DE2216177A1 - Anordnung zum betrieb einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents
Anordnung zum betrieb einer verbrennungskraftmaschineInfo
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Description
Anordnung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Gasreaktor.
Gasreaktoren oder Gasgeneratoren sind Einrichtungen zum Erzeugen von Gasen aus festen oder flüssigen Ausgangsstoffen.
Unter einem Gasreaktor soll im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein sogenannter Spaltvergaser verstanden werden. Ein
Spaltvergaser ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, wonach
Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltende flüssige Brennstoffe, wie Benzine, verdampft oder vernebelt und unter .
Zugabe von Primärluft oder Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine zur rußfreien Umwandlung in ein Kohlenmonoxid,
Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Spaltgas bei erhöhter Temperatur über einen einen Katalysator enthaltenden
porösen Katalysatorträger geleitet und anschließend unter Zuführung von Sekundärluft der Verbrennungskraftmaschine zugeleitet
werden. Der in einer Katalysatorkammer angeordnete, den Katalysator enthaltende Katalysatorträger besteht vorteilhaft
aus wenigstens einem hochporösen Sinterkörper, der mit einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten
Durchtrittsöffnungen für das Gemisch aus verdampftem Brennstoff und Luft oder Abgas bzw. das Spaltgas versehen
ist. Die Katalysatorkammer kann in ihren Abmessungen sehr klein gehalten werden. Sin derartiger Spaltvergaser
kann im Gegensatz zu bekannten Gasreaktoren, die ein Gemisch aus Brennstoff und Primärluft katalytisch in Spaltgas umwandeln,
so miniaturisiert werden, daß er für Kraftfahrzeuge geeignet ist. Spaltvergaser der genannten Art wurden in den
deutschen Patentanmeldungen Akt.Z. P 21 03 008.0 und P 21 35 650.3 vorgeschlagen.
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Zur Aufrechterhaltung der im Spaltvergaser erforderlichen
Temperatur - zur Durchführung der Reaktion zur Erzeugung des Spaltgases - wird der Spaltvergaser mit einem Wärmetauscher
umgeben, in welchem der Wärmegehalt der Abgase ausgenutzt wird, um die dafür erforderliche Energie aufzubringen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gasreaktor, d.h. einen Spaltvergaser, weiter zu vereinfachen, wobei insbesondere
auf bisher verwendete Wärmetauscher verzichtet werden soll. Außerdem soll der für den Spaltvergaser erforderliche Raumbedarf,
der wegen der möglichen Miniaturisierung ohnehin sehr gering ist, dadurch weiter verringert werden, daß ein bereits
vorhandenes Element der Verbrennungskraftmaschine zur Unterbringung
des Spaltvergasers verwendet wird.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei einer Anordnung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit
Gasreaktor der als Spaltvergaser ausgebildete Gasreaktor im Auspufftopf der Verbrennungskraftmaschine angeordnet und mit
einer mehrfach umgelenkten Abgasführung wärmeleitend verbunden ist.
Aus der Unterbringung des Spaltvergasers im Auspufftopf der Verbrennungskraftmaschine ergeben sich verschiedene Vorteile.
Einmal wird ein bereits vorhandenes Element der Verbrennungskraftmaschine,
nämlich der Auspufftopf, zur Unterbringung des Spaltvergasers ausgenutzt, so daß von diesem kein zusätzlicher
Raum beansprucht wird. Des weiteren werden die durch die Abgasanlage bzw. den Auspufftopf strömenden Abgase der Verbrennungskraftmaschine
ausgenutzt, um die erforderliche Temperatur für die im Spaltvergaser durchzuführende Spaltreaktion
aufzubringen. Durch die Ausnutzung der Abgaswärme im Auspufftopf kann einerseits der bisher erforderliche Wärmetauscher,
der einen relativ großen Raum erforderte, eingespart werden, andererseits wird durch die Unterbringung des Spaltvergasers
im Auspufftopf dessen Punktionsfähigkeit bzw. die Funktionsfähigkeit der gesamten Abgas- oder Auspuffanlage nicht beein-
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trächtigt. Nicht negativ beeinflußt wird insbesondere die
Punktion des Auspufftopfes als Abgasschalldämpfer, da bei
der erfindungsgemäßen Anordnung der im Auspufftopf angeordnete
Spaltvergaser mit einer mehrfach umgelenkten Abgasführung verbunden ist. Die damit erzielbare Verwirbelung des Abgases
führt zu einem Energieentzug und somit zu einer Schalldämpfung, außerdem erfolgt durch die Verteilung des Abgasstromes
eine Dämpfung bzw. Löschung bestimmter Frequenzen. Die schalldämpfende Wirkung des Auspufftopfes wird demnach
gewährleistet, darüber hinaus wird durch den Wärmeentzug aus dem Abgas die Auspuffanlage thermisch geringer beansprucht
und somit eine höhere Lebensdauer der Auspuffanlage erreicht. Ferner wird durch die in und am Spaltvergaser
herrschende gleichmäßige Temperatur die Lebensdauer des Katalysators erhöht sowie dessen Wirksamkeit verbessert.
Vorteilhaft ist weiterhin, daß durch die sehr gute Ausnutzung der Abgaswärme eine Kraftstoffeinsparung möglich ist und
darüber hinaus ein stabiler Betrieb des Spaltvergasers auch bei kurzen Betriebszeiten erreicht werden kann. Ferner ist
dadurch bei der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeuges der Spaltvergaser in relativ kurzer Zeit leistungsmäßig in einem
sehr guten Arbeitsbereich.
Zur guten Ausnutzung der Abgaswärme, d.h. zur Erzielung eines
guten Wärmeaustausches, bei gleichzeitiger Erhaltung der Funktionsfähigkeit des Abgasschalldämpfers, weisen vorteilhaft
wenigstens Teile der Abgasführung Flächen auf, die von dem dem Spaltvergaser zuzuführenden Gas beströmt werden, d.h.
in oder auch quer zur Strömungsrichtung des dem Spaltvergaser zugeführten Gases angeordnet sind. Das dem Spaltvergaser
zugeführte Gas stellt dabei das Gasgemisch aus Brennstoff, Luft und/oder Abgas dar, aus welchem im Spaltvergaser das
Spaltgas zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird.
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Vorzugsweise können die Teile der Abgasführung mit den vom Gas beströmbaren Flächen wenigstens teilweise in Art eines
Plattenwärmetauschers ausgebildet sein. Damit wird eine volle
Ausnutzung der Abgaswärme sichergestellt.
Vorteilhaft kann weiterhin der Auspufftopf mit möglichst kurzer Verbindungsleitung an die Auslaßventile der Verbrennungskraftmaschine
angeschlossen sein. Eine kurze Verbindungsleitung zwischen den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine
und dem Auspufftopf hat den Vorteil, daß dabei vor dem Spaltvergaser nur eine geringe Wärmeabgabe aus dem Abgas erfolgt,
womit eine sehr gute Wärmerückgewinnung aus dem Abgas und damit ein hoher Wirkungsgrad der gesamten Anordnung erreicht
werden kann.
Anhand zweier Figuren und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
Es zeigt
Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine bevorzugte Anordnung nach der Erfindung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine
mit einem Spaltvergaser und Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1.
Die in Fig. 1 schematisch im Schnitt dargestellte Anordnung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine besteht aus der
Verbrennungskraftmaschine 10 und einem Spaltvergaser 11. Der
Spaltvergaser 11 ist im Auspufftopf 12 der Verbrennungskraftmaschine
10 angeordnet und dieser ist mit einer Verbindungsleitung 13 an die Auslaßventile der Verbrennungskraftmaschine
angeschlossen. Der Spaltvergaser 11 ist mit einer mehrfach
umgelenkten Abgasführung 14 umgeben. Die Abgase der Verbrennungskraftmaschine
10 strömen durch die Verbindungsleitung in den Auspufftopf 12 ein, durchströmen die Abgasführung 14,
wobei sie mehrfach umgelenkt werden, und verlassen den Auspufftopf 12 durch eine Rohrleitung 15. Im Auspufftopf 12
strömen die Abgase zunächst an der Wand des Spaltvergasers 11
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entlang, treten dann durch einen Plattenwärmetauscher 16 und strömen, bevor sie den Auspufftopf verlassen, nochmals
an der Wand des Spaltvergasers entlang. Im Plattenwärmetauscher 16, der vorteilhaft als Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher
ausgebildet ist, treten die Abgase in Wärmeaustausch mit dem Gasgemisch aus Brennstoff, luft und/oder
Abgas, das dem im Auspufftopf angeordneten Spaltvergaser 11
durch eine Rohrleitung 17 zugeführt wird. Zur Zuführung von Abgas zum Brennstoff oder zu einem Brennstoff/Luft-Gemisch
kann ein Abzweig der Rohrleitung 15 mit der Rohrleitung 17
über eine Mischdüse verbunden sein. Das im Spaltvergaser 11 aus dem genannten Gasgemisch erzeugte Spaltgas wird der
Verbrennungskraftmaschine 10 durch eine Rohrleitung 18 zugeführt.
In die Rohrleitung 18 mündet eine Rohrleitung 19 zur Zuführung von Frischluft zum Spaltgas vor dessen Eintritt
in die Verbrennungskraftmaschine.
Der Reaktionsteil des Spaltvergasers weist eine Reihe von mit Katalysatormaterial versehenen Katalysatorträgern 20,
beispielsweise in form von porösen Sintersteinen, auf. Die Sintersteine 20 sind vorteilhaft mit einer Vielzahl von
annähernd parallel zueinander angeordneten Durchtrittskanälen 21 für das Gasgemisch aus verdampftem oder vernebeltem
Brennstoff und Luft und/oder Abgas der Verbrennungskraftmaschine bzw. für das Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff
enthaltene Spaltgas versehen.
Im Reaktionsteil des Spaltvergasers, d.h. in einer Katalysatorkammer,
mit einer Innenabmessung von beispielsweise etwa 80 mm χ 80 mm χ 215 mm>
d.h. mit einem Rauminhalt von nur etwa 1,4 1, sind vier Sintersteine parallel zueinander angeordnet.
Die Sintersteine weisen eine Dicke von je 50 mm und untereinander einen Abstand von je 5 mm auf, wodurch sich
zwischen den Sintersteinen Zwischenräume ergeben. Die Sintersteine bestehen vorteilhaft aus hochporösem. Material,
beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Magnesium-Aluminium-
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Silikat. Das Porenvolumen der Sintersteine beträgt 20 bis 60 $, vorzugsweise 40 bis 50 c/o. Die Durchtrittskanäle, in
Form von Bohrungen senkrecht zur Oberfläche, mit einem Durchmesser beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 2 mm
dienen zum Durchtritt des Gases bzw. Gasgemisches und erstrecken sich in deren Strömungsrichtung. Die Durchtrittskanäle
übernehmen aber auch den Transport des Gases zu den katalytisch aktiven Zentren in den freien Poren der Sinter-
steine. Die Anzahl der Durchtrittskanäle pro cm ist abhängig von deren Durchmesser. Bei einem Durchmesser von etwa
ρ
1 mm weist 1 cm Sintersteinfläche beispielsweise etwa 40 Bohrungen auf.
1 mm weist 1 cm Sintersteinfläche beispielsweise etwa 40 Bohrungen auf.
Als Brennstoff eignen sich unter anderem aliphatische, geradkettige
Kohlenwasserstoffe kleiner Kettenlänge, also niedriger Octanzahl, wie beispielsweise C-H-ic» Man benötigt daher
nicht den Zusatz von Antiklopfmitteln, wie Blei und aromatische Kohlenwasserstoffe, die beim konventionellen Betrieb
einer Verbrennungskraftmaschine umweltbelastende Schadstoffe im Abgas verursachen, sondern man kann schadstoffarme Brennstoffe,
insbesondere schadstoffarme Benzine, verwenden. Andererseits
ist ein Betrieb mit einem Brennstoff, der aromatische Kohlenwasserstoffe enthält, möglich, da diese in unschädliche
Bestandteile zerlegt werden. Der auf Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Spaltgas abgestellte Betrieb
bedeutet eine starke Verminderung der umweltbelastenden Stickoxide (NpO, NO, NOp und N2O.). Nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitende Spaltvergaser ermöglichen, Kraftfahrzeuge am vorhandenen Tankstellennetz aufzutanken. Da man schadstoffarme
Brennstoffe verwenden kann und dem Brennstoff somit keine Antiklopfmittel zugegeben werden müssen, erniedrigt
sich zusätzlich der Aufwand in der Raffinerie.
Als Katalysator für die Umwandlung des Brennstoffes wird vorzugsweise ein Nickelkatalysator, ein Platinkatalysator
oder ein Nickel/Platin-Mischkatalysator verwendet. Der Kata-
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lysator ist in jedem Pall so beschaffen, daß er die Umwandlung
des Brennstoffes in ein Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Spaltgas ermöglicht. Vorteilhaft
kann ein Niekelschwamm verwendet werden, d.h. Nickel mit
großer aktiver Oberfläche, das bei der am Katalysator
herrschenden Temperatur nicht zusammensintert. Der Vorteil des bei der Umwandlung am Katalysator entstehenden Spaltgases,
das als brennbare Gase Kohlenmonoxid, Methan und/ oder Wasserstoff enthält, liegt darin, daß damit der Verbrennungskraftmaschine
selbst ein Brennstoff mit einer hohen Octanzahl von über 100 zugeführt wird, etwa im Bereich von
110. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine mit einem
klopffesten Brennstoff betrieben werden, ohne daß schädliche Stoffe in Kauf genommen werden müssen.
Der für die Umwandlung des Brennstoffes verwendete Katalysator kann vorteilhaft mit Uran dotiert werden. Die Dotierung
bewirkt vor allem die Erhaltung der aktiven Zentren im Katalysator. Weitere besonders gut geeignete Katalysatoren
sind in dencfeutschen Patentanmeldungen Akt.Z. P 22 10 365.7
und P 22 10 401.4 vorgeschlagen.
Die Temperatur am Katalysator "beträgt vorteilhaft etwa 300
bis 5000C. Bei der Verwendung von Sintersteinen aus Aluminiumoxid
als Katalysatorträger und Platin als Katalysator, wobei etwa 5 mg Platin auf 1 cm des Trägermaterials kommen,
erzielt man eine Anspringtemperatur des Katalysators von etwa 120 C, eine Reformierungstemperatur zur Herstellung
des Spaltgases, die bei etwa 4200C liegt, und die Betriebstemperatur stellt sich etwa bei 48O0C ein. Der Sinterstein
kann bis etwa 8000C belastet werden, ohne daß sich die Lebensdauer vermindert.
Fig. 2 zeigt den Schnitt II durch den Plattenwärmetauscher 16 der Anordnung nach Pig. 1. In Mg. 2 ist die Wandung des
zylindrischen Auspufftopfes wie in Pig. 1 mit der Bezugs-
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Ziffer 12 bezeichnet. Der Plattenwärmetauscher 16 ist mit
einer Halterung 22 an der Wandung des Auspufftopfes befestigt. Die Abgase der Verbrennungskraftmaschine treten in
der durch Pfeile angedeuteten Richtung zwischen den Platten 23 hindurch. In den hohlen Platten 23 strömt senkrecht zur
Zeichenebene das Gasgemisch aus Brennstoff, Luft und/oder Abgas und tritt mit dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine
in Wärmeaustausch.
4 Patentansprüche
2 Figuren
2 Figuren
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Claims (4)
- VPA 72/752722161"??PatentansprücheAnordnung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Gasreaktor,dadurch gekennzeichnet, daß der als Spaltvergaser (11) ausgebildete Gasreaktor im Auspufftopf (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnet und mit einer mehrfach umgelenkten Abgasführung (H) wärmeleitend verbunden ist.
- 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens Teile (16) der Abgasführung von dem dem Spaltvergaser zuzuführenden Gas beströmbare Flächen aufweisen.
- 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Abgasführung mit den vom Gas beströmbaren Flächen wenigstens teilweise in Art eines Plattenwärmetauschers (16) ausgebildet sind.
- 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auspufftopf (12) mit möglichst kurzer Verbindungsleitung (13) an die Auslaßventile der Verbrennungskraftmaschine (10) angeschlossen ist.30984 1/070Leerseite
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