DE2216177A1

DE2216177A1 - Anordnung zum betrieb einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2216177A1
Application number: DE2216177A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl Ing Koch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-04-04
Filing date: 1972-04-04
Publication date: 1973-10-11
Also published as: FR2179015B1; SE398258B; IT982682B; NL7301595A; JPS4913518A; FR2179015A1; US3930476A; CA982436A; GB1422284A; BE797741A; BR7302382D0

Description

Anordnung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Gasreaktor.

Gasreaktoren oder Gasgeneratoren sind Einrichtungen zum Erzeugen von Gasen aus festen oder flüssigen Ausgangsstoffen. Unter einem Gasreaktor soll im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein sogenannter Spaltvergaser verstanden werden. Ein Spaltvergaser ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, wonach Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltende flüssige Brennstoffe, wie Benzine, verdampft oder vernebelt und unter . Zugabe von Primärluft oder Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine zur rußfreien Umwandlung in ein Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Spaltgas bei erhöhter Temperatur über einen einen Katalysator enthaltenden porösen Katalysatorträger geleitet und anschließend unter Zuführung von Sekundärluft der Verbrennungskraftmaschine zugeleitet werden. Der in einer Katalysatorkammer angeordnete, den Katalysator enthaltende Katalysatorträger besteht vorteilhaft aus wenigstens einem hochporösen Sinterkörper, der mit einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten Durchtrittsöffnungen für das Gemisch aus verdampftem Brennstoff und Luft oder Abgas bzw. das Spaltgas versehen ist. Die Katalysatorkammer kann in ihren Abmessungen sehr klein gehalten werden. Sin derartiger Spaltvergaser kann im Gegensatz zu bekannten Gasreaktoren, die ein Gemisch aus Brennstoff und Primärluft katalytisch in Spaltgas umwandeln, so miniaturisiert werden, daß er für Kraftfahrzeuge geeignet ist. Spaltvergaser der genannten Art wurden in den deutschen Patentanmeldungen Akt.Z. P 21 03 008.0 und P 21 35 650.3 vorgeschlagen.

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Zur Aufrechterhaltung der im Spaltvergaser erforderlichen Temperatur - zur Durchführung der Reaktion zur Erzeugung des Spaltgases - wird der Spaltvergaser mit einem Wärmetauscher umgeben, in welchem der Wärmegehalt der Abgase ausgenutzt wird, um die dafür erforderliche Energie aufzubringen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gasreaktor, d.h. einen Spaltvergaser, weiter zu vereinfachen, wobei insbesondere auf bisher verwendete Wärmetauscher verzichtet werden soll. Außerdem soll der für den Spaltvergaser erforderliche Raumbedarf, der wegen der möglichen Miniaturisierung ohnehin sehr gering ist, dadurch weiter verringert werden, daß ein bereits vorhandenes Element der Verbrennungskraftmaschine zur Unterbringung des Spaltvergasers verwendet wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei einer Anordnung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Gasreaktor der als Spaltvergaser ausgebildete Gasreaktor im Auspufftopf der Verbrennungskraftmaschine angeordnet und mit einer mehrfach umgelenkten Abgasführung wärmeleitend verbunden ist.

Aus der Unterbringung des Spaltvergasers im Auspufftopf der Verbrennungskraftmaschine ergeben sich verschiedene Vorteile. Einmal wird ein bereits vorhandenes Element der Verbrennungskraftmaschine, nämlich der Auspufftopf, zur Unterbringung des Spaltvergasers ausgenutzt, so daß von diesem kein zusätzlicher Raum beansprucht wird. Des weiteren werden die durch die Abgasanlage bzw. den Auspufftopf strömenden Abgase der Verbrennungskraftmaschine ausgenutzt, um die erforderliche Temperatur für die im Spaltvergaser durchzuführende Spaltreaktion aufzubringen. Durch die Ausnutzung der Abgaswärme im Auspufftopf kann einerseits der bisher erforderliche Wärmetauscher, der einen relativ großen Raum erforderte, eingespart werden, andererseits wird durch die Unterbringung des Spaltvergasers im Auspufftopf dessen Punktionsfähigkeit bzw. die Funktionsfähigkeit der gesamten Abgas- oder Auspuffanlage nicht beein-

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trächtigt. Nicht negativ beeinflußt wird insbesondere die Punktion des Auspufftopfes als Abgasschalldämpfer, da bei der erfindungsgemäßen Anordnung der im Auspufftopf angeordnete Spaltvergaser mit einer mehrfach umgelenkten Abgasführung verbunden ist. Die damit erzielbare Verwirbelung des Abgases führt zu einem Energieentzug und somit zu einer Schalldämpfung, außerdem erfolgt durch die Verteilung des Abgasstromes eine Dämpfung bzw. Löschung bestimmter Frequenzen. Die schalldämpfende Wirkung des Auspufftopfes wird demnach gewährleistet, darüber hinaus wird durch den Wärmeentzug aus dem Abgas die Auspuffanlage thermisch geringer beansprucht und somit eine höhere Lebensdauer der Auspuffanlage erreicht. Ferner wird durch die in und am Spaltvergaser herrschende gleichmäßige Temperatur die Lebensdauer des Katalysators erhöht sowie dessen Wirksamkeit verbessert.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß durch die sehr gute Ausnutzung der Abgaswärme eine Kraftstoffeinsparung möglich ist und darüber hinaus ein stabiler Betrieb des Spaltvergasers auch bei kurzen Betriebszeiten erreicht werden kann. Ferner ist dadurch bei der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeuges der Spaltvergaser in relativ kurzer Zeit leistungsmäßig in einem sehr guten Arbeitsbereich.

Zur guten Ausnutzung der Abgaswärme, d.h. zur Erzielung eines guten Wärmeaustausches, bei gleichzeitiger Erhaltung der Funktionsfähigkeit des Abgasschalldämpfers, weisen vorteilhaft wenigstens Teile der Abgasführung Flächen auf, die von dem dem Spaltvergaser zuzuführenden Gas beströmt werden, d.h. in oder auch quer zur Strömungsrichtung des dem Spaltvergaser zugeführten Gases angeordnet sind. Das dem Spaltvergaser zugeführte Gas stellt dabei das Gasgemisch aus Brennstoff, Luft und/oder Abgas dar, aus welchem im Spaltvergaser das Spaltgas zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird.

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Vorzugsweise können die Teile der Abgasführung mit den vom Gas beströmbaren Flächen wenigstens teilweise in Art eines Plattenwärmetauschers ausgebildet sein. Damit wird eine volle Ausnutzung der Abgaswärme sichergestellt.

Vorteilhaft kann weiterhin der Auspufftopf mit möglichst kurzer Verbindungsleitung an die Auslaßventile der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen sein. Eine kurze Verbindungsleitung zwischen den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine und dem Auspufftopf hat den Vorteil, daß dabei vor dem Spaltvergaser nur eine geringe Wärmeabgabe aus dem Abgas erfolgt, womit eine sehr gute Wärmerückgewinnung aus dem Abgas und damit ein hoher Wirkungsgrad der gesamten Anordnung erreicht werden kann.

Anhand zweier Figuren und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine bevorzugte Anordnung nach der Erfindung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Spaltvergaser und Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 schematisch im Schnitt dargestellte Anordnung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine besteht aus der Verbrennungskraftmaschine 10 und einem Spaltvergaser 11. Der Spaltvergaser 11 ist im Auspufftopf 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet und dieser ist mit einer Verbindungsleitung 13 an die Auslaßventile der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen. Der Spaltvergaser 11 ist mit einer mehrfach umgelenkten Abgasführung 14 umgeben. Die Abgase der Verbrennungskraftmaschine 10 strömen durch die Verbindungsleitung in den Auspufftopf 12 ein, durchströmen die Abgasführung 14, wobei sie mehrfach umgelenkt werden, und verlassen den Auspufftopf 12 durch eine Rohrleitung 15. Im Auspufftopf 12 strömen die Abgase zunächst an der Wand des Spaltvergasers 11

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entlang, treten dann durch einen Plattenwärmetauscher 16 und strömen, bevor sie den Auspufftopf verlassen, nochmals an der Wand des Spaltvergasers entlang. Im Plattenwärmetauscher 16, der vorteilhaft als Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher ausgebildet ist, treten die Abgase in Wärmeaustausch mit dem Gasgemisch aus Brennstoff, luft und/oder Abgas, das dem im Auspufftopf angeordneten Spaltvergaser 11 durch eine Rohrleitung 17 zugeführt wird. Zur Zuführung von Abgas zum Brennstoff oder zu einem Brennstoff/Luft-Gemisch kann ein Abzweig der Rohrleitung 15 mit der Rohrleitung 17 über eine Mischdüse verbunden sein. Das im Spaltvergaser 11 aus dem genannten Gasgemisch erzeugte Spaltgas wird der Verbrennungskraftmaschine 10 durch eine Rohrleitung 18 zugeführt. In die Rohrleitung 18 mündet eine Rohrleitung 19 zur Zuführung von Frischluft zum Spaltgas vor dessen Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine.

Der Reaktionsteil des Spaltvergasers weist eine Reihe von mit Katalysatormaterial versehenen Katalysatorträgern 20, beispielsweise in form von porösen Sintersteinen, auf. Die Sintersteine 20 sind vorteilhaft mit einer Vielzahl von annähernd parallel zueinander angeordneten Durchtrittskanälen 21 für das Gasgemisch aus verdampftem oder vernebeltem Brennstoff und Luft und/oder Abgas der Verbrennungskraftmaschine bzw. für das Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltene Spaltgas versehen.

Im Reaktionsteil des Spaltvergasers, d.h. in einer Katalysatorkammer, mit einer Innenabmessung von beispielsweise etwa 80 mm χ 80 mm χ 215 mm> d.h. mit einem Rauminhalt von nur etwa 1,4 1, sind vier Sintersteine parallel zueinander angeordnet. Die Sintersteine weisen eine Dicke von je 50 mm und untereinander einen Abstand von je 5 mm auf, wodurch sich zwischen den Sintersteinen Zwischenräume ergeben. Die Sintersteine bestehen vorteilhaft aus hochporösem. Material, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Magnesium-Aluminium-

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Silikat. Das Porenvolumen der Sintersteine beträgt 20 bis 60 $, vorzugsweise 40 bis 50 ^c/o. Die Durchtrittskanäle, in Form von Bohrungen senkrecht zur Oberfläche, mit einem Durchmesser beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 2 mm dienen zum Durchtritt des Gases bzw. Gasgemisches und erstrecken sich in deren Strömungsrichtung. Die Durchtrittskanäle übernehmen aber auch den Transport des Gases zu den katalytisch aktiven Zentren in den freien Poren der Sinter-

steine. Die Anzahl der Durchtrittskanäle pro cm ist abhängig von deren Durchmesser. Bei einem Durchmesser von etwa

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1 mm weist 1 cm Sintersteinfläche beispielsweise etwa 40 Bohrungen auf.

Als Brennstoff eignen sich unter anderem aliphatische, geradkettige Kohlenwasserstoffe kleiner Kettenlänge, also niedriger Octanzahl, wie beispielsweise C-H-ic» Man benötigt daher nicht den Zusatz von Antiklopfmitteln, wie Blei und aromatische Kohlenwasserstoffe, die beim konventionellen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine umweltbelastende Schadstoffe im Abgas verursachen, sondern man kann schadstoffarme Brennstoffe, insbesondere schadstoffarme Benzine, verwenden. Andererseits ist ein Betrieb mit einem Brennstoff, der aromatische Kohlenwasserstoffe enthält, möglich, da diese in unschädliche Bestandteile zerlegt werden. Der auf Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Spaltgas abgestellte Betrieb bedeutet eine starke Verminderung der umweltbelastenden Stickoxide (NpO, NO, NOp und N₂O.). Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Spaltvergaser ermöglichen, Kraftfahrzeuge am vorhandenen Tankstellennetz aufzutanken. Da man schadstoffarme Brennstoffe verwenden kann und dem Brennstoff somit keine Antiklopfmittel zugegeben werden müssen, erniedrigt sich zusätzlich der Aufwand in der Raffinerie.

Als Katalysator für die Umwandlung des Brennstoffes wird vorzugsweise ein Nickelkatalysator, ein Platinkatalysator oder ein Nickel/Platin-Mischkatalysator verwendet. Der Kata-

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lysator ist in jedem Pall so beschaffen, daß er die Umwandlung des Brennstoffes in ein Kohlenmonoxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltendes Spaltgas ermöglicht. Vorteilhaft kann ein Niekelschwamm verwendet werden, d.h. Nickel mit großer aktiver Oberfläche, das bei der am Katalysator herrschenden Temperatur nicht zusammensintert. Der Vorteil des bei der Umwandlung am Katalysator entstehenden Spaltgases, das als brennbare Gase Kohlenmonoxid, Methan und/ oder Wasserstoff enthält, liegt darin, daß damit der Verbrennungskraftmaschine selbst ein Brennstoff mit einer hohen Octanzahl von über 100 zugeführt wird, etwa im Bereich von 110. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine mit einem klopffesten Brennstoff betrieben werden, ohne daß schädliche Stoffe in Kauf genommen werden müssen.

Der für die Umwandlung des Brennstoffes verwendete Katalysator kann vorteilhaft mit Uran dotiert werden. Die Dotierung bewirkt vor allem die Erhaltung der aktiven Zentren im Katalysator. Weitere besonders gut geeignete Katalysatoren sind in dencfeutschen Patentanmeldungen Akt.Z. P 22 10 365.7 und P 22 10 401.4 vorgeschlagen.

Die Temperatur am Katalysator "beträgt vorteilhaft etwa 300 bis 500⁰C. Bei der Verwendung von Sintersteinen aus Aluminiumoxid als Katalysatorträger und Platin als Katalysator, wobei etwa 5 mg Platin auf 1 cm des Trägermaterials kommen, erzielt man eine Anspringtemperatur des Katalysators von etwa 120 C, eine Reformierungstemperatur zur Herstellung des Spaltgases, die bei etwa 420⁰C liegt, und die Betriebstemperatur stellt sich etwa bei 48O⁰C ein. Der Sinterstein kann bis etwa 800⁰C belastet werden, ohne daß sich die Lebensdauer vermindert.

Fig. 2 zeigt den Schnitt II durch den Plattenwärmetauscher 16 der Anordnung nach Pig. 1. In Mg. 2 ist die Wandung des zylindrischen Auspufftopfes wie in Pig. 1 mit der Bezugs-

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Ziffer 12 bezeichnet. Der Plattenwärmetauscher 16 ist mit einer Halterung 22 an der Wandung des Auspufftopfes befestigt. Die Abgase der Verbrennungskraftmaschine treten in der durch Pfeile angedeuteten Richtung zwischen den Platten 23 hindurch. In den hohlen Platten 23 strömt senkrecht zur Zeichenebene das Gasgemisch aus Brennstoff, Luft und/oder Abgas und tritt mit dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine in Wärmeaustausch.

4 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

Anordnung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Gasreaktor,dadurch gekennzeichnet, daß der als Spaltvergaser (11) ausgebildete Gasreaktor im Auspufftopf (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnet und mit einer mehrfach umgelenkten Abgasführung (H) wärmeleitend verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens Teile (16) der Abgasführung von dem dem Spaltvergaser zuzuführenden Gas beströmbare Flächen aufweisen.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Abgasführung mit den vom Gas beströmbaren Flächen wenigstens teilweise in Art eines Plattenwärmetauschers (16) ausgebildet sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auspufftopf (12) mit möglichst kurzer Verbindungsleitung (13) an die Auslaßventile der Verbrennungskraftmaschine (10) angeschlossen ist.

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