EP1151189A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines kraftstoffgemischs für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines kraftstoffgemischs für eine verbrennungskraftmaschine

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EP1151189A1
EP1151189A1 EP99973560A EP99973560A EP1151189A1 EP 1151189 A1 EP1151189 A1 EP 1151189A1 EP 99973560 A EP99973560 A EP 99973560A EP 99973560 A EP99973560 A EP 99973560A EP 1151189 A1 EP1151189 A1 EP 1151189A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
emulsifier
water
mixture
circuit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99973560A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudolf Thaler
Karlheinz Matheusser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Spritex Technologies Inc
Original Assignee
Spritex Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Spritex Technologies Inc filed Critical Spritex Technologies Inc
Publication of EP1151189A1 publication Critical patent/EP1151189A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0228—Adding fuel and water emulsion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0221—Details of the water supply system, e.g. pumps or arrangement of valves
    • F02M25/0225—Water atomisers or mixers, e.g. using ultrasonic waves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/0227—Control aspects; Arrangement of sensors; Diagnostics; Actuators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for producing a fuel mixture containing a fuel, water and an emulsifier for an internal combustion engine.
  • the invention further relates to an add-on kit for producing a fuel mixture containing a fuel, water and an emulsifier, which is suitable for retrofitting in a existing fuel circuit of an internal combustion engine is suitable.
  • organic fuels for internal combustion engines in particular diesel fuel
  • water in order to reduce fuel consumption and to achieve more favorable exhaust gas values.
  • an emulsifier can also be added. be added, which reduces the interfacial tension between the water and the fuel droplets.
  • a method for producing a mixture of diesel fuel and water is known from US Pat. No. 5,904,121, in which diesel fuel and water are drawn in from a diesel or water tank by a fuel pump and mixed with one another in a mixer.
  • the fuel mixture enters a fuel circuit, from which a fuel collector takes part of the mixture and feeds it to an internal combustion engine.
  • the remaining part of the mixture is temporarily stored in an excess container arranged behind the fuel collector.
  • a controller controls the fuel pump and a shut-off valve, which is arranged in the suction line leading to the water tank, depending on a large number of engine parameters, such as Speed and engine temperature.
  • the mixing ratio between diesel fuel and water is largely determined by the geometry of the mixer. However, the actual mixing of the two components to form a homogeneous mixture only takes place in the fuel pump arranged in the fuel circuit.
  • a method is known from WO 98/13596 in which the water content of a mixture of fuel and water stored in a tank is further increased by admixing water.
  • a pump pumps the mixture from the tank into a fuel circuit.
  • the mixture is mixed again in a mixer and then fed to the internal combustion engine, which takes the amount of fuel mixture it needs from the fuel circuit.
  • a water tank turns into additional water that leads to the fuel circuit Fuel line supplied. The amount of water added in this way is based on certain engine parameters and / or on the delivery rate of the pump.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for generating a fuel mixture containing a fuel, water and an emulsifier for an internal combustion engine, which are simple to implement in terms of construction and control technology.
  • the object of the invention is also to provide a kit for generating a fuel mixture containing a fuel, water and an emulsifier, which is suitable for retrofitting in an existing fuel circuit of an internal combustion engine, in which a constant fuel volume flow generating fuel pump for circulating the Fuel is arranged in the fuel circuit and a removal device for removing fuel from the fuel circuit and supplying the withdrawn fuel to a consumer.
  • the kit should also have a simple design. In addition, it should be ensured that the internal combustion engine works without problems even when water and emulsifier are added.
  • this object is achieved in that the fuel mixture is circulated in a fuel circuit with the aid of a mixture pump, which generates a preferably constant fuel mixture volume flow.
  • Fuel mixture is removed from the fuel circuit at a removal device and fed to a consumer.
  • a removal device On a, seen in the direction of flow, behind the removal device and in front of the mixture pump arranged due to the there, by removing the fuel mixture resulting in negative pressure, fuel is drawn in from a fuel tank connected to the supply device and fed to the fuel circuit.
  • the volume flow of the fuel drawn from the fuel tank and supplied to the fuel circuit is measured by a measuring device.
  • the supplied fuel or the fuel mixture circulated in the fuel circuit is mixed with water and emulsifier in a mixer.
  • the object is achieved in that a fuel circuit is provided for the fuel mixture, in which are arranged:
  • a mixture pump generating a preferably constant fuel mixture volume flow for circulating the fuel mixture in the fuel circuit
  • a removal device for removing fuel mixture from the fuel circuit and supplying the removed fuel mixture to a consumer
  • a seen in the flow direction, arranged behind the removal device and in front of the mixture pump for supplying fuel from a fuel tank connected to the supply device into the fuel circuit, a measuring device for measuring the volume flow of the fuel supplied to the fuel circuit from the fuel tank.
  • the device also has:
  • control device for controlling the amount of water and emulsifier mixed in the mixer as a function of the fuel volume flow measured by the measuring device.
  • the object is achieved by a device which has:
  • an emulsifier tank from which the mixer can be supplied with emulsifier
  • a seen in the flow direction, to be arranged behind the removal device and upstream of the mixture pump for supplying fuel from a fuel tank to be connected to the supply device into the fuel circuit a measuring device for measuring the volume flow of the fuel supplied to the fuel circuit from the fuel tank,
  • control device for controlling the amount of water and emulsifier mixed in the mixer as a function of the fuel volume flow measured by the measuring device.
  • the method according to the invention allows the amount of fuel, water and emulsifier supplied to the fuel circuit to correspond to the amount of the fuel mixture withdrawn at the removal device.
  • This compensation is completely independent, i.e. without external control, a. If only part of the removed fuel mixture were replaced, this would gradually lead to the fuel circuit being completely emptied. However, this does not allow a mixture pump that generates a constant fuel mixture volume flow.
  • the self-regulation of the total amount of the mixture fed thus ultimately goes back to the negative pressure generated on the suction side of the mixture pump, while maintaining the desired mixing ratio of the mixture supplied control device cooperating with the measuring device is responsible.
  • the method according to the invention has the advantage that it can be carried out on the basis of an existing fuel circuit, which is modified by installing a kit.
  • the existing fuel circuit is only cut at three points and connected to the corresponding connection points of a kit.
  • the control device of the add-on kit does not need any data from the control of the existing fuel circuit or a central control of the internal combustion engine, at least when a constant mixing ratio is desired. This eliminates complicated and error-prone interventions in the existing control systems.
  • the method according to the invention is of course also advantageous if the method is not designed and manufactured from the outset in accordance with the invention, not with the aid of a fuel circuit expanded by an add-on kit.
  • the control device can then be part of a central control of the internal combustion engine, for example.
  • On the basis of the measurement of the fuel actually supplied to the fuel circuit it is particularly easy to derive the amounts of emulsifier and water to be added in order to obtain the desired mixing ratio of the fuel mixture.
  • the amount of water supplied is always determined on the basis of a large number of other parameters, for example from the power of the mixture pump or certain operating variables of the internal combustion engine, such as speed and temperature etc. This is not only more complex, but also less precise and therefore does not allow a constant mixture ratio to be maintained.
  • the method according to the invention does not exclude changing the mixing ratio as a function of other quantities.
  • the control device with a temperature sensor.
  • the mixing ratio can be changed as a function of the temperature in the vicinity of the internal combustion engine, which can be useful, for example, when the internal combustion engine is cold started.
  • the control device is part of a central control of the internal combustion engine, it makes sense to start with the cooling water temperature, which is usually measured anyway, for this purpose.
  • the control device is part of a central control of the internal combustion engine, it makes sense to start with the cooling water temperature, which is usually measured anyway, for this purpose.
  • other dependencies are of course also possible.
  • the method according to the invention and the device according to the invention permit trouble-free operation of an internal combustion engine with the addition of up to about 50% by volume of water, with practically no loss of performance when about 30% by volume of water is added.
  • the volumes of the water and emulsifier mixed per unit of time are proportional to the measured fuel volume flow, so that the ratio of fuel, water and emulsifier in the fuel circuit is constant.
  • a proportional admixture of water and emulsifier makes it possible for the control device processing is very easy to do and completely does not interfere with existing control systems. Tests have shown that a constant mixture ratio leads to favorable consumption and exhaust gas values largely independently of the load on the internal combustion engine.
  • the admixture of water and emulsifier takes place via an injection valve in each case, at least after a minimum temperature has been exceeded, a predetermined volume of liquid is injected into the mixer with each injection process.
  • This type of admixing has the advantage over continuous admixing that a simple clock control can be used instead of a complicated analog valve control.
  • the injected liquid volumes can differ from one another below the minimum temperature, since the viscosities of water and emulsifier have different temperature dependencies.
  • the volume of liquid injected during each injection process is between approximately 0.4 ml and approximately 0.8 ml. It has been shown that Injection volumes in this area make it possible to use sufficiently robust injection valves and still achieve a sufficiently fine dosage.
  • the number of injection processes per unit of time is proportional to the measured fuel volume flow.
  • Such a proportional control leads to a constant ratio of fuel, water and emulsifier in the fuel circuit and is very easy to implement in terms of control technology.
  • the water or the emulsifier is preferably fed to the injection valves in each case via a pump which generates a constant pressure.
  • the constant pressure ensures that the same amount of liquid is actually injected each time an injection valve is opened.
  • Tests have shown that particularly favorable injection behavior can be achieved if the pressure generated by the pumps for the water and the emulsifier is at least 1.5 bar and preferably between about 7 and about 9 bar.
  • At least one of the pumps for the water and the emulsifier is in each case switched off when the time period between two injection processes exceeds a predeterminable amount. This ensures that the pumps do not generate unnecessary pressure and may overheat.
  • the control of the pumps and the injection valves is to be designed so that the respective pump starts up again in good time and generates the required pressure before a new injection process.
  • fluctuations in the quantity of fuel mixture contained in the fuel circuit are compensated for by temporarily storing the fuel mixture in an expansion tank, which, viewed in the direction of flow, is arranged behind the removal device and before the supply. Such fluctuations in the amount of fuel mixture can arise, for example, from delays during pressure equalization.
  • the fuel mixture in the expansion tank is vented, so that the pressure connection between the fuel mixture flowing out of the expansion tank and the mixture pump is interrupted.
  • this also defines a defined pressure reference point, which makes it independent of the conditions of an existing fuel circuit.
  • the expansion tank can be provided with a regulating device which, by regulating the quantity of fuel mixture flowing out of the expansion tank, sets a predeterminable fuel mixture volume in the expansion tank.
  • a regulating device which, by regulating the quantity of fuel mixture flowing out of the expansion tank, sets a predeterminable fuel mixture volume in the expansion tank.
  • the mixer is arranged between the feed and the mixture pump.
  • the arrangement within the fuel circuit ensures that the circulating fuel mixture is always new in the mixer is mixed, which prevents gradual separation of fuel and water.
  • the mixer has essentially the shape of a hollow cylinder in which two mixing chambers arranged one behind the other are separated from one another by a flow resistance.
  • An injection valve is assigned to each mixing chamber, through which water or emulsifier can be injected in the radial direction into the respective mixing chamber.
  • the emulsifier mixing chamber is preferably arranged in front of the water mixing chamber. It has been shown that a particularly good and long-lasting mixing of fuel with water can be achieved with such an arrangement of two injection chambers.
  • the measuring device for measuring the volume flow of the fuel supplied to the fuel circuit is designed as a rotary piston counter.
  • a rotary piston counter known per se has the advantage that it generates counting pulses which can be converted directly into corresponding clock pulses for the injection valves with the aid of a simple circuit.
  • Such a rotary piston counter also allows a very precise measurement with a low flow resistance.
  • the feed is essentially designed as a continuous channel with an input-side end and an output-side end, into which a nozzle opens at the side with an angle that is less than 90 °.
  • the input end is with the measuring device, the output end with the suction side the mixture pump and the nozzle connected to the pressure side of the mixture pump.
  • a heating device is provided with which at least part of the fuel circuit and / or tanks provided for storing the water and the emulsifier can be heated.
  • the heating device makes it possible to preheat the fuel circuit and / or the tanks at low ambient temperatures before starting up the internal combustion engine and thus to ensure trouble-free operation and a cold start.
  • the heating device can be switched on until the optimum operating temperature of the fuel circuit is reached.
  • Figure 1 shows a kit according to the invention before installation in a conventional fuel circuit shown below in a schematic representation.
  • FIG. 2 shows the fuel circuit from FIG. 1 after the installation of the add-on kit
  • Figure 4 is a vertical section through a mixer according to the invention in a simplified representation.
  • FIG. 5a shows a vertical section through an expansion tank according to the invention in a simplified representation
  • FIG. 5b shows the expansion tank from FIG. 5a with a higher fill level
  • Fig. 6 is a schematic sectional view of a feed that is part of a device according to the invention.
  • FIG. 1 shows on the lower half a conventional fuel circuit for an internal combustion engine, which is designated overall by 10.
  • a fuel tank 12 which can be, for example, diesel fuel or gasoline.
  • fuel pump 14 fuel is pumped out of the fuel tank 12 via a fuel line 16 and fed to a removal device 20 via a fuel filter 18.
  • the removal device 20 removes a portion of the circulating fuel from the fuel circuit 10 and feeds it to a consumer 22.
  • the removal device 20 can be a simple T-piece, but it can also be combined with the fuel filter 18 to form a unit.
  • consumer 22 can be designed, for example, as a carburetor or as an injection pump.
  • the fuel that is drawn from the tapping device after device 20 remains, is returned to the fuel tank 12 via a return.
  • the ratio between the withdrawn fuel flow and the fuel volume flow fed back into the fuel tank 12 depends on the current consumption of the internal combustion engine 24.
  • the fuel pump 14 is usually designed so that it generates a constant fuel mixture volume flow. As a result, even if the fuel consumption of the internal combustion engine 24 increases to its maximum value in a short time due to an increase in load, sufficient fuel is available to the consumer 22 without delay. At low load, in particular when the internal combustion engine is idling, only a small amount of fuel is drawn from the fuel circuit 10 by the removal device 20. The volume flow through the return 26 is then approximately as large as the volume flow through the fuel line 16.
  • connection points 32, 34 and 36 which can be, for example, the ends of hose or pipe sections.
  • the connection point 32 is intended to be connected to the fuel line 16 of the fuel circuit 18.
  • a measuring device 38 for measuring volume flows is connected to the connection point 32 and can be a rotary piston meter of known construction, for example.
  • the measuring device 38 is connected via a feed 40 to a mixer 42, the output of which is connected to the connection point 36.
  • the mixer 42 the structure of which will be explained in more detail below, has two mixing chambers into which the emulsifier and water can be injected.
  • an emulsifier tank 44 is provided, which is connected to an emulsifier injection valve 48 via an emulsifier pump 46. With the help of the emulsifier injection valve 48, a precisely definable amount of emulsifier can be injected into the first chamber of the mixer 42, as seen in the flow direction.
  • a water tank 50 is provided for storing water and is connected to a water injection valve 54 via a water pump 52. With the help of the water injection valve 54, water can be injected into the second mixing chamber of the mixer 42.
  • the two injection valves 48 and 54 and the pumps 46 and 52 are each connected to a control unit 58 via control lines 56. Measurement signals from the measuring device 38 can also be supplied to the control unit 58 via a further control line 60.
  • connection point 34 is connected to the feed 40 via an expansion tank 62, the structure and function of which is explained in more detail below.
  • the feed is a simple T-piece, in which the two volume flows coming from the connection points 32 and 34 flow together at an angle of 90 °.
  • the feed 40 according to FIG. 6 as a continuous channel 64, to which the line coming from the measuring device 38 is connected at its input-side end 65 and to the output-side end 66 of which the mixer 42 is connected
  • Compensating tank 62 coming line opens laterally via a nozzle 67 with an angle ⁇ , which is preferably less than 90 ° and can be, for example, in a range between approximately 60 ° and 89 °.
  • Both the through channel and the connecting piece which opens laterally preferably have the same cross section.
  • the fuel line 16 is first cut shortly before the fuel pump 14.
  • the open end of the fuel line 16 connected to the fuel tank 12 is connected to the connection point 32 of the kit, so that the fuel tank 12 is now connected to the measuring device 38.
  • the other open end of the fuel line 16 connected to the fuel pump 14 is connected to the connection point 36.
  • the return 26 is interrupted and the open end connected to the removal device 20 is connected to the connection point 34.
  • the fuel tank 12 has been removed from the fuel circuit 18, while the expansion tank 62, the feed 40 and the mixer 42 are now components of the fuel circuit.
  • the fuel circuit modified in this way is designated 68 below and is shown in FIG. 2.
  • the fuel mixture in the fuel circuit 68 is generated by the fuel pump 14, hereinafter referred to as a mixture pump circulated.
  • the mixture pump 14 As in the previous fuel circuit 18, the mixture pump 14 generates a constant fuel mixture volume flow.
  • the mixture pump 14 pumps the fuel mixture through the fuel filter 18, which should preferably be a metal filter, since paper filters swell due to the water content in the mixture and thus become unusable. If a paper filter was used in the previous fuel circuit 18, then this must be replaced with a metal filter when installing the accessory kit 30.
  • the fuel mixture volume flow required by the consumer 22 is removed from the fuel circuit 68.
  • This volume flow generally depends on a large number of engine parameters such as speed, engine temperature etc. and is not known to the control device 58.
  • the remaining, i.e. Volume flow not removed from the removal device 20 passes via the connection point 34 to the feed 40, at which point, for the sake of simplicity, the expansion tank 62, which is not essential for the basic principle of the method, is intended to be replaced by a straight piece of hose.
  • the measurement signals generated by the measuring device 38 pass through the control line 60 to the control device 58.
  • This 58 now controls the valves 48 and 54, as a result of which the emulsifier and water enter the mixing chambers of the mixer 42.
  • the ratio between the amount of fuel supplied to the fuel circuit 68, the injected emulsifier and the injected water is equal to the desired mixing ratio of the three components in the fuel circuit. This ratio is generally fixed, so that the control device only needs to know the amount of fuel actually supplied in order to be able to determine the amounts of emulsifier and water to be supplied.
  • valves 48 and 54 can be actuated in a clocked manner. All that is required for this is that the control device 58 stores how many injection cycles for water or emulsifier are required for a specific fuel volume flow.
  • FIG. 3 shows a graph which shows this relationship between the number of injection cycles and the number of counting pulses which are generated by a rotary piston meter measuring the fuel volume flow. Since the rotary piston counter generates discrete counting impulses, step functions result for the cycle numbers. In the graph is shown by the dashed lines made clear that the relationship between the clock numbers and the counts is proportional, ie a multiplication of the count pulses always leads to a corresponding multiplication of the clock numbers.
  • the mixing ratio between water and emulsifier in the fuel mixture corresponds to the ratio of the slopes of the lines shown in dashed lines and is closely independent of the number of counts and thus of the fuel supplied due to the proportionality mentioned.
  • the pressure drop on the suction side of the mixture pump 14 is reduced.
  • the amount of fuel that is, in a self-regulating manner is taken from the fuel tank 12, which, together with the injected emulsifier and water, corresponds to the amount of fuel mixture withdrawn at the removal device 20.
  • the function in order to be able to represent it better, has been represented in a sequence of mutually influencing individual steps.
  • these processes take place virtually simultaneously, so that even if the volume flow withdrawn at the removal device fluctuates, the corresponding amount of fuel, emulsifier and water is always immediately added to the fuel circuit without the need for external control .
  • the constant fuel mixture volume flow generated by the mixture pump 14 in the fuel circuit 68 so much fuel, emulsifier and water must always be supplied to the fuel circuit that the amount of the fuel mixture withdrawn is compensated.
  • the right ratio between the supplied fuel, emulsifier and water is determined according to the invention in that the amount of fuel supplied is measured and the amount of emulsifier and water supplied is specifically adapted to it.
  • a heating device which comprises a plurality of heating means 69 which can be arranged, for example, in the vicinity of the emulsifier tank 44, the water tank 50 and within the fuel circuit 68.
  • the heating means 69 are connected via control lines (not shown in FIG. 2) to the control device 58, which controls the heating means 69 as a function of the ambient temperature and / or the temperature of the fuel mixture.
  • Fig. 4 shows a simplified schematic sectional view of the structure of the mixer 42.
  • the mixer 42 essentially has the shape of a hollow cylinder, at the longitudinally opposite ends of which there are provided connecting pieces 70, via which the mixer 42 is connected to corresponding hoses or pipes 72 can.
  • a partition 74 is arranged in the interior of the mixer 42 perpendicular to the longitudinal direction and divides the interior of the hollow cylinder into two mixing chambers 76 and 78.
  • the partition 74 is provided with a plurality of openings and thus acts as a flow resistance for a liquid flow indicated by the arrows in FIG. 4.
  • the mixing chambers 76 and 78 should have the smallest possible volume, since a particularly homogeneous mixing can then be achieved.
  • the mixing chambers 76 and 78 must be large enough to accommodate the amount of emulsifier and water that Dri walls of the two mixing chambers 76 and 78 arranged injection valves 80 and 82 are injected into the mixing chambers 76 and 78.
  • the two injectors 80 and 82 can be controlled separately from one another via control lines 88 and 90 and each are designed such that they inject the same amount of liquid into the respective mixing chamber 76 or 78 with each injection process, provided that the liquid via the supply lines 84 and 86 at a constant pressure Valve is supplied.
  • the two injection valves 80 and 82 are preceded by pumps 46 and 52, which generate a defined constant pressure.
  • the respective pump starts up briefly before each injection process and builds up the necessary pressure.
  • the respective pump can be switched off immediately after the injection process. This switching on and off of the pumps prevents the pumps from overheating over time and being damaged in the process.
  • the pumps can be switched on and off as just explained in such a way that the pump is switched on and off for each injection process. In the case of a dense sequence of injection processes, however, this is associated with a large number of switch-on and switch-off processes. To avoid this, the two pumps can be operated in continuous operation, and they are only switched off when the time interval between two injection processes exceeds a predeterminable amount. In this way it is ensured that at least with a low fuel mixture draw, for example when idling the internal combustion engine, the pumps are at least largely switched off.
  • the expansion tank 62 enables a certain storage of the fuel mixture and compensation of short-term pressure fluctuations.
  • the fuel mixture emerges from the expansion tank at a largely constant, relatively low pressure, so that the emerging mixture can be brought together via the feed 40 with fuel coming from the fuel tank. Due to the uniform pressure, the vacuum present at the inlet of the mixer 42 has the effect that the portion of fuel which always corresponds to the volume removed by the consumer 22 together with the proportionally admixed water and emulsifier is always supplied at the feed 40.
  • the expansion tank also ventilates the fuel circuit.
  • FIGS. 5a and 5b A possible structure for an expansion tank is shown in FIGS. 5a and 5b.
  • the expansion tank 62 consists essentially of a cylindrical tank, which is provided on its upper side with a radially outwardly directed connection piece 100.
  • the fuel mixture coming from the removal device 20 flows into the expansion tank 62 via this connection piece 100.
  • An outlet 102 branches off from the center of the bottom surface of the expansion tank 62, via which fuel can flow out of the expansion tank to the feed 40.
  • the expansion tank 62 there is a float 104 which rises and falls together with the liquid level in the tank. A gap remains between the inner surface of the tank and the float so that fuel mixture on the float can flow.
  • the float 104 On its underside, the float 104 is provided with a shoulder 106, which at its end merges into a rod 108, the diameter of which is significantly smaller than the inside diameter of the outlet 102.
  • the extension 106 extends into the outlet 104 and closes it almost completely. Fuel mixture supplied via the connection piece 100 can therefore practically not flow off via the outlet 102 and consequently collects in the expansion tank 62. With the liquid level in the expansion tank 62 increasing, the float 104 rises until the attachment 106 finally releases the outlet 102. In this second float position, the rod 108 still extending into the outlet 102 ensures that the float 104 cannot tilt or can only tip slightly in the container. The fuel mixture can now exit the outlet 102, causing the float 104 to gradually lower again until it returns to the first float position and closes the outlet 102.
  • the expansion tank 62 is provided with a ventilation outlet 110 which, as indicated in FIG. 2, can be guided back into the fuel tank 12. Gas bubbles which form during the circulation of the fuel mixture can escape to the outside via the ventilation outlet 110. Pressure equalization is also created by the vent outlet 110, so that the fuel mixture flowing through the outlet 102 is only exposed to the hydrostatic pressure building up in the expansion tank 62. The process as such is not affected by the expansion tank 62.
  • the float 104 is in the second float position, ie the outlet 102 is open, fuel mixture is sucked out of the container by the mixture pump 14 until the float 104 finally returns to the first float position and closes the outlet 102. Only then does the above-mentioned negative pressure build up on the feed, due to which the fuel is sucked out of the fuel tank 12.
  • a device was realized on the basis of an existing fuel circuit with which a diesel engine of a motor vehicle was originally supplied with pure diesel fuel.
  • the fuel pump 14 of the fuel circuit 10 generates a fuel volume flow of 300 ml / min.
  • its control device 58 is set so that about 0.3 volume units of water and about 0.001 volume units of emulsifier are mixed in the mixing chamber 42 per volume of fuel supplied.
  • the fuel mixture circulated in the fuel circuit 68 thus consists of approximately 69% diesel fuel, 30% water and 1% emulsifier.
  • the emulsifier consists of a mixture of 60 vol.% Disponil 286 and 40 vol.% Rilanit GMO. Both Disponil 286 and Rilanit GMO are available from COGNIS, Henkel Avenue No 67, 40589 Düsseldorf. For the sake of completeness, it should be noted at this point that an opposite mixing ratio of the two components is preferred in gasoline engines.
  • the water injection valve 54 consequently operated up to thirty times more often than emulsifier injection valve 48.
  • Mixing chambers 76 and 78 of mixer 42 used each have a volume of 30 ml.
  • Emulsifier pump 46 and water pump 52 which are connected upstream of the injection valves, each generate a pressure of 9 bar.
  • the fuel mixture in the fuel circuit 68 heats up to approximately 50 ° C.
  • the maximum fuel volume flow measured by the measuring device 38 at full load of the diesel engine is 150 ml / min, while when the diesel engine is idling, this volume flow drops to 50 ml / min.
  • the starting behavior was perfect. This is attributed in particular to the fact that the circulating fuel mixture is mixed very intensively in the fuel circuit. Above all, even if a certain segregation of the fuel mixture should occur after prolonged interruptions in operation, despite the addition of emulsifier, sufficient mixing by the mixer 42 and the fuel filter 18 is already guaranteed during the starting process, so that reliable starting also after longer interruptions in operation. It is understood that the exemplary embodiments described above can be modified in a variety of ways. In particular, the expansion tank 62 can also be arranged at a different location within the fuel circuit 68 or can be omitted entirely if necessary.
  • the mixer 42 can in principle also be arranged at another location, for example between the mixture pump 14 and the fuel filter 18.
  • An arrangement of the mixer 42 between the measuring device 38 and the feed 40 is also conceivable.
  • an arrangement of the mixer 42 within the fuel circuit 68 has the advantage that the fuel mixture circulating in the fuel circuit is mixed again and again, thereby counteracting segregation of the components of the fuel mixture becomes.
  • the mixer 42 can also be combined with the fuel filter 18 to form a unit.
  • the injection of emulsifier and water does not necessarily have to take place in the mixer 42, but can also be carried out elsewhere in the fuel circuit 68. It is also possible, for example, to supply water and emulsifier between the removal device 20 and the consumer 22.
  • most of the above-mentioned alternatives cannot be implemented, or cannot be implemented easily, if an existing fuel circuit is to be expanded with the aid of a kit.
  • the invention is not restricted to the provision of existing fuel circuits; rather, the device shown in FIG. 2 can also be produced as a finished unit and installed, for example, in motor vehicles.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffgemisches aus Kraftstoff, Wasser und Emulgator für eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, bei dem durch eine in einem Kraftstoffkreislauf (68) angeordnete Gemischpumpe (14) sichergestellt wird, daß ein von der Verbrennungskraftmaschine (24) entnommenes Kraftstoffgemischvolumen stets durch ein gleiches Volumen an Kraftstoff, Wasser und Emulgator ersetzt wird. Die Menge des zugemischten Wassers und Emulgators und damit das Mischungsverhältnis der Komponenten im Kraftstoffgemisch bemißt sich nach dem von einer Meßeinrichtung (38) gemessenen Kraftstoffvolumenstrom, der durch die Gemischpumpe (14) aus dem Kraftstofftank (12) angesaugt wird. Das Verfahren gewährleistet einen störungsfreien Betrieb und erfordert keinen Eingriff in vorhandene Steuersysteme für den Verbrennungsmotor. Eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens läßt sich somit auf einfache Weise durch Einbau eines Zurüstsatzes (30) in einen vorhandenen Kraftstoffkreislauf aufbauen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Kraftstoffσemischs für eine Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines einen Kraftstoff, Wasser und einen Emulgator enthaltenden Kraftstoffgemischs für eine Verbrennungskraftmaschine- Die Erfindung betrifft ferner einen Zurüstsatz zum Erzeugen eines einen Kraftstoff, Wasser und einen Emulgator enthaltenden Kraftstoffgemischs, der für einen nachträglichen Einbau in einen vorhandenen Kraftstoffkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine geeignet ist.
Es ist seit einiger Zeit bekannt, organischen Kraftstoffen für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselkraftstoff, Wasser beizumischen, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und günstigere Äbgaswerte zu erzielen. Um die Mischbarkeit von Wasser und Kraftstoff zu verbessern, kann zusätzlich ein Emulgator zu- gefügt werden, der die Grenzflächenspannung zwischen den Wasser- und den Kraftstofftropfchen verringert.
Aus der US 5 904 121 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Ge- mischs aus Dieselkraftstoff und Wasser bekannt, bei dem Dieselkraftstoff und Wasser aus einem Diesel- bzw. Wassertank von einer Kraftstoffpumpe angesaugt und in einem Mischer miteinander vermischt werden. Das Kraftstoffgemisch gelangt in einen Kraftstoffkreislauf , aus dem ein KraftstoffSammler einen Teil des Gemischs entnimmt und einem Verbrennungsmotor zuführt. Der übrig bleibende Teil des Gemischs wird in einem hinter dem Kraftstoffsammler angeordneten Überschußbehälter zwischengespeichert. Eine Steuerung steuert die Kraftstoffpumpe und ein Absperrventil, das in der zum Wassertank führenden Saugleitung angeordnet ist, in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Motorparametern wie z.B. Drehzahl und Motortemperatur. Das Mischungsverhältnis zwischen Dieselkraftstoff und Wasser wird maßgeblich durch die Geometrie des Mischers bestimmt. Die eigentliche Durchmischung der beiden Komponenten zu einem homogenen Gemisch findet jedoch erst in der im Kraftstoffkreislauf angeordneten Kraftstoffpumpe statt.
Aus der WO 98/13596 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Wasseranteil eines in einem Tank gespeicherten Gemischs aus Kraftstoff und Wasser durch Zumischen von Wasser weiter erhöht wird. Bei diesem Verfahren befördert eine Pumpe das Gemisch aus dem Tank in einen Kraftstoffkreislauf . Dort wird das Gemisch nochmals in einem Mischer durchgemischt und dann dem Verbrennungsmotor zugeführt, der die von ihm benötigte Menge an Kraftstoffgemisch dem Kraftstoffkreislauf entnimmt. Aus einem Wassertank wird zusätzliches Wasser der zum Kraftstoffkreislauf führenden Kraftstoffleitung zugeführt. Die Menge des auf diese Weise hinzugefügten Wassers bemißt sich nach bestimmten Motorparametern und/oder nach der Fördermenge der Pumpe.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen eines einen Kraftstoff, Wasser und einen Emulgator enthaltenden Kraftstoffgemischs für eine Verbrennungskraftmaschine anzugeben, die konstruktiv und steuerungstechnisch einfach realisierbar sind. Aufgabe der Erfindung ist es außerdem, einen Zurüstsatz zum Erzeugen eines einen Kraftstoff, Wasser und einem Emulgator enthaltenden Kraftstoffgemischs anzugeben, der für einen nachträglichen Einbau in einen vorhandenen Kraftstoffkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine geeignet ist, in dem eine einen konstanten Kraftstoff- Volumenstrom erzeugende Kraftstoffpumpe zum Umwälzen des Kraftstoffs im Kraftstoffkreislauf und eine Entnahmeeinrichtung zur Entnahme von Kraftstoff aus dem Kraftstoffkreislauf und Zuführen des entnommenen Kraftstoffs an einen Verbraucher angeordnet ist. Der Zurüstsatz soll ebenfalls konstruktiv einfach aufgebaut sein. Darüber hinaus soll gewährleistet sein, daß die Verbrennungskraftmaschine auch bei Zumischung von Wasser und Emulgator störungsfrei arbeitet.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kraftstoffgemisch in einem Kraftstoffkreislauf mit Hilfe einer Gemischpumpe umgewälzt wird, die einen vorzugsweise konstanten Kraftstoffgemisch-Volumenstrom erzeugt. An einer Entnahmeeinrichtung wird dem Kraftstoffkreislauf Kraftstoffgemisch entnommen und einem Verbraucher zugeführt. An einer, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Entnahmeeinrichtung und vor der Gemischpumpe angeordneten Zuführung wird infolge des dort durch die Entnahme von Kraftstoffgemisch entstehenden Unterdrucks Kraftstoff aus einem mit der Zuführeinrichtung verbundenen Kraftstofftank angesaugt und dem Kraftstoffkreislauf zugeführt. Der Volumenstrom des aus dem Kraftstofftank angesaugten und dem Kraftstoffkreislauf zugeführten Kraftstoffs wird von einer Meßeinrichtung gemessen. In Abhängigkeit von dem von der Meßeinrichtung gemessenen Kraftstoffvolumenstrom wird dem zugeführten Kraftstoff oder dem im Kraftstoffkreislauf umgewälzten Kraftstoffgemisch in einem Mischer Wasser und Emulgator zugemischt.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Kraftstoffkreislauf für das Kraftstoffgemisch vorgesehen ist, in dem angeordnet sind:
— eine einen vorzugsweise konstanten Kraftstoffgemisch- Volumenstrom erzeugende Gemischpumpe zum Umwälzen des Kraftstoffgemischs im Kraftstoffkreislauf,
eine Entnahmeeinrichtung zur Entnahme von Kraftstoffgemisch aus dem Kraftstoffkreislauf und Zuführen des entnommenen Kraftstoffgemischs an einen Verbraucher,
eine, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Entnahmeeinrichtung und vor der Gemischpumpe angeordneten Zuführung zum Zuführen von Kraftstoff aus einem mit der Zuführeinrichtung verbundenen Kraftstofftank in den Kraftstoffkreislauf, einer Meßeinrichtung zum Messen des Volumenstromes des aus dem Kraftstofftank dem Kraftstoffkreislauf zugeführten Kraftstoffs.
Die Vorrichtung weist ferner auf:
einen Mischer zum Zumischen von Wasser und Emulgator sowie
eine Steuereinrichtung zur Steuerung der im Mischer zugemischten Menge von Wasser und Emulgator in Abhängigkeit von dem von der Meßeinrichtung gemessenen Kraftstoffvolumenstrom.
Hinsichtlich des Zurüstsatzes wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die aufweist:
einen Mischer zum Zumischen von Kraftstoff, Wasser und Emulgator,
einen Wassertank, aus dem dem Mischer Wasser zuführbar ist,
einen Emulgatortank, aus dem dem Mischer Emulgator zuführbar ist,
eine, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Entnahmeeinrichtung und vor der Gemischpumpe anzuordnende Zuführung zum Zuführen von Kraftstoff aus einem mit der Zuführeinrichtung zu verbindenden Kraftstofftank in den Kraftstoffkreislauf eine Meßeinrichtung zum Messen des Volumenstromes des aus dem Kraftstofftank dem Kraftstoffkreislauf zugeführten Kraftstoffs,
eine Steuereinrichtung zur Steuerung der im Mischer zugemischten Menge von Wasser und Emulgator in Abhängigkeit von dem von der Meßeinrichtung gemessenen Kraftstoffvolu- menstrom.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, daß die dem Kraftstoffkreislauf zugeführte Menge an Kraftstoff, Wasser und Emulgator der Menge des an der Entnahmeeinrichtung entnommenen Kraftstoffgemischs entspricht. Dieser Ausgleich stellt sich vollkommen selbständig, d.h. ohne externe Steuerung, ein. Würde nämlich nur ein Teil des entnommenen Kraftstoffgemischs wieder ersetzt, so würde dies nach und nach dazu führen, daß sich der Kraftstoffkreislauf vollkommen entleert. Dies läßt jedoch eine einen konstanten Kraftstoffgemisch-Volumenstrom erzeugende Gemischpumpe nicht zu.
Durch die Steuerung der Zumischung von Wasser und Emulgator in Abhängigkeit vom gemessenen Volumenstrom des zugeführten Kraftstoffes wird auf sehr einfache Weise sichergestellt, daß die Zuführung von Kraftstoff, Wasser und Emulgator stets im gewünschten Mischungsverhältnis erfolgt.
Die Selbstregulierung der Gesamtmenge des zugeführten Gemischs geht somit letztlich auf den an der Saugseite der Gemischpumpe erzeugten Unterdruck zurück, während für die Einhaltung des gewünschten Mischungsverhältnisses des zugeführten Gemischs die mit der Meßeinrichtung zusammenwirkende Steuereinrichtung verantwortlich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es sich auf der Basis eines vorhandenen Kraftstoffkreislaufs durchführen läßt, der durch Einbau eines Zurüstsatzes modifiziert wird. Beim Einbau wird der vorhandene Kraftstoffkreislauf lediglich an drei Stellen aufgetrennt und dort mit entsprechenden Anschlußstellen eines Zurüstsatzes verbunden. Die Steuereinrichtung des Zurüstsatzes benötigt zumindest dann, wenn ein konstantes Mischungsverhältnis gewünscht ist, keinerlei Daten von der Steuerung des vorhandenen Kraftstoffkreislaufes oder einer zentralen Steuerung des Verbrennungsmotors . Damit entfallen komplizierte und fehlerträchtige Eingriffe in die vorhandenen Steuerungssysteme .
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren freilich auch dann, wenn das Verfahren nicht mit Hilfe eines um einen Zurüstsatz erweiterten Kraftstoffkreislaufs, sondern der Kraftstoffkreislauf von vornherein gemäß der Erfindung konzipiert und hergestellt ist. Die Steuereinrichtung kann dann beispielsweise Bestandteil einer zentralen Steuerung der Verbrennungskraftmaschine sein. Aufgrund der Messung des tatsächlich dem Kraftstoffkreislauf zugeführten Kraftstoffs ist auf besonders einfache Weise ableitbar, welche Mengen an Emulgator und Wasser hinzuzufügen sind, um das gewünschte Mischungsverhältnis des Kraftstoffgemischs zu erhalten. Bei den bekannten Verfahren dieser Art wird die Menge des zugeführten Wassers hingegen stets auf der Grundlage einer Vielzahl anderer Parameter bestimmt, etwa aus der Leistung der Gemischpumpe oder bestimmten Betriebsgrößen des Verbrennungsmotors wie Drehzahl, Temperatur etc. Dies ist nicht nur aufwendiger, sondern auch ungenauer und erlaubt somit keine Einhaltung eines konstanten Gemischverhältnisses.
Das erfindungsgemäße Verfahren schließt allerdings nicht aus, das Mischungsverhältnis als solches als Funktion anderer Größen zu verändern. Möglich ist beispielsweise, die Steuereinrichtung mit einem Temperaturfühler zu versehen. Auf diese Weise läßt sich das Mischungsverhältnis in Abhängigkeit von der Temperatur in der Umgebung der Verbrennungskraftmaschine verändern, was etwa bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine sinnvoll sein kann. Insbesondere wenn die Steuereinrichtung Bestandteil einer zentralen Steuerung der Verbrennungskraftmaschine ist, so bietet es sich an, für diesen Zweck von der ohnehin üblicherweise gemessenen Kühlwassertemperatur auszugehen. Darüber hinaus sind natürlich neben einer Temperaturabhängigkeit des Gemischverhältnisses auch andere Abhängigkeiten ohne weiteres möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erlauben einen störungsfreien Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Zusatz von bis zu etwa 50 Vol.-% Wasser, wobei bei einem Zusatz von etwa 30 Vol.-% Wasser praktisch keine Leistungseinbuße auftritt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Volumina des pro Zeiteinheit zugemischten Wassers und Emulga- tors proportional zum gemessenen Kraftstoffvolumenstrom, so daß das Verhältnis von Kraftstoff, Wasser und Emulgator im Kraftstoffkreislauf konstant ist. Eine derartige proportionale Zumischung von Wasser und Emulgator erlaubt es, die Steuereinrich- tung sehr einfach auszuführen und auf einen Eingriff in bestehende Steuersysteme vollständig zu verzichten. Versuche haben ergeben, daß ein konstantes Mischungsverhältnis weitgehend unabhängig von der Belastung der Verbrennungskraftmaschine zu günstigen Verbrauchs- und Abgaswerten führt.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung werden pro Volumeneinheit zugeführten Kraftstoffs zwischen etwa 0,2 und etwa 0,4 Volumeneinheiten Wasser und zwischen etwa 0,005 und etwa 0,015 Volumeneinheiten Emulgator zugemischt. Es hat sich gezeigt, daß sich bei diesen Werten bei den üblicherweise verwendeten Verbrennungskraftmaschinen ein störungsfreier Betrieb mit besonders niedrige Verbrauchswerten und günstigen Abgaseigenschaften erzielen läßt.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfolgt das Zumischen von Wasser und Emulgator über jeweils ein Einspritzventil, wobei zumindest nach Überschreiten einer Min- desttempertur bei jedem Einspritzvorgang ein vorab einmalig festgelegtes Flüssigkeitsvolumen in den Mischer eingespritzt wird. Diese Art des Zumischens hat gegenüber einer kontinuierlichen Zumischung den Vorteil, daß anstelle einer komplizierten analogen Ventilsteuerung eine einfache Taktsteuerung verwendet werden kann. Unterhalb der Mindesttemperatur können sich die eingespritzten Flüssigkeitsvolumina voneinander unterscheiden, da die Viskositäten von Wasser und Emulgator unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten aufweisen .
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung beträgt das bei jedem Einspritzvorgang eingespritzte Flüssigkeitsvolumen zwischen etwa 0,4 ml und etwa 0,8 ml. Es hat sich gezeigt, daß bei Ein- Spritzvolumina in diesem Bereich die Verwendung ausreichend robuster Einspritzventile möglich und trotzdem eine ausreichend feine Dosierung erzielbar ist.
Bei der Verwendung von Einspritzventilen ist es bevorzugt, wenn die Anzahl der Einspritzvorgänge pro Zeiteinheit proportional zum gemessenen Kraftstoffvolumenstrom ist. Eine solche Proportionalsteuerung führt zu einem konstanten Verhältnis von Kraftstoff, Wasser und Emulgator im Kraftstoffkreislauf und ist steuerungstechnisch sehr einfach realisierbar.
Vorzugsweise wird den Einspritzventilen das Wasser bzw. der Emulgator jeweils über eine einen konstanten Druck erzeugende Pumpe zugeführt. Aufgrund der Druckkonstanz ist gewährleistet, daß bei jedem Öffnen eines Einspritzventils tatsächlich die gleiche Flüssigkeitsmenge eingespritzt wird.
Versuche haben gezeigt, daß sich ein besonders günstiges Einspritzverhalten erzielen läßt, wenn der von den Pumpen für das Wasser und den Emulgator jeweils erzeugte Druck mindestens 1 , 5 bar und vorzugsweise zwischen etwa 7 und etwa 9 bar liegt .
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird wenigstens eine der Pumpen für das Wasser und den Emulgator jeweils abgeschaltet, wenn die Zeitspanne zwischen zwei Einspritzvorgängen ein vorgebbares Maß überschreitet. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Pumpen nicht unnötig Druck erzeugen und dabei unter Umständen heißlaufen. Die Steuerung der Pumpen und der Einspritzventile ist dabei so auszulegen, daß vor einem erneuten Einspritzvorgang die jeweilige Pumpe rechtzeitig wieder anläuft und den erforderlichen Druck erzeugt. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden Schwankungen der im Kraftstoffkreislauf enthaltenen Kraftstoffgemisch-Menge durch Zwischenspeichern von Kraftstoffgemisch in einem Ausgleichsbehälter ausgeglichen, der, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Entnahmeeinrichtung und vor der Zuführung angeordnet ist. Derartige Schwankungen der Kraftstoffgemisch-Menge können bspw. durch Verzögerungen während des Druckausgleichs entstehen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführung wird das Kraftstoffgemisch im Ausgleichsbehälter entlüftet, so daß die Druckverbindung zwischen aus dem Ausgleichsbehälter abfließenden Kraftstoffgemisch und der Gemischpumpe unterbrochen wird. Neben der Entlüftung wird dadurch somit ein definierter Druckbezugspunkt festgelegt, der von den Gegebenheiten eines bereits vorhandenen Kraftstoffkreislaufs unabhängig macht.
Gemäß einer anderen Weiterbildung kann der Ausgleichsbehälter mit einer Regeleinrichtung versehen sein, die durch Regeln der aus dem Ausgleichsbehälter abfließenden Kraftstoffgemischmenge ein vorgebbares Kraftstoffgemisch-Volumen im Ausgleichsbehälter einstellt. Eine derartige Regelung stellt einerseits sicher, daß stets eine ausreichende Flüssigkeitsmenge gespeichert wird, um eine Schwankung nach unten auszugleichen, und verhindert andererseits, daß der Ausgleichsbehälter voll läuft und somit eine Schwankung nach oben hin unmöglich macht.
Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung ist der Mischer zwischen der Zuführung und der Gemischpumpe angeordnet. Die Anordnung innerhalb des Kraftstoffkreislaufs stellt sicher, daß zirkulierendes Kraftstoffgemisch immer wieder neu im Mischer durchmischt wird, wodurch ein allmähliches Entmischen von Kraftstoff und Wasser verhindert wird.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung hat der Mischer im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders, in dem zwei hintereinander angeordnete Mischkammern durch einen Strömungswiderstand voneinander getrennt sind. Jeder Mischkammer ist ein Einspritzventil zugeordnet, durch das Wasser bzw. Emulgator in radialer Richtung in die jeweilige Mischkammer einspritzbar ist. Vorzugsweise ist dabei, in Strömungsrichtung gesehen, die Emulgatormischkammer vor der Wassermischkammer angeordnet. Es hat sich gezeigt, daß mit einer derartigen Anordnung zweier Einspritzkammern eine besonders gute und lang anhaltende Durchmischung von Kraftstoff mit Wasser erzielbar ist.
In einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Meßeinrichtung zum Messen des Volumenstromes des dem Kraftstoffkreislauf zugeführten Kraftstoffs als Drehkolbenzähler ausgeführt. Ein solcher an sich bekannter Drehkolbenzähler hat den Vorteil, daß dadurch Zählimpulse erzeugt werden, die mit Hilfe einer einfachen Schaltung unmittelbar in entsprechende Taktimpulse für die Einspritzventile umgerechnet werden können. Auch erlaubt ein solcher Drehkolbenzähler eine sehr genaue Messung bei geringem Strömungswiderstand.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Zuführung im wesentlichen als durchgehender Kanal mit einem eingangsseitigen Ende und einem ausgangsseitigen Ende ausgebildet, in den seitlich ein Stutzen mit einem Winkel einmündet, der kleiner ist als 90°. Das eingangsseitige Ende ist dabei mit der Meßeinrichtung, das ausgangsseitige Ende mit der Saugseite der Gemischpumpe und der Stutzen mit der Druckseite der Gemischpumpe verbunden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, mit der wenigstens ein Teil des Kraftstoffkreislaufs und/oder zur Speicherung des Wassers und des Emulgators vorgesehene Tanks beheizbar sind. Die Heizeinrichtung ermöglicht es, den Kraftstoffkreislauf und/oder die Tanks bei niedrigen Umgebungstemperaturen bereits vor Inbetriebnahme der Verbrennungskraftmaschine vorzuheizen und somit einen störungsfreien Betrieb und Kaltstart zu gewährleisten. Die Heizeinrichtung kann solange zugeschaltet werden, bis die optimale Betriebstemperatur des Kraftstoffkreislaufs erreicht ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, von denen zeigen:
Fig. 1 einen Zurüstsatz gemäß der Erfindung vor dem Einbau in einen herkömmlichen, darunter dargestellten Kraftstoffkreislauf in einer schematischen Darstellung;
Fig. 2 der Kraftstoffkreislauf aus Fig. 1 nach dem Einbau des Zurüstsatzes;
Fig. 3 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Einspritztakte und der Anzahl der von einem Drehkolbenzähler erzeugten Zählimpulse zeigt; Fig. 4 einen vertikalen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Mischer in vereinfachter Darstellung;
Fig. 5a einen vertikalen Schnitt durch einen Ausgleichsbehälter gemäß der Erfindung in vereinfachter Darstellung; und
Fig. 5b den Ausgleichsbehälter aus Fig. 5a mit einem höheren Füllstand;
Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung einer Zuführung, die Bestandteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.
Fig. 1 zeigt auf der unteren Hälfte einen herkömmlichen Kraftstoffkreislauf für eine Verbrennungskraftmaschine, der insgesamt mit 10 bezeichnet ist. In einem Kraftstofftank 12 befindet sich Kraftstoff, bei dem es sich bspw. um Dieselkraftstoff oder um Benzin handeln kann. Von einer Kraftstoffpumpe 14 wird Kraftstoff über eine Kraftstoffleitung 16 aus dem Kraftstofftank 12 gepumpt und über ein Kraftstoffilter 18 einer Entnahmeeinrichtung 20 zugeführt.
Die Entnahmeeinrichtung 20 entnimmt dem Kraftstoffkreislauf 10 einen Teil des zirkulierenden Kraftstoffs und führt ihn einem Verbraucher 22 zu. Bei der Entnahmeeinrichtung 20 kann es sich um ein einfaches T-Stück handeln, sie kann jedoch auch mit dem Kraftstoffilter 18 zu einer Einheit zusammengefaßt sein. Je nach Art der Verbrennungskraftmaschine 24 kann der Verbraucher 22 bspw. als Vergaser oder als Einspritzpumpe ausgeführt sein. Der Kraftstoff, der nach der Entnahme an der Entnahmeeinrich- tung 20 übrig bleibt, wird über einen Rücklauf zurück in den Kraftstofftank 12 geführt. Das Verhältnis zwischen dem entnommenen und dem zurück in den Kraftstofftank 12 geführten Kraftstoffvolumenstrom hängt vom momentanen Verbrauch der Verbrennungskraftmaschine 24 ab.
Die Kraftstoffpumpe 14 ist in der Regel so ausgelegt, daß sie einen konstanten Kraftstoffgemisch-Volumenstrom erzeugt. Dadurch steht auch dann, wenn der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 24 aufgrund einer Belastungserhöhung in kurzer Zeit bis auf seinen maximalen Wert ansteigt, dem Verbraucher 22 ohne Verzögerung genügend Kraftstoff zur Verfügung. Bei Niedriglast, insbesondere im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine, wird nur eine geringe Kraftstoffmenge dem Kraftstoffkreislauf 10 von der Entnahmeeinrichtung 20 entnommen. Der Volumenstrom durch den Rücklauf 26 ist dann annähernd so groß wie der Volumenstrom durch die Kraftstoffleitung 16.
Der oben in Fig. 1 dargestellte und mit 30 bezeichnete Zurüstsatz umfaßt drei Anschlußstellen 32, 34 und 36, bei denen es sich bspw. um die Enden von Schlauch- oder Rohrabschnitten handeln kann. Die Anschlußstelle 32 ist dafür vorgesehen, mit der Kraftstoffleitung 16 des Kraftstoffkreislaufes 18 verbunden zu werden. An die Anschlußstelle 32 schließt sich eine Meßeinrichtung 38 zur Messung von Volumenströmen an, bei der es sich beispielsweise um einen Drehkolbenzähler bekannter Bauweise handeln kann. Die Meßeinrichtung 38 ist über eine Zuführung 40 mit einem Mischer 42 verbunden, dessen Ausgang mit der Anschlußstelle 36 verbunden ist. Der Mischer 42, dessen Aufbau weiter unten näher erläutert werden wird, weist zwei Mischkammern auf, in die Emulgator und Wasser einspritzbar sind. Zu diesem Zweck ist ein Emulgatortank 44 vorgesehen, der über eine Emulgatorpumpe 46 mit einem Emul- gatoreinspritzventil 48 verbunden ist. Mit Hilfe des Emulga- toreinspritzventils 48 läßt sich eine genau definierbare Menge an Emulgator in die in Strömungsrichtung gesehen erste Kammer des Mischers 42 einspritzen. Zur Speicherung von Wasser ist ein Wassertank 50 vorgesehen, der über eine Wasserpumpe 52 mit einem Wassereinspritzventil 54 verbunden ist. Mit Hilfe des Wassereinspritzventils 54 läßt sich Wasser in die zweite Mischkammer des Mischers 42 einspritzen. Die beiden Einspritzventile 48 und 54 sowie die Pumpen 46 und 52 sind jeweils über Steuerleitungen 56 mit einer Steuereinheit 58 verbunden. Über eine weitere Steuerleitung 60 können der Steuereinheit 58 außerdem Meßsignale von der Meßeinrichtung 38 zugeführt werden.
Die Anschlußstelle 34 ist über einen Ausgleichsbehälter 62, dessen Aufbau und Funktion weiter unten näher erläutert wird, mit der Zuführung 40 verbunden. Die Zuführung ist im einfachsten Falle ein einfaches T-Stück, bei dem die beiden von den Anschlußstellen 32 und 34 kommenden Volumenströme in einem Winkel von 90° zusammenströmen. Es ist jedoch bevorzugt, die Zuführung 40 gemäß Fig. 6 als einen durchgehenden Kanal 64 auszubilden, an den an seinem eingangsseitigen Ende 65 die von der Meßeinrichtung 38 kommende Leitung angeschlossen ist und an dessen ausgangsseitigem Ende 66 der Mischer 42 angeschlossen ist, wobei die vom Ausgleichsbehälter 62 kommende Leitung über einen Stutzen 67 mit einem Winkel α, der vorzugsweise kleiner als 90° ist und z.B. in einem Bereich zwischen etwa 60° und 89° liegen kann, seitlich einmündet. Sowohl der durchgehende Kanal als auch der seitlich einmündende Stutzen haben vorzugsweise den gleichen Querschnitt.
Beim Einbau des Zurüstsatzes 30 in den bestehenden Kraftstoffkreislauf 18 wird zunächst die Kraftstoffleitung 16 kurz vor der Kraftstoffpumpe 14 durchtrennt. Das mit dem Kraftstofftank 12 verbundene offene Ende der Kraftstoffleitung 16 wird an die Anschlußstelle 32 des Zurüstsatzes angeschlossen, so daß der Kraftstofftank 12 nunmehr mit der Meßeinrichtung 38 verbunden ist. Das andere, mit der Kraftstoffpumpe 14 verbundene offene Ende der Kraftstoffleitung 16 wird an die Anschlußstelle 36 angeschlossen. Außerdem wird der Rücklauf 26 unterbrochen und das mit der Entnahmeeinrichtung 20 verbundene offene Ende an die Anschlußstelle 34 angeschlossen.
Durch diese Maßnahmen ist der Kraftstofftank 12 aus dem Kraftstoffkreislauf 18 herausgenommen worden, während der Ausgleichsbehälter 62, die Zuführung 40 sowie der Mischer 42 nunmehr Bestandteile des Kraftstoffkreislaufes sind. Der in dieser Weise modifizierte Kraftstoffkreislauf wird im folgenden mit 68 bezeichnet und ist in Fig. 2 dargestellt.
Die Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun unter der Annahme erläutert, daß sich im Kraftstoffkreislauf 68 bereits ein Gemisch aus Kraftstoff, Wasser und Emulgator im gewünschten Mischungsverhältnis befindet, wobei für einen Anfangszustand von reinem Kraftstoff im Kraftstoffkreislauf ausgegangen werden kann.
Von der Kraftstoffpumpe 14, im folgenden als Gemischpumpe bezeichnet, wird das Kraftstoffgemisch im Kraftstoffkreislauf 68 umgewälzt. Die Gemischpumpe 14 erzeugt dabei, wie auch im bisherigen Kraftstoffkreislauf 18, einen konstanten Kraftstoffge- misch-Volumenstrom. Die Gemischpumpe 14 pumpt das Kraftstoffgemisch durch das Kraftstoffilter 18 hindurch, bei dem es sich vorzugsweise um ein Metallfilter handeln sollte, da Papierfilter aufgrund des Wasseranteils im Gemisch aufquellen und damit unbrauchbar werden. Falls also im bisherigen Kraftstoffkreislauf 18 ein Papierfilter verwendet wurde, so ist dieses beim Einbau des Zurüstsatzes 30 gegen ein Metallfilter auszutauschen.
An der Entnahmeeinrichtung 20 wird, genauso wie beim bisherigen Kraftstoffkreislauf 18, der vom Verbraucher 22 benötigte Kraftstoffgemisch-Volumenstrom dem Kraftstoffkreislauf 68 entnommen. Dieser Volumenstrom hängt im allgemeinen von einer Vielzahl von Motorparametern wie Drehzahl, Motortemperatur etc. ab und ist der Steuereinrichtung 58 nicht bekannt. Der verbleibende, d.h. nicht von der Entnahmeeinrichtung 20 entnommene Volumenstrom, gelangt über die Anschlußstelle 34 zur Zuführung 40, wobei an dieser Stelle der Einfachheit halber der für das Grundprinzip des Verfahrens nicht wesentliche Ausgleichsbehälter 62 als durch ein gerades Schlauchstück ersetzt gedacht sei.
Aufgrund der Entnahme von Kraftstoffgemisch an der Entnahmeeinrichtung 20 steht an der Zuführung 40 nicht mehr die gleiche Menge an Kraftstoffgemisch zur Verfügung, die saugseitig der Gemischpumpe 14 zugeführt worden war. Da die Gemischpumpe 14 jedoch weiter bestrebt ist, einen konstanten Kraftstoffgemisch- Volumenstrom zu erzeugen, entsteht im Kraftstoffkreislauf 68 auf der Saugseite der Gemischpumpe 14 ein Unterdruck. Dieser Unterdruck bewirkt, daß Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 12 über die Kraftstoffleitung 16 und die Meßeinrichtung 38 angesaugt wird und über die Zuführung 40 in den Kraftstoffkreislauf 68 gelangt. Die Meßeinrichtung 38 mißt dabei den durch sie hindurchtretenden Kraftstoffvolumenstrom.
Die von der Meßeinrichtung 38 erzeugten Meßsignale gelangen über die Steuerleitung 60 zur Steuereinrichtung 58. Diese 58 steuert nun die Ventile 48 und 54 an, wodurch Emulgator und Wasser in die Mischkammern des Mischers 42 gelangen. Das Verhältnis zwischen der Menge des dem Kraftstoffkreislauf 68 zugeführten Kraftstoffs, des eingespritzten Emulgators sowie des eingespritzten Wassers ist dabei gleich dem gewünschten Mischungsverhältnis der drei Komponenten im Kraftstoffkreislauf . Dieses Verhältnis ist in der Regel fest vorgegeben, so daß die Steuereinrichtung lediglich die Menge des tatsächlich zugeführten Kraftstoffs kennen muß, um die zuzuführenden Mengen an Emulgator und Wasser bestimmen zu können.
Da das Volumen der bei jedem Einspritzvorgang eingespritzten Flüssigkeitsmenge konstant ist, kann die Ansteuerung der Ventile 48 und 54 getaktet erfolgen. Hierfür ist es lediglich erforderlich, daß in der Steuereinrichtung 58 hinterlegt ist, wieviele Einspritztakte für Wasser bzw. Emulgator für eine bestimmten Kraftstoffvolumenstrom erforderlich sind.
Fig. 3 zeigt einen Graphen, der diesen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Einspritztakte und der Anzahl der Zählimpulse zeigt, die von einem den Kraftstoffvolumenstrom messenden Drehkolbenzähler erzeugt werden. Da der Drehkolbenzähler diskrete Zählimpulse erzeugt, ergeben sich für die Taktzahlen Stufenfunktionen. In dem Graphen ist durch die gestrichelt darge- stellten Linien verdeutlicht, daß der Zusammenhang zwischen den Taktzahlen und den Zählimpulsen proportional ist, d.h. eine Vervielfachung der Zählimpulse führt stets zu einer entsprechenden Vervielfachung der Taktzahlen. Das Mischungsverhältnis zwischen Wasser und Emulgator im Kraftstoffgemisch entspricht dabei dem Verhältnis der Steigungen der gestrichelt dargestellten Linien und ist aufgrund der angesprochenen Proportionalität von der Anzahl der Zählimpulse und somit von der zugeführten Kraftstoff enge unabhängig.
Durch die Zufuhr von Kraftstoff an der Zuführung 40 sowie von Emulgator und Wasser im Mischer 42 wird der Druckabfall auf der Saugseite der Gemischpumpe 14 abgebaut. Dabei wird selbstregelnd gerade die Kraftstoffmenge dem Kraftstofftank 12 entnommen, die, zusammen mit dem zugespritzten Emulgator und Wasser, der vormals der an der Entnahmeeinrichtung 20 entnommenen Kraftstoffgemischmenge entspricht .
Vorstehend ist die Funktion, um sie besser darstellen zu können, in eine Folge von sich gegenseitig beeinflussenden Einzelschritten dargestellt worden. Beim tatsächlichen Betrieb der Vorrichtung laufen diese Vorgänge jedoch quasi gleichzeitig ab, so daß auch dann, wenn der an der Entnahmeeinrichtung entnommene Volumenstrom schwankt, stets sofort die entsprechende Menge an Kraftstoff, Emulgator und Wasser dem Kraftstoffkreislauf hinzugefügt wird, ohne daß eine externe Regelung erforderlich ist. Aufgrund des konstanten, von der Gemischpumpe 14 erzeugten Kraftstoffgemisch-Volumenstromes im Kraftstoffkreislauf 68 muß stets so viel Kraftstoff, Emulgator und Wasser dem Kraftstoffkreislauf zugeführt werden, daß die Menge des entnommenen Kraftstoffgemisches ausgeglichen wird. Das richtige Verhältnis zwischen zugeführten Kraftstoff, Emulgator und Wasser wird dabei erfindungsgemäß dadurch festgelegt, daß die Menge des zugeführten Kraftstoffs gemessen und die Menge des zugeführten Emulgators und Wassers gezielt daran angepaßt wird.
Um eine störungsfreie Funktion auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu gewährleisten, ist zusätzlich eine Heizeinrichtung vorgesehen, die mehrere Heizmittel 69 umfaßt, die beispielsweise in der Nähe des Emulgatortanks 44, des Wassertanks 50 und innerhalb des Kraftstoffkreislaufs 68 angeordnet sein können. Die Heizmittel 69 sind über in Fig. 2 nicht dargestellte Steuerleitungen mit der Steuereinrichtung 58 verbunden, die die Heizmittel 69 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder von der Temperatur des Kraftstoffgemischs steuert.
Fig. 4 zeigt in einer vereinfachten schematischen Schnittdarstellung den Aufbau des Mischers 42. Der Mischer 42 hat im wesentlichen die Gestalt eines Hohlzylinders, an dessen längsseitig gegenüberliegenden Enden jeweils Anschlußstutzen 70 vorgesehen sind, über die der Mischer 42 an entsprechende Schläuche oder Rohrleitungen 72 angeschlossen werden kann. Im Inneren des Mischers 42 ist senkrecht zur Längsrichtung eine Trennwand 74 angeordnet, die das Innere des Hohlzylinders in zwei Mischkammern 76 und 78 unterteilt. Die Trennwand 74 ist mit mehreren Öffnungen versehen und wirkt so als Strömungswiderstand für eine durch die Pfeile in Fig. 4 angedeutete Flüssigkeitsströmung. Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß die Mischkammern 76 und 78 ein möglichst kleines Volumen haben sollten, da dann eine besonders homogene Durchmischung erzielbar ist. Andererseits müssen die Mischkammern 76 und 78 groß genug sein, um die Menge an Emulgator und Wasser aufnehmen zu können, die von an den zylin- drischen Wänden der beiden Mischkammern 76 und 78 angeordneten Einspritzventilen 80 und 82 in die Mischkammern 76 und 78 eingespritzt werden.
Die beiden Einspritzventile 80 und 82 sind über Steuerleitungen 88 und 90 getrennt voneinander ansteuerbar und jeweils so ausgeführt, daß sie bei jedem Einspritzvorgang die gleiche Flüssigkeitsmenge in die jeweilige Mischkammer 76 oder 78 einspritzen, sofern die Flüssigkeit über die Zuleitungen 84 und 86 mit konstantem Druck dem Ventil zugeführt wird.
Zur Druckerzeugung sind den beiden Einspritzventilen 80 und 82 die Pumpen 46 und 52 vorgeschaltet, die einen definierten konstanten Druck erzeugen. Dabei genügt es im Prinzip, daß vor jedem Einspritzvorgang die jeweilige Pumpe kurz anläuft und den notwendigen Druck aufbaut. Nach dem Einspritzvorgang kann die jeweilige Pumpe sofort wieder abgeschaltet werden. Durch dieses Zu- und Abschalten der Pumpen wird verhindert, daß die Pumpen im Laufe der Zeit heißlaufen und dabei Schaden nehmen.
Das Zu- und Abschalten der Pumpen kann wie soeben erläutert in der Weise erfolgen, daß für jeden Einspritzvorgang die Pumpe zu- und wieder abgeschaltet wird. Bei einer dichten Folge von Einspritzvorgängen ist dies jedoch mit einer großen Zahl von Ein- und Abschaltvorgängen verbunden. Um dies zu vermeiden, können die beiden Pumpen im Durchlaufbetrieb betrieben werden, wobei sie lediglich dann abgeschaltet werden, wenn die Zeitspanne zwischen zwei Einspritzvorgängen ein vorgebbares Maß überschreitet. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß zumindest bei geringer Kraftstoffgemisch-Entnahme, z.B. im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine, die Pumpen zumindest überwiegend abgeschaltet sind.
Der Ausgleichsbehälter 62 ermöglicht eine gewisse Speicherung von Kraftstoffgemisch und einen Ausgleich kurzzeitiger Druckschwankungen. Aus dem Ausgleichsbehälter tritt das Kraftstoff- gemisch mit einem weitgehend konstanten, relativ geringen Druck aus, so daß das austretende Gemisch über die Zuführung 40 mit aus dem Kraftstofftank kommendem Kraftstoff zusammengeführt werden kann. Der am Eingang des Mischers 42 anliegende Unterdruck bewirkt infolge des gleichmäßigen Druckes, daß an der Zuführung 40 immer gerade der Teil an Kraftstoff aus dem Tank zugeführt wird, der zusammen mit dem proportional zugemischten Wasser und Emulgator dem vom Verbraucher 22 entnommenen Volumen entspricht. Gleichfalls sorgt der Ausgleichsbehälter für eine Entlüftung des Kraftstoffkreislaufes .
Ein möglicher Aufbau für einen Ausgleichsbehälter ist in den Fig. 5a und 5b dargestellt. Der Ausgleichsbehälter 62 besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Behälter, der an seiner Oberseite mit einem radial nach außen weisenden Stutzen 100 versehen ist. Über diesen Stutzen 100 fließt das von der Entnahmeeinrichtung 20 kommende Kraftstoffgemisch in den Ausgleichsbehälter 62. Von der Mitte der Bodenfläche des Aus- gleichsbehälters 62 geht ein Auslaß 102 ab, über den Kraftstoff aus dem Ausgleichsbehälter zur Zuführung 40 abfließen kann.
Im Ausgleichsbehälter 62 befindet sich ein Schwimmer 104, der sich zusammen mit dem Flüssigkeitsspiegel im Behälter hebt und senkt. Zwischen der Innenfläche des Behälters und dem Schwimmer verbleibt ein Spalt, damit Kraftstoffgemisch am Schwimmer vor- beifließen kann. An seiner Unterseite ist der Schwimmer 104 mit einem Ansatz 106 versehen, der an seinem Ende in einen Stab 108 übergeht, dessen Durchmesser deutlich geringer ist als der Innendurchmesser des Auslasses 102.
In der in Fig. 5a gezeigten ersten Schwimmerstellung reicht der Ansatz 106 in den Auslaß 104 hinein und verschließt diesen annähernd vollständig. Über den Stutzen 100 zugeführtes Kraftstoffgemisch kann somit praktisch nicht über den Auslaß 102 abfließen und sammelt sich folglich im Ausgleichsbehälter 62. Mit zunehmendem Flüssigkeitsstand im Ausgleichsbehälter 62 steigt der Schwimmer 104, bis schließlich der Ansatz 106 den Auslaß 102 freigibt. In dieser zweiten Schwimmerstellung stellt der noch immer in den Auslaß 102 hineinreichende Stab 108 sicher, daß der Schwimmer 104 nicht oder nur geringfügig im Behälter kippen kann. Das Kraftstoffgemisch kann nun aus dem Auslaß 102 austreten, wodurch sich der Schwimmer 104 wieder nach und nach senkt, bis er wieder in die erste Schwimmerstellung zurück gelangt und den Auslaß 102 verschließt.
An seinem oberen Ende ist der Ausgleichsbehälter 62 mit einem Entlüftungsauslaß 110 versehen, der, wie in Fig. 2 angedeutet, zurück in den Kraftstofftank 12 geführt sein kann. Sich bei der Zirkulation des Kraftstoffgemischs bildende Gasblasen können über den Entlüftungsauslaß 110 nach außen gelangen. Durch den Entlüftungsauslaß 110 wird außerdem ein Druckausgleich geschaffen, so daß das über den Auslaß 102 abfließende Kraftstoffgemisch lediglich dem sich im Ausgleichsbehälter 62 aufbauenden hydrostatischen Druck ausgesetzt ist. Das Verfahren als solches wird durch den Ausgleichsbehälter 62 nicht beeinträchtigt. Befindet sich beispielsweise der Schwimmer 104 in der zweiten Schwimmerstellung, d.h. ist der Auslaß 102 offen, so wird durch die Gemischpumpe 14 Kraftstoffgemisch aus dem Behälter solange abgesaugt, bis der Schwimmer 104 schließlich in die erste Schwi merstellung zurückgeht und den Auslaß 102 verschließt. Erst dann baut sich der oben angesprochene Unterdruck an der Zuführung auf, aufgrund dessen der Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 12 gesaugt wird.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wurde auf der Basis eines vorhandenen Kraftstoffkreislaufs realisiert, mit dem ursprünglich ein Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs mit reinem Dieselkraftstoff versorgt wurde. Die Kraftstoffpumpe 14 des Kraftstoffkreislaufs 10 erzeugt einen Kraftstoffvolumenstrom von 300 ml/min. Nach Einbau des Zurüstsatzes 30 wird dessen Steuereinrichtung 58 so eingestellt, daß pro Volumeneinheit zugeführten Kraftstoffs etwa 0,3 Volumeneinheiten Wasser und etwa 0,001 Volumeneinheiten Emulgator in der Mischkammer 42 zugemischt werden. Das im Kraftstoffkreislauf 68 umgewälzte Kraftstoffgemisch besteht somit etwa zu 69 % aus Dieselkraftstoff, zu 30 % aus Wasser und zu 1 % aus Emulgator. Als Emulgator besteht aus einer Mischung aus 60 Vol.-% Disponil 286 und 40 Vol.-% Rilanit GMO. Sowohl Disponil 286 als auch Rilanit GMO sind vom Unternehmen COGNIS, Henkelstraße 67, 40589 Düsseldorf, beziehbar. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle angemerkt, daß bei Benzinmotoren ein umgekehrtes Mischungsverhältnis der beiden Komponenten bevorzugt ist.
Infolge des festen Einspritzvolumens von 0,6 ml wird zur Erzielung des genannten Mischungsverhältnisses das Wassereinspritz- ventil 54 folglich bis zu dreißigmal öfter betätigt als das Emulgatoreinspritzventil 48. Die Mischkammern 76 und 78 des verwendeten Mischers 42 haben jeweils ein Volumen von 30 ml. Die Emulgatorpumpe 46 sowie die Wasserpumpe 52, die den Einspritzventilen vorgeschaltet sind, erzeugen jeweils einen Druck von 9 bar. Infolge des insbesondere vom Kraftstoffilter 18 erzeugten Strömungswiderstandes erwärmt sich das Kraftstoffgemisch im Kraftstoffkreislauf 68 auf etwa 50°C. Der bei Vollast des Dieselmotors von der Meßeinrichtung 38 gemessene maximale Kraftstoffvolumenstrom beträgt 150 ml/min, während im Leerlauf des Dieselmotors dieser Volumenstrom auf 50 ml/min absinkt.
Mit einem Testfahrzeug des Typs Daimler-Benz 190 D wurden mit einem solchermaßen ausgelegten Zurüstsatz mehr als fünfzehntausend Kilometer unter den verschiedensten Bedingungen zurückgelegt, wobei sich ein vollkommen störungsfreier Betrieb ergab und praktisch keine Leistungseinbußen zu verzeichnen waren.
Auch nach längeren Stillstandszeiten ergab sich ein einwandfreies Anlaßverhalten. Dies wird insbesondere darauf zurückgeführt, daß im Kraftstoffkreislauf eine sehr intensive Durchmischung des zirkulierenden Kraftstoffgemischs erfolgt. Vor allem jedoch wird selbst dann, wenn trotz der Zugabe von Emulgator nach längeren Unterbrechungen des Betriebes eine gewisse Entmischung des Kraftstoffgemischs auftreten sollte, eine ausreichende Durchmischung durch den Mischer 42 und das Kraftstof- filter 18 schon beim Anlaßvorgang gewährleistet, so daß ein zuverlässiges Anlassen auch nach längeren Betriebsunterbrechungen möglich ist. Es versteht sich, daß die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele in vielfältiger Weise abwandelbar sind. So kann insbesondere der Ausgleichsbehälter 62 auch an anderer Stelle innerhalb des Kraftstoffkreislaufs 68 angeordnet sein oder ggf. ganz entfallen. Obwohl eine Anordnung des Mischers 42 zwischen dem Zulauf 40 und der Saugseite der Gemischpumpe 14 bevorzugt ist, kann der Mischer 42 grundsätzlich auch an anderer Stelle, bspw. zwischen der Gemischpumpe 14 und dem Kraftstoffilter 18, angeordnet sein. Denkbar ist auch eine Anordnung des Mischers 42 zwischen der Meßeinrichtung 38 und der Zuführung 40. Ein Anordnung des Mischers 42 innerhalb des Kraftstoffkreislaufs 68 hat jedoch den Vorteil, daß im Kraftstoffkreislauf zirkulierendes Kraftstoffgemisch immer wieder erneut durchmischt wird, wodurch einer Entmischung der Komponenten des Kraftstoffgemischs entgegengewirkt wird.
Der Mischer 42 kann grundsätzlich auch mit dem Kraftstoffilter 18 zu einer Einheit zusammengefaßt sein. Auch das Einspritzen von Emulgator und Wasser muß nicht zwangsläufig im Mischer 42 erfolgen, sondern kann auch an anderer Stelle innerhalb des Kraftstoffkreislaufes 68 vorgenommen werden. Möglich ist bspw. auch eine Zuführung von Wasser und Emulgator zwischen der Entnahmevorrichtung 20 und dem Verbraucher 22. Die meisten der vorstehend genannten Alternativen lassen sich jedoch nicht oder nicht ohne weiteres verwirklichen, wenn ein bestehender Kraftstoffkreislauf mit Hilfe eines Zurüstsatzes erweitert werden soll. Die Erfindung ist jedoch, wie bereits eingangs erwähnt, nicht auf die Zurüstung bestehender Kraftstoffkreisläufe beschränkt; vielmehr kann die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung auch als fertige Einheit hergestellt und bspw. in Kraftfahrzeugen eingebaut werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines einen Kraftstoff, Wasser und einen Emulgator enthaltenden Kraftstoffgemischs für eine Verbrennungskraftmaschine (24) mit folgenden Schritten:
a) das Kraftstoffgemisch wird in einem Kraftstoffkreislauf (68) mit Hilfe einer Gemischpumpe (14) umgewälzt, die vorzugsweise einen konstanten Kraftstoff- gemisch-Volumenstrom erzeugt,
b) dem Kraftstoffkreislauf (68) wird an einer Entnahmeeinrichtung (20) Kraftstoffgemisch entnommen und einem Verbraucher (22) zugeführt,
c) an einer, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Entnahmeeinrichtung (20) und vor der Gemischpumpe (14) angeordneten Zuführung (40) wird infolge des dort durch die Entnahme von Kraftstoffgemisch entstehenden Unterdrucks Kraftstoff aus einem mit der Zuführung (40) verbundenen Kraftstofftank (16) angesaugt und dem Kraftstoffkreislauf (68) zugeführt,
d) der Volumenstrom des aus dem Kraftstofftank (12) angesaugten und dem Kraftstoffkreislauf (68) zugeführten Kraftstoffs wird von einer Meßeinrichtung (38) gemessen,
e) dem zugeführten Kraftstoff oder dem im Kraftstoffkreislauf (68) umgewälzten Kraftstoffgemisch wird in einem Mischer (42) in Abhängigkeit von dem von der Meßeinrichtung (38) gemessenen Kraftstoffvolumenstrom Wasser und Emulgator zugemischt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Volumina des pro Zeiteinheit zugemischten Wassers und Emulgators proportional zum gemessenen Kraftstoffvolumenstrom sind, so daß das Verhältnis von Kraftstoff, Wasser und Emulgator im Kraftstoffkreislauf (68) konstant ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem pro Volumeneinheit zugeführten Kraftstoffs zwischen etwa 0,2 und etwa 0,4 Volumeneinheiten Wasser und zwischen etwa 0,005 und etwa 0,015 Volumeneinheiten Emulgator zugemischt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Zumischen von Wasser und Emulgator über jeweils ein Einspritzventil (48, 54) erfolgt, wobei zumindest nach Überschreiten einer Mindesttemperatur bei jedem Einspritzvorgang ein vorab einmalig festgelegtes Flüssigkeitsvolumen in den Mischer (42) eingespritzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das bei jedem Einspritzvorgang eingespritzte Flüssigkeitsvolumen zwischen etwa 0,4 ml und etwa 0 , 8 ml beträgt .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3 und nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Anzahl der Einspritzvorgänge pro Zeiteinheit proportional zum gemessenen Kraftstoffvolumenstrom ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem den Einspritzventilen (46, 52) für das Wasser und den Emulga- tor das Wasser bzw. der Emulgator jeweils über eine einen konstanten Druck erzeugende Pumpe (46, 52) zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der von den Pumpen (46, 52) für das Wasser und den Emulgator jeweils erzeugte Druck mindestens 1,5 bar und vorzugsweise zwischen etwa 7 und etwa 9 bar liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem wenigstens eine der Pumpen (46, 52) für das Wasser und den Emulgator jeweils abgeschaltet wird, wenn die Zeitspanne zwischen zwei Einspritzvorgängen ein vorgebbares Maß überschreitet.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Schwankungen der im Kraftstoffkreislauf (68) enthaltenen Kraftstoffgemisch-Menge durch Zwischenspeichern von Kraftstoffgemisch in einem Ausgleichsbehälter (62) ausgeglichen werden, der, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Entnahmeeinrichtung (20) und vor der Zuführung (40) angeordnet ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Kraftstoffgemisch im Ausgleichsbehälter (62) entlüftet wird, so daß die Druckverbindung zwischen aus dem Ausgleichsbehälter (62) abfließenden Kraftstoffgemisch und der Gemischpumpe (14) unterbrochen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem eine Regeleinrichtung (102, 104, 106) für den Ausgleichsbehälter (62) durch Regeln der aus dem Ausgleichsbehälter (62) abfließenden Kraftstoffgemischmenge ein vorgebbares Kraftstoffgemisch-Volumen im Ausgleichsbehälter (62) einstellt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mischer (42), in Strömungsrichtung gesehen, zwischen der Zuführung (40) und der Gemischpumpe (14) angeordnet ist.
14. Vorrichtung zum Erzeugen eines einen Kraftstoff, Wasser und einen Emulgator enthaltenden Kraftstoffgemischs für eine Verbrennungskraftmaschine (24), mit einem Kraftstoffkreislauf (68) für das Kraftstoffgemisch, in dem angeordnet sind:
a) eine einen vorzugsweise konstanten Kraftstoffgemisch-Volumenstrom erzeugende Gemischpumpe (14) zum Umwälzen des Kraftstoffgemischs im Kraftstoffkreislauf (68),
b) eine Entnahmeeinrichtung (20) zur Entnahme von Kraftstoffgemisch aus dem Kraftstoffkreislauf (68) und Zuführen des entnommenen Kraftstoffgemischs an einen Verbraucher (22),
c) eine, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Entnahmeeinrichtung (20) und vor der Gemischpumpe (14) angeordneten Zuführung (40) zum Zuführen von Kraftstoff aus einem mit der Zuführung (40) verbundenen Kraftstofftank (12) in den Kraftstoffkreislauf (68), d) einer Meßeinrichtung (68) zum Messen des Volumenstromes des aus dem Kraftstofftank (12) dem Kraftstoffkreislauf (68) zugeführten Kraftstoffs,
wobei die Vorrichtung ferner aufweist:
e) einen Mischer (42) zum Zumischen von Wasser und Emulgator,
f) eine Steuereinrichtung (58) zur Steuerung der im Mischer (42) zugemischten Menge von Wasser und Emulgator in Abhängigkeit von dem von der Meßeinrichtung (38) gemessenen Kraftstoffvolumenstrom.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Steuereinrichtung (58) so ausgelegt ist, daß die Volumina des pro Zeiteinheit zugemischten Wassers und Emulgators proportional zum gemessenen Kraftstoffvolumenstrom sind, so daß das Verhältnis von Kraftstoff, Wasser und Emulgator im Kraftstoffkreislauf (68) konstant ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Steuereinrichtung (58) so ausgelegt ist, daß pro Volumeneinheit zugeführten Kraftstoffs zwischen etwa 0,2 und etwa 0,4 Volumeneinheiten Wasser und zwischen etwa 0,005 und etwa 0,015 Volumeneinheiten Emulgator zumischbar sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der zum Zumischen von Wasser und Emulgator von der Steuereinrichtung (58) ansteuerbare Einspritzventile (48, 54) vorgesehen sind, durch die bei jedem Einspritzvorgang ein vorab einmalig festgelegtes Flüssigkeitsvolumen in den Mischer (42) eingespritzbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das bei jedem Einspritzvorgang eingespritzbare Flüssigkeitsvolumen zwischen etwa 0,4 ml und etwa 0, 8 ml beträgt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16 und nach einem der Ansprüche 17 oder 18, bei der die Steuereinrichtung (58) so ausgelegt ist, daß sie die Anzahl der Einspritzvorgänge pro Zeiteinheit proportional zum gemessenen Kraftstoffvolumenstrom steuert.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei der den Einspritzventilen (48, 545) für das Wasser und den Emulgator jeweils eine einen konstanten Druck erzeugende Pumpe (46, 54) vorgeschaltet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der der von den Pumpen (46, 54) für das Wasser und den Emulgator jeweils erzeugbare Druck mindestens 1,5 bar und vorzugsweise zwischen etwa 7 und etwa 9 bar liegt.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, bei die Steuereinrichtung (58) so ausgeführt ist, daß die Pumpen (46, 52) für das Wasser und den Emulgator jeweils abschaltbar sind, wenn die Zeitspanne zwischen zwei Einspritzvorgängen ein vorgebbares Maß überschreitet.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, bei der im Kraftstoffkreislauf (68) zum Ausgleich von Schwankungen der im Kraftstoffkreislauf enthaltenen Kraftstoffgemisch- Menge ein Ausgleichsbehälter (62) vorgesehen ist, der, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Entnahmeeinrichtung (20) und vor der Zuführung (40) angeordnet ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der Ausgleichsbehälter (62) mit einem in den Kraftstofftank (12) zurückführenden Entlüftungsauslaß (110) versehen ist, wodurch die Druckverbindung zwischen aus dem Ausgleichsbehälter (62) abfließenden Kraftstoffgemisch und der Gemischpumpe (14) unterbrochen wird.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 oder 24 mit einer Regeleinrichtung (102, 104, 106) für den Ausgleichsbehälter (62), die durch Regeln der aus dem Ausgleichsbehälter (62) abfließenden Kraftstoffgemischmenge ein vorgebbares Kraftstoffgemisch-Volumen im Ausgleichsbehälter (62) einstellt.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 25, bei der der Mischer (42) im Kraftstoffkreislauf (68), in Strömungsrichtung gesehen, zwischen der Zuführung (40) und der Gemischpumpe (14) angeordnet ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei dem der Mischer (42) im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders hat, in dem zwei hintereinander angeordnete Mischkammern (76, 78) durch einen Strömungswiderstand (74) voneinander getrennt sind.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27 und einem der Ansprüche 17 bis 22, bei der jeder Mischkammer (76, 78) jeweils ein Einspritzventil (80, 82) zugeordnet ist, durch das Wasser bzw. Emulgator in radialer Richtung in die jeweilige Mischkammer (76, 78) einspritzbar ist.
29. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 14 bis 28, bei der die Meßeinrichtung (38) zum Messen des Volumenstromes des dem Kraftstoffkreislauf zugeführten Kraftstoffs als Drehkolbenzähler ausgeführt ist.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 29, bei der die Zuführung (40) im wesentlichen als durchgehender Kanal (64) mit einem eingangsseitigen Ende (65) und einem aus- gangsseitigen Ende (66) ausgebildet ist, in den seitlich ein Stutzen (67) mit einem Winkel einmündet, der kleiner ist als 90°, wobei das eingangsseitige Ende (65) mit der Meßeinrichtung (38), das ausgangsseitige Ende (66) mit der Saugseite der Gemischpumpe (14) und der Stutzen (67) mit der Druckseite der Gemischpumpe (14) verbunden ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 30, bei der eine Heizeinrichtung (69) vorgesehen ist, mit der wenigstens ein Teil des Kraftstoffkreislaufs (68) und/oder zur Speicherung des Wassers und des Emulgators vorgesehene Tanks (44, 50) beheizbar sind.
32. Zurüstsatz (30) zum Erzeugen eines einen Kraftstoff, Wasser und einen Emulgator enthaltenden Kraftstoffgemischs, der für einen nachträglichen Einbau in einen vorhandenen Kraftstoffkreislauf (10) einer Verbrennungskraftmaschine (24) geeignet ist, in dem eine einen vorzugsweise konstanten Kraftstoff-Volumenstrom erzeugende Kraftstoffpumpe (14) zum Umwälzen des Kraftstoffs im Kraftstoffkreislauf (10) und eine Entnahmeeinrichtung (20) zur Entnahme von Kraftstoff aus dem Kraftstoffkreislauf (10) und Zuführen des entnommenen Kraftstoffs an einen Verbraucher (22) angeordnet ist, wobei der Zurüstsatz (30) aufweist:
a) einen Mischer (42) zum Zumischen von Kraftstoff, Wasser und Emulgator,
b) einen Wassertank (50), aus dem dem Mischer (42) Wasser zuführbar ist,
c) einen Emulgatortank (44), aus dem dem Mischer (42) Emulgator zuführbar ist,
d) eine, in Strömungsrichtung gesehen, hinter der Entnahmeeinrichtung (20) und vor der Gemischpumpe (14) anzuordnende Zuführung (40) zum Zuführen von Kraftstoff aus einem mit der Zuführung (40) zu verbindenden Kraftstofftank (12) in den Kraftstoffkreislauf (68),
e) eine Meßeinrichtung (38) zum Messen des Volumenstromes des aus dem Kraftstofftank (12) dem Kraftstoffkreislauf (68) zugeführten Kraftstoffs,
f) einer Steuereinrichtung (58) zur Steuerung der im Mischer (42) zugemischten Menge von Wasser und Emulgator in Abhängigkeit von dem von der Meßeinrichtung (38) gemessenen Kraftstoffvolumenstrom.
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