DE2623677A1

DE2623677A1 - Verbrennungssystem

Info

Publication number: DE2623677A1
Application number: DE19762623677
Authority: DE
Inventors: Katuaki Kosaka; Zene Ueno
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-05-27
Filing date: 1976-05-26
Publication date: 1976-12-09
Also published as: FR2312553B1; JPS51138223A; FR2312553A1; GB1522407A; US4108114A

Description

FATEINTAMW^ LTE - A. GRÜNECKER

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H. KINKELDEY

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W. STOCKMAIR

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P. H. JAKOB

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G. BEZOLD

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8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

26. Mai 1976 P 10 477

Nissan Motor Company, Limited

No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku, Yokohama City, Japan

Verbrennungssystem

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungssystem mit einer Vorrichtung zum Reformieren von Kraftstoff, wobei der Kraftstoff vergast wird und als brennbare Bestandteile wenigstens einen Anteil Wasserstoff und Kohlenmonoxyd aufweist, und wobei der Kraftstoff wenigstens von einem Kohlenwasserstoffkraftstoff, Alkoholen, Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen und reinen Kohlenstoffkraftstoffen gebildet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verbrennungssystem mit einer Reformiervorrichtung, in welcher ein gewöhnlicher Kraftstoff, nämlich ein von Kohlenwasserstoffen gebildeter Kraftstoff in einen gasförmigen Kraftstoff mit großen Anteilen von Wasserstoff und/oder Kohlanmonoxyden mittels einer adiabatischen Kompression eines Gemisches des Kraftstoffes und eines Sauerstoff enthaltenden Gases umge-

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wandelt wird, sowie eine Brennkraftmaschine, x-zelche mit dem vergasten Kraftstoff gespeist v/ird.

Zur Vermeidung der Verunreinigung der Atmosphäre durchAbgase von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, die Brennkraftmaschinen mit einem vergasten Kraftstoff zu speisen, der brennbare Bestandteile wie Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxyde enthält und zum Beispiel durch eine partielle Oxydation oder Wassergasraaktion eines gewöhnlichen Kraftstoffes,, insbesondere von Benzin, erzielt wird. Als Ausgangsmaterial zur Herstellung vergasten Kraftstoffes können sehr viele auf dem Markt verfügbare Kraftstoffe verwendet werden. Zum Beispiel sind als Kraftstoffe verwendbar: Aus Mineralölen hergestellte Kraftstoffe, wie zum Beispiel Naturgas, verflüssigtes Mineralölgas (LPG - liquefied petroleum gas). Benzin, Kerosin, Leichtöl oder Schweröl, synthetische Kraftstoffe zum Beispiel synthetisches Benzin, Alkohole, zum Beispiel Methanol und Äthanol, und Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen, wie zum Beispiel Ammoniak und Hydrazin. Selbst feste Brennstoffe, wie zum Beispiel Kohle und Holzkohle, können Verwendung finden. In der nachfolgenden Beschreibung soll Benzin (Oktan) als typisches Beispiel für einen gewöhnlichen Kraftstoff genannt v/erden, der in einen gasförmigen Kraftstoff umgewandelt wird, welcher gewöhnlich als reformiertes Gas bezeichnet wird und Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxyd als brennbare Hauptbestandteile enthält, jedoch sei darauf hingewiesen, daß auch andere verschiedene flüssige und gasförmige Kraftstoffe als Benzin entweder einzeln oder kombiniert in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen " Verbrennung s sys tem verwendbar sind.

Benzin (Oktan CgH₁₈) ist einer partiellen Oxydation durch Luft ausgesetzt, was durch die folgende chemische Gleichung zum Ausdruck kommt:

C₈H₁₈ + (4O₂ + 15,1 N₂) > 8 CO + 9 H₂ + 15,1 N₂ (1)

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— "3 —

Hierbei handelt es sich um eine exotherme Reaktion mit einer dabei frei werdenden Wärmemenge von 1,43 kcal pro 1 g CgH₁₃. Diese Reaktionswärme ist jedoch wesentlich kleiner als die Reaktionswärme, die bei einer vollständigen Oxydation des Oktans entsteht und 10,4 kcal/g beträgt. Bei einer gemäß der Gleichung (1) ablaufenden partiellen Oxydationsreaktion ist es daher notwendig, daß das Reaktionssystem durch eine spezielle Einrichtung aufgeheizt wird, damit die Reaktionsgeschwindigkeit zur Aufrechterhaltung einer selbsttätigen Reaktion groß genug ist. Es wurde zum Beispiel vorgeschlagen (Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Kalifornien, USA), die Luft und das Benzin wenigstens auf etwa 600 C bzw. auf etwa 300° C vorzuwärmen. UVi für die Einleitung und Aufrechterhaltung der partiellen Oxydationsreaktion des Benzins benötigte Wärme wird gewöhnlich dadurch erzielt, daß eine kleine Benzinmenge zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung zugeführt wird. Dies führt dazu, daß der Benzinverbrauch ansteigt, ohne daß Leistung gewonnen wird. Infolgedessen besitzt das mit einer Benzinreformiervorrichtung ausgestattete Verbrennungssystem den Nachteil eines erhöhten Verbrauchs des verwendeten Kraftstoffes. Außerdem ist es schwierig, eine Reformiervorrichtung herzustellen, die kompakt genug ist, um zum Beispiel als Teil des Antriebssystems von Kraftfahrzeugen zu dienen, da die Vorrichtung sperrige Bauteile besitzt, die zur Erzeugung der Wärme und zum Vorheizen des Ausgangsmaterials dienen, und die andererseits die wärmeerzeugenden Bauteile abschirmen.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Kraftstoffreformiervorrichtung zu schaffen, mit welcher der Kraftstoff reformierbar ist, und welche die folgenden Merkmale aufweist: Die Reformiervorrichtung soll kompakt konstruiert sein, und es sollen keine separaten Heizgeneratoren, sondern lediglich einfache Wärmetauscher Verwendung finden, so daß die Reformierungsreaktion mit großem Wirkungsgrad und selbsttätig ablaufen kann, und die Reformiervorrichtung soll in einfacher Weise mit einer herkömmlichen Brennkraftmaschine kombinierbar sein, so daß ein ausführ-

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bares Verbrennungssystem geschaffen wird, welches im Antriebssystem eines Fahrzeuges, wie zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges verwendbar ist.

Die Erfindung besteht darin, daß eine Reaktionskammer vorgesehen ist, die von einer Brennkammer einer kompressionsgezündeten Brennkraftmaschine gebildet ist, daß ein Kolben vorgesehen ist, welcher in der Reaktionskammer ein Gas mit einem Kompressionsverhältnis von etwa 14 bis etwa 20 komprimiert, daß eine Fördereinrichtung vorgesehen ist, welche die Reaktionskammer mit einem gasförmigen, von wenigstens einem Kraftstoff gebildeten Reaktanzen speist, und daß ein Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher die Wärme von dem aus der Reaktionskammer austretenden Reaktions— produkt auf wenigstens eine Komponente des in die Reaktionskammer einzuleitenden Reaktanten überträgt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Kraftstoff-Fördereinrichtung eine Gemischbildungsvorrichtung auf, welche ein gasförmiges Gemisch von entweder Sauerstoff oder Luft und dem vorbestimmten Kraftstoff in einer solchen Proportion herstellt, daß der Sauerstoffgehalt im Gemisch ausreicht, um eine partielle Oxydation des Kraftstoffes hervorzurufen und den gasförmigen Kraftstoff zu erzeugen, jedoch nicht ausreichend ist, um eine vollständige Oxydation des Kraftstoffes zu bewirken.

Die Reformiervorrichtung weist vorteilhaft eine Nebenkammer auf, welche mit der Reaktionskammer in Verbindung steht und derart angeordnet und ausgebildet ist, daß ein Teil des sich in der Reaktionskammer befindenden Reaktanten im letzten Abschnitt eines Kompressionshubes des Kolbens zwangsweise in die Nebenkammer geleitet wird, um dort einen Wirbel zu erzeugen.

Wenn der der Reformiervorrichtung zugeleitete Reaktant aus einem Gemisch von Benzin und Luft besteht, dann wird das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches derart eingestellt, daß es inner-

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halb eines Bereiches von 5 bis 5,5 (in Gewichtseinheiten gemessen) liegt.

Die Reforraiervorrichtung kann leicht mit einer Brennkraftmaschine kombiniert werden, die mit einer Gemischbildungsvorrichtung zur Herstellung des brennbaren Gemisches aus Luft und dem von der Reformiervorrichtung erzeugten vergasten Kraftstoff ausgestattet ist. In einem solchen Fall wird ein Teil der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Leistung zur Ausführung der Kompression in der Reformiervorrichtung verbraucht, und das von der Brennkraftmaschine erzeugte Abgas wird durch einen Wärmetauscher geleitet, um wenigstens eine Komponente des in die Reformiervorrichtung einzuleitenden Reaktanten vorzuwärmen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Äusführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine scheiaatische Darstellung der Gesamtkonstruktion eines Brennkraftmaschinensystems mit einer erfindungsgemäßen Kraftstoffreformiervorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Kraftstoffreformiervorrichtung,wie sie bei einem in der Fig. 1 dargestellten System Verwendung findet, und

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer etwas modifizierten Kraftstoffreformiervorrichtung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das in der Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschinensystem besitzt eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine 10. Eine untergeordnete Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine 10, nämlich, der in bezug auf die Fig. 1 am äußersten linken Ende der Brennkraft-

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β -

maschine angeordnete Zylinder 12 dient als Kraftstoffreformiervorrichtung, während die übrigen Zylinder 14 als gewöhnliche Arbeitszylinder dienen und zur Erzeugung einer Arbeit das Luft-Kraftstoff gemisch verbrennen. Der Zylinder 12 dient nicht zur Erzeugung von Arbeit. Vielmehr wird dieser Zylinder 12 von einem Teil der durch die anderen Zylinder 1 4 erzeugten Arbeit angetrieben. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß d^r Zylinder 12 (der nachfolgend als Reformiervorrichtung bezeichnet werden soll) die Form des Zylinders einer Diesel— Brennkraftmaschine aufweist, das heißt einer kompressionsgezündeten Brennkraftmaschine, bei welcher das Kompressionsverhältnis etwa zwischen 14 bis 20 liegt. Die arbsie3erzeugenden Zylinder 14 entsprechen grundsätzlich den Zylindern eines herkömmlichen Benzinmotors. Die Reformiervorrichtung 12 ist mit einer Gemischbildungsvorrichtung 16 ausgestattet. Über die Leitungen 18 und 20 wird die Gemischbildungsvorrichtung entsprechend in solchen Mengen mit Luft und Kraftstoff (Benzin) gespeist, daß das Luft/ Kraftstoff-Verhältnis (Gewichtsverhältnis) des von der Geraischbildungsvorrichtung 16 an die Reformiervorrichtung 12 abgegebenen Luft-Benzin-Gemisches etwa zwischen 5 und 5,5 liegt.

Die Arbeitszylinder 14 sind mit einer Gemischbildungsvorrichtung 22 ausgestattet, und die Leitung 24 leitet ein reformiertes Gas (im wesentlichen ein Gemisch aus E₂, CO und N₂) von der Reformiervorrichtung 12 zur Gemischbildungsvorrichtung 22. Diese Gemischbildungsvorrichtung 22 wird derart gesteuert, daß sie ein brennbares Gemisch aus durch die Leitung 24 zugeführter Luft und aus dem reformierten Gas erzeugt, und zwar mit einem solchen Verhältnis, daß das Luft enthaltende Gemisch etwas über dem stöchiometrischen Gemisch liegt, um eine vollständige Verbrennung von CO und eine Verhinderung der Ausbildung von NOx-Bestandteilen zu erreichen. Das Abgas der Brennkraftmaschine 10 (das heißt der Zylinder 14) wird aus dem Motorsystem durch die Leitung 28 in die freie Atmosphäre geleitet. In der Leitung 28 ist ein Wärmetauscher 30 vorgesehen, und die Leitung 24 für das reformierte

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Gas bildet einen Teil dieses Wärmetauschers 30. Die Luftleitung 18 geht durch den Wärmetauscher 30 hindurch, so daß die Luft von der Wärme des reformierten Gases und des Abgases vorgewärmt wird, ohne mit diesen Gasen direkt in Berührung zu kommen. Ein weiterer Wärmetauscher 3 2 ist in der Leitung 18 an einer stromab von dem Wärmetauscher 30 gelegenen Stelle angeordnet, durch welchen die Kraftstoffleitung 20 hindurchgeht, so daß der Kraftstoff durch die Wärme der vorgewärmten Luft aufgewärmt wird. Anstelle der beiden Wärmetauscher 30 und 32 zur individuellen Aufheizung von Luft und Benzin kann auch ein in der Fig. 1 nicht dargestellter Wärmetauscher zwischen der Gemischbildungsvorrichtung 16 und der Reformiervorrichtung 12 vorgesehen sein, v/elcher das Gemisch aus Luft und Benzin vorwärmt. Einzelheiten der Reformiervorrichtung 12 und der Hilfsaggregate sollen nachfolgend anhand der Figs. 2 und 3 beschrieben werden.

Wie dies aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist zwischen der Gemischbildungsvorrichtung 16 und der Reformiervorrichtung 12 ein Wärmetauscher 34 angeordnet, so daß eine Einlaßleitung 36 für die von einem Diesel-Motorzylinder gebildete Reformiervorrichtung 12 durch diesen Wärmetauscher 34 läuft. Die Reformiervorrichtung 12 weist einen hin- und herbewegbar gelagerten Kolben 38 auf sowie eine zwischen dem oberen Boden des Kolbens 38 und einer Fläche des Zylinderkopfes (in der Zeichnung weggelassen) abgegrenzte Verbrennungskammer 40. Ein Einlaßventil 42 und ein Auslaßventil 44 steuern die Verbindung zwischen der Brennkammer 40 und der Einlaßleitung 36 bzw. der Leitung 24 für das reformierte Gas. Die Leitung 24 für das reformierte Gas geht durch den Wärmetauscher 34 hindurch und überträgt die Wärme des reformierten Gases auf das Luft-Benzin-Gemisch, welches durch die Einlaßleitung 36 hindurchströmt, ohne daß die beiden Gasströmungen direkt miteinander in Berührung kommen. Vorzugsweise wird auch die Abgasleitung 28 der Arbeitszylinder 14 durch den Wärmetauscher 34 geleitet.

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In der Luftleitung 18 befindet sich ein Ströraungssteuerventil 46. In der Kraftstoffleitung 20 befindet sich ein Kraftstoffbehälter 48, eine Kraftstoffpumpe 50 und ein Strömungssteuerventil 52. Eine Zusatzkraftstoffleitung 2QA zweigt von der Kraftstoffleitung 20 an einer zwischen der Kraftstoffpumpe 50 und dem Strömungssteuerventil 52 gelegenen Stelle ab und führt zu einer Kraftstoffeinspritzdüse 54, welche in die Brennkammer 40 der Reformiervorrichtung 12 an einer von dem Kolbenboden des Kolbens 38 entfernt gelegenen Stelle einmündet. Diese Kraftstoffeinspritzdüse 54 wird mittels einer nicht dargestellten Steuereinrichtung derart betätigt, daß nur dann eine kontrollierte Einspritzung erfolgt, wenn dies erforderlich ist. Die Zusatzkraftstoffleitung 2OA weist eine Druckpumpe 56 auf.

Das Brennkraftmaschinensystem kann eine Wasser- (oder Dampf-) leitung 58 aufweisen, welche sich von einem Wasserbehälter 60 zur Gemischbildungsvorrichtung 16 erstreckt und eine Förderpumpe 62 sowie ein Strömungssteuerventil 64 aufweist. Die Brennkraftmaschine 10 besitzt einen nicht dargestellten Starter, welcher den Kolben 38 der Reformiervorrichtung 12 hin- und herbewegt.

Zu Beginn des Motorbetriebes ist das Strömungssteuerventil 52 in der Kraftstoffleitung 20 geschlossen. Durch die Leitung 18 wird Luft in die Brennkammer 40 der Reformiervorrichtung 12 eingeleitet, während das Benzin durch die Pumpe 56 vorkomprimiert wird und in die Brennkammer 40 mittels der Einspritzdüse 54 in nahezu stöchiometrischer Menge im Verhältnis zur Luftmenge eingespritzt wird. Der Kolben 38 wird mittels des Starters bewegt, so daß das Luft-Benzin-Gemisch in der Brennkammer 40 komprimiert wird. Da das Kompressionsverhältnis etwa bei 14 bis 20 liegt, wird das Gemisch durch eine adiabatische Kompression auf eine Temperatur aufgeheizt, die über der Zundtemperatur liegt, so daß die Verbrennung in der Brennkammer 40 eingeleitet wird. Das Verbrennungsgas gelangt durch die Leitung 24 zum Wärmetauscher 34

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und heizt diesen auf. Die Verbrennung läuft unter diesen Voraussetzungen solange ab, bis der Wärmetauscher 34 auf eine genügend hohe Temperatur aufgeheizt ist, das heißt bis etwa auf 500 C. Dann werden das Strömungssteuerventil 52 geöffnet und die Kraftstoff einspritzdüse 54 geschlossen. Die Strömungssteuerventile 46 und 52 v/erden derart reguliert, daß Luft und Benzin in der Gemischbildungsvorrichtung mit einem Luft/Kraftstoffverhältnis (Gewichtsvarhältnis) von etwa 5 bis 5,5 gemischt wird.

Das Luft-Benzin-Gemisch wird in dem Wärmetauscher 34 bis z-um Beispiel auf 200 bis 300° C vorgewärmt und gelangt durch die Einlaßleitung 36 in die Brennkammer 40. L) 1«j Temperatur des Gemisches steigt durch die adiabatische Kompression des Gemisches in der Brennkammer 40 auf etwa 800 bis 1000 C an, so daß das Gemisch teilweise gemäß der Reaktionsgleichung (1) verbrannt wird. Das von der Brennkammer 40 ausgestoßene Abgas ist unter diesen Voraussetzungen ein reformiertes Gas, welches" II·» und CO als brennbare Bestandteile enthält. Das reformierte Gas gelangt durch die Leitung 24 über den Wärmetauscher 3 4 zur Gemischbildungsvorrichtung 22 für die Arbeitszylinder 14, wobei der Wärmetauscher die Wärme vom reformierten Gas auf das Luft-Benzin-Gemisch überträgt, das in die Reformiervorrichtung 12 eingeleitet wird. Die Arbeitszylinder 14 werden mit einem Gemisch aus Luft und reformiertem Gas betrieben. Wenn durch die Verbrennung in den Arbeitszylindern 14 Arbeit erzeugt worden ist, dann kann der Kolben 38 der Reformiervorrichtung 12 durch einen Bruchteil dieser erzeugten Arbeit weiterbewegt werden.

Der Wärmeaustausch zwischen dem reformierten Gas und entweder der Luft oder dem Luft-Benzin-Gemisch führt zu einer Temperaturherabsetzung des reformierten Gases und trägt dadurch zu einer Verbesserung der Ansaugleistung der Arbeitszylinder 14 bei.

Gemäß der Erfindung ist keine Heizeinrichtung zur direkten Äufhsizung der Brennkammer 40 erforderlich. Dia partielle Oxydation

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oder unvollständige Verbrennung des Luft-Benzin-Gemischs führt zu einer selbst ablaufenden Reaktion, da der Temperaturanstieg des Gemisches durch die adiabatische Kompression bis auf etwa 800 bis 1000 C erfolgt. Eine solche Temperatur wird erreicht, indem das Gemisch vor der Kompression lediglich auf etwa 200 bis 300 C aufgewärmt wird, indem die Wärme des reformierten Gases und/oder der Abgase der Brennkraftmaschine, welche mit dem reformierten Gas gespeist wird, ausgenutzt wird. Zum Beispiel erreicht das Gemisch am Ende eines Kompressionshubes des Kolbens 38 eine Temperatur von etwa 900° C, wenn das Gemisch mit einer Temperatur von etwa 200 C in die Brennkairuner 40 gelangt und das Kompressionsverhältnis 18 ist. Die Reaktionsgeschwindigkeit gemäß der Gleichung (1) bei etwa 500° C oder darüber wird auf der Grundlage von msec mit Hilfe der thermochemischen Angaben der "Combustion Science and Technology", Band 6 (1973), S. 279 - 286, berechnet. Die vorbeschriebene Temperatur von etwa 900 C reicht daher aus, um die Reformierungsreaktion mit einer Geschwindigkeit selbst ablaufen zu lassen, die einer praktisch ausgeführten Geschwindigkeit einer Brennkraftmaschine entspricht, die mit der Reforraiervorrichtung ausgestattet ist.

Das Luft/Kraftstoffverhältnis eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, welches einer partiellen Oxydationsreaktion in der Reformiervorrichtung 12 ausgesetzt ist, sollte beachtlich niedriger als das stöchiometrische Verhältnis sein und in einem relativ engen Bereich genau gesteuert werden, zum Beispiel zwischen 5 und 5,5 mit Benzin als Kraftstoff. Ein höheres Luft/Kraftstoffverhältnis führt zu einer vollständigen Verbrennung wenigstens eines Teiles des Gemisches, während ein niedrigeres Luft/Kraftstoffverhältnis dazu führt, daß das reformierte Gas Ruß (freien Kohlenstoff) und/ oder Kohlenwasserstoffe Ln beachtlichen Mengen enthält. Es ist ferner erforderlich, daß die gesteuerten Mengen von Luft und Kraftstoff in der Gemischbildungsvorrichtung 1 β innig durchmischt werden. Mit anderen Worten bedeutet das, daß das Luft/

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Kraftstoffverhältnis in jedem Bereich der Brennkammer 40 gleichmäßig vorhanden sein muß.

Eine in der Fig. 3 dargestellte Reformiervorrichtung 112 ist grundsätzlich ähnlich der Reformiervorrichtung 12 nach Fig. 2 konstruiert, besitzt jedoch außer der Brennkammer 40 eine Nebankammer 140. Diese Nebenkammer 140 ist kleiner als die Brennkammer 40 und befindet sich an einer solchen Stelle in dem nicht dargestellten Zylinderkopf, daß die Nebenkammer 140 einen größeren Abstand vom Kolbenboden des Kolbens 38 als irgendein Bereich der Brennkammer 40 aufweist. Die Nebenkammer 140 ist im wesentlichen Kugelförmig ausgebildet und steht mit der Brennkammer 40 über einen sehr engen Kanal 141 (oder über einen Einlaß mit einem sehr kleinen Querschnitt) in Verbindung. Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer 40 komprimiert wird, dann wird in der letzten Stufe jedes Kompressionshubes ein Teil des Gemisches in die Nebenkammer 140 gedrückt und erzeugt einen heftigen Wirbel. Infolgedessen können die Luft und der Kraftstoff in der Brennkammer 40 ideal miteinander vermischt werden. Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kraftstoffeinspritzdüse 54 vorzugsweise derart angeordnet, daß sie in die Nebenkammer 140 einmündet.

Die Nebenkammer 140 kann mit einer Heizeinrichtung 143 ausgestattet sein, so daß die Nebenkammer 140 als Vorbrennkammer oder Zündkammer (wie eine herkömmliche Vorbrennkammer eines Diesel-Motors eines bestimmten Typs) wirkt, we'nn der Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzdüse 54 bei Betriebsaufnahme eingespritzt wird. Es ist möglich, das Aufheizen der Nebenbrennkammer mit- der Heizeinrichtung 143 selbst dann fortzusetzen, wenn die Reformierungsreaktion in der Reformiervorrichtung 112 stattfindet, um die Nebankammer 140 nicht nur als Wirbelkammer, sondern auch als Heizeinrichtung zu verwenden, wodurch die Raforraierungsreaktion zu Beginn begünstigt und ein schneller Prozaß erreicht v/erden.

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über die Wasserleitung 58 kann entweder bei der Verwendung der Reformiervorrichtung 12 gemäß Fig. 2 oder der Reformiervorrichtung 112 gemäß Fig. 3 Wasser oder Dampf dem Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Gemischbildungseinrichtung 16 zugesetzt v/erden. Die Zuführung von Wasser oder Dampf trägt zur Vermeidung der Rußbildung während der partiellen Oxydationsreaktion bei. Es ist möglich, den Dampf aus den Abgasen der Arbeitszylinder 14 abzuspalten und der Gemischbildungsvorrichtung 16 zuzuführen.

Es ist ferner zulässig, in der Nebenkammer 140 einen nicht dargestellten Katalysator vorzusehen, um die Reformierungsreaktion zu verbessern.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß eine wirtschaftliche und preiswerte Diesel-Brennkraftmaschine als Reformiervorrichtung 12 oder 112 gemäß der Erfindung Verwendung finden kann, ohne daß eine großdimensionierte und komplizierte Heizvorrichtung erforderlich wäre. Trotzdem läuft eine Reformierungsreaktion in der Reformierungsvorrichtung 12 oder 112 stabil und selbständig ab. Infolgedessen kann eine gemäß der Erfindung ausgestaltete Reformierungsvorrichtung leicht mit einer herkömmlichen Brennkraftmaschine kombiniert werden, so daß ein Brennkraftmaschinensystem geschaffen wird, welches kompakt ist, einen hohen Wirkungsgrad aufweist und bei Fahrzeugen, wie zum Beispiel Kraftfahrzeugen, Verwendung finden kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß die partielle Oxydation in der Reformiervorrichtungi2 oder 112 durch die Verwendung von Sauerstoff anstatt von Luft durchgeführt werden kann. Unter Verwendung eines leicht durchführbaren Verfahrens kann Sauerstoff zu diesem Zweck durch eine katalytische Spaltung von einer wässrigen Lösung von Wasserstoffperoxyd gewonnen werden.

Eine gemäß der Erfindung ausgestaltete Reformiervorrichtung muß nicht notwendigerweise nur von einem einzigen zylinder einer

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Diesel-Brennkraftmaschine gebildet sein. Eine Mehrzylinder-Diesel-Brennkraftmaschine (Hubkolbenmaschine oder Rotationskolbenmaschine) kann ebenfalls als Reformiervorrichtung Verwendung finden. In einem solchen Fall kann die Reformiervorrichtung gleichzeitig mit der Herstellung von reformiertem Gas auch Arbeit leisten.

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Claims

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«AH-

Patentansprüche

Vorrichtung zum Reformieren von Kraftstoff, wobei der
Kraftstoff vergast wird und als brennbare Bestandteile
wenigstens einen Anteil Wasserstoff und Kohlenmonoxyd
aufweist, und wobei der Kraftstoff wenigstens von Kohlenwasserstoff kraftstoff, Alkoholen, Stickatoff-Wasserstoff-Verbindungen und festen Brennstoffen gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Reaktionskammer (40) vorgesehen ist, die von einer Brennkammer einer kompressionsgezündeten Brennkraftmaschine
gebildet ist, daß ein Kolben (38) vorgesehen ist, welcher in der Reaktionskammer ein Gas mit einem Kompressionsverhältnis von etwa 14 bis etwa 20 komprimiert, daß eine Fördereinrichtung (16) vorgesehen ist, welche die Reaktions— kammer mit einem gasförmigen, von wenigstens einem Kraftstoff gebildeten Reaktanten speist, und daß ein Wärmetauscher 34 vorgesehen ist, welcher die Wärme von dem aus der Reaktionskammer austretenden Reaktionsprodukt auf wenigstens eine Komponente des in die Reaktionskammer einzuleitenden Reaktanten überträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fördereinrichtung von "einer
Gemischbildungseinrichtung (16) gebildet ist, welche ein gasförmiges Gemisch aus wenigstens einem Kraftstoff und
einem sauerstoffhaltigen Gas, wie zum Beispiel Luft, herstellt, wobei der Sauerstoff- oder Luftgehalt das Gemisches derart bemessen ist, daß er ausreicht, um wenigstens

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eine partielle Oxydation des wenigstens einen Kraftstoffes hervorzurufen, so daß der gasförmige Kraftstoff erzeugt wird, während der Sauerstoff- oder Luftanteil unzureichend ist, um eine vollständige Oxydation des wenigstens einen Kraftstoffes zu erreichen, und daß das vorbereitete Gemisch der Reaktionskammer (40) zugeleitet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (56) vorgesehen ist, welche den wenigstens einen Kraftstoff komprimiert, und daß der komprimierte Kraftstoff mittels einer Kraftstoffeinspritzeinrxchtung (54) ia die Reaktionskammer (40) eingespritzt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nebenkammer (140) vorgesehen ist, welche mit der Reaktionskammer (40) in Verbindung steht und derart angeordnet und ausgebildet ist, daß ein Teil des in die Reaktionskammer eingeleiteten gasförmigen Reaktanten zwangsweise in die Nebenkammer geleitet wird, um dort während des letzten Teiles des Kompressionshubes des Kolbens

(38) einen Wirbel zu erzeugen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (56) vorgesehen ist, welche den wenigstens einen Kraftstoff komprimiert, und daß eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (54) vorgesehen ist, welche den Kraftstoff in die Nebenkammer (140) einspritzt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung (143) vorgesehen ist, welche den Innenraum der Nebenkammer (140) aufheizt.

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß in der Nebenkammer (140) ein Katalysator angeordnet ist/ welcher die Kraftstoffrefonnierungsreaktion verbessert.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kraftstoff und das Sauerstoff enthaltende Gas Benzin bzw. Luft sind, und daß die Gemischbildungsvorrichtung (16) derart gesteuert ist, daß das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches im Bereich von5 bis 5,5 (in Gewichtseinheiten gemessen) liegt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fördereinrichtung (62) vorgesehen ist, Vielehe die Reaktionskammer (4O) mit Wasser speist.
10. Verbrennungssystem mit einer Vorrichtung zum Reformieren von Kraftstoff, wobei der Kraftstoff vergast wird und als brennbare Bestandteile wenigstens einen Anteil' Wasserstoff ■ und Kohlenmonoxyd aufweist, und wobei der Kraftstoff wenigstens von einem Kohlenwasserstoffkraftstoff, Alkoholen, Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen und festen Brennstoffen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reaktionskammer (40) vorgesehen ist, die von einer Brennkammer einer kompressionsgezundeten Brennkraftmaschine gebildet ist, daß ein Kolben (38) vorgesehen ist, welcher in der Reaktionskammer ein Gas mit einem Kompressionsverhältnis von etwa 14 bis 20 komprimiert, daß eine Fördereinrichtung (16) vorgesehen ist, welche die Reaktionskammer mit einem gasförmigen, von wenigstens einem Kraftstoff gebildeten Reaktanten speist, daß eine Brennkraftmaschine (10) vorgesehen ist, welche eine Leistung abgibt, daß eine Einrichtung

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(22) zur Herstellung eines brennbaren Gemisches aus Luft und dem von der Reformiervorrichtung erzeugten gasförmigen Kraftstoff vorgesehen ist, welche die Brennkraftmaschine mit dem vorbereiteten brennbaren Gemisch speist, und daß wenigstens ein Wärmetauscher (30) vorgesehen ist, in welchem ein Wärmetausch zwischen dem von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgas und wenigstens einer Komponente des gasförmigen Reaktanten stattfindet, der in die Reaktionskammer eingeleitet wird.
11. Verbrennungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Fördereinrichtung von einer Gemischbildungseinrichtung (16) gebildet ist, welche ein gasförmiges Gemisch aus wenigstens einem Kraftstoff und einem sauerstoffhaltigen Gas, wie zum Beispiel Luft,herstellt, wobei der Sauerstoff- oder Luftgehalt des Gemisches derart bemessen ist, daß er ausreicht, um wenigstens eine partielle Oxydation des wenigstens einen Kraftstoffes hervorzurufen, so daß der gasförmige Kraftstoff erzeugt wird, während der Sauerstoff- oder Luftanteil unzureichend ist, um eine vollständige Oxydation des wenigstens einen Kraftstoffes zu erreichen, und daß das vorbereitete Gemisch der Reaktionskammer (40) zugeleitet wird.
12. Verbrennungssystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kraftstoff und das Sauerstoff enthaltende Gas Benzin bzw. Luft sind, und daß die Gemischbildungsvorrichtung (16) derart gesteuert ist, daß das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches im Bereich von 5 bis 5,5 (in Gewichtseinheiten gemessen) liegt.
13. Verbrennungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Wärmetauscher (30) vorgesehen und derart ange-

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ordnet ist, daß die Wärme des Abgases auf die Luft übertragen wird, die mit dem Benzin vermischt wird, so daß die aufgeheizte Luft die Wärme auf das Benzin überträgt.
14. Verbrennungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Wärmetauscher (30) derart angeordnet ist, daß innerhalb des wenigstens einen Wärmetauschers Wärme von dem vergasten Kraftstoff auf dia Luft übertragen wird, die mit dem Benzin gemischt wird.
15. Verbrennungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen und derart angeordnet ist, daß die Wärme des Abgases auf das Benzin-Luft-Gemisch übertragen wird.
16. Verbrennungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß der wenigstens eine Wärmetauscher derart angeordnet ist, daß innerhalb des wenigstens einen Wärmetauschers Wärme von dem vergasten Kraftstoff auf das Benzin-Luft-Gemisch übertragen wird.
17. Verbrennungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reformiervorrichtung (12) und die Verbrennungsvorrichtung (14) in einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine (10) zusammengefaßt sind, und daß eine kleinere Anzahl der Zylinder der Mehrzylinderbrennkraftmaschine zur Reformierung von Kraftstoff dient, während die übrige Anzahl der Zylinder zur Verbrennung des brennbaren Gemisches und damit zur Erzeugung einer Leistung dient.

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18. Verbrennungssystein nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die. Reformiervorrichtung (12) und die Verbrennungsvorrichtung (14) mechanisch miteinander verbunden sind, so daß ein Bruchteil der von der Verbrennungsvorrichtung abgegebenen Leistung zur Ausführung der Kompression in der Reformiervorrichtung verwendbar ist.

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