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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zufuhr von Wasser in einen
Brennraum eines periodisch arbeitenden Verbrennungsmotors, sowie
ein Verfahren hierfür.
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In
kontinuierlich arbeitenden Verbrennungsmotoren wie etwa Turbomaschinen
und Raketentriebwerken ist es bekannt, sowohl zur kurzfristigen Steigerung
der Leistung, als auch zur dauerhaften Erzeugung eines höheren Antriebsvermögens Stoffe der
Brennkammer zuzuführen,
welche selbst nicht an der Verbrennung beteiligt sind. Diesen Stoffen
ist gemein, dass sie eine geringere molekulare Masse aufweisen als
die entstehenden Verbrennungsprodukte. Bei gleich bleibender Energiezufuhr
in die Brennkammer werden durch die im Ergebnis insgesamt geringere
molekulare Masse des Gemischs in der Brennkammer, zwar unter geringfügiger Absenkung
der Brennkammertemperatur, eine höhere Austrittsgeschwindigkeit
der Abgase und damit eine Steigerung der Antriebsleistung derartiger
Verbrennungsmotoren erreicht.
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So
ist es beispielsweise bekannt, Raketenantriebe, welche mit flüssigem Wasserstoff
als Brennstoff und flüssigem
Sauerstoff als Oxidator betrieben werden, unter Wasserstoffüberschuss
zu betreiben, also mit einem überstöchiometrischen
Anteil an Wasserstoff.
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Werden
Brennstoffe verwendet, welche ein höheres Molekulargewicht aufweisen,
als die Verbrennungsprodukte, ist es bekannt, Wasser zur kurzfristigen
Steigerung der Antriebsleistung der Brennkammer zuzuführen. Diese
Technologie findet insbesondere Anwendung bei kontinuierlich arbeitenden Verbrennungsmotoren,
welche mit flüssigen
Kohlenwasserstoffen als Brennstoff betrieben werden, wie etwa bei
kerosinbetriebenen Turbomaschinen.
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Zur
dauerhaften Leistungssteigerung und zur damit einhergehenden dauerhaften
Verbrauchssenkung wird angestrebt, ähnliche Technologien auf periodisch
arbeitende Verbrennungsmotoren, wie etwa Kolbenmotoren, Wankelmotoren
und dergleichen anzuwenden.
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Ein
bekannter Lösungsansatz
sieht vor, anstelle von reinem Dieselöl eine Wasser-Diesel-Emulsion
dem Brennraum eines Dieselmotors zuzuführen. Durch Entzug der Verdampfungswärme des
Wassers während
der Verbrennung wird die Verbrennungstemperatur gegenüber einer
Zufuhr ausschließlich von
Dieselöl
gesenkt, und die Bildung von Stickoxid (NOx)
und Ruß (CO)
verringert, bei gleichzeitiger Leistungssteigerung und damit einhergehender
Verbrauchssenkung aufgrund der oben genannten Effekte.
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Nachteilig
hieran ist die mangelnde Stabilität der Wasser-Diesel-Emulsion, was auch
auf andere Wasser-Kohlenwasserstoff-Emulsionen, wie etwa eine Wasser-Benzin-Emulsion übertragbar
ist. So führt
die längerfristige
Lagerung derartiger Emulsionen über
mehrere Tage oder Wochen hinweg zu einer Separation des Wassers
und des Dieselöls.
Zur Umgehung dieses Nachteils wird unter hohem und kostspieligem
technischem Aufwand die Wasser-Diesel Emulsion unter Verwendung
getrennter Tanks erst unmittelbar vor deren Zufuhr in die Brennkammer
erzeugt.
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Technisch
einfacher ist ein ebenso bekannter Ansatz, Wasser und Dieselöl mittels
getrennter Einspritzdüsen
direkt dem Brennraum eines Dieselmotors zuzuführen. Diese Technologie ist
auch als geschichtete Wassereinspritzung bekannt.
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Nachteilig
hieran ist die doppelte, sehr aufwändige Einspritzvorrichtung,
welche sowohl das Dieselöl,
als auch das Wasser sehr präzise
sowohl in Bezug auf Einspritzmengen als auch in Bezug auf Einspritzzeitpunkte
dosieren muss. Insbesondere für die
typischerweise für
die Hochdruck-Dieseleinspritzung verwendeten Piezoaktoren liegen
keine Langzeit-Erfahrungswerte zur Hochdruck-Wassereinspritzung vor.
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Nachteilig
an beiden bekannten Technologien ist, dass die Temperaturabsenkung
in der Brennkammer durch den Entzug der Verdampfungswärme des
Wassers sowie des Dieselöls
aus der Brennkammer höher
ist, als es zur wirksamen Verminderung der NOx und
CO Bildung nötig
wäre, was
zu einer unerwünschten
Absenkung des Wirkungsgrads insbesondere bei Dieselmotoren führt. Darüber hinaus sind
beide Technologien sehr aufwändig
und teuer.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
mindestens eine in einem zu mindestens einem Brennraum führenden
Ansaugkanal angeordnete, steuerbare Düse zur kontrollierbaren Beimengung
von dampfförmigem
Wasser zu dem Brennraum zuzuführender
Luft ist.
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Eine
in einem zu mindestens einem Brennraum führenden Ansaugkanal befindliche
Düse, die der
Beimengung von dampfförmigem
Wasser zu der dem Brennraum zuzuführender Luft dient, ist in
Bezug auf die Einspritzdauer und den Einspritzzeitraum steuerbar.
Die Steuerung kann beispielsweise mittels eines elektronischen Motorsteuerungsgeräts erfolgen,
oder mechanisch durch die Nocken- oder
Kurbelwelle oder ein ähnliches,
periodisch bewegtes Bauteil des Verbrennungsmotors. Zusätzlich ist denkbar,
die Einspritzmenge synchron mit der Betätigung des Gaspedals zu steuern.
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Die
Erfindung weist gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass eine Einspritzung von
Wasserdampf in den Ansaugkanal insbesondere im Hinblick auf Einspritzdauer
und Einspritzzeitpunkt weitaus weniger kritisch ist, als eine Einspritzung
von flüssigem
Wasser direkt in den Brennraum. Darüber hinaus haben aufgrund der
enormen Volumenzunahme von flüssigem
zu dampf- oder gasförmigem
Wasser Ungenauigkeiten der Einspritzung von Wasserdampf weitaus
geringere Auswirkungen als solche bei der Einspritzung von flüssigem Wasser.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann die Verbrennungstemperatur durch Beimengung von Wasserdampf
in den Brennraum zur Senkung der NOx Bildung
gezielt abgesenkt werden, wobei die Temperaturabsenkung im Brennraum
durch das bereits dampfförmige
Wasser geringer ausfällt,
als bei der flüssigen
Wassereinspritzung. Durch die im Vergleich zu Wasser wesentlich
gleichmäßigere Verteilung
von Wasserdampf im Brennraum wird darüber hinaus die Rußbildung
effektiv verringert. Darüber
hinaus wird bei der Wasserdampfeinspritzung im Vergleich zu einer
flüssigen
Wassereinspritzung durch die geringere Temperaturabsenkung im Brennraum
eine Aufspaltung der chemischen Verbindung des Wassers in freie
Radikale begünstigt,
welche an der Verbrennung im Brennraum beteiligt sind, wodurch es
zu einer weiteren Leistungs- und Wirkungsgradsteigerung kommt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Düse eine
in Strömungsrichtung
zum Brennraum hin gerichtete Strahlpumpe umfasst, durch welche Luft
im Ansaugkanal in Richtung zum Brennraum hin beschleunigt wird.
Dadurch wird eine bessere Füllung
des Brennraums erreicht. Hierdurch kann beispielsweise das Auftreten
einer als Turboloch bekannten Leistungsschwäche von aufgeladenen Dieselmotoren
im niederen Drehzahlbereich verringert werden. Ein trägheitsfreies
Ansprechen eines mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten
Verbrennungsmotors ist die Folge. Wird die Einspritzmenge synchron
mit der Betätigung
des Gaspedals gesteuert, zeigt die durch die Strahlpumpe bewirkte
verbesserte Füllung
des Brennraums noch vor einem Ansprechen eines Turboladers ihre Wirkung.
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Vorzugsweise
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
zusätzlich
einen Wassertank, eine mit dem Wassertank verbundene Förder- und Dosierpumpe,
welche das Wasser unter einen für
die Einspritzung in den Ansaugkanal benötigten Druck setzt, sowie einen
zwischen Förder-
und Dosierpumpe und Düse
angeordneten Wärmetauscher
zur Verdampfung des Wassers vorzugsweise noch vor der Einspritzung
in den Ansaugkanal. Im Rahmen der Erfindung steht es frei, ob die
Förderpumpe
mechanisch oder elektrisch angetrieben ist und fördert abhängig vom Druck und Temperatur
im Wärmetauscher.
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Der
Wärmetauscher
ist dabei vorzugsweise mit der Abgasanlage des Verbrennungsmotors
verbunden. So ist beispielsweise denkbar, den Wärmetauscher direkt am Auspuffkrümmer des
Verbrennungsmotors anzuordnen, wo die Temperatur der austretenden
Abgase am höchs ten
ist. Sofern der Verbrennungsmotor einen Turbolader aufweist, ist der
Wärmetauscher
vorzugsweise erst unmittelbar nach dem Turbolader angeordnet.
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Darüber hinaus
ist denkbar, dass der Wärmetauscher
einen Zuheizer umfasst, insbesondere um die Erzeugung von Wasserdampf
während
eines Kaltstarts des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.
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Grundsätzlich ist
ein Betrieb auch dann möglich,
wenn die Verdampfung des Wassers im Wärmetauscher erfolgt und von
dort ausgehend aus der Düse
mit hoher Geschwindigkeit austritt. Der Wärmetauscher kann ein gewisses
Speichervolumen aufweisen und beim Kaltstart elektrisch vorgeheizt
werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Förder-
und Dosierpumpe durch die Nockenwelle des Verbrennungsmotors gesteuert.
Eine weitere Möglichkeit
der Steuerung kann über
die Position des Gaspedals erfolgen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird vorzugsweise in Verbindung mit einem Dieselmotor verwendet.
Bei Dieselmotoren müssen
nur geringfügige Änderungen
vorgenommen werden, um eine Beimengung von dampfförmigem oder
flüssigem
Wasser in die Ansaugluft zu ermöglichen,
wohingegen beispielsweise bei Ottomotoren aufgrund der Verdichtung
eines Brennstoff-Luft Gemischs das Verdichtungsverhältnis angepasst
werden muss, um die Gefahr spontaner Selbstzündungen abzuwenden, welche
in Kombination mit einer Wasserzugabe zu einer Zerstörung des
Motors führen
können.
Darüber hinaus
ist die Wasserzugabe beim Dieselmotor durch die Absenkung der maximalen
Brennraumtemperatur in Bezug auf NOx und
CO Bildung vorteilhaft, wohingegen aufgrund der Fremdzündung bei Ottomotoren die
im Bereich des Zündfunken
entstehende, höchste Temperatur
unveränderbar
ist.
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Grundsätzlich ist
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch denkbar, dass anstelle von dampfförmigem Wasser flüssiges Wasser
mittels der steuerbaren Düse
in den Ansaugkanal eingespritzt wird. Das Wasser wird dabei vorzugsweise
fein zerstäubt in
den Ansaugkanal eingespritzt. Das Wasser verdampft anschließend unter
den in dem Ansaugkanal herrschenden Bedingungen. Eventuell in der
Ansaugluft verbleibende Wassertröpfchen
verdampfen spätestens
während
des Verdichtungsvorgangs in dem periodisch arbeitenden Verbrennungsmotor.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Zufuhr von Wasser in einen Brennraum eines periodisch
arbeitenden Verbrennungsmotors, welches die Verfahrensschritte:
- – Erzeugung
von Wasserdampf,
- – Kontrollierte
Mischung des Wasserdampfs mit der mindestens einem Brennraum zuzuführenden Ansaugluft,
sowie
- – Zufuhr
des Wasserdampf-Luft-Gemischs zu einem Brennraum
umfasst.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
der Anteil des Wasserdampfs in dem Wasserdampf-Luft-Gemisch höchstens etwa 25% beträgt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass der Wasserdampf unter Ausnutzung der Abwärme des
Verbrennungsmotors, insbesondere unter Ausnutzung der Abwärme der
Abgase erzeugt wird.
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Ebenso
ist denkbar, dass das Wasser zur Erzeugung des Wasserdampfs aus
den Abgasen des Verbrennungsmotors gewonnen wird.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines periodisch arbeitenden Verbrennungsmotors
mit einer im Ansaugkanal angeordneten steuerbaren Düse zur Beimengung
von Wasserdampf in die Ansaugluft.
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Ein
in 1 dargestellter Verbrennungsmotor 1 besteht
im Wesentlichen aus einem Ansaugkanal 2, einem Brennraum 3,
einem in dem Brennraum 3 periodisch auf und ab bewegten
Kolben 4, sowie einem zwischen dem Ansaugkanal 2 und
dem Brennraum 3 angeordneten Ventil 5. Eine Ventilfeder 9 drückt das
Ventil 5 gegen seinen Sitz. Zur Vereinfachung sind die
Abgasanlage samt zugehörigem
Ausstoßventil
sowie die Ventilsteuerung nicht dargestellt.
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Der
Kolben 4 ist mittels eines Pleuels 6 auf einer
drehbar gelagerten Kurbelwelle 7 angeordnet.
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Über den
Ansaugkanal 2 wird Luft aus der Umgebung dem Brennraum 3 zugeführt.
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Erfindungsgemäß ist in
dem Ansaugkanal 2 eine als Injektor oder Strahlpumpe bezeichnete, steuerbare
Düse 8,
zur Beimengung von Wasserdampf in die Ansaugluft angeordnet. Die
Düse 8 ist
in Bezug auf Einspritzdauer und Einspritzzeitraum relativ zur Stellung
des Kol bens 4 steuerbar. Die Steuerung kann beispielsweise
mittels eines elektronischen Motorsteuerungsgeräts erfolgen, oder mechanisch
durch die Nocken- oder Kurbelwelle 7 oder ein ähnliches,
periodisch bewegtes Bauteil des Verbrennungsmotors 1. Zusätzlich ist
denkbar, die Einspritzmenge synchron mit der Betätigung des Gaspedals zu steuern.
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Das
durch die Düse 8 eingespritzte
Treibmittel ist Wasserdampf, der mittels einer durch die Nockenwelle
des Verbrennungsmotors 1 gesteuerten Förder- und Dosierpumpe 10 über einen
Wärmetauscher 11 aus
beispielsweise Kühlwasser
und Abgaswärme
gewonnen wird. Der Wärmetauscher 11 umfasst
zudem einen Zuheizer mittels dem insbesondere bei einem Kaltstart
durch Verbrennung von Brennstoff Wasserdampf erzeugt werden kann.
Bei einem Kaltstart genügt
die Abwärme
des Kühlers
und der Abgase nicht aus, um Wasserdampf zu erzeugen.
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Durch
die Ausführung
der Düse 8 als
eine in Strömungsrichtung
zum Brennraum 3 hin gerichtete Strahlpumpe, wird die Luft
im Ansaugkanal 2 in Richtung zum Brennraum 3 hin
beschleunigt, so dass die Füllung
des Brennraums 3 vermehrt wird. Dadurch kann beispielsweise
das Auftreten einer als Turboloch bekannten Leistungsschwäche von
aufgeladenen Verbrennungsmotoren, wie etwa von Turbo-Dieselmotoren im
niederen Drehzahlbereich verringert werden. Ein trägheitsfreies
Ansprechen eines mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Verbrennungsmotors
ist die Folge. Wird die Einspritzmenge synchron mit der Betätigung des
Gaspedals gesteuert, zeigt die durch die Strahlpumpe bewirkte verbesserte
Füllung
des Brennraums 3 noch vor einem Ansprechen eines Turboladers
ihre Wirkung.
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Ansaugkanal
- 3
- Brennraum
- 4
- Kolben
- 5
- Ventil
- 6
- Pleuel
- 7
- Kurbelwelle
- 8
- Düse
- 9
- Ventilfeder
- 10
- Förder- und
Dosierpumpe
- 11
- Wärmetauscher
- 12
- Wassertank