DE102004020450A1 - Verbrennungsmotor/Turbinentriebwerk - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (bzw. Turbinentriebwerk), dessen Schadstoffemissionen verringert werden sollen und dabei seine Leistung gesteigert wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Stickstoff aus der Luft vor der Verbrennung (Reaktion des Sauerstoffs mit dem Kraftstoff) vollständig bzw. teilweise separiert wird. Nach dem Separieren des Stickstoffes (vollständig bzw. teilweise) aus der Luft bleibt ein Produktgas mit hoher Sauerstoffkonzentration übrig. DOLLAR A Dieses Produktgas wird anstatt Umgebungsluft als Oxidator für die Reaktion mit dem Kraftstoff benutzt. DOLLAR A Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung: DOLLAR A - höhere Hubraumleistungsdichte und Energieausbeute, höheres Entspannungsverhältnis (Dank schnellerer Flammenfront/Gleichraumverbrennung), da Stickstoff (bzw. ein Großteil des Stickstoffes) an der Verbrennung nicht beteiligt ist; DOLLAR A - niedrige Schadstoffemissionen; DOLLAR A - bei einem mit Wasserstoff betriebenen Motor (Turbinenwerk) entsteht als Abgas nur Wasserdampf; DOLLAR A - niedriger Kraftstoffverbrauch; DOLLAR A - höhere Klopffestigkeit (schnellere Oxidation bzw. Flammenfront, kurzer Zündverzug).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (bzw. Turbinentriebwerk), dessen Schadstoffemissionen verringert werden sollen und dabei seine Leistung gesteigert wird.
  • Allgemeiner Stand der Technik:
  • Bei Verbrennungsmotoren bzw. Turbinenwerke wird die Umgebungsluft als Oxidator benutzt. Bei der Verbrennung des Kraftstoff/Luftgemisches entstehen folgende Abgase CO2, CO, NOx, H2O CH, Ruß etc. (siehe 1)
  • Die NOx Emissionen können bei einem Luft/Kraftstoffverhältnis λ » 1 reduziert werden, dies führt jedoch dazu, dass die CO, CH Emissionen und die Partikel ansteigen.
  • Eine hohe Verbrennungstemperatur würde zu einer Reduzierung von CO, CH Emissionen und Partikel würde jedoch dazu führen, dass die NOx Bildung ansteigt.
  • Heutige Lösungen zum Reduzieren der Emissionen bei Verbrennungsmotoren bestehen darin, einen Optimum (Kompromiss) zwischen Luft/Kraftstoff-Velrhältnis und Höhe der Verbrennungstemperatur zu finden und die Abgase nachzubehandeln. Für die Nachbehandlung dienen Katalysatoren, Abgasrückführung und Rußfilter.
  • Die oben beschriebene Verbrennungsart mit anschließender Abgasnachbehandlung hat u. a. folgende Nachteile:
    • – Stickstoff im Luft-Kraftstoff-Gemisch ist ein inertes Gas; für seine Erwärmung wird ein Teil der Verbrennungsenergie verbraucht und damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der chemischen (Verbrennungs-) Reaktion verringert.
    • Der Stickstoff wird also als Ballast mitgeführt und verdichtet, ohne dass er sich an der Verbrennung beteiligt. Dies hat eine niedrige Leistungsdichte des Hubraums zur Folge.
    • – Stickstoff reagiert mit Sauerstoff und bildet NOx-Schadstoffe. Er nimmt Sauerstoff auf, der für die Reaktion mit Kohlenstoff bzw. Wasserstoff benötigt wird.
    • – Die Verbrennung von CO und CH im Katalysator stellt eine reine Energie- bzw. Kraftstoffverschwendung dar.
  • Aufgabe der Erfindung:
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Schadstoffemissionen zu reduzieren und die Leistung des Verbrennungsmotors zu steigern.
  • Die o. g. Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Stickstoff aus der Luft vor der Verbrennung (Reaktion des Sauerstoffs mit dem Kraftstoff) vollständig bzw. teilweise separiert wird. Nach dem Separieren des Stickstoffes (vollständig bzw. teilweise) aus der Luft bleibt ein Produktgas mit hoher Sauerstoffkonzentration übrig. Dieser Produktgas wird anstatt Umgebungsluft als Oxidator für die Reaktion mit dem Kraftstoff benutzt (siehe 2 und 3).
  • Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung:
    • – Höhere Hubraumleistungsdichte und Energieausbeute, höheres Entspannungsverhältnis (dank schnellere Flammenfront/Gleichraumverbrennung), da Stickstoff (bzw. ein Großteil des Stickstoffes) an der Verbrennung nicht beteiligt ist.
    • – Niedrige Schadstoffemissionen.
    • – Bei einem mit Wasserstoff betriebenen Motor (Turbinenwerk) entsteht als Abgas nur Wasserdampf.
    • – Niedriger Kraftstoffverbrauch.
    • – Höhere Klopffestigkeit (schnellere Oxidation bzw. Flammenfront, kurzer Zündverzug).
  • Technische Realisierung:
  • Bei vollständigem Separieren des Stickstoffes kann ein Produktgas mit folgender Sauerstoffkonzentration erreicht werden:
    max. O2-Konz. = {O2-Konz (in der Luft)/[100-N2-Konz. (in der Luft)]}. 100%
    max. O2-Konz. = {20,95 (Vol. %)/[100-78,09 (Vol. %)]}. 100%
    max. O2-Konz. ≈ 95,62% (Vol. %)
    (der Rest besteht aus Luftbestandteilen wie Argon, Kohlendioxid, Wasser, Ne, He und Spuren weiterer Stoffe).
  • Reiner Sauerstoff als Oxidator ist für Raketenantriebe aus der Raumfahrt bekannt. Hier wird fester bzw./flüssiger Sauerstoff in speziellen Behältern mitgeführt. Für die Anwendung bei einem Verbrennungsmotors z. B. bei Fahrzeugen wäre diese Lösung aus wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Gründen nicht sinnvoll.
    •
  • Stickstoffseparatoren werden z. B. in der Medizintechnik benutzt um die eingeatmete Luft mit Sauerstoff anzureichern. Hierfür werden verschiedene Verfahren benutzt, vor allem das Druckwechseladsorptionsverfahren (oder Temperaturwechseladsorptiosverfahren) in mobilen Geräten für den Heimgebrauch wie z. B. in der Offenlegungsschrift DE 101 42 946 A1 beschrieben ist.
  • Das klassische Druckwechselverfahren arbeitet mit zwei wechselweise auf Ad- und Desorption geschalteten Adsorbern (zeolithische Molekularsiebe), die Energie für die Kompremierung der Luft liefert ein elektrisch betriebener Kompressor. Die Desorption wird durch Spülen mit gewonnenem Produktgas (mit Sauerstoff angereicherte Luft) unterstützt.
  • Anreicherungen von 90 Vol. % bis 95 Vol. % Sauerstoff werden mit diesem Verfahren erreicht bei einer Ausbeute von 20% bis 25% des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs.
  • Die niedrige Sauerstoffausbeute ist unter anderem auf das Spülen mit dem gewonnen Produktgas zurückzuführen (dafür wird ca. 65% des Produktgases verwendet).
  • Um eine wirtschaftlich sinnvolle Lösung für einen Verbrennungsmotor (Turbinenwerk) zu erzielen muss die Sauerstoffausbeute erhöht werden.
  • Erfindungsgemäß wird das oben beschriebene Druckwechselverfahren für den Einsatz bei einem Verbrennungsmotors bzw. Turbinentriebwerk adaptiert.
    • – Hierfür wird die Energie dem Verbrennungsmotors (dem Turbinentriebwerk) entnommen.
    • – Es wird auf das Spülen mit dem gewonnen Produktgas verzichtet und
    • – statt dessen wir die Desorption durch Vakuumerzeugung in den Molekularsieben unterstützt,
    • – oder durch Spülen mit den Endgasen (Abgase aus der vollständigen Verbrennung) CO2, H2O etc.
    • – oder auch durch Vakuumerzeugung und Spülen mit Endgasen.

Claims (11)

  1. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk dadurch gekennzeichnet, dass als Oxidator ein mit Sauerstoffangereicherter Produktgas benutzt wird.
  2. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung dieses Oxidators Umgebungsluft mit verringertem Stickstoffanteil benutzt wird.
  3. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff vor dem Verbrennungsvorgang aus der Luft ganz oder teilweise separiert wird.
  4. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des Stickstoffgehats in der Luft ein Druckwechseladsorptionsverfahren verwendet wird.
  5. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des Stickstoffgehats in der Luft ein Temperaturwechseladsorptionsverfahren verwendet wird.
  6. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination aus Druckwechsel- und Temperaturwechseladsorptionsverfahren verwendet wird.
  7. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zum Separieren des Stickstoffs dem Verbrennungsmotors (dem Turbinentriebwerk) entnommen wird.
  8. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, und 6 dadurch gekennzeichnet, dass auf das Spülen zur Unterstützung der Desorption verzichtet wird.
  9. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 6 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Desorption durch Vakuumerzeugung in den Molekularsieben unterstützt wird.
  10. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass Endgas (Abgase aus der vollständigen Verbrennung; CO2, H2O etc.) fürs Spülen zur Unterstützung der Desorption verwendet wird.
  11. Verbrennungsmotor/Turbinenwerk nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination aus Vakuumerzeugung in den Molekularsieben und Spülen mit Endgasen für die Unterstützung der Desorption benutzt werden.
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