DE4309833C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine oder Feuerungsstätte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Ver­ fahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine oder Feuerungsstätte, wobei flüssiger Kraftstoff vor Einbringung in einen Brennraum erwärmt wird. Des­ weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Vor­ richtung nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 9.

Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen ist es be­ kannt, den Kraftstoff vor Einbringung in den Brennraum in einer Vorwärmeinrichtung vorzuwärmen, um insbesondere den Kraftstoffverbrauch und auch die Schadstoffemission in günstiger Weise durch Expansion des Kraft- oder Brennstoffes während der Erwärmung zu beeinflussen.

Aus der DE-OS 32 03 764 ist eine Vorrichtung zur Zufuhr flüssiger oder gasförmiger Kraft- oder Brennstoffe für Brennkraftmaschinen wie beispiels­ weise fremd- oder selbstzündende Hubkolbenbrenn­ kraftmaschinen oder auch stationäre Verbrennungs­ anlagen bekannt, wobei in die Kraft- und Brenn­ stoffleitung eine Vorwärmeinrichtung integriert ist. Hierbei ist die Vorwärmeinrichtung so ge­ staltet und gesteuert, daß Kraftstoff auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird, wodurch die Schadstoffemission nur um ein geringes Maß günstig zu beeinflussen ist.

Aus der DE-OS 40 41 902 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Kraftstoffen für Verbrennungsmaschinen oder Feuerungsanlagen bekannt. Dabei wird der Kraftstoff vor der Zuführung in den Brennraum thermischen, elektrischen und/oder magnetischen Einflüssen unterworfen. Gleichfalls wird der Kraftstoff mit Luft angereichert und der mit Luft angereicherte Kraftstoff einem Hochfrequenzfeld ausgesetzt, so daß die überschüssige Luft wieder entzogen wird. Aufgrund der danach möglichen Verpuffungsvorgängen im Brennraum ist kein gefahrloser Verbrennungsbetrieb möglich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bzw. mit der ein sicherer Brennkraftmaschinenbetrieb bzw. Feuerungsstättenbetrieb möglich ist und sich die Schadstoffemission um ein wesentliches Maß verringern läßt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 9 angegeben. Wesentliche Ausge­ staltungen dieser Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 10 bis 17.

Bei dem Verfahren und bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird in der Vorwärmeinrichtung vier­ stufig der Kraftstoff erwärmt und aufbereitet. Je nach Art des zum Betrieb der Brennkraftmaschine bzw. der Feuerungsstätte einzusetzenden Kraft­ stoffes wird zunächst in der Vorwärmstufe der Kraftstoff auf eine Basistemperatur zwischen 40 bis 60°C (kraftstoffspezifisch) gebracht, um für die nächstfolgende Erwärmungs- bzw. Er­ hitzungsstufe fortlaufend gleiche Parameter, sei es im Winter-, sei es im Sommerbetrieb vorliegen zu haben. In der sich daran anschließenden und damit zweiten Vorwärm- bzw. Erhitzungsstufe, der Expansionsstufe, wird der Kraftstoff unter Er­ wärmung auf eine Temperatur zwischen 50 bis 150°C (kraftstoffspezifisch) bei gleichbleibender Energiedichte expandiert, um dann in der nach­ folgenden dritten Stufe (Reaktionsstufe) unter weiterer Erhitzung auf Temperaturen zwischen 80 und 200°C (wiederum kraftstoffspezifisch) in einen innermolekular instabilen Zustand versetzt zu werden. In diesem innermolekular instabilen Zustand wird dann der Kraftstoff in der vierten und letzten Stufe, der Vaporisationsstufe, unter Druckerhöhung weiter erhitzt bis auf eine Tempe­ ratur, in der der Kraft- bzw. Treibstoff gerade noch nicht verdampft bzw. ausgast (Vaporisations­ temperatur), so daß nach Einbringen in den Brenn­ raum und Vermischen mit Luft, sei es über einen Vergaser, eine Einspritzdüse oder dgl. ein Brenn­ stoff-Luftgemisch vorliegt, das z. B. bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine unmittelbar im oberen Totpunkt eine sofortige, annähernd rückstandslose Verbrennung mit einem Maximum an freiwerdender Energie und einem Minimum an Schadstoffemission ermöglicht. Der Kraftstoff ist in seinem Zustand direkt am Vaporisations- bzw. Dampfumschlagpunkt als feiner leicht entzündbarer (Flüssig-)Sprühnebel einzubringen, was insbesondere auch bei selbst­ zündenden Brennkraftmaschinen wesentliche Vorteile mit sich bringt. Auch bei fremdgezündeten Brenn­ kraftmaschinen ist die Entzündung des eingebrachten Kraftstoffgemisches in kürzester Zeit zu voll­ ziehen.

Mittels einer Steuerelektronik ist in den einzelnen Vorwärm- und Erhitzungsstufen jeweils die zu er­ reichende Temperatur exakt zu steuern. Gleichfalls sind Eingangs- und Ausgangsdaten wie Mengendurch­ lauf und Druck vor der Vorwärmeinrichtung zu er­ mitteln, um kraftstoffspezifische Betriebsparameter im Hinblick auf das Erreichen des innermolekular instabilen Zustandes kurz vor dem Dampfumschlag- bzw. Vaporisationspunkt exakt in der Vorwärmein­ richtung zu steuern.

Durch die insgesamt erreichbare Expansion des Kraftstoffes, die leichte und schnelle Zündfähig­ keit sowie die Materiezustandsänderung im Brennraum mit der dadurch freiwerdenden Energie sowie der daraus resultierenden hohen Energiedichte sind die hervorragenden Ergebnisse hinsichtlich Leistung und annähernd rückstandsloser Verbrennung erreich­ bar. Eine Abgasnachbehandlung ist in aller Regel nicht erforderlich.

Die Vorrichtung kann auch bei herkömmlichen Brenn­ kraftmaschinen nachgerüstet werden, womit Kraft­ stoffverbrauchsreduzierungen in einem erheblichen Ausmaße einhergehen und der Schadstoffausstoß auf ein Minimum zu reduzieren ist. Kraftstoffer­ sparnisse im Bereich zwischen 50 bis 80% sind bei herkömmlichen PKW-Motoren durch Versuche be­ stätigt worden. Gleichfalls wurde eine Erhöhung der Leistung um 17 bis 23% beobachtet.

Mittels einer einfachen Steuerelektronik ist auch noch im Brennraum über die Zündeinrichtung das eingebrachte Kraftstoff-Luftgemisch auf die Zündung vorzubereiten, indem - wie vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung vorsehen -, einerseits zunächst das Gemisch durch Anlegen einer negativen Spannung von 120 V (von Kathode der Zündkerze zu den Zylinderwänden (Elektrode)) polarisiert wird. Danach kann der Bereich zwischen der Elektrode und der Kathode der Zündkerze durch Anlegen einer Negativspannung von 320 V ionisiert werden, so daß sich um die Kathode und die Elektrode der Zündkerze ein ionisiertes Feld (Wolke) erzeugen läßt. Durch Anlegen einer negativen Nadelimpulsspannung in der Größenordnung von 3000 V bis 5000 V zündet der Zündfunke die Wolke, die danach in den Plasmazustand versetzt wird, wobei sich außerordentliche hohe Temperaturen von bis zu 20 000°C ergeben. Damit kann das Kraftstoffgemisch insgesamt schnell und sicher gezündet werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung und die nachfolgende Beschreibung verwiesen. Die Fig. der Zeichnung zeigt ein Fließ- und Steuerschema des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung.

In der Zeichnung ist ganz allgemein mit 1 die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung bezeichnet, die in dem veran­ schaulichten Ausführungsbeispiel als ein auch an bestehende Verbrennungsmotoren oder Feuerungs­ stätten im allgemeinen anbaubares Gerät ausgebildet ist, mit beispielsweise einem Gehäuse aus einem schlagfesten Kunststoff oder Metall.

Sämtliche Bauelemente sollen dabei thermisch iso­ liert sein, so daß die Stromaufnahme insgesamt gering bleibt und keine Wärme an Teile dringt, die nicht erwärmt werden müssen. Die Steuer­ elektronik kann als Hybrid in einem Inneren des Gehäuses befindliche Steckleiste ausgebildet und befestigt sein. Außeneingangsstutzen für den Kraftstoff sind in Industrienorm ausgeführt und können somit auch an bestehende Fahrzeuge mit Otto- oder Dieselmotoren adaptiert werden. Das Gehäuse kann zudem mit schwingungsgedämpften Halterungen zur Befestigung am Fahrzeug ausge­ stattet sein.

Mit 2 ist der Tank für den flüssigen Kraftstoff, beispielsweise Super oder Dieselkraftstoff, be­ ziffert. Vom Tank 2 führt eine Kraftstoffleitung 3 zu einer Kraftstoffpumpe 4, der ein Rückschlag­ ventil 5, ein Durchflußsensor 6 sowie ein Druck­ sensor 7 nachgeordnet sind. Der Durchflußsensor 6 und der Drucksensor 7 sind über Leitungen 8 und 9 mit einer allgemein mit 10 bezifferten Steuer­ elektronik verbunden, die kraftstoffspezifische Durchfluß- und Druckwerte berücksichtigen kann. Die Spannungsversorgung erfolgt über eine Licht­ maschine 11, an der gleichfalls noch ein Sensor 12 zur Laufüberwachung angeordnet ist, der wiederum mit der Steuerelektronik 10 in Verbindung steht. Ein Bordnetzblatt 13 ist noch mit einer an der Steuerelektronik 10 vorgesehenen Netzaufbe­ reitung 14 verbunden.

Die Vorwärmeinrichtung ist insgesamt mit 15 be­ ziffert. Diese Vorwärmeinrichtung 15 ist als Thermo-Koax-Erhitzerschlange ausgebildet und hat bevorzugtermaßen zwölf Windungen in einer Länge von 36 cm pro Windung und besteht aus einem Kupferrohr mit einem minimalen Innendurchmesser von 8 mm. Die Erhitzerschlange ist mit einer Iso­ lierung 16 umhüllt. Insgesamt ist die Erhitzer­ schlange vierstufig ausgebildet, indem jeweils vier Heizelement/Thermosensorelemente 17, 18, 19 und 20 vorgesehen sind. Über die Steuerelektro­ nik 10 ist jedes der Heizelemente zu steuern, wobei auch in Abhängigkeit eines Soll-/Istwert­ vergleiches in den jeweiligen Stufen der durchzu­ führende Kraftstoff auf 1/10° genau eingestellt werden kann. Am Ausgang der Schlange 15 ist noch ein Thermosensor 21 vorgesehen, der an die Steuer­ elektronik die Ausgangstemperatur meldet. Über eine Thermodruckleitung 22 wird der Kraftstoff einem Kraftstoffmengenverteiler 23, z. B. einem Vergaser oder einer Einspritzpumpe zugeführt, von wo der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-/Luft­ gemisch in den Brennraum des Verbrennungsmotors bzw. einer Feuerungsanlage gelangt.

Claims (17)

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine oder Feuerungsstätte, wobei flüssiger Kraftstoff vor Einbringung in einen Brennraum erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff vor Einbringung in den Brennraum in einen inner­ molekular instabilen Zustand auf etwa Vapori­ sationstemperatur durch folgende Vorwärm- und Erhitzungsstufen gebracht wird:

• a) in einer Vorwärmstufe wird der Kraftstoff auf eine Basistemperatur zwischen 40 bis 60°C erwärmt;
• b) in einer Expansionsstufe wird der Kraftstoff unter Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 50 bis 150°C bei gleichbleibender Energie­ dichte expandiert;
• c) in einer nachfolgenden Reaktionsstufe wird der Kraftstoff durch Erhitzung auf eine Temperatur zwischen 80 und 200°C in einen innermolekular instabilen Zustand überführt;
• d) in einer Vaporisationsstufe wird der Kraft­ stoff unter Druckerhöhung auf einen Druck zwischen 15 bis 40 bar bis zur Vaporisations­ temperatur erhitzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperatur des Kraftstoffes in jeder Vorwärm- und Erhitzungsstufe gesondert ermittelt und in Abhängigkeit eines Soll-/Istwert­ vergleiches gesteuert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf Vaporisations­ temperatur unter Druck zugeführte Kraftstoff mit komprimierter Luft vermischt und das Kraft­ stoff/Luftgemisch mittels einer Zündeinrichtung mit negativen Zündimpulsen gezündet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zündung durch Polarisierung des Kraftstoff/Luftgemisches mittels Anlegen einer negativen Spannung an eine Zündeinrichtung vor­ bereitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Polarisierung durch Anlegen einer Negativspannung von 120 V erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Bereich im Brennraum zwischen Elektrode und Kathode der Zündkerze durch Anlegen einer Negativspannung ionisiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ionisierung des Bereiches zwischen Elektrode und Kathode der Zündeinrichtung durch Anlegen einer Negativspannung von etwa 320 V erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündfunke der Zündeinrichtung durch einen negativen Nadelimpulsspannung zwischen 3000 V und 5000 V erzeugt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer eine Zündeinrichtung sowie einen Einlaß- und Auslaß­ kanal aufweisenden Brennraum, der über eine einen Kraftstoffbehälter (2) sowie eine Kraftstoffzufuhr­ leitung (3) umfassenden Kraftstoffversorgung mit flüssigem Kraftstoff und/oder einem Kraftstoff/Luftgemisch beaufschlagbar ist, wobei die Kraftstoffversorgung eine Vorwärmeinrichtung (15) für den zuzuführenden Kraftstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmeinrichtung (15) vierstufig mit jeder Stufe zugeordneten Heizelementen (17, 18, 19, 20) und Temperaturfühlern ausgebildet ist und der aus der Vorwärmeinrichtung (15) abfließende Kraftstoff über eine Thermodruckleitung (22) dem Brennraum zuführbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9 mit einem Vergaser oder einer Einspritzpumpe für den zuzuführenden Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmeinrichtung (15) einem Kraftstoffmengenverteiler (23) vorgeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Steuerelektronik (10) die Heizelemente (17, 18, 19, 20) in Abhängigkeit eines Soll-/Istwertvergleiches an jeder Stufe gesondert steuerbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwärmein­ richtung als Erhitzerschlange ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erhitzerschlange durch Kupfer­ rohre mit einem minimalen Innendurchmesser von 8 mm ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzerschlange zwölf Windungen aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erhitzerschlange pro Windung 36 cm lang ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärmein­ richtung (15) mit einer Steuerelektronik (10) verbindbare Durchfluß- (6) und Drucksensoren (7) sowie ein einstellbares Rückschlagventil (5) vorgeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärmein­ richtung (15) ein mit der Steuerelektronik (10) verbindbarer Unterdruckschalter nachgeordnet ist.