DE68918582T2

DE68918582T2 - Verfahren zur verbesserung der verbrennung in verbrennungsmotoren.

Info

Publication number: DE68918582T2
Application number: DE68918582T
Authority: DE
Inventors: Arne Lindstroem; Bertil Olsson; Gunnar Olsson; John Olsson
Original assignee: Individual
Current assignee: Vitale Miljoeinvesteringer Bergen No AS
Priority date: 1988-01-29
Filing date: 1989-01-27
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2009-01-28
Also published as: CN1025232C; EP0397759B1; AU3035989A; CZ56489A3; CZ280479B6; PL277467A1; PT89552A; DD283445A5; US5105772A; DK178290A; AU634957B2; PT89552B; CN1034785A; PL159888B1; HU205794B; FI903710A0; WO1989007196A1; BR8907212A; HU891050D0; SE8800291D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Verbrennung in Verbrennungsmotoren und zur Reduzierung der schädlichen Bestandteile in den Abgasen, wobei eine flüssige Zusammensetzung, die ein Peroxid oder eine Peroxoverbindung enthält, in die Brennkammer eines Zylinders des Motors eingespritzt wird, und wobei die Einlaß- und Auslaßventile überlappen, wenn der Motor vom Auspuff- in den Ansaughub übergeht.

Hintergrund der Erfindung

Die erhöhte Anzahl von Fahrzeugen, insbesondere in städtischen Bereichen, verursachen eine Zunahme der Abgase, mit denen Gesundheits- und Umweltprobleme verbunden sind. Die schädlichen Komponenten, die die Hauptprobleme verursachen, sind hauptsächlich Kohlenstoffoxide, Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide. Die zugrundeliegende Ursache für unreine Abgase ist eine unvollständige Verbrennung. Zur Reduzierung der Mengen dieser Komponenten werden verschiedene Techniken verwendet, wobei die am meisten verwendete Technik die wohlbekannte katalytische Technik ist, die eine Verbrennung der Abgase außerhalb des tatsächlichen Verbrennungsprozesses schafft.
Bezüglich der Abgase von Dieselmotoren sind eine Anzahl von Problemen zu lösen. Eines dieser Probleme ist die Rußbildung, ein weiteres besteht in der Bildung von Stickstoffoxiden während der Verbrennung. Es ist möglich, die Emissionen von Kohlenstoffoxid und der Kohlenwasserstoffe unter Verwendung einer katalytischen Anlage zu reduzieren. Die Komplikationen, die dabei auftreten, sind neben der Oxidation von CO und HC zu CO&sub2; und Wasser dadurch gegeben, daß eine bestimmte Menge von Stickstoff zu Stickstoffoxid (NOx) oxidiert wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß ein Dieselmotor unvermeidlich mit einem Luftüberschuß arbeitet. Ein weiteres Problem besteht darin, daß der Ruß nach einer bestimmten Zeit die Funktion des Katalysators behindert. Der Ruß kann beispielsweise durch teilweises oder vollständiges Ersetzen von Diesel durch Ethanol reduziert werden. Die Probleme mit den Stickstoffoxiden bleiben jedoch bestehen.
Die US-A-4 182 278 beschreibt ein Verfahren zur intermittierenden Zufuhr von Peroxid in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors oder in die Nähe des Kopfes des Einlaßventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Das Ziel dieser Erfindung ist, eine verbesserte Verbrennung und dadurch eine Absenkung der Emissionen der schädlichen Komponenten in den Abgasen von Verbrennungsmotoren in der Weise zu erzielen, daß Ruß und Stickstoffoxide sowohl im Motor als auch in der katalytischen Anlage selbst dann reduziert werden, wenn der Motor ein Dieselmotor ist. Dies ist durch eine kontinuierliche Einspritzung der flüssigen Zusammensetzung erreicht worden, deren Zweck darin besteht sicherzustellen, daß ein Teil der Zusammensetzung stets zum Auspuffsystem bewegt wird.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf eine in den Zeichnungen gezeigte Ausführungsform näher beschrieben.
Fig. 1 ist ein vertikaler Schnitt durch einen Zylinderkopf eines Dieselmotors, wobei das Einlaßventil gezeigt ist.
Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.

Beschreibung einer Ausführungsform

Die Zeichnungen zeigen einen Dieselmotor mit einem Zylinderkopf 11, einem Einlaßrohr 12 in den Verbrennungsraum 13 des Motors sowie einem Einlaßventil 14, das mit einem Ventilsitz 15 in Wechselwirkung ist. Das Auspuffrohr ist mit 16 bezeichnet, während das Auslaßventil mit 17 bezeichnet ist. Eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist mit 18 bezeichnet. In dieser Ausführungsform wird der Kraftstoff in eine Vorverbrennungskammer 19 eingespritzt, die mit einer Glühkerze 20 ausgerüstet ist, um Kaltstarts zu erleichtern. Eine Alternative hierzu besteht darin, den Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum 13 einzuspritzen.
Im Einlaßrohr 12 ist eine Zufuhrleitung 21 angeordnet, die eine flüssige Zusammensetzung zuführt, welche ein Peroxid oder Peroxoverbindungen, Wasser oder möglicherweise andere Additive enthält, die im folgenden beschrieben werden. Die Zufuhrleitung 21 ist mit Spiel innerhalb einer zweiten Leitung 22 angeordnet, in der ein Medium strömt, dessen Druck sich von dem Druck am Mundstück 23 der Zufuhrleitung 21 unterscheidet. Das Mundstück 23 ist in enger Nachbarschaft des Einlaßventils angeordnet. Es kann auch innerhalb der Verbrennungskammer des Motors angeordnet sein. Das Medium kann gasförmig sein und aus atmosphärischer Luft bestehen, in welchem Fall die Leitung 22 so beschaffen ist, daß sie mit der Atmosphäre außerhalb des Motors in Verbindung steht. Das Medium kann auch Abgase vom Motor enthalten, die unter Druck durch die Leitung 22 geschickt werden. Es kann auch ein mit Druck beaufschlagtes Gas, beispielsweise eine geringe Luftmenge, die aus einem Turbolader oder aus einer speziellen Luftpumpe abgezweigt wird, sein.
Mit einer solchen Einrichtung wird eine Zerstäubung der zugeführten flüssigen Zusammensetzung erzielt. Die Endabschnitte der Leitungen 21 und 22 können verschiedenartig beschaffen sein, wie in der schwedischen Patentanmeldung Nr. 8604448-4 (die PCT/SE87/00477 entspricht) beschrieben ist. Somit kann das Mundstück 23 der Zufuhrleitung 22 in bezug auf das Mundstück der Leitung 22 axial verschoben sein, so daß das Mundstück 23 entweder innerhalb oder außerhalb des Mundstückes der Leitung 22 angeordnet ist. Die Flüssigkeit oder die Flüssigkeitstropfen werden auf diese Weise in der Strömung des Mediums von der Leitung (22) zerstäubt.
Eine alternative Anordnung besteht darin, daß die Leitungen 21 und 22 eine gemeinsame Auslaßöffnung besitzen, deren Durchmesser kleiner als derjenige des Endabschnittes 23 der Zufuhrleitung 22 ist. Dieser gemeinsame Auslaß kann aufgeweitet sein, um die Strömung nach dem engen Durchlaß zu führen, in welchem eine wirksame Vermischung der Flüssigkeit und des Mediums stattgefunden hat.
Wenn zusätzlicher Kraftstoff, beispielsweise Ethanol hinzugefügt werden soll, kann er über eine außerhalb der Zufuhrleitung 21, jedoch innerhalb der Mediumleitung 22 angeordnete Zufuhrleitung zugeführt werden. Die Zufuhr und Regulierung der Flüssigkeitszusammensetzung wird durch eine (nicht gezeigte) Zufuhreinrichtung bewerkstelligt. Wenn die Flüssigkeit nahezu drucklos und in manchen Fällen in sehr kleinen Mengen befördert wird, ist die Gasströmung für die Zerstäubung der Flüssigkeit wesentlich. Selbstverständlich können für jeden Zylinder mehr als eine Zufuhrleitung (21), die von einer Leitung 22 umgeben sind, angeordnet werden. Eine Alternative besteht darin, den Kraftstoff (beispielsweise Alkohol) in die zugeführte flüssige Zusammensetzung zu mischen.
Die Zusammensetzung der Flüssigkeit kann veränderlich sein, sie sollte jedoch 0,001-80%, vorzugsweise 0,1-35% eines Peroxids oder einer Peroxoverbindung, vorzugsweise Wasserstoffperoxid, enthalten. Sie kann auch bis zu 5% eines Öls mit einem Antikorrosions-Additiv enthalten. Die verbleibenden Teile bestehen aus Wasser und/oder einem aliphatischen Alkohol, der ein bis acht Kohlenstoffatome enthält, vorzugsweise Ethanol. Der Alkohol macht vorzugsweise 10-95% der Zusammensetzung aus.
Bei der Anordnung eines Zufuhrsystems für Peroxide oder Peroxoverbindungen ist es wichtig, daß lange Transportentfernungen und übliche Metalle vermieden werden. Da es schwierig ist, ein Hochdrucksystem ohne Verwendung von Metallen im Zufuhrsystem zu konstruieren, sollte auch ein hoher Druck vermieden werden, da dies leicht die Zerlegung instabiler Verbindungen verursacht.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist, daß die Flüssigkeit in einem großem Winkel und so zentral wie möglich in den Verbrennungsraum 13 eingespritzt wird, um einen Kontakt mit der Zylinderwand 24 zu vermeiden. Wenn die Flüssigkeit mit der Zylinderwand in Kontakt gelangt, besteht die Gefahr, daß die Flüssigkeit ihre Eigenschaften verliert, und außerdem, daß sie nach unten in das Kurbelgehäuseöl gelangt. Sie kann auch die Zylinderwände abwaschen, was einen erhöhten Zylinderverschleiß und einen erhöhten Ölverbrauch zur Folge hat.
Ein Ergebnis des Einspritzens der obenbeschriebenen Flüssigkeit mit kontinuierlicher Einspritzung besteht darin, daß ein Teil der Flüssigkeit durch die Überlappung aus dem Auspuffrohr 16 ausströmt, während bei der bekannten Einrichtung dies von der zeitlichen Beziehung zwischen der Ventilöffnung und dem Einspritzen der Zusammensetzung abhängt. Dies ist ein Vorteil, da bestimmte Flüssigkeiten das Nachbrennen im Auspuffrohr verbessern. Wenn eine katalytische Anlage vorhanden ist, wird das Nachbrennen in der katalytischen Anlage erheblich verbessert, d. h., daß der Wirkungsgrad der katalytischen Anlage verbessert wird. Durch Einstellen des Überlappungsintervalls zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen 14 und 17 ist es möglich, den Anteil der durch die Überlappung nach außen sich bewegenden Flüssigkeit zu erhöhen oder zu erniedrigen. Dies kann bei neuen Konstruktionen oder bei Ersetzung der Nockenwelle durch eine neue geschehen. Es kann auch durch Ändern des Abstandes zwischen dem Mundstück 23 und dem Auslaßventil 17 geschehen. Je länger der Abstand ist, desto kleiner ist der Anteil, der sich zum Auspuffrohr hinausbewegt.
In der Einleitung sind Probleme erwähnt worden, die bei der Verwendung einer katalytischen Anlage in Dieselfahrzeugen auftreten. Die Probleme sind die Rußbildung und die Entstehung von Stickstoffoxiden (NOx) Diese Probleme können dadurch gelöst werden, daß ein Peroxid oder eine Peroxoverbindung auf die gleiche Weise wie oben beschrieben zugeführt wird. Im "Statens teknologiska Institut", STI, Norwegen, sind an einem Dieselmotor Volvo Penta MDl Tests ausgeführt worden. Die Tests sind ohne Katalysator und Flüssigkeit (Test 1) sowie mit Katalysator in Kombination mit der Einspritzung einer Peroxide enthaltenden Flüssigkeit (Test 2) ausgeführt worden. Die Zusammensetzung der Flüssigkeit in diesem Test waren 10% einer 7 %igen Wasserstoffperoxid-Lösung und 90% Ethanol. Der Hauptteil des Diesels war in diese Fall durch die flüssige Zusammensetzung ersetzt.
Es wurden folgende Ergebnisse erzielt: CO CO&sub2; HC NOx Ruß Bosch Test
Es ist zu bemerken, daß der Dieselmotor mit großem Luftüberschuß und hoher Verbrennungstemperatur arbeitet. Dennoch sind die NOx-Emissionen reduziert worden. Der Wirkungsgrad des Motors wird nicht geändert.
Das Verhältnis der flüssigen Zusammensetzung relativ zu gewöhnlichem Kraftstoff kann in einem Bereich zwischen einigen Zehntel Prozent bis zu nahezu 100% liegen. Im letzteren Fall würde der Hauptanteil Alkohol sein, der wie in einem "Otto-Motor" ohne Rußbildung verbrannt würde.
Diese Erfindung ist nicht auf Dieselmotoren eingeschränkt. Sie findet auch Anwendung auf sämtliche Typen von Verbrennungsmotoren wie beispielsweise Benzinmotoren.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Verbrennung in Verbrennungsmotoren zur Reduzierung des Gehaltes an schädlichen Komponenten in den Abgasen, wobei eine flüssige Zusammensetzung, die ein Peroxid oder eine Peroxoverbindung enthält, in den Verbrennungsraum (13) eines Zylinders des Motors oder in die Nähe des Kopfes des Einlaßventils (14) eingespritzt wird und wobei die Einlaß- und Auslaßventile überlappen, wenn der Motor vom Auspuffin den Ansaughub übergeht, so daß sich ein Teil der flüssigen Zusammensetzung durch das Auslaßventil (17) bewegt, wenn das Einlaßventil und das Auslaßventil überlappen, wodurch ein verbessertes Nachbrennen sowohl im Auspuffrohr (16) als auch gegebenenfalls in einer katalytischen Anlage bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung der flüssigen Zusammensetzung kontinuierlich erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Zusammensetzung durch eine Zufuhrleitung (21) zugeführt wird, deren Mundstück in der Verbrennungskammer (13) des Motors oder in deren Nähe angeordnet ist, wobei die Zufuhrleitung (21) in einer Leitung (22) für ein Medium angeordnet ist, dessen Druck sich von dem Druck am Mundstück der Zufuhrleitung (21) unterschiedet, wodurch die zugeführte Flüssigkeit zerstäubt und weiterbefördert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Zusammensetzung zerstäubt und so geführt wird, daß sie sowohl zur Verbrennungskammer als auch in enger Nachbarschaft des Auslaßventils (17) verteilt wird, welches aufgrund der Überlappung wenigstens während eines Teils der Einlaßphase offen ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Zusammensetzung wenigstens 0,001% eines Peroxids oder einer Peroxoverbindung enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,1-35% Peroxid oder Peroxoverbindungen enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Zusammensetzung bis zu 99% eines aliphatischen Alkohols mit 1-8 Kohlenstoffatomen enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie 10-95% Alkohol enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 6-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkohol aus Ethanol besteht.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gewöhnliche Kraftstoff vollständig oder teilweise durch die flüssige Zusammensetzung ersetzt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein wesentlicher Teil der flüssigen Zusammensetzung aus Alkohol, vorzugsweise Ethanol, besteht.