WO2000052321A1 - Kraftstoffaufbereitungsanlage für mobile und stationäre verbrennungsmotoren - Google Patents

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WO2000052321A1
WO2000052321A1 PCT/EP1999/001310 EP9901310W WO0052321A1 WO 2000052321 A1 WO2000052321 A1 WO 2000052321A1 EP 9901310 W EP9901310 W EP 9901310W WO 0052321 A1 WO0052321 A1 WO 0052321A1
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fuel
emulsion
diesel
dpi
fuel processing
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Heinz Martin
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    • 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
    • F02M25/0228—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
    • 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
    • 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

  • injection pumps are used for the direct injection of diesel fuel into the combustion chamber, which generate a pressure of more than 1000 bar, which can result in a dynamic pressure at the injection nozzles of 1300 to 1500 bar.
  • a fumigated O / W diesel emulsion can only be produced in the motor vehicle during operation and immediately before use because of the temporary separation stability. 6.) For the final completion on the direct injection line, the pre-emulsion may no longer be brought into a decompression phase, which can occur, for example, behind valves or similar throttle lines. 7.) With direct injection into the combustion chamber via a single-hole or multi-hole nozzle, even at very high injection pressures, an optimal result with regard to homogeneous fuel mixture distribution in the combustion chamber has not yet been achieved.
  • the use of an existing high-pressure injection pump to create a high-quality diesel emulsion is therefore a good option because it has the right size on a small scale.
  • the actual homogenization process or the last homogenization stage is carried out in the annular gap and the rink channel of the injection nozzle.
  • the design of the nozzle outlet for direct injection is therefore designed as a homogenization valve.
  • the fuel is pressed through an annular gap and deflected into an annular channel open to the combustion chamber.
  • the decompression characteristic in direct injection is considerably enhanced by the explosive nature of dispersed gas cores in the diesel emulsion, which means that the fuel mixture is homogeneously and optimally distributed in the combustion chamber. This creates a compact, homogeneous ignition source that does not have to fuse to then increase the explosion pressure steeply.
  • the cost of the heavy fuel emulsion could be significantly improved compared to the conventional cost of heavy oil.
  • the cause of the improvement in efficiency is the cracking effect of the emulsion droplets.
  • the crack effect in turn is caused when an O / W emulsion consisting of, for example, 8% water in 92% oil is injected into the combustion chamber of a boiler, and the water in the oil droplets evaporates explosively, thereby splitting the oil droplets into tiny particles.
  • the chemical Mix compound (H 2 0) of the water particles is dissolved in hydrogen and oxygen, and the mixture of hydrogen and oxygen is included in the combustion process of diesel fuel and combustion air.
  • the overall higher explosiveness of this fuel mixture will result in a significantly improved efficiency and thus a more favorable power / consumption ratio compared to conventional fuel processing.
  • the amount of exhaust gas is reduced to a correspondingly lower value. Due to the more efficient fuel combustion, the emission of particles such as dust and soot in the exhaust gas is significantly reduced. Furthermore, the water content in the microfine, fumigated O / W diesel emulsion causes flame cooling and thus NO x reduction. This proportion of water, which is included in the combustion process, is emitted regardless of whether as water and / or hydrogen and oxygen, as absolutely harmless water vapor in the exhaust gas.
  • the microfine, fumigated O / W diesel emulsion is produced in a 3-stage process.
  • the schematic representation of the diesel fuel processing system (see FIGS. 2, 3a and 3b) is intended to illustrate how this is done.
  • the diesel fuel is pumped from the diesel fuel tank (1) and the water from the water tank (2) via a separate feed pump (5) to the metering device (6).
  • the dosing device is equipped with two hydraulic flow regulators and a servo control and supplies the optimal quantity ratios of diesel fuel and water, such as 97: 3 to 70:30, for the fumigated O / W diesel emulsion over the entire engine speed range.
  • the two magnetic two-way valves (7) are open in normal operation.
  • diesel fuel and water are brought together in an optimally metered ratio as a preliminary stage of the emulsion formation.
  • the magnetic three-way valve (9) is closed to the bypass (10) in normal operation and opened to the disperser and homogenizer (11).
  • the liquids (hydophilic and lipophilic phase) are mixed with each other in such a way that already here the 1st stage of the emulsion is created.
  • the exhaust gas recirculation (12) part of the processed exhaust gas is compressed to approx. 8.0 to 10.0 bar by a compressor (13) and combined with the pre-emulsion in the aerator injector (14).
  • the aerator is dimensioned so that the gas cores assume a size of 50 to 100 ⁇ m in this phase under a pressure of 8.0 to 10.0 bar.
  • the gas cores are dispersed into the pre-emulsion with a high degree of uniformity.
  • Crucial to the quality of the microfine, fumigated emulsion is a high degree of uniformity (> 85%) of the particle size distribution parameters.
  • the pre-emulsified fuel mixture passes from the buffer of the disperser and homogenizer (15) into the high pressure injection pump (16). There the gas cores in the pre-emulsion will compress considerably under the high pressure of around 800 to 1500 bar and reduce accordingly.
  • the specially designed annular gap in the outlet area of the injection nozzle (20) acts like a homogenization valve of a hydraulic homogenizer.
  • the pre-emulsion Under the action of cavitation, the pre-emulsion will now develop into a microfine O / W emulsion in the 3rd stage.
  • the gas cores in the diesel emulsion will follow the law of decompression, regress, and expand explosively.
  • the microfine emulsion droplets are split again into the smallest particles.
  • Adverse pressure fluctuations in the distributor are largely excluded, since the compressed gas cores in the pre-emulsion give the fuel distributor (18) and the backflow collector (21) excellent, stable buffer behavior.
  • injection times and thus the injection quantities are controlled via the injection solenoid valves (19) by the electronics power manager (17), which is operated, inter alia, by an electronic accelerator pedal (23). Excess pre-emulsion is returned to the high-pressure injection pump (16) via the return collector (21) and the return (22).
  • FIG. 2 The schematic representation according to FIG. 2 contains only the essential things that interact of the features of the invention. All additional parts in the illustration, such as backwash and trace heating system, which is necessary for winter suitability, have therefore been dispensed with.
  • the advantages achieved by the invention consist in particular in that, compared to conventional fuel processing, a much more efficient fuel combustion is achieved and thus a more favorable ratio in relation to power to consumption is created.
  • the amount of exhaust gas and the CO 2 content are reduced to a correspondingly lower value. Due to the cracking effect of the fumigated emulsion droplets and the more efficient fuel combustion, the emission of particles such as dust and soot and the CO content in the exhaust gas in the exhaust gas is significantly reduced.
  • the reduction in NO x values in the exhaust gas is directly related to flame cooling through the water content in the O / W diesel emulsion.
  • the small water particles in the microfine, fumigated O / W diesel emulsion are partially or completely dissolved by water in hydrogen and oxygen under the influence of cavitation (implosion and luminescence effect), the correspondingly high operating pressure of the injection pump and peak values of pressure and temperature in the combustion chamber. which also has a positive effect on the explosiveness of the fuel mixture and the combustion result, and thus also has a clear impact on the performance / consumption ratio and the pollutant reduction in the exhaust gas.
  • the pressure maintenance in the fuel rail does not have any significant pressure fluctuations, since the compressed gas cores in the pre-emulsion give the fuel rail an excellent buffer behavior, and that the optimal and homogeneous fuel mixture distribution in the combustion chamber can be attributed to the fact that the fuel injection via an annular gap nozzle and not through a multi-hole nozzle.
  • Direct injections of diesel fuel with common rail via 6-hole or 8-hole nozzles have a symmetrical, segment-like fuel distribution in the combustion chamber, which suggests that the start of the explosion is initiated by several ignition sources simultaneously or almost simultaneously. By melting the ignition sources in the further course of the combustion phase, there is a slight delay in its characteristics when the explosion pressure rises.

Abstract

DPI Kraftstoffaufbereitungsanlage für mobile und stationäre Verbrennungsmotoren, insbesondere geeignet für Dieselkraftfahrzeuge. Gegenüber der herkömmlichen Verbrennungstechnologie wird mit der Kraftstoffaufbereitungsanlage unter Zugabe von Wasser und Abgas aus der Abgasrückführung in einem dreistufigen Verfahren eine mikrofeine, begaste O/W-Dieselemulsion erzeugt, welche direkt in den Brennraum eingespritzt, eine höhere Brisanz hat und somit eine effizientere Verbrennung des Dieselkraftstoffs erreicht. Dies bedeutet: deutliche Verbesserung des Leistungs-Verhältnisses und erhebliche Reduzierung der Schadstoffe im Abgas.

Description

Beschreibung
Kraftstoffaufbereitungsanlage für mobile und stationäre Verbrennungsmotoren
1. Das technische Gebiet.
Effiziente Nutzung von Kraftstoffen in Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge bei Schadstoffarmen Abgaswerten. So lautet das technische Gebiet.
Der Ursprung des technischen Fortschritts in der Automobilindustrie liegt oft, und wie auch in diesem Fall, in vielen branchenfremden Technologien verborgen. So wird sich der nachfolgende Teil gelegentlich mit Technologien befassen, die mit der Automobilbranche wenig gemeinsam haben.
Aus der Feuerungstechnik bei Großfeuerungsanlagen liegen gesicherte Erkenntnisse dafür vor, daß bei der Verteuerung von Schwerölemulsionen gegenüber einer herkömmlichen Verteuerung von schweren Heizölen der feuerungstechnische Wirkungsgrad erheblich verbessert werden konnte. Somit konnten Verbrauch und Schadstoffausstoß im Rauchgas in einigen Bereichen deutlich reduziert werden. Die feuerungstechnischen Fortschritte, die erzielt wurden, reichten jedoch nicht aus, den Umstellungstrend von Schweröl auf Gas aufzuhalten. Strenge behördliche Auflagen haben es fast unmöglich gemacht, Schwerölfeurungsanlagen kostenvertretbar zu sanieren.
Die verbliebenen Erkenntnisse aus der damaligen Zeit der Forschung und Entwicklung haben dieser Erfindung die wesentlichen Grundlagen verliehen. Anlehnung an Technologien zur Begasung von flüssigen Medien, Technologien aus der Sonochemie und der hydraulichen Homogenisation, wie sie zur Herstellung von mikrofeinen Emulsionen in vielen Bereichen wie z.B. Kosmetik, Lebensmittel, Pharma, Chemie oder Petrochemie eingesetzt werden, kommen als weitere Grundlagen ebenso in Betracht.
2. Stand der Technik.
Der eigentliche und initiale Impuls, der diese Erfindung in Gang gebracht hat, ging aus von einer Presseveröffentlichung der Adam Opel AG über den ersten vierventiligen Selbstzünder mit Direkteinsprizung, überschrieben mit dem Titel: Vorstoß in eine neue Diesel-Ära. (Erschienen u.a. in der Rheinischen Post am 05.10.1996, Rubrik Verkehr und Technik) Weitere Impulse gaben die Berichte in den Zeitschriften ADAC-motorweit, MOT-Autos/Test/Technik und Auto-Motor-Sport. Diese Berichte befassen sich u.a. mit der Beurteilung des neuen Opel-Triebwerks im Vectra DI und dem Testvergleich mit dem relativ neuen Audi A4, 1,9 TDI . Desweiteren wurde der neue VW Passat 1,9 TDI vorgestellt, der im Laufe des Jahres 1997 auf den Markt kommt. So wird es nach dem Stand der Technik im Jahre 1997 drei Mittelklasse-PKW' s geben, die einen durchnittlichen Diesel- kraftstoffverbrauch von nur ca. 6 1 haben, und dies bei einer respektablen Leistung um die 80 KW aus einem Hubraum von 1,9 bzw. 2,0 1.
Desweiteren werden zunächst im Dieselbereich die Hersteller Alfa Romeo und Mercedes-Benz mit der Common-Rail- Technik folgen. Im Bereich Otto-Kraftstoffe und GDI- Technik wird als erster der Japanische Hersteller Mitsubishi im Europäischen Markt vertreten sein.
Nach Lage der Dinge werden für die Direkteinsprizung von Dieselkraftstoff in den Brennraum Einspritzpumpen verwendet, die einen Druck von mehr als 1000 bar erzeugen, wobei sich ein Staudruck an den Einspritzdüsen von 1300 bis 1500 bar ergeben kann. Dies bedeutet, daß der Dieselkraftstoff beim Einspritzen in mikrofeine Tröpfchen zerteilt wird und sich die Verbrennungsoberfläche des Kraftstoffs um ein Vielfaches vergrößert, gegenüber der bislang angewendeten KraftstoffZuführung in den Brennraum. Durch eine vielfache Vergrößerung der Verbrennungsoberfläche und einer optimalen Verteilung der Verbrennungsluft konnte der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden.
3. Problemstellung
1.) Um den Kraftstoffverbrauch nochmals deutlich zu reduzieren, müßte dem Kraftstoff oder dem Kraftstoffgemisch eine noch höhere Brisanz verliehen werden. 2.) Mit einer vollkommeneren Kraftstoffverbrennung könnte sich auch die Abgasmenge und die Schadstoffe im Abgas optimal reduzieren lassen. 3.) Mit einer mikrofeinen, begasten O/W- Dieselemulsion, mit einem Teilchengrößendurchmesser von < 1,0 μm und einem sehr hohen Gleichmaß der Teilchengrößen- verteilungsparameter, kann das Problem gelöst werden. Das Herstellungsverfahren ist kompliziert und verlangt einiges an technischem Know-how, sowie hochpräziser Teilefertigung. 4.) Eine solch hochwertige Emulsion, die zusätzlich noch mit explosiven Gaskernen aus der Abgasrückführung dispergiert ist, reagiert sehr empfindlich auf mechanische Belastungen, was die Entmischungsstabilität betrifft. 5.) Eine begaste O/W-Dieselemulsion kann wegen der ohnehin zeitlich begrenzten Entmischungsstabilität nur im KFZ während des Betriebes, und unmittelbar vor dem Einsatz produziert werden. 6.) Die Voremulsion darf zur endgültigen Fertigstellung auf der Strecke zur Direkteinspritzung nicht mehr in eine Dekompressionsphase gebracht werden, die sich z.B. hinter Ventilen oder ähnlichen Drosselstrecken ergeben kann. 7.) Bei der Direkteinspritzung in den Brennraum über eine Einloch- oder Mehrlochdüse ist selbst bei sehr hohen Einspritzdrücken noch kein optimales Ergebnis bezüglich homogene Kraftstoffgemisch- verteilung im Brennraum erreicht.
4. Die Problemlösung Aus physikalischer Sicht und aus den technischen Erkenntnissen, die in branchenfremden Bereichen liegen, konnte sich die Problemlösung realisieren lassen. So wird angestrebt, Zusammenhänge so einfach darzustellen, wie sie sind.
Am Beispiel mit Dieselkraftstoff soll erläutert werden, wodurch sich die Brisanz des Kraftstoffgemischs erhöht. Geht man davon aus, daß durch den hohen Einspritzdruck einer neuzeitlichen Hochdruck-Einspritzpumpe der Dieselkraftstoff in mikro- bzw. nanofeine Tröpfchen zerteilt wird, könnte diese Einspritzpumpe ebensogut dazu mitverwendet werden, eine mikrofeine Dieselemulsion bzw. 0/W- Emulsion zu erzeugen, die zusätzlich mit explosiven Gaskernen über die Abgasrückführung dispergiert ist. - O/W-Emulsion (siehe Fig. 1) In der Pharmazeutik- und der Kosmetikindustrie werden zur Herstellung von mikro- bzw. nanofeinen Emulsionen (Impfstofflösungen, Liposomenpro- dukte u.dgl.) u.a. hydraulische Homogeniasatoren im großtechnischen Maßstab eingesetzt, die mit ähnlich hohen Drücken arbeiten, wie sie z.B. von einer Radialkolbenpumpe erzeugt wird. Die Mitverwendung einer bereits vorhandenen Hochdruckeinspritzpumpe zur Erstellung einer hochwertigen Dieselemulsion bietet sich daher nahezu an, weil sie vom kleintechnischen Maßstab her genau die richtige Größe hat. Der eigentliche Homogenisationsvorgang bzw. die letzte Homogenisationsstufe wird im Ringspalt und Rinkanal der Einspritzdüse verwirklicht. Die Konstruktion des Düsenaustritts für die Direkteinspritzung ist deshalb als Homogenisationsventil ausgebildet. Gegenüber der her- kömmlichen Mehrlochdüse wird der Kraftstoff durch einen Ringspalt gepreßt und in einen zum Brennraum offenen Ringkanal umgelenkt. Die Dekompressionseigenschaft bei der Direkteinspritzung wird durch den explosiven Charakter von dispergierten Gaskernen in der Dieselemulsion erheblich verstärkt, was dazu führt, daß das Brennstoffge- misch homogen und optimal im Brennraum feinstverteilt wird. Somit entsteht eine kompakte, homogene Zündquelle, die sich nicht erst verschmelzen muß, um hiernach den Explosionsdruck steil anwachsen zu lassen.
Zur Erzeugung einer mikrofeinen und hochwertigen 0/W- Dieselemulsion, dispergiert mit explosiven Gaskernen aus der Abgasrückführung, ist eine exakte Dosierung von -Dieselkraftstoff, Wasser und verdichtetes Gas aus der Abgasrückführung oder auch normale Verbrennungsluft erforderlich. So werden in der 1. Stufe die beiden Phasen, hydo- phile und lipophile Phase, sowie anschließend in der 2. Stufe die gasförmige Phase möglichst gleichmäßig miteinander suspensiert, bevor sie in die Dispergierung und Vorhomogenisation gelangen.
Wie aus der Feuerungstechnik bei Schweröl- Großfeuerungsanlagen bekannt ist, konnte bei der Verteuerung von Schwerölemulsion der feuerungstechnische Wirkungsgrad gegenüber der herkömmlichen Verteuerung von Schweröl deutlich verbessert werden. Die Ursache der Wirkungsgradverbesserung liegt im Crackeffekt der Emulsionströpfchen. Der Crackeffekt wiederum wird hervorgerufen, wenn eine O/W-Emulsion, bestehend aus z.B. 8% Wasser in 92% Öl, in den Brennraum eines Heizkessels eingespritzt wird, und das Wasser in den Oltröptchen explosionsartig verdampft und hierbei die Oltröptchen in kleinste Teilchen spaltet.
Im übertragenen Sinne würde eine direkt eingespritzte O/W-Dieselemulsion in den Brennraum eines Verbrennungsmotors der gleichen oder einer ähnlichen Gesetzmäßigkeit unterliegen. Wird Ähnlichkeit unterstellt, so entsteht der gleiche Crackeffekt, der dazu führt, daß sich die Verbrennungsoberfläche des Dieselkraftstoffs um ein Vielfaches erhöht, was als wichtigste Voraussetzung für eine schnellere und vollkommenere Verbrennung gilt. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß der Brennraum eines Heizkessels während des Brennerbetriebes zum Ableitsystem des Rauchgases permanent geöffnet ist, wogegen der Brennraum eines Verbrennungsmotors während der Explosionsphase durch Ein- und Auslaßventile verschlossen ist. Desweiteren wird der Crackeffekt der Dieselemulsion durch die hochkomprimierte Begasung aus der Abgasrückführung oder normaler Verbrennungsluft erheblich verstärkt. Der Betriebsdruck der Einspritzpumpe und der hohe Kavitationseffekt im Ringkanal der Einspritzdüse während der Einspritzphase, sowie die Spitzenwerte von Druck und Temperatur, die sich während der Explosionsphase im Brennraum kurzzeitig aufbauen, haben auf die kleinen Wasserteilchen in der mikrofeinen, begasten O/W-Emulsion eine ganz wesentliche Auswirkung. Je nach Menge und Größe der Wasserteilchen im Verhältnis zu den Spitzenwerten von Druck und Temperatur wird es zu einer Reaktion kommen, wo die che- mische Verbindung (H20) der Wasserteilchen in Wasserstoff und Sauerstoff gelöst wird, und das Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff in den Verbrennungsprozeß von Dieselkraftstoff und Verbrennungsluft mit einbezogen wird. Durch die insgesamt höhere Brisanz dieses Kraftstoffge- mischs wird es zu einem deutlich verbesserten Wirkungsgrad und damit zu einem günstigeren Leistungs/Verbrauchs- Verhältnis gegenüber der herkömmlichen Kraftstoffaufbereitung kommen. In Abhängigkeit des geringeren Kraftstoffverbrauchs wird im Verhältnis hierzu die Abgasmenge auf einen entsprechend geringeren Wert reduziert. Bedingt durch die effizientere Kraftstoffverbrennung wird auch der Ausstoß von Partikeln, wie Staub und Ruß, im Abgas deutlich verringert. Desweiteren bewirkt der Wasseranteil in der mikrofeinen, begasten O/W-Dieselemulsion eine Flammkühlung und somit auch eine NOx-Reduktion. Dieser Wasseranteil, der im Verbrennungsprozeß mit einbezogen ist, wird unabhängig ob als Wasser und/oder Wasserstoff und Sauerstoff, als absolut unschädlicher Wasserdampf im Abgas ausgestoßen.
Die mikrofeine, begaste O/W-Dieselemulsion wird in einem 3-stufigen Verfahren hergestellt. Wie dies geschieht, soll die schematische Darstellung - Dieselkraftstoff- Aufbereitungsanlage (siehe Fig. 2, Fig. 3a und Fig. 3b ) veranschaulichen .
Der Dieselkraftstoff wird vom Dieselkraftstofftank (1) und das Wasser vom Wassertank (2) über je eine separate Förderpumpe (5) zur Dosiereinrichtung (6) gepumpt. Die Dosiereinrichtung ist mit zwei hydraulischen Mengenreglern und einer Servosteuerung ausgestattet und liefert über den gesamten Motordrehzahlbereich die optimalen Mengenverhältnisse von Dieselkraftstoff und Wasser, wie z.B. 97:3 bis 70:30, für die begaste O/W-Dieselemulsion. Die beiden Magnet-Durchgangsventile (7) sind im Normalbetrieb geöffnet. Im Injektor-Suspensierer (8) werden Dieselkraftstoff und Wasser in einem optimal dosierten Verhältnis als Vorstufe der Emulsionsbildung zusammengeführt. Das Magnet-Dreiwegeventil (9) ist im Normalbetrieb zum Bypass (10) geschlossen und zum Dispergierer und Homogenisator (11) geöffnet. Im Dispergierer und Homogenisator, der mit einem mitteltourigen (3000 - 6000 Upm) Flügelrüh- rer und einem (15 - 30 kHz) Ultraschall-Resonator ausgestattet ist, werden die Flüssigkeiten (hydophile und li- pophile Phase) so miteinander vermischt, daß bereits hier die 1. Stufe der Emulsion entsteht. Aus der Abgasrückführung (12) wird ein Teil des aufbereiteten Abgases über einen Kompressor (13) auf ca. 8,0 bis 10,0 bar verdichtet und im Perlator-Injektorsupensierer (14) mit der Voremulsion zusammengeführt. Der Perlatorinjektor ist so dimensioniert, daß die Gaskerne in dieser Phase unter einem Druck von 8,0 bis 10,0 bar eine Größe von 50 bis 100 μm annehmen. In einem weiteren Dispergierer und Homogenisator (15) werden die Gaskerne mit hohen Gleichmaß in die Voremulsion dispergiert. Von entscheidender Bedeutung für die Qualität der mikrofeinen, begasten Emulsion ist ein hohes Gleichmaß von (> 85 %) der Teilchengrößenvertei- lungsparameter. Vom Puffer des Dispergierers und Homogenisators (15) gelangt das voremulgierte Kraftstoffgemisch in die Hochdruckeinspritzpumpe (16). Dort werden sich die Gaskerne in der Voremulsion unter dem hohem Druck von etwa 800 bis 1500 bar erheblich komprimieren und entsprechend verkleinern. In der Einspritzphase wirkt der speziell konstruierte Ringspalt im Austrittsbereich der Einspritzdüse (20) (siehe Fig. 3a und Fig. 3b) wie ein Homo- genisationsventil eines hydraulischen Homogenisators. Unter Einwirkung von Kavitation wird sich nun in der 3. Stufe die Voremulsion zu einer mikrofeinen O/W-Emulsion ausbilden. Während der Einspritzphase werden die Gaskerne in der Dieselemulsion dem Gesetz der Dekompression folgen, sich zurückentwickeln, und sich explosionsartig vergrößern. Hierbei werden die mikrofeinen Emulsionströpfchen nochmals in kleinste Teilchen gespalten. Im System der Direkteinspritzung besteht eine Regelung zur Druckhaltung im KraftstoffVerteiler (18). Nachteilige Druckschwankungen im Verteiler sind weitgehendst ausgeschlossen, da die komprimierten Gaskerne in der Voremulsion dem KraftstoffVerteiler (18) und dem Rücklausammler (21) ein ausgezeichnetes, stabiles Pufferverhalten verleihen. Die Einspritzzeiten und damit die Einspritzmengen werden über die Einspritz-Magnetventile (19) vom Elektonik- Powermanagemant (17) gesteuert, welches u.a. von einem elektronischen Gaspedal (23) bedient wird. Überschüssige Voremulsion wird über den RücklaufSammler (21) und den Rücklauf (22) zur Hochdruckeinspritzpumpe (16) zurückgeführt.
Anmerkung: Die schematische Darstellung gemäß Fig. 2 enthält nur die wesentlichen Dinge, die das Zusammenwirken der Erfindungsmerkmale erkennen lassen. Auf alle zusätzlichen Teile in der Darstellung, wie z.B. Rückspül- und Begleitheizsystem, welches für die Wintertauglichkeit erforderlich ist, wurde deshalb verzichtet.
5. Die erreichten Vorteile
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß gegenüber der herkömmlichen Kraftstoffaufbereitung eine wesentlich effizientere Kraft- stoffverbrennung erreicht wird und somit ein günstigeres Verhältnis im Bezug auf Leistung zum Verbrauch entsteht. In Abhängigkeit des geringeren Kraftstoffverbrauchs -wird im Verhältnis hierzu die Abgasmenge und der C02-Anteil auf einen entsprechend geringeren Wert reduziert. Bedingt durch den Crackeffekt der begasten Emulsionströpfchen und der effizienteren Kraftstoffverbrennung wird der Ausstoß von Partikeln wie Staub und Ruß und CO-Gehalt im Abgas im Abgas deutlich verringert. Die Reduktion der NOx-Werte im Abgas steht im direkten Zusammenhang mit der Flammkühlung durch den Wasseranteil im der O/W-Dieselemulsion. Die kleinen Wasserteilchen in der mikrofeinen, begasten O/W- Dieselemulsion werden unter Einwirkung von Kavitation (Implosions- und Lumineszenzeffekt), sowie entsprechend hohem Betriebsdruck der Einspritzpumpe und Spitzenwerten von Druck und Temperatur im Brennraum teilweise bis vollständig von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gelöst, was sich zusätzlich positiv auf die Brisanz des Kraftstoffgemisches und auf das Verbrennungsergebnis auswirkt, und somit auch deutliche Auswirkung auf das Lei- stungs/Verbrauchs-Verhältnis und die Schadstoffreduzierung im Abgas hat. Weitere erreichte Vorteile bestehen darin, daß die Druckhaltung im Kraftstoffverteiler keine wesentlichen Druckschwankungen aufweist, da die komprimierten Gaskerne in der Voremulsion dem Kraftstoffverteiler ein ausgezeichnetes Pufferverhalten verleihen, und daß die optimal und homogene Kraftstoffgemischverteilung im Brennraum darauf zurückgeführt werden kann, daß die Kraftstoffeinspritzung über eine Ringspaltdüse und nicht über eine Mehrlochdüse erfolgt. Direkteinspritzungen von Dieselkraftstoff mit Common-Rail über 6-Lochdüsen bzw. 8- Lochdüsen weisen eine symmetrisch-segmentartige Kraftstoffverteilung im Brennraum auf, die darauf schließen lassen, daß der Explosionsbeginn durch mehrere Zündquellen gleichzeitig oder fast gleichzeitig eingeleitet wird. Durch Verschmelzen der Zündquellen im weiteren Verlauf der Brennphase tritt beim Anstieg des Explosionsdrucks in seiner Charakteristik eine geringe Verzögerung ein. Bei der DPI-Direkteinspritzung über eine Ringspaltdüse würde sich eine symmetrisch angeordnete, großvolumige und homogene Zündquelle ergeben, die sich nicht erst verschmelzen muß, um hiernach den Explosionsdruck steil anwachsen zu lassen. Desweiteren können wegen des günstigen Pufferverhaltens im Kraftstoffverteiler Motoren mit 4 bis 6 oder mehr Zylinder problemlos mit einer Einspritzpumpe versorgt werden. Fig. 1
Lichtmikroskopische Darstellung einer typischen mikrofeinen O/W-Emulsion bei 600-facher Vergrößerung
Fig. 2
Schematische Darstellung der DPI Dieselkraftstoff- Aufbereitungsanlage für mobile und stationäre Verbrennungsmotoren
Dieselkraftstofftank (1), Wassertank (2), Magnet- Durchgangsventile (3), Absperr- und Regulierventile (4), Förderpumpen für Dieselkraftstoff und Wasser (5), Dosiereinrichtung für Dieselkraftstoff und Wasser mit integrierten hydraulischen Mengenreglern und Servosteuerung (6), Magnet-Durchgangsventile mit integrierten Rückschlagventilen (7), Injektor-Suspensierer für Wasser in Dieselkraftstoff (8), Magnet-Dreiwegeventil für Bypassbe- trieb (9), Bypass (10), Dispergierer und Homogenisator (11), Abgasrückführung (12), Kompressor mit Druckbehälter und integrierter Dosiereinrichtung (13), Perlator- Injektorsuspensierer für komprimierte Gase (14), Dispergierer und Homogenisator (15), Hochdruck-Einspritzpumpe (16), Elektronik-Powermanagement (17), KraftstoffVerteiler mit Druckmeßwertgeber (18), Einspritz-Magnetventile (19), Ringspalt-Einspritzdüsen (20), KraftstoffSammler mit Druckhalteventil-Regelventil (21), Rücklauf zur Hochdruckeinspritzpumpe (22), Elektronisches Gaspedal (23)
Fig. 3 a
Düsenspitze-Konstruktion für radiale Einspritzung
Fig. 3 b
Düsenspitze-Konstruktion für axiale Einspritzung

Claims

Patentansprüche
DPI (Dual-Power-Injection) Kraftstoffaufbereitungsan- lage für mobile und stationäre Verbrennungsmotoren, insbesondere geeignet für Dieselkraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffaufbereitungsanlage in einem 3-stufigen Verfahren eine mikrofeine, begaste O/W-Emulsion aufbereitet, welche als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren im Verbrauchsverhalten ein sehr günstiges Verhältnis im Bezug auf Leistung zum Verbrauch aufweist, gegenüber herkömmlichen Dieselmotoren.
2. Die DPI Kraftstoffaufbereitungsanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des geringen Kraftstoffverbrauchs auch eine hierzu im Verhältnis stehend geringe Abgasmenge erzeugt wird, gegenüber herkömmlichen Dieselmotoren.
Die DPI Kraftstoffaufbereitungsanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffe im Abgas insgesamt erheblich günstigere Werte aufweisen, als bei herkömmlichen Dieselmotoren. Dies zeigt sich am deutlichsten durch den geringen Ausstoß von Partikeln (Schwarzrauch), sowie Stickoxyden N0X.
4. Die DPI Kraftstoffaufbereitungsanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung H20 der Wasserteilchen (< ca. 0,4 μm Durchmesser) in der begasten O/W-Dieselemulsion, bzw. Voremulsion durch hohe Energieeinwirkung mittels Betriebsdruck der Einspritzpumpe und Kavitationserzeugung im Rinkanal der Einspritzdüse, sowie den Spitzenwerten des Explosionsdrucks und der Explosionstemperatur in einem Bereich von teilweise bis vollständig in Wasserstoff und Sauerstoff gelöst wird. Diese Reaktion kommt erst dadurch zustande, weil die in einem dreistufigen Verfahren erstellte begaste O/W-Dieselemulsion ein sehr hohes Gleichmaß bestimmter Teilchengrößenvertei- lungsparameter aufweist.
5. Die DPI Kraftstoffaufbereitungsanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Direkteinspritzung die erforderliche Druckhaltung im Kraft- stoffverteiler ohne nachteilige Druckschwankungen arbeitet, weil zusätzlich zur Druckhalteregelung im Kraftstoffsammler die hochkomprimierten Gaskerne in der O/W-Dieselemulsion dem Kraftstoffverteiler und Kraftstoffsammler ein ausgezeichnetes Pufferverhalten verleihen. Wegen des günstigen Pufferverhaltens im Kraftstoffverteiler können Motoren mit 4 bis 6 oder mehr Zylinder problemlos mit einer Einspritzpumpe versorgt werden.
6. Die DPI Kraftstoffaufbereitungsanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Direktein- spritzung, gemäß DPI (Dual-Power-Injection) mittels zwei verschiedenen Energiearten erfolgt. 1) Durch die hydraulische Energie der Einspritzpumpe und 2. die pneumatische Energie, die während der Dekompressi- onsphase der Gaskerne, die unter einem Druck von bis zu ca. 1500 bar stehen, freigesetzt wird. Die pneumatische Energie unterstützt die hydraulische Energie insoweit, daß eine optimale und homogene Verteilung des Kraftstoffgemischs im Brennraum erreicht wird.
7. Die DPI Kraftstoffaufbereitungsanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse gegenüber der herkömmlichen Mehrloch-Einspritzdüse als Ringspalt-Einspritzdüse ausgebildet ist, welche zusätzlich die Funktion als Homogenisationsventil übernimmt und die O/W-Dieselemulsion in ihrer 3. Stufe erstellt. Im Zusammenhang mit den hochkomprimierten Gaskernen in der O/W-Dieselemulsion wird es bei der Kraftstoffeinspritzung zur Dekompression der Gaskerne kommen, wobei eine optimal und homogene Kraftstoffgemischverteilung im Brennraum erreicht wird.
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