DE2835099C2 - Treibstoffsystem für einen Dieselmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Zuführung einer Emulsion aus Dieseltreibstoff und Wasser zu einem Dieselmotor mit einer Emulgiereinrichtung, in der der Treibstoff und das Wasser zu einer Treibstoff/Wasser-Emulsion gemischt werden, einer Zuführeinrichtung für Treibstoff zu der Emulgiereinrichtung und mit einer Zuführeinrichtung für das Wasser zur Emulgiereinrichtung.

Es besteht eine zunehmende Notwendigkeit, die Verwendung von Erdöl und Erdölprodukten, be^:spielsweise Dieseltreibstoff für Dieselmotoren, einzuschränken. So ist es bekannt, Dieseltreibstoff und Wasser in einer Emulgiereinrichtung zu mischen und die entstandene Emulsion einem Antriebsmotor zuzuführen, der normalerweise mit Dieseltreibstoff betrieben wird. Zumindest bei Dieselmotoren mit großer Leistung, beispielsweise mit mehr als 300 kW, sind ermutigende Ergebnisse erreicht worden, die auf eine mögliche Einsparung beim Treibstoffverbrauch hinweisen. In den bekannten Systemen wird über den gesamten Betriebsbereich des Motors das Treibstoff/Wasserverhältnis bei einem vorbestimmten Wert gehalten.

Da die Wirtschaftlichkeit des Dieseltreibstoffverbrauches von Interesse ist, wurde die Verwendung einer Emulsion von Dieseltreibstoff und Wasser in Dieselmotoren für Motorfahrzeuge untersucht Eingehende Labor- und Straßenerprobungen an Fahrzeugmotoren ergaben, daß bei Verwendung des bekannten Verfahrens, bei dem das Treibstoff/Wüsserverhältnis konstant gehalten wird, kein Verhältnis geeignet ist, bei allen Geschwindigkeiten und Leistungen wirtschaftlich zu arbeiten.

Ein System der eingangs genannten Art wird in der DE-OS 23 60 681 beschrieben. Bei diesem System werden die Treibstofförderpumpe und die Emulgiereinrichtung von dem Motor angetrieben. Die Emulgiereinrichtung zieht das Wasser aus dem Wassertank, und daher ist die in die Emulgiereinrichtung gezogene Wassermenge von fler Motorgeschwindigkeit abhängig, was bedeutet, daß 'das- Verhältnis von Wasser zu Treibstoff konstant bleibt'Die oben angeführten Nachteile gelten also auch für die in der DE-OS 23 60 681 beschriebene Vorrichtung.

Aus der DE-PS 2 75 944 ist ein Verfahren zum Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere mit Schwerölen, begannt, bei dem der Brennstoff mit dem Wasser durch eine gemeinsame Düse eingeführt wird. Wasser und Brennstoff werden vorher bis zur Bildung einer Emulsion innig miteinander gemischt Dieser Druckschrift sind keine Angaben über das Verhältnis Brennstoff zu Wasser zu entnehmen.
Aus der US-PS 25 18 858 ist ein Wassereinspritzsystern für Dieselmotoren bekannt, bei dem das Wasser in den Ansaugkrümmer des Motors eingeführt wird. Eine vorherige Emulgierung von Treibstoff und Wasser ist nicht vorgesehen. Das Wasser wird gemäß einer Ausführungsform mit einer Pumpe mit konstanter Fördermenge zugeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Zuführung einer Emulsion aus Dieselkraftstoff und Wasser zu schaffen, das, über den gesamten Betriebsbereich gesehen, wirtschaftlicher arbeitet.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Es kann dabei jede Art von Emulgiereinrichtung verwendet werden, und vorzugsweise wird das Wasser der Emulgiereinrichtung mit annähernd feststehender Rate oder Geschwindigkeit zugeführt Auf diese Weise nimmt das Verhältnis Wasser zu Treibstoff automatisch ab, wenn infolge der Betriebsbedingungen des Motors mehr Treibstoff zugeführt werden muß. Es ist möglich, die Treibstoff- und die Wasserzuführung so miteinander zu verbinden, daß sie auf eine besondere Weise bei gesteigertem Treibstoffbedarf ein abnehmendes Verhältnis Wasser zu Treibstoff ergeben, wobei dies auf andere Weise als durch feststehende Wasserversorgungsrate erreicht wird, jedoch wird dadurch höchstwahrscheinlich eine kompliziertere und teuerere Steueranordnung nötig.

Die mit einem Versorgungssystem nach der Erfindung ausgeführten Straßenerprobungen geben einen Hinweis, daß im Betriebsbereich des Motors eine Einsparung an Treibstoff in der Größenordnung von 5% im Vergleich zum Betrieb mit reinem Dieseltreibstoff ohne Wirkungsverlust des Motors erzielt werden kann, wenn die feste Nachführrate für Wasser annähernd 8 cmVmin beträgt. Die Menge des zugeführten Wassers hängt selbstverständlich von der Motorgröße ab.

Bei einem Versuch, ein konstantes Verhältnis Wasser zu Brennstoff bei einem Fahrzeugdieselmotor einzusetzen, muß dieses Verhältnis die Größe von etwa 25% bei allen Motorgeschwindigkeiten und Leistungen besitzen, um insbesondere dann eine maximale Einsparung zu erreichen, wenn der Motor im Leerlauf betrieben wird, d. h. in dem Zustand, in dem der verbrauchte Treibstoff im Grunde genommen verschwendet wird. Wenn jedoch ein solches Verhältnis benutzt wird, ist es nötig, einen Wassertank in der Größenordnung von etwa 22 1 Rauminhalt zu verwenden, und dieser müßte so häufig wie der Treibstofftank eines normalen Fahrzeuges aufgefüllt werden, um einen Fahrbereich von 320 km zu erzielen. Ein Wassertank dieser Größe ergibt jedoch beträchtliche Schwierigkeiten, so bezüglich des Frierens im Winter und auch, wenn ein Gefrierschutzmittel, beispielsweise Methylalkohol, dem Wasser zugesetzt wird,

um das Einfrieren zu verhindern. So ist bei 5% Methylalkoholzusatz der Verbrauch an Methylalkohol durch den Motor schon beträchtlich, und die damit entstehenden Kosten wurden die Treibstoffeinsparung zumindest zum Teil wieder aufheben.

Bei dem erfindungsgemäßen System mit einer annähernd feststehenden Nachführrate für das Wasser kann ein relativ kleiner Wassertank in der Größenordnung von 4,5 bis 9 1 Rauminhalt verwendet werden, und bei Zusatz von Methylalkohol als Gefrierschutz würde ein viel geringerer Methylalkohclverbrauch durch den Motor entstehen.

Unabhängig von den obigen Ausführungen schlagen einige andere Arbeiten auf diesem Gebiet vor, daß im Hinblick auf Uniwelterfordernisse es erwünscht ist, einen möglichst hohen Wassergehalt in der Emulsion zu schaffen. Somit kann es in Zukunft erforderlich sein, daß ein großer Wassertank verwendet werden muß. Die Verwendung eines großen Wassertanks bei der vorliegenden Erfindung soll daher nicht ausgeschlossen werden.

Die endgültige Zuführrate von Wasser in bezug auf die Treibstoffzufuhr hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Offensichtlich wird bei einer bestimmten Motorgeschwindigkeit und bei Anwendung auf einem bestimmten Motor eine Erhöhung der Wasserzufuhr, bezogen auf die Treibstoffzufuhr, über einen bestimmten Punkt hinaus zu einem Stillstand des Motors führen.

Vorteiihafterweise wird ein Absperrsteuerventil in die Wasserzuführung eingesetzt, und zwar vorzugsweise an der Eintrittsstelle der Wasserversorgung ^;n die Emulgiereinrichtung, so daß die Wasserzuführung entweder automatisch oder durch den Fahrer abgeschaltet werden kann, wenn der Motor abgestellt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des normalen Treibstoffzuführsystems eines standardmäßigen Bedford-Dieseimotors, wie es in den erwähnten Erprobungen verwendet wurde,

F i g. 2 eine Darstellung ähnlich F i g. 1 eines erfindungsgemäß abgewandelten Treibstoffzuführsystems für den Bedford-Dieselmotor und

F i g. 3 eine Darstellung ähnlich F i g. 1 eines erfindungsgemäß in anderer Weise abgewandelten Treibstoff zuführsystems für den Bedford-Dieselmotor.

Der Motorblock eines standardmäßigen, bei den Erprobungen verwendeten Bedford-Dieselmotors 10 wird durch ein Treibstoffzuführsystem in der üblichen Weise versorgt. Dieses umfaßt einen Treibstofftank 12 und eine Treibstoffpumpe 14, die Treibstoff vom Treibstofftank 12 abzieht und einem Filter 16 zuführt.

Von dem Kilter 16 gelangt der Treibstoff zur Hochdruck-Einspntzeinheit 18, die wiederum den Treibstoff den einzelnen Zylindereinspritzpumpen 20 zuführt. Eine Kaltstarteinnchtung 22 wird beim Starten des Motors durch eine Druckknopfbetätigung durch den Fahrer in Betrieb gesetzt und läßt zusätzlichen Treibstoff über eine Zuführleitung 24 zum Lufteinlaß 26 des Motors gelangen. Die Kaltstarteinnchtung 22 besitzt eine Entlüftung Z8 zur Atmosphäre und eine Rückleitungsverbindung tür überschüssigen Treibstoff zu einer unter Atmosphärendruck stehenden Rückleitung 30, die zum Treibstofftank 12 zurückführt. Im Betrieb läuft ein kleiner Anteil des Treibstoffs von der Kaltstarteinnchtung 22 durch die Rückleitung 30 zum Treibstofftank 12 zurück. Eine weitere Rückleitung 32 führt noch unter

Druck stehenden Treibstoff von der Verbindung zwischen dem Gerät 22 und den Einspritzpumpen oder Injektoren 20 zum Filter 15, wie gezeigt. Die Rückflußleitungen sind in F i g. 1 gestrichelt dargestellt, während die Versorgungsleitungen zu den Einspritzpumpen voll aufgezogen gezeichnet sind.

In F i g. 2 ist die Abwandlung der Anordnung nach F i g. 1 für die erwähnten Versuche gezeigt Die der F i g. 1 entsprechenden Teile sind mit Jen gleichen Bezugszeichen versehen. Das System in F i g. 2 sieht eine Emulgierung des Treibstoffs mit Wasser vor, und die Zuführleitungen, die Emulsion führen, sind mit durch Schraffierung ausgefüllten Doppellinien gezeigt, während die Überschußrückführungsleitungen, die überschüssige Treibstoffwasseremulsion führen, mit zweifach gestrichelten Linien mit Zwischenschraffierung dargestellt sind.

Die Anordnung nach F i g. 2 unterscheidet sich von der in F i g. 1 gezeigten darin, daß die Treibstoffpumpe 14 Treibstoff durch ein erstes Umwegventil 50 an eine Emulgieremrichtung 52 abgibt, um die Emulsion aus Wasser und Treibstoff zu erzeugen, und der Ausgang der Emulgiereinrichtung 52 versorgt den Filter 15 durch ein zweites Umwegventil 54. Eine Bypassleitung 56 verbindet die beiden Ventile 50 und 54 in solcher Weise, daß durch richtige Einstellung der Ventile 50 und 54 reiner Trübstoff von der Förderpumpe 14 längs der Bypassleitung 56 geführt weruen kann, damit der Motor genauso wie in der Anordnung nach F i g. 1 laufen kann. Mit der Emulgiereinrichtung 52 ist ein in dem Tank 58 enthaltener Wasservorrat verbunden, und das Wasser wird durch eine Konstantstrom-Zuführpumpe 60 gefördert, die Wasser mit fester Rate der Emulgiereinrichtung 52 zuführt. Die Rückflußleitung 30 ist durch einen Sammler 62 geleitet, um die kleinen Mengen überschüssiger Treibstoffwasseremulsion vom Gerät 22 aufzunehmen, während die Leitung 32 die normale überschüssige Wassertreibstoffemulsion zum Filter 16 wie in der Anordnung nach Γ i g. 1 zurückführt. Die Wasser-

4b versorgungsleitung 61 kann ein Abschaltsteuerventil an ihrer Verbindung mit der Emulgiereinrichtung 52 enthalten. Ein derartiges Ventil ist vom Fahrer zu beeinflussen, um die Wasserzuführung zur Emulgiereinrichtung zu ermöglichen oder sie von ihr abzutrennen.

Ein Betrieb des Motors mit einer Treibstoffwasseremulsion mit der beschriebenen Anordnung unter Benutzung einer Pumpe mit gleichbleibender Fördermenge 60 zur Zuführung einer festen Wassermenge ergab hervorragende Resultate. Es wurde bei dem Versuch eine Membranpumpe mit einer Fördermenge von annähernd 8 cm-Vmin verwendet.

Der Tank 62 wurde nur für Versuchszwecke vorgesehen, da er eine Messung des nicht in das System zurückgeführten Überschusses ermöglichte. Bei einer praktischen Ausführung sollte die Überschußemulsion an das System zur Wiederverwendung zurückgeführt werden, um die in dem Treibstoff und dem Wasser enthaltene verfügbare Energie vollständig auszunutzen.

Statt der Rückleitung der überschüssigen Emulsion durch die Leitung 32 zum Filter 16 kann ciese. wie bei 32A in F i g. 2 angedeutet, zur Ansaugseite der Pumoe 14 zurückgeleitet werden.

In F ι g. 3 bezeichnen gleiche Bezugszahlen die gieicl.on Bauteile wie in F i g. 2. Ein wesentlicher Unterschied des Ausführungsbeispiels nach Fi g. 3 gegenüber dem nach F i g. 2 besteht darin, daß die Pumpe 14 reinen Brennstoff direkt in den Filter 16 abgibt, welcher seinerseits über ein Kontrollventil 100 an die Emulgiereinrich-

tung 52 angeschlossen ist. Eine Abzweigung 102 von dem Filterauslaß führt zu der Kaltstartvorrichtung 22, so daß reiner Brennstoff zum Kaltstarten an die Vorrichtung 22 geliefert werden kann. Die Oberschußrückführleitung 30 von der Vorrichtung 22 führt überschüssigen reinen Brennstoff bei Atmosphärendruck zum Brennstofftank 12.

Die Überschußleitung 32 von den Einspritzpumpen ist hinter dem Ventil 100 zu dem Brennstoffeinlaß der Emulgiereinrichtung zurückgeführt. to

Die Wasserpumpe 60 liefert Wasser zur Emulgiereinrichtung 52 über einen Filter 104, ein elektromagnetisches Ventil 106, eine Öffnungsplatte 108 und ein Kontrollventil 110 zur Steuerung des Wasserstroms zur Emulgiereinrichtung 52, damit eine konstante Wasser-Versorgung für die Emuigiereinriehiung 52 gewährleistet ist. Die Kontrollventile 100 und 110 sind Rücklagventile, während das elektromagnetische 106 ein Ein-Aus-Ventil ist, welches schließt, wenn die Maschine abgeschaltet wird, und nach einer Verzögerungszeit öffnet, wenn die Maschine gestartet ist. Die Länge der Verzögerung kann verändert werden, und das Ventil 106 kann mit einer manuellen Übersteuerung versehen sein, falls dies gewünscht wird. Die Öffnungsplatte 108 wird verwendet, um ein Mittel für die Regulierung der Wasserströmungsrate auch dann zur Verfügung zu haben, wenn stromaufwärts von der Platte 108 Druckschwankungen auftreten. Durch die Verwendung der Platte 108 ist die Verwendung einer weniger aufwendigen Pumpe 60, als sie andernfalls erforderlich wäre, möglich.

Die Anordnung des Filters 16 und der Emulgiereinrichtung kann in der Strömungsreihenfolge umgekehrt werden, so daß der Filter den reinen Brennstoff filiert. Fig.3 zeigt eine Anordnung zur Modifizierung des Bedford-Dieselmotors, bei der

a) die Bypassleitung 56 und die Ventile 50,54 weggelassen sind und

b) die Anordnungen des Filters und der Emulgiereinrichtung in der Strömungsreihenfolge umgekehrt sind.

Die dargestellte Ausführung des Systems wurde mit einem Standard-Bedford-Dieselmotor erreicht, doch kann die Erfindung auch auf andere Motorarten angewendet werden, auch wenn dabei mit einem etwas unterschiedlichen Prinzip in bezug auf die Rückleitung überschüssigen Treibstoffes von den Einspntzpumpen gearbeitet werden muß.

Hierzu 2 Biatt Zeichnungen

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Claims (3)

Γ s ·'■. Patentansprüche:

1. System zur Zuführung einer Emulsion aus Dieseltreibstoff und Wasser zu einem Dieselmotor mil einer Emulgiereinrichtung, in der der Treibstoff und das Wasser zu einer Treibstoff/Wasser-Emulsion gemischt werden, einer Zuführeinrichtung für Treibstoff zu der Emulgiereinrichtung und mit einer Zuführeinrichtung für das Wasser zur Emulgiereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtungen (12, 14; 58, 60) für den Treibstoff und das Wasser so ausgelegt sind, daß der Prozentsatz des Wassers in der Emulsion über den Betriebsbereich des Motors mit zunehmender zugeführter Treibstoffmenge abnimmt und mit abnehmender zugeführter Treibstoffmenge ansteigt

Z System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung für das Wasser (58, 60) so ausgelegt ist, daß das Wasser der Emulgiereinrichtung (52) mit gleichbleibender Menge zugeführt wird.

3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung für das Wasser zur Emulgiereinrichtung eine Pumpe mit konstanter Fördermenge aufweist