DE3990102C2 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader, der einen Kompressor mit einer Luftzuführung aufweist, wobei dem Verbrennungsmotor eine Mischung aus Kraftstoff und durch den Turbolader komprimierter Verbrennungsluft zugeführt und die Verbrennungs­ luft mit einem erhöhten Sauerstoffgehalt angereichert wird.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor zur Durch­ führung dieses Verfahrens, nämlich einen insbesondere zur optimierten Kraft­ stoffverbrennung verwendbaren Verbrennungsmotor mit einem Verbren­ nungslufteinlaß und einem Turbolader, wobei der Turbolader einen Kompressor und eine Luftzuführung aufweist und der Kompressor mit dem Verbrennungs­ lufteinlaß zur Beschickung des Motors mit Verbrennungsluft verbunden ist.

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors unter Anreicherung der Verbrennungsluft mit einem erhöhten Sauerstoffgehalt bei ansonsten unverän­ derten Bedingungen sind aus dem in dem SAE Paper 830245 von 1983 unter dem Titel "Effect of oxygen enrichment on the performance and emissions of IDI diesel engines" erschienenen Aufsatz von J. Ghojel, J. C. Hilliard und J. A. Le­ vendis und dem in Combustion Science and Technology, Band 19, Seiten 81-86, 1978 veröffentlichten Aufsatz "Exhaust emissions and performance of a spark ignition engine using oxygen enriched air" von A. A. Quader bekannt.

Die bekannten Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors unter Sau­ erstoffanreicherung der Verbrennungsluft, also derjenigen Luft, die in den Brennraum eingeführt wird und nachfolgend zusammen mit den Kraftstoff während der Verbrennung reagiert, waren Gegenstand von Untersuchungen aus den siebziger Jahren. Es wurde jedoch bei diesen Untersuchungen festge­ stellt, daß sauerstoffangereicherte Verbrennungsluft nicht den seinerzeit vor­ dringlich gewünschten Effekt einer Energieeinsparung oder einer Leistungs­ steigerung zu erzielen vermochte, sondern vielmehr genau das Gegenteil ein­ trat, nämlich das der Kraftstoffverbrauch zunahm und die Leistung des Motors zurück ging. Diese Nachteile sind beispielsweise in dem oben genannten Auf­ satz von Ghojel et. al. beschrieben.

Aus der US-amerikanischen Patentschrift 3877450 ist ein Verfahren bekannt, bei dem bei einer geeigneten Stellung des Kolbens eine zusätzliche Sauerstoff­ zufuhr erfolgt. die grundsätzlichen Verdichtungs- und Zündverhältnisse wäh­ rend des Motorbetriebs werden bei diesem Verfahren nicht geändert, so daß auch dieses Verfahren unter einem erhöhten Kraftstoffverbrauch leidet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungs­ motors mit einer Sauerstoffanreicherung zu schaffen, daß bei gleichbleibenden oder verringerten Emissionen weniger Kraftstoff benötigt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der erhöhte Sauer­ stoffgehalt durch Hindurchführen zumindest eines Teils der Verbrennungsluft­ zufuhr durch eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung erzielt wird, wodurch zusätzlicher Sauerstoff der Luftzuführung des Kompressors des Turboladers zu­ führt wird und der Zeitpunkt der Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches so ein­ gestellt wird, daß die frühere und schnellere Verbrennung aufgrund des erhöh­ ten Sauerstoffgehaltes in der Verbrennnungsluft kompensiert wird.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und möglichst ohne raum- und kostenaufwendige Zusatzaggregate betreibbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verbrennungsmotor gelöst, der er eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung aufweist, die zur Sauerstoff­ anreicherung der Verbrennungsluft der Luftzuführung des Kompressors zu­ sätzlichen Sauerstoff zuführt, und der Zeitpunkt der Zündung der Mischung aus Kraftstoff und angereicherter Verbrennungsluft so eingestellt ist, daß die frühere und schnellere Verbrennung aufgrund des erhöhten Sauerstoffgehaltes in der Verbrennnungsluft kompensiert ist.

Durch die erfindungsgemäße Kompensation der früheren Verbrennung des Kraftstoff-/Luft-/Sauerstoffgemisches wird die Energie der Verbrennung wieder optimal ausgenutzt und der Kraftstoffverbrauch verringert. Der dabei einge­ setzte Motor kann sowohl ein fremdgezündeter Motor, insbesondere ein Otto- oder Wankelmotor, oder auch ein selbstgezündeter Motor, beispielsweise ein Dieselmotor, sein.

Im Falle der fremdgezündeten Motoren ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren der weitere Vorteil, das nun auch Schwerölkraftstoffe, die üblicher­ weise bisher für ungeeignet zum Antrieben eines schnellaufenden Verbren­ nungsmotors gehalten wurden, einsetzbar sind. Die Schwierigkeit bei der Zün­ dung dieser schwer entzündlichen Kraftstoffe, die allerdings, nachdem sie denn einmal gezündet wurden, schnell und abrupt verbrennen, kann durch die Sau­ erstoffanreicherung und die Einstellung des Zündzeitpunktes durch genaues Timing der Einspritzung überwunden werden, so daß nunmehr auch alternative Kraftstoffe wie Rückstandsöle, Schweröle, Alkohol und Alkoholgemische, pflanzliche Öle oder Kraftstoffe auf Kohlebasis einsetzbar sind. Durch die zu­ sätzliche Anreicherung mit Sauerstoff werden diese Kraftstoffe, deutlich oxida­ tionsfreudiger, was eine Verbrennung in einem der Motorenarten erst ermög­ licht. Dies ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Allgemein lassen sich die Vorteile der Erfindung mit bei jeder Anreicherung der Verbrennungsluft eines Benzin- oder Dieselmotors mit Variation des Zündzeit­ punktes einsetzen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung eines Motors zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ersetzt die Sauerstoffanrei­ cherungsvorrichtung, die insbesondere eine Sauerstoff erzeugende Membran sein kann, den zwischen dem Turbolader und dem Einlaß für das Kraftstoff- /Luftgemisch in den Brennraum angeordneten Ladeluftkühler oder ist zusätz­ lich zu diesem angeordnet, wobei im letzterem Fall der Ladeluftkühler in seiner Größe deutlich verkleinert werden kann.

Untersuchungen haben gezeigt, daß der Kraftstoffverbrauch durch das erfin­ dungsgemäße Einsetzen der Sauerstoffanreicherung unter Modifikation des Zündzeitpunktes deutlich optimiert werden kann, während durch den Entfall oder die Verringerung der notwendigen Größe des Ladeluftkühlers ökonomische Vorteile entstehen. Diese Ergebnisse sind der Modifikation des Zündzeitpunk­ tes zu verdanken und stehen im direkten Gegensatz zu den Ergebnissen, die in den siebziger und den achtziger Jahren erzielt wurden und damals zu einer Aufgabe der Sauerstoffanreicherung führten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Menge des zu­ geführten Sauerstoffs so eingestellt, daß der erhöhte Sauerstoffgehalt im we­ sentlichen in den Bereich von 22 bis 40 Vol.-% fällt, wobei ein besonders bevor­ zugter Bereich etwa zwischen 24 und 28 Vol.-% liegt. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors kann zusätzlich mit einer Regelung oder einer Steuerung versehen sein, die den Sauerstoffgehalt auf das oben ge­ nannte Maß einstellt bzw. nachregelt.

Der Vorteil eines nun möglichen Entfalls des Ladeluftkühlers liegt nicht nur dain, daß die Baukosten verringert werden, sondern insbesondere auch in der vermutlich ebenso wichtigen Tatsache, daß das Systemvolumen im Ansaug- bzw. Einspritztrakt zwischen dem Kompressor des Turboladers und dem ei­ gentlichen Motor verringert wird. Dies führt zu einem verbesserten Übergangs- /Ansprechverhalten bei höherem Leistungs- und/oder Drehmomentbedarf, weil nun ein kleineres, dem Einlaß- oder Einspritzventil vorgelagertes Volumen mit dem erhöhten Druck versehen werden muß, bevor sich diese Druckerhöhung im Brennraum niederschlagen kann. Das Resultat dieses verbesserten Ansprech­ verhaltens ist neben der besseren Leistungscharakteristik eine reduzierte Rau­ chemission im Übergangsbereich.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen und aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen un­ ter Hinzunahme der beigefügten Abbildungen:

In den Abbildungen zeigt

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines Systems zur Verbesserung der Kraft­ stoffverbrennung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Sauer­ stofferzeugenden Membran, die geeignet ist für die Verwendung in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und in anderen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotoren geeignet ist;

Fig. 3 und 4 Diagramme, die den relativen thermischen Wirkungs­ grad und die relative Leistung eines gemäß der vorlie­ genden Erfindung modifizierten Diesel­ motors zeigen;

Fig. 5 bis 11 Diagramme, welche den Einfluß der Sauerstoffan­ reicherung auf die Leistung, den Wirkungsgrad und den Zündzeitpunkt eines Ottomotors zeigen; und

Fig. 12 bis 21 Diagramme, die den Einfluß der Sauerstoffan­ reicherung auf die Verwendung eines Schweröl- oder Rückstandsöl-Kraftstoffes in dem gleichen Dieselmotor, wie er in den Fig. 3 und 4 verwendet wurde, zeigen.

Die chemische Reaktion, die eine wesentliche Stufe in dem allgemein als "Verbrennung" bezeichneten Prozeß ist, besteht aus miteinander verbundenen chemischen und physikalischen Prozessen, sei es die Verbrennung von vorgemischtem Kraft­ stoff und Luft wie im Otto-Motor (SI-Motor) oder eine Kombina­ tion von Vormischungs- und Diffusions-Verbrennungsprozessen wie im Dieselmotor (CI-Motor). Die physikalischen Prozesse im SI-Motor werden beschrieben durch die Einflüsse, die die Wärme­ übertragung von dem verbrannten Gas auf das unverbrannte Gas auf die Verbrennungsrate hat. Diese werden beeinflußt sowohl durch die Wärmeleitung als auch durch das turbulente Mischen in dem Strömungsfeld. Im Falle eines Dieselmotors ist der Prozeß kom­ plizierter. Der in die heiße komprimierte Luft injizierte Kraftstoffnebel zerfällt in Kraftstofftröpfchen, die verdampfen und in die umgebende Luft diffundieren, wodurch eine brennbare Mischung innerhalb der Entflammbarkeitsgrenzen des Kraftstoffes entsteht. Diese Mischung verbrennt unter Erzeugung eines Hochtemperatur-Fluids, in das noch mehr Kraft­ stoff eingespritzt wird. Die Verbrennung dieses Kraftstoffes ist beschränkt durch die Verfügbarkeit von Sauerstoff in dem Bereich des Kraftstoffstroms. Daher spielt das Vermischen bei dieser zweiten Stufe der "Diffusionsverbrennung" eine wichtige Rolle.

In jedem Falle der Verbrennung verursachen die zugrundeliegenden chemi­ schen Prozesse eine Kettenreaktion. Das Produkt aus den lokalen Konzentrationen an Kraft­ stoff und Sauerstoff beeinflußt die Geschwindigkeit, mit der die chemischen Reaktionen fortschreiten. Daraus folgt dann, daß dann, wenn die Konzentration an Sauerstoff in der Verbrennungsluft erhöht wird und die Konzentration an inertem Stickstoff vermindert wird, die chemische Reaktion beschleu­ nigt wird. Dies gilt für alle Verbrennungsprozesse in SI- und CI-Motoren und in den einfachen Flammen auf Brennern. Lewis und Von Elbe erläutern in "Combustion Flames and Explosions" (Academic Press, 1961, Seite 382) wie sich die maximale Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff um einen Faktor von etwa 3,5 erhöht, wenn die Sauerstoffkonzentration von 21% (in normaler Luft) auf. 100% (in reinem Sauerstoff) in dem oxidierenden Gemisch gesteigert wird.

In einem Kolben-Explosionsmotor führt jede Erhöhung der Ver­ brennungsrate zu einer Verkürzung der verstrichenen Gesamt­ zeit für die Verbrennung. Je kürzer die Verbrennungszeit ist, um so mehr nähert sie sich dem idealen Otto-Zyklus-Prozeß (vgl. Lichty, "Combustion Engine Processes" McGraw Hill, 1967, Seite 128) und die resultierende Verminderung der soge­ nannten "Zeitverluste" erhöht die Arbeit pro Motorzyklus, erhöht das Motor-Drehmoment (und die Leistung bei einer gege­ benen Drehzahl) und erhöht den thermischen Wirkungs­ grad (vermindert den spezifischen Kraftstoffverbrauch) des Motors.

In dem SI-Motor wird nun durch die Erhöhung der Sauerstoffkon­ zentration die Flammengeschwindigkeit erhöht, wodurch die Verbrennungszeit verkürzt wird. In dem CI-Motor kann nur eine geringe Verkürzung der Zeit für den Zündprozeß (Vormischungs­ prozeß) vorliegen, wenn dessen Kraftstoff gut aufbereitet ist. Wenn jedoch Schwierigkeiten beim Zerlegen des Kraftstoffes in feine Tröpfchen wie bei Schweröl- oder visko­ seren Kraftstoffen auftreten, wird dieser Vorteil noch verstärkt. In jedem Falle wird die Diffusionsverbrennungsstufe verbessert.

Auf der Sollseite tritt ein gewisser geringer Nachteil in dem Explosionsmotor-Prozeß auf, weil die schnellere Verbrennung zu höheren Verbrennungstemperaturen und damit zu einer gewis­ sen Erhöhung der Wärmeverluste führt. Dieser Einfluß wird vermindert durch die richtige Einstellung des Zeitpunktes der Verbrennung, die in jedem Falle erforderlich ist, um die Zunahme der Druckanstiegsrate korrekt zu synchronisieren, um die Leistungs-Abgabe zu maximieren.

Aus der vorstehenden Beschreibung des Verbrennungsprozesses folgt, daß die Verbrennungsrate eines beliebigen Kraftstoffes ver­ bessert werden sollte durch eine erhöhte Sauerstoffkonzentra­ tion. Es ist zu beachten, daß, wie von A. A. Quader in der oben­ genannten Literaturstelle berichtet, für einen SI-Motor bei einer gegebenen Leistungsabgabe eine stärkere Drosselung er­ forderlich sein kann, um die verbesserte Verbrennung zu kom­ pensieren und daß die so erhöhte Pumparbeit die Energiege­ winne aus der verbesserten Verbrennungsrate kompensieren kann. Beim Dieselmotor kann dann, wenn die erhöhte Verbren­ nungsrate nicht ausgenutzt wird durch erneute Optimierung des Motor-Timing, dieser Vorteil übersehen werden (Ghojel et al, s. oben).

Die Kraftstoffe, die eine am stärksten verbesserte Leistung mit der Sauerstoffanreicherung ergeben, sind diejenigen, die bisher in jedem Motortyp als schwierig zu verwenden bekannt sind. Die Flammengeschwindigkeit von Methan (oder Methanol), die niedri­ ger ist als diejenige der meisten Kohlenwasserstoff-Kraft­ stoffe, sollte das beste Ansprechverhalten in dem SI-Motor aufweisen. In dem Dieselmotor ergeben zwei Kategorien von Kraftstoffen das beste Ansprechverhalten:

• a) Kraftstoffe, die schwierig vorzubehandeln sind für die Ver­ brennung in der Diffusionsstufe; Schweröl- und Rohöl-Kraft­ stoffe, Pflanzenöle wie Sonnenblumen-, Rapssamen- und Erdnuß­ öl.
• b) Kraftstoffe, die in einem Dieselmotor schwierig zu zünden sind, wie Methanol.

Die Testdaten, die in den Diagrammen der Fig. 3 bis 11 darge­ stellt sind, zeigen, daß wegen der Wechselwirkungseffekte der sich ändernden Sauerstoffzusammensetzung auf die Motorleistung die Notwendigkeit bestehen kann, die Motorsteuerung zu ändern und normalerweise dieses zu ändern in Relation zu der Sauerstoff­ konzentration, wie sie für den Wirkungsgrad oder die Leistung optimiert wird, zusätzlich zu irgendwelchen Timing-Kontroll­ funktionen, die bereits in dem Motor-Timing-Kontrollsystem vorhanden sind, das seinerseits erneut optimiert werden muß. So war beispielsweise bei einem Einzylinder-Dieselmotor, des­ sen Ergebnisse den in den Diagrammen der Fig. 3 bis 11 dar­ gestellten Tests zugrunde liegen, bei einer Vollast-Motordreh­ zahl von 1700 Umdrehungen pro Minute (upm) eine Verzögerung des Treibstoffeinspritzzeitpunktes um einen Kurbelwinkel von 10° (d. h. später) erforderlich bei einer Zunahme des Sauerstoffgehaltes auf 30 Vol.-% . Die entsprechende Verzögerung bei 1000 upm betrug 17°. Bei einem K940-Schweröl- Kraftstoff waren die erforderlichen Änderungen des Einspritz­ zeitpunktes geringer und lagen in dem Bereich einer Verzö­ gerung von 0 bis 3°. Bei Teillastbedingungen ergibt ein Sauerstoffgehalt von weniger als 30% den besten Wirkungsgrad. Unter diesen Umständen muß der Einspritzzeitpunkt in dem Be­ reich von 0 bis 12° verzögert werden. Es ist klar, daß es zur besten Ausnutzung der Sauerstoffanreicherung über den Last- und Drehzahlbereich erforderlich ist, den vorgeschriebenen optimalen Sauerstoffgehalt mit der reduzier­ ten Einspritzzeitpunkt-Vorverlegung zu koppeln.

Es ist wahrscheinlich, daß der Bereich der Timing-Änderungen einschließlich des Konzepts der geänderten Kraftstoffquali­ tät sowie der Sauerstoffzugabe in dem Bereich von -5 bis +25° (+25° steht für einen Zündzeitpunkt von 25° nach OT (= oberen Totpunkt) oder für eine Verzögerung von 25°) liegt, bezogen auf den Kurbelwinkel bei der Zündung.
Es ist auch wahrscheinlich, daß die in einem Dieselmotor mit Direkteinspritzung gefundenen Vorteile größer sind als diejenigen, die in einem Dieselmotor mit in­ direkter Einspritzung (IDI) möglich sind, in dem es bekannt ist, daß die Wärmeverluste, die mit der Luftladung und der Verdrängung von Verbrennungsgas durch den kleinen Verbindungs­ durchgang zwischen der Hauptkammer und der Vorkammer in Verbindung stehen, für den Energiewirkungsgrad von beträchtli­ chem Nachteil sind.

Bei der Arbeit von Quader, die der Standard-SI-Motortest-Pra­ xis bei der Bewertung eines mittleren Geschwindigkeitsberei­ ches folgte, wurde gefunden, daß ein Teillast-Arbeitspunkt in guter Relation stand zu der Art der Motorbetriebsbedin­ gungen, wobei die Fahrzeuge in Stadtbereichen gefahren wurden. Wenn nun der Sauerstoffgehalt erhöht wurde und die Verbren­ nung verbessert wurde, war eine stärkere Drosselung erforder­ lich, um die Energie auf den vorgeschriebenen Wert zu ver­ mindern. In diesem Artikel ist die erhöhte Pumparbeit ebenso identifiziert wie der verminderte volumetrische Wirkungsgrad des gedrosselten Motors. Die Sauerstoffzufuhr bei der maxima­ len Leistung erlaubt einfach die Verbrennung von mehr Kraft­ stoff und deshalb kann die Leistungs-Abgabe des Motors erhöht werden wie bei der Turbo- oder Superaufladung. Ein gültiger Vergleich erfolgt somit mit Motoren mit der gleichen maximalen Leistung und dann im gleichen Abschnitt der Lastbedingungen. Der Motor mit einer Sauerstoffanreicherung hat eine geringere Verdrängung und der Wirkungsgrad des Motors ist erhöht, da das Ansaugrohr (die Drossel) (oder eher der Verteiler-Luft­ druck) in jedem Fall der gleiche ist.

Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades resultiert aus der Abnahme der Motorreibung mit der verminderten Motorgröße bei im übrigen gleichen anderen Faktoren, wie beispielsweise der Trend für kleinere Motoren mit einem niedrigeren Kraftstoffver­ brauch im Leerlauf zeigt.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß der Wirkungsgrad weiter dadurch verbessert werden kann, daß man mit magereren Mischungs­ verhältnissen laufen läßt, die mit der Sauerstoffzugabe möglich sind und damit die theoretische Otto-Zyklus-Verschiebung im Wirkungsgrad ausnutzt, die auftritt, wenn Kraftstoff/Luft- Gemische ihr spezifisches Wärmeverhältnis ändern. Dieses Ver­ hältnis beträgt etwa 1,3 für ein stöchiometrisches Kohlenwas­ serstoff-Kraftstoff/Luft-Gemisch und steigt an auf 1,4 für ein Gemisch mit 5% Kraftstoff, was zu einer Verbesserung von etwa 5 bis etwa 8% in bezug auf den theoretischen Wirkungs­ grad bei üblichen Kompressionsverhältnissen führt. Diese Ver­ schiebung kann weitere 1 bis 2% (absolute Zunahme des Wir­ kungsgrades) bringen.

Am Beginn wurde angegeben, daß die Sauerstoffanreicherung opti­ miert werden kann zur Verbesserung des Zündprozesses sowie des Diffusionsverbrennungsprozesses im Dieselmotor, insbesondere wenn er mit Kraftstoffen minderer Qualität betrieben wird. Es ist daher wahrscheinlich, daß eine lokale Anreicherung um den zuerst eingespritzten Kraftstoff im Zylinder eines großen Schiffs-Dieselmotors herum den Zündprozeß beschleunigen kann, die Verwendung eines schwereren Kraftstofföls erlauben kann oder beides. Die Sauerstoffmenge in diesem Sauerstoff-Schicht- Motor wäre viel geringer als die Anreicherung der gesamten Charge und beseitigt auch das Problem, daß bei vielen Zweitakt- Schiffs-Dieseln kein hoher Mengenanteil an Spülluft in dem Zylinder zurückgehalten wird. Die Umleitung von kostspielig angereicherter Luft in den Auspuff wäre nicht erwünscht. Der Einlaß in den Zylinder könnte erfolgen unter Verwendung eines Hilfs-Sauerstoff-Einlaßventils, wie es beispielsweise von Sulzer in ihren Dual-Kraftstoff-Schiffsmotoren verwendet wird, in denen Abdampf-Gas aus LNG-Schiffen als Treibstoff verwendet wird. In diesem Falle kann es bevorzugt sein, eine höhere Sauerstoffkon­ zentration anzuwenden als diejenige, die angewendet wird, wenn die gesamte Verbrennungsluft angereichert ist.

Aus Fig. 1 der Zeichnungen ist ersichtlich, daß das die vorliegende Erfindung verkörpernde System umfaßt einen Motor 1, der eine Last 2 antreibt, einen Turbolader 3 mit einem 1- oder 2-Stufen-Kompressor 4, der von dem Abgas 5 des Motors 1 angetrieben wird, und eine Sauerstoff-produzie­ rende Membran 6 eines beliebigen geeigneten Typs, die mit dem Einlaß des Kompressors 4 des Turboladers 3 verbunden ist, dessen Auslaß mit dem Luft/Kraftstoff-Einlaß 7 des Motors in Verbindung steht. Während die Verbindung der Sauerstoff- produzierenden Membran 6 mit dem Einlaß des Kompressors 4 aus Gründen, wie sie weiter unten näher erläutert werden, bevorzugt ist, kann die Membran 6 auch mit dem Auslaß aus dem Kompressor 4 verbunden sein.

Die Verwendung einer Sauerstoff-produzierenden Membran in einer der beschriebenen Positionen kann den Ladeluftkühler, der in der Regel zwischen dem Turbolader und dem Luft/Kraftstoff- Einlaß des Motors angeordnet ist, ersetzen oder seine Größe stark verringern, wodurch ein signifikanter Vorteil gegenüber einem üblichen Turbo-aufgeladenen Motor zusätzlich zu den Vorteilen, die der Sauerstoffanreicherung des Kraftstoff/Luft- Gemisches eigen sind, erzielt wird.

Wenn die Membran 6 nach dem Kompressor 4 angeordnet ist und die Membraneinheit den in dem Kompressor 4 erzeugten Lufttempe­ raturen standhalten kann, dann ist kein Ladeluftkühler erfor­ derlich. Bei einigen Membranmaterialien kann ein kleiner Ladeluftkühler erforderlich sein, um die Luft der komprimier­ ten Temperatur auf einen akzeptablen Wert herabzusetzen. In diesem Falle ist jedoch die Größe des Ladeluftkühlers signi­ fikant geringer als diejenige, die bei einem konventionellen Turbo-aufgeladenen Motor erforderlich ist, da ein geringerer Anteil der Verbrennungsluft komprimiert werden muß, um die Membran zu passieren (der Rest der Verbrennungsluft wird in natürlicher Weise angesaugt, wobei er sich mit der an Sauer­ stoff angereicherten Luft aus der Membraneinheit vermischt). Diese Anordnung führt zu einer nur geringen Beeinträchtigung des Übergangsansprechverhaltens des Motors, wie es vorstehend beschrieben wurde.

Wenn die Membran 6 auf der Einlaßseite des Kompressors 4 angeordnet ist (Ansaugmodus), wie es bevorzugt ist, ist kein Zwischenkühler erforderlich. Ein spezieller Vorteil des Weglassens des Ladeluftkühlers liegt in dem reduzierten Systemvolumen zwischen dem Kompressor des Turboladers und dem Motor. Dies führt zu einem besseren Übergangs-Ansprech­ verhalten bei erhöhtem Leistungsbedarf (oder Drehmomentbe­ darf), weil ein geringeres Systemvolumen bei dem erhöhten Druck zu füllen ist (erhöhter Druck bedeutet eine dichtere Aufladung und deshalb mehr Leistung/Drehmoment). Entsprechend wird eine geringere Übergangs-Rauchemission erzeugt.

Ein signifikanter zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß die Kosten für den Ladeluftkühler vermieden oder herabgesetzt wer­ den, der eine große Wärmeübertragungsoberfläche, in der Regel einen Rippen-Wärmeaustauscher, aufweisen muß und daher teuer ist.

Wenn die Membran 6 zwischen dem Kompressor 4 und dem Verbrennungsluftein­ laß 7 angeordnet ist (Druckmodus), kann ein Zwei-Stufen-Radial­ strom-Kompressor oder ein Hochgeschwindigkeits-Ein-Stufen- Kompressor erforderlich sein, um den benötigten Luftdruck zu erzeugen, der den Luftstrom durch die Membran preßt. Bei ei­ nem Betrieb, der konstruktiv nicht vorgesehen ist, kann der Abgasstrom durch die Turbine eine unzureichende Leistung er­ zeugen, um den optimalen Wert der Sauerstoffanreicherung für den Motor zu ergeben. Außerdem kann auch, wie bereits erwähnt, eine gewisse Notwendigkeit bestehen, die in die Membran ein­ tretende Luft zu kühlen, wenn sie aus einem Material besteht, das bei erhöhten Temperaturen nicht arbeiten kann.

Wenn die Membran 6 auf der Ansaugseite des Kompressors 4 ange­ ordnet ist, wird der Kompressor 4 zu einer (Radialstrom) Vakuum­ pumpe. Bei dieser Konfiguration ist immer genügend Turbinen­ leistung vorhanden, um die Pumpe anzutreiben, wegen des Unter­ druck-Verhältnisses und daher arbeitet die Kompression. Außerdem führt das Unterdruck-Verhältnis dazu, daß in der angereicher­ ten Stromzufuhr die Temperatur so ist, daß dann, wenn er mit der normalen Luft, die in den Motor eintritt, gemischt wird, keine Notwendigkeit für irgendeine Kühlung der Einlaßcharge besteht. Wenn die in die Membran 6 eintretende Luft unter At­ mosphärenbedingungen vorliegt, gibt es keine speziellen An­ forderungen an eine Membran mit einem Hochtemperatur-Lei­ stungsvermögen. Es kann jedoch erforderlich sein, daß die Membran 6 physikalisch größer ist für den gleichen Massen­ strom.

Bei jeder Konfiguration kann der Motor so eingeschätzt werden als wäre er turboaufgeladen, ohne eine Erhöhung der Luftein­ laßdichte in den Motor und die daraus folgende Erhöhung der Zyklustemperaturen und -drucke, die häufig reduzierte Kompres­ sionsverhältnisse und andere Motoraufbau-Änderungen erforder­ lich machen. Es tritt natürlich eine gewisse Erhöhung der Zyklusdrucke und -temperaturen auf, die mit der größeren Menge des verbrannten Kraftstoffes zur Erzeugung der zu­ sätzlichen Leistung verbunden ist.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung der Membran 6 auf der An­ saugseite des Kompressors 4 besteht darin, daß es wahrschein­ lich ist, daß Turbolader des Typs, wie sie derzeit in Diesel­ motor-Fahrzeugen vorgesehen sind, die Fähigkeit haben, Luft durch die Membrankartusche 6 anzusaugen, so daß das System, das die Erfindung verkörpert, bei bereits vorhandenen Instal­ lationen nachgerüstet werden kann. Wenn die Membran 6 an der Auslaßseite des Kompressors 4 angeordnet ist, kann eine ge­ wisse Erhöhung der Turbolader-Leistung erforderlich sein. In jedem Falle liegt die Auswahl eines geeigneten Turbola­ ders für jeden speziellen Anwendungszweck innerhalb des Fach­ wissens des erfahrenen Diesel-Technikers und weitere Einzel­ heiten sind nicht erforderlich.

Eine Ausführungsform einer Membrankartusche 6, die zur Erzeu­ gung der an Sauerstoff angereicherten Luft für das obenge­ nannte System verwendet wird, ist in der Fig. 2 der beilie­ genden Zeichnungen erläutert. Diese Membrankartusche 6 ent­ hält eine Vielzahl von Hohlfaser-Membranen 8, die innerhalb eines Gehäuses 9 enthalten sind, das aufweist einen Lufteinlaß 10, einen Permeatgas-Auslaß 11 und einen Nicht-Permeatgas- Auslaß 12. Eine oder mehrere dieser Kartuschen 6 kann als Modul zur Erzeugung des Volumens an mit Sauerstoff angereicher­ ter Luft, das für den Motor erforderlich ist, verwendet wer­ den. Bei dem Druckmodus tritt komprimierte Luft durch den Einlaß 10 in das Gehäuse 9 ein und strömt entlang den Membranen 8. Sauerstoff tritt durch die Hohlfasermembranen 8 in einer sehr viel höheren Geschwindigkeit als der in der Luft enthaltene Stickstoff ein und tritt unter einem niedrigen Druck durch den Permeat-Auslaß 11 aus. Stickstoff benötigt länger zum Durchdringen der Membranen und deshalb fließt der größte Teil desselben an den Membranelementen 8 vorbei und tritt als Nicht-Permat durch 12 aus. Eine Reihe der in Fig. 2 darge­ stellten Kartuschen 6 können parallel miteinander verbunden sein in einem Modul-Aufbau, um die gewünschte Kapazität für an Sauerstoff angereicherter Luft zu ergeben.

In einigen Membrankartuschen passiert die Einlaßluft das In­ nere der Hohlfasern und das den angereicherten Sauerstoff ent­ haltende Permeat wird aus dem Zwischenraum um die Außenseite der Hohlfasern herum gesammelt. Im Falle einer Vakuumoperation (Saugmodus) wird das Permeat durch die Hohlfasern gesaugt.

Die Sauerstoffkonzentration in dem Permeat hängt vom Typ der Membrankonfiguration der Membrankartusche und den Betriebs­ parametern ab. Eine typische Konzentration für die Polymermem­ branen gemäß Stand der Technik kann in dem Bereich von 22 bis 40% Sauerstoff liegen. Höhere Sauerstoffkonzentrationen sind möglich mit anderen Membranen oder durch Kombinieren einer Anzahl von Kartuschen.

Eine Reihe von geeigneten Membrankartuschen-Konfigurationen sowohl für den Druckbetrieb als auch für den Saugbetrieb sind im Handel erhältlich und die Auswahl einer geeigneten Kartusche liegt innerhalb des Fachwissens eines Fachmannes auf diesem Gebiet. Es können verschiedene Membrankartuschen­ konfigurationen, wie z. B. flache Folien oder spiralig aufge­ wickelte Folien, verwendet werden und ein geeigneter flacher Folienmembran-Modul ist erhältlich von der Firma Matsushita Japan unter der Handelsbezeichnung TANA O2. Diese Membran ist für den Vakuumbetrieb geeignet, obgleich sie auch für den Druckbetrieb eingesetzt werden kann.

Unter gewissen Umständen kann es bevorzugt sein, Sauerstoff aus einer äußeren Quelle, beispielsweise aus einem kryogenen Flüssigsauerstoff-Vorratstank oder einem Druck-Schwingungs- Adsorptions-System zu verwenden. In diesem Falle müssen klei­ nere Sauerstoffvolumina mit der atmosphärischen Luft verwirbelt werden, um die erforderlichen Luft-Sauerstoff-Konzentrationen zu ergeben (da diese Quellen in der Regel Sauerstoffkonzentra­ tionen von mehr als 99 Vol.-% aufweisen, verglichen mit 25 bis 40%, wie sie in dem Membransystem erzeugt werden). In diesem Falle wäre eine Turbinen-, Kompressor- und Membran- Apparatur nicht erforderlich.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4, welche die Dieselmotor- Testarbeit erläutern, die mit einem Caterpillar 3208 V8-Motor mit einer maximalen Leistungsabgabe von etwa 140 kW bei 2800 upm durchgeführt wurde, zeigt die Fig. 3 den relativen thermischen Bremswirkungsgrad (bezogen auf einen Basiswirkungsgrad von 1,0 bei Verwendung von atmosphärischer Luft mit einer Sauer­ stoffkonzentration von 21%) als eine Funktion der Verbren­ nungsluft-Sauerstoff-Konzentration für mehrere Drehzah­ len bei Vollast. Die Fig. 4 zeigt die Erhöhung an Leistung, die durch eine Sauerstoffanreicherung möglich ist.

Insgesamt ist daraus zu ersehen, daß Verbesserungen in bezug auf den Wirkungsgrad von bis zu 12% und in bezug auf die Lei­ stung von bis zu 43% nachgewiesen wurden, die, wenn sie zu­ sammengenommen werden mit den wirtschaftlichen Vorteilen, die sich aus der Verkleinerung der Größe des Zwischenkühlers oder dem Weglassen desselben, wie oben angegeben, ergeben, signi­ fikante Vorteile für den Endverbraucher darstellen.

Es wurden auch Tests durchgeführt in bezug auf die Sauerstoff­ anreicherung der Kraftstoffzufuhr zu einem Wakeshau ASTM Cooperative Fuel Research-Ottomotor. Die Ergebnisse sind in den Diagrammen der Fig. 5 bis 11 zusammengefaßt.

Die Fig. 5 bis 10 zeigen die Ergebnisse der angegebenen Leistung und des angegebenen thermischen Wirkungsgrades über einen Bereich der Drehzahl- und Lastbedingungen. Jedes Diagramm beschreibt die Ergebnisse bei konstanten Verteilerbe­ dingungen (Temperatur und Druck) bei Verwendung von Propan- Kraftstoff und Anwendung eines optimalen (MBT)-Zünd-Timing. Diese Ergebnisse bei einem Kompressionsverhältnis von 7 : 1 sind repräsentativ für diejenigen bei anderen Kompressionsverhältnis­ sen außerhalb der Klopfgrenze.

In der Tabelle 1 sind die maximalen Verbesserungen in bezug auf die relative Leistung und den Wirkungsgrad, die in den Diagrammen der Fig. 5 bis 10 beschrieben sind, zusammengefaßt. Es wurden Leistungsanstiege von 14% und Verbesserungen des relati­ ven Wirkungsgrades von bis zu 7% nachgewiesen. Diese Verbes­ serungen des Wirkungsgrades sind noch höher, wenn ein kleinerer Motor verwendet wird zur Erzielung der gleichen maximalen Leistung wie ein Motor, der ohne Sauerstoffanreicherung läuft. Sollte jedoch die Motorgröße nicht erhöht werden, so sind typi­ sche Verbesserungen des Wirkungsgrades unter den gegebenen Probe-Betriebsbedingungen in der Tabelle 2 angegeben.

Die Fig. 11 stammt aus der gleichen CFR-Testreihe und zeigt typische Größen der Zündzeitpunktverkürzung (-zurücknahme), die mit der Sauerstoffanreicherung und der resultierenden verbesserten Verbrennung verbunden ist. So ist beispielsweise bei einem Äquivalenzverhältnis von 1,0 der Zündzeitpunkt um 22° später (verzögert).

Tabelle 1: Relative angegebene Wirkungsgrad- und Leistungs­ werte, die aus den Fig. 5, 6 und 7 entnommen wurden

Tabelle 2: Relativer angegebener thermischer Wirkungsgrad bei einer Energie, die der maximalen Energie an der Luft entspricht

Aus den vorstehenden Angaben ist zu ersehen, daß die Verbes­ serungen in bezug auf die Motorleistung, die durch die Sauer­ stoffanreicherung des Verbrennungsgemisches in Dieselmotoren erzielt werden konnten, wie folgt zusammengefaßt werden können:

• i) Bis zu 30% Erhöhung des thermischen Bremswirkungsgrades unter Vollastbedingungen;
• ii) ii) bis zu etwa 40% Erhöhung des Motor-Drehmoments und der Motorleistung bei allen Motordrehzahlen, wenn die Kraftstoff­ zuführungsrate erhöht wird, unter Bildung der gleichen Rauch­ werte, wie sie bei Vollast-Standardbedingungen gefunden wer­ den;
• iii) iii) zusätzliche Anstiege des thermischen Wirkungsgrades und der Leistungsabgabe, wenn das Einspritz-Timing optimiert wird, um kürzere Zündverzögerungen, welche die Sauerstoffanreiche­ rung begleiten, zu erlauben. Bei hohen Drehzahlen sind die Wirkungsgrad (und Drehmoment)-Anstiege maximal mit 30% O₂, bei niedrigeren Drehzahlen ist jedoch der Teillast-Wirkungs­ grad maximal bei einer mittleren O₂-Zufuhr;
• iv) verminderte Abgas-Rauchwerte unter nahezu allen Betriebs­ bedingungen bei steigenden O₂-Konzentrationen;
• v) verminderte maximale Raten des Druckanstiegs, wenn das Kraftstoff-Einspritz-Timing auf ein optimales Drehmoment einge­ stellt wird, verglichen mit dem Standardbetrieb (d. h. festem Timing und ohne O₂);
• vi) verminderte HC-und CO-Emissionen um bis zu 60%. Diese Emissionen sind jedoch ohnehin gering bei diesem Motor, ausge­ nommen unter Vollastbedingungen.

In den Fig. 12 bis 21 zeigen die durch die Diagramme darge­ stellten Daten zum ersten Mal, daß es möglich ist, Schweröl- oder Rückstandsöl-Kraftstoffe und andere, bisher ungeeignete Kraftstoffe als Alternative zu Automobildieselöl in einem Dieselmotor zu verwenden. Die Sauerstoffanreicherung dieser Kraftstoffe erlaubt die wirksame Verbrennung in einem schnell­ laufenden Dieselmotor (mit hoher Drehzahl) und es sei bemerkt, daß die Fähigkeit, billigere Kraftstoffe, wie z. B. Schweröl- Kraftstoff, zu verwenden, beträchtliche Auswirkungen auf die Betriebskosten eines breiten Bereiches dieser Motoren hat.

Die Eignung oder Nichteignung von Kraftstoffen für Hochlei­ stungs-Dieselmotoren unterliegt derzeit keinem relevanten Standard. Ein relevanter Text "Technical Data on Fuel, 7. Auflage 1977, von Rose und Cooper, klassifiziert Diesel­ kraftstoffe entsprechend ihrer Cetanzahl, dem Dieselindex IP/21, berechnet aus dem Cetan-Index, und der Dichte, während Leichtöl-, Mittelöl- und Schweröl-Kraftstoffe üblicherweise nicht in dieser Weise klassifiziert werden. Die am häufigsten verwendeten Dieselkraftstoffe haben in der Regel eine Cetan­ zahl von 48 bis 53 und eine Dichte von etwa 0,84, während Kraftstoff-Öle eine Cetanzahl von herunter bis 30 und Dichten von etwa 0,90 bis 0,97 haben können. Mit Sicherheit werden die meisten Kraftstofföle und anderen Kraftstoffe allgemein als ungeeignet für Dieselmotoren angesehen. Ein ungeeigneter Kraftstoff kann somit definiert werden als ein Kraftstoff mit einer Dichte oder anderen Eigenschaften, die ihn ungeeig­ net machen für die Verbrennung in einem nicht-modifizierten schnellaufenden Dieselmotor (mit hoher Drehzahl).

Bei den weiteren Testergebnissen, die in den Diagrammen der Fig. 12 bis 21 detailliert dargestellt sind, wurde ein Rück­ standsöl-Kraftstoff (z. B. ein K 940-Kraftstoff) mit einer Dichte von 0,95 und einer Viskosität von 300 cSt (300 mPa . s) bei 30°C einem Caterpillar 3208 V8-Dieselmotor zugeführt durch Kraftstoffleitungen, die auf etwa 50°C erhitzt worden waren, um sicherzustellen, daß der Kraftstoff richtig fließt mit Sauerstoffanreicherungen der Verbrennungsluft zwischen 21 und 31 Vol.-%. Es wurde festgestellt, daß der Motor glatt lief, sich ähnlich verhielt wie beim normalen Betrieb mit Dieselkraftstoff und eine Leistungsabgabe von 100 kW bei 2000 upm ergab. Diese Ergebnisse zeigen an, daß Kraftstoffe, wie Schweröl- oder Rückstandsöl-Kraftstoffe, die bisher als unge­ eignet (für schnellaufende Dieselmotoren) angesehen wurden, durch Sauerstoffanreicherung geeignet gemacht werden können.

Die Zugabe von Sauerstoff zu einem Dieselmotor, der mit Schwer­ öl- oder Rückstandsöl-Kraftstoffen beschickt wird, reduziert die Zündverzögerung um 50% oder mehr und reduziert auch die maximale Rate des Druckanstiegs um 20 bis 50%, wenn das Ein­ spritz-Timing auf das Minimum für das beste Drehmoment einge­ stellt wird. Mit der stabileren und verbesserten Verbrennung sind verminderte Rauchwerte für den Vollastbetrieb bei den angegebenen Motordrehzahlen und für das festgelegte Einspritz- Timing verbunden (vgl. Fig. 12). Entsprechende Anstiege des thermischen Wirkungsgrades sind aus der Fig. 13 ersichtlich, wobei die größten Energiegewinne erzielt werden können bei der veranschlagten Leistungs-Drehzahl (2800 upm). Die NO_x- Konzentrationen steigen mit steigender Sauerstoffzugabe, wie aus der Fig. 14 ersichtlich.

Bei Teillast erhöht die Sauerstoffzugabe sowohl den thermi­ schen Wirkungsgrad als auch die NO_x-Werte, wie aus den Fig. 15 und 16 ersichtlich, während der Rauch unverändert bleibt (vgl. Fig. 17).

Bei der Anwendung der Sauerstoffanreicherung ist es wichtig zu erkennen, daß das optimale Einspritz-Timing üblicherweise verzögert ist gegenüber demjenigen des Standard-Motors, selbst bei Verwendung von Schweröl- oder Rückstandsöl-Kraftstoffen. Die Fig. 18 und 19 zeigen die Bedeutung der Neueinstellung des Einspritz-Timing bei einem Leistungs- und thermischen Wirkungsgrad-Anstieg um etwa 5 bis 8%, wenn das Timing um 10° verzögert ist. Da das Timing verzögert ist, fallen die NO_x- Werte um 30%, es tritt jedoch eine leichte Zunahme der Rauch­ werte auf (Fig. 20 und 21).

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß die Verwendung von Schweröl- oder Rückstandsöl-Kraftstoffen mit höherer Dichte das Halten des Kraftstoffes in einem geeigneten flüssigen Zustand durch Erhitzen erforderlich macht. Da Kraftstoff- Erhitzungssysteme üblicherweise angewendet werden bei Schiffs­ diesel-Anwendungen, liegt die Anpassung eines solchen Erhit­ zungssystems an die vorliegende Erfindung innerhalb des Fach­ wissens des Fachmannes auf diesem Gebiet und weitere Einzel­ heiten brauchen hier nicht angegeben zu werden. Für Fachleute auf diesem Gebiet ist es auch klar, daß es wichtig ist, diese Kraftstoffe zu filtrieren, um irgendwelche Feststoffe zu ent­ fernen, die darin vorhanden sein können, und es ist bevor­ zugt, daß eine vollständige Mikrofiltrierung des Kraftstoffes durchgeführt wird unter Verwendung geeigneter Mikrofilter, wie sie an sich bekannt sind.

Obgleich in der vorstehenden Beschreibung angegeben ist, wie Schweröl- oder Rückstandsöl-Kraftstoffe in schnellaufenden Dieselmotoren verwendet werden können, ist es selbstver­ ständlich, daß auch andere Kraftstoffe, die bisher als unge­ eignet für die Verbrennung in schnellaufenden Motoren ange­ sehen wurden, allgemeiner verwendet werden können durch Sauer­ stoffanreicherung des Verbrennungsluftstromes bis auf die oben angegebenen Werte.

So können Alkohol und Alkoholgemische beispielsweise besser geeignet für die Verbrennung gemacht werden, wodurch die Schwierigkeiten vermieden werden, die bisher bei der Verbren­ nung dieser Kraftstoffe aufgetreten sind.

In entsprechender Weise können auch (pflanzen)Samenöle, Gemi­ sche von leichtem Gasöl und Schweröl-Kraftstoff oder Kraft­ stoff auf Kohlebasis in ausreichender Weise verbessert werden, um eine geeignete Verbrennung in schnellaufenden Motoren zu ermöglichen.

Zusammen mit den obengenannten Vorteilen bietet ein Membran- Abtrennungssystem, das einen Turbolader/Kompressor umfaßt, wie in der Fig. 1 dargestellt, signifikante Vorteile. Dieses System vermeidet den Nachteil, der den konventionellen Mo­ toren mit Turbolader eigen ist in bezug auf die erhöhten Aufladungstemperaturen, wenn der gesamte in den Motor eintretende Luftstrom polytrop komprimiert wird. Die Notwen­ digkeit der Zwischenkühlung bei der Membranoption wird ver­ mindert oder eliminiert. Bei diesem System sind die Vorteile eines verbesserten Teillast-Wirkungsgrades möglich ohne die Nachteile der konventionellen Turboladung, wie z. B. ein ver­ mindertes Kompressionsverhältnis. Es sind relative Verbes­ serungen in bezug auf den Wirkungsgrad in dem Bereich von bis zu 25 bis 30% möglich gegenüber einem normalen Saugmotor.

Auf der Basis von Kombinationen der obengenannten Optionen, gekoppelt mit einem Kontrollsystem, ist es möglich, die Lei­ stung des Motors zu optimieren und anzupassen an die jeweilige Aufgabe, für welche der Motor eingesetzt wird. Ein solches Kontrollsystem, das entweder auf einem mechanischen oder einem Computer-Kontrollsystem basiert, optimiert den Sauerstoffzuga­ bewert, das Zünd-Timing und andere Betriebsparameter, wodurch der Motorwirkungsgrad und die Motorleistung optimiert werden.

Die erhöhten Wirkungsgrade des optimierten Motors oder die er­ höhte Leistungsabgabe eines bereits existierenden Motors sind attraktive Merkmale auf dem Markt in bezug auf verminderte Betriebskosten entweder aufgrund eines verminderten Kraftstoff­ verbrauchs oder aufgrund geringerer Kapitalkosten für einen gegebenen Wert der Leistungsabgabe.

Claims (15)

1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader (3), der einen Kompressor (4) mit einer Luftzuführung aufweist, wobei dem Ver­ brennungsmotor eine Mischung aus Kraftstoff und durch den Turbolader (3) komprimierter Verbrennungsluft zugeführt und die Verbrennungsluft mit einem erhöhten Sauerstoffgehalt angereichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Sauerstoffgehalt durch Hindurchführen zumindest eines Teils der Verbrennungsluftzufuhr durch eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (6) erzielt wird, wodurch zusätzlicher Sauerstoff der Luftzuführung des Kom­ pressors (4) des Turboladers (3) zuführt wird und der Zeitpunkt der Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches so eingestellt wird, daß die frühere und schnellere Verbrennung aufgrund des erhöhten Sauerstoffgehaltes in der Verbrennnungs­ luft kompensiert wird.

2. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein selbstzündender Motor, ins­ besondere ein Dieselmotor, mit Kraftstoffeinspritzung ist und die Einstellung des Zeitpunktes der Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches durch Einstellung des Beginns und des zeitlichen Verlaufes der Kraftstoffeinspritzung erfolgt.

3. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein fremdgezündeter Motor, insbesondere ein Otto-Motor, ist, wobei die Zündung an einem Zündzeitpunkt über einen dem Brennraum über zumindest eine Zündkerze zugeführten Zünd­ funken erfolgt und die Einstellung des Zeitpunktes der Zündung des Kraftstoff- Luftgemisches durch Einstellung des Zündzeitpunktes erfolgt.

4. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zugeführten Sauerstoffs so eingestellt wird, daß der erhöhte Sauerstoffgehalt im wesentlichen in den Bereich von 22 bis 40 Vol.-% fällt.

5. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zugeführten Sauerstoffs so eingestellt wird, daß der erhöhte Sauerstoffgehalt im wesentlichen in den Bereich von 24 bis 28 Vol.-% fällt.

6. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (6) eine sauerstofferzeugende Membran ist und die Verbrennungsluft durch die Verbrennungsluftzufuhr entlang der Membran geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der selbstzündende Verbrennungsmotor ein Hochleistungs­ dieselmotor ist und mit einem Dieselkraftstoff von Standardqualität betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der selbstzündende Verbrennungsmotor ein Hochleistungs­ dieselmotor ist und mit einem für einen derartigen Motor üblicherweise un­ geeigneten oder in einem derartigen Motor schwerentzündlichen Kraftstoff betrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff, mit dem der Hochleistungsdieselmotor betrieben wird, ein Rückstandsöl, ein Schwe­ röl, ein Alkohol oder ein Alkoholgemisch, ein Pflanzen- oder Kernöl, ein Ge­ misch von leichten Gasölen und Rückstandsöl oder Schweröl oder ein Kraftstoff auf Kohlebasis ist.

10. Verbrennungsmotor, insbesondere zur optimierten Kraftstoffverbrennung, mit einem Verbrennungslufteinlaß (7) und einem Turbolader (3), wobei der Turbola­ der (3) einen Kompressor (4) und eine Luftzuführung aufweist und der Kom­ pressor (4) mit dem Verbrennungslufteinlaß (7) zur Beschickung des Motors mit Verbrennungsluft verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (6) aufweist, die zur Sauerstoff­ anreicherung der Verbrennungsluft der Luftzuführung des Kompressors (4) zusätzlichen Sauerstoff zuführt, und der Zeitpunkt der Zündung der Mischung aus Kraftstoff und angereicherter Verbrennungsluft so eingestellt ist, daß die frühere und schnellere Verbrennung aufgrund des erhöhten Sauerstoffgehaltes in der Verbrennnungsluft kompensiert ist.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein selbstzündender Motor, insbesondere ein Dieselmotor, ist und zur Einstellung des Zeitpunktes der Zündung des Kraftstoff-Luftge­ misches der Zeitpunkt des Beginns und die Dauer der Kraftstoffeinspritzung angepaßt ist.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein fremdgezündeter Motor, insbesondere ein Otto-Motor, ist, wobei die Zündung an einem Zündzeitpunkt über einen dem Brennraum über zumindest eine Zündkerze zugeführten Zündfunken erfolgt und die Ein­ stellung des Zeitpunktes der Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches durch Einstellung des Zündzeitpunktes angepaßt ist.

13. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die von der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (6) zu­ geführte Sauerstoffmenge der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft im we­ sentlichen auf einen Wert im Bereich von 22 bis 40 Vol.-% angereichert ist.

14. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die von der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (6) zu­ geführte Sauerstoffmenge der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft im we­ sentlichen auf einen Wert im Bereich von 24 bis 28 Vol.-% angereichert ist.

15. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (6) eine sauerstoffabge­ bende Membran aufweist und die Luftzuführung für die Verbrennungsluft entlang der Membran so geführt ist, daß die Verbrennungsluft entlang der Membran (13) strömt.