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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines Gemisches aus gasförmigem
Brennstoff und einem als Sauerstoffträger dienenden Gas zur Speisung von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Gemisches aus gasförmigem,
durch chemische Umwandlung von flüssigem Brennstoff gebildetem Brennstoff und einem
als Sauerstoffträger dienenden Gas zur Speisung von Brennkraftmaschinen sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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In den deutschen Patentanmeldungen Akt.Z. P 21 03 008.0 und P 21 35
650.3 ist bereits ein Verfahren zur Erzeugung eines Gemisches aus gasförmigem Brennstoff,
der durch chemische Umwandlung von flüssigem Brennstoff gebildet ist, und einem
als Sauerstoffträger dienenden Gas zur Speisung von Brennkraftmaschinen vorgeschlagen
worden. Dabei wird der flüssige, Kohlenwasserstoffe enthaltende Brennstoff, wie
Benzin, verdampft oder vergast und der verdampfte bzw. vergaste Brennstoff wird
zur Umwandlung in ein Kohlenmonoxid, Methan und/ oder Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch,
sogenanntes Spaltgas, unter Zusatz von zur rußfreien Umwandlung erforderlichem Gas,
das sich aus Teilmengen von rückgeführtem Abgas der Brennkraftmaschine und/oder
anderen als Sauerstoffträger dienenden Gasen, wie Luft, zasamsensetzt, innerhalb
eines Temperaturbereiches, der zwischen etwa 3000C und der temperaturmäßigen Grenzbelastung
eines verwendeten Katalysators liegt, über diesen Katalysator geleitet. Dem Spaltgas
wird vor der Einleitung in die Brennräume der Brennkraftmaschine ein weiterer Anteil
an als Sauerstoffträger dienende Gas, wie Luft, beigemischt. Eine Vorrichtung zur
Durchführung eines derartigen Verfahrens, die als Spaltvergaser bezeichnet
wird,
weist in einer Katalysatorkammer einen den Katalysator enthaltenden Katalysatorträger,
vorteilhaft in Form hochporöser Sinterkörper mit einer Vielzahl von annähernd parallel
zueinander angeordneten Durchtrittsöffnungen für das Gas, auf und kann deshalb so
miniaturisiert werden, daß sie sich zum Betrieb von Kraftfahrzeugen eignet. Darüber
hinaus kann ein besonders schadstoffarmer Betrieb von Brennkraftmaschinen erreicht
werden, d.h. ein Betrieb unter umweltschonenden Bedingungen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren können dem Spaltvergaser in der
Anfahrphase Brennstoff und - schwach unterstöchiometrisch in Bezug auf eine vollständige
Verbrennung -Primärluft zugeführt und an einer Zündeinrichtung gezündet werden.
Die schwach unterstöchiometrische Zuführung der PrimärluSt wird bis zur Anspringtemperatur
des Katalysators beibehalten. Unter Anspringtemperatur wird dabei die Temperatur
verstanden, bei der die Wirkung des Katalysators zu einer merklichen Reaktion, d.h.
zu einer merklichen Umsetzung der Ausgangskomponenten,führt. Nach Erreichen der
Anspringtemperatur des Katalysators wird dann zum Warmlaufen die Zugabe von Primärluft
vermindert oder die Zugabe von Brennstoff -im Sinne der Verminderung des Luftanteiles
im Gemisch -solange erhöht, bis die Reformierungstemperatur für ein Brennstoff/Abgas-Gemisch
erreicht ist. Unter Reformierungstemperatur wird dabei die Temperatur verstanden,
bei der aus einem Gemisch von Brennstoff und Luft und/oder Abgas der Brennkraftmaschine,
wobei das Abgas unter anderem Wasserdampf und Kohlendioxid enthält, ein Kohlenmonoxid,
Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Spaltgas erhalten wird. Zum Übergang auf
Lastbetrieb wird ab Erreichen der Reformierungstemperatur Primärluft und ein Teil
des Brennstoffes durch Abgas der Brennkraftmaschine unter Wärme austausch mit dem
zum Katalysator geführten Gemisch in der Weise ersetzt, daß die Katalysatortemperatur
auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur ansteigt
und auf diese
einschwingt. Das Umschalten von Rochfahren - güter Anfahren und Warmlaufen - auf
Lastbetrieb bedeutet, daß von einem exothermen Prozeß auf einen möglichst endothermen
Prozeß umgestellt wird.
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Bei der endothermen Reaktion zwischen Brennstoff und Luft und/oder
Abgas der Brennkraftmaschine zu Spaltgas wird also -während des Betriebes der Brennkraftmaschine
- die erforderliche Energie durch die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine
aufgebracht. Beim Anfahrbetrieb und bei einem Betrieb bei Teillast wird dagegen
eine exotherme Reaktion vollzogen, wobei der Brennstoff mit Luft umgesetzt wird.
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Die exotherme Reaktion in der Anfahrphase und beim Betrieb bei Teillast,
wobei der Brennstoff ausschließlich oder zum überwiegenden Teil mit Luft umgesetzt
wird, hat den lfachteil, daß sie zu einer Reizwertabsenkung des gebildeten Spaltgases
im Vergleich zum eingesetzten Brennstoff, beispielsweise Benzin, führt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Erzeugung eines Gemisches aus gasförmigem,
durch chemische Umwandlung von flüssigem Brennstoff gebildetem Brennstoff und einem
als Sauersto träger dienenden Gas zur Speisung von Brennkraftmaschinen weiter zu
verbessern. Es soll insbesondere erreicht werden, daß die Brennkraftmaschine auch
in der Anfahrphase und bei Teillastbetrieb in der Weise betrieben werden kann, daß
keine Heizwertabsenkung des aus dem Brennstoff erhaltenen.Spaltgases erfolgt.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Gemisch ausschließlich
aus vergastem oder verdampftem Brennstoff und Abgas der Brennkraftmaschine bzw.
aus vergastem oder verdampftem Brennstoff und einem Sauerstoff in gebundener Form
enthaltenden Anteil des Abgases katalytisch in ein Kohlenmonoxid,
Wasserstoff
und/oder Methan enthaltendes brennbares Gasgemisch umgesetzt wird, wobei dem Gemisch
aus Brennstoff und Abgas bzw. aus Brennstoff und dem Sauerstoff in gebundener Form
enthaltenden Anteil des Abgases wenigstens zeitweise, gegebenenfalls zusätzlich
zu aus der Umsetzungs- und Verbrennungsreaktion gewinnbarer Wärme, weitere Wärme
zugeführt wird, und daß dem gebildeten brennbaren Gasgemisch vor Einleitung in die
Brennräume der Brennkraftmaschine das als Sauerstoffträger dienende Gas beigemischt
wird.
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Erfindungsgemäß wird die beim bereits vorgeschlagenen Verfahren beim
Anfahr- und beim Teillastbetrieb erfolgende exotherme Reaktion des Brennstoffes,
wie Benzin, mit Luft, die zu einer Heizwertabsenkung des erhaltenen Spaltgases im
Vergleich mit dem eingesetzten Brennstoff führt, ersetzt durch eine endotherme Reaktion
eines Gemisches aus Brennstoff und Abgas der Brennkraftmaschine oder einem Sauerstoff
in gebundener Form enthaltenden Anteil des Abgases, verbunden mit der Zuführung
zusätzlicher Wärme zu diesem Gemisch. Der Begriff zusätzliche Wärme bedeutet, daß
das Gemisch aus Brennstoff und Abgas bzw. dem Sauerstoff in gebundener Form enthaltenden
Anteil des Abgases bereits einen gewissen Wärmegehalt aufweist, beispielsweise durch
Vergasen des Brennstoffes und/oder gegebenenfalls durch zusätzliche Vorwärmung des
vergasten bzw. verdampften Brennstoffes, beispielsweise mit Hilfe des Abgases Zur
Herstellung von Spaltgas, d.h. von Kohlenmonoxid, Wasserstoff und/oder Methan enthaltendem
brennbarem Gasgemisch, das der Brennkraftmaschine zugeführt wird, wird beim erfindungsgemäßen
Verfahren ein Gemisch-verwendet, das ausschließlich aus Brennstoff und Abgas der
Brennkraftmaschine oder Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Anteil des Abgases
der Brennkraftmaschine besteht, d.h. einem Anteil des Abgases, der Sauerstoff in
gebundener Form enthält. Dies bedeutet, daß dem katalytisch in das Spaltgas umzuwandelnden
Gemisch in keiner Betriebsphase Luft zugesetzt
wird. Dabei spll
allerdings nicht ausgeschlossen werden, daß die Brennkraftmaschine, beispielsweise
der Motor eines Kraftfahrzeuges, während des Anlassens, bevor der Motor zündet,
kurzfristig Luft, beispielsweise aus der Auspuffanlage, ansaugen kann und diese
Luft in die Abgasleitung drückt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt - neben der nunmehr entfallenden
Heizwertabsenkung des Spaltgases - den weiteren Vorteil, daß die Einrichtungen für
eine Regelung der Katalysatortemperatur in Abhängigkeit von der Gemischzusammensetzung
entfallen und damit eingespart werden können, oder daß diese Einrichtungen zumindest
durch eine Regelung der die zusätzliche Wärme aufbringenden Vorrichtung in Abhängigkeit
von der Katalysatortemperatur ersetzt werden können, was einfacher und besser zu
verwirklichen ist. Darüber hinaus kann die Vorrichtung, durch-die die zur Aufwärmung
des Gemisches erforderliche Wärme aufgebracht; wird, gegebenenfalls auch zusätzlich
zur Vergasung des Brennstoffes und vorteilhaft. auch zur Aufheizung des Reaktorteiles
des Spaltvergasers verwendet werden.
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Dem Gemisch aus Brennstoff und Abgas bzw. aus Brennstoff und, dem
sauerstoffhaltigen Anteil des Abgases wird vorzugsweise während der Anfahrphase
der Brennkraftmaschine und/oder bei einem Betrieb bei Teillast Wärme zugeführt.
Unter Betrieb bei Teillast wird dabei ein Betrieb bei einer Leistung unterhalb der
Vollast bei Spaltgasbetriebß d.h. unterhalb der maximalen Leistung bei einem Betrieb
mit Spaltgas, verstanden. Die Zufuhr von Wärme kann aber auch während der gesamten
Betrieb dauer aufrechterhalten werden.
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Vorteilhaft wird die zusätzliche Wärme durch einen Brenner erzeugt,
vorzugsweise durch einen katalytischen flammlosen Brenner. Dabei kann dann der für
die Brennkraftmaschine verwendete Brennstoff auch für den Brenner verwendet werden.
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Zum Betrieb des Brenners kann - während des Betriebes der
Brennkraftmaschine
bzw. des Spaltvergäsers - aber auch im Spaltvergaser erzeugtes Spaltgas dienen.
Ein geeigneter katalytischer flammloser Brenner ist beispielsweise in der deutschen
Offenlegungsschrift 1 939 535 beschrieben.
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Als Anteil des Abgases der Brennkraftmaschine, der Sauerstoff in gebundener
Form enthält, kann beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft im Abgas enthaltenes
Wasser verwendet werden, das dem Abgas entzogen, beispielsweise aus diesem auskondensiert
wird. Die Verwendung von Wasser anstelle von Abgas bringt den Vorteil, daß kein
Stickstoff mehr vorhanden ist, wodurch weniger Wärmeenergie zur Aufwärmung der Ausgangskomponenten
zur Spaltgaserzeugung erforderlich ist.
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Darüber hinaus weist das so erzeugte Spaltgas einen höheren Heizwert
auf. Neben Wasser enthält das Abgas als sauerstoffhaltige Verbindung insbesondere
noch Kohlendioxid.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt eine
Vorrichtung verwendet, bei welcher einem Gasreaktor in Form eines Spaltvergasers
strömungsmäßig wenigstens ein Wärmetauscher vorgeschaltet ist. An diesem Wärmetauscher
ist ein Brenner angeordnet. Die Verbrennungsgase des Brenners treten im Wärmetauscher
in Wärmeaustausch mit einem Gemisch aus vergastem oder verdampftem Brennstoff und
Abgas einer Brennkraftmaschine bzw. einem Gemisch aus vergastem oder verdampftem
Brennstoff und einem Sauerstoff in gebundener Form enthaltenden Anteil des Abgases.
Weiter sind Mittel zur Zuführung des Gemisches aus Brennstoff und Abgas bzw. aus
Brennstoff und dem Sauerstoff in gebundener Form enthaltenden Anteil des Abgases
der Brennkraftmaschine zum Wärmetauscher vorgesehen sowie Mittel zur Zuführung von
Spaltgas vom Spaltvergaser zur Brennkraftmaschine und Mittel zur Zuführung von als
Sauerstoffträger dienendem Gas zum Spaltgas.
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Vorteilhaft kann strömungsmäßig vor dem am Brenner angeordneten Wärmetauscher
ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen sein,
der zum Wärmeaustausch
zwischen dem Abgas der Brennkraftmaschine und dem Gemisch aus Brennstoff und Abgas
bzw. aus Brennstoff und dem Sauerstoff in gebundener Form, enthaltenden Anteil des
Abgases dient. Die Verwendung.eines Abgas-Wärmetauschers hat den Vorteil, daß der
Wärmegehalt des Abgases gut ausgenutzt werden kann. Die Vorrichtung kann aber auch
ohne Abgas-Wärmetagscher betrieben werden.
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Anhand eines Ausführungsbeispieles und eine Figur soll die Erfindung
noch Der erläutert werden. Die Figur zeigt schematisch im Schnitt eine beispielhafte
Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem gemeinsamen Gehäuse 1, das mit einer Wärmeìsolierung 2 versehen
ist, sind ein Spaltvergaser 3, ein Brenner 4, ein Brenner Wärmetauscher 5 und ein
Abgas-Wärmetauscher 6 untergebracht. Durch eine Leitung 7 wird dem strömungsmäßig
ersten Wärmetauscher, dem Abgas-Wärmetauscher 6, beispielsweise ein Gemisch aus
vergastem bzw. verdampftem Brennstoff und Abgas der Brennkraftmaschine zugeführt.
Im Abgas-Wärmetauscher 6 wird dieses Gemisch durch das Abgas der Brennkraftmaschine
vorgewärmt. Dazu wird-dem Wärmetauscher 6 durch eine Leitung 8, die an die Brennkraftmaschine
9 angeschlossen ist, das Abgas der Brennkraftmaschine zugeführt. Durch eine Leitung
10 wird das Abgas aus dem Wärmetauscher 6 abgefuhrt. Ein Teil des Abgases wird durch
eine Leitung 11 einer Mischdüse 12 zur Zumischung zumvergasten bzw. verdampften
Brennstoff zugeführt. Der restliche Teil des Abgases wird einem Wärme tauscher 13
zugeführt, der einen Verdampfer 14 für den Brennstoff umgibt. Zur Ableitung des
Abgases aus dem'Wärmetauscher 13 dient eine Rohrleitung 15. Durch eine Rohrleitung~16
wird dem'Verdampfer 14 Brennstoff zugeführt.
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Vom Abgas-Wärmetauscher 6 gelangt das Gemisch aus vergastem bzw. verdampftem
Brennstoff und Abgas zum Brenne-Wärmetauscher
5, in welchem es
in Wärmeaustausch mit den aus dem Brenner 4 austretenden heißen Verbrennungsgasen
tritt. Vom Brenner-Wärmetauscher 5 gelangt das erwärmte Gemisch in den Spaltvergaser
3, in dessen Reaktorteil die katalytische Umsetzung zu einem Kohlenmonoxid, Methan
und/oder Wasserstoff enthaltenden brennbaren Gasgemisch erfolgt. Die aus dem Brenner-Wärmetauscher
5 austretenden Verbrennungsgase des Brenners 4 treten in eine Kammer 17 ein, die
den Spaltvergaser 3 umgibt. Auf diese Weise wird durch die Verbrennungsgase des
Brenners 4 der Spaltvergaser auf der erforderlichen Reaktionstemperatur gehalten.
Die abgekühlten Verbrennungsgase des Brenners 4 treten durch eine Leitung 18 aus
der Kammer 17 aus. Die Leitung 18 ist an die Leitung 15 angeschlossen. Durch eine
Leitung 19, die in die Leitung 18 mündet, können der Mischdüse 12 Verbrennungsgase
des Brenners 4 zugeführt werden.
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Der eigentliche Spaltvergaser, d.h. dessen Reaktorteil, weist eine
Reihe von mit Katalysatormaterial versehenen Katalysatorträgern 20, beispielsweise
in Porm von porösen Sintersteinen, auf. Die Sintersteine sind vorteilhaft mit einer
Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten Durchtrittskanälen 21 für
das Gasgemisch aus vergastem bzw. verdampftem Brennstoff und Abgas der Brennkraftmaschine
oder dessen Sauerstoff in gebundener Form enthaltendem Anteil bzw. für das Kohlenmonoxid,
Methan und/oder Wasserstoff enthaltende brennbare Spaltgas versehen.
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Im Reaktorteil des Spaltvergasers, d.h. in einer Katalysatorkammer,
mit einer Innenabmessung von beispielsweise etwa 80 mm x 80 mm x 215 mm, d.h. mit
einem Rauminhalt von nur etwa 1,4 1, sind beispielsweise vier scheiben- oder plattenförmige
Sintersteine hintereinander 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-Silikat.
Das Porenvolumen der Sintersteine beträgt 20 bis 60 96, vorzugsweise 40 bis 50 96.
Die Durchtrittskanäle, in Form einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander
angeordneten Bohrungen senkrecht zur größten Oberfläche des Sintersteines, haben
einen Durchmesser beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 2 mm und dienen, wie bereits
erwähnt, zum Durchtritt des Gasgemisches bzw. des Spaltgases; sie erstrecken sich
in Strömungsrichtung dieser Gasgemische. Von den Durchtrittskanälen her kann aber
auch das Gemisch aus vergastem bzw. verdampftem Brennstoff und Abgas der Brennkraftmaschine
bzw. dessen Sauerstoff in gebundener Form enthaltendem Anteil zu den katalytisch
aktiven Zentren in den freien Poren der Sintersteine gelangen. Die Anzahl der Durchtrittskanäle
pro cm² ist abhängig vom Durchmesser der Durchtrittskanäle. Bei einem Durchmesser
von etwa 1 mm weist 1 cm2 Sintersteinfläche beispielsweise etwa 40 Bohrungen auf.
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Als Brennstoffe eignen sich unter anderem aliphatische, geradkettige
Kohlenwasserstoffe kleiner Kettenlänge, also niedriger Octanzahl, wie beispielsweise
O7H16. Man benötigt daher nicht den Zusatz von Antiklopfmitteln, wie Blei und aromatischen
Kohlenwasserstoffen, die beim konventionellen Betrieb einer Brennkraftmaschine umweltbelastende
Schadstoffe im Abgas verursachen, sondern man kann. schadstoffarme Brennstoffe,
insbesondere schadstoffarme Benzins, 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. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende
Spaltvergaser ermöglichen es, Kraftfahrzeuge am vorhandenen Tankstellennetz aufeutanken.
Da man schadstoffarme Brennstoffe
verwenden kann und dem Brennstoff
somit keine Antiklopfmittel zugegeben werden müssen, erniedrigt sich zusätzlich
der Aufwand in der Raffinerie.
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Als Katalysator für die Umwandlung des Brennstoffes kann ein Nickelkatalysator,
ein Platinkatalysator oder ele Wickel/ Platin-Mischkatalysator verwendet werden.
Der Katalysator ist in jedem Fall so beschaffen, daß er die Umwandlung des Brennstoffes
in ein Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Spaltgas ermöglicht.
Beispielsweise kann ein Nickelschwamm 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 Brennkraftmaschine selbst ein Brennstoff mit einer hohen Octanzahl
von über 100 zugeführt wird, etwa im Bereich von 110. Dadurch kann die Brennkraftmaschine
mit einem klopffesten Brennstoff betrieben werden, ohne daß schädliche Stoffe in
Kauf genommen werden müssen.
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Der für die Umwandlung des Brennstoffes verwendete Katalysator, wie
Nickel oder Platin, kann mit Uran dotiert werden.
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Die Dotierung bewirkt vor allem die Erhaltung der aktiven Zentren
im Katalysator. Weitere besonders gut geeignete Katalysatoren für die Umwandlung
des Brennstoffes sind in den deutschen Patentanmeldungen Akt.Z. P 22 10 365.7 und
P 22 10 401.4 vorgeschlagen.
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Die Temperatur am Katalysator beträgt vorteilhaft etwa 450 bis 8500C.
Die Reformierungstemperatur zur Herstellung des Spaltgases liegt etwa im Bereich
von 400 bis 60000. Der Sinterstein kann auch auf Temperaturen über 8500C belastet
werden, ohne daß sich die Lebensdauer vermindert.
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Der Brenner 4, der - wie bereits ausgeführt - vorteilhaft ein katalytischer
flammloser Brenner sein kann, weist wenigstens einen Sinterstein 22 auf, der den
Katalysator enthält. Der Sinterstein kann aus dem selben Material bestehen wie die
Sintersteine des Spatwergasers und dieselben Eigenschaften aufweisen. Ebenso wie
die Sintersteine des Spaltvergasers sind die Sintersteine des Brenners mit Durchtrittskanälen
23 für das Gas versehen. Als Katalysator enthält der Sinterstein vorzugsweise Nickel
oder Platin. Vorteil haft kann das katalytisch aktive Metall mit Uranoxid dotiert
sein. Die Brennertemperatur kann bis zu 165000 betragen.
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Dem Brenner 4 wird beispielsweise mit einem Ventilator 24 ein Brenns-toff/Luf
t-Gemi s ch zugeführt, durch dessen Verbrena nung Wärmestrahlung erzeugt wird. Der
Brenner 4 kann aber auch mit dem im Spaltvergaser erzeugten Spaltgas betrieben werden.
Zum Betrieb mit Spaltgas kann der Brenner an eine Leitung 25 angeschlossen sein,
durch welche das Spaltgas aus dem Spaltvergaser 3 austritt. Das Spaltgas wird dann
im Brenner in Gegenwart von Luft verbrannt.
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Das im Spaltvergaser 3 gebildete Spaltgas verläßt den Spaltvergaser
durch die Leitung 25 und tritt - bevor es in die Brennkraftmaschine 9 gelangt -
vorteilhaft in einen stromungsmäßig hinter dem Spaltvergaser angeordneten Warmetauscher
26, einen sogenannten Spaltgas-Wärmetauscher, ein. Im Spaltgas-Wärmetauscher 26
kann der Wärmegehalt des Spaltgases ausgenutzt werden, um andere Gase oder Gasgemische
auf zuwärmen, beispielsweise den Brennstoff zur Erzeugung des'Spaltgases Zur Zu-
bzw. Abführung des aufzuwärmenden Gases weist der Wärmetauscher 26 zwei Leitungen
27 bzw. 28aus. Der Wärmetauscher 26 ist mit einer weiteren Leitung 29 mit der Brennkraftmaschine
9 verbunden. In die Leitung 29 mündet eine Leitung 30 zur Zuführung eines als Sauerstoffträger
dienenden Gases, wie Frischluft, zum Spaltgas vor dessen Eintritt in die Brennräume
der Brennkraftmaschine 9. Aus der Brennkraftmaschine
9, beispielsweise
dem Motor eines Kraftfahrzeuges, tritt das Abgas durch die Leitung 8 aus. Die Leitung
8 ist im allgemeinen an den Abgas-Wärmetauscher 6 angeschlossen. Sie kann aber auch
direkt zur Mischdüse 12 führen, wo das Abgas mit dem vergasten bzw. verdampften
Brennstoff vermischt wird.
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Dies ist dann der Fall, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne
Abgas-Wärmetauscher betrieben wird. Andererseits kann in der Leitung 8 auch eine
Vorrichtung angeordnet sein, in welcher das im Abgas enthaltene Wasser auskondensiert
wird.
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Dieses Wasser kann dann - anstelle des Abgases - in Dampfform dem
vergasten bzw. verdampften Brennstoff zugeführt werden.
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Die bei der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendeten Wärmetauscher können im Gegenstrom oder im Kreuzstrom geschaltet sein.
Vorteilhaft können die verwendeten Wärmetauscher Lamellen- oder Rohrbündelwärmetauscher
sein, wodurch ein guter Wärmeaustausch erzielt werden kann. Bei einer Kreuzstrom-Anordnung,
wie sie in der Figur für die Wärmetauscher 5 und 6 dargestellt ist, können darüber
hinaus zwei verschiedene Anordnungen gewahlt werden.
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Die eine Möglichkeit, bei der das Gas bzw. Gasgemisch, das Wärme abgeben
soll, dem Gas bzw. Gasgemisch, das Wärme aufnehmen soll, entgegengeführt wird, ist
- in der Figur - für den Abgas-Wärmetauscher 6 dargestellt. Die zweite Möglichkeit,
bei der die Gase bzw. Gasgemische gleichsinnig geführt werden, ist für den Brenner-Wärmetauscher
5 gewählt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise folgendermaßen
durchgeführt. Vor Inbetriebnahme der Brennkraftmascbne 9 wird der Brenner 4, dem
ein Benzindampf/Luft-Gemisch zugeführt wird, beispielsweise durch ein Glühgitter
gezündet. Die Zündung des Brenners kann aber auch in anderer Weise erfolgen, z.B.
durch eine mittels eines Zündfunkens ausgelöste Flammenbildung. Hat der Brenner-Wärmetauscher
5, infolge der Aufwärmung durch die heißen Abgase des Brenners, eine Temperatur
erreicht,
die oberhalb der Reformierungstemperatur (von etwa 400 bis 6000C) liegt, so wird
die Brennkraftmaschine in Betrieb genommen. Die Temperatur des Brenner-Wärmetauschers
liegt dabei etwa im Bereich zwischen 500 und 8000C, vorzugsweise bei etwa 650°C.
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine wird beispielsweise ein Benzin/Abgas-Gemisch
durch die Wärmetauscher 6 und 5 in den Spaltvergaser 3 eingesaugt. Bei der Inbetriebnahme
kann dabei kurzfristig auch ein Bensin/Luft-Gemisch angesaugt werden. Dies kann
dadurch vermieden werden, daß dem vergasten, verdampften oder versprühten Brennstoff
die Abgase des Brenners zugemischt werden; dazu kann, wie bereits erwähnt, die Leitung
19 vorgesehen sein. Das Gemisch aus Brennstoff, d.h. Benzin, und Abgas der Brennkraftmaschine
wird im Brenner-Wärmetauscher aufgewärmt, beispielsweise auf etwa 55000, und tritt
in den Spaltvergaser ein. Dabei werden die Katalysatorträger rasch auf die Reformierungstemperatur
gebracht und es beginnt die Umsetzung des Gasgemisches zu Spaltgas. Die Aufwärmung
der Katalysatorträger bzw. des Reaktorteils des Spaltvergasers kann zusätlich dadurch
beschleunigt werden, daß die Abgase des Brenners am Spaltvergaser entlanggeführt
werden. Mit fortschreitender Betriebsdauer wird durch die Abgase der Brennkraftmaschine
der Abgas-Wärmetauscher 6 aufgewärmt und damit eine Vorwärmung des Benzin/Abgas-Gemisches
erreicht.
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Hat der Abgas-Wärmetauscher etwa eine Temperatur im Bereich zwischen
400 und 700po erreicht, beispielsweise eine Temperatur von etwa 5000C, so wird das
Benzin/Abgas-Gemisch bereits derart vorgewärmt, daß die Brennerleistung, d.h. die
durch den Brenner 4 aufgebrachte Wärmeenergie, reduziert werden kann.
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Dies geschieht durch eine Verminderung der Brennstoff- und/ oder Luftzufuhr
zum Brenner. Die Regelung der Zufuhrrate erfolgt dabei vorteilhaft in Abhängigkeit
von der Temperatur in der Katalysatorkammer des Spaltvergavers. Mit steigender Abgastemperatur
- bei Vollast der Brennkraftmaschine stellt sich im Abgas-Wärmetauscher eine Temperatur
etwa im Bereich zwischen 750 und 900po ein - vermindert sich die im Wärmetauscher
5
benötigte zusätzliche Wärme', bis der Brenner ganz abgestellt werden kann. In dieser
Betriebsphase steigt die Temperatur in der Katalysatorkammer von etwa 5000C auf
einen Wert etwa im Bereich zwischen 600 und 7000C (Betriebstemperatur des Spaltvergasers).
Die Betriebstemperatur des Spaltvergasers kann im allgemeinen etwa zwischen 450
und 85000 liegen. Das aus dem Spaltvergaser austretende Gas kann, bevor es der Brennkraftmaschine
zugeführt wird, gegebenenfalls gekühlt werden. Als Kühlmittel kann Luft oder Wasser
dienen; das Spaltgas kann aber auch zur Vorwärmung von Ausgangskomponenten zur Spaltgaserzeugung
dienen. Gleichzeitig hat der Wärmeentzug aus dem Spaltgas den Vorteil, daß die Spaltgastemperatur
und damit auch das Volumen einer bestimmten Spaltgasmenge abnimmt, so daß pro Hub
eine größere Spaltgasmenge in die Brennräume der Brennkraftmaschine eingesaugt werden
kann als dies ohne Kühlung des Spaltgases möglich ist.
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Vor Eintritt in die Brennkraftmaschine wird dem Spaltgas ein als Sauerstoffträger
dienendes Gas, beispielsweise Luft, zugemischt.
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Die Verbrennung im Brenner wird vorteilhaft schwach überstöchiometrisch
in Bezug auf die erforderliche Luftmenge durchgeführt, dh. mit geringem Luftüberschuß.
Dadurch wird bei einer möglichst hohen Verbrennungstemperatur ein schadstoffarmer
Betrieb gewährleistet, d.h. die Verbrennungsgase des Brenners weisen eine niedrige
Schadstoffkonzentration auf.
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Bei einer Verbrennung mit starkem Luftüberschuß kann andererseits
das im Brenner verwendete Material geschont werden.
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Die sich im Brenner nach der Zündung bildende Flamme kann nach Erreichen
der Anspringtemperatur des Brenners, beispielsweise etwa 1200C bei Verwendung von
Platin als Katalysator, durch Änderung der Einströmrichtung einer oder beider Ausgangskomponenten,
Brennstoff und Luft, in den Brenner ausgeblasen oder durch eine Änderung der Gemischzusammensetzung,
d.h. durch eine Verminderung des Brennstoffanteils bzw. durch eine Erhöhung des
Luftantells im Brennstoff/Luft-Gemisch, gelöscht werden.
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Nach dem Warmlaufen der Brennkraftmaschine wird im allgemeinen, in
Abhängigkeit von der Leistung der BrennkraftmascHnes die Brennerleistung stetig
gedrosselt, bis bei Vollast der Brennkraftmaschine die Wärmezufuhr durch den Brenner
vollständig aufhört. Die Regelung des Brenners erfolgt dabei, wie bereits erwähnt,
in Abhängigkeit von der im Reaktorteil des Spaltvergasers herrschenden Temperatur.
Während des Betriebes der Brennkraftmaschine kann der Brenner vorteilhaft aber auch
stets betriebsbereit gehalten werden, indem ständig eine geringe Brennstoffmenge
verbrannt wird. Auf diese Weise wird bei Laständerungen der Brennkraftmaschine eine
kurze Ansprechzeit des Brenners erzielt.
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Bei einer Lasterhöhung der Brennkraftmaschinet d.h. bei steigender
Leistung, stellt sich im Spaltvergaser eine höhere Temperatur ein, so daß die Leistung
des Brenners zurückgenommen werden kann. Im Falle einer Leistungsverminderung der
Brennkraftmaschine wird andererseits die Leistung des Brenners erhöht, um die Temperaturerniedrigung
im Spaltvergaser auszugleichen. Die Temperaturerhöhung im Spaltvergaser bei steigender
Leistung der Brennkraftmaschine ergibt sich im wesentlichen durch die im Abgas-Wärmetauscher
erfolgende erhöhte Wärmezufuhr zu dem Gasgemisch, das dem Spaltvergaser zugeführt
wird. Die Regelung der Brennerleistung, d.h. die Verminderung oder Erhöhung des
Durchsatzes an æur Verbrenultng eingesetzten Ausgangskomponenten, bei einem Lastwechsel
der Brennkraftmaschine erfolgt ebenfalls in Abhängigkeit von der im Spaltvergaser
herrschenden Temperatur. Dabei kann beispielsweise die Leistung eines Verdichters
für eine der gas-oder dampfförmigen Ausgangskomponenten verändert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung zu seiner Durchführung'
können sowohl bei Verbrennungsmotoren als auch bei Gasturbinen Verwendung finden.
Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen,
spurgebundenen Landfahrzeugen und Schiffen.
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14 Patentansprüche 1 Figur - 16 -