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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beladen eines einem Verbrennungsraum
einer Brennkraftmaschine zuzuführenden
Kraftstoff-Luft-Gemisches
mit einem Additiv, das vor seiner Zuführung in den Verbrennungsraum
aus seinem festen Aggregatzustand in seinen gasförmigen Aggregatzustand überführt worden
ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bereitstellen
eines Additivs in Gasphase zum Zuführen desselben in den Verbrennungsraum
einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Reaktor zum Bevorraten
des in seinem festen Aggregatzustand befindlichen Additivs, in welchem Reaktor
das Additiv in seine Gasphase gebracht wird.
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Aus
unterschiedlichen Gründen
wird das einem Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch
mit Additiven versetzt bzw. beladen. Additive werden Kraftstoffen
beigemengt, um beispielsweise den Verbrennungsprozess zu optimieren.
Bei Dieselbrennkraftmaschinen (Dieselmotoren) werden Additive in
den Verbrennungsprozess mit eingebunden und aus diesem Grunde dem
Verbrennungsraum zugeführt,
damit die bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffs entstehenden
Rußpartikel
einen gegenüber
einer unadditivierten Verbrennung erniedrigten Flammpunkt aufweisen.
Die durch einen in den Ab gasstrang einer solchen Dieselbrennkraftmaschine
eingeschalteten Partikelfilter aufgefangenen Rußpartikel können sich infolge eines erniedrigten
Flammpunktes bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine bei entsprechend hohen
Abgastemperaturen (über
450°C) selbständig entzünden, um
einen Rußabbrand
und somit eine Filterregeneration herbeiführen zu können. Ohne Verwendung eines
solchen, die Rußzündtemperatur
herabsetzenden Additivs wäre
eine selbsttätige
Filterregeneration nur bei Temperaturen über 600°C möglich.
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Bei
dem Verbrennungsvorgang innerhalb des oder der Verbrennungsräume der
Brennkraftmaschine lagern sich die katalytisch wirksamen Komponenten
des Additivs zum Absenken der Rußzündtemperatur an den durch die
Verbrennung gebildeten Rußpartikeln
an. Für
solche Maßnahmen
werden als Additive Metall-organische Verbindungen, vor allem Ferrocen
oder eines seiner Derivate eingesetzt.
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Es
sind unterschiedliche Ansätze
bekanntgeworden, Ferrocen als rußzündtemperatursenkendes Additiv
dem in den Verbrennungsraum eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisch
beizumengen. Üblicherweise
wird das benötige
Ferrocen in einem Lösungsmittel
gelöst
eingesetzt, um die jeweils benötigte
Additivdosis dem Kraftstoff, beispielsweise dem Dieselkraftstoff
als Flüssigkeit
beizumengen, bevor dieser in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine
eingespritzt wird. Die Handhabung von gelöstem Ferrocen als Additiv – entsprechendes
gilt für
andere Additive gleichermaßen – hat jedoch
zum Nachteil, dass durch das notwendige Verbrennen des Lösungsmittels
zusätzliche
Stoffe verbrannt werden, was den in einem nachgeschalteten Partikelfilter
aufzufangenden Rußanteil
erhöhen. Überdies
ist eine Handhabung von gelöstem
Ferrocen als Additiv bei niedrigen Temperaturen nicht unproblematisch.
Zudem ist die Herstellung von solchen Additivlösungen bzw. ihrer Stammlösungen aufwendig.
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Um
die Nachteile einer Handhabe von gelöstem Ferrocen zu vermeiden,
ist in
EP 0 543 477
B1 vorgeschlagen worden, Ferrocen als Additiv unter Ausnutzung
seiner sich bereits bei relativ geringen Temperaturen einstellenden
Sublimation einzusetzen, um auf diese Weise infolge des Dampfdruckes aus
seinem festen Aggregatzustand unmittelbar in seine Gasphase gebrachtes
Ferrocen dem Verbrennungsraum zuzuführen. Um dieses zu erreichen, wird
ein auf 20°C
bis max. 175°C
vorgeheizter Träger gasstrom
in einen Ferrocen in seinem festen Aggregatzustand enthaltenden
Sublimator geleitet, damit bei entsprechenden Druck- und Temperaturwerten
im Bereich der Koexistenzlinie zwischen fester und gasförmiger Phase
das durch die Sublimation gebildete Additivgas in den Trägergasstrom
aufgenommen und mit diesem dem Verbrennungsraum zugeleitet wird.
Als Trägergasstrom
dient dabei die bei einem Betrieb des Dieselmotors angesaugte Luft. Somit
wird zunächst
das in Gasphase vorliegende Additiv der Ansaugluft beigemengt und
zusammen mit dieser dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine
zugeführt,
so dass auf diese Weise die mit dem Kraftstoff, beispielsweise dem
Dieselkraftstoff zusammengeführte
additivversetzte Luft das additivbeladene Kraftstoff-Luft-Gemisch darstellt.
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Bei
diesem vorbekannten Verfahren zum Beladen eines einem Verbrennungsraum
einer Brennkraftmaschine zuzuführenden
Kraftstoff-Luft-Gemisches
mit einem Additiv, nämlich
Ferrocen wird zum Hervorrufen der Sublimation sowie zum Transport des
in seine Gasphase überführten Ferrocens
ein Trägergasstrom
benötigt.
Da es sich bei diesem typischerweise um die bei einem Betrieb der
Brennkraftmaschine angesaugte Luft handelt, ist ein Transport des
Additivs von einem Betrieb der Brennkraftmaschine abhängig. Bei
kalten Umgebungsbedingungen ist es bei einem Motorstart zum bestimmungsgemäßen Zuführen des
Additivs notwendig, den Trägergasstrom
mit einer zusätzlichen
Heizeinrichtung zu erwärmen,
zumindest solange, bis die Abwärme
des Dieselmotors zum Erwärmen
des Trägergasstroms eingesetzt
werden kann. Temperaturunterschiede im Trägergasstrom haben unterschiedliche
Sublimationsraten zur Folge, so dass eine exakte und vor allem ausreichende
Dosierung des dem Verbrennungsraum zuzuführenden Additivs nur angenähert erfolgen
kann.
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Ausgehend
von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher
die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren sowie die eingangs
genannte Vorrichtung dergestalt weiterzubilden, dass die zu dem
zuletzt diskutierten Stand der Technik aufgezeigten Nachteile zumindest
weitestgehend minimiert sind.
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Die
verfahrensbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes,
gattungsgemäßes Verfahren
gelöst,
bei dem das Additiv zum Überführen desselben
aus seinem festen Aggregatzustand in sei nen gasförmigen Aggregatzustand soweit
erwärmt
wird, dass das als Feststoff vorliegende Additiv zunächst verflüssigt wird,
bevor es im Zuge weiteren Erwärmens
seinen gasförmigen Aggregatzustand
erreicht.
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Die
vorrichtungsgezogene Aufgabe wird durch eine eingangs genannte,
gattungsgemäße Vorrichtung
gelöst,
bei der diese eine Heizeinrichtung zum Verflüssigen und anschließendem Verdampfen des
Additivs sowie zum gleichzeitigen Aufbau eines über dem Umgebungsdruck befindlichen
Gasdruckes innerhalb des Reaktors aufweist, welcher Reaktor unter
Zwischenschaltung einer Dosiereinrichtung ausgangsseitig an eine
zum Verbrennungsraum führende
Leitung angeschlossen ist.
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Bei
diesem Verfahren und entsprechendes gilt auch für die beanspruchte Vorrichtung
wird das in festem Aggregatzustand vorhandene Additiv, beispielsweise
das Ferrocen soweit durch eine entsprechend konzipierte Heizeinrichtung
erwärmt
bzw. erhitzt, dass sich dieses verflüssigt und die auf diese Weise
gebildete Additiv-Flüssigkeit über ihren
Siedepunkt gebracht wird, um dieses in seinen gasförmigen Aggregatzustand
zu überführen. Mit
dieser Maßnahme
kann in einem Reaktor ein ausreichender Überdruck erzeugt werden, damit
das erzeugte Additivgas aufgrund des in dem Reaktor herrschenden Druckes
grundsätzlich
ohne weiteres in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine eingeleitet
werden kann. Zweckmäßigerweise
wird man jedoch zur besseren Vermischung das erzeugte Additivgas
in eine dem Verbrennungsraum ein Gas zuführende Leitung, beispielsweise
in die Luftansaugleitung einbringen. Das unmittelbare Erwärmen des
in seinem festen Aggregatzustand bevorrateten Additivs zum Verflüssigen und
anschließendem
Verdampfen desselben ist mit einfachen Mitteln umsetzbar. Das Betreiben
eines das Additiv in fester Form beinhaltenden Reaktors, in dem
durch das beschriebene Aufheizverfahren ein über dem Umgebungsdruck befindlicher
Innendruck nach einer ersten Inbetriebnahme der Heizeinrichtung
herrscht, ermöglicht
zudem eine sehr genaue Dosierung des erzeugten Additivgases. Die
Heizeinrichtung wird zum Verflüssigen und
Verdampfen des Additivs zweckmäßigerweise dergestalt
betrieben, dass ein weitestgehend konstanter Innendruck in dem Reaktor
aufrecht erhalten wird. Als Heizeinrichtung kann ein stabförmiger,
in das in fester Form vorliegende Additiv hineinreichender Heizkörper vorgesehen
sein. Da die benötigte Additivmenge
nur gering ist, braucht von diesem Heizkörper nicht notwendigerweise
das gesamte in fester Form bevorratete Additiv verflüssigt zu
werden, sondern es ist ausreichend, wenn nur ein Teil desselben
verflüssigt
wird und flüssig
gehalten wird, aus welchem verflüssigten
Additiv das Additivgas heraus verdampft wird. Eine solche Heizeinrichtung erstreckt
sich zweckmäßigerweise
bis in den Bereich des Ausganges des Reaktors hinein, in dem eine Drosseleinrichtung
zum Dosieren des abströmenden Additivgases
angeordnet ist. Sich gegebenenfalls bei einer Abkühlung aus
seiner Gasphase in seine feste Form zurückbildendes Additivgas kann
grundsätzlich eine
Dosiereinrichtung, wie beispielsweise eine Drossel oder ein Taktventil
ganz oder auch nur teilweise zusetzen. Bei erneuter Inbetriebnahme
der Heizeinrichtung wird dieses zurückgebildete Additiv durch die
benachbarte Anordnung einer solchen Dosiereinrichtung zur Heizeinrichtung
ohne weiteres wieder in seine Gasphase überführt, so dass derartige Kondensationserscheinungen
gerade an den für eine
Dosierung kritischen Elementen den gewünschten Zustrom des Additivgases
in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine nicht beeinträchtigen.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung über ein
zusätzliches
Heizelement verfügt,
das auch Teil eines stabförmigen
Heizkörpers
sein kann, das von dem erzeugen Additivgas angeströmt ist und
mit dem das Additivgas über
seine Zersetzungstemperatur hinaus erwärmt wird. Bei dem zersetzten
Additivgas, bei dem die wirksamen Komponenten dann in atomarer bzw.
molekularer Form vorliegen, besteht nicht mehr die Gefahr einer Kondensation
und einer damit verbundenen Rückbildung
des Additivs in seinen festen Aggregatzustand.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zum Bereitstellen
eines Additivs in Gasphase zum Zuführen desselben in den Verbrennungsraum
einer Brennkraftmaschine gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
und
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2:
eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Additivs in Gasphase zum
Zuführen
desselben in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
dargestellt nach einer Inbetriebnahme.
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Eine
Vorrichtung 1 zum Bereitstellen eines Additivs in seiner
Gasphase zum Zuführen
des Additivgases in den Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine
umfasst einen Reaktor 2, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
wärmeisoliert
ausgebildet ist. In dem Reaktor 2 befindet sich als Additiv
in seinem festen Aggregatzustand Ferrocen 3. Dieses ist
zuvor in seiner flüssigen
Phase in den Reaktor 2 eingefüllt worden und durch Abkühlen ist
das Ferrocen kristallisiert, das nunmehr in seinem festen Aggregatzustand
in dem Reaktor vorliegt. Der Reaktor 2 ist in seinem unteren
Abschnitt nach unten hin zur Ausbildung einer Flüssigkeitsfalle verjüngt. Angeschlossen
ist der Reaktor 2 über
einen Ausgang 4 an eine Additivleitung 5, die
in nicht näher
dargestellter Art und Weise in die Luftansaugleitung eines Dieselmotors
mündet.
Im Bereich des Ausgangs 4 des Reaktors 2 ist als
Dosiereinrichtung eine Drossel 6 angeordnet. Die Drossel 6 ist
manuell einstellbar, wobei bei der Vorrichtung 1 vorgesehen
ist, dass diese mit konstanter Drosseleinstellung betrieben wird.
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Die
Vorrichtung 1 verfügt
ferner über
eine Heizeinrichtung 7. Die Heizeinrichtung 7 umfasst
einen stabförmigen
Heizkörper 8,
der in das in fester Form vorliegende Ferrocen 3 hineinreicht.
Montiert wird die Heizeinrichtung 7 mit ihrem Heizkörper 8 an dem
Reaktor 2, solange sich das in den Reaktor 2 in seiner
flüssigen
Phase eingebrachte Ferrocen noch nicht, zumindest noch nicht vollständig verfestigt
hat. Der Heizkörper 8 ist
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als Widerstandheizkörper
ausgelegt und über
ein elektrisches Anschlusskabel 9 bestrombar. Der Heizkörper 8 der
in 1 dargestellten Vorrichtung 1 ist ausgebildet,
damit dieser seine größte Heizleistung
im Bereich seines unteren freien Endabschnittes 10 aufweist.
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Der
Reaktor 2 kann alternativ auch mit pulverförmigem Ferrocen
gefüllt
werden. Dieses schmilzt dann beim ersten Anfahren der Heizeinrichtung
und kristallisiert aus der flüssigen
Phase nach einer Außerbetriebnahme
der Heizeinrichtung aus dieser aus. Bei dieser Augestaltung kann
die Heizeinrichtung letztendlich jederzeit montiert werden.
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Bei
einem Betrieb der Heizeinrichtung 7 wird vor allem im Bereich
des Endabschnittes 10 des Heizkörpers 8 befindliches
Ferrocen über
seine Schmelztemperatur von 173°C
erwärmt,
durch weiteres Erwärmen
zum Sieden gebracht, so dass das zunächst in seinem festen Aggregatzustand
vorliegende Ferrocen 3 letztendlich in seine Gasphase überführt worden
ist. Bei zunehmender Erwärmung
wird sich sukzessive um den Heizkörper 8 ein Ferrocen-Flüssigkeitsmantel
ausbilden, so dass der Wärmeübergang
von dem Heizkörper 8 in
das in fester Form vorliegende Ferrocen 3 begünstigt wird.
Der Reaktor 2 ist ausgelegt, damit durch den Heizkörper 8 auch
das im Bereich der Reaktorwände
befindliche Ferrocen 3 erschmolzen werden kann. Bei zunehmendem
Ferrocen-Verbrauch sinkt der Ferrocen-Spiegel innerhalb des Reaktors 2.
Um das gesamte, in dem Reaktor 2 befindliche Ferrocen 3 erschmelzen
zu können,
ist der Reaktor 2 im Bereich seines Bodens zur Ausbildung
der vorbeschriebenen Flüssigkeitsfalle
verjüngt.
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Infolge
des Verdampfens des Ferrocens bildet sich innerhalb des Reaktors 2 ein
Dampfüberdruck,
so dass das gebildete Ferrocen-Gas selbsttätig aus dem Ausgang 4 und
durch die Drossel 6 in die Additivleitung 5 einströmt. Die
Drossel 6 ist dergestalt eingestellt, dass die ausströmende Additivmenge zum
bestimmungsgemäßen Additivieren
des Kraftstoff-Luft-Gemisches
bei einem durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch über die
Lebensdauer des Dieselmotors ausreicht. Daher wird bei Vorsehen
einer solchen fest eingestellten Drossel, wie etwa bei der Drossel 6 diese
bei unterschiedlichen Motoren auch in Abhängigkeit von ihrem Einsatz
unterschiedlich eingestellt sein.
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Der
Reaktor 2 verfügt
zweckmäßigerweise über einen
Drucksensor zum Erfassen des in dem Reaktor 2 bei einem
Betrieb der Heizeinrichtung 7 befindlichen Innendruckes.
In Abhängigkeit
von dem erfassten Druck, der zweckmäßigerweise weitestgehend konstant
gehalten wird, erfolgt eine Ansteuerung der Heizeinrichtung 7,
um entweder mehr oder weniger Ferrocen in seine Gasphase zu verdampfen.
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Der
Reaktor 2 kann ferner über
ein Überdruckventil
verfügen,
welches letztendlich als Sicherheitsventil dient.
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Anstelle
des Vorsehens einer fest eingestellten Drossel, wie bei der Vorrichtung 1 vorgesehen, kann
zum Dosieren des Ferrocen-Gases ebenfalls ein ansteuerbares Ventil,
beispielsweise ein Taktventil oder dergleichen vorgesehen sein.
In einem solchen Fall wird man die Additivdosierung abhängig machen
von der aktuellen Motorleistung bzw. dem aktuellen Kraftstoffverbrauch.
Dafür ist
es jedoch notwendig, entsprechende Daten zu erfassen. Aus diesem
Grunde wird für
eine Nachrüstung
bereits vorhandener Systeme eine Dosiereinrichtung mit feststehender
Drossel bevorzugt sein.
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Der
Heizkörper 8 der
Heizeinrichtung 7 ist bis in den Bereich des Ausgangs 4 hineingeführt und
befindet sich insbesondere in der Nähe der Drossel 6. Bei
einem Betrieb des Heizkörpers 8 wird
somit auch die Drossel 6 mit erwärmt, so dass Ferrocen-Gas, das
durch Abschalten der Heizeinrichtung 7, beispielsweise
infolge eines Abstellens des Dieselmotors im Bereich der Drossel
kondensiert und sich zu festem Ferrocen zurückgebildet, bei erneuter Inbetriebnahme
der Heizeinrichtung ohne weiteres wieder vergast und somit die Drossel 6 von
dem Kondensat befreit wird.
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2 zeigt
eine weitere Vorrichtung 11, die letztendlich entsprechend
aufgebaut ist wie die Vorrichtung 1 der 1.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1 verfügt die Vorrichtung 11 über eine
Heizeinrichtung 12, die ebenfalls einen stabförmigen Heizkörper 13 umfasst,
der jedoch im Unterschied zu dem Heizkörper 8 der Vorrichtung 1 unterschiedliche
Temperaturniveaus aufweist. Der Heizkörper 13 trägt in seinem
oberen, in den Ausgang 14 hineinreichenden Abschnitt 15 eine
Wendel 16. Darüber
hinaus ist der Heizkörper 13 konzipiert,
dass dieser im Bereich seines Abschnittes 15 bei einem
Betrieb der Heizeinrichtung Temperaturen von mehr als 465° aufweist. Diese
Temperatur stellt die Zersetzungstemperatur des zuvor in dem Reaktor 17 gebildeten
Ferrocen-Gases dar. Die Wendel 16 dient zur Oberflächenvergrößerung des
Abschnittes 15 des Heizkörpers 13, um dem in
den Ausgang 14 einströmenden Ferrocen-Gasstrom eine Anströmoberfläche bereitzustellen,
gegen die das Ferrocen-Gas strömt,
um durch die hohen, innerhalb des Ausgangs 14 herrschenden
Temperaturen das gebildeten Ferrocen-Gas zu zersetzen.
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In
der Darstellung der 2 befindet sich die Vorrichtung 11 in
Betrieb. Um den Heizkörper 13 ist das
in dem Reaktor 17 in festem Aggregatzustand befindliche
Ferrocen 18 über
seinen Schmelzpunkt erwärmt
worden, so dass sich ein Flüssigkeitsmantel 19 aus
geschmolzenem Ferrocen ausbildet. Die Temperatur des Heizkörpers 13 an
seiner Oberseite ist ausreichen hoch, um das geschmolzene Ferrocen 19 zum
Sieden zu bringen, so dass aus dem geschmolzenen Ferrocen 19 Ferrocen
in seiner Gasphase heraus verdampft. Dieses ist durch die geschlängelten
Pfeile schematisiert in 2 dargestellt. Das Entweichen
des gebildeten Ferrocen-Gases aus dem Flüssigkeitsmantel 19 erfolgt
selbstverständlich
auch über
Wegsamkeiten innerhalb des noch festen Ferrocens 18. Innerhalb
des Reaktors 17 bildet sich ein Innendruck aus, der etwa
2,5 bar bis 3,0 bar betragen kann. In jedem Fall übersteigt
der sich innerhalb des Reaktors 17 ausbildende Innendruck
deutlich den Umgebungsdruck. Aus diesem Grunde ist das gebildete
Ferrocen-Gas bestrebt, durch den Ausgang 14 hinaus und
in die Additivleitung 20 einzuströmen. Begünstigt wird dieses durch die
Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Reaktors 17 und
dem in der Luftansaugleitung herrschenden Druck.
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Das
in den Ausgang 14 der Vorrichtung 11 einströmende Ferrocen-Gas
wird durch die vorbeschriebene Ausgestaltung des Heizkörpers 13 in
diesem Abschnitt über
seine Zersetzungstemperatur hinaus erwärmt, so dass das Ferrocen-Gas
zersetzt wird und dann in atomarer bzw. in molekularer Form (vornehmlich
als Eisenoxide) vorliegt und in diesem zersetzten Zustand dem Verbrennungsraum
zugeführt
wird. Dieses ist in 2 durch die „Kreise" im Bereich des Abschnittes 15 des
Heizkörpers 13 dargestellt.
Eine solche Ausgestaltung hat zum Vorteil, dass infolge der Zersetzung
eine Kondensation und einem Zusetzen der Drossel oder auch anschließender Leitungsabschnitte
wirksam begegnet ist.
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Die
vorbeschriebenen Reaktoren 2, 17 können als
Wechselbehälter
ausgebildet sein. Gleichwohl ist der Ferrocen-Verbrauch nur relativ
gering, so dass ohne weiteres in einem Kraftfahrzeug eine solche
Vorrichtung untergebracht werden kann, in dessen Reaktor eine ausreichende
Ferrocen-Menge enthalten
ist, um eine bestimmungsgemäße Additivierung über eine
Laufleistung von etwa 150.000 km durchführen zu können. Ohne weiteres können auch größere Reaktoren
vorgesehen sein.
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Die
vorbeschriebenen Vorrichtungen und das vorbeschrieben Verfahren
eignet sich vor allem für
solche Brennkraftmaschinen, die nachträglich mit einer Additivierungseinrichtung
ausgerüstet
werden sollen.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Reaktor
- 3
- Ferrocen,
fest
- 4
- Ausgang
- 5
- Additivleitung
- 6
- Drossel
- 7
- Heizeinrichtung
- 8
- Heizkörper
- 9
- Anschlusskabel
- 10
- Endabschnitt
- 11
- Vorrichtung
- 12
- Heizeinrichtung
- 13
- Heizkörper
- 14
- Ausgang
- 15
- Abschnitt
- 16
- Wendel
- 17
- Reaktor
- 18
- Ferrocen,
fest
- 19
- Flüssigkeitsmantel;
Ferrocen, geschmolzen
- 20
- Additivleitung