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"Verfahren zum Betrieb von Verbrennungs
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kraftmasciiinen mittels Spaltgas" Gegenstand der Erfindung ist ein
Verfahren zum Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen mittels Spaltgas.
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Es ist bekannt, daß beim Betrieb von Otto-Elotoren mit Gas vor allem
bei Verwendung von methan-, kohlenmonoxyd- und wasserstoffreichen Gasgemischen nicht
nur sehr günstige Schadstoffemissionswerte, sondern auch höhere Wirkungsgrade sowie
bessere Kaltstarteigenschaften erreichbar sind als beim Betrieb mit flüssigen Kohlenwasserstoffen.
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Da die Speicherung derartiger Gasgemische in Fahrzeugen sehr problematisch
ist, wurden bereits Verfahren vorgeschlagen, bei denen das zum Betrieb erforderliche
Gas direkt im Fahrzeug durch Zersetzung flüssiger Kohlenwasserstoffe als sogenanntes
Spaltgas erzeugt wird.
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V*n den verschiedenen für die Gaserzeugung möglichen Verfahren ist
das sogenannte Luft-Spaltverfahren besonders geeignet. hierbei wird Flüssigkraftstoff
unter Luftzusatz, und
zwar in unterstöchiometrischer "lunge, durch
partielle Oxidation in einem Reaktor entweder rein thermisch oder an Katalysatoren
zu Gas umgesetzt.
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Die rein thermische Reaktionsführung ist allerdings nur zur Spaltung
von sehr leichten Kohlenwasserstoffen mit einem großen Verhältnis von Wasserstoff
zu Kohlenstoff im Molekülaufbau anwendbar, da - wie auch an fetten Kohlenwasserstoffflammen
beobachtet werden kann - beim Einsatz von schwereren Kohlenwasserstoffen mit kleinerem
ll/C-Verhältnis, wie Fahrzeugbenzin oder Dieselöl unerwünschte Rußbildung auftritt,
wenn die Spaltung mit geringen Verlusten, also stark unterstöchiometrisch, durchgeführt
werden soll.
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Zur Unterdrückung der Rußbildung wurde bereits versucht, das Spaltverfallren
dahingehend zu modifizieren, daß zusätzlich Wasser oder wasserdampfhaltiges Abgas
des Verbrennungsmotors zur Beeinflussung der chemischen Reaktion in den Spaltreaktor
eingebracht wurde. Die Wasserzugabe bedingt jedoch die Mitführung eines erheblichen
Wasservorrats an Bord des Fahrzeugs sowie eine zusätzliche Wasser-Dosier-Einrichtung,
ferner ist die ganze Anlage bei tiefen Temperaturen vor dem Einfrieren zu schützen.
Die Zugabe von Motorabgaa ist dagegen mit einer Verringerung des volumentrischen
Heizwerts des erzeugten Spaltgases verbunden, wodurch die Notorleistung entsprechend
abnimmt.
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Eine weitere Nöglichkeit der Rußunterdrückung besteht in der gezielten
Lenkung des Reaktionsablauf mittels Katalysatoren. Die Verwendung von Katalysatoren
ist jedoch ebenfalls mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Die Katalysatoren
werden durch bleihaltige Benzinzusätze desaktiviert, so daß
die
Verwendung der üblichen Tankstellenbenzine unmöglich ist, sie erfordern wegen ihrer
thermischen Empfindlichkeit die exakte Einhaltung bestimmter Betriebsbedingungen,
also eine aufwendige Regeleinrichtung, und sie werden bereits durch kleinste Rußmengen
inaktiviert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Betrieb
von Verbrennungskraftmaschinen mittels Spaltgas zu finden, bei dem das Spaltgas
aus flüssigen Kohlenwasserstoffen hergestellt wird und bei dem auch höhere Kohlenwasserstoffe
mit geringerem Wasserstoffgehalt ohne Katalysatoren bzw. ohne zusätzliche Reaktionsteilnehmer
wie Wtasser rußfrei gespalten werden können.
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Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene
Verfahren gelöst.
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Die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe wird bei einer Luftüberschußzahl
von 0.25 bis 0.3 vorgenommen, d.h., bei der Umsetzung werden nur 25 bis 30°N der
zur vollständigen Verbrennung der Kohlenwasserstoffe erforderlichen Luftmenge eingesetzt.
Wird die Luftüberschußzahl von 0.25 unterschritten, so ist mitunter eine rußfreie
Spaltung der eingesetzten Kohlenwasserstoffe nicht mehr möglich. Wirdddie Luftüberschußzahl
von 0.3 überschritten, so wird ein zu großer Teil des Kraftstoffes nutzlos verbrannt
und der lleizwert des erhaltenen Spalt gases sinkt infolge zu hohen Gehaltes an
sauerstoffhaltigen Verbindungen,d.h. das Verfahren wird unwirtschaftlich, Die Umsetzung
der Kohlenwasserstoffe mit Luft findet bei
Temperaturen zwischen
1000 und 1300°C statt. Diese vergleichsweise niedrige Temperatur ist eine wichtige
Bedingung für die Erzeugung eines rußfreien Spaltgases. Wird die Temperatur von
1300°C überschritten, so findet, je nach verwendetem Ausgangskohlenwasserstoff,
eine mehr oder weniger starke Rußbildung statt. Bei Unterschreitung der Temperatur
von 10000C besteht die Gefahr, daß die Spaltung unvollständig wird bzw. daß die
zur vollständigen Spaltung erforderliche Reaktionszeit so lang wird, dan unverhältnismäßig
große reaktoren erforderlich werden. Die zur Umsetzung erforderliche Luft wird,
wie üblich, vorgewärmt, auf eine Temperatur, die mindestens der Seibstentzündungstemperatur
der eingesetzten kohlenwasserstoffe, also etwa 650°C, entspricht und höchstens gleich
der Reaktionstemperatur ist.
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Zweckmäßigerweise wird man jedoch die Vorwärmtemperatur nicht wesentlich
höher als 10()OOC wäh en, um die in der lteaktionszone abzuführende Wärmemenge nicht
unnötig zu vergrößern. Besonders geeignet ist eine Temperatur von 300 bis 90000.
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Die Einhaltung der Reaktioi temperatur wird durch Rückführung eines
Teilstrornes von gekühltem Spaltgas in die Reaktionszone sichergestellt, wobei der
Teilstrom und seine Temperatur so bemessen werden, daß die gewünschte Reaktionstemperatur
eingehalten wi d. Ein Teil der bei der Umsetzung der Kohlenwasserstoffe mit Luft
entstehenden Wärme wird durch die Aufheizung des in die Reaktionszone zurückgeführten
Spaltgases verbraucht unc' d durch wird die Einhaltung der vergleichsweise niedrige@
eaktionstemperatur ermöglicht.
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Das rückgeführte Spalt gas nimmt dabei überraschenderweise
praktisch
nicht mehr an der Reaktion mit Luft teil, sondern verhält sich im wesentlichen inert.
Die zurückgeführte Menge an Spaltgas wird zweckmäßigerweise so bemessen, daß bei
einer Luftüberschunzahl von 0.25 bis 0.3 zur Aufheizung des rückgefiihrten Teilstromes
auf die Reaktionstemperatur 1300 bis 2500 Joule pro Cramm umzusetzende Kohlenwasserstoffe
verbraucht werden. Die Temperatur des rückgeführten Spaltgases kann etwa 500 bis
950°C betragen, bevorzugt wird jedoch c..e Temperatur von 750 bis S5n°c, da in diesem
Uere1.i uie besten Ergebnisse hinsichtlich Rußfreiheit und Vollstandigkeit der Spaltung
bei geringem apparativem Aufwand erzielt werden.
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Das erzeugte Spaltgas wird nach Verlassen des Reaktors und vor seiner
Verbrennung im Motor im allgemeinen mittels mehrerer liärmeaustauscher auf eine
Temperatur von 100 bis 2000C gekühlt. Ein Teil der dabei freiwerdenden Wärme wird
zweckmäßigerweise zum Anwärmen der für die Umsetzung erforderlichen Luft verwerten.
Das rückzuführende Spaltgas kann direkt hinter dem Reaktor abgezweigt und in einen
gesonderten Wärmeaustauscher auf die gewünschte Temperatur abgekühlt werden, es
iot z.B. aber auch möglich, zunächst den gesamten Spaltgasstrom auf die für die
Rückführung erforderliche Temperatur abzukühlen, die rückzufiihrende Menge an Spaltgas
zu entnehmen und dann das restliche Spaltgas weiter abzukühlen.
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Zur weiteren Verbesserung der Rußunterdrückung bei den im Hinblick
auf möglichst kleine thermische Verluste anzustrebenden stark unterstöchiometrischen
Reaktionsbedingungen erwies es sich als vorteilhaft, den flüssigen Kraftstoff
in
das gekühlte, rückgefuhrte Spaltgas zu dosieren, ihn darin zu verdampfen und in
dieser Form mit der Luft umzusetzen.
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Zur Förderung der Gase durch die Reaktionezone und die Wärmetauscher
bedient man sich vorteilhafterweise der Saugwirkung des Rotors, in dem beispielsweise
vor der für die Eeistungsregelung verstellbaren Drosselklappe eine feste Drosselstelle
angebracht wird, an der im Betrieb ein geringer Druckabfall entsteht. Dieser Druckabfall
wird dann zum Fördern der Gase ausgenutzt. Da der Druckabfall der vom Motor verbrauchten
Gasmenge proportional ist, kann auf diese Weise eine mengenrichtige Förderung der
Gase durch die Spaltanlage erfolgen.
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Die Förderung des rückzuführenden Spaltgases kann durch ein Gebläse
erfolgen, was jedoch angesichts des erforderlichen weiten Regelbereichs für die
durchzusetzende Gas-Nenge nur mit großem Regelaufwand möglich ist, besonders vorteilhaft
ist es jedoch auch hier, die Saugwirkung des Motors zu nutzen und zwar mittelbar
durch Ausnutzung der kinetischen: Energie der in die Reaktionszone gebrachten Luft.
Wird die Luft durch einen an sich bekannten Ejektor in die Reaktionszone gebracht,
so reicht der entstehende Unterdruck aus, um das riickzuführende Spaltgas in die
Reaktionszone zu fördern. Da die rückgesaugte Menge proportional der in die Reaktionszone
gebrachten Luftmenge ist, ergibt sich dadurch automatisch bei entsprechender Auslegung
des Ejektors die Anpassung der rückzuführenden Spaltgasmenge an die zur Umsetzung
gelangende Luftmenge und damit an den Umsatz
in der Reaktionszone1
da das Verhältnis Luft zu Flüssigkraftstoff ja vorgegeben ist.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin,
daß eine rein thermische, rußfreie Spaltung erreicht wird und dadurch die Verwendung
von normalem bleihaltigem Tankstellenbenzin möglich ist, daß keine Katalyse toren
erforderlich sind und daß der Energiegehalt des erzeugten Spaltgases nicht durch
zugesetzte nicht brennbare Fremdstoffe wie Wasserdampf oder Motorabgas verringert
wird.
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Das nachfolgende Beispiel soll die Erfindung anhand der Zeichnung
weiter erläutern: Beispiel Im Saugrohr 1,2,3 des Otto-Alotors 4 ist vor der zur
Leistungsregelung verstellbaren Drosselklappe 5 eine feste Drosselstelle 6 angebracht,
an der im Betrieb ein kleiner Druckabfall entsteht zur mengenrichtigen Förderung
der Gase durch die parallel zu dieser Drosselstelle angeordnete Spaltvergaser-Anlage.
Vor der Drosselotelle 6 wird über Leitung 7 vom Gesamtluftstrom eine Teilmenge abgezweigt,
im Wärmeaustauscher 8 vorgewärmt und über Leitung 9 und Duse A des Ejektors 10 dem
Reaktor 11 zugeführt.
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Flüssiger Kraftstoff wird aus dem Tank 12 über Leitung 13, Fördereinrichtung
1, Leitung 15 und Düse 16 proportional zu der Luftmenge in den Verdampferraum 17
gegeben, wo er in dem durch Leitung 21 rückgeführten Spaltgas verdampft.
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Der Verdampferraum i7 ist als verlängerter Teil des Ejektors 10 ausgebildet
und geht direkt in den Saugraum B des Ejektors über. Die durch die Düse A des Ejektors
mit hoher Geschwindigkeit austretende Luft gibt im Mischrohr C einen Teil ihrer
kinetischen Energie an das aus dem Saugraum ß zuströmende Spaltgas-K,raftstoffdampf-Gemisch
ab und gelangt über den Diffusorraum D in den Reaktorraum 11. Das Druckgefälle zwischen
Diffusorraum D und Saugraum B wird zur Förderung des rückgeführten Spaltgases benutzt.
Das Spaltgas verläßt den Reaktor 11 über Leitung 18. Aus Leitung 18 wird über Leitung
19 ein Teilstrom von Spaltgas abgezweigt und nach Kühlung im Wärmeaustauscher 20
über Leitung 21, Verdampferraum 17 und Ejektor 10 in den Reaktor zurückgeführt.
Die Hauptmenge an Spaltgas gelangt über den Wärmeaustauscher 8 und Leitung 22 zur
Kühlung in einen weiteren Wärmeaus;auscher 23 und von dort über Leitung 24 in das
Ansaugrohr 2, wo sie sich mit der vom -Notor angesaugten Luft mischt und über Drosselklappe
5 und Leitung 3 dem Motor zuströmt. Die härmeaustauscher 20 und 23 sind an den Kühlkreislauf
des rotors angeschlossen (Leitungen 26,27,28,29 sowie Motorkühler 25).
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Nach Verbrennung und Arbeitsleistung verlassen die verbrauchten Gase
den Motor über die Abgasleitung 30.