DE3405899A1

DE3405899A1 - Verfahren und einrichtung zur verbesserung der leistung von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3405899A1
Application number: DE3405899A
Authority: DE
Inventors: Frank Dieter Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Peschanel
Original assignee: Individual
Current assignee: Peschanel Frank Dieter Dipl-Phys Dr 8218 Unt
Priority date: 1984-02-18
Filing date: 1984-02-18
Publication date: 1985-09-05

Description

-/- !7.02.^05899

Dr. Frank Dieter Peschanel, Grünwalder Str. 154-» 8000 München 90

"Verfahren und Einrichtung zur Verbesserung der Leistung von
Verbrennungsmotoren"

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbesserung der Leistung von Verbrennungsmotoren, unter Einschluß der Minderung des Schadstoffausstoßes durch Zuführen von Wassernebel .in die Verbrennungsluft. Derartige Einrichtungen sind durch die einerseits um sich greifende Erkenntnis der Notwendigkeit der Verbesserung der Umweltkonditionen, andererseits durch die Notwendigkeit, die vorhandenen Resourcen, insbesondere die ölVorräte zu strecken, mehr denn je erforderlich.

Es ist bereits bekannt, in die Verbrennungsräume von Motoren, auch von Dieselmotoren, Wasser einzuspritzen, wie dies die DE-OS 27 27 979 vom 22.6.77 lehrt. Dabei stimmt man den Zeitpunkt des Wassereinspritzens in das Innere der Zylinder, unter Berücksichtigung der Einlaßsteuerung als Funktion der Nockenwellenbewegung, der Stößelstange, des Kipphebels und des Einlaßventiles zu einem bestimmten vorgewählten Zeitpunkt ab. Auch die DE-OS 24. 29 579 vom 20.6.7-4 führt dem Verbrennungsraum Wasser zu, das durch die Verbrennungswärme verdampfen soll - und zwar soviel Wasser, daß der erzeugte Wasserdampf durch Volumenvergrößerung die Kolbenbewegung unterstützt. Davon verspricht man sich eine zusätzliche Arbeit, wobei die zugeführte Wassermenge theoretisch als Funktion der Wärmemenge, hervorgerufen durch die Explosion des brennbaren Zündstoffes, berechnet werden soll und im Effekt die Gewinnung mechanischer Energie auf Kosten der Kühlwärme angestrebt wird.

Nun ist jedoch das Abstimmen der zuzuführenden Wassermenge als Funktion der Verbrennungswärme keine starre Größe, wei.1 die Ver-

brennungwärme von Bruchteilen einer Sekunde zum nächsten Steuerungsintervall eine Steuerungsleistung erfordert, die mit den Mitteln dieser OS nicht zu bewältigen ist.

Von dieser Literatur hebt sich die DE-OS 29 13 079 insofern ab, als dort das Einspritzen von Wasser als Nebel in den Verbrennungsraum selbst oder nahe vor dem Verbrennungsraum im Ansaugkanal gelehrt wird. Auch hier gelten die vorerwähnten

Vorbehalte.
10

• Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, Leistungssteuerungen und änderung des Schadstoff ausstoßes zwar, auch durch Zuführen von Wassernebel in die Verbrennungluft zu ermöglichen, ohne dabei den Nachteil der tragen und deshalb wirkungölosen mechanischen Steuerung in Kauf zu nehmen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß in eine vor dem Verbrennungsraum angeordnete Vernebelungskammer eine oder mehrere Düsen münden, die gemeinsam von einem Nebelsteuerer wassergespeist werden, der nicht nur die Menge, vielmehr als weiter entscheidende Verfahrensgröße die Größe der Nebeltröpfchen dosiert.

Die Einrichtung zur Druchführung des Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß in der Vernebelungskammer oder in Strömungsrichtung danach Leitschaufeln angeordnet sind, wobei im Strömungsbereich des Nebels die Treibstoffdüse des Vergasers ange-' ordnet ist.

Die Figuren stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schernatisch dar. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vernebelungskammer mit einer Düse von

etwa 30° öffnungswinkel,

·

Fig. 2 einen Querschnitt der Vernebelungskammer mit Leitschaufeln, spiralig angeordnet,

Fig. 3 die schematische Darstellung des Druck-Zeitverlaufes in einer "idealen" Verbrennungsmaschine bei einem benzinbetriebenen Motor,

Fig. 4. den gleichen Verlauf bei einer Dieselmaschine,

Fig. 5 den Diagrammverlauf bei einem benzinbetriebenen Motor mit Nebelzusatz,

Fig. 6 den gleichen Diagrammverlauf wie bei Fig. 5,

bei einer typischen Dieselcharakteristik.

Um einen erfundungsgemäßen Nebel-Verbrennungsmotor in seinen verschiedenen Drehzahlbereichen, Temperatur und Lastverhältnissen zu betreiben, führt man nach der Verfahrensweise der Erfindung dem zur Verbrennung kommenden Gasgemisch einen sehr feinen Wassernebel zu. Der Durchmesser der Nebeltröpfchen liegt dann im Mittel zwischen 0,1 pm bis etwa 35 pm. Der Nebel wird zunächst der angesaugten Verbrennungsluft zugemischt.

Auch ein Zumischen vor der Kompression ist grundsätzlich möglich. Nun sind bei höheren Motordrehzahlen die Zeiten für die Verdampfung der Nebeltröpfchen so kurz, daß nur extrem feinste Nebel dann verwendet werden können. Der praktikable Tropfendurchmesser muß dann erheblich unter 35 μπι liegen, denn oberhalb von 35 μπι kann schon das verfahrenshindernde Austropfen beginnen.

Der mittlere Nebeltröpfchendurchmesser soll im Idealfall gerade so bemessen sein, daß zum Ende der Verbrennungsphase alle Nebeltröpfchen verdampft sind. Es müssen deshalb die Nebeltröpfchen in Abhängigkeit von Drehzahl, Temperatur und Last so gesteuert werden wie dies nach der Lehre der Erfindung erforderlich ist, um ein zu frühes Verdampfen aller Nebeltröpfchen möglichst zu vermeiden, obwohl dies vom Verbrennungsvorgang her gesehen akzeptabler ist als ein unvollständiges Verdampfen, bezogen auf das zeitliche Ende der Verbrennungsphasc.

-Dam i L vorschiebt, üich die technisch-wirtschaftliche Nutzung von Wassernebeln in Verbrennungsmaschinen auf den Punkt, der durch das kontrollierte Nebelerzeugen und das ebenfalls kontrollierte Nebelhinzufügen gekennzeichnet ist. Man kann dabei nach dem Stand der Technik davon ausgehen, daß es in der allgemeinen Verfahrenstechnik, insbesondere der der Entstaubung, bereits möglich ist, mittels programmierter Mikroprozessoren und variabel funktionsfähiger Steuereinheiten die Tröpfchen nceh der Erfindung in Qualität (Durchmesser) und Quantität herjiUiJtu

Um die S teuer vorgänge zu ermöglichen, ist es ...

Da. Um U bur Mo tortemperu Lur, Drehzahl, Treibstoff zufuhr unu Lautjauatand zu jedem Zeitpunkt des Betriebsverhaltes und der anstehenden Betriebsaufgäbe, beispielsweise der Anpassung an den Lastzustand, als Eingangsparameter der Steuereinheit 12, wie dies die Figur 1 zeigt, einzuspeisen. Diese Daten steuern dann den mittleren Durchmesser der Nebeltröpfchen wie auch die Durchflußmenge durch den Druck in der Wasserleitung, oder bei konstantem Druck durch intermittierende Wasserzufuhr in Düse 11. Dabei sind Drücke von 20 bar bis 200 bar erforderlich, abor auch ausreichend, um den mittleren Nebeltröpfchendurchnies-0,1 μπι bis etwa 35 μτη abzudecken.

Ef; ist Erkenntnis der Erfindung, daß während der Kompressionsphase nur ein geringer Teil der im Nebel enthaltenen Tröpfchen mit der verhältnismäßig nicht sehr heißen Zylinderwand in Wechselwirkung kommt, d.h. die Verdampfung in der Verbrennungkammer ist beschränkt. Während der Zünd- und Brennphase wird dann der Nebel so verdampft wie es die Figuren 3 bis 6 vergleichsweise) zeigen. Gleichzeitig tritt eine deutliche Minderung der Tempernturüpituen ein und gleichseitig wird eine zusätzliche οχ\ύθιΛ\ι wirkende Gasmenge erzeugt. Die Brennzeit kann sich nach dor Krkunnlni;; der Krdindung im Sinne eines Vergleichmüßitfons ihm Diagraminea verlängern.

BAD ORIGINAL

Für einen Ottomotor wird dabei die Charakteristik der idealen Ottomaschine in Richtung auf die Charakteristik der idealen Dieselmaschine verdrängt. Das geht dann mit einer charakteristischen Verbesserung des Wirkungsgrades einher. Gleichzeitig wird die schädliche Temperaturspitze abgesenkt. Im gleichen Intervall verringert die Aufnahme von Wärme durch die Nebeltröpfchen oder der erzeugte Dampf den durch die Brennkammerwände abgegebenen an sich verlorenen Wärmeanteil aus der Verbrennung. Auch dies trägt zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei.
10

Wird die angesaugte Luft vor einem Vergaser mit Nebel versetzt, so kann man der Luft in Abhängigkeit von den vorgegebenen Tempera turverhältnissen Wärme zuführen, um Vereisungseffekte zu

vermeiden.
15

Nach der gewonnenen Erfahrung können die Nebelanteile in den zu verbrennenden Gasen einen Wasseranteil von etwa fünf bis 350° der Gewichtsmenge des gleichzeitig der Verbrennung zugeführten Kraftstoffes betragen. Schwerpunktmäßig wird der Wasseranteil im Nebel in Abhängigkeit von Drehzahl und Lastzustand gesteuert. Die Steuerung des Durchmessers der Nebeltröpfchen beeinflußt das Verdampfungs-Zeit-Verhalten. Damit wird dann eine Anpassung der Verdampfungszeiten an die drehzahlabhängigen Bedingungen in der Brennkammer erreicht.

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen schematisch eine Vernebelungskammer 10. Die im unteren Bereich der Kammer angesaugte Luft passiert die Vernebelungskammer. Die Nebeldüse 11 wird von der Wasserzuleitung 14 versorgt. Die Wasserzuleitung 14 erhält ihre Einwirkung von der Nebelsteuerungsanlage 12, die mit den Drehzahldaten, den Lastdaten und der Motortemperatur gefüttert wird. Die Düse 11 öffnet in dem dargestellten Beispiel ihren Nebolko^el mit eta '30°. Der Nebel vorläßt die Nebelkammer 10 am oberen Ende, um von dort aus in den Vergaser einzutreten.

Die Leitschaufeln 16 unterstützen den Verwirbelungscffekt.

3A05899

Die Nebeldüse 11 bewirkt ferner in Zusammenhang mit den Leitschaufein 16 eine weitgehend homogene Durchmischung des Gases mit den Nebeltröpfchen. Falls jedoch die Dosierraumanordnung, Steuerung- und Stoßkinematik nicht für eine homogene Durchmischung ausreicht, können Leitschaufeln in schaufeiförmiger Anordnung die Geschwindigkeit des Gases verzögern. Eine intermittierende Beschränkung des Zustromes hat darüberhinaus den Vorteil, daß in übersehbarer Weise sowohl bei gegebenem Sprühdruck die Menge pro Zeiteinheit variiert werden kann wie auch das zusätzliche Variieren durch den Druck einen Einfluß auf die entsprechende Tropfengröße ausübt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, bei größeren, insbesondere stationären Maschinen, die Nebeltröpfchen direkt in den Verbrennungsraum einzuführen.

Allgemein kann gesagt werden, daß die geschilderte Methodik einen wesentlichen Einfluß auf die Abgaszusammensetzung insofern hat, als die geminderte Verbrennungstemperaturspitze den Gehalt an Stickoxyden im Abgas drastisch vermindert. In Testen ergab sich eine Kraftstoffersparnis von 12 bis 18% und eine Minderung der Stickoxyde von absolut 28%.

Be zugs Ziffernverzeichnis

10 Vernebelungskammer

11 - Düse für Wasserzufuhr

12 Nebelsteuerungsanlage

13 Vergaserdüse

14- Wasserzuleitung

15 Treibstoffdüse (Vergaser)

16 Leitschaufeln

COPV

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur "Verbesserung der Leistung von Verbrennungsmotoren und Minderung des Schadstoffausstoßes durch Zuführen von Wassernebel in die Verbrennungluft, dadurch gekennzeichnet, daß in eine vor dem Verbrennungsraum ange-' ordnete Vernebelungskammer (10) eine oder mehrere Düsen (11) münden, die gemeinsam von einem Nebelsteuerer (12) wassergespeist werden, der sowohl die Menge als auch die Nebeltröpfchengröße dosiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß bei gleichem Nebeltropfendurchmesser und gleichem Wasserdruck die Eindüsungsmenge durch intermittierende Wasserzufuhr zur Düse (11) geregelt wird.
3· .Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebeltröpfchen im Mittel zwischen 0,1 lim bis etwa 35 .μπι liegen und in Abhängigkeit von Drehzahl, Temperatur und Last so gesteuert sind, daß zum Ende der Verbrennungsphase alle Nebeltröpfchen verdampft sind.
4·. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebelstrom aufgewärmt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß dem Nebelausgangsstoff Wasser wasserlösliche, aber nicht kohlenwasserstofflösliche Stoffe zugeführt werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebeltröpfchen elektrisch derart hoch aufgeladen werden, daß sich die Einzeltropfen bei der Wärmeverdunstung teilen.
7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in " der

BAD

Vernubelungskammer (10) oder nach dieser in Strömungsrichtung Leitschaufeln (16) angeordnet sind.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsbereich des Nebels die Treibstoffdüse (15) des Vergasers angeordnet ist.