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DE2614829A1 - Verfahren zum betrieb eines verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines verbrennungsmotors

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DE2614829A1
DE2614829A1 DE19762614829 DE2614829A DE2614829A1 DE 2614829 A1 DE2614829 A1 DE 2614829A1 DE 19762614829 DE19762614829 DE 19762614829 DE 2614829 A DE2614829 A DE 2614829A DE 2614829 A1 DE2614829 A1 DE 2614829A1
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DE
Germany
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oxygen
gas
catalyst
reaction vessel
combustion engine
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DE19762614829
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Yoshiyasu Fujitani
Hideaki Muraki
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Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M27/00—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
    • F02M27/02—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by catalysts

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  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)

Description

Postadro::-'· ;.!i·.-_hen: Poior.lcor.iull 8 München 60 RadeckestraSe 45 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05 212313 Postr-dressc-Wir;3'.j-.ii!r-r.: Palcmconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (U6121) 562943/561998 Telex 04-186 237
K. K. TGVt)^V CIRJO KRKKYUSHO 76/8708
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors im Sinne der Abgabe von reinen Abgasen oder der Umwandlung von Abgasen.
Bekanntlich sind Stickoxide und brennbare Gase wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe udgl. schädliche Gase noch in den Abgasen enthalten, die von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs abgegeben werden. Es ist erwünscht und aufgrund der Abgasvorschriften zum Teil erforderlich, diese schädlichen Gase daran zu hindern, in die Atmosphäre entlassen zu werden.
Es sind deshalb viele Verbesserungen auf diesem Gebiet bislang versucht worden, um den erwähnten Nachteil zu vermeiden. Beispielsweise wird ein flüssiger Brennstoff wie Benzin odgl. in ein "reformiertes" Gas umgewandelt, welches im wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenomoxid besteht, dann wird eine grosse Luftmenge zugeiniseht, um ein mageres Gasgemisch zu erzielen, welches anschliessend dem Verbrennungsmotor zur sogenannten "Magergemischverbrennung" zugeführt wird. Die Magergeraischverbrennung führt zu
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München: Kramer - Dr. Weser ■ Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner
ORIGINAL INSPECTED
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einer Herabsetzung der Verbrennungstemperatur innerhalb des Motors, wobei die Menge an erzeugten Stickoxiden auf einen Wert um 1oo bis 2o ppm herabgesetzt werden kann. Bei dieser Magergemischverbrennung verbleiben jedoch relativ grosse Mengen an unverbrannten Gasen, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen udgl., welche Reste des zuvor erwähnten "reformierten" Gases sind in den Abgasen, beispielsweise Kohlenmonoxid um 0,2 %, unverbrannte Kohlenwasserstoffe um 5oo ppm. Die Magergemischverbrennung hat also die beschriebenen Nachteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile dadurch zu vermeiden, indem die Erzeugung des "reformierten" Gases und der Verbrennungswirkungsgrad in einem Verbrennungsmotor verbessert wird, indem verbrennbare Gase wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe u.dgl. im Abgas weitgehend entfernt v/erden.
Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Hauptanspruches gelöst.
Bei der Erfindung ist demnach eine Reaktionsgefäss in der Abgasleitung eines Verbrennungsmotors angeordnet, wobei in dem Reaktionsgefäss ein Katalysator zur teilweisen Oxidierung von Kohlenwasserstoffen zugegen ist, und es zu einem Wärmetausch zwischen dem durch das Reaktionsgefäss fliessenden Strömungsmittel und den Abgasen kommt. Eine Gasmischung aus
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Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Gas mit einem Gehalt an Sauerstoff zur Erz-ielung eines Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnisses von o,3 bis 1,2 wird in das Reaktion.sgefäss geleitet, um den Brennstoff in das reformierte Gas teilweise zu oxidieren, welches Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als Hauptbestandteile enthält sowie einen kleinen Anteil an niedermolekularen Kohlenwasserstoffen. Die teilweise Oxidation wird bei einer Temperatur von 8000C bis 12oo°C ausgeführt. Danach wird Gas mit einem Sauerstoffgehalt in einer Menge zugeführt, so dass ein Mischungsverhältnis von 1,1 bis 2,ο mit dem reformierten Gas entsteht, wonach dieses Gasgemisch dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Die Verbrennungswärme infolge dieser partiellen Oxidation wird daher den Abgasen zugeführt, wobei brennbare Gase verbrannt und damit entfernt werden, nämlich Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen udgl. in dem Abgas.
Mit der Erfindung wird Brennstoff auf der Basis von Kohlenwasserstoffen zusammen mit Gas mit einem Sauerstoffgehalt zur Erzielung eines Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnisses von o,3 bis 1,2 in das Reaktionsgefäss geleitet, so dass der Brennstoff teilweise in ein reformiertes Gas oxidieren kann, welches im wesentlichen aus Hp und CO besteht, und dieses in wirksamer Weise. Danach wird das reformierte Gas in einen Verbrennungsmotor zusammen mit Gas geleitet, welches Sauerstoff in einer Menge zur Erzielung eines
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Überschiios-Sauerstoffverhältnisses von 1,1 bis 2,ο aufweist, so dass die rasche Verbrennung in dem Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad erfolgen kann, wobei ein hoher Verbre.x.:ur.£swirkungsgrad für den Motor erhalten wird. Zusätzlich ist gemäss der Erfindung das Reaktionsgefäss in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet, so dass die im Reaktionsgefäss erzeugte Reaktionswärme durch die äussers Wandung auf die Abgase übertragen wird, so dass restliches Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe auf eine höhere Temperatur erhitzt werden und infolge des im Abgas befindlichen Sauerstoffs verbrennen. Ferner läuft der Verbrennungsmotor unter Magergemisch-Ladungsbedingung und Magergemischverbrennung, so dass die Verbrennungstemperatur im Verbrennungsmotor relativ niedrig geahlten werden kann, mit dem Ergebnis, dass nur eine geringe Menge an Stickoxiden erzeugt werden. Aus diesen Gründen liefert die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit unschädlichen Abgasen.
Bei der Erfindung können als Katalysatoren zur teilweisen Oxidation ein Rhodiumkatalysator, ein Lanth&n-Kobaltkatalysator, ein Nickelkatalysator, ein Kobaltkatalysator udgl. verwendet werden. Wie früher beschrieben, ist das mit den erwähnten Katalysatoren gefüllte Reaktionsgefäss in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet. Owohl die Anordnung des Reaktionsgefässes nicht darauf beschränkt ist, wird vorgezogen, das Reaktionsgefäss in ein Auspuffrohr zu legen, durch welches die Abgase des Verbrennungs-
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motors ausgestossen werden. Dies deshalb, weil die Temperatur der Gase innerhalb des Auspuffrohres beträchtlich hoch ist, und weil durch die zusätzliche Reaktionswärme des Reaktionsgefässes auf die Abgase mit solch hoher Temperatur die entzündbaren Gase wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe udgl. zum Entzünden und Verbrennen bringt, so dass diese gewissermassen entfernt werden. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom Reaktionsgefäss auf die Abgase wird ferner vorgezogen, eine Mehrzahl von Reaktionszylindern vorzusehen und/oder Heizrippen auf den äusseren Wandungen der Reaktionsgefässe anzubringen.
Bei den Kohlenwasserstoffen in dem Brennstoff handelt es sich um solche Kohlenwasserstoffe, wie sie beispielsv/eise in Benzin, Naphta, mittelschwerem Öl udgl. angetroffen werden. Wenn solcher Brennstoff in das Reaktionsgefäss gefördert wird, wird er gasförmig, und danach wird Gas mit einem Gehalt an Sauerstoff, beispielsweise Luft, dazu gemischt. Dieser Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für eine teilweise Oxidation. Die Menge an Sauerstoff, die dem Kohlenwasserstoff zugemischt wird, reicht von o,3 bis 1,2, bezogen auf das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis. Der Ausdruck »Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis" ist das Verhältnis (O/C) der Anzahl der Sauerstoffatome in einem Molekül von Sauerstoff zur Anzahl der Kohlenstoffatome in einem Kohlenwasserstoffmolekül des Brennstoffs auf der Basis von Kohlenwasserstoff. Unter der Annahme eines Mol an CUH-j., als
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Kohlenwasserstoff und einer Zuführung von Sauerstoff mit
einem Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis von 1,o
sollten 3,5 Mol Sauerstoff dem Kohlenwascdi'Dtoff zugeführt
werden.
Der dem Kohlenwasserstoff zuzumischende Sauerstoff kann Sauerstoffgas allein, Luft, Sauerstoffgas mit Luft oder andere Sauerstoff enthaltende Gase sein. ¥enn jedoch Luft verwendet wird, wird wegen des bekannten Anteils von ungefähr 2o % Sauerstoff in Luft die fünffache Luftmenge gegenüber reinem Sauerstoff zugeführt. Der Grund, warum
a.
das Suerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis als im Bereich von o,3 bis 1,2 definiert worden ist, geht darauf zurück, dass im Falle das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis niedriger als o,3 ist, der Kohlenstoff knapp wird, also daß Kohlenwasserstoffe bei hoher Temperatur des Katalysators in dem Reaktionsgefäss verrussen. Es besteht dann die Gefahr der Aktivitätsverminderung der Katalysatoren. ¥enn andererseits
ä
das Verhltnis grosser als 1,2 gemacht wird, wird eine zu starke Oxidation der Kohlenwasserstoffe erhalten, so dass entzündbare Gase (CO, Hp) und niedermolekulare Wasserstoffe wie CH/, CpH^ udgl. in dem reformierten Gas in zu grosser Menge verschwinden.
In dem Reaktionsgefäss wird Kohlenwasserstoff teilweise durch Sauerstoff oxidiert, so dass der grosse Teil der Kohlenwasserstoffe in das reformierte Gas umgewandelt wird, welches
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im wesentlichen aus CO und H~ besteht. In dem Fall ist es ziemlich schwierig, Kohlenwasserstoff in CO und Hg vollständig der partiellen Oxidation zu unterwerfen. Deshalb wird ein Teil des Kohlenwasserstoffs in niedermolekulare Kohlenwasserstoffe mit einer Kohlenstoffatomanzahl von 1 bis 4 , zersetzt, beispielsweise Methan, Äthylen, Propylen, Butylen udgl., welche demnach in dem reformierten Gas enthalten sind. Die Tatsache, dass diese niedermolekulare Kohlenwasserstoffe im geringen Ausmaß in dem reformierten Gas enthalten sind, verbessert das Laufverhalten des Verbrennungsmotors.
Bevor das reformierte Gas in den Verbrennungsmotor geleitet wird, wird Sauerstoff zur Explosion und Verbrennung des reformierten Gases zugemischt. Das Mengenverhältnis des zuzumisehenden Sauerstoffs zum reformierten Gas beträgt 1,1 bis 2,o im Sinne eines Überschuss-Sauerstoffverhältnisses. Der Ausdruck "Sauerstoff-Überschussverhältnis11 bezieht sich auf ein Verhältnis(A) von Sauerstoff zu entzündbaren Gasen wie CO, Ho und Restkohlenwasserstoffe in dem reformierten Gas unter der Annahme, dass das Verhältnis (B) der notwendigen Menge an Sauerstoff zur vollständigen Verbrennung der entzündbaren Gase zu der dieser Gase gleich 1,o ist. Wenn beispielsweise das Verhältnis (B) der notwendigen Menge an Sauerstoff zur vollständigen Verbrennung der entzündbaren Gase zu der der entzündbaren Gase gleich 3,ο ist und das Verhältnis (C) der den entzündbaren Gasen tatsächlich zuge-
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führten Menge an Sauerstoff gleich 4,5 ist, beträgt das Sauerstoff-Überschussverhältnis (A) gleich 1,5, aufgrund der Rechnung 4,5/3,ο (Verhältnis (C) / Verhältnis (B) ). Mit anderen Worten, das Sauerstoff-Überschussverhältnis ist das Verhältnis (C) zum Verhältnis (B). Der Grund für die Festlegung des Sauerstoff-Überschussverhältnisses auf den Bereich von 1,1 bis 2,ο ist wie folgt. Wenn nämlich das Sauerstoff-Überschussverhältnis über 2,ο ansteigt, führt dies zu einer Knappheit an Brennstoff mit der Folge einer geringen Verbrennungsgeschwindigkeit und einer geringen Ausgangsleistung des Motors. Wenn andererseits das Sauerstoff-Überschussverhältnis unter 1,1 liegt, führt dies zu einer Zunahme der Verbrennungstemperatur im Verbrennungsmotor sowie zu einer Zunahme der erzeugten Stickoxiden NO . Der dem reformierten Gas zugeführte Sauerstoff kann Sauerstoffgas allein sein, Luft, Sauerstoffgas mit Luft oder andere Sauerstoff enthaltende Gase.
Die Temperatur der Katalysatorschicht während der partiellen Oxidation sollte auf 8oo bis 12oo°C gehalten werden. Wenn die Temperatur unter 8oo°C absinkt, wird eine niedrigere Reaktionsgeschwindigkeit erhalten, so dass ein genügendes Ausmass an partieller Oxidation nicht erzielt wird. Wenn andererseits die Temperatur über 12oo°C ansteigt, nimmt die Verschlechterung (Deterioration) des Katalysators zu. Die Einstellung der Temperatur wird durch Zuführung eines inerten Gases, wie Stickstoff, in das Reaktionsgefäss zur
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Steuerung der partiellen Oxidation oder durch Vorsehen einer Wärmequelle, beispielsweise einer elektrischen Heizquelle in der Katalysatorschicht ausgeführt. Bei der praktischen Anwendung weisen die Abgase eine Temperatur von 3oo bis 7oj°C auf, so dass die Wahrscheinlichkeit eines abnormen Temperaturanstiegs in der Katalysatorschicht gering ist, etwa wegen der von der Wandung des Reaktionsgefässes auf die Abgase gestrahlten Hitze. Die partielle Oxidation stellt eine hohe exothermische Reaktion dar, beispielsweise wird bei Benzin eine Wärmemenge von etwa 2 Kcal aus einer Benzinraenge von 1 cm erzeugt. Aus diesem Grund ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass die Temperatur der Katalysatorschicht auf unter 8oo C während des Betriebs des Verbrennungsmotors absinkt.
Aus vorstehenden Gründen kann die Temperatur des Reaktionsgefässes im Bereich von 8oo bis 12oo°C aufrecht erhalten werden. Die Temperatur des Abgases des Verbrennungsmotors beträgt ungefähr 5oo°C innerhalb des Auspuffrohrs, so dass die Abgase durch die Abwärme des Reaktionsgefässes auf ungefähr 8oo bis 1ooo C erhitzt werden. Demnach werden entzündbare Gase in den Abgasen verbrannt und so durch den Restsauerstoff in dem Abgas beseitigt.
Testbeispiele und Ausführungsformen gemäss Erfindung werden nachfolgend beschrieben:
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Testbeispiel
Ein Rhodiurakatalysator wurde zur partiellen Oxidation benutzt, wobei Luft als das Gas mit einem Gehalt an Sauerstoff dem Benzin,d.h. also Kohlenwasserstoffen, zugefügt wurde. Dann wurde die partielle Oxidation des Benzins als der Kohlenwasserstoffträger unter verschiedenen Bedingungen ausgeführt, um die umgewandelten bzw. reformierten Gase zu erhalten, wonach die Bestandteile des so erhaltenen reformierten Gases gemessen wurden.
Der Rhodiumkatalysator wurde durch Immersion von sphärischen X-Tonerde-Magnesia-Träger von ungefähr 3 mm Durchmesser in Rhodiumchloridlösung erhalten, gefolgt von einer Trocknung und Wärmebehandlung. Auf diese Weise betrug der Rhodiumgehalt des Katalysators o,1 Gewichts-?o in dem Trägermaterial.
Zur partiellen Oxidation wurde der so erhaltene Rhodiumkatalysator in einen Quarzzylinder mit einem inneren Durchmesser von ungefähr 3o mm eingeführt und ein Benzingas-Luft-Gemisch der Katalysatorschicht zugeführt. Das Benzin (mittlerer Zusammensetzung CUIL· r r) wurde bei einer Temperatur von etwa 25o°C vergast und dann mit Luftvermischt. Der Versuch wurde bei unterschiedlichen Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnissen durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde der Betrag an Luft im Verhältnis zu der konstanten Menge an Benzin variiert, also das Luftbrennstoffverhältnis A/F verändert.
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Ferner war der der Katalysator schicht zugeführte Betrag an Benzin 1o oder 2o Einheiten in Ausdrücken von LHSV. Die Temperatur der Katalysatorschicht wurde im Bereich von 800 his 11000C eingestellt. Der Ausdruck "Luft-Brennstoff-Verhältnis" wie hier benutzt ist das Verhältnis der Gewichtsmenge von Luft zur Gewichtsmenge von zugeführtem Benzin. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis wurde durch Multiplikation des Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnisses mit 5»14-abgeleitet. Der Ausdruck "LHSV (Liquid Hourly Space Velocity = Flüssigkeit-Raumgeschwindigkeit /h) ist ein Flüssigkeitsäquivalentbetrag (cc) des durch die Katalysatorschicht fliessenden Benzins der Einheitskapzität (cc) in einer Stunde, Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
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Tabelle 1
cn ο co
Sauerstoff-Kohlenstoff-
Verhältnis % 		0. 29 0. 39 0 .49 0.58 0.78 0.97 1.16 1.26
Luft-Brennstoff-
Verhältnis A/P		 1. 5 2. 0 2 .5 3 4 5 6 6.5
LHSV (cc/cc
pro Stunde)		 20 20 20 20 10 10 10 10
Wandlungsgeschwindig
keit (%) 		90. 2 92. 8 97 .9 99.7 100 100 100 100
Zusammensetzung des reformierten Gases (Volumen %)
H2 CO CH
C3H6
C4H8 CO2
3.0 4.3 6.2 9.4 19.3 17.8 13.6 10.0
9.0 12.4 15.4 17.6 22.6 21.1 17.6 15.0
2.5 2.4 2.2 2.0 1.9 1.5 1.0 0.6
4.0 3.9 3.3 3.2 1.5 0.9 0.5 0.3
2.3 2.2 1.7 1.4 0.6 0.3 0.2 0.1
2.7 2.5 2.4 1.4 0.5 0.2 0.1 -
1.1 1.2 - - 1.0 1.2 3.7 5.3
12.9 12.7 10.8 9.0 2.3 5.8 6.7 7.2
52.8
51.7
54.0
53.4
49.4
50.6
56,4
60.5
OO NJ)
Katalysator-Tempera tür (0C)
800
830
860
880
910
990
1050
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Der Ausdruck "Umwandlungsgeschwindigkeit (%) in Tabelle gibt den Prozentanteil von Benzin an, die sich aus Benzin umgewandelt haben. Im reformierten Gas wird eine Mischung von Äthylen, Propan, Butan, Kohlenwasserstoffe mit einer Kohlenstoff -Atomzahl von 5 angetroffen, außer den in der Tabelle angezeigten Werten.
In Fig. 1 ist das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis (0/C) und das Luft-Brennstoff-Verhältnis (A/F) auf der Abszisse aufgetragen, während die Konzentrationen in Volumen % von CO, H2, CH^ und C2H^ nach Tabelle 1 auf der Ordinate (linke Skala) aufgetragen sind. Die erhaltenen Prozentsätze von CO und H2 sind auf der rechten Ordinatenskala angegeben. Der erhaltene Prozentsatz ist das Prozentverhältnis der Mengen an CO und H2, welche tatsächlich erhalten wurden, zu den Mengen, die theoretisch aus Benzin erhältlich sind. Die jeweiligen Kurven in Fig. 1 stellen die Mengen der Gase CO, H2, CH^ und C2H^ dar.
Wie aus Fig. 1 eindeutig hervorgeht, werden ein großer Betrag an H2 und CO in dem reformierten Gas erhalten, außer Stickstoff, welches in der Luft enthalten war, ferner einen geringen Betrag an niedermolekularen Kohlewasserstoffen. Wenn das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis kleiner als 0,3 ist, führt dies zu einer beträchtlichen Erniedrigung in der Ausbeute an CO und H2. Wenn andererseits das Sauerstoff-Kohlenstoff-
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Verhältnis über 1,2 beträgt, führt dies zu einer bemerkenswerten Herabsetzung des Prozentbetrages an CO und Hp und es wird eine Zunahme der Mengen an COp und HpO bemerkt, was den Fortschritt der vollständigen Verbrennung der Kohlenwasserstoffe andeutet.
Nachfolgend werden Ausführungsformen gemäß Erfindung beschrieben, wobei die Erfindung auf den Betrieb des Verbrennungsmotors eines Motorfahrzeugs angewendet wird.
Die in den Ausführungsformen 1 und 2 benutzte Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Ein zylindrisches Reaktionsgefäß 3 ist innerhalb eines Auspuffrohres 13 für das Abgas eines Verbrennungsmotors 1 angeordnet. Eine Luftzuführungsleitung
32 steht in Verbindung mit einem Gaszuführungsteil 33 des Reaktionsgefäßes 3. Eine Zuführungsleitung 11 führe formiertes Gas zu dem Verbrennungsmotor 1 ist mit der Ansaugleitung und Verteiler 12 des Motors verbunden. Das Reaktionsgefäß 3 ist mit Katalysatorsubstanz 34 zur Parzellenoxidation gefüllt. Ein Wärmetauscher 23 umgibt ein Teilstück der Zuführungsleitung 11 für das reformierte Gas und wärmt den flüssigen Brennstoff vor. Eine Zuführungsleitung 22 für flüssigen Brennstoff öffnet sich in den Gaszuführungsteil
33 des Reaktionszylinders 3 und verbindet einen Tank 2 für flüssigen Brennstoff über den Wärmetauscher 23 mit diesem Einlaß. Eine Luftzuführungsleitung 16 zur Zuführung
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von Verbrennungsluft steht mit der Zuführungsleitung 11 für reformiertes Gas in der Nähe der Lufte.inlaßkanäle 12 in Verbindung. Das zu den Ansaugkanälen 12 führende Ansaugrohr 16 weist ein Ventil 15 auf, und ein ähnliches Ventil 31 in der Luftzuführungsleitung 32 vorgesehen, ferner ein Ventil 21 in der Brennstoffzuführungsleitung 22. Eine Zündkerze 36 dient zur Entzündung des flüssigen Brennstoffs zur Vorheizüng der Katalysatorschicht 34 beim Starten des Verbrennungsmotors. Das Auspuffrohr ist bei 14 dargestellt.
Im Betrieb des Verbrennungsmotors mit der beschriebenen Einrichtung wird flüssiger Brennstoff durch die Zuführungsleitung 22 zum Gaseinlaßteil 33 des Reaktionsgefäßes 3 geleitet und Luft als das Gas mit einem Gehalt an Sauerstoff wird durch die Luftzuführungsleitung 32 zugeführt, so daß ein Luft-Brennstoffgas-Gemisch der Katalysatorschicht 34 zugeführt wird, die auf hoher Temperatur gehalten ist. Dabei wird der zunächst flüssige Brennstoff teilweise oxidiert und wandelt sich unter der Einwirkung des Katalysators in das reformierte Gas um. Danach wird das durch die Leitung 11 fließende reformierte Gas mit Luft gemischt, die durch die Leitung 16 zugeführt wird, und das so erhaltene Gemisch wird durch die Ansaugkanäle 12 dem Verbrennungsmotor zu Antriebszwecken zugeführt. Ein großer Anteil der durch die partielle Oxidation erzeugten Wärme wird durch die äußere Wandung des Reaktionsgefäßes 3 den Abgasen in den Abgas-
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kanälen zugeführt, wobei entzündbare Gase wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe c-na dergleichen, die noch in den Abgasen sind, entzündet und verbrannt und so entfernt v/erden. Wie dargestellt, wird der flüssige Brennstoff mittels des Wärmetauschers 23 vorgeheizt, um die Vergasung im Gaszuführungsteil 33 zu erleichtern. Beim Start der Vorrichtung wird ein luft-gasförraiges Brennstoff-Gemisch von der Zündkerze 36 gezündet, und der verbrennende Gasstrom heizt den Katalysator vor, wie zuvor beschrieben.
Ausführungsform 1 Die Betriebsbedingungen und Ergebnisse sind folgende:
a. Typ des verwendeten Verbrennungsmotors und der Antriebsbedingungen: ■;
Kolbenmotor; Hubraum 1588 cc; Kompressionsverhältnis 8,5; Umdrehungsgeschwindigkeit 1500 rpm; Gasdrosselventil- voll geöffnet; Gasdrosselventil voll geöffnet; Zündung 37° nach unterem Totpunkt bei maximalem Drehmoment; Drehmoment 5,7 kg/m; Luftmenge zur Verbrennung 570 l/min; Sauerstoff-Überschußverhältnis 1,5.
b. Betriebsbedingungen des Reaktionsgefäßes: Zuführgeschwindigkeit von Benzin (mittlere Zusammensetzung C7H14 4) als flüssiger Brennstoff 128 cc/min; Luftmenge 295 l/min; Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis (0/C) 0,78;
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Katalysator Rhodium von 0,1 Gewichts-% auf dt-Tonerde-Magnesia-Träger einer Partikelgröße von 3 mm; Katalysatormenge 500 cc; Größe der Katalysatorschicht 6 cm Durchmesser, 17,5 cm Länge; LHSV ungefähr 16 (1/Stunde); Temperatur in der Mitte der Katalysatorschicht 10100C; Temperatur in der Wandung des Reaktionsgefäßes 8000C.
c. Ergebnisse:
Zusammensetzung des in dem Reaktionsgefäß erzeugten reformierten Gases in Volumen %: 19% H2, 23% CO, 1,9% CH^, 1,0% CO2, 0,23% H2, 49,4% N2, 3,4% andere Bestandteile wie C2Hg, C^Hg und dergleichen; Betrag an reformierten Gasen 380 l/min; Betrag an Abgasen des Verbrennungsmotors 1200 g/min.
Die Temperatur der Abgase und der Betrag an NO , HC, CO in den Abgasen wird in Tabelle 2 gezeigt. Der Betrag dieser
Gase ist auf den Normwert bei 2O0C umgerechnet.
Tabelle 2
Auslaß des Ver- Auslaß der brennungsmotors Abgaskanäle
Gastemperatür ( :°c) 540 800
N0Y (g/PS.h) 4 4
HC (» ) 5 2
CO ( » ) Ul 3
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Der Ausdruck "g/PS-h" ist der Betrag in Gramm von schädlichen Abgasen pro Stunde und Leistung in PS eines Verbrennungsmotors .
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., -]g - 26U829
Ausfüiarungsforir: 2.
Die beschriebene Vorrichtung wurde mit unterschiedlichen Laufbedingungen eines Verbrennungsmotors und Reaktionsbedingungen des Reaktionsgefässes betrieben. Diese Bedingungen und dieerzielten Ergebnisse sind wie folgt:
a) Antriebsbedingungen des Verbrennungsmotors: Kolbenmotor; Hubraum 1583 ecm; Kompressionsverhältnis 8,5; Drehgeschwindigkeit 1500 U/min.; Einlaßkanaldruck 198 mmHg; Zündzeitpunkt 60° nach unterem Totpunkt; 'Drehmoment 2,6 kg-m; Luftmenge für Verbrennung 154 l/min.; SauerstoffÜberschußverhältnis 1,65;
b) Betriebsbedingungen des Reaktionsgefässes: Fördergeschwindigkeit des Benzins (CyH^ 4) 30 ccm/min.; Luftmenge 77 l/min.; Sauerstoff-Kohlenstoffverhältnis (0/C) 0,88; Katalysator 4 Gewichtsprozent Lanthan und 1,5 Gewichtsprozent Kobalt in einem Träger, wie in der ersten Ausführungsform; Menge des Katalysators 500 ecm; LHSV 3,6 (l/h); Temperatur in der Mitte der Katalysatorschicht 900° C; Temperatur im Wandbereich des ReaktionsZylinders 8000C; die Größe der Katalysatorschicht entspricht der nach Ausführungsform 1;
c) Ergebnisse:
Zusammensetzung des reformierten Gases 13,1 % Hp, 13,1 % CO, 2,1 °/o CH4, 3,3-% C2H4, 5,4 % C0£, 5,0 % H2O,
.6 09843/0399
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54, $ ίί 7<0S v/eitere Bestandteile (Kohlenwasserstoffe mit ".vei bis fünf Kohlenstoffatomen) 3,7 ?6; Betrag des reformierten Gases 93,5 l/min.; Menge der Abgase des Verbrenuvu ;:sü:otors 233 l/min»; Temperatur des Abgases und Betr£-.£ an NO . Kohlenwasserstoffen und CO in den Abgasen» wie in Tabelle 3 gezeigt.
stemperatur C Tabelle 3 Auslaß der
Abgaskanäle
x (g/PSh) Auslaß des Ver
brennungsmotors		 750
Ga (g/PSh) 450 0,8
NO (g/PSh) 0,8 1,0
HC 8,1 3,0
CO 7,0
Wenn gemäß des üblichen Verfahrens ohne die Umwandlung von Benzin, das Benzin zerstäubt wurde und in den Verbrennungsmotor zusammen mit Luft gefördert wurde, war in den Abgasen N0„ (7 g/PSh),Kohlenwasserstoffe (7 g/PSh) und CO 45 g/PSh) unter normalen Laufbedingungen des Motors (Luftbrennstoff verhältnis 14,7 bis 16) enthalten. Dieser Fall zeigt, daß die Abgase des Motors eine große Menge von schädlichen Gasen bei der üblichen Verbrennungsmethode enthalten.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß der Verbrennungsmotor unter Bedingungen betrieben werden
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kann, daß extrem geringe Mengen an NO. unverbrannten Kohlenwasserstoffen und CO in den Abgasen enthalten sind, die in die Atmosphäre gelangen.
Mit der Erfindung wird demnach ein Verfahren des Betriebs eines Verbrennungsmotors geschaffen, bei dem die Abgase gereinigt in die Atmosphäre entlassen werden, insbesondere werden Stickoxide nicht erzeugt und brennbare Gase, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und dergleichen, im wesentlichen vollständig verbrannt. Dies wird durch einen entsprechenden Wirkungsgrad beim Betrieb der Maschine begleitet, wobei insbesondere die Herstellung des umgeformten oder reformierten Gases verbessert wird. Das neue Verfahren arbeitet nach der sogenannten Magergemisch-Verbrennung und Umwandlung der Abgase in nicht schädliche Gase.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    ein Reaktionsgefäß wird in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors zum Zwecke des Wärmeaustauschs zwischen den durch das Reaktionsgefäß fließenden Strömungsmittel und dem Abgas luftdicht eingefügt, wobei das Reaktionsgefäß mit einem Katalysator zur partiellen Oxidation des Kohlenwasserstoffs gefüllt ist; in das Reaktionsgefäß wird ein Gasgemisch aus Brennstoff auf der Basis Kohlenwasserstoff und ein Gas mit Sauerstoffgehalt in einer Menge für ein Sauerstoff-Kohlenstoff -Verhältnis von 0,3 bis 1,2 geleitet; der Brennstoff wird teilweise zu umgewandeltem oder reformiertem Gas oxidiert, welches im v/es entlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid im Temperaturbereich von 800 bis 1.2000C besteht;
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    München: Kramer · Dr. Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr.Bergen · Zwirner
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    das reformierte Gas und. Gas mit einem Sauerstoffgehalt für ein SauerstoffÜberschuß-Verhältnis von 1,1 bis 2,0 werden miteinander gemischt;
    das Gemisch wird dem Verbrennungsmotor zugeführt, die durch teilweise Oxidation erzeugte Reaktionswärme wird dem Abgas zur Verbrennung und Beseitigung brennbarer Gase, wie Kohlenmonoxid und restliche Kohlenwasserstoffe im Abgas zugeführt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator aus der Gruppe bestehend aus Rodium-Katalysator, Lanthan-Kobalt-Katalysator, Nickel-Kataljrsator und Kobalt-Katalysator ausgewählt ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff auf der Basis von Kohlenwasserstoffen aus der Gruppe bestehend aus Benzin, Naphtha und mittelschwerem Öl ausgewählt ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das reformierte Gas Methan, Äthylen, Propylen, Butylen bzw. eine Mischung hiervon enthält.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoff enthaltende
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    . Gas in einer Menge zur Erzeugung eines Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnisses von 0,3 Ms 1,2 aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoffgas, Luft,und einer Mischung hiervon, ausgewählt ist,
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoff enthaltende Gas mit einer Menge zur Erzeugung eines Sauerstoffüberschuß-Verhältnisses von 1,1 bis 2,0 aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff gas, Luft, und einer Mischung hiervon, ausgewählt ist.
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