DE10107616C1 - Verfahren zur Kraftstoffkonditionierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftstoffkonditionierung für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen. Gemäß der Erfindung werden an Bord eines Kraftfahrzeugs bei einer Temperatur von 20 DEG C bis 150 DEG C und bei Atmosphärendruck nitrose Gase, welche im wesentlichen Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid oder Distickstoffoxid oder gasförmige Gemische daraus umfassen, durch den flüssigen Kraftstoff des Kraftfahrzeugs geleitet, wobei aufgrund der Durchleitung der nitrosen Gase durch den flüssigen Kraftstoff Nitroverbindungen in dem Kraftstoff erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftstoffkonditionierung für Verbrennungmo­ toren von Kraftfahrzeugen.

Die Verbesserung der Kraftstoffeigenschaften hat positive Auswirkungen auf das Kaltstartverhalten, die Abgasemission sowie die Verbrennungsgeräusche des Ver­ brennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. So bewirkt z. B. ein Dieselkraftstoff mit ei­ ner hohen Cetanzahl eine Erniedrigung der Kohlenwasserstoff- und Kohlendioxide­ mission sowie eine Verminderung des schädigenden Nagelns des Motors.

Die Cetanzahl des Dieselkraftstoffes kann z. B. durch Zündverbesserer angehoben werden. Als Zündverbesserer haben sich Additive, insbesondere Alkylnitrate, z. B. Isopropyl-, Amyl-, Cyclohexyl- oder Ocylnitrat sowie organische Nitrite, Nitroverbin­ dungen oder Peroxide, bewährt.

Aus der WO 79/00487 A1 und JP 60 169 660 AA bekannt sind Verfahren zur Verbesse­ rung der Kraftstoffqualität durch Einleiten von Sauerstoff in Kraftstoffbehälter.

US 4,469,904 beschreibt einen Prozess für die selektive Bildung von Nitroverbindun­ gen. Dabei werden organische Carboxylsäuren, umfassend 2 bis 10 Kohlenwas­ serstoffatome, bei Temperaturen oberhalb 200°C und Drücken zwischen 1 und 10 bar in einer homogenen Gasphase mit Stickstoffdioxid (NO₂) oder Salpetersäure (HNO₃) in jeweils reiner Form oder in Gegenwart von Sauerstoff und/oder Wasser in Kontakt gebracht. Ein ähnlicher Prozess für die selektive Nitrierung von Aldehyden und Ketonen ist in US 4,524,226 und US 4,517,393 offenbart. Ein Nachteil bei den offenbarten Prozessen ist, dass aufgrund der erhöhten Temperatur und des erhöhten Druckes viel Energie benötigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Kraft­ stoffeigenschaften anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß werden an Bord eines Kraftfahrzeuges bei einer Temperatur von 20°C bis 150°C und bei Atmosphärendruck nitrose Gase, welche im wesentlichen Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid oder Distickstoffoxid oder gasförmige Gemische daraus umfassen, durch den flüssigen Kraftstoff des Kraftfahrzeuges geleitet, wobei aufgrund der Durchleitung der nitrosen Gase durch den flüssigen Kraftstoff Nitrover­ bindungen in dem Kraftstoff erzeugt werden.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das Verfahren bei niedrigen Temperaturen und bei Atmosphärendruck erfolgen kann, so dass kein zusätzlicher Energieaufwand benötigt wird. Außerdem wird kein Katalysator zur Bildung der Nitroverbindungen benötigt. Daraus ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich des Platz- und Energiebedarfs.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch die im Kraft­ stoff gebildeten und im Kraftstoff gebundenen Nitroverbindungen die Zündung des in den Verbrennungsraum des Kraftfahrzeugs eingebrachten Kraftstoff-Luftgemisches beschleunigt wird. So wird z. B. beim Dieselkraftstoff durch das erfindungsgemäße Verfahren die Cetanzahl erhöht. Dies führt zu einer verbesserten Verbrennung des Kraftstoffes, wobei die Stickoxide ebenfalls verbrannt werden. Dadurch wird die Stickoxidemission des Kraftfahrzeugs vermindert. Außerdem führt eine verbesserte Verbrennung des Kraftstoffes zu einer Absenkung des Anteils unverbrannter Kraft­ stoffkomponenten, z. B. Kohlenwasserstoffkomponenten im Abgas.

Vorteilhaft kann der mittels der nitrosen Gase behandelte Kraftstoff für die Kaltstart­ phase des Verbrennungsmotors genutzt werden. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile hinsichtlich einer verminderten Schadstoffemission während der Startphase des Motors sowie dessen Lebensdauer. Des weiteren kann mittels des behandelten Kraftstoffes die Anspringtemperatur von dem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Abgasnachbehandlungskatalysatoren verringert werden.

Als Kraftstoff können vorteilhaft Otto- oder Dieselkraftstoff, Kerosin oder Alkohole ver­ wendet werden.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist ein Speicherkatalysator vorhan­ den, durch den das Abgas geleitet und an dem die Stickoxide aus dem Abgas des Verbrennungsmotors adsorbiert und somit aufkonzentriert werden. Vor der Einleitung der aufkonzentrierten Stickoxide in den Kraftstoff zur Bildung von Nitroverbindungen im Kraftstoff werden diese vom Speicherkatalysator desorbiert. Dies kann durch be­ kannte Maßnahmen, wie z. B. kurzzeitiges Aufheizen des Speicherkatalysators oder durch ein kurzzeitiges, fettes Kraftstoff-Luftgemisch zur Erhöhung der Verbrennungs­ temperatur erreicht werden. Es ist aber auch möglich, die nitrosen Gase nicht in rei­ ner Form, sondern in einer sauerstoff- oder stickstoffreichen Atmosphäre durch den Kraftstoff zu leiten. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann auch ein Teilstrom des Abgases abgezweigt und in den Kraftstoff eingeleitet werden.

In einer weiteren, vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann zur Temperierung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Wärme der Kühl- und Heizungssysteme des Kraftfahrzeugs genutzt werden. Dabei ist es auch möglich, die Wärme des Motoröls zu nutzen. Daraus ergeben sich weitere bauliche, insbesondere platz- und gewicht­ sparende Vorteile.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme von Zeichnungen und anhand von Beispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau einer Vorrichtung an Bord eines Kraftfahrzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Begasungseinheit,

Fig. 3 einen Teilausschnitt eines beispielhaften IR-Spektrums von synthetischem Dieselkraftstoff gegenüber synthetischem Dieselkraftstoff, der mit einem NO₂(1%)/O₂ Gemisch behandelt wurde.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung an Bord eines Kraftfahrzeugs zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) ist ein Kraftstofftank 1 zur Bevorratung des Originalkraftstoffs vorhanden, der mittels einer Leitung 2 den Verbrennungsmotor 3 und mittels einer Leitung 4 die Begasungsein­ heit 5 mit Kraftstoff versorgt. Der in der Begasungseinheit behandelte Kraftstoff, auch als Startkraftstoff bezeichnet, wird durch die Leitung 6 dem Verbrennungsmotor 3 zu­ geführt. Zur Einspeisung des Kraftstoffs in den Verbrennungsmotor 3 ist ein BiFuel- Injektor 7 vorhanden. Mittels des BiFuel-Injektors 7 ist es möglich, den Startkraftstoff dem Originalkraftstoff aus dem Kraftstofftank 1 zuzudosieren und in den Verbren­ nungsmotor 3 einzuspeisen. Das Verbrennungsgas des Motors 3 wird einem Stick­ oxidspeicherkatalysator 8 zugeführt, in dem die Stickoxide adsorbiert werden. Nach dem Stickoxidspeicherkatalysator 8 wird das Verbrennungsgas als Abgas durch den Abgasstrang 9 des Kraftfahrzeugs abgeführt.

Die im Speicherkatalysator 8 adsorbierten Stickoxide können z. B. mittels thermischer Aufheizung des Speicherkatalysators 8 desorbiert werden. Über eine Leitung 10 wer­ den die desorbierten Stickoxide der Begasungseinheit 5 zugeführt. Hierbei ist es selbstverständlich auch möglich, dass die desorbierten Stickoxide nicht nur in kon­ zentrierter Form, sondern auch in einer sauerstoff- oder stickstoffhaltigen Atmosphä­ re in die Begasungseinheit eingeleitet werden.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Begasungseinheit. Die Bega­ sungseinheit 5 ist im wesentlichen ein geschlossenes Gefäß, z. B. aus Stahl oder Kunststoff, mit Zu- und Abfuhrleitungen für den Kraftstoff 11, 12 sowie mit Zu- und Abfuhrleitungen für die nitrosen Gase 13, 14. Die nitrosen Gase werden dabei durch eine rohrförmige Leitung 16 in das Gefäß 5 eingeleitet. In die Leitung 16 ist ein Ventil 17 geschaltet, so dass es möglich ist, eine vorgegebene Menge an nitrosen Gasen für eine vorgegebene Zeit in das Begasungsgefäß 5 einzuleiten. Zusätzlich kann eine Steuerungseinheit (nicht dargestellt) vorhanden sein, die nach einer vorgegebenen Zeit oder nach Durchfluss einer vorgegebenen Menge das Ventil 17 schließt.

Die rohrförmige Leitung 16 ist dabei innerhalb des Gefäßes 5 mittels einer porösen Gasplatte 15 abgeschlossen. Diese Gasplatte 15 dient dazu, dass beim Durchleiten der nitrosen Gase durch den Kraftstoff kleine Gasbläschen im Kraftstoff gebildet wer­ den. Die daraus resultierende, größere Oberfläche zwischen dem flüssigen Kraftstoff und dem nitrosen Gas verbessert die Bildung der Nitroverbindungen im Kraftstoff. Die durch den Kraftstoff geleiteten, nitrosen Gase werden nach Durchleiten durch den Kraftstoff durch die Abfuhrleitung 14 aus dem Gefäß 5 in das Abgassystem des Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) geleitet.

Der Kraftstoff wird vom Kraftstofftank (nicht dargestellt) durch die Zuleitung 11 in das Begasungsgefäß 5 eingeleitet. Der behandelte Kraftstoff wird dann durch die Ab­ fuhrleitung 12 aus dem Begasungsgefäß 5 geleitet und als Startkraftstoff dem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) zugeführt.

Fig. 3 zeigt einen Teilausschnitt eines beispielhaften IR-Spektrums, wobei die Extink­ tion in beliebigen Einheiten über der Wellenzahl in cm^-1 dargestellt ist. Darin ist das IR-Spektrum von synthetischem Dieselkraftstoff A dem IR-Spektrum von syntheti­ schem Dieselkraftstoff B, der mit einem NO₂(1%)/O₂-Gemisch behandelt wurde, ge­ genübergestellt. Das Spektrum zeigt einen Wellenzahlenbereich von 1390 cm^-1 bis 1650 cm^-1. In folgender Tabelle sind die wesentlichen Bestandteile des synthetischen Dieselkraftstoffs zusammengefasst:

In dem Experiment wurde der synthetische Dieselkraftstoff bei einer Temperatur von 21,5°C während einer Begasungsdauer von 30 Minuten mit einem NO₂/O₂-Gemisch mit einer NO₂-Konzentation von 1% behandelt. Dabei betrug der Durchfluss des NO₂/O₂-Gemischs 96 ml/min. Nach Ablauf der Begasungsdauer wurde der syntheti­ sche Dieselkraftstoff 5 Minuten mit N₂ gespült. Die spektroskopische Untersuchung des behandelten, synthetischen Dieselkraftstoffs B zeigt in Fig. 3 bei einer Wellenzahl von 1551 cm^-1 eine zusätzliche Bande gegenüber unbehandeltem, synthetischem Dieselkraftstoff A. Die zusätzliche Bande ist der Nitroverbindung C-NO₂ zuzuordnen. Dieses Experiment dient lediglich der Veranschaulichung der Durchführbarkeit und dass aufgrund der Behandlung des synthetischen Dieselkraftstoffs Nitroverbindungen im Kraftstoff gebildet werden. Eine spektroskopische Untersuchung von Originaldie­ selkraftstoff würde aufgrund der Vielzahl der Komponenten zu keinem aussagekräfti­ gen Ergebnis führen.

In einem weiteren Experiment wurde Originaldieselkraftstoff unter den oben be­ schriebenen Bedingungen mit einem NO₂/O₂-Gemisch mit einer NO₂-Konzentation von 1% behandelt. Eine anschließende Messung der Cetanzahl ergab für den unbe­ handelten Originaldieselkraftstoff eine Cetanzahl von 55,2. Für den behandelten Die­ selkraftstoff ergab sich eine Cetanzahl von 59,3. Diese Messung deutet auf eine Bil­ dung von Nitroverbindungen im Kraftstoff hin.

Claims (8)

1. Verfahren zur Kraftstoffkonditionierung für Verbrennungsmotoren von Kraftfahr­ zeugen, dadurch gekennzeichnet, dass an Bord eines Kraftfahrzeugs bei einer Temperatur von 20°C bis 150°C und bei Atmosphärendruck nitrose Gase, welche im wesentlichen Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid oder Distickstoffoxid oder gasförmige Gemische daraus umfassen, durch den flüssigen Kraftstoff des Kraftfahrzeugs geleitet werden, wobei aufgrund der Durchleitung der nitrosen Gase durch den flüssigen Kraftstoff Nitroverbindungen in dem Kraftstoff erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nitrosen Gase in sauerstoff- oder stickstoffreicher Atmosphäre durch den Kraftstoff geleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeu­ gung der nitrosen Gase ein Speicherkatalysator vorhanden ist, an dem die Stickoxide aus dem Abgas des Verbrennungsmotors zur Aufkonzentrierung ad­ sorbiert und vor Einleitung in den Kraftstoff desorbiert werden.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil­ strom des Abgases von dem Verbrennungsmotor durch den Kraftstoff geleitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass der mittels der nitrosen Gase behandelte Kraftstoff für die Kaltstart­ phase des Verbrennungsmotors genutzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass mittels des behandelte Kraftstoffs die Anspringtemperatur von Abgas­ nachbehandlungskatalysatoren verringert wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass als Kraftstoff Otto- oder Dieselkraftstoff, Kerosin oder Alkohole ver­ wendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass zur Temperierung des Verfahrens die Wärme der Kühl- und Hei­ zungssysteme des Kraftfahrzeugs nutzbar ist.