DE2148506B2 - Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zur Verminderung der Schadstoffanteile in dem die Arbeitsräume der Brennkraftmaschine verlassenden Abgas, bei dem der Brennkraftmaschine zumindest zeitweise gleichzeitig flüssiger und gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird.
Brennkraftmaschinen, denen flüssiger Kiaftstoff zur Verbrennung in den Arbeitsräumen zugeführt wird, weisen in dem die Arbeitsräume verlassenden Abgas im allgemeinen einen erheblichen Teil an Schadstoffen auf. Diese Schadstoffe sind auf eine unzureichende Verbrennung des den Arbeitsräumen zugeführten und in Luft dispergierten, flüssigen Kraftstoffes zurückzuführen. Insbesondere beim Kaltstart und im Warmlauf der Brennkraftmaschine, wenn die Zylinderwandungen des Motors noch relativ kalt sind, kondensiert an diesen ein Teil des der Verbrennungsluft zugemischten und dabei vergasten Kraftstoffes, so daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch an vergastem Kraftstoff verarmt. Um dieser Verarmung zu begegnen und eine sichere Zündung auch während des Kaltstarts und des Warmlaufs der Brennkraftmaschine sicherzustellen, muß während dieser Betriebszustände die zugeführte Kraftstoffmenge erheblich erhöht werden. Die Folge ist. daß im Arbeitsraum eine in kondensierter und vergaster Form VOi liegende Kraftstoffmenge vorhanden ist. der zu einer vollständigen Verbrennung nicht mehr die genügende Luftmenge zur Verfügung steht. Man spricht in diesem Fall von einem überfetteten Gemisch,das, da nicht mehr genügend Luft zur Verfügung steht, auch nicht mehr vollständig verbrennen kann, so daß das aus dem Arbeitsraum austretende Abgas eine sehr grolle Menge an unvollständig verbrannten schädlichen Stoffen, wie Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoffe, enthält. Zur Beseitigung dieser Schadstoffe muß der Brennkraftmaschine dann eine besondere NachverbreiiiHiiigsanlage zugeordnet werden, die einen zusätzlichen erhebliehen Aufwand erfordert und die zudem ihre besonderen Probleme, insbesondere im Hinblick auf die schnelle Erreichung ihrer Hetriebsleiiiperaliir. aufweist.
Man hat andererseits festgestellt, daß in den Arbeilsräiimen von Brennkraftmaschinen unabhängig von der Art des Hetriebsziistaniles eine weitgehend vollständige Verbrennung erreicht werden kann, wenn der flüssige Kraftstoff tltirch einen gasförmigen Kraftsloff ersetzt wird. Hei diesem Verfahren wird der gasförmige Kraftstoff wie bei den hciköminlichcn, mit flüssigem Kraftsloff betriebenen Brennkraftmaschinen mit Luft vermischt und zusammen mil der Luft den Arbcilsriiumcn tier Hielinkrafliiiaschmc zugeführt. Da tier gasförmige Kraftstoff bei Zimmertemperatur 11 lief ,inch bei einer darunterliegenden I emperaiiir in seinem gasförmigen Aggicgalzuu.iinl ν ei bleibt, fuhrt .im Ii eine lieruliiimg des gasförmigen Ki ,iltslcills nut kalten /vliNilci wanden nitlil zu einer kondensation. Hier durch behalt das m die Ai beilsr.iiinic der llivniikrahma sehine eingeliihi Ie lull Krallstollgeinisi h seine Kon /dilution iinil il.iiiul -,ein Mist hiingsv ei liallnis bei. so
daß sich auch bei einem Kaltstart und im Warmlauf der Brennkraftmaschine die Zusammensetzung des Gemisches aus Luft und gasförmigem Kraftstoff nicht ändert Eine richtig bemessene Luft-Kaltstoffmischung führt daher auch in der Phase des Kaltstartes und des VVarmlaufes zu einer vollständigen Verbrennung, aufgrund der die die Arbeitsräume verlassenden Abgase frei von Schadstoffen sind.
Da der Gemischheizwert einer Zylinderfüllung bei mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen jedoch geringer ist als bei Verwendung eines flüssigen Kraftstoffes, ist die Leistung der mit gasförmigem Kraftstoff betriebenen Motoren entsprechend geringer. Die Leistungseinbuße wirkt sich besonders im Vollastbetrieb unangenehm und störend aus.
Nun sind zwar bereits Arbeitsverfahren, insbesondere Diesel-Arbeitsverfahren bekannt, bei denen der Brennkraftmaschine scwohl flüssiger als auch gasförmiger Kraftstoff zugeififirt wird (DE-PS 6 08 987 und GB-PS 10 07 313). Der Ausgangspunkt dieser Arbeitsverfahren war jedoch, alternativ mit flüssigem oder bei Vorhandensein größerer Mengen gasförmiger Brennstoffe auch mit diesen arbeiten zu können. Zwar war es auch bereits aus der Zeitschrift »Energie und Technik«, Mai 1962, Seite 179, bekannt, daß ein Voneil gegenüber dem Betrieb mit flüssigen Kraftstoffen die rückstandsfreie Verbrennung und damit ein verminderter Verschleiß ist, wenn das zugeführte Gas vollkommen sauber in den Motor gebracht vird. Aus dieser Literaturstelle ging jedoch ebenso wie aus der GB-PS 10 07 313 weiter hervor, daß es Sinn der dop. beschriebenen Arbeitsverfahren war, nach Möglichkeit i.i ;".llen Bctriebs/ustanden mit gasförmigem Kraftstoff zu führe; und nur für den Fall der Unterbrechung der Gaszufuhr auf flüssige Kraftstoffe umzuschalten.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren /um Betreiben einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei welchem einerseits das die Arbcilsräiinie des Motors verlassende Abgas, insbesondere beim Kaltstart und in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, frei von Schadstoffen ist und bei dem andererseits eine den herkömmlichen, mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen vergleichbare Maximalleisliing er/ielt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird von der Irlindung ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die anteilmäßige Zusammensetzung des der Brennkraftmaschine zugcführlcu Ciesanilkr.ifisioffes unter Berücksichtigung verschiedener, den Betriebszustand der Brennkraftmaschine kennzeichnender Parameter, wie Motorbelaslung. Drehzahl, Temperaturen und Zustand der llmgebiingsliifl, in der Weise verändert wird, dall der Brennkraftmaschine beim Kaltstart und im unteren 1 eillaslbereich überwiegend gasförmiger Kralisiofl zugeführt wird, der mil zunehmender Annäherung an den Vollastbetrieb zugunsten des flüssigen Krallstoffes kontinuierlich verringert wird.
Durch die von der (-.rfindiing vorgeschlagene Steuerung der Anteile an flüssigem und gaslormigem Kraftstoff ,in der Kiafisioflgesaniimcnge lassen sii h die Vorteile sowohl des Uclriches mil gasloi migeiii als auch mit lliissigrm Kraftstoff mileiu.iiulei vereinen, ohne dall gleichzeitig die jedem Betrieb allein anhaltenden Nachteile in Kauf genommen weiden iniisseii Dabei uiiil (liirih die c-rfindungsgcm.illc Stenciling sii herge stellt, dall beim K all si.ι rl und im in itei en I eillast bereich durch die Verwendung überwiegend gasformigen Kraftstoffes der Ameil der Schadstoffe im Abgas in diesen Betriebszuständen sehr gering ist Auf der anderen Seite wird der durch den gasförmigen Kraftstoff verursachte geringe Gemischheizwert durch die Zufügung flüssigen Kraftstoffes entsprechend aufgebessert, so daß der Motor eine bessere Leistung abgeben kann. Da erfindungsgemäß mit zunehrwender Annäherung an den Vollastbetrieb der Anteil des
ίο flüssigen Kraftstoffes an der gesamten Kraftstoffmenge überwiegen soll, gibt die Brennkraftmaschine in diesem Betriebszustand eine Leistung ab, die den in herkömmlicher Weise mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen entspricht Da die Brennkraftmaschine im Vollastbetrieb im allgemeinen ihre Betriebstemperatur erreicht hat, wird hier der Schadstoffanteil im Abgas ohnehin nur noch relativ gering sein, so daß die Verwendung überwiegend flüssigen Kraftstoffes auch vom Gesichtspunkt der Schadstofffreiheit gerechtfertigt ist.
Wenn man einerseits beim Kaltstart jegliche Kondensation des vergasten, ursprünglich flüssigen Kraftstoffes an den kalten Zylinderwänden vermeiden und auf der anderen Seite im Vollastbetrieb die volle Leistung der
2Ί mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschinen erreichen will, so 'ißt sich dies dadurch bewerkstelligen, daß der Brennkraftmaschine beim Kaltstart und im unteren Teillastbereich ausschließlich gasförmiger Kraftstoff und im Vollastbetrieb ausschließlich flüssiger
in Kraftstoff zugeführt wird und daß mit zunehmender Annäherung an den Vollastbetrieb der Anteil des gasförmigen Kraftstoffes kontinuierlich bis auf null abnimmt, während gleichzeitig der Anteil des flüssigen Kraftstoffes mit zunehmender Annäherung an den
π Vollastbetrieb kontinuierlich bis zu seinem Höchstwert zunimmt.
Der gasförmige Kraftstoff kann ein bei Raumtemperatur unter Druck verflüssigbarer Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch dieser Kohlenwasserstoffe oder ein
in Cias sein, dessen Hauptbestandteile einer oder mehrere dieser Kohlenwasserstoffe sind. Diese Gase können beispielsweise in flüssiger Form in Druckflasehen aufbewahrt und je nach Bedarf aus diesen Flaschen abgezogen werden. Derartige Flaschen können ohne
Γ, weiteres in Kraftfahrzeugen mitgeführt werden.
Der gasförmige Kraftstoff kann jedoch auch Methan. Wasserstoff oder Kohlenmonoxyd oder eine Mischung hieraus oder ein Gasgemisch sein, (lessen Hatiplkomponenten hauptsächlich aus einem oder mehreren der
,ο genannten Gase bestehen. Auch diese Gase können in Druckflaschen in gasförmigem Zustand gespeichert und in diesen Druckflaschcn im Kraftfahrzeug mitgeführt werden. Ls ist jedoch auch möglich, diese als gasförmigen Kraftstoff verwendeten Gase eigens
,, hierfür vorgesehenen Reaktionsvergasern zu entnehmen. Diese Verfahrensmaßnahme hat derr Vorteil, daß der erforderliche, gasförmige Kraftstoff je nach Bedarf kontinuierlich mit Hilfe des ohnehin mitgeführten Kraftstoffes hergestellt werden kann.
mi Der gasförmige Kraftstoff kann beispielsweise einem Keaklionsvergascr entnommen werden, welcher den gasformigen Kraftstoff durch eine partielle Verbrennung von flüssigem Kraftstoff unter l.uftniangel erzeugt. Da bei derartigen Reaklionsvergasern die
ι.. Umwandlung von flüssigem Kraftstoff in gasförmigen Kraltstoff über eine exolhernie Reaktion erfolgt, wird der Keaktions\ergaser stets auf seiner Betriebstcmpe ratur (.'ehalten. Ils ist in diesem I all nicht erforderlich.
daß dem Reaktionsvergaser Wärme zugeführt wird.
Der gasförmige Kraftstoff kann auch einem Reaktionsvergaser entnommen werden, welcher den gasförmigen Kraftstoff aus einem Gemisch aus Luft, Abgas und flüssigem Brennstoff erzeugt Der aus diesem Reaktionsvergaser entnommene Kraftstoff führt das erfindungsgemäße Verfahren zu besonders guten Ergebnissen. Bei dem zuletzt genannten Reaktionsvergaser laufen zwei Reaktionen parallel ab, von denen die eine eine exotherme Teiloxydation des flüssigen Kraftstorfes ist und die andere eine endotherme Reaktion des flüssigen Kraftstoffes mit dem Motorabgas darstellt Die beiden Reaktionen können durch eine entsprechende Einstellung des Mischungsverhältnisses von Luft und Abgas so eingestellt werden, daß die bei der exothermen Reaktion frei werdende Wärmemenge gleich ist der für die endotherme Reaktion erforderlichen Wärmemenge. Bei der endothermen Reaktion ist dte Ausbeute an gasförmigem Kraftstoff größer als bei der exothermen Reaktion, wenn man von der gleichen umzusetzenden Menge an flüssigem Kraftstoff ausgeht. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist es daher zweckmäßig, den Reaktionsvergaser oder die in den Reaktionsvergaser eingespritzten Komponenten mittels des Motorabgases zu erwärmen, um hierdurch die von der exothermen Reaktion aufzubringende Wärmemenge zu verringern. Durch diese Maßnahme kann die im Abgas enthaltene Wärmemenge noch weiter ausgenutzt werden, so daß der thermodynarnische Wirkungsgrad der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Brennkraftmaschine noch erhöht wird.
Die für die Umsetzung des flüssigen Kraftstoffes erforderlichen Reaktionsvergaser müssen bei einer Verwendung für Kraftfahrzeuge auf der einen Seite in einer kleinen Bauform herstellbar sein und auf der anderen Seite eine niedere Betriebstemperatur haben, damit der Reaktionsvergaser innerhalb kürzester Zeit für die Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine auf seinen Betriebszustand gebracht werden kann. Zu diesem Zweck werden die Reaktionsvergaser mit Katalysatoren versehen.
Der aus den Reaktionsvergasern austretende gasförmige Kraftstoff weist eine verhältnismäßig !lohe Temperatur auf. Es kann daher unter Umständen die
ίο Gefahr bestehen, daß sich der gasförmige Kraftstoff bei der Zumischung von Luft vorzeitig und selbst entzündet. Dieser eventuellen Gefahr kann dadurch vorgebeugt werden, daß der aus dem Realktionsvergaser austretende, gasförmige Kraftstoff vor der Zumischung der für die Verbrennung erforderlichen Luft gekühlt wird.
Wenn eine Brennkraftmaschine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Nähe des Vollastbereiches betrieben wird, enthält das Gemisch aus Luft und Gesamtkraftstoff hauptsächlich vergasten, ursprünglich flüssigen Kraftstoff, während der Anteil des von Anfang an in gasförmigem Zustand befindlichen Kraftstoffes sehr gering ist oder sogar bis *jf null abgenommen hat. In diesem Betriebszustand wird dtm Reaktionsvergaser kein oder nur sehr wenig gasförmiger Kraftstoff entnommen. Die Herstellung des gasförmigen Kraftstoffes unterbleibt daher im Fteaktionsvergaser. Wenn dieser Betriebszustand über einen ausreichend langen Zeitraum anhält, kühlt der Reaktionsvergaser aus. Es muß daher Vorsorge getroffen werden, daß der
Jd Reaktionsvergaser stets auf seiner Betriebstemperatur und damit stets einsatzbereit gehalien wird. Dies läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß bei einer geringen »der unterbrochenen Entnahme von gasförmigem Kraftstoff der Reaktionsvergaser durch die Abgase
ίΊ erwärmt und auf seiner Betriebstemperatur gehalten wird.

Claims (10)

1 Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zur Verminderung der Schadstoffanteile in dem die Arbeitsräume der Brennkraftmaschine verlassenden Abgas, bei dem der Brennkraftmaschine zumindest zeitweise gleichzeitig flüssiger und gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die anteilmäßige Zusammensetzung des der Brennkraftmaschine zugeführten Gesamtkraftstoffes unter Berücksichtigung verschiedener, den Betriebszustand der Brennkraftmaschine kennzeichnender Parameter, wie Motorbelastung, Drehzahl, Temperaturen, Zustand der Umgebungsluft, in der Weise verändert wird, daß der Brennkraftmaschine beim Kaltstart und im unteren Teillastbereich überwiegend gasförmiger Kraftstoff zugeführt wird, der mit zunehmender Annäherung an den Vollastbetrieb zugunsten des flüssigen Kraftstoffes kontinuierlich verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkraftmaschine beim Kaltstart und im unteren Teillastbereich ausschließlich gasförmiger Kraftstoff und im Vollastbetrieb ausschließlich flüssiger Kraftstoff zugeführt wird und daß mit zunehmender Annäherung an den Vollastbetrieb der Anteil des gasförmigen Kraftstoffes kontinuierlich bis auf Null abnimmt, während gleichzeitig der Anteil des flüssigen Kraftstoffes mit zunehmender Annäherung an den Vollastbetrieb kontinuierlich bis zu seinem Höchstwert zunimmt.
3. Verfahren nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Kraftstoff ein bei Raumtemperatur unter Druck verflüssigbarcr Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch solcher Kohlenwasserstoffe oder ein Gas ist, dessen Hauptbestandteile solche Kohlenwasserstoffe sind.
4. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Kraftstoff Methan. Wasserstoff, Kohlenmonoxyd oder eine Mischung hieraus oder ein Gasgemisch ist. dessen Hauptkomponenten hauptsächlich uns einem oder mehreren der genannten Gase bestehen.
5. Verfahren nach Anspruch J oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Kraftstoff aus üruckflaschen entnommen wird.
6. Verfahren nach Anspruch I oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Kraftstoff einem Reakiionsvergfiser entnommen wird, welcher den gasförmigen Kraftstoff durch eine partielle Verbrennung von flüssigem Kraftstoff unter Luftui.ingel erzeugt.
7. Verfahren nach Anspruch ) oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Kraftstoff einem Keaklionsvergaser entnommen wird, welcher den gasförmigen Kraftstoff aus einem Gemisch aus I .IifI, Abgas und flüssigem Kraftstoff erzeugt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dal! das Gemisch aus l.iifi. Abgas und flüssigem kraftstoff und/oder eine Komponente des Gemisches vor dem Eintritt in den Ucaktionsvergaser durch das .msder Brennkraftmaschine austreten de Abgas ^ ι >ι gew a'rmt w ird.
1I Vii rilii fii iiiich einem der Ansprüche h bis H. d.iiluiih gekeunzeiihnel. d.ill der .ins dem Kcak I Ii ins ν cig. isiT austretende gas im ι υ ige K ra (Istulf vor ili ι /ιιιιιΐΜ hung dir lur die Vu hicniiiing ei fordei Il ι Inn I nil L'ckuhll w ml
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer geringen oder unterbrochenen Entnahme von gasförmigem Kraftstoff der Reaktionsvergaser durch die Abgase erwärmt und auf seiner Betriebstemperatur gehalten wird.
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