DE7500118U

DE7500118U - Vorrichtung zum Erzeugen eines Kraftstoffgemisches für einen Verbrennungsmotor

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Publication number: DE7500118U
Application number: DE7500118U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-01-05
Publication date: 1975-07-10

Description

Herr Peter James William AYRES, 4 Nightingale Crescent, West Horsley, Leatherhead , Surrey, England

Vorrichtung zum Erzeugen eines Kraftstoffgemisches für einen Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Kraftstoffgemisches für einen Verbrennungsmotor, mit der es möglich ist, einen Teil der Verbrennungswärme, die von einem bei einem Verbrennungsmotor benutzten Kraftstoff entwickelt wird, in kinetischer Energie umzusetzen.

Es ist bekannt, daß übliche Verbrennungsmotore brennbare Kohlenwasserstoffprodukte mit einfm Wirkungsgrad von 26-2896 in mechanische Bewegungsenergie umsetzen. Die Abgase solcher Motore oder Maschinen enthalten wegen unvollständiger Verbrennung unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid. Außerdem enthalten die Abgase wegen der während des Verbrennungsvorgangs entstehenden Dissoziationstemperaturen Stickstoffoxide. Diese Stick-

der stoffoxide bewirken eine weitere Verringerung / für eine vollständige Verbrennung der Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe benötigten Menge Sauerstoff. Bei Verwendung optimaler Brennstoff-Luft-Gemische ergibt sich eine

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Überhitzung des Motors aufgrund von schlechtem Wärmeaustausch und schlechter Wärmeableitung. Deshalb ist es üblich, das Gemisch mit Brennstoff anzureichern, was jedoch zu einem verminderten Wirkungsgrad führt.

Unter idealen Bedingungen führen die chemischen Reaktionen bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen in Luft dazu, daß der Wasserstoff in sein Oxid, nämlich Wasser, und der Kohlenstoff in sein Oxid, nämlich Kohlendioxid, umgesetzt wird. Um dies zu erreichen, muß ausreichend Sauerstoff für den vollständigen Verbrennungsvorgang zur Verfügung stehen. Die unter diesen Bedingungen erreichten hohen Temperaturen neigen zu einer Dissoziation des in der Luft befindlichen Stickstoffes und zum Erzeugen von Stickstoffoxiden. Es ist das vergrößerte Volumen an Verbrennungsprodukten bei der erhöhten Temperatur, das in mechanische Bewegungsenergie umgesetzt wird. Mehr als 45% der Nutzwärme des Brennstoffe* gehen in bzw. mit den Abgasen verloren. Wenn ein Teil dieser Wärme zu einem vergrößerten Massenvolumenprodukt des Verbrennungsprozesses umgesetzt werden könnte, ergäbe sich eine verbesserte Gesamtumsetzung der Verbrennungsenergie zu mechanische^ Energie.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors durch Umwandlung eines Teils der Verbrennungswärme/kinetische Energie zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff benutzt, der Wasser als Tröpfchendispersion enthält, die durch wenigstens einen Oberflächenbildner (Surfactant) stabilisiert ist, wobei der Kohlenwasserstoff als kontinuierliche bzw. beständige Phase des

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- 3 Zwei-Phasen-Gemisches (Emulsion) beibehalten wird.

Erfindungsgemäß wird Wasser in Kohlenwasserstoff-Brennstoffen in Form von Tröpfchen, die mittels eines Oberflächenbildners stabilisiert sind,suspendiert. Das Wasser kann in einer Menge bis zu 25 Vol.96 zugegeben werden. Wenn diese Suspension in di«% Verbrennungskammer des Motors eingespritzt bzw. in derselben zerstäubt wird, enthält es von brennbarem Kohlenwasserstoff-Brennstoff umgebene Wassertröpfchen. Dadurch ergibt sich eine wirkungsvolle Wärmeübertragung vom gezündeten Brennstoff zu den Wassertröpfchen, die verdampfen und ein zusätzliches Massenvolumen zu den Verbrennungsprodukten bilden. Außerdem vermindert die Verdampfungswärme die Verbrennungstemperatur, wodurch die Bildung von Stickstoffoxiden reduziert wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Zuführen eines Kraftstoffgemisches in einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, die getrennte Einrichtungen zum Zuführen von drei Komponenten des Kraftstoffgemisches, nämlich Wasser, ein Kohlenwasserstoff und ein Oberflächenbildner, eine die drei Komponenten in einem vorbestimmten Volumenverhältnis fördernde Dosierpumpe, einen Emulgator zum Beibehalten des Kohlenwasserstoffs als kontinuierliche bzw. beständige Phase mit Wasser als Tröpfchendispersion im Zwei-Phasen-Gemisch und Einrichtungen zum Einspritzen oder Zerstäuben der entstehenden Emulsion in die Verbrennungskammer des Motors aufweist.

Eine abgewandelte Ausführungsform umfaßt Einrichtungen zum Kühlen der Maschinen- bzw. Motorabgase und Einrichtungen zum Rückführen des Wassergehaltes der sich ergebenden kondensierten Gase zur Zuführeinrichtung für

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die Wasserkomponenten des Kreftstoffgemisches.

Die Erfindung führt im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren zu folgenden Vorteilen: Verbesserter Verbrennungswirkungsgrad mit verringertem Restgehalt an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxiden der Abgase; verminderte Temperaturen der Verbrennungskammer und damit eine verringerte Entstehung von Stickstoffoxiden; verstärkte Übertragung bzw. Umsetzung von Wärmeenergie zu mechanischer Bewegungsenergie und Kraftstoffersparnis von wenigstens 25%,

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert,und zwar zeigt

Fig. 1 eine Schemazeichnung der einzelnen Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Dosierpumpe,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Emulgators,

Fig. 4 ein andere:? Ausführungsbeispiel des Emulgators,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des Abgaskühlers und

Fig, 6 eine Zusammenbauzeichnung der Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 sind drei Behälter A, B und C für Wasser, einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff und einen Oberflächenbildner vorgesehen. Diese Behälter sind an eine Dosier- und Druckpumpe angeschlossen, welche diese drei Komponenten in einem vorbestimmten Verhältnis zugemessen zu

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e: nem Emulgator E pumpt. Das Emulgieren kann durch mechanisches Mischen oder durch eine Ultraschalldispersion bzw. -zerstäubung erreicht werden. Der emulgierte Kraftstoff gelangt in einen Vergaser oder in eine für den betreffenden Motor geeignete Kraftstoffeinspritzvorrichtung F. Bei bestimmten Anwendungen können die Abgase des Motors G durch einen Abgaskühler H geleitet werden, in welchem ein Teil des im Abgas befindlichen Wassers kondensiert und dann zum Behälter A zurückgeführt werden kann.

Das im Kraftstoffgemisch enthaltene Wasser ist destilliertes Wasser, durch Austausch&ntionisiertes Wasser oder durch Kondensation der Abgase gewonnenes Wasser.

Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff kann eine niedrige, mittlere oder hohe Oktanzahl haben und ist für fremdgezündete Verbrennungsmotore geeignet. Für Motore bzw. Maschinen mit Verdichtungs- oder Eigenzündung können als Dieselkraftstoffe bekannte Schwerölprodukte verwendet werden. Auch sind Kerosin/Paraffin-Erdölprodukte als Kraftstoffe für Gasturbinen und Strahltriebwerke mit kontinuierlicher Kraftstoffeinspritzungsverbrennung verwendbar.

Der Oberflächenbildner kann ein Lipophil eines komplexen Esters oder Ester-Äthers sein. Diese werden unter der Handelsbezeichnung SPANS von der Atlas Chemicel Corporation,USA, vertrieben.

Der Oberflächenbildner kann auch ein Hydrophil sein. Solche Verbindungen sind die verschiedenen oben genannten Lipophile mit Zusatz an PoIyoxyäthylenketten

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zu den nichtveresterten Hydroxlen. Diese Stoffe werden von der Atlas Chemical Corporation,USA, unter der Handelsbezeichnung TWEENS vertrieben.

Die oben beschriebenen Oberflächenbildner werden dem Wasser-Brennstoff-Gemisch in einer Konzentration von 0,5 bis 2,096 zugegeben,was vom Emulgierverfahren abhängt. Vorzugsweise werden die Hydrophile und Lipophile zum Erzielen eines Hydrophil/Lipophil-Gleichgewichts (HLB) von 4,8 bis 5,2 vorgemischt. Es wurde festgestellt, daß dieser Bereich zum Aufrechterhalten eines stabilen Systems mit dem Kohlenwaaserstoff-Brennstoff als kontinuierliche bzw. beständige Phase am meisten geeignet ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Dosierpumpe besitzt drei zylindrische, konzentrische Kammern A',B^f und C. Die Volumina dieser Kammern sind so gewählt, daß sie Verdrängungsvolumina für das jeweils richtige Verhältnis für Kohlenwasserstoff-Brennstoff (Kammer A¹), Wasser (Kammer B^f) und OberfEchenbildner (Kammer C) bilden. Für den Oberflächenbildner ist ein Einlaß D¹, für den Kohlenwasserstoff-Brennstoff ein Einlaß E' und für Wasser ein Einlaß F¹ vorgesehen. Außerdem ist jede Kammer der Dosierpumpe mit einem Auslaß G¹,H¹ und I* versehen. Der obere Zylinderteil der Dosierpumpe wird von einem Elektromotor J¹ über einen Zahnstangen-Ritzel-Trieb K¹ mit vorgeschalteter Schlupfkupplung L¹ angetrieben. Der Schlupfdruck und daher der Förderdruck der Dosierpumpe wird mittels einer Rändelmutter M¹ und einer Feder N¹ eingestellt. Ein auf jeweils eine Endlage vorzuspannender Schalter 0* bestimmt die Motordrehrichtung, wobei sein Schalterhebel P' durch Begrenzungsstifte Q¹ verstellbar ist. Rückschlagventile R' gewährleisten, daß die Störungsmittel nur in einer Richtung strömen. Diese

Dosierpumpe liefert die Komponenten des Kraftstoffgemisches nach Bedarf der Maschine im richtigen Volumenverhältnis. Nach dem Abschalten stehen die Strömungsmittel nicht länger unter Druck, so daß keine nichtemulgierten Flüssigkeiten in das Kraftstoffsystem der Maschine gelangen können.

Der in Fig. 3 dargestellte mechanische Emulgator besitzt einen Elektromotor A^M, der mit einer Emulgierkananer B" verbunden ist und einen Flügelrotor C" mit 8.000 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute antreibt. Einlasse D",E" and F" sind mit den Auslassen G', H¹ fczw. I¹ der Dosierpumpe verbunden, so daß die von der Dosierpumpe geförderten Komponenten in eine Kammer G" und zum Flügelrotor C^M strömen, wo ein Mischen und Emulgieren stattfindet. Das emulgierte Gemisch gelangt in eine Kammer H" mit einem Auslaß I". An die Kammer H"

der ist außerdem ein Rückführkanal J" angeschlossen,/bei geringem Kraftstoffbedarf einen Druckaufbau verhindert. Aufgrund des schlechten Umsetzungsvirkungsgrades ist der mechanische Emulgator nicht für den Durchstrom großer Kraftstoffmengen geeignet (Motorantrieb mit 60 Watt für einen maximalen Kraftstoffdurchstrom von ungefähr 14 Liter/Stunde).

Der in Fig. 4 dargestellte Ultraschall-Emulgator besitzt innerhalb einer aus Kunststoff bestehenden Kammer B¹" einen hohlen Halbwellen-Exponential-Trichter A¹" aus einer Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung. Der Trichter A¹¹¹ ist mit einem silberbeladenen Epoxyharz mit zwei piezoelektrischen keramischen Blei-Zirkon-Titanat-Ringen C" verklebt, wobei sich eine Knotenplatte D"¹ zwischen diesen Ringen befindet. Ein ViertelwellenTBlock E"¹ aus Edelstahl bildet einen akustischen

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Reflektor. Die Auslässe G¹,H^! und I' der Dosierpumpe münden in Einlasse F"',G"¹ und H"¹. Die Komponenten des Kraftstoff-Gemisches strömen durch den Trichter A"·, wo die Emulgierung unter Einfluß von Ultraschallwellen stattfindet, die von den piezoelektrischen keramischen Ringen C"¹ eraigt werden, wenn diese durch einen an Klammern J^tM und K"¹ angeschlossenen transistorisierten Oszillator erregt werden. Der nicht dargestellte Oszillator wird auf die maximale Amplitude des mit dem Trichter A^MI ausgerüsteten Umwandleis abgestimmt. Das enmlgierte Produkt fließt durch einen Ausfluß I"¹ ab.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Abgaskühler werden die Abgase durch eine Kammer A"" geleitet, in der ein Teil der Abgaswärme zum Verdampfen des in einer Kammer B"" befindlichen Kühlmittels benutzt wird. Das Kühlmittel wird nach Kondensation in einer Rohrschlange C"" zum Entspannen in eine Rohrschlange D"" geführt, mit deren Hilfe die in der mit Leitblechen versehenen Kammer E"" befindlichen Abgase weitergekühlt werden. Das dabei aus den Motorabgasen gewonnene kondensierte Wasser wird durch einen Auslaß F"" in den Wasserbehälter A (siehe Figur 1) geleitet.

Der Kühlungswärmetauscher hat eine für Wärmebetrieb übliche Bauweise.

Aus Fig. 6 ist zu erkennen, wie die einzelnen Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur einer Baueinheit zusammengebaut sind.

Die Vorrichtung besitzt eine Dosierpumpe D, an deren eine£ Ende ein Antrieb D.1 und an deren anderes Ende ein Emulgator E angebaut ist. An den Ultraschall-Emulgator E ist/nicht dargestellter Weise sin Abgaskühler -bei-

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spielsweise gemäß Fig. 5 - und eine ebenfalls nicht dargestellte Einspritzeinrichtung angebaut.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist der Antrieb D.1 der Dosierpumpe D ein Solenoidantrieb mit einem feststehenden Weicheisen-Gehäuse D.1.1, einer an diesem angebrachten Spule D.1.2 und einem axial verschiebbaren Weicheisen-Kern D.1.3» der mit dem bewegbaren Teil D.1.4 der Dosierpumpe D au^feinem Stück besteht. Auf dem verschiebbaren Weicheisen-Kern D.1.3 ist eine konische Spiral-Druckfeder B.1.5 angeordnet, welche den Weicheisen-Kern D.1.3 gewöhnlich aus der Spule D.1.2 herausschiebt. Daher genügt es, für einen Saughub der Dosierpumpe D die Spule D.1.2 zu erregen und für die Gegenbewegung die Erregung der Spule D.1.2 aufzuheben, weil die Druckfeder D.1.5 nach Beenigung der Erregung der

den

Spule/von der Spule zunächst angezogenen Weicheisen-Kern D.1.3 aus dieser wieder herausschiebt.

Aufgrund dieser Bewegungen werden die Komponenten des Kraftstoff-Gemisches in der in Verbindung mit Fig. 2 erläuterten Weise durch die Rückschlagventile R· angesaugt bzw. an den Emulgator E weitergegeben und schließlich als Kraftstoffgemisch in die Brennkammer des Verbrennungsmotors eingespritzt.

Die Dosierpumpe D enthält drei Saug- und Druck-Bälge D.1.6, D.1.7 und D.1.8, deren Verdrängungsvolumina sich so zueinander verhalten wie das gewünschte gegenseitige Verhältnis des Oberflächenbildners, Brennstoffs und Wassers.

Die drei so abgemessen geförderten Komponenten strömen zum piezoelektrischen Ultraschall-Emulgator E, in dem

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die Emulgierung erzielt wird. Das emulgierte Kraftstoff gemisch verläßt die Kammer B"' des Emulgators E durch den Auslaß I¹" und gelangt schließlich in die nicht dargestellte Einspritzeinrichtung.

Die Dosierpumpe D wird mittels sich wiederholender rechteckiger Impulse angetrieben, die von einem üblichen integrierten Schalt-»-kreis geliefert werden, wobei die Spiral-Druckfeder D.1.5 für den Gegenhub sorgt. Die Hublänge ist mit der vom Verbrennungsmotor G benötigten Menge Kraftstoffgemisch veränderbar.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 6 hat den Vorteil, daß sie kompakt und klein ist und nur wenige und einfache bewegbare Teile besitzt. Die gesamte Vorrichtung kann mittels gedruckter integrierter Schaltungen verläßlich für lange Zeit bei einfacher Unterhaltung betrieben werden. Eine Sicherheitsblockierung der Schaltung kann gegen Fehler bei der Brennstoffzufuhr und gegen ein Ausfallen des Emulgators schützen.

Das folgende Beispiel illustriert die automatische Betriebsfolge bei Anwendung üblicher Detektoren und digitaler Steuersignale:

Während der ersten zwei Minuten Betriebszeit wird Brennstoff allein gefördert, woraufhin die Vorrichtung auf die Abgabe eines Kraftstoff-Gemisches umschaltet. Falls die Zufuhr von Brennstoff oder Oberflächenbildner ausfällt, wird die weitere Zufuhr von Wasser unterbrochen und für zwei Minuten, nachdem die Zufuhr von Brennstoff oder Oberflächenbildner wieder in Ordnung gebracht worden ist, wiederum nur Brennstoff zugeführt. Die Antriebsimpulse für die Dosierpumpe werden nur er-

zeugt, wenn der Umwandler des Emulgators in Resonanz schwingt. Falls der Umwandler ausfällt, wird die Wasserzufuhr unterbrochen. Die Wasserzufuhrsteuerung ist mit einem Warnlicht versehen, das zwei Minuten nach Abschalten der Wasserzufuhr an der Steuertafel der Vorrichtung aufleuchtet oder zu blinken beginnt. Diese Zeitverzögerung ermöglicht normale Wasser-Abschaltzeiten nach dem Einschalten der Vorrichtung,

Beispiel eines Kraftstoffgemisches:

Lipophil 1,8 %;

Hydrophil 0,2 %<,

Wasser 25,096;

Kohlenwasserstoff-Brennstoff hoher
Oktanzahl 73,0%.

Die lipophilen und hydrophilen Ester werden getrennt voneinander gemisch: und die sich dadurch ergebenen Lösungen mittels eines mechanischem Emulgators kombiniert. Das entstandene Gemisch wurde auf -15⁰C abgekühlt, ohne daß sich ein Anzeichen füi* eine physikalische Trennung zeigte. Dieses Gemisch wurde in einem Kraftfahrzeug-Verbrennurgsmotor von 1598 ecm Hubraum verwendet. Nach Versuchsläufen ergaben sich folgende Vergleichsversuchs-Betriebswerte:

Hochoktaniger Brennstoff 33,4 m.p.g.;

2596 Wasser/OberObhen-

bildner/hochoktaniger

Brennstoff 36,6 m.p.g..

In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck "Massenvolumenprodukt¹¹ die gesamte Molekularmasse der gasförmigen Verbrennungsprodukte. Der Auedruck " Oberflächenbildnerⁿ oder "Surfactant" bezeichnet ein Mittel, das das Einhüllen von Wassertröpfchen mit Brennstoff begünstigt.

Scnutzansfrrüche

G/K

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Claims

1.) Vorrichtung zum Erzeugen eines Kraftstoffgemisches für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß sie getrennte Einrichtungen (A,B,C) zum getrennten Zuführen von drei Komponenten eines im Verbrennungsmotor zu verbrennenden Kraftstoffgemisches, nämlich Wasser, Kohlenwasserstoff und Oberflächenbildner, in die Brennkammer des \&*brennungsmotors_; eine zum Zuteilen der drei Komponenten in einem vorbestimmten Volumenverhältnis bestimmte Dosierpumpe (D), einen Emulgator (E) zum Beibehalten des Kohlenwasserstoffs als kontinuierliche bzw. beständige Phase mit Wasser als Tröpfchendispersion in dem Zwei-Phasen-Gemisch und eine Einrichtung (F) zum Einspritzen oder Zerstäuben der entstehenden Emulsion in die Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors (0) aufweist.

2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (H) zum Kühlen der Abgase des Verbrennungsmotors (G) und eine Einrichtung zum Rückführen des in dem sich ergebenden kondensierten Gas befindlichen Wassers zu der Zuführeinrichtung (A) für die Wasserkomponente des Kraftstoffgemisches aufweist.

3.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mechanischen Emulgator (E) aufweist.

4.) Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Emulgator (E) in einer von den drei mit-

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einander vermischten Komponenten durchströmten Kammer (G",H") einen antreibbaren Rotor (C") enthält.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß si·, einen Ultraschall-Emulgator (E) aufweist.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Emulgator (E) in einer geschlossenen Kammer (B"¹) ein in Schwingungen zu versetzendes f von den drei miteinander vermischten Komponenten durchströmtes Horn (A"¹) besitzt.

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