-
Verbrennungsmotor mit Reformiergasgenerator Gegenstand der Erfindung
ist ein Verbrennungsmotor, mit dem ein Reformiergasgenerator kombiniert ist, um
so die Abgabe von schädlichen Verbrennungsprodukten möglichst gering zu halten.
-
Bei herkömmlichen mit Reformiergasgenerator kombinierten Verbrennungsmotoren
wird eine Mischung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff wie Benzin, Luft, Wasser und
Motorabgasen durch einen mit Katalysatoren gepackten Reaktor geschickt, der auf
Temperaturen zwischen 250 und 10000C erhitzt ist, so daß ein Teil des Brennstoffs
in Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid umgewandelt wird, bevor die Verbrennungsmischung
in die Brennkammemdes Motors gelangt. Es wurde auch ein Verbrennungsmotor eines
Typs entwickelt und vorgefuhrt, bei dem Wasserstoff von einem Wasserstoffvorratstank
mit dem Kohlenwasserstoff
-Brennstoff gemischt wird. Bei Motoren
des ersteren Typs muß ein gesonderter Wassertank so montiert werden, daß keine Gefahr
von Rißbildungen beim Gefrieren von Wasser besteht. Wenn der Brennstoff Bleiverbindungen
enthält, sind in den Abgasen zwangsläufig Bleiverbindungen vorhanden, so daß die
Katalysatoren durch die Bleiverbindungen verschmutzt oder vergiftet werden. Aber
selbst wenn der Brennstoff keine Bleiverbindungen enthält, werden die Katalysatoren
durch Ruß und Teer in den Abgasen verschmutzt.
-
In allen Fällen kommt es daher zu einem Verlust der katalytischen
Aktivität. Wenn der Brennstoff durch cyclische Kohlenwasserstoffverbindungen wie
Benzin, Leichtöl, Kerosin und dergleichen gebildet wird oder wenn der Kohlenwasserstoff-Brennsto9f
Gummi bzw. gummiartige Anteile enthält, werden RuB und Teer auf den Katalysatoroberflächen,
den Innenwänden des Reaktors und der Innenwand der Brennstoffzufuhrleitung, die
den Reaktor mit dem Motor verbindet, abgeschieden, so daß die katalytische Aktivität
verlorengeht und Verstopfungen in der Brennstoffleitung auftreten.
-
Bei Verbrennungsmotoren des Typs,bei dem Wasserstoff von einem Wasserstoffvorratstank
her zugeleitet wird, besteht die Gefahr einer Explosion des Vorratstanks. Ferner
sind Wasserstoffbehälter im allgemeinen groß und schwer, so daß ihre Montage im
Kraftfahrzeug erhebliche ökonomische Nachteile mitsichbringt.
-
Ein Ziel der Erfindung ist daher ein Verbrennungsmotor mit einem
Reformiergasgenerator, bei dem die in herkömmlichen
Verbrennungsmotoren
auftretenden Schwierigkeiten im wesentlichen vermieden werden.
-
Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung im wesentlichen ein Verbrennungsmotor
kombiniert mit einem Reaktor ftlr eine thermische oder katalytische Reformierreaktion
von Alkohol oder alkoholhaltigen Mischungen mit Luft mit Ausnutzung von Wärme vorgesehen,
wodurch eine Umwandlung in wasserstoffhaltige reformierte Gase erfolgt und ferner
wird ein System f'r die Einspeisung reformierter Gase in die Verbrennungskammern
des Motors vorgesehen.
-
Gemäß der Erfindung kann das Problem der Alterung der Katalysatoren
gelöst, die Anwendung von großen und schweren Wasserstoffvorratstanks vermieden
und eine magere Verbrennungsmischung mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis, das um
Beträchtliches niedriger ist als das theoretische Luft-Brennstoff-Verhältnis , im
Motor ausreichend verbrannt werden , so daß die Abgabe von schädlichen Verbrennungsprodukten
beträchtlich vermindert werden kann. Gemäß der Erfindung wird der chemisch-katalytische
Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozeß nicht durchgeführt, um reformierte Gase derart
zu erzeugen, daß kein Ruß und Teer gebildet wird. Die Probleme der Katalysatorverschmutzung
und Verstopfung von Brennstoffzufuhrleitungen durch Ruß und Teer können somit vermieden
werden.
-
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der angefügten Zeichnungen
näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 ein Löslichkeitsdiagramm für Methanol, Wasser
und Kohlenwasserstoff, die im erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor verwendet werden;
Fig. 2 ein Schema für eine erste Ausführungsart der Erfindung; Fig. 3 ein weiteres
Schema für eine erste Abwandlung dieser ersten Ausführungsart; Fig. 4 ein Schema
für eine zweite Abwandlung der ersten Ausführungsart; Fig. 5 eine graphische Darstellung
der Beziehung zwischen der in einen Reformierreaktor eingespeisten Luftmenge und
der durch die Reformierreaktion gebildeten Menge an Wasserstoff und Kohlenmonoxid
sowie der gebildeten Rußmenge; Fig. 6 ein Schema für eine zweite Ausführungsart
der Erfindung; Fig. 7 ein Schema für eine Abwandlung derselben; Fig. 8 ein Schema
für eine dritte Ausführungsart der Erfindung; Fig. 9 eine Detailansicht eines Reaktors
derselben in vergrößertem Maßstabe; Fig.1O einen Ausschnitt desselben in noch weiter
vergrössertem Maßstabe und Fig.11 ein Schema für einen Teil einer für die Konstruktion
benutzten Katalysatoreinheit in noch weiter vergrossertem Maßstabe.
-
Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsarten bezieht
sich zunächst auf die durch die Figuren 1 bis 5 veranschaulichte erste Ausführungsart.
-
Gemäß Fig. 2 ist ein Luftreiniger 1 mit einem Motorblock 5 über eine
Einlaßleitung 2, eine Mischkammer 3,in der reformierte Gase mit Einlaßluft gemischt
werden und einen Vergaser 4 verbunden. Statt des Vergasers 4 kann irgendein geeignetes
Brennstoffeinspritzsystem verwendet werden. Die Abgase vom Motorblock 5 strömen
in eine Abgaskammer 6a, die von einem Gehäuse 6 begrenzt wird und dann in eine Abgasleitung
7. Ein Alkohol oder eine alkoholhaltige Mischung enthaltender Brennstofftank 8 ist
über eine Leitung 9, einen Alkoholzufuhrregler 10 O und eine Leitung 9a mit einem
Reformierreaktor 15 in Verbindung. Der Alkoholzufuhrregler 10 steuert die zum Reaktor
15 zuzuführende Menge an Alkohol oder alkoholhaltiger Flüssigkeit ansprechend auf
die Betriebsbedingungen des Motors. Ein Luftzufuhrregler 11 ist über eine Luftleitung
12 mit dem Reaktor 15 verbunden, um in den Reaktor 15 Luft in einer Menge von 1/3
bis 1/15 der eingespeistenbzwinlaßluftmenge einzugeben.
-
Im oberen Endabschnitt des Reaktors ist eine elektrische Zünd-oder
Heizvorrichtung 13 bestehend aus einem "Nicrom"- oder Tantaldraht oder einer Zünd-
oder Glühkerze angeordnet. Das Gehäuse 6 ist mit einer isolierenden Schicht 14 ausgekleidet,
um in der Abgaskammer 6a Hochtemperaturbedingungen aufrechtzuerhalten. Der Reaktor
15 ist mit Katalysator 16 zur Beschleunigung
der chemischen Reaktion
zwischen Luft und Alkohol gefüllt. Die Reaktionsprodukte oder -gase strömen vom
Reaktor 15 Uber eine Leitung 17 in einen Wärmeaustauscher 20,ion dem die Wärme zwischen
den Reaktionsprodukten oder reformierten Gasen und dem von einem Hauptbrennstofftank
18 Uber eine Brennstoffleitung 19 zugelieferten Hauptbrennstoff ausgetauscht wird.
-
Die ZUnd- oder Heizvorrichtung 13 startet die katalytische Reformierreaktion
innerhalb des Reaktors 15 zwischen der über den Luftzufuhrregler 11 zugeführten
Luft und dem durch den Alkoholzufuhrregler 10 zugeführten Alkohol bzw.
-
der alkoholhaltigen Mischung, so daß die reformierten Gase gebildet
werden. Die durch die Reformierreaktion erzeugte Wärme dient zur Erhöhung der Temperatur
des Katalysators 16 unmittelbar nach dem Start des Motors. Nach Uberschreiten einer
Abgastemperatur von 5000C erfolgt die katalytische Reformierreaktion unter der Wirkung
der Wärme der Abgase, so daß die ZUnd- oder Heizvorrichtung 13 abgeschaltet werden
kann.
-
Im Wärmeaustauscher 20 werden die reformierten Gase auf eine gewUnschte
Temperatur abgekühlt, während der Brennstoff vom Hauptbrennstofftank 18 aufgeheizt
wird. Das MischungsverMltnis zwischen den reformierten Gasen und der Einlaßluft
kann daher konstant gehalten und die Zerstäubung und Verdampfung des Brennstoffs
vom Hauptbrennstofftank 18 sehr erleichtert werden. Die reformierten Gase strömen
vom
Wärmeaustauscher 20 über eine Leitung 17a in die Mischkammer
3, wo die reformierten Gase mit der Einlaßluft gemischt werden. Der Hauptbrennstoff
strömt vom Wärmeaustauscher 20 über eine Brennstoffleitung 19a in einer solchen
Menge in den Vergaser 4, daß ein Luft-Brennstoff-Verhältnis, das kleiner ist als
das theoretische Mischungsverhältnis, erhalten werden kann. Die aus dem Hauptbrennstoff,
den reformierten Gasen und der Luft bestehende Verbrennungsmischung wird für die
Verbrennung in den Motorblock 5 eingespeist.
-
Wenn das Volumenverhältnis zwischen dem Hauptbrennstoff oder Benzin
und den reformierten Gasen iusgedrUcktin Methanol)beispielsweise bei 1:5 liegt,
kann eine stabile Verbrennung gewährleistet werden, selbst wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis
vom Benzin höher als 20 ist (d.h. 13, ausgedrückt als Überschußluftverhältnis).
Die Verminderung der Motorleistung ist vernachlässigbar und selbst unmittelbar nach
dem Start des Motors sind die Gehalte an schädlichen Verbrennungsprodukten wie Stickstoffoxiden,
Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen usw. in den Abgasen beträchtlich vermindert.
-
Das Verhältnis zwischen den reformierten Gasen (ausgedrückt in Methanol
und Benzin kann soweit herab wie 1:8 gesenkt werden, jedoch wird eine Änderung dieses
Verhältnisses abhängig vom Luft-Benzin-Verhältnis bevorzugt.
-
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der Produkte
des katalytischen Reformierprozesses im Reaktor 15.
Tabelle 1
| refor- Zusammensetzung in % (cm³/min) |
| Luft mierte Wasser |
| Alkohol |
| Gase Wasser- Stick- Kohlen- Kohlen- |
| cm³/min Methan Rest cm³/min |
| stoff stoff monoxid dioxid |
| cm³/min |
| 45,0% 26,2% 20,1% 2,9% 5,7% 0,03% |
| Methanol 100 305 0,015 |
| 137 80 61 9 17 1 |
| cm³/min cm³/min cm³/min cm³/min cm³/min cm³/min |
| 20,9% 34,8% 16,9% 9,1% 6,9% 20,4% |
| Äthanol 100 305 0,013 |
| 48 80 39 21 16 47 |
| cm³/min cm³/min cm³/min cm³/min cm³/min cm³/min |
Reaktionsbedingungen : Temperatur : 500°C Katalysator : Pt - Al2O3 Alkoholzufuhr:
0,15 cm³/min
Laborversuche haben gezeigt, daß die Zusammensetzung
der Produkte des katalytischen Reformierprozesses nahezu gleich bleiben.
-
Als Katalysator 16 können irgendwelche herkömmlichen Katalysatoren
dienen, die Oxide von Pt, Pd, Ni, Co, Fe, Cu, zur Au usw. oder die sog. keramischen
Verbindungen wie Al203, SiO2? MgO, Ca0 und dergleichen enthalten. Allerdings sind
Je nach angewandtem Katalysator die Zusammensetzung des Produkts des katalytischen
Reformierprozesses, dessen Volumen, die Temperatur, bei der der katalytische Reformierprozess
in stabiler Weise ablaufen kann und die gebildete Rußmenge leicht unterschiedlich.
Die wirksamsten Katalysatoren sind platin- und nickelhaltige Katalysatoren. Die
katalytische Reformierreaktion läuft bei einer Temperatur über 250 0C ab, Jedoch
liegt die Reaktionstemperatur vorzugsweise bei 300 bis 7000C, da die reformierten
Gase durch den Wärmeaustauscher 20 zur Abgabe ihrer Wärme an Benzin geschickt werden
müssen, um so die Zerstäubung und Verdampfung desselben zu erleichtern. Wegen des
Energieverlustes beträgt die Lufteinspeisung in den Reaktor 15 vorzugsweise etwa
100 cm3/min, d.h. etwa 10 % der erforderlichen Luftmenge für die theoretische Verbrennung
des Alkohols,damit die reformierten Gase in gewünschter Zusammensetzung gebildet
werden können.
-
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Anwendung von Methanol besonders
vorteilhaft ist, da Wasserstoff und Kohlenmonoxid
in großer Menge
gebildet werden. Ferner besteht ein weiterer Vorteil darin, daß nahezu kein Ruß
oder Teer auf den Katalysatoren abgeschieden wird. Wenn der katalytische Reformierprozeß
mit Äthanol durchgeführt wird, werden zusätzlich zum Wasserstoff, Kohlenmonoxid
und Methan verschiedene Verbindungen mit einer höheren Anzahl an Kohlenstoffatomen
gebildet, wie Äthan, Äthylen, Acetylen, Propylen und dergleichen und am Katalysator
Ruß angelagert, wenn auch nur in geringer Menge. Um die Reaktionsprodukte mit einer
höheren Anzahl von Kohlenstoffatomen zu vermindern, kann die Luftzufuhr bis auf
15 % der erforderlichen Luftmenge für die theoretische Verbrennung des Alkohols
erhöht werden, Jedoch ist eine Steigerung über 15 % hinaus nicht bevorzugt, da der
Energieverlust für den praktischen Zweck beträchtlich erhöht ist. In Summa muß die
Lufteinspeisungsmenge so gewählt werden, daß fast kein Ruß am Katalysator angelagert
wird. Am meisten bevorzugt wird eine Lufteinspeisungsmenge von etwa 15 Gew.5' der
erforderlichen Luftmenge für die theoretische Verbrennung von Methanol,wie wie aus
Fig.5 hervorgeht. Gemäß Fig. 5 erhält man mit einer Luftzufuhr von 100 cm3/min für
eine Alkoholeinspeisung von 0,15 cm3/min besonders günstige Ergebnisse. Wenn man
den Energieverlust mit berücksichtigt, kann die katalytische Reformierreaktion wie
folgt ausgedrückt werden: CH3OH + 0,22502 + 0,90N2 + 120 Kcal/Mol Pt
0,90N2 + 1,65H2 + 0,70CO + 0,1OCH4 + 0,15H20 + 0,20C02
Es handelt
sich also um eine endotherme Reaktion mit einer Wärmeaufnahme von 120 Kcal/Mol.
Wenn die Lufteinspeisung über 15 % hinausgeht, findet eine exotherme Reaktion statt
mit dem Ergebnis einer Verminderung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid.
-
Durch die katalytische Reformierreaktion gebildetes und in die Verbrennungskammern
geleitetes Wasser setzt nicht nur die Temperatur in den Verbrennungskammern herab,
sondern es dient auch zur Verminderung der Bildung von Stickstoffoxiden Es sollte
aberdarauf geachtet werden, daß keine großen Wassermengen entstehen, da diese eine
Korrosion des Motors verursachen und die Motorleistung herabsetzen würden.
-
Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzung der Produkte der katalytischen
Reformierreaktion von (a) einer Mischung von 80 5' Methanol und 20 % Wasser, (b)
einer Mischung von 86 % Methanol, 7 % Wasser und 7 ffi Kohlenwasserstoff und (c)
einer Mischung von 50 % Methanol und 50 % Kohlenwasserstoff.
Tabelle
2
| Zusammensetzung in % refor- Zusammensetzung in % und cm³/min |
| Luft- |
| miertes |
| Mischung Kohlen- zufuhr |
| Metha- Gas |
| Wasser wasser- H2 N2 CO CH4 CO2 C2H4 Rest |
| nol cm³/min |
| stoff cm³/min |
| 37,0% 33,5 13,5 10,5 4,5 0,5 1,5 |
| a 80 20 - 100 24,5 |
| 91 |
| 80 33 26 11 1 4 |
| cm³/min |
| 52,0% 36,5 16,0 4,5 1,0 - - |
| b 86 7 7 100 30,0 |
| 157 |
| 80 48 13 2 - - |
| cm³/min |
| 37,0% 36,0 17,5 3,3 7,0 - 1,0 |
| c 50 - 50 100 22,0 |
| 81 |
| 80 39 4 1,5 0,5 2,5 |
| cm³/min |
In diesen Mischungen (a), (b) und (c) sind Wasser, Methanol und
Kohlenwasserstoff nicht voneinander getrennt und gut vermischt, wie im Löslichkeitsdiagramm
von Fig. 1 durch den schraffierten Bereich angedeutet wird. Der benutzte Kohlenwasserstoff
hatte eine ähnliche Zusammensetzung wie gewöhnliches Benzin, wobei cyclische Kohlenwasserstoffverbindungen
(insbesondere aromatische Verbindungen) und Gehalte an Gummi stoffen bei sehr geringen
Werten lagen (weniger als 2 bis 3 5'). Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß das durch
die katalytische Reformierreaktion der Mischung (b) erzeugte Volumen an Wasserstoff,
Kohlenmonoxid und Methan am größten ist und daß das erzeugte Volumen an Wasserstoff,
Kohlenmonoxid und Methan umso größer wird, je höher der Methanolgehalt ist. Im Vergleich
zu anderen Kohlenwasserstoffverbindungen dienen Wasserstoff und Kohlenmonoxid einer
Erleichterung der Verbrennung von magerer Mischung, so daß es umso besser ist, Je
höher die Gehalte an Wasserstoff und Kohlenmonoxid sind.
-
Die nachfolgende Tabelle 3 zeigt die Zusammensetzung des Produkts
der katalytischen Reformierreaktion von aus Methanol und Benzin bestehenden Mischungen.
-
Tabelle 3
| Zusammensetzung in % (obere Zeile) |
| refor- |
| Luft- |
| Zusammensetzung in % |
| in cm³/min (untere Zeile) |
| mierte |
| zufuhr |
| Gase |
| cm³/min Wasser- Stick- Kohlen- |
| cm³/min |
| Methanol Benzin |
| stoff stoff monoxid |
| 37,0 33,5 13,5 |
| 80 20 100 245 |
| 91 80 33 |
| 28,5 38,0 10,5 |
| 70 30 100 210 |
| 60 80 23 |
| 24,0 42,0 8,0 |
| 65 35 100 190 |
| 46 80 15 |
Reaktionsbedingungen: Temperatur : 500°C Katalysator : Pt-Al2O3 Mischungszufuhr
: 0,15 cm³/min
Tabelle 3 (Forts.)
| Zusammensetzung in % (obere Zeile) |
| Ruß u. Teer |
| in cm³/min (untere Zeile) |
| Kohlen- |
| Methan Rest |
| dioxid |
| 10,5 4,5 2,0 |
| äußerst ge- |
| ringe Mengen |
| 26 11 5 |
| 12,5 6,0 4,5 |
| äußerst ge- |
| ringe Mengen |
| 26 13 9 |
| 13,0 5,5 7,5 Verlust der |
| katalytischen |
| Aktivität |
| 23 10 14 |
Je höher der Benzingehalt ist, umso größere Mengen Ruß und Teer
werden durch Crackung des Benzins gebildet und am Katalysator angelagert, so daß
die katalytische Aktivität verlorengeht. Das maximal zulässige Mischungsverhältnis
zwischen Methanol und Benzin liegt daher bei 7:3. Innerhalb dieses Verhältnisses
werden Methanol und Benzin in zwei gesonderte Schichten getrennt, selbst wenn 2
Volum 96 Wasser in der Atmosphäre durch Methanol absorbiert werden.
-
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der ersten Ausführungsart, die im Aufbau
im wesentlichen der ersten entspricht, nur daß die katalytische Reformierreaktion
nicht vermittels Abgaswärme abläuft, sondern durch die von der Zünd- oder Heizvorrichtung
13 erzeugte Wärme. Diese Konstruktion hat in der Weise einen Vorteil, daß der Reaktor
15 an einer vom Motorblock entfernten Stelle untergebracht werden kann, so daß Schäden
des Katalysators durch die Vibration des Motorblocks verhindert werden können.
-
Eine weitere Abwandlung der ersten Ausführungsart, die in Fig. 4
gezeigt ist, entspricht in der Konstruktion ebenfalls im wesentlichen der in Fig.
2 gezeigten ersten Ausführungsart, nur daß Benzin vermittels einer Benzineinspritzanordnung
21 direkt in die reformierten Gase eingespritzt wird. Diese Abwandlung hat gegenüber
der ersten Ausführungsart in der Weise einen deutlichen Vorteil, daß der Wärmeaustauscher
20 entfallen kann, so daß der Platzbedarf des Motors beträchtlich herabgesetzt werden
kann.
-
Der als Benzin bezeichnete Hauptbrennstoff kann selbstverständlich
durch andere Brennstoffe wie Kohlenwasserstoffe, Alkohol, Äther, Keton, Wasserstoff,
stickstoffhaltige Kohlenwasserstoffe (amonia-series hydrocarbon) und dergleichen
gebildet werden, die einzeln oder in Mischung anwendbar sind.
-
Der Alkoholzufuhrregler 10 wird im einzelnen in der Japanischen Patentanmeldung
Nr. 12659/72 beschrieben; er steuert die Zufuhr von Alkohol oder alkoholhaltiger
Mischung zum Reaktor 15 abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors. Der Luftzufuhrregler
11 kann durch eine Luftpumpe und ein Regelventil gebildet werden, dessen OXfnung
abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors gesteuert wird. Somit kann eine
Mischung von Luft und Alkohol oder alkoholhaltiger Mischung in vorbestimmtem Verhältnis
in den Reaktor 15 eingespeist werden.
-
Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsart der Erfindung.
-
Der Aufbau dieser in Fig. 6 gezeigten Ausführungsart entspricht im
wesentlichen der ersten Ausführungsart, nur daß der bei der ersten Ausführungsart
vorhandene Vergaser 4 entfällt. Ein Luftreiniger 101 ist mit einem Motorblock 105
Uber eine Lufteinlaßleitung 102 und eine Mischkammer 103 in Verbindung, wo die reformierten
Gase mit der Einlaßluft gemischt werden. Die Abgase vom Motorblock 105 strömen durch
eine von einem Gehäuse 106 umgrenzte Abgaskammer 106a in eine Abgasleitung bzw.
ein Auspuffrohr 107. Das Gehäuse 106
ist mit einem isolierenden
Material 114 zur Verhinderung der Ausbreitung von Wärme durch die Gehäusewand ausgekleidet.
Innerhalb der Abgaskammer 106a ist ein mit Katalysator 116 gepackter Reaktor 115
angeordnet, der mit einer elektrischen ZUnd- oder Heizvorrichtung 113 versehen ist,
die durch eine ZUndkerze oder "Nicromn- oder Tantaldraht gebildet wird und zu einer
Teilverbrennung von in den Reaktor 115 eingespeistem Alkohol bzw. alkoholhaltiger
Mischung dient unter Erhöhung der Temperatur des Katalysators 116, wenn der Motor
gestartet wird. Ein Brennstoffregelventil 110 dient zur Steuerung der Alkoholeinspeisung
in den Reaktor 115 und ist über eine Brennstoffleitung 109 und eine Brennstoffpumpe
110a mit einem Brennstofftank 108 und über eine Brennstoffleitung 109a mit dem Reaktor
115 in Verbindung. Ein Luftregelventil 111 zur Steuerung der Luftzufuhr zum Reaktor
115 ist zwischen den Luftzufuhrleitungen 111bund 112 angeordnet und (darüber) sowohl
mit einer Luftpumpe 111a als auch mit dem Reaktor 115 verbunden.
-
Die durch die katalytische Reformierreaktion im Reaktor 115 gebildeten
reformierten Gase strömen durch eine Reformiergasleitung 117 in einen Wärmeaustauscher
120, wo ein Wärmeaustausch zwischen den reformierten Gasen und Wasser oder Luft
stattfindet, die in den Wärmeaustauscher in Richtung der Pfeile 131 eingespeist
werden.
-
Nachfolgend wird die Arbeitsweise der zweiten AusfUhrungsart (mit
dem vorstehenden Aufbau) näher beschrieben.
-
Sowohl die Luftzufuhr als auch die Zufuhr von Alkohol oder alkoholhaltiger
Mischung zum Reaktor 115 werden durch die Luft- bzw. Brennstoffregelventile 111
bzw. 110 abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors gesteuert. Im Reaktor 115
erfolgt die katalytische Reformierreaktion zwischen Luft und Alkohol oder alkoholhaltiger
Mischung vermittels der Abgaswärme mit Hilfe des Katalysators 116 in der Weise,
daß reformierte Gase mit einem hohen Anteil an Wasserstoff gebildet werden können.
Die reformierten Gase strömen durch die Reformiergasleitung 117 in den Wärmeaustauscher
120, wo sie auf eine Temperatur in der Gegend von 1000C abgekühlt werden (d.h. auf
eine Temperatur oberhalb eines Punktes,bei bei dem die reformierten Gase verflüssigt
würden). Die abgekühlten reformierten Gase strömen in die Mischkammer 103, wo sie
mit der vom Luftreiniger 101 kommenden Einlaßluft gemischt werden und die Verbrennungsmischung
gelangt dann zur Verbrennung in den Motorblock 105.
-
Wenn der Motor gestartet wird, ist die Temperatur des Katalysators
116 niedrig, so daß ein Teil von in den Reaktor 115 eingespeistem Alkohol und Luft
durch die Zünd- oder Heizvorrichtung 113 verbrannt wird unter Erwärmung des Katalysators
116 auf eine Temperatur,bei der die katalytische Reformierreaktion zwischen Luft
und Alkohol oder alkoholhaltiger Mischung gestartet werden kann. Die ZUnd- oder
Heizvorrichtung 113 wird daher prinzipiell nur beim Start des Motors eingesetzt
bzw. mit Energie versorgt, jedoch kann diese Energieversorgung auch zu irgendeiner
Zeit während des
Motorbetriebes erfolgen, um eine stabile katalytische
Reformierreaktion zu gewährleisten.
-
Als Katalysator 116 kann irgendeiner der Katalysatoren von den Typen
angewandt werden,wie wie sie weiter oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsart
beschrieben sind.
-
Die mit einer isolierenden Schicht 114 ausgekleidete Abgaskammer
106a wird nicht nur dafür vorgesehen, die Reaktionskammer durch die Abgase aufzuheizen,
sondern sie dient auch der Verbrennung von im Abgas enthaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen.
-
Die magere Mischung von reformierten Gasen und Luft kann in die Zylinder
geleitet werden, so daß der Gehalt an schädlichen Gasen im Abgas beträchtlich vermindert
werden kann.Wenn die Reformiergase im sog.Schicht- bzw. Stufenverbrennungsmotor
verbrannt werden, kann die Abgabe schädlicher Verbindungen noch weiter herabgesetzt
werden. In diesem Falle wird eine relativ reiche Mischung von reformierten Gasen
und Luft in eine Verschluß- bzw. Abzugskammer des Motors geleitet, wo eine Zündkerze
montiert ist und die relativ magere Mischung wird in einen Hauptverbrennungsmotor
geschickt. Alternativ kann die aus reformierten Gasen und Luft bestehende reiche
Verbrennungsmischung zur Abzugskammer geschickt und die magere aus Luft und Kohlenwasserstoffbrennstoff
wie
Benzin, Leichtöl, Alkohol oder dergleichen bestehende magere
Mischung in die Hauptverbrennungskammer geleitet werden.
-
Die reformierten Gase haben eine höhere chemische Energie als Alkohol
oder alkoholhaltige Mischungen und die chemische Energie des Brennstoffs kann durch
die wirksame Ausnutzung der Abgaswärme erhöht werden. Die ausreichende Verbrennung
der mageren Mischung von reformierten Gasen und Luft kann gewährleistet werden.
Der thermische Wirkungsgrad des Motors kann somit im Vergleich zu herkömmlichen
Verbrennungsmotoren gemäß der Erfindung merklich erhöht werden.
-
Die in Fig. 7 gezeigte Abwandlung der zweiten Ausführungsart entspricht
im Aufbau im wesentlichen der beschriebenen zweiten Ausführungsart, nur daß der
Reaktor 115 so abgefaßt ist, daß eine thermische Reformierreaktion ohne Anwendung
von Katalysator bewirkt werden kann. Zur Verhinderung der Ableitung bzw. Ausbreitung
von Wärme vom Reaktor 115 ist letzterer mit einer isolierenden Schicht 114a ausgekleidet,
und Heizplatten 132 sind innerhalb des Reaktors 115 angeordnet, um die thermische
Reformierreaktion voranzutreiben.
-
Mehr im einzelnen wird ein Teil des über das Brennstoffregelventil
110 in den Reaktor 115 eingeleiteten Alkohols
bzw. der alkoholhaltigen
Mischung zur Erzeugung von Wärme für den Ablauf der thermischen Reformierreaktion
verbrannt. Die erzeugten reformierten Gase werden in praktisch ähnlicher Weise wie
bei der zweiten Ausführungsart zur Verbrennung in die Zylinder geleitet.
-
Eine dritte Ausführungsart wird an Hand der Figuren 8 bis 11 beschrieben.
Der in Fig. 8 gezeigte Aufbau entspricht im wesentlichen bezüglich der Konstruktion
der zweiten Ausführungsart. Ein Luftreiniger 201 ist über eine Einlaßleitung 202,
eine Mischkammer 203 und einen Vergaser 204 mit dem Motorkörper 205 in Verbindung.
Ein Reaktor 215 ist innerhalb einer Abgasleitung bzw. eines Auspuffrohres 207 von
großem Querschnitt untergebracht und mit einer elektrischen Zünd- oder Heizvorrichtung
213 versehen. Alkohol oder alkoholhaltige Mischung wird von einem Brennstofftank
208 herkommend durch eine Leitung 209, eine Brennstoffpumpe 210a, ein Brennstoffzufuhrregelventil
210 und eine Leitung 209a in den Reaktor215 geleitet. In ähnlicher Weise gelangt
Luft von einer Luftpumpe 211a herkommend über ein Luftzufuhrregelventil 211 und
eine Luftspeiseleitung 212 in den Reaktor 215. Die im Reaktor 215 erzeugten reformierten
Gase strömen durch eine Reformiergasleitung 217 in einen Wärme austauscher 220,
wo sie auf eine geeignete Temperatur abgekühlt werden.
-
Fig. 9 zeigt den mit zahlreichen Katalysatoreinheiten 216
gepackten
und innerhalb einer Querschnittserweiterung 207a der Abgasleitung 207 montierten
Reaktor 215 im Schema in vergrößertem Maßstabe. Umlenk- oder Leitplatten 234 sind
am Eingang der Querschnittserweiterung 207a vorgesehen, so daß die Wärme der Abgase
über den Reaktor 215 geeignet verteilt werden kann.
-
Eine Mehrzahl von Leitungen 235 erstreckt sich durch den Reaktor
215 in axialer Richtung der Abgasleitung 207, die einen geeigneten vertikalen Abstand
voneinander haben.
-
Wie in Fig. 10 gezeigt wird, ist eine große Zahl von steg-oder rippenförmigen
Metallträgern 236 aus rostfreiem Stahl oder Eisen der äußeren Oberfläche jeder Leitung
235 angefügt. Zur Gewährleistung der Haftung zwischen den Trägern 236 und den Keramikkörpern
216b wird Metallpulver 216a erschmolzen und über die Oberfläche der Träger 236 aufgetragen
und dann werden die Keramiken bzw.-körper 216b erschmolzen und über der Metallpulverbeschichtung
216a aufgebracht, wie am besten in Fig. 11 zu sehen ist. Wenn die Träger 236 aus
rostfreiem Stahl erzeugt sind, wird Nickel-Chrom-Pulver verwendet, wenn die Träger
236 dagegen aus Eisen sind, benutzt man Eisenpulver. Wenn eine ausreichende Haftung
zwischen den Trägern 236 und der Keramik 216b erreicht wird, ist die Beschichtung
mit Metallpulver 216a nicht erforderlich. ttber die Keramikschichten 216b werden
Schichten von Keramik wie g-Aluminiumoxid mit relativ großer spezifischer Oberfläche
aufgebracht und dann zum Katalysator 216c
imprägniert. Auf diese
Weise wird eine Katalysatoreinheit 216 gebildet. Vorzugsweise bestehen die Keramikschichten
216b aus hitzebeständigem Oxid wie Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid
oder dergleichen mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der demjenigen
des Trägers 236 ähnlich ist, so daß die Katalysatoreinheit 216 den durch Erwärmung
und Abkühlung hervorgerufenen Wärmespannungen ausreichend widerstehen kann.
-
Die Arbeitsweise der dritten Ausführungsart mit dem vorstehenden
Aufbau entspricht im wesentlichen derjenigen der ersten und zweiten Ausführungsarten.
Die Alkoholzufuhr zum Reaktor 215 wird durch das Brennstoffregelventil 210 kontrolliert
und die Luftzufuhr durch das Luftzufuhrregelventil 211 (die Luftmenge beträgt etwa
1/6 der für die theoretische Verbrennung des Alkohols erforderlichen Luftmenge).
Ein Teil des in den Reaktor 215 eingespeisten Alkohols wird durch die Zündvorrichtung
213 verbrannt zur Aufheizung der Katalysatoreinheiten 216 auf eine Temperatur, bei
der die katalytische Reformierreaktion abläuft.
-
Die Abgase werden durch die Leitplatten 234 geeignet abgelenkt und
strömen durch die Leitungen 235, so daß die Träger 236 und damit die Katalysatoreinheiten
216 sehr wirksam aufgeheizt werden können. Wenn die Katalysatoreinheiten 216 eine
geeignete Temperatur erreicht haben, wird die Zündvorrichtung 213 abgeschaltet.
-
Die im Reaktor 215 erzeugten reformierten Gase strömen in den Wärmeaustauscher
220 und kühlen sich ab. Die gekühlten reformierten Gase werden in der Mischkammer
203 mit Einlaßluft gemischt und dann im Vergaser 204 mit herkömmlichem Brennstoff.
Die Verbrennungsmischung wird für die Verbrennung in den Motorkörper 205 geleitet.
Da die reformierten Gase Wasserstoff enthalten, kann die Verbrennung einer relativ
sehr magerenVerbrennungsmischung gewährleistet und die Abgabe von schädlichen Gasen
oder Verbindungen auf ein Minimum herabgesetzt werden.
-
Die reformierten Gase können im Vergaser mit irgendzelchen geeigneten
Brennstoffen wie Benzin, Leichtöl, Kerosin, Dieselöl, Keton, Alkohol und dergleichen
gemischt werden.
-
Der zu reformierende Alkohol kann Methanol, Äthanol, Propylalkohol
und anderer niederer Alkohol sein. Zusätzlich zum Alkohol kann eine Mischung von
Alkohol mit Benzin, Kerosin, Leichtöl, Dieselöl und dergleichen verwendet werden.
-
Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung der Katalysatoreinheiten
216 beschrieben. Die Metallträger 236 werden aus rostfreiem Stahl SUS 430 erzeugt
und die Schichten von Nickel-Chrom-Pulver werden auf dem Träger 236 durch ein Schmelz-Flammspritzverfahren
gebildet. Danach werden die Aluminiumoxidschichten durch das Schmelz-Flammspritzverfahren
aufgebracht. Der so beschichtete. Metallträger 236 wird 5 bis 10 Minuten lang in
eine wässrige Lösung von
γ Aluminat bzw. /Aluminiumoxid (alimina)
und Äthylsilicat (das als Binder wirkt) in einer Vakuumatmosphäre (um Luftblasen
zu entfernen) getaucht. Dann wird der Träger 236 2 Stunden lang bei einer Temperatur
zwischen 150 und 200°C getrocknet und dann 1,5 bis 2 Stunden lang bei einer Temperatur
über 4000C gesintert, so daß g-Aluminiumoxid auf der Aluminiumoxidschicht abgelagert
wird. Der obige Schritt wird einige Male im Kreislauf wiederholt. Danach wird der
Träger in eine 0,5 molare Ferrinitratlösung in einer Vakuumatmosphäre (zur Entfernung
von Luftblasen) zur Imprägnierung mit Eisen getaucht. Der Träger wird dann bei 110°C
getrocknet und danach 2 Stunden lang bei 600°C gesintert, so daß das Eisen in oxidischer
bzw. oxidierter Form erhalten werden kann. Anschließend erfolgen Imprägnierung,
Trocknung und Sinterung unter Verwendung einer 2,5 Mol Nickelnitrat und 1,5 Mol
Chromtrioxid enthaltenden Lösung und dann mit einer Lösung von 1,5 Mol Kupfernitrat
und 2,5 Mol Nickelnitrat. Auf diese Weise kann ein Katalysator der Fe-Ni-Cr-Cu-Serie
auf der -Aluminiumoxidschicht abgelagert werden.
-
Die katalytische Reformierreaktion von Methanol kann mit der Katalysatoreinheit
216 des beschriebenen Typs bei 1500C ausgelöst werden und sie ist am wirksamsten
bei etwa 300°C. Durch die katalytische Reformierreaktion von 1 Mol Methanol können
1,4 bis 1,5 Mol Wasserstoff und 0,7 bis 0,8 Mol Kohlenoxid gebildet werden, wie
nachfolgend gezeigt ist:
CH30H + 0,10 °2 + 0,40 N2 + Q
0,40 N2 + 1,45 H2 + 0,70 CO + 0,15 OH + 0,20 H20 + 0,15 C02 Gemäß der Erfindung
ist die Ablagerung von Ruß und Teer auf den Katalysatoreinheiten sehr gering und
die Katalysatoreinheiten haben eine ausreichende Festigkeit und höhere thermische
Leitfähigkeit und zeigen eine ausgezeichnete katalytische Aktivität. Die Katalysatoreinheiten
gemäß der Erfindung sind somit der Montage an Verbrennungsmotoren zur Verminderung
von schädlichen Emissionen am besten angepaßt.
-
Gemaß der Erfindung werden die gebildeten wasserstoffhaltigen Reformiergase
direkt oder gemischt mit Benzin odgl.
-
zur Verbrennung in den Motor geleitet.