DE2521257A1

DE2521257A1 - Verfahren zum betrieb eines dieselmotors

Info

Publication number: DE2521257A1
Application number: DE19752521257
Authority: DE
Inventors: Tsuchio Bunda; Masaaki Noguchi; Masaharu Sumiyoshi; Yukiyasu Tanaka; Eiji Toyoda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1974-05-13
Filing date: 1975-05-13
Publication date: 1975-11-20
Also published as: IT1038121B; FR2271396B1; DE2521257B2; FR2271396A1; JPS50144816A; GB1503001A; US4002151A; CA1029623A; AU8099975A

Description

Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors , bei dem eine erste Menge Luft in einen Verbrennungsraum eingeleitet und eine zweite Menge.Treibstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt wird.

Bei Dieselmotoren dieser Art wird der Treibstoff dadurch gezündet, daß er in die in den Zylindern unter hohem Druck komprimierte Luft eingespritzt wird. Dabei ergibt sich jedoch bei dem Verbrennungsvorgang ein unerwünschterweise Klopfen.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, das eingangs genannte verfahren derart zu verbessern, daß die Klopfneigung verringert, dadurch der Verbrennungswirkungsgrad erhöht, und dadurch die Leistung verbessert wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß ein erstes Gemisch aus einer dritten Menge Treibstoff und einer vierten Menge Luft in eine Reformierungs-Einrichtung eingeleitet und darin in ein zweites Gemisch überführt wird, das Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Treibstoffs enthält, und dieses zweite Gemisch im Verbrennungsraum zusammen mir der nicht durch die Reformierungs-Einrichtung geleiteten zweiten Menge Treibstoff verbrannt wird.

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Ein Dieselmotor, bei dem eine Treibstoff-Einspritzvorrichtung Treibstoff in einen Verbrennungsraum einspritzt, in dem ein Kolben angeordnet ist, und dem ein Luftzuführungssystem Luft zuführt ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Luft-Zuführungssystem für Hilfs-Luft und ein Treibstoff-Zaführungssystem für Hilfs-Treibstoff vorgesehen ist, die die Hilfs-Luft und den Hilfs-Treibstoff in eine Reformierungs-Einrichtung einleiten, die den Hilfs-Treibstoff ein Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Treibstoffes enthaltendes Gemisch -überführt, und dieses in den Verbrennungsraum einleitet.

Bei diesem Verfahren bzw. diesem Dieselmotor ist dadurch, dai³-außer dem eingespritzten Treibstoff eine weitere Menge Treibstoff reformiert und separat in den Verbrennungsraum eingeführt wird, der Verbrennungswirkungsgrad erheblich verbessert. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen beschrieben werden. Es stellen dar:

Fig. 1 die Beziehung zwischen der für die Zersetzungsreakxion maßgebenden Zeitkonstante und der Reaktionstemperatur für verschiedene Kohlenwasserstoffe und Petroleumdestilate;

Fig. 2 die Selbstentzündungstemperatur für verschiedene Kohlenwasserstoffe; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieis.

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Bei dem Dieselmotor nach der Erfindung ist das Klopfen erheblich reduziert. Der Dieselmotor weist entsprechend erheblich bessere Laufeigenschaften auf. Dies erfolgt durch eine Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades.

Die Zündung erfolgt dadurch, daß der Treibstoff in Luft eingespritzt wird, die in den Zylinder eingeführt und unter hohem Druck komprimiert ist. Es wird nun ein Hilfstreibstoff, dessen Menge proportional der Menge des eingespritzten Hauptbrennstoffes ist, zunächst für sich, d.h. getrennt vom Haupttreibstoff reformiert und dadurch in ein Gemisch überführt, das Zerfallsund Oxidationsprodukte des Treibstoffes enthält. Dieses Gemisch wird während des Ansaughubes in den Zylinder eingeleitet und zur Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades zusammen mit dem Gemisch, das die Kohlenwasserstoffe enthält, die vom Zuführungssystem für den Haupttreibstoff zugeführt werden und die durch Einspritzung gezündet werden_/im Zylinder verbrannt.

Die Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades des Dieselmotors Deruht auf folgenden Überlegungen:

Ei. ist bereits bekannt, daß man den Verbrennungswirkungsgrad e^nes Dieselmotors durch Pilot-Einspritzung, Hilfs-Einspritzung und/oder Fumigation äußerst wirksam verbessern kann. Es ist auch bekannt, daß der Verbrennungswirkungsgrad eines Dieselmotors durch Fumigation (Einführen eines Teils des Treibstoffes in Form eines Nebels in das Ansaugrohr) verbessert wird (M. Alperstein, W.B. Swim, P.H. Schweitzer, "Fumigation Kills Smoke - Improves Diesel Performance", SAE Trans. Bd. 6 6 (19 58), S. 574 ff.).

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-H-

Das Klopfen beim Dieselmotor wird allgemein auf einen übermäßig starken Anstieg des Verhältnisses dp/dO zurückgeführt; ρ ist dabei der Explosionsdruck und θ der Kurbelwinkel. Das Verhältnis von dp/d9 hängt dabei auch vom Zündverzug ab. Obwohl die einzelnen Faktoren, die für den Zündverzug maßgebend sind, nicht jeweils für sich und ohne gleichzeitige Berücksichtigung anderer Faktoren beurteilt werden können, da die physikalische und chemische Faktoren in komplizierter Weise miteinander zusammenhängen, ist davon auszugehen, daß für den Zündverzug mit die vor der Entflammung ablaufenden Reaktionen von Bedeutung sind. Während dieser Vorentflammungsreaktion entstehen durch eine chemische Zersetzung oder eine langsame Oxidation des Treibstoffes Zwischenprodukte, die an der Verbrennung als Träger einer Kettenreaktion teilnehmen. Bei den Zwischenprodukten handelt es sich um niedrigerwertige Kohlenwasserstoffe und um Sauerstoff enthaltende Verbindungen wie Aldehyde, Ketone und Peroxide.. Der Zündverzug kann also dadurch abgekürzt werden, daß kurz vor Einspritzung des Haupttreibstoffes diese Zwischenprodukte der Kohlenwasserstoffe bzw. diese Kettenträger in ausreichender Menge zugeführt werden oder daß eine hinreichende Menge dieser Verbindungen zum Zeitpunkt der Einspritzung im Verbrennungsraum erzeugt wird. Eine während des Kompressionshubes vor der Einspritzung des Haupttreibstoffes auftretende aktive Vorentflammungsreaktion hat sowohl die Wirkung einer Abkürzung des Zündverzugs als auch einer Verbesserung des danach stattfindenden Verbrennungsvorganges.

daß

Außerdem ist erkannt worden, wenn man die Vorentflammungsreaktion in Kompressionshub nach einer Fumigation mit verschiedenen Arten von Treibstoffen beobachtet, hinsichtlich des bei der Fumigation verwendeten Treibstoffes große Unterschiede bestehen.

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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese sog. Fumigation an einem Dieselmotor durchzuführen. Ein Teil des Treibstoffes wird reformiert; es entsteht ein Gemisch, das Zerfalls- und Oxi-

enthält. dationsprodukte des Treibstoffes Dieses Gemisch wird zusammen mit dem Gemisch der Kohlenwasserstoffe, die der Treibstoff enthält, danach in die Zylinder eingeführt.

Wird der reformierte Treibstoff in die Zylinder eingeführt, dann findet während des Kompressionshubes eine aktive Vorentflammungsreaktion statt. Vor Einspritzung des Haupttreibstoffes entstehen dann genügend Zwischenprodukte der Kohlenwasserstoffe und Träger von Kettenreaktionen.

I-.j führt zu einer beachtlichen Verringerung des Zündverzuges. Au-ercem führen eine Verbesserung der Luftnutzungsraten und der Verbrennungsgeschwindigkeit zu einer Verbesserung der Leistung. Wie bereits erwähnt, wird in die Zylinder reformierter Treibstoff, der als Folge der Reformierung eine relativ große Menge von Zwischenprodukten enthält, eingeführt. Dieser reformierte Treibstoff breitet sich während des Ansaug- und des Kompressionshubes vergleichsweise gleichmäßig im gesamten Innenraum der Zylinder aus und führt während dieser Zeitspanne zu einer iK"civen Vor entf lammung sreakt ion. Diese findet dann im gesamten Raum statt und ,erhöht, nach der Zündung durch Einspritzung des Haupttreibstoffes, die Verbrennungsgeschwindigkeit in beachtlichem Maße. Außerdem wird eine Nachverbrennung im Vergleich mit solchen herkömmlichen Dieselmotoren, bei denen Luft lediglich in Nähe der Quelle der Einspritzung der Haupteinspritzung vorhanden ist, erheblich verringert. Dies wiederum verbessert die Verbrennung im gesamten Innenraum der Zylinder der Luftnutzungsrate. Daraus folgt, daß die Menge des in den Zylindern erzeugten Rauches reduziert und damit die Leistung stark verbessert wird.

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Dia Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades des Dieselinotors erfolgt auch unter folgenden chemischen Gesichtspunkten:

Während eines durch Zündung unter Druck stattfindenden Verbrennungsvorganges beeinflußt die Zusammensetzung der den Treibstoff bildenden Kohlenwasserstoffe und der Verbrennungswirkungsgrad in starkem Ausmaß die Zündung des eingespritzten Treibstoffes und die Ausbreitung der Flamme. Das geschieht derart, daß die flüssigen Partikel des in den Verbrennungsraum eingespritzten und unter hohem Druck und hoher Temperatur gehaltenen Treibstoffes verdampfen und die verdampften Kohlenwasserstoffe den Zündmechanismus in seinen Verfahrensabläufen bis hin zur Zündung beeinflussen, die einer langsamen Oxidationsreaktion, begleitet von einer kalten Flamme, ausgesetzt ist. Die Zusammensetzung der den Treibstoff bildenden Kohlenwasserstoffe und der Verbrennungswirkungsgrad beeinflussen ferner auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme und damit die wandernden Reaktionszonen, die die Kerne des Zündvorganges umgaben, welche in einem verbrennbaren Gemischstahl enthalten sind; ferner beeinflussen sie die Geschwindigkeit der Verbrennung an der Grenzfläche zwischen der Flamme und dem brennbaren Gemisch.

Die Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe, die in Treibstoff für Dieselmotoren enthalten sind, ist nicht einheitlich; eine Analyse nach dem Verfahren der Absorption fluoreszenter Indikatoren zeigt, daß Treibstoff für Dieselmotoren Alkane enthält und zwar weitgehend n- und Isoparaffine, ferner Naphtene, und zwar weitgehend monocyklische und bicyklische Paraffine. Den Rest bilden Olefine mit einem, zwei oder mehreren oder auch gar keinem aromatischen Ring.

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Der Wirkungsgrad der Zündung von Dieseltreibstoff steht mit dem Phänomen des' Zündverzuges in den Zylindern in Beziehung. Betrachtet man die den Treibstoff bildenden Kohlenwasserstoffe, so ergibt sich, daß die η-Paraffine die besten Zündeigenschaften haben; es folgen danach - in abnehmender Folge - Olefine, die Naphtene, Iso-Paraffine und aromatische Kohlenwasserstoffe. Das ergibt sich aus Fig. 1, die für verschiedene Kohlenwasserstoffe und Petroleumdestillate die Zeitkonstanten für die Zer-

da^a· fallsreaktionen zeigt. Es ist ersichtlich, die normalerweise schwereren Petroleumdestillate bei geringeren Temperaturen leicht zerfallen. Es ergibt sich ferner aus Fig. 2, daß die Selbstentzündungstemperatur (die Mindestverbrennungstemperatur, bei der Treibstoff sich als Flamme verbrennt, wenn die Kohlenwasserstoffe in Luft erhitzt werden) bei Homologen mit zunehmendem Siedepunkt ansteigt und daß sie innerhalb der Stoffe mit gleichem Molekulargewicht in der Reihenfolge aromatische Kohlenwasserstoffe, Naphtene und Paraffine abnimmt.

In den Fig. 1 und 2 zeigt a Asphalt, b ein Rückstandsöl atmosphärischer Destillation, c ein leichtes Öl; d Naphta, e Hexan, f Penthan, g Butan, h Propan, i Äthan, j mononukleare aromatische Kohlenwasserstoffe, k Iso-Paraffin , 1 Cyclo-Paraffin, m η-Paraffin, η Monoolefine.

Ferner beeinflußt die Verbrennungsgeschwindigkeit eines Vorgemisches, die wiederum mit der Flammenausbreitung nach Zündung

zusammenhängt,

des brennbaren Gemisches in den Zylindern den restlichen Ablauf des Verbrennungsvorganges bis zu dessen Beendigung. In anderen Worten: die Verbrennungsgeschwindigkeit ändert sich in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe im Vorgemisch. Bei Kohlenwasserstoffen mit derselben Anzahl von Kohlenstoffatomen nimmt die Verbrennungsgeschwindigkiit mit dem Grad der NichtSättigung zu. Bei Homologen gilt, außer für Paraffin, daß sie mit der Anzahl der Kohlenstoffatome zunimmt.

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Die Verbrennungsgeschwindigkeit der Paraffine ist ungefähr dieselbe wie die von Stoffen mit mehr Kohlenstoffatomen. Hingegen ist die Verbrennungsgeschwindigkeit der aromatischen Kohlenwasserstoffe dieselbe wie die anderer Kohlenwasserstoffe. Es zeigt sich jedoch, daß sauerstoffhafcige Verbindungen eine höhere Verbrennungsgeschwindigkeit als Kohlenwasserstoffe haben.

Die Zunahme der Verbrennungsgeschwindigkeit der Kohlenwasserstoffe wird durch die Reformierungsreaktion erreicht, die eine Zersetzung und Oxidierung herbeiführt. Dabei erfolgt eine öffnung der Ringe durch Aufbrechen der C-C Bindungen. Dadurch werden geringfügig oxidierte Substanzen erzeugt. Es erfolgt dabei ferner eine Zunahme des Grades der NichtSättigung dieser Verbindungen durch Abspaltung von Wasserstoff von den C-H Bindungen.

Es ist bereits bekannt gewesen, daß bei Treibstoffen mit geringer Cetanzahl, die schlechte Zündfähigkeit anzeigt, eine normale Verbrennung wegen des zeitlich längeren Zündverzuges nur schwer erreichbar ist. Gibt man zu einem solchen Treibstoff jedoch ein oxidierendes Agens, z.B. ein organisches Peroxid oder ein Nitrat, zu und führt den Treibstoff dann in den Zylinder ein, so ergibt sich dadurch eine Verbesserung der Verbrennung im Zylinder. Man erklärt dies damit, daß bei Verbrennung der Kohlenwasserstoffe separat ein Promotor für die Erzeugung von Reaktionsprodukten zur Verfügung gestellt wird und dieser während der Induzierungsperiode der Oxidationsreaktion, die eine Vorentflammungsieaktion darstellt, akkumuliert wird, und daß dadurch der Start der Verbrennung erleichtert und die Verbrennungsgeschwindigkeit des Gasgemisches bei der Flammenausbreitung erhöht wird.

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Die Reformierung des Treibstoffes erfolgt z.B. unter folgenden Bedingungen: Verwendet man leichtes Dieselöl mit einem 10 %-Siedepunkt bei einer Destillationstemperatur von 2 3O°C einem 95 %-Siedepunkt bei 330°C und verbrennt man nun einen Teil dieses Treibstoffs bei verhältnismäßig geringer Temperatur und bei geringen Sauerstoffkonzentration, d.h. bei 400 bis 800°C, atmosphärischem Druck, bei einem Luft/Treibstoff-Verhältnis (nach Gewicht) von 1 bis 5, unter Verwendung von Oc-Tonerde als Katalysator und ferner bei einer, auf die Flüssigkeit bezogen, stündlichen Raumgeschwindigkeit von 0,5 bis 5,0 und wird er in der Dampfphase reformiert» wobei das Dampf/Treibstoff-Verhältnis 0,1 bis 0,5 (nach Gewicht) beträgt, so erhält man ein gasförmiges Produkt aus Sauerstoff enthaltenden Verbindungen, das das Oxidationsprodukt von Nicht-Kohlenwasserstoffen wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, sowie von Kohlenwasserstoffen mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ist, die mit einer Konvertierungs-Rate von 30 bis 80 % entstehen. Ferner erhält man dies zusammen mit flüssigen nicht reagierten Zerfallsund Oxidationsprodukten und einem Gemisch von Kohlenwasserstoffen.

In anderen Hörten: Man erhält ein Gemisch aus Zerfalls- und OxidationsproduKte des Treibstoffs und einem Gemisch von Kohlenwasserstoffen des Treibstoffs.

Eine Analyse dieser flüssigen unreagierten Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Treibstoffes und eines Gemisches von Kohlenwasserstoffen des Treibstoffes nach der Methode der Absorption fluoreszenter Indikationen zeigt, daß die Kohlenwasserstoff-Komponenten, die das leichte Dieselöl im wesentlichen bilden, durch den Zerfall in der Dampfphase, wie oben erwähnt, sehr stark reformiert werden und dabei der Gehalt an Alkanen, wie n- Iso-Paraffine und Naphtene, hauptsächlich bestehend aus

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Mono- und BIcyclo-Paraffinen, bemerkenswert abnimmt, während der Gehalt an Olefin-Kohlenwasserstoffen, hauptsächlich bestehend aus Mono- und Di-Olefinen bestehen,, zunimmt.

In anderen Worten: Die Kohlenwasserstoff-Komponente des Diesel-Treibstoffes wird im Wege einer Dehydrierung reformiert, und zwar durch Behandlung in Gegenwart einer geringen Menge von Luft und eines Nebels der Kohlenwasserstoff-Komponente, die den Diesel-Treibstoff bildet, ferner im Wege einer Bildung .niedrigerwertiger Kohlenwasserstoffe durch Aufbrechen der chemischen Bindungen der Kohlenwasserstoffe, sowie ferner im Wege einer Zerfalls- und Oxidationsreaktion, wie es die Erzeugung von olefinischen Kohlenwasserstoffen durch die öffnung von Ringen darstellt.

Die Zusammensetzung der erwähnten Produkte, die in dem Gemisch enthalten sind, das durch die Zerfalls- und Oxidationsprodukte und das Gemisch von Treibstoff-Kohlenwasserstoffe gebildet und kann durch die einzelnen Parameter der Reformierung, so die Temperatur, das Luft/Treibstoff-Verhältnis, die Verwendung eines Katalysators bzw. seine Auswahl, verändert werden.

Das beschriebene Gemisch aus Zerfalls- und Oxidationsprodukte und dem Gemisch von Treibstoff-Kohlenwasserstoffen führt zu einer Verbesserung des VerbrennungsVorganges, da es Zwischenprodukte enthält, die die Verbrennung verbessern, nachdem sie in die Zylinder eingeführt worden sind bzw. ein Gemisch bilden, das sehr leicht Träger einer Kettenreaktion erzeugt.

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Fig. 3 zeigt einen Dieselmotor mit einem Zylinder 1 und einem Haupt-Luftansaugrohr 2. Mit einem Bereich des Haupt-Luftansaugrohres 2 ist ein HiIfs-Luftansaugrohr verbunden. Mit diesem sind, stromaufwärts gesehen, eine Reformierungs-Einrichtung 6, eine Luftmeß- und Zuführungs-Einrichtung 5 (Luft-Dosier-Einrichtung) und eine Luftpumpe 4 verbunden. Die Luftpumpe 4 wird voir. Motor her angetrieben. Der Lufteinlaß der Luftpumpe 4 ist mit einem Luftfilter 14, der Luftauslaß mit der Luft-Dosier-Einrichtung 5 verbunden. Stromabwärts hinter der Luftpumpe 4 ist eine Druckregelungsvorrichtung 7 vorgesehen. Sie hält den

Druck der Luft, die von der Luftpumpe 4 an die Luft-Dosier-Einrichtung abgegeben wird, auf einem relativ niedrigen und konstanten Wert. Die überschüssige Luft fließt aus der Druckregelungseinrichtung 7 in das Haupt-Lufteinlaßrohr 2 zurück.

Ferner ist eine Einspritz-Einrichtung 9 vorgesehen; sie wird von einer Einspritzpumpe mit einem pneumatischen Regler ge-

der
bildet, zur Verwendung in einem normalen Dieselmotor geeignet ist. Ausgangsseitig einer Haupt-Drosselklappe 8 ist im Haupt-Luftansaugrohr 2 ein HiIfs-Venturirohr 10 vorgesehen, das negativen Druck abnimmt und mit einer Vakuumkammer in Treibstoff -Einspritz-Einrichtung 9 über die den negativen Druck führende Leitung 11 verbunden ist. Die Vakuumkammer steht über eine Membrane mit einem Steuerstößel verbunden. Eine Änderung der Position des Steuerstößels führt zur Änderung der Menge des eingespitzten Haupt-Treibstoffes.

An jedem Zylinderkopf ist eine Treibstoff-Einspritzdüse 9a vorgesehen, die über eine Einspritzleitung 12 mit der Einspritz-Einrichtung 9 verbunden ist. Durch sie wird jeweils eine bestimmte Menge des Haupt-Treibstoffes'in den Motor eingespritzt. Diese Menge von einer Kolbenpumpe abgemessen und eingespritzt.

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Ferner ist eine Einspritzdüse 9b vorgesehen, die mit einer HilfsKolbenpumpe (nicht gezeigt) verbunden ist und die separat von den Kolbenpumpen, die in der Einspritzeinrichtung 9 für jeden Zylinder vorgesehen sind, Treibstoff fördert. Die Verbindung erfolgt über die Leitung 13. Die Hilfs-Treibstoff-Kolbenpumpe , die die Einspritzdüse 9b versorgt, wird gleichzeitig mit den anderen dem Zylinder zugeordnete Kolbenpumpen von einer gemeinsamen Nockenwelle angetrieben. Der Aufbau dieser zusätzlichen Kolbenpumpe für den Hilfs-Treibstoff ist ist der gleiche wie der der anderen Kolbenpumpen, die den einzelnen Zylindern zugeordnet sind. Der Durchmesser des Kolbens der zusätzlichen Kolbenpumpe ist dabei so bestimmt, daß die Menge des Hilfs-Treibstoffes , die pro Hub des über die Einspritzdüse 9b in die Luft-Dosier-Einrichtung eingespritzt wird, 8 bis 25 % der Haupttreibstoffmenge beträgt.

Die Luft-Dosier-Einrichtung 5 besteht aus einem Treibstoffsammler 51, einem Steuerventilkörper 52, einer Feder 55, einem Lufteinlaß 56 , einer im Durchlaßquerschnitt veränderbaren Öffnung 57 , einem 2/ufteinspritzrohr 5 8 und einem Treibstoff-Einspritzrohr 59 für den Hilfs-Treibstoff. Der Steuerventilkörper 52 ist mit einer Einkerbung 53 und an einem Ende mit einer? Ventilnadel 54 versehen. Da der Steuerventilkörper 5 2 gegen die Kraft der Feder 55 zusammengedrückt werden kann, ergibt sich demgemäß, daß mit Zunahme der von der Einspritzdüse 9b in den Treibstoffsammler 51 eingespritzten Menge Hilfs-Treibstoff die Durchtrittsfläche von der Einkerbung 5 3 in das Treibstoff-Einspritzrohr 59 proportional zunimmt. Die Ventilnadel 54 bewegt sich dann so, daß die Durchtrittsfläche durch die Öffnung 57 zwischen dem Lufteinlaß 56 und dem Lufteinspritzrohr 5 8 auch entsprechend größer wird.

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Auf diese Weise ist durch Anpassung der Durchtrittsflächen ein konstantes Gewichtsverhältnis der Durchflußmenge der in die Reformierungsvorrichtung eingespritzten Hilfs-Luft und der Durchflußmenge des zugeführten Hilfs-Treibstoffes gewährleistet. Die Luft-Dosier-Einrichtung 5 bewirkt also, daß in die Reformierungs-Einrichtung 6 Hilfs-Treibstoff in feststehender Proportion zur eingespritzten Menge des Haupt-Treibstoffes und ferner dazu in feststehendem Gewichtsverhältnis eine entsprechende Luftmenge eingeleitet wird. In der Reformierungs-Einrichtung 6 wird der Hilfs-Treibstoff und die Hilfs-Luft, die von der Luft-Dosier-Einrichtung 5 zugeführt werden, reformiert. Das reformierte gasförmige Gemisch fließt von dort in das Haupt-Lufteinlaßrohr 2.

Die Reformierungs-Einrichtung weist ein Gehäuse 20 auf, von dem aus stromaufwärts das Lufteinspritzrohr 5 8 für die Hilfs-Luft und das Treibstoff-Einspritzrohr 59 für den Hilfs-Treibstoff vorgesehen sind. In dem Gehäuse 20 sind ein Verbrennungszylinder 21, eine Zündeinrichtung (Zündkerze) 22 und die beiden Reaktions- oder Katalysatorbetten 23 und 2U vorgesehen. Der Verbrennungszylinder 21 ist an seinen beiden Enden offen und definiert so einen durch ihn hindurchgehenden inneren Durchtrittspfad 25 innerhalb des VerbrennungsZylinders 21 und einen äußeren Durchtrattspfad 26 zwischen dem Verbrennungszylinder und dem Gehäuse 20; der innere Durchtrittspfad und der äußere Durchtrittspfad 26 stehen an den beiden offenen Enden des Verbrennung szy linders 21 miteinander in Verbindung. Der Verbrennungszylinder 21 weist zahlreiche Durchbrüche 27 auf, über die der innere Durchtrittspfad 25 mit dem äußeren Durchtrittspfad 26 in Verbindung steht. Der Bereich, in dem auf der Oberseite

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Zündkerze 22 vorgesehen ist, kann geöffnet werden. Das Lufteinspritzrohr 58 öffnet sich in den'äußeren Durchtrittspfad 26, und zwar in Nähe des Treibstoff-Einspritzrohres 59. Die aus dem Lufteinspritzrohr 58 eintretende Hilfs-Luft gelangt teilweise direkt auf den inneren Durchtrittspfad 25, teilweise gelangt sie über die Durchbrüche 27 im Verbrennungszylinder 21 auf den inneren Durchtrittspfad 25. Der Rest der Hilfs-Luft vereinigt sich mit demjenigen, der durch den inneren Durchtrittspfad 2 5 hindurch strömt, stromabwärts des Verbrennungszylinders 21 und strömt bis dort über den äußeren Durchtrittspfad 26. In den inneren Durchtrittspfad 25wird der Hilfs-Treibstoff direkt von dem Treibstoff-Einspritzrohr 59 eingespritzt. Die Zündvorrichtung 22 wird durch eine normale Zündkerze gebildet, wie sie üblicherweise in einem Verbrennungsmotor verwendet wird, jedoch ohne Verteiler. Durch einen Funken wird eine Zündung herbeigeführt. Das erste Reaktionsbett 2 3 enthält feuerfest Materialien, wie Tonerde u. dgl. in Form von Waben. Es hat einerseits die Funktion eines Wärmespeichers, andererseits die Funktion, die Ausbreitung der Flamme stromabwärts zu verhindern. Darauf folgt ein Reaktionsbett 24, in dem je nach Bedarf ein Katalysator vorgesehen ist.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt ferner ein Einlafi>ventil 15, ein Auslaßventil 16, einen Einlaßkanal 17, einen Auslaßkanal 18 und einen Kolben 19.

Der Haupt-Treibstoff wird durch die Einspritzvorrichtung 9 und die Einspritzdüse 9a in den Zylinder eingespritzt. Wie oben erwähnt, wird in eine dazu in festem Verhältnis stehende Menge Treibstoff, die 8 bis 25 % des Haupt-Treibstoffes beträgt, abgemessen und als Hilfs-Treibstoff in das Treibstoff-Einspritzrohr 59 der Reformierungs-Einrichtung 6 eingespritzt. Die Zumessung und Einspritzung erfolgt über die Einspritzdüse 9b und

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und die Luft-Dosier-Einrichtung 5. Die Luft-Dosier-Einrichtung 5 steuert ferner entsprechend der Durchflußmenge des Hilfs-Treibstoffes die Durchflußmenge der Hilfs-Luft, die durch das Lufteinspritzrohr 58 eingeführt wird, so daß das Luft/Treibstoff-Verhältnis (nach Gewicht) innerhalb der Reformierungs-Einrichtung 6 gehalten wird. Es liegt zwischen 1 bis 5. In der Reformierungseinrichtung 6 nimmt der Hilfs-Treibstoff, der auf den inneren Durchtrittspfad 2 5 eingespritzt wird, die Form von Flüssigkeitspartikeln an. Währenddem nun der Hilfs-Treibstoff in Form von Flüssigkeitspartikeln durch die Hilfs-Luft hindurchtritt, die von dem Lufteinspritzrohr 58 in den Verbrennungszylinder 21 eintritt, entsteht auf der Oberfläche dieser Partikel ein zündfähiges und brennbares Gemisch. Durch einen Zündfunken der Zündkerze wird dies einfach gezündet und verbrennt als Flamme. Das Entstehen von Wärme, während des Verbrennungsvorganges begünstigt die Verdampfung der flüssigen Partikel. Da die zugeführte Luft für eine perfekte Verbrennung nicht ausreicht, verbrennt ein Teil des Hilfs-Treibstoffes. Der Rest geht -entweder in Gasform über oder zerfällt in gasförmigen Treibstoff mit hoher Temperatur. Die Flamme beginnt also wieder zu verschwinden.

Das von dem Verbrennungszylinder 21 stromabwärts in das Reaktionsbett 23 einströmende Gas ist ein Gasgemisch mit hoher , Temperatur. Es besteht aus einer Restflamme, verbranntem Gas, das Wasser enthält, das durch Teilverbrennung des Treibstoffes entstanden ist, eine geringe Menge über den äußeren Durchtrittspfad geströmte Luft und gasförmigen Treibstoff. Dieses Gemisch heizt das Reaktionsbett 23 auf. Gleichzeitig verschwindet die Flamme wieder. Die Temperatur des Gasgemisches wird also gleichmäßig. Das Gemisch führt zu einer Zerfalls- und Oxidationsreaktion. Führt man dieses Gemisch durch ein Reaktionsbett 24 hindurch, in dem ein Katalysator vorgesehen ist und das, falls

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notwendig, hinter dem Reaktionsbett 2 3 vorgesehen wird, wird die Reaktion des Gasgemisches noch weiter gefördert. Durch diese Vorgänge wird das Gemisch der Kohlenwasserstoffe reformiert. Das reformierte gasförmige Gemisch strömt durch die Reaktionsbetten 2 3 und 24 und wird in dem Haupt-Lufteinlaßrohr 2 in den Haupt-Luftstrom vereinigt und gemischt und dann mit diesen während des Ansaughubes des Motors in den Zylinder 1 eingeführt. Auf diese Weise wird, wie bereits oben erwähnt, ein Gemisch aus Zerfalls- und Oxidationsprodukten und einem Gemisch von Treibstoff-Kohlenwasserstoffen als reformierter Treibstoff in den Zylinder 1 eingeführt und bewirkt darin eine Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades des Dieselmotors. Vorzugsweise betrug bei diesem Ausführungsbeispiel die Durchflußmenge des Hilfs-Treibstoffes 8 bis 20 % der Durchflußmenge des Haupt-Treibstoffes. Bei weniger als 8 % tritt keine hinreichende Fumigation mehr auf. Bei mehr als 25 % erhält man einen unerwünschten Zündvorgang vor der Einspritzung des Haupt-Treibstoffes , die bei Beendigung des Kompressionshubes stattfindet.

Die Reformierung kann dadurch beeinflußt'werden, daß die Katalysatormaterialien in den Reaktionsbetten 2 3 und 24 so ausgewählt werden, daß die Zerfalls- und Oxidationsreaktionen bereits bei Kontakt, der Teil der Hauptreaktion ist, gefördert werden. Die Verwendung eines Katalysators erlaubt es, je nach Wunsch die Zusammensetzung des Gemisches aus Zerfalls- und Oxidationsprodukten und einem Gemisch von Treibstoff-Kohlenwasserstoffen so zu bestimmen, daß die Beeinflussung des Verbrennungsmechanismus möglichst günstig wird. Dies erfolgt durch entsprechende Bestimmung der wichtigsten Parameter, wie z.B. der Temperatur, der Menge zugefühften Luft im Hinblick auf die Sauerstoffkonzentration, der stündlichen Durchsatzgeschwindigkeit des flüssigen Treibstoff-Kohlenwasserstoffes im Hinblick auf ein bestimmtes Katalysatorvolumen, usw.

Patentansprüche: 509847/0443

Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zum Betrieb eines Dieselmotors, bei dem eine erste '""' Menge Luft in einen Verbrennungsraum eingeleitet und eine zweite Menge Treibstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Gemisch aus einer dritten Menge Treibstoff und einer vierten Menge Luft in eine Reformierungs-Einrichtung (6) eingeleitet und darin in ein zweites Gemisch überführt wird, das Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Treibstoffs enthält, und dieses zweite Gemisch im Verbrennungsraum zusammen mit der nicht durch die Reformierungs-Einrichtung (6) geleiteten zweiten Menge Treibstoff verbranrft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht durch die Reformierungs-Einrichtung (6) geleitete erste Menge Luft und das zweite Zerfalls- und Oxidationsprodukte enthaltende Gemisch während des Ansaughubes des Dieselmotors in den Verbrennungsraum eingeleitet werden.

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Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem ersten der Reformierungs-Einrichtung zugeführten Gemisch enthaltene dritte Menge Treibstoff 8 bis 25 % der zweiten Menge des Treibstoffs, die eingespritzt wird, beträgt.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierung bei einer Temperati
phärischem Druck stattfindet.

formierung bei einer Temperatur von 400 bis 800°C unter atmos-

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft/ Treibstoff-Verhältnis des ersten Gemisches 1 bis 5 beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Re-•formierung in der Reformierungs-Einrichtung (6) derart erfolgt, daß das zweite Gemisch Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierung in der Reformierungs-Einrichtung derart erfolgt, daß das zweite Gemisch Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gemisch und die nicht durch den Reformer geleitete erste Menge Luft vor ihrer Einleitung in den Verbrennungsraum miteinander vermischt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierung dadurch erfolgt, daß das erste Gemisch durch eine in der Reformierungs-Einrichtung (6) angeordnete Zündkerze (22) gezündet wird.

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10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gemisch in der Reformierungs-Einrichtung (6) durch einen Katalysator (23, 2U) hindurchgeleitet wird.

11. Dieselmotor, bei dem eine Treibstoff-Einspritzvorrichtung Treibstoff in einen Verbrennungsraum einspritzt, in dem ein Kolben angeordnet ist, und dem ein Luftzuführungssystem Luft zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luft-Zuführungssystem (13, 9b, 51, 53, 59) für Hilfs-Luft und ein Treibstoff-Zuführungssystem (56, 57, 58) für Hilfs-Treibstoff vorgesehen ist, die die Hilfs-Luft und den Hifs- Treibstoff in eine Reformierungs-Einrichtung (6) einleiten, die den Hilfs-Treibstoff ein Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Treibstoffes enthaltendes Gemisch überführt, und dieses in den Verbrennungsraum (1) einleitet.

12. Dieselmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierungs-Einrichtung (6) durch eine mit dem Luftzuführungs system (2) in Verbindung stehende Kammer (20) gebildet wird, die mit dem Luftzuführungssystem (13, 9b, 51, 53, 59) für die Hilfs-Luft und dem Treibstoff-Zuführungssystem (56, 57, 58) für den Hilfs-Treibstoff über eine Einrichtung (5) in Verbindung steht, die die zugeführte Menge Hilfs-Luft in Abhängigkeit der zugeführten Menge Hilfs-Treibstoff steuert und in der Kammer (20) eine Zündkerze (22) vorgesehen ist, die den Hilfs-Treibstoff zündet.

13. Dieselmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reformierungs-Einrichtung (6) stromabwärts der in der Kammer (20) angeordneten Zündkerze (22) ein Katalysator (23, 24) vorgesehen ist.

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14. Dieselmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in
der Kanuner (20) ein Zylinder (21) angeordnet ist, der mit
Öffnungen (27) versehen ist, und die Zündkerze (22) in dem
Zylinder (21) angeordnet ist.

15. Dieselmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (23) °<-Tonerde ist.

16. Dieselmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) die Durchflußmenge der Hilfs-Luft proportional der Durchflußmenge des Hilfs-Treibstoffs bestimmt.

17. Dieselmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das ■ Luft/Treibstoff-Verhältnis des Gemisches der Hilfs-Luft und

des Hilfs-Treibstoff 1 bis 5 beträgt.

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