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WO2007028363A1 - Verfahren und einrichtung zur verbrennung mineralölhaltiger, bei zimmertemperatur flüssiger brennstoffe - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur verbrennung mineralölhaltiger, bei zimmertemperatur flüssiger brennstoffe Download PDF

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WO2007028363A1
WO2007028363A1 PCT/DE2006/001547 DE2006001547W WO2007028363A1 WO 2007028363 A1 WO2007028363 A1 WO 2007028363A1 DE 2006001547 W DE2006001547 W DE 2006001547W WO 2007028363 A1 WO2007028363 A1 WO 2007028363A1
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WO
WIPO (PCT)
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combustion
mineral oil
combustion chamber
fuel
containing fuel
Prior art date
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Ceased
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PCT/DE2006/001547
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French (fr)
Inventor
Ullrich Speiser
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Individual
Original Assignee
Individual
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.)
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE112006002364.0T priority Critical patent/DE112006002364B4/de
Publication of WO2007028363A1 publication Critical patent/WO2007028363A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
    • F23K5/02—Liquid fuel
    • F23K5/14—Details thereof
    • F23K5/22—Vaporising devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025—Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D41/003—Adding fuel vapours, e.g. drawn from engine fuel reservoir

Definitions

  • corresponding devices or methods are known, for example, from DE 19 29 789 A, DE 22 19 680 A, DE 36 24977 A1, EP 1 329 631 A1 or DE 37 06 685 A1 where air and fuel are introduced into a combustion chamber of a motor vehicle engine and ignited there. The energies of this process are being translated into work.
  • Such motor vehicle engines are known from the prior art in many respects, in which case the air consisting essentially of O 2 , N 2 , CO 2 , H 2 O and noble gases with the fuel to CO 2 , H 2 O, N 2 , O 2 and H 2 O and noble gases burns. In practice, there are also NO x , S, unburned hydrocarbons, and soot particles.
  • the noble gases are passed on substantially uninfluenced, while NO x arise as nitrogen oxides from the compound of nitrogen from the air and the oxygen during combustion at high temperatures.
  • SO 2 is formed from sulfur of the fuel and the atmospheric oxygen, which is regularly formed in a diesel more of this than in gasoline. Nitrogen oxides and hydrocarbons can be found here, for example, in the smog, while SO 2 in combination with water to sulfuric acid and precipitated as acid rain.
  • the corresponding processes are relatively well studied and known in the art, with much of the pollutants resulting from incomplete combustion processes which are present due to non-ideal conditions for the corresponding chemical reaction. Here, especially in motor vehicles, heat losses, the very short reaction time and insufficient mixing of the components to be reacted identified as sources of interference.
  • the hot air is sufficient by the heated air present in the combustion chamber when the fuel is injected, the fine dispersion injected from the injector into the combustion chamber, and the mist injected from the injector into the combustion chamber evaporates to allow this convenientlysteige- rank or reduction of pollutant emissions.
  • the invention proposes, on the one hand, a method for burning mineral oil-containing fuels which are liquid at room temperature, which is characterized in that the mineral oil-containing fuel is essentially evaporated before it enters a combustion chamber.
  • a device for the combustion of mineral oil-containing, liquid at room temperature fuels with a carburetor for the mineral oil-containing fuel and with a carburetor downstream combustion chamber proposed in which the carburetor has a device for vaporizing the mineral oil-containing fuel.
  • the term "carburetor” means any device in which a stable at least over the periods from the carburetor to the combustion chamber dispersion of the fuel can be generated, for which purpose in particular It is understood that according to the law of mass action individual fuel particles molecular, that is, in gaseous form, are present, but in a dispersion, a large part of the fuel is fine, but as droplets and thus not molecular distributed In the present context, in accordance with the physical definition, in the case of an evaporator or during evaporation, the fuel is essentially in gaseous form, it being understood that individual smaller droplets are irrelevant in this respect.
  • the present invention is particularly suitable for the field of smaller power plants or engines, as used in motor vehicles, mobile generators, building heaters and the like.
  • the invention particularly aims at mass products in which such lean combustion processes and a previous evaporation at room temperature of liquid fuels or the supply of these fuels to a combustion chamber substantially in gaseous form until today is not known.
  • FIG. 2 shows a second internal combustion engine with an evaporating carburetor
  • FIG. 3 shows a third internal combustion engine with an evaporating carburetor
  • Figure 5 shows the internal combustion engine of Figure 4 in a schematic section
  • FIG. 6 shows a fifth internal combustion engine with an evaporating carburetor
  • Figure 7 shows a particularly simple structural implementation of the arrangement of Figure 6;
  • FIG. 9 shows theoretical exhaust gas values for a catalyst as a function of ⁇ .
  • the engines shown in Figures 1 to 3 and 6 each have a cylinder 1, in which a piston 2 reciprocates and performs a connecting rod 3 in a known manner work.
  • each four-stroke engines with four cylinders, and present invention - as already explained above - for auto-ignition, continuous combustion processes, such as in heating systems or other combustion processes, Wankelmotoren and motors with different timing or number of cylinders can be used.
  • a combustion chamber 4 is provided in each case, in which a fuel-air mixture ignited by a spark plug is burned.
  • the resulting exhaust gases are discharged via an exhaust pipe 6 from the combustion chamber 4.
  • Via a supply line 7, the fuel-air mixture of the combustion chamber 4 is supplied, in which case conventional concepts, such as valves, are used.
  • the carburettors of the engines of FIGS. 1 to 3 each include an evaporator 8A, 8B, 8C and 8E, respectively.
  • the carburetor of the engine of Figure 1 upstream of the evaporator 8A a conventional carburetor 9, in which the gasification in the conventional sense, ie a dispersion is provided.
  • This dispersion is then fed to the evaporator 8 A, which has an evaporation space 10, through which the exhaust pipe 6 out.
  • the dispersion is sprayed by the gasifier directly onto this exhaust pipe, wherein the conditions are such that the dispersion on a heated surface with a temperature between 100 ° C and 105 ° C meets.
  • the fuel is too much more than 50%, in the normal operating case to 99%, gasified and fed to the combustion chamber 4 substantially gaseous form.
  • a conventional carburetor is used per se, but which is in intimate contact with the exhaust pipe 6 and is heated in such a way that the supplied fuel substantially evaporates during the gasification process, so that it is This is also an evaporator in the inventive sense.
  • This principle is carried out even purist in the embodiment of Figure 3 by the still liquid fuel is heated in its supply line 11 from the exhaust pipe 6, with which the supply line is in intimate contact, well above the boiling point, so that it in a conventional Carburetor, whose exact geometries are adapted to these conditions, immediately almost completely evaporated. It is understood that the latter can in principle also be used in combustion processes in which the fuel is still given up in the liquid form of the combustion chamber 4, as is the case for example during injection processes.
  • FIGS. 4 and 5 substantially corresponds to the embodiment according to FIG. 1, the conventional carburetor 9 and the evaporator 8D being arranged differently from the embodiment according to FIG.
  • the conventional carburetor 9 is the dispersion of fuel in air directly on an exhaust pipe 15 of the general exhaust system 6. This is indicated by the arrow 16 accordingly. Because of the at the Exhaust pipe 15 prevailing temperatures, the fuel evaporates final and is, as indicated by the arrows 17, the cylinders 1 abandoned. Along the arrow 18, the substances formed during combustion leave the exhaust system 6.
  • a conventional intake chamber of a known engine and exhaust system the known exhaust chamber are used, if they are arranged in a suitable manner to each other, so that the dispersed Fuel can be fed in a suitable manner from the carburetor 9 to a wall of the exhaust chamber,
  • FIGS. 1 to 3 The embodiment of Figure 6 uses instead of the exhaust gases, an electric heater 19 to vaporize the fuel or fuel in the evaporator 8E.
  • the evaporation takes place essentially by thermal energy, it being understood that such an electric heater can also be cumulatively or alternatively used in the arrangement according to FIGS. 1 to 3.
  • FIG 7 An implementation of the basic structure of a combination of the embodiments according to Figures 1 and 6 is shown in Figure 7, in which a conventional injector 20 is attached with their commercially available connector 21 to a housing 22, which in turn also an injection nozzle connecting piece 23rd so that it can be attached directly to the engine side Einspritzdüsenan- circuit, and which forms the evaporator 8E by an electric heater 19 is inserted into the enclosed by the housing 22 evaporation chamber 10.
  • a conventional diesel glow plug 24 is used as the electric heater 19, as this readily available and has in conjunction with a power supply of a motor vehicle over a sufficient continuous power time.
  • each fuel molecule is surrounded with sufficient oxygen molecules to completely burn the fuel in a very short time. This results in an ignition to a larger explosion and almost complete combustion of the fuel. As a result, the yield of the burned portion can be considerably increased, especially since the two components fuel and air in the gaseous state can be mixed extremely well or are mixed.
  • the lambda probe used depending on the carbon monoxide work and at particularly low carbon monoxide values does not allow reliable measurement. This results in non-measurable lambda values at 16:02, 16:03, 16:04 and 16:05. As soon as the carbon monoxide values reach the corresponding areas, the lambda sensor works again, which in principle works with some delay, so that the measured values partly correspond to the previous settings. should be assigned. Accordingly, for example, assume that the Lambda value of 2.165 at 16:06 is more likely to be attributed to the carbon monoxide value between 0.08 and 0.12 (between 16:02 and 16:04).
  • the limit values without catalyst are less than 3.5% vol.
  • the idle monoxide level is less than 0.5% vol and less than 0.3% vol at elevated idle.
  • the present invention allows the carbon dioxide value to be between 0 , 05% vol. and 0.19% vol. stabilize so that these values are at least two to ten times lower than in controlled-catalyst engines. This alone makes it possible to clarify the advantages of the present invention, since the environment is less burdened by such low carbon monoxide values.
  • the consumption can be halved and the life of the engine can be extended, because the optimum performance can be achieved even at low speeds.
  • the measured levels of carbon dioxide come from the combustion of the HC-combustible part of the fuel, the high values representing close to 100% combustion of the combustible part of the fuel.
  • Water which forms in parallel with the carbon dioxide is vaporized in the heat of the exhaust gases.
  • the proportion of oxygen in the exhaust gases drops the better the combustion is.
  • the oxygen values drop parallel to the values of unburnt coal bons. This is the result of an ever improving combustion, which also increases the CO 2 values accordingly.
  • the fact that this better combustion leads to an increase in performance, the overall fuel consumption can be reduced and thus the environment be relieved.
  • the fuel is supplied to the engines in a substantially gaseous form, can be dispensed with in particular complex arrangements, such as injection pump, turbocharger, and other complex engine construction and control systems, as in particular by stroke, volume and bores or the appropriate conditions between air and fuel most of the necessary requirements can be easily achieved.
  • complex arrangements such as injection pump, turbocharger, and other complex engine construction and control systems, as in particular by stroke, volume and bores or the appropriate conditions between air and fuel most of the necessary requirements can be easily achieved.

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Abstract

Bei ? > 1,4 kann bei der Verbrennung mineralölhaltiger, bei Zimmertemperatur flüssiger Brennstoffe kann der Wirkungsgrad überraschend gesteigert und der Ausstoß von Schadstoffen überraschend gemindert werden.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Verbrennung mineralölhaltiger, bei Zimmertemperatur flüssiger
Brennstoffe
[01] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbrennung mineralölhaltiger, bei Zimmertemperatur flüssiger Brennstoffe. Insbesondere betrifft die Erfindung hierbei kleinere Verbren- nungsprozesse, wie sie beispielsweise in Kleinkraftwerken, wie Heizungen für Haushalte und Gebäuden bzw. bei Kraftfahrzeugen zur Anwendung kommen.
[02] 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 24977 Al, der EP 1 329 631 Al oder der DE 37 06 685 Al bekannt, bei denen Luft und Kraftstoff in eine Brennkammer eines Kraftfahrzeugmotors einge- bracht 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 O2, N2, CO2, H2O und Edelgasen bestehende Luft mit dem Kraftstoff zu CO2, H2O, N2, O2 und H2O und Edelgasen verbrennt. In der Praxis entstehen daneben noch NOx, S, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, und Rußpartikel. Hierbei entsteht CO2, durch Verbindung des Kohlen- Stoffs 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 NOx als Stickoxide aus der Verbindung des Stickstoffes aus der Luft und des Sauerstoffes bei der Verbrennung bei hohen Temperaturen entstehen. SO2 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 SO2 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.
[03] 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.
[04] 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.
[05] 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 Al 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 Leistungssteige- rang bzw. Verminderung des Schadstoffausstoßes zu ermöglichen.
[06] 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.
[07] Hingegen offenbart die DE 36 24 977 Al 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. [08] AU 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,
[09] 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 vorge- schlagen, bei welcher der Vergaser eine Einrichtung zum Verdampfen des mineralölhaltigen Brennstoffes aufweist.
[10] 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.
[11] 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 herkömmli- chen 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.
[12] Vorzugsweise erfolgt das Verdampfen thermisch, da insbesondere bei Kraftfahrzeugmotoren Abwärme hierzu ohnehin zur Verfügung steht. Die Verdampfungstemperaturen zwischen 70 °C und 150 0C 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. [13] 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.
[14] Entsprechend der Vorteile einer thermischen Verdampfung kann der Verdampfungsraum wenigstens eine erhitzte Oberfläche aufweisen, welcher wenigstens ein Teil des mineralölhaltigen Brennstoffes aufgegeben wird.
[15] Hierbei ist die erhitzte Oberfläche vorzugsweise über 80 0C, insbesondere über 90 °C oder 100 °C warm, so dass ein Großteil des Brennstoffes verdampft werden kann.
[16] 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 bei- spielsweise 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.
[17] 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.
[18] Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein äußerst effektiver Verbrennungsvorgang erzielt werden, wobei durch geeignete Luftzufuhr ohne weiteres ein λ > 1,4 erreicht werden kann. [19] Hierbei wird, in Abkehr von dem Stand der Technik, davon ausgegangen, dass bei derartigem Luft- Uberschuss 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.
[20] 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 j etzt nicht bekannt ist.
[21] Weitere Vorteile, Eigenschaften und Ziele vorliegender Erfindung werden anhand der Erläuterung anliegender Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 einen ersten Verbrennungsmotor mit einem Verdampfer in schematischer Darstellung;
Figur 2 einen zweiten Verbrennungsmotor mit einem verdampfenden Vergaser; Figur 3 einen dritten Verbrennungsmotor mit einem verdampfenden Vergaser;
Figur 4 einen vierten Verbrennungsmotor mit einem verdampfenden Vergaser in schematischer
Aufsicht;
Figur 5 den Verbrennungsmotor nach Figur 4 in schematischem Schnitt;
Figur 6 einen fünften Verbrennungsmotor mit einem verdampfenden Vergaser; Figur 7 eine besonders einfache bauliche Umsetzung der Anordnung nach Figur 6;
Figur 8 theoretische Abgaswerte vor einem Katalysator in Abhängigkeit von λ; und
Figur 9 theoretische Abgaswerte nach einem Katalysator in Abhängigkeit von λ.
[22] Die in den Figuren 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.
[23] Anders wie bei herkömmlichen Motoren umfassen jedoch die Vergaser der Motoren nach Figuren 1 bis 3 jeweils einen Verdampfer 8A, 8B, 8C bzw. 8E. Hierbei weist der Vergaser des Motors nach Figur 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 8 A 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 nor- malen Betriebsfall zu 99 %, vergast und im Wesentlichen gasförmiger Form der Brennkammer 4 zugeführt.
[24] Bei der in Figur 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 erfmdungsgemäßen Sinne handelt. Dieses Prinzip wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 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.
[25] Die in Figuren 4 und 5 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform nach Figur 1, wobei der herkömmliche Vergaser 9 und der Verdampfer 8D abweichend von der Ausführungsform nach Figur 1 angeordnet sind. Bei der Ausführungsform nach Figuren 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,
[26] Das Ausführungsbeispiel nach Figur 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 Figuren 1 bis 3 kumulativ bzw. alternativ zur Anwendung kommen kann.
[27] Eine Umsetzung des prinzipiellen Aufbaus einer Kombination aus den Ausführungsbeispielen nach Figuren 1 und 6 ist in Figur 7 dargestellt, bei welcher eine herkömmliche Einspritzdüse 20 mit ihrem handelsüblichen Anschlussstück 21 an ein Gehäuse 22 angesetzt ist, welches seinerseits ebenfalls ein Ein- spritzdüsenanschlussstück 23 aufweist, so dass es unmittelbar an den motorseitigen Einspritzdüsenan- schluss 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.
[28] Es hat sich gezeigt, dass durch eine derartig einfache Umbaumaßnahme der Schadstoffausstoß sowie der Benzinverbrauch eines herkömmlichen Einspritzmotors erheblich gesenkt werden kann.
[29] 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.
[30] Insbesondere beim Ausführungsbeispiel nach Figuren 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.
[3I]In praktischen Versuchen hat sich hierbei eine Gasbildungstemperatur für den Brennstoff zwischen 100 0C und 105 0C als besonders vorteilhaft erwiesen. Diese konnte ohne weiteres stabil aufrechterhalten werden, wenn sich die Abgastemperatur im Bereich zwischen 610 0C und 730 0C bewegt, wobei die Temperaturverhältnisse durch geeignete Anordnung der Komponenten ohne weiteres gewählt werden können. Bei dem in Figuren 4 und 5 schematisch dargestellten und nachfolgend für die Versuche genutzten Ausführungsbeispiele betrug der Explosionsdruck zwischen 10.000 und 12.000 hPa (10 bis 12 bar).
[32] 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.
[33] 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 ent- sprechend der Tabellen 1, 2 und 3 im Minutentakt.
[34] Bei den durchgeführten Messungen wurde unterhalb der Drosselklappe eine Drosselscheibe mit einem Durchmesser von 23 mm, was 4,2 m2 bzw. 41 % der Durchmesserfläche entspricht, eingesetzt. Hierbei ergaben sich die folgenden Werte: Tabelle Ia:
Figure imgf000010_0001
[35] 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 zu- zuordnen 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.
[36]Nach 16:03 wurden die Versuchsbedingungen dahingehend geändert, dass eine Zusatzluftzufüh- rungsöffnung mit einem Durchmesser von 3 mm unterhalb der Drosselklappe eingebracht wurde. Hieraus ergaben sich die folgenden Werte: Tabelle Ib: Tabelle Ic:
Figure imgf000011_0001
[37] In einer zweiten Messreihe wurden dann noch Messungen ohne Zusatzluftzuführung und ohne Durchmesserverkleinerungsscheibe durchgeführt, die folgende Ergebnisse lieferten. Tabelle 2:
Figure imgf000012_0001
[38] 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 Figuren 6 und 7 schematisch angedeutet ist. [39] 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:
[40] 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.
[41] Darüber hinaus kann der Verbrauch halbiert und die Lebensdauer des Motors verlängert werden, weil die optimale Leistung schon bei niedrigen Drehzahlen erreicht werden kann.
[42] 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 0C erreicht hat, fallen die Sauerstoff werte parallel zu den Werten unverbrannter Koh- lenwasserstoffe. 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.
[43] 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 Figuren 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 Bildungsbedingun- gen, so dass die Belastung durch Stickoxide bei den erfindungsgemäßen λ -Werten erheblich abnimmt. [44] 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 Vorga- ben ohne Weiteres erzielt werden können.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verbrennung mineralölhaltiger, bei Zimmertemperatur flüssiger Brennstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass der mineralölhaltige Brennstoff vor Eintritt in eine Brennkammer im Wesentlichen verdampft wird,
2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mineralölhaltige Brennstoff vor
Eintritt in eine Brennkammer thermisch verdampft wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mineralölhaltige Brennstoff vor Eintritt in eine Brennkammer zumindest bis nahe seinem Siedepunkt erwärmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 50 % des mineralölhaltigen Brennstoffes der Brennkammer in gasförmiger Form aufgegeben werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 80% des mineralölhaltigen Brennstoffes der Brennkammer in gasförmiger Form aufgegeben werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 90% des mineralölhalti- gen Brennstoffes der Brennkammer in gasförmiger Form aufgegeben werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 99% des mineralölhaltigen Brennstoffes der Brennkammer in gasförmiger Form aufgegeben werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein λ > 1 ,4.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbeson- dere eines Kraftfahrzeugmotors.
10. Einrichtung zur Verbrennung mineralölhaltiger, bei Zimmertemperatur flüssiger Brennstoffe mit einem Vergaser für den mineralölhaltigen Brennstoff und mit einer dem Vergaser nachgeschalteten Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergaser eine Einrichtung zum Verdampfen des mineralölhaltigen Brennstoffes aufweist.
11. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungs- einrichtung Mittel zum Erhitzen, insbesondere zum thermischen Erhitzen, des mineralölhaltigen Brennstoffes aufweist.
12. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver- dampfungseinrichtung einen vor der Brennkammer angeordneten Verdampfungsraum aufweist.
13. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungsraum wenigstens eine erhitzte Oberfläche aufweist und wenigstens ein Teil des mineralölhaltigen Brennstoffes dieser Oberfläche aufgegeben wird.
14. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erhitzte Ober- fläche über 80 0C, vorzugsweise über 90 0C bzw. über 100 0C warm ist.
15. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erhitzte Oberfläche über Abgase der Verbrennung erhitzt wird.
16. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erhitzte Oberfläche elektrisch erhitz wird.
17. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 50% des mineralölhaltigen Brennstoffes der Brennkammer in gasförmiger Form aufgegeben werden.
18. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 80% des mineralölhaltigen Brennstoffes der Brennkammer in gasförmiger Form aufgegeben werden.
19. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 90% des mineralölhaltigen Brennstoffes der Brennkammer in gasförmiger Form aufgegeben werden.
20. Verbrennungseinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 99% des mineralölhaltigen Brennstoffes der Brennkammer in gasförmiger Form aufgegeben werden.
21. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, wobei die Verbrennungsenergie in mechanische Arbeit gewandelt wird.
22. Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21 als Teil eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors.
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