-
Patentbeschreibung
-
Titel Rsserdampf-Einlaßsystem zur Verbesserung des Wirkungsgrades
und der Klopffestigkeit von Verbrennungsmotoren.
-
Anwendungsgebiet: Verbrennungsmotoren Zweck: 1. Der thermische Wirkungsgrad
von Verbrennungsmotoren soll verbessert werden. Bei gleicher Leistung soll mindestens
20% Kraftstoffeinsparung erreicht werden.
-
2. Das sog. Klopfen soll reduziert werden. Dadurch soll die Lebensdauer
eines Motors (besonders bei hoher Verdichtung) wesentlich erhöht werden.
-
3. Der Anteil giftiger Verbrennungsrückstände im Abgas soll reduziert
werden.
-
4. Der Schallpegel soll gesenkt werden.
-
Stand der Technik: 1. Der thermische Wirkungsgrad beträgt bei OTTO-Viertaktmotoren
0,28-0,36. Die Effektivwerte sind, bedingt durch mechanische Verluste, etwa 20%
niedriger.
-
Rotationskolbenmotoren liegen thermisch etwas ungünstiger. Dafür
ist der mechanische Wirkungsgrad sowie bei stungsgericht und Leistungsvolumen günstiger.
-
Der thermische Wirkungsgrad von DISSEX-Motoren ist bei vergleichbarer
Motorenstärke ca. 20% besser als bei OTTO-Motoren. Andere Nachteile egalisieren
jedoch diesen Pluspunit des DiESEL-Verfahrens.
-
2. Klopfreduzierung wurde bisher unter anderem durch Zugabe von Bleitetramethyl
oder Bleitetraäthyl zum Kraftstoff erreicht. Der Einsatz dieser Substanzen wurde
jedoch wegen ihrer tcxischen Wirkung so stark eingeschränkt, daß andere Maßnahmen
zur Klopfreduzierung erforderlich sind.
-
3. Der Maximalanteil giftiger Verbrennungsrückstände im Abgas (tohlenmonoxyd,
nitrose Gase und Restkohlenwasæerstoffe) ist vorgeschrieben. Eine wesentliche Unterbietung
der Maximalwerte wird angestrebt.
-
4. Die Schallerzeugung von Verbrennungsmotoren ist gesetzlich ebenfalls
begrenzt (Phonsert). Es müssen Schalldämpfersysteme verwendet werden, welche einerseits
den Schall möglichst wirksam dämpfen, andererseits aber einen möglichst kleinen
Strömungswiderstand haben. Das Problem ist umso leichter zu lösen, je kleiner die
Druckamplitude an der Quelle ist.
-
Literatur: BUSCHMANN/EOESSLER Handbuch für den Kraftfahrzeugingenieur
Deutsche Verlagsanstalt Stuttgart 8. Auflage (1975) 2. Kapitel Kritik des Standes
der Technik: 1. Der praktisch erreichte Wirkungsgrad liegt bei Verbrennungsmotoren
zu niedrig. Eine Ausnahme bildet der DIE-SEL-Motor, bei welchem eine andere Reaktionskinetik
vorliegt. Hier werden bessere, wenn auch nicht optimale, Werte erreicht. Der theoretische
thermische Wirkungsgrad (lt. CARNOU'schem Kreisprozeß) wird nicht annähernd realisiert.
Zu erwarten wäre rechnerisch bei einem Verdichtungsverhältnis von 8:1 und unter
Berücksichtigung
der bestehenden Druck- und Temperaturverhältnisse
ein thermischer Wirkungsgrad von 0,56.
-
Die von verschiedenen Seiten vorgeschlagene Zumischung oder ausschließliche
Verwendung anderer Kraftstoffe tangieren diese Erfindung nicht, da hierbei keine
Eingriffe in die Reaktionskinetik vorgenommen werden.Es ist auch keine Verbesserung
des thermischen Wirkungsgrades zu erwarten.
-
Die Zugabe von Wasser als disperse Phase im Kraftstoff oder die Zerstäubung
von Wasser im Ansaugkanal zur Verbesserung der Verbrennungscharakteristik ist sehr
bedenklich, da dem Kraftstoff-Luftgemisch bedingt durch die hohe Verdampfungswärme
des Wassers (538 cal/g) relativ viel Energie entzogen wird. Dieser Energieanteil
geht mit dem Abgas verloren.
-
2. Die vorgeschriebene Bleireduzierung im Kraftstoff kann zu erhöhter
Klopfneigung und damit zu höherem Xaterialverschleiß führen. Abhilfe bringt die
Verwendung von Kraftstoffen höherer Oktanzahl und/oder eine Verringerung des Verdichtungsgrades.
Beides setzt die Wirtschaftlichkeit eines Motors herab.
-
3. Die geltenden Abgasvorschriften sind realistisch. Trotzdem können
bei ungünstigen Wetterlagen in Gebieten mit hoher Verkehrsdichte Smog-Effekte auftreten.
Auch geringe Schadstoffmengen in der Luft können hier, auf Grund erhöhter Konzentration,
gefährlich werden. Das gleiche gilt bei Bildung von Verkehrsstauungen an windstillen
Tagen. Es sollte also noch mehr für die Abgalentgiftung getan werden.
-
4. Moderne Schalldämpfer sind bezüglich ihrer eigentlichen Aufgabe
sehr wirksam, haben aber trotz raffinierter Konstruktion (breitbandige Resonanzdäipfung)
etwas Strömungsriderstand, welcher den effektiven Wirkungsgrad herabsetzt. vollständigere
Verbrennung ließe Auspuffkonstruktionen mit geringerem Strömungsriderstand zu.
-
Aufgabe: Der zeitliche Ablauf der Verbrennung (dE/dt) ist so zu steuern,
daB die Hochdruckspitze im pV-Diagramm geglättet wird und an dieser Stelle ein möglichst
isobarer Kennlinienverlauf stattfindet (Eondensatoreffekt)O Hierdurch soll gleichzeitig
die Arbeitsfläche vergrößert und damit ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden.
-
Lösung: Da die Verbrennung im Hochdruckbereich zu schnell und mit
einer ausgeprägten Druckspitze verläuft, ist ein negativer Katalysator zur Reaktionsbremsung
erforderlich. Konstruktive Maßnahmen, kritische Zündpunkteinstellungen, Verwendung
von Kraftstoffen hoher Oktanzahl und der Zusatz von Bleiverbindungen ermöglichen
nur eine Teillösung der Aufgabe. Der Katalysator soll folgende Bedingungen erfüllen:
1. Während der Kompressionsphase soll sich der Katalysator energetisch neutral verhalten.
-
2. Nach der Zündung soll dem reagierendem Gemisch Energie entzogen
werden.
-
3. Der Energieentzug soll quantitativ so bemessen sein, daß er lediglich
die Druck-Temperatur-Spitze der Reaktion glättet; bei allen Betriebsbedingungen
muB gewährleistet sein, daB keine Reaktionslöschung eintritt.
-
4. Die entzogene und gespeicherte Energie soll dem System während
die Kraftstoffreaktion abklingt wieder zugeführt werden.
-
Als negativer Katalysator soll Wasserdampf verwendet werden. Um die
oben genannten Bedingungen zu erfüllen, muß dabei folgendes beachtet werden: 1.
Das Wasser soll gasförmig und ohne Kondensatanteile in den Verbrennungsraum geleitet
werden. Die Temperatur des Wasserdampfes soll während der Kompressionsphase die
kritische Temperatur (374° C) möglichst nicht wesentlich unterschreiten. Nur dann
verhält sich das Wasser bis zum Zündpunkt energetisch neutral.
-
Die Verdampfung des Wassers soll durch die Verlustwärme des Rotors
erfolgen. Der Verdampfer ist möglichst nahe des Auslaßventiles anzuordnen. Hierdurch
wird eine zusätzliche Verdampfungskählung an diesem stark temperaturbelasteten Ventil
erreicht. Prinzipiell kann die benötigte Wärmemenge auch an der Auspuffleitung vor
dem ersten Schalldäipf er abgenommen werden. Die euleitung des Dampfes zur Eischstelle
ist so zu wählen, daß der Dampf möglichst stark erhitzt wird. Die Temperaturen sollen
möglichst nahe oder noch besser über der kritischen Temperatur des Wassers liegen.
Um zu hohe Abkühlung des Dampfes bei der Mischung zu vermeiden, ist die Mischstelle
nahe des Einlaßventils oder im Zylinder anzuordnen. Die optimale Lage des Verdampfers,
der Zuleitung und der Mischstelle sind durch die konstruktive Ausführung des Motors
bedingt.
-
2. Die geforderte Reaktionsbremsung kurz nach der Zündung erfolgt
durch endotherme Thermodissoziation des Wasser dampfes in Wasserstoff und Sauerstoff.
-
3. Die quantitative Berechnung des Wasserdampfbedarfes ist recht kompliziert,
da das Reaktionsgleichgewicht der Thermodissoziation und der Rekombination stark
temperatur- und druckabhängig ist. Außerdem sind die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten
von Kraftstoff und Wasserstoff zu beachten. Uberschlägigo Berechnungen ergeben,
daß pro Liter Kraftstoff 50-150 ml Wasser benötigt werden. Diese Berechnungen setzen
immer voraus, daß das Wasser in Dampfform vorliegt; während der Mischung und in
der Koipressionphase also keine Energie durch Verdampfung verloren geht. Dieser
erhebliche Energieentzug (538 cal/g) würde während des Arbeitstaktes nicht ersetzt
werden, da die Kondensation, also die Energierückgabe, erst nach Verlassen des Motors
erfolgt.
-
4. Der für die Reaktionsbremsung benötigte Wasserdampf kann zum Teil
auch direkt aus der Verbreonungsluft bezogen werden. Die Wasserdampfmenge in der
Luft beträgt bei 70% relJltiver Feuchtigkeit 0,012 g/Liter. Da pro Liter flüssigen
Kraftstoff 8000 - 10000 Liter Luft benötigt werden, stehen 100 - 120 g Wasser zur
Verfügung.
-
Es ist sehr wichtig, diese Waserdempfmenge ohne vorherige Kondensation
dem Kraftstoff/Buft-Gemisch beizufügen. Auch in der Kompressionsphase soll keine
Kondensation eintreten, da sonst mit Zündschwierigkeiten zu rechnen ist. Der Wasserdampf
der Luft sollte im Luftfilter nicht absorbiert werden, da nach Sättigung des Filters
zerstäubtes Kondensat dem Gemisch zugeführt werden kann. Um eine Absorption im Luftfilter
weitgehend zu vermeiden wird vorgeschlagen, als Filtermaterial ein für Wasserdampf
durchlässiges Kolekularsieb zu verwenden. Eine geeignete Substanz wird z.B. von
der Firma WATERS unter der Handelsbezeichnung PORAPAK Q vertrieben. Allerdings für
ein anderes Anwendungsgebiet.
-
Zusätzlich wird vorgeschlagen, die Luft an einer heißen Stelle des
Rotors anzusaugen, um dadurch eine Vorwärmung zu erreichen. Selbstverständlich muß
bei der Gemischeinstellung die dann geringere Luftdichte berücksichtigt werden.
-
Versuchsweise konnte bei normalem Betrieb eines Kraftfahrzeuges durch
Ausnutzung des Wasserdampfgehaltes der Luft eine durchschnittliche Kraftstoffeinsparung
von 15% erreicht werden. Unterschiedliche Belastungen durch Stadt-, Landstraßen-
und Autobahnverkehr wurden dabei berücksichtigt. Ebenso wurden Beschleunigungsstrecken
in die messungen einbezogen. Bei Optimierung der Betriebsbedingungen durch konsequente
Durchführung der obigen Vorschläge ist eine noch höhere Treibstoffersparnis zu erwarten.
Da der Wasserdampf wie eine Klopfbremse wirkt, kann auch die Verdichtung erhöht
werden, was ebenfalls den thermischen Wirkungsgrad des Motors erhöht.