DE60104712T2 - Verfahren zum betrieb einer verbrennungsvorrichtung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsvorrichtung, und bezieht sich mehr im einzelnen aber nicht ausschließlich auf einen Verbrennungsmotor beispielsweise für ein Fahrzeug. Ein solcher Motor weist typischerweise zumindest eine Brennkammer mit einer Einlaßöffnung für primäre Verbrennungsluft auf, ein Mittel zum Einleiten von primärem Brennstoff in die Brennkammer zur Verbrennung mit der Primärluft, einer Auslaßöffnung für Verbrennungsprodukte, und ein Abgassystem zum Abführen der Verbrennungsprodukte an die Atmosphäre. Bei dem primären Brennstoff kann es sich im Petroleum, Diesel, verflüssigtes Erdgas oder um einen anderen geeigneten Brennstoff oder eine Mischung von derartigen Brennstoffen handeln.
  • Die Entwicklung von Verbrennungsmotoren hatte tendenziell den Schwerpunkt, die Leistungsabgabe der Motoren zu maximieren, einen wirtschaftlichen Einsatz des verwendeten Brennstoffs zu gewährleisten, und schädliche Emissionen zu reduzieren.
  • Insbesondere im Fall der Realisierung einer Reduktion von schädlichen Emissionen hat sich die Entwicklung tendenziell auf die Verbesserung der Verbrennung innerhalb des Motors konzentriert, beispielsweise durch die Entwicklung von Brennstoffeinspritzsystemen, die für eine verbesserte Mischung von Brennstoff und Luft in den Brennkammern des Motors sorgen, und weiterhin auf die Reinigung von Verbrennungsprodukten, beispielsweise indem die Verbrennungsprodukte durch katalytische Wandler hindurchgeschickt wurden.
  • Die Bereitstellung von katalytischen Wandlern ist problematisch, da solche Vorrichtungen dazu neigen, ihren maximalen Wirkungsgrad erst dann zu erreichen, wenn sie sehr heiß sind, so daß beispielsweise während kurzer Fahrten, bei denen der Motor seine optimale Betriebstemperatur nicht erreicht, solche katalytische Wandler im wesentlichen keine günstige Wirkung erzielen. Außerdem sind solche Wandler teuer und erfordern einen häufigen Austausch, da sie leicht verschmutzt werden.
  • In der früheren Patentanmeldung EP-A-0 744 006 ist eine Vorrichtung zum Verbessern der Verbrennung vorgeschlagen worden, indem in die Brennkammer des Motors ein verdampfter sekundärer, auf Kohlenwasserstoff basierender Brennstoff mit hohem Heizwert eingeleitet wird, der erhalten wird, indem ein Mineralöl erhitzt wird. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad, mit dem der primäre Brennstoff in dem Motor verbrannt wird, gesteigert, und dies hat die Wirkung, daß die Erzeugung von schädlichen Abgasemissionen reduziert wird.
  • In der früheren Patentanmeldung EP-A-041 831 ist eine Abgassaugvorrichtung beschrieben, die dazu bestimmt ist, die Einleitung von relativ sauberer Luft in einen Abgasverteiler des Motors zu ermöglichen, um eine effektivere Ableitung des Abgases zu unterstützen und um zu veranlassen, daß eingesaugte Luft in eine Brennkammer des Motors durch einen Abgasanschluß davon eingezogen wird, anstelle von Abgasen, während zyklischer Druckveränderungen, die bei dem normalen Betrieb des Motors auftreten.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsvorrichtung bereitgestellt, die zumindest eine Brennkammer mit einer Einlaßöffnung für primäre Verbrennungsluft aufweist, ein Mittel zum Einleiten von primärem Brennstoff in die Brennkammer zur Verbrennung mit der Primärluft, einer Abgasöffnung für Verbrennungsprodukte und einem Abgassystem zum Abführen der Verbrennungsprodukte an die Atmosphäre, wobei das Verfahren umfaßt, in das Abgassystem Sekundärluft einzuleiten, mechanisch auf die Sekundärluft und auf Verbrennungsprodukte in dem Abgassystem in Anwesenheit eines Katalysators einzuwirken, um einen reformierten Brennstoff zu erzeugen, Einleiten des reformierten Brennstoffs in die Brennkammer zur Verbrennung mit primärem Brennstoff und Primärluft.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, daß der reformierte Brennstoff in die Brennkammer über die Abgasöffnung eingeleitet wird, d. h. nach seiner Erzeugung, aber es ist beabsichtigt, daß der reformierte Brennstoff gesammelt und gespeichert werden kann, zur späteren Verwendung, und mit dem primären Brennstoff in die Brennkammer eingeleitet werden kann.
  • Es ist herausgefunden worden, daß durch Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrads der Verbrennung erreicht werden kann, was zu wesentlich saubereren Abgasemissionen und zu einer wesentlichen Verbesserung der Leistungsabgabe führt. Auch ist es so, daß obwohl im Zusammenhang mit früheren Vorschlägen für beispielsweise verbesserte Motorauslegungen es notwendig gewesen ist, einen Kompromiß zu finden zwischen der Brennstoffnutzung und der Leistungsabgabe, ist bei Verwendung der vorliegenden Erfindung ein solcher Kompromiß nicht notwendig.
  • Wenn die Erfindung bei einem Motor zum Einsatz kommt, kann daß Verfahren umfassen, daß die Sekundärluft in das Abgassystem über eine Abgassaugvorrichtung eingeleitet wird, beispielsweise ähnlich wie die, die in der EP-A-0 041 831 beschrieben ist, die Luft in das Abgassystem einsaugt, während Bedingungen mit niedrigem Druck oder teilweisem Vakuum, die während des Zyklus von Druckwechseln auftreten, der in dem Abgassystem bei einem normalen Betrieb des Motors stattfindet. Während in der EP-A-0 041 831 die primäre Funktion des Sauggeräts darin besteht, Unterdruckschwingungen zu dämpfen, die in dem Abgassystem auftreten, um die Wirksamkeit der Abgabe von Abgas zu verbessern, ist allerdings bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung die Abgassaugvorrichtung so abgestimmt, daß sie Luft in das Abgassystem einsaugt und mechanisch auf die Sekundärluft und auf die Verbrennungsprodukte mit Hilfe von Druckimpulsen einwirkt, auf eine Weise, um die Erzeugung von reformiertem Brennstoff zu optimieren.
  • Typischerweise weist ein Sauggerät, das sich für den Zweck gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung eignet, ein Ventil mit einem federvorgespannten Ventilteil auf, wobei die Kraft der Feder so wirkt, daß sie das Ventilelement im Zusammenwirken mit einem Ventilsitz drückt, um das Ventil zu schließen, und wobei die Kraft der Feder überwunden wird, wenn ein ausreichend niedriger Druck in dem Abgassystem entwickelt wird, um zu ermöglichen, daß die Sekundärluft durch das Ventil eingezogen wird. Eine Abstimmung eines solchen Sauggeräts für die Ausführung der Erfindung kann mit sich bringen, daß der Federdruck eingestellt wird, so daß das Ventil auf einen gewünschten niedrigen Druck oder ein teilweises Vakuum zu einem geeigneten Zeitpunkt während des Motorzyklus anspricht, und in einer Weise, um starke Druckimpulse in dem Abgassystem zu erzeugen, die geeignet sind, um mechanisch auf die Verbrennungsprodukte und die Sekundärluft einzuwirken, die sich in dem Abgassystem befinden, um den reformierten Brennstoff zu erzeugen.
  • Es sei darauf verwiesen, daß in dem Fall eines Motors, der eine einzelne Brennkammer aufweist, die Feder so eingestellt werden kann, um das Ventil zu öffnen und um zu ermöglichen, daß die Sekundärluft in das Abgassystem eingesaugt wird, zu Beginn des Einlaßhubs des Kolbens, wenn ein niedriger Druck in dem Abgassystem entwickelt wird, als Ergebnis davon, daß sich der (einzige) Kolben in der Brennkammer bewegt, um Luft durch eine Lufteinlaßöffnung in diese einzuleiten, bevor die Auslaßöffnung durch ein Abgasauslaßventil oder den Kolben vollständig verschlossen wird. Bei einem Motor mit mehreren Brennkammern, bei dem jeder Kolben sich in einer unterschiedlichen Hubposition befindet, kann das Ventil auf einen niedrigen Druck ansprechen, der in dem Abgassystem entwickelt wird, wenn einer oder alle Kolben sich in unterschiedlichen Hubpositionen befinden.
  • Es sei darauf verwiesen, daß eine Bezugnahme in dieser Beschreibung auf Primärluft, die in die oder jede Brennkammer eingeleitet wird, auch Luft umfaßt, die in die oder jede Brennkammer beispielsweise durch einen Turbolader oder andere Mittel zum Einleiten von Primärluft eingeleitet wird.
  • Das Sauggerät kann so abgestimmt sein, daß es aus der Sekundärluft und den Verbrennungsprodukten, die typischerweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe Stickstoffoxidgase, die üblicherweise als NOx bekannt sind, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser, üblicherweise in Form von Dampf, enthalten, reformierten Brennstoff erzeugt, wird, der Methanol und/oder Wasserstoffgas enthält, von denen jedes in zufriedenstellender Weise einen zusätzlichen Brennstoff bildet. Man hat herausgefunden, daß durch Betreiben eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung die Menge von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, NOx und Kohlenmonoxid in den Abgasen, die letztendlich aus dem Abgassystem in die Atmosphäre emittiert werden, erheblich reduziert wird, und daß die Menge an Kohlendioxid, das erzeugt wird, wesentlich reduziert wird.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, daß der Katalysator aus Materialien besteht, aus denen das Sauggerät zumindest teilweise hergestellt ist, beispielsweise aus Kupfer, aber wenn zweckmäßig kann in der Nähe des Sauggeräts Cer angeordnet werden, das sich besonders gut zur Verbesserung der Erzeugung von sekundärem Brennstoff eignet.
  • Wenn es sich bei der Vorrichtung um einen Motor handelt, kann der reformierte Brennstoff in die oder jede Brennkammer des Motors eingeleitet werden, als Ergebnis davon, daß ein partielles Vakuum an der Auslaßöffnung am Ende eines Auslaßhubs eines Kolbens des Motors erzeugt wird, wenn der Kolben seinen nächsten Einlaßhub beginnt, bevor die Auslaßöffnung durch ein Abgasauslaßventil oder dem Kolben vollständig verschlossen wird.
  • Auf diese Weise verbrennt der reformierte Brennstoff in der Brennkammer gleichzeitig mit der Primärluft und dem primären Brennstoff, der während der nächsten Einlaßphase in den Motor eingeleitet oder eingedüst wird.
  • In Fällen, in denen die Verbrennungsvorrichtung eine Anzahl von Brennkammern aufweist, die jeweils mit einer Abgasöffnung versehen sind, können die Abgasöffnungen jeweils in einem Abgassammler münden, wo das Sauggerät oder ein sonstiges Mittel zum Einleiten von Sekundärluft in das Abgassystem angeordnet sein kann.
  • Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann umfassen, daß reformierter Brennstoff, der dadurch erhalten worden ist, daß mechanisch auf eingesaugte Sekundärluft und auf Verbrennungsprodukte in dem Abgassystem eingewirkt wird, in einen Einlaßverteiler eingeleitet wird, von wo aus die Luft in die Brennkammer zur Verbrennung mit dem primären Brennstoff eingeleitet wird.
  • Dies kann dadurch erreicht werden, daß reformierter Brennstoff, der in die Brennkammer über die Auslaßöffnung eingeleitet worden ist, während die Auslaßöffnung und die Einlaßöffnungen beide nicht vollständig geschlossen sind, aus der Brennkammer heraus in den Einlaßverteiler strömen gelassen wird, zur Mischung mit der Luft oder der Mischung von Luft und Brennstoff in dem Einlaßverteiler, zur anschließenden Einleitung in die Brennkammer zusammen mit Primärluft und eingeleitetem oder eingedüstem primären Brennstoff.
  • Zusätzlich dazu, daß die Vorrichtung in Übereinstimmung mit dem primären Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie er vorstehend beschrieben worden ist, betrieben wird, kann das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zusätzlich umfassen, daß in die Brennkammer der Vorrichtung ein verdampfter sekundärer, auf Kohlenwasserstoff basierender Brennstoff mit hohem Heizwert eingeleitet wird, der dadurch erhalten wird, daß ein Mineralöl erhitzt wird, beispielsweise unter Verwendung einer Vorrichtung, die Gegenstand der EP-A-0 744 006 ist.
  • Ein typisches Mineralöl kann beispielsweise dem britischen Standard 245 entsprechen. Das Mineralöl kann elektrisch und/oder durch Wärmetausch mit heißen Abgasen erhitzt werden, die durch den Motor erzeugt werden. Es ist herausgefunden worden, daß dadurch, daß in den Motor oder eine sonstige Verbrennungsvorrichtung ein verdampfter, sekundärer, auf Kohlenwasserstoff basierender Brennstoff mit hohem Heizwert eingeleitet wird, der mit dem primären Brennstoff und der Primärluft zu verbrennen ist, der Motor bei einer niedrigeren Temperatur betrieben werden kann als dies sonst der Fall wäre, und daß als Ergebnis davon insbesondere die Menge von während der Verbrennung erzeugtem NOx minimiert wird.
  • Bei der Verbrennungsvorrichtung kann es sich um einen Verbrennungsmotor handeln, beispielsweise um einen Motor, bei dem die Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer durch einen Funken eingeleitet wird, oder um einen Motor mit Dieselzyklus, bei dem die Verbrennung durch Wärme eingeleitet wird, die durch die Kompression von Gasen in der Brennkammer erzeugt wird, oder um einen funkenunterstützten Dieselmotor.
  • Im Falle eines Motors mit Funkenzündung kann der primäre Brennstoff in die Brennkammer zusammen mit dem verdampften sekundären, auf Kohlenwasserstoff basierenden Brennstoff mit hohem Heizwert eingeleitet und/oder eingedüst werden, obwohl dann, wenn der primäre Brennstoff durch Eindüsung eingeleitet wird, der verdampfte sekundäre, auf Kohlenwasserstoff basierende Brennstoff mit hohem Heizwert zusammen mit der eingesaugten Luft zugeführt werden kann.
  • In jedem Falle ist herausgefunden worden, daß die Ausführung der vorliegenden Erfindung die Leistungsabgabe des Motors verbessert, die Ausnutzung des verwendeten Brennstoffs verbessert, und schädliche Emissionen reduziert.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Anpassen einer Verbrennungsvorrichtung mit zumindest einer Brennkammer zum Betrieb gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, die Verbrennungsvorrichtung mit einem Mittel zum Einleiten von Sekundärluft in das Abgassystem zu versehen, ein Mittel bereitzustellen, um mechanisch auf die Sekundärluft und auf Verbrennungsprodukte in dem Abgassystem in Anwesenheit eines Katalysators einzuwirken, um einen reformierten Brennstoff zu erzeugen, und ein Mittel zum Einleiten des sekundären Brennstoffs in die Brennkammer der Vorrichtung über die Abgasöffnung zur Verbrennung mit primärem Brennstoff und Primärluft.
  • Auf diese Weise eignet sich die Erfindung problemlos zum Nachrüsten eines Motors, wohingegen herkömmliche katalytische Wandler beispielsweise vorgesehen werden, um Abgasemissionen zu reinigen, und als Originalausstattung beispielsweise von einem Fahrzeughersteller zur Verfügung gestellt werden müssen, um zu gewährleisten, daß ein ausreichender Platz vorhanden ist, um den Wandler unterzubringen und um sicherzustellen, daß der Wandler und der Motor zufriederstellend zusammenarbeiten. Allerdings kann ein Fahrzeug während der Herstellung je nach Wunsch angepaßt werden, um die vorliegende Erfindung auszuführen.
  • Wenn der Motor, der angepaßt werden soll, um die Erfindung auszuführen, bereits mit einem katalytischen Wandler versehen ist, kann es sein, daß in Abhängigkeit von der verwendeten Motorsteuerung Maßnahmen ergriffen werden müssen, um einen zufriedenstellenden Betrieb des Motors zu gewährleisten. Beispielsweise dann, wenn es sich bei der Motorsteuerung um eine sogenannte offene Schleife handelt, d. h. wobei ein Motormanagementsystem des Fahrzeugs im wesentlichen unabhängig von der Leistung des katalytischen Wandlers betrieben wird, kann das Verfahren nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, ohne daß irgendwelche zusätzlichen Maßnahmen erforderlich sind. Wenn es sich allerdings bei der Motorsteuerung um eine sogenannte geschlossene Schleife handelt, bei der ein Input in das Motormanagementsytem von einem Sensor bereitgestellt wird, der dem katalytischem Wandler zugeordnet ist, kann es sein, daß das Verfahren umfaßt, daß der Sensor des katalytischen Wandlers deaktiviert wird oder daß das Motormanagementsystem neu programmiert wird, so daß die Ausführung des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Ausführung des Motormanagementsystems nicht negativ beeinflußt.
  • Es sei darauf verwiesen, daß katalytische Wandler am besten dann arbeiten, wenn eine brennstoffreiche Mischung von Luft und Brennstoff in dem Motor verbrannt wird. Mit einem Motormanagementsystem mit einer sogenannten geschlossenen Schleife erfaßt der Sensor, der dem katalytischen Wandler zugeordnet ist, die Menge an unverbranntem Brennstoff und Kohlenmonoxid in den Verbrennungsprodukten, und das Motormanagementsystem stellt den Brennstoffreichtum der Mischung aus primärem Brennstoff und Luft für eine optimale Leistung des katalytischen Wandlers ein. Da beim Einsatz der vorliegenden Erfindung unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid dazu verwendet werden, um den reformierten Brennstoff zu erzeugen, würde ein nicht modifiziertes Motormanagementsystem in geschlossener Schleife in unzweckmäßiger Weise auf den Sensor ansprechen und den Brennstoffreichtum der Mischung aus primärem Brennstoff und Luft vergrößern.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Motors zeigt, der gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung betrieben wird;
  • 2 eine erläuternde, teilweise auseinandergezogene seitliche Schnittansicht eines Abgas-Sauggeräts zur Verwendung bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 3 eine erläuternde seitliche Schnittansicht einer Vorrichtung für sekundären Brennstoff zur Verwendung bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 1 weist ein Motor 10 zumindest eine Brennkammer 11 auf. In diesem Beispiel ist der Motor 10 vom hin- und hergehenden Typ, wobei es sich bei der Brennkammer 11 um einen Zylinder handelt, in dem ein Kolben 12 hin- und hergeht. Die Erfindung ist allerdings auf andere Bauart von Verbrennungsmotoren anwendbar, wie beispielsweise auf Rotationskolbenmaschinen.
  • Jede Brennkammer 11 weist eine Einlaßöffnung 15 auf, durch die in diesem Beispiel primäre Verbrennungsluft eingeleitet wird, entweder durch einfache Zuführung aufgrund der Bewegung des Kolbens 12, oder mit Unterstützung durch einen Turbolader, sowie eine Abgasauslaßöffnung 16. Sowohl die Einlaßöffnung 15 als auch die Auslaßöffnung 16 wird in diesem Beispiel geöffnet und geschlossen durch die Betätigung von jeweiligen Ventilen 17, 18, die typischerweise so gesteuert werden, daß sie in Übereinstimmung mit dem Motorzyklusöffnen und schließen, bspw. durch Betätigungsstangen, die von einer Nockenwelle angetrieben sind.
  • In diesem Beispiel ist der Motor ein Dieselmotor, bei dem der primäre Brennstoff für die Verbrennung in den Motor durch einen Injektor 19 eingedüst wird und als Ergebnis der Wärme, die erzeugt wird, wenn Luft in dem Zylinder zusammengedrückt wird, gezündet wird. In einem anderen Beispiel kann die Zündung des primären Brennstoffs mit Unterstützung durch einen Funken erzielt werden, und insb. im Falle eines funkengezündeten Benzinmotors kann der primäre Brennstoff zusammen mit der Primärluft in die Brennkammer 11 eingeleitet werden.
  • Die Primärluft kann in die Brennkammer von einem Einlaßverteiler 20 aus eingeleitet werden. Wenn der Motor 10 eine Mehrzahl von Brennkammern 11 aufweist, können natürlich die Einlaßöffnungen 15 von jeder einzelnen mit dem Einlaßverteiler 20 verbunden werden. Luft wird an den Einlaßverteiler 20 ausgehend von einem Lufteinlaß 21 zugeführt, über Luftfilter usw., wie es im Stand der Technik bekannt ist, und/oder die Luft kann über einen Turbolader oder ähnliches zugeführt werden.
  • Die oder jede Abgasauslaßöffnung 16 ist mit einem Abgassammler 23 eines Abgassystems 24 verbunden. Wiederum können im Falle eines Motors mit einer Mehrzahl von Brennkammern 11 die Auslaßöffnungen 16 für jede einzelne Brennkammer 11 mit dem Abgassammler 23 verbunden sein. Die Abgase gehen, möglicherweise über einen katalytischen Sammler 25, ausgehend von dem Abgassammler zur Atmosphäre.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Mittel vorgesehen, um Sekundärluft in das Abgassystem 24 einzuleiten, wobei es sich im vorliegenden Fall hierbei um ein Sauggerät 26 handelt, welches mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf 2 noch beschrieben wird, wobei das Sauggerät 26 auch dazu bestimmt ist, dafür zu sorgen, daß in dem Abgassystem 24 auf die Abgase und die eingeleitete Sekundärluft mechanisch eingewirkt wird, so daß die Abgase und die Sekundärluft einen reformierten Brennstoff bilden. Der reformierte Brennstoff wird dann zurück in die Brennkammer 11 eingeleitet, die nachfolgend noch erläutert wird, und wird anschließend in der Brennkammer 11 zusammen mit primärem Brennstoff verbrannt.
  • Es sei darauf verwiesen, daß unmittelbar nachdem der Kolben 12 einen Auslaßhub in der Brennkammer 11 ausgeführt hat, d. h. sich nach oben bewegt, wie in den Zeichnungen dargestellt ist, während die Abgasauslaßöffnung 16 offen ist, und sich der Kolben 12 erneut nach unten bewegt, um zu ermöglichen, daß zumindest Primärluft in die Brennkammer 11 eingeleitet wird, während die Einlaßöffnung 15 offen ist, eine kurze, aber endliche Zeitspanne vorhanden ist, in der sowohl die Einlaßöffnung 15 als auch die Auslaßöffnung 16 gleichzeitig offen sind. Während dieser Zeitspanne ist ein reduzierter Druck oder ein teilweises Vakuum an der Auslaßöffnung 16 vorhanden, und als Folge davon werden Gase aus dem Abgassystem 24 in die Brennkammer 11 eingesaugt, zusammen mit der Primärluft, von der Einlaßöffnung 15. Auf diese Weise wird, wenn die Abgase einen reformierten Brennstoff enthalten, der reformierte Brennstoff in die Brennkammer 11 eingeleitet.
  • Darüber hinaus kann eine sehr geringe Menge des reformierten Brennstoffs durch die Brennkammer 11 hindurch zu der Einlaßöffnung 15 strömen, und obwohl die Strömung vorwiegend in einer entgegengesetzten Richtung verläuft, kann eine sehr geringe Menge des reformierten Brennstoffs zu dem Einlaßverteiler 20 zur Mischung mit Primärluft strömen. Auf diese Weise kann die Primärluft, die anschließend in die Brennkammer eingeleitet wird, einen sehr geringen Anteil an reformiertem Brennstoff enthalten.
  • Darüber hinaus ist in 1 eine Vorrichtung 30 dargestellt, mit der ein sekundärer, verdampfter Brennstoff mit hohem Heizwert in den Einlaßverteiler 20 eingeleitet werden kann, zur Zuführung zusammen mit der Primärluft in die Brennkammer.
  • Nunmehr sei auf 2 Bezug genommen, in der ein Sauggerät 26 dargestellt, das sich dazu eignet, zu ermöglichen, daß Sekundärluft in das Abgassystem 24 eingeleitet wird. Das Sauggerät 26 ist so abgestimmt, daß die Produktion von reformiertem Brennstoff aus der Sekundärluft und den Verbrennungsprodukten maximiert wird.
  • Das Sauggerät 26 weist eine Leitung 32 auf, die an einem Ende 33, d. h. an ihrem unteren Ende, das in 2 dargestellt ist, mit einem mit Außengewinde versehenen Ansatz versehen sein kann, um zu ermöglichen, daß das Sauggerät 6 in zweckmäßiger Weise an dem Abgassammler 23 befestigt werden kann, wobei allerdings der Sammler 23 und das Sauggerät 26 auch in anderer Weise eingerichtet sein können, um miteinander verbunden zu werden.
  • Die Leitung ist vorzugsweise aus einem katalytischen Material wie etwa Kupfer hergestellt, welches die Herstellung von reformiertem Brennstoff begünstigt, und wenn gewünscht, kann Cer oder ein anderes Material von höherem Wert, aber mit größerer katalytischer Wirksamkeit, in dem Abgassystem 24 vorhanden sein, um die Produktion des reformierten Brennstoffs weiter zu begünstigen.
  • An dem gegenüberliegenden Ende 34 der Leitung 32, d. h. an ihrem oberen Ende, wie in 2 dargestellt, ist ein Ventil 35 angeordnet. Das Ventil 35 weist einen Ventilsitz 36 auf, der in einem Gehäuse 37 untergebracht ist, welches in diesem Beispiel die Form einer glockenförmigen Kappe aufweist. Ein Ventilteil, bei dem es sich in diesem Fall um eine Kugel 40 handelt, wird durch eine Feder 41 in Zusammenwirken mit dem Ventilsitz gedrückt, der so geformt ist, um die Kugel 40 aufzunehmen, wobei normalerweise das Ventil geschlossen ist und Luft daran gehindert wird, durch das Ventil 35 in das Rohr bzw. die Leitung 32 zu strömen. Die Feder 41 ist allerdings schwach, und in dem Fall, daß ein niedriger Druck oder ein teilweises Vakuum innerhalb des Rohrs 32 auftritt, wird die Kraft der Feder 41 überwunden, und die Kugel 40 wird von dem Ventilsitz 36 abgehoben, so daß Luft durch das Ventil 35 eingesaugt werden kann, und somit in das Rohr 32 und in das Abgassystem 24.
  • Das Sauggerät 26 kann so eingestellt sein, daß die Erzeugung von reformiertem Brennstoff maximiert ist, indem der Druck der Feder 41 so eingestellt wird, daß sich das Ventil 35 öffnet, um die Einströmung von Sekundärluft zu geeigneten Zeitpunkten in dem Motorzyklus zu maximieren. Darüber hinaus ist die Konstruktion der Feder 41 und des Ventils 35 im allgemeinen dahingehend angepaßt, daß die Sekundärluft in Form von intensiven Impulsen eingeleitet wird, wobei sich das Ventil scharf bzw. schlagartig öffnet und schließt. Die auf diese Weise erzeugten Impulse wirken mechanisch auf die Verbrennungsprodukte und die Sekundärluft in dem Abgassystem 24 in der Anwesenheit des katalytischen Materials ein, um einen reformierten Brennstoff zu erzeugen, typischerweise Wasserstoffgas und Methanol, die wie vorstehend beschrieben in die Brennkammer 11 eingeleitet werden.
  • Andere Konstruktionen des Sauggeräts 26 sind ohne Zweifel möglich. Beispielsweise kann in der Konstruktion des Ventils 36 ein anderes als ein kugelförmig gestaltetes Ventilteil 40 vorhanden sein, wie etwa ein scheibenförmiges Ventilteil, wobei dann der Ventilsitz 36 in geeigneter Weise konfiguriert ist, so daß das Sauggerät 26 darauf abgestimmt ist, die Produktion von reformiertem Brennstoff zu maximieren. In 1 ist das Rohr 32 gebogen dargestellt, wogegen das Rohr 32 in 2 gerade dargestellt ist. Das Rohr 32 kann so gebogen werden, wie es zweckmäßig ist, damit es in einem Aufnahmeraum für den Motor eines Fahrzeugs paßt.
  • In einer praktischen Ausführungsform weist das Rohr typischerweise eine Länge von etwa 30 cm auf, und typischerweise weist das Ventil 35 eine Länge von etwa 5 cm auf. Der Durchmesser des Rohrs 32 ist typischerweise etwa 0,79 cm.
  • Die Arbeitsweise des Sauggeräts 16 ist unter spezieller Bezugnahme auf einen Motor 10 mit einer einzelnen Brennkammer 11 beschrieben worden, bei dem der niedrige Druck oder das teilweise Vakuum, der bzw. das notwendig ist, um das Ventil 35 dazu zu veranlassen, zu öffnen, um zu ermöglichen, daß Sekundärluft in das Abgassystem eingesaugt wird, dann auftritt, wenn sich der Kolben 12 an oder im wesentlichen an dem oberen Punkt seines Hubs befindet, wobei die Einlaßöffnung 15 und die Auslaßöffnung 16 offen sind. Es sei darauf verwiesen, daß bei einem Motor 10 mit mehreren Brennkammern 11, bei dem sich sämtliche Kolben 12 an unterschiedlichen Positionen in ihrem jeweiligen Zyklus zu einer beliebigen Zeit befinden, das Ventil 35 des Sauggeräts 26 so angeordnet sein kann, um einen Ausgleich für den Motor 10 zu schaffen, daß es sich zu einem Zeitpunkt öffnet, der möglicherweise nicht mit dem Zeitpunkt übereinstimmt, zu dem sich der Kolben 12 von irgendeiner Brennkammer 11 am oberen Punkt seines Hubs befindet, während die Einlaßöffnung 15 und die Auslaßöffnung 16 offen sind. Bei einem Motor 10 mit mehreren Brennkammern 11 neigt der Druck in dem Abgassystem 24 dazu, sich gemäß eines komplexen Musters zu ändern. Dennoch kann das Ventil 35 des Sauggeräts 26 so eingerichtet sein, daß es sich gegen die Kraft der Feder 41 öffnet, wenn ein eingestellter niedriger Druck bzw. ein partielles Vakuum in dem Abgassystem 24 auftritt. Auf diese Weise kann die Sekundärluft bzw. der reformierte Brennstoff während einer Verweilzeit in dem Abgassystem 24 vorhanden sein, aber in die Brennkammern 11 eingeleitet werden, sobald sich ein entsprechender Kolben 12 als nächstes an dem oberen Punkt seines Hubs befindet, während die Einlaßöffnung 15 und die Auslaßöffnung 16 offen sind. Auf diese Weise kann der niedrige Druck oder das partielle Vakuum, der bzw. das für die Einleitung von Sekundärluft in das Abgassystem 24 notwendig sind, nicht unbedingt mit dem niedrigen Druck oder dem partiellen Vakuum zusammenfallen, der bzw. das lokal bei den Abgasauslaßöffnungen 16 der Brennkammern 11 auftritt und notwendig ist, damit der reformierte Brennstoff in die Brennkammern 11 einleitet wird.
  • Nunmehr sei auf 3 Bezug genommen, in der ein Beispiel für eine Vorrichtung 30 dargestellt ist, mit der ein sekundärer, verdampfter, auf Kohlenwasserstoff basierender Brennstoff mit hohem Heizwert in die Brennkammer 11 oder Kammer eingeleitet werden kann, zusammen mit Primärluft zur Verbrennung.
  • Die Vorrichtung 30 weist einen Behälter 50 auf, in dem sich ein flüssiger, auf Kohlenwasserstoff basierender Brennstoff befindet, der dem britischen Standard 245 entspricht.
  • Der Behälter 50 kann über eine Einfüllkappe 51 mit einem flüssigen Brennstoff gefüllt werden und ein Tauchstab 52 kann vorhanden sein, so daß der Stand des flüssigen Brennstoffs innerhalb des Behälters schnell bestimmt werden kann.
  • In dem Behälter 50 befindet sich ein längliches, sich nach innen erstreckendes Beheizungselement 55, das über einen mit Gewinde versehenen Ansatz 56 angebracht ist. Der Ansatz 56 befindet sich in abgedichtetem Gewindeeingriff mit dem Behälter 50, oder zumindest mit einer Bodenwand 57 davon in diesem Beispiel, und stellt ferner eine Befestigung 55 für eine Unterbaugruppe 59 bereit. Die Unterbaugruppe 59 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 60, in dem ein schraubenförmig gewundenes Rohr 61 angeordnet ist, das durch das Gehäuse 60 an einem Ende 62 davon in einen Bereich 65 oberhalb des Niveaus des flüssigen Brennstoffs in den Behälter 50 mündet, und das an einem unteren Ende 64 durch das Gehäuse 60 unterhalb des Niveaus des flüssigen Brennstoffs mündet.
  • Wenn das elektrische Element 55 aktiviert wird, indem ein elektrischer Strom durch dieses geleitet wird, wird flüssiger Brennstoff in dem gebundenen Rohr 61 erwärmt und verdampft. Der verdampfte Brennstoff geht in den Bereich 65 oberhalb des Niveaus des flüssigen Brennstoffs, und von dort durch einen Auslaß 66 zu dem Einlaßverteiler 20 des Motors 10. Auf diese Weise geht der verdampfte Brennstoff zusammen mit der Primärluft in die Brennkammer 11.
  • Um das gewundene Rohr 66 in dem Gehäuse 60 ist eine Isolierung 63 angeordnet, so daß nur der flüssige Brennstoff, der sich in dem gewundenen Rohr 61 befindet, erhitzt wird. Darüber hinaus, da das gewundene Rohr 61 notwendigerweise einen kleinen Durchmesser aufweist und somit die Möglichkeit einer Verstopfung besteht, ist die Unterbaugruppe 59 von dem Behälter 50 abnehmbar, indem sie von der Befestigung 58 abgeschraubt wird. Um die Unterbaugruppe 59 in Bezug auf den Behälter abzudichten, kann die Unterbaugruppe im Gebrauch auch über eine zweite Befestigung 68 in Gewindeeingriff mit dem Behälter stehen, und sie kann ein Mittel wie beispielsweise einen mit einer Ränderierung versehenen Ring 70 aufweisen, um das Einsetzen und das Herausnehmen der Unterbaugruppe in den oder aus dem Behälter 50 zu erleichtern.
  • Bei einer anderen Konstruktion der Vorrichtung 50 für sekundären Brennstoff kann anstelle einer elektrischen Beheizung 50 oder zusätzlich dazu ein Mittel vorgesehen sein, um zu ermöglichen, daß der flüssige Brennstoff bis zur Verdampfung erhitzt wird, durch eine andere Wärmequelle wie beispielsweise durch heiße Abgase, die durch den Motor 10 erzeugt werden.
  • Es sei darauf verwiesen, daß ein vorhandener Motor 10 angepaßt werden kann, um die Erfindung auszuführen, indem ein Sauggerät 26, das zur Erzeugung von reformiertem Brennstoff abgestimmt ist, in dem Abgassammler 23 vorgesehen wird, und wenn zweckmäßig durch Anordnen einer Vorrichtung zum Bereitstellen von sekundärem Brennstoff wie etwa die Vorrichtung 50, die beschrieben worden ist, um gemeinsam damit zu arbeiten.
  • Wenn das Abgassystem 24 einen katalytischen Wandler 25 aufweist, kann es sein, daß zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen, in Abhängigkeit davon, ob es sich hierbei um ein passives oder um ein aktives Gerät handelt, wenn ein Motor zur Ausführung der vorliegenden Erfindung angepaßt werden soll.
  • Beispielsweise dann, wenn der katalytische Wandler 25 einen Sensor 80 aufweist, der ein Eingangssignal für ein Motormanagementsystem 81 bereitstellt, das die Konzentration von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in dem Abgasen anzeigt, antwortet das Motormanagementsystem herkömmlicherweise dadurch, daß der Brennstoffreichtum der Mischung aus primärem Brennstoff und Luft auf ein Niveau eingestellt wird, an dem der katalytische Wandler 25 am effizientesten arbeiten kann. Wenn die Erfindung ausgeführt wird und das Niveau an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in den Abgasen durch das Verfahren reduziert wird, ist es nötig, den Sensor 80 zu deaktivieren und/oder das Motormanagementsystem 81 neu zu programmieren, damit sichergestellt ist, daß der Brennstoffreichtum der Mischung aus primärem Brennstoff und Luft nicht in unzweckmäßiger Weise vergrößert wird.
  • Bei einem Motor, bei dem beispielsweise die Vorrichtung 50 für sekundären Brennstoff lediglich in Intervallen betätigt wird, kann der Sensor 80 verwendet werden oder es kann ein anderer Sensor bereitgestellt werden, um ein Eingangssignal für das Motormanagementsystem 81 zu liefern, ansprechend auf spezielle Motorzustände, die auftreten, um die Vorrichtung 50 für sekundären Brennstoff dazu zu veranlassen, zu arbeiten oder nicht zu arbeiten, beispielsweise dadurch, daß das elektrische Beheizungselement 55 oder ein anderes Beheizungsmittel ein- oder ausgeschaltet wird.
  • Zahlreiche Modifikationen können an der beschriebenen Vorrichtung vorgenommen werden, um zu ermöglichen, daß die Verfahrensweisen nach der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können.
  • Beispielsweise kann in dem beschriebenen Beispiel der reformierte sekundäre Brennstoff in die Brennkammer über die Auslaßöffnung eingeleitet werden, zur Verbrennung mit dem primären Brennstoff. Insbesondere dann, wenn ein Überschuß an reformiertem Brennstoff erzeugt wird, kann dieser gesammelt und gespeichert werden, und kann später in die Brennkammer eingeleitet werden, d. h. zusammen mit dem primären Brennstoff statt über die Abgasöffnung.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht ausschließlich anwendbar auf Verbrennungsmotoren oder Motoren mit innerer Verbrennung, sondern kann auch auf andere Verbrennungsvorrichtungen angewendet werden, wie etwa auf Wasserkessel oder Öfen, die eine Brennkammer, aufweisen vorzugsweise mit einer Abgasöffnung, durch die reformierter Brennstoff eingeleitet werden kann.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsvorrichtung (10), die zumindest eine Brennkammer (11) mit einer Einlaßöffnung (15) für primäre Verbrennungsluft aufweist, ein Mittel (19) zum Einleiten von primärem Brennstoff in die Brennkammer zur Verbrennung mit der Primärluft, einer Abgasöffnung (16) für Verbrennungsprodukte, und einem Abgassystem (24) zum Abführen der Verbrennungsprodukte an die Atmosphäre, wobei das Verfahren umfaßt, in das Abgassystem (24) Sekundärluft einzuleiten, mechanisch auf die Sekundärluft und auf Verbrennungsprodukte in dem Abgassystem (24) in Anwesenheit eines Katalysators einzuwirken, um einen reformierten Brennstoff zu erzeugen, Einleiten des reformierten Brennstoffs in die Brennkammer (11) zur Verbrennung mit primärem Brennstoff und Primärluft.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der reformierte Brennstoff in die Brennkammer (11) über die Abgasöffnung (16) eingeleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung (10) eine Verbrennungskraftmaschine ist und Sekundärluft in das Abgassystem (24) über ein Abgassauggerät (26) eingeleitet wird, das Luft in das Abgassystem (24) während Zuständen mit niedrigem Druck oder teilweisem Vakuum einsaugt, die während des Zyklus von Druckänderungen auftreten, die in dem Abgassystem (24) während des normalen Betriebs des Motors (10) auftreten.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgassauggerät (26) so abgestimmt ist, daß es Luft in das Abgassystem (24) einsaugt und mechanisch auf die Sekundärluft und Verbrennungsprodukte mit Hilfe von Druckimpulsen einwirkt, in einer Weise, um die Erzeugung des reformierten Brennstoffs zu optimieren.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauggerät (26) ein Ventil (35) mit einem federvorgespannten Ventilelement (40) aufweist, wobei die Kraft der Feder (41) so wirkt, daß sie das Ventilelement (40) in Zusammenwirken mit einem Ventilsitz (36) drückt, um das Ventil (35) zu schließen, und wobei die Kraft der Feder (41) überwunden wird, wenn ein ausreichend niedriger Druck in dem Abgassystem (24) entwickelt wird, um zu ermöglichen, daß Sekundärluft durch das Ventil (35) eingezogen wird, und wobei das Sauggerät (26) durch Einstellen des Drucks der Feder (41) so abgestimmt ist, daß das Ventil (35) auf einen gewünschten niedrigen Druck oder teilweises Vakuum zu einem geeigneten Zeitpunkt während des Motorzyklus anspricht, und in einer Weise, um starke Druckimpulse in dem Abgassystem (24) zu erzeugen, die geeignet sind, mechanisch auf die Verbrennungsprodukte und die Sekundärluft einzuwirken, die sich in dem Abgassystem (24) befinden, in Anwesenheit des Katalysators, um den reformierten Brennstoff zu erzeugen.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der reformierte Brennstoff entweder Methanol oder Wasserstoffgas oder beides umfaßt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator aus Materialien besteht, aus denen das Sauggerät (26) zumindest teilweise hergestellt ist.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung ein Motor (10) mit hin- und hergehendem Kolben ist, und daß der refornierte Brennstoff in die oder jede Brennkammer (11) des Motors (11) eingeleitet wird, als Ergebnis davon, daß ein teilweises Vakuum an der Abgasöffnung (16) am Ende eines Auslaßhubs eines Kolbens davon aufgebaut wird, wenn der Kolben (12) seinen nächsten Ansaughub beginnt, bevor die Abgasöffnung (16) durch ein Abgasauslaßventil (18) oder den Kolben (12) vollständig geschlossen ist.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung (10) eine Vielzahl von Brennkammern (11) aufweist, von denen jede eine Abgasöffnung (16) aufweist, wobei die Abgasöffnungen jeweils in ein Abgassammelrohr (23) münden, in dem das Mittel zum Einleiten von Sekundärluft in das Abgassystem (24) angeordnet ist.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren umfaßt, den reformierten Brennstoff, der durch mechanisches Einwirken auf eingezogene Sekundärluft und Verbrennungsprodukte in dem Abgassystem (24) erhalten worden ist, in ein Einlaßsammelrohr (20) einzuleiten, von wo aus Luft in die Brennkammer (11) zur Verbrennung mit dem primären Brennstoff eingeleitet wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren gemäß der Erfindung den Schritt umfaßt, in die Brennkammer (11) der Vorrichtung (10) einen verdampften sekundären, auf Kohlenwasserstoff basierenden Brennstoff mit hohem Heizwert einzuleiten, der erhalten wird, indem ein Mineralöl elektrisch und/oder durch Wärmetausch mit heißen Abgasen, die durch die Vorrichtung (10) erzeugt werden, erhitzt wird, um das Öl zu verdampfen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Verbrennungsvorrichtung (10) um einen Funkenzündungsmotor handelt, und daß der primäre Brennstoff gemeinsam mit dem verdampften sekundären, auf Kohlenwasserstoff basierenden Brennstoff mit hohem Heizwert in die Brennkammer (11) angesaugt oder eingespritzt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Verbrennungsvorrichtung (11) um einen Motor der Bauart handelt, bei der der primäre Brennstoff durch Einspritzung zugeführt wird, und wobei der verdampfte sekundäre, auf Kohlenwasserstoff basierende Brennstoff mit hohem Heizwert mit der angesaugten Luft eingeleitet wird.
  14. Verfahren zum Anpassen einer Verbrennungsvorrichtung (10) mit zumindest einer Brennkammer (11) zum Betrieb gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, die Verbrennungsvorrichtung (10) mit einem Mittel zum Einleiten von Sekundärluft in das Abgassystem (24) zu versehen, ein Mittel (26) bereitzustellen, um mechanisch auf die Sekundärluft und auf Verbrennungsprodukte in dem Abgassystem (24) in Anwesenheit eines Katalysators einzuwirken, um einen reformierten Brennstoff zu erzeugen, und ein Mittel zum Einleiten des sekundären Brennstoffs in die Brennkammer (11) der Vorrichtung (10) über die Abgasöffnung (16) zur Verbrennung mit primärem Brennstoff und Primärluft.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung (10) ein Motor eines Fahrzeugs ist, wobei der Fahrzeugmotor (10) davon, der angepaßt werden soll, bereits einen katalytischen Konverter (25) aufweist, und wobei ein Motormanagementsystem (81) davon mit einer Eingabe von einem Sensor (80) versorgt wird, der dem katalytischen Konverter (25) zugeordnet ist und der die Motorsteuerung beeinflußt, wobei das Verfahren den Schritt umfaßt, den Sensor (80) des katalytischen Konverters unwirksam zu machen oder das Motormanagementsystem (81) umzuprogrammieren.
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