DE4117829A1 - Verfahren und vorrichtung zur sauerstoffanreicherung der verbrennungsluft in mobilen und stationaeren verbrennungsmotoren und feuerungsanlagen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur sauerstoffanreicherung der verbrennungsluft in mobilen und stationaeren verbrennungsmotoren und feuerungsanlagenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur hohen Sauerstoffanreicherung der
Verbrennungsluft für alle Arten von Verbrennungsmotoren und
Feuerungsanlagen.
Es sind Lösungen bekannt, die eine Sauerstoffanreicherung der
Verbrennungsluft in Verbrennungsmotoren und Feuerungsanlagen
anstreben, um eine deutlich bessere Kraftstoffausnutzung bei
höherer Leistung und größerer Umweltverträglichkeit zu
erreichen. Zur Verwirklichung dieser Verfahren kann man ganz
allgemein zwei Entwicklungsrichtungen unterscheiden.
Erstens: Es werden bekannte Oxidationsmittel eingesetzt, die
Sauerstoff einmalig abgeben können und dann aber ausgetauscht
und erneuert werden müssen. Beispiel: Die Nutzung von
Wasserstoffperoxid (H2O2) als Sauerstofflieferant zur
Verbrennungsförderung (DE-OS 35 45 049 (F02B 47/06)). Dieser
Weg ist wegen der ständig notwendigen Erneuerung der
Oxidationsmittel sowie wegen der hohen Kosten für deren
Herstellung, Lagerung und Vertrieb im großem Maßstab
ökonomisch wenig sinnvoll.
Zweitens: Sauerstoff wird aus der Umgebungsluft mit
physikalischen Methoden ständig angereichert. Bei den
gegenwärtigen Lösungsvorschlägen werden entweder Geräte
angeführt, die sehr viel Energie, ein großes Volumen und eine
hohe Masse zur Sauerstoffanreicherung benötigen (damit wäre
der zu erwartende Leistungsgewinn gering und ein mobiler
Einsatz z. B. in Kraftfahrzeugen praktisch unmöglich) -
Beispiel: Als "Sauerstoffabscheidegerät" wird ein Zentrifu
galabscheider vorgeschlagen (DE-OS 30 18 634 (F02M 25/10)) -
oder es gibt Methoden und Vorrichtungen die nur eine geringe
Anreicherung von Sauerstoff bewirken können, und dadurch auch
nur eine eingeschränkte Leistungssteigerung und eine geringe
Umweltentlastung erlauben.
Auch sind sie dadurch vom apparativen Aufwand in Frage zu
stellen. Beispiel: Semipermeable Membran zur Sauerstoff
anreicherung von Luft (DE 29 38 603 (F02M 25/10)).
Diese Erläuterung des ermittelten Stands der Technik zeigt,
daß derzeit noch kein technisches System existiert, daß eine
ökonomische Anreicherung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft
für eine vollständige Verbrennung eines Kraftstoffgemisches
erreicht und damit die weiter unten genannten enormen
Vorteile dieses Verfahrens voll nutzen kann. Es sind aber
seit längerem Stoffe bekannt, die Sauerstoff in großen Mengen
reversibel spezifisch lösen und wieder abgeben können. Hierzu
liegen erste Versuche und Anwendungen auf dem medizinischen
Gebiet vor, wo solche Stoffe als "künstliches Blut", d. h. als
Sauerstofftransportmittel fungieren (U. Groß, St. Rüdiger, L.
Kolditz, und H. Reichelt, Mitt. bl. Chem. Ges. 37 (1990) Nr. 11).
So können beispielsweise Mäuse in einer mit Sauerstoff bei
Atmosphärendruck gesättigten Perfluorcarbonverbindung
untergetaucht längere Zeit überleben. Eine Reihe dieser
Stoffe sind in [St. Rüdiger, J. Fluorine Chem. 42,403 (1989)]
aufgeführt und beschrieben. Die in den Ansprüchen 1-8
angegebene Erfindung macht sich die hohe spezifische
Sauerstofflöslichkeit dieser Stoffe zunutze und wendet sie in
einem technischen Verfahren an.
Die Verbrennung von Kraftstoffen in herkömmlichen Motor- und
Verbrennungsanlagen verläuft im chemischen Sinne (und damit
vom Stoff- und Energieumsatz her) unvollständig ab, da der
Sauerstoff bei der Verbrennung nur ungenügend mit den zu
verbrennenden Stoffen in Wechselwirkung tritt. Es gehen in
die Verbrennung nur 20,95 Volumenprozent Sauerstoff aus der
Umgebungsluft ein, die anderen Gase, im wesentlichen
zusammengesetzt aus Stickstoff (78,08%), Edelgasen (0,935%),
Kohlendioxid (0,03%), nehmen entweder an der Oxidation
überhaupt nicht teil oder stören sogar die Verbrennung. Es
bilden sich Stickoxide (Umweltgift), Ruß (begünstigt Motor
Verschleiß), unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe,
Kohlenmonoxid (Kennzeichen für ungenügende Ausnutzung des
Kraftstoffes). Bei einer vollständigen Umsetzung der
Ausgangsstoffe entstehen nur Kohlendioxid und Wasser.
Der in den Ansprüchen 1-8 angegebenen Erfindung liegt das
Problem zugrunde, durch den Einsatz von reinem bzw. fast
reinem Sauerstoff die genannten Unzulänglichkeiten beim
Verbrennungsvorgang weitestgehend zu beheben und die später
aufgeführten Vorteile der vollständigen Oxidation von
Kraftstoffen zu nutzen.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine
Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft mit einer
einfachen und effektiven Methode zu erreichen, die auch vom
apparativen Aufwand zu vertreten ist.
Erfindungsgemäß werden an sich bekannte Stoffe/Stoffgemische
eingesetzt, die in der Lage sind, unter milden Bedingungen
(z. B. kleinen Druckänderungen) Sauerstoff aus der
Umgebungsluft reversibel spezifisch aufzunehmen und wieder
abzugeben, befähigt dazu durch Bildung bzw. Zerstörung
chemisch schwacher Bindungen zu Sauerstoff oder durch das
Vorhandensein von sauerstoffspezifischen Hohlräumen im
Molekülverband oder einer Kombination beider Effekte. Zu
diesen Stoffen gehören chemische Substanzen der Stoffgruppen
Perfluorcarbone, Eisen-Chelatkomplexe, Hämoglobine, bestimmte
Kobaltkomplexe usw., wobei die Perfluorcarbone zu den z.Z.
aussichtsreichsten Stoffen gehören, die in diesem Verfahren
eingesetzt werden können. Denn sie besitzen ein hohes
Sauerstoffaufnahme/-abgabeverhältnis (die Sauerstofflöslich
keit gebräuchlicher Perfluorcarbone beträgt etwas mehr als 50
ml O2 pro 100 ml Perfluorcarbon (F-Oktylbromid,
F-Dihexylether)), sie sind chemisch außerordentlich stabile
Verbindungen (temperaturbeständig, korrosionsfest, praktisch
unbegrenzt lagerfähig), nicht toxisch (die LD50-Werte liegen
zwischen 40 und 60 g/kg bei intraperitonealer Gabe in der
Maus), leicht recycelbar und haben eine hohe Wärmekapazität.
Sie sind großtechnisch herstellbar und somit kostengünstig
verfügbar. Eine höhere Sauerstoffspezifität weisen
Hämoglobin-Lösungen auf, die verkapselt z. B. in
Lipid-Membranen rote Blutzellen simulieren oder in Form von
miteinander verbundenen Hämoglobin-Molekeln, dem
Polyhämoglobin, vorliegen.
Gleich gute Ergebnisse in dieser Hinsicht erzielen auch
Eisen-Chelat- und bestimmte Kobaltkomplexe sowie modifizierte
Perfluorcarbone, die zusätzlich zur physikalischen Lösung von
Sauerstoff schwache chemische Bindungen zu O2 ausbilden.
Solch ein Stoff/Stoffgemisch wird in einem geschlossenen
Kreisprozeß in flüssiger Form geführt, wo er unter bestimmten
Bedingungen (definierte Druckunterschiede oder kombinierte
Druck- und Temperaturänderungen) an einer Stelle des
Kreislaufs Sauerstoff aus der Umgebungsluft durch eine
gasdurchlässige Membran mit großer Oberfläche spezifisch
aufnimmt und an einer anderen Stelle durch eine ebenfalls
gasdurchlässige Schicht wieder abgibt. Der so gewonnene
Sauerstoff wird dann mit herkömmlichen Methoden dem
Verbrennungsraum zugeführt. Der Sauerstoffanreicherungs
kreislauf wird mittels einer vom Motor angetriebenen Pumpe
ständig im Umlauf gehalten. Die zur Sauerstoffaufnahme/
-abgabe nötigen Druckunterschiede werden durch den Motor
selbst erzeugt (Unterdruck beim Ansaugtakt, Überdruck mittels
eines Abgasturboladers oder eines Verdichters) und durch
geeignete Regelmechanismen (Ventile) genau gesteuert. Die
Menge des Umlaufmittels hängt von seinem zeitlichen Durchsatz
im System ab, d. h. je schneller das Sauerstofftransportmittel
im Prozeß zirkuliert um so weniger wird davon gebraucht
(Grenzwert bildet hier die Diffusionsgeschwindigkeit der Gase
durch die Membran). Die benötigte Umlaufmenge beträgt bei
normaler Prozeßführung bei einem durchschnittlichen Pkw-Motor
ca. 20-40 l.
Zusätzlich kann dieser Kreislauf zur Kühlung des
Verbrennungsraumes genutzt werden. Die im Vergleich zu Wasser
etwas geringere Wärmekapazität der Perfluorcarbone wird durch
die vorhandene größere Umlaufmenge voll ausgeglichen.
Hieraus ist ersichtlich, daß durch eine einfache Technik,
durch die reversible kontinuierliche Arbeitsweise, durch
Einsparung eines zusätzlichen Kühlkreislaufs, dem Wegfall des
herkömmlichen Katalysators sowie durch eine deutlich geringe
Abmessung des Motors auch ein mobiler Einsatz leicht möglich
und ökonomisch sinnvoll ist.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile bei
Verbrennungsmotoren sind im wesentlichen in folgenden Fakten
zu sehen:
- 1. einer Motorleistungssteigerung durch Erhöhung des Drehmoments, hervorgerufen durch kräftigere und kürzere Explosionen im Zylinder, sowie gekennzeichnet durch ein besseres Kaltstartverhalten usw.
- 2. einer besseren Kraftstoffausnutzung, wobei der Verbrauch an Kraftstoff insgesamt bis zu 50% niedriger liegt
- 3. einer stark verminderten Umweltbelastung, da kein Ausstoß von Stickoxiden, unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Ruß erfolgt. Derzeitige Katalysatoren können ganz entfallen.
- 4. einem geringeren Verschleiß, da fast keine Verbrennungsrückstände mehr wie z. B. Ruß anfallen
- 5. einer kleineren Motorenmasse und -abmessung, weil ein kleinerer Hubraum die gleiche Leistung erzielt, wie ein größerer vorher, da ca. 79 Vol.-% am Verbrennungsvorgang nicht beteiligter Gase vorher entfernt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein
Prinzipschema für einen mobilen Verbrennungsmotor mit einem
Sauerstoffanreicherungskreislauf.
Das geschlossene Rohrsystem ist so gestaltet, daß eine
gasdurchlässige oberflächenvergrößerte Membran 2 in
Fahrtrichtung angeordnet ist, auf die mit Hilfe eines
Abgasturboladers 1 oder eines Gebläses 1 verdichtete Luft
trifft. Hier nimmt das sich im Rohr befindliche flüssige
Perfluorcarbon Sauerstoff aus der Luft auf. Das nun
sauerstoffreiche Umlaufmittel wird in Richtung Motor 10
gepumpt, wobei es sich auf Grund der Motorabwärme erwärmt.
Durch die in Motornähe angeordnete gasdurchlässige Membran 4,
tritt der Sauerstoff bei Druckerniedrigung im Ansaugtakt und
bei erreichter Temperaturerhöhung (zusätzlicher sekundärer
Effekt, der die generelle Temperaturabhängigkeit gelöster
Gase in Flüssigkeiten beinhaltet, wonach die Löslichkeit bei
steigender Temperatur abnimmt) in den Rohrteil 5 aus, wo er
dann zusammen mit dem Kraftstoff 7 in herkömmlicher Weise der
Verbrennungskammer 8 zugeführt wird. Das nun sauerstoffarme
Umlaufmittel wird weiter mittels einer vom Motor 10
angetriebenen Pumpe 11 durch die Zylinderwandungen 9 gepreßt,
wo es die beim Verbrennungsvorgang entstehende Wärme abführt.
Die aufgenommene Wärme wird durch die vom Fahrtwind 13
gekühlten Kühlrippen 12 an die Umwelt abgegeben. Das 50
abgekühlte sauerstoffarme Perfluorcarbon wird wieder an der
gasdurchlässigen Membran 2 vorbeigeführt, wobei es erneut den
Sauerstoff aus der verdichteten Luft aufnimmt. Der auf diese
Weise geschlossene Kreislauf dient also gleichzeitig der
Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft und der Kühlung
des Verbrennungsraumes und wird ständig mittels einer vom
Motor angetriebenen Pumpe 11 in Bewegung gehalten. Die
nötigen Druckunterschiede werden durch Ventile 5 geregelt und
andere Parameter (wie Temperatur, zeitlicher Mengendurchfluß,
Sauerstoffsättigung usw.) werden durch elektronische
Sensor-Schaltungen 3 überwacht und angezeigt.
Claims (8)
1. Verfahren zur hohen Sauerstoffanreicherung der
Verbrennungsluft im Verbrennungskreislauf von mobilen und
stationären Verbrennungsmotoren und Feuerungsanlagen,
dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte chemische
Stoffe/Stoffgemische, die bei Druckgefälle oder bei
kombiniertem Druck- und Temperaturunterschied Sauerstoff
reversibel spezifisch aufnehmen und abgeben, in einem
Kreislaufsystem zur hohen Anreicherung von Sauerstoff aus
der Umgebungsluft und dessen Abgabe zur vollständigen
Verbrennung von Kraftstoffen eingesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
chemischen Substanzen gleichzeitig zur Kühlung des
Verbrennungsmotors bzw. der Feuerungsanlage genutzt werden.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die verwendeten chemischen Substanzen
zu folgenden Stoffgruppen gehören: Perfluorcarbone, Eisen
Chelatkomplexe, Hämoglobine, bestimmte Kobaltkomplexe.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß
die genannten Stoffe/Stoffgemische in flüssiger Form im
Prozeß geführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß
die benötigten Druckunterschiede für den spezifischen
Sauerstoffaufnahme/-abgabevorgang durch den
Verbrennungsmotor selbst erzeugt (Druckminderung im
Ansaugtakt, Druckerhöhung mittels eines Abgasturboladers
oder eines Gebläses) und durch geeignete Regelmechanismen
(Ventile) gesteuert werden.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in mobilen
Verbrennungsmotoren nach Ansprüchen 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß ein geschlossenes Rohrsystem derart
gestaltet ist, daß durch einen Abgasturbolader (1) oder ein
Gebläse (1) verdichtete Luft auf eine sich in Fahrtrichtung
befindliche gasdurchlässige Membran (2) gelangt, der
aufgenommene Sauerstoff durch eine gasdurchlässige Schicht (4)
in Motornähe abgegeben wird und die vom Motor freigesetzte
Wärme in den Zylinderwandungen (9) durch das Perfluorcarbon
abgeführt und mittels der in Fahrtrichtung und vor der
Membran (2) angeordneten Kühlrippen (11) an die Umgebung
abgegeben wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
geschlossene Kreislauf durch eine vom Motor (10) angetriebene
Pumpe (11) in ständigem Umlauf gehalten wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet,
daß mittels des in der Rohrleitung (5) angeordneten Ventils (6)
die erforderlichen Druckunterschiede geregelt und andere
Parameter wie Temperatur, Sauerstoffsättigung, Durchlaufmenge
usw. mittels elektronischer Sensor-Schaltungen (3) überwacht
und angezeigt werden.
Priority Applications (1)
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