DE2365255A1

DE2365255A1 - Verfahren und vorrichtung zur verringerung der emmission schaedlicher bestandteile im abgas eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE2365255A1
Application number: DE2365255A
Authority: DE
Inventors: Tsuchio Bunda; Masaki Noguchi; Masaharu Sumiyoshi; Yukiyasu Tanaka; Eiji Toyoda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1973-02-15
Filing date: 1973-12-31
Publication date: 1974-09-05
Also published as: FR2217541A1; FR2217541B1; AU6556574A; GB1457420A; CA992822A; JPS5236212B2; IT1059505B; DE2365255B2; US3908606A; JPS49105025A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verringerung der Emission schädlicher Bestandteile im Abgas eines Verbrennungsmotors»

Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren haben sich die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zur Verringerung schädlicher Bestandteile im Abgas seither primär auf die Eliminierung solcher Bestandteile aus dem Abgas oder auf eine Perfektionierung der Verbrennung des Treibstoffes selbst konzentriert,, Relativ wenig Aufmerksamkeit wurde der Verbesserung des verwendeten Treibstoffes geschenkt. Bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren kennt man keine Möglichkeit, den den Zylindern zugeführten Treibstoff in dieser Hinsicht zu verbessern.

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Es" ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bzw. bei der eine wirksame Verbrennung des Treibstoffes und eine Reinigung des Abgases stattfindet»

Erfindungsgemäß wird dies .dadurch gelöst, daß durch eine Reformierungsbehandlung ein Teil des aus dem Verbrennungsmotor zugeführten Treibstoffes in eine Mischung von Zerfallsund Oxidationsprodukten überführt und diese Mischung in die Zylinder des Verbrennungsmotors eingeleitet wird«

Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung gelöst, bei der den Zylindern eines Verbrennungsmotors ein Luft/Treibstoff-Gemisch zugeführt wird., und die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß Hilfsvorrichtungen, vorgesehen sind₈ über die den Zylindern ein weiterer Strom eines Luft/Treibstoff-Gemischs zugeführt wird_s und daß in den Hilfsvorrichtungen dieser weitere Strom des Luft/Treibstoff-Gemisches in ein Gemisch seiner Zerfalls- und Oxidationsprodukte überführt wird.

Man erhält durch eine Reform! erungsbehandlung. des Treibstoffes in Gegenwart von Sauerstoff eine Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten₃ einschließlich verschiedener Reaktionsprodukte und leitet diese Mischung in den Zylinder· eim_o

Diese verbesserte Mischung von Zerfalls- und Oxidationspro·» dukten schließt verschiedene chemiseile Verbindungen, wie Aldehyde und Ketone, niederwertxge aliphatisch^ Kohlenwasserstoffe mit i bis 5 Kohlenstoffatomen;) Wasserstoff_s Kohlenmonoxid, Kohlendioxid₉ Derivate von Al&ylhenzolen₉ organische Karbonsäuren und dgl_o ein_o Durch Einleiten dieser Mischung in die Zylinder wird die Verbrennung in folgender Hinsicht beeinflußt?

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Erstens: die Aldehyde und Ketone und deren bei einer Oxidation entstehende Zwischenprodukte tragen in starkem Ausmaß zur Verbesserung und Steuerung der Verbrennung bei.

Zweitens: die niedrigerwertigen aliphatischen Kohlenwasserstoffe, die durch das Aufbrechen chemischer Bindungen entstehen, die gasförmigen Kohlenwasserstoffe, das Kohlenstoffmonoxid und der Wasserstoff führen zusammen mit den zuvor erwähnten Produkten ferner dazu, daß die Geschwindigkeit des Verbrennungsvorgangs und die Verbrennung selbst verbessert werden. Diese Wirkung ist insbesondere dann bemerkenswert, wenn diese Stoffe in der Umgebung der Zündungsquelle und der Brennfläche der Flamme vorhanden sind.

Drittens: der Wasserstoff trägt zur Reduktion und zum Zerfall der Stickoxide bei, die im Verbrennungsvorgang zusammen mit Kohlenmonoxid und anderen Stoffen entstehen. -

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen dem Mischungsverhältnis von Luft und Kohlenwasserstoff-Treibstoff einerseits und der Temperatur in einer Reihe von Zerfalls- und Oxidationsreaktionen;

Fig. 2 die Beziehung zwischen den Zerfalls— und Oxidationsprodukten von n-rHexan einerseits und der Temperatur andererseits;

Fig. 3 die Beziehung zwfsqhen der Reformierungsrate des Kohlenwasserstoff-Treibstoffs einerseits und einem Temperaturanstieg andererseits bei Einwirken eines Katalysators;

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Fig. 4 ein Beispiel der Veränderungen der Zusammensetzung der Mischung der Reaktionsprodukte bei einem Luft/Treibstoffverhältnis von 3 und einer Reaktionstemperatur von 400°C;

Fig. 5 eine Darstellung der Reaktionsrate im Oxidationsprozeß für gasförmige Kohlenwasserstoffe;

Fig. 6 die Verbrennungsgeschwindigkeit von Gasen, die aus Mischungen von einer Reformierungs-Behandlung unterzogenen Kohlenwasserstoff-Treibstoffen und Luft bestehen, bei verschiedenen Mischungsverhältnissen von Luft und Treibstoff und bei verschiedenen Temperaturen der Reformierungs-Behandlung;

Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Verbrennungsmotor nach einem Ausführungsbeispiel;

H ftv»^ Vorrichtungen zur Reformierungs-Behandlung nach einem Ausführungsbeispiel;

?"?* η ) Diagramme für die Beziehung zwischen dem Luft/Treib-

DX S y C

stoffverhältnis und dem wirksam mittleren Bremsdruck bzw. der Emissionsmenge von Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen für den Betrieb eines Verbrennungsmotors sowohl mit Treibstoffen, die einer Reformierungsbehandlung unterworfen sind, als auch mit Treibstoffen, die einer Reformierungs—Behandlung nicht unterworfen sind.

Bei einem Verbrennungsmotor, wie ihn die Erfindung vorschlägt, wird ein Teil des in Form von Kohlenwasserstoffen vorliegenden Treibstoffes (im folgenden: Kohlenwasserstoff-Treibstoff) in Gegenwart von Sauerstoff oder Luft behandelt. Man erhält dabei eine Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten in verschiedenen Zusammensetzungen; diese Mischung wird den Zylindern des Verbrennungsmotors zugeführt.

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Wird ein Kohlenwasserstoff-Treibstoff in Gegenwart eines Überschusses von Sauerstofff oder Luft hohen Temperaturen ausgesetzt, dann läuft der Oxidationsvorgang allgemein im wesentlichen perfekt ab j die primären Produkte in dem Bereich, in dem dieser Vorgang stattfindet, sind Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Eine Reformierungs-Behandlung, die die Erfindung vorschlägt, ist eine Behandlung unter Bedingungen, die gegenüber den Bedingungen für den Ablauf des oben geschilderten Vorgangs erheblich abgeschwächt sind, d.h. in Gegenwart von weniger Sauerstoff und bei relativ geringen Temperaturen.

Für die Bedingungen einer Reformierungs-Behandlung lassen sich folgende Bereiche einschließen: Eine Region, in der eine teilweise Oxidation von Kohlenwasserstoffen stattfindet und in der die Entstehung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff stärker ausgeprägt ist; eine Region, in der die Behandlung etwas abgeschwächt ist; in ihr entstehen niedrigerwertige Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen durch Aufbrechen chemischer Bindungen, ferner als Produkte einer Zuführung von Sauerstoffen zu den niedrigerwertigen Kohlenwasserstoffen und zu Aldehyden und Ketonen, welche oxygenierte Verbindungen darstellen, die durch Zuführung von Sauerstoff zu den Konlenwasserstoffmolekülen entstehen; eine Region nochweiter abgeschwächter Behandlungsbedingungen, in dem eine vorwiegend gasförmige Mischung besteht, deren Zusammensetzung ähnlich wie diejenige der flüchti-

--■■■5 *

gen Komponenten des ursprünglichen Kohlenwasserstoff-Treibstoff es ist.

Fig. 1 zeigt schematisch die Grenzen der erwähnten Bereiche hinsichtlich des Verhältnisses von Luft und Kohlenwasserstoffη Treibstoff (z.B. Benzin) und der Temperatur. Die einzelnen Reaktionsbereiche sind mit A, B, C, D, E, E und E bezeichnet.

J. Ci

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A ist der Bereich perfekter Oxidation, B der Bereich teilweiser Oxidation, C der Bereich intermolekularer Oxidation_s D der Bereich thermischen Zerfalls und E der. Bereich, in dem keine ,Reaktion mehr auftritt. Im Bereich A sind die Hauptkomponenten. CO , H₀O, im Bereich B sind es CO, H₀, im Bereich C Aldehyde und Ketone, im Bereich D niedrigerwertige Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, im Bereich E ist es eine Mischung von Kohlenwasserstoffen in gasförmigem Zustand und im Bereich E₀ eine Mischung flüssiger Kohlenwasserstoffe.

Reform!erungs-Vorbehandlungen schließen folgende Vorgänge ein: in einer Reihe von Zerfalls- und Oxidationsreaktionen_s die bei Behandlung des Kohlenwasserstoff-Treibstoffes in. Gegenwart von Sauerstoffen ablaufen₉ entsteht der Bereich des Zerfalls und der Oxidation, in dem die Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5. Kohlenstoffatomen durch Aufbrechen chemischer Bindungen der Kohlenwasserstoffe des Treibstoffes und durch Zuführung von Sauerstoff zu ihnen erzeugt werden und in dem als Qxidätxonsprodukte wiederum dieser Produkte dann Aldehyde und Ketone entstehen^ es bildet sich ferner der Bereich der partiellen Oxidation aus, in dem Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen,, sowie der Bereich der Vergasung, in dem die Kohlenwasserstoffe des Treibstoffes verdampfen.

Der Grundbereich der Bedingungen, unter denen die Reformierungs-Behandlung stattfindet, ist dünn relativ geringe Temperaturen und Sauerstoff-Konzentration gegeben.;, d.h. durch 150 bis 500 C und durch ein Gewichtsverhältnis von Luft zu Treibstoff-Kohlenwasserstoff en von 1 bis 5· Ferner muß sich eine Strömung ergeben, die den Betrieb des Verbrennungsmotors gewährleistet. Diese Bedingungen erreicht man durch adequate Funktion und Aufbau der Vorrichtung zur Reformierung des Treibstoffes, die bei einem Verbrennungsmotor Anwendung findet. Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, die Bedingungen der Reformierung durch geeignete Auswahl des Katalysators abzuschwächen, der die Oxidation, die die Hauptreaktion darstellt, katalytisch fördert.

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Ist die Auswahl des Katalysators und anderer wichtiger Faktoren, wie der Temperatur, der Luft- (Sauerstoff-) Temperatur, der Raumgeschwindigkeit der reagierenden Stoffe über dem Katalysatorbett entsprechend diesen Anforderungen getroffen, erhält man gezielt eine Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten, die zu einer Verbesserung des Verbrennungsmechanismus in den Zylindern führt.

Die Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten, die man auf diese Weise bei einer Ref ormi e'rung erhält, enthält: Aldehyde und Ketone, niedrige aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Derivate von Alkylbenzolen, organische Karbonsäuren sowie noch reagierende Kohlenwasserstoffe, ferner wasser und die residuellen Komponenten der Luft, die als Oxidationsmittel verwendet wurde.

Fig. 2 zeigt die Bildung einer Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Reformierungs-Behandlung bei η-Hexan und einem Luft/Treibstoff-Verhältnis (A/F) von 3· Die Hauptprodukte der Reaktion sind: Produkte perfekter Oxidation im Bereich A, und zwar HO im

tit

Bereich A und C0_ im Bereich A₀J Produkte partieller Oxidation

1 cL Ca

im Bereich B₁ und zwar H im Bereich B. und CO im Bereich B ; Kohlenwasserstoffe von Aldehyden und Ketonen, die Sauerstoffenthaltende Kohlenwasserstoffverbindungen darstellen, im Bfereich C; Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstofffatomen, die niedrige Kohlenwasserstoffverbindungen darstellen, im Bereich D; ferner Kohlenwasserstoffe, die noch reagieren, nämlich η-Hexan, im Bereich E.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Anteil reformierten Kohlenwasserstoff-Treibstoffes (Reformierungsrate) und der Temperatur bzw. einem Temperaturanstieg bei Anwesenheit eines Katalysators. Mit (X) und (^) sind typische Kurven für die Reformierung bei einem Luft/Treibstoff-Verhältnis von 3 mit

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einem Katalysator bzw. ohne einen Katalysator bezeichnet.

Fig. k zeigt an einem Beispiel verschiedene Zusammensetzungen der Mischung bei einem Luft/Treib st off-Verhältnis von 3 und einer Reaktionstemperatür von 400 C; die weiße Säule bzw. die diagonal schraffierte Säule zeigen die während der Reformierungs-Behandlung entstehenden Komponenten mit bzw. ohne Katalysator.

Wie die Figuren 3 und k zeigen, steigt die Reformierungsrate des Kohlenwasserstoff-Treibstoffes sehr stark mit einem Temperaturanstieg im Bereich zwischen 150 und 500 C. Die Starttemperatur nach der Kurve (Aj "ist niedriger als für die Kurve (B) ,

die Reformierungsrate selbst bei der Kurve (X) größer als die

bei der Kurve (bj . Die Mischung der chemischen Verbindungen, die einen Beitrag zur Verbrennung leisten, nämlich H , CO, CHi und andere kann je nach Auswahl der Katalysatoren bestimmt werden.

Die bei der Reformierungs-Behandlung entstehende Mischung der Zerfalls- und Oxidationsprodukte des Kohlenwasserstoff-Treibstoffes nimmt nun am Verbrennungsmechanismus teil und hat dabei folgende Wirkungen:

Zweitens: die niedrigerwertigen aliphatischen Kohlenwasserstoffe, die durch das Aufbrechen chemischer Bindungen entstehen, die gasförmigen Kohlenwasserstoffe, das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff führen zusammen mit den zuvor erwähnten Produkten ferner dazu, daß die Geschwindigkeit des Verbrennungsvorgangs und die Verbrennung selbst verbessert werden. Diese Wirkung ist insbesondere dann bemerkenswert, wenn diese Stoffe in der Umgebung der Zündungsquelle und der Brennfläche der Flamme vorhanden sind.

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Drittens: der Wasserstoff trägt zur Reduktion und zum Zerfall der Stickoxide bei, die im Verbrennungsvorgang zusammen mit Kohlenmonoxid und anderen Stoffen entstehen.

Die oben erstgenannte Wirkung, der besondere Bedeutung zukommt, sei noch wie folgt näher erläutert: Nach Bernard Lews, Guenther von Elbe u.a., "Combustion Flames and Explosions of Gases" geht man davon aus, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Flamme und die Verbrennungsgeschwindigkeit an der Trennfläcne zwischen Flamme und brennbarem Medium, die die durch das brennbare Medium wandernde Reaktionszone beeinflussen, von einer beim Verbrennungsvorgang stattfindenden Kettenreaktion abhängen und daß die Ablaufgeschwindigkeit dieser Kettenreaktion von der Konzentration von Kettenträgern, die im Zuge dieses Prozesses entstehen, bestimmt wird.

Unter den Zerfalls- und Oxidationsprodukten, die bei der Reformierungs-Behandlung entstehen, können nun die niederwertigen Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, die beim Aufbrechen chemischer Bindung entstehen, sowie die Aldehyde und Ketone, die als deren Oxidationsprodukte entstehen, deutlich festgestellt werden. In dem Zylinder eines Verbrennungsmotors werden auch diese Oxidationsprodukte im Verbrennungsvorgang einer weiteren Oxidation ausgesetzt, die durch die weiter unten angegebene Formel (l) ausgedrückt werden kann. Dabei entstehen daraus als Zwischenprodukte Peroxid-Radikale und daraus dann OH-*, H- und O-Rgdikale, die als Kettenträger agieren und so die Kettenreaktion fördern.

R-CH0+Ö_o ·_ > R-COCOOH) " > R-COO+OH (l)

Zur weiteren Erklärung sei auf Fig. 5 Bezug genommen, die die · typischen kinetischen Kurven für die Oxidation von gasförmigen

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Kohlenwasserstoffen über der Zeit zeigtj dabei.' stellt die Kurve Γα) den Druckanstieg über der Zeit bei Oxidation einer Kohlenwasserstoff~Luftmischung und die Kurve ^Bj a.exL Druckanstieg für den Fall, daß im Gemisch, ein kleiner Anteil von Aldehyden enthalten- ist, dar..

Daraus ergibt sich, daß die Beimengung von Aldehyden, die bei der Reformierung des Kohlenwasserstoff—Treibstoffes entstehen, die Reaktionsgeschwindigkeit stark beschleunigt und damit die Verbrennungsgeschwindigkeit fördert. Insbesondere trägt die Einführung von Aldehyden mit einem Karbonyl-Radikal in die Zylinder zur Verbesserung der Verbrennungsgescliwindigkeit an der Brennfläche der Flamme bei.

Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der Verbrenitungsgeschwindigkeit von dem Luft/Treibstoff-Verhältnis für mehrere vor der Reaktion bestehende Temperaturen für Gase, die man durch Reformierungs-Behandlung dieser Mischung erhält. Aus Fig". 6 geht hervor, daß die Verbrennungsgeschwindigkeit einer Mischung von Luft und Kohlenwasserstoff-Treibstoff rapide zunimmt, wenn, man die Oberfläche einer Flamme mit chemischen Substanzen, wie sie bei der Reform!erungs-Vorbehandlung bei relativ geringer Temperatur entstehen, beaufschlagt.

Die vorliegende Erfindung schafft einen, (internen) Verbrennungsmotor mit verschiedenen Vorteilen, die durch den verbesserten Verbrennungsmechanismus bedingt sind. Dabei wird ein Teil des dem Verbrennungsmotor zugeführten Kohlenwasserstoff-Treibstoffes unter den oben erwähnten Bedingungen einer Heformierungs-Behandlung unterzogen; die dabei entstehende Mischung von Zerfallsund Oxidationsprodukten wird dann in. die Zylinder eingeleitet.

Es wird also lediglich ein Teil des Kohlenwasserstoff-Treibstoff es, der dem Motor zugeleitet wird, der Reformierungs-

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Behandlung unterzogen. Der Grund dafür ist, daß lediglich eine kleine Menge dieser Mischung dazu ausreicht, die Zündung und Verbrennung in den Zylindern sicherzustellen und zu verbessern. Eine Reformierungs-Behandlung des gesamten, einem Motor zugeführten Treibstoffes, würde verschiedene Nachteile mit sich bringen, wie z.B. eine Abnahme des volumetrisch en Wirkungsgrades, einen Verlust in der dem Treibstoff innerenten Heizwertzahl, Schwierigkeiten bei der Steuerung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses und der Aufbereitung des Treibstoffes beim Start oder beim Anhalten des Motors. Eine nur teilweise Reformierungs-Behan dlung des zugeführten Treibstoffes hat den Vorteil, daß, falls notwendig, das Kompressionsverhältnis gesteigert und damit der Verbrauch an Treibstoff um 10 bis 15 % erhöht werden kann. Es wird dabei auch möglich, ein mageres Gemisch zu zünden und zu verbrennen, was in einem herkömmlichen Motor, der mit einem Vergaser ausgerüstet ist, nicht möglich ist j auf diese Weise können die schädlichen Elemente im Abgas weiter reduziert werden. Ferner enthält der einer Reformierungs-Behandlung unterzogene Treibstoff im Vergleich mit denr ursprünglichen Kohlenwasserstoff-Treibstoff größere Anteile an niedrigwertigen Kohlenwasser stoff-Molekül en und anderen chemischen Verbindungen, die durch Zerfall und Oxidation entstehen. Gelangen sie in die Umgebung einer Zündungsquelle oder der Brennfläche einer Flamme, dann kann man auch relativ leicht leichtes Ol verbrennen, was herkömmlicherweise nicht möglich ist. Ein Motor, der nach den Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, eignet sich daher für eine große Vielfalt von Treibstoffen.

Die Konstruktion, die Funktion und die Wirkungsweise eines Viertakt-Hubkolbenmotors als Ausführungsbeispiel wird im folgenden beschrieben.

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Fig. 7 zeigt einen Motor mit einem Hauptvergaser 1, einem Hilfsvergaser 2, einer Treibstoffreformierungs-Vorrichtung 4, deren eines Ende über ein Hilfsansaugrohr 3a mit dem Hilfsvergaser 2 und deren anderes Ende mit dem Hilfsansaugrohr Jb in Verbindung steht. Das Hilfsansaugrohr Jh ist in der Ansaugöffnung 6 installiert; seine Spitze endet oberhalb des Einlaßventiles und öffnet sich in Richtung der Kammer 10. Diese Kammer wirkt als Falle und fängt einen Teil des Gemischs der Zerfalls- und Oxidationsprodukte ein. In die Kammer 10 ist eine Zündkerze 8 eingebaut; die Kammer 10 steht über Öffnungen 9a, 9h mit dem Verbrennungsraum 11 in Verbindung. Mit 5 ist das Hauptansaugrohr, mit 12 das Auslaßventil, mit 13 die Abgasableitung, mit l4 die Abgasöffnung und mit 15 der Kolben bezeichnnet.

Die Fig. 8a und 8b zeigen den Aufbau der Treibstoffreformierungsvorrichtung k. Sie weist einen Einlaß 20, einen Reformierungsteil 21 und einen Auslaß 22 auf. Der Reformierungsteil 21 wird durch den Zylinder 26, das Katalysatorbett 2k aus Aluminiumoxid, Platin oder ähnlichem, einer elektrischen Heizvorrichtung 25} die von einer (nicht gezeigten) Batterie gespeist wird, gebildet. In Strömungsrichtung, kurz vor der elektrischen Heizvorrichtung 25₅ ist ein Element 25' angeordnet, das dazu dient, einen Flammenrückschlag in das Hilfsansaugrohr 3a zu verhindern. In Fig. 8a besteht das Element 25' zur Verhinderung eines Flammenrückschlags aus Katalysatoren. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet ein am Auslaß 22 vorgesehenes Thermometer.

Fig. 8b zeigt ebenfalls einen Einlaß 20, einen Reformierungsteil 21 und einen Auslaß 22; dabei ist der Reformierungsteil als Zylinder ausgebildet. Im Reformierungsteil ist ferner eine elektrische Heizvorrichtung 25 angeordnet, die von einer (nicht gezeigten) Batterie gespeist wird. In Fig. 8b ist jedoch kein Katalysatorbett vorgesehen. Fig. 8b zeigt den Fall, in dem die Reformierung eines Teils des Treibstoffes durch Erwärmung in der Heizvorrichtung 25 erfolgt.

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Bei dem Ausführungsbeispiel nach, den Fig. 7, 8a, 8b kann der vom Hilfsvergaser 2 her zugeführte Treibstoff in Nähe der Zündkerze gezündet werden; 12 - 38 % des gesamten Treibstoffs reichen für eine solche Menge der Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten aus, die für die nachfolgende Verbrennung und deren Steuerung erforderlich ist. Diese 12 - 38 % des Treibstoffes werden im Vergaser 2 auf eine relativ fette Mischung eingestellt. Diese relativ fette Mischung gelangt über das Hilfsansaugrohr 3a in. die Reformierungsvorrichtung k. Durch Erhitzung in der Heizvorrichtung 25 wird dieses Gemisch nun der Reformierungs-Behandlung unterworfen. Diese Reformierung s-Behandlung wird durch das Katalysatorbett 2k aufrechterhalten, dessen Temperatur den bestimmten Wert solange hält, bis man die reformierte Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten der o.g. Mischung erhält. Ein Teil des derart reformierten Treibstoffes gelangt dann während des Ansaugnubs über das Hilfsansaugrohr Jb, das geöffnete Einlaßventil 7 und die Öffnung 9a in die Kammer 10. Da sich die Spitze des Hilfsansaugrohres 3b in Richtung der Kammer 10, und zwar in Strömungsrichtung oberhalb bzw. vor dem Einlaßventil 7 öffnet, gelangt ein beachtlicher Teil der Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten über die Öffnung 9a in die Kammer 10. Der restliche Teil der Mischung gelangt in den oberen Teil des Verbrennungsraumes 11. Bei Ende eines Kompressionshubes gelangt nun ein Teil dieses Anteils wiederum zurück in die Kammer 10, und zwar über die Öffnungen 9a und 9b· Der andere Teil verbleibt in Nähe der Offnungen 9a und 9b oben im Verbrennungsraum 11. Dann wird während des Ansaughubes das relativ magere Gemisch, das vom Hauptvergaser her angesaugt' worden ist, den Zylindern über Einlaßöffnung und Einlaßventil 7 zugeführt.

Die relativ fette Mischung der Zerfalls- und Oxidationsprodukte, die jetzt in der Kammer 10 vorhanden ist, kann dann durch die Zündkerze 8 leicht gezündet werden. Die Verbrennung beginnt. Dann schlägt ein Flammenstrahl durch die Öffnungen

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9a' und 9b in den Bereich außerhalb der Kammer 10. Durch diese Flammenzündung wird nun das magere Gemisch, das den größeren Teil des Verbrennungsraumes 11 und des Raumes innerhalb der Zylinder einnimmt, zuverlässig verbrannt. So wird das magere-Gemisch als Ganzes verbrannt werden und die Menge der schädlichen Elemente im Abgas reduziert. Auch in dieser Hinsicht ist bei der Reformierung des Treibstoffes die Verwendung einer katalytischen Reaktion, wünschenswert.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde ein Hilfsansaugrohr und eine als Treibstoff alle wirkende Kammer verwendet; sie stellen ein wirksames Mittel für die Einführung von teilweise einer Reformierungs-Behandlung unterworfenem Treibstoff dar. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese speziellen Mittel für die Durchführung der Reformierungsr-Behandlung beschränkt.

Derjenige Teil des Treibstoffes, der in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel dem Hilfsvergaser zugeführt wird, liegt zwischen 12 und 38 %· Dieser Anteilsbereich hat sich als bestes Verhältnis im Hiblick auf eine Reduzierung der schädlichen Elemente im Abgas herausgestellt, wenn man, wie in diesem Ausführungsbeispiel, ein Hilfsansaugrohr und eine als Falle wirkende Kammer verwendet. Das Verhältnis kann jedoch je nach konstruktiver Ausbildung des Verbrennungsmotors und je nach seiner Leistung, auch anders sein.

Bei Verwendung eines Kreiskolbenmotors erreicht man die oben beschriebenen Wirkungen dadurch, daß man die Mischung der Zerfalls- und Oxidationsprodukte nach Art eines Gürtels entlang der Mittelachse der Breitseite des Rotors ansaugt und an der Stelle hält, wo die Zündkerze angeordnet ist. Man umgeht damit auch Schwierigkeiten der Verbrennung bei nerkömmlichen Kreiskolbenmotoren und erreicht bessere Leistung und bessere Zusammensetzungen der Abgase.

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Die Fig. 9a bis 9d zeigen mit der Erfindung erzielte Verbesserungen hinsichtlich der Leistung eines Motors und hinsichtlich der Emission von Abgasen mit schadhaften Bestandteilen.

Um die Vorteile der Erfindung derart darstellen zu können, wurden sowohl Versuche mit einem Motor, der eine als Falle wirkende Kammer aufwies, als auch Versuche mit einem herkömmlichen Mot or dur chgefuhrt.

Die Fig. 9a bis 9d zeigen Diagramme, die ein Vergleich charakteristischer Eigenschaften in folgenden Fällen ergibt:

(W) Betrieb eines herkömmlichen Verbrennungsmotors mit einer Reforniierungs-Behandlung nicht unterworfenem Treibstoff;

(X) Betrieb eines herkömmlichen Verbrennungsmotors mit einer Reformierungs-Behandlung unterworfenem Treibstoff;

(Y) Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einer als Falle wirkenden Kammer, mit einem einer Ref ormierungs-Behandlung nicht unterworfenen Treibstoff;

(Z) Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einer als Falle wirkenden Kammer und einem einer Reformierungs-Behandlung unterworfenem Treibstoff.

Zu den Kurven nach Fig. 9a bis 9d im einzelnen: Fig. 9a zeigt die -Beziehung zwischen dem Luft/Treibstoff-Verhältnis (A/F) und dem wirksamen mittleren Bremsdruck (Break Mean Effective Pressure = B.M.E.P.). Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, ergibt sich hinsichtlich dieser Größe, d.h. des Drehmoments, nur ein geringer Unterschied in Abhängigkeit davon, ob der Treibstoff einer Reformierungs-Vorbehandlung unterworfen wird oder nicht.

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Die Fig. 9 h - 9^C zeigen die Beziehung zwischen dem Luft/ Treibstoff-Verhältnis (A/F) und der Emissionsmenge von Stickoxiden (NOx) für einen herkömmlichen Verbrennungsmotor und einen Verbrennungsmotor mit einer als Falle wirkenden Kammer. Aus diesen Kurven geht hervor, daß die Menge der Emission von Stickoxiden in beiden Fällen erheblich geringer ist, wenn ein einer Reformierungs-Behandlung unterzogener Treibstoff verwendet wird. Darüber hinaus zeigt sich auch an den Kurven nach Fig. 9^C? daß sich hinsichtlich der Emission von Kohlenwasserstoffen kaum ein Unterschied zwischen der Verwendung von Treibstoffen, die einer Reformierungs-Behandlung unterzogen worden sind, und einer Verwendung mit Treibstoffen, die dieser Behandlung nicht unterlagen, ergibt. Im Falle der Verwendung eines herkömmlichen Verbrennungsmotors verschiebt sich jedoch der Bereich, in dem die Menge der abgegebenen Kohlenwasserstoffe ein Maximum hat, dann, wenn ein einer Reformierungs-Behandlung unterworfener Treibstoff verwendet wird, nach rechts; das bedeutet, daß der kritische Bereich für das Luft/Treibstoff-Verhältnis entsprechend breiter "wird.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

f1.)Verfahren zur Verringerung der Emission schädlicher Bestandteile im Abgas eines Verbrennungsmotors,- dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Ref or mi erungs - Behandlung ein Teil des dem Verbrennungsmotor zugeführten Treibstoffes in. eine Mischung von Zerfalls- und Oxidationsprodukten überführt und diese Mischung in die Zylinder des Verbrennungsmotors eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierungs-Behandlung eine Behandlung in Gegenwart eines Katalysators mit einschließt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einer Reformierungs-Behandlung unterworfene Teil des Treibstoffes in einem Luft/Treibstoff-Verhältnis (nach Gewicht) von 1 bis 5 vorliegt und bei einer Temperatur zwischen 150 und 500⁰C aufbereitet wird.
4. Verfahren-nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierungs-Behandlung durch eine Umwandlung in ein Gemisch von Zerfalls- und Oxidationsprodukten erfolgt, das CO und H enthält.

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5. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierungs-Behandlung durch Umwandlung in ein Gemisch von Zerfalls- und Oxidationsprodukten erfolgt, das Aldehyde und Ketone enthält. - .
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformierungs-Behandlung durch Umwandlung in ein Gemisch von Zerfalls- und Oxidationsprodukten erfolgt, die niederwertige Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen enthält.
7· Vorrichtung zur Verringerung der Emission schadhafter Bestandteile im Abgas eines Verbrennungsmotors, dessen Zylindern ein Luft/Treibstoff-Gemisch zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfsvorrichtungen (3a, 3b, 4) vorgesehen sind, über die den Zylindern ein weiterer Strom eines Luft/Treibstoff-6emischs zugeführt wird, und daß in den Hilfsvorrichtungen (3a, 3t>i 4) dieser weitere Strom in ein Gemisch einer Zerfalls- und Oxidationsprodukte überführt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7j dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsvorrichtungen einen Katalysator (24) aufweisen.
9. V orrichtung nach Anspruch 7_S dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsvorrichtungen eine Heizvorrichtung (25) und auf der Motorseite der Heizvorrichtung (25) ein Katalysatorbett (24) aufweisen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7j dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsvorrichtungen ferner einen Schutz (25') gegen einen Flammenrückschlag auf der Seite der Zuführung des Luft/Treibstoff-Gemischs zu ihnen aufweisen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftstrom von den Hilfsvorrichtungen über ein Rohr stück (3b) derart in den Verbrennungsraum der Zylinder eingeführt wird, daß er auf eine als Falle ausgebildete Kammer (10) gerichtet ist und in diese über Öffnungen (9a) eintritt,

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ff. ttnd ferner ±n dieser Kammer (ΙΟ) die Zündkerze (8) angeordnet ist, -und die in der Kammer (lO) vorgesehenen Offnungen (9a, Sh) ferner ein Austreten der Flamme bei Entzündung des Gemisches in den Ver brennung sr atun (ll) ermöglichen.

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