DE2614829C2 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

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Bekanntlich sind in den Abgasen von Verbrennungsmotoren Stickoxide und brennbare Gase, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und andere schädliche Gase, enthalten. Es ist erwünscht und aufgrund der Abgasvorschriff.?r. zum Teil erforderlich, einen Übertritt dieser schädlichen Gase in die Atmosphäre zu verhindern.

Es sind deshalb viele Versuche unternommen worden, schädliche Bestandteile in den Ab_basen von Verbrennungsmotoren zu beseitigen. Beispielsweise wird ein flüssiger Brennstoff, wie Benzin oder dergl., in ein »reformiertes« Gas umgewandelt, welches im wesentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht. Dann wird eine große Luftmenge zugemischt, um ein mageres Gasgemisch zu erzielen, welches anschließend dem Verbrennungsmotor zur sogenannten »Magergemischverbrennung« zugeführt wird. Die Magergemischverbrennung führt zu einer Herabsetzung der Verbrennungstemperatur innerhalb des Motors, wobei die Menge an erzeugten Stickoxiden auf einen Wert von 100 bis 20 ppm herabgesetzt werden kann. Bei dieser Magergemischverbrennung verbleiben jedoch relativ große Mengen an unverbrannten Gasen, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und dergl., als Rückstandsgase des zuvor erwähnten »reformierten« Gases, beispielsweise etwa 0,2 Prozent Kohlenmonoxid und etwa 0,5 Prozent unverbrannte Kohlenwasserstoffe.

Bei der in der DE-PS 8 44 873 beschriebenen Vergasereinrichtung können zwar in der Spaltkammer Temperaturen von 700 bis HOO⁰C gegebenenfalls unter Anwesenheit von Katalysatoren aufrechterhalten werden. Ein spezieller Katalysator wird dort aber nicht genannt. Ferner ist nicht ersichtlich, daß der Reaktor zur Erwärmung der Motorabgase verwendet werden soll.

Aus der DE-OS 21 27 300 ist eine indirekte Abgaserhtt/.ung zur Nachverbrennung restlicher, im Abgas enthaltener brennbarer Gase bekannt. Da dabei aber keine Katalysatoren vorgesehen sind, ist eine vollständigc Verbrennung der brennbaren Gase in den Abgasen nicht gewährleistet.

Λτ, der DE-PS 7 20 535 ist eine Vergasereinrichtung bekannt, die im wesentlichen den Merkmalen des Oberbegriffs des vorliegenden Patentanspruchs entspricht In dieser Druckschrift finden sich aber keine Hinweise auf die speziellen Katalysatoren und Reaktionsbedingungen, die im kennzeichnenden Teil des vorliegenden Patentanspruchs genannt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unverbrannte Bestandteile im Abgas, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, weitgehend zu vermindern.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch definierte Verfahren gelöst.

Bei der Erfindung ist demnach ein Reaktionsgefäß in der Abgasleitung eines Verbrennungsmotors angeordnet, wobei in dem Reaktionsgefäß ein Katalysator zur teilweisen Oxidierung von Kohlenwasserstoffen zugegen ist, und es zu einem Wärmetausch zwischen dem durch das Reaktionsgefäß fließenden Strömungsmittel und den Abgasen kommt Eine Gasmischung aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Gas mit einem Gehalt an Sauerstoff zur Erzielung eines Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnisses von 0,3 bis 1,2 wird in das Rcaktionsgefäß geleitet, um den Brennstoff ir, das reformierte Gas teilweise zu oxidieren, welches Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid als Hauptbestandteile enthält sowie einen kleinen Anteil an niedermolekularen Kohlenwasserstoffen. Die teilweise Oxidation wird bei einer Temperatur von 800°C bis 1200⁰C ausgeführt. Danach wird das Gas mit einem Sauerstoffgehalt in einer Menge zugeführt, so daß ein Mischungsverhältnis von 1,1 bis 2,0 mit dem reformierten Gas entsteht, wonach dieses Gasgemisch dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Die Verbrennungswärme infolge dieser partiellen Oxidation wird daher mit den Abgasen zugeführt, wobei brennbare Gase verbrannt und damit entfernt werden, nämlich Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und dergl.

Mit der Erfindung wird Brennstoff auf der Basis von Kohlenwasserstoffen zusammen mit Gas mit einem Sauerstoffgehalt zur Erzielung eines Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnisses von 0,3 bic 1,2 in Jp.s Reaktionsgefäß geleitet, so daß der Brennstoff teilweise in ein reformiertes Gas oxidiert werden kann, welches im wesentlichen aus H2 und CO besteht. Danach wird das reformierte Gas zusammen mit Gas, das Sauerstoff in einer Menge zur Erzielung eines Sauerstoff-Überschußverhältnisses von 1,1 bis 2,0 aufweist, in einen Verbrennungsmotor geleitet, so daß die rasche Verbrennung in dem Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad erfolgen kann. Zusätzlich ist gemäß der Erfindung das Reaktionsgefäß in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet, so daß die im Reaktionsgefäß erzeugte Reaktionswärme durch die äfßere Wandung auf die Abgase übertragen wird, so daß restliches Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe auf eine höhere Temperatur erhitzt werden und infolge des im Abgas befindlichen Sauerstoffs verbrennen. Ferner läuft der Verbrennungsmotor unter Magergemischverbicnnung, so daß die Verbrennungstemperatur im Ve^rbrennungsmotor relativ niedrig gehalten werden kann, mit dem Ergebnis, daß nur eine geringe Menge an Stickoxiden erzeugt werden. Bei der Erfindung können als Katalysatoren zur teilweisen Oxidation ein Rhodiumkatalysator oder ein Lanthan-Kobaltkatalysator verwendet werden. Wie früher beschrieben, ist das mit den erwähnten Katalysatoren gefüllte Reaktionsgefäß in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet. Obwohl die Anordnung des Reaktionsgefäßes nicht darauf

beschränkt ist, wird es vorgezogen, das ReaktionsgefäB in ein Auspuffrohr zu legen, durch welches die Abgase des Verbrennungsmotors ausgestoßen werden. Dies deshalb, weil die Temperatur der Gase innerhalb des Auspuffrohres sehr hoch ist, und weil durch die Übertragung der Reaktionswärme des Reaktionsgefäßes auf die Abgase brennbare Gase, wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und dergl, entzündet und somit beseitigt werden. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom Reaktionsgefäß auf die Abgase wird ferner vorgezogen, eine Mehrzahl von Reaktionszylindern vorzusehen und/oder Heizrippen auf den äußeren Wandungen der Reaktionsgefäße anzubringen.

Bei den Kohlenwasserstoffen in dem Brennstoff handelt es sich um solche Kohlenwasserstoffe, wie sie beispielsweise in Benzin, Naphta, mittelschwerem Öl und dgl. angetroffen werden. Wenn solcher Brennstoff in das Reaktionsgefäß gefördert wird, wird er gasförmig, und danach wird Gas mit einem Gehalt an Sauerstoff, beispielsweise Luft, zugevnischt Dieser 2i) Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für eine teilweise Oxidation. Die Menge an Sauerstoff, die dem Kohlenwasserstoff zugemischt wird, reicht von 0,3 bis 1,2, bezogen auf das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis. Der Ausdruck »Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis« ist das Verhältnis (O/C) der Anzahl der Sauerstoffatome in einem Sauerctoffmolekül zur Anzahl der Kohlenstoffatome in einem Kohlenwasserstoffmolekül des Brennstoffs auf der Basis von Kohlenwasserstoff. Unter der Annahme eines Mol an C₇H_n als Kohlenwasserstoff und jo einer Zuführung von Sauerstoff mit einem Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis von 1,0 sollten 3,5 Mol Sauerstoff dem Kohlenwasserstoff zugeführt werden.

Bei dem dem Kohlenwasserstoff zuzumischenden Sauerstoff kann es sich um Sauerstoffgas allein. Luft, i"> Sauerstoffgas mit Luft oder andere Sauerstoff enthaltende Gase handeln. Wenn jedoch Luft verwendet wird, wird wegen des bekannten Anteils von ungefähr 20 Prozent Sauerstoff in Luft die 5fache Luftmenge im Vergleich zu reinem Sauerstoff zugeführt. Der Grund -to für das Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis von 0,3 bis 1,2 liegt darin, daß bei einem Sauerstoff-Kohlenstoff-Verhältnis von weniger als 0,3 der Sauerstoff knapp wird, also daß Kohlenwasserstoffe bei hoher Temperatur des Katalysators im Reaktionsgefäß verrußen. Es besteht ■»> dann die Gefahr der Aktivitätsverminderung der Katalysatoren. Wenn andererseits das Verhältnis größer als 1,2 ist, ergibt sich eine zu starke Oxidation der Kohlenwasserstoffe, so daß entzündbare Gase (CO, H;) und niedermolekulare Wasserstoffe, wie CH₄, C2H4 und M dgl., im reformierten Gas in zu großer Menge verschwinden.

In dem Reaktionsgefäß wird Kohlenwasserstoff teilweise durch Sauerstoff oxidiert, so daß der Großteil der Kohlenwasserstoffe in das reformierte Gas umgewandelt wird, welches im wesentlichen aus CO und H2 besteht. In diesem Fall ist es ziemlich schwierig, den Kohlenwasserstoff vollständig der partiellen Oxidation zu CO und H2 zu unterwerfen. Deshalb wird ein Teil des Kohlenwasserstoffs in niedermolekulare Kohlenwasser= *>" stoffe mit I bis 4 Kohlenstoffatomen zersetzt, beispielsweise Methan, Äthylen. Propylen, Butylen und dgl., die im reformierten Gas enthalten sind. Die Tatsache, daß diese niedermolekularen Kohlenwasserstoffe in geringem Ausmaß im reformierten Gas enthalten sind, *>'> verbessert das Laufverhalten des Verbrennungsmotors.

Bevor das reformierte Gas in den Verbrennungsmotor geleitet wird, wird Sauerstoff zur Explosion und Verbrennung des reformierten Gases zugemischt. Das Mengenverhältnis des zuzumischenden Sauerstoffs zum reformierten Gas beträgt 1,1 bis 2,0 im Sinne eines Sauerstoff-Oberschußverhältnisses. Der Ausdruck »Sauerstoff-Oberschußverhältnis« bezieht sich auf ein Verhältnis (A) von Sauerstoff zu entzündbaren Gasen, wie CO, H2 und Restkohlenwasserstoffe, in dem reformierten Gas unter der Annahme, daß das Verhältnis (B) der notwendigen Menge an Sauerstoff zur vollständigen Verbrennung der entzündbaren Gase zu der dieser Gase gleich 1,0 ist Wenn beispielsweise das Verhältnis (B) der notwendigen Menge an Sauerstoff zur vollständigen Verbrennung der entzündbaren Gase zu der der entzündbaren Gase gleich 3,0 ist und das Verhältnis (C) der den entzündbaren Gasen tatsächlich zugeführten Menge an Sauerstoff gleich 4,5 ist, beträgt das Sauerstoff-Oberschußverhältnis (A) gleich 1,5, aufgrund der Rechnung 4,5/3,0 (Verhältnis (CyVerhältnl·.; (B)). Mit anderen Worten, das Sauerstoff-Oberschußverhältnis ist das Verh.iinis (C) zum Verhältnis (B). Der Grund für die Festlegung des Sauerstoff-Überschußverhältnisses auf den Bereich von 1,1 bis 2,0 ist wie folgt. Wenn nämiich das Sauerstoff-Überschußverhältnis über 2,0 ansteigt, führt dies zu einer Brr.-.instoffverknappung mit der Folge einer geringen Verbrennungsgeschwindigkeit und einer geringen Ausgangsleistung des Motors. Wenn andererseits das Sauerstoff-Überschußverhältnis unter 1,1 liegt, führt dies zu einer Zunahme der Verbrennungstemperatur im Verbrennungsmotor sowie zu einer Zunahme der erzeugten Stickoxide NO_x. Bei dem dem reformierten Gas zugeführten Sauerstoff kann es sich um Sauerstoffgas allein, Luft, Sauerstoffgas mit Luft oder andere Sauerstoff enthaltende Gase handeln.

Die Temperatur der Katalysatorschicht während der partiellen Oxidation sollte auf 800 bis 1200⁰C gehalten werden. Wenn die Temperatur unter 800⁰C absinkt, wird eine niedrigere Reaktionsgeschwindigkeit erhalten, so daß ein genügendes Ausmaß an partieller Oxidation nicht erzielt wird. Wenn andererseits die Temperatur über 1200° ansteigt, erfolgt eine zunehmende Beeinträchtigung des Katalysators. Die Einstellung der Temperatur wird durch Zuführung eines inertes Gases, wie Stickstoff, in das Reaktionsgefäß zur Steuerung der partiellen Oxidation oder durch Vorsehen einer Wärmequelle, beispielsweise einer elektrischen Heizquelle, in der Katalysatorschicht ausgeführt. Bei der praktischen Anwendung weisen die Abgase eine Temperatur von 300 bis 700⁰C auf. so daß die Wahrscheinlichkeit ejnes abnormen Temperaturanstiegs in der Katalysatorschicht gering ist, etwa wegen der von der Wandung de.; Reaktionsgefäßes auf die Abgase abgestrahlten Hitze. Die partielle Oxidation stellt eine stark exotherme Reaktion dar, beispielsweise wird bei Benzin eine Wärmemenge von etwa 2 K.cal aus einer Benzinmenge von 1 cm³ erzeugt. Aus diesem Grund ist die Wahrscheinlichkeit gering, daß die Temperatur der Kulalysatorschicht während des Betriebs des Verbrennungsmotors auf unter 800°C absinkt.

Aus vorstehenden Gründen kann die Temperatur des Reaktionsgefäßes im Bereich von 800 bis I2GO°C aufrecht erhalten werden. Die Temperatur des Abgases des Verbrennungsmotors beträgt ungefähr 500⁰C innerhalb dn Auspuffrohrs, so daß die Abgase durch <Jie Abwärme des Reaktionsgefäßes auf ungefähr 800 bis 1000"C erhitzt werden. Demnach werden entzündbare Gase in den Abgasen verbrannt und so durch den Restsauerstoff in dem Abeas beseitiet.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben:

Ein zylindrisches Reaktionsgefäß 3 ist innerhalb eines Auspuffsammlers 13 für das Abgas eines Verbrennungsmotors 1 angeordnet. Eine Luftzuführungsleitung 32 steht in Verbindung mit einem Gaszuführungsteil 33 des Reaktionsgefäßes 3. Eine Leitung 11 zur Zufuhr von reformiertem Gas zum Verbrennungsmotor 1 ist mit der Ansaugleitung und dem Verteiler 12 des Motors verbunden. Das Reaktionsgefäß 3 ist mit Katalysatorsubstanz 34 zur partiellen Oxidation gefüllt. Ein Wärmetauscher 23 umgibt ein Teilstück der Zuführungsleitung 11 für das reformierte Gas und wärmt den flüssigen Brennstoff vor. Eine Zuführungsleitung 22 für flüssigen Brennstoff öffnet sich in den Gaszuführungsteil 33 des Reaktionszylinders 3 und verbindet einen Tank 2 für flüssigen Brennstoff über den Wärmetauscher 23 mit diesem Einlaß. Eine Luftzuführungsleitung 16 zur Zuführung von Verbrennungsluft steht mit der llf(il»nirtr*rl»itlin*v I 1 (i'tr- f/-,tr*f

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der Ansaugkanäle 12 in Verbindung. Die zu den Ansaugkanälen 12 führende Luftzuführungsleitiing 16 weist ein Ventil 15 auf. und ein ähnliches Ventil 31 ist in der Luftzuführungsleitung 32 vorgesehen, ferner ein Ventil 21 in der Brcnnstoffzuführungsleitung 22. Eine Zündkerze 36 dient zur Entzündung des flüssigen Brennstoffs zur Vorheizung der Katalysatorschicht 34 beim Starten des Verbrennungsmotors. Das Auspuffrohr ist bei 14 dargestellt.

Im Betrieb des Verbrennungsmotors mit der beschriebenen Einrichtung wird flüssiger Brennstoff durch die Zuführungsleitung 22 zum Gaseinlaßteil 33 des Reaktionsgefäßes 3 geleitet und Luft als cias Gas mit einem Gehalt an Sauerstoff wird durch die Luftzuführungsleitung 32 zugeführt, so daß ein Luft-Brennstoffgas-Gemisch der Katalysatorschichi 34 zugeführt wird, die auf hoher Temperatur gehalten ist. Dabei wird der zunächst flüssige Brennstoff teilweise oxidiert und wandelt sich unter der Einwirkung des Katalysators in das reformierte Gas um. Danach wird das durch die Leitung 11 fließende reformierte Gas mit Luft gemischt, die durch die Lei! ng 16 zugeführt wird, und das so erhaltene Gemisch wird durch die Ansaugkaniilc 12 dem Verbrennungsmotor zu Antriebszwct'icn zugeführt. Lin großer Anteil der durch die partielle Oxidation erzeugten Wärme wird durch die äußere Wandung des Reaktionsgefäßes 3 den Abgasen in den Abgaskanälen zugeführt, wobei entzündbare Gase, wie Kohlenmonoxid uiiu KuiiicMwä.v">ei muiTc miu uei gleiche II. die noch in den Abgasen sind, entzündet und verbrannt und so entfernt werden. Wie dargestellt, wird der flüssige Brennstoff mittels des Wärmetauschers 23 vorgchei/.t. um die Vergasung im Gaszuführungsteil 33 zu erleichtern. Beim Start der Vorrichtung wird ein aus Luft und gasförmigem Brennstoff gebildetes Gemisch von der Zündkerze 36 gezündet, und der verbrennende Gasstrom heizt den Katalysator vor, wie zuvor beschrie-.-tn.

Hierzu 1 Blatt Zeichnuneen

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Verfahre;, zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, bei welchem ein Reaktionsgefäß in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors zum Zwecke des indirekten Wärmeaustausches zwischen dem durch das Reaktionsgefäß strömenden Brennstoffgemisch und dem Abgas eingefügt ist, wobei das Reaktionsgefäß mit einem Katalysator zur partiellen Oxidation des Brennstoffs gefüllt ist, in das Reaktionsgefäß ein Gasgemisch aus Brennstoff auf der Basis von Kohlenwasserstoffen und einem sauerstoffhaltigen Gas geleitet wird, wobei der Brennstoff teilweise verbrannt, das Verbrennungsprodukt mit weiteren sauerstoffhaltigem Gas gemischt und dieses Gemisch dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß mit einem Rhodiumkatalysator oder einem Lanthan-Kobalt-Katalysator gefüllt ist, und die Motorabgase durch das Reaktionsg daß, welches durch die partielle Oxidation des Brennstoffs auf einer Temperatur von 800 bis 1200⁰C gehalten wird, erhitzt werden.