DE4341038A1 - Anlage zur Kraftstoffversorgung von Verbrennungs-Kraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Anlage zur Kraftstoffversorgung von Verbrennungs-Kraftmaschi­ nen für Flüssigkraftstoffe, insbesondere Dieselmo­ toren, mit einem Kraftstoffreservoir, von dem eine Rohrleitung entweder mit oder ohne Einspritzpumpe zu einer Vorrichtung zur Aufbereitung des Kraft­ stoff-Luft-Gemisches führt, die mit dem Brennraum in Verbindung steht oder zu einer Einspritzpumpe führt, die direkt oder mittels Druckleitung mit ei­ ner Einspritzdüse verbunden ist, die in den Brenn­ raum mündet.

In den Verbrennungskraftmaschinen gattungsgemäßer Art findet eine Energieumwandlung von chemischer Energie, die durch kontinuierliche oder periodische Verbrennung eines komprimierten Gemisches aus Sau­ erstoff, im allgemeinen Luft, und aus in der Regel flüssigen Kohlenwasserstoffen, wie zum Beispiel Ke­ rosin, Benzin, Petroleum oder Diesel, freigesetzt wird, in mechanische Energie statt. Prinzipiell eignen sich für diese Energieumwandlung Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren, in deren Brennraum ein aufbereitetes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingesaugt oder mit Hilfe einer Einspritzpumpe über eine Einspritzdüse in den Brennraum eingespritzt wird, in dem dann durch Fremdzündung über eine Zündkerze oder durch Selbstzündung aufgrund der ho­ hen Temperatur der vorher im Brennraum hoch ver­ dichteten Luft die Verbrennung eingeleitet wird. Die Zusammensetzung der Abgase und Wirkungsgrad der Verbrennungs-Kraftmaschine hängt außer von ihren konstruktiven Merkmalen im wesentlichen von der op­ timalen Verbrennung, das heißt dem zeitlichen Ab­ lauf des Verbrennungsvorganges und der Vollständig­ keit der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ab. Die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommt demgemäß eine außerordentlich wichtige Bedeu­ tung zu. Eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffs läßt sich vor allem durch eine hochdisperse Aufbereitung vor Beginn des Verbren­ nungsvorganges erzielen. Diese erfolgt bei Motoren mit äußerer Gemischbildung mittels Vergaser oder Einspritzpulpe mit Einspritzdüse im Saugrohr, das zum Verbrennungsraum führt oder innerhalb des Brennraumes, in den die Zufuhr des Kraftstoffes di­ rekt oder indirekt erfolgt. Letzteres ist beim mit Diesel betriebenem Vorkammermotor, Wirbelkammermo­ tor und Luftspeichermotor verwirklicht.

Trotz dieser Vorrichtungen gelingt es selbst bei einem stöchiometrischen Verhältnis von Luft und Kraftstoff nicht, die als schädlich angesehenen An­ teile des Abgases zu eliminieren oder auf wün­ schenswerte bzw. gesetzlich vorgeschriebene Höchst­ werte zu reduzieren. Es handelt sich dabei um Stickoxyde, insbesondere Stickstoffmonoxyd NO und Kohlenmonoxyd CO, deren gesundheit- und umweltschä­ digende Wirkungen unbestritten sind, sowie um wir­ kungsgradmindernde unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Die Konzentration der genannten Schadstoffe hängt entscheidend von der Gemischzusammensetzung ab und kann folglich durch eine entsprechende Steuerung des Gehaltwertes, das heißt des Anteils des Kraft­ stoffes im Gemisch, beeinflußt werden. So läßt sich zwar durch Überschuß an Luft eine Verminderung des Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasser­ stoffe erzielen, dabei muß jedoch in Kauf genommen werden, daß sich der Gehalt an Stickstoffmonoxid erhöht. Andererseits vermindert ein Überschuß an Kraftstoff im Luft- Kraftstoffgemisch den Ausstoß von Stickstoffmonoxid, erhöht aber dabei gleichzei­ tig den Ausstoß an Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Selbst im Falle eines Magerge­ misches beträgt beispielsweise der Kohlenstoffan­ teil noch 0,1-0,8% im Abgas. Ein Oxydationskata­ lysator, der im Abgasrohr eingesetzt ist, ermög­ licht das Kohlenmonoxid und die unverbrannten Koh­ lenwasserstoffe bei Motoren, die mit geringem Ge­ haltswert gefahren werden, mit dem Restsauerstoff oder durch Zusatzluft, die in den Auslaßkreis ein­ geführt wird, zu oxidieren. Die teilweise oder vollständige Eliminierung des Stickstoffmonoxids läßt sich in thermischer Hinsicht als auch hin­ sichtlich des hierzu notwendigen Katalysators nur schwer realisieren. Bei heute bekannten Katalysato­ ren verbleibt ein großer Anteil der Dissoziations­ produkte des NO-Moleküls an der Oberfläche des Ka­ talysators. Liegt der Partialdruck des molekularen Sauerstoffs in der Umgebung des Katalysators erheb­ lich über dem Druck des vorhandenen Stickstoffmono­ xids, so ist die Wirkung des Katalysators praktisch außer Kraft gesetzt. Mit den derzeit zur Verfügung stehenden Katalysatoren läßt sich der Anteil der Stickoxide in den Abgasen der Motoren, insbesondere mit geringer Steuerung, wie zum Beispiel Motoren mit elektronischer Einspritzung oder Dieselmotoren, nicht im gewünschten Maße reduzieren.

Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, eine ge­ eignete Anlage zur Verfügung zu stellen, die die Herstellung einer Treibstoffemulsion erlaubt, die nach dem Verbrennungsvorgang in der Brennkammer in den ausgestoßenen Abgasen im Vergleich zu den her­ kömmlichen Verfahren erheblich geringere Anteile von unerwünschten Schadstoffen, vor allem Kohlen­ monoxid CO, Stickoxiden, insbesondere Stickstoff­ monoxid NO und unverbrannte Kohlenwasserstoffe ent­ hält.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Einspritzpumpe oder der Vorrichtung zur Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches eine mittels Emulsionsturbine erzeugte Kraftstoff-Was­ ser-Emulsion zugeführt wird, in dem Wasser und Kraftstoff in definierten Anteilen enthalten sind.

Durch die Verwendung von Kraftstoff-Wasser-Emulsio­ nen lassen sich gegenüber den anderen bekannten Verfahren zur Reduzierung der Schadstoffemission erheblich geringere Konzentrationen erreichen. Die tatsächlich erzielbare Verringerung der Schadstof­ femission hängt außer von der Zusammensetzung der Emulsion von den Konstruktionsmerkmalen, das heißt von der Art und dem Typ der Verbrennungs-Kraftma­ schine ab. Versuche mit Dieselmotoren beispiels­ weise zeigen, daß sich bei Motoren mit Direktein­ spritzung und Luftansaugung bemerkenswerte Reduzie­ rungen bei der Schadstoffemission von Stickoxiden und Kohlenmonoxid erzielen lassen. Eine Kraftstof­ femulsion mit 20% Wassergehalt führt bei dem be­ nannten Motortyp zu einer Verringerung der Sticko­ xidemission von etwa 30% bei Vollast und bis zu 50 % bei Teillasten. Die CO-Emission ist bei gleichen Bedingungen ebenfalls deutlich geringer. Darüber hinaus verringert der Wasseranteil die Dichte des Abgasrauches, das bedeutet eine Erhöhung der Motor­ leistung und eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Motors. Die Leistungserhöhung im Falle eines Motors mit Direkteinspritzung und Luftansaugung kann bis zu 20% betragen. Für die meisten Verbrennungsmoto­ ren scheinen Kraftstoffemulsionen mit ca. 20% Was­ sergehalt hinsichtlich Wirkungsgrad des Motors so­ wie der NO-Emission optimale Ergebnisse zu liefern. Dies läßt sich insbesondere beim aufgeladenen Motor mit Direkteinspritzung erkennen, bei dem eine Die­ selöl-Wasser-Emulsion im vorgeschlagenen Mischungs­ verhältnis zu einer Verringerung der NO-Emission von 30% bei allen Versuchslasten und eine Vermin­ derung der CO-Emission von mehr als 50% bei star­ ker Last führt. Insgesamt zeigen Versuche mit Ver­ brennungsmotoren, die statt mit Gasöl mit einer Gasöl-Wasser-Emulsion betrieben werden, daß sich die Stickemission im Auspuff um bis zu 70% vermin­ dert, bei der Kohlenmonoxidemission eine Verringe­ rung von 30 bis 50% erzielen läßt, die Leistung um bis zu 20% steigert und den Wirkungsgrad des Mo­ tors erhöht sowie die Auspufftemperatur erheblich verringert.

Diese außerordentlich positiven Ergebnisse bei der Verwendung einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion lassen sich auf die Mikrofraktionierung kleiner Molekülag­ glomerate zurückführen, welche sich aus sehr fei­ nen, von einer dünnen Schicht des flüssigen Kohlen­ wasserstoffs umgebenden Wassertröpfchen zusammen­ setzen. Die durch die Kompression in der Brennkam­ mer freigesetzte Wärme, die zu einer starken Tempe­ raturerhöhung der Luft führt, leitet das Verdampfen der Wassertröpfchen ein, was wiederum zum Bersten der Emulsionströpfchen führt, die nur zum Teil ver­ dampft sind. Dieser Vorgang ist mit einem erhöhten Zündverzug in der ersten Verbrennungsphase verbun­ den und bedingt aufgrund des Berstens der Tröpfchen ein disperses Gemisch, die eine starke Massezün­ dung, die durch einen sehr hohen Druckverlauf ge­ kennzeichnet ist, bewirkt. Da ein Teil der so frei­ gesetzten Wärme vom Wasserdampf aufgesogen wird, kommt es zu einer Temperaturabnahme und abhängig vom vorliegenden Motortyp zu einer Verringerung der Leistung des Arbeitsspiels. Die Verdünnung der Flamme durch den Wasserdampf ergibt eine verbesser­ ten Füllung des Motors, was wiederum zu einer Erhö­ hung des Wirkungsgrades des Motors mit Direktein­ spritzung bedingt. Die Verminderung der Rußbildung am Auspuff bei Einsatz der Kraftstoff-Emulsion läßt sich auf das Verdampfen der Wassertröpfchen zurück­ führen, da dies einerseits die Kraftstoffteilchen zum Bersten bringt und andererseits aufgrund der nötigen Verdampfungswärme die Temperatur des Gemi­ sches erniedrigt. Damit ist dem Crackprozeß, der insbesondere hohe Temperaturen und große Kraft­ stoffteilchen zur Voraussetzung hat und die Rußbil­ dung bedingt, die Grundlage weitgehend entzogen. Des weiteren reagiert das Wasser bei entsprechend hohen Temperaturen mit dem Kohlenstoff (Ruß), der sich beim cracken oder anderweitig gebildet hat, dergestalt, daß die Kohlenstoffteilchen in Kohlen­ monoxid und Wasserstoff überführt werden. Dabei kommt es trotz der Bildung von Kohlenmonoxid CO nicht zu einem erhöhten CO-Gehalt in den Abgasen. Weiterhin wirkt sich das beim Verbrennungsvorgang vorhandene Wasser vorteilhaft auf die Erniedrigung der Stickoxidbildung aus, da seine Entstehung wegen der geringeren Flammentemperatur (Verbrennungstemperatur) aufgrund des Entzugs von Verbrennungswärme durch die Verdunstung stark ge­ mindert wird und die Wirksamkeit des Katalysators, die mit steigender Sauerstoffkonzentration in der Umgebung desselben erheblich herabgesetzt wird, durch die verdünnende Wirkung des Wassers auf den zum Beispiel bei der Zerlegung des Stickoxyds am Katalysator gebildeten Sauerstoff eine weniger starke Beeinträchtigung erfährt. Die teilweise er­ hebliche Reduktion der Schadstoffanteile im Abgas durch das Wasser beruht im wesentlichen auf dem Um­ satz der latenten Wärme bei den Phasenübergängen und der kinetischen Prozesse bei seiner Verdamp­ fung.

Grundsätzlich ist es von Vorteil, die Wasser-Kraft­ stoff-Emulsion mittels Hinzufügung kleiner Mengen ein- oder mehrkomponentiger Emulgatoren zu stabili­ sieren. Besondere Bedeutung kommt dieser Maßnahme bei der Versorgung von Wärmekraftmaschinen zu, die über keine eigene Verarbeitungsanlage verfügen oder - falls es die Betriebsbedingungen erfordern - die mit der Verbrennungs-Kraftmaschine im Verbund zu­ sammenwirkende Emulsionsaufbereitungsanlage eine Lagerung der Kraftstoff-Emulsion in einem Zwischen- Speicher erforderlich macht. Im Rahmen der Erfin­ dung steht es frei, den Emulgator dem Wasser und/ oder dem Kraftstoff bzw. dem Wasser-Kraftstoff-Ge­ misch beizumischen.

Um die Versorgung der Verbrennungs-Kraftmaschine mit einer hochdispersen Kraftstoff-Wasser-Emulsion zu gewährleisten, ist es grundsätzlich von Vorteil, dieselbe möglichst unmittelbar nach deren Herstel­ lung dem Motor zuzuführen und so einer Entmischung bzw. einer Koagulation der Teilchen entgegenzuwir­ ken. Insbesondere ist die Gefahr der Entmischung beider Komponenten nahezu ausgeschlossen. Aber auch die Beschaffung der beiden Treibstoffkomponenten Wasser und flüssiger Kohlenwasserstoff bereitet vor allem bei mobilen Verbrennungs-Kraftmaschinen bei dem heute bestehenden Vertreibungsnetz für flüssige Kohlenwasserstoffe keinerlei Probleme.

Für die Aufbereitung der Treibstoffemulsion ist er­ findungsgemäß in unmittelbarer Nähe der Verbren­ nungs-Kraftmaschine eine Emulsionsturbine mit zuge­ hörigen Behältern für Kraftstoff und Wasser bzw. für ein Kraftstoff-Wasser-Gemisch vorzusehen, von denen mittels Rohrleitung bzw. Rohrleitungen die Zufuhr der zu emulgierenden Flüssigkeit erfolgt. Die Emulsion kann dann unmittelbar mittels Rohrlei­ tung der Einspritzpumpe bzw. der Vorrichtung für die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches - im allgemeinen ein Vergaser - zugeführt werden, ohne daß, vor allem bei kurzen Rohrleitungen, die Gefahr der Entmischung der Emulsion ohne zusätzliche Maß­ nahmen zu deren Verhinderung, besteht. Bei statio­ nären Verbrennungs-Kraftmaschinen läßt sich das Wasser direkt aus dem Leitungsnetz unter Einsatz eines in die Rohrleitung eingebauten Druckminderers entnehmen.

Um das Ergebnis der Emulsionserzeugung in der Emul­ sionsturbine zu verbessern und effizienter durch­ führen zu können, wird vorgeschlagen, das Wasser und den Kraftstoff zunächst einem Mischer zuzufüh­ ren und das erhaltene Gemisch in der Emulsionstur­ bine zu emulgieren. Der Mischer stellt sicher, daß sich in der Emulsionsturbine jederzeit die Emulsi­ onskomponenten in den erforderlichen Anteilen und etwa in homogener Verteilung vorfinden.

Diese Ziele lassen sich in einer Weiterbildung noch erheblich besser verwirklichen, wenn sich in den von Wasser- und Kraftstoffbehälter bzw. dem Wasserkraftstoffbehälter wegführende Leitungen Do­ sierpumpen befinden, die ebenso wie die Emulsions­ turbine mit einem Regelgerät in Verbindung stehen. Dadurch kann mittels der Dosierpumpen, die mit ei­ nem Steuergerät in Verbindung stehen, der Emulsi­ onsturbine eine den Betriebsbedingungen des Motors gemäße Menge an Treibstoffemulsion der als optimal erkannten Zusammensetzung der Emulsionskomponenten bereitgestellt werden. Im Rahmen der Erfindung steht weiterhin frei, mittels des Regelgerätes auch den Antrieb, das heißt die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine, abhängig vom momentanen Flüssigkeits­ durchfluß zu verändern. Regelgeräte nach dem gegen­ wärtigen Stand der Technik gestatten eine Vielzahl von Betriebsparametern wie Drehzahl, Temperatur, Druck und dergleichen zu verarbeiten und die Zusam­ mensetzung sowie den Durchfluß der Treibstoffemul­ sion entsprechend der Parameter, die den Schad­ stoffgehalt im Abgas, aber auch den Wirkungsgrad und die Leistung der Verbrennungs-Kraftmaschine be­ einflussen, optimal zu steuern. Auf dem Regelgerät vorzusehende Anzeigen geben Auskunft über die mo­ mentanen Betriebsverhältnisse der Anlage aber auch, sofern nötig und von Interesse, den entsprechenden Motorparametern. Stellschrauben am Regelgerät er­ lauben die Durchführung von Steuerungsmaßnahmen, die aufgrund anderer Treibstoffeigenschaften oder Treibstoffqualitäten oder sogar einer anderen Treibstoffart zwangsläufig notwendig sind.

Um jederzeit, insbesondere unter extremer Motoren­ belastung die notwendige Menge an Treibstoffemul­ sion zur Verfügung zu haben, wird ein Zwischenspei­ cher vorgeschlagen, den die Emulsionsturbine füllt und von dem im allgemeinen mittels einer Pumpe der Treibstoff dem Motor zugeführt wird. Diese zusätz­ liche Einrichtung erweist sich insbesondere beim Anlassen des Motors als sehr vorteilhaft, vor allen Dingen dann, wenn die Emulsionsturbine nicht mit einem eigenen Elektromotor versehen ist, sondern der Antrieb der Emulsionsturbine bei laufendem Mo­ tor, beispielsweise durch die Kurbelwelle mittels eines über eine Antriebsscheibe gelegten Transmis­ sionsriemens erfolgt. In diesem Falle wird eine Zeitverzögerung der Lieferung der notwendigen Menge an Treibstoffemulsion von der Emulsionsturbine ein­ treten.

Aus Gründen der Betriebssicherheit und zum Zwecke der Betriebsüberwachung wird vorgeschlagen, in den Rohrleitungen, die von der (den) Dosierungspunkten (n) und der Emulsionsturbine wegführen, Druckbe­ grenzerventile mit oder ohne Manometer einzubauen.

Weiter steht es im Rahmen der Erfindung frei, zwi­ schen Emulsionsturbine und Zwischenbehälter ein Rückschlagventil und zusätzlich ein Absperrventil einzubauen. Der damit verbundene Vorteil besteht in erster Linie darin, daß die bereits aufbereitete Treibstoffemulsion beim Stillstand der Emulsions­ turbine nicht in diese zurückfließt, was ihre Ar­ beitsweise unzweckmäßig beeinflussen würde.

Um eine weitere Verbesserung der Schadstoffminimie­ rung in den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine zu erzielen, erweist es sich als äußerst vorteil­ haft, dem Regelgerät mittels Sonden die Meßwerte der augenblicklichen Anteile der Schadstoffe in den Abgasen und/oder der Druckverhältnisse der Luftzu­ führung der Verbrennungs-Kraftmaschine zu übermit­ teln. Hierdurch werden Korrekturen in der Wasser- und Kraftstoffzuführung vornehmbar. Mittels der Analyse des Abgases läßt sich somit über die Treib­ stoffzufuhr und -zusammensetzung eine Optimierung des Verbrennungsvorganges erzielen, der unvermeid­ lichen äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel unter­ schiedlicher Temperatur, Änderungen der Zusammen­ setzung des Kraftstoffes entgegengewirkt.

Die gemäß Anspruch 11 vorgeschlagenen Emulsionstur­ bine hat in erster Linie den Vorteil, daß sie sich technisch sehr einfach verwirklichen läßt und sich durch die erzielbare hohe Drehgeschwindigkeit des Rotors, bedingt durch die Profilierung der sich ge­ genüberliegenden Mantelflächen von Rotor und Sta­ tor, intensive Wirbel ausbilden, in denen eine feindisperse Emulsion entsteht.

Des weiteren wird die stirnseitige und ein- oder beiderseits des Rotors axialsymmetrische Anordnung von Flügelräder vorgeschlagen, die starr mit diesem verbunden sind. Diese tragen nicht nur zu einer besseren Vermischung des Kraftstoffes und des Was­ sers bei, sondern lassen sich so gestalten, daß sie einerseits zu einer Vermischung beider Komponenten beitragen, andererseits die Flüssigkeit durch den Spalt zwischen Rotor und Stator treiben. Das aus­ gangsseitige Flügelrad drückt aufgrund der bei der Rotation des Flügelrades auftretenden, auf die Teilchen der Treibstoffemulsion einwirkenden Radi­ alkräfte diese aus der Emulsionsturbine heraus.

Eine verbesserte Verteilung und infolge dessen eine effiziente Verwirbelung des zugeführten Kraftstoff- Wasser-Gemisches, sowie eine erhebliche Verbesse­ rung der Strömungsverhältnisse innerhalb der Tur­ bine läßt die vorgeschlagene Anordnung der Ein­ gangsöffnung in axialer Verlängerung des freien En­ des der Antriebswelle zu. Die zugeführte Flüssig­ keit strömt daher von der Achse in radialer Rich­ tung gleichmäßig auseinander, so daß der ringför­ mige Spalt zwischen Stator und Rotor homogen mit der zu emulgierenden Flüssigkeit durchflossen wird. Turbinenausgangsseitig werden die Strömungsverhält­ nisse dadurch erheblich verbessert.

Um den Prozeß des Emulgierens der auf dem Prinzip der Verwirbelung des zugeführten Gemisches im Spalt zwischen Rotor und Stator beruht, wird vorgeschla­ gen, das Profil im Statorinnen- und/oder Rotorau­ ßenmantel in Form von Vertiefungen auszubilden, de­ ren Querschnitte Segmente einer Kreis- oder Ellip­ senfläche darstellen.

Schließlich sollen die Vertiefungen zumindest annä­ hernd als Kugel-, Ellipsoid- oder Paraboloidseg­ ment zu gestalten sein. Hohlräume der vorgeschlage­ nen Form in den Mantelflächen rufen aufgrund ihrer Form die intensivste Wirbelbildung hervor.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zur Kraft­ stoffversorgung eines Dieselmotors,

Fig. 2 den Querschnitt durch eine erfindungs­ gemäße Emulsionsturbine,

Fig. 3 einen Ausschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer elektronisch geregelten Anlage zur Versorgung eines Dieselmotors mit einer Dieselöl-Wasser-Emulsion, deren Herstellung in unmittelbarer Nähe des Motors und abhängig von dessen momentanen Betriebsbedin­ gungen mittels einer Emulsionsturbine (1) erfolgt und dem Turbolader (2) des Dieselmotors zugeführt wird.

Die gesamte Anlage zur Versorgung des Motors mit einer Treibstoffemulsion besteht im wesentlichen aus der Aufbereitungsanlage II, der Versorgungsein­ heit III und dem Regelgerät I, das mit den Sensoren (3, 4 und 5) im Abgasrohr (6) und mit dem Sensor (7) im Turbolader (2) verbunden ist. Letzterer mißt den Ladedruck der der Brennkammer des Motors zuge­ führten Luft. Mit dem Sensor (3) erfolgt eine Er­ fassung des Rußgehaltes, mit Sensor (4) die des Kohlendioxidgehaltes CO₂ und mit Sonde (5) die des Sauerstoffgehaltes im Abgas des Motors.

Durch Verarbeitung der erfaßten Parameter erfolgt die Steuerung der Wasserpumpe (8), der Dieselöl­ pumpe (9) und der Emulsionsturbine (1). Die Ein­ stellung des Wassergehaltes der Kraftstoff-Wasser- Emulsion wird am Einstellknopf (10) durchgeführt.

Das Regelgerät I verfügt über eine Anzeige (11), die den prozentualen Wassergehalt der Treibstoffe­ mulsion angibt. Diese kann aufgrund der vorliegen­ den Betriebsparameter von der am Einstellknopf (10) vorgenommenen Grundeinstellung aufgrund der von den Sonden (3, 4, 5 und 7) übermittelten Parametern ab­ weichen.

Die Wasserpumpe (8) ist eingangsseitig über eine mit einem Absperrventil (12) versehene Rohrleitung (13) mit dem Wasserreservoir (11) verbunden. Aus­ gangsseitig führt von der Wasserpumpe (8) eine Rohrleitung (13), in der sich ein Regelventil bzw. Druckbegrenzungsventil (15) befindet zum Mischer (16).

Parallel dazu wird vom Dieselreservoir (17) eine Rohrleitung (18) mit Absperrventil (19) zur Ein­ gangsöffnung der Dieselpumpe (9) geführt. Ausgangs­ seitig ist diese mit einer Rohrleitung (20), in der sich ein Regelventil oder Druckbegrenzungsventil mit Manometer (21) befindet, mit dem Mischer (16) verbunden. Von dort gelangt die Rohrleitung zur Emulsionsturbine (1). Von dieser strömt durch die Rohrleitung (23), in der sich von der Emulsionstur­ bine (1) ausgehend, ein Regelventil oder ein Druck­ begrenzungsventil mit Manometer (24), ein Rück­ schlagventil (25) und ein Absperrventil (26) befin­ det, die in der Emulsionsturbine (1) erzeugte Gasöl-Wasser-Emulsion in einen Zwischenspeicher (50).

In der Rohrleitung (27) erfolgt ein Weitertransport zur Einspritzpumpe (28), von der aus die Treibstof­ femulsion in eine Druckleitung mittels einer Ein­ spritzdüse (30) in die Brennkammer (31) des Motors (32) gelangt.

Die Steuerung der Treibstoffzufuhr erfolgt in be­ kannter Weise auf mechanischem oder elektronischem Wege mittels eines Steuergerätes (33), das dafür sorgt, daß dem Brennraum (31) in der entsprechenden Phase des Arbeitsspiels die gewünschte Menge an Treibstoffemulsion zugeführt wird.

Ein Querschnitt durch die erfindungsgemäße Emulsi­ onsturbine (1) ist in Fig. 2 dargestellt.

Die Emulsionsturbine (1) besteht aus einem wasser­ dichten Gehäuse (34) mit einer Eingangsöffnung (35) und einer Ausgangsöffnung (36). In diesem befindet sich endseits, der Eingangsöffnung (35) gegenüber­ liegend und auf zwei Kugellagern (38, 39) gelagert, die Antriebswelle (37). An ihrem lagerseitigen Ende, das aus dem Gehäuse (34) herausragt, ist die Riemenscheibe (40) axialsymmetrisch aufgesteckt und mit einer Schraube (41) befestigt.

Am der Eingangsöffnung (35) gegenüberliegenden Ende der Antriebswelle (37) ist axialsymmetrisch der Ro­ tor (42) aufgesteckt, der die Form eines Konus, dessen Durchmesser sich zur Lagerseite hin vergrö­ ßert, hat. Er stellt einen massiven Körper dar, der wasserdicht und starr mit der Antriebsachse (37) verbunden ist.

Dem Außenmantel des Rotors (42) gegenüberliegend ist der als konischer Ring geformte Stator (43) axialsymmetrisch so angeordnet und wasserdicht mit der Gehäuseinnenwand verbunden ist, daß zwischen Rotor (42) und Stator (43) ein ringförmiger Spalt entsteht, durch den die an der Eingangsöffnung (35) zugeführte Flüssigkeit in Richtung Ausgangsöffnung (36) strömt. Rotor (42) und Stator (43) trennen den Gehäuseinnenraum in zwei Hälften, von denen die eingangsseitige Hälfte von der Eingangsöffnung (35), die ausgangsseitige Hälfte von der Ausgangs­ öffnung (36) zugänglich ist. Der zwischen Rotor (42) und Stator (43) entstehende Spalt stellt für die Flüssigkeit, die in der Eingangsöffnung (35) zugeführt wird, die einzige Möglichkeit dar, in den ausgangsseitigen Gehäuseinnenraum zu gelangen.

Sowohl Rotoraußenmantel wie auch Statorinnenmantel weisen parallel zueinander liegende Rillen auf, die vom eingangsseitigen Gehäuseinnenraum zum ausgangs­ seitigen Gehäuseinnenraum verlaufen, deren Quer­ schnitt die Form eines Segmentes einer Ellipsenflä­ che aufweisen.

Beidseits des Rotors (42) sind zwei Flügelräder (44, 45) axialsymmetrisch angeordnet, wobei das ausgangsseitige Flügelrad (44) starr mit dem Rotor, das eingangsseitige Flügelrad (45) mittels einer Schraube (46) starr mit der Antriebswelle (37) ver­ bunden ist. Das ausgangsseitige Flügelrad (44) be­ findet sich in der radialseitigen Verlängerung die Ausgangsöffnung (36).

Der ausgangsseitige Gehäuseinnenraum ist gegenüber den Kugellagern (38, 39) mittels einer axialsymme­ trisch auf der Antriebsachse aufgeschobenen Dicht­ hülse gegen eindringende Flüssigkeit geschützt. Zwischen Dichthülse (47) und Flügelrad (44) befin­ det sich eine Abstandsscheibe (48).

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Schnitt I-I, in dem die Profilierung an den Man­ telflächen von Stator (43) und Rotor (42) darge­ stellt ist. Der Schnitt verläuft vertikal zur An­ triebsachse in der Radialebene von Rotor (42) und Stator (43). Das Profil ist in Form von Rillen, die parallel zueinander, von der Grundfläche zur Deck­ fläche des kegelstumpfförmigen Rotors (42) verlau­ fend, in den Rotormantel eingebracht sind, gestal­ tet. Die Querschnitte sind als Hohlformen in der Manteloberfläche des Rotors (42) eingeprägt, weisen gleichgroße Querschnittsflächen auf, die die Form eines Segmentes einer Ellipsenfläche haben, die beim Rotor in radialer Richtung von der Rotations­ achse wegweisen und beim Stator (43) in Richtung Rotationsachse geöffnet sind. Die erhabenen Flächen von Stator (43) und Rotor (42), die jeweils auf der Mantelfläche eines gedachten Kreiszylinders, der den Rotor (42) umhüllt bzw. dem Stator (43) einbe­ schrieben ist, haben gleichen Abstand voneinander.

Das Wasser-Dieselöl-Gemisch, das in axialer Rich­ tung in den Spalt zwischen Rotor (42) und Stator (43) eingepreßt wird und in diese Richtung strömt, erfährt während seines Aufenthaltes im Spalt eine tangentiale Beschleunigung, so daß das Gemisch eine tangentiale und axiale Geschwindigkeitskomponente aufweist.

In den im Querschnitt Ellipsenform aufweisenden Rillen entstehen starke Wirbel, die eine intensive Durchmischung der Emulsionskomponenten bewirken, so daß nach vollständigem axialen Durchlauf der Flüs­ sigkeit aus dem Spalt eine hochdisperse Emulsion austritt.

Claims (16)

1. Anlage zur Kraftstoffversorgung von Verbren­ nungs-Kraftmaschinen, insbesondere von Dieselmoto­ ren, mit einem Kraftstoffreservoir, von dem eine Rohrleitung

• a) mit oder ohne Einspritzpumpe zu einer Vorrich­ tung zur Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches führt, die mit dem Brennraum in Verbindung steht oder
• b) zu einer Einspritzpumpe (28) führt, die direkt oder mittels einer Druckleitung (29) mit der Ein­ spritzdüse (30) verbunden ist, die in den Brennraum (31) der Verbrennungs-Kraftmaschine mündet,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Emulsionsturbine (1) vorhanden ist, die sowohl mit dem Kraftstoff (17) als auch einem Wasserreservoir (11) in Verbin­ dung steht und die eine Kraftstoff-Wasser-Emulsion in definierten Anteilen erzeugt, und die zur Ver­ sorgung an die Einspritzpumpe (28) oder der Vor­ richtung zur Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemi­ sches an diese angeschlossen ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wasser-Kraftstoff-Gemisch und/oder dem Was­ ser und/oder dem Kraftstoff Anteile eines ein- oder mehrkomponentigen Emulgators beigemischt sind.

3. Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Eingangsöffnung(en) (35) der Emulsionsturbine (1) mittels Rohrleitung(en) mit dem Reservoir des Kraftstoff-Wasser-Gemisches oder dem Kraftstoffreservoir (17) und dem Wasserreser­ voir (11) in Verbindung stehen und die Ausgangsöff­ nung (36) der Emulsionsturbine (1) unmittelbar oder mittels Rohrleitung mit der Einspritzpumpe (28) oder der Vorrichtung für die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verbunden ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rohrleitungen (14, 20) zwischen Kraft­ stoff- und Wasserbehälter (11, 17) ein Mischer (16) eingebracht ist.

5. Anlage nach Anspruch 3 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich in zumindest einer von Kraft­ stoff- und Wasserbehälter (11, 17) bzw. vom Behäl­ ter für das Kraftstoff-Wasser-Gemisch wegführenden Rohrleitung eine Dosierpumpe befindet, die mit dem Regelgerät (I) in Verbindung steht.

6. Anlage nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit der Emulsionsturbine (1) über das Regelgerät verändert wird.

7. Anlage nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich in der Rohrleitung (23) zwischen Emulsionsturbine (1) und Einspritzpumpe (28) bzw. der Vorrichtung zur Kraftstoffaufbereitung ein Zwi­ schenspeicher (50) befindet.

8. Anlage nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die von der (den) Dosierpumpe(n) (8, 9) und/oder von der Emulsionsturbine (1) wegführen­ den Rohrleitungen (14, 20, 23) Druckbegrenzerven­ tile (15, 21, 24) mit oder ohne Manometer enthal­ ten.

9. Anspruch nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Rohrleitung (23) zwischen Emulsionsturbine (1) und Zwischenbehälter (50) ein Rückschlagventil (25) und/oder ein Absperrventil (26) eingebaut ist (sind).

10. Anlage nach Anspruch 3 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Regelgerät (I) mit einer Sonde (3, 4, 5, 7), die sich im Abgasrohr (6) der Ver­ brennungs-Kraftmaschine oder im Verbindungsrohr zwischen Ladegerät (2) und Brennraum (31) der Ver­ brennungs-Kraftmaschine befindet, verbunden ist.

11. Anlage nach Anspruch 3 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Emulsionsturbine (1) aus einem wasserdichten Gehäuse (34) mit Eingangsöffnung(en) (35) und Ausgangsöffnung (36) besteht, in dem sich eine etwa endseits im Gehäuse (34) gelagerte An­ triebswelle (37), ein auf dieser befestigter Rotor (42) und ein starr mit der Gehäuseinnenwand verbun­ dener Stator (43) befinden, die rotationssymmetri­ sche Form aufweisen und axialsymmetrisch so ange­ ordnet sind, daß die Mantelflächen von Rotor (42) und Stator (43), von denen mindestens eine mit ei­ nem Profil versehen ist, sich im Abstand gegenüber­ liegen, so daß ein ringförmiger Spalt entsteht, der die einzige Verbindung zwischen den ansonsten was­ serdicht getrennten Gehäuseinnenräumen darstellt, in deren einem Teil sich die Eingangsöffnung(en) (35) und in deren anderem Teil sich die Ausgangs­ öffnung (36) befinden.

12. Anlage nach Anspruch 3 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß stirnseitig zumindest auf einer Seite des Rotors (42) axialsymmetrisch ein Flügelrad (44 oder 45) angebracht ist.

13. Anlage nach Anspruch 3 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Eingangsöffnung (35) in axi­ aler Verlängerung des freien Endes der Antriebs­ welle (37) und/oder sich die Ausgangsöffnung (36) in radialer Richtung des Flügelrades (44) befindet.

14. Anlage nach Anspruch 3 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Profil im Stator- und/oder Rotor­ mantel in Form von Vertiefungen ausgebildet ist, deren Querschnitte Segmente einer Kreis- oder Elyp­ senfläche darstellen.

15. Anlage nach Anspruch 3 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vertiefung in Form einer Nut aus­ geführt ist, die von einer Stirnseite des Rotors (42) und/oder Stators (43) zur jeweils anderen Stirnseite derselben zumindest ungefähr axial und parallel zueinander verlaufen.