DE2308688A1 - Startvorrichtung fuer reaktionsvergaser - Google Patents

Description

• Startvorrichtung für Reaktionsvergaser Die Erfindung bezieht sich auf eine Startvorrichtung für einen Reaktionsvergaser von Brennkraftmaschinen, bei dem ein mittels einer Brennstoffzuführeinrichtung in einen Luft- oder Luft-Abgas-Strom zugeführter flüssiger Brennstoff in Anwesenheit von Katalysatoren in gasförmigen Brennstoff umgewandelt wird, mit einer in Strömungsrichtung vor den Katalysatoren angeordneten Zündvorrichtung zur Zündung eines Brennstoff-Luft-Gemisches.
• Eine bekannte Möglichkeit zur Verringerung der Schadstoffemission in den Abgasen von Brennkraftmaschinen besteht darin, den zur Verbrennung in der Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeugmotor, benötigten Brennstoff in Gasform (Brenngas) zuzuführen. Gegenüber den mit flüssigem bzw. verdampftem Brennstoff betriebenen Brennkraftmaschinen ergibt sich dann eine bessere Verbrennung des mit einem entsprechenden Anteil von Luft versehenen Gasgemisches, da unabhängig von der Art des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine eine vollständige Verbrennung erreicht werden kann. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der gasförmige Brennstoff auch bei niedrigen Temperaturen in dem gasförmigen Aggregatzustand verbleibt, also auch beim Kaltstart der Brennkraftmaschine eine Kondensation der Brennstoffpartikel an den kalten Zylinderwänden, wie dies bei den mit flüssigem bzw. verdampftem Brennstoff arbeitenden Brennkraftmaschinen festzustellen ist, nicht auftreten kann.
• Da aber die Mitführung von Brenngasen, auch in unter Druck verflüssigter Form, in Kraftfahrzeugen einigen Aufwand erfordert und gewissen Schwierigkeiten begegnet, ist es bereits vorgeschlagen worden, die zur Verbrennung benötigten Brenngase in einem der Brennkraftmaschine vorgeschalteten Reaktionsvergaser durch katalytische und thermische Reaktion aus dem üblicherweise in Brennkraftmaschinen verwendeten flüssigen Brennstoff herzustellen. Dabei durchströmt ein Gewisch aus Luft und flüssigem Brennstoff oder aus Luft, Abgas und flüssigem Brennstoff einen oder mehrere hintereinander geschaltete Katalysatoren, in denen bei höheren Temperaturen, die sich je nach Katalysatorart zwischen 2000 C und 10000 C bewegen, der flüssige bzw. verdampfte Brennstoff durch eine partielle Verbrennung unter Luftmangel in gasförmigen Brennstoff umgewandelt wird.
• Um nun die für ein günstiges Arbeiten des Reaktionsvergasers erforderliche Betriebstemperatur möglichst schnell nach dem Start der Brennkraftmaschine zu erreichen und um die Brennkraftmaschine möglichst von Anfang an, also auch in dem ansonsten besonders schadstoffreichen Kaltstartbetrieb mit gasförmigen Brennstoff zu betreiben, ist es bereits bekannt, eine Starthilfe in Form einer in Strömungsrichtung gesehen vor den Katalysatoren angeordneten Zündvorrichtung zur Zündung eines Brennstoff-Luftgemisches vorzusehen ( DOS 2 103 008 -46 c, 27/02).
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher in der Schaffung einer mit einer derartigen Zündvorrichtung ausgestatteten Startvorrichtung für einen Reaktionsvergaser von Brennkraftmaschinen, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, mit deren Hilfe die für einen günstigen Betrieb des Reaktionsvergasers mit einer guten Ausbeute an Brenngas erforderliche Betriebstemperatur möglichst schnell nach dem Start der Brennkraftmaschine ohne die Gefahr der Beschädigung der empfindlichen Katalysatoren erreicht werden kann.
• Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Zündvorrichtung aus einer von flammenhaltenden Sièbblechen umgebenen Flammenzündkerze besteht.
• Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer von Gasturbinen-Startvorrichtungen her bekannten Flammenzündkerze wird nun während des Startvorganges der Brennkraftmaschine eine Flammenzone am Eingang des die Katalysatoren des Reaktionsvergasers enthaltenden Gehäuses geschaffen, die durch die ungebenden,flammenhaltenden Siebbleche begrenzt ist. Die dabei entstehende Wärme wird von dem die Flammenzone passierenden, durch den Reaktionsvergaser strömenden Gemisch aus Luft, Brennstoff und gegebenenfalls Abgas zu den Kafalysatoren des Reaktionsvergasers transportiert, so daß diese sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden.
• Darüber hinaus wird ein Teil des Brennstoff-Luft-Gemisches beim Passieren der Flammenzone thermisch gespalten, also in Brenngas umgewandelt, so daß schon vor dem Erreichen der für das Wirksamwerden der Katalysatoren erforderlichen Betriebstemperatur eine gewisse Menge an gasförmigem Brennstoff in dem Reaktionsvergaser erzeugt wird.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll ein vertikal angeordnetes, zylindrisches, von Verbrennungsluft durchströmtes Zündkerzengehäuse vorgesehen sein, das an seinem Umfang Lufteintrittsöffnungen zur Zuführung der durch das obere, offene Ende ausströmenden Verbrennungsluft aufweist. Diese erfindungsgemäße Ausbildung der Flammenzündkerze ermöglicht ohne besondere zusätzliche Maßnahmen eine zum Aufrechterhalten der Flamme ausreichende Zuführung von Frischluft durch Konvektion in dem von Luft durchströmten Zündkerzengehäuse. Dieses Zündkerzengehäuse soll zweckmäßigerweise durch einen das Katalysatorgehäuse umgebenden, von Frischluft durchströmten Gehäusemantel geführt sein, wobei die Lufteintrittsöffnungen am Zündkerzengehäuse im Bereich des frischluftführenden Gehäusemantels angeordnet sind.
• Weiterhin soll eine Hilfs-Brennstoffzuführung zentral in dem Zündkerzengehäuse angeordnet sein, das im Bereich seines oberen, in einen den Katalysatoren vorgeschalteten Vorraum hineinreichenden Endes die Zündelektroden sowie die Austrittsöffnung der Rilfs-Brennstoffzufünrung aufweist.
• Da die Flammenzündkerze nur so lange in Betrieb zu sein braucht, wie die Betriebstemperatur der Katalysatoren des Reaktionsvergasers noch nicht erreicht ist, ist es vorteilhaft, wenn die Hilfs-Brennstoffzuführung in Abhängigkeit von der Temperatur in dem Reaktionsvergaser in der Weise gesteuert ist, daß sie nur etwa so lange erfolgt, wie die Temperatur im Bereich der Katalysatoren unterhalb der Sollbetriebstemperatur liegt. Auch kann die Hilfs-Brennstoffzuführung zeitabhängig in der Weise gesteuert sein, daß sie nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine abgestellt wird. Schließlich kann die Hilfs-Brennstoffzuführung auch in Abhängigkeit von der Motorabgastemperatur gesteuert sein, insbesondere für den Fall, daß das Motorabgas zur Aufwärmung des Katalysatorgehäuses herangezogen wird. In jedem Fall ist sichergestellt, daß die mit dem Starten der Brennkraftmaschine in Betrieb gesetzte, durch eine Flammenzündkerze gebildete Startvorrichtung nur gerade so lange wirksam ist, bis die Betriebstemperatur des Reaktionsvergasers erreicht ist.
• Damit die Strömungsverhältnisse in dem Zuströmbereich des Reaktionsvergasers möglichst günstig gestaltet werden, was sich auch auf eine schnellere und gleichmäßigere Aufwärmung der Katalysatoren des Reaktionsvergasers auswirkt, wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, daß an dem zuströmseitigen Ende des die Katalysatoren enthaltenden Gehäuses vor der Hauptbrennstoffzuführeinrichtung eine den Luft- bzw. Luft-Abgas-Strom verwirbelnde Drallvorrichtung angeordnet ist. Dabei kann die Drallvorrichtung aus radial an der Lufteinströmöffnung des Katalysatorgehäuses angeordneten Leitblechen gebildet sein. Diese Drallvorrichtung am Eingang des Katalysatorgehäuses bewirkt eine Verwirbelung der Luft-bzw. Luft-Abgas-Strömung noch vor der Haupt-Brennstoffzuführeinrichtung, so daß der zugeführte Brennstoff besser verteilt und das entstehende Gemisch besser aufbereitet werden kann.
• Auch die anschließende Durchströmung der von der Flammenzündkerze erzeugten und von den flammenhaltenden Siebblechen begrenzten Flammenzone erfolgt dann in einer für den Wärmetransport günstigeren Weise.
• Weitere Vorteile und die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur der Zeichnung in schematischer Darstellungsweise den Zuströmbereich eines Reaktionsvergasers mit der erfindungsgemäßen Startvorrichtung.
• In der Zeichnung ist mit 1 ein Katalysatoren 2 enthaltendes, beispielsweise mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildetes Gehäuse bezeichnet, daß in seinem Zuströmbereich 3 konisch ausgebildet ist. Das Katalysatorgehäuse 1 ist von einem äußeren Gehäusemantel 4 umgeben und wird von einem in dem Zwischenraum zwischen dem Katalysatorgehäuse 1 und dem äußeren Gehäusemantel 4 strömenden Frischluft- bzw. Frischluft-Abgas-Strom umspült, der an dem offenen, stirnseitigen Ende 5 in das Katalysatorgehäuse 1 eintritt. In diesem Bereich ist zur besseren Verwirbelung der Zuströmung eine mit 6 bezeichnete Drallvorrichtung vorgesehen, die beispielsweise aus radial angeordneten Leitblechen bestehen kann. Es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, diese Drallvorrichtung in anderer, im Prinzip ebenfalls bekannter Weise auszubilden.
• Der Drallvorrichtung 6 nachgeschaltet ist eine Haupt-Brennstoffzuführeinrichtung, die aus einer in einer Brennstoffdüse 7 mündenden Brennstoffleitung 8 besteht. Hier wird dem zuströmenden Frischluft- bzw. Frischluft-Abgas-Strom flüssiger Brennstoff in möglichst fein verteilter Form zugemischt.
• Der Brennstoffzuführeinrichtung 7, 8 folgt in Strömungsrichtung gesehen die von flammenhaltenden Siebblechen 9 umgebene Flammenzündkerze 10. Diese Flammenzündkerze 10 besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen, vertikal angeordneten hohlen Zündkerzengehäuse 11, das eine zentrale Hilfs-Brennstoffzuführleitung 12 aufweist. Im Zündkerzengehäuse 11 sind eine Dusenvorrichtung 13 der Hilfs-Brennstoffzuführleitung 12 sowie Ztindelektroden 14 angeordnet. Am Mantel des Zündkerzengehäuses 11 sind Lufteintrittsöffnungen 15 vorgesehen, die durch als Expiosionsschutz wirkende Siebbleche 26 abgedeckt sind und durch die beim Betrieb der Flammenzündkerze 10 Luft unter Ausbildung von Wirbeln eintreten und infolge Konvektion nach oben zu dem offenen Ende 16 strömen kann, so daß fortwährend der zum Aufrechterhalten einer stehenden Flamme benötigte Sauerstoff selbsttätig in die Flammenzone 17 transportiert wird. Die Flammenzündkerze 10 ist dabei so angeordnet, daß sie vertikal stehend durch Öffnungen 23 im äußeren Gehäusemantel 4 und 24 im Katalysatorgehäuse 1 hindurchgeführt und gehalten ist und mit ihren Lufteintrittsöffnungen 15 im Bereich der durch den Zwischenraum zwischen dem äußeren Gehäusemantel 4 und dem Katalysatorgehäuse 1 hindurchtretenden Frischluftströmung liegt.
• In der Hilfs-Brennstoffzuführleitung 12 ist mit 18 eine Brennstoff fördernde Pumpe bezeichnet, die von einer Steuervorrichtung 19 in Abhängigkeit von der am Meßpunkt 21 mit Hilfe eines Temperaturmeßgerätes 20, beispielsweise einem Thermoelement, gemessenen Temperatur im Bereich der Katalysatoren 2 gesteuert wird. Die Steuerung der Hilfs-Brennstoffzuführung kann aber auch in anderer Weise erfolgen, nämlich zeitabhängig, wobei ein Zeitglied die Brennstoffpumpe 18 zu einer festgelegten Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine abschaltet, oder in Abhängigkeit von der Motorabgastemperatur.
• Mit 22 ist schließlich ein Zündgerät angedeutet, das die elektrische Energie zur Erzeugung des Zündfunkens an den Zündelektroden 14 liefert, während 25 ein den Katalysatoren 2 vorgeschaltetes Gemischverteilungssieb darstellt.
• Nachfolgend soll nun die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Startvorrichtung beschrieben werden. Beim Starten der Brennkraftmaschine wird über den hier nicht dargestellten Saugkanal, dem der Reaktionsvergaser vorgeschaltet ist, ein zündfähiges Gemisch aus Brennstoff und Luft angesaugt. Da aber im Moment des Startens der Brennkraftmaschine die Katalysatoren 2 des Reaktionsvergasers noch nicht die zur katalytischen Umsetzreaktion erforderliche Betriebstemperatur erreicht haben, kann in diesen noch kein Brenngas erzeugt werden. Ohne die erfindungsgemäße Startvorrichtung würde nun eine längere Zeit bis zum Anspringen des Reaktionsvergasers vergehen, in der die Brennkraftmaschine in der herkömmlichen Weise mit einem Gemisch aus Luft und flüssigem Brennstoff betrieben werden miiBte. Daaber gerade im Startbetrieb die Gemischaufbereitung sehr ungünstig ist, darüber hinaus ein Teil des Brennstoffes an den kalten Zylinderwandungen der Brennkraftmaschine kondensiert, ergibt sich bekanntlich in diesem Betriebszustand die Notwendigkeit, mit einem brennstoffreichen Gemisch zu arbeiten, wodurch auch der Anteil der Schadstoffe in den Verbrennungsabgasen erheblich ansteigt. Damit nun aber auch in diesem vom Gesichtspunkt der Abgasentgiftung besonders wichtigen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine günstige Ergebnisse erzielt werden können, sollte gerade hier für die motorische Verbrennung ein Gemisch geliefert werden, das sich aus Luft und Brenngas zusammensetzt.
• Zu diesem Zweck sieht die Erfindung am Eingang des Reaktionsvergasers eine Flammenzündkerze vor, die beim Start der Brennkraftmaschine gezündet wird und ein durch die Flammenzündkerze 10 zugeführtes Gemisch aus Luft und flüssigem Brennstoff in einer stehenden Flamme verbrennt. Diese Flamme wird mit Hilfe von Siebblechen 9 aufrechterhalten und in ihrer räumlichen Ausdehnung begrenzt, so daß sie die in Strömungsrichtung nachfolgenden, empfindlichen Katalysatoren 2 nicht gefährdet. Die bei der Verbrennung des durch die Flammenzündkerze zugeführten Brennstoff-Luftgemisches erzeugte Wärme wird mit dem dem Reaktionsvergaser zuströmenden und die Flammenzone 17 passierenden Gemisch aus Luft, Brennstoff und gegebenenfalls Abgas an die Katalysatoren herangetragen, so daß diese sehr schnell die Betriebstemperatur erreichen. Durch eine innige Verwirbelung und Vermischung der Gemischströmung am Eingang des Reaktionsvergasergehäuses 1, die durch die Drallvorrichtung 6 sowie durch die den Katalysatoren vorgeschalteten Verteilungssiebe 25 erreicht wird, wird die Wärme gleichmäßig über den gesamten Querschnitt des Reaktionsvergaser-Gehäuses verteilt. Neben der Aufheizung der Katalysatoren des Reaktionsvergasers bewirkt die in der Flammenzone 17 ausgebildete Flamme auch eine thermische Spaltung des in dem die Flammenzone 17 passierenden Gemisch enthaltenden Brennstoffes, so daß schon vor der katalytischen Brenngaserzeugung zumindest teilweise eine thermische Erzeugung von Brenngas erfolgt. Darüber hinaus wird durch die zugeführte Wärme und durch die verwirbelte Strömung die Gemischverteilung verbessert, so daß insgesamt gesehen wesentliche Verbesserungen hinsichtlich der Schadstoffemission im Startbetrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden.
• Wie in der Zeichnung angedeutet worden ist, kann der Reaktionsvergaser eine Mehrzahl von hintereinander geschalteten Katalysatoren 2 aufweisen, von denen beispielsweise der erste mit einer verhältnismäßig geringen und daher sehr schnell aufwärmbaren Masse versehen sein kann. Dies bewirkt, daß schon kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine dieser erste Katalysator 2 seine für die Umsetzreaktion erforderliche Betriebstemperatur erreicht. Die damit einsetzende katalytische Spaltreaktion, die zumindest teilweise exotherm, also unter Wärmeabgabe, verläuft, ermöglicht dann die weitere schnelle Aufheizung der nachfolgenden Katalysatoren, so daß auch in diesen die Umsetzreaktion beginnen kann. Da jetzt die Aufheizung mit Hilfe der Flammenzündkerze 10 nicht mehr erforderlich ist, kann die Hilfs-Brennstoffzuführung durch Abstellen der Brennstoffpumpe 18 beendet werden. Wie schon oben erwähnt worden ist, kann das Abstellen der Brennstoffpumpe nach verschiedenen Kriterien erfolgen, beispielsweise in Abhängigkeit der mit Hilfe eines Thermoelementes an der Meßstelle 21 gemessenen Temperatur im Katalysatorgehäuse 1, in Abhängigkeit von der Motorabgastemperatur oder rein zeitabhängig. Nach dem Abstellen der Startvorrichtung strömt dem Reaktionsvergaser nur noch das Gemisch aus Frischluft, flüssigem, durch die Hauptbrennstoffzuführeinrichtung 7, 8 zugemischtem Brennstoff und gegebenenfalls einem Anteil von der Frischluft zugemischtem Abgas (zur Erzielung einer autothermen Reaktion in dem Reaktionsvergaser) zu.

Claims (11)

Ansprüche

1. Startvorrichtung für einen Reaktionsvergaser von Brennkraftmaschinen, bei dem ein mittels einer Brennstoffzuführeinrichtung in einen Luft- oder Luft-Abgas-Strom zugeführter flüssiger Brennstoff in Anwesenheit von Katalysatoren in gasförmigen Brennstoff umgewandelt wird, mit einer in Strömungsrichtung vor den Katalysatoren angeordneten Zündvorrichtung zur Zündung eines zusätzlich zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung aus einer von flammenhaltenden Siebblechen (9) umgebenen Flammenzündkerze (10) besteht.

2. Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vertikal angeordnetes, von Verbrennungsluft durchströmtes Zündkerzengehäuse (11) vorgesehen ist, das an seinem Mantel durch Explosionsschutzsiebe (26) abgedeckte Lufteintrittsöffnungen (15) zur Zuführung der durch das obere, offene Ende (16) aus strömenden Verbrennungsluft aufweist.

3. Startvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündkerzengehäuse (11) durch einen das Katalysatorgehäuse (1) umgebenden, von Frischluft durchströmten Gehäusemantel (4) geführt ist und daß die Lufteintrittsöffnungen (15) am Zündkerzengehäuse im Bereich des frischluftführenden Gehäusemantels angeordnet sind.

4. Startvorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfs-Brennstoffzuführung (12, 13) zentral in dem Zündkerzengehäuse (11) angeordnet ist.

5 Startvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des oberen, in einen den Katalysatoren (2) vorgeschalteten Raum (3) des Katalysatorgehäuses (1) hineinreichenden Endes (16) des Zündkerzengehäuses (11) Zündelektroden (14) sowie die Austrittsöffnung (13) der Hilfe Brennstoffzuführung angeordnet sind.

6. Startvorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs-Brennstoffzuführung (12, 13) in Abhängigkeit von der Temperatur in dem Reaktionsvergaser in der Weise gesteuert ist, daß sie nur etwa so lange erfolgt, wie die Temperatur im Bereich der Katalysatoren (2) unterhalb der Sollbetriebstemperatur liegt.

7. Startvorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs-Brennstoffzuführung (12, 13) zeitabhängig in der Weise gesteuert ist, daß sie nach Ablauf einer bestimmten Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine abgestellt wird.

8. Startvorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs-Brennstoffzuführung (12, 13) in Abhängigkeit von der Motorabgastemperatur gesteuert ist.

9. Startvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zuströmseitigen Ende (5) des die Katalysatoren (2) enthaltenden Gehäuses (1) vor der Hauptbrennstoffzuführeinrichtung (7, 8) eine den Luft- bzw.

Luft-Abgas-Strom verwirbelnde Drallvorrichtung (6) angeordnet ist.

10. Startvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallvorrichtung (6) aus radial an der Einströmöffnung (5) des Katalysatorgehäuses (1) angeordneten Leitblechen gebildet ist.

11. Startvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Katalysatoren (2), aber hinter der Flammenzündkerze (10) ein Gemischverteilungssieb (25) angeordnet ist.