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DE102008053774A1 - Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betreiben eines solchen - Google Patents

Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betreiben eines solchen Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) angegeben, bei dem ein Kraftstoff verwendet wird, der ein Kohlenwasserstoffgemisch aufweist, das einen Katalysator und Wasser enthält, und bei dem der Kraftstoff derart ausgebildet ist und der Einspritz- oder Zündzeitpunkt derart gesteuert wird, dass im Betrieb Wasserstoff freigesetzt und verbrannt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, insbesondere für mobile Anwendungen, der grundsätzlich herkömmlicher Bauart ist. Es kann sich etwa um einen Ottomotor, um einen Dieselmotor oder um eine Gasturbine handeln.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verbrennungsmotors.
  • Seit Jahrzehnten wird versucht, den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren zu steigern. Dabei wurden in den letzten Jahren ständig Fortschritte gemacht. Gleichwohl wäre es wünschenswert, den Wirkungsgrad weiter zu steigern.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
  • Ferner soll ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors geschaffen werden, mit dem ein höherer Wirkungsgrad erzielbar ist. Außerdem soll die Abgasemission möglichst gering sein.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors gelöst, bei dem ein Kraftstoff verwendet wird, der ein Kohlenwasserstoffgemisch aufweist, das einen Katalysator und Wasser enthält, und bei dem der Kraftstoff derart ausgebildet ist und der Einspritz- oder Zündzeitpunkt derart gesteuert wird, dass im Betrieb Wasserstoff freigesetzt und verbrannt wird.
  • Die Erfindung wird ferner durch einen Verbrennungsmotor, insbesondere für mobile Anwendungen, gelöst, mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Kolben beweglich geführt ist, der mit einem Kurbeltrieb verbunden ist, und mit mindestens einem Einlass- und Auslassventil, mit einer Kraftstoffzuführung, und mit einer Steuerung, die eine Veränderung des Einspritz- oder Zündzeitpunktes erlaubt, wobei der Kraftstoff als ein Kohlenwasserstoffgemisch ausgebildet ist, das einen Katalysator und Wasser enthält, und wobei die Steuerung derart eingestellt ist und der Kraftstoff derart ausgebildet ist, dass im Betrieb Wasserstoff freigesetzt und verbrannt wird.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
  • Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass dann, wenn dem Kraftstoff Wasser zugesetzt wird und außerdem ein geeigneter Katalysator zugesetzt wird, bei den üblichen Temperaturen innerhalb eines Verbrennungsmotors eine Aufspaltung des Wassers erfolgt, wobei Wasserstoff freigegeben wird.
  • Es ist bekannt, dass die sogenannte chemische Wasserspaltung bei hohen Reaktionstemperaturen abläuft. Man spricht daher von „Wasserdampfspaltung”. Unter der sogenannten Dampfreformierung versteht man die Umsetzung von Methan und Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff: CH4 + H2O → CO + 3H2.
  • Unter der sogenannten Konvertierung versteht man die Umsetzung von Kohlenmonoxid mit Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff: CO + H2O → CO2 + H2.
  • Eine derartige Wasserstoffherstellung wird im industriellen Maßstab unter Verwendung von Erdöl, Erdgas oder Kohle als Rohstoff durchgeführt.
  • Nicht bekannt ist jedoch eine Anwendung dieses Verfahrens bei einem Verbrennungsmotor zur Leistungssteigerung, Wirkungsgradoptimierung, Verbrauchsreduktion oder Abgasreduktion.
  • Erfindungsgemäß werden hierzu dem Kraftstoff ein gewisser Wasseranteil und ein geeigneter Katalysator zugesetzt.
  • Es hat sich gezeigt, dass die üblicherweise in Verbrennungsmotoren erreichten Temperaturen ausreichend sind, um die Vorgänge der Dampfreformierung bzw. der Konvertierung zur Freisetzung von Wasserstoff zu nutzen, der während des Verbrennungsvorgangs sofort wieder verbrannt wird und zur Leistungsabgabe des Motors beiträgt. So kann eine Leistungssteigerung, Wirkungsgradoptimierung bzw. Verbrauchsreduktion erzielt werden. Gleichzeitig kann eine Abgasreduktion erreicht werden.
  • Da eine gewisse Mindesttemperatur für die Dampfreformierung notwendig ist, nämlich mindestens etwa 850°C und gleichfalls eine gewisse Mindesttemperatur für die Konvertierung von Kohlenmonoxid von etwa 350° bis 500°C notwendig ist, wird der Motor vorzugsweise zunächst auf Betriebstemperatur bzw. auf eine gewisse Mindestleistung gebracht und hierzu zunächst mit herkömmlichem Kraftstoff angefahren. Nach Erreichen einer auszureichenden Betriebstemperatur oder -leistung wird auf einen Betrieb mit Kraftstoff mit Wasserzusatz und Katalysatorzusatz umgeschaltet.
  • In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird ferner der Einspritz- oder Zündzeitpunkt gegenüber einem Betrieb mit herkömmlichem Kraftstoff auf eine späteren Zeitpunkt eingestellt.
  • Dies ist sinnvoll, um wegen der leichteren Entzündlichkeit von Wasserstoff Frühzündungen zu vermeiden.
  • Vorzugsweise wird somit der Verbrennungsmotor bei der Umschaltung auf den Betrieb mit einem Kraftstoff mit Wasserzusatz und Katalysatorzusatz so eingestellt, dass sich ein späterer Einspritz- oder Zündzeitpunkt ergibt.
  • Als Katalysator können beispielsweise Nickeloxid, Chromoxid oder Eisenoxid oder Mischungen hiervon verwendet werden. Während Nickeloxid vorzugsweise für die Dampfreformierung eingesetzt wird, sind Chromoxid und Eisenoxid für die Konvertierung besonders geeignet.
  • Es versteht sich, dass daneben auch andere Katalysatoren geeignet sein können.
  • Wird der Verbrennungsmotor mit Diesel betrieben, so wird der Einspritzzeitpunkt beim Betrieb mit Wasserzusatz vorzugsweise auf einen Bereich von weniger als 14° vor OT, vorzugsweise auf einen Bereich von weniger als 10° vor OT, besonders bevorzugt auf einen Bereich von weniger als 5° vor OT eingestellt. Es kann sich etwa um einen Einspritzzeitpunkt zwischen etwa 0° und 10° vor OT, z. B. etwa 3° bis 4° vor OT handeln.
  • Hierzu sollte der Förderbeginn entsprechend veränderbar sein.
  • Zweckmäßigerweise sollte für den Kolbenboden eine geeignete Legierung eingesetzt werden, die den höheren thermischen Belastungen durch die Verbrennung von Wasserstoff standhält.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung der Erfindung verwendbar sind.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
  • Die einzige Figur zeigt:
  • Eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.
  • Es versteht sich, dass die zeichnerische Darstellung in der Figur lediglich rein beispielhafter Natur ist und nur zum Zwecke der Erläuterung gedacht ist.
  • Bei dem Verbrennungsmotor 10 handelt es sich um einen Dieselmotor grundsätzlich herkömmlicher Bauart mit mindestens einem Zylinder 12, in dem ein Kolben 14 beweglich geführt ist. Der Kolben 14 steht mit einem Kurbeltrieb 16 in Verbindung, an dem weitere Kolben angekoppelt sind, so dass sich z. B. insgesamt ein Sechszylindermotor ergibt.
  • Rein beispielhaft sind ein Einlassventil 38 und ein Auslassventil 40 dargestellt, sowie ferner eine Einspritzdüse 36, über die Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden kann. Über das Einlassventil 38 wird Luft über eine Luftaufbereitung 42 angesaugt, wobei es sich um einen Filter und ggf. einen Turbolader handeln kann. Über das Auslassventil 40 wird das verbrannte Gemisch zu einer Abgasleitung 44 abgeführt. Dem Verbrennungsmotor 12 wird Kraftstoff über eine insgesamt mit 18 bezeichnete Kraftstoffzufuhr zugeführt. Hierbei handelt es sich um eine Einspritzpumpe 20, deren Einspritzzeitpunkt mittels einer Steuerung 22 verstellbar ist. Der Einspritzpumpe 20 kann herkömmlicher Dieselkraftstoff aus einem Tank 24 über eine Leitung 30 und ein Ventil 28 zugeführt werden. Ferner kann aus einem Tank 26 ein Kraftstoff zugeführt werden, dem zusätzlich ein bestimmter Wasseranteil zuemulgiert ist, und dem zusätzlich ein Katalysator, z. B. Nickeloxid und Chromoxid zugesetzt ist. Der zweite Tank 26 kann über eine Leitung 32 und das Ventil 28 mit der Einspritzpumpe 20 verbunden werden. Das verdichtete Kraftstoffgemisch wird von der Einspritzpumpe 20 über eine Einspritzleitung 34 und die Einspritzdüse 36 zu einem geeigneten Zeitpunkt in den Zylinder eingespritzt.
  • Es kann sich bei dem Verbrennungsmotor 12 beispielsweise auch um einen Sechszylinder-Dieselmotor mit 60 kW handeln, der entweder mit handelsüblich erhältlichem Dieselkraftstoff oder mit Diesel betrieben wird, der mit einem Wasseranteil von z. B. 25% und einem Katalysator (Mischung aus Chromoxid und Nickeloxid) versetzt wurde.
  • Zunächst wird der Verbrennungsmotor 12 mit herkömmlichem Diesel aus dem Tank 24 angefahren, bis sich eine Leistung von z. B. 70% ergibt oder der Motor eine gewisse Mindesttemperatur erreicht hat. Dann wird durch Umschalten des Ventils 28 auf den zweiten Tank 26 umgeschaltet, so dass der Motor dann mit dem Kraftstoff betrieben wird, der Wasserzusätze und einen Katalysatorzusatz enthält.
  • Es wurde festgestellt, dass beim Betrieb mit Wasserzusatz und Katalysatorzusatz eine deutliche Leistungssteigerung von mindestens 10% gegenüber einem herkömmlichen Motor erreicht wird. Entsprechend kann eine Verbrauchsoptimierung bzw. Kraftstoffeinsparung erreicht werden. Eine weitere Optimierung der bislang bekannten Katalysatoren (Nickeloxid, Chromoxid und/oder Eisenoxid) erscheint denkbar.
  • Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor 12 wird mit einem deutlich späteren Einspritzzeitpunkt betrieben als herkömmliche Motoren gleicher Bauart. Es hat sich beispielsweise ein Betrieb von etwa 3° bis 4° vor OT als sinnvoll erwiesen.
  • Der freigesetzte Wasserstoff kann entweder zur Leistungssteigerung des Motors oder bei gleicher Leistung zur Kraftstoffeinsparung beitragen. Gleichzeitig ergibt sich eine Abgasreduzierung.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10), bei dem ein Kraftstoff verwendet wird, der ein Kohlenwasserstoffgemisch aufweist, das einen Katalysator und Wasser enthält, und bei dem der Kraftstoff derart ausgebildet ist und der Einspritz- oder Zündzeitpunkt derart gesteuert wird, dass im Betrieb Wasserstoff freigesetzt und verbrannt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verbrennungsmotor (10) zunächst mit herkömmlichen Kraftstoff angefahren wird und nach Erreichen einer ausreichenden Betriebstemperatur oder Leistung auf einen Betrieb mit Kraftstoff mit Wasserzusatz und Katalysatorzusatz umgeschaltet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Einspritz- oder Zündzeitpunkt gegenüber einem Betrieb mit herkömmlichen Kraftstoff auf einen späteren Zeitpunkt eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, bei dem nach dem Hochfahren des Verbrennungsmotors (10) bei der Umschaltung auf den Betrieb mit einem Kraftstoff mit Wasserzusatz und Katalysatorzusatz der Einspritz- oder Zündzeitpunkt auf einen späteren Zeitpunkt verstellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Katalysator Nickeloxid, Chromoxid oder Eisenoxid oder eine Mischung hiervon verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Verbrennungsmotor (10) mit Diesel betrieben wird und der Einspritzzeitpunkt auf einen Bereich von weniger als 14° vor OT, vorzugsweise auf einen Bereich von weniger als 10° vor OT, besonders bevorzugt auf einen Bereich von weniger als 5° vor OT, einstellbar ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Einspritzzeitpunkt auf einen Bereich zwischen etwa 0° und 10° vor OT einstellbar ist.
  8. Verbrennungsmotor, insbesondere für mobile Anwendungen, mit mindestens einem Zylinder (12), in dem ein Kolben (14) beweglich geführt ist, der mit einem Kurbeltrieb (16) verbunden ist, und mit mindestens einem Einlass- (38) und Auslassventil (40), mit einer Kraftstoffzuführung (18, 36), und mit einer Steuerung (22), die eine Veränderung des Einspritz- oder Zündzeitpunktes erlaubt, wobei der Kraftstoff als ein Kohlenwasserstoffgemisch ausgebildet ist, das einen Katalysator enthält und mit Wasser emulgiert ist, und wobei die Steuerung (22) derart eingestellt ist und der Kraftstoff derart ausgebildet ist, dass im Betrieb Wasserstoff freigesetzt und verbrannt wird.
  9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, bei dem die Kraftstoffzuführung (18) derart ausgebildet ist, dass eine Umschaltung zwischen herkömmlichem Kraftstoff ohne Wasserzusatz und Kraftstoff mit Wasserzusatz und Katalysatorzusatz möglich ist.
  10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, bei dem die Steuerung (22) für eine Verstellung des Zünd- oder Einspritzpunktes auf einen späteren Zünd- oder Einspritzpunkt nach einem Hochfahren mit herkömmlichem Kraftstoff und Umschaltung auf Kraftstoff mit Wasserzusatz und Katalysatorzusatz ausgebildet ist.
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