Verfahren und Anordnung zum Verbrennen eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes in einem Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Verbrennen eines flüssigen oder gasförmigen Brennstof¬ fes in Anwesenheit von Luft oder einem anderen Oxidations- ittel und unter Verwendung von Wasser in einem Verbren- nungsraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Hub- oder Drehkolbenmotors.
Herkömmliche Brennkraftmaschinen, insbesondere Hubkolben¬ motoren mit Fremdzündung, wie sie in Kraftfahrzeugen und stationären Anlagen Verwendung finden, haben einen maxi¬ malen thermischen Wirkungsgrad von etwa 30 %; das Verhält¬ nis des Energiewertes des Kraftstoffes, der dem Verbren¬ nungsraum zugeführt wird, verglichen mit der Energie, die
letztlich verfügbar ist, beträgt also etwa nur 30 %. Einen ähnlich geringen Wirkungsgrad weisen auch Turbinen, Kreis¬ kolbenmaschinen oder dergleichen auf.
Es ist allgemein bekannt, den Wirkungsgrad von Brennkraft¬ maschinen der genannten Art durch Einleitung von Wasser oder anderem Nichtkraftstoffmaterial in den Verbrennungs¬ raum zu erhöhen, wobei drei Arten von Wasserzugäbe als vor¬ teilhaft angesehen werden, nämlich:
1) unmittelbare Einspritzung von Wasser in den Verbrennungs¬ raum (zum Beispiel DE-A-3 432 787 oder US-A-4 408 573) ;
2) Einleitung von Wasserdampf oder Luft mit hohem Feuchtig- keitsgehalt in den dem Verbrennungsraum vorgeordneten
Ansaugkanal (zum Beispiel US-A-4 479 907 oder DE-A- 2 602 287) ; und
3) Ausbildung einer Brennstoff-Wasser-Emulsion und Ξinlei- tung desselben in den Verbrennungsraum (zum Beispiel
DE-A-3 236 233 oder US-A-4 412 512) .
Alle diese bekannten Systeme arbeiten in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebsparametern, meist in Abhängig- keit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine (zum Beispiel US-A-4 191 134) dem im Ansaugkanal herrschenden Unterdruck (zum Beispiel US-A-4 240 380) , eines Klopfsensors (zum Bei¬ spiel US-A-4 406 255) , des Abgasdruckes (zum Beispiel US-A-4 191 134) und/oder der im Ansaugkanal herrschenden Temperatur (EP-A-0 009 779) . Alle diese Systeme haben eine mehr oder weniger hohe Wirkungsgrad-Verbesserung bei gleich¬ zeitiger Reduzierung der Emission umweltbelastender Abgase, vor allem Reduzierung von CO und NO , zur Folge. Die Wir- kungsgradverbesserung der bekannten Konstruktionen dürfte bei etwa 10 bis 15 % liegen, was durchaus beachtlich ist. Auch läßt sich der Brennstoff-Verbrauch um bis zu 50 % reduzieren (US-A-4 479 907) .
Es wurde zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades und Reduzierung des Brennstoff-Verbrauches u. a. auch bereits vorgeschlagen, in den Verbrennungsraum unmittelbar Wasser in den Bereich des komprimierten Brennstoff-Luft-Gemisches vor der Flammenfront während der Verbrennung einzuspritzen, das heißt nach dem Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches, jedoch vor der Selbstzündung des Endgases (siehe DE-A- 3 133 939) . Dadurch soll bei höherem KompressionsVerhält¬ nis in der Größenordnung bis zu 18,7 : 1 die Temperatur im Verbrennungsraum sicher unterhalb der "unkontrollierten" bzw. kritischen Detonations- bzw. "Klopf"-Temperatur gehal¬ ten werden.
Ausgehend von dem genannten, sehr vielfältigen Stand der Technik haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei noch weiter erhöhtem Wirkungsgrad und einer Brennstoff-Ersparnis bis zu etwa 60 bis 65 % und er¬ heblicher Schadstoffreduzierung eine äußerst weiche Ver- brennung selbst bei niedrigsten Drehzahlen der Brennkraft¬ maschine erlaubt, und zwar insbesondere unter Verwendung von Niedrigoctan-Brennstoff, wie Normalbenzin, oder Brenn¬ stoff mit der Octanzahl "0", wie Acetylen oder derglei¬ chen.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die kennzeichnen¬ den Maßnahmen nach Patentanspruch 1 sowie insbesondere der folgenden Verfahrensansprüche und vorrichtungsmäßig durch die kennzeichnenden Merkmale nach Patentanspruch 13 sowie insbesondere der folgenden VorrichtungsanSprüche.
Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt in der Zuberei¬ tung und Einleitung des Brennstoff/Wasser/Luft-Gemisches in einen Verbrennungsraum unter Verdichtung und Zündung desselben derart, daß eine "Initial- bzw. Primärverbrennung" des Brennstoff/Luft-Gemisches bei einer Temperatur knapp unterhalb der unkontrollierten bzw. kritischen (Kopf) Temperatur T (Klopfgrenze) entsteht, die eine entsprechend
fortschreitende "Sekundärverbrennung" des beigemengten Wassers auslöst. Der "Primärzyklus" und "Sekundärzyklus" erfolgt an jeder Stelle der Verbrennung, das heißt an jeder Stelle der Flammenfront im Gegensatz zu der Lösung nach der DE-A-3 133 939. Im Gegensatz zu dem aus dieser Druckschrift bekannten System wird erfindungsgemäß eine "Primärverbren¬ nung" nahe der unkontrollierten bzw. kritischen Temperatur im Verbrennungsraum angestrebt und angesteuert durch ent¬ sprechende Beimengung von Wasser. Bisher hat die Fachwelt angestrebt, die Verbrennung in einem möglichst großen Tem¬ peraturabstand von der kritischen Temperatur im Verbren¬ nungsraum durchzuführen, um auf diese Weise sicher ein Klopfen der Brennkraftmaschine zu vermeiden. Aus diesem Grunde verwendet man bei hoch-verdichtenden Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotoren auch hoch-octanhaltige Brennstoffe, ob¬ wohl diese nur in kritischen Lastbereichen erforderlich sind, im übrigen die Motoren auch mit Normalbenzin gefah¬ ren werden könnten. Durch die Verwendung von hoch-octanhal- tigem Brennstoff (Superbenzin) erreicht man jedoch eine ausreichende Sicherheit gegen Klopfen bei nahezu jedem
Betriebszustand. Erfindungsgemäß soll die Verbrennung je¬ doch bei sämtlichen Betriebszuständen jeweils knapp unter¬ halb der Klopfgrenze stattfinden, wobei die Spitzentempe¬ ratur im Verbrennungsraum durch gesteuerte Wasserbeimengung bei jedem Betriebszustand knapp unterhalb der unkontrol¬ lierten bzw. kritischen Temperatur gehalten wird. Es wird also eine Temperatur im Verbrennungsraum angesteuert, die etwa 1 bis 5 % unterhalb der kritischen Temperatur liegt. Diese ist abhängig vom verwendeten Brennstoff, ebenso wie das kritischen Verdichtungsverhältnis oder der kritische Druck. Es hat sich gezeigt, daß die Brennkraftmaschine bei Anwendung des erfindungsgemäßen Systems (Verfahren und Anordnung) die Brennkraftmaschine bei jedem Betriebszustand knapp unterhalb der Klopfgrenze gefahren werden kann, wo- bei "reale" Verdichtungsverhältnisse 9 (Brennstoff/Luft) von bis zu 25 : 1 erhalten werden.
überraschenderweise lassen sich nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren und unter Anwendung der erfindungsgemäßen Anord¬ nung hochexplosive Gase, wie Acetylen, problemlos in einer Brennkraftmaschine mit quasi-geschlossenem Verbrennungsraum verbrennen, wie weiter unten anhand eines noch näher zu er- läuternden Ausführungsbeispieles mit einem 1200-cm3-Austin- Motor für Kraftfahrzeuge dargelegt werden wird.
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich der Wirkungsgrad um bis zu 70 % gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen der genannten Art verbessern. Der Kraftstoffverbrauch kann um bis zu 65 % reduziert werden. Auch ist die Emission von CO und NO _?_» auf ein* Minimum reduziert. Die Brennkraftmaschi- ne eignet sich vor allem auch zur Verbrennung von blei- freiem Benzin. Es sei jedoch an dieser Stelle nochmals betont, daß die genannten Werte sich nur dann erreichen lassen, wenn die "Primärverbrennung" knapp unterhalb der Detonationstemperatur stattfindet. Der dadurch an jedem Verbrennungsort ausgelöste "Sekundärzyklus" setzt den "Primä zyklus" fort derart, daß insgesamt eine fortschrei¬ tende "weiche" Verbrennung erhalten wird. Der "Sekundär¬ zyklus" dämpft gewissermaßen die knapp unterhalb der Klopfgrenze stattfindende "Initial- bzw. PrimärVerbrennung" ,
Zur Erzielung der erfindungsgemäß angestrebten "2-phasigen" Verbrennung ist es von großer Wichtigkeit, daß der Brenn¬ stoff, Luft oder ein anderes Oxidationsmittel und Wasser vor Einleitung in den Verbrennungsraum intensiv miteinander vermischt werden. Dann ist sichergestellt, daß an jedem Ort der Verbrennung diese in der angegebenen Weise statt¬ findet. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise im Ansaugkanal vor bzw. stromaufwärts der üblicherweise vorhandenen Dros¬ selklappe eine Art Mischkammer ausgebildet, die zum Bei¬ spiel begrenzt ist einerseits durch die Lufteintritts- Öffnung und andererseits durch eine vor der Drosselklappe angeordnete Einschnürung (Venturi-Abschnitt) des Ansaug¬ kanals. In dieser Mischkammer wird eine starke Verwirbelung von Brennstoff, Luft und Wasser angestrebt, um die
gewünschte innige Vermischung dieser drei Komponenten zu erhalten.
Die Wasserzufuhr erfolgt vorzugsweise unter Einspritzung in die erwähnte Mischkammer abhängig von der im Verbren¬ nungsraum herrschenden Temperatur, wobei die Wasserein¬ spritzung bei einer Temperatur von etwa 1 bis 5 % unter¬ halb der kritischen Temperatur T erfolgt. Es wird an¬ gestrebt, daß die "PrimärVerbrennung" in allen Betriebs- zuständen jeweils knapp unterhalb der kritischen Tempera¬ tur stattfindet, und zwar möglichst etwa 1 bis 2 % unter¬ halb der kritischen Temperatur. Entsprechend wird die Was¬ sereinspritzung dosiert."
Zusätzlich ist eine durch Unterdruck im Ansaugkanal gesteuerte Wassereinleitung in die erwähnte Mischkammer vorgesehen, die durch die dargelegte Wassereinspritzung überlagert wird. Diese durch Unterdruck im Ansaugkanal bedingte Wassereinleitung genügt, daß in unkritischen Betriebsphasen die "PrimärVerbrennung" nahe an die kri¬ tische Temperatur T herangeführt wird.
Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, daß nach dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren auch hochexplosives Acetylen (C_H2) gefahrlos und unter extrem geringem Verbrauch verbrannt werden kann. Bei einem Versuch mit einem 1200-cm3-Austin- Motor sind folgende Verbrauchswerte festgehalten worden:
Laufzeit: 10 Minuten Drehgeschwindigkeit: 3000 U/min
Verbrauch C2H2: 0/35 g
Verbrauch H20: 2,8 kg.
Das Verhältnis Wasser : Acetylen betrug bei diesem Versuch also 8 : 1. Die Schadstoffemission war ebenfalls bei diesem Versuch minimal. Im Verbrennungsraum wurde eine Temperatur von knapp unterhalb der kritischen Temperatur für die Primärverbrennung von Brennstoff (Acetylen) und
Luft gehalten. Bei dem Versuch war die Förderleistung der Wasser-Einspritzpumpe während der Einspritzphase konstant. Es ist selbstverständlich denkbar, die Förderleistung der Wasser-Einspritzpumpe variabel zu gestalten in Abhängig- keit von der im Verbrennungsraum festgestellten Temperatur. Je näher sich die Temperatur im Verbrennungsraum der kri¬ tischen Temperatur nähert, desto größer müßte die Förder¬ leistung der Wasser-Einspritzpumpe sein.
Ferner ist von nicht untergeordneter Bedeutung die externe Kühlung des Verbrennungsraumes. Zu diesem Zweck ist ein weiterer Temper tursensor (Thermoelement) an dem den Ver¬ brennungsraum umgebenden Wassermantel vorgesehen, der mit der Steuereinheit für die Kühlwasserpumpe gekoppelt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Durchführung der Verbrennung bei einem "realen" Verdichtungsverhältnis von bis zu 25 : 1 , wobei das "reale" Verdichtungsverhält¬ nis bestimmt ist durch das nur vom Brennstoff und Oxida- tionsmittel (Luft) eingenommene Volumen. Derartig hohe "reale" Verdichtungsverhältnisse sind bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen nicht möglich.
Das dem Brennstoff/Luft-Gemisch beigemengte Wasser kann zum Teil aus den Abgasen zurückgewonnen werden durch an sich bekannte Verdampfungs- und Kondensationsverfahren (siehe zum Beispiel DE-C-3 102 088 oder US-A-4 279 223) .
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Systems müssen selbst- verständlich die übrigen Maschinen-Parameter entsprechend angepaßt werden; insbesondere hat sich herausgestellt, daß der Zündzeitpunkt näher an den oberen Totpunkt heran¬ gerückt werden muß unter gleichzeitiger früherer Öffnung und wesentlich späterer Schließung des Einlaßventils vor dem oberen Totpunkt bzw. nach dem unteren Totpunkt. Die "Überschneidung" wird also vergrößert, um eine gute Fül¬ lung und Spülung des Verbrennungsraumes zu erhalten.
Neben den erwähnten Temperatursensoren können noch sogenann¬ te Detonations- bzw. Klopfsensoren und/oder Drucksensoren zur Feststellung des Druckes im Verbrennungsraum zur Steue¬ rung der Druckwasser-Einspritzung und/oder der externen Kühlmittelpumpe vorgesehen sein. Die Verwendung von Klopf- sensoren ist jedoch an sich bekannt. Sie hat sich jedoch in der Praxis als zu ungenau und nicht zu verbrennungs¬ spezifisch herausgestellt. Vor allem ist mittels Klopf¬ sensoren eine Ansteuerung der Initialverbrennung an die Klopfgrenze nicht möglich, da bei Ansprechen der Klopf- sensoren in der Regel die Klopfgrenze bereits erreicht bzw. überschritten ist.
Konstruktionsmäßig sei noch auf die Ausbildung der Wasser- düse bzw. -düsen hingewiesen, die durch ein Mundstück mit einer Vielzahl von feinen Bohrungen gebildet sind. Vorzugs¬ weise sind die Bohrungen im Mundstück der Wasserdüsen in Strömungsrichtung und/oder zur Radialen des Mundstückes geneigt gerichtet, um den austretenden Wasserstrahlen unter gleichzeitiger Zerstäubung Turbulenzen und eine Wirbel¬ strömung aufzuprägen, die zur innigen Vermischung mit Brennstoff und Luft beitragen. Der Brennstoffdüse und/oder Wasserdüs (n) können auch noch Turbulatoren zugeordnet sein in Form von Leitnasen oder dergleichen.
Bei Verwendung von Acetylen als Brennstoff ist mindestens noch ein weiterer Brennstoffeinlaß stromabwärts der Dros¬ selklappe in den Ansaugkanal, insbesondere Ansaugkrümmer, mündend vorgesehen. Ferner ist dem Brennstoffeinlaß vor- teilhafterweise noch ein Wärmetauscher und/oder Gasdruck¬ regler vorgeschaltet. Der Wärmetauscher dient vornehmlich dazu, das im Ansaugkanal bzw. in der Misσhkammer dessel¬ ben expandierende Gas vorher zu erwärmen, um den bei der Expansion sich einstellenden Temperaturabfall kompensie- ren und eine Vereisung im Ansaugbereich zu vermeiden.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Systems hat sich gezeigt, daß die Abgase eine relativ niedrige Temperatur
haben, auf jeden Fall wesentlich niedriger als die Abgase herkömmlicher Brennkraftmaschinen. Aus diesem Grunde kann als weitere Steuergröße für die Wassereinspritzung die Ab¬ gastemperatur herangezogen werden durch entsprechende An- Ordnung eines Thermoelementes bzw. Temperatursensors.
Schließlich kann noch für besonders kritische Betriebs¬ phasen vorgesehen sein, die Wassereinspritzung mit der Steuerung der Drosselklappe zu koppeln, das heißt, der temperaturabhängigen Steuerung der Wassereinspritzung eine zusätzliche manuelle Steuerung zu überlagern.
Nachstehend wird die.Erfindung anhand eines Ausführungs¬ beispiels einer Brennkraftmaschine für die Verbrennung von Acetylen und die Verbrennung von Normalbenzin anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Brennkraftmaschine zum Verbrennen von Acety¬ len im schematischen Teilschnitt und in schemati- scher Teilansicht;
Fig. 2 die Brennkraftmaschine nach Fig. 1, jedoch zum
Verbrennen von flüssigen Niedrigoctan-Brennstoff, wie Normalbenzin;
Fig. 3 eine Blockschaltung für die Steuerung der Wasser¬ einspritzung in Abhängigkeit von Betriebsparame¬ tern;
Fig.4a-σ Leistungs-, Drehmoment- und Verbrauchsdiagramme eines erfindungsgemäß betriebenen Hubkolbenmotors;
Fig. 5 die Ausbildung und Zuordnung der Brennstoff- und
Wasserdüse innerhalb der im Ansaugkanal vorgesehe¬ nen "Mischkammer" in schematischer Seitenansicht;
Fig. 6 Qualitativer Verlauf der thermischen und Druck- Parameter der explosiven Reaktionen als Funktion der Wasserbeimengung und des Kraftstoffes.
In Fig. 1 ist ein Hubkolbenmotor samt Ansaugstutzen im schematischen Teilschnitt dargestellt. Als Brennstoff dient Acetylen. Das Bezugszeichen 30 bezeichnet einen Zylinder¬ kopf mit einer Einlaßleitung 31, einer Einlaßöffnung 32 und einem Einlaßventil 33. An die Einlaßleitung 31 ist ein einen Ansaugkrümmer 26 umfassender Ansaugkanal 11 an¬ geschlossen, dessen freier Querschnitt durch eine Drossel¬ klappe 21 variierbar ist. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet den Zylinderraum innerhalb eines Motorblocks 34. Im Zylin- derraum 28 ist ein Kolben 29 in herkömmlicher Weise auf- und abbewegbar und über eine Pleuelstange 35 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden. Der Zylinder¬ raum 28 ist von einem Kühlwassermantel 36 umgeben. Die Speisung des Kühlwassermantels 36 erfolgt durch eine Kühl- wasserpumpe 10'. Das im Zylinderkopf noch angeordnete Aus¬ laßventil ist in Fig. 1 nicht sichtbar, da hinter dem Ein¬ laßventil 33 liegend. Zwischen Einlaß- und Auslaßventil ist im Zylinderkopf noch eine Zündkerze 37 angeordnet. Insofern handelt es sich um den herkömmlichen Aufbau eines Viertakt-Verbrennungsmotors.
Die Besonderheit des in Fig. 1 dargestellten Ausführungs¬ beispieles eines Verbrennungsmotors liegt zum einen in der Verwendung von Acetylen als Brennstoff und zum anderen in der Beimengung von Wasser zum Brennstoff/Luft-Gemisch im Ansaugkanal 11 vor der Einleitung in den Verbrennungs¬ raum 12. Der Verbrennungsraum 12 wird in herkömmlicher Weise durch die Zylinderkopfwandung einerseits und den Kolbenboden andererseits begrenzt. Vor bzw. stromaufwärts der Drosselklappe 21 ist im Ansaugkanal 11 eine Art
Mischkammer 22 ausgebildet, die motorseitig durch eine Einschnürung bzw. einen Venturi-Abschnitt 23 begrenzt ist. In diese Mischkammer 22 münden eine Brennstoffdüse 15' sowie zwei Wasserdüsen 13 und 14. Am in Fig. 1 oberen bzw. dem Motor abgewandten Ende der Mischkammer 22 ist ein Luft¬ filter 2 aufgesetzt, durch den hindurch Verbrennungsluft 37 in die Mischkammer 22 strömen kann, und zwar an den Düsen 13, 14 und 15' vorbei. JDie zu den Düsen 13, 14 und
15' führenden Wasserleitungen 3, 4 bzw. Brennstoffleitung 5 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel seitlich durch den Luftfilter 2 hindurchgeführt. Im übrigen handelt es sich um einen handelsüblichen Luftfilter für Verbren- nungsmotoren.
In den Ansaugkrümmer 27 mündet noch eine weitere Brenn¬ stoffleitung 6 unter Ausbildung eines sich tangential er¬ streckenden Brennstoffeinlasses 26. Dadurch ist eine zu- sätzliche direkte Brennstoffzufuhr zur Einlaßleitung 31 möglich. Dies fördert die Initialzündung bzw. Primärverbren¬ nung von Acetylen im Verbrennungsraum 12, die dann - wie oben dargelegt - eine sanfte Sekundärverbrennung des bei¬ gemengten Wassers auslöst, und zwar aufgrund der noch näher zu erläuternden innigen Vermischung von Brennstoff, Luft und Wasser im Bereich der Mischkammer 22 an jedem Ort der PrimärVerbrennung bzw. -zündung.
Die Zufuhr von Brennstoff, nämlich Acetylen, durch die bei- den Brennstoffleitungen 5 und 6 erfolgt über einen Druck¬ regler 1, der über eine Förderleitung 7 gespeist wird. Die Förderleistung 7 ist mit einem Acetylen-Reservoir verbunden. In diesem befindet sich das zu verbrennende Acetylen in flüssigem Zustand. Der Druckregler 1 umfaßt ferner einen Wärmetauscher, der mit dem Kühlmittelkreis¬ lauf in Verbindung steht, über eine HeizwasserZuleitung 8 wird heißes Kühlwasser zum Wärmetauscher gefördert. Im Wärmetauscher wird dann Wärme an das zu verbrennende Ace¬ tylen abgegeben. Das dadurch abgekühlte Kühlwasser wird über eine Ableitung 9 wieder dem Kühlsystem zugeführt. Die Erwärmung des zunächst flüssigen Acetylens ist er¬ forderlich, um den bei der Expansion und Verdampfung des Acetylens in der Mischkammer 22 entstehenden Temperatur¬ abfall zu kompensieren und in diesem Bereich eine Vereisung zu vermeiden. Gleiches gilt für den Bereich des Brenn¬ stoffeinlasses 26.
Die Wasserleitungen 3 und 4 sind jeweils mit einem nicht
dargestellten Wasserreservoir verbunden, wobei die Wasser¬ leitung 3 eine Wasserpumpe 10 umfaßt, mit der Wasser unter Druck in die Mischkammer 22 eingespritzt werden kann. Die Wasserzufuhr über die Wasserleitung 4 und die dieser zu- geordnete Wasserdüse 13 erfolgt allein in Abhängigkeit von dem im Ansaugkanal 11 bzw. in der Mischkammer 22 herrschen¬ den Unterdruck, der durch die Drosselklappe 21 steuerbar ist. Die Wasserzufuhr durch die Düse 13 ist also lastabhän¬ gig. Die zusätzliche Wasserzufuhr über die Leitung 3 bzw. Wasserdüse 14 ist temperaturgesteuert derart, daß nach überschreiten einer vorgegebenen Temperatur im Verbren¬ nungsraum 12 knapp unterhalb der kritischen Temperatur T __#
(Klopftemperatur) die Pumpe 10 aktiviert wird. Die Pumpe 10 wird vorzugsweise bei einer Temperatur eingeschaltet, die etwa 1 bis 5 % unterhalb der kritischen (Klopf-)
Temperatur liegt. Zur Feststellung der Temperatur im Ver¬ brennungsraum 12 sind diesem zwei Thermoelemente 17 und 18 zugeordnet, die über elektrische Leitungen 38, 39 mit der Steuereinheit der Pumpe 10 verbunden sind. Des weiteren ist dem Kühlwassermantel 36 ein Thermoelement 20 zugeord¬ net, dessen Signale ebenfalls mit der Steuereinheit der Pumpe 10 gekoppelt sein können. Vornehmlich dient das Thermoelement 20 jedoch zur Steuerung der externen Kühl¬ wasserpumpe 10'. In Abhängigkeit von dem Thermoelement 20 wird das Kühlwasser durch die Kühlwasserpumpe 10' mehr oder weniger intensiv umgewälzt. Dadurch soll eine über¬ hitzung des Motors vermieden werden. Dies ist im vorlie¬ genden Fall wichtig, da eine Primärverbrennung knapp unterhalb der Klopfgrenze angestrebt und angesteuert wird. Die Förderleistung der Pumpe 10 kann variabel sein in Ab¬ hängigkeit von der von den Thermoelementen 17 und 18 fest¬ gestellten Temperatur im Verbrennungsraum. Vorzugsweise ist das eine Thermoelement 17 nahe der Einlaßöffnung 32 angeordnet, während das zweite Thermoelement 18 sich zwi- sehen Einlaßöffnung 32 und Zündkerze 37 befindet. Durch
Vergleich der durch die derart positionierten Thermoelemen¬ te festgestellten Temperaturen kann die Temperatur der PrimärVerbrennung mit großer Genauigkeit ermittelt und
über entsprechende Steuerung der Brennstoff- und Wasser¬ einspritzung an die kritische (Klopf-) Temperatur T her- angeführt werden.
Wie oben ausgeführt worden ist, ist von großer Wichtigkeit für die angestrebte doppelzyklische Verbrennung eine innige Vermischung von Brennstoff, Wasser und Luft vor der Ein¬ leitung in den Verbrennungsraum 12. Zu diesem Zweck er¬ folgt die Einspritzung von Wasser und Brennstoff in der Mischkammer 22 im Gegenstrom; das heißt, die Wasserein¬ spritzung und Brennstoffeinspritzung erfolgen entgegen¬ gesetzt gerichtet. Eine besonders gute Vermischung läßt sich dann erreichen,-wenn die Brennstoffzufuhr sowohl der angesaugten Luft als auch im angesaugten und/oder ein- gespritzten Wasser entgegengerichtet ist. Es wird dies¬ bezüglich insbesondere auf Fig. 5 verwiesen. Dort ist die Brennstoffdüse 15' nach oben gebogen, so daß der Brenn¬ stoff aus der Brennstoffdüse 15' in Richtung nach oben entgegen dem Lufteintritt 37 austritt. Ferner befindet sich der Brennstoffaustritt etwas unterhalb der nach unten gerichteten Wasserdüsen 13, 14. Aufgrund dieser Konstella¬ tion im Mischbereich 22 des Ansaugkanals 11 ergibt sich eine innige Vermischung von Brennstoff, Luft und Wasser. Zur Erhöhung der Vermischung wird das eingeleitete Wasser beim Austritt "vernebelt". Zu diesem Zweck umfassen die Wasserdüsen 13, 14 jeweils ein Mundstück 25 mit feinen Bohrungen 24, durch die das Wasser austreten kann. Die Bohrungen 24 sind vorzugsweise in Strömungsrichtung nach unten geneigt. Sie können zusätzlich gegenüber der Radialen geneigt gerichtet sein, so daß den austretenden Wasser¬ tröpfchen noch eine Rotationsbewegung um die Längsachsen der Wasserdüsen 13, 14 bzw. Mundstücke 25 aufgeprägt wer¬ den. Die aufgeprägten Rotationsbewegung der Wassertröpfchen kann gleich- oder entgegengesetzt gerichtet sein, wie zum Beispiel in Fig. 5 durch die Pfeile 40, 41 angedeutet.
Es können auch noch Maßnahmen vorgesehen sein, durch die der aus der Brennstoffdüse 15' austretende Brennstoff unter
Ausbildung eines Brennstoffkegeis aufgefächert wird. Auch dies trägt zu einer FeinVerteilung und innigen Vermischung der erwähnten Komponenten bei.
Innerhalb der Mischkammer 22 können noch Turbulatoren vor¬ gesehen sein in Form von in den Mischraum 22 ragende Nasen oder Leitbleche. Auf diese Weise verharren die zu vermischenden Komponenten quasi im Mischraum 22, bevor sie diesen durch den Venturi-Abschnitt 23 zur Einlaßlei- tung 31 verlassen.
Ein derart getriebener Motor läuft äußerst ruhig bzw. rund, und zwar herab bis,-zu einer Drehzahl von etwa 250 U/min. Die Schadstoffemission ist minimal. Die Abgastemperatur ist vergleichsweise niedrig. Das Verhältnis von Wasser- zu Brennstoffverbrauch beträgt etwa 2 : 1 und mehr. Dies hängt unter anderem auch von den übrigen Konstruktions- daten des verwendeten Motors ab.
Acetylen-gespeiste Brennkraftmaschinen eignen sich ins¬ besondere für stationäre Zwecke (Notstromaggregate und Klein-Kraftwerke) . Acetylen ist gut verfügbar, kann zum Beispiel aus Calciumcarbid freigesetzt werden. Auch ist die Verwendung von Acetylen als Brennstoff per se seit längerer Zeit bekannt, zum Beispiel bei der sogenannten Carbidlampe. Das Acetylen verbrennt dabei mit Luftsauer¬ stoff zu Kohlenmon- bzw. -dioxid. Heutzutage wird Acetylen in erster Linie zur Polymerisation verwendet, wobei Poly¬ vinylchlorid (PVC) entsteht. Bisher sind jedoch im Stand der Technik keine Vorrichtungen oder Verfahren vorgeschla¬ gen worden, bei denen der große Energiegehalt des Acetylens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine verwendet wird, und zwar vor allem zum klopffreien Betreiben einer derartigen Maschine. Im Stand der Technik fehlen konkrete Angaben für das funktionssichere Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines herkömmlichen Kraftfahrzeugmotors, mit Acetylen. Dabei besitzt Acetylen den Vorteil, daß die Aus¬ gangsstoffe für die Herstellung fast überall ausreichend
vorhanden sind, ohne daß man ausschließlich von einem bestimmten begrenzten geographischen oder politischen Gebiet abhängig ist.
so sind die Ausgangsstoffe Kalk, Kohle, Wasser und Salz in reichlichem Maße vorhanden. Der Kalk kann zum Beispiel aus dem Kalkstein in KalkSteinbrüchen oder Kalkgebirgen als ganz wesentlicher Bestandteil der Erdkruste, aus Kreide oder auch aus Meeren und Binnengewässern gewonnen werden. Auch Kohle und Koks ist für den genannten Zweck ausreichend vorhanden. Wasser und Salz stehen ebenfalls praktisch unbegrenzt zur Verfügung. Es bedarf für die Herstellung von Acetylen keiner besonderer Entwicklung mehr, da Acety¬ len bereits industriell in größeren Mengen für andere Zwecke hergestellt wird, zum Beispiel für Schweiß- und
Schneidverfahren, oder wie dargelegt als wichtiger Grund¬ stoff für Kunststoffe oder für künstlichen Kautschuk, und auch für die industrielle Herstellung von Dünge- und Schädlingsbekämpfungsmitteln. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Verbrennung von Acetylen unter Anwesenheit von Luft rußfrei erfolgt. Das erfindungsgemäße System stellt sich daher als äußerst umweltfreundlich dar. Über¬ raschend ist, daß trotz der hohen Explosivität von Acetylen erfindungsgemäß die Explosionsgrenze angesteuert wird. In- sofern beschreitet die Erfindung einen an sich abwegigen Weg, der sich jedoch aufgrund von Versuchen als äußerst funktionssicher herausgestellt hat und somit gefahrlos ist.
In Fig. 2 ist ein Benzin-gespeister Hubkolbenmotor in Kom¬ bination mit der erfindungsgemäßen Anordnung schematisch dargestellt. Mit Ausnahme der Kraftstoffeinleitung im Bereich der Mischkammer 22 ist die Ausführungsform nach Fig. 2 mit derjenigen nach Fig. 1 identisch. Dementspre- chend sind gleiche Teile mit gleichen BezugsZiffern bezeichnet. Eine nähere Erörterung der bereits anhand der Fig. 1 beschriebenen Merkmale erübrigt sich.
Im Bereich der Mischkammer 22 erfolgt über eine nach oben, das heißt entgegen der angesaugten Luft 37 gerichtete. Brennstoffdüse 15 die Einleitung von flüssigem Brennstoff, nämlich Niedrigoctan-Benzin, wie Normalbenzin, oder der- gleichen. Die Brennstoffdüse 15 ist über eine Brennstoff- leitung 5' mit einer Benzinpumpe 42 verbunden. Es handelt sich dabei um eine handelsübliche nockengesteuerte Membran¬ pumpe (Nockenwelle 43) . Die Verbindung zwischen einem nicht dargestellten Tank und der Benzinpumpe 42 erfolgt über eine Förderleitung 7'. Ähnlich wie bei dem Ausfüh¬ rungsbeispiel nach Fig. 1 liegt die Öffnung der Brennstoff¬ düse 15 unterhalb den Wasserdüsen 13, 14, um eine innige Vermischung von ingespritztem Benzin, Wasser und Luft zu erhalten.
Anhand des Blockschemas nach Fig. 3 soll nunmehr das Gesamt¬ system (Versuchstand) der Ausführungsform nach Fig. 1 als Übersicht dargestellt werden, wobei die Pfeile in Fig. 3 die Richtung des Informationsflusses bzw. die Verknüpfung zwischen den einzelnen Systemelementen anzeigen und die Bezugsziffern folgende Systemelemente bezeichnen:
51 Generator;
52 Manometer des Kraftstofftanks;
53 Einlaßhahn; 54 Sicherheitsventil;
55 Druckreduzierer für den Kraftstoff;
56 Manometer des Druckreduzierers;
57 Elektroventil für die AcetylenZuführung;
58 Reglergruppe; 59 Elektroventil für das Anlassen;
60 Regler für den Betriebsfluß;
61 Regler für den minimalen Direktfluß /Einspritzen) ;
62 Drosselvorrichtung für den Betriebsfluß;
63 Luftfilter; 63 Drosselvorrichtung für den Luftdurchsatz;
65 Mischkammer;
66 Sicherheitsvorrichtung;
67 kalibrierte Rohrleitungen für den Mischer-Vergaser;
68 Mehrfach-Einspritzdüsen;
69 Ansaugkrümmer;
70 Motor;
71 Kühlmitteltank; 72 Rohrleitung für die unterdruckgesteuerte Wasserzufuhr;
73 Rohrleitung für die temperaturgesteuerte Wasserzufuhr;
74 Einspritzer;
75 Einspritzer;
76 Einspritzpumpe; 77 Pumpenthermostat;
78 Schaltgetriebe und Doppelkupplung zur Bremse;
79 Einrichtungen des gesteuerten Speisesystems für die hydrodynamometrische Bremse;
80 hydrodynamometrische Bremse; 81 Hauptventil zur Niveauregelung der Turbine und System zur Lastsignalisierung;
82 Abschnitt zur Messung der abgegebenen Leistung;
83 Wassertank für die externe Motorkühlung;
84 Pumpe für die externe Wasserkühlung; 85 Pumpenthermostat;
86 Radiator;
87 Auslaßkrümmer und Abgas- (Auspuff-) röhr;
88 Rohrleitung zur Aufnahme und Ventil zur Ableitung von Abgasen zu einem Gaschromatographen; 89 Gaschromatograph;
90 Vakuummesser;
91 Thermometer für den Ansaugkrümmer;
92 Druckregler für den Kompressionstakt;
93 Öldruckregler; 94 lmanometer;
95 Unterdruckregler für die Zündvorverstellung;
96 Elektronischer Drehzahlmesser;
97 Detonations- (Klopf-) sensor;
98 Wasserthermometer; 99 ölthermometer;
100 Thermometer am Auslaßkrümmer;
101 Schaltpult für die Steuerungen, Messungen'und Signale;
102 Zirkulationspumpe für den (Wärme-) Tauscher der Reglergruppe;
103 Pumpenthermostat;
104 Rohrleitung zur Zuführung heißen Wassers zum Brenn¬ stoff-Wärmetauscher;
105 Schnittstellen; 106 Einheit zur automatischen VerbrennungsSteuerung a) Signalisierung des Druckreglers für den Kompres¬ sionstakt; b) Signalisierung für den Öldruckregler; σ) Signalisierung für die Erregung des Elektroventils zur Acetylenzufuhr; d) Signalisierung des Thermostaten für die temperatur¬ gesteuerte Wasser-Einspritzung; e) Signalisierung für das Einschalten der Kühlwasser¬ pumpe (externe Motorkühlung) ; f) Signalisierung für die Funktion der Zirkulations¬ pumpe des Wärmetauschers der Druckreglergruppe.
Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, daß die Wassereinspritzung in die Mischkammer 22 möglichst in Abhängigkeit von der TemperaturSteigerung bzw. dem Tempe¬ raturabfall im Verbrennungsraum 12 erfolgt. Es kann zu¬ sätzlich eine manuelle Wassereinspritzung vorgesehen sein für kritische Betriebsphasen (zum Beispiel in einem Kraft¬ fahrzeug bei plötzlich ansteigender Last im niedrigsten Gang) .
Nachstehend wird ein herkömmlicher Benzinmotor für Kraft¬ fahrzeuge verglichen mit einem nach Fig. 1 modifizierten Motor für die Verbrennung von Acetylen:
Typendaten des verwendeten Motors:
- Marke: Innocenti
- Modell: 3 AU/H
- Takte: 4 - Zylinder: 4
- Bohrung: 62,9 mm
- Hub: 76,2 mm
- Hubraum: 948 cm3
- KompressionsVerhältnis: 8,3
- maximale Leistung (4800 U/min) : 58,5 kW
- maximales Drehmoment (2200 U/min) : 70 Nm
- Zündung: 12 V-Batterie
Zündspule
Zündverteiler
- Zündvorverstellung: automatisch durch Fliehkraft
- Ventilsteuerung: hängende Ventile mit Kipphebel¬ steuerung
- Einlaßventil Öffnet 5' vor dem oberen Totpunkt (OT) und schließt 10° nach dem unteren Totpunkt (UT)
- Auslaßventil öffnet 40° vor dem UT und schließt 10° nach dem OT; - Brennstoff: Benzin 98/100 N.O.R.M. Förderung durch mechanische Mem¬ branpumpe
- Wasserkühlung: thermostatisches System
- spezifischer Mindest¬ verbrauch bei voller Last: 320 g Benzin pro 1 kWh.
An dem genannten Motor wurden zur Verbrennung von Acetylen Änderungen vorgenommen, und zwar wie folgt:
- Verringerung der Zündvorverstellung (Änderung der Flieh¬ kraftvorverstellung) in eine nicht-lineare Unterdruck- vorVerstellung, wobei die statische VorZündung konstant gehalten wurde;
- Einstellung der Einlaß- und Auslaßventile wie folgt: a) Einlaßventil öffnet 15° vor dem OT und schließt 55° nach dem UT; b) Auslaßventil öffnet 40° vor dem UT und schließt 10° nach dem OT.
- unterdruck-gesteuerte sowie temperatur-gesteuerte Wasser¬ einspritzung im Ansaugkanal (siehe obige Ausführungen!)
- zusätzliche temperatur-gesteuerte externe Wasserkühlung.
Bei den Untersuchungen hat sich herausgestellt, daß das Verhältnis Wasserverbrauch zu Acetylenverbrauch zwischen etwa 2 : 1 und bis zu 7 : 1 liegt.Der Wirkungsgrad des Motors konnte um bis zu 70 % gesteigert werden. Die Schadstoff- emission war minimal. Die Abgase enthielten nur noch ver¬ schwindende Mengen CO. Das gleiche gilt für Stickoxide NOχ.
Ferner zeigte sich, daß der Verlauf der Betriebskurven (Leistung, Drehmoment und Verbrauch) demjenigen herkömm¬ licher Verbrennungsmotoren entsprach. Es wird diesbezüg¬ lich auf die Fig. 4a bis 4c verwiesen. Der Motor lief extrem ruhig bzw...rund, und zwar selbst bei Drehzahlen von nur etwa 250 U/min.
Untersuchungen mit Benzinspeisung haben gezeigt, daß im Schnitt das Verhältnis von Wasser zu Benzin (Normalbenzin) zu Luft wie folgt ist: 0,5 : 1 : 20.
Das in den Ansaugkanal eingeleitete Wasser besitzt Raum¬ temperatur; vorzugsweise wird es jedoch vorgewärmt auf etwa 65 °C. Dies kann durch einen Wärmeaustausch mit dem KühlwasserSystem erfolgen oder durch Beimengung von aus dem Abgas rückgewonnenes Wasser.
1 Zusammenfassend stellt sich die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik wie folgt dar:
5 Zur Erhöhung der Effizienz der Verbrennung im Innern des Zylinde und zur Eliminierung oder partiellen Verringerung anormaler Ver- brennungsvαrgänge, wie z.B. Vorzündung, Selbstverbrennung, Deto¬ nation der Ladung, ist es bekannt, Wasser ins Innere der Brennka mer zu spritzen, um so die reaktive Umgebung zu kühlen und gleic 0 zeitig die Ursachen zu eliminieren oder zu reduzieren, die die v genannten anormalen Effekte bestimmen. In jedem Fall besteht das praktische Ergebnis der Einspritzung von Wasser ins Innere der Brennkammer von Verbrennungsmotoren (beim aktuellen Stand der Maschinenpraxis) in einer leichten Verbesserung der globalen Ver
15 brennung des Systems und damit des Wirkungsgrads der Wärmemaschi (leichte Verbesserung), verbunden mit einer (ebenfalls bescheide nen) Verringerung von Schadstoffelementen in den emittierten Ver brenπungsprodukten.
**u Diese positiven Effekte sind in der Praxis wenig wirksam, wenn m
«sie in Vergleich setzt zu da m komplexen technischen Aufwand, rie". bei der Lösung der sich dabei stellenden heiklen Regelungsproble treiben muß, die vor allem die Steuerung der Dur .hsatzmenqen des einzusDritzenden Wassers und ihre-- ontinuierliche Änderung in Ab
25 qiqkeit von der Drehzahl und dem Dosierungsverhältnis Kra stoff prstoffträger betreffen.
Mit anderen Worten: Das Prinzip des Einspritzens von Wasser in d Brennkammer von endothermen Motoren läßt - wenn man die effektiv
30 (Massen)-Quantitäten des Wasser im Vergleich zu der Kraftstoff/
Sauerstoffträger-Ladung betrachtet - keinesfalls den Gedanken au kommen, daß es sich hier um die Durchführung eines wirklichen Ei spritzverfahrens handelt, bei welchem ein Hilfsfluid in Mengen e gespritzt wird, die vergleichbar sind mit den beiden erstgenannt
35 (Kraftstoff/Luf ), man denkt vielmehr einfach an die Einspritzun von Flüssigkeitspartikeln, die einiqe Prozent der Gesamtmischuπg darstellen. Wenn die verschiedenen bis heute vorgestellten Ein-
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QT_ spritzsysteme auf der einen Seite einige Vorteile bringen, so loh nen diese Vorteile den Aufwand nicht, da sie für das System sub¬ stantielle Änderungen in der Struktur und in der Speisung mit sic bringen, damit sich eine akzeptable Regelung erreichen läßt, die
0 in den meisten Fällen letzlich kompliziert und wenig zuverlässig ist. Dies alles hat zur Folge, daß derartige Einspritzprinzipien bis heute eine besondere Option darstellen, die allenfalls für Mo toren mit bereits sehr großen Leistungen geeignet sind und sich nur mit Hilfe komplizierter und sehr teurer Techniken lösen las- τ_g sen, insbesondere, wenn man sie mit den realen, effektiv erziel¬ ten Vorteilen in Vergleich setzt.
Nachdem klar ist, daß*- alle bis heute vorgeschlagenen Wasser-Ein¬ spritzsysteme im wesentlichen darauf basieren, daß Wasser in (im τ_5 Vergleich zu den Gesamtmassen des Gemischs) KLEINSTEN MENGEN di¬ rekt in der Brennkammer vor oder hinter dem Ansaugventil zuge¬ setzt wird, sei hier folgendes erklärt:
1. In klarem Gegensatz zu dem bis heute universell realisierten 2o Prinzip wird Patentschutz begehrt für den Gedanken der Durchfüh¬ rung eines "{M INNERN DER BRENNKAMMER EINES ENDOTHERMEN MOTORS ERZEUGTEN DAMPF-ZYKLUS".
2. Ein thermodynamischer Zyklus, _ü. dem DIE QUANTITÄT DES VORHAN- 25 DENEN (erzeugten) DAMPFES, die als Sekundärfluid bezeichnet wird, eine Masse besitzt, die vergleichbar ist mit derjenigen der Ver¬ brennungsluft, die zur Verbrennung der aktiven Ladung notwendig ist, welche als Primärfluid bezeichnet wird.
30 3. Ein thermodynamischer Zyklus, in welchem tatsächlich in ein und demselben Reaktionszeitpunkt ZWEI AKTIVE FLUIDA vorhanden sind: DAMPF (der durch die Verdampfung des zusätzlichen Wassers erzeugt wird) sowie VERBRENNUNGSGASE (die durch die Verbrennung des Primärfluids erzeugt werden) und dies in prozentualen Antei¬
35 len der gleichen Größenordnung.
Die bis heute bekannten Einspritzsysteme und -techniken spritzen Wassermassen in sehr kleinen Mengen ein (einige Prozent der Mass der Luft) und liefern Wirkungsgrade, die leicht über den herkömm lichen liegen. Diese Werte des Wirkungsgrads sind nicht auf irge eine Weise direkt an die Prozentmenge des eingespritzten Wassers gebunden .
Der von den Erfindern vorgeschlagene thermodynamische Zyklus is IN KLAREM GEGENSATZ zum bisher bekannten nur durchführbar, wenn der Brennkammer des endothermen Motors BESONDERE THERMOPHYSI-
KALISCHE BEDINGUNGEN der Temperatur, des Drucks und des Volumens der eingespritzten (oberhalb des Ansaugventils oder der Drossel¬ klappe des Vergasers zubereiteten) und komprimierten Ladung ge¬ schaffen werden, so daß eine kontrollierte Explosion erreicht un erzeugt wird, in der die Massendosen des eingespritzten Wassers die Reaktion im Gleichgewicht halten, wobei der eigene Entalpie- gehalt durch das Ausnutzen der (in dem gewollten Explosionsbetri freigesetzten) Energie stark anwächst, die andernfalls NICHT NUT BAR ist (bzw. unwiederbringlich verloren wäre, wenn kein Austaus mit dem in die Ladung eingespritzten und homogenisierten Wasser stattfände) .
Daraus folgt, daß die Wasserdosen UMSO GRÖSSER SIND, JE GRÖSSER, HEFTIGER UND AUFLODERNDER die Explosion des Luft-Kraftstoffge- mischs ist. Das Endergebnis besteht darin, daß außer Produkten des Arbeitstakts des Motors (Primärfluid des Motors) ungeheure Mengen von suρerübererhitztem Dampf mit sehr hohem Energiegehalt vorhanden sind.
Die Rolle des eingespritzten Wassers ist also nicht die bis heut bekannte, nämlich die Vermeidung von Temperaturspitzen auf¬ grund anormaler Verbrennungen. Vielmehr und im Gegensatz zu alle bekannten und bis heute akzeptierten Regeln des Motorbaus BESTEH DIE AUFGABE DES IN DER LADUNG EMULGIERTEN WASSERS DARIN, AN DER
(IN GEEIGNETER WEISE GEZÜNDETEN) EXPLOSIVEN REAKTION TEILZUNEH¬ MEN, indem es sehr große Mengen von (anders nicht nutzbarer) Energie aufnimmt, wobei es seinen Entalpiegehalt vergrößert, und während der Expansion sukzessiv abgibt.
Für die Erfinder werden demnach solche Verbrennungen ANORMAL, bei denen das Wasser bei Nichtvorhandensein der Druck-, Tempera¬ tur- und kritischen Volumenbedinguπgen als Verbrennungshinderer fungieren würde.
Das neue Prinzip unterscheidet sich von den bisherigen Lösungen auch deshalb,' weil bis heute NIEMALS IRGENDJEMAND daran gedacht hat, (absichtlich) ein E__PLO-SIVES Produkt zu benutzen, um es in die Brennkammer eines endothermen Motors einzuspritzen.
Die Erfinder haben jedoch ein System realisiert,das genau die vor schlagene Idee benutzt, wobei sie das Verhalten einer Verbindung untersucht haben, die für ihre große Instabilität bekannt ist und in einer explosiven Reaktion leicht zerfällt, nämlich C_H_.
Allein durch das Auslösen solcher - bis heute nicht denkbarer - Reaktionen ist es möglich, da.-* "heftigen Verbrennung" die- jenigen Energiemengen zu entnehmen, die nach ihrer Übertragung in das eingeführte Sekundärfluid (Wasser) Dampfmengen erzeugen, wel¬ che prozentual mit dem Kraftstoff-Luftgemisch vergleichbar sind, das sie erzeugt hat.
Die Realisierung des Gedankens mittels eines Systems, dessen
Parameter weit über die Werte der derzeitigen normalen Motorpra¬ xis hinausgehen, hat sich als sehr positiv erwiesen, auch soweit es auf dem Prüfstand durchgeführte Messungen des Gesamtwirkungs¬ grads des Systems betrifft.
Die Bestiϊϊiiiung der charakteristischen Kurven zeigt dabei Verläufe, die voll und ganz denen herkömmlicher Kurven gleichen, wobei die Wer-
te des Wirkungsgrads im Mittel um 15 Punkte höher liegen als bei üblichem Betrieb mit Benzin 98-100 N.O., d.h. es ergeben sich Wi kungsgrade von 37 bis 40?o.
Dies bedeutet, daß das hier vorgeschlagene Lösungsprinzip die vo den Erfindern unter Verwendung von Azetylen bereits in breitem Qnfan experimentell untersucht wurde, auch auf irgendwelche anderen Prüfkraftstoffe anwendbar ist, unter der Bedingung, daß in der Brennkammer charakteristische Bedingungen einer explosiven Insta bilität erzeugt werden, die denjenigen gleichen, die durch die Kompression von Azetylen entstehen.
Je mehr man sich dem .explosiven Betrieb nähert, umso mehr über¬ wiegen die Dampfmengen relativ zu den Kraf stoffmassen. Es ist klar, daß Reaktionen dieser Art bei Abwesenheit von Wasser un¬ möglich, weil unkontrollierbar, wären und zu echten Mehrfach- Kettenexplosionen führen würden, wobei die Reaktionstemperaturen über den kritischen Temperaturen lägen und deshalb für die den Motor bildenden Materialien unannehmbar hoch wären.
Die Figur 6 zeigt den qualitativen Verlauf der thermischen und
Druckparameter der explosiven Reaktionen als Funktion des Durch¬ satzes (GH2Q-1 c'es •*■■"• c'er *-uft-Kraftstoffladung emulgierten Wassers. Es ist möglich, für jede „Art von Prüfkraf stoff eine Kurve zu zeichnen. (Kraftstoff a, b, c, d usw.)
Das bedeutet, daß für den Kraftstoff (a) mit bestimmten struktu¬ rellen Eigenschaften ( Explosionsverhalte-. ) bei einem Durchsatz
CH20 des ein9esPritzen Wassers die kritischen Wferte Ic und Pc erreicht
1 werden. Dieser Durchsatz könnte sich für den Kraftstoff (b) als unzureichend erweisen, falls die Planwerte Tc und Pc konstant sein sollen. Wenn hingegen bei Verwendung des mit (d) bezeichne¬ ten Kraftstoffs neue Planwerte Pc und Tc erreicht werden sollen, 5 wäre der erforderliche neue Durchsatz G'*_)20'
Daraus ergibt sich außerdem die Möglichkeit, vorbestimmte Plan- werte Tc und Pc zu erreichen (die Funktionen des Explosivverhal¬ tens des Prüfkraftstoffs sind), indem man von Fall zu Fall auf in die Grundparameter des Motors einwirkt, die die Verbrennungsreak¬ tion regeln und steuern.
Die Eingriffe auf die*' orgenannten Motor-Grundparameter müssen umso drastischer sein, je geringer die "Explosiveigenschaf en" -je des jeweiligen Prüfkraftstoffs sind. Dies ist notwendig, um immer und in jedem Fall an der Grenze der Explosivität liegende "Reiz¬ bedingungen" zu schaffen, auch wenn der jeweilige Kraftstoff nur geringe Explosivkapazität hat.
20 Wenn man z.B. als Klassifikationsparameter die Fähigkeit eines Kraftstoffs zu explosiven Reaktionen heranzieht (und voπerst das NITROGLYZERIN außer acht läßt), ann davon ausgegangen werden,däß Azetylen tatsächlich den ersten Platz belegen kann,während her¬ kömmliches Benzin (98-100 N.O.) an-die letzte Position käme.Es 25 existieren daher nach Ansicht der Erfinder verschiedene "mittlere" Kraftstoffe,die sich als Prüfkraftstoffe bei der Realisierung des endothermen Dampfzyklus in den Motoren verwenden lassen.
Dies zeigt noch einmal die Neuheit und Anderersartigkeit des vor¬
30 geschlagenen und realisierten Prinzips gegenüber dem von andern ausgeführten aktuellen Stand der Technik. Letztere tendieren in der Tat dazu, die verschiedenen Verfahren mit Hilfe hochwertiger oder kommerziell erhältlicher Kraftstoffe durchzuführen.
0 Es sei hier nicht auf die Bedeutung der Motorparameter im einzel¬ nen eingegangen, die direkten oder indirekten Einfluß auf die Ef¬ fizienz und die Modalitäten der Verbrennung haben, es sei ledig-
lieh gesagt, daß diese sehr zahlreich und in der wissenschaf li¬ chen Literatur des einschlägigen Fachgebiets ausführlich beschrie¬ ben sind. Sie sind auf jeden Fall an die konstruktiven, technologi schen und funktionellen Eigenschaften des Motoraggregats gebunden. Das hier vorgestellte Prinzip läßt sich nicht nur auf jede Art von Kraftstoff ausdehnen- sondern auch auf jede Art von Wärmekraftma¬ schinen.
Bei einer Turbinenanlage z.B. ist es nach dem vorhin gesagten mög- lieh, durch Verbrennungen im Innern des Brenners thermodyπamische Zyklen mit außerordentlich hohem Wirkungsgrad zu erzeugen, derart daß man erhebliche Mengen an überhitztem Dampf erhält, die ver¬ gleichbar sind mit de ien'der als Sauerstoffträger dienenden Luft, wobei dieser Dampf anschließend in der Turbine expandiert. Wenn man in der beschriebenen Weise verfährt, erhält man Werte des glo¬ balen Wirkungsgrads, die entschieden größer sind als bei herkömm¬ lichen Gasturbinenanlagen.
Über die Verbrennung der Gase hinaus kann man also Dampf mit sehr hohem Entalpiegehalt erzeugen, wobei man die Verluste in den verschiedenen herkömmlichen Geräten (Erhitzer, Brenner, Überhit¬ zer, Wärmetauscher, Kondensatoren usw.), die für die Energieerzeu gungsanlageπ typisch und notwendig sind, drastisch verringert.
Sämtliche in den Unterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.