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ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft ein System zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, wobei zumindest ein Teilstrom des Abgasstroms von einer Abgasseite des Verbrennungsmotors zu einer Ansaugseite des Verbrennungsmotors über eine Rückführungsstrecke mit einer Reaktionskammer zu dem Verbrennungsmotor zurückgeführt wird.
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In einem Verbrennungsmotor, auch als Brennkraftmaschine oder Verbrennungskraftmaschine bezeichnet, wird ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft zur Erzeugung mechanischer Energie verbrannt. Nach erfolgter Verbrennung wird das bei der Verbrennung erzeugte Abgas ausgestoßen. Bei einer Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoffe enthalten die Abgase unter anderem Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Wasser.
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Es ist beispielsweise aus
DE 198 52 373 A1 und aus
WO 2013/063052 A1 bekannt, dass unter Ausnutzung der Abwärme des Abgases aus dem Kohlenstoffdioxid/Kohlenstoffmonoxid und dem Wasser des Abgases mit Hilfe von Katalysatoren in einer Reaktionskammer neue sekundäre Kohlenwasserstoffe synthetisiert werden können (Sabatier-Prozess, Fischer-Tropsch-Verfahren). Der verbrannte primäre Kraftstoff kann dadurch teilweise regeneriert werden.
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Der Betrieb eines Verbrennungsmotors kann ferner durch eine Aufbereitung des primären Kraftstoffes verbessert werden. Hier sind beispielsweise aus
DE 11 2008 001 062 T5 ,
DE 10 2011 119 599 A1 oder
DE 10 2013 016 443 A1 als Reformer bezeichnete Reaktionskammern bekannt, in welchen aus einem Kraftstoff-Luft-Gemisch ggf. unter zusätzlicher Zufuhr von Abgasen und Wasser ein wasserstoffhaltiges Synthesegas erzeugt wird. Das Synthesegas kann entweder gemeinsam mit dem Kraftstoff wieder dem Verbrennungsmotor zugeführt oder auf andere Weise genutzt werden.
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Daneben ist aus
DE 2103008 A1 eine Abgasrückführung bekannt, wobei ein Brennstoff-Luft-Abgas-Gemisch einer Reaktionskammer zugeführt wird, um den zugeführten nicht klopffesten Brennstoff in Methan umzuwandeln, wobei das so entstandene Gasgemisch mit zusätzlichem Sauerstoff dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Betrieb eines Verbrennungsmotors durch effiziente Nutzung verwertbarer Komponenten des motorischen Abgases zu schaffen und dies mit einer Aufbereitung des primären Kraftstoffes zu verbinden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das System mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein System zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, umfassend eine zwischen der Abgasseite und der Ansaugseite des Verbrennungsmotors angeordnete Rückführungsstrecke für zumindest einen Teilstrom eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors, eine in der Rückführungsstrecke angeordnete Mischkammer mit einem Zulauf für kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff, eine nach der Mischkammer angeordnete Reaktionskammer mit Katalysatoren und ein Gasleitungssystem, das die Reaktionskammer mit der Ansaugseite des Verbrennungsmotors verbindet, sodass ein aus der Reaktionskammer strömendes Gasgemisch zumindest teilweise dem Verbrennungsmotor gasförmig direkt zuführbar ist, geschaffen, wobei die Reaktionskammer zumindest abschnittsweise als Wärmeübertrager gestaltet und indirekt mittels einer thermischen Energie des Abgasstroms des Verbrennungsmotors erwärmbar ist, wobei vor oder an der Mischkammer ein Zulauf für Wasser und/oder Wasserstoff vorgesehen ist, in der Mischkammer aus zumindest dem Teilstrom des Abgasstroms des Verbrennungsmotors, dem zugeführten kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff und dem zugeführten Wasser und/oder Wasserstoff ein Gasgemisch, umfassend eine Kohlenstoff-Komponente, wie Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenwasserstoffe, und umfassend eine Wasserstoff-Komponente, wie Wasserdampf und/oder molekularer Wasserstoff, erzeugbar ist, und die Reaktionskammer gestaltet ist, um unter Nutzung der thermischen Energie des Abgasstroms und unter Nutzung der in der Reaktionskammer vorgesehenen Katalysatoren aus dem Gasgemisch unter Umwandlung des im Abgas vorhandenen Kohlenstoffmonoxids und/oder Kohlenstoffdioxids sowie unter Umwandlung des zugegebenen kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes ein synthetisches Brenngas-Gemisch für den Verbrennungsmotor zu bilden, das aus dem Abgas regenerierten Sauerstoff und neu synthetisierte Kohlenwasserstoffe enthält.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors geschaffen, bei dem zumindest ein Teilstrom eines Abgasstroms von der Abgasseite des Verbrennungsmotors zu der Ansaugseite des Verbrennungsmotors über eine Rückführungsstrecke mit einer Mischkammer und einer nach der Mischkammer angeordneten Reaktionskammer, in welcher Katalysatoren vorgesehen sind, zu dem Verbrennungsmotor gasförmig zurückgeführt wird, wobei die Reaktionskammer zumindest abschnittsweise indirekt mittels einer thermischen Energie des Abgasstroms des Verbrennungsmotors erwärmt wird, wobei der Rückführungsstrecke vor oder an der Mischkammer kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoff und Wasser und/oder Wasserstoff zugeführt werden, wobei in der Mischkammer zumindest ein Teilstrom des Abgasstroms des Verbrennungsmotors, der zugeführte kohlenwasserstoffhaltige Kraftstoff und das zugeführte Wasser und/oder der zugeführte Wasserstoff zu einem Gasgemisch, umfassend eine Kohlenstoff-Komponente, wie Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid und/oder kohlenwasserstoffhaltiger Kraftstoff, und umfassend eine Wasserstoff-Komponente, wie Wasserdampf und/oder molekularer Wasserstoff, vermengt werden, und wobei in der Reaktionskammer unter Nutzung der thermischen Energie des Abgasstroms und unter Nutzung der Katalysatoren aus dem Gasgemisch unter Umwandlung des im Abgas vorhandenen Kohlenstoffmonoxids und/oder Kohlenstoffdioxids sowie unter Umwandlung zugegebenen kohlenstoffhaltigen Kraftstoffes ein synthetisches Brenngas-Gemisch für den Verbrennungsmotor gebildet wird, das regenerierten Sauerstoff und neu synthetisierte Kohlenwasserstoffe enthält.
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Zumindest ein Teilstrom des Abgasstroms kann bei dem erfindungsgemäßen System und/oder dem erfindungsgemäßen Verfahren rezirkuliert werden, um so in dem Abgas vorhandene chemisch verwertbare Anteile effizient zu nutzen.
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Das System und/oder das Verfahren ist/sind sowohl zum Betrieb eines in einem Kraftfahrzeug vorgesehenen Verbrennungsmotors als auch für einen beispielsweise bei einem Blockheizkraftwerk vorgesehenen Verbrennungsmotor einsetzbar, um die Effizienz des Verbrennungsmotors zu steigern und eine Schadstoffabgabe zu verringern.
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Für eine Neusynthese eines kohlenwasserstoffhaltigen Brenngas-Gemischs aus dem im Abgas vorhandenen Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid ist die Reaktionskammer in einer Ausgestaltung derart gestaltet, dass in der Reaktionskammer ein Sabatier-Prozess und/oder eine Fischer-Tropsch-Synthese durchgeführt werden. Es sind jedoch – je nach in dem Verbrennungsmotor eingesetztem kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff – auch andere Prozesse denkbar. Die Auswahl der hierfür nötigen Katalysatoren erfolgt durch den Fachmann unter Berücksichtigung des eingesetzten Kraftstoffs und einer gewünschten Brenngas-Zusammensetzung. Für den Sabatier-Prozess werden in einer Ausgestaltung Nickel oder Nickellegierungen oder auch Metalle der Platingruppe wie Ruthenium verwendet. Für das Fischer-Tropsch-Verfahren werden in einer Ausgestaltung cobalt- und eisenhaltige Katalysatoren eingesetzt. Als Katalysatorträger dienen in einer Ausgestaltung Keramiken, Aluminiumoxide, Sintermassen und temperaturstabile metallische Träger.
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Ein Sauerstoff wird bei einer in einem Verbrennungsmotor stattfindenden Verbrennung in Kohlenstoffdioxid oder Wasser gebunden und mit dem Abgas ausgestoßen. Dieser Sauerstoff kann in der erfindungsgemäßen Reaktionskammer für die Verwertung bei einer nachfolgenden Verbrennung wieder regeneriert werden. Es wird mit dem erfindungsgemäßen System und Verfahren daher weniger Frischluftzufuhr benötigt als bei einem herkömmlichen Betrieb eines Verbrennungsmotors. Je nach eingesetztem Kraftstoff und zugesetzter Wassermenge ist es dabei denkbar, den Verbrennungsmotor kurzzeitig auch ohne zusätzliche Sauerstoffzufuhr zu betreiben. Zudem kann mit dem erfindungsgemäßen System oder dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Verbrennungsmotor unter externem Sauerstoffmangel, etwa in Höhenlagen oder in Bergwerksgrubenumgebungen, mit unverminderter Leistung betrieben werden.
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Je nach Größe der Anlage können dabei mehrere Systeme oder einzelne Komponenten des Systems parallel betrieben werden, um so die einzelnen Bauteile geeignet zu dimensionieren. Auch kann mit überschüssigem Brenngas aus dem erfindungsgemäßen System bzw. Verfahren an einem Verbrennungsmotor noch ein zweiter Verbrennungsmotor unterstützend betrieben werden.
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In einer Ausgestaltung wird als Wasserstoff-Komponente für die chemischen Umsetzungen in der Reaktionskammer ausschließlich in dem kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff und/oder dem Abgas vorhandener Wasserstoff verwendet. In einer Ausgestaltung kann diese Wasserstoffkomponente aus dem Wasserdampfgehalt eines nicht der Rückführungsstrecke zugeführten Teilstroms des Abgasstroms oder aus überschüssigem Wasserdampfgehalt des Brenngasgemischs gewonnen werden, zweckmäßigerweise über eine entsprechende Kondensatstrecke. Die so gewonnene Wasserstoffkomponente wird der Mischkammer zugeführt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine zusätzliche Wasserquelle, insbesondere ein Wassertank vorgesehen. Durch die Wasserzufuhr wird erreicht, dass die Reaktionskammer mit einem Wasserstoffüberschuss arbeitet, wodurch die Neusynthese eines durch den Verbrennungsmotor verwertbaren Brenngas-Gemisches weiter begünstigt wird.
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Als Kraftstoff zum Betreiben des Verbrennungsmotors dient ein kohlenstoffhaltiger, vorzugsweise flüssiger Kraftstoff, wie beispielsweise Benzin, Diesel, Schweröl, Heizöl etc. In einer Ausgestaltung wird das erfindungsgemäße System bzw. das erfindungsgemäße Verfahren parallel zu einem herkömmlichen Kraftstoffzufuhrsystem betrieben, wobei an der Ansaugseite herkömmlicher Kraftstoff zusammen mit dem in der Reaktionskammer synthetisierten Brenngas-Gemisch zugeführt wird. Diese Betriebsweise kann beispielsweise vorteilhaft sein, um schneller eine Betriebstemperatur zu erreichen, die für die Funktion der Reaktionskammer nötig ist.
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Die Mischkammer ist in vorteilhaften Ausgestaltungen als Wärmeübertrager gestaltet, um unter indirekter Nutzung der thermischen Energie des Abgasstroms aus den zugeführten Stoffen ein Gasgemisch für die Reaktionskammer zu bilden. Die in dem Abgas vorhandene thermische Energie wird dabei vorzugsweise auch zur Verdampfung oder Vergasung des zugeführten Kraftstoffs genutzt. Je nach Steuerung und Höhe der Temperatur können bereits in der Mischkammer die Kohlenwasserstoffe des zugeführten Kraftstoffs gecrackt und isomerisiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein der Mischkammer vorgeschaltetes Wasserzufuhrsystem umfassend eine Verdampferkammer vorgesehen, wobei die Verdampferkammer gestaltet ist, um in der Verdampferkammer ein zugeführtes Wasser zumindest teilweise zu verdampfen und/oder in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. In der Verdampferkammer sind in einer Ausgestaltung zusätzlich Katalysatoren vorgesehen, mit deren Hilfe zumindest ein Teil des Wassers gespalten wird. Für eine Wärmezufuhr ist in vorteilhaften Ausgestaltungen dabei vorgesehen, dass die Verdampferkammer an einer Abgasseite des Verbrennungsmotors, insbesondere an einem Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors angeordnet und mit dieser/diesem wärmeübertragend verbunden ist. Die in dem Abgas vorhandene thermische Energie wird dabei nicht nur zur Energiezufuhr für die Reaktionskammer genutzt, sondern auch um mit ihrer Hilfe das von außen zugegebene Wasser zu verdampfen und thermolytisch oder thermochemisch zu spalten. Die Verdampferkammer ist vorzugsweise dort angebracht, wo die höchsten Temperaturen am Motor außerhalb des Verbrennungsraumes herrschen, etwa in der Nähe der Auslassventile oder am Abgaskrümmer.
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In einer Ausgestaltung ist ein Verteilelement vorgesehen, mittels welchem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors in einen Hauptstrom und mindestens einen Nebenstrom unterteilbar ist, wobei der Hauptstrom des Abgases der Reaktionskammer zur Bildung des Brenngas-Gemisches zuführbar ist, nachdem er zuvor die Reaktionskammer außenseitig erwärmt hat. Der mindestens eine Nebenstrom oder mindestens ein Nebenstrom wird in vorteilhaften Ausgestaltungen für eine Erwärmung der Mischkammer genutzt.
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Die Reaktionskammer ist gestaltet, um ein synthetisches, Sauerstoff und Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan, enthaltendes Brenngas-Gemisch für den Verbrennungsmotor zu bilden. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist die Reaktionskammer in mehrere, insbesondere in drei, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Prozesskammern unterteilt, wobei in den Prozesskammern unterschiedliche Temperaturstufen realisierbar und/oder in den Prozesskammern unterschiedliche Katalysatoren vorgesehen sind. In anderen Worten ist die Reaktionskammer funktionell in verschiedene Prozesskammern gegliedert. Die einzelnen Prozesskammern oder Teilkammern dieser Reaktionskammer sind durch Gasströmungen miteinander verbunden und können dabei sowohl parallel als auch seriell zueinander liegen. Eine Strömung kann beispielsweise durch Leitbleche beeinflusst werden. Die Prozesskammern bilden gemeinsam eine Hauptzone, wobei die Reaktionskammer als Wärmeübertrager gestaltet ist und zudem in einer Ausgestaltung eine von der Hauptzone stofflich getrennte Nebenzone aufweist, durch welche ein Abgasstrom für eine Erwärmung der Hauptzone geführt wird. An einer außenseitigen Wand der Reaktionskammer befindet sich eine Wärmeisolation, die zum einen Wärmeverluste in die Umwelt vermeiden soll. Die Wärmeisolation ist dabei vorzugsweise für jede Prozesskammer individuell gestaltet, um so eine Schaffung mehrerer, mindestens aber zweier, deutlich voneinander abgegrenzter Temperaturstufen im Innenraum der Reaktionskammer zu unterstützen. Im Innenraum der Hauptkammer sind vorzugsweise metallische oder keramische temperaturstabile Einbauten, in Form von nach Bedarf gestalteten Gittern, Blechen, Stäben und Röhren, die durch ihre Gestaltung und Beweglichkeit teils Verzögerungs-, teils Beschleunigungsstrecken, teils Lenkhilfen für den Gasstrom durch die Hauptkammer bilden und dadurch ebenfalls eine Schaffung mehrerer, mindestens aber zweier, deutlich voneinander abgegrenzter Temperaturstufen und Reaktionszonen im Innenraum der Reaktionskammer zu unterstützen. Diese Einbauten tragen auf ihren Oberflächen in vorteilhaften Ausgestaltungen Katalysatoren oder sind aus katalytisch aktiven Materialien hergestellt, wobei die Gestaltung ebenfalls für jede Prozesskammer individuell erfolgen kann, so dass an den Katalysatoren oder durch diese vermittelt chemische Reaktionen in den Prozesskammern der Hauptzone ablaufen können. Die hierbei einzurichtenden Reaktionen und Katalysatoren hängen von der Art des Kraftstoffes ab, mit dem der Motor betrieben werden soll, und werden vom Fachmann nach dem Stand der Wissenschaft und Technik ausgewählt und angeordnet. Neben allgemeinen chemisch-physikalischen Prozessen wie Ionisation und Pyrolyse ist die Hauptzone in vorteilhaften Ausgestaltungen derart gestaltet und/oder ausgerüstet, dass in ihr Dampfreformierungen, der Sabatier-Senderens-Prozess, Wassergas-Shift-Reaktionen, Synthesen gemäß Fischer und Tropsch sowie thermokatalytische Wasserspaltungen durchgeführt werden.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen ist zwischen dem Auslass der Reaktionskammer und der Ansaugseite des Verbrennungsmotors ein Brenngaskühler, wobei der Brenngaskühler vorzugsweise einen integrierten Gasspeicher aufweist, an dem außerdem ein Entlüftungs- und Druckentlastungsventil vorgesehen ist. Um das Brenngas-Gemisch, welches die Reaktionskammer verlässt, zu kühlen, können ein Kühlsystem oder mehrere Kühlsysteme nach dem Stand der Technik verwendet werden. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist der Brenngaskühler derart gestaltet, dass eine Verzweigung des Gasstromes spätestens beim Eintritt in den letzten Kühler vor dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors in mehrere Einzelströme erfolgt und anschließend noch im oder unmittelbar nach dem letzten Kühler eine erneute Sammlung des Gasstroms in einem gemeinsamem Gasspeicher erfolgt. Der Gasspeicher ist vorzugsweise mit einer Einrichtung zum Sammeln und Entfernen von Kondenswasser und/oder einer Vorrichtung zum Druckausgleich gestaltet. Der Gasspeicher ist zudem vorzugsweise mittels eines geeigneten Gasleitungssystems mit dem Verbrennungsmotor derart verbunden, dass jeder Kolben je nach seinem Takt das zur Verbrennung benötigte und im Gasspeicher bereitgehaltene Gas frei ansaugen kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist in der Rückführungsstrecke nachgeschaltet zu der Reaktionskammer ein Gasverdichter vorgesehen. Sofern vorhanden, sitzt der Verdichter in vorteilhaften Ausgestaltungen zwischen der Reaktionskammer und dem Brenngaskühler, sodass der Verdichter den aus der Reaktionskammer strömenden Gasstrom aufnimmt und an den nachfolgenden Brenngaskühler verdichtet wieder abgibt. In vorteilhaften Ausgestaltungen wird die kinetische Energie des Abgases zum Betreiben des Verdichters genutzt, wobei der Verdichter mittels einer in dem Abgasstrom angeordneten Turbine angetrieben ist. Die Turbine ist dabei vor oder nach einem an dem Abgasstrom vorgesehenen Verteilelement angeordnet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:
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1 eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Systems,
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2 eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems mit beispielhafter Ausführung der Gasströme;
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3 eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems, erweitert um einen Brenngasverdichter; und
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4 den allgemeinen Aufbau einer Reaktionskammer.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 bis 3 zeigen jeweils eine mit einem Verbrennungsmotor 1 gekoppelte Ausführungsform eines Systems 2 zum Betreiben des Verbrennungsmotors 1. In allen Figuren werden für gleiche oder ähnliche Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Auf eine wiederholte Beschreibung der Komponenten wird verzichtet.
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Bei dem Verbrennungsmotor 1, auch kurz als Motor bezeichnet, handelt es sich in einer Ausgestaltung um einen herkömmlichen Verbrennungsmotor, welcher beispielsweise nach dem Otto-Prozess oder nach dem Diesel-Prozess arbeitet. Der Motor 1 weist eine Ansaugseite 10 und eine Abgasseite 12 auf. Als Kraftstoff zum Betreiben des Motors 1 dient ein kohlenstoffhaltiger, vorzugsweise flüssiger Kraftstoff, wie beispielsweise Benzin, Diesel, Schweröl, Heizöl etc.
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1 zeigt schematisch eine erste Ausgestaltung des Systems 2 umfassend drei wesentliche Komponenten, nämlich eine Rückführungsstrecke 3, auch als Abgasrückführung bezeichnet, eine in der Rückführungsstrecke 3 angeordnete Reaktionskammer 4 und eine in der Rückführungsstrecke 3 angeordnete Mischkammer 6.
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Eine Zugabe eines primären Kraftstoffes und Luft ist auf herkömmliche Weise über ein Einspritzsystem oder einen Vergaser 11 an der Ansaugseite 10 möglich. Ein erster Teilstrom des Gases von der Abgasseite 12 wird rezirkuliert, nur ein kleinerer zweiter Teilstrom geht über ein Auspuffrohr 71 in die Umwelt. Eine Proportion des ersten Teilstroms zu dem zweiten Teilstrom kann u. a. über eine Drosselklappe 72 reguliert werden.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Mischkammer 6 und die Reaktionskammer 4 vom Abgas zum Zwecke der Wärmeübertragung umströmt. Stromabwärts zieht der erste Teilstrom des Abgasstroms durch die Mischkammer 6 und Reaktionskammer 4 hindurch.
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Die Mischkammer 6 besitzt einen Zulauf 5 zur Zufuhr von kohlenwasserstoffhaltigem Kraftstoff. Eine Zufuhr des Kraftstoffs über den Zulauf 5 ist dabei zusätzlich oder alternativ zu der Zufuhr an der Ansaugseite möglich.
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Die Mischkammer 6 besitzt weiter einen Zulauf 80 für Wasser und/oder Wasserstoff.
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In der Mischkammer 6 nimmt der erste Teilstrom des Abgasstroms Kraftstoff und/oder Wasser und/oder Wasserstoff auf und wird vom Abgasdruck in die Reaktionskammer 4 getrieben. In der Reaktionskammer 4 wird mit Hilfe von Katalysatoren das zugeführte Gasgemisch chemisch umgesetzt, sodass ein synthetisches Brenngas-Gemisch für den Verbrennungsmotor 1 gebildet wird. Das fertige Brenngas wird direkt in den Ansaugtrakt 10 zurückgeführt.
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In der Reaktionskammer 4 werden mit Hilfe von Katalysatoren aus dem Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserdampf des Abgases sowie mit Hilfe der Abwärme des Abgases neue Kohlenwasserstoffe synthetisiert, der Sauerstoff wird regeneriert und das gesamte neue Gasgemisch wieder der Ansaugseite 10 zugeführt.
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In 2 und 3 werden die Gasströmungen detaillierter ausgeführt. Das System 2 gemäß 2 und 3 umfasst jeweils eine Rückführungsstrecke 3 mit mehreren Abschnitten 30, 32, 33, 34, 36, 38 für zumindest einen Teilstrom des Abgases. Es versteht sich, dass die dargestellten Abschnitte 30, 32, 33, 34, 36, 38 lediglich beispielhaft sind und eine Anzahl, ein Verlauf, eine Anordnung etc. der Abschnitte je nach Anwendung durch den Fachmann geeignet gestaltet werden kann. In der Rückführungsstrecke 3 ist eine Reaktionskammer 4 vorgesehen, wobei zumindest der über die Rückführungsstrecke 3 zu dem Verbrennungsmotor zurück geführte Teilstrom des Abgasstroms durch die Reaktionskammer 4 geführt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Abschnitte 36, 38 ein Gasleitungssystem, das die Reaktionskammer mit der Ansaugseite des Verbrennungsmotors verbindet.
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In den in 2 und 3 dargestellten Rückführungsstrecken 3 ist weiter jeweils ein Kraftstoff-Zulauf 5 vorgesehen. Der Kraftstoff-Zulauf 5 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen an einer stromaufwärts oder vor der Reaktionskammer 4 angeordneten Mischkammer 6 vorgesehen. In der Mischkammer 6 wird der Kraftstoff mit einem über die Abschnitte 32, 33 zugeführten Teilstrom des Abgasstroms aus vorausgehenden Verbrennungstakten des Motors 1 vermengt. Das Kraftstoff-Abgas-Gemisch wird über den Abschnitt 34 der Reaktionskammer 4 zugeführt. Die Reaktionskammer 4 ist zumindest abschnittsweise als Wärmeübertrager mit einer Hauptzone 40, in welcher die chemischen Umsetzungen stattfinden, und einer davon getrennten Nebenzone 42 gestaltet und indirekt mittels einer thermischen Energie des Abgasstroms des Verbrennungsmotors 1 erwärmbar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel führt die Rückführungsstrecke 3 zunächst durch eine Nebenzone 42 der Reaktionskammer 4. In anderen Worten liegt die Nebenzone 42 stromaufwärts der Hauptzone 40. Mittels des durch die Nebenzone 42 strömenden Teilstroms des Abgases wird die Hauptzone 40 erwärmt. Der Teilstrom des Abgases wird anschließend der Mischkammer 6 und von dieser der Hauptzone 40 für eine Brenngas-Gemisch-Synthese zugeführt. An der Reaktionskammer 4 ist zudem eine Wärmeisolation 44 vorgesehen, welche weiter unten erörtert wird.
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In vorteilhaften Ausgestaltungen wird der Kraftstoff vor einer Zufuhr zu der Reaktionskammer 40 verdampft. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Mischkammer 6 zu diesem Zweck ebenfalls als Wärmeübertrager in eine Hauptzone 60, in welcher der zugeführte Kraftstoff mit dem Teilstrom des Abgasstroms vermengt wird, und eine Nebenzone 62 aufgeteilt, durch die ein Wärme führender Teilstrom des Abgases geleitet wird.
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In den in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist jeweils ein Verteilelement 7 vorgesehen, mittels welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 1 in einen der Rückführungsstrecke 3 zugeführten Hauptstrom und einen davon abgezweigten Nebenstrom unterteilt wird. Der Hauptstrom des Abgases wird über die Hauptzone 60 der Mischkammer 6 der Hauptzone 40 der Reaktionskammer 4 zur Bildung des Brenngas-Gemisches zugeführt. Der Nebenstrom ist für eine Erwärmung der Mischkammer 6 nutzbar, wobei der Nebenstrom hierfür mittels eines Leitungsabschnitts 70 der Nebenzone 62 der Mischkammer 6 zuführbar ist. Nach einer Erwärmung der Nebenzone 62 wird der Nebenstrom 62 über das Auspuffrohr 71 in die Umgebung ausgelassen. Es ist offensichtlich, dass stromabwärts der Nebenzone 62 dabei theoretisch noch zusätzliche Vorrichtungen für eine Reinigung des restlichen, nach außen geführten Abgasstroms vorgesehen sein können – praktisch erübrigen sie sich. Mittels eines Drosselventils 72 ist die mengenmäßige Aufteilung des Abgasstroms in den Hauptstrom und den Nebenstrom regulierbar.
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Die Darstellung der Wärmeübertrager ist lediglich beispielhaft. Selbstverständlich sind alternativ zu den dargestellten Ausführungsformen, bei welchen die Nebenzonen 42, 62 die Hauptzonen 40, 60 umgeben, Ausgestaltungen denkbar, bei welchen die Hauptzonen die Nebenzonen umgeben und/oder die Hauptzone oder die Nebenzone mäanderförmig verlaufen.
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Bei dem in den 2 und 3 dargestellten System 2 weist die Rückführungsstrecke 3 zudem einen an der Mischkammer 6 vorgesehenen Zulauf 80 für eine Wasserdampf- und/oder Wasserstoff-Zufuhr auf. Alternativ oder zusätzlich weist die Mischkammer 6 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Zulauf 81 für eine reine Wasserzufuhr auf.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist ein der Reaktionskammer 4 vorgeschaltetes Wasserzufuhrsystem 8 umfassend eine Verdampferkammer 82 vorgesehen. Die Verdampferkammer 82 ist an einer Abgasseite 12 des Verbrennungsmotors 1, insbesondere an einem nicht dargestellten Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors 1 angeordnet und mit dieser/diesem wärmeübertragend verbunden. Aufgrund der Abwärme des Verbrennungsmotors 1 wird ein der Verdampferkammer 82 an einem Zulauf 84 zugeführtes Wasser zumindest teilweise verdampft, sodass der Mischkammer 6 über den Zulauf 80 ein Wasserdampf-Gemisch zugeführt wird. Die Verdampferkammer 82 ist alternativ oder zusätzlich derart gestaltet, dass bereits in der Verdampferkammer 82 das zugegebene Wasser zumindest teilweise in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Zu diesem Zweck ist die Verdampferkammer 82 in vorteilhaften Ausgestaltungen als Thermolyse-Zelle gestaltet, wobei dann zusätzlich Katalysatoren eingesetzt werden.
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Bei dem in 2 und 3 dargestellten System 2 ist weiter zwischen dem Auslass der Reaktionskammer 4 und der Ansaugseite 10 des Verbrennungsmotors 1 ein Brenngaskühler 9 vorgesehen. In dem dargestellten Brenngaskühler 9 erfolgt eine Aufteilung des Brenngasstroms in Teilströme für eine verbesserte Kühlung. Zudem weist der Brenngaskühler 9 einen integrierten Gasspeicher 90 auf. An dem Brenngaskühler 9 wird vorzugsweise auch in dem Brenngas-Gemisch vorhandener überschüssiger Wasserdampf kondensiert und entfernt. Das hierbei erhaltene Wasser wird vorzugsweise zurückgeführt und wiederverwendet.
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Das System 2 kann je nach Anwendungsfall zusätzlich einen oder mehrere Anschlüsse 20, 22, 24 für eine Luft-Zufuhr aufweisen. Ein Kraftstoff kann parallel zur Zufuhr an der Mischkammer 6 über eine herkömmliche Einrichtung 11 zusätzlich an der Ansaugseite zugeführt werden. In vorteilhaften Ausführungen der Erfindung kann auf die herkömmliche Kraftstoff- und Luftzufuhr auch ganz verzichtet werden. Kraftstoff wird dann ausschließlich über die Mischzone 6 zugeführt.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zudem in der Rückführungsstrecke 3 nachgeschaltet zu der Reaktionskammer 4 ein Verdichter 100 vorgesehen, wobei der Verdichter 100 mittels einer in dem ersten Abschnitt 30 angeordneten Turbine 101 angetrieben wird.
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Die Reaktionskammer 4 des erfindungsgemäßen Systems 2 ist wie erwähnt gestaltet, um unter Nutzung der thermischen Energie des Abgasstroms aus dem Kraftstoff-Abgas-Gemisch umfassend eine Kohlenstoff-Komponente, wie Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid, und eine Wasserstoff-Komponente, wie Wasserdampf und/oder molekularer Wasserstoff, unter Umwandlung des im Abgas vorhandenen Kohlenstoffmonoxids und/oder Kohlenstoffdioxids ein synthetisches Brenngas, beispielsweise Methan, sowie regenerierten Sauerstoff zu bilden, die dann in den Verbrennungsmotor 1 geführt werden.
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In der Reaktionskammer 4 sind zu diesem Zweck vorzugsweise Katalysatoren für erwünschte chemische Reaktionen vorgesehen. Eine Erwärmung der Reaktionskammer 4 erfolgt in den in den 2 und 3 dargestellten Ausgestaltungen über einen der Nebenzone 42 der Reaktionskammer 4 zugeführten Abgasstrom. Die dargestellte Reaktionskammer 4, genauer die Hauptzone 40 der Reaktionskammer 4, ist in mehrere, hier beispielhaft drei, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Prozesskammern 45, 46, 47 unterteilt, wobei in den Prozesskammern 45, 46, 47 unterschiedliche Temperaturstufen realisierbar und/oder in den Prozesskammern 45, 46, 47 unterschiedliche Katalysatoren vorgesehen sind, sodass in den Prozesskammern 45, 46, 47 unterschiedliche chemische Prozesse ablaufen. Die Prozesskammern 45, 46, 47 sind zum Zweck eines durchgehend freien Gasdurchflusses strömungstechnisch miteinander verbunden und liegen je nach Bedarf parallel zueinander oder auch seriell nacheinander. In den Prozesskammern 45, 46, 47 finden zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Neusynthese eines Brenngases aus im Abgas vorhandenen Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid auch ein Cracken, eine Reformierung und eine Ionisation statt, wobei die gewünschten chemischen Prozesse gemäß dem verwendeten Kraftstoff (Benzin, Diesel, Schweröle, Abfallöle, etc.) und dem erwünschten Brenngas eingerichtet werden.
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Die Temperaturstufen sind durch geeignete Führung des Abgasstroms, durch aktive oder passive Kühlung und/oder die vorgesehene Wärmeisolation beeinflussbar. Aufgrund geeigneter Abgasführung ist vorteilhafterweise eine Temperatur in einer am Auslass angeordneten Prozesskammer 47 am höchsten, wobei in dieser Prozesskammer 47 ein evtl. im Gasgemisch vorhandenes Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Gleichwohl ist die Temperatur so gewählt, dass ein bereits synthetisierter Kohlenwasserstoff, beispielsweise ein bereits synthetisiertes Methan, nicht mehr gespalten wird.
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4 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Reaktionskammer 4 mit einer hier in drei Prozesskammern 45, 46, 47 aufgeteilten Hauptzone 40 und einer davon stofflich getrennten Nebenzone 42. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die drei Prozesskammern 45, 46, 47 nacheinander von einem kontinuierlichen Gasgemisch 31 durchströmt, das seine Strömungsenergie vom Abgasdruck her erhält, da es volumenmäßig überwiegend aus Abgas besteht. In den Prozesskammern 45, 46, 47 ist jeweils ein Katalysatorträger 450, 460, 470 vorgesehen. Zudem weist jede Prozesskammer 45, 46, 47 eine individualisierte Wärmeisolation 44 auf. Die Gestaltung der Katalysatorträger 450, 460, 470 und die Gestaltung der Wärmeisolation sind abhängig von den gewünschten chemischen Prozessen.
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Für eine Neusynthese von kohlenwasserstoffhaltigem Brenngas aus dem im Abgas vorhandenen Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid sind die Katalysatoren vorzugsweise derart gewählt, dass in den Prozesskammern 45, 46, 47 ein Sabatier-Prozess oder eine Fischer-Tropsch-Synthese durchgeführt werden. Zudem laufen in einer Reaktionskammer insgesamt vorzugsweise weitere Prozesse ab, wie beispielsweise eine thermisch-katalytische Spaltung von Wasser, Spaltung und Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen, Dampfreformierung, Bereitstellung von Synthesegas, Wassergas-Shift-Reaktion.
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Für einen Betrieb des Verbrennungsmotors 1 werden der eingesetzte primäre Kraftstoff und Abgase aus vorausgehenden Verbrennungstakten des Motors 1, Wasser und/oder Wasserstoff sowie ggf. Luft der Mischkammer 6 zugeführt. In der Mischkammer 6 werden die zuführten Stoffe – sofern nicht bereits als Gas oder Dampf vorliegend – unter Zufuhr von Wärme und unter Ausnutzung von Druck in Dämpfe und/oder Gase umgewandelt. Das so erhaltene Gas-Dampf-Gemisch wird der Reaktionskammer 4 zugeführt. In der Reaktionskammer 4 wird das zugeführte Gas-Dampf-Gemisch in ein Brenngas-Gemisch für den Motor 1 umgewandelt, wobei aus dem Abgas heraus ein sekundärer Kraftstoff für den Motor 1 neu synthetisiert und dabei außerdem Sauerstoff regeneriert wird. Das Brenngas-Gemisch wird dem Motor 1 an dessen Ansaugseite 10 zugeführt. Zumindest ein Teilstrom des Abgases, der Hauptstrom, wird dabei fortlaufend zirkuliert und lediglich ein mengenmäßig kleiner Nebenstrom 70, 62 an die Umgebung ausgestoßen.
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Bei einem von dem Erfinder gebauten Prototyp hat sich eine volumenmäßige Aufteilung des Abgasstromes, Hauptstrom zu Nebenstrom, im Verhältnis 2:1 bewährt. Der kleinere Teil stellt das reale, in die Umwelt gehende Abgas dar, das jedoch weiter gedrosselt wird, je nach Effizienz der in der Reaktionskammer 4 arbeitenden chemischen Prozesse. Der weitaus größere Teil des aus dem Verbrennungsmotor 1 strömenden Abgases wird fortlaufend rezirkuliert und gelangt vom Verbrennungsmotor 1 über die Mischkammer 6 und durch die Reaktionskammer 4 hindurch in einem ununterbrochenen Gasfluss zurück in den Ansaugtrakt 10 des Verbrennungsmotors 1. Auf diesem Weg lassen sich bei gleicher Leistung des Verbrennungsmotors 1 Kraftstoffeinsparungen von mindestens 50% erreichen. Das restliche, quantitativ stark reduzierte reale Abgas liegt außerdem qualitativ weit unterhalb der gegenwärtigen oder geplanten Grenzwerte gesetzlicher Abgasnormen.
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Die Gestaltung der Reaktionskammer 4 hängt u. a. von der Art des zusätzlich zugeführten Kraftstoffes ab. Von der Art des Kraftstoffs und der gewünschten Zusammensetzung des neu synthetisierten Brenngases hängt weiter ab, ob und wo weitere Außenluft in das System 2 eingeführt wird, ein Zufuhr ist wie dargestellt, jedoch nur in seltenen Fällen beispielsweise in der Mischkammer 6, unmittelbar nach der Mischkammer 6 oder im Anschluss an die Reaktionskammer 4 möglich. Oder es wird eine herkömmliche Luftzufuhr des Verbrennungsmotors 1 beibehalten.
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Der in der Reaktionskammer 4 erzeugte Brennstoff ist gasförmig. Der Verbrennungsmotor wird als Gasmotor betrieben und die Kraftstoffaufnahme ist vorteilhafterweise in die Rückführungsstrecke hinein integriert. Ein bei einem herkömmlichen Betrieb eines Verbrennungsmotors vorgesehener Vergaser oder Einspritzsystem kann daher bei dem erfindungsgemäßen Betrieb des Motors entfallen. Es ist jedoch denkbar, das System parallel zu bestehenden Kraftstoffvergaser und -Einspritzsystemen vorzusehen, um beispielsweise für einen Schnellstart, Kaltstart und/oder Intervallbetrieb auf einen herkömmlichen Betrieb umstellen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19852373 A1 [0003]
- WO 2013/063052 A1 [0003]
- DE 112008001062 T5 [0004]
- DE 102011119599 A1 [0004]
- DE 102013016443 A1 [0004]
- DE 2103008 A1 [0005]
