DE102008015017A1

DE102008015017A1 - Brennkammer

Info

Publication number: DE102008015017A1
Application number: DE200810015017
Authority: DE
Inventors: Franz Hegele
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-09-24

Abstract

In der Brennkammer eines Verbrennungsmotors befindet sich ein Körper mit großer Oberfläche, welche beispielsweise als Drallspirale ausgebildet ist. Die Oberfläche dieses Körpers ist mit einem geeigneten Katalysator versehen, aus welchem auch das Material des Körpers ganz, oder teilweise bestehen kann und welcher die pyrolytische Aufspaltung - das Cracken - des Kraftstoffs begünstigt. Die Drallspirale ist an die Brennkammerwand angeformt. Durch das Zentrum dieser Drallspirale wird der Kraftstoff mit hohem Druck als konzentrierter Strahl in eine Prallmulde gespritzt, welche sich in der Brennkammer befindet.

Description

Wie einer Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 8. Februar 2008 zu entnehmen ist, sind die von modernen, direkteinspritzenden Dieselmotoren emittierten Russpartikel...
Klein, aber gefährlich „Rußpartikel moderner Dieselmotoren sind vermutlich gesundheitsschädlicher als die Rußteilchen aus älteren Motoren.”
Eine weitgehende Abscheidung der Russpartikel aus dem Abgas ist zwar technisch möglich, sie wird jedoch bei abnehmender Partikelgrösse zunehmend aufwendiger.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Entstehung von Russpartrikeln bei der Verbrennung eines Kraftstoffes in einer Wärmekraftmaschine, vor allem in einem Hubkolbenmotor, grundsätzlich zu verhindern.
Diese Verhinderung muss also schon vor ihrer Bildung im Verbrennungsprozess geschehen.
Dass jedoch dieses Ziel bei der Verbrennung eines Kraftstoffs mit hohem Kohlenstoffanteil, vor allem also Dieselöl, aber auch Benzin, durch Vorkehrungen zu seiner möglichst feinen Zerstäubung mittels Hochdruckeinspritzung im Hubraum des Motors nur unzureichend möglich ist, zeigt die wohl weitgehend in dieser Hinsicht ausgereizte Entwicklung der direkteinspritzenden Dieselmotoren.
Eine vollständige Verbrennung des in diesen Kraftstoffen enthaltenen Kohlenstoffs ist nur unter Bedingungen möglich, welche sich im Hubraum eines Motors aus technischen Gründen nicht schaffen lassen.
Diese Bedingungen sind:

a.) Eine möglichst hohe Verbrennungstemperatur
b.) Die Unterstützung des Verbrennungsvorgangs durch einen geeigneten Katalysator.
c.) Eine möglichst homogene Durchmischung des Kraftstoffs mit seinem Reaktionspartner Sauerstoff, welcher in der vom Motor angesaugten Luft enthalten ist.
d.) Die Überführung bzw. Aufspaltung des flüssigen Kraftstoffs in Gas, durch seine Verdampfung und/oder vollständige, oder zumindest teilweise thermische und chemische Pyrolyse, noch bevor er in Tröpfchenform von aussen nach innen abbrennen kann.

Wenn also die o. g. Bedingungen im Hubraum eines Verbrennungsmotors nicht geschaffen werden können, müssen sie in einem separaten Brennraum erfüllt werden.
Seit langem bekannt ist das Prinzip für Dieselmotoren mit einer Vor- oder Wirbelkammer
Allerdings wurde die technische Entwicklung dieser Verfahren weitgehend eingestellt, zugunsten der direkt in den Hubraum einspritzenden Dieselmotoren.
In der Patentschrift DD 275 891 A1 v. 03.10.88 wird eine „Brennkraftmaschine mit einem katalytisch beschichteten Brennraum” vorgeschlagen. Diese Schicht soll jedoch nur die Oxidation des Kraftstoffs unterstützen.
Der Glühkopfmotor und der sogen. MAN M-Motor arbeiten nach dem Prinzip, dass der Kraftstoff zuerst an der heissen Oberfläche einer Vorkammer verdampft wird, bevor dieser Dampf dann im weiteren Verlauf des Arbeitshubs mit der Verbrennungsluft reagiert.
Im Wesentlichen geht es bei dem erfindungsgemässen Verfahren, anders als bei den bisher bekannten Verbrennungsverfahren darum, dass der Brennstoff bereits unmittelbar nach seiner Einspritzung in den Brennraum durch eine, von geeigneten Katalysatoren unterstützte chemische und thermische Pyrolyse zu Acetylen C2H2 abgebaut – gecrackt – wird, und dass unmittelbar darauffolgend dieses Molekül komplett verbrannt wird und folglich nur noch die Reaktionsprodukte dieser Verbrennung, vorwiegend also CO2 und H2O in den Hubraum gelangen und dort den Kolben antreiben.
Durch den sehr hohen Verbrennungsdruck in der Brennkammer und die ebenfalls sehr hohe Temperatur der Drallspirale und der Brennkammerwand können dort die Reaktionen durch die Wahl geeigneter Katalysatoren bestmöglich beeinflusst werden.
Die bisher bekannte Anordnung eines Abgaskatalysators im Auspufftrakt ist wesentlich weniger wirksam, aufgrund der dort niedrigeren Temperatur und vor allem aufgrund des dort um etwa zwei Grössenordnungen geringeren Druckes,
Das erfindungsgemässe Ziel wird dadurch erreicht, dass der eingespritze Kraftstoff unmittelbar mit dem sich in der Brennkammer befindenden, mit einem geeigneten Katalsator versehenen Drallkörper in Kontakt kommt und dort bereit thermisch und chemisch aufgeschlossen – gecrackt – wird, bevor er, bzw. seine durch diesen Aufschluss entstandenen Bestandteile dann erst in einem zweiten Schritt mit dem O2 der Verbrennungsluft reagieren.
Dieser Vorgang wird nachstehend an der auf Blatt 1 der Abbildungen gezeigten Skizze erläutert:
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren wird hier der Kraftstoff nicht möglichst fein, mittels sehr hoher Einspritzdrücke in der Verbrennungsluft verteilt, sondern als konzentrierter Strahl ES, mit sehr hohem Druck, durch den Kernkanal K in die Prallmulde M gespritzt.
Diesen Vorgang zeigt die Detailabbildung in 2. Das dort gezeigte Detail enstpricht dem Ausschnitt D in 1
Dort in der Prallmulde M zerteilt der Strahl ES sich in feinste Tröpfchen und trifft unmittelbar danach bereits auf die Oberfläche der katalytisch beschichteten, sehr heissen Drallspirale DS.
Das Zerteilen des Strahls in der Prallmulde kann durch ihre Oberflächenstruktur XXX unterstützt werden.
Er wird auf der Oberfläche der Drallspirale, sowie auch teilweise an der Brennkammerwand thermisch und chemisch in seine Kohlenstoff- und Wasserstoff-Bestandteile aufgeschlossen, bzw. gecrackt, und diese treten erst danach mit der Verbrennungsluft in Reaktion.
Die Bildung von Russpartikeln, wie sie bei der von aussen nach innen fortschreitenden Verbrennung von, wenn auch noch so fein zerstäubten Kraftstofftröpfchen unvermeidlich ist, wird dadurch unterbunden.
Nach dieser Aufspaltung entzündet sich das Gas an der heissen Drallspirale DS im unteren Brennraum UB und verbrennt im weiteren Verlauf auch im oberen Brennraum OB vollständig zu CO2 und H2O, woraufhin diese Verbrennungsprodukte den Kolben im Arbeitstakt nach unten treiben.
Diese Verbrennung kann durch eine Beschichtung der Oberen Brennkammer und der darin befindlichen Drallspirale mit einem geeigneten Redox-Katalysator dahingehend beeinflusst werden, dass die Bildung von Stickoxiden weitgehend verhindert, bzw. revidiert wird.
Bezugszeichenliste/Erklärung der Abbildungen
Blatt 1.
1 zeigt einen Schnitt durch die Brennkammer, welcher durch die beiden Teile OB und UB gebildet wird. Diese befinden sich im Zylinderkopf ZK und im Kolben K.
Im Brennraum befindet sich die Drallspirale, deren oberer und unterer Teil jeweils mit DS bezeichnet ist.
Die Einspritzdüse E spritzt den Kraftstoff in den Detailbereich D, welcher in
2 vergrössert dargestellt ist.
Der gebündelte Einspritzstrahl ES passiert die Drallspirale DS im offenen Kernkanal K und trifft auf die Prallmulde PM. Dort wird er, ggf. durch geeignete Oberflächenstrukturen XXX unterstützt, in feine Tröpchen zerteilt und nach oben, zurück in die Drallspirale umgelenkt. Diese ist mit einem geeigneten Katalysator versehen und an ihrer Oberfläche wird der Kraftstoff einer thermischen und chemischen Pyrolyse unterzogen.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht des unteren Brennraums, mit der darin befindlichen Drallspirale.
Blatt 2.
4 zeigt die Vorkammer für einen Dieselmotor, mit einem Zerstäubungsraum 1 für den Kraftstoff. Dieser wird auf die Drallspirale 2 gespritzt und dort einer thermischen und chemischen Pyrolyse unterzogen. Durch den Drallkanal 3 gelangen die Reaktionsprodukte als Gasstrahlen 5 in den Hubraum. In diesem wird die Oxidation der Reaktionsprodukte mit dem Luftsauerstoff abgeschlossen.
Die Drallspirale wird durch Stifte 6 fixiert, die Vorkammer entlang A-A' geschnitten, um die Drallspirale einsetzen zu können. Letztere kann aus zwei Teilen, mit unterschiedlichen katalytischen Eigenschaften bestehen. B-B' ist die Trennlinie dieser beiden Teile.
4.1 zeigt eine Vorkammer aus Keramikmaterial 11, an welche innen die Drallspiralen 22 und der Drallkanal 3 angeformt sind. Der aus der Einspritzdüse E kommende Kraftstoff wird fein verteilt in den aus Sinterkugeln SK bestehenden Zerstäubungsraum eingespritzt und dort mithilfe der mit einem geeigneten Katalysator versehenen Sinterkugeln SK einer thermischen und chemischen Pyrolyse unterzogen.
5 zeigt eine mit Rippen 4 versehene Drallspirale, wie sie perspektivisch in
6 dargestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DD 275891 A1 [0012]

Claims

Brennkammer für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass sich in ihr ein Körper mit grosser Oberfläche befindet, welcher mit einem für die Pyrolyse bzw. das Cracken von Kohlenwasserstoffen geeigneten Katalysator beschichtet ist, und/oder welcher selbst aus einem in dieser Weise katalytisch wirkenden Material besteht.
Brennkammer nach Anspruch 1.), dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einer Hochtemperatur-Keramik, beispielsweise aus den Materialien Aluminiumoxid, Siliziumcarbid oder Bornitrid besteht und die Form einer ein- oder mehrgängigen Drallspirale aufweist.
Brennkammer nach den Ansprüchen 1.) u. 2.), dadurch gekennzeichnet, dass dieser Körper an die Innenwandung der ebenfalls aus Keramik bestehenden Brennkammer angeformt ist.
Brennkammer nach den Ansprüchen 1.) b. 3.), dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit hohem Druck als konzentrierter Strahl durch das Zentrum der Drallspirale in eine Prallmulde gespritzt und dort in kleine Tröpfchen zerteilt wird.
Brennkammer nach den Ansprüchen 1.) b. 4.), dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator als Redoxkatalysator wirkt und mit den Edelmetallen Platin und/oder Rhodium beschichtet ist.
Brennkammer nach den Ansprüchen 1.) b. 5.), dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Kolbens und/oder Zylinderkopfes ist.