NO175015B

NO175015B - Method of improving combustion by internal combustion engines

Info

Publication number: NO175015B
Application number: NO903268A
Authority: NO
Inventors: Arne Lindstrom; John Olsson; Bertil Olsson; Gunnar Olsson
Original assignee: Vitale Miljoinvesteringer As; Lindstroem Arne; John Olsson; Bertil Olsson; Gunnar Olsson
Priority date: 1988-01-29
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1994-05-09
Also published as: NO903268L; NO175015C; NO903268D0

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å forbedre forbrenningen i forbrenningsmotorer for å redusere innholdet av skadelige emner i avgassene, hvorved en væskeblanding inneholdende en peroksyd eller peroksydfor-bindelse tilføres forbrenningskammeret, som angitt i innledningen til krav 1. The present invention relates to a method for improving combustion in internal combustion engines in order to reduce the content of harmful substances in the exhaust gases, whereby a liquid mixture containing a peroxide or peroxide compound is supplied to the combustion chamber, as stated in the introduction to claim 1.

Den økende biltettheten, spesielt i storbyområdene medfører en økning i avgassmengdene med de helse- og miljøproblemer som dette forårsaker. Det er spesielt karbonoksyd, hydrokarboner og nitrogenoksyd som her gir de største problemene. Grunnundersøkelse til urene avgasser er en ufullstendig forbrenning. Ulike teknikker anvendes for å minske mengden av disse komponentene, fremfor alt anvendes her den velkjente katalysatorteknikken, som tilveiebringer forbrenning av avgassene utenfor den direkte forbrenningsprosessen. The increasing car density, especially in metropolitan areas, leads to an increase in exhaust gas volumes with the health and environmental problems this causes. It is especially carbon monoxide, hydrocarbons and nitrogen oxide that cause the biggest problems here. Basic investigation for impure exhaust gases is an incomplete combustion. Different techniques are used to reduce the amount of these components, above all the well-known catalyst technique is used here, which provides combustion of the exhaust gases outside the direct combustion process.

Når det gjelder avgasser fra dieselmotorer finnes et antall problemer som må løses. Et av disse er sotdannelsen og et annet et nitrogenoksyder som dannes under forbrenningen. Ved katalysatorteknikken har det imidlertid vært mulig å redusere emisjonene av karbonoksyd og hydrokarboner. De komplika-sjonene som herved oppstår er at katalysatoren foruten å oksydere CO og HC til CO2 og vann, også oksyderer en viss mengde nitrogen til nitrogenoksyder (Nox). Dette på grunn av at en dieselmotor uunngåelig.må arbeide med et luftoverskudd. Et annet problem er at soten setter katalysatoren ut av funksjon etter en viss tid. Denne sotmengden kan for eksempel reduseres ved at dieselbrenselet helt eller delvis erstattes av etanol. Imidlertid forblir problemet med nitrogenoksydene. When it comes to exhaust gases from diesel engines, there are a number of problems that must be solved. One of these is the formation of soot and another is nitrogen oxides that are formed during combustion. With the catalyst technique, however, it has been possible to reduce the emissions of carbon monoxide and hydrocarbons. The complications that arise are that the catalyst, in addition to oxidizing CO and HC to CO2 and water, also oxidizes a certain amount of nitrogen to nitrogen oxides (Nox). This is because a diesel engine inevitably has to work with an excess of air. Another problem is that the soot disables the catalytic converter after a certain time. This amount can be reduced, for example, by replacing the diesel fuel in whole or in part with ethanol. However, the problem of nitrogen oxides remains.

Formålet med foreliggende,oppfinnelse er å tilveiebringe en forbedring av forbrenningen og dermed redusere utslippet av skadelige avgasser i forbindelse med forbrenningsmotorer og på en slik måte at sot og nitrogenoksyder reduseres både fra motoren og eventuell katalysator og dette også hos en dieselmotor. Dette løses ved en fremgangsmåte av inn-ledningsvis nevnte art og hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene. The purpose of the present invention is to provide an improvement in combustion and thereby reduce the emission of harmful exhaust gases in connection with internal combustion engines and in such a way that soot and nitrogen oxides are reduced both from the engine and any catalyst and this also with a diesel engine. This is solved by a method of the kind mentioned at the outset and whose characteristic features appear in claim 1. Further features of the invention appear in the other independent claims.

Oppfinnelsen skal i det påfølgende beskrives nærmere med henvisning til medfølgende tegninger, hvor: fig. 1 viser et vertikalt snitt gjennom et topplokk midt In what follows, the invention will be described in more detail with reference to accompanying drawings, where: fig. 1 shows a vertical section through the middle of a cylinder head

foran en innsugningsventil til en dieselmotor, in front of an intake valve of a diesel engine,

fig. 2 viser et snitt langs linjen II-II på fig. 1. fig. 2 shows a section along the line II-II in fig. 1.

På figuren er vist en dieselmotor, hvor 11 betegner et topplokk, 12 betegner en innløpskanal til motorsylinderens forbrenningsrom 13, mens 14 betegner en innsugningsventil som samvirker med et ventilsete 15. Sylinderens avgasskanal betegnes med henvisningstallet 16, mens 17 betegner utsug-ningsventilen. En brenselinnsprøyter betegnes med henvisningstallet 18. Ved det viste eksempelet skjer brensel-innsprøytingen i et forkammer 19, hvor det ved kaldstart skjer en forvarming av brenselet ved hjelp av en glødestift 20. Alternativt kan brensel innsprøytingen skje direkte i forbrenningsrommet 13. The figure shows a diesel engine, where 11 denotes a cylinder head, 12 denotes an inlet duct to the engine cylinder's combustion chamber 13, while 14 denotes an intake valve which cooperates with a valve seat 15. The cylinder's exhaust duct is denoted by the reference number 16, while 17 denotes the exhaust valve. A fuel injector is denoted by the reference number 18. In the example shown, the fuel injection takes place in a pre-chamber 19, where during a cold start the fuel is preheated by means of a glow plug 20. Alternatively, the fuel injection can take place directly in the combustion chamber 13.

Gjennom innløpskanalen 12 er ført en tilførselsledning 21 for en væskeblanding inneholdende peroksyd- eller peroksforbindelser, vann og eventuelt andre tilsatser som skal beskrives nærmere nedenfor. Tilførselsledningen 21 omgis med klaring av en andre ledning 22 for et medium, hvilket har et trykk som avviker fra trykket som råder ved tilførselsled-ningens 21 munning 23, hvilken er anordnet i nær tilslutning av innsugningsventilen, men kan eventuelt i stedet munne direkte inn i motorens respektive forbrenningskammer. Mediet kan være gassformet og utgjøres av atmosfærisk luft, i hvilket tilfellet ledningen 22 anordnes slik at den kom-muniserer med atmosfæren utenfor motorblokken. Mediet kan også utgjøres av motorens avgasser, som under trykk presses gjennom ledningen 22. Det kan også være en trykksatt gass, for eksempel en liten mengde luft som avgrenes fra et turbo-aggregat. A supply line 21 for a liquid mixture containing peroxide or peroxy compounds, water and possibly other additives which will be described in more detail below is led through the inlet channel 12. The supply line 21 is surrounded with clearance by a second line 22 for a medium, which has a pressure that deviates from the pressure that prevails at the supply line 21's mouth 23, which is arranged in close connection to the intake valve, but may instead open directly into the engine's respective combustion chamber. The medium can be gaseous and consist of atmospheric air, in which case the line 22 is arranged so that it communicates with the atmosphere outside the engine block. The medium can also be made up of the engine's exhaust gases, which are forced under pressure through line 22. It can also be a pressurized gas, for example a small amount of air branched off from a turbo unit.

En slik anordning tilveiebringer en finfordeling av den tilførte væskeblandingen. De to ledningenes 21 og 22 endeparti kan utformes på ulike måter, slik som det fremgår av svensk patentsøknad nr. 8604448-4 (tilsvarer PCT/SE87/- 00477). Således kan tilløpsledningens 21 munning 23 være aksialt forskjøvet i forhold til mediumledningens 22 munning, enten anordnet foran mediumledningens 22 munning (fig. 1) eller innenfor denne. Væsken eller væskedråpene kommer herved til å medtas av den forbipasserende mediumstrømmen. Such a device provides a fine distribution of the supplied liquid mixture. The end parts of the two wires 21 and 22 can be designed in different ways, as is evident from Swedish patent application no. 8604448-4 (corresponds to PCT/SE87/- 00477). Thus, the mouth 23 of the inlet line 21 can be axially displaced in relation to the mouth of the medium line 22, either arranged in front of the mouth of the medium line 22 (Fig. 1) or within it. The liquid or liquid droplets will thereby be entrained by the passing medium flow.

Alternativt kan ledningene 21 og 22 ha en felles utløpsåpning som har mindre diameter enn ledningens 21 åpning 23. Det kan også etter ledningens 21 åpning være en sammentrengt passasje, etter hvilken det er anordnet en utvidet utløpsåp-ning for å styre spedningen etter den innsnevrede passasjen der en effektiv sammenblanding av væsken og gassmediet skjer. Alternatively, the lines 21 and 22 can have a common outlet opening which has a smaller diameter than the opening 23 of the line 21. There can also be a constricted passage after the opening of the line 21, after which an extended outlet opening is arranged to control the flow after the narrowed passage where an efficient mixing of the liquid and gas medium takes place.

Om til det ordinære brenselet skal tilføres ytterligere brensel, for eksempel etanol, kan dette tilføres via en utenpå tilførselsledning 21, men innenfor mediumsledningen 22, anordnet ledning. Mengdereguleringen av væskeblandingen skjer ved hjelp av en doseringsanordning (ikke vist). Ettersom væsken tilføres i en nærmest trykkløs tilstand og i visse tilfeller svært små mengder er gasstrømmen nødvendig for å ta med og finfordele væsken. Naturligvis kan flere enn en tilførselsledning 21 være anordnet med omgivende gass-medieledning 22 for hver sylinder. Et annet alternativ er å blande brensel (for eksempel alkohol) i den tilførte væskeblandingen. If additional fuel is to be added to the ordinary fuel, for example ethanol, this can be added via a line arranged outside the supply line 21, but inside the medium line 22. The quantity regulation of the liquid mixture takes place by means of a dosing device (not shown). As the liquid is supplied in an almost depressurized state and in certain cases very small quantities, the gas flow is necessary to entrain and finely distribute the liquid. Naturally, more than one supply line 21 can be arranged with surrounding gas medium line 22 for each cylinder. Another option is to mix fuel (eg alcohol) into the supplied liquid mixture.

Væskeblandingens sammensetning kan variere, men den skal inneholde 0,001-80$, fortrinnsvis 0,1-35$, peroksyd eller peroksblanding, fortrinnsvis hydrogenperoksyd. Den kan også inneholde opp til 5$ av en olje med tilsats av en korrosjons-hemmer. Resten utgjøres av vann og/eller en alifatisk alkohol med 1-8 karbonatomer, fortrinnsvis etanol. Alkoholen er fortrinnsvis 10-95$ av blandingen. The composition of the liquid mixture may vary, but it should contain 0.001-80$, preferably 0.1-35$, peroxide or perox mixture, preferably hydrogen peroxide. It can also contain up to 5$ of an oil with the addition of a corrosion inhibitor. The remainder consists of water and/or an aliphatic alcohol with 1-8 carbon atoms, preferably ethanol. The alcohol is preferably 10-95$ of the mixture.

Viktig ved tilførsel av peroksyder og peroksforbindelser er at lange transportveier samt høyt trykk unngås, da dette lett kan tilveiebringe ødeleggelse av de instabile forbindelsene. Important when supplying peroxides and peroxy compounds is that long transport routes and high pressure are avoided, as this can easily cause destruction of the unstable compounds.

En annen viktig faktor i denne sammenheng er at innsprøyt-ingen av væsken i forbrenningsrommet 13 skal skje i en steil vinkel, dvs. så sentralt som mulig slik den ikke kommer i kontakt med sylinderveggen 24. Dersom væsken treffer på sylinderveggen 24, så er det stor risiko for at den til dels taper sine egenskaper, til dels trenger den ned i vevhusoljen og dels vaskes sylinderveggene rene med øket slitasje og oljeforbruk som følger. Another important factor in this context is that the injection of the liquid into the combustion chamber 13 should take place at a steep angle, i.e. as centrally as possible so that it does not come into contact with the cylinder wall 24. If the liquid hits the cylinder wall 24, then it great risk that it partly loses its properties, partly penetrates into the crankcase oil and partly washes the cylinder walls clean with increased wear and oil consumption that follows.

Denne plassering av innsprøytingen medfører at en del av væsken suges med gjennom overlappingen ut i avgassrøret 16. Dette er en fordel ved visse væskeblandinger, da visse væsker forbedrer etterforbrenningen i avgassrøret, noe som også gjelder når det sitter en katalysator i avgassrøret. Ved å styre overlappingsperioden mellom innløps- og utløps-ventilene 14 og 17 kan man øke eller redusere overføringen av væskeblandingene ut i avgassrøret 16. Ved nykonstruksjon eller bytte av kamaksel kan man bestemme overlappingsperioden for innløps- og avløpsventilene 14 og 17, slik at man for eksempel kan øke denne. This placement of the injection means that part of the liquid is sucked through the overlap into the exhaust pipe 16. This is an advantage with certain liquid mixtures, as certain liquids improve the afterburning in the exhaust pipe, which also applies when there is a catalyst in the exhaust pipe. By controlling the overlap period between the inlet and outlet valves 14 and 17, the transfer of the liquid mixtures into the exhaust pipe 16 can be increased or reduced. In the case of a new construction or replacement of the camshaft, the overlap period for the inlet and outlet valves 14 and 17 can be determined, so that example can increase this.

I innledningen nevnes de problemer man har ved anvendelse av katalysatoren på dieselkjøretøy, nemlig sotdannelse og dannelse av nitrogenoksyder (Nox). Ved å tilføre en peroksyd eller peroksforbindelse på den ovenfor beskrevne måten kan disse problemene løses. Forsøk har blitt gjennomført av Statens Teknologiske Institutt i Norge på en dieselmotor Volvo Penta MDI, dels ved drift uten katalysator (test 1) og dels med katalysator i kombinasjon med tilførsel av hydrogen-peroksydholdig væskeblanding (test 2). Denne inneholder The introduction mentions the problems encountered when using the catalyst on diesel vehicles, namely soot formation and formation of nitrogen oxides (Nox). By adding a peroxide or peroxy compound in the manner described above, these problems can be solved. Tests have been carried out by the State Technological Institute in Norway on a Volvo Penta MDI diesel engine, partly during operation without a catalyst (test 1) and partly with a catalyst in combination with the supply of a hydrogen peroxide-containing liquid mixture (test 2). This contains

ca. 10$ av 7$-ig hydroperoksydløsning og 90$ etanol. Andelen diesel var i dette siste tilfellet mye lavere og motoren ble drevet hovedsaklig med væskeblandingen. about. 10% of 7% hydroperoxide solution and 90% ethanol. In this last case, the proportion of diesel was much lower and the engine was mainly driven with the liquid mixture.

Følgende resultat ble tilveiebragt: The following result was provided:

Det skal bemerkes at på tross av at dieselmotoren arbeider med et stort luftoverskudd og høy forbrenningstemperatur har man lykkes redusere NOx-innholdet. Dieselmotorens virknings-grad har ikke blitt endret. It should be noted that despite the fact that the diesel engine works with a large air surplus and high combustion temperature, the NOx content has been successfully reduced. The efficiency of the diesel engine has not been changed.

Andelen væskeblanding i forhold til det ordinære brenselet kan variere fra noen tiendels prosent væskeblanding til å nesten helt å erstatte det ordinære brenselet med væskeblandingen. En større del av denne utgjøres derved fortrinnsvis av alkohol, som da forbrennes som i en otto-motor uten sotdannelse. The proportion of liquid mixture in relation to the ordinary fuel can vary from a few tenths of a percent liquid mixture to almost completely replacing the ordinary fuel with the liquid mixture. A larger part of this is preferably made up of alcohol, which is then burned as in an otto engine without soot formation.

Oppfinnelsen er naturligvis ikke begrenset til dieselmotoren uten kan også tilpasses alle typer forbrenningsmotorer, for eksempel bensinmotorer. The invention is of course not limited to the diesel engine but can also be adapted to all types of internal combustion engines, for example petrol engines.

Claims

1. Method for improving combustion in internal combustion engines for reducing the content of harmful components in the exhaust gases, the internal combustion engine having an outlet valve (17), an exhaust and an intake phase, whereby a liquid mixture including a peroxide or peroxy compound is injected into the combustion chamber (13) of a cylinder in the internal combustion engine, characterized in that the liquid compound is continuously injected, when the inlet valve is open, in such a way that part of the liquid compound passes through the outlet valve (17) when the engine goes from the exhaust to the intake phase, whereby an improved afterburning is provided in the exhaust pipe (16 ) and in any catalytic device.

2. Method according to claim 1, characterized in that the liquid compound is supplied through a supply line (21) with its mouth placed at or near the combustion chamber (13) of the engine, where the supply line (21) is placed inside a line (22) for a medium with a pressure difference from the pressure at the nozzle of the supply line (21), whereby supplied liquid is atomized and carried along.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the liquid compound is atomized and directed so that it is distributed both to the combustion chamber and near the outlet valve (17) which is open for at least part of the inlet phase due to overlap.

4. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the liquid compound is one consisting of at least 0.001% peroxide or peroxy compound.

5 . Method according to claim 3, characterized in that a liquid compound is used which includes 0.1-35$ of peroxide or peroxy compounds.

6. Method according to claim 4 or 5, characterized in that a liquid compound is used which includes up to 99$ of an aliphatic alcohol with 1-8 carbon atoms.

7. Method according to claim 6, characterized in that the liquid compound used is one that contains 10-95$ of alcohol.

8. Method according to claims 6-7, characterized in that the alcohol used consists of ethanol.

9. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the ordinary fuel used is completely or partially replaced by the liquid compound.

10. Method according to claim 9, characterized in that a liquid compound is used, the essential part of which consists of alcohol, preferably ethanol.