DE2618961A1 - Motoranlage - Google Patents

Motoranlage

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DE2618961A1
DE2618961A1 DE19762618961 DE2618961A DE2618961A1 DE 2618961 A1 DE2618961 A1 DE 2618961A1 DE 19762618961 DE19762618961 DE 19762618961 DE 2618961 A DE2618961 A DE 2618961A DE 2618961 A1 DE2618961 A1 DE 2618961A1
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air
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mixture
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DE19762618961
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Hajime Ariga
Takuya Endo
Tokuichi Inagaki
Katuaki Kosaka
Zene Ueno
Kanagawa Yokohama
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Description

  • MotoranJ.age Die Erfindung betrifft eine Motoranlage. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Kraftstoffreformiervorrichtung zur Erzeugungeines gasförmigen Kraftstoffs, der Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid enthält, aus einem leicht verfügbaren Kraftstoff, beispielsweise einem Kohlenwasserstoffkraftstoff, und einen Verbrennungsmotor, der mit dem gasförmigen Kraftstoff gespeist wird.
  • In jüngerer Zeit ist das Problem der Luftverschmutzung durch Abgas aus Verbrennungsmotoren, insbesondere aus Kraftfahrzeugmotoren, ernsthaft behandelt worden, und die Vorschriften zur Einschränkung der Schadstoffemissionen werden immer strenger. Daher sind zahlreiche verschiedene Maßnahmen zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen worden. Es ist jedoch immer noch schwierig, die Schadstoffemission aus Verbrennungsmotoren befriedigend zu verringern, ohne gleichzeitig erhebliche Leistungsverluste der Motoren in Kauf zu nehmen. Beispielsweise kann die Emission von Stickoxiden dadurch unterdrückt werden, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines brennbaren Gemischs, mit dem ein Motor gespeist wird, erheblich vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis abweicht.
  • Ein in dieser Weise geändertes Luft-Kraftstoff-Verhältnis führt jedoch zu einer Verminderung der Nutzleistung des Motors und zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motoranlage zu schaffen, die einen Verbrennungsmotor zur Erzeugung von Kraft bzw. Leistung, sowie ein Kraftstoffliefersystem umfaßt, das den Verbrennungsmotor mit gasförmigem Kraftstoff versorgt. Dabei soll die Motoranlage mit hohem Gütegrad arbeiten und Schadstoffe, beispielsweise Stickoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, zumindest nicht in unziässig hohen Mengen erzeugen.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Motoranlage, die im wesentlichen aus einer Kombination aus einem Verbrennungsmotor zur Erzeugung von Leistung und einem Reaktor besteht, der so ausgebildet ist, daß er eine Kraftstoffreformierreaktion bewirken kann, die zu einem gasförmigen Kraftstoff führt, der als brennbare Bestandteile Wasserstoffgas und/oder Kohlenmonoxid enthält, wobei dann der Verbrennungsmotor mit einem mageren Gemisch aus Luft und dem vom Reaktor gelieferten gasförmigen Kraftstoff betrieben wird.
  • Ein wiederum weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Motoranlage der beschriebenen Art, die kompakt konstruiert werden kann und möglichst geringes Gewicht hat, so daß die Motoranlage zum Antrieb eines Fahrzeugs geeignet ist.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Motoranlage, die auch mit verschiedenen anderen Kraftstoffen als Kraftstoffen auf Erdölbasis betrieben werden kann und auf diese Weise zur Lösung zukünftiger Energieversorgungsprobleme beiträgt.
  • Die erfindungsgemäße Motoranlage zeichnet sich aus durch einen Verbrennungsmotor, der Kraft bzw. Leistung erzeugen kann, eine Kraftstoffreformiervorrichtung, die eine Kraftstoffreformierreaktion bewirken kann, die ausgehend von zumindest einem Kraftstoff aus der Gruppe Kohlenwasserstoffkraftstoff einschließlich Alkohole, Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen und feste Kohlen- bzw.
  • Kohlenstoffkraftstoffe zu einem gasförmigem Kraftstoff führt, der als brennbaren Bestandteil zumindest Wasserstoffgas oder Kohlenmonoxid enthält, und eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines brennbaren Gemischs aus Luft und dem von der Kraftstoffreformiervorrichtung gelieferten gasförmigen Kraftstoff und Versorgung des Verbrennungsmotors mit diesem brennbaren Gemisch.
  • Bei der Kraftstoffreformierreaktion in der erwähnten Kraftstoffreformiervorrichtung handelt es sich um eine teilweise Oxidationsreaktion, eine Wasergasreaktion und/ oder eine katalytische und/oder thermische Spaltung bzw.
  • Zerlegung. Vorzugsweise und in den meisten Fällen enthält der durch die Kraftstoffreformierreaktion erzeugte gasförmige Kraftstoff Wasserstoff, und zwar häufig zusammen mit Kohlenmonoxid.
  • Das brennbare Gemisch zum Betreiben des Verbrennungsmotors wird so aufbereitet, daß das Luftverhältnis des Gemischs, d.h. das Verhältnis der Luftmenge im Gemisch zur Luftmenge in einem stöchiometrischen Gemisch aus Luft und demselben gasförmigen Kraftstoff, im Bereich von 1,0 bis 4,0 liegt.
  • Die Motoranlage ist vorzugsweise so konstruiert, daß die Wärme des gasförmigen Kraftstoffs und/oder die Wärme des Abgases aus dem Verbrennungsmotor zum Beheizen der Kraftstoffreformiervorrichtung und/oder der Aus,angsmaterialien für die Kraftstoffreformierreaktion ausgenutzt werden.
  • In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Motoranlage eine Abscheidevorrichtung umfaßt, die praktisch nur Wasserstoffgas aus dem gasförmigen Kraftstoff abscheidet, wodurch der Liefergrad des Verbrennungsmotors verbessert wird.
  • Die Kraftstoffreformiervorrichtung kann als Verdichter ausgebildet sein, in dem ein Gemisch aus den Ausgangsmaterialien adiabat verdichtet wird. Insbesondere in diesem Fall wird ein wesentlicher Teil der Motoranlage vorzugsweise in Form einer Mehrzylindermaschine ausgebildet, bei der eine kleinere Anzahl von Zylindern als Kraftstoffreformiervorrichtung benutzt wird, während gleichzeitig die übrigen Zylinder ausschließlich als Kraftmaschine der Anlage arbeiten, so daß die gesamte Anlage sehr kompakt ausgeführt werden kann und besonders als Antriebsanlage eines Fahrzeugs geeignet ist.
  • Die Kraftstoffreformiervorrichtung vom Verdichtertyp und der Motor können als zusammenhängende Baugruppe konstruiert werden, indem bei einer Baugruppe aus Zylinder und Kolben auf den jeweils entgegengesetzten Seiten des Kolbens eine Brennkammer ausgebildet wird, so daß die zv.ei Brennkammern als Reaktionskammer der Kraftstoffreformier;orrichtung bzw. als Brennraum der Kraftmaschine bzw. des leistungserzeugendenMotors arbeiten Int folgenden werden einige Vorteile der erfindungsgemäßen Motoranlage zusammengefaßt.
  • Bin erster Vorteil besteht darin, daß zahlreiche verschiedene gegenwärtig verfügbare Kraftstoffe als Hauptausgangsstoff zur Erzeugung eines gasförmigen Kraftstoffs mit großen Mengen an Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid benutzt werden können. Beispiele für brauchbare Kraftstoffe sind; Kraftstoffe auf Erdölbasis, wie beispielsweise Erdgas, LPG (flüssiges Erdgas) , Benzin, Kerosin, Leichtöl und Schweröl; synthetische Kraftstoffe, beispielsweise synthetisches Benzin; Alkohole, beispielsweise Methanol und Äthanol; und Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen, wie beispielsweise Ammoniak und Hydrazin. Selbst feste Kraftstoffe, wie beispielsweise Kohle, Koks oder Holzkohle, können benutzt werden.
  • Ein zwei er Vorteil besteht in der geringen Schadstoffemission. Da der Motor mit einem Gemisch aus Luft und einem gasförmigen Kraftstoff betrieben wird, der in den meisten Fällen hoch brennbaren Wasserstoff (in vielen Fällen zusammen mit Kohlenmonoxid) enthält, darf das Gemisch überschüssige Luft in solcher Menge enthalten,.
  • daß bei der Verbrennung die Bildung von Stickoxiden und Kohlenrnonoxid verhindert wird, wie dies aus Fig. 1 erkennbar ist. Der Motor gibt praktisch keine unverbrannten- Kohl.enwasserstoffe ab, da der im Motor verbrannte, gasförmige Kraftstoff fast keinerlei Kohlenwasserstoffe (CnHm) enthält.
  • Einige Versuchsergebnisse, die dia Emission von Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und Kohlenmonoxid durch Hubkolbenmotoren zeigen, sind in den Fig. 4 bis 7 daryestellt. Diese Figuren zeigen einen Vergleich zwischen Betrieb des Motors mit Benzin und einem reformierten Gas, das im folgenden als Reformatgas bezeichnet wird und dessen brennbare Bestandteile H2 und CO sind. Die Daten gemäß Fig 4 wurden für einen Einzylinderhubkolbenmotor mit einem Hubraum von 500 cm3 unter folgenden Betriebsbedingungen ermittelt: Motordrehzahl: 1600 Upm, Zündzeitpunkt: MBT, Drosselstellung: vollständig geöffnet (volumetrischer Wirkungsgrad Ç = 78%), Zündenergie: 30 millijoule. Die Daten für die Fig. 5 bis 7 wurden mit demselben Motor unter gleichen Betriebsbedingungen mit der Ausnahme ermittelt, daß die Motordrehzahl im Bereich von 800 bis 2400 Upm variiert wurde.
  • Ein dritter Vortei besteht darin, daß der Gütegrad des Motors stark verbessert werden kann. Dies heißt mit anderen Worten, daß hervorragende Fahrleistung (bezogen auf eine bestimmte Kraftstoffmenge) erreicht wird. In der Regel wird der Gütegrad eines Motors besser, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des dem Motor zugeführten brennbaren Gemischs höher wird, da der Kreisprozeß im Motor dann dem idealen Kreisprozeß ähnlicher is-t. Ein Kohlenwasserstoffkraftstoff, beispielsweise Benzin, kann jedoch nicht mit hohem Luftüberschuß benutzt werden, da andernfalls die Zündzuverlässigkeit abnimmt und sich unvollständige Verbrennung einstellt. Tatsächlich wird der Gütegrad eines Motors nicht erhöht< sondern verringert, wenn das Tuftverhältnis eines Luft-Benzin-Gemischs beispielsweise bis zum Wert 1,5 erhöht wird, wie dies Fig. 2 zeigt. Dagegen kann der oben erwähnte gasförmige Kraftstoff in herkömmlichen Motoren selbst dann vollständig verbrannt werden, wenn er als äußerst mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem hohen Luftverhältnis X verbrannt wird, wie dies ebenfalls aus Fig. 2 erkennbar ist.
  • Ein vierter Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße Motoranlage zum Antrieb von Fahrzeugen praktisch brauchbar ist. Da der gasförmige Kraftstoff während des Betriebs des Motors der Anlage innerhalb der Anlage in der Regel aus einem flüssigen Kraftstoff erzeugt wird, ist es nicht erforderlich, im Fahrzeug schwere Druckbehälter zur Speicherung des gasförmigen Kraftstoffs mitzuführen. Daher kann die erfindungsgemäße Motoranlage als Antriebs anlage eines Fahrzeugs dienen, ohne daß die Ladekapazität des Fahrzeugs nennenswert vermindert wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
  • Es zeigen: Fig. 1 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Konzentrationen von Schadstoffen im Abgas eines Verbrennungsmotors und dem Luftverhältnis des im Motor verbrannten Luft-Kraftstoff-Gemischs zeigt; Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Luftverhältnis eines Luft-Kraftstoff-Gemischs und dem Gütegrad eines Motors für einen herkömmlichen Benzin motor und eine erfindungsgemäße Motoranlage zeigt; Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Luftverhältnis und der Nutzleitng für dieselben Motoren wie bei Fig. 2 zeigt; Fig. 4 ein Diagramm, das das gleiche Verhältnis wie das Diagramm gemäß Fig. 1 für einen herkömmlichen Benzinmotor und eine erfindungsgemäße Motoranlage zeigt; Fig. 5 bis 7 Diagrammetdie die Beziehungen zwischen dem indizierten mittleren Arbeitsdruck und der emittierten Menge an Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und Kohlenmonoxid für die zwei Molaren zeigt, die auch Fig. 4 zugrundeliegen; Fig. 8 bis 10 Ablaufdiagramme, die die prinzipielle Arbeitsweise von drei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zeigen; Fig. 11 bis 13, Fig. 15 bis 29 und Fig. 31 bis 35 schematische Darstellungen einiger Einzelheiten und/oder verschiedener Abwandlungen der Motoranlagen gemäß den Fig 8 bis 10; Fig. 14 eine schematische und perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers der Anlage gemäß Fig. 13; und Fig. 30 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise der Anlage gemäß Fig. 29.
  • Wie bekannt ist, hängt die Konzentration von Stickoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen im Abgas eines Verbrennungsmotors, der mit einem Gemisch aus Luft und einem Kohlenwasserstoffkraftstoff betrieben wird, stark vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis bzw. dem bereits zunrdefinierten Luftverhältnis Ä ab. In der Regel nimmt die Konzentration der genannten Schadstoffe mit zunehmendem Luftverhältnis A zu, wie die Fig. 1 zeigt. Die meisten herkömmlichen Motoren können jedoch praktisch nicht mit einem Gemisch aus Luft und Kohlenwasserstoffkraft betrieben werden, das ein ausreichend hohes Luftverhältnis hat, da es dabei schwierig ist, eine vollständige und zuverlässige Verbrennung des Gemischs zu erreichen. Beispielsweise ist das Luftverhältnis bei herkömmlichen Bezinmotoren praktisch auf den in Fig. 1 mit P bezeichneten Bereich beschränkt, so daß die Erzeugung von Stickoxiden nicht allein dadurch auf ein zulässiges Maß vermindert werden kann, daß mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch gearbeitet wird.
  • Der Erfindung liegt die Grundidee zugrunde, den Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Motor anlage nicht mit einem Kohlenwasserstoffkraftstoff sondern mit einem gasförmigen Kraftstoff zu speisen, der als brennbare Bestandteile Wasserstoffgas und/oder Kohlenmonoxid enthält. Die Verwendung eines solchen gasförmigen Kraftstoffs hat den Vorteil, daß der Kraftstoff auch in herkömmlichen Motoren vollständig und zuverlässig verbrannt werden kann, selbst wenn der Kraftstoff mit Luft zu einem solchen Gemisch gemischt wird, daß das Luftverhältnis X des Gemischs so groß ist, daß die Erzeugung von Stickoxiden verhindert wird.
  • Ein solcher Kraftstoff kann aus verschiedenen heute üblichen und leicht verfügbaren Kraftstoffen erzeugt werden. Dazu stehen mehrere verschiedene Kraftstoffreformierverfahren zur Verfügung, die jeweils auf verschiedenen Prinzipien basieren. Wenn ein gebräuchlicher Kraftstoff, beispielsweise ein Kohlenwasserstoffkraftstoff, in einen gasförmigen Kraftstoff der angegebenen Art umgewandelt wird, wird der gasförmige Kraftstoff in der Regel als reformiertes Gas bzw. Reformatgas bezeichnet. Einige Prinzipien des Kraftstoffreformierens, die für die vorliegende Erfindung von Nutzen sind, werden im folgenden erläutert. Selbstverständlich hängt die Brauchbarkeit jedes Prinzips stark von zahlreichen Faktoren ab, zu denen beispielsweise die Art des Ausgangskohlenwasserstoffkraftstoffs, Beschränkungen der Reformiervorrichtung und die Art des Motors gehören, der mit dem Reformatgas betrieben werden soll.
  • (I) Teilweise Oxidation Ein Kohlenwasserstoffkraftstoff, der durch die allgemeine Formel CnHmOs beschrieben wird, kann mittels Luft teilweise oxidiert werden, was durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben wird: Darin ist der Einfachheit halber angenpmmen, daß das Molverhältnis von 02 zu N2 in Luft 1/4-beträgt. Diese Reaktion ist eine exotherme Reaktion, die bei ungefähr 9000C abläuft. Das gasförmige Gemisch auf der rechten Seite der Reaktionsgleichung (1) wird in der Regel insgesamt als Reformatgas bzw. Kraftstoff benutzt, obwohl es als unbrennbaren Bestandteil N2 enthält. Diese Reaktion kann mittels eines Katalysators, beispielsweise eines Katalysators auf Nickelbasis, auch bei niedrigeren Temperaturen ausgelöst werden und ablaufen.
  • Wenn Oktan C8H18 der Kohlenwasserstoffkraftstoff ist, läuft die teilweise Oxidation gemäß Gleichung (1) in folgender Weise ab: Wie aus Gleichung (2) erkennbar ist, beträgt das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis für diese Reformierreaktion ungefähr 5,0. Wenn mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses gearbeitet wird, läuft die Reaktion gemäß Gleichung (2) wegen einer Erhöhung der Reaktionstemperatur leichter ab. Dann wird ein nennenswerter Anteil des Kohlenwasserstoffkraftstoffs vollständig oxidiert, so daß das Reformatgas höhere Anteile unbrennbarer Bestanleile wie beispielsweise C02 und N2 enthält und einen geringeren spezifischen Heizwert hat. Wenn die Reformierreaktion durchgeführt wird, um mit dem Reformatgas einen Verbrennungsmotor zu speisen, sollte bei der teilweisen Oxidationsreaktion nicht mit Luftüberschuß gearbeitet werden, da dies sowohl zu einer Verminderung des Gütegrades als auch der Leistung des Motors führt. Andererseits ist jedoch auch ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter dem stöchiometrischen Verhältnis unzweckmäßig, da dies zu einer Erhöhung der Gehalte an unreformiertem Kohlenwasserstoffkraftstoff,unoxidierten Zerfallsprodukten, beispielsweise CH4 und C2H6, und freiem Kohlenstoff im Reformatgas führt. Wenn freier.
  • Kohlenstoff entsteht, so ist dies besonders nachteilig, da die Arbeitsweise der Reformieranlage und/oder des Motors durch die Ablagerung von Kohlenstoff beeinträchtigt wird.
  • (II) Wassergasreaktion Reformatgas kann auch als Wassergas erzeugt werden, wobei die folgende Reaktion zwischen einem Kohlenwasserstoffkraftstoff und Wasser (Dampf) zur Reformierung des Kraftstoffs benutzt werden kann: Die Reaktion gemäß Gleichung (3) kann als teilweise Oxidation mit Hilfe von Wasser als Sauerstoffträger betrachtet werden. Diese Reaktion ist überwiegend endotherm und kann nur ablaufen, wenn von außen ausreichend Wärme zugeführt wird.
  • Für Oktan als Kohlenwasserstoffkraftstoff wird Gleichung (3) zu: Da das auf diese Weise erzeugte Reformatgas eine Zusammensetzung hat, die für einen Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor geeignet ist, hat die Reaktion gemäß Gleichung (4) praktische Bedeutung, wenn dem Abgas des Motors ausreichend Wärme entzogen werden kann. In anderen Fällen bestehen bei diesem Prizip die Schwierigkeiten, daß eine äußere Wärmequelle benötigt wird, obwohl die Rekation mittels eines Katalysators auf Nickelbasis beschleunigt werden kann.
  • (III) Teilweise Oxidation in Verbindung mit Wassergasreaktion Ein Kohlenwasserstoffkraftstoff kann mit einem Gemisch aus Luft und Dampf zur Reaktion gebracht werden, wie dies durch Gleichung (5) für Oktan im folgenden angegegen ist: Diese Reaktion stellt eine Verbindung zwischen der Reaktion gemäß dem Prinzip (I) und einer weiteren Reaktion gemäß dem Prinzip (II) dar. Das Verhältnis von Luft zu Dampf, das durch die Größe a wiedergegeben ist, wird so gewählt, daß ein optimaler Kompromiß zwischen dem Gesamtgütegrad und der Zusammensetzung des Re formatgases besteht. Diese Reaktion ist je nach dem Verhältnis von Luft zu Dampf entweder exotherm oder exotherm.
  • (IV) Teilweise Oxidation mit Wasserstoffperoxid Wasserstoffperoxid H202 ist bei Raumtemperatur flüssig und ist ein starkes Oxidationsmittel. Der Zerfall von H202 gemäß Gleichung (6) ist exotherm und führt zu erwärmtem Dampf und erwärmtem Sauerstoffgas.
  • Teilweise Oxidation eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs durch H202 kann durch folgende Gleichung (7) beschrieben werden: Diese Reaktion ist exotherm.
  • Bei auf den Prinzipien (I), (II) und (III) basierenden Reaktionen ist es praktisch unvermeidbar, den Kohlenwasserstoffkraftstoff, die Luft und/oder das Wasser (oder den Dampf) zu erwärmen, bevor diese Stoffe miteinander in Berührung gebracht werden, damit die jeweiligen Reaktionen stabil ablaufen. Demzufolge muß eine entsprechende Reformiervorrichtung entweder eine Heizvorrichtung oder einen Wärmeaustauscher für Wärmeaustausch mit dem Reformatgas aufweisen. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Reaktion gemäß Gleichung (7) besonders vorteilhaft, da die Reaktionsstoffe mit Hilfe von Wärme vorgewärmt werden können, die beim Zerfall von H202 frei wird, wobei dann weder eine Heizvorrichtung noch ein Wärmetauscher erforderlich ist. Die Reaktion gemäß Gleichung (7) läuft außerdem auch ohne Katalysator stabil ab und führt zu einem Reformatgas, das keine unbrennbaren Bestandteile, beispielsweise N2, enthält und daher einen hohen spezifischen Heiz- bzw. Wärmewert hat.
  • (V) Teilweise Oxidation mit Sauerstoff Dieses Prinzip unterscheidet sich nicht wesentlich vom Prinzip (I), da der einzige Unterschied in der Verwendung von reinem Sauerstoff statt Luft für die Reaktion gemäß Gleichung (1) liegt. Wenn Luft durch Sauerstoff ersetzt wird, führt dies selbstverständlich dazu, daß das Reformatgas kein N2 enthält und einen höheren spezifischen Heizwert hat. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Reaktion schneller und mit besserem thermischen Wirkungsgrad abläuft und wenig freien Kohlenstoff erzeugt.
  • Zwei oder mehr der beschriebenen Reaktionsprbzpien (I) bis (V) können auf verschiedene Weise zu einem Mischverfahren vereinigt werden.
  • (VI) Zerlegung von Alkohol Ein Alkohol, beispielsweise Methanol, kann gemäß Gleichung (8) in CO und H2 zerlegt werden: Die Reaktion gemäß Gleichung (8) ist endotherm, wobei allerdings die Reaktionstemperatur bei ungefähr 300 OC liegt und somit recht niedrig ist. Diese Zerlegung kann leicht mittels eines Methanolsynthesekatalysators oder eines Kohlenmonoxiduswandlungskatalysators durchgeführt werden.
  • Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Reaktionstemperatur kann die Zerlegung von Methanol gemäß Gleichung (8) leicht unter Ausnutzung des Abgases eines Verbrennungsmotors durchgeführt werden, wobei dann das Abgas zum Erwärmen und Zerlegen des Methanols dient. Beispielsweise liegt bei einem Hubkolbenmotor die Abgastemperatur in der Regel im Bereich von ungefähr 300 °C bis ungefähr 900 OC.
  • Eine so beträchtliche Ausnutzung des Abgases trägt selbstverständlich stark zur Erhöhung des Gesamtgütegrades bei.
  • Methanol ist mit Wasser in beliebigem Verhältnis mischbar.
  • Wenn ein Gemisch aus Methanol und Wasser zerlegt wird, reagiert das CO auf der rechten Seite von Gleichung (8) mit dem zugemischten Wasser (Wassergasreaktion) unter Bildung zusätzlichen Wasserstoffs: Dementsprechend können die jeweiligen Mengen an CO, H2 und CO2 im Reformatgas in weiten Bereichen dadurch geändert werden, daß einfach das Verhältnis von Methanol zu Wasser im Ausgangsgemisch geändert wird. Außerdem ist die Reaktion gemäß Gleichung (9) exotherm, so daß sie einen Anteil der Wärme zur Durchführung der Reaktion gemäß Gleichung (8) liefern kann.
  • Wenn Äthanol als zu reformierendg Ausgangskraftstoff benutzt wird, ist sowohl das Reaktionsprinzip (I) als auch das Reaktionsprinzip (II) brauchbar.
  • Eine Besonderheit von Methanol als zu reformierendem Kraftstoff liegt darin, daß die Reformierung keinen anderen Reaktionspartner außer Methanol erfordert, wogegen zur Reformierung alle anderen Sohlenwasserstoffkraftstoffe Luft (oder Sauerstoff oder H202) und/oder Dampf benötigt wird bzw. werden.
  • (VII) Reformieren fester Kraftstoffe Es ist zumindest theoretisch möglich, basierend auf einem der Prinzipien (I) bis (V) einen festen Kraft-bzw. Brennstoff wie beispielsweise Kohle, Koks, Holzkohle oder sogar ein organisches Polymer, beispielsweise Polyäthylen, in ein Reformatgas der oben angegebenen Art umzuwandeln. Unter praktischen Gesichtspunkten ist es zur Durchführung eines Reformierverfahrens mit einem festen Kraftstoff als Ausgangsmaterial praktisch unerläßlich, daß das Reformierverfahren sowohl eine teilweise Oxidationsreaktion als auch eine Wassergasreaktion aufweist. Die Freisetzung großer Mengen freien Kohlenstoffs verhindert, daß eine Reformiervorrichtung kontinuierlich und noramal betrieben wird, wenn zum Reformierverfahren nicht auch eine Wassergasreaktion gehört.
  • Im einfachsten Fall wird eine Wasserga,sreaktion zwischen einem festen Kraftstoff und Wasser durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben: Wenn statt des Wassers H202 benutzt wird, kann aufgrund der Reaktionen gemäß den Gleichungen (11), (12) oder (13) ein Reformatgas mit geeigneter Zusammensetzung erhalten werden: (VIII) Zerlegung von Hydrazin oder.Ammoniak Hydrazin N2H4 zerfällt in Gegenwart eines Katalysators in H2 und N2: Als Katalysator ist beispielsweise ein Katalysator auf Aluminiumbasis geeignet, der von der Firma REYNOLDS METALS CO.; Richmond, Virginia, V.St.A. unter dem Warenzeichen "405 ABG" vertrieben wird. Die Reaktion gemäß Gleichung (14) ist exotherm, so daß eine praktisch einsetzbare Vorrichtung zum Zerlegen von N2H4 sehr einfach konstruiert sein kann.
  • Ammoniak zerfällt ebenfalls in N2 und H2 in Gegenwart eines Katalysators auf Eisenbasis: Diese Reaktion ist endotherm, so daß von außen Wärme zugeführt werden muß, damit das Reaktionssystem auf einer Temperatur oberhalb von 900 OC gehalten wird.
  • Jedes der Reaktionsprliizipien (VI) bis ,(VIII) kann in Kombination mit einem oder mehreren der übrigen Reaktionsprinzipien und/oder einem oder mehreren der Reaktionsprinzipien (I) bis (V) realisiert werden, wobei auch kombinierte Verwendung von zwei oder mehr verschiedenen Kraftstoffen möglich ist.
  • Die erfindungsgemäße Kombination aus einer Reformiervorrichtung, in der ein Kohlenwasserstoffkraftstoff auf einem beliebigen der oben beschriebenen bekannten Prinzipien basierend in ein reformiertes Gas bzw. Reformatgas umgewandelt wird, und einem Verbrennungsmotor, der mit dem Reformatgas gespeist wird und in der Regel Leistung in Form einer Antriebskraft erzeugt, kann auf verschiedene Weise realisiert werden, wie die im folgenden beschriebenen Aus führungsbeispiele zeigen.
  • Den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Motoranlage zeigen die Fig. 8, 9 oder 10.
  • Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsform umfaßt einen Verbrennungsmotor 10 zur Erzeugung von Leistung. Bei diesem Motor 10 kann es sich um einen beliebigen bekannten Motor handeln, beispielsweise um einen Hubkolbenmotor, einen Drehkolbenmotor oder eine Gasturbine. Ein wesentlicher Bestandteil der Kraftstoffanlage des Motors 10 ist eine Vorrichtung 20 zum Umwandeln eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs in Reformatgas mit einem hohen Anteil an H und in den meisten Fällen einem hohen Anteil an CO.
  • 2 Diese Vorrichtung wird im folgenden als Reformiervorrichtung bezeichnet. Der Reformiervorrichtung 20 wird über Leitungen 30 und 40 ein Kohlenwasserstoffkraftstoff, beispielsweise Benzin (Oktan), und Luft zugeführt.
  • Das Reformatgas wird über eine Leitung 50 zum Motor 10 weitergeleitet. Luft zur Verbrennung des Reformatgases im Motor 10 wird über eine Leitung 60 zugeführt. Die Reformiervorrichtung 20 ist mit einer Speisevorrichtung 70 für Wasser (oder Dampf) versehen, wenn in der Reformiervorrichtung 20 eine Wassergasreaktion stattfinden soll. Der Motor 10 kann mit einer zusätzlichen Speisevorrichtung 80 für Kraftstoff versehen sein, über die dem Motor 10 der Kohlenwasserstoffkraftstoff zugeführt wird, wenn der Motor 10 unter starker Last betrieben wird, beispielsweise beim Anfahren eines vom Motor 10 angetriebenen Fahrzeugs oder bei Beschleunigung des Fahrzeugs, wenn der Motor hohe Leistung erzeugen muß. Zum Motor 10 gehört ferner eine Abgasleitung 90.
  • Bei der erfindungsgemäßen Motoranlage werden die Speisedurchflüsse der Luft und des Kohlenwasserstoffkraftstoffs zur Reformiervorrichtung 20 so gesteuert, daß der Kohlenwasserstoffkraftstoff in der Reformiervorrichtung 20 nur teilweise oxidiert wird. In Zahlen ausgedrückt heißt dies, daß das Luftverhältnis 1 in der Reformiervorrichtung 20 nicht größer als 0,6 gemacht wird: 0,6 Darin ist IX das Verhältnis der Luftmenge in einem Luft-Kraftstoff-Gemisch zur stöchiometrischen, zur vollständigen Verbrennung is Kraftstoffs im Gemisch erfordedichen Luftmenge.
  • Der Motor 10 wird mit einem Gemisch aus Luft, das über die Leitung 60 zugeführt wird, und Reformatgas betrieben, das über die Leistung 50 zugeführt wird. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis dieses Gemischs wird so geregelt, daß das Luftverhältnis #2 dieses Gemischs im Bereich von ungefähr 1,0 bis ungefähr 4,0 liegt. Dies bedeutet, daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch mager ist. Selbstverständlich soll bei der Verbrennung im Motor 10 eine vollständige Oxidation des im Reformatgas enthaltenen Wasserstoffs und Kohlenmonoxids erreicht werden. Vollständige Verbrennung des Reformatgases im Motor 10 kann aufgrund der hervorragenden Brennbarkeit von H2 und CO auch dann erreicht werden, wenn das Gemisch aus Luft und Reformatgas einen verhältnismäßig hohen Luftüberschuß 2 hat. Die Benutzung des Reformatgases, 2 das sehr wenig Kohlenwasserstoffe CnHm enthält, und die Verbrennung eines mageren Gemischs aus Luft und Reformatgas führen zu äußerst geringen Konzentrationen der Schadstoffe, beispielsweise der Stickoxide, des Kohlenmonoxids und der Kohlenwasserstoffe, im Abgas des Motors 10, wie dies beispielsweise die Diagramme gemäß den Fig. 4 bis 7 zeigen. Der Betrieb des Motors 10 mit einem mageren Gemisch aus Luft und Reformatgas führt zu einer Verbesserung des Gütegrades im Vergleich zu dem Fall, daß derselbe Motor mit einem Luft-Bezin-Gemisch betrieben wird, wie dies beispielsweise die Vergleichsdaten in Fig. 2 zeigen.
  • Allerdings nimmt die Nutzleistung des Motors 10 beträchtlich ab, wenn mit einem äußerst mageren Gemisch aus Luft und Reformatgas, beispielsweise mit t2 > 2, gearbeitet wird, wie dies Fig. 3 zeigt. Wenn der Motor 10 als Fahrzeugmotor eingesetzt wird, kann eine solche Abnahme der Nutzleistung zu unzureichendem Fahrverhalten des Fahrzeugs führen. Dies äußert sich beispielsweise darin, daß der Motor unzureichend auf starke Lastanforderungen reagiert, auch wenn bei normaler Fahrt keine nennenswerten Schwierigkeiten auftreten. In einem solchen Fall kann der Motor 10 kurzzeitig statt mit Reformatgas mit unreformiertem Kohlenwasserstoffkraftstoff von der zusätzlichen Speisevorrichtung 80 für Kraftstoff versorgt werden.
  • Bei der Motoranlage gemäß Fig. 9 ist die Reformiervorrichtung 20A so ausgebildet, daß sie gleichzeitig als Wärmeaustauscher arbeitet. Die Abgasleitung 90 des Motors 10 ist so an die Reformiervorrichtung angeschlossen, daß der Kohlenwasserstoffkraftstoff und die Luft, die der Reformiervorrichtung 20A zugeführt werden, durch Wärmeaustausch mit dem Abgas erwärmt werden können, wobei sie allerdings nicht in direkten Kontakt mit dem Abgas treten.
  • Auf diese Weise kann entweder eine teilweise Oxidation oder eine thermische Zerlegung in der Reformiervorrichtung 20A herbeigeführt oder beschleunigt werden, wobei außer der Wärme des Abgases keine äußere Wärmequelle benötigt wird.
  • Im übrigen stimmt die Motoranlage gemäß Fig. 9 mit der Motoranlage gemäß Fig. 8 überein.
  • Bei der Motoranlage gemäß Fig. 10 ist ein herkömmlicher Mehrzylindermotor 11 teilweise so abgewandelt, daß eine kleine Anzahl der Zylinder des Motors als Reformiervorrichtung 20B dient, während die übrigen Zylinder des Motors mit einem Gemisch aus Luft und Reformatgas betrieben werden, das in dieser Reformiervorrichtung 20B erzeugt wird. Dies heißt mit anderen EJorten, daß der größere Teil dieses Motors 11 als Motor 10 einer erfindungsgemäßen Motoranlage arbeitet. Den Zylindern des Motors, die als Reformiervorrichtung 20B arbeiten, werden ein Kohlenwasserstoffkraftstoff und Luft, gegebenenfalls zusammen mit Dampf, in solchem Verhältnis zugeführt, daß gilt 1 - 0,6. Das Gemisch aus Luft und Kohlenwasserstoffkraftstoff wird in den Zylindern 20B adiabatisch komprimiert, so daß das Gemisch eine Temperatur, beispielsweise ungefähr 900 OC, erreicht, die ausreichend hoch ist, um eine Reformierreaktion einzuleiten und zu unterhalten. Das erzeugte Reformatgas wird über die Leitung 50 den übrigen Zylindern bzw. dem leistungserzeugenden Motor 10 zusammen mit Luft auf der Leitung 60 in solchem Verhältnis zugeführt, daß A2 im Bereich von ungefähr 1,0 bis ungefähr 2 4,0 liegt. Die Verbrennung im Motor 10 erzeugt Antriebsleistung. Zu dieser Motoranlage kann ein Wärmeaustauscher 100 gehören, der den Kohlenwasserstoffkraftstoff bnd die Luft und gegebenenfalls den Dampf), die der Reformiervorrichtung 20B zugeführt werden, mittels der Wärme des Abgases aus dem Motor 10 und/oder der Wärme des Reformatgases aus der Leitung 50 vorwärmt. Diese Motoranlage hat die gleichen günstigen Kennwerte wie die Motoranlage gemäß Fig. 8.
  • Für die Reformiervorrichtung der erfindungsgemäßen Motoranlage gibt es zwei Typen: (A) Kontinuierlicher Typ Eine Reformiervorrichtung dieses Typs bzw, dieser Bauart wird kontinuierlich mit Kohlenwasserstoffkraftstoff und Luft (und/oder Dampf) gespeist und gibt kontinuierlich Reformatgas ab. Diese Reformiervorrichtung ist in der Regel mit einem Wärmeaustauscher kombiniert,.damit die Wärme des Reformatgases und/oder die Wärme des Abgases aus dem Motor, der mit dem Reformatgas gespeist wird, ausgenutzt werden kann. Häufig befindet,sich in der Reformiervorrichtung ein Katalysator, der die Reformierreaktion beschleunigt.
  • (B) Verdichtertyp Eine Reformiervorrichtung dieses Typs bzw. dieser Bauart ist so konstruiert, daß sie ein Gemisch aus einem Kohlenwasserstoffkraftstoff und Luft durch adiabatische Verdichtung des Gemischs erwärmt. Demzufolge können als Reformiervorrichtung dieser Bauart herkömmliche Verbrennungsmotoren, und zwar Hubkolbenmotoren oder Drehkolbenmotoren, eingesetzt werden. Bisweilen wird ein Teil der Wärme, die zur Einleitung und/oder Aufrechterhaltung der Reformierreaktion benötigt wird, von außen der Reformiervorrichtung zugeführt.
  • Es ist bereits hier erkennbar, daß der leistungserzeugende Motor einer erfindungsgemäßen Motoranlage sich nicht wesentlich unterscheidet von herkömmlichen Verbrennungsmotoren, die dem gleichen Zweck dienen. Dementsprechend betrifft die folgende ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemäßer Motoranlagen unter Bezugnahme auf Fig. 11 bis 35 hauptsächlich Einzelheiten der Reformiervorrichtung.
  • Fig. 11 zeigt eine kontinuierliche katalytische Reformiervorrichtung 20. Diese Reformiervorrichtung umfaßt eine im wesentlichen zylindrische Reaktionskammer 21, in der sich ein Katalysator 22 befindet, bei dem es sich beispielsweise um einen Katalysator auf Nickelbasis handelt Die Reaktionskammer 21 umgibt vorzugsweise eine Wand 23 aus wärmeisolierendem Material. Der Einlaß zur Reaktionskammer 21 an deren vorderem Ende ist als Düse 24 ausgebildet. Stromauf der Düse 24 befindet sich ein Fluidmischer 120. Der Auslaß der Reaktionskammer 21 befindet sich am oder dicht bei deren rechtem Ende (in Fig. 11). Der Mischer 120 steht über die Leitung 30, in der sich eine Kraftstoffpumpe 32 und ein Durchflußsteuerventil 33 befinden, mit einem Kraftstoffbehälter 31 (oder einem Druckzylinder) und über die Leitung 40, in der sich ein Luftfilter 41, eine Luftpumpe 42 und ein Durchflußsteuerventil 43 befinden, mit der umgebenden~Atmosphäre in Verbindung.
  • Wenn in der Reformiervorrichtung 20 eine Wasser gasreaktion ablaufen soll, steht der Mischer 120 über eine Leitung 70,in der sich eine Pumpe 72 und ein Durchflußsteuerventil 73 befinden, außerdem mit einem Behälter 71 für Wasser (oder Dampf) in Verbindung. Zur Reformiervorrichtung 20 gehört ferner eine Zündkerze 25, die einen Zündfunken erzeugt, wenn eine entsprechende Spannung angelegt wird.
  • Diese Reformiervorrichtung 20 arbeitet in folgender Weise.
  • Im Mischer 120 wird ein Gemisch aus Luft und dem Kohlenwasserstoffkraftstoff sowie gegebenenfalls Wasser so aufbereitet, daß es ein Luftverhältnis # im gewünschten Bereich #1 # 0,6 hat. Das Gemisch wird von der Düse 24 in die Reaktionskammer 21 eingespritzt und von Funken gezündet, die von der Zündkerze 25 erzeugt werden. Die sich einstellende Verbrennung des Gemischs ist aufgrund von Luftmangel unvollständig, so daß der Kohlenwasserstoffkraftstoff im Gemisch nur teilweise oxidiert wird.
  • Damit die Reformierreaktionen abläuft, muß nicht ungedingt der Katalysator 22 in der Reaktionskammer 21 vorhanden sein; allerdings beschleunigt der Katalysator die Reformierreaktionen. Das Verbrennungsgas, d.h. das Reformatgas,tritt kontinuierlich aus der Reformiervorrichtung 20 aus und wird über die Leitung 50 dem in Fig. 11 nicht dargestellten Motor 10 zugeführt.
  • Auch die in Fig. 12 dargestellte Reformiervorrichtung 20 gehört zum kontinuierlichen Typ; in ihre befindet sich allerdings kein Katalysator. Diese Reformiervorrichtung 20 ist zur Durchführung einer teilweisen Oxidationsreaktion geeigent, die stark exotherm und selbstunterhaltend ist.
  • In der Reaktionskammer 21 sind mehrere zylindrische Trennwände 26 konzentrisch so angeordnet, daß ein Raum freibleibt, in dem die Funkenzündung des Luft-Kraftstoff-Gemischserfolgen kann, das von der Düse 24 eingespritzt wird.
  • Das aus dem Mischer 120 in die Reaktionskammer 21 gelieferte Luft-Kraftstoff-Gemisch wird auf gleiche Weise wie bei der Reformiervorrichtung 20 gemäß Fig. 11 gezündet, wobei allerdings die Zündkerze 25 danach nicht dauernd Funken zu erzeugen braucht, da die teilweise Oxidationsreaktion durch die Reaktionswärme unterhalten wird. Die Trennwände 26 bewirken, daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch während der Verbrennung in der Reaktionskammer 21 einen verhältnismäßig langen Weg zurücklegen muß und daher ziemlich lange in der Reaktionskammer 21 verweilt. Dies hat zur Folge, daß die teilweise Oxidationsreaktion in gewünschter Weise zu Ende abläuft, obwohl kein Katalysator zur Anwendung kommt.
  • Eine kontinuierliche und mit einem Katalysator arbeitenden Reformiervorrichtung20A,die in Fig. 13 dargestellt ist, ähnelt prinzipiell der Reformiervorrichtung 20 gemäß Fig. 11, wobei sie allerdings eine Wärmeaustauscheinrichtung zum Vorwärmen des Kohlenwasserstoffkraftstoffs und der Luft unter Ausnutzung der Wärme der Reformierreaktion umfaßt. In der Reformiervorrichtung 20A befindet sich ein Wärmeaustauscher 100 stromab des Katalysators 22.
  • Die Luftspeiseleitung 40 ist so geführt, daß die Luft durch den lfärmeaustauschabschnitt der Reformiervorrichtung 20A strömt, bevor sie das Durchflußsteuerventil 43 erreicht.
  • Eine geeignete Konstruktion für den Wärmeaustauscher 100 ist in Fig. 14 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht der Wärmeaustauscher 100 aus zahlreichen platten bzw. Lagen 101 mit Wabenstruktur, wobei jede dieser Platten eine Fluidströmung nur in einer bestimmten Richtung durchläßt. Diese Platten 101 sind so aufeinander bzw. nebeneinander angeordnet, daß jede Platte unter bestimmtem Winkel, beispielsweise unter 90, zur nächsten Platte 101 verläuft.
  • Dementsprechendnn Luft durch den Wärmeaustauscher 100 in Richtung des Pfeiles A (in Fig. 14) strömen, während gleichzeitig das Reformatgas durch denselben Wärmeaustauscher 100 in Querrichtung dazu strömen kann (siehe Pfeil G), ohne daß das Reformatgas in direkte Berührung mit der Luft kommt.
  • Die Reformiervorrichtung 20A weist ferner einen weiteren Wärmeaustauscher 105 auf, der in Form eines spiralig um die Reaktionskammer 21 verlaufenden Rohres ausgebilder ist und Bestandteil der Kraftstoffleitung zwischen der Kraftstoffpumpe 32 und dem Durchflußsteuerventil 33 ist.
  • Der Mischer 120 umfaßt eine Mischkammer 121, die an ihrem Auslaß eine Verengung bzw. Einschnürung 122 aufweist. In der Reaktionskammer 21 befinde-t sich dicht bei der Düse 24 vorzugsweise ein Drallblech 123, das den Ablauf der Reaktion in der Reaktionskammer 21 erleichtert.
  • Die Reformiervorrichtung 20A arbeitet in folgender Weise.
  • Luft wird mit Wärme, die dem Reformatgas entzogen wird, vorgewärmt, und auch der Kohlenwasserstoffkraftstoff wird von der bei der Reformierreaktion freiwerdenden Reaktionswarme vorgewärmt und dabei häufig zumindest teilweise verdampft. Die erwärmte Luft und der erwärmte Kraftstoff können leicht und gründlich in der Mischkammer 121 miteinander vermischt werden. Diese gründliche Durchmischung führt zu größerer Stabilität der teilweisen Oxidationsreaktion in der Reformiervorrichtung ZOA. Außerdem kann dadurch der Gesamtgütegrad der Motoranlage verbessert Werden, und das Abziehen von Wärme aus dem Reformatgas führt zu einem günstigeren Liefergrad des Motors 10, der mit einem Gemisch aus Luft und dem Reformatgas betrieben wird.
  • In Fig. 15 ist eine kontinuierliche und mit einem Katalysator arbeitende Reformiervorrichtung 20C dargestellt, die so ausgelegt ist, daß sie ein Reformierverfahren mit einer Wassergasreaktion unter Verwendung von H202 als Sauerstoffträger und Wasserträger bewirken kann. Die Reaktionkammer 21 der Reformiervorrichtung 20C steht in Verbindung mit einem Reaktor 130, in dem sich ein Katalysator 131, beispielsweise ein Katalysator auf Silberbasis oder auf Mickelbasis, befindet, der zur Spaltung von H202 dient. Uber eine Leitung 140, in der sich eine Pumpe 142 und ein Durchflußsteuerventil 143 befinden, wird aus einem Behälter 141 durch eine Düse 144, dIe am Reaktor 130 befestigt ist, eine wässrige Lösung von- H2O2 in den Reaktor 130 eingespeist. Die Speiseleitung 3-0 für den Ko-hlenwasserstoffkraftstoff ist in ähnlicher Weise wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet. Somit wird der'Kohlenwasserstoffkraftstoff zusammen mit den Spaltprodukten, d.h. Sauerstoff und Dampf, aus dem Reaktor 130 in die Reaktionskammer 21 eing2spritz. Die Temperatur dieser Spaltprodukte und das Verhältnis von Sauerstoff zu Dampf können durch Ar.derung~ der Konzentration der 0 2Lösung geändert werden.
  • Beispielsweise wird eine 90%ige wässrige H202-Lösung katalytisch unter Freisetzung von Wärme in ein Gasgemisch aus °2 ( 42,4 gew%) und H2 0 (57,6 gew%) zerlegt, dessen Temperatur ungefähr 750 °C beträgt. Die Wärme dieser Zerfallsreaktion wird zur Aufrechterhaltung der Reformierreaktion in der Reformiervorrichtung 20C ausgenutzt.
  • In der Reaktionskammer 21 befindet sich vorzugsweise ein Katalysator 22A, beispielsweise ein Katalysator auf Nickelbasis oder ein Katalysator auf Kalkbasis, der die Reformierreaktion gemäß Gleichung (7) unterstützt. Das Reformatgas wird über die Leitung 50 zum Motor 10 geleitet. In der Reaktionskammer 21 befindet sich vorzugsweise ein Wärmeaustauscher 106, der Bestandteil der Abgasleitung 90 des Motors 10 ist. Dieser Wärmeaustauscher dient dazu, die Abgaswärme zum Beheizen des Katalysators 22A auszunutzen.
  • Fig. 16 zeigt eine Motoranlage,bei der zur kontinuierlichen und katalytischen Reformiervorrichtung 20A ein Wärmeaustauscher 167 gehört, der so angeordnet und ausgebildet ist, daß die Wärme des Abgases vom Motor 10 zum Erwärmen eines Gemischs aus Luft, Wasser und einem Kohlenwasserstoffkraftstoff benutzt wird, das von einem Mischer 120 geliefert wird. Wie aus Fig. 16 erkennbar ist, gehört zum Motor 10 dieser erfindungsgemäßen Motoranlage eine Gemischaufbereitungsvorrichtung 110, die ein brennbares Gemisch aus Reformatgas, das über die Leitung 50 geliefert wird, und Luft herstellt, die über die Leitung 60 angesaugt wird. Diese Gemischaufbereitungsvorrichtung 110 entspricht einem Vergaser, der bei Betrieb desselben Motors mit einem Gemisch aus Luft und einem Kohlenwasserstoffkraftstoff verwendet würde.
  • Fig. 17 zeigt eine kontinuierliche Reformiervorrichtung 20D für eine Kraftstoffreformierreaktion, bei der H202 als Sauerstoffträger benutzt wird. Der Reaktor 130 zum Spalten einer wässriue^Hs ög ist nicht direkt mit der Reformiervorrichtung 20D sondern über einen Kondensator 150 mit einem Dampf-Flüssigkeits-Abscheider 160 verbunden. Eine Leitung 170 ist so angeschlossen, daß sie dem Mischer 120 nur Sauerstoffgas zuführt. über die Leitung 30 wird dem Mischer 120 der Kohlenwasserstoffkraftstoff zugeführt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Teil des Kohlenwasserstoffkraftstoffs für die Reformierreaktion nicht in den Mischer 120 eingeleitet, sondern direkt von einer Düse 34, die sich stromab der.
  • Zündkerze 25 befindet, in das in der Reformiervorrichtung 20D verbrennende Gemisch aus Sauerstoff und Kraftstoff eingespritzt. Stromab der Düse 34 ist in der Reaktionskammer 21 ein Wärmeaustauscher 108 angeordnet. Eine Kraftstoffleitung 30a verbindet die Kraftstoffpumpe 32 mit der Düse 34 über ein Durchflußsteuerventil 36 und den Wärmeaustauscher 108. Das Verhältnis der Gesamtmenge des aus den Düsen 24 und 34 in die Reaktionskammer 21 eingeleiteten Kraftstoffs zur dem Mischer 120 zugeführten Sauerstoffmenge wird so geregelt, daß das Verhältnis einen Wert annimmt, der einem Wert des Luftverhältnisses von nicht mehr als 0,6 entspricht.
  • Wenn zum Reformierverfahren auch eine Wassergasreaktion gehört, ist in der Reaktionskammer 21 ein weiterer Wärmeaustauscher 109 angeordnet, wobei die Leitung 70 so verläuft, daß sie einen Wasserbehälter 180, der Wasser vom Abscheider 160 erhält, über die Wasserpumpe 72 und den Wärmeaustauscher 109 mit einer:-Wasserdüse 74 verbindet.
  • In der Reformiervorrichtung 20 gemäß Fig. 18 wird der Kohlenwasserstoffkraftstoff abwechselnd einer Wassergasreaktion, durch die Reformatgas erzeugt wird, und einer vollständigen Verbrennung unterworfen, die die zur Unterhaltung der Wassergasreaktion erforderliche Wärme liefert.
  • Zunächst wird im Mischer 120 ein stöchiometrisches Gemisch aus Luft und Kraftstoff ( N= 1,0) aufbereitet und in der Reaktionskammer 21 von der Zündkerze 25 gezündet. Die sich einstellende Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs ist praktisch vollständig und setzt eine große Wärmemenge frei. Das Verbrennungsgas strömt durch den Katalysator 22 und erwärmt diesen, bevor es die Reformiervorrichtung 20 verläßt. Stromab des Auslasses der Reformiervorrichtung 20 befindet sich ein Dreiwegventil 51, das zu diesem Zeitpunkt eine solche Stellung hat, daß das Verbrennungsgas nicht in die Leitung 50 für Reformatgas gelangen kann, sondern über eine Abgasleitung 109 abgeführt wird. Wenn dann der Katalysator 22 ausreichend erwärmt worden ist, wird das Luftdurchflußsteuerventil 43 geschlossen und das Wasserdurchflußsteuerventil 73 geöffnet, so daß ein Gemisch aus Kraftstoff und Wasser (oder Dampf) in die Reaktionskammer 21 eingeleitet wird. Wenn dieses Gemisch in Kontakt mit dem erwärmten Katalysator 22 kommt, findet eine Wassergasreaktion statt, die zu dem Reformatgas führt.
  • Zu diesem Zeitpunkt hat das Dreiwegventil 51 eine andere Stellung, so daß das Reformatgas in die Leitung 50 gelangt.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 19 sind zwei identische Reformiervorrichtungen 20 vorgesehen, die parallel angeordnet sind, so daß sie eine Reformieranlage bilden, die in folgender Weise betrieben wird. Diese Reformiervorrichtungen 20 stimmen mit der Reformiervorrichtung 20 gemäß Fig. 8 mit der Ausnahme überein, daß Düsen 74 zur Einspeisung des Kraftstoff-Wasser-Gemichs in die Reaktionskammer 21 vorgesehen sind und daß die Wasserleitung 70 nicht mit dem Mischer 120 verbunden ist. (Diese Abwandlung kann wahlweise vorgesehen sein und kann auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 18 vorgenommen werden.) In der Kraftstoffleitung 30 befinden sich zwei Durchflußsteuerventile 33 und 37, damit der Kraftstoff abwechselnd dem Mischer 120 und der Kraftstoff-Wasser-Düse 74 einer jeden Reformiervorrichtung 20 zugeführt werden kann.
  • In jeder der zwei Reformiervorrichtungen 20 wird wie im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 18 abwechselnd eine Verbrennung eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemischs und eine katalytische und endotherme Wassergasreaktion durchgeführt. Allerdings werden die zwe Reformiervorrichtungen 20 nicht synchron betrieben: Während in einer der Reformiervorrichtungen das Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird, erfolgt in der anderen Reformiervorrichtung die Wassergasreaktion des Kraftstoff-Wasser-Gemischs. Dabei wird die Ablaufsteuerung dieser Vorgänge durch entsprechende Betätigung der Durchflußsteuerventile 33, 37, 43, 73 und 51 durçhgeführt. Somit kann das Reformatgas kontinuierlich erzeugt werden, und es wird über einen Speicherbehälter 52 auf die Leitung 50 gegeben.
  • Die in Fig. 20 dargestellte Motoranlage ist besonders für den Betrieb mit Methanol geeignet. Die Reformiervorrichtung 20A umfaßt einen Katalysator 22B zum Spalten bzw. Zerlegen von Methanol gemB Gleichung (8) sowie einen Wärmeaustauscher 107 in der Kraftstoffleitung 30. Die Abgasleitung 90 des leistungserzeugenden Motors 10 ist so ausgebildet, daß sie durch die Reformiervorrichtung 20A in der Weise läuft, daß das Abgas zum Erwärmen des Katalys!ators 22B und des Methanols ausgenutzt werden kann. Der Durchfluß des Reformatgases auf der Leitung 50 zur Luftansaugleitung 60 des Motors 10 wird von einem Steuerventil 53 so gesteuert, daß der Motor 10 mit einem Gemisch aus Luft und Reformatgas gespeist wird, dessen Luftverhältnis %2 zwischen 2 ungefähr 1,0 und 4,0 liegt.
  • Wie bereits beschrieben wurde, erfolgt die katalytische Spaltung bzw. der katalytische Zerfall von Methanol bei ungefähr 300 OC, ohne daß dabei Luft verbraucht wird.
  • Außerdem ist das aus Methanol erzeugte Reformatgas besonders geeignet als Kraftstoff zum Betreiben des Motors 10, da es kein N2 enthält und beispielsweise zu einem höheren Liefergrad führt.
  • Zur Untersuchung der Änderungen der Betriebskennwerte eines herkömmlichen Verbrennungsmotors wurden Versuche durchgeführt, bei denen der Motor einerseits mit Reformatgas betrieben wurde, das durch teilweise Oxidation von Benzin erzeugt wurde, und andererseits mit Reformatgas betrieben wurde, das durch Spaltung von Methanol unter Ausnutzung der Abgaswärme des Motors erzeugt wurde. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Die Kenngrößen des verwendeten Motors waren dabei folgende: Hubraum 2000 cm3, Motordrehzahl 4000Upm, Luftverhältnis (#2) 2,0, Verdichtungsverhältnis 9,0, Nutzwirkungsgrad (e) 35%, volumetrischer Wirkungsgrad (77v) 0,85.
  • Tabelle 1
    Kraftstoff
    (Ausgangsmaterial) Benzin Methanol
    teilweise Oxida- thermische Spaltunc
    Reformierverfahren tion mit Nickel- mit Zink- oder
    katalysator Kupferkatalysator
    Reformiertemperatur (°C) 900 - 1100 300 - 400
    Zusammensetzung des H2 : 22% H2 : 64%
    Reformatgases CO : 24 CO : 32
    (vol%) | |
    CH4 : 1,0 | HC :
    H20 : 1,2 CO2 : 3
    N2 : 51,3
    C°2 : 1,2
    Heizwert des Reformat-
    gases (Kcal/Nm3) 1400 2810
    Stöchiometrisches Luft-
    Kraftstoff-Volumenver- 1,25 2,5
    hältnis
    Thermischer Wirkungsgrad
    des Reformierens (%) 78,5 118
    Motorbetriebsgrößen
    Mittlerer Arbeitsdruck Pe
    (kp/cm2) 5,07 5,93
    Nutzleistung Ne (PS) 45 53
    Reformatgasverbrauch je Ar-
    beitsspiel (Liter/Arbeits- 0,5 0,284
    spiel)
    Kraftstoffverbrauch (g/PSh) 207 ' 306
    Kraftstoffverbrauch
    (Kcal/PSh) 2370 1530
    Maximaler Durchfluß des
    Kraftstoffausangs-
    materials (kg/h) 9,6 15,3
    Raumbedarf der Refor-
    miervorrichtung (cm3) 11 700 14 400
    Die in Fig. 21 dargestellte Motoranlage umfaßt einen zusätzlichen Verbrennungsmotor 15, der mit einer kontinuierlichen und katalytischen Reformiervorrichtung 20A kombiniert ist und diese sowohl mit Wärme als auch mit Luft versorgt. Dieser Motor 15 hat eine übliche Ansauganlage 16 und wird mit einem sehr mageren Gemisch aus Luft und einenKohlenwasserstoffkraftstoff betrieben, so daß das Abgas aus diesem Motor 15 eine große Menge Luft enthält. Das Abgas wird über eine Leitung 40A in die Reformiervorrichtung 20A eingeleitet und erwärmt den Katalysator 22B und den Kohlenwasserstoffkraftstoff, der durch den Wärmeaustauscher 107 strömt, bevor er zu der Düse 34 gelangt, von der der Kraftstoff in die Reaktionskammer 21 eingespritzt wird. Das Reformatgas wird mit Luft gemischt, die über die Leitung 60 zugeführt wird, und im leistungserzeugenden Motor 10 vollständig verbrannt. Selbstverständlich kann auch am zusätzlichen Motor 10 Leistung abgenommen werden.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Motoranlage wird der leistungserzeugende Motor 10 mit einem Gemisch aus Luft und Reformatgas betrieben, dessen Luftverhältnis im Bereich von ungefähr 1,0 bis 4,0 liegt. Demzufolge wird der Motor 10 mit Ausnahme des Grenzfalles #2 = 1,0 mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch gespeist, so daß das Abgas dieses Motors 10 überschüssige Luft in der Regel in solcher Menge enthält, daß sich im Abgas ungefähr 10 vol% Sauerstoff befinden. Das Abgas hat eine Temperatur von ungefähr 300 bis 400"C.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 22 wird ein Teil des Abgases des Motors 10 über eine Leitung 92 zur Reformiervorrichtung 20 in solcher Menge zurückgeführt, daß der Reformiervorrichtung 20 über die Leitung 40 keine Luft zugeführt zu werden braucht, wenn die Reformierreaktion in der Reformiervorrichtung 20 stabilisiert ist. Das übrige Abgas wird durch den Wärmeaustauscher 100 geleitet, der den Kohlenwasserstoffkraftstoff erwärmt, der in der Kraftstoffleitung 30 zur Reformiervorrichtung 20 strömt.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig 23. dient ein Zylinder eines Viertakthubkolbenmotors als Reformiervorrichtung 20B vom Verdichtertyp. Bei dieser Ausführungsform können die Kraftstoffleitung 30, die Luftleitung 40 und der Mischer 120 der Reformiervorrichtung 20B praktisch in gleicher Weise wie ein üblicher Vergaser für einen Hubkolbenmotor ausgebildet und angeordnet sein, und zwar einschließlich einer Starterklappe 125 und einer Drosselklappe 126. Der Mischer bzw. Vergaser 120 ist so eingestellt, daß er ein sehr fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch ( 1 C 0,6) liefert. Der Betrieb der Motorzylinderbaugruppe erfordert im übrigen keine wesentlichen Abwandlungen und erfolgt in üblicher Weise. Das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch wird beim Saughub eine Kolbens 28 in die Reformiervorrichtung 20B eingesaugt und dann während des Verdichtungshubes adiabatisch verdichtet. Es bereitet keine Schwierigkeiten, mit einem solchen Verdichtungsverhältnis zu arbeiten, daß das Gemisch auf ungefähr 900 OC erwärmt wird. In der Reformiervorrichtung 20B erfolgt eine Reformierreaktion, wenn das Gemisch verdichtet und auf eine solche Temperatur erwärmt worden ist. Das Gemisch kann sich dann während des folgenden Expansionshubes in der Reformiervorrichtung 20B ausdehnen. Selbstverständlich darf eine gewisse Leitung während des Expansionshubes an der Reformiervorrichtung 20B abgenommen werden. Während des Ausstoßhubes wird das Reformatgas aus der Reformiervorrichtung 20B ausgestoßen und über die Reformatgasleitung 50 zum leistungserzeugenden Motor 10 geleitet.
  • Gegebenenfalls kann die Reformiervorrichtung 20B mit der Wasserspeiseleitung 70 versehen sein. Die Verbrennungswärme aus der Verbrennung in der Reformiervorrichtung 20B oder die Wärme des Abgases wird vorzugsweise zum Vorwärmen des Kohlenwasserstoffkraftstoffs auf beispielsweise ungefähr 100 bis 250 OC ausgenutzt, um die Reformierreaktion in der Reformiervorrichtung 20B zu unterstützen und damit sie vollständig abläuft.
  • Bei der in Fig. 24 dargestellten Ausführungsform ist die Reformiervorrichtung 20B gemäß Fig. 23 mechanisch mit dem leistungserzeugenden Motor 10 verbunden. Die nicht dargestellte Kurbelwelle, mit der der Kolben 28 der Reformiervorrichtung 20B verbunden ist, wird vom Motor 10 über eine Antriebsscheibe 29 oder über ein beliebiges andes Antriebsmittel, beispielsweise über Ketten oder Zahnräder, angetrieben.
  • Wie bereits vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 10 erläutert wurde, wird eine Anlage gemäß Fig. 24 vorzugsweise so konstruiert, daß eine kleinere Anzahl von Zylindern eines Mehrzylindermotors 11, der mit Reformatgas betrieben werden soll, als Reformiervorrichtung 20B vom Verdichtertyp benutzt wird. Eine solche Konstruktion erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn der Mehrzylindermotor 11 als Fahrzeugantrieb dient, da diese Konstruktion es erleichtert, die gesamte Motoranlage kompakt zu konstruieren, die Hilfseinrichtungen vereinfacht und es ferner erleichtert, die Reformiervo,rrichtung 20B mit veränderlicher, zur Drehzahl des leistungserzeugenden Motors 10 proportionaler Drehzahl zu betreiben, so daß die Erzeugung des Reformatgases in günstiger Weise auf den Verbrauch des Reformatga-ses im Motor 10 abgestimmt ist.
  • Wenn die Erfindung auf einen Vierzylindermotor (oder einen Mehrzylindermotor, dessen Zylinderanzahl ein ganzzahliges Vielfaches von 4 ist) angewendet wird und einer (bzw.
  • 1/4) der Zylinder als Reformiervorrichtung 20B zur Versorgung der übrigen drei (bzw. 3/4) Zylinder mit Reformatgas benutzt wird, können die Erzeugung und der Verbrauch des Reformatgases fast ideal aufeinander abgestimmt werden. Dies zeigt sich, wenn das Luftverhältnis X < 0,6) bei der Erzeugung des Reformatgases und das Luftverhältnis 2 (zwischen ungefähr 1,0 und ungefähr 4,0) beim Verbrauch des Reformatgases miteinander verglichen werden Demzufolge braucht der Zylinderblock des Vierzylindermotors nicht abgewandelt zu werden, wenn der Motor teilweise als Reformiervorrichtung 20B benutzt wird.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 25 wird eineyMotorzylinderbaugruppe eines Zweitaktmotors als Reformiervorrichtung 20B vom Verdichtertyp benutzt. Diese Reformiervorrichtung 20B ist mit dem Reaktor 130 zum Spalten einer wässrigen H202-Lösung in O2 und H2 0 kombiniert-. über die Leitung 30 wird der Reformiervorrichtung 20B gleichzeitig mit dem Gemisch aus Sauerstoff und Dampf Kraftstoff zugeführt. Das Verhältnis des Sauerstoff-Dampf-Gemischs zum Kraftstoff wird so gesteuert, daß das Sauerstoff-Kraftstoff-Verhältnis einen Wert hat, der einem Luftverhältnis von nicht mehr als 0,6 entspricht. Das entstehende kraftstoffreiche brennbare Gemisch wird durch adiabate Verdichtung in der Reaktionskammer bzw. Brennkammer 21 während des Verdichtungshubes des Kolbens 28A erwärmt und dann von der Zündkerze 25 gezündet. In der Reaktionskammer 21 erfolgt dann eine Wassergasreaktion, die das Reformatgas liefert. Das Reformatgas wird während des folgenden Ansaug- und Ausstoßhubes aus der Reaktionskammer 21 ausgestoßen und gelangt in die Leitung 50, wonach es mit Luft zu einem Gemisch gemischt wird, mit dem ein getrennter, leistungserzeugender Motor 10 betrieben wird.
  • Auch die Reformiervorrichtung 20B gemäß Fig. 26 hat Verdichterbauart. Diese Reformiervorrichtung ist im Prinzip als Notorzylinderbaugruppe eines herkömmlichen Hubkolbenmotors ausgebildet. Sie zeichnet sich aus durch eine verhältnismäßig kleine Zünd- bzw. Vorkammer 29', die gewissen Abstand vom Hauptbrennraum bzw. der Reaktionskammer 21 haben kann, jedoch in Strömungsverbindung mit dieser steht. Diese Ausbildung ermöglicht es, die Reformierreaktion in der Reaktionskammer 21 leichter und. zuverlässiger durchzuführen. Über eine Leitung 210 wird in die Zündkammer ein ungefähr stöchiometrisches Gemisch ( \1 - 1 1,0) 0 ) aus Luft und Kohlenwasserstoffkraftstoff eingespeist Über eine Leitung 200 wird ein weiteres Gemisch aus Luft und dem gleichen Kraftstoff mit einem solchen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zugeführt, daß das Luftverhältnis 1 nicht größer als 0,6 ist. Die Zündkerze 25 ist so angeordnet, daß sie Funken in der Zündkammer 29' erzeugt. Nachdem das fettere Gemisch in der Reaktionskammer 21 verdichtet worden ist, wird das ungefähr stöchiometrische Gemisch in der Zündkammer 29' mittels eines Funkens gezündet. Das fettere Gemisch wird dann von einer Flamme gezündet, die sich aus der Zündkammer 29' ausbreitet, und durchläuft eine teilweise Oxidationsreaktion, die von der Wärme bewirkt wird, die durch die Verbrennung des ungefähr stöchiometrischen Gemischs freigesetzt wird.
  • Bei der in Fig. 27 dargestellten Reformiervorrichtung 20B handelt es sich um eine Abwandlung der Reformiervorrichtung 20B gemäß Fig. 23. Die Reformiervorrichtung 20B gemäß Fig. 27 zeichnet sich aus durch eine Nebenkammer 29A, die ähnlich ausgebildet und angeordnetist wie die Zündkammer 29' in Fig. 26. Diese Nebenkammer 29A braucht nicht mit einer Zündkerze 25 versehen zu sein; vielmehr befindet sich in der Nebenkammer 29A ein Katalysator 22, der eine teilweise Oxidationsreaktion eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs bewirken kann . Über die Leitung 200 wird in die Reaktionskammer 21 ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch () <=0,6) eingeleitet. Das Gemisch wird in zuvor beschriebener Weist während des Verdichtungshubes erwärmt und kommt im erwärmten Zustand teilweise in Berührung mit dem Katalysator 22. Somit kann auch in der Reformiervorrichtung 20B recht einfach und zuverlässig die teilweise Oxidationsreaktion durchgeführt werden.
  • Die Reformiervorrichtung 20B gemäß Fig. 28 ähnelt stark der Reformiervorrichtung 20B gemäß Fig. 26, da auch die Reformiervorrichtung 20B gemäß Fig 28 eine Zündkammer 29' mit einer Zündkerze 25 aufweist. Der Zündkammer 29' dieser Reformiervorrichtung 20B wird jedoch statt eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Gemischs! das bei der Ausführungsform gemäß Fig. 26 zugeführt wird, über eine Leitung 220, in der sich ein Durchflußsteuerventil 221 befindet, komprimierte Luft zugeführt. Der Durchfluß der komprimierten Luft in die Zündkammer 29' wird so gesteuert, daß das Luftverhältnis 1 nur in der Zündkammer 29' ungefähr gleich 1,0 wird, wenn die Reaktionskammer 21 in ähnlicher Weise wie bei der Reformiervorrichtung 20B gemäß Fig. 26 mit einem fetten brennbaren Gemisch gespeist wird. Diese Reformiervorrichtung 20B hat daher praktisch die gleichen Betriebseigenschaften wie die Reformiervorrichtung 20B gemäß Fig. 26.
  • Die in Fig. 29 dargestellte Reformiervorrichtung 20E vom Verdichtertyp weist eine Zylinderbohrung 230 und einen Kolben 28B auf, der auf- und abbewegbar in der Zylinder bohrung 230 sitzt. Der Kolben 28B ist kürzer als die Zylinderbohrung 230 und so ausgebildet, daß oberhalb der oberen Stirnfläche des Kolbens 28B eine erste Brennkammer 12 und unterhalb der Unterseite des Kolbens 28B eine zweite Brer.nkammer 21A besteht. Selbstverständlich werden diese zwei Brennkammern 12 und 21A mit veränderbarem Volumen vom Kolben 28B hermetisch voneinander getrennt.
  • Diese Reformiervorrichtung 20E arbeitet gleichzeitig als leistungserzeugender Motor 10, der mit einem Gemisch aus Reformatgas und Luft betrieben wird. Dabei dient die zweite Brennkammer 21A als Reaktionskammer der Reformiervorrichtung 20E, während die erste Brennkammer 12 als Brennraum zur Erzeugung von Arbeit bzw. Leistung durch Verbrennung des Gemischs aus Luft und Reformatgas dient.
  • In der-Stirnwand der zweiten Brennkammer 21A ist eine kleine Ausnehmung 240 ausgebildet, damit dort eine Heißstelle bzw. ein Glühkopf" besteht, wenn in der Brennkammer 21A Luft mit verhältnismäßig hohem Verdichtungsverhältnis verdichtet wird. Die Düse 34, durch die der Kohlenwasserstoffkraftstoff in die Brennkammer 21A eingespritzt wird, befindet sich dicht bei der Ausnehmung 240.
  • Über die Leitung 40 kann die in Kammer 21A Luft eingeleitet werden. Die Leitung 50 verbindet die erste Brennkammer 12 und die zweite Brennkammer 21A und führt Reformatgas. Am einen Ende der Leitung 50 befindet sich ein Auslaßventil 250 für die zweite Brennkammer 21A, und am anderen Ende der Leitung 50 befindet sich ein Einlaßventil 260 für die erste Brennkammer 12. Im mittleren Bereich der Leitung 50 ist der Speicherbehälter 52 angeordnet. Zur ersten Brennkammer 12 gehört eine Zündkerze 13. Über die Leitung 60 wird in die erste Brennkammer 12 Luft eingeleitet.
  • Während eines ersten Aufwärtshubes des Kolbens 28B wird Luft in die zweite Brennkammer 21A eingesaugt, die dann beim folgenden Abwärtshub verdichtet wird. Gegen Ende der Verdichtung und wenn die Luft ausreichend erwärmt ist, beispielsweise auf ungefähr 900 "C, wird der Kohlenwasserstoffkraftstoff in die zweite Brennkammer 21A in solcher Menge eingespritzt, daß das Luftverhältnis > 1 für das entstehende Luft-Kraftstoff-Gemisch nicht größer als 0,6 ist. Die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erfolgt an der Ausnehmung 240, wo eine Heißstelle erzeugt worden ist, wonach eine teilweise Oxidation des Gemischs erfolgt. Beim folgenden Abwärtshub (nach Beendigung eines Expansionshubes) wird das Reformatgas aus der zweiten Brennkammer 21A ausgestoßen und über die Leitung 50 in die erste Brennkammer 12 eingespeist. Gleichzeitig wird in die erste Brennkammer 12 Luft in solcher Menge eingesaugt, daß das Luftverhältnis # 2 des sich ergebenden Gemischs aus Luft und Reformatgas in der ersten Brennkammer 12 zwischen ungefähr 1,0 und ungefähr 4,0 liegt. Dieses Gemisch wird in der ersten Brennkammer 12 verdichtet und von einem von der Zündkerze 13 erzeugten Funken gezündet. Während des folgenden Expensionshubes (bezogen auf die erste Brennkammer 12) des Kolbens 28B liefert die Kombination aus Reformiervorrichtung und Motor 20E Kraft bzw. Leistung. Die Arbeitsweise der Vorrichtung 20E wird aus Fig. 30 und Tabelle 2 klarer, die die vier aufeinanderfolgenden Hübe des Kolbens 28B erläutern.
  • Tabelle 2
    Symbol des
    Hubes in Fig. 30 (A) | (B) (C) (D)
    erste Brennkammer
    12 für Leistungs- Verdichten Expansion Ausstoßen Ansaugen
    erzeugung
    zweite Brenn-
    ammer 21A Sür Ansaugen VerdickenlExpansion Aus stoßen
    |Erzeugung von | | | | (Lieferung
    ße¢ormatgas von Refor-
    matgas)
    Fig. 31 zeigt eine Rotationsreformiervorrichtung 20F, die vom Verdichtertyp ist und grundsätzlich ähnlich konstruiert ist wie der Brennraum eines herkömmlichen Drehkolbenmotorse In einer Bohrung bzw. Reaktionskammer 213 mit einer Kontur in Form einer Epitrochoide mit zwei Zweigen sitzt ein dreiseitiger Drehkolben 28C, der in der Kammer exzentrisch umlaufen kann. Über die Leitung 200 wird während des Ansaugtaktes ein brennbares Gemisch aus Luft und einem Kohlenwasserstoffkraftstoff mit einem Luftverhältnis von nicht mehr als 0,6 in die Reaktionskammer 21B eingeleitet.
  • Die Zündkerze 25 ist in bei Drehkolbenmotoren üblicher Weise angeordnet, und die Düse bzw. Leitung 220 zum Einblasen verdichteter Luft befindet sich dicht bei der Zündkerze 25. Während des Verdichtungstaktes wird in die Reaktionskammer 21B komprimierte Luft in solcher Menge eingeblasen, daß das Luftverhältnis %1 des verdichteten und erwärmten brennbaren Gemischs in einem kleinen Bereich nahe der Zündkerze 25 auf ungefähr 1,0 ansteigt. Das Gemisch kann dann durch einen Funken von der Zündkerze 25 leicht gezündet werden. Aufgrund der Verdichtungswärme und der durch die vollständige Verbrennung des zunächst gezündeten Gemischanteils erzeugten Wärme erfolgt dann in der Reaktionskammer 21B zuverlässig eine stabile teilweise Oxidationsreaktion des größeren Gemischanteils. Das Reformatgas wird während des normalen Ausstoßtaktes aus der Reaktionskammer 21B ausgestoßen und über die Leitung 50 zum leistungserzeugenden Motor 10 (nicht dargestellt) geleitet.
  • ng. 32 zeigt eine Kombination aus einer kontinuierlichen Reformiervorrichtung 20G und einer Verbrennungskammer 250! einer Gasturbine 10A. Die Reformiervorrichtung 20G hat im Prinzip die gleiche Konstruktion wie die Reformiervorrichtung 20 gemäß Fig. 11. In die Reaktionskammer 21 der Reformiervorrichtung 20G wird über Einlässe 260 Luft eingeleitet, und ein h'ohlenwasserstoffkraftstoff wird mittels einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 34A in die Reaktionskammer 21 eingeleitet, so daß ein Luft-Krafstoff-Gemisch mit einem Luftverhältnis 1 von nicht mehr als 0,6 erzeugt wird. Die Zündkerze 25 lost eine teilweise Oxidationsrealtion in der Reaktionskammer 21 aus , wobei die Reaktion vom Katalysator 22 beschleunigt wird. Durch Einlässe 270 wird Luft in die Verbrennungskammer 250' eingeleitet, und gleichzeitig wird Reformatgas durch eine Gasdüse 280 in solcher Menge in die Verbrennungskammer 250' eingeblasen, daß das Luftverhältnis t2 des sich ergebenden Gemischs aus Luft und Reformatgas in der Verbrennungskammer 250' zwischen ungefähr 1,0 und ungefähr 40 liegt. (In üblicher Weise muß eine große Menge Sekundärluft zum Kühlen der Verbrennungskammer 250' zugeführt werden.
  • Daher kann das Luftverhältnis #2 des Abgases der Verbrennungskammer 250' größer als 4,0 werden.) Wenn der leistungserzeugende Motor 10 eine Gasturbine 10A ist, d. h. eine Verbrennungskraftmaschine mit kontinuierlicher Verbrennung, liegen die Vorteile einer ko-Ltinuiedichen Reformiervorrichtung 20 auf der Hand. In der Regel erfolgt die Verbrennung in der Verbrennungskammer 250 einer Gasturbine 10A bei einem ungefähr stöchiometrischen Luft-Krafb-stoff-Verhältnis, so daß das Verbrennungsgas sehr hohe Temperatur hat, die beispielsweise im Bereich zwischen ungefähr 1700 bis ungefähr 2000 OC liegt. Das Verbrennungsgas wird durch Zugabe großer Mengen Sekundärluft auf ungefähr 900 bis 1000 °C abgekühlt und dann als Arbeitsmittel der Turbine 10A benutzt. Aufgrund des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und der sehr hohen Verbrennungstemperatur ist es sehr schwierig die Bildung unerwünschter Stickoxide zu verhindern. Wenn die Verbrennungskammer 250' mit der Reformiervorrichtung 20G kombiniert ist und die Turbine 10A mit einem Gemisch aus Luft und Reformatgas betrieben wird, können jedoch die Konzentrationen der Stickoxide im Verbrennungsgas auf sehr kleine Werte vermindert werden, da das Reformatgas mit Luft zu einem Gemisch mit verhältnismäßig hohem Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemischt wird und bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur, beispieLsweise unter ungefähr 1500 OC, verbrannt wird Wenn das Reformatgas durch teilweise Oxidation eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs mit Luft hergestellt wird, enthält das Reformatgas als unbrennbaren Bestandteil N2 gelegentlich auch zusammen mit CO2. Beispielsweise hat ein Reformatgas,das aus Oktan C8H18 (als Benzin) und Luft mit einem Luftverhältnis 1 von 0,35 hergestellt wird, wobei angenommen wird, daß das Molverhältnis von N zu O, 2 den Wert 4/1 hat, folgende Zusammensetzung (in vol%): 21,6% H2 23,6% CO, 51,3% N2, 1,2% CO2, i,0% CH4 und 1,2 H20. Der spezifische Heizwert des Reformatgases kann erhöht werden und der Liefergrad eines Motors 10, der mit dem Reformatgas gespeist wird, kann verbessert werden, indem die unbrennbaren Bestandteile N2 und CO2 (oder nur N2) aus dem Reformatgas entfernt werden, bevor es dem Motor 10 zugeführt wird. Es ist jedoch nicht einfach, nur N2 oder N2 und CO2 mittels einer kompakten Anlage aus dem Reformat zu entfernen.
  • Zu der in Fig. 33 dargestellten Motoranlage gehört ein Wasserstoffgasabscheider 300, der zwischen der Reformiervorrichtung 20 und dem leistungserzeugenden Motor 10 angeordnet ist und ermöglicht, daß fast nur H2 aus dem Reformatgas abgeschieden und zur Gemischaufbereitungsvorrichtung 110A des Motors 10 geführt wird. Der Abscheider 300 umfaßt eine rohrförmige Trennwand 310, die aus einem selektiv gasdurchlässigen Material, beispielsweise Palladium, besteht. Das von der Reformiervorrichtung 20 auf die Leitung 50 gegebene Reformatgas wird in eine Kammer 320 eingeleitet, die von der rohrförmigen Trennwand 310-umgeben ist. Allein H2 dringt durch die Trennwand 310 aus Palladium und tritt dann in eine weitere Kammer 330 außerhalb der Trennwand 310 ein. Dieses Wasserstoffgas wird über eine Leitung 50A der Gemischaufbereitungsvorrichtung 110A zugeführt, die ein Luft-Wasserstoff-Gemisch für den Motor 10 aufbereitet. Die anderen Bestandteile des Reformatgases können vom Abscheider 300 aus zur Reformiervorrichtung 20 zurückgeführt werden.
  • Alternativ kann die Trennwand 310 aus einem Material bestehen, das unterschiedliche Adsorptionsaktivitäten für unterschiedliche gasförmige Stoffe hat. Ein typisches Beispiel für ein solches Material ist Zeolith. Unterschiedliche Gase wandern durch eine solche Trennwand 310 je nach den Molekulargewichten der jeweiligen Gase mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Je kleiner das Molekulargewicht ist, desto größer ist die Geschwindigkeit. Wenn Reformatgas in die innere Kammer 320 des Abscheiders 300 eingeleitet wird, gelangt nur Wasserstoff oder tasserstoff in Verbindung mit einigen anderen Bestandteilen mit verhältismäßig niedrigen Molekulargewichten in die äußere Kammer 330. Die übrigen Bestandteile des Reformatgases, zu denen N2 und CO2 gehören, werden aus der inneren Kammer 320 abgeführt, bevor sie durch die Trennwand 310 wandern können, und können dann zur Reformiervorrichtung 20 zurückgeführt werden. Die leichteren Bestandteile des Reformatgases werden aus der äußeren Kammer 330 zu Gemischaufbereitungsvorrichtung 11 0A weitergeleitet.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 34 sind mehrere identische Wasserstoffabscheider 305 parallel geschaltet and mit einer einzigen Reformiervorrichtung 20 kombiniert.
  • eder dieser Abscheider 305-a, 305-b und 305-c weist in einem mittleren Bereich eine Säule 340 aus einem Material mit selektiver Absorptionsaktivität, beispielsweise aus Zeolith, auf Nahe dem Einlaß jedes Abscheiders 305 befindet sich eine nicht gefüllte vordere Kammer 350 und nahe dem Auslaß jedes Abscheiders befindet sich eine hintere Kammer 360. Die Leitung 50 verbindet sie Reformiervorrichtung 20 mit der vorderen Kammer 350 jedes Abscheiders 305 wobei die Strömungsverbindung zwischen der Reformiervorrichtung 20 und jeder vorderen Kammer 350 einzeln von einem Durchflußsteuerventil 370-a, 370-b bzw. 370-c gesteuert wird. In der Leitung 50 befindet sich ein Verdichter stromauf der Steuerventile, der das Reformatgas unter Druck setzt. Die hinteren Kammern 360 stehen über die Leitung 50A mit der Gemischaufbereitungsvorrichtung 110A des leistungserzeugenden Motors 10 in Verbindung, wobei die Strömungsverbindung zwischen jeder hinteren Kammer 360 und der Gemischaufbereitungsvorrichtung 110A einzeln von einem Durchflußsteuerventil 380-a, 380-b bzw. 380-c gesteuert wird. Eine Leitung 50B verbindet die hinteren Kammern 360 mit einer getrennten Vorrichtung, beispielsweise einem nicht dargestellten Wärmeaustauscher, wobei für jede Kammer 360 ein Durchflußsteuerventil 390-a, 390-b bzw. 390-c vorgesehen ist.
  • Im folgenden wird die Funktionsweise der Motoranlage gemäß Fig. 34 erläutert. Das Reformatgas wird durch öffnen des Durchflußsteuerventils 370-a in der Leitung 50 und des Durchflußsteuerventils 390-a in der Leitung 503 in die vordere Kammer 350 eines der Abscheider 305, , beispielsweise des Abscheiders 305-a,eingeleitet. Dabei ist das Durchflußsteuerventil 380-a in der Leitung 50A geschlossen. Das Ventil 370-a wird nach kurzer Zeit geschlossen. Von den Bestandteilen des Reformatgases strömt der Wasserstoff durch die Zeolithsäule 340 in der kürzesten Zeit Da die Zeiten, die die jeweiligen Bestandteile des Reformatgases zum Durchströmen der Zeolithsäule 340 benötigen, zuvor festgestellt werden könnenDist es möglich, das Ventil 380-a zu dem Zeitpunkt zu öffnen, zu dem der Wasserstoff die hintere Kammer 360 erreicht.
  • Gleichzeitig wird das Ventil 390-a geschlossen Somit wird der Wasserstoff voll ständig zur Gemi schaufbereitungsvorrichtung 110A geführt. Wenn ein schwereres Gas die hintere Kammer 360 erreicht, so wird das Venti geschlossen, während gleichzeitig das Ventil 390-a geöffnet wird, damit alle anderen Gase außer dem Wasserstoff über die Leitung 50B abgeführt werden. Diese Gase können in die umgebende Atmosphäre abgegeben werden, wenn sie keine Luftverschmutzung verursachen, oder sie können einer Nachverbrennung:unterworfen werden, wenn sie brennbare Bestandteile enthalten, wobei die bei der Nachverbrennung erzeugte Wärme entweder zum Vorwärmen des Kohlenwasserstoffkraftstoffs oder zum Vorwärmen der Reformiervorrichtung 20 benutzt werden kann. Somit liefert jeder Abscheider 305-a, 305b und 305-c intermittierend Wasserstoff. Die Abscheider 305, von denen mehrere vorgesehen sindr werden daher zeitversetzt so betrieben, daß der Gemischaufbereitungsvorrichtung 110A Wasserstoff ohne nennenswerte Schwankungen zugeführt werden kann.
  • Fig. 35 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Motoranlage als Kraftfahrzeugantrieb. Bei dieser Anlage wird die eformiervorrichtung 20A gemäß Fig. 13 benutzt; alternativ kann jedoch auch jede der anderen oben beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden.
  • Bei dem leistungserzeugenden Motor 10 handelt es sich um einen herkömmliche Kraftfahrzeugmotor, beispielsweise einen Mehrzylinderhubkolbenmotor. Die Ansauganlage diese Motors 10 ist im wesentlichen in üblicher Weise konstruiert und umfaßt ein Luftfilter 61, , eine Saugleitung 60, eine Starterklappe 62, eine Mischkammer bzw. Gemischaufbereitungsvorrichtung 110 und eine Drosselklappe 63.
  • Das Reformatgas wird der Gemischaufbereitungsvorr ichtung 110 auf der Leitung 50 über den Speicherbehälter 52 zugeführt. Der Kohlenwasserstoffkraftstoff wird der Reformervorrichtung über die Leitung 30 zugeführt, in der sich die pumpe 32 und das Durchflußsteuerventil 33 befinden Zusätzlich kann eine Kraftstoffleitung 80 vorgesehen sein, über die der Gemischaufbereitungsvorrichtung 110 sel starker Belastung -re-cvrmierter Kohlenwasserstoffkraftstoff zugeführt wird. Über die Leitung 40, in der sich die Pumpe 42 und das Durchflußsteuerventil 43 befinden, wird der Reformiervorrichtung 20A Luft zugeführt Die Steuerung des Durchflusses des Reformatgases zur Gemischaufbereitungsvorrichtung 110 erfolgt auf der Grundlage verschiedener Betriebskenngrößen des Motors 10. Eine Steuervorrichtung 400 steuert beispielsweise (elektrisch, hydraulisch und/oder mechanisch) die Stellungen der Starterklappe 62, der Drosselklappe 63, des Durchflußsteuerventils 33 für den Kraftstoff, der Kraftstoffpumpe 32, des Durchflußsteuerventils 43 für Luft und der Luftpumpe 42 in Abhängigkeit von Eingangsgrößen, die die Stellung des Gaspedals, die Schaltstellung is Getriebes, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Motordrehzahl wiedergegen.
  • Im Vergleich zu einer -Anlage, die mit einem gasförmigen Nichtkohlenwasserstoffkraftstoff, beispielsweise Wasserstoff arbeitet, der in einen Druckbehälter gefüllt ist, kann die Reformiervorrichtung 20 einschließlich des Kraftstoffbehälters bei einer erfindungsgemäßen Motoranlage erheblich kleiner und leichter ausgeführt werden.
  • Wenn zum Antrieb eines Fahrzeugs eine erfindungsgemäße Motoranlage benutzt wird, so trägt dies zur Verminderung der Luftverschmutzung und zur Energieersparnis bei, ohne daß dadurch die Zuladung des Fahrzeugs wesentlich vermindert wird.
  • Tabelle 3 zeigt einen Vergleich einiger wichtiger Eigenschaften von zwei verschiedenen Motoranlagen, nämlich einer erfindungsgemäßen Motoranlage und einer herkömmlichen Motoranlage, wobei beide Anlagen mit dem gleichen Motor arbeiten, sich jedoch hinsichtlich der Kraftstoffanlage unterscheiden.
  • In Tabelle 3 steht "NOx" für Z'Stickoxside'lund "HC" für unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Tabelle 3
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    Bemerkungen: a) Bei "stark" oder "erheblich" sind Gegenmaßnahmen erforderlich.
  • b) Die mittlere Kilometerleistung (gefahrene km/ Volumenmenge Kraftstoff) für Kraftfahrzeugmotoren gemäß den japanischen Vorschriften von 1973 ist die Basis 100 %.
  • Außer den vorstehend beschriebenen Abwandlungen können bei einer erfindungsgemäßen Motoranlage folgende Techniken einzeln oder in Kombination vorgesehen sein: a) Es kann ein Vorverdichter vorgesehen sein.
  • b) Das Gemisch aus Luft und Reformatgas kann vor der Einspeisung in den leistungserzeugenden Motor verdichtet werden.
  • c) Der leistungserzeugende Motor kann mit einem verhältnismäßig hohen Verdichtungsverhältnis arbeiten, so daß dadurch die Literleitung des Motors erhöht wird.
  • d) Entweder die Luft oder das Luft-Reformatgas-Gemisch, die bzw. das dem Motor zugeführt wird, kann durch Einsprühen einer Flüssigkeit mit hoher latenter Verdampfungswärme gekühlt werden. Dafür ist beispielsweise Wasser oder ein Alkohol geeignet. Durch diese Maßnahme wird der Liefergrad verbessert.
  • Es versteht sich, daß es sich bei dem leistungserzeugenden Motor der erfindungscjemäßen Motoranlage nicht ungedingt um einen Motor mit innerer Verbrennung handeln muß, Vielmehr kann auch eine Verbrennungskraftmaschine mit äußerer Verbrennung, beispielsweise eine Dampfmaschine oder ein Sterlingmotor, benutzt werden.
  • Patentansprüche:

Claims (43)

  1. Patentansprüche Motoranlage, gek e n n z ei c h ne t durch einen Verbrennungsmotor (10, 10A), der Kraft bzw. Leistung erzeugen kann, eine Kraftstifreformiervorrichtung (20, 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F, 20G), die eine Kraftstoffreformierreaktion bewirken kann, die ausgehend von zumindest einem Kraftstoff aus der Gruppe Kohlenwasserstoffkraftstoffe, Alkohole, Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen und feste Kohle- bzw. Kohlenstoffkraftstoffe zu einem gasförmigen Kraftstoff führt, der als brennbaren Bestandteil zumindest Wasserstoffgas oder Kohlenmonoxid enthält, und eine Vorrichtung (in0; 110A) zur Aufbereitung eines brennbaren Gemischs aus Luft und dem von der Kraftstoffreformiervorrichtung gelieferten gasförmigen Kraftstoff und Versorgung des Verbrennungsmotors mit diesem brennbaren Gemisch.
  2. 2. Motoranlage nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das brennbare Gemisch so aufbereitet wird, daß das Luftverhältnis des brennbaren Gemischs im Bereich von 1,0 bis 4,0 liegt, wobei das Luftverhältnis definiert ist als Verhältnis der Luftmenge im brennbaren Gemisch zur Luftmenge in einem stöchiometrischen Gemisch aus Luft und dem gasförmigen Kraftstoff.
  3. 3. Motoranlage nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n -z e i c h net durch einen Wärmeaustauscher (100, 105, 106, 107, 108. 109) zur Ausnutzung der Wärme des Abgases des Verbrennungsmotors (10) und/oder der Wärme des gasförmigen Kraftstoffs zur Beschleunigung der Kraftstoffreformierreaktion.
  4. 4. Motoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n- n z e i c h n e t, daß die Kraftstoffreformiervorrichtung (20, 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F, 20G) so ausgebildet ist, daß sie eine teilweise Oxidation zumindest eines Kraftstoffs aus der Gruppe Kohlenwasserstoffkraftstoffe und feste Kohle- bzw.Kohlenstoffkraftstoffe bewirken kann und daß die Kraftstoffreformiervorrichtung eine Kraftstoffliefervorrichtung (30 bis 33) und eine Liefervorrichtung (15, 40 bis 43, 130, 141 bis 144) für eine Oxidationsmittel umfaßt.
  5. 5. Motoranlage nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Oxidationsmittel Luft ist.
  6. 6. Motoranlage nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kraftstoffreformiervorrichtung (20, 20A, 20B, 20C, 20D, 20E, 20F, 20G) eine Mischvorrichtung (120) umfaßt, die Luft mit dem zumindest einen Kraftstoff so mischt, daß dieses Gemisch ein Luftverhältnis von nicht mehr als 0,6 hat.
  7. 7. Motoranlage nach-Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Oxidationsmittel Sauerstoff ist.
  8. 8. Motoranlage nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Liefervorrichtung für das Oxidationsmittel einen Reaktor (130) umfaßt, der eine katalytische Zerlegung von Wasserstoffperoxid in Sauerstoff und Wasser bewirken kann.
  9. 9. Motoranlage nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kraftstoffreformiervorrichtung (20C) eine Mischvorrichtung (24) umfaßt, die das Gemisch aus dem zumindest einen Kraftstoff und zumindest dem Sauerstoff aus der katalytischen Spaltung des Wasserstoffperoxids in solchem Verhältnis aufbereitet, daß das Sauerstoff-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs einen Wert hat, der einem Luftverhältnis von nicht mehr als 0,6 entspricht.
  10. 10. Motoranlage nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Liefervorrichtung für das Oxidationsmittel ferner einen Kondensator (150) und einen Dampf-Flüssigkeits-Abscheider (160) umfaßt, die so ausgebildet sind, daß sie den Sauerstoff vom Wasser trennen und den abgetrennten Sauerstoff der Mischvorrichtung (120) zuführen.
  11. 11. Motoranlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß sich in der Kraftstoffreformiervorrichtung (20, 20A, 20B, 20C, 20G) ein Katalysator (22, 22A, 22B) zur Beschleunigung der teilweisen Oxidation befindet.
  12. 12. Motoranlage nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kraftstoffreformiervorrichtung ferner eine Luftliefervorrichtung (70 bis 74) umfaßt.
  13. 13. Motoranlage nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß sich in der Kraftstoffreformiervorrichtung (20, 20D) ein Katalysator (22) zur Beschleunigung der Wassergasreaktion befindet.
  14. 14. Motoranlage nach einem der Ansprüche lt bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kraftstoffreformiervorrichtung (20) so konstruiert ist, daß die teilweise Oxidation intermittierend durchgeführt wird und daß zwischen den Oxidationen zur Erwärmung des Katalysators (22) Wärme freisetzende Schritte durchgeführt werden.
  15. 15. Motoranlage nach Anspruch 14, g e k e n n z e i c h n e t durch zumindest eine weitere Kraftstoffreformiervorrichtung (20), die identisch mit der ersten Reformiervorrichtung ausgebildet und parallel zu dieser angeordnet ist, und daß die Kraftstoffreformiervorrichtungen nicht synchron so betrieben werden, daß der Motor (10).praktisch kontinuierlich mit gasförmigem Kraftstoff versorgt wird.
  16. 16. Motoranlage nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kraftstoffreformiervorrichtung (20) eine Wassergasreaktion bewirken kann und eine Kraftstoffliefervorrichtung (30 bis 33) sowie eine Wasserliefervorrichtung (70 bis 74) umfaßt.
  17. 17. Motoranlage nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kraftstoffreformiervorrichtung (20) eine katalytische Zerlegung von Methanol in Wasserstoff und Kohlenmonoxid bewirken kann.
  18. 18. Motoranläge nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kraftstoffreformiervorrichtung (20) eine katalytische Zerlegung einer Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung aus der Gruppe Hydrazin und Ammoniak bewirken kann.
  19. 19. Motoranlage nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die,Kraftstoffreformiervorrichtung (20, 20A, 20C, 20D, 20G) so konstruiert ist, daß die teilweise Oxidation kontinuierlich in der Kraftstoffreformiervorrichtung durchgeführt werden kann.
  20. 20. Motoranlage nach einem der Ansprüche 4 bis 13, g e -k e n n z e i c h n e t durch einen weiteren Verbrennungsmotor (15), der so ausgebildet ist, daß er mit einem mageren Gemisch aus Luft und dem zumindest einen Kraftstoff betrieben wird und sein Abgas an die Kraftstoffreformiervorrichtung (20A) liefert, so daß dieser weitere Verbrennungsmotor als Liefervorrichtung für das Oxidationsmittel dient.
  21. 21. Motoranlage nach Anspruch 4, dadurch zu g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Verbrennungsmotor (10) und die Kraftstoffreformiervorrichtung (20) über eine Rückführleitung (92) so verbunden sind, daß ein Teil des Abgases des Verbrennungsmotors zur Kraftstoffreformiervorrichtung zurückgeführt wird, und daß das brennbare Gemisch ein Luftverhältnis von mehr als 1,0 und nicht mehr als 4,0 hat, wobei die Rückführleitung als Liefervorrichtung für das Oxidationsmittel dient.
  22. 22. Motoranlage nach Anspruch 4, dadurch- g e k e n n -z efi zu c h n e t, daß die Kraftstoffreformiervorrichtung (20B, 20F) so konstruiert ist, daß in der Kraftstoffreformiervorrichtung ein Gemisch aus Luft und dem zumindest einen Kraftstoff mit einem Luftverhältnis von nicht mehr als 0,6 adiabat verdichtet werden kann und dadurch die Reformierreaktion ausgelöst wird, wobei die Reformierreaktion intermittierend bewirkt wird.
  23. 23. Motoranlage nach Anspruch 22, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kraftstoffreformiervorrichtung in Form einer Baugruppe aus ein er Brennkammer (21, 21A, 21B) und einem Kolben (28, 28Å, 28B, 28C) eines Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung ausgebildet ist.
  24. 24. Motoranlage nach Anspruch 23, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Verbrennungsmotor ein Viertakthubkolbenmotor ist.
  25. 25. Motoranlage nach Anspruch 24, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Brennkammer in eine größere Hauptbrennkammer (21) und eine kleinere Zündkammer (29') unterteilt ist, die in Strömungsverbindung miteinander stehen, und daß die Liefervorrichtungen (200, 210) für Kraftstoff und Oxidationsmittel so ausgebildet und angeordnet sind, daß die Hauptbrennkammer mit einem Gemisch aus Luft und dem zumindest einen Kraftstoff mit einem Luftverhältnis von nicht mehr als 0,6 gespeist wird, wogegen die Zündkammer mit einem ungefähr stöchiometrischen Gemisch aus Luft und demselben Kraftstoff gespeist wird.
  26. 26. Motoranlage nach Anspruch 24, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Brennkammer in eine größere Hauptbrennkammer (21) und eine kleinere Zündkammer (29') unterteilt ist, die in Strömungsverbindung miteinander stehen, und daß die Liefervorrichtungen (200, 220, 221) für Kraftstoff und Oxidationsmittel so ausgebildet und angeordnet sind, daß die Hauptbrennkammer mit einem Gemisch aus Luft und dem zumindest einen Kraftstoff mit einem Luftverhältnis von nicht mehr als 0,6 gespeist wird, während die Zündkammer mit Druckluft in solcher Menge gespeist wird, daß ein Teil des Gemischs in der Zündkammer so verdünnt wird, daß es bei der adiabaten Verdichtung ein ungefähr stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis hat.
  27. 27. Motoranlage nach Anspruch 24, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Brennkammer in eine größere Hauptbrennkammer (21)- und eine kleinere Nebenkammer (29A) unterteilt ist, die in Strömungsverbindung miteinander stehen, daß sich in der Nebenkammer ein Katalysator (22) zur Beschleunigung der Kraftstoffreformierreaktion befindet und daß die Liefervorrichtungen (2.00) für Kraftstoff und Oxidationmittel so ausgebildet sind, daß die Hauptbrennkammer mit einem Gemisch aus Luft und dem zumindest einen Kraftstoff mit einem Luftverhältnis von nicht mehr als 0,6 gespeist wird, wobei ein Teil dieses Gemischs bei der adiabaten Verdichtung in die Nebenkammer gedrückt wird.
  28. 28. Motoranlage nach Anspruch 24, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Brennkammer und der Kolben (28B) so geformt und angeordnet sind, daß oberhalb der oberen Stirnfläche des Kolbens eine erste Kammer (12) mit veränderbarem Volumen und unterhalb der unteren Stirnfläche des Kolbens eine zweite Kammer (21A) mit veränderbarem Volumen besteht, daß die Liefervorrichtungen (30, 34, 40) für Kraftstoff und Oxidationsmittel so angeordnet sind, daß sie den zumindest einen Kraftstoff und die Luft in die zweite Kammer einspeisen, daß die erste Kammer und die zweite Kammer jeweils mit einer Zündeinrichtung (13, 240) versehen sind und daß die erste Kammer und die zweite Kammer über eine externe Leitung (50) miteinander verbindbar sind, die so angeordnet und ausgebildet ist, daß der gasförmige Kraftstoff aus der zweiten Kammer durch die externe Leitung in die erste Kammer gelangt, während der Kolben einen Hub ausführt, der mit Bezug auf die zweite Kammer ein Ausstoßhub, jedoch mit Bezug auf die erste Kammer ein Ansaughub ist, so daß die erste Kammer ein Brennraum des Verbrennungsmotors ist und die zweite Kammer als Kraftstoffreformiervorrichtung (20E) arbeitet.
  29. 29. Motoranlage nach Anspruch 24, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Verbrennungsmotor (10) die Mehrzahl der Zylinder eines Mehrzylinderverbrennungsmotors (11) umfaßt und daß die Kraftstoffreformiervorrichtung (20B) in Form der kleineren Anzahl der Zylinder des Mehrzylindermotors ausgebildet ist.
  30. 30. Motoranlage nach Anspruch 29, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Gesamtzahl der Motorzylinder des Mehrzylindermotors (11) ein ganzzahliges Vielfaches von vier ist und daß die kleinere Anzahl ein Viertel der Gesamtzahl ist.
  31. 31. Motoranlage nach Anspruch 23, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Verbrennungsmotor ein Zweitakthubkolbenmotor ist.
  32. 32. Motoranlage nach Anspruch 23, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Liefervorrichtung für das Oxidationsmittel einen Reaktor (130) umfaßt, der katalytisch Wasserstoffperoxid in Sauerstoff und Wasser zerlegen kann.
  33. 33. Motoranlage nach Anspruch 23, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Verbrennungsmotor ein Drehkolbenmotor ist.
  34. 34. Motoranlage nach Anspruch 33, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Liefervorrichtungen (200) für Kraftstoff und Oxidationsmittel so ausgebildet und angeordnet sind, daß einGemisch aus Luft und dem zumindest einen Kraftstoff mit einem Luftverhältnis von nicht mehr als 0,6 in die Kammer (21B) des Drehkolbenmotors eingespeist wird, und daß Druckluft aus einer Düse dicht bei der Zündeinrichtung (25) des Motors in die Kammer in solcher Menge eingeblasen wird, daß ein Teil des Gemischs von der Druckluft so verdünnt wird, daß es im Bereich um die Zündeinrichtung ein ungefähr stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis hat.
  35. 35. Motoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der gasförmige Kraftstoff Wasserstoffgas enthält, daß eine Abscheidevor richtung (300) zum Abscheiden von Wasserstoff aus dem gasförmigen Kraftstoff vorgesehen ist und daß die Gemischaufbereitungsvorrichtung C110A) für das brennbare Gemisch so konstruiert ist, daß sie den abgeschiedenen Wasserstoff mit Luft mischt.
  36. 36. Motoranlage nach Anspruch 35, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Wasserstoffabscheidevorrichtung (300) eine Trennwand (310) aus einem Material umfaßt, das selektive Durchlässigkeit für verschiedene Gase und hohe Durchlässigkeit für Wasserstoffgas hat.
  37. 37. Motoranlage nach Anspruch 36, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Material Palladium ist
  38. 38. Motoranlagen nach Anspruch 35, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Wasserstoffabscheidevorrichtung eine Säule (305-a, 305-b, 305-c, 340) aus einem Material umfaßt, das für verschiedene Gase selektive Adsorptionsaktivitäten hat und geringe Adsorptionsaktivität für Wasserstoffgas hat.
  39. 39. Motoranlage nach Anspruch 38, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t¢ daß das Material Zeolith ist.
  40. 40. Motoranlage nach Anspruch 38, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Wasserstoffabscheidevorrichtung mehrere Säulen (305-a, 305-b, 305-c, 340) umfaßt, die so parallel geschaltet sind, daß der von der T^raftstoffreformiervorrichtung (20) gelieferte gasförmige Kraftstoff durch die einzelnen Säulen zeitversetzt geleitet wird, so daß das abgeschiedene Wasserstoffgas der Gemischaufbareitungsvorrichtung (11ob) für das brennbare Gemisch praktisch kontinuierlich zugeführt wird.
  41. 41. Motoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 40, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß sie als Antriebsanlage zum Antrieb eines Fahrzeugs ausgebildet und in das Fahrzeug eingebaut ist und daß der zumindest eine Kraftstoff entweder ein flüssiger Kraftstoff oder ein fester Kraftstoff ist.
  42. 42. Motoranlage nach Anspruch 41, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Steuervorrichtung (400) zur Steuerung des Durchflusses des gasförmigen Kraftstoffs bzw. Reformatgases zum Verbrennungsmotor (10) in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Belastung des Verbrennungsmotors.
  43. 43. Motoranlage nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Verbrennungsmotor eine Gasturbine (10A) ist.
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