DE3133939A1

DE3133939A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3133939A1
Application number: DE19813133939
Authority: DE
Inventors: David John van West Perth Dal
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-08-27
Filing date: 1981-08-27
Publication date: 1982-08-19
Also published as: FR2485087A1; GB2082677A; SE8105054L; IT1138517B; IT8123669A0; GB2082677B; FR2485087B1; CA1166100A; US4589377A

Description

-A-Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Maschine bzw. einen verbesserten Motor vom Verbrennungstyp.

Derzeitige, eine Verbrennung erzeugende Motoren (insbesondere Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung) und eine Verdichtungszündung erzeugende Motoren (Motoren mit Elgenzündung, insbesondere Dieselmotoren), wie sie in Kraftfahrzeugen und stationären Anwendungsfällen verwendet werden, haben einen maximalen thermischen Wirkungsgrad von etwa 30 %, d.h. das Verhältnis des Energiewerts des Kraftstoffs, der dem Zylinder zugeführt wird, verglichen mit der Energie, die am Kolbenboden bzw. -ausgang verfügbar ist, beträgt etwa 30 %. Eine entsprechende grundsätzliche geringe Leistungsfähigkeit bzw. einen ähnlichen grundsätzlich geringen Wirkungsgrad weisen auch andere Arten von Maschinen auf, z. B. -Turbinen, Kreisbahnmaschinen, Rotationsmaschinen etc.

Dampfmaschinen und -turbinen sind als solche bei weitem leistungsfähiger, und der Wirkungsgrad wird mit 80 bis 85 % angegeben.

Die Energieverluste, die mit der Dampferzeugung verbunden sind, vermindern den Gesamtwirkungsgrad des Systems nur wenig, wenn überhaupt gegenüber direkter Verbrennung.

In beweglichen Anwendungen bewirktdie Masse des Dampfer- ^" zeugers bzw. der Brennkraftmaschine, der bzw. die zu beschleunigen ist, und zwar sowohl positiv als auch negativ, eine weitere Verschlechterung des Kraftstoffwirkungsgrads, bezogen auf den Fahrzeuggesamtbetrieb.

Es ist möglich, die Wärmevergeudung von Fremdzündungsbrennkraftmaschinen (darunter sollen vor allem die üb-

,·· :" ·■'. ■·":· "■ :3T33939

lichen Brennkraftmaschinen, insbesondere die mittels Zündkerzen gezündeten Verbrennungsmotoren verstanden werden) und von Eigenzündungsbrennkraftmaschinen (darunter sollen solche Brennkraftmaschinen verstanden werden, die mit Verdichtungszündung arbeiten, insbesondere Dieselmotoren) dadurch zu beschränken, daß . Wasser oder anderes Nichtkraftstoffmaterial in den Zylinder eingespritzt wird. Bisher wurde die Menge an Wasser auf einen nur kleinen Anteil der Kraftstoff/Luft-Mischung beschränkt, die an jeden Zylinder abgegeben wurde, d.h. auf 7 bis 10 %. In einer Untersuchung des Verhaltens, das bei der Wassereinspritzung in die Verbrennungskammer stattfindet, wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, daß beträchtlich erhöhte Mengen an Wasser oder anderem Nichtkraftstoffmaterial in die Verbrennungskammer eingespritzt werden können, vorausgesetzt, daß es in einer Art und Weise getan wird, durch die sicher gestellt wird, daß wenigstens ein wesentlicher verhältnismäßiger Anteil des Potentials des expandierenden Wassers oder des anderen Nichtkraftstoffsmaterials verwendet bzw. ausgenutzt wird. -

Der Zyklus des Ottomotors oder des 4-Takt-Verbrennungsmotors und des 2-Takt-Verbrennungsmotors sind an sich gut bekannt und werden als "Konstantvolumen"-Zyklen bezeichnet. Der Zyklus der Kompressionszündung (4- oder 2-Takt) wird als ein "Konstantdruck"-Zyklus bezeichnet. Sowohl der "Konstantvolumen"- Zyklus als auch der "Konstantdruck"-Zyklus hängen von der "Lademasse" ab, die

™ während des gesamten Zyklus konstant bleibt. Der Zyklus gemäß der vorliegenden Erfindung kann zusammenfassend wie folgt ausgedrückt werden:

(1) Ansaugen der Ladung;

^OJ (2) Verdichtung der Ladung;

(3) Hinzufügen einer Ladungsmasse; und

(4) Expansion der Anfangsladungsmasse zusammen mit der hinzugefügten Ladungsmasse.

Wünschenswerterweise addiert sich die hinzugefügte Ladungsmasse nicht zur potentiellen Energie der Reaktionsteilnehmer in der Anfangsladungsmasse. Infolgedessen zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, daß zu der Anfangsladungsmasse, die auch als anfängliche Ladungsmasse bezeichnet wird, in einem geeigneten Stadium des Zyklus eine zusätzliche Masse von expandierbarem Material hinzugefügt wird. Um den maximalen Vorteil der hinzugefügten Masse zu erzielen, sollte sie an einer Stelle des Zyklus hinzugefügt werden, an der das maximale Potential der expandierenden Massen benutzt bzw. ausgenutzt werden kann. Es wurde festgestellt, daß dieses kurz nachdem die Brennstoff-Luft-Mischung in der Kammer gezündet worden ist, jedoch vor der Selbstzündung des Endgases, d.h. des komprimierten Gases vor der Flammenfront während der Verbrennung ist. Durch diese Wahl der Parameter kann, wie im Rahmen der Erfindung gefunden wurde, das Verhältnis von hinzugefügtem Nichtkraftstoffmaterial zum Kraftstoff beträchtlich über die Grenzen hinaus erhöht werden, die bisher als möglich angesehen wurden, und es beträgt massenmäßig über 3:1.

Obwohl vorzugsweise Wasser als das Nichtkraftstoffmaterial gewählt wird, welches als die hinzugefügte Masse in. die Verbrennungskammer eingespritzt bzw. injiziert wer-™ den soll, umfassen oder sind andere geeignete Materialien Inertgase, wie beispielsweise Argon, Stickstoff, sowie Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Ammoniak.

Auf diese Weise besteht die Erfindung in ihrer weitesten. Ausführung im Vorschlag einer Brennkraftmaschine, in der

jede der Verbrennungskammern mit einem Injektor versehen ist, durch den eine Menge an Wasser oder anderem Nichtkraftstoffmaterial in die Verbrennungskammer injiziert wird und die sich dadurch auszeichnet, daß:

(a) das Verdichtungsverhältnis der Maschine bzw. der Brennkraftmaschine oberhalb desjenigen liegt, welches normalerweise für den in der Maschine bzw. Brennkraftmaschine zu verwendenden Kraftstoff zulässig bzw. noch annehmbar ist; und

(b) die Menge an Wasser oder anderem Nichtkraftstoff material ausreichend ist, die maximalen und mittleren Temperaturen bzw. die maximale und mittlere Temperatur der Verbrennung auf einem Niveau unterhalb der unkontrollierten Temperaturen zu halten; und

(c) die Injektion nach dem Zünden der Kraftstoff/Luft-Ladung jedoch vor der Selbstzündung des Endgases ausgeführt wird.

Die Menge der Masse, die zu der eingeleiteten bzw. angesaugten und verdichteten Ladung an der besonders angegebenen Stelle im Zyklus hinzugefügt wird, ist, wie sowohl Rechneruntersuchungen als auch praktische Tests im Rahmen der Erfindung gezeigt haben, quantitativ aufgrund der folgenden Parameter bemeßbar:

^αυ (1) Masse der. ursprünglichen eingeleiteten bzw.

angesaugten Reaktionsteilnehmer.

(2) Verdichtungsverhältnis der Maschine bzw. Brennkraftmaschine.
.

-δ-(3) Qualität des eingeleiteten bzw. angesaugten Kraftstoffs.

(4) Vorgewählte Spitzentemperatur der Verbrennung.

Das wird aus den nachfolgenden Berechnungen ersichtlich, in denen durch Zündfunkenzündung bewirkte Zyklen mit und ohne Einspritzen von Wasser als hinzugefügte Masse verglichen werden, wobei auf die P/V-Diagramme Bezug genommen wird, die in den Figuren 1, 2 und 3 der Zeichnung dargestellt sind.

Die folgenden Berechnungen betreffen einen Vergleich zwischen (a) einem normalen durch Zündfunkenzündung bewirkten Zyklus mit einem Kompressionsverhältnis von 9 und (b) einem durch Zündfunkenzündung bewirkten Zyklus mit einem Kompressionsverhältnis von 16 und Wassereinspritzung nach dem Zünden, um die Maximaltemperatur in dem Zyklus zu begrenzen. Dieser zweite.Zyklus könnte auch dahingehend ausgelegt werden, daß er bei einem viel niedrigeren volumetrisehen Wirkungsgrad arbeitet, da innerhalb des Zylinders Vorsorge für die nachfolgende Expansion der zugefügten Masse (in diesem Falle H₂O) als ein Gas getroffen werden muß. Für den Zweck der Berechnung

haben beide Brennkraftmaschinen einen Hubraum von 500 cm 25

Die Berechnungen sind unter Verwendung des Luftstandardbzw, -normalzyklus ausgeführt worden, und zwar mit den gleichen Abwandlungen bei beiden Berechnungen. Obwohl dieses Vorgehen bzw. diese Näherung für jeden Fall nicht

genau ist, gibt das Vergleichsergebnis jedoch das Potential des unter Einspritzung der hinzugefügten Masse arbeitenden Zyklus an. Grundsätzliche Überlegung, die der Injektion der hinzugefügten Masse zugrundeliegt, besteht darin, daß durch die Verminderung der maximalen

Temperatur in dem Zyklus Energie, die bei der Zersetzung

'y/-\ YWV 13133839

« ·>■ tu η · « * * ei,- . #. * _M ΟΙ bzw. Dissoziation verbraucht wird, und die Wärmeübertragung von der Verbrennungskammer vermindert werden.

Nur Verbrennung (Figure 1)
Hubraum V_g = 500 000 mm³ (= 500 cm³) Verdichtungsverhältnis CR. = 9
Daher beträgt der Verdichtungsraum V = V /(CR. - 1) =

500 000/8 = 62 500 mm Das mit dom volumetrischen Wirkungsgrad (^) = 0,8 eingeleitete bzw. angesaugte Volumen =

0,8 χ 500 000 = 400 000 mm³.

Dieses Volumen wird bei 383⁰K und 100 kN/m² .erzeugt. Daher ist die Masse an Luft in dem Zylinder

= Masse der eingeleiteten bzw. angesaugten Luft +

Masse im Verdichtungsraum
χ 10³X 4 χ 10"⁴ +
287 χ 383 287 χ 383

= 100 x 10³X 4 χ 10"⁴ + 100 X IQ³ . 0,62 χ 10~⁴

= 3,64 χ 10 ⁴ + 5,68 χ 10~⁵

= 4,21 χ IQ"⁴ kg.

Daher P₁ = mRT = 4,21 χ 10~⁴ χ 287 χ 383 = 82,3 χ 10³N/m²

¹ ~v" ' Γ_Α

5,625 χ 10

(= 0,823 bar = 82,3 kN/m².) P₂ = Vifv-l^'^{21 =} ⁸²'^{3 x} <⁹>¹'²⁷= ¹³⁴⁰

= 1340 x 10³ χ 0,625 χ IQ"⁴ = 693°K 4,21 χ 10~⁴ χ 287

-4 Masse der eingeleiteten Luft = 3,64 χ 10 kg. Masse des eingeleiteten Kraftstoffs bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14:1=

3,64 χ 10~⁴ ₌ 2,60 χ 1θ"⁵ kg. 14

Energieäquivalent dieses Kraftstoffs (L.C.V. = 46 500 kJ/kg.)

= 2,60 χ 10~⁵ χ 46500 = 1,209 kJ. L.CV. bedeutet: unterer Wärmewert.

Es sei angenommen, daß die bei der Dissoziation bzw. Zersetzung verbrauchte Energie 12 % der Gesamtenergie beträgt, und daß die bei der Verbrennungskammer-Wärmeübertragung verbrauchte Energie 26 % der Gesamtenergie ist.

Daher beträgt die Energie, die für den Konstantvolumen-Erhitzungsprozeß verfügbar ist 20

= 1,209 χ (1 - 0,12 - 0,26) = 0,750 kJ.

Masse· im Zylinder 25 = 4,21 χ 10~⁴ + 2,60 x 10~⁵ = 4,47 χ 10~⁴ kg.

Temperaturanstieg im Konstantvolumen-Erhitzungsprozeß 30

= Q = 0,750 = 2336K

-4 mxc_v 4,47 χ 10 χ 0,718

Daher T₃ = T₃ + 2336 = 693 + 2336 = 3029 K.

3 it * Φ ■* C

-11-

ρ = p„ χ Τ = 1340 χ 3029 = 5857 kN/m². ^J ^ . 693

Es sei angenommen, daß eine Expansionszahl von 1,5 beim Expansionsvorgang 3-4 vorliegt:

/v \^/5 =

ρ = ρ x

= 5857 = 217 kN/m² . i

Verdichtungsprozeßarbeit

= IQ³ (82,3 χ 5,625 χ 1θ"⁴ - 1340 χ 0,625 χ 10~⁴ 0,27

= -139 J. Expansionsprozeßarbeit

= IQ³(5857 χ 0,625 χ 10~⁴ - 217 χ 5,625 χ 10~⁴

= 488 J.

Daher beträgt die Nutzarbeit pro Zyklus = 488 - 139 = 349 J.

Diese Arbeit erfordert 2,60 χ 10 kg Kraftstoff.

Daher beträgt die spezifische Arbeit = 349/2,60 χ 10~⁵
⁼ 13,4 χ 10⁶ J/kg Kraftstoff.

Es sei außerdem darauf hingewiesen, daß die Energie pro Liter Verdichtungsraum = 698 J/Zyklus beträgt.

Aus der obigen Modellrechnung wurden die folgenden Optimalisierungen durch Rechneranalyse bestimmt:

BRENNKRAFTMASCHINEN-LEISTUNGS-

ANALYSE:

V ' ENDGÜLTIGES OPTIMUM - SPEZIFISCHE ARBEIT

FESTE WERTE

■;"; EINHEITSUMWANDLUNGSFAKTOR: SPEZIFISCHE GASTKONSTANTE: , . UNTERER WÄRMEWERT: ; ATMOSPHÄRISCHER LUFTDRUCK: TEMPERATUR DER EINGELEITETEN LUFT:

SPEZIFISCHE WÄRME DER LUFT: VERDICHTUNGSZAHL BZW.-INDEX: HUBRAUM:

VERDICHTUNGSVERHÄLTNIS: VOLUMETRISCHER WIRKUNGSGRAD: LUFT-KRAFTSTOFF-VERHÄLTNIS: ENERGIEVERLUST AUFGRUND WÄRME-ÜBERTRAGUNG:

ENERGIEVERLUST AUFGRUND DISSOZIATION:
EXPANSIONSZAHL BZW.-INDEX; ZÜNDFUNKENZ ÜNDUNG NUR BENZIN/LUFT

10 276 46500 1

373 0,718 1,3 500

8,6 0,7 15

0,26

0,12 1,224

VOLUMEN DER EINGELEITETEN LUFT: VERDICHTÜNGSTEMPERATUR: VERDICHTUNGSDRUCK: DRUCK DER EINGELEITETEN LUFT: ■MASSE DES GASES IM ZYLINDER: VERDICHTUNGSRAUM: PUMPARBEIT-NEGATIV: EXPANSIONSARBEIT-POSITIV: NUTZARBEIT PRO ZYKLUS: SPEZIFISCHE ARBEIT:

350 711,309103906 12,0522078731 0,734883720929 4,03883002761E-4 65,7894736842 -125,706313007 526,23810042 400,531787413 17671691,336 J/kg

Kraftstoff

ENERGIE/LITER HUBRAUM:

NETTOENERGIERATE: LEISTUNGSHUB- ENDDRUCK: VERBRENNUNGSDRUCK: VERBRENNUNGSTEMPERATUR: MASSE AN EINGELEITETEM BRENNSTOFF:

MASSE AN EINGELEITETER LUFT: VORZUND- KLOPFFAKTOR:

ENDGÜLTIGES OPTIMUM - ENERGIE/LITER

VERDICHTUNGSVERHÄLTNIS:

VOLUMETRISCHER WIRKUNGSGRAD:

LUFT-KRAFTSTOFF-VERHÄLTNIS:

ENERGIEVERLUST AUFGRUND VON WÄRMEÜBERTRAGUNG:

ENERGIEVERLUST AUFGRUND VON DISSOZIATION:

EXPANSIONSZAHL BZW. -INDEX:

VOLUMEN AN EINGELEITETER LUFT:

KOMPRESSIONSTEMPERATUR:

KOMPRESSIONSDRUCK:

DRUCK DER EINGELEITETEN LUFT:

GASMASSE IM ZYLINDER:

VERDICHTUNGSRAUM:

PUMPARBEIT -NEGATIV:

EXPANSIONSARBEIT -POSITIV:

NUTZARBEIT PRO ZYKLUS:

SPEZIFISCHE ARBEIT:

ENERGIE/LITER HUBRAUM

801 ,063574826 J/Zyklus 801 ,063574826 3,3641355146 46,8489202687 2764,97583233

2,266516429E-5 3,3997746435E-4 0,997936491589

0,74

0,26

0,12

I ,224
370

696, 042611685

II ,5322877754 0,772500000001 4,28787904019E-4 71,4285714286 -127,435423224 536,393198924 408,9577757 17068129,0916 J/kg Kraftstoff 817,9155514 J/Zyklus

NETTO ENERGIERATE: LEISTUNGSHUB -ENDDRUCK: VERBRENNUNGSDRUCK:

817,9155514 3,54412866988 45,1743200773

_t α » * fc *

-14-

VERBRENNUNGSTEMPERATUR: 2726/5406778

EINGELEITETE KRAFTSTOFFMASSE: 2,39603165353E-S

EINGELEITETE LUFTMASSE: 3 ,594"04748029E-4

VORZUND- KLOPFFAKTOR: 0,992709630352

Verbrennung mit Wassereinspritzung (Figur.2)

V = 500 000 mm³

CR, =16

V = 500 000/15 = 33 333 mm³.

ίο ^c

Eingeleitetes Volumen beim volumetrisehen Wirkungsgrad e?_v) =o,4 = 0,4 χ 500 000 = 200 000 mm³.

Dieses-Volumen wird bei 383⁰K und 100 kN/m² eingeleitet. Daher beträgt die Luftmasse im Zylinder

= Masse an eingeleiteter Luft + Masse im Verdichtungs raum = 100 χ IQ³ χ 2 χ 10~⁴ + 100 χ IQ³ χ 0,33 χ 10~⁴

287 χ 383 287 χ

= 1,82 χ 10~⁴ + 3,00 χ 10~⁵

= 2,12 χ 10~⁴ kg.

in Entsprechung zur vorhergehenden Berechnung ergeben sich P₁ = 43,7 kN/m², p₂ = 1478 kN/m² und T = 809°K.

-4 Masse der eingeleiteten Luft = 1,82 χ 10 kg· Masse des eingeleiteten Kraftstoffs bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 14:1,

= 1,82 χ 10~⁴ ■= 1,3 χ 10~⁵ kg. 14

Das Energieäquivalent dieses Kraftstoffs beträgt 35

= 1,3 χ 10~⁵ χ 46500 = 0,605 kJ.

Es sei angenommen, daß die bei der Dissoziation verbrauchte Energie Null ist und daß die bei der Verbrennungskammer-Wärmeübertragung verbrauchte Energie 6 % der Gesamtenergie beträgt. Daher ist die für den Konstantvolumen-Erhitzungsprozeß verfügbare Energie

= 0_#605 χ 0,94 = 0,568 kJ.

Es sei nun ein Konstantvolumen-Erhitzungsprozeß der Luft nur bis zum Zustand 3 angenommen. Dann wird die Menge an Wasser berechnet, die eingespritzt werden muß, um die
Mischung zum Zustand 4 zurückzubringen derart, daß die Dissoziationsverluste Null sind und daß die Wärmeübertragungsverluste 6 % des Gesamtbetrages sind.

Masse im Zylinder = 2,12 χ 10~⁴ + 1,3 χ 10~⁵

= 2,25 χ 10"⁴ kg.
Temperaturanstieg im Konstantvolumen-Erhitzungsprozeß

= ^568 = 351 6 ⁰K.

2,25 χ 10 ⁴ . 0,718

T₃ = 3516 + 809 = 4325°K

ρ = 1478 χ 4325 = 7901 kN/m².
809

Es sei eine Endtemperatur-von 2400⁰K bei 4 angenommen.

Nun wird die Menge an Wasser bei 60⁰C bestimmt, die eingespritzt werden muß, um diesen Endzustand zu erzielen, d.h. eine Kühlung des Verbrennungsgases von 4325⁰K auf 2400⁰K und eine Änderung des Wassers vom flüssigen Zustand bei 60⁰C auf Gas bei 2400⁰K.

Die in diesem Gaskühlprozeß verfügbare Energie beträgt

= m χ c_v χ (T₃- T₄)

= 2,25 χ 10~⁴ χ 0,718 χ (4325-2400)

= 0,311 kJ

Die Änderung der inneren Energie des Wassers vom flüssigen Zustand bei 333⁰K zum gasförmigen Zustand bei 2400⁰K beträgt

^{= U}3	-~	^U1	+ (u₂ -
= (u	3	" ^U2>	,) + (U₂
	(T	₃ - τ.

Die Wasserhinzufügungs-Energieberechnung ist in Figur der Zeichnung veranschaulicht.

Die spezifische Wärme beim konstanten Volumen beträgt bei Wasser in diesem Temperaturbereich

= 2,609 - 8,314

18 = 2,147 kJ/kg°K

Daher ist U₃ -U₁ = '2,147 (2400 - 873) +" (3300 - 251)

= 6327.469 kJ/kg.

Deshalb ist die erforderliche Masse Wasser, die einzuspritzen ist,

_5

= Q = 0,311 = 4,91 χ

U₃ - U₁ 6327

Infolgedessen beträgt das Wasser-Kraftstoff-Verhältnis 30

= 4,91 χ 10"⁵ =3,78

Der Partialdruck jedes Gases beträgt (pp = Partialdruck) pp (Luft/Kraftstoff) = 2,25 χ 10~⁴ χ 287 χ 2400 =4654 kN/m²

33,3 χ 10~⁶ χ

pp (Wasser) = 5,7 χ 10~⁵ χ 517 χ 2400 = 2124 kN/m²

33,3 χ 10~⁶ χ

-M-Die Summe der Partialdrücke ist = P. =6778 kN/m².

In dem Expansxonsprozeß bleiben die Partialdrücke im gleichen Verhältnis bestehen. Die Mischung kann daher als ein einziges Gas betrachtet werden, das von P. - V-auf P₅ - V₅ mit einer Expansionszahl bzw. einem Expansionsindex von 1/5 expandiert:

^ps^spiY^Vil =6778 = 105,9 kN/m²

Die Verdichtungsprozeßarbeit ist

= 10³ (43,7 χ 5,333 . 10"⁴ - 1478 χ 0,333 χ 10~⁴) °'²⁷

= -96 J

Die Expansxonsarbeit ist

= 10³ (6778 X 0,333 χ 10~⁴ -95,7 χ 5,333 χ 10~⁴)

. 0,5

= 432 J.

Daher ist die Nutzarbeit pro Zyklus =

432 - 96 = 336 J

_ C

Diese Arbeit erfordert 1/3 χ 10 kg Kraftstoff,

Infolgedessen ist die spezifische Arbeit =

336 = 25,8 χ 10⁶ J/kg Kraftstoff,

1,3 χ 10~⁵

Die Energie pro Liter Hubraum ist = 672 J/Zyklus.

Aus der obigen Modellrechnung wurden die folgenden Optimal isierungen durch Rechneranalyse bestimmt:

BRENNKRAFTMASCHINEN-LEISTUNGSFÄHIGKEITSANALYSE : Z ÜNDFÜNKENZ ÜNDÜNG/

BENZIN/LUFT/WASSER

ENDGÜLTIGE OPTIMALE SPEZIFISCHE ARBEIT FESTE WERTE EINHEITSUMWANDLUNGSFAKTOR:. SPEZIFISCHE GASKONSTANTE: UNTERER WÄRMEWERT: ATMOSPHÄRISCHER LUFTDRUCK: TEMPERATUR DER EINGELEITETEN LUFT:

SPEZIFISCHE WÄRME DER LUFT: KOMPRESSIONSZAHL BZW. -INDEX: HUBRAUM: FAKTOR:

WASSER/KRAFTSTOFF-VERHÄLTNIS-FAKTOR:

PARTiALDRUCK-GAS: PARTIALDRUCK-WASSER :

KOMPRESSIONSVERHÄLTNIS: VOLUMETRISCHER WIRKUNGSGRAD: LUFT-KRAFTSTOFF-VERHÄLTNIS: WASSER/KRAFTSTOFF-VERHÄLTNIS: ENERGIERVERLUST AUFGRUND WÄRME ÜBE RTRAGUNG: ENERGIE AUFGRUND VON DISSOZIATION:

EXPANSIONSZAHL BZW.-INDEX: GEWÄHLTE VERBRENNUNGSTEMPERATUR:

10 276 46500 1

323 0,718 1,3 500 461,888

1591 1/47 0,0023

19,3 0,48 15

3,5409408.45.55

0,16

0,06 1 ,214

2500

PUMPARBEIT -NEGATIV: EXPANSIONSARBEIT -POSITIV: NUTZARBEIT PRO ZYKLUS: SPEZIFISCHE ARBEIT: -127,454054679 641 ,762145388 514.308090709 28655961,0441

ENERGIE/LITER HUBRAUM; VORZUND -KLOPFFAKTOR: J/kg Kraftstoff 1028,61618142 J/Zyklus 0,998334199382

ENDGÜLTIGES OPTIMUM - ENERGIE/LITER KOMPRESSIONSVERHÄLTNIS: VOLUMETRISCHER WIRKUNGSGRAD: LUFT-KRAFTSTOFF-VERHÄLTNIS: WASSER/KRAFTSTOFF-VERHÄLTNIS: ENERGIEVERLUST AUFGRUND VON WÄRMEÜBERTRAGUNG: ENERGIEVERLUST AUFGRUND VON DISSOZIATION: EXPANSIONSZAHL BZW. -INDEX: GEWÄHLTE VERBRENNUNGSTEMPERATUR:

PUMPRARBEIT -NEGATIV: EXPANSIONSARBEIT -POSITIV: NUTZARBEIT PRO ZYKLUS: SPEZIFISCHE ARBEIT:

ENERGIE/LITER HUBRAUM:

18,4

0,5

3,4451949.636

0,16

0,06

1,214

2500

-129,683726206 656,716759285 527,033033079 28190364,4997

J/kg Kraftstoff 1054,06606616 J/Zyklus

VORZÜND -KLOPFFAKTOR: 0,997166185822

Trägt man die Expansionszahl bzw. den Expansionsindex über der spezifischen Arbeit auf, wie das in Figur 4 der Zeichnung geschehen ist, dann läßt sich ersehen, daß der Zyklus mit der hinzugefügten Masse die Expansionszahl bzw. den Expansionsindex vermindert, wodurch ein beachtlicher Gewinn an spezifischer Arbeit erzielt wird.

3133933 \: 7.: ;--:

-σοι SCHLUSSFOLGERUNG

Ein 4-Takt-Benzinmotor mit Zündung durch Zündfunken, der gemäß dem "Stand der Technik" ausgelegt ist, hat eine Leistungsbeschränkung, die im direkten Verhältnis zur Octanzahl des Brennstoffs χ Spitzenverdichtungsdruck χ Verbrennungstemperatur steht und gewisserweise dem Oberflächenbereich und der Form des Verbrennungsraums proportional ist. In der obigen Berechnung ergibt sich, da der Form und der Fläche des Verbrennungsraums und der KraftStoffqualität eins zugeordnet worden ist, 698/J/Hz 1 χ 5867 χ 3029 χ 1 = 1,8 χ ΙΟ⁷.

Aus der spezifischen Arbeit ergibt sich, daß die erzeugte Energie folgendes erfordert:

698 = 5,2 χ 10"⁵ kg Kraftstoff/Zyklus. 13,4 χ 10⁶

Wenn Wasser unmittelbar hinter der Flammenfront eingespritzt wird, ergibt sich:

672 J/Hz 1 χ 4654 χ 2400 x<1 =<1,1 χ 10⁷.

672 = 2,6 χ 10~⁵ kg Kraftstoff/Zyklus. 25,8 χ 10⁶ ·

Der Kraftstoffwirkungsgrad-Verbesserungsfaktor ist daher 672 _χ 5,2 = 1,93 für gleiche Leistung und ₆₉₈ 2β gleichen Hubraum.

Es wurde ein Prototypmotor gebaut, indem ein 250 cm³

4-Ventil 4-Takt Einzylindermotor modifiziert wurde.

Alle Motorkomponenten waren konventionell, jedoch mit folgender Ausnahme:

■β ■> > ·Τ «e 4

-21-

(ί) Verdichtungsverhältnis 17,5:1

Verdichtungsraum 15,31 cm³ Bohrung 74 mm

Hub 57,8 mm

(2) Die Wassereinspritzeinheit - Detroit S.60 - war

eine Kombination aus Pumpe und Injektor mit einem Zapfenventildruck von 31,02 bar und 8 χ 0,1397 mm Durchmesser Düsenstrahl, die unter einem einge-]0 schlossenen Winkel von 160° sprühen. Das verwendete Wasser enthielt 1 Teil in 60 Teilen Mobil Lösbares Öl und 1 Teil in 200 Teilen "Finish" bzw. "Fertig" Trocknungshilfe zum Verhindern einer Spülung bzw. um eine Spülung zu vermeiden.

Die Einspritzeinheit wurde mittels eines Schwinghebels von einer zweiten Nockenwelle her angetrieben, die ihrerseits mittels einer Kette von der Ventilnockenwelle angetrieben wurde. Die Einspritz- oder Nockenwelle hatte eine Zeitgebungseinstelleinrichtung.

(3) Der Kopf war zur Aufnahme der Einspritzeinheit anstelle eines Einlaßventils modifiziert. Der Kolben war zum Erzeugen eines Verdichtungsverhältnisses, das den Kontouren eines Dachkopfs folgt, modifiziert.

Der Motor wurde mittels eines Scheibenbremsdynamometers belastet, das über den Getriebekasten des Motors angetrieben wurde. Der Reaktionsarm auf dieser Bremse war 0,35 m.

Es wurde Vorsorge zum Messen sowohl der Wasserströmungsrate als auch der KraftstoffStrömungsrate getroffen, und zwar durch Zeitmessung der Verschiebung von vertikalen Transparentenrohren her.

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-22-

Figur 5 der Zeichnung ist eine schematische/ teilweise, im Schnitt dargestellte Aufrißansicht des abgewandelten Motors, welche die Position der Einspritzeinrichtung und des Verfahrens von dessen Betrieb zeigt. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist die Verbrennungskammer 1 mit einer Zündkerze 2, einem Auslaßkanal 3 und einer Wassereinspritzeinrichtung 4 versehen (der Einlaßkanal ist nicht gezeigt). Der Auslaßkanal 3 ist mit einem Tellerventil 6 versehen, das mittels einer Nocke 7 betätigt wird, die auf einem Schaft 8 angebracht ist. Eine zusätzliche Nocke 9 ist zur Betätigung eines Schwinghebelarms 10, der seinerseits die Wassereinspritzeinrichtung betätigt,auf dem Schaft 8 vorgesehen.

ANFÄNGLICHE TESTS

Der Motor wurde anfänglich mit Motorbenzin von Superqualität gezündet und so eingestellt,- daß er mit ungefähr 1500 Umdrehungen pro Minute lief.

In diesem anfänglichen Test betrieb der Motor die Ausgangswelle über ein erstes Zahnrad, wobei eine Last von den das Schwungrad umgebenden Tastern her einwirkte·.

Wenn nur Benzin zugeführt wurde und eine konstante Geschwindigkeit vorlag, war ersichtlich, daß das Motorwasser auf den Kopfrippen kochte.

Die Zahnstange der Einspritzeinrichtung wurde graduell nach einwärts bewegt, um dem Motor bei ungefähr 6° (Kurbelwelle) nach der Zündung Wasser zuzuführen. Der Motor nahm in seiner Umdrehungszahl augenblicklich zu und lief mit ungefähr 2500 Umdrehungen/min. Innerhalb von etwa 60 Sekunden des Zufügens von Wasser wurde die Kopfrippentemperatur niedrig genug, so daß diese

■" bequem berührt worden konnten, und die Auspufftemperatür

-23-schien außerordentlich vermindert zu sein.

Die Zahnstange der Einspritzeinrichtung wurde dann in die volle Ein-Position vorgeschoben, und die Umdrehungszahl fiel bis gerade unter 2000 Umdrehungen/min ab, obwohl der Motor glatt und stoßfrei weiterlief.

Die Entwicklung der Motorsteuerungen und die Testvorgänge erfolgten dann über eine Anzahl von Tagen hinweg. Diese erforderten die Verstärkung des Dynamometers, damit die erhöhten Drehmomente, die entwickelt wurden aufgenommen werden konnten.

ENDGÜLTIGE TESTS 15 (1) Geschwindigkeit

= 4000 Umdrehungen/min Ausgangswellengeschwin digkeit 1000 Umdrehungen/ min (des Motors am 3. Zahnrad)

Reaktionsarmkraft WasserStrömungsrate

Kraftstoffströmungsrate

= 10 kg - Kraft

= 10 cm .(Rohr von 7 mm 0) in 3,4 Sekunden

= 10 cm (Rohr von 4,9 mm 0) in 10,1 Sekunden

Ergebnisse, die sich aus den obigen Werten ableiten: lassen, sind:

Leistung = 2/TNT = 2fx 4000 χ 10 χ 9,81 χ 0,35 = 3,60 kW.

4 χ 60 1000

Drehmoment an der Motorwelle = 10 χ 0,35 = 0,88 kg-Kraft/m

Wasserströmungsrate = 10 χ ^x (0,7)² χ J = 1,13 cm³/sek.

4 3,4

35 Benzinströmungsrate

(0,489)² χ J_ =0,19 cm³/sek. 10,1

Wasser-und Kraftstoff verhältnis = 1,13 = 6

0,19

1 Spezifischer Kraftstoffverbrauch =

Q,19 χ 3600 =0,19 Liter/kW h 1000 3,6

Zeitgebung für den obigen Test war folgende: 5

(a) Zündung 12° vor dem oberen Totpunkt

(b) Wasser 45° nach dem oberen Totpunkt

Es bestand der Eindruck, daß die obigen Zeitgebungen für die Art des Betriebs, der in diesem Motor erforderlich war, zu verzögert waren. Die Zeitgebung wurde für den nächsten Test eingestellt.

(2) Geschwindigkeit

Reaktionsarmkraft WasserStrömungsrate

Kraftstoffströmungsrate

= 4000 Umdrehungen/min Ausgangswellengeschwindig keit 1000 Umdrehungen/min (3. Zahnrad)

= 10 kg - Kraft.

= 8 cm (Rohr von 7 mm 0) in 4,5 Sekunden

= 5 cm (Rohr von 4,9 nun 0) in 7 Sekunden

Aus den obigen Werten abgeleitete Ergebnisse sind:

= 3,60 kW

Leistung Drehmoment an der Motorwelle WasserStrömungsrate

Benzinströmungsrate

= 0,88 kg Kraft/m

^x (0,7)²

4,5

=0,68 cm³/Sek.

= 5 χΓ

χ (0,489)² χ 1 =

=0,13 cm³/Sek.

Wasser-Kraftstoff-Verhältnis

= 0,68 = 5.23 0,13

-2 δ-Ι Spezifischer Kraftstoffverbrauch = 0,13 χ 3600 = 0,13 Liter/kW h

1000 3,60 Die Zeitgebung für den obigen Test war folgende:

(a) Zündung 22° vor dem oberen Totpunkt

(b) Wasser am oberen Totpunkt

Eine weitere praktische Analyse hat zur der Erkenntnis geführt, daß es zur bevorzugen ist, die Wassereinspritzung, die 30° der Kurbelwellendrehung einnimmt, bei 10° vor dem oberen Totpunkt zu beginnen, wobei der Zündfunke bei 25° vor dem oberen Totpunkt erzeugt wird.

Wie man ohne weiteres erkennt, ist bei jeder Ausbildung bzw. Auslegung des Motors und bei jeder Art und Qualität des verwendeten Kraftstoffs ein spezifisches und individuell berechenbares Massenverhältnis von injizierendem Nichtkraftstoffmaterial zudem Kraftstoff in der erzeugten Ladung vorhanden, mit dem die gewünschte Leistungsfähigkeit erzielt wird.

Es ist ohne weiteres aus den vorstehenden Ausführungen ^_n ersichtlich, daß die Wassereinspritzung in Brennkraftmaschinen gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere die folgenden Vorteile hat:

(1) Die Fabrikationskonfiguration bzw. ausbildung weicht or nicht von der gegenwärtigen Fremdzündungs- oder Ei-

-26-Zündungstechnologie ab.

(2) Die Spitzentemperaturen und -drücke sind vermindert, so daß in der dargestellten Ausführungsform das effektive Verdichtungsverhältnis von 9:1 auf 17,5:1 ohne Klopfen erhöht wird, wenn Motorbenzin der gleichen Octanzahl (Antiklopfen) verwendet wird.

(3) Die mittleren Temperaturen sind vermindert, und die mittleren Drücke sind erhöht, so daß die Verwendung eines leichteren Motoraufbaus aus Materialien niedriger Kosten (sowohl finanzieller Art als auch in Energiethermen) ermöglicht wird.

(4) Ein sehr hohes Drehmoment bei niedrigen Motorgeschwindigkeiten ermöglicht Übertragungen bzw. Getriebe niedriger Kosten bei Anwendungen in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen.

(5) Ein Kühler ist nicht mehr notwendig, jedoch wird ein Wassermantel aus einem zweifachen Grund heraus verwendet, nämlich
(a) um den Motor heiß genug zu halten, damit er mit derzeitigen Wirkungsgraden als eine Benzin-Brennkraftmaschine arbeitet; und

"(b) damit der Dampf von den Auspuffgasen kondensiert wird, so daß auf diese Weise der größte Teil des verwendeten Wassers wiedergewonnen wird. 30

(6) Die Auspuffgase werden "gereinigt", so daß sie keine Stickstoffoxide oder Kohlendioxid als atmosphärische Verunreinigungen enthalten.

^ Obwohl die Erfindung unter spezieller Bezugnahme auf

-27-

einen Kolbenmotor bzw. eine Kolbenmaschine mit Zündung durch Zündfunken beschrieben worden ist, ist sie in gleicher Weise auf alle anderen Arten von Brennkraftmaschinen, einschließlich Turbinen, Kreisbahnmaschinen, Rotationsmaschinen und ähnliche Konfigurationen wie auch auf alle Arten von Verdichtungszündmaschinen bzw. -motoren anwendbar.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Bezeichnungen E-4

-4 -5

und E-5 die Bedeutung von 10 bzw. 10 haben. Entsprechendes gilt für andere Zahlen.

2B

Leerseite

Claims

KRAUS & WEISE?RT°'"" *"" '"

PATENTANWÄLTE

UND ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

DR. WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER· D R.-l N G. AN N EKÄTE WEISERT DIPL-ING. FACHRICHTUNG CHEMIE IRMGARDSTRASSE 15 · D-8OOO MÜNCHEN 71 · TELEFON 0 8 9/7 9 70 77-79 70 78 · TELEX O5-212156 kpntd

TELEGRAMM KRAUSPATENT

3028 JS/br

DAVID JOHN VAN DAL
MICHAEL JOHN QUINSEE
JOHN ELLER

West Perth / Australien

Brennkraftmaschine

Patentansprüche

J Brennkraftmaschine, in der jede Verbrennungskammer (1) mit ;inem Injektor (4) versehen ist, durch den eine Menge an Wasser oder anderem Nichtkraftstoffmaterial in die Verbrennungskammer injiziert wird, dadurch gekennzeichnet , daß

(a) das Kompressionsverhältnis der Maschine größer als dasjenige ist, welches normalerweise für den in der Maschine verwendeten Kraftstoff zulässig bzw. noch annehmbar ist;

(b) die Menge an Wasser oder anderem Nichtkraftstoffmaterial ausreichend ist, die maximalen und mittleren Tempert-türen bzw. die maximale und mittlere Temperatur der Vor-

brenriung auf einem gewählten Niveau unterhalb der unkontrollierten Temperaturen zu halten; und

(c) die Injektion durchgeführt wird, nachdem die Kraftstoff-Luft-Ladung gezündet worden ist, jedoch vor der Selbstzündung des Endgases.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis von ih- jiziertem Nichtkraftstoffmaterial zum Kraftstoff über 3:1, bezogen auf die Masse, beträgt.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge an Nichtkraftstoffmaterial, die in die Brennkammer (4) zu injizieren ist, durch die Ausbildung bzw. Auslegung der Maschine sowie die Art und Qualität des darin zu verwendenden Kraftstoffs bestimmt ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß sie ein Kompressionsverhältnis in der Größenordnung von 18,7:1 hat, wobei der Kraftstoff (bleifreies Benzin) eine Octanzah.1 von 90 hat; daß das Verhältnis von injiziertem Wasser zu Kraftstoff zwischen 3,4:1 und 3,6:1 beträgt,- und daß das Wasser bei 10° vor dem oberen Totpunkt eingespritzt wird, wobei der Zündfunke bei 25° vor dem oberen Totpunkt erzeugt wird.
5. Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in der jede Verbrennungskammer mit einem Injektor versehen ist, durch den eine Menge an Wasser oder anderem Nichtkraftstoffmaterial in die Verbrennungskammer injiziert wird, dadurch g e k e η η zeichnet, daß

(a) die Menge (gewichtsmäßig) an Wasser oder anderem Nichtkraftstoffmaterial mehr als das dreifache der Menge an Kraftstoff in der bewirkten bzw.. erzeugten Ladung beträgt; und

(b) das Wasser oder das andere Nichtkraftstoffmaterial injiziert wird, nachdem die Kraftstoff/Luft-Mischung gezündet worden ist, jedoch bevor die Verbrennung beendet ist und bevor die Temperaturen und Drücke innerhalb der Verbrennungskammer (1) ein Klopfen (Klingeln) bewirken.