DE2623677A1 - Verbrennungssystem - Google Patents
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Description
FATEINTAMW^ LTE - A. GRÜNECKER
DlPL. ihCi.
H. KINKELDEY
Dft -IMG
W. STOCKMAIR
0 C 0 Q C 7 7 K. SCHUMANN
*· ° *· ^ ϋ » ' OB RSR W-WL-FHYS
P. H. JAKOB
01PL.-ING.
G. BEZOLD
8 MÜNCHEN 22
26. Mai 1976 P 10 477
Nissan Motor Company, Limited
No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku, Yokohama City, Japan
Verbrennungssystem
Die Erfindung betrifft ein Verbrennungssystem mit einer Vorrichtung
zum Reformieren von Kraftstoff, wobei der Kraftstoff vergast wird und als brennbare Bestandteile wenigstens einen Anteil
Wasserstoff und Kohlenmonoxyd aufweist, und wobei der Kraftstoff wenigstens von einem Kohlenwasserstoffkraftstoff, Alkoholen,
Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen und reinen Kohlenstoffkraftstoffen
gebildet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verbrennungssystem mit einer Reformiervorrichtung,
in welcher ein gewöhnlicher Kraftstoff, nämlich ein von Kohlenwasserstoffen gebildeter Kraftstoff in einen gasförmigen Kraftstoff
mit großen Anteilen von Wasserstoff und/oder Kohlanmonoxyden mittels einer adiabatischen Kompression eines Gemisches
des Kraftstoffes und eines Sauerstoff enthaltenden Gases umge-
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wandelt wird, sowie eine Brennkraftmaschine, x-zelche mit dem
vergasten Kraftstoff gespeist v/ird.
Zur Vermeidung der Verunreinigung der Atmosphäre durchAbgase von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, die Brennkraftmaschinen
mit einem vergasten Kraftstoff zu speisen, der brennbare Bestandteile wie Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxyde enthält und zum
Beispiel durch eine partielle Oxydation oder Wassergasraaktion
eines gewöhnlichen Kraftstoffes,, insbesondere von Benzin, erzielt
wird. Als Ausgangsmaterial zur Herstellung vergasten Kraftstoffes können sehr viele auf dem Markt verfügbare Kraftstoffe verwendet
werden. Zum Beispiel sind als Kraftstoffe verwendbar: Aus Mineralölen hergestellte Kraftstoffe, wie zum Beispiel Naturgas,
verflüssigtes Mineralölgas (LPG - liquefied petroleum gas). Benzin, Kerosin, Leichtöl oder Schweröl, synthetische Kraftstoffe
zum Beispiel synthetisches Benzin, Alkohole, zum Beispiel Methanol
und Äthanol, und Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen, wie zum
Beispiel Ammoniak und Hydrazin. Selbst feste Brennstoffe, wie zum Beispiel Kohle und Holzkohle, können Verwendung finden. In der
nachfolgenden Beschreibung soll Benzin (Oktan) als typisches Beispiel für einen gewöhnlichen Kraftstoff genannt v/erden, der in
einen gasförmigen Kraftstoff umgewandelt wird, welcher gewöhnlich als reformiertes Gas bezeichnet wird und Wasserstoff und/oder
Kohlenmonoxyd als brennbare Hauptbestandteile enthält, jedoch sei darauf hingewiesen, daß auch andere verschiedene flüssige und
gasförmige Kraftstoffe als Benzin entweder einzeln oder kombiniert in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen " Verbrennung s sys tem verwendbar
sind.
Benzin (Oktan CgH18) ist einer partiellen Oxydation durch Luft
ausgesetzt, was durch die folgende chemische Gleichung zum Ausdruck kommt:
C8H18 + (4O2 + 15,1 N2)
> 8 CO + 9 H2 + 15,1 N2 (1)
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— "3 —
Hierbei handelt es sich um eine exotherme Reaktion mit einer dabei
frei werdenden Wärmemenge von 1,43 kcal pro 1 g CgH13. Diese
Reaktionswärme ist jedoch wesentlich kleiner als die Reaktionswärme, die bei einer vollständigen Oxydation des Oktans
entsteht und 10,4 kcal/g beträgt. Bei einer gemäß der Gleichung (1) ablaufenden partiellen Oxydationsreaktion ist es daher notwendig,
daß das Reaktionssystem durch eine spezielle Einrichtung
aufgeheizt wird, damit die Reaktionsgeschwindigkeit zur Aufrechterhaltung einer selbsttätigen Reaktion groß genug ist. Es wurde
zum Beispiel vorgeschlagen (Jet Propulsion Laboratory, Pasadena,
Kalifornien, USA), die Luft und das Benzin wenigstens auf etwa 600 C bzw. auf etwa 300° C vorzuwärmen. UVi für die Einleitung
und Aufrechterhaltung der partiellen Oxydationsreaktion des Benzins benötigte Wärme wird gewöhnlich dadurch erzielt, daß eine
kleine Benzinmenge zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung zugeführt wird. Dies führt dazu, daß der Benzinverbrauch ansteigt,
ohne daß Leistung gewonnen wird. Infolgedessen besitzt das mit einer Benzinreformiervorrichtung ausgestattete Verbrennungssystem
den Nachteil eines erhöhten Verbrauchs des verwendeten Kraftstoffes. Außerdem ist es schwierig, eine Reformiervorrichtung
herzustellen, die kompakt genug ist, um zum Beispiel als Teil des Antriebssystems von Kraftfahrzeugen zu dienen, da die Vorrichtung
sperrige Bauteile besitzt, die zur Erzeugung der Wärme und zum Vorheizen des Ausgangsmaterials dienen, und die andererseits die
wärmeerzeugenden Bauteile abschirmen.
Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Kraftstoffreformiervorrichtung
zu schaffen, mit welcher der Kraftstoff reformierbar ist, und welche die folgenden Merkmale aufweist: Die Reformiervorrichtung
soll kompakt konstruiert sein, und es sollen keine separaten Heizgeneratoren, sondern lediglich einfache Wärmetauscher
Verwendung finden, so daß die Reformierungsreaktion mit großem Wirkungsgrad und selbsttätig ablaufen kann, und die Reformiervorrichtung
soll in einfacher Weise mit einer herkömmlichen Brennkraftmaschine kombinierbar sein, so daß ein ausführ-
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bares Verbrennungssystem geschaffen wird, welches im Antriebssystem
eines Fahrzeuges, wie zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges verwendbar ist.
Die Erfindung besteht darin, daß eine Reaktionskammer vorgesehen ist, die von einer Brennkammer einer kompressionsgezündeten
Brennkraftmaschine gebildet ist, daß ein Kolben vorgesehen ist,
welcher in der Reaktionskammer ein Gas mit einem Kompressionsverhältnis
von etwa 14 bis etwa 20 komprimiert, daß eine Fördereinrichtung vorgesehen ist, welche die Reaktionskammer mit einem
gasförmigen, von wenigstens einem Kraftstoff gebildeten Reaktanzen
speist, und daß ein Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher die
Wärme von dem aus der Reaktionskammer austretenden Reaktions—
produkt auf wenigstens eine Komponente des in die Reaktionskammer einzuleitenden Reaktanten überträgt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Kraftstoff-Fördereinrichtung
eine Gemischbildungsvorrichtung auf, welche ein gasförmiges Gemisch von entweder Sauerstoff oder Luft und dem
vorbestimmten Kraftstoff in einer solchen Proportion herstellt, daß der Sauerstoffgehalt im Gemisch ausreicht, um eine partielle
Oxydation des Kraftstoffes hervorzurufen und den gasförmigen Kraftstoff zu erzeugen, jedoch nicht ausreichend ist, um eine
vollständige Oxydation des Kraftstoffes zu bewirken.
Die Reformiervorrichtung weist vorteilhaft eine Nebenkammer auf, welche mit der Reaktionskammer in Verbindung steht und derart angeordnet
und ausgebildet ist, daß ein Teil des sich in der Reaktionskammer befindenden Reaktanten im letzten Abschnitt eines
Kompressionshubes des Kolbens zwangsweise in die Nebenkammer geleitet wird, um dort einen Wirbel zu erzeugen.
Wenn der der Reformiervorrichtung zugeleitete Reaktant aus einem
Gemisch von Benzin und Luft besteht, dann wird das Luft/Kraftstoffverhältnis
des Gemisches derart eingestellt, daß es inner-
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halb eines Bereiches von 5 bis 5,5 (in Gewichtseinheiten gemessen)
liegt.
Die Reforraiervorrichtung kann leicht mit einer Brennkraftmaschine
kombiniert werden, die mit einer Gemischbildungsvorrichtung zur Herstellung des brennbaren Gemisches aus Luft und dem von der
Reformiervorrichtung erzeugten vergasten Kraftstoff ausgestattet
ist. In einem solchen Fall wird ein Teil der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Leistung zur Ausführung der Kompression in
der Reformiervorrichtung verbraucht, und das von der Brennkraftmaschine erzeugte Abgas wird durch einen Wärmetauscher geleitet,
um wenigstens eine Komponente des in die Reformiervorrichtung einzuleitenden Reaktanten vorzuwärmen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Äusführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
Fig. 1 eine scheiaatische Darstellung der Gesamtkonstruktion
eines Brennkraftmaschinensystems mit einer erfindungsgemäßen Kraftstoffreformiervorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Kraftstoffreformiervorrichtung,wie sie bei einem in der Fig. 1 dargestellten System Verwendung
findet, und
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer etwas modifizierten
Kraftstoffreformiervorrichtung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das in der Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschinensystem besitzt eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine 10. Eine untergeordnete
Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine 10, nämlich, der in
bezug auf die Fig. 1 am äußersten linken Ende der Brennkraft-
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β -
maschine angeordnete Zylinder 12 dient als Kraftstoffreformiervorrichtung,
während die übrigen Zylinder 14 als gewöhnliche Arbeitszylinder dienen und zur Erzeugung einer Arbeit das Luft-Kraftstoff
gemisch verbrennen. Der Zylinder 12 dient nicht zur Erzeugung von Arbeit. Vielmehr wird dieser Zylinder 12 von einem
Teil der durch die anderen Zylinder 1 4 erzeugten Arbeit angetrieben. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin,
daß d^r Zylinder 12 (der nachfolgend als Reformiervorrichtung
bezeichnet werden soll) die Form des Zylinders einer Diesel— Brennkraftmaschine aufweist, das heißt einer kompressionsgezündeten
Brennkraftmaschine, bei welcher das Kompressionsverhältnis
etwa zwischen 14 bis 20 liegt. Die arbsie3erzeugenden Zylinder
14 entsprechen grundsätzlich den Zylindern eines herkömmlichen Benzinmotors. Die Reformiervorrichtung 12 ist mit einer Gemischbildungsvorrichtung
16 ausgestattet. Über die Leitungen 18 und
20 wird die Gemischbildungsvorrichtung entsprechend in solchen Mengen mit Luft und Kraftstoff (Benzin) gespeist, daß das Luft/
Kraftstoff-Verhältnis (Gewichtsverhältnis) des von der Geraischbildungsvorrichtung
16 an die Reformiervorrichtung 12 abgegebenen
Luft-Benzin-Gemisches etwa zwischen 5 und 5,5 liegt.
Die Arbeitszylinder 14 sind mit einer Gemischbildungsvorrichtung
22 ausgestattet, und die Leitung 24 leitet ein reformiertes Gas (im wesentlichen ein Gemisch aus E2, CO und N2) von der Reformiervorrichtung
12 zur Gemischbildungsvorrichtung 22. Diese
Gemischbildungsvorrichtung 22 wird derart gesteuert, daß sie ein brennbares Gemisch aus durch die Leitung 24 zugeführter Luft und
aus dem reformierten Gas erzeugt, und zwar mit einem solchen Verhältnis, daß das Luft enthaltende Gemisch etwas über dem stöchiometrischen
Gemisch liegt, um eine vollständige Verbrennung von CO und eine Verhinderung der Ausbildung von NOx-Bestandteilen
zu erreichen. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 (das heißt der
Zylinder 14) wird aus dem Motorsystem durch die Leitung 28 in
die freie Atmosphäre geleitet. In der Leitung 28 ist ein Wärmetauscher 30 vorgesehen, und die Leitung 24 für das reformierte
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Gas bildet einen Teil dieses Wärmetauschers 30. Die Luftleitung 18 geht durch den Wärmetauscher 30 hindurch, so daß die Luft von
der Wärme des reformierten Gases und des Abgases vorgewärmt wird, ohne mit diesen Gasen direkt in Berührung zu kommen. Ein
weiterer Wärmetauscher 3 2 ist in der Leitung 18 an einer stromab von dem Wärmetauscher 30 gelegenen Stelle angeordnet, durch welchen
die Kraftstoffleitung 20 hindurchgeht, so daß der Kraftstoff
durch die Wärme der vorgewärmten Luft aufgewärmt wird. Anstelle der beiden Wärmetauscher 30 und 32 zur individuellen Aufheizung
von Luft und Benzin kann auch ein in der Fig. 1 nicht dargestellter Wärmetauscher zwischen der Gemischbildungsvorrichtung 16 und
der Reformiervorrichtung 12 vorgesehen sein, v/elcher das Gemisch
aus Luft und Benzin vorwärmt. Einzelheiten der Reformiervorrichtung 12 und der Hilfsaggregate sollen nachfolgend anhand der
Figs. 2 und 3 beschrieben werden.
Wie dies aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist zwischen der Gemischbildungsvorrichtung
16 und der Reformiervorrichtung 12 ein Wärmetauscher
34 angeordnet, so daß eine Einlaßleitung 36 für die von einem Diesel-Motorzylinder gebildete Reformiervorrichtung 12
durch diesen Wärmetauscher 34 läuft. Die Reformiervorrichtung 12
weist einen hin- und herbewegbar gelagerten Kolben 38 auf sowie eine zwischen dem oberen Boden des Kolbens 38 und einer Fläche
des Zylinderkopfes (in der Zeichnung weggelassen) abgegrenzte
Verbrennungskammer 40. Ein Einlaßventil 42 und ein Auslaßventil 44 steuern die Verbindung zwischen der Brennkammer 40 und der
Einlaßleitung 36 bzw. der Leitung 24 für das reformierte Gas. Die Leitung 24 für das reformierte Gas geht durch den Wärmetauscher
34 hindurch und überträgt die Wärme des reformierten Gases auf das Luft-Benzin-Gemisch, welches durch die Einlaßleitung 36 hindurchströmt,
ohne daß die beiden Gasströmungen direkt miteinander in Berührung kommen. Vorzugsweise wird auch die Abgasleitung
28 der Arbeitszylinder 14 durch den Wärmetauscher 34 geleitet.
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In der Luftleitung 18 befindet sich ein Ströraungssteuerventil 46.
In der Kraftstoffleitung 20 befindet sich ein Kraftstoffbehälter 48, eine Kraftstoffpumpe 50 und ein Strömungssteuerventil 52.
Eine Zusatzkraftstoffleitung 2QA zweigt von der Kraftstoffleitung
20 an einer zwischen der Kraftstoffpumpe 50 und dem Strömungssteuerventil 52 gelegenen Stelle ab und führt zu einer Kraftstoffeinspritzdüse
54, welche in die Brennkammer 40 der Reformiervorrichtung
12 an einer von dem Kolbenboden des Kolbens 38 entfernt gelegenen Stelle einmündet. Diese Kraftstoffeinspritzdüse 54
wird mittels einer nicht dargestellten Steuereinrichtung derart betätigt, daß nur dann eine kontrollierte Einspritzung erfolgt,
wenn dies erforderlich ist. Die Zusatzkraftstoffleitung 2OA
weist eine Druckpumpe 56 auf.
Das Brennkraftmaschinensystem kann eine Wasser- (oder Dampf-)
leitung 58 aufweisen, welche sich von einem Wasserbehälter 60 zur Gemischbildungsvorrichtung 16 erstreckt und eine Förderpumpe
62 sowie ein Strömungssteuerventil 64 aufweist. Die Brennkraftmaschine 10 besitzt einen nicht dargestellten Starter, welcher
den Kolben 38 der Reformiervorrichtung 12 hin- und herbewegt.
Zu Beginn des Motorbetriebes ist das Strömungssteuerventil 52
in der Kraftstoffleitung 20 geschlossen. Durch die Leitung 18
wird Luft in die Brennkammer 40 der Reformiervorrichtung 12 eingeleitet,
während das Benzin durch die Pumpe 56 vorkomprimiert wird und in die Brennkammer 40 mittels der Einspritzdüse 54 in
nahezu stöchiometrischer Menge im Verhältnis zur Luftmenge eingespritzt
wird. Der Kolben 38 wird mittels des Starters bewegt, so daß das Luft-Benzin-Gemisch in der Brennkammer 40 komprimiert
wird. Da das Kompressionsverhältnis etwa bei 14 bis 20 liegt, wird das Gemisch durch eine adiabatische Kompression auf eine
Temperatur aufgeheizt, die über der Zundtemperatur liegt, so daß
die Verbrennung in der Brennkammer 40 eingeleitet wird. Das Verbrennungsgas gelangt durch die Leitung 24 zum Wärmetauscher 34
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und heizt diesen auf. Die Verbrennung läuft unter diesen Voraussetzungen
solange ab, bis der Wärmetauscher 34 auf eine genügend hohe Temperatur aufgeheizt ist, das heißt bis etwa auf 500 C.
Dann werden das Strömungssteuerventil 52 geöffnet und die Kraftstoff
einspritzdüse 54 geschlossen. Die Strömungssteuerventile 46 und 52 v/erden derart reguliert, daß Luft und Benzin in der Gemischbildungsvorrichtung
mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis (Gewichtsvarhältnis) von etwa 5 bis 5,5 gemischt wird.
Das Luft-Benzin-Gemisch wird in dem Wärmetauscher 34 bis z-um
Beispiel auf 200 bis 300° C vorgewärmt und gelangt durch die
Einlaßleitung 36 in die Brennkammer 40. L) 1«j Temperatur des Gemisches
steigt durch die adiabatische Kompression des Gemisches in der Brennkammer 40 auf etwa 800 bis 1000 C an, so daß das
Gemisch teilweise gemäß der Reaktionsgleichung (1) verbrannt wird. Das von der Brennkammer 40 ausgestoßene Abgas ist unter diesen
Voraussetzungen ein reformiertes Gas, welches" II·» und CO als
brennbare Bestandteile enthält. Das reformierte Gas gelangt durch die Leitung 24 über den Wärmetauscher 3 4 zur Gemischbildungsvorrichtung
22 für die Arbeitszylinder 14, wobei der Wärmetauscher die Wärme vom reformierten Gas auf das Luft-Benzin-Gemisch überträgt,
das in die Reformiervorrichtung 12 eingeleitet wird. Die Arbeitszylinder 14 werden mit einem Gemisch aus Luft und reformiertem
Gas betrieben. Wenn durch die Verbrennung in den Arbeitszylindern 14 Arbeit erzeugt worden ist, dann kann der Kolben 38
der Reformiervorrichtung 12 durch einen Bruchteil dieser erzeugten
Arbeit weiterbewegt werden.
Der Wärmeaustausch zwischen dem reformierten Gas und entweder der Luft oder dem Luft-Benzin-Gemisch führt zu einer Temperaturherabsetzung
des reformierten Gases und trägt dadurch zu einer Verbesserung der Ansaugleistung der Arbeitszylinder 14 bei.
Gemäß der Erfindung ist keine Heizeinrichtung zur direkten Äufhsizung
der Brennkammer 40 erforderlich. Dia partielle Oxydation
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oder unvollständige Verbrennung des Luft-Benzin-Gemischs führt zu einer selbst ablaufenden Reaktion, da der Temperaturanstieg
des Gemisches durch die adiabatische Kompression bis auf etwa 800 bis 1000 C erfolgt. Eine solche Temperatur wird erreicht,
indem das Gemisch vor der Kompression lediglich auf etwa 200 bis 300 C aufgewärmt wird, indem die Wärme des reformierten
Gases und/oder der Abgase der Brennkraftmaschine, welche mit dem reformierten Gas gespeist wird, ausgenutzt wird. Zum Beispiel
erreicht das Gemisch am Ende eines Kompressionshubes des Kolbens 38 eine Temperatur von etwa 900° C, wenn das Gemisch mit einer
Temperatur von etwa 200 C in die Brennkairuner 40 gelangt und das
Kompressionsverhältnis 18 ist. Die Reaktionsgeschwindigkeit gemäß der Gleichung (1) bei etwa 500° C oder darüber wird auf der
Grundlage von msec mit Hilfe der thermochemischen Angaben der "Combustion Science and Technology", Band 6 (1973), S. 279 - 286,
berechnet. Die vorbeschriebene Temperatur von etwa 900 C reicht daher aus, um die Reformierungsreaktion mit einer Geschwindigkeit
selbst ablaufen zu lassen, die einer praktisch ausgeführten Geschwindigkeit
einer Brennkraftmaschine entspricht, die mit der Reforraiervorrichtung ausgestattet ist.
Das Luft/Kraftstoffverhältnis eines Luft-Kraftstoff-Gemisches,
welches einer partiellen Oxydationsreaktion in der Reformiervorrichtung
12 ausgesetzt ist, sollte beachtlich niedriger als das stöchiometrische Verhältnis sein und in einem relativ engen Bereich
genau gesteuert werden, zum Beispiel zwischen 5 und 5,5 mit Benzin als Kraftstoff. Ein höheres Luft/Kraftstoffverhältnis
führt zu einer vollständigen Verbrennung wenigstens eines Teiles des Gemisches, während ein niedrigeres Luft/Kraftstoffverhältnis
dazu führt, daß das reformierte Gas Ruß (freien Kohlenstoff) und/ oder Kohlenwasserstoffe Ln beachtlichen Mengen enthält. Es ist
ferner erforderlich, daß die gesteuerten Mengen von Luft und Kraftstoff in der Gemischbildungsvorrichtung 1 β innig durchmischt
werden. Mit anderen Worten bedeutet das, daß das Luft/
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Kraftstoffverhältnis in jedem Bereich der Brennkammer 40 gleichmäßig
vorhanden sein muß.
Eine in der Fig. 3 dargestellte Reformiervorrichtung 112 ist grundsätzlich ähnlich der Reformiervorrichtung 12 nach Fig. 2
konstruiert, besitzt jedoch außer der Brennkammer 40 eine Nebankammer
140. Diese Nebenkammer 140 ist kleiner als die Brennkammer
40 und befindet sich an einer solchen Stelle in dem nicht dargestellten Zylinderkopf, daß die Nebenkammer 140 einen größeren Abstand
vom Kolbenboden des Kolbens 38 als irgendein Bereich der Brennkammer 40 aufweist. Die Nebenkammer 140 ist im wesentlichen
Kugelförmig ausgebildet und steht mit der Brennkammer 40 über einen sehr engen Kanal 141 (oder über einen Einlaß mit einem sehr
kleinen Querschnitt) in Verbindung. Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer 40 komprimiert wird, dann wird in der
letzten Stufe jedes Kompressionshubes ein Teil des Gemisches in die Nebenkammer 140 gedrückt und erzeugt einen heftigen Wirbel.
Infolgedessen können die Luft und der Kraftstoff in der Brennkammer
40 ideal miteinander vermischt werden. Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kraftstoffeinspritzdüse
54 vorzugsweise derart angeordnet, daß sie in die Nebenkammer 140 einmündet.
Die Nebenkammer 140 kann mit einer Heizeinrichtung 143 ausgestattet
sein, so daß die Nebenkammer 140 als Vorbrennkammer oder
Zündkammer (wie eine herkömmliche Vorbrennkammer eines Diesel-Motors
eines bestimmten Typs) wirkt, we'nn der Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzdüse 54 bei Betriebsaufnahme eingespritzt wird.
Es ist möglich, das Aufheizen der Nebenbrennkammer mit- der Heizeinrichtung
143 selbst dann fortzusetzen, wenn die Reformierungsreaktion
in der Reformiervorrichtung 112 stattfindet, um die Nebankammer 140 nicht nur als Wirbelkammer, sondern auch als Heizeinrichtung
zu verwenden, wodurch die Raforraierungsreaktion zu
Beginn begünstigt und ein schneller Prozaß erreicht v/erden.
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über die Wasserleitung 58 kann entweder bei der Verwendung der
Reformiervorrichtung 12 gemäß Fig. 2 oder der Reformiervorrichtung 112 gemäß Fig. 3 Wasser oder Dampf dem Luft-Kraftstoff-Gemisch
in der Gemischbildungseinrichtung 16 zugesetzt v/erden. Die Zuführung von Wasser oder Dampf trägt zur Vermeidung der
Rußbildung während der partiellen Oxydationsreaktion bei. Es ist möglich, den Dampf aus den Abgasen der Arbeitszylinder 14
abzuspalten und der Gemischbildungsvorrichtung 16 zuzuführen.
Es ist ferner zulässig, in der Nebenkammer 140 einen nicht dargestellten
Katalysator vorzusehen, um die Reformierungsreaktion zu verbessern.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß eine wirtschaftliche und preiswerte Diesel-Brennkraftmaschine als
Reformiervorrichtung 12 oder 112 gemäß der Erfindung Verwendung finden kann, ohne daß eine großdimensionierte und komplizierte
Heizvorrichtung erforderlich wäre. Trotzdem läuft eine Reformierungsreaktion in der Reformierungsvorrichtung 12 oder 112 stabil
und selbständig ab. Infolgedessen kann eine gemäß der Erfindung ausgestaltete Reformierungsvorrichtung leicht mit einer herkömmlichen
Brennkraftmaschine kombiniert werden, so daß ein Brennkraftmaschinensystem
geschaffen wird, welches kompakt ist, einen hohen Wirkungsgrad aufweist und bei Fahrzeugen, wie zum Beispiel
Kraftfahrzeugen, Verwendung finden kann.
Es sei darauf hingewiesen, daß die partielle Oxydation in der Reformiervorrichtungi2 oder 112 durch die Verwendung von Sauerstoff
anstatt von Luft durchgeführt werden kann. Unter Verwendung eines leicht durchführbaren Verfahrens kann Sauerstoff zu
diesem Zweck durch eine katalytische Spaltung von einer wässrigen Lösung von Wasserstoffperoxyd gewonnen werden.
Eine gemäß der Erfindung ausgestaltete Reformiervorrichtung muß
nicht notwendigerweise nur von einem einzigen zylinder einer
609850/0750
Diesel-Brennkraftmaschine gebildet sein. Eine Mehrzylinder-Diesel-Brennkraftmaschine
(Hubkolbenmaschine oder Rotationskolbenmaschine) kann ebenfalls als Reformiervorrichtung Verwendung
finden. In einem solchen Fall kann die Reformiervorrichtung
gleichzeitig mit der Herstellung von reformiertem Gas auch Arbeit leisten.
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Claims (18)
- P 10 477«AH-PatentansprücheVorrichtung zum Reformieren von Kraftstoff, wobei der
Kraftstoff vergast wird und als brennbare Bestandteile
wenigstens einen Anteil Wasserstoff und Kohlenmonoxyd
aufweist, und wobei der Kraftstoff wenigstens von Kohlenwasserstoff kraftstoff, Alkoholen, Stickatoff-Wasserstoff-Verbindungen und festen Brennstoffen gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Reaktionskammer (40) vorgesehen ist, die von einer Brennkammer einer kompressionsgezündeten Brennkraftmaschine
gebildet ist, daß ein Kolben (38) vorgesehen ist, welcher in der Reaktionskammer ein Gas mit einem Kompressionsverhältnis von etwa 14 bis etwa 20 komprimiert, daß eine Fördereinrichtung (16) vorgesehen ist, welche die Reaktions— kammer mit einem gasförmigen, von wenigstens einem Kraftstoff gebildeten Reaktanten speist, und daß ein Wärmetauscher 34 vorgesehen ist, welcher die Wärme von dem aus der Reaktionskammer austretenden Reaktionsprodukt auf wenigstens eine Komponente des in die Reaktionskammer einzuleitenden Reaktanten überträgt. - 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fördereinrichtung von "einer
Gemischbildungseinrichtung (16) gebildet ist, welche ein gasförmiges Gemisch aus wenigstens einem Kraftstoff und
einem sauerstoffhaltigen Gas, wie zum Beispiel Luft, herstellt, wobei der Sauerstoff- oder Luftgehalt das Gemisches derart bemessen ist, daß er ausreicht, um wenigstens609850/0750eine partielle Oxydation des wenigstens einen Kraftstoffes hervorzurufen, so daß der gasförmige Kraftstoff erzeugt wird, während der Sauerstoff- oder Luftanteil unzureichend ist, um eine vollständige Oxydation des wenigstens einen Kraftstoffes zu erreichen, und daß das vorbereitete Gemisch der Reaktionskammer (40) zugeleitet wird. - 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (56) vorgesehen ist, welche den wenigstens einen Kraftstoff komprimiert, und daß der komprimierte Kraftstoff mittels einer Kraftstoffeinspritzeinrxchtung (54) ia die Reaktionskammer (40) eingespritzt wird.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nebenkammer (140) vorgesehen ist, welche mit der Reaktionskammer (40) in Verbindung steht und derart angeordnet und ausgebildet ist, daß ein Teil des in die Reaktionskammer eingeleiteten gasförmigen Reaktanten zwangsweise in die Nebenkammer geleitet wird, um dort während des letzten Teiles des Kompressionshubes des Kolbens(38) einen Wirbel zu erzeugen.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (56) vorgesehen ist, welche den wenigstens einen Kraftstoff komprimiert, und daß eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (54) vorgesehen ist, welche den Kraftstoff in die Nebenkammer (140) einspritzt.
- 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung (143) vorgesehen ist, welche den Innenraum der Nebenkammer (140) aufheizt.609850/0750
- 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß in der Nebenkammer (140) ein Katalysator angeordnet ist/ welcher die Kraftstoffrefonnierungsreaktion verbessert.
- 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kraftstoff und das Sauerstoff enthaltende Gas Benzin bzw. Luft sind, und daß die Gemischbildungsvorrichtung (16) derart gesteuert ist, daß das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches im Bereich von5 bis 5,5 (in Gewichtseinheiten gemessen) liegt.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fördereinrichtung (62) vorgesehen ist, Vielehe die Reaktionskammer (4O) mit Wasser speist.
- 10. Verbrennungssystem mit einer Vorrichtung zum Reformieren von Kraftstoff, wobei der Kraftstoff vergast wird und als brennbare Bestandteile wenigstens einen Anteil' Wasserstoff ■ und Kohlenmonoxyd aufweist, und wobei der Kraftstoff wenigstens von einem Kohlenwasserstoffkraftstoff, Alkoholen, Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen und festen Brennstoffen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reaktionskammer (40) vorgesehen ist, die von einer Brennkammer einer kompressionsgezundeten Brennkraftmaschine gebildet ist, daß ein Kolben (38) vorgesehen ist, welcher in der Reaktionskammer ein Gas mit einem Kompressionsverhältnis von etwa 14 bis 20 komprimiert, daß eine Fördereinrichtung (16) vorgesehen ist, welche die Reaktionskammer mit einem gasförmigen, von wenigstens einem Kraftstoff gebildeten Reaktanten speist, daß eine Brennkraftmaschine (10) vorgesehen ist, welche eine Leistung abgibt, daß eine Einrichtung609850/0750(22) zur Herstellung eines brennbaren Gemisches aus Luft und dem von der Reformiervorrichtung erzeugten gasförmigen Kraftstoff vorgesehen ist, welche die Brennkraftmaschine mit dem vorbereiteten brennbaren Gemisch speist, und daß wenigstens ein Wärmetauscher (30) vorgesehen ist, in welchem ein Wärmetausch zwischen dem von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgas und wenigstens einer Komponente des gasförmigen Reaktanten stattfindet, der in die Reaktionskammer eingeleitet wird.
- 11. Verbrennungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Fördereinrichtung von einer Gemischbildungseinrichtung (16) gebildet ist, welche ein gasförmiges Gemisch aus wenigstens einem Kraftstoff und einem sauerstoffhaltigen Gas, wie zum Beispiel Luft,herstellt, wobei der Sauerstoff- oder Luftgehalt des Gemisches derart bemessen ist, daß er ausreicht, um wenigstens eine partielle Oxydation des wenigstens einen Kraftstoffes hervorzurufen, so daß der gasförmige Kraftstoff erzeugt wird, während der Sauerstoff- oder Luftanteil unzureichend ist, um eine vollständige Oxydation des wenigstens einen Kraftstoffes zu erreichen, und daß das vorbereitete Gemisch der Reaktionskammer (40) zugeleitet wird.
- 12. Verbrennungssystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kraftstoff und das Sauerstoff enthaltende Gas Benzin bzw. Luft sind, und daß die Gemischbildungsvorrichtung (16) derart gesteuert ist, daß das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches im Bereich von 5 bis 5,5 (in Gewichtseinheiten gemessen) liegt.
- 13. Verbrennungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Wärmetauscher (30) vorgesehen und derart ange-609850/0750ordnet ist, daß die Wärme des Abgases auf die Luft übertragen wird, die mit dem Benzin vermischt wird, so daß die aufgeheizte Luft die Wärme auf das Benzin überträgt.
- 14. Verbrennungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Wärmetauscher (30) derart angeordnet ist, daß innerhalb des wenigstens einen Wärmetauschers Wärme von dem vergasten Kraftstoff auf dia Luft übertragen wird, die mit dem Benzin gemischt wird.
- 15. Verbrennungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen und derart angeordnet ist, daß die Wärme des Abgases auf das Benzin-Luft-Gemisch übertragen wird.
- 16. Verbrennungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß der wenigstens eine Wärmetauscher derart angeordnet ist, daß innerhalb des wenigstens einen Wärmetauschers Wärme von dem vergasten Kraftstoff auf das Benzin-Luft-Gemisch übertragen wird.
- 17. Verbrennungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformiervorrichtung (12) und die Verbrennungsvorrichtung (14) in einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine (10) zusammengefaßt sind, und daß eine kleinere Anzahl der Zylinder der Mehrzylinderbrennkraftmaschine zur Reformierung von Kraftstoff dient, während die übrige Anzahl der Zylinder zur Verbrennung des brennbaren Gemisches und damit zur Erzeugung einer Leistung dient.609850/0750
- 18. Verbrennungssystein nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die. Reformiervorrichtung (12) und die Verbrennungsvorrichtung (14) mechanisch miteinander verbunden sind, so daß ein Bruchteil der von der Verbrennungsvorrichtung abgegebenen Leistung zur Ausführung der Kompression in der Reformiervorrichtung verwendbar ist.609850/0750Leerseite
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