DE2501250A1

DE2501250A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2501250A1
Application number: DE19752501250
Authority: DE
Inventors: Eugen Szabo De Dr Bucs; Hans-Joachim Dr Rer Nat Henkel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-01-14
Filing date: 1975-01-14
Publication date: 1976-07-15
Also published as: CA1040948A; US4086877A; IT1054034B; GB1503422A; FR2298006B1; JPS5195505A; FR2298006A1

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem durch katalytische Umsetzung von Kohlenwasserstoffen und sauerstoffhaltigern Gas in einem Spaltgasgenerator gewonnenen Brenngas.

Es sind bereits Verfahren bekannt, bei denen eine Brennkraftmaschine nicht mit flüssigem Brennstoff, sondern mit einem Brenngas gespeist wird, das in einem Gasgenerator gewonnen wird. Flüssiger Brennstoff führt in der Brennkraftmaschine wegen unzureichender Vergasung und mangelhafter Vermischung mit der Verbrennungsluft zu unvollständiger Verbrennung und zum Auftreten von Schadstoffen in den Abgasen. Dem Brennstoff zugemischte Antiklopfmittel belasten die Abgase noch mit zusätzlichen gesundheitsgefährdenden Stoffen. Diese dadurch hervorgerufene Verschmutzung der Luft kann durch einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Brenngas, das beispielsweise aus flüssigem Brennstoff in einem Spaltgasgenerator gewonnen werden kann, wesentlich vermindert werden.

Ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Spaltgasgenerator ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 2 306 026 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird versprühter oder verdampfter kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff unter Beimischung von Luft und/oder aus der Brennkraftmaschine rückgeführtem Abgas dem Reaktionsraum eines Spaltgasgenerators zugeführt und dort katalytisch zu einem Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltenden Brenngas umgesetzt. Dieses Brenngas verbrennt in der Brennkraftmaschine vollständiger und nahezu

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ohne Bildung von schädlichen Abgasen, ferner besitzt es eine hohe Octanzahl, die den Zusatz von Antiklopfmitteln überflüssig macht.

Für die Verwendung in der Brennkraftmaschine ist wegen des hohen Heizwertes ein kohlenmonoxid- und methanhaltiges Brenngas wünschenswert. Ferner läßt sich ein Brenngas in dem Brennraum der Maschine vollständiger und kontrollierter verbrennen, wenn es Wasserstoff enthält. Um eine ausreichende Füllung des Brennraumes in einer Brennkraftmaschine mit Brenngas zu erhalten, wird darüber hinaus angestrebt, daß der Brennkraftmaschine nur möglichst kühles Brenngas zugeführt wird. Alle diese an das Brenngas zu stellenden Forderungen gleichzeitig zu erfüllen, ist sehr schwierig. Läuft ferner die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit sauerstoffhaltigem Gas bei tiefen Temperaturen bis zum thermischen Gleichgewicht ab, so tritt Ruß auf. Rußbildung würde aber zur Zerstörung des Katalysators oder sogar der Brennkraftmaschine führen und muß durch Verwendung geeigneter Katalysatoren vermieden werden, wobei unter Umständen in Kauf zu nehmen ist, daß der Gehalt des entstehenden Brenngases an Kohlenmonoxid, Methan und Wasserstoff hinter dem zurückbleibt, was hinsichtlich der Brenneigenschaften als günstig zu betrachten wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem durch katalytische Umsetzung von Kohlenwasserstoffen und sauerstoffhaltigem Gas in einem Spaltgasgenerator gewonnenen Brenngas weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß unter Ausnutzung des Wärmegehalts von Brenn- bzw. Abgas Methanol endotherm zu einem Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch umgesetzt und dieses Gasgemisch dem Spaltgasgenerator und/ oder zusammen mit dem Brenngas der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

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Pur das durch Zersetzung des Methanols 'gebildete Kohlerimonoxid und den Wasserstoffergeben sieh zwei Einsat zmöglich·*· > keiten: in der Brennkraftmaschine und im Spaltgasg^nerator. : In der Brennkraftmaschine bewirkt ein höherer Gehalt des Brenngases an Kohlenmonoxid und Wasserstoff^ieine■Erhöhung der Öctanzahl und/dVs Heizwertes. ^;Eiri -hö&erer Wasserstoff;-· .. gehalt derGase im' Spaitgas^gerieraifeor hin^o^eh "bewirkt eine höhere Ausbeute "an Methan' und wirkt dem'Wasserstoffdefizit entgegen, das bei der Umsetzung von Kohlenwasserstoffen unter Sauerstoffmangel herrschtund die· Rußb'ildung "begünstigt. Durch eine endotherme ÜDisetzung des ^Methanola kann zudem dem Abgas der Brennkraftmaschine oder dem "brenngas Wärme entzogen werden, die in chemische Energie umgesetzt wird.

Vorteilhaft wird das' Methanol thermisch zersetzt. Ein derartiges Verfahren erfordert nur geringen apparativen Aufwand und ist wenig störanfällig. ;

Bevorzugt wird hierbei das zu zersetzende Methanol in das aus dem Spaltgasgenerator kommende heiße Brenngas eingesprüht. Dadurch wird das Brenngas einmal gekühlt, zum anderen mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid angereichert, bevor es in die Brennkraftmaschine gelangt.

Ferner kann hierbei vorteilhaft ein Teil des durch Zersetzung des Methanols mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff angereicherten Brenngases in den Spaltgenerator zurückgeführt werden. Dadurch wird dem Spaltgaögenerator Wasserstoff zugeführt, der, wie oben ausgeführt, die Gefahr einer möglichen Rußbildung herabsetzt und die Qualität des erzeugten Brenngases verbessert.

Bei diesen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Methanol durch Wärmeaustausch mit dem Abgas der Brennkraftmaschine oder mit dem der Brennkraftmaschine zuzuführenden Gas verdampft werden. Entzieht man die Verdampfungswärme des :

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Methanols dem Abgas, so kann dessen Abwärme teilweise als chemische Energie genutzt werden. Benutzt man dagegen für die Verdampfung des Methanols die Wärme des der Brennkräftmaschine zuzuführenden Brenngases,- so wird das Brenngas, das durch die Methanolzersetzung höchstens bis auf die Umsetzungstemperatur gekühlt werden kann, noch weiter abgekühlt, bevor es in die Brennkraftmaschine eintritt.

Für diese Verfahren, bei denen das Methanol thermisch zersetzt wird, wird im wesentlichen nur ein Vorratsbehälter und eine Einspritzvorrichtung für das Methanol benötigt. Diesem Vorteil steht jedoch gegenüber, daß die thermische Zersetzung des Methanols nur bei höheren Temperaturen abläuft, so daß das Brenn- oder Abgas nur unvollständig abgekühlt werden kann. In manchen Fällen werden unter Umständen diese Gase auch nicht heiß genug zur thermischen Zersetzung des Methanols sein.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Methanol in einem durch Brenn- oder Abgas beheizten Reformer mit Wasser katalytisch umgesetzt. Geeignete Katalysatoren hierfür werden in der chemischen Industrie zur Methanol-Synthese unter hohem Druck verwendet, während umgekehrt bei niedrigem Druck die endotherme Zersetzung des Methanols in CO und H₂ katalysiert wird. Diese Vorgänge laufen auch bei tieferen Temperaturen ab und können infolge ihres Wärmebedarfes zur Kühlung herangezogen werden.

Vorteilhaft können dabei Methanol und Wasser zusammen mit heißem Brenngas in den Methanolreformer geleitet und das dort entstehende Gasgemisch der Brennkraftmaschine zugeführt werden. In diesem Falle wird der Methanolreformer durch das eingeleitete, aus dem Spaltgasgenerator kommende heiße Brenngas direkt beheizt. Man kann aber auch den Eeaktionsraum des Methanolreformer von außen durch das aus dem Spaltgasgenerator kommende heiße Brenngas beheizen. Ferner kann man auch den

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Reaktionsraum des Methanolreformers von außen durch die heißen Abgase der Brennkraftmaschine beheizen. Gegenüber der direkten Beheizung durch das aus dem Spaltgasgenerator kommende Brenngas bieten sich die letztgenannten Möglichkeiten besonders dann an, wenn die Arbeitsweise des Methanolreformers durch größere, durch ihn hindurchströmende Mengen von Brennstoff gestört würde.

Die Beheizung durch das Brenngas ist in den Fällen angebracht, in denen auf eine Kühlung des Brenngases Wert gelegt werden muß. Da andererseits die Abgase der Terbrennungskraftmaschine im allgemeinen höhere Temperaturen aufweisen als die im Spaltgasgenerator erzeugten Gase, ist ein abgasbeheizter Methanolreformer dann zweckmäßig, wenn in erster Linie die Abwärme der Brennkraftmaschine ausgenutzt werden soll.

Ferner kann vorteilhaft ein Teil des Reformergases dem Brenngas zugemischt werden. Hierdurch erreicht man, daß der Brennkraftmaschine ein Brenngas mit höherem Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgehalt und damit, wie eingangs erwähnt, einer höheren Octanzahl und besseren Heizwertes zugeführt wird.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, ,wenigstens einen Teil des den Reformer verlassenden Gasgemisches in den Spaltgasgenerator zu führen. Damit verbessert man die Zusammensetzung des den Spaltgasgenerator verlassenden Gasgemisches und wirkt der Gefahr einer möglichen Rußbildung entgegen.

Bevorzugt kann das dem Methanolreformer zuzuführende Methanol und/oder Wasser durch Wärmeaustausch mit dem Abgas der Brennkraftmaschine oder mit aus dem Spaltgasgenerator kommendem heißen Gas verdampft und vorgewärmt werden. Dadurch kann man einmal die im Abgas enthaltene oder bei der Kühlung des Brenngases abzuführende Wärme besser ausnutzen, zum anderen mittels

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der gasförmigen Ausgangsstoffe die Umsetzung im Reformer besser steuern.

Das erfindungsgemäße Verfahren sei anhand einiger Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert.

Pig. 1 bis 4 zeigen schema tisch verschiedene Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel saugt eine Brennkraftmas chine 101 durch einen Spaltgasgenerator 102 hindurch über die Zuführungsleitungen 103 und 104 Luft und Brenngas an. Diese werden in dem Spaltgasgenerator 102 zu einem im wesentlichen Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und/oder Wasserstoff enthaltenden Brenngas umgesetzt, das über einen Kühler 105 und eine Mischeinrichtung 106 in die Brennkraftmaschine einströmt. In der Mischeinrichtung 106 wird über die Leitung 107 angesaugte Verbrennungsluft dem Brenngas zugemischt. Über die Leitung 108 wird in die aus dem Spaltgasgenerator kommende Leitung 109 Methanol eingesprüht, das sich unter Abkühlung des heißen Brenngases thermisch zersetzt. Das entstehende Gasgemisch wird teilweise über den Kühler 105 und den Mischer 106 der Brennkraftmaschine 101 zugeführt, teilweise über eine ein Dosierventil enthaltende Rückführungsleitung 110 in den Spaltgasgenerätor zurückgeleitet.

In der Rückführungsleitung 110 ist ein Kompressor 112 angeordnet, beispielsweise ein aus der Kraftfahrzeugtechnik bekannter Abgasturbolader. In Anlagen, bei denen das durch den Spaltgasgenerator gesaugte Gas nur einen geringen Druckabfall erleidet, kann es auch ausreichend sein, die Einmündung der Rückführungsleitung 110 in den Spaltgasgenerator als Dampfstrahl-Saugpumpe auszubilden. Die über die Luftzufuhrleitung 103 angesaugte Luft erzeugt hierbei als Treib-

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mittel den zur Rückführung des auö dem ^paltgaageneratoir kommenden Gasgemisches in der Rückführungsleitung 1TQ ; ^; :;.■-■■■■■■:. nötigen Sog.

Entsprechend den beispielsweise' in der deutschen Offenlegungsschrift 2 306 026 geschilderten, in den Figuren nicht weiter dargestellten Möglichkeiten zum Betrieb eines Spaltgasgenerators kann ein Teil des Abgases iniiie Luftzufuhrleitung 104 zurückgeleitet werden, um dem Spaltgasgenerator 102 als sauerstoffhaltigesGas ein Luft-Abgas-GremiBch ■ zuzuführen. Auch kann der Spaltgasgenerator 102 über einen Wärmetauscher mit Abgas beheizt/sein. Der Kühler.105 kann vorteilhaft zur Verdampfung des Brennstoffes in der Brennstoffleitung 104 verwendet werden. Es kann auch vorteilhaft sein, den Brennstoff in über die leitung 110 in den Spaltgasgenerator strömendes heißes Brenngas einzuspritzen, dort zu verdampfen und dieses Gasgemisch in die Iiuftzuführleitung 103 einzuleiten.

Das Luft-Abgas-Brennstoff-Gemisch kann ferner zur Homogenisierung über einen am Eingang des Spaltgasgenerators 102 angebrachten Mischer und durch einen Verteiler in den Reaktionsraum des Spaltgasgenerators angesaugt werden. Der Reaktionsraum enthält einen beispielsweise auf Sinterkörper oder eine Füllkörperschüttung aufgebrachten Katalysator, an dem die Umsetzung des Gasgemisches in das Brenngas stattfindet.

Häufig werden weitere Zusatzeinrichtungen, wie etwa Verdichter oder Steuereinheiten, zweckmäßig sein. Um beispielsweise eine kalte Anlage rasch anfahren zu können, kann es zweckmäßig sein, durch eine Zusatzheizung vorübergehend den Spaltgasgenerator 102 anzuwärmen und den Brennstoff in der Leitung 104 zu verdampfen, während erst zu einem späteren Zeitpunkt Methanol eingespritzt und Abgas in den Spaltgas-

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generator rückgeführt wird. Da zur katalytisehen Umsetzung im Spaltgasgenerator 102 ein bestimmter Temperaturbereich eingehalten werden sollte, kann es auch vorteilhaft sein, . . die Menge des über, die Leitung 110 in den Spaltgasgenerator einzuleitenden, durch die Methanolzersetzung gekühlten Gases in Abhängigkeit von der Temperatur im Reaktionsraum zu steuern. , . , .·...;.-... ..,,,...

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel saugt die Brennkraftmaschine 201 durch den Spaltgasgenerator 202 hindurch über die,Leitungen 203 und 204 Luft und Brennstoff an. Vor dem E.inlaß^ der Brennkraftmaschine befindet sich ein Kühler 205 und ein Mischer 206,, in dem zu dem Brenngas die über die Leitung 207 angesaugte nötige Verbrennungsluft zugemischt wird. Die. aus dem Spaltgasgenerator 202 austretenden heißen Gase werden direkt in einen Methanolreformer 209 eingeleitet und erwärmen ihn. Über die Leitung 208 wird ein Wasser-Methanol-Gemisch oder in getrennten Kanälen Wasser und Methanol in den Methanolreformer eingesprüht. Das durch katalytisch? Zersetzung des Methanols entstehende Gasgemisch wird teilweise in den Kühler 205, teilweise über die Leitung 210 in den Spaltgasgenerator 202 geleitet. Wasser und Methanol können über die Leitung 208 entweder in flüssiger Form in den Methanolreformer 209 eingespritzt werden oder vorher, beispielsweise im Kühler 205» durch Wärmeaustausch mit dem Brenngas oder mit dem, Abgas verdampft werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Brennkraftmaschine mit 301, der Spaltgasgenerator mit 302, die Zuführungsleitungen für Luft und Brennstoff mit 303 und 304 und die Mischvorrichtung-für Brenngas und über die Leitung 307 angesaugte Verbrennungsluft mit 306 bezeichnet. Die aus dem Spaltgasgenerator 302 austretenden heißen Brenngase beheizen durch Wärmeaustausch einen Methanolreformer 309» in den

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Methanol und Wasser über die Zuführungsleitung 308 geleitet wird. Die Umsetzungsprodukte dea Methanols werden teilweise über die Leitung 310 in den Spaltgasgenerator 302, teilweise über die Leitung 311 zum Mischer 306 geleitet«

In ähnlicher Weise besteht die in Pig. 4gezeigte Anordnung aus einer Brennkraftmaschine 401, einem Spaltgasgenerator 402, Zuführungsleitungen 403 und 405 für säuerstoffhaltiges Gas und Brennstoff, einem Kühler 405 und einem Mischer 406 für das aus dem Spaltgasgenerator 402 angesaugte Brenngas und die zu seiner Verbrennung nötige, über die Leitung 407 eintretende Verbrennungsluft. In eine Zweigleitung 414 der aus der Brennkraftmaschine kommenden Abgasleitung 412 ist ein Wärmetauscher geschaltet, der einen Methanolreformer 409 beheizt. Eine andere Zweigleitung der Abgasleitung 412 beheizt über den Wärmetauscher 413 das über die Leitung 408 in den Methanolreformer 409 einzuleitende Methanol und Wasser. Das entstehende Reformergas wird teilweise über die Leitung 410 in den Spaltgasgenerator 402, teilweise über die Leitung 411, den Kühler 405 und den Mischer 406 in die Brennkraftmaschine 401 geleitet.

Es sind viele weitere Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. So kann beispielsweise in dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel das Wasser und/oder das Methanol in dem als Wärmeaustauscher ausgebildeten Kühler und nicht im abgasbeheizten Wärmeaustauscher 413 verdampft werden. Es kann aber auch, beispielsweise bei Gasturbinen, auf die Kühlung des Brenngases verzichtet werden. Dies ist auch bei stationären Kolbenmaschinen möglich, wo die bei Verwendung von heißem Brenngas in der Maschine auftretende Verschlechterung des Füllgrades durch entsprechende Vergrößerung des Hubraumes ausgeglichen werden kann. Dann wird es zweckmäßig sein, zur Ausnutzung der ganzen Abgaswärme denVlärme-

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tauscher und den Methanolreformer mit dem Abgas der Brennkraftmaschine zu beheizen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich also leicht an sehr verschiedene Gegebenheiten anpassen.

12 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

VPA 75. P 7501 BRD - 11 - Patentansprüche . . - .... . , , . .;f; ..,,. . ■ ' < .··

1.' Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem durch katalytische Umsetzung von-Kohlenwässörstoffen und sauer st off hai tigern Gas in einem''S.pältgasgen^i'ätör geWöiirien'en Brenngas, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausnutzung des Wärmegehalts von Brenn- bzw. Abgas Methanol ,endotherm, .zu einem Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch umgesetzt und dieses Gasgemisch dem Spaltgasgeneiato'r (102) und/oder zusammen mit dem Brenngas der Brennkraftmaschine (101) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Methanol thermisch zersetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu zersetzende Methanol in das aus dem Spaltgasgenerator (102) kommende heiße Brenngas eingesprüht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des durch Zersetzung des Methanols mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff angereicherten Brenngases in den Spaltgasgenerator (102) zurückgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Methanol durch Wärmeaustausch mit dem Abgas der Brennkraftmaschine (101) oder mit dem der Brennkraftmaschine zuzuführenden Gas verdampft wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Methanol in einem durch Brenn- oder Abgas beheizten Reformer mit Wasser katalytisch umgesetzt wird.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Methanol und Wasser zusammen mit heißem Brenngas in den Methanolreformer (209) geleitet werden und das dort entstehende Gasgemisch der Brennkraftmaschine (201) zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum des Methanolreformers (309) von außen durch das aus dem Spaltgasgenerator (302) kommende heiße Brenngas beheizt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum des Methanolreformers (409) von außen durch die heißen Abgase der Brennkraftmaschine (401) beheizt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6, 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Reformergases dem Brenngas zugemischt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des den Reformer verlassenden Gasgemisches in den Spaltgasgenerator geführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Methanolreformer (409) zuzuführende Methanol und/oder Wasser durch Wärmeaustausch mit Abgas der Brennkraftmaschine (401) oder mit aus dem Spaltgasgenerator (402) kommendem heißen Gas verdampft oder vorgewärmt wird.

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