DE2530653A1

DE2530653A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung wasserstoffreichen gases

Info

Publication number: DE2530653A1
Application number: DE19752530653
Authority: DE
Inventors: Donald John Cerini; John Houseman
Original assignee: DIE REGIERUNG DER VEREINIGTEN; National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: DIE REGIERUNG DER VEREINIGTEN; National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1974-07-10
Filing date: 1975-07-09
Publication date: 1976-01-29
Also published as: AU500121B2; IT1039754B; US3982910A; JPS5413230B2; GB1489704A; CA1070501A; SE7507759L; JPS5131695A; AU8282175A; FR2277764A1

Description

Pafonfanwak DipHng. Eb| Merges

8011 Pöring/München Commerzbank München

Hubertusstrasse 20 4406120

Telefon (08106) 2176

Telegramme Postscheck München

PATENTMENGES Zorneding 307487-803

253G653

Tag/Date 8. Juli 1975 Anwaltsakte: N 109

Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika, vertreten durch National Aeronautics and Space Administration,

Washington, D.C, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung wasserstoffreichen

Gases

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Erzeugung wasserstof freichen Gases und insbesondere Verbesserungen derselben.

In der deutschen Patentanmeldung P 24 38 217.O (DT-OS 2 438 217) ist eine Anordnung vorgeschlagen,bei welcher der Ausstoss von Luftverunreinigungsstoffen eines Verbrennungsmotors durch Mischen von Wasserstoff mit einem sehr mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch herabgesetzt wird, welches dann als Motorkraftstoff in den Motor injiziert wird. Zur Erzeugung des Wasserstoffes sind in dieser Patentanmeldung sowie in den deutschen Patentanmeldungen P 24 39 873.0

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(DT-OS 2 439 873) und P 24 39 872.9 (DT-OS 2 439 872) Wasserstoffgeneratoren vorgeschlagen worden, welche zur Verwendung in Verbindung mit einem Kraftfahrzeugverbrennungsmotor geeignet sind. Diese Wasserstoffgeneratoren oxydieren teilweise einen Sprühnebel von zerstäubtem flüssigem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff in einem Luft/Dampf-Gemisch, um ein im wesentlichen russfreies wasserstoffreiches Gas zu erzeugen. Die Verwendung von Dampf und/oder Wasser erfordert, dass in dem Fahrzeug ein Wassertank mitgeführt wird, dessen Grosse schätzungsweise in der Grössenordnung von 19 Liter liegt. Die zusätzlichen Kosten eines Wassertanks und die Kosten für die Bereitstellung von Tankstelleneinrichtungen zum Nachfüllen des Tanks mit reinem Wasser stellen eine beträchtliche Investition dar. Ausserdem ergeben sich bei kaltem Wetter durch das Hinzufügen eines geeigneten Frostschutzmittels zu dem Wasser und durch die Verwendung von Heizelementen zum Verhindern des Gefrierens des Wassers weitere Komplikationen, die teuer sein können. Diese Komplikationen könnten vermieden werden, wenn es möglich wäre, einen Wasserstoffgasgenerator zu schaffen, welcher kein Wasser oder keinen Dampf benötigt und trotzdem noch entweder im wesentlichen oder vollständig russfreies wasserstoffreiches Gas erzeugen kann.

Ein Ziel der Erfindung ist es, einen Generator für wasserstoffreiches russfreies. Gas zu schaffen.

Die Erfindung schafft neue und nützliche Verfahren und Einrichtungen zum Erzeugen eines russfreien wasserstoffreichen Gases aus flüssigem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff.

Weiter ist es Ziel der Erfindung, eine verbesserte Konstruktion für einen Generator für wasserstoffreiches Gas zu schaffen.

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Die Erfindung schafft einen tragbaren Generator für wasserstoffreiches Gas, welcher sich zur Verwendung in Verbindung mit einem Kraftfahrzeugverbrennungsmotor eignet.

Die vorgenannten und weitere ziele und Merkmale der Erfindung können in einer Anordnung erreicht werden, in welcher Luft, die mit dem Kraftstoff zu vermischen ist, vorgewärmt wird. Der Kohlenwasserstoff-Kraftstoff wird vergast und anschliessend mit der vorgewärmten Luft vermischt. Anschliessend wird das Gemisch gezündet und es wird eine Teiloxydation gestattet. Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, dass ein Teil des Produktgases, welches erzielt wird, mit der vorgewärmten Luft vermischt wird, die in den Wasserstoffgenerator eingeleitet wird. Statt des Produktgases kann ein Teil des mageren Motorabgases mit der vorgewärmten Luft vermischt werden, um die Produktausbeute zu verbessern.

Schliesslich und vorzugsweise werden niedrigere Luft-Kraftstoff-Verhältnisse bei niedrigeren Betriebstemperaturen geschaffen, indem die Produkte der Brennkammer in dem Wasserstoffreaktor durch ein Nickelkatalysatorbett hindurchgeleitet werden, in welchem eine flammenlose Teiloxydation des Kraftstoffes an der Oberfläche des Katalysators stattfindet, um ein wasserstoffreiches Gas zu erzeugen.

Der neue Reaktor selbst hat eine im wesentlichen zylindrische Gestalt und es sind Vorkehrungen getroffen, um die eintretende Luft mit dem austretenden Produktgas vorzuwärmen. Durch die neue Kraftstoffeinspritzanordnung wird, während der Generator anläuft, der Kohlenwasserstoff-Kraftstoff als ein fein zerstäubter Sprühnebel in die Brennkammer eingespritzt. Wenn die Temperatur der vorgewärmten Luft anzeigt, dass die Brennkammer eine zweckmässige Betriebstemperatur erreicht hat,

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wird die Wärme der Brennkammer zum Vergasen des flüssigen •Kraftstoffes verwendet, der anschliessend mit der eintretenden Luft und mit Produktgas oder Abgas vermischt wird.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kurve, welche die theoretische

Wasserstoffausbeute zeigt, die durch die adiabatische Verbrennung von Gemischen von Luft, Kohlenwasserstoff und Wasser erzielt werden kann,

Fig. 2 Kurven, welche die adiabatische

Flammentemperatur als eine Funktion des Luft/fcraftstoff-Mengenverhältnisses und für Wasser/Kraftstoff-Mengenverhältnisse von O, und 2 zeigen,

Fig. 3 eine Kurvenschar, welche die Ver

teilung der verschiedenen Gattungen in Abhängigkeit von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis zeigt, wenn kein Wasser hinzugefügt ist,

Fig. 4 eine Reihe von Kurven, welche die

Auswirkung der Luftvorwärmung auf die Endglexchgewichtstemperatur zeigen,

Fig. 5 im Schnitt eine Ausführungsform

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eines Wasserstoffgenerators nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Schnittansicht, welche die

Art der bei der Erfindung verwendeten Einspritzdüse zeigt,

Fig. 7 eine Schnittansicht, welche eine

Ausführungsform der Erfindung zeigt, die Produktgas zurückliefert,

Fig. 8 eine schematische Schnittansicht

einer Ausführungsform der Erfindung, welche Motorabgas zurückliefert,

Fig. 9 eine Schnittansicht einer weiteren

bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 10 eine Schnittansicht einer Ausführungs

form der Erfindung, welche die Verwendung eines Katalysators veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt die theoretische Wasserstoffausbeute, die aus der adiabatischen Verbrennung von Gemischen aus Luft, Kohlenwasserstoff und Wasser erzielt werden kann. JP-5-Kraftstoff ist bei diesen Berechnungen verwendet worden, da sein Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis (1,92) etwa das gleiche ist wie bei Indolene (USA-Test-Motorenbenzin). Diagramme für andere Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe sind sehr ähnlich. Man sollte sich vergegenwärtigen, dass in der tatsächlichen Praxis das chemische Kinematikverhältnis der Reaktion die Produktbildung steuern kann. Das chemische Gleichgewicht stellt .somit nur ein Ziel dar, welches erreicht oder nicht

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erreicht werden kann. Die Wasserstoffausbeute ist in Fig. 1 als die pro Einheit der Kraftstoffmenge erzeugte Wasserstoffmenge in Abhängigkeit von dem Luft/Kraftstoff-Mengenverhältnis und für Wasser/Kraftstoff-Mengenverhältnisse von O, 1 und 2 ausgedrückt und durch die Kurven 10 bzw. 12 bzw. 14 dargestellt. Die adiabatische Flammentemperatur ist in Abhängigkeit von denselben Parametern in Fig. 2 durch Kurven lOA bzw. 12A bzw. 14A dargestellt. Die Kurven in Fig. 3 zeigen die Verteilung der verschiedenen Gattungen (species) in Abhängigkeit von der Luft/Kraftstoff-Menge, wenn kein Wasser hinzugefügt ist.

Wie die Fig. 1 und 3 zeigen, steigt die Wasserstoffausbeute, wenn der Wasserzusatz Null ist, von einer Nullstöchiometrie mit abnehmenden Luft/Kraftstoff-Verhältnissen an, bis sie bei einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 5,15 (Kurve 10) ein Maximum erreicht, wo die Russbildung beginnt. Die Erzeugung von Russ nimmt bei niedrigeren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen betnächtlich zu. Der Zusatz von Wasser steigert die Wasserstoffausbeute nicht sehr, wie die Kurven 12 und 14 in Fig. 1 zeigen. Streng auf dieser Basis scheint die beträchtliche Komplexität des Hinzufügens von Wasser nicht gerechtfertigt zu sein. Der Wasserzusatz erfüllt jedoch eine wertvolle Aufgabe. Er unterdrückt die Russbildung. Beispielsweise wird bei einem Wasser-zu-Kraftstoff-Verhältnis von 1,0 Russ erst unterhalb, eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von 5,15 ohne Wasser gebildet. Dieser Russunterdrückungswert des Wasserzusatzes ist von Bedeutung, wenn ein Sprühnebel von Flüssigkeitströpfchen in der Luft verbrannt wird. Dieses Problem kann jedoch durch Vergasen des flüssigen Kohlenwasserstoffes und durch sorgfältiges Vermischen desselben mit der Luft vor dem Einleiten des Gemisches in eine Zündzone minimiert werden. Dieses Verfahren sichert ein gleichmässiges Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis für den

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gesamten Kraftstoff und das ist es, was durch die Erfindung ausgeführt wird.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen die Bedingungen, wenn die Reaktion vollständig stattgefunden hat, d.h. wenn Gleichgewicht sbedingungen erreicht worden sind. In der Praxis kann die Geschwindigkeit, mit welcher eine Reaktion dem Gleichgewicht zustrebt, so niedrig sein, dass das Gleichgewicht in einer endlichen Zeitspanne nicht erreicht wird. Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt jedoch häufig exponentiell mit der Temperatur an und das ist es, was bei der teilweisen Oxydation von Kohlenwasserstoffen passiert. Es hat sich gezeigt, dass höhere Reaktionstemperaturen zu einer engeren Annäherung an das Gleichgewicht führen. Höhere Reaktionstemperaturen, d.h. Flammentemperaturen, können durch Vorwärmung der Luft erzielt werden. Demgemäss wird bei den im folgenden beschriebenen thermischen Reaktoren eine hohe Luftvorwärmung verwendet, um hohe Wasserstoffausbeuten zu erzielen. Eine weitere Möglichkeit der Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion besteht in der Verwendung eines Katalysators. Dieses Verfahren wurde bei dem weiter unten beschriebenen katalytischen Reaktor verwendet, in welchem hohe Reaktionsgewschindigkeiten und hohe Wasserstoffausbeuten ohne die Verwendung hoher Temperaturen erzielt wurden. Es hat sich gezeigt, dass die· theoretische Gleichgewichtsproduktzusammensetzung durch die höhere Temperatur kaum beeinflusst wird. Fig. 4 zeigt drei Kurven lOB bzw. 12B bzw. 14B für Wasser/Kraftstoff-Mengenverhältnisse, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, die die Änderung der Gleichgewichtstemperatur mit zunehmender Einlasstemperatur zeigen. Die Auswirkung der Luftvorwärmung auf die Endgleichgewichtstemperatur ist beträchtlich.

Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung. Sie enthält grundsätzlich drei

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Teile. Einen Brennerabschnitt 16, einen Verbrennungsabschnitt 18 und einen .Wärmeaustauschabschnitt 20. Der Brennkammerabschnitt 18 und der Wärmeaustauschabschnitt 2O bilden zusammen einen Hohlzylinder, der eine Aussenwand 22, eine mit Abstand davon angeordnete Innenwand 24 und dazwischen eine geeignete Isolation 26, wie beispielsweise Schmelzkeramik, hat. Der Wärmeaustauschabschnitt 20 enthält mehrere Röhren, wie beispielsweise die Röhren 28 und 30, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und sich von der Brennkammer zu einem Sammelraum 32 erstrecken, der zu dem Auslassflansch 34 führt.

Mehrere Leitbleche,wie beispielsweise die Leitbleche 36 und 38, sind mit Abstand voneinander angeordnet und stehen von gegenüberliegenden Seiten der Innenwand 24 derart vor, dass Luft, welche aus einer Luftquelle 40 durch einen Einlassflansch 42 in den Wärmeaustauscherbereich eingeleitet wird, einen Zickzackweg durch den Raum zwischen den Röhren 28, 30 nimmt, bis sie einen Luftauslassflansch 44 erreicht, der an dem zu dem Lufteinlassflansch und dem Wärmeaustauscherbereich entgegengesetzten Ende vorgesehen ist. Auf diese Weise kommt die Luft mit den Röhren in Kontakt, durch welche heisse Verbrennungsgase hindurchgehen. Die Leitbleche 36, 38 sorgen für eine Querströmung der Luft über diesen Röhren und bewirken somit eine wirksame Wärmeübertragung. Ein Ausgleichbalg 46 in der Innenwand beseitigt Wärmespannungen in derselben sowie in den Röhren.

Die Luft verlässt den Auslassflansch 44 und wird in den Brenner 16 geleitet. Beim Anlassen wird ein flüssiger Kohlenwasserstoff-Kraftstoff aus einer Quelle 50 durch ein Wechselventil 52 in den Brenner 16 gepumpt. Der Brenner hat eine Anlassdüse 54, die einen Sprühnebel von flüssigen

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Tröpfchen in die Brennkammer 56 in dem Verbrennungsabschnitt 18 schickt.

Das Luft/Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer wird durch eine Zündkerze 58 gezündet, die aus einer elektrischen Energiequelle 6O gespeist wird. Es findet dann eine Teiloxydationsreaktion statt, bei der wasserstoffreiches Gas und Verbrennungsgas erzeugt werden, die in die Röhren 28, 30 eintreten, durch diese hindurchgehen und mit der eintretenden Luft Wärme austauschen, so dass das Produktgas, welches abgegeben wird, abgekühlt worden ist.

Während des Anlassens wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis oberhalb des normalen Bemessungswertes für vergasten Kraftstoff und in einem. Gebiet gehalten, wie die Kurve 10 zeigt, in welchem ein russfreier Betrieb stattfindet. In dem Luftauslassflansch ist ein Temperaturfühler 62. Wenn der Fühler 62 feststellt, dass ein voreingestellter Temperaturwert durch die vorgewärmte Luft überschritten worden ist (eine Temperatur oberhalb der Taupunktstemperatür des flüssigen Kraftstoffes), steuert er das Wechselventil· 52,um zu verhindern, dass der Anlassdüse in dem Brenner weiterer Kraftstoff zugeführt wird und damit statt dessen der Kraftstoff einer KraftstoffVergasungsschlange 64 zugeführt wird. Änderungen der dem Brenner und dem Vergaser (Verdampfer) zugeführten Kraftstoffmenge werden durch die Grossen der Auslassöffnungen des Wechselventils festgelegt. Die Schlange 64 ist auf den inneren Metallmantel der Brennkammer, d.h. auf die Innenwand 24 gewickelt und in die Isolation 26 eingebettet.

Der vergaste Kraftstoff verlässt den Schlangenausl·ass und wird anschliessend mit dem erwärmten Luftstrom vermischt, der aus dem Luftauslassflansch 44 kommt. Der vorgemischte Strom aus vergastem Kraftstoff und Luft gelangt

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nun durcb dien Brenner 16 hindurch in die Brennkammer, wo eine Teiloxydation des Kraftstoffes stattfindet, um ein wasserstoffreiches Gas zu erzeugen. Es ist zu erkennen, dass, wenn das Wöchselventil 52 auf d ie "Vergaster -Kraftstoff "-Stellung eingestellt wird, das Luft-zu-Kraftstoffverhältnis auf den Betriebswert für vergasten Kraftstoff verringert

Zur Erläuterung und nicht als Einschränkung der Erfindung sei angegeben, dass das Wechselventil 52 in die Stellung, in welcher der Vergasungsschlanga Kraftstoff zugeführt wird, umgeschaltet wurde, als die Luftvorwärmtemperatur 232 °C (450 °F> erreichte. Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die gebaut worden ist, wurde der vorgewärmten Luft gestattet, eine Temperatur von 649 C (1200 F) zu erreichen, wodurch eine Reaktionstemperatur von 1314 °C (2400 °F) erzeugt wurde, die eine maximale Ausbeute an wasserstoffreichem Gas ergab. Die Luftvorw/ärmtemperatur kann in grossem Ausmass durch die Konstruktion des Wärmeaustauschabschnitts festgelegt werden.

Die heisse Innenwand 24/d.h. der von ihr gebildete Zylinder ist konstruiktionsmässig ein schwimmendes Teil, welches durch die Wärmeisolation, wie beispielsweise den Schmelzkeramik— isolator, abgestützt ist, der einen beträchtlichen Temperaturgradienten aufbaut, so dass die Aussenwand 22 sich auf einer viel niedrigeren Temperatur befindet. Die kalte Aussenwand dichtet die Einheit ab und sorgt für die Festigkeit der Konstruktion·.

Die Einheit wird abgeschaltet, indem zuerst die Kohlenwasserstoff zufuhrpümpe abgeschaltet wird, wodurch die Luft für einige Sekunden eingeschaltet gelassen wird, die somit die Einheit von wasserstoff reinigt. Dadurch wird verhindert, dass ein System von restlichen wasserstoffreichen Gasen

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zurückbleibt, welche ein potentielles Sicherheitsrisiko darstellen können.Zwischen -der Luft und dem wasserstoffreichen Gas erfolgt während dieser Phase eine unzureichende Vermischung, die nicht ausreicht, um irgendeine nennenswerte Wärmefreigabe in dem Wärmeaustauscher oder in der Leitung dahinter stattfinden zu lassen.

Wenn die Einheit mit einem äusserst niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis arbeiten soll, bei welchem die Russbildung zu einem Problem wird, kann ein Wasserzusatz zur Russunterdrückung verwendet werden. Wasser kann dem Kraftstoff an dem Einlass in die KraftstoffVergasungsschlange zugesetzt werden. Das gilt für den stabilen Betriebszustand. Das Anlassen würde in der oben beschriebenen Weise ohne Wasser ausgeführt werden.

Fig. 6 zeigt eine vergrösserte und detaillierte Schnittansicht des Brenners 16. Die Anlassdüse 54 ist durch die gestrichelten Mittellinien dargestellt. Wenn das Wechselventil so eingestellt wird, dass der Vergasungsschlange Kohlenwasserstoff-Kraftstoff zugeführt wird, so werden die vorgemischten Speisegase in zwei schraubenlinienformige Röhren 70 bzw. 72 und in die beiden Durchlässe zwischen den Röhren geleitet und anschliessend in die Brennkammer als ein stark nach aussen rotierender Gasring eingeleitet, der durch vier Ströme dargestellt ist, die sich beim Austreten vereinigen und von denen zwei Ströme 74 und 76 dargestellt sind. Die Länge der Flamme, die vorhanden ist, kann massgeschneidert werden, indem der Winkel des öchraubenlinienförmigen Weges in dem Brenner geändert wird. Ein steilerer Winkel ergibt eine längere Flamme. Es gibt einen Kompromiss zwischen der Flammenlänge und der Tatsache, dass die längere Flamme den heissesten Flammenteil im Zentrum und weg von den Wänden

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der Brennkammer hält.

Fig. 7 ist eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Produktgas im Kreislauf zurückgeführt wird. Der Vorteil der Verwendung \m Produktgas besteht darin, dass es den Sauerstoffgehalt der Luft verdünnt und den Reaktionsmechanismus verändert. Der Wasserstoff in dem Produktgas verändert auch die Verbrennungsreaktionen und erhöht die Flammenstabilität. Die Kombination dieser Faktoren unterdrückt die Kohlenstoffbildung. Das Gesamtergebnis ist, dass die in Fig. 7 dargestellte Einheit, bei welcher ein Produktgaswiederumlauf verwendet wird, ohne Russbildung bei einem niedrigeren Luft/Kraftstoff-Verhältnis als die in Fig. 5 dargestellte Einheit betrieben werden kann. Ein niedrigeres Luft/Kraftstoff-Verhältnis stellt einen wirksameren Betriebszustand dar. Es sollte beachtet werden, dass der Produktgaswiederumlauf dem Generator keine Nutzenergie hinzufügt, da. der Produktgasstrom auf oder unterhalb der adiabatischen Flammentemperatur ist.

Der in Fig. 7 dargestellte Wasserstoffgenerator gleicht dem in Fig. 5 dargestellten, mit der Ausnahme, dass ein Gas-Gas-Saugapparat 80 hinzugefügt worden ist. Ausserdem ist eine Auslassöffnung 82 für die Verbrennungszone vorgesehen worden, damit das Wasserstoffproduktgas zu dem Saugapparat 80 strömen kann. Die vorgewärmte Luft strömt 3us dem Wärmeaustauscherauslassflansch 44 in eine Venturidüse 84, deren konvergierende Abschnitte eine hohe Luftgeschwindigkeit an dem Ende derselben erzeugen. Die resultierende hohe Luftgeschwindigkeit verursacht einen Bereich niedrigen Druckes in der Nähe der Venturidüsenverengung, wodurch das Produktgas aus der Produktgasauslassöffnung 82 gesaugt und in der Düse 88 mit dem Luftstrom vermischt wird. Das Gemisch aus Luft und Produktgas tritt aus den divergierenden Abschnitten der Düse 88 aus und wird anschliessend mit dem vergasten Kraftstoff vermischt.

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Der resultierende Strom tritt an dem Brennereinlassflansch in den Brenner 16 ein.

Ansonsten stimmt der Betrieb der in Fig.7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung mit der anhand der Fig. 5, 6 beschriebenen überein und wird deshalb nicht erneut beschrieben.

Fig. 8 zeigt eine Ausfuhrungsform der Erfindung, bei welcher mageres Motorabgas an Stelle des Produktgases mit der vorgewärmten Luft vermischt wird. Der Abgasstrom aus einem Verbrennungsmotor, der mit Äquivalenzverhältnissen in der Grössenordnung von O,5 betrieben werden kann, enthält grössenordnungsmässig 10 Volumenprozent Sauerstoff, hat einen hohen Wassergehalt(6 Volumenprozent) und eine hohe Temperatur (mindestens 538 C). Folglich kann dieser Abgasstrom einen Teil der erforderlichen Generatorluft ersetzen und er hat ausserdem als vorteilhafte Eigenschaften einen hohen Wassergehalt und eine hohe Vorwärmung. Es muss jedoch darauf geachtet werden, wieviel Abgas verwendet wird» da unterhalb eines Sauerstoffgehalts von ungefähr 13 Volumenprozent Motorenbenzin nicht mehr entflammbar ist. Dieser mindestens erforderliche Sauerstoffwert nimmt mit zunehmender Temperatur ab.

Ein verbrennungsmotor der in der eingangs erwähnten DT-OS 2 438 217 angegebenen Art veranschaulicht den Motortyp« dessen Abgase verwendet werden können. Das gilt jedoch nur als Beispiel und nicht als Einschränkung für einen geeigneten Verbrennungsmotor.

Es ist zu erkennen, dass die Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 8 dargestellt ist, im wesentlichen mit der in Fig. 7 sowie der in Fig. 5 dargestellten identisch ist, ausgenommen, dass ein Saugapparat 90 angeschlossen ist, der

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die vorgewärmte Luft aus dem Auslassflansch 44 empfängt, wie oben beschrieben:. Die weitere Zufuhr zu dem Saugapparat 90 erfolgt aus der Quelle 92 für mageres Motorabgas. Das Abgas wird »it der vorgewärmten Luft gemischt und der Saug— apparatauslasstrom wird dann mit dem vergasten Kraftstoff vermischt und anschliessend dem Brenner zugeleitet. Der Betrieb der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist ansonsten mit der zuvor beschriebenen identisch. Die in Fig. 8 gezeigte Einheit kann ohne Russbildung mit einem niedrigeren! Lioif t/Kraftstoff -Verhältnis als die in Fig. 5 dargestellte Grundeinheit betrieben werden.

Fig. 9 zeig/t im Schnitt eine Aus führ ungs form der Erfindung» bei welcher das Produktgas, welches zurückgeleitet wird» um mit dem eintretenden Luft/Kraftstoff-Gemisch vermischt zu werden, innen entnommen wird, ohne das Produktgas aus dem Brenner hinauszuleiten. Dadurch wird die Grosse des erforderlichen Luftdruckes zur Erzielung einer gewissen Wiederanlauf menge verringert.

Die Einheit wird wieder angelassen, indem flüssiger Kohlenwasserstoff durch eine Sprühdüse 54 eingeleitet wird,, die weiter in dlie Brennkammer vorragt als bei den vorhergehenden· Äusführu-ngsforaen dier Erfindung. Sie erstreckt sich durch einen birnenförmigen Rotationskörper 1OO hindurch. Eintretende vorgewäritifte Luft wird durch einen geeigneten Kanal 102 ZUL der Basis; dies birnenförmigen Rotationskörpers lOO geleitet, über welchen sie hinwegströmt. Ein freistehender Zylinder 104 ist innerhalb der Brennkammer angeordnet. Die Wände des Zylinders, dlie der Oberfläche des Rotationskörpers 1OO benachbart sind, tragen nach innen konische Wände 1Q6^die von den Wänden des Rotationskörpers 100 Abstand haben und mit diesem gemeinsam einen Durchlass begrenzen und eine venturi— artige Vorriehteng bilden. Eine Gruppe von Wirbelschaufeln 108;

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ist an dem Auslass dieses Durchlasses angeordnet, um den Luftstrom in eine Wirbelbewegung zu versetzen.

Am Anfang wird der Sprühnebel aus flüssigen Kraftstofftröpfchen, wie zuvor, durch eine Zündkerze 58 gezündet und heisse Verbrennungsgase verlassen die Brennkammer durch die Röhren 28, 30.

Der freistehende Zylinder 104 bildet einen Ringraum zwischen sich und den Wänden der Brennkammer, durch welchen Produktgas zu dem einen Niederdruck aufweisenden Verengungsbereich der durch den Zylinder und die Oberfläche des Rotationskörpers begrenzten Venturivorrichtung zurückgeleitet wird.

Wenn die Lufttemperatur, die durch den Fühler 62 abgefühlt wird, einen voreingestellten Wert erreicht, wird, wie zuvor, das Wechselventil 52 umgeschaltet, um den flüssigen Kraftstoff zu der Vergasungsschlange 64 zu leiten, und es tritt nun ein Gemisch von vergastem Kraftstoff und heisser Luft in die Brennkammer ein, in welcher es in Produktgas umgewandelt wird, von dem ein Teil zurückgeleitet und mit dem eintretenden Kraftstoffgas/Luft-Gemisch vermischt wird, um anschliessend in den Brennkammerhohlraum eingeleitet zu werden, in welchem die Teiloxydationsreaktion stattfindet. Der Hauptvorteil der in Fig. 9 gezeigten Einheit gegenüber der Standardeinheit von Fig. 5 ist wieder der Betrieb mit niedrigeren Luft/Kraftstoff-Verhältnissen ohne Russbildung.

Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Wasserstoffgeneratoraufbau ist der gleich wie in Fig. 5, mit dem Unterschied, dass ein Katalysator verwendet wird, welcher mehrere Vorteile bietet, wie beispielsweise eine höhere Wasserstoffausbeute und sogar bei sehr niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen

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keine Tendenz zur Russbildung. Ausserdem sind viel niedrigere Betriebstemperaturen (982 °C) zulässig, wodurch niedrigere Luftvorwärmtemperatüren (232 C) einen kleineren Wärmeaustauscher ermöglichen.

In der Nähe des Bereiches, in welchem während des Anlassens die Verbrennung stattfindet, ist ein katalytisches Bett 110 angeordnet, welches einen Zylinder 112 enthält, der eine durchlöcherte obere Wand 114 und eine durchlöcherte Bodenwand 116 hat, damit die heissen Gase durch ihn hindurch in den Wärmeaustauschabschnitt 20 strömen können. Das Katalysatorbett enthält Teilchen 118 eines Teiloxydationskatalysators, wie beispielsweise Nickel, welcher zum Besichleunigen der Teiloxydationsreaktion des Kohlenwasserstoffes mit Luft zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases dient. Es hat sich ausserdem herausgestellt, dass der Nickelkatalysator eine starke Russunterdrückungswirkung hat. Andere Teiloxydationskatalysatoren, wie beispielsweise Platin öder Silberoxid, können für die Reaktion von Kohlenwasserstoff und Luft ebenfalls verwendet werden. Im Prinzip kann jeder der bekannten Oxydationstyp-Katalysatoren für die Reaktion von Sauerstoff und Kohlenwasserstoff verwendet werden. Die besondere Form der hier verwendeten Katalysatoren fällt zwar in die Kategorie der Dampf-Reforming-Kata lysatoren, bei der Erfindung findet jedoch die Reaktion zwischen Sauerstoff und einem Kohlenwasserstoff statt zwischen Dampf und einem Kohlenwasserstoff statt.

Es hat sich gezeigt, dass nach dem Anlassen der Generator mit einem Katalsyatorbett in ähnlicher Weise wie die zuvor beschriebenen Generatoren arbeitet. Das heisst, es erfolgt ein Verbrennen des vergasten Kraftstoffes in der Nähe des Brenners. Wenn sich das Katalysatorbett auf die Betriebstemperatur (über 482 ⁰C) aufheizt, bewegt sich die Flamme

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allmählich in das Katalysatorbett. Wenn ein stabiler Temperaturzustand von 982 ⁰C erreicht ist, ist keine sichtbare Flamme vorhanden. Der Teiloxydationsprozess findet vollständig auf den Oberflächen des Katalysators statt. Der Katalysator kann die Form von Pellets oder die Form einer monolithischen Struktur haben.

Zur Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung der Erfindung sei angegeben, dass eine Ausführungsform der Erfindung gebaut und mit einer Einlassluftströmungsgeschwindigkeit von 20,7 kp/h und einem Kraftstoff strom von 4,04 kp/h betrieben worden ist. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrug 5,15 bei einem Äquivalenzverhältnis von 2,83. Der Generatorüberdruck betrug 0,09 kp/cm (1,4 psig). Die Katalysatortemperatur wurde mit 968 °C gemessen.

Mit den oben angegebenen Eingangswerten wurden 0,48 kp/h H~ zusammen mit anderen Komponenten erzielt. Der Auslass-

überdruck betrug 0,07 kp/cm (1,0 psig), die Katalysatortemperatur 831 ⁰C und der Generatorwirkungsgrad 0,785. Der Ausstoss kann vergrössert werden, indem die Eingangsgrössen erhöht werden, und es wurde somit eine H_-Auslasströmungsgeschwindigkeit in der Höhe von O,9O kp/h erzielt. Der Generator, der gebaut und in der oben angegebenen Weise betrieben wurde, hatte eine Länge von 25,4 cm und einen Durchmesser von 15,2 cm.

Jeder Kohlenwasserstoff, der vergast und mit Luft ohne Zerlegung vermischt werden kann, kann bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden. Es ist klar, dass die Wasserstoffausbeute umso höher sein wird, je höher das Wasserstoff-zuKohlenstoff-Atomverhältnis des verwendeten Kraftstoffes ist.

Der kataIytische Wasserstoffgenerator nach der Erfindung hat

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gegenüber den früheren thermischen Einheiten folgende Vorteile:

1. Eine höhere Wasserstoffausbeute,

2. keine Tendenz zur Russbildung, auch nicht bei niedrigen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen, das Produkt ist absolut russfrei.

3. der Generator hat niedrigere Betriebstemperaturen, die die Verwendung von billigeren Konstruktionsmaterialien erlauben.

4. niedrigere Luftvorwärmungserfordernisse reduzieren die Grosse des benötigten Wärmeaustauschers, infolgedessen ist eine kompaktere Konstruktion des Wasserstoffgenerators erzielbar, die ihn für die Verwendung in Kraftfahrzeugen geeignet macht.

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Claims

Patentansprüche :

(Ώ, Wasserstoffgenerator zur Erzeugung wasserstoffreichen, russfreien Gases, gekennzeichnet durch eine Kammer mit einem Vorwärmabschnitt, einem Teiloxydationsabschnitt und einem Brennerabschnitt, durch eine Quelle für flüssigen Kohlenwasserstoff, durch eine Luftquelle, durch eine Einrichtung zum Hindurchleiten von Luft aus der Luftquelle durch den Vorwärmabschnitt, durch eine Brennereinrichtung zum Einleiten eines Sprühnebels von flüssigem Kohlenwasserstoff aus der Quelle in den Brennerabschnitt, durch eine Einrichtung zum Einleiten von Luft aus dem Vorwärmabschnitt in den Brennerabschnitt, durch eine Einrichtung zur Vergasung des flüssigen Kohlenwasserstoffes, durch eine Ventilanordnung mit einer ersten Stellung zum Einleiten des Kohlenwasserstoff-Kraftstoffes in die Brennereinrichtung und mit einer zweiten Stellung zum Einleiten des Kohlenwasserstoffes in die Vergasungseinrichtung, durch eine Temperaturabfühleinrichtung zum Abfühlen der Temperatur der vorgewärmten Luft und zum Umschalten der Ventilanordnung in ihre zweite Stellung, wenn sie eine Temperatur oberhalb eines vorbestimmten Wertes abfühlt, durch eine Einrichtung zum Einleiten des vergasten flüssigen Kohlenwasserstoffes in die Lüfteinleiteinrichtung, um ihn mit der vorgewärmten Luft zu vermischen und mit dieser zusammen in den Brennerabschnitt einzuleiten, durch eine Einrichtung zum Zünden des Luft/ Kohlenwasserstoff-Gemisches, die in der Nähe der Brennereinrichtung in dem Brennerabschnitt angeordnet ist, und durch eine Einrichtung zum Hindurch leiten des erzeugten heißen wasserstoffreichen Gases aus dem Teiloxydationsabschnitt durch den Vorwärmabschnitt zum Vorwärmen der Luft.
2. Wasserstoffgernator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung eine erste Auslassöffnung in dem Weg des Kohlenwasserstoff-Kraftstoffes durch die

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Ventilanordnung zu der Brennereinrichtung und eine zweite Auslassöffnung in dem Weg des Kraftstoffes durch die Ventilanordnung ζμ der Vergasereinrichtung aufweist und dass die zweite Auslassöffnung kleiner ist als die erste Auslassöffnung.
3. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Vermischen eines Teils des wasserstoffreichen Gases mit dem Gemisch von vergastem flüssigem Kohlenwasserstoff und Luft.
4. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Vermischen eines Teils des wasserstoffreichen Gases mit dem Gemisch von vergastem flüssigen Kohlenwasserstoff und Luft enthält: eine Saugeinrichtung mit zwei Einlassen und einem Auslass/ eine Einrichtung zum Anschliessen eines der Saugeinrichtungseinlässe derart, dass er vorgewärmte Luft aus dem Vorwärmabschnitt erhält, und zum Anschliessen des anderen Saugeinrichtungseinlasses derart, dass er wasserstoffreiches Gas aus dem Brennerabschnitt empfängt; und eine Einrichtung zum Anschliessen des Saugeinrichtungsauslasses an die Brennereinrichtung.
5. Wasserstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Verbrennungsmotor zur Erzeugung MDn magerem Motorabgas, durch eine Einrichtung zum Einleiten wasserstoffreichen Gases aus dem Vorwärmabschnitt in den Verbrennungsmotor und durch eine Einrichtung zum Vermischen eines Teils des mageren Motorabgases mit dem Gemisch von vergastem flüssigem Kohlenwasserstoff und Luft.
6. Wasserstoffgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Vermischen eines Teils des mageren Motorabgases mit dem Gemisch von vergastem

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flüssigem Kohlenwasserstoff und Luft enthält: eine Saugeinrichtung mit zwei Einlassen und einem Auslass, eine Einrichtung, die einen dieser Einlasse derart anschliesst, dass er mageres Abgas empfängt, eine Einrichtung, die den anderen der Einlasse derart anschliesst, dass er die vorgewärmte Luft empfängt und eine Einrichtung zum Anschliessen des Auslasses der Saugeinrichtung an die Brennereinrichtung.
7. Wasserstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator in dem Teiloxydationsabschnitt angeordnet ist und dass der Katalysator Oberflächen hat, über welche Gase in dem Teiloxydationsabschnitt auf ihrem Weg zu dem Vorwärmabschnitt hinweggehen.
8. Wasserstoffgenrator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel, Platin und Silberoxid besteht.
9. Wasserstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergasereinrichtung eine Rohrleitung enthält, die um die den Teiloxydationsabschnitt begrenzenden Wände herumgeführt ist.
10. Wasserstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinrichtung enthält: einen birnenförmigen Körper, der mit seiner Basis an einem Ende des Brennerabschnitts angeordnet ist und dessen anderes Ende sich in den Brennerabschnitt erstreckt; einen zentralen Kanal, der durch die Mitte des birnenförmigen Körpers hindurchführt,zum Einleiten des flüssigen Kohlenwasserstoffsprühnebels in den Brennerabschnitt/ einen ersten Durchlass zum Hinwegführen der vorgewärmten Luft über die Oberfläche des birnenförmigen Körpers und zum Einleiten in den Brennerabschnitt; einem Hohlzylinder innerhalb des Brennerabschnitts, der den birnenförmigen

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Körper umschliesst und sich in den Brennerabschnitt erstreckt; und eine von den Innenwänden des Hohlzylinders zu der Oberfläche des birnenförmigen Körpers hin vorstehenden Einrichtung zur Bildung des ersten Durchlasses, wobei die Wände des Hohlzylinders mit Abstand von den Kammerwänden angeordnet sind und einen zweiten Durchlass begrenzen, der zum Zurückleiten eines Teils des wasserstoffreichen Gases zu dem ersten Durchlass zur Vermischung mit der Luft und dem vergasten Kohlenwasserstoff-Kraftstoff dient.
11. Wasserstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinrichtung enthält: einen ersten zentralen Kanal zum Einleiten von flüssigem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff-Sprühnebel und einen den zentralen Kanal umgebenden spiralförmigen Kanal zum Einleiten von Luft in den Brennerabschnitt, wenn die Ventilanordnung in ihrer ersten Stellung ist, bzw.eines Gemisches von Luft und vergastem flüssigem Kohlenwasserstoff, wenn die Ventilanordnung in ihrer zweiten Stellung ist.
12. Verfahren zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases aus flüssigem Kohlenwasserstoff in dem Wasserstoffgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Vermischen eines Sprühnebels von flüssigem Kohlenwasserstoff mit Luft, um ein erstes Gemisch zu erzeugen. Teiloxydieren des ersten Gemisches, um wasserstoffreiche heisse Gase zu erzeugen,

Erwärmen der Luft vor ihrem Vermischen mit dem flüssigen Kohlenwasserstoff,

Messen der Temperatur der erwärmten Luft und Erzeugen eines Signals, wenn sie den Taupunkt des flüssigen Kohlenwasserstoffes überschreitet, und
Vergasen des flüssigen Kohlenwasserstoffes auf das genannte

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Signal hin und Vermischen des vergasten flüssigen Kohlenwasserstoffes mit der vorgewärmten Luft.
13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den Schritt des Vermischens eines Teils der wasserstoffreichen Gase mit dem Kohlenwasserstoff/Luft-Gemisch.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch den Schritt des Teiloxydierens des ersten Gemisches durch Zünden des Gemisches in einem Brennerabschnitt und Hin-' wegleiten des gezündeten Gemisches über die Oberflächen eines Katalysators.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Nickel Platin und Silberoxid besteht.

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