennungsraum an der Luft- oder Oxidationsmittelleitung angeschlossen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mindestens einen Vergaser und für jeden Vergaser mindestens einen Einlaß für die Luft oder das Oxidationsmittel aufweist, und daß die Dampfeinspritzeinrichtung zumindest hinter dem Einlaß und vor den zuaehörinen Vergaser angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch cjekennzeichnet, daß die Dampfeinspritzeinrichtung einen Viassertank (20) , eine mit einen Auspuffrohr (16) in Wärmeaustausch stehende und an den Wassertank (20) angeschlossene Verdampfungskammer (15), eins die Verdampfungskammer (15) und den Einlaß (11, 18) verbindende Leituncr (17) für Dampf, eine Pumpe (22) zur Förderung von Wasser aus dem Wassertank (20) zur Verdampfungskammer (15) sowie Steuerungen (29, 30) für den Betrieb der Pumpe (22) lediglich während einer oder mehrerer BetriebszustMnde des Motors aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (22) eine drehzahlsteuerbare Elektromotor-Pumpe ist.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungen (29, 30) einen durch eine Vakuumkammer in Abhängigkeit vom Vakuum stromabwärts von der Vergaserklappe betätigbaren ersten Schalter und einen bei fast vollständig geöffneter Vergaserklappe betäti^baren zweiten Schalter aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassertank (20) mit einem Thermoelement (31) zum Abschalten der Pumpe (22) beim Absinken der Wassertanktemperatur unter eine vorgewählte untere Schwelle versehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassertank (22) eine Heizung besitzt.

su:hu:bü

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