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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbrennung mineralölhaltiger, bei Zimmertemperatur flüssiger Brennstoffe. Insbesondere betrifft die Erfindung hierbei kleinere Verbrennungsprozesse, wie sie beispielsweise in Kleinkraftwerken, wie Heizungen für Haushalte und Gebäuden bzw. bei Kraftfahrzeugen zur Anwendung kommen.
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Für einen Verbrennungsmotor sind entsprechende Vorrichtungen bzw. Verfahren beispielsweise aus der
DE 19 29 789 A , der
DE 22 19 680 A , der
DE 36 24 977 A1 , der
EP 1 329 631 A1 oder der
DE 37 06 685 A1 bekannt, bei denen Luft und Kraftstoff in eine Brennkammer eines Kraftfahrzeugmotors eingebracht und dort entzündet werden. Die Energien dieses Prozesses werden hierbei in Arbeit umgesetzt. Derartige Kraftfahrzeugmotoren sind aus dem Stand der Technik in vielfacher Hinsicht bekannt, wobei hierbei die im wesentlichen aus O
2, N
2, CO
2, H
2O und Edelgasen bestehende Luft mit dem Kraftstoff zu CO
2, H
2O, N
2, O
2 und H
2O und Edelgasen verbrennt. In der Praxis entstehen daneben noch NO
x, S, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, und Rußpartikel. Hierbei entsteht CO
2, durch Verbindung des Kohlenstoffs aus dem Kraftstoff mit dem Sauerstoff aus der Luft und CO als Zwischenprodukt bei Luftmangel während der Verbrennung. Die Edelgase werden im Wesentlichen unbeeinflusst weitergeleitet, während NO
x als Stickoxide aus der Verbindung des Stickstoffes aus der Luft und des Sauerstoffes bei der Verbrennung bei hohen Temperaturen entstehen. SO
2 bildet sich aus Schwefel des Kraftstoffes und dem Luftsauerstoff, wobei bei einem Diesel hiervon regelmäßig mehr gebildet wird als bei Benzin. Stickoxide und Kohlenwasserstoffe finden sich hierbei beispielsweise im Smog wieder, während SO
2 in Verbindung mit Wasser zu schwefeliger Säure wird und als saurer Regen niederschlägt. Die entsprechenden Vorgänge sind verhältnismäßig gut untersucht und im Stand der Technik bekannt, wobei ein Großteil der Schadstoffe aufgrund unvollständiger Verbrennungsprozesse, die wegen nicht idealer Verhältnisse für die entsprechende chemische Reaktion vorhanden sind, entsteht. Hierbei sind, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, Wärmeverluste, die sehr kurze Reaktionszeit und eine nicht ausreichende Vermischung der zu reagierenden Komponenten als Störquellen ausgemacht.
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Um möglichst ideale Verhältnisse zu erreichen, muss die Reaktion von Kraftstoff zu Luft in der Umgebung der Verbrennung stimmen. Hierbei braucht ein 1 kg Benzin zwischen 14,7 kg und 15,0 kg Luft, oder - in anderen Worten - ein Volumenteil Kraftstoff braucht ungefähr 10.000 Volumenteile Luft. Die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird mit der Luftverhältniszahl λ bezeichnet, wobei λ das Verhältnis von tatsächlich angesaugter Luftmasse und theoretisch benötigter Luftmasse darstellt. Insofern entspricht λ = 1 dem rein theoretisch idealen Verhältnis, dass die tatsächlich angesaugte Luftmasse der theoretisch benötigten Luftmasse entspricht. Bei λ < 1 herrscht Luftmangel, was auch als ein fettes Gemisch bezeichnet wird; hierbei erfolgt keine vollständige Verbrennung, da zu wenig Sauerstoff vorliegt. Bei λ > 1 liegt ein Luftüberschuss vor, bei welchem entsprechend allgemeiner Erfahrung die Leistung bei bekannten Otto-, Diesel- oder Wankelmotoren rapide abnimmt. Hierbei zeigt sich nach dem bisherigen Stand der Technik, dass ein Gemisch ab λ > 1,3 nicht mehr zündwillig ist, während ab λ > 1,4 das Gemisch als nicht mehr zündfähig bezeichnet und davon ausgegangen wird, dass herkömmliche Motoren absterben.
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Die vorstehend dargestellten Verhältnisse sind hinlänglich - auch aus der Populärliteratur - bekannt und in wesentlich feineren Details und mit wissenschaftlicher Genauigkeit beschrieben, so dass dieser grobe einleitende Überblick an dieser Stelle ausreichen soll.
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Zur Verbesserung der Verbrennungsverhältnisse und der bei nicht idealen Verhältnissen, wie sie insbesondere bei kleineren Verbrennungsprozessen, beispielsweise bei Heizungen für den Haushalt oder Kraftfahrzeugmotoren, auftreten, sind eine Vielzahl von Maßnahmen, wie beispielsweise Mehrventilsysteme, Kompressoren, Turbolader, Doppelzündungen oder Ladeluftkühler entwickelt worden. Beispielsweise aus der
DE 37 06 685 A1 ist es auch bekannt, die zugeführte Luft zu erhitzen, was letztlich zwar zu einer etwas ungünstigeren Füllung der Brennkammer des Motor mit Kraftstoff führt, wodurch jedoch eine erheblich verbesserte Verbrennung und damit ein eindeutig herabgesetzter Kraftstoffausstoß sowie eine Minderung des Verbrauchs erreicht werden kann. Hierbei wird davon ausgegangen, dass durch die erhitzte Luft, die in der Brennkammer vorhanden ist, wenn der Kraftstoff eingespritzt wird, die von der Einspritzdüse in die Brennkammer eingespritzte feine Dispersion bzw. der von der Einspritzdüse in die Brennkammer eingespritzte Nebel durch die heiße Luft ausreichend verdampft, um diese Leistungssteigerung bzw. Verminderung des Schadstoffausstoßes zu ermöglichen.
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Auch in der
EP 1 329 631 A2 ist ein Motor offenbart, der eine Verminderung des Schadstoffausstoßes ermöglichen soll, indem er sehr mager betrieben wird, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch über einen Laser entzündet werden soll.
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Hingegen offenbart die
DE 36 24 977 A1 einen Motor, bei dem ein gesättigter Kraftstoffdampf der Brennkammer zugeführt werden soll, wobei dieser Kraftstoffdampf in einem speziell und relativ komplex aufgebauten Vergaser thermisch bereitgestellt wird.
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Vergaser an sich sind auch in der Online-Bibliothek Wikipedia (Wikipedia, Stichwort: Vergaser, Version vom 29.08.2005. URL: http://wikipedia.de [recherchiert am 31.01.2017]) offenbart.
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Die
DE 198 56 842 A1 offenbart einen Motor, bei welchem Brennstoff über eine Einspritzdüse direkt in die Brennkammer gespritzt wird.
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All diese Bemühungen haben jedoch zu äußerst komplexen und komplizierten Motoren geführt, die mithin sehr aufwändig und kostspielig sind. Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Verbrennung mineralölhaltiger, bei Zimmertemperatur flüssiger Brennstoffe bereit zu stellen, welches auf konstruktiv möglichst einfache Weise die Verbrennung optimiert.
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Als Lösung schlägt die Erfindung einerseits ein Verfahren zur Verbrennung mineralölhaltiger, bei Zimmertemperatur flüssiger Brennstoffe vor, welches sich dadurch auszeichnet, dass der mineralölhaltige Brennstoff vor Eintritt in eine Brennkammer im Wesentlichen verdampft wird. Ebenso wird eine Einrichtung zur Verbrennung mineralölhaltiger, bei Zimmertemperatur flüssiger Brennstoffe mit einem Vergaser für den mineralölhaltigen Brennstoff und mit einer dem Vergaser nachgeschalteten Brennkammer vorgeschlagen, bei welcher der Vergaser eine Einrichtung zum Verdampfen des mineralölhaltigen Brennstoffes aufweist.
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Im vorliegenden Zusammenhang wird, wie auch im Sprachgebrauch fest verankert, unter dem Begriff „Vergaser“ jede Einrichtung verstanden, bei welcher eine zumindest über die Zeiträume vom Vergaser bis in die Brennkammer stabile Dispersion des Kraftstoffes erzeugt werden kann, wobei hierzu insbesondere auch Einspritzpumpen und Einspritzdüsen zu zählen sind. Es versteht sich, dass entsprechend des Massenwirkungsgesetzes einzelne Kraftstoffpartikel molekular, das heißt, in Gasform, vorliegen, wobei jedoch bei einer Dispersion ein Großteil des Kraftstoffs fein, allerdings als Tröpfchen und somit nicht molekular, verteilt ist. Hingegen liegt in vorliegendem Zusammenhang, entsprechend der physikalischen Definition, bei einem Verdampfer bzw. bei einem Verdampfen der Brennstoff im Wesentlichen gasförmig vor, wobei selbstverständlich einzelne kleinere Tröpfchen diesbezüglich keine Rolle spielen.
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Vorzugsweise umfasst die Verdampfungseinrichtung einen vor der Brennkammer angeordneten Verdampfungsraum. Durch einen derartigen, vor der Brennkammer angeordneten Verdampfungsraum kann der Kraftstoff ohne weiteres vor Eintritt in die Brennkammer vollständig verdampft und anschließend der Brennkammer zugeführt werden. Insbesondere ist es denkbar, dass der Brennstoff aus einem herkömmlichen Vergaser in den Verdampfungsraum gegeben und dort letztlich verdampft wird und anschließend in der Brennkammer zugeführt wird. Auf diese Weise lässt sich die Erfindung ohne weiteres bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren zur Anwendung bringen.
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Vorzugsweise erfolgt das Verdampfen thermisch, da insbesondere bei Kraftfahrzeugmotoren Abwärme hierzu ohnehin zur Verfügung steht. Die Verdampfungstemperaturen zwischen 70 °C und 150 °C bei Benzin sind hierbei auch in Bereichen, die von Benzinmotoren ohne weiteres erreicht werden können, wobei - wie bereits vorstehend erläutert - einzelne Tröpfchen - die nicht verdampft sind, erfindungsgemäß unkritisch sind und die schwerer flüchtigen Bestandteile des Benzins enthalten können.
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Insbesondere bei der Verbrennung von Dieselkraftstoffen bzw. Heizöl, die wesentlich schwerer flüchtig sind, können zusätzliche Heizungen, wie beispielsweise elektrische Heizungen, vorteilhaft sein, wobei diesbezüglich - und auch bei der Verbrennung flüchtigerer Brennstoffe - auch andere Verdampfungsmethoden, wie beispielsweise Vakuumverdampfen, zur Anwendung kommen können. Es versteht sich, dass diesbezüglich, insbesondere bei Benzin, auch kumulativ bzw. alternativ zusätzliche Heizungen, wie beispielsweise elektrische Heizungen, vorteilhaft sein können.
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Entsprechend der Vorteile einer thermischen Verdampfung kann der Verdampfungsraum wenigstens eine erhitzte Oberfläche aufweisen, welcher wenigstens ein Teil des mineralölhaltigen Brennstoffes aufgegeben wird.
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Hierbei ist die erhitzte Oberfläche vorzugsweise über 80 °C, insbesondere über 90 °C oder 100 °C warm, so dass ein Großteil des Brennstoffes verdampft werden kann.
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Je nach konkreter Ausgestaltung kann der Brennstoff vor Eintritt in die Brennkammer auch in flüssiger Form bis nahe seinem Siedepunkt bzw. bei entsprechenden Druckverhältnissen auch über seinen Siedepunkt erwärmt werden, um ein Verdampfen zu erleichtern. Eine derartige Ausgestaltung kann beispielsweise bei Einspritzvorgängen vorteilhaft sein, so dass der Brennstoff unmittelbar bei Eintritt in die Brennkammer - und nicht bereits vor der Brennkammer - verdampft, wobei durch die zuvor außerhalb der Brennkammer bereits zugeführte Wärme die Energie, welche der Brennkammer zur Verdampfung entzogen werden muss, minimiert werden kann. Insofern ist es auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung vorteilhaft, wenn dem Brennstoff außerhalb der Brennkammer derart viel Energie zugeführt wird, dass er in der Brennkammer unter den dort herrschenden Verhältnissen gasförmig vorliegen muss.
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Dementsprechend ist es auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung vorteilhaft, bei einem Verfahren bzw. bei einer Einrichtung zur Verbrennung mineralölhaltiger, bei Zimmertemperatur flüssiger Brennstoff zumindest 50 %, vorzugsweise 80 % bzw. 90 %, insbesondere 99 %, des mineralölhaltigen Brennstoffes der Brennkammer in gasförmiger Form aufzugeben. Hierbei spielt es keine Rolle, ob der Kraftstoff bereits zuvor entsprechend vergast worden ist oder ob die Vergasung mit Eintritt in die Brennkammer erfolgt, solange die für die entsprechende Vergasung notwendige Energie im Wesentlichen nicht der Brennkammer entnommen sondern dem Brennstoffzufuhr zugeführt worden ist.
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Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein äußerst effektiver Verbrennungsvorgang erzielt werden, wobei durch geeignete Luftzufuhr ohne weiteres ein λ > 1,4 erreicht werden kann.
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Hierbei wird, in Abkehr von dem Stand der Technik, davon ausgegangen, dass bei derartigem Luftüberschuss insbesondere während der kurzen Reaktionszeit aufgrund des Luftüberschusses für die Verbrennung auch lokal in der Brennkammer an jedem Punkt ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht, obgleich für die Verbrennung nur eine sehr kurze Zeit genutzt werden kann. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass durch den äußerst hohen Luftüberschuss die Menge kritischer Stickoxide auf ein Minimum beschränkt werden kann. Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass bei einer derartigen Verfahrensführung die Leistung eines herkömmlichen Motors, insbesondere eines verhältnismäßig einfach aufgebauten Benzinmotors mit herkömmlichen, klassischem Vergaser, ohne Weiteres verdoppeln bzw. der Kraftstoffverbrauch halbieren lässt, wobei gleichzeitig das Schadstoffaufkommen erheblich gesenkt wird.
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Wie bereits vorstehend mehrfach angedeutet eignet sich vorliegende Erfindung insbesondere für den Bereich kleinerer Kraftwerke bzw. Kraftmaschinen, wie sie in Kraftfahrzeugen, mobilen Generatoren, Gebäudeheizungen und ähnlichem zur Anwendung kommen. Hierbei zielt die Erfindung insbesondere auf Massenprodukte, bei denen derartig magere Verbrennungsprozesse sowie ein vorheriges Verdampfen bei Zimmertemperatur flüssiger Brennstoffe bzw. die Zufuhr dieser Brennstoffe zu einer Brennkammer im Wesentlichen in gasförmiger Form bis jetzt nicht bekannt ist.
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Weitere Vorteile, Eigenschaften und Ziele vorliegender Erfindung werden anhand der Erläuterung anliegender Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen ersten Verbrennungsmotor mit einem Verdampfer in schematischer Darstellung;
- 2 einen zweiten Verbrennungsmotor mit einem verdampfenden Vergaser;
- 3 einen dritten Verbrennungsmotor mit einem verdampfenden Vergaser;
- 4 einen vierten Verbrennungsmotor mit einem verdampfenden Vergaser in schematischer Aufsicht;
- 5 den Verbrennungsmotor nach 4 in schematischem Schnitt;
- 6 einen fünften Verbrennungsmotor mit einem verdampfenden Vergaser;
- 7 eine besonders einfache bauliche Umsetzung der Anordnung nach 6;
- 8 theoretische Abgaswerte vor einem Katalysator in Abhängigkeit von λ; und
- 9 theoretische Abgaswerte nach einem Katalysator in Abhängigkeit von λ.
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Die in den 1 bis 3 und 6 dargestellten Motoren weisen jeweils einen Zylinder 1 auf, in welchem ein Kolben 2 hin- und herläuft und über einen Pleuel 3 in bekannter Weise Arbeit verrichtet. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich jeweils um Vier-Takt-Motoren mit vier Zylindern, wobei vorliegende Erfindung - wie bereits vorstehend erläutert - auch für Selbstzünder, kontinuierliche Verbrennungsprozesse, wie bei Heizungsanlagen oder sonstigen Verbrennungsprozessen, Wankelmotoren und Motoren mit anderer Taktung oder Zylinderzahl zur Anwendung kommen kann. Durch die Kolben 2 und die Zylinder 1 wird jeweils eine Brennkammer 4 bereitgestellt, in welcher ein Brennstoff-Luft-Gemisch von einer Zündkerze gezündet verbrannt wird. Die hierbei entstehenden Abgase werden über eine Abgasleitung 6 aus der Brennkammer 4 abgeführt. Über eine Zuleitung 7 wird das Brennstoff-Luft-Gemisch der Brennkammer 4 zugeführt, wobei hierbei herkömmliche Konzepte, wie beispielsweise Ventile, zur Anwendung kommen.
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Anders wie bei herkömmlichen Motoren umfassen jedoch die Vergaser der Motoren nach 1 bis 3 jeweils einen Verdampfer 8A, 8B, 8C bzw. 8E. Hierbei weist der Vergaser des Motors nach 1 den Verdampfer 8A vorgeschaltet einen herkömmlichen Vergaser 9 auf, in welchem der Brennstoff im herkömmlichen Sinne vergast, also eine Dispersion bereitgestellt wird. Diese Dispersion wird dann dem Verdampfer 8A zugeführt, welcher einen Verdampfungsraum 10 aufweist, durch welchen das Abgasrohr 6 geführt. Hierbei wird die Dispersion vom Vergaser direkt auf dieses Abgasrohr gespritzt, wobei die Verhältnisse derart ausgestaltet sind, dass die Dispersion auf einer erhitzten Oberfläche mit einer Temperatur zwischen 100 °C und 105 °C trifft. Auf diese Weise wird der Brennstoff zu weit mehr als 50 %, im normalen Betriebsfall zu 99 %, vergast und im Wesentlichen gasförmiger Form der Brennkammer 4 zugeführt.
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Bei der in 2 dargestellten Anordnung findet an sich ein herkömmlicher Vergaser Anwendung, der jedoch in innigem Kontakt mit dem Abgasrohr 6 steht und auf diese Weise derart erhitzt wird, dass der zugeführte Brennstoff beim Vergasungsprozess im Wesentlichen verdampft, so dass es sich auch hierbei um einen Verdampfer im erfindungsgemäßen Sinne handelt. Dieses Prinzip wird bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 noch puristischer ausgeführt, indem der noch flüssige Brennstoff in seiner Zufuhrleitung 11 von dem Abgasrohr 6, mit welchem die Zufuhrleitung in einem innigen Kontakt steht, weit über dem Siedepunkt erhitzt wird, so dass er in einem herkömmlichen Vergaser, dessen genaue Geometrien jedoch an diese Verhältnisse angepasst sind, unmittelbar nahezu vollständig verdampft. Es versteht sich, dass letzteres im Prinzip auch bei Verbrennungsprozessen zur Anwendung kommen kann, bei denen der Brennstoff noch in flüssiger Form der Brennkammer 4 aufgegeben wird, wie dieses beispielsweise bei Einspritzvorgängen der Fall ist.
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Die in 4 und 5 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform nach 1, wobei der herkömmliche Vergaser 9 und der Verdampfer 8D abweichend von der Ausführungsform nach 1 angeordnet sind. Bei der Ausführungsform nach 4 und 5 gibt der herkömmliche Vergaser 9 die Dispersion von Brennstoff in Luft unmittelbar auf ein Abgasrohr 15 des allgemeinen Abgassystems 6. Dieses ist durch den Pfeil 16 entsprechend angedeutet. Wegen der an dem Abgasrohr 15 herrschenden Temperaturen verdampft der Brennstoff endgültig und wird, wie durch die Pfeile 17 angedeutet, den Zylindern 1 aufgegeben. Entlang des Pfeils 18 verlassen die bei der Verbrennung gebildeten Stoffe das Abgassystem 6. Als Zufuhr 7 kann eine herkömmliche Ansaugkammer eines an sich bekannten Motors und als Abgassystem die bekannte Auspuffkammer zur Anwendung kommen, wenn diese in geeigneter Weise zueinander angeordnet sind, so dass der dispergierte Brennstoff in geeigneter Weise von dem Vergaser 9 auf eine Wandung der Auspuffkammer aufgegeben werden kann.
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Das Ausführungsbeispiel nach 6 nutzt statt der Abgase eine elektrische Heizung 19, um den Brennstoff bzw. Kraftstoff in dem Verdampfer 8E zu verdampfen. Hierbei erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel die Verdampfung im Wesentlichen durch thermische Energie, wobei es sich versteht, dass eine derartige elektrische Heizung auch bei den Anordnung nach 1 bis 3 kumulativ bzw. alternativ zur Anwendung kommen kann.
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Eine Umsetzung des prinzipiellen Aufbaus einer Kombination aus den Ausführungsbeispielen nach 1 und 6 ist in 7 dargestellt, bei welcher eine herkömmliche Einspritzdüse 20 mit ihrem handelsüblichen Anschlussstück 21 an ein Gehäuse 22 angesetzt ist, welches seinerseits ebenfalls ein Einspritzdüsenanschlussstück 23 aufweist, so dass es unmittelbar an den motorseitigen Einspritzdüsenanschluss angesetzt werden kann, und welches den Verdampfer 8E bildet, indem in den von dem Gehäuse 22 umschlossenen Verdampfungsraum 10 eine elektrische Heizung 19 eingesetzt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist als elektrische Heizung 19 eine herkömmliche Dieselglühkerze 24 genutzt, da diese ohne weiteres erhältlich und im Zusammenspiel mit einer Stromversorgung eines Kraftfahrzeuges über eine ausreichende Dauerleistungszeit verfügt.
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Es hat sich gezeigt, dass durch eine derartig einfache Umbaumaßnahme der Schadstoffausstoß sowie der Benzinverbrauch eines herkömmlichen Einspritzmotors erheblich gesenkt werden kann.
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Wird nach vorliegender Erfindung der Brennstoff bzw. der Kraftstoff zum größten Teil in Gasform der Brennkammer aufgegeben, ist jedes Kraftstoffmolekül mit ausreichend Sauerstoffmolekülen umgeben, um auch in sehr kurzer Zeit den Brennstoff vollständig zu verbrennen. Dieses führt bei einer Zündung zu einer größeren Explosion und nahezu zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs. Hierdurch kann die Ausbeute des verbrannten Anteils erheblich erhöht werden, zumal die beiden Komponenten Brennstoff und Luft im gasförmigen Zustand außerordentlich gut vermischt werden können bzw. vermischt sind.
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Insbesondere beim Ausführungsbeispiel nach 4 und 5 wird der an sich noch flüssige, aber in Dispersion vorliegende Kraftstoff unmittelbar mit dem glühenden Auspuffkollektor, der ins Innere des Ansaugkollektors verlegt worden ist, kontaktiert. Das auf diese Weise bereitgestellte Gasgemisch aus Luft und Brennstoff wird dann im Zylinder zur Explosion gebracht.
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In praktischen Versuchen hat sich hierbei eine Gasbildungstemperatur für den Brennstoff zwischen 100 °C und 105 °C als besonders vorteilhaft erwiesen. Diese konnte ohne weiteres stabil aufrechterhalten werden, wenn sich die Abgastemperatur im Bereich zwischen 610 °C und 730 °C bewegt, wobei die Temperaturverhältnisse durch geeignete Anordnung der Komponenten ohne weiteres gewählt werden können. Bei dem in 4 und 5 schematisch dargestellten und nachfolgend für die Versuche genutzten Ausfuhrungsbeispiele betrug der Explosionsdruck zwischen 10.000 und 12.000 hPa (10 bis 12 bar).
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Wie nachfolgend erläutert konnte ein Motor mit einem einfachen Kontaktverteiler und herkömmlicher Zündspule bei λ > 1,4 betrieben werden, wobei sich überraschender Weise herausgestellt hat, dass die Leistung des Motors um 50 % gestiegen und die Schadstoffbelastung erheblich reduziert war.
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Die Abgasmessungen wurden mit einem SUN-DGA-1800 Messgerät (von SUN ELECTRIC Deutschland GmbH, 4020 Mettmann, Baujahr 1999) durchgeführt, wobei die Einstellung des Apparates mit „Lambdamix“-Prüfgas durchgeführt worden ist. Hierbei erfolgte die Aufzeichnung der Messwerte entsprechend der Tabellen 1, 2 und 3 im Minutentakt.
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Bei den durchgeführten Messungen wurde unterhalb der Drosselklappe eine Drosselscheibe mit einem Durchmesser von 23 mm, was 4,2 m
2 bzw. 41 % der Durchmesserfläche entspricht, eingesetzt. Hierbei ergaben sich die folgenden Werte:
Tabelle 1a:
| Uhrzeit | U/min | Öl Temp. | Gasbildungs Temp. °C | CO-Wert | HC-Wert | λ-Wert |
| 15:57 | 2.780 | 36 | 70 | 0,01 | 65 | |
| 15:58 | 2.552 | 39 | 71 | 0,14 | 65 | 1,352 |
| 15:59 | 2.594 | 44 | 73 | 0,12 | 48 | 1,636 |
| 16:00 | 2.624 | 49 | 75 | 0,11 | 37 | 1,917 |
| 16:01 | 2.610 | 55 | 79 | 0,11 | 38 | 2,103 |
| 16:02 | 2.642 | 55 | 81 | 0,08 | 30 | --- |
| 16:03 | 2.683 | 63 | 84 | 0,09 | 29 | --- |
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Hierbei ist zu beachten, dass die verwendete Lambda-Sonde in Abhängigkeit vom Kohlenmonoxid arbeit und bei besonders niedrigen Kohlenmonoxid-Werten keine zuverlässige Messung erlaubt. Dieses führt zu nicht messbaren Lambda-Werten um 16:02, 16:03, 16:04 und 16:05. Sowie die Kohlenmonoxid-Werte in entsprechende Bereiche gelangen, funktioniert die Lambda-Sonde wieder, wobei diese prinzipiell mit einiger Verzögerung arbeitet, so dass die Messwerte teilweise den vorherigen Einstellungen zuzuordnen sein sollten. Dementsprechend ist beispielsweise davon auszugehen, dass der Lambda-Wert von 2,165 um 16:06 eher dem Kohlenmonoxid-Wert zwischen 0,08 und 0,12 (zwischen 16:02 und 16:04) zuzuordnen ist.
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Nach 16:03 wurden die Versuchsbedingungen dahingehend geändert, dass eine Zusatzluftzuführungsöffnung mit einem Durchmesser von 3 mm unterhalb der Drosselklappe eingebracht wurde. Hieraus ergaben sich die folgenden Werte:
Tabelle 1b:
| Uhrzeit | U/min | Öl Temp. | Gasbildungs Temp. °C | CO-Wert | HC-Wert | λ -Wert |
| 16:04 | 2.582 | 67 | 84 | 0,12 | 68 | --- |
| 16:05 | 2.541 | 70 | 88 | 0,14 | 120 | --- |
| 16:06 | 2.543 | 71 | 92 | 0,18 | 123 | 2,165 |
| 16:07 | 2.584 | 75 | 99 | 0,27 | 218 | 1,492 |
| 16:08 | 2.425 | 75 | 99 | 0,20 | 140 | 1,365 |
| 16:13 | 2.516 | 77 | 101 | 0,20 | 72 | 1,320 |
| 16:14 | 2.482 | 78 | 101 | 0,20 | 86 | 1,414 |
| 16:15 | 2.499 | 79 | 101 | 0,19 | 85 | 1,518 |
| 16:17 | 2.445 | 79 | 101 | 0,18 | 84 | 1,685 |
| 16:18 | 2.515 | 80 | 101 | 0,17 | 75 | 1,798 |
| 16:19 | 2.509 | 81 | 101 | 0,15 | 64 | 2,033 |
| 16:20 | 2.486 | 81 | 101 | 0,14 | 58 | 2,143 |
| 16:21 | 2.491 | 81 | 101 | 0,13 | 53 | 2,177 |
Tabelle 1c:
| Uhrzeit | U/min | Öl Temp. | Gasbildungs-Temp. °C | CO-Wert | CO2-Wert | HC-Wert | O2-Wert | λ-Wert |
| 14:11 | 2.612 | 82 | 101 | 0,11 | 7,30 | 32 | 10,75 | 1,989 |
| 14:11 | 2.638 | 82 | 101 | 0,11 | 7,32 | 33 | 10,72 | 1,983 |
| 14:12 | 2.628 | 83 | 101 | 0,10 | 7,23 | 27 | 10,80 | 2,005 |
| 14:13 | 2.634 | 83 | 101 | 0,10 | 7,40 | 25 | 10,63 | 1,969 |
| 14:14 | 2.664 | 83 | 101 | 0,10 | 7,35 | 29 | 10,74 | 1,984 |
| 14:15 | 2.663 | 83 | 101 | 0,10 | 7,24 | 24 | 10,83 | 2,008 |
| 14:15 | 2.688 | 84 | 101 | 0,10 | 7,21 | 28 | 10,91 | 2,018 |
| 14:16 | 2.688 | 84 | 101 | 0,11 | 7,22 | 30 | 10,89 | 2,014 |
| 14:17 | 2.684 | 85 | 101 | 0,10 | 7,28 | 25 | 10,81 | 1,999 |
| 14:18 | 2.175 | 83 | 101 | 0,08 | 6,54 | 27 | 11,74 | --- |
| 14:19 | 2.157 | 83 | 101 | 0,09 | 6,72 | 31 | 11,58 | 2,162 |
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In einer zweiten Messreihe wurden dann noch Messungen ohne Zusatzluftzuführung und ohne Durchmesserverkleinerungsscheibe durchgeführt, die folgende Ergebnisse lieferten.
Tabelle 2:
| Versuch | Öltemperatur in °C | U/min | CO | CO2 | HC | O2 | λ |
| 1 | 95 | 2.092 | 0,05 | 9,00 | 18 | 8,30 | 1,621 |
| 2 | 100 | 2.055 | 0,06 | 8,37 | 11 | 9,23 | 1,751 |
| 3 | 100 | 1.957 | 0,06 | 8,39 | 17 | 9,21 | 1,748 |
| 4 | 100 | 2.010 | 0,08 | 8,43 | 44 | 9,16 | 1,733 |
| 5 | 100 | 2.056 | 0,10 | 9,00 | 64 | 8,32 | 1,618 |
| 6 | 100 | 5.220 | 0,12 | 10,89 | 57 | 6,65 | 1,429 |
Tabelle 3:
| Versuch | Öltemperatur in °C | U/min | CO | CO2 | HC | O2 | λ |
| 1 | 75 | 2.015 | 0,07 | 7,78 | 22 | 9,97 | 1,862 |
| 2 | 78 | 2.043 | 0,05 | 7,36 | 7 | 10,53 | 1,976 |
| 3 | 79 | 1.913 | 0,05 | 7,95 | 7 | 9,66 | 1,825 |
| 4 | 79 | 1.927 | 0,07 | 8,26 | 13 | 9,37 | 1,774 |
| 5 | 80 | 2.055 | 0,10 | 8,31 | 41 | 9,15 | 1,742 |
| 6 | 80 | 6.101 | 0,10 | 8,53 | 39 | 9,04 | 1,722 |
Tabelle 4
| Versuch | Öltemperatur in °C | U/min | CO | CO2 | HC | O2 | λ |
| 1 | 76 | 2.043 | 0,07 | 7,80 | 10 | 9,95 | 1,864 |
| 2 | 77 | 1.994 | 0,07 | 7,80 | 23 | 9,99 | 1,869 |
| 3 | 78 | 1.914 | 0,08 | 8,02 | 53 | 9,58 | 1,804 |
| 4 | 78 | 1.965 | 0,11 | 8,40 | 185 | 9,05 | 1,703 |
| 5 | 79 | 2.001 | 0,13 | 9,14 | 209 | 8,01 | 1,566 |
| 6 | 80 | 5.462 | 0,16 | 9,59 | 190 | 7,92 | 1,542 |
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Insbesondere aus letzterer Tabelle erkennt man, dass bei gleichbleibenden Bedingungen (Öl- und Gasbildungstemperatur) die Kohlenmonoxid-Werte sehr niedrig bleiben, dass sie sogar unter 0,08 fallen, was letztendlich zum Ausfall der Lambda-Messungen führt, da diese für derartig niedrige Kohlenmonoxid-Werte nicht geeignet ist. Hierbei bleiben die Kohlendioxid-Werte als Zeichen einer guten Verbrennung, neben dem niedrigen Kohlenmonoxid-Werten, im Wesentlichen konstant. Die unverbrannten Kohlenwasserstoffe sind und bleiben extrem niedrig. Die Sauerstoffwerte sind, entsprechen der hohen λ - Werte, verhältnismäßig hoch. Es wird im Übrigen davon ausgegangen, dass bei λ -Werten über 2 bzw. in der Nähe von 2 keine Stickoxide mehr gebildet werden und diese zumindest nahezu bei 0 liegen, wie dieses in 6 und 7 schematisch angedeutet ist.
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Auch in weiteren Versuchen konnten diese Ergebnisse bestätigt werden, wobei in Tabelle 2 mit einer Drosselscheibe mit einem Durchmesser von 10,2 cm2, in Tabelle 3 mit einer Drosselscheibe mit einem Durchmesser von 4,2 cm2 (entspricht 41 % der normalen Durchmesserfläche) und in Tabelle 4 mit einer Drosselscheibe mit einem Durchmesser von 2,5 cm2 (entspricht 24 % der normalen Durchmesserfläche) gemessen wurde:
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Hinsichtlich der Kohlenmonoxide in den Abgasen eines herkömmlichen Motors liegen die Grenzwerte ohne Katalysator bei unter 3,5 %vol. Bei einem herkömmlichen Motor mit geregeltem Katalysator liegt der Monoxid-Wert im Leerlauf bei unter 0,5 %vol und bei erhöhtem Leerlauf bei unter 0,3 %vol. Wie aus den Tabellen ersichtlich, lässt sich mit vorliegender Erfindung der Kohlendioxid-Wert zwischen 0,05 %vol. und 0,19 %vol. stabilisieren, so dass diese Werte zumindest zwei bis zehnmal niedriger als bei Motoren mit geregeltem Katalysator sind. Schon hierdurch lassen sich die Vorteile vorliegender Erfindung verdeutlichen, da durch derartig niedrige Kohlenmonoxid-Werte die Umwelt geringer belastet wird.
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Darüber hinaus kann der Verbrauch halbiert und die Lebensdauer des Motors verlängert werden, weil die optimale Leistung schon bei niedrigen Drehzahlen erreicht werden kann.
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Die gemessenen Anteile an Kohlendioxid stammen aus der Verbrennung des HC-brennbaren Teils des Brennstoffs, wobei die hohe Werte darstellen, dass man einer 100%igen Verbrennung des brennbaren Teils des Brennstoffes nahe kommt. Parallel zum Kohlendioxid entstehendes Wasser wird in der Hitze der Abgase verdampft. Der Anteil von Sauerstoff in den Abgasen fällt, je besser die Verbrennung ist. Sobald die Öltemperatur 60 °C erreicht hat, fallen die Sauerstoffwerte parallel zu den Werten unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Dieses ist das Resultat einer immer besser werdenden Verbrennung, wodurch auch die CO2-Werte entsprechend ansteigen. Dadurch, dass jedoch diese bessere Verbrennung zu einer Leistungssteigerung führt, kann insgesamt der Kraftstoffverbrauch gesenkt und somit die Umwelt entlastet werden.
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Wegen der höheren Verbrennungstemperatur und der besseren Sauerstoffausnutzung nehmen die Stickoxide bei höheren Lambda-Werten ab, wie bei Lambda-Werten zwischen 1,0 und 1,2 bereits aus dem Stand der Technik bekannt und in 6 und 7 dargestellt. Hierbei sind die Figuren im Wesentlichen dem „Handbuch zur Vorbereitung auf den Prüfungslehrgang“ (Herausgeber: Technische Akademie des Kfz-Gewerbes (TAK GmbH, Bonn) entnommen, wobei die Werte oberhalb einem Lambda von 1,25 extrapoliert wurden. Die Stickoxide bilden sich aus der Ansaugluft nach hohen Temperaturen und stammen in der Regel nicht aus dem Kraftstoff. Bei fetten Gemischen (λ < 0,8 bis 0,9) und hohen Temperaturen ist ihre Bildung begünstigt. Umgekehrt schwinden bei λ > 1 und hohen Temperaturen die Bildungsbedingungen, so dass die Belastung durch Stickoxide bei den erfindungsgemäßen λ -Werten erheblich abnimmt.
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Dadurch, dass der Kraftstoff den Motoren im Wesentlichen gasförmig zugeführt wird, kann insbesondere auf komplexe Anordnungen, wie Einspritzpumpe, Turbolader, und sonstige komplexe Motorkonstruktion- und Steuerungssysteme verzichtet werden, da insbesondere durch Hub, Volumen und Bohrungen bzw. die geeigneten Verhältnisse zwischen Luft und Brennstoff die meisten der notwendigen Vorgaben ohne Weiteres erzielt werden können.