CN108474550B - 用于调整燃料的着火性能的方法和装置，特别是为了降低燃烧设备的废气排放 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于调整燃料(3)的着火性能的方法，其使用具有至少一个分配区(15)、至少一个氧化区(6)和至少一个转化区(10)的单元。在此在具有分配结构(4)的所述分配区(15)中分配燃料(3)，在所述氧化区(6)中所述燃料的至少一部分利用在催化剂载体上的至少一种催化剂处的至少一个氧化剂氧化，且在所述转化区(10)中所分配的燃料(3)和/或另外供应的燃料的至少一部分以热的方式和/或以催化的方式转化。该方法通过以下方式而出众，即通过在所述氧化剂(2)中包含的氧气与为了存在的燃料(3)的完全氧化所需的氧气的摩尔比和/或在所述单元(1)中的压力和/或停留时间和/或温度，来调整燃料的着火性能。一种重要的实施方式设置如此调节着火性能的调整，即使得降低污染物质排放尤其NOx和碳颗粒物排放。本发明还涉及一种适合于此的装置。

Description

用于调整燃料的着火性能的方法和装置，特别是为了降低燃 烧设备的废气排放
技术领域
本发明涉及一种用于通过热的、催化的且氧化反应来调整液态或气态燃料的着火性能的方法和装置。在启动之后不需要从外部进行外部的能量供应。用于热反应和/或催化反应的热量通过供应的氧化剂与供应的燃料的一部分的氧化提供，所述氧化在催化剂上进行。所述方法和所述装置包含分配区，该分配区包含分配结构，液态燃料可在分配结构上蒸发。氧化反应同样提供用于液态燃料的蒸发的热量。此外所述热量被用于以催化的和/或热的方式转化燃料。由此可使燃料性能针对性地与各种应用相匹配。在此描述的方法和描述的装置可从带有高的十六烷值的燃料(相应地得到短的着火延迟时间和低的着火温度)中产生带有高的辛烷值的燃料(相应地得到更长的着火延迟时间和更高的着火温度)。燃料可如此调整，即使得可减少在燃烧单元例如内燃机、燃气涡轮或燃气燃烧器中的污染物质如碳颗粒物和氮氧化物。此外可提高效率。首次液态燃料还可蒸发且如此转化，即，使得液态燃料使用在没有改型的燃气燃烧器、燃气发动机和燃气涡轮中。燃料可利用本发明与分别的应用相匹配。
背景技术
内燃机至少还对于较长时间为主要驱动形式。汽车行业面临重大的任务，以保证节约资源的持久的灵活性。最大挑战在此降低引起温室效应的气体(Treibhausgas)和排放物如氮氧化物和碳颗粒物。碳颗粒物和NOx排放物当前必须通过高耗费的废气后处理系统如碳颗粒物过滤器、SCR技术(英语：SelectiveCatalyticReduction)和/或NOx存储式催化剂结合内燃机内部的措施(冷却的废气再循环和增压空气)来减少。废气后处理系统由于其催化剂的高的贵金属加载和大的复杂性是是昂贵的、提高重量和燃料消耗。
当前大量公司和研究机构研究备选的燃烧方法，以为了即使在不带有废气后处理或者带有降低的废气后处理的情况下也降低污染物质。最大的潜力在此归因于均匀的燃烧方法(S.Raming：“车辆中的能量管理(Energiemanagement in Kraftfahrzeugen)”，于利希研究中心(Forschungszentrums Jülich)的文献，能量技术系列，卷56，2006年，第108页)。
通过均匀的燃烧方法可在发动机内部降低氮氧化物和碳颗粒物排放物且同时进一步提高热效率。均匀燃烧方法的挑战是混合物形成、着火延迟时间和着火温度的控制以及在发动机特性曲线中在全负荷的情况下和在接近全负荷的运行点中的使用。均匀的燃烧方法可迄今为止利用燃料仅仅在发动机特性曲线的下方的功率范围中运行。为了扩宽功率范围，燃料性能必须动态低匹配(X.Lu等，针对改进的压缩着火燃烧模式的控制的燃料设计和管理(Fuel design and management for the control of advanced compression-ignition combustion modes)，能量和燃烧科学进展(Progress in Energy andCombustion Science)，第37期(2011年)741-783页)。
对于在现有技术中的许多应用而言需要蒸发可氧化的液态的物质，如例如汽油、柴油、生物油、一元醇的和多元醇、醛、醚、羧酸，芳族化合物和胺。附加地对于一些应用而言关心的是，不是仅仅蒸发物质，而是同时将初始物质的分子分解成高能量的较小的分子，如例如氢气、一氧化碳或带有C-C双键的有机分子。由此可行的是，使初始物质的性能针对性地与应用相匹配。例如在发动机或燃烧器中的燃烧中、在重整中、在借助于化学合成进行的化合物合成中、在提炼工艺中或在石化工艺中找到可行的应用。
迄今为止必须对于这样的应用相继连接多个“单元操作”，一个为了物质的蒸发且一个为了物质的热分解。
对于第一步骤即蒸发，根据现有技术使用这样的装置，即其基于以电流、微波或从外部借助于间接热传递引起的热量的形式的能量供应的原理。但是所有这些途径充满热传递阻力和热损失。
如果利用电流或利用微波加热，则从能量角度来看意味着高的耗费。来自过程的废热可在这些切口中不直接利用。在通过电流或微波进行能量供应的情况下，对于电流或者微波的能量源是必要的，这例如在车辆上快速导致可用能量的限制。
在以过程热或废热(其在工艺过程工程中是非常广泛普遍的)的形式进行能量供应的情况下，需要大的传递面，以为了在技术和经济上实现有意义的热流(例如参见管束式或板式热交换器)。
虽然在现有技术中描述了一些带有直接的热传递的热交换器和蒸发器，但是在此常常仅仅提供热的气态介质的能量，该介质流动通过设备。
第二过程步骤即分子的热分解在化学工业且特别是在石化工业中是广泛普遍的。在用于废物利用的过程中热裂解也称为热解是重要的。
为了石油馏份的热裂解且还为了废物(生活垃圾、塑料部分等)的热解已知大量现有技术。在绝大多数情况中对于吸热的热裂解必要的能量再次从外部供应，即从外部的热源供应。
这样的方法概念(即在其中为了裂解所必要的能量部分地来源于待裂解的物质)例如为“冷火焰”原理。这由Naidja等(A.Naidja、CR.Krishna、T.Butcher、D.Mahjan，能量和燃烧科学进展2003年第29期155-191页)详细描述。“冷火焰”原理使用这样的效果，即空气和燃料的亚化学计量的混合物化学反应且在此发出淡蓝色的光、所谓的“冷火焰”。在燃烧部分氧化时变得自由的能量使燃料的分子分裂，但是这些分子又快速地重组且在此形成稳定的有机化合物如乙醇、过氧化物、乙醛和一氧化碳。
就此而言例如文件EP 1 533 494 A2以及US 6,872,482 E2研究了“冷火焰”原理在发动机中的燃烧过程中或在化石燃料重整以用于为了燃料电池系统产生氢气中的应用。
但是“冷火焰”原理(在其中不使用催化剂)具有缺点：不允许超过约500℃的一定的温度，因为否则可导致主热释放。空气必须在反应器中循环。此外冷火焰具有强烈的压力影响，该压力影响强烈地限制温度范围。此外只可利用高的启动能量实现快速启动时间，因为空气流必须加热到约300至450℃上。
从文件DE 10 2006 060 669 A1中已知一种方法，该方法描述了液态燃料在应用于燃油釜时的催化蒸发和气化和液态燃料的重整以用于在燃料电池中实现。
从文件DE 10 2010 012 945 A1已知用于蒸发液态燃料的装置。所述装置具有围绕空气入口集中布置的催化剂系统。围绕催化剂系统集中布置有多孔材料，该多孔材料可吸收推进剂和/或燃料。多孔材料与催化剂系统经由位于其之间的空间分离。仅仅适合由于亚化学计量的催化氧化进行蒸发推进剂和/或燃料。短链的碳氢化合物在这种反应进程中仅仅作为不期望的副产物以方法工艺可忽略的浓度(<0.5体积％)出现。
根据现有技术不可行的是，在壳体中在没有从外部进行能量供应的情况下调整可氧化的液态物质(如例如汽油、柴油、生物油、一元醇和多元醇、醛、醚、羧酸、芳族化合物和胺)的着火性能。
发明内容
因此本发明的任务是，给出用于调整燃料的着火性能的方法和装置，其克服现有技术的缺点。
该任务通过带有权利要求1的特征的用于调整燃料的着火性能的方法解决。权利要求16此外给出了用于调整燃料的着火性能的相应的装置。分别从属的权利要求是有利的改进方案。
根据本发明建议一种用于调整燃料的着火性能的方法，其使用具有至少一个分配区、至少一个氧化区和至少一个转化区的单元。
在此在具有分配结构的所述分配区中分配燃料。在所述氧化区中所述燃料的至少一部分利用在催化剂载体上的至少一种催化剂处的至少一个氧化剂氧化。在所述转化区中所分配的燃料和/或另外供应的燃料的至少一部分以热的方式和/或以催化的方式转化。
该方法的特征在于，通过在所述氧化剂中包含的氧气与为了存在的燃料的完全氧化所需的氧气的摩尔比调整着火性能。
备选地或附加地还可通过在所述单元中的压力和/或停留时间和/或温度，来调整着火性能。在此认识到，所提及的可行性常常不是相互独立的。因此存在例如在压力和停留时间之间存在一定的关联。
就此而言应定义术语着火性能。为此首先已知的参数应为着火延迟时间和着火温度。
着火温度是这样的温度，即必须将物质或接触表面加热到该温度，以便可燃烧的物质(无论是固体、液体、其蒸气还是气体)在空气存在的情况下仅仅由于其温度、即在没有着火源如着火火花的情况下自发地点燃。着火温度在各种物质的情形下是大小不同的且在许多情况下取决于压力。
在喷射燃料/空气混合物时在喷射和主热释放开始之间存在延迟。时间间隔表征着火延迟时间。着火延迟时间由由自由基引起的(radikalinduziert)时间间隔组成且对于每种燃料是特定的且取决于压力和温度。
十六烷值描述了燃料的易点燃性。十六烷值越高，燃料越易点燃。该行为在柴油机的情况下是期望的，但是由于分子成分和燃烧方法造成高的碳颗粒物和氮氧化物排放。辛烷值与十六烷值的相对的(reziprok)，高的辛烷值表述燃料更不易燃。汽油例如具有高的辛烷值且必须在发动机中通过外部着火源、通常为火花塞着火。对于备选的燃烧方法必要的是，动态匹配易点燃性，在低负荷时所使用的燃料必须更容易点燃，相反在较高负荷的情况下易点燃性应降低。十六烷值以标准化方法在某一压力和温度下确定。十六烷值(或辛烷值)因此不适合于描述整个燃烧进程。因此必须取决于压力和着火温度确定着火延迟时间的详细的变化曲线。正是如此可充分地描述动态燃烧过程。在本发明中着火延迟时间和着火温度可利用所述方法和所述装置在整个压力和温度范围中动态地在柴油、汽油和其它燃料之间调整。
本发明不限于在标准条件下确定的十六烷值，而是对在各种通常与标准条件有偏差的压力和温度的值的情况下的着火延迟时间和/或着火温度感兴趣。就此而言通常谈及燃料的着火性能。然后从所述着火性能中在压力和温度的分别的值的情况下得到着火延迟时间和/或着火温度。
所述摩尔比和/或所提及的另外参数的针对性的选择允许影响着火性能。所述方法因此允许针对性地影响燃料的性能和因此使燃料与各要求相匹配。尤其对于内燃机而言，燃料对于优化的燃烧而言必须满足的要求取决于负荷。因此用于使燃料与各要求相匹配的相对简单的方法带来明显的优点。
在一种重要的实施方式中，可在所述分配区中进行液态燃料的蒸发。就此而言所述分配区也可称为蒸发区。通常燃料应在所述氧化区中且在所述转化区中至少主要以气态存在。如下文示出的那样，这也可以需要能量的方式(energetisch)有益地进行。
在一种实施方式中，通过所述氧化产生的热量的至少一部分传递到所述分配区和/或所述转化区中。由此可高效地利用在所述氧化时释放的热量。应理解的是，在所述分配区中特别是当在该处进行蒸发时需要热量。
在一种实施方式中，所述热量通过对流和/或辐射传递。热传导不应排除在外，但是通常扮演次要的角色。通常氧化区、分配区和转化区处于辐射接触中，从而通过辐射进行一定的热交换。但是通过对流进行额外的热交换是关键的。这无疑以下者为前提条件，即发生从所述氧化区到所述分配区和所述转换区中的流动。从所述氧化区到所述转化区中的流动在现有技术中是已知的且从如下事实中简单地得到，转化跟随氧化且已经部分氧化的燃料流动到所述转化区中。相反地从所述氧化区到所述分配区(该分配区如示出的那样在液态燃料的情况下同时为蒸发区)中的流动不是已知的。通常最多已知从所述分配区到所述转化区中的流动。即使这样的流动在当前也必须进行，但是通过引起从所述氧化区动到所述分配区中的流动，还是做出了重要的贡献。在此显而易见的是，在氧化区和分配区之间必须存在不同的区域，使得存在其中发生从所述氧化区流动到所述分配区中的区域且存在出现从所述分配区流动到所述氧化区中的其它区域。
在常见的条件下大约热传递的一半通过对流实现，而另一半通过热辐射实现。在文件DE 10 2006 060 669 A1的段落[0017]中也提及了，通过填充有燃料蒸气和空气的层与带有燃料的层的之间的间距进行催化剂的热对流。但是在进一步观察文件DE 10 2006060 669 A1的尤其图1的情况下可看出，这是很小的作用。相应地在文件DE 10 2006 060669 A1的段落[0017]的结尾处还提及，热辐射占主要部分。
在一种实施方式中，所述氧化剂如此导引到所述分配区中，即使得所述氧化剂接着与所述燃料一起导引到所述氧化区和/或所述转化区中。在此应注意的是，所述氧化剂可作为混合物的一部分流动到所述分配区。通过该流动实现上文描述的热对流。
在一种实施方式中，对于所述蒸发和热和/或催化转化必需的能量基本上通过氧化获得。这不应排除，尤其在起始阶段中需要附加的加热。只要不存在如有可能蒸发的可被氧化的燃料，则从氧化中也无法得到可用于蒸发的热量。除了这样的特殊情形之外，可行的是，从所述氧化中获取对于蒸发和转化所必要的热量。
在一种实施方式中，氧化剂、燃料和中间产物尤其在所述氧化区中混合。这特别是结合上文提及的从所述氧化区到所述转化区中的流动和相反情况实现。通过这些流动情况实现特别的在现有技术中未已知的混匀，该混匀有助于燃料的转化且由此有助于调整着火性能。在此产生的且流动的气体混合物可有助于通过对流进行热传递。
在一种实施方式中，所述氧化剂包含氧气或含氧的介质，尤其空气或带有剩余氧气的废气。因此为了氧化不需要存在特别纯的氧气。空气以及在许多情况下甚至带有剩余氧气的废气就足够了。
在一种实施方式中，在所述单元中的压力为0.01bar至100bar，优选在0.01-50bar之间，特别优选0.05bar至10bar。这些压力范围已证实为合适的。给出的压力为相对于周围环境的过压。
在一种实施方式中，所述燃料从以下燃料中选择如汽油、柴油、生物油、裂解油、生物柴油、重油、醇、费托合成燃料、二甲醚、二乙醚、氧亚甲基醚(OME1-OME10和混合物)，酯、乙醛、芳族化合物、胺、羧酸，烷烃(在此特别是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷)、天然气、火炬气、填埋气、生物气及其混合物。按照所提及的示例显而易见的是，这通常涉及液态或气态燃料。固态燃料的使用不应排除在外，但是由于操作允许困难地设计。
在一种实施方式中，在所述氧化剂中包含的氧气与为了存在的燃料的完全氧化所需的氧气的摩尔比为0.03至0.9、优选0.05至0.4、特别优选0.1至0.3。这些值已经证实为适合的。
在一种实施方式中，所述着火性能附加地通过至少一个下列参数调整：
氧化剂入口、催化剂和蒸馏器结构之间的间距，
所述氧化剂入口和燃料入口的位置和/或尺寸和/或数量和/或形状，
所述氧化剂的流场，
所述催化剂载体的结构和孔腔密度(Zelldichte)，
催化剂材料及其在所述催化剂载体上的分布，
所述出口的布置和形状。
为此可示出，可设置有多个入口，这些入口可关闭和打开，其中部分打开或关闭也是可行的。氧化剂入口和燃料入口可例如为圆形的、扁平的或有棱角的。因此可以此方式影响所述方法。
所述氧化剂的流场描述了氧化剂流在各地点处的方向和速度。这最后取决于几何结构条件，即所述单元的结构、入口的间距等等以及所调整的体积流量和存在的压力。
应注意的是，一些参数取决于所使用的装置且因此在运行期间不可被影响。例如通常催化剂载体的结构和孔腔密度属于此。例如在入口的情况下表现不同，这些入口在运行期间可关闭和打开。
出口的布置和形状原则上也通过所述单元预设。在此无疑还可设想，例如设置伸出到所述单元中的带有各种可开关的开口的管道。如果例如向内伸出的开口打开，则因此所述转化区可以实际上缩短。这可能在一些运行状态中是期望的。
在一种实施方式中，将已转化的燃料供应给燃烧设备，优选内燃机(如例如汽油机、柴油机或燃气发动机)、涡轮或燃烧器。
在一种实施方式中，所述着火性能的调整如此调节，即使得在考虑针对所述燃烧设备必须满足的可变的性能要求的情况下减少所述燃烧设备的污染物质排放尤其NOx和碳颗粒物排放。通过带有减少污染物质排放的目标的调节实现，燃料的转化在该方向上优化。无疑在一些情况中力争最大的污染物质减少不是有意义的。例如还可有意义的是，如果这使得明显更低的消耗可行，接受稍微更高的污染物质排放。
在一种实施方式中，将已转化的燃料供应给废气后处理设备。经常常见的是，在选出的时间段中将废气供应给燃料。为此广泛使用这样的喷射器，即其将废气在发动机和氧化催化剂之间添加给燃料。所述燃料可提高氧化催化剂中的热量释放且加热废气流。加热的废气流可用于烧掉在碳颗粒物过滤器处存在的碳颗粒物。由此再生碳颗粒物过滤器。
为了使得热量释放成为可能，不允许低于氧化催化剂的所谓的起活温度(Anspringtemperatur)。通过使用已转化的燃料代替传统的燃料，可降低起活温度。由此常常取消加热氧化催化剂的必要性。这迄今为止常常是必要的，因为通过发动机内部的措施如废气再循环和高的增压以增加的方式降低在发动机之后的废气温度。
高效的废气后处理因此在现有技术中不是一直可行的。通过已转化的燃料可更容易地实现废气温度的足够升高。由此可实现污染物质排放的显著减少。这特别是在低的运行温度和/或低的负荷下给出。这在机动车的情况下常常在市中心区
Figure BDA0001735201980000081
运行中出现，在其中污染物质对于人类特别有损害。
已转化的燃料此外可用于，在宽的温度窗中在存储式催化剂中减少氮氧化物。由此氮氧化物即使在低的废气温度的情况下也可靠地减小。
本发明还涉及一种用于调整至少一种燃料的着火性能的装置，包含至少一个燃料入口和至少一个氧化剂入口。
此外设置有：具有用于所述燃料的至少一个分配结构的用于分配所述燃料的至少一个分配区；用于至少部分地氧化所述燃料的至少一个氧化区，包含带有至少一种催化剂的至少一个催化剂载体；至少一个转化区以用于至少部分地催化和/或热转化所述燃料；和至少一个用于具有已改变的着火性能的燃料的出口。
在此所述氧化剂入口、所述催化剂载体和所述分配区如此布置和设计，即使得在所述氧化区中产生的热量可传递到流动到所述分配区和/或转化区中的气体或气体混合物处。
虽然所述方法的实施也可能利用与在此所描述的装置不同的装置实现，但是所述装置特别适合于实施上文所描述的方法。因此为了避免重复，请参照所述方法的描述。
首先应澄清的是，所述装置如所述方法一样不是仅仅分别适用于纯的燃料。处理各种燃料或燃料混合物是完全可行的。
以下面的方式布置和设计氧化剂入口、催化剂载体和分配区是非常重要的，即在所述氧化区中产生的热量传递到流动到所述分配区和/或所述转化区中的气体或气体混合物处。由此可行的是，引起从所述氧化区针对性地传热到所述分配区和所述转化区中。由于在工艺期间在氧化之前首先在所述分配区中进行分配，在液态燃料的情况下还进行蒸发，因此不是自动地得到这样的流动，相反地有意识的布置是必要的。流动气体或气体混合物通常为来自氧化剂入口的气体或气体混合物，其通过所述氧化区或沿着所述氧化区流动到所述分配区中。无疑还可得到混合物，例如带有已经氧化的燃料或带有氧化的中间产物和转化反应产物。
在此可行的是，所述装置包含刚好一个反应腔室，其中所述反应腔室具有所述至少一个分配区、所述至少一个氧化区和所述至少一个转化区。所述装置通常安置在壳体中。
虽然谈及用于带有已改变的着火性能的燃料的出口，但是必须明了的是，其它气体例如未转化的包含在供应的空气中的氮也可流动通过所述出口。
如已经提及的那样在一种实施方式中，所述分配区如此构造，即使得液态燃料可在所述分配区中蒸发。
在一种实施方式中，所述催化剂载体如此布置在用于燃料的所述分配结构和所述氧化剂入口之间，即使得从所述氧化剂入口流出的气体或气体混合物如此导引到所述分配区上，即使得所述气体或气体混合物接着与燃料一起流出到所述氧化区和/或转化区中。
首先应示出在所述氧化剂入口处通常吹入空气，即气体混合物，其包含作为氧化剂的空气。在任何情况下吹入的气体或气体混合物包含氧化剂，通常为氧气。但是通常不吹入纯氧气，而是如提及的那样吹入空气。
所描绘的实施方式通常通过以下方式实现，即空气在所述催化剂载体的背离所述分配区的一侧上吹入且流动穿过所述催化剂载体到所述分配区。无疑存在大量其它变型方案。因此还可如此流向所述催化剂载体，即使得包含氧化剂的所述气体或气体混合物再次从所述催化剂载体弹回且流动到所述分配区中，其中热量从所述催化剂载体吸收且传输到所述分配区中。
在一种实施方式中，所述催化剂载体具有凹口和/或流动通道，所述凹口和/或流动通道促进所述氧化剂一直流至所述分配区。在此大多数情况无疑重要的是，尽管如此但是热量可从所述催化剂载体传递到流动的氧化剂上。
在一种实施方式中，所述催化剂载体包含开孔结构或流动通道。所述开孔结构或流动通道应同样促进所述氧化剂的流动。所述催化剂载体可为此例如为陶瓷的或金属的。考虑泡沫结构或蜂窝结构。流动通道可构造成带有每平方英寸至少50-1000个孔腔、优选在每平方英寸200-600个孔腔之间的孔腔密度。泡沫结构优选具有20％至98％、特别优选在50％-95％之间的孔隙度。
在一种实施方式中，用于所述燃料的所述分配结构和所述催化剂载体构建成平坦的和/或同心的，其中带有多次重复布置的模块化结构类型是可行的。这可在需要时以堆叠实现。由此可在紧凑的单元中实现非常大的热输入功率。由此同样可实现非常大的蒸馏器性能。这不可利用迄今为止的现有技术实现。
在一种实施方式中，以堆叠的方式布置是可行的。还应保护实际的堆叠的布置。通过堆叠布置实现紧凑的构造。
在一种实施方式中，用于所述燃料的所述分配结构通过布置在所述壳体的内壁处的无纺布和/或在壳体内壁处的结构化形成。由此可在液态燃料的情况下降低流动速度，从而更多时间供汽化使用。
在一种实施方式中，在多个平面中和/或对于每个平面在多个部位处布置有氧化剂入口，其中所述氧化剂入口可以孔和/或缝槽的形式实施，且如此定位，即使得所述氧化剂可沿着和/或通过所述催化剂载体流动。再次应澄清的是，所述氧化剂可作为气体或气体混合物的一部分流动。
同样在一种实施方式中，在多个平面中和/或对于每个平面在多个部位处布置有燃料入口，其中所述燃料入口可以孔和/或缝槽的形式执行且如此定位，即使得所述燃料可流动到所述分配区中。
在一种实施方式中，所述装置可竖直地、水平地或倾斜地运行。由此得到用于安装所述装置的更多自由度。此外这使得可以如已经阐述的那样在机动车的情况下使用。
在一种实施方式中，存在附加的加热装置，尤其电加热装置。还可设想使用热废气以用于支持加热。附加的加热装置特别是用于启动。
在一种实施方式中，所述装置如此构造，即使得从所述装置离开的燃料可供应给燃烧设备，优选内燃机，例如汽油机、柴油机或燃气发动机、涡轮或燃烧器。由此可在所述燃烧设备运行时实现在废气中的污染物质减少。
在一种实施方式中，所述装置构造成用于实施上文描述的方法。
附图说明
本发明按照下面的图进一步解释，而不将本发明限制于在此示出的特定实施方式。在此：
图1按照示意图显示了根据本发明的方法，
图2根据本发明的装置的立体图，
图3图2的截面图，
图4按照示意图显示了根据本发明的装置的堆叠结构类型，
图5按照图表显示了压力对在燃料中的烷烃的分布的影响，
图6按照图表显示了压力对在燃料中的烯烃的分布的影响，
图7按照图表显示了压力对在燃料中的芳族化合物的分布的影响，
图8按照图表显示了空气数(Luftzahl)对烷烃的分布的影响，
图9显示了柴油的着火性能相对于具有类似于高级汽油的着火性能的燃料的改变。
具体实施方式
在图1中按照示意图示出了根据本发明的方法。为此存在壳体1。包含用作为氧化剂的氧气的空气2在壳体1的一侧上吹入。在另一侧上引入燃料3。燃料3到达分配区15中，在该分配区中存在用作为分配结构的无纺布4。燃料3在无纺布4中蒸发且流动到催化剂载体5，该催化剂载体处于氧化区6中，在该氧化区中发生氧化。在催化剂载体5中存在包含贵金属的催化剂材料，例如基于γ-氧化铝的铂。同时空气2流动通过催化剂载体5且在此通过对流将热量传递到无纺布4，该热量用于蒸发燃料3。传热附加地通过热辐射发生且通过箭头8示出。因此在催化剂载体5和无纺布4之间不仅存在从催化剂载体5到无纺布4的流动而且存在从无纺布4到催化剂载体5的流动。对此的细节稍后再次解释。此外存在通过箭头9示出的在转化区10方向上的流动。在转化区10中发生蒸发的燃料3的热和催化的转化。最后已转化的燃料11、即带有已改变的着火性能的燃料离开壳体1。
在图2中显示了立体图，从该立体图中进一步表明燃料供应和氧化剂供应。在壳体1的一个壁中存在大量燃料入口12，通过箭头示出。在与带有燃料入口12的壁相对而置的壁中存在大量氧化剂入口13。可还称为空气入口，因为包含作为氧化剂的氧气的空气2吹入。也就是说因此实现，氧化剂、更确切地说包含作为氧化剂的氧气的空气2可在多个平面中流动。
可再次看出，催化剂载体5布置在带有燃料入口12的壁和带有氧化剂入口13的壁之间、即在壳体1中。在带有燃料入口12的壁处还可看出无纺布4。
在壳体1中出现的流动可在图3中看出。空气2通过氧化剂入口13流动到壳体1中。在此仅示例性地示出了在三个平面中的三个氧化剂入口13。空气2在这些区域中流动通过催化剂载体5到无纺布4，燃料3在该无纺布中分配且蒸发。在这些区域中在催化剂载体5中布置有流动通道14，这些流动通道促进通过催化剂载体5的流动。在流动通过催化剂载体5时空气吸收在氧化时释放的热量。在催化剂载体5中的热传导使得热量运输到流动通道且在该处传递到空气2上成为可能。在流动通道14中加热的空气流动到无纺布4。在该处发生燃料3的蒸发。由空气2和蒸发的燃料3的混合物再次流动返回到催化剂载体5，以便在该处可进行燃料3的氧化。在空气2中存在的氧气用作为氧化剂。在此如可看见的那样回流朝向在流动通道14之间的区域发生。在此还发生流动穿过催化剂载体5到背离无纺布4的那一侧。从该处发生流动到流动通道14。因此产生通过箭头示出的如此的环流(Walzen)，即使得在流动通道14及其延长部分中发生从氧化剂入口13通过催化剂载体5流动到无纺布4，而在其它区域中发生回流。
还补充的是，发生在转化区10方向上的流动9。因此得到在转化区10方向上的流动，在该转化区中燃料以催化和热的方式进一步转化且最后作为带有已改变的着火性能的燃料11通过未示出的输出部离开壳体1且引导到内燃机。
在图4中显示了堆叠15的结构。在堆叠15中并排布置了上文描述的组件中的多个。箭头显示了已转化的燃料11的流动方向。
现在应针对示例更详细地描述的发生的转化和反应。作为起始产物使用柴油和空气。基于柴油和空气的总和的重量份额在此如下：烷烃22.1％、烯烃0.6％、芳族化合物7.9％和氮51.9％。
在氧化工艺的过程中有时候发生部分氧化，该部分氧化在具有已改变的着火性能的离开的燃料11中导致0.2％氢气和5.7％一氧化碳的重量份额。总氧化份额导致6.9％水和8.8％二氧化碳的重量份额。裂化反应、即转化反应导致3.1％烷烃、12.5％烯烃和2.8％芳族化合物的重量份额。因此带有已改变的着火性能的离开的燃料11具有与供应的空气2和供应的燃料3的明显不同的成分。仅仅氮的重量份额保持相同，为51.9％。
从图5中可看出，在使用柴油作为供应的燃料3时在具有已改变的着火性能的燃料11中出现烷烃的各种浓度。在此在横坐标(Rechtswertachse)上绘入各烷烃的C原子的数量且在纵坐标(Hochwertachse)上绘入质量流量。不同的阴影表明在壳体1中存在多大的压力。具有已改变的着火性能的燃料11的成分因此决定性地取决于反应发生时存在的压力。
在图6至8中同样在横坐标上绘入C原子的数量且在纵坐标上绘入质量流量。在图6和7中的不同的阴影表明在反应时的不同压力。在图6中显示烯烃的分布且在图7中显示芳族化合物的分布。
在图8中的不同的阴影表明不同的空气数，即空气2和燃料3的不同的质量比。
在图9中在纵坐标上绘入以ms为单位的着火延迟时间且在横坐标上绘入以1/K为单位的着火温度的倒值。置于右边的黑实线显示了未改变的柴油的变化曲线。带有正方形的灰色曲线显示了具有已改变的着火性能的燃料的变化曲线，其中改变在0.3bar的压力下发生。带有三角形的灰色曲线显示了当在1.1bar的压力下发生转化时的变化曲线。带有菱形的灰色曲线显示了的未改变的具有95辛烷值的高级汽油的变化曲线。因此可看出，柴油的着火性能通过该方法可接近高级汽油的着火性能。

Claims (39)

1.一种用于调整燃料（3）的着火性能的方法，其使用具有至少一个分配区（15）、至少一个氧化区（6）和至少一个转化区（10）的单元，其中
a）在具有分配结构（4）的所述分配区（15）中分配燃料（3），
b）在所述氧化区（6）中所述燃料的至少一部分利用在催化剂载体上的至少一种催化剂上的至少一个氧化剂氧化，
c）在所述转化区（10）中，所分配的燃料（3）和/或另外供应的燃料的至少一部分以热的方式和/或以催化的方式转化，
其特征在于，通过在所述氧化剂（2）中包含的氧气与为了存在的燃料（3）的完全氧化所需的氧气的摩尔比和/或在所述单元（1）中的压力和/或停留时间和/或温度，来调整所述燃料的着火性能，
其中，着火温度被提高，以及将通过在步骤b）中的氧化产生的热量的至少一部分传递到所述分配区（15）中，其中在所述分配区（15）中能进行液态燃料（3）的蒸发；
其中，所述氧化剂以这样的方式导引到所述分配区（15）上，使得所述氧化剂接着与所述燃料（3）一起导引到所述氧化区（6）和/或转化区（10）中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将通过在步骤b）中的氧化产生的热量的至少一部分传递到所述转化区（10）中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述热量通过对流和/或辐射传递。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤a）和c）中的蒸发和/或热的和/或催化的转化所必要的热量基本上通过在步骤b）中的氧化获取。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，氧化剂（2）、燃料（3）和中间产物混合。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，氧化剂（2）、燃料（3）和中间产物在所述氧化区（6）中混合。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氧化剂（2）包含氧气或含氧的介质。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氧化剂（2）包含空气或带有剩余氧气的废气。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述单元（1）中的压力为0.01bar至100bar。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述单元（1）中的压力为0.01bar至50bar。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述单元（1）中的压力为0.05bar至10bar。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述燃料（3）选自如下燃料：汽油、柴油、生物油、裂解油、生物柴油、重油、醇、费托合成燃料、二甲醚、二乙醚、氧亚甲基醚、酯、乙醛、芳族化合物、胺、羧酸、烷烃、天然气、野营燃气、LPG、火炬气、填埋气、生物气及其混合物。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述氧亚甲基醚是OME1-OME10和混合物。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述氧化剂（2）中包含的氧气与为了存在的燃料的完全氧化所需的氧气的摩尔比为0.03至0.9。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述氧化剂（2）中包含的氧气与为了存在的燃料的完全氧化所需的氧气的摩尔比为0.05至0.4。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述氧化剂（2）中包含的氧气与为了存在的燃料的完全氧化所需的氧气的摩尔比为0.1至0.3。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述着火性能附加地经由至少一个下列参数调整：
•氧化剂入口（13）、催化剂和分配结构（4）之间的间距，
•氧化剂入口（13）和燃料入口（12）的位置和/或尺寸和/或数量和/或形状，
•氧化剂的流场，
•催化剂载体（5）的结构和孔腔密度，
•催化剂材料及其在催化剂载体（5）上的分布，
•出口的布置和形状。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将已转化的燃料（11）供应给燃烧设备。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述燃烧设备为内燃机、涡轮或燃烧器。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述内燃机为汽油机、柴油机或燃气发动机。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述着火性能的调整如此调节，即在考虑针对所述燃烧设备必须满足的可变的性能要求的情况下减少污染物质排放。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述污染物质排放为NOx和碳颗粒物排放。
23.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将已转化的燃料（11）供应给废气后处理设备。
24.一种用于调整至少一种燃料（3）的着火性能的装置，包含
•至少一个燃料入口（12）和至少一个氧化剂入口（13），
•具有用于所述燃料（3）的至少一个分配结构（4）的用于分配所述燃料（3）的至少一个分配区（15），
•用于至少部分地氧化所述燃料（3）的至少一个氧化区（6），其包含带有至少一种催化剂的至少一个催化剂载体（5），
•至少一个转化区，用于至少部分地催化地转化和/或热转化所述燃料（3），和
•用于具有已改变的着火性能的燃料（11）的至少一个出口，
其特征在于所述氧化剂入口（13）、所述催化剂载体（5）和所述分配区（15）如此布置和设计，即，使得在所述氧化区（6）中产生的热量能够传递到流动到所述分配区（15）中的气体或气体混合物（2），
其中，所述分配区（15）如此构造，使得液态的燃料（3）能够在所述分配区（15）中蒸发；
其中，所述催化剂载体（5）如此布置在用于所述燃料（3）的所述分配结构（4）和所述氧化剂入口（13）之间，即，使得从所述氧化剂入口（13）流出的气体或气体混合物（2）如此导引到所述分配区（15）上，即，使得气体或气体混合物接着与所述燃料（3）一起排出到所述氧化区（6）和/或转化区（10）中。
25.根据权利要求24所述的装置，其特征在于，所述分配区（15）如此构造，使得在所述氧化区（6）中产生的热量能够传递到流动到所述转化区（10）中的气体或气体混合物（2）。
26.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，所述催化剂载体（5）具有凹口和/或流动通道（14），所述凹口和/或流动通道促进所述氧化剂（2）一直流至所述分配区（15）。
27.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，所述催化剂载体（5）包含开孔结构或流动通道。
28.根据权利要求24或25项所述的装置，其特征在于，用于所述燃料（3）的所述分配结构（4）和所述催化剂载体（5）构造成平坦的和/或同心的，其中具有多次重复布置的模块化结构类型是可行的。
29.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，以堆叠的方式的布置是可行的，或者存在以堆叠的方式的布置。
30.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，用于所述燃料（3）的所述分配结构通过布置在壳体（1）的内壁处的无纺布（4）和/或在壳体内壁处进行的结构化形成。
31.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，在多个平面中和/或对于每个平面在多个部位处布置有燃料入口（12），其中所述燃料入口（12）能够构造成孔和/或狭缝的形式且如此定位，即，使得所述燃料（3）能够流动到所述分配区（15）中。
32.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，在多个平面中和/或对于每个平面在多个部位处布置有氧化剂入口（13），其中所述氧化剂入口（13）能够构造成孔和/或狭缝的形式，且如此定位，即，使得所述氧化剂（2）能够沿着和/或通过所述催化剂载体（5）流动。
33.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，所述装置能够竖直地、水平地或倾斜地运行。
34.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，为了加热，存在附加的加热装置。
35.根据权利要求34所述的装置，其特征在于，所述附加的加热装置为电加热装置。
36.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，所述装置如此构造，即，使得从所述装置离开的燃料（11）能够供应给燃烧设备。
37.根据权利要求36所述的装置，其特征在于，所述燃烧设备是内燃机、涡轮或燃烧器。
38.根据权利要求37所述的装置，其特征在于，所述内燃机为汽油机、柴油机或燃气发动机。
39.根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，所述装置构造成用于实施根据权利要求1至23中任一项所述的方法。
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