DE3784834T2

DE3784834T2 - Verbrennungshilfsmittel.

Info

Publication number: DE3784834T2
Application number: DE8787115522T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Nasu
Original assignee: Individual
Current assignee: NASU, HISAMOTO, YOUKAICHIBA, CHIBA, JP
Priority date: 1986-10-23
Filing date: 1987-10-22
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2007-10-23
Also published as: ES2039401T3; EP0265850B1; DE3784834D1; EP0265850A1; US4852992A; CA1302085C

Description

1. Feld der Erfindung:

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungshilfsmittel, vorzugsweise für den Gebrauch bei Verbrennungsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren wie Benzinmotoren und Dieselmotoren für Automabile etc.

2. Bekannte Technik:

In den letzten Jahren wurden extensive Aufwendungen hinsichtlich der Reduzierung schädlicher Emissionen in Abgasen, beispielsweise CO, NOx und nicht vollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe, und hinsichtlich der Reduktion des Brennstoffverbrauchs bei Verbrennungsmotoren gemacht. Bekannte Lösungsansätze haben sich im wesentlichen konzentriert auf: (1) Nachbehandlung von Abgas, (2) Verbesserungen der Verbrennungskammern und die Verwendung von Verdampfern, (3) Steuerung des Brennstoff- und Zündsystems und (4) Schichtverbrennungsverfahren etc. Insbesondere wurde ein zusammengefaßtes System, das einen Microcomputer verwendet, entwickelt, um die Steuerung der Brennstoffzufuhr, der Zündung, der Rückflußrate des Abgases und dgl. zu integrieren, wobei diese Steuerung abhängig von den Betriebsparametern des Motors arbeitet.
Mit Ausnahme der Abgasbehandlungen betreffen alle vorgenannten bekannten Techniken Verbesserungen des Verbrennungszustandes durch Änderung und Steuerung der physikalischen Umgebung für die Verbrennung, um dadurch die Verbrennung effizienter zu gestalten, und diese Ansätze ziehen weitere Maßnahmen für das Reinigen des Abgases in Betracht. Mit anderen Worten versuchen solche bekannten Ansätze nicht, sowohl die Verbrennung zu verbessern als auch Schadstoffemissionen zu vermindern, abgesehen von dem Ausmaß, in dem das letzere aus dem ersten folgt. Die Techniken für die Nachbehandlung von Abgas fallen generell in zwei Kategorien: (1) Reinigen des Abgases unter Verwendung eines Katalysators und (2) Rückführung eines Teils des Abgases zum Motor. Diese Techniken zeigen gute Resultate hinsichtlich der Reduzierung des Ausstoßes von Kohlenwasserstoff, CO und NOx. Jedoch wird selbst durch diese Techniken eine vollständige Verbrennung nicht erreicht, so daß die Emission der vorgenannten Luftverunreinigungsstoffe auf einem nichtakzeptierbar hohen Pegel verbleibt.
Ein Verbrennungshilfsmittel mit Wasser ist aus "Chemical Abstracts", Vol. 103, No. 18, Nov. 1985, Seite 59, Zusammenfassung Nr. 144650e, Columbus, Ohio, US, und aus der JP-A-60106887 bekannt. Gemäß dieser Schrift ist ein Brennstofföl-Additiv für Dieselbrennstoffe und Schweröle 1-10 Vol% Wasser (in Brennstofföl) als Verbrennungsverbesserungsmittel. Bei einer Zufügung von 5 Vol% Wasser sinkt der Dieselbrennstoffverbrauch um etwa 5%.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verbrennungshilfsmittel zu schaffen, das gleichzeitig sowohl das Erfordernis für das Reinigen des Abgases als auch das Erfordernis für die Verbesserung der Verbrennungseffektivität erfüllt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verbrennungshilfsmittel gelöst, das in Anspruch 1 definiert ist; die weiteren Ansprüche betreffen Weiterentwicklungen der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen:

Die Erfindung wird mit Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben, die Erfindung soll jedoch nicht durch diese Beispiele beschränkt werden, wobei der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche angegeben ist.
In den Zusammensetzungen gemäß der Erfindung kann das Wasser (Komponente a)) reines Wasser, Regenwasser, Seewasser etc. sein. Vorzugsweise wird Seewasser verwendet, da Seewasser erstens eine unerschöpfliche Quelle ist. Zweitens enthält Seewasser Spurenanteile verschiedener Metallionen, und es wird angenommen, daß solche Metalle katalytisch die Verbrennung unterstützen. Drittens ist die Zusammensetzung von Seewasser relativ konstant und kann so wie es ist verwendet werden. Es ist vorzuziehen, daß der pH des Wassers (Seewassers) vor dem Mischen mit der Komponente (b) auf stark alkalisch oder stark sauer eingestellt wird, abhängig vom beabsichtigten Verwendungszweck. Hohe Alkalität (pH 13 oder höher) erhöht die Verbrennungseffizienz, und aus diesem Grunde sind die hochalkalischen Zusammensetzungen gemäß der Erfindung insbesondere für die Verwendung als Benzinadditiv geeignet. Desweiteren ist im Fall der Verwendung von Wasser oder Seewasser, das stark sauer eingestellt ist (pH2 oder weniger), die Mischfähigkeit mit der zweiten Komponente (b) gut, und das erhaltene Verbrennungshilfsmittel enthält einen hohen Anteil von CH-Komponenten, so daß das Verbrennungshilfsmittel einfach mit Brennstoff kompatibel ist. Derartige stark saure Zusammensetzungen können vorteilhafterweise als Additive für Dieselbrennstoffe verwendet werden, bei denen das Additiv zu einem relativ großen Anteil eingesetzt wird. Mit anderen Worten ist im Fall von Dieselbrennstoffen, wegen des größeren Anteils des zugesetzten Additivs, die Kompatibilität (Löslichkeit) mit dem Brennstoff ein wichtigerer Faktor als im Fall von Benzinbrennstoffen.
Um das Wasser oder Seewasser stark alkalisch zu gestalten, kann man dasselbe starke Alkali verwenden, das zur Bildung der zweiten Komponente (b) verwendet wird. Geeignete starke Alkali sind alle Substanzen, die Kalziumoxid als Hauptkomponente enthalten. Vom praktischen Gesichtspunkt ist jedoch das alkalische Mittel vorzugsweise gesinterte Muscheln, Knochen, Kalkstein od. dergl., das durch Sintern bei hohen Temperaturen von etwa 1000 bis 1500ºC erhalten wird. Dieses starke Alkali wird in einem Anteil von 0,5 bis 10%, vorzugsweise 1 bis 3%, basierend auf dem Seewasseranteil eingebracht, gefolgt vom Mischen und Rühren. Durch Entfernung von unlöslichen Bestandteilen oder Bodensatz kann eine wässrige Lösung mit einem PH von 13 oder mehr erhalten werden. Für eine stark saure Zusammensetzung wird verdünnte Schwefelsäure (pH von 0,1 od. weniger) oder eine speziell eingestellte Säure (im folgenden als "P-S-Säure" bezeichnet), die im Folgenden beschrieben wird, dem Wasser od. Seewasser zugefügt. Die hier verwendete Bezeichnung "P-S-Säure" bezieht sich auf eine wässrige Lösung, die erhalten wird durch Zufügung von etwa 5% konzentrierter Schwefelsäure zu einer stark elektrolytischen Lösung, die Kalziumphosphat enthält, und durch Entfernung von Bodensätzen, was zu einer Lösung mit einem pH von 0,1 od. weniger führt. Das Wasser od. Seewasser, in dem der pH durch Zusatz der P-S-Säure gesenkt wurde, zeigt eine gute Mischfähigkeit mit der zweiten Komponente (b), d.h. der Mischung aus Kohlenwasserstofföl und Alkali.
P-S-Säure od. verdünnte Schwefelsäure wird dem Wasser od. Seewasser zu einem Anteil von etwa 5% zugefügt, um seinen pH auf zwei od. weniger einzustellen. Desweiteren kann derartiges Seewasser, dessen pH auf diese Weise gesenkt wurde, auch für die hier beschriebenen Zusammensetzungen mit hohem pH verwendet werden, durch Zuführung eines stark alkalischen Mittels dazu.
Wie vorher beschrieben wurde, ist die zweite Komponente (b) eine Reaktionsmischung eines Kohlenwasserstofföls und eines starken Alkalis. Das Kohlenwasserstofföl ist wirksam, um die Verbrennungshilfe gemäß der Erfindung kompatibel (mischbar) mit Brennstoffen wie Benzin, Dieselöl etc. zu gestalten. Petroliumfraktionen, die äquivalent od. schwerer als der Brennstoff sind, od. dergl. können eingesetzt werden, und sie sind nicht notwendigerweise kommerziell erhältliche Petroliumfraktionen, sondern können alternativ Halogene enthaltende Öle sein. Desweiteren können Destillate, die durch Fraktionierung (Trockendestillation) von Vinylharzen wie Plastik, die Industrieabfälle sind, geschäumtem Polystyrol, die in Reifen verwendet werden, od. dergl. erhalten werden, effektiv eingesetzt werden, und eine derartige Quelle ist vom Gesichtspunkt der effektiven Verwendung von Industrieabfällen vorzuziehen. Als starkes Alkali zur Verwendung in der zweiten Komponente (b) werden Alkalimaterialien bevorzugt, die Kalziumoxid als Hauptkomponente enthalten. Wieder vom praktischen Standpunkt her können jedoch Alkaliprodukte verwendet werden, die durch Sintern von Muscheln, Knochen, Kalksteinen od. dergl. bei hohen Temperaturen von etwa 1000 bis 1500ºC erhalten werden. Bei hohen Temperaturen gesinterte Produkte aus Muscheln od. dergl. sind stark alkalisch und enthalten Kalziumoxid als Hauptkomponente. Wenn sie in Wasser gelöst werden, geben die so gesinterten Materialien stark alkalische wässrige Lösungen mit einem pH von 13. Die Komponente (b) ist eine pulvrige od. lehmartige Reaktionsmischung, die durch Mischen des Kohlenwasserstofföls mit dem starken Alkali in einem Verhältnis von etwa 1:1, Zusatz eines geringen Anteils einer wässrigen Lösung des starken Alkalimittels dazu und Rühren der Mischung erhalten wird. Das Mischungsverhältnis des Kohlenwasserstofföls und des starken Alkalis ist, obwohl es normalerweise etwa 1:1 beträgt, nicht darauf beschränkt, da das Verhältnis etwas abhängig von der Art des verwendeten Öls variiert. Der geringe Anteil der stark alkalischen wässrigen Lösung wird zugefügt, um die Reaktion des Öls mit dem trockenen starken Alkali zu beschleunigen, und das Alkali, das zur Bildung dieser wässrigen Lösung verwendet wird, kann dasselbe starke Alkali sein, das dem Wasser zur Bildung der Komponente (a) zugesetzt wird und dem Kohlenwasserstoff zur Bildung der Komponente (b) zugefügt wird. Wenn die trockenfraktionierten Öle, die in der Komponente (b) verwendet werden, Wasser enthalten, ist es nicht erforderlich, bei der Herstellung von (b) Wasser zuzusetzen.
Die Zusammensetzung des Verbrennungshilfsmittels, das die Komponenten (a) und (b) enthält, ist derart, daß die Komponente (b) 0,5 bis 10 % der Gesamtsumme beider Komponenten ausmacht. Die Zusammensetzung variiert abhängig davon, ob das Wasser in der ersten Komponente (a) alkalisch oder saurer Natur ist, und variiert ferner abhängig von der Art des verwendeten Brennstoffs. Wenn jedoch die zweite Komponente (b) weniger als 0,5 % beträgt oder 10 % überschreitet, kann das Ziel der Erfindung der Erzeugung einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung nicht erreicht werden. Die Reaktionsmischung der Komponente (b) ist ein feines Pulver, das leicht gestreut od. verspritzt werden kann. Zur Verhinderung des Verstreuens kann ein geringer Anteil von Alkohol ferner zugesetzt werden. Durch den Zusatz von Alkohol wird nicht nur ein Verstreuen der Komponente (b) verhindert, sondern sie wird auch leichter in der Komponente (a) lösbar.
Zur Zuführung des erfindungsgemäßen Verbrennungshilfsmittels an Bezinmotoren od. Dieselmotoren von Automobilen od. dergl. kann ein separater Behälter od. Tank zur Aufnahme des Verbrennungshilfsmittels im Motorraum befestigt werden und über eine Brennstoffleitung zeitgesteuert mit der Aufnahme in einen Zylinder gefördert werden, wobei die Förderung abhängig von ausgewählten Motorbetriebsparametern gesteuert wird. Das Verfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Der Anteil des Verbrennungshilfsmittels, der dem Brennstoff zugeführt wird, beträgt 0,1 bis 5%, vorzugsweise 0,3 bis 1% im Fall von Benzin, und im Fall von Dieselbrennstoff beträgt er 1 bis 15 %, vorzugsweise 5 bis 15 %. Es ist jedoch vorzuziehen, den Anteil des zugesetzten Verbrennungshilfsmittels abhängig von der Drehzahl und der Temperatur des Motors zu variieren, und der zugesetzte Anteil ist nicht auf den obengenannten numerischen Bereich beschränkt.
Das erfindungsgemäße Verbrennungshilfsmittel verbessert deutlich den Verbrennungszustand und ermöglicht gleichzeitig Verbesserungen der Brennstoffkosten und eine Reduktion der Bildung von Luftverschmutzungsstoffen wie NOx od. dergl. Desweiteren verwendet das erfindungsgemäße Verbrennungshilfsmittel Seewasser, das eine unerschöpfliche Resource ist, Substanzen wie Muscheln, Knochen, Kalkstein etc, die häufig in der Natur auftreten und Industrieabfälle wie Plastik, verbrauchte Reifen etc., so daß die Herstellungskosten sehr gering sind. Desweiteren, im Hinblick darauf, daß die Umweltverschmutzung reduziert wird durch Verwendung solcher nichtnutzbarer Substanzen wie Wasser, Muscheln, Industrieabfällen etc. ist die vorliegende Erfindung epochemachend.

Beispiel 1:

Muscheln wie Kammuscheln etc. wurden mit Wasser gewaschen und dann zerkleinert. Die zerkleinerten Muscheln wurden in einen Ofen geladen und für etwa 30 Minuten bei 1000 bis 1200ºC gesintert. Dann wurde die Temperatur auf etwa 1350ºC erhöht und das Sintern für zusätzliche 5 bis 10 min. durchgeführt, um ein pulvriges, starkes Alkali mit einer Maschenzahl (me) 200 zu erhalten.
Zu 1000 cc (cm³) Seewasser wurden 20 g des starken Alkali zugefügt. Nach dem Rühren für etwa 1 Std. wurden Bodensätze entfernt, um die Lösung (a) zu erhalten. Zur Bildung der Komponenten (b) wurden 500 g des oben beschriebenen starken Alkalis zu 500 cc (cm³) fraktionierten Öls gebrauchter Reifen zugefügt, und 100 cc (cm³) einer wässrigen Lösung des starken Alkalis wurden ferner der Mischung zugefügt. Nach dem Rühren wird die Mischung für 30 min unter etwa 2 atm stehengelassen, um eine pulvrige Reaktionsmischung (b) zu erhalten. Nach dem Rühren von 1000 cc (cm³) der Lösung (a) und 30 (g) der Reaktionsmischung (b) in einem Reaktionsbehälter unter 1,5 atm bei Raumtemperatur für etwa 1 Std. wurde die Mischung im wesentlichen über Nacht stehengelassen. Unlösliche Bestandteile wurden entfernt, um eine Verbrennungshilfe in Form einer homogenen Flüssigkeit zu erhalten.

Beispiel 2

50 g eines Pulvers aus hauptsächlich Kalziumphosphat, das durch Sintern von Tierknochen erhalten wurde, wurden in einem Liter reinen Wassers aufgelöst. Dann wurden 5 % konzentrierter Schwefelsäure der wässrigen Lösung zugefügt, um eine stark saure wässrige Lösung mit einem pH von 0,2 (P-S-Säure) zu erhalten.
500 Litern Seewasser wurden 10 Liter der oben beschriebenen PS- Säure zugefügt. Nach dem Abstehen für 3 Stunden wurden Verunreinigungen ausgefiltert. Im Ergebnis hatte das Seewasser einen pH von 1,6. Dann wurden 3 % Natriumhydroxid dem Seewasser zugeführt. Nach dem Stehenlassen über Nacht wurden Bodensätze entfernt, um eine wässrige Lösung (a) mit einem pH von 13,7 zu erhalten.
5 kg gesinterten Kalksteins wurden 6 kg Trockendestillationsöl von Vinylchlorid zugefügt, um eine pulvrige Reaktionsmischung (b) zu erhalten. In diesem Fall war ausreichend Wasser in dem trockendestillierten Öl vorhanden, das für die Reaktion verwendet wurde, so daß es nicht erforderlich war, Wasser zur Bildung der Komponente (b) zuzufügen. Nach dem Mischen und Rühren von 150 Litern der wässrigen Lösung (a), 15 kg der Reaktionsmischung (b) und 750 cc (cm³) Äthanol unter den Bedingungen des Beispiels 1, wurden unlösliche Bestandteile entfernt, um eine Verbrennungshilfe zu erhalten.

Beispiel 3

Eine wässrige Lösung (a) wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 erhalten. 5 kg gesinterter Kalkstein und 1000 cc (cm³) Wasser wurden mit 5 kg eines Schweröles gemischt, um eine pulvrige Reaktionsmischung (b) zu erhalten.
Nach dem Mischen und Rühren der wässrigen Lösung (a), der Reaktionsmischung (b) und 500 cc (cm³) Äthanol unter Bedingungen wie im Beispiel 1 wurden unlösliche Bestandteile entfernt, um eine Verbrennungshilfe zu erhalten. TABELLE 1 Beispiel Vergl. Beispiel
Ein Verbrennungshilfen-Additivsystem unter Verwendung eines Computers wurde in einem Benzinfahrzeug (Nissan E-252) installiert, das so ausgebildet war, um das erfindungsgemäße Verbrennungshilfsmittel über eine computergesteuerte Düse, die an der Einlaßverzweigung jedes Zylinders des Motors angeordnet war, einzuspritzen, wenn das Einlaßventil geöffnet war. Nachdem das Computersystem eingestellt war, wurden HC, NOx und CO im Abgas nach einem Lauf von 7294 km analysiert. Die Resultate sind in Tabelle 1 dargestellt. Als Vergleichsbeispiel sind die Analysenresultate des Abgases von einem Automobil der gleichen Marke unter Verwendung keiner Verbrennungshilfe in Tabelle 1 angegeben.
Desweiteren wurde die Verbrennungshilfe gemäß Beispiel 2 einem Benzinfahrzeug 1 (Nissan, EH 252), einem Benzinfahrzeug 2 (Toyota Crown, 1981), einem Dieselfahrzeug 1 (Nissan Cedrick) und einem Dieselfahrzeug 2 (Mitsubishi, 3-Tonnen LKW, 1978) zugeführt. Fahrversuche wurden durchgeführt, um die Brennstoffausnutzung zu überprüfen. Die Resultate sind in Tabelle 2 angegeben, im Vergleich mit der Steuerung, in der keine Verbrennungshilfe verwendet wurde. In allen Fällen wurde die Brennstoffnutzung um mehr als 25% verbessert, verglichen mit dem Verzicht auf die Verbrennungshilfe. Tabelle 2 Brennstoffnutzung (km/l) Benzinfahrzeug Dieselfahrzeug Keine Verbrenng.hilfe Verbrenng.hilfe (Anteil an Brennstoff, %)
Die die Auspuffanlagen dieser Automobile verlassenden Kondensate wurden analysiert. Im Ergebnis wurden Element wie Natrium, Kalzium etc. in größeren Anteilen in allen Fällen festgestellt, es gab jedoch keine anomalen Befunde in den Motorölen nach einer Laufstrecke von 7500 km.

Claims

1. Verbrennungs-Hilfsmittel mit

a) Wasser dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungs-Hilfsmittel in Form einer wässrigen alkalischen Lösung mit einem pH von 13 oder inehr vorliegt,

daß das Wasser Seewasser ist und

daß das Verbrennungs-Hilfsmittel ferner aufweist, in dem Seewasser aufgelöst,

b) ein Pulver, das durch Mischung eines Kohlenwasserstoff- Öls unter Anwesenheit von weniger als 10 Gew-% Wasser mit einem Alkali erhalten wird, das Kalziumoxid als Hauptkomponente enthält, wobei das Pulver 0,5 - 10% des Verbrennungshilfsmittels ausmacht.

2. Verbrennungs-Hilfsmittel nach Anspruch 1, wobei das Alkali erhalten wird durch Sintern einer natürlich auftretenden Substanz hohen Kalziumgehalts, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Muscheln, Knochen, Kalkstein oder Mischungen daraus.

3. Verbrennungs-Hilfsmittel nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Alkali und einem pH von zumindest 13.

4. Verbrennungs-Hilfsmittel nach Anspruch 1, wobei das Seewasser durch Zufügung einer Säure zur Erzeugung eines sauren pH behandelt wird, gefolgt von der Zuführung eines Alkali zur Erzeugung eines basischen pH.

5. Verbrennungs-Hilfsmittel nach Anspruch 4, wobei die Säure durch Auflösung eines gesinterten Produktes aus Knochen, das Kalziumphosphat als Hauptkomponente enthält, in Wasser und durch Zufügung von 5 % konzentrierter Schwefelsäure zu der wässrigen Lösung erhalten wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Verbrennungs-Hilfsmittels gemäß einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch die Schritte der Reaktion eines starken Alkali mit einem Kohlenwasserstoff-Öl unter Anwesenheit von weniger als 10 Gew-% Wasser, der Mischung des so erhaltenen Reaktionsproduktes mit 90 - 99,5 % Seewasser, der Entfernung unlöslicher Materialien, falls vorhanden, aus der Mischung, um ein homogenes, flüssiges Verbrennungs-Hilfsmittel in Form einer wässrigen alkalischen Lösung mit einem pH von 13 oder mehr zu erhalten.

7. Verwendung einer homogenen Flüssigkeit, die Wasser enthält, als Verbrennungs-Hiifsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch Reaktion einer starken Lauge mit einem Kohlenwasserstoff-Öl unter Anwesenheit von weniger als 10 Gew-% Wasser, durch Mischung des derartig erhaltenen Reaktionsprodukts mit 90 bis 99,5 % Seewasser erhalten wird, so daß die Flüssigkeit eine wässrige alkalische Lösung mit einem pH von 13 oder mehr ist.

8. Verfahren zur Verbesserung der Verbrennung von Brennstoffen, insbesondere von Verbrennungs-Kraftmaschinen, durch Zufügung eines flüssigen Brennstoffzusatzes, der Wasser enthält, zum Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeit, die durch Reaktion eines starken Alkali mit einem Kohlenfwasserstoff-Öl unter Anwesenheit von weniger als 10 Gew-% Wasser, Mischung des so erhaltenen Reaktionsprodukts mit 90 - 99,5 % Seewasser derart erhalten wird, daß die Flüssigkeit eine wässrige alkalische Lösung mit einem pH von 13 oder mehr ist, dem Brennstoff zugefügt wird.