DD283445A5

DD283445A5 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der verbrennung in brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DD283445A5
Application number: DD89325338A
Authority: DD
Inventors: John Olsson; Bertil Olsson; Gunnar Olsson; Arne Lindstroem
Original assignee: Kk
Priority date: 1988-01-29
Filing date: 1989-01-30
Publication date: 1990-10-10
Also published as: HUT54772A; AU3035989A; FI903710A0; CA1323259C; CN1034785A; DK178290A; BR8907212A; EP0397759B1; SK56489A3; WO1989007196A1; ATE112363T1; CZ280479B6; DK178290D0; CZ56489A3; DE68918582D1; HU205794B; FI903710A7; DE68918582T2; EP0397759A1; SE8800291L

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung der Verbrennung in Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Schadstoffanteile, insbesondere Rusz und Stickoxide, in den Abgasen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz ein Fluessigkeitsgemisch, das ein Peroxid oder eine Peroxoverbindung enthaelt, auf solche Weise in jeden Zylinder des Motors eingespritzt wird, dasz ein Teil des Fluessigkeitsgemischs durch das Auslaszventil 17 stroemt, wenn der Motor vom Austrags- zum Einlaszhub uebergeht und wodurch eine verbesserte Nachverbrennung im Auspuffrohr 16 und der moeglichen Katalysatorausruestung entsteht. Figuren 1, 2{Brennkraftmaschine; Verbrennung; Abgase; Schadstoffanteile; Nachverbrennung; Peroxid-, Peroxo-Fluessigkeitsgemischeinspritzung; Auslasz-/Einlaszhub; Rusz; Stickoxide}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Verbrennung in Brennkraftmaschinen und zur Verringerung der in den Abgasen enthaltenen Schadstoffmengen, wobei ein Flüssigkeitsgemisch, das ein Peroxid oder eine Peroxoverbindung enthält, in den Verbrennungsraum eingeleitet wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Durch die steigende Anzahl von Kraftfahrzeugen, besonders in den Städten, entstehen eine Zunahme der Abgase und damit verbundene Gesundheits- und Umweltprobleme. Bei den Schadstoffen, die die größten Probleme verursachen, handelt es sich in erster Linie um Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxide. Die Grundursache für die unsauberen Abgase ist eine unvollständige Verbrennung. Zur Verbesserung des Anteils dieser Komponenten werden verschiedene Techniken angewandt, die gebräuchlichste ist die bekannte Katalysatortechnik, die eine Verbrennung der Abgase außerhalb des tatsächlichen Verbrennungsprozesses ermöglicht.

Bei Diesel-Abgasen sind eine Reihe von Problemen zu lösen. Eines ist die Rußbildung, ein weiteres sind die während der Verbrennung entstandenen Stickstoffoxide. Mit Hilfe einer Katalysatorausrüstung ist es möglich, die Emissionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen zu verringern. Die dabei auftretenden Schwierigkeiten liegen neben der Oxydation von CO und HC zu CO₂ und Wasser darin, daß ein bestimmter Stickstoffanteil zu Stickstoffoxid (NOx) oxidiert wird. Der Grund hierfür liegt darin, daß ein Dieselmotor unvermeidlich mit einem Überschuß an Luft arbeitet. Ein weiteres Problem besteht darin, daß der Ruß nach einer bestimmten Zeit die Funktion des Katalysators behindert. Den Ruß kann man beispielsweise durch teilweise oder gänzliche Substitution von Diesel durch Ethanol verringern. Allerdings bleiben die Probleme hinsichtlich der Stickstoffoxide bestehen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, durch eine verbesserte Nachverbrennung die in den Abgasen von Brennkraftmaschinen enthaltenen Schadstoffmengen weiter zu verringern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, mit der auch bei Dieselmotoren die Anteile an Ruß und Stickstoffoxiden im Motor und in der Katalysatorausrüstung weiter reduziert werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Peroxid oder eine Peroxoverbindung enthaltendes Flüssigkeitsgemisch auf eine solche Weise in jeden Zylinder des Motors eingespritzt wird, daß ein Teil dieses Flüssigkeitsgemischs durch das Auslaßventil strömt, wenn der Motor vom Austrags- zum Einlaßhub wechselt, wodurch damit eine verbesserte Nachverbrennung im Auspuffrohr und in der möglichen Katalysatorausrüstung entsteht. Zur Durchführung des Verfahrens ist in oder nahe des Verbrennungsraumes des Motors eine Zuführungsleitung vorgesehen und die Zuführleitung im Innern einer Leitung für ein Medium mit einem Druck, der vom Druck am Ausgang der Zuführleitung abweicht, wodurch die geförderte Flüssigkeit zerstäubt und weiter gefördert wird, angeordnet. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 10 angegeben.

Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird die Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel beschrieben.

Abbildung 1 ist ein Senkrechtschnitt durch einen Zylinderkopf eines Dieselmotors mit Darstellung des Einlaßventils.

Abbildung 2 ist ein Schnitt entlang der Linie II—Il in Abbildung 1.

Die Zeichnungen zeigen einen Dieselmotor mit einem Zylinderkopf 11, ein Einlaßrohr 12 zu dem Verbrennungsraum 13 des Motorsund ein Einlaßventil 14, das mit einem Ventilsitz 15 aufeinanderwirkt. Das Auspuffrohr ist mit 16 und das Auslaßventil mit 17 bezeichnet. Ein Kraftstoffinjektor hat die Bezeichnung 18. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Kraftstoff in eine Vorkammer 19 eingespritzt, die mit einer Glühkerze 20 zur Erleichterung von Kaltstarts ausgerüstet ist. Eine Alternative hierfür besteht darin, den Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum 13 einzuspritzen.

Eine Zuführleitung 21 ist in dem Einlaßrohr 12 zur Zuführung eines Flüssigkeitsgemischs, bestehend aus Peroxid oder Peroxoverbindungen, Wasser und möglicherweise weiterer Additive angeordnet, die nachstehend beschrieben werden. Die Zuführleitung 21 liegt mit Spiel innerhalb einer 2. Leitung 22 für ein Medium, mit einem Druck, der vom Druck am Mundstück der Zuführleitung 21 abweicht. Das Mundstück 23 liegt in unmittelbarer Nähe des Einlaßventils. Das Medium kann gasförmig ' sein und aus atmosphärischer Luft bestehen. Für diesen Fall ist die Leitung 22 angebracht, die eine Verbindung mit der Atmosphäre außerhalb des Motors herstellt. Bei dem Medium kann es sich auch um Abgase vom Motor handeln, die unter Druck durch die Leitung 22 gefördert werden. Es kann auch ein unter Druck stehendes Gas sein, beispielsweise eine von einem Turbolader oder einer speziellen Luftpumpe erzeugt geringe Luftmenge.

Mit einer solchen Vorrichtung wird ein Zerstäuben des gelieferten Flüssigkeitsgemischs erreicht. Die Enden der Leitungen 21 und 22 können auf verschiedene Art und Weise angeordnet werden, wie das in der SE-Patentanmeldung Nr. 8604448-4 (entspricht PCT/SE87/00477) beschrieben ist. Demzufolge kann das Mundstück der Zuführleitung 22 axial im Verhältnis zum Mundstück der Leitung 22 verschoben werden, so daß das Mundstück 23 entweder innerhalb oder außerhalb des Mundstücks der Leitung 22 zu liegen kommt. Die Flüssigkeit oder die Tropfen der Flüssigkeit werden somit in dem Medienstrom aus Leitung 22 zerstäubt.

Eine alternative Anordnung besteht darin, daß man den Leitungen 21 und 22 eine gemeinsame Auslaßöffnung mit einem kleineren Durchmesser als das Ende 23 der Zuführleitung 22 zuordnet. Dieser gemeinsame Auslaß kann geweitet werden, um den Strom nach dem engen Durchgang zu leiten, wo eine wirkungsvolle Mischung der Flüssigkeit und des Mediums stattgefunden hat.

Soll gesonderter Kraftstoff zugesetzt werden, z.B. Ethanol, so kann er über eine außerhalb der Zuführleitung 21 aber innerhalb der Mediumleitung 22 angeordnete Zuführleitung gefördert werden. Die Zuleitung und Regelung des Flüssigkeitsgemischs erfolgt durch eine Zuführvorrichtung (nicht dargestellt). Wird die Flüssigkeit nahezu drucklos und in einigen Fällen in sehr geringen Mengen gefördert, ist der Gasstrom für die Zerstäubung der Flüssigkeit von Bedeutung. Natürlich kann mehr als eine von einer Leitung 22 umgebene Zuführleitung 21 für jeden Zylinder angebracht werden. Eine Alternative besteht in der Mischung des Kraftstoffs (z. B. Alkohol) in dem zugeführten Flüssigkeitsgemisch.

Die Zusammensetzung der Flüssigkeit kann variieren, sie soll aber 0,001 bis 80%, vorzugsweise 0,1 bis 35% Peroxid oder eine Peroxo-Verbindung, vorzugsweise Wasserstoffperoxid enthalten. Sie kann auch bis zu 5% eines Öls mit einem Antikorrosionsadditiv enthalten. Die übrigbleibenden Teile bestehen aus Wasser und/oder aliphatischem Alkohol mit ein bis acht Kohlenstoffatomen, vorzugsweise Ethanol. Der Alkohol beträgt vorzugsweise 10—95% der Zusammensetzung.

Bei Anordnung einer Zuführvorrichtung für Peroxide oder Peroxoverbindungen ist es wichtig, lange Transportwege und gewöhnliche Metalle zu vermeiden. Da es schwierig ist, eine Hochdruckvorrichtung ohne Verwendung von Metallen in dem Zuführsystem zu bauen, ist auch ein hoher Druck zu vermeiden, da dadurch leicht eine Zersetzung der unstabilen Verbindungen verursacht wird.

Ein weiterer bedeutender Faktor ist, daß die Flüssigkeit in einem steilen Winkel in den Verbrennungsraum 13 eingespritzt wird, das heißt so zentral wie möglich, um eine Berührung mit der Zylinderwand 24 zu vermeiden. Wenn die Flüssigkeit die Zylinderwand berührt, besteht ein Risiko, daß die Flüssigkeit ihre Eigenschaften verliert und auch, daß sie nach unten in das Kurbelgehäuseöl eindringt. Sie kann auch die Zylinderwände abwaschen und dadurch einen erhöhten Zylinderverschleiß und erhöhten Ölverbrauch verursachen.

Ein Ergebnis des Einspritzens der Flüssigkeit, wie oben beschrieben, mit kontinuierlicher Einspritzung, besteht darin, daß ein Teil der Flüssigkeit durch die Überlappung nach außen in das Auspuffrohr 16 gelangt. Das ist ein Vorteil, da bestimmte Flüssigkeiten die Nachverbrennung im Auspuffrohr verbessern. Bei Vorhandensein eines Katalysators wird die Nachverbrennung in der

Katalysatorausrüstung signifikant verbessert, das heißt der Wirkungsgrad des Katalysators hat sich verbessert. Indem man die Länge der Überlappung zwischen den Einlaß- und Auslaßventilen 14 und 17 einstellt, ist es möglich, den Flüssigkeitsanteil zu erhöhen oder zu senken, der durch die Überlappung austritt. Das kann bei neuen Ausführungen erfolgen oder wenn die Nockenwelle durch eine neue ersetzt wird. Es kann auch durch Veränderung des Abstandes vom Mundstück 23 zum Auslaßventil 17 erfolgen. Je größer der Abstand ist, um so kleiner ist der Teil, der in das Auspuffrohr austritt. In der Einleitung haben wir Probleme erwähnt, die bei Verwendung eines Katalysators bei Dieselmotoren auftreten. Die Probleme sind Rußbildung und Bildung von Stickstoffoxiden (NOx). Diese Probleme kann man durch Zuführung von Peroxiden oder einer Peroxoverbindung in der gleichen Weise wie oben beschrieben lösen. Am „Statens teknologiska Institut", STI in Norwegen wurden Tests an einem Dieselmotor Volvo Penta MDI durchgeführt. Diese Tests erfolgten ohne Katalysator und Flüssigkeit (Test 1) und mit Katalysator in Kombination mit Einspritzen einer einige Peroxide enthaltenen Flüssigkeit (Test 2). Die Zusammensetzung der Flüssigkeit bei diesem Test betrug 10% einer7%igen Wasserstoffperoxid-Lösung und 90% Ethanol. Der größte Teil des Diesels wurde in diesem Fall durch das Flüssigkeitsgemisch ersetzt.

Es wurden folgende Ergebnisse erzielt:

CO CO₂

ppm %

Test 1 2 600 8,5

Test 2 15 10,4

Es ist darauf hinzuweisen, daß der Dieselmotor mit einem hohen Luftüberschuß und einer hohen Verbrennungstemperatur arbeitet. Trotzdem wurden die NOx-Emissionen reduziert. Der Wirkungsgrad des Motors hat sich nicht verändert.

Das Verhältnis des Flüssigkeitsgemischs zum gewöhnlichen Kraftstoff kann von einigen Zehntel Prozent bis zu nahezu 100% betragen, im letzteren Fall ist der größte Teil vorzugsweise Alkohol, der wie in einem „Otto-Motor" ohne Rußbildung verbrennt.

Vorliegende Erfindung ist nicht auf Dieselmotoren begrenzt. Sie trifft auch für alle Typen von Verbrennungskraftmaschinen zu, wie z. B. für Benzinmotoren.

HC	NOx	Ruß
ppm	ppm	Bosch
200	1 400	4,2
150	400	0.25

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Verbrennung in Brennkraftmaschinen zur Verringerung der Schadstoffmengen in den Abgasen, bei dem ein Flüssigkeitsgemisch, das ein Peroxid oder eine Peroxoverbindung enthält, in den Verbrennungsraum eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsgemisch auf solche Weise eingespritzt wird, daß ein Teil des Flüssigkeitsgemischs durch das Auslaßventil (17) strömt, wenn der Motor vom Austrags- zum Einlaßhub wechselt und somit eine verbesserte Nachverbrennung im Auspuffrohr (16) und der möglichen Katalysatorausrüstung entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsgemisch zerstäubt und so gerichtet wird, daß es zu dem Verbrennungsraum und in unmittelbare Nähe des Auslaßventils (17) verteilt wird, das zumindest zu einem Teil der Auslaßphase infolge der Überlappung geöffnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsgemisch mindestens 0,001 % Peroxid oder Peroxoverbindung enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es 0,1-35% Peroxid oder Peroxoverbindungen enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsgemisch bis zu 99% eines aliphatischen Alkohols mit 1—8 Kohlenstoffatomen enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es 10-95% Alkohol enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6-7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Alkohol um Ethanol handelt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der übliche Kraftstoff vollständig oder teilweise durch das Flüssigkeitsgemisch substituiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein wesentlicher Teil des Flüssigkeitsgemischs aus einem Alkohol, vorzugsweise Ethanol, besteht.

10. Vorrichtung zur Verbesserung der Verbrennung in Brennkraftmaschinen durch Einleitung eines Flüssigkeitsgemisches, das ein Peroxid oder eine Peroxoverbindung enthält, in den Verbrennungsraum, dadurch gekennzeichnet, daß in oder nahe des Verbrennungsraumes (13) des Motors eine Zuführungsleitung (21) vorgesehen und die Zuführleitung (21) im Innern einer Leitung (22) für ein Medium mit einem Druck, der vom Druck am Ausgang der Zuführleitung (21) abweicht, wodurch die geförderte Flüssigkeit zerstäubt und weiter gefördert wird, angeordnet ist.

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