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Einrichtung mit einem Brennraum
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einem Brennraum,
wie Brennkraftmaschine oder Feuerungsanlage, und mit einer Vorrichtung zur Anreicherung
der Verbrennungsluft mit Sauerstoff unter Verwendung einer sehr dünnen, auf einem
porösen Träger aus gebrachten, semipermeablen Membran, die einen ersten Raum höheren
Druckes mit einem Eingang für normale Luft und einen Ausgang für 02-verarmte Luft
und einen zweiten Raum geringeren Druckes mit einem Ausgang für die 02-angereicherte
Luft trennt.
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Normalerweise findet die Verbrennung in einer Brennkraftmaschine oder
in einer Ö1feuerungsai#age bei einer Temperatur von etwa 2000 bis 22000 C statt.
Es ist bekannt, daß man durch Erhöhung des Sauerstoffanteils in der Luft die Verbrennung
verbessern und den Wirkuqçgrad erhöhen kann, wobei die Verbrennungstemperatur anzeigt.
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Es ist eine Vorrichtung zur Anreicherung der Luft mit Sauerstoff bekannt,
bei der eine für Sauerstoff stärker als für Stickstoff durchlässige Membran aus
Silikongummi verwendet wird, die flächig auf einen porösen Träger aufgebracht ist.
Die herbei erzielbaren
Membranflächen sind klein, mit der Folge,
daß sich auch nur geringe Mengen 02-angereicherter Luft gewinnen lassen. Als Anwendungszweck
einer solchen Vorrichtung ist auch die Anreicherung der Verbrennungsluft mit Sauerstoff
genannt. Die hiermit erzielbaren Verbrennungstemperaturen lagen jedoch maximal bei
etwa 24000 C.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs
beschriebenen Art anzugeben, die ein- und ausgangsseitig einer normalen Verbrennungsanlage
entspricht (Zufuhr von Brennstoff und normaler Luft; Abfuhr eines Abgases mit geringem
Schadstoffanteil), aber einen wesentlich verbesserten Wirkung grad mit entsprechender
Brennstoffeinsparung ergibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membranfläche
so groß gewählt ist, daß die Verbrennungstemperatur über 25000 C liegt, und daß
dem Abgaskanal eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickoxyd-Anteils zugeordnet
ist. Insbesondere kann die Membranfläche für eine Verbrennungstemperatur von etwa
30000 C ausgelegt sein.
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Die für eine Brennkraftmaschine oder Feuerungsanlage benötigte Verbrennungsluftmenge
ist sehr groß. Beispielsweise beträgt sie für einen Zweiliter-Motor über 100 m3/
h. Will man die Luft mittels einer Silikongummi-Membran mit einem Sauerstoffanteil
von 30 - 35 Vol.% versehen, benötigt man eine Membranfläche von über 100 m2. Ein
Sauerstoffanteil in dieser Größenordnung ist zur Erzelung der gewünschten hohen
Temperaturen zweckmäßig; wesentlich höhere Sauerstoffanteile sollten aber aus Sicherheits
gründen nicht verwendet werden. Man kann auch Membranen aus anderen Werkstoffen
benutzen, die einen höheren Sauerstoffanteil ergeben, beispielsweise Polykarbonat;
und die so gewonnene sauerstoffreiche Luft mit normaler Luft zur Erzielung des Sauerstoffanteils
von 30 - 35 46 vermischen. Die hohen Verbrennungs temperaturen führen nicht nur
zu einer Steigerung des Wirkung grades und einer Verminderung des Brennatoffverbrauchs,
sondern machen es bei Brennkraftmaschinen auch überflüssig, daß das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
in Abhängigkeit von Vollast und Teillast verändert wird, wodurch Vergaserbau und
Wartung wesentlich vereinfacht werden. Da die Zündgeschwindigkeit sehr groß ist,
kann der Zundzeitpunkt nahe an den oberen Totpunkt gelegt werden, Dies spart zusätzlich
Treibstoff und verringert die Neigung zur Serbstzündung. Die verminderte Klopfneigung
erlaubt es ferner, die Verdichtung zu erhöhen, wodurch der Ä#rkung5grad weiter gesteigert
wird. Der rasche Zündverlauf vermeidet ferner ungleichmäßige Wärmeübergänge auf
die Brennkammerwand, was zu einer geringeren Kühlwassertemperatur und zu einer geringeren
Ventilatorleistung führt. Außerdem ergibt der rasche Zündverlauf einen geschmeidigen
Lauf bei einer Brennkraftmaschine.
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Die Erfindung berücksichtigt gleichzeitig die Tatsache, daß bei den
angestrebten hohen Verbrennungstemperaturen eine so große Stickstoffoxydmenge entsteht,
bei 27000 C beispielsweise 5 Vol.%, daß die Einrichtung in der Praxis unbrauchbar
wäre. In Verbindung mit der Erzielung des hohen Wirkungsgrades ist es daher zwingend
erforderlich, im Abgaskanal eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickoxydanteils
zuzuordnen. Erst durch die Kombination der eingangsseitigen und ausgangsseitigen
Mafinahmen, läßt sich der hohe Wirkungsgrad auch tatsächlich nutzen.
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Bei einer bevorzugten Aus##ungsform ist dafür gesorgt, daß Hohlfasern
mit mikroporöser Wand in großer Zahl parallel zueieander angeordnet und an der Außenseite
jeweils mit einer Membran beschichtet sind. Auf diese Weise läßt sich mit geringem
Platz bedarf eine außerordentlich große Membranoberfläche erzielen.
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So lassen sich ohne Schwierigkeiten 0,5 Millionen Hohlfasern oder
mehr als 1 Million Hohlfasern in einer kleinen Batterie parallel zueinander anordnen.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Membran auf destens
einem bandförmigen Träger aufgebracht ist, der in der Form hin und her gehender
Lamellen angeordnet ist. Wenn der bandförmige Träger eine entsprechende Länge hat
oder wenn ~&nrere solche Träger nebeneinander angeordnet sind, lassen sich
ebenfalls
große Membranflächen erzeugen.
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Die Vorrichtung zur Verminderung des Stickoxydanteils kann eine beliebige
bekannte Form haben, also beispielsweise mit einem Katalysator arbeiteneoder das
Stickoxyd durch Zusatz von Reagenzien chemisch zersetzen. Da aber eingangsseitig
eine Vorrichtung benutzt wird, die praktisch wartungsfrei arbeitet, ist es erstrebt,
auch ausgangsseitig eine Vorrichtung vorzusehen, die weder eine häufige Regenerierung
noch das Nachfüllen von Reagenzien erfordert.
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In weiterer Ausgestaltung kann dieses zusätzliche Ziel dadurch erreicht
werden, daß dem Brenn-raum mindestens ein mit einer Wärmeisolierung versehener Behälter
nachgeschaltet ist, der eine den Stickoxydzerfall begünstigende Verzögerung der
Abgasabkühlung bewirkt. Überraschenderweise läßt sich dadurch, daß die sonst übliche
plötzliche Abkühlung der aus dem Brennraum austretenden Abgase vermieden wird, der
Stickoxydanteil von beispielsweise 5 Vol.% so stark herabsetzen, daß er im abgekühlten
Abgas innerhalb der zulässigen Grenzen liegt.
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Hierbei kann der Abgaskanal im Behälter einen Verlauf haben, bei dem
nachfolgende Kanalabschnitte wenigstens teilweise mit vorangehenden Kanalabschnitten
eine gemeinsame Wand haben. Dies erleichtert es, die Temperatur des Abgases allmählich
abzusenken.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargesteller
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Brennkraftmaschine,
gemäß der Erfindung, in schematischer Darstellung, Fig. 2 einen Querschnitt längs
der Linie II - II der Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt durch mehrere mit einer Membran
belegte Hohlfasern,
Fig. 4 eine räumliche Darstellung einer Vorrichtung
zur Frhöhung des Sauerstoffanteils mit einer Schnittfläche gemäß der Ebene IV -
IV in Fig. 5, Fig 5 einen Horizontalschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 4, Fig.
6 eine andere Ausführungsforin einer Vorrichtung zur Erhöhung des Sauerstoffanteils
in schematischer Darstellung, Fig. 7 eine Alternative für eine Vorrichtung zur Verminderung
des Stickoxydanteils im Abgas, Fig. 8 den Gleichgewichtszustand Luft : Stickstoff
in einem den Stickoxydanteil über der Abgastemperatur T darstellenden Diagramm,
Fig. 9 in einem Diagramm die Zerfalls-Halbwertzeit tH des Stickoxyds über der Abgastemperatur,
Fig. 10 in einem Zeitdiagramm den Temperaturverlauf des Abgases während der Abkühlung
und Fig. 11 schematisch den Einbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug.
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Bei der Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß den Fig.
1 und 2 wird einer Brennkraftmaschine 1, die mehrere Brennräume enthält, über eine
Leitung 2 Verbrennungsluft zugeführt, deren Sauerstoffanteil in einer Vorrichtung
3 so stark erhöht worden ist, daß die Verbrennungstemperatur zwischen 2500 und 300°
C liegt. Das Abgas wird über einen Abgas kanal 4 abgeführt, der aus einem ersten
Rohrabschnitt 5, einem Behälter 6 und einem zweiten Rohrabschnitt 7 besteht, anfelchen
sich ein Schalldämpfer anschließt. Der Rohrabschnitt 5 und der Behälter 6 sind mit
einer Wärmeisolation 8 umgeben. Im Behälter ist eine spiralförmige Wand 9 vorgesehen.
Das in der Mitte zugeführte Abgas Cwrchläuft daher einen spiralförmigen Kanal 10
von innen nach außen. Auf diese Weise ergibt sich eine langsame Abkühlung des aus
der Brennkraftmaschine 1 austretenden Abgases und, wie in Verbindung mit den Fig.
8 - 10 erläutert werden wird, eine entsprechende Verminderung des Stickoxyds im
Abgas.
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In Verbindung mit den Fig. 3 - 5 wird eine Ausführung der Vorrichtung
3 erläutert. Hierbei zeigt Fig. 3 in einer Reihe übereinander mehrere Hohlfasern
11, die außen mit einer ultradünnen, semipermeablen Membran 12 belegt sind. Die
Hohlfasern haben beispielsweise einen Außendurchmesser von 0,05 bis 0,2 mm, vorzugsweise
0,1 mm, efne Wandstärke von 1 bis 20 Fm, vorzugsweise 5 jnn und eine Po grße von
50 bis 200 nm. Sie können unter anderem aus Polyester, Zellulose oder Zelluloseazetat
bestehen. Die Membran besteht beispielsweise aus Silikongummi mit einer Dicke von
100 nm, kann aber auch aus anderen Materialien aufgebaut sein, beispielsweise Polykarbonat.
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Die Hohlräume 13 der Hohlfasern bilden einen ersten Raum A, der Raum
außerhalb der Hohlfasern bildet einen zweiten Raum B. Hält man diese beiden Räume
auf unterschiedlichen Drücken, so wandert Gas aus dem Raum höheren Drucks in den
Raum geringeren Drucks, wobei die Membran 2 für Sauerstoff durchlässiger ist als
für Stickstoff. Silikongummi hat einen Trennfaktor zwischen Sauerstoff und Stickstoff
von 2,2, so daß das Gasgemisch im Raum geringeren Drucks einen Sauerstoffgehalt
von ca. 30 - 35 Vol-% aufweist.
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Fig. 4 und 5 zeigen eine Vorrichtung mit einer Hohlfaserbatteriej
14, die eine Länge 1 von 10 cm, eine Höhe h von 20 cm und eine Breite b von 60 cm
hat. Sie kann beispielsweise 2000 Hohlfasern übereinander und 3000 Hohlfasern mit
Abstand nebeneinander enthalten, so daß rund 6 Millionen sich in Längsrichtung parallel
zueinander erstreckender Hohlfasern 11 vorhanden sind, die eine Membranfläche von
ca. 180 m2 ergeben. Die Faserbatterie 14 ist in einem Gehäuse 15 untergebracht,
das zwei Stirnwände 16 und 17 aufweist, in welche die Enden der Hohlfasern 11 abgedichtet
eingesetzt sind. Mit Vorteil bestehen die Stirnwände 16 und 17 aus die Umfänge der
Fasern miteinander verklebendem Kunststoff. 1 Der erste Raum A weist demnach vor
der Stirnwand 16 einen Eingang 18 auf, über welchen normale Luft in die inneren
Hohlräume 13 der Hohlfasern
11 gleitet werden kann. Hinter der
Stirnwand 17 befindet such ein zugehöriger Ausgang 19, über den sauerstoff.verarmte
Luft abgeführt wird. Vor den Eingang 18 ist ein Luftfilter 20 geschaltets Die ganze
Anordnung kann beispielsweise in ein gestrichelt angedeutetes Kraftfahrzeug 21 in
der Nähe seiner Frontseite 22 eingebaut sein, wobei sich die Hohlfasern 11 in Fahrtzeuglängsrichtung
erstrecken, so daß der Fahrtwind für einen ausreichenden Luftdurchsatz durch die
Hohlfasern sorgt.
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Stattdessen oder zusätzlich kann im Ausgang ein Ventilator 23 vorgesehen
sein. Imaerhalb der Faserbatterie 14 sind die Hohlfasern 11 in parallelen Reihen
24 angeordnet, zwischen denen sich Gassen 25 befinden. Diese Gassen münden in Ausgangssammelräume
26 und 27 des zweiten Raumes B, der über einen gemeinsamen Ausgang 28 mit einer
Saugpumpe 29 verbunden ist, deren Förderseite 30 zu der Brennkraftmaschine führt.
Die Ausgangssammelräume erstrecken sich über die gesamte Fläche der oberen Gehäusewand
31 und der unteren Gehäusewand 32, also über eine Fläche 1 x b. Auf diese Weise
steht beispielsweise die gesamte Oberfläche jeder einzelnen Hohlfasern ohne störende
Widerstände mit dem Ausgang 28 des zweiten Raumes B in Verbindung. Die Breite der
Gassen kann verhältnismäßig klein sein, da auch die Fasern klein sind und die maximale
Erstreckung in Höhenrichtung nur h/2, beim Ausführungsbeispiel also 100 mm, beträgt.
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Bei der Ausführungsform#nach Fig. 6 ist ein Gehäuse 31 mit einem Ei.ntri.ttsraum
32 und einem Austrittsraum 33 vorgesehen. Dazwischen sind sieben bandförmige Membranen
34, jeweils auf einem porösen Träger, zickzackförmig angeordnet. Die Räume 35 und
36 zwischen den Membranen sind abwechselnd mit dem Eingang 32 und dem Ausgang 33
verbunden. Auch hierdurch ergibt sich eine entsprechend große Membranfläche.
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ei der Ausführungsform nach Fig. 7 weist ein Abgaskanal 37 einen ersten
Rohrabschnitt 38, einen Behälter 39 und einen zweiten Rohrabschnitt 40 auf, die
sämtlich von einer Wärme-.-onation 41 umgeben sind. Im Behälter sind zu beiden Seiten
eines 4ittelraumes 42 abwechselnd von beiden Seiten her verlaufende ~nzo 43 vorgesehen,
so das sich zwei labyrinthartig verlaufende
Abgaskanalabschnitte
44 und 45 ergeben. Bei einem ausreichend langen Strömungsweg im Behälter 39 kann
gegebenenfalls auch an der Unterseite und den Seitenwänden auf die außen aufgebrachte
Wärmeisolierung verzichtet werden, weil das durch den letzten Kanalabschnitt 46
im Behälter 39 strömende Abgas als Wärmeisolierung für die vorangehenden Abschnitte
wirkt.
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In dem Diagramm der Fig. 8 ist der NO-Anteil in Volumenprozenten über
der Abgastemperatur T dargestellt. Die Kurve A trennt einen Bereich 47, in welchem
NO gebildet wird, von einem Bereich 48, in welchem NO zerfällt. Links von der gestrichelt
eingezeichneten 5000 C-Grenze befindet sich ein Bereich 49, in welchem NO metastabil
ist. Hieraus ist ersichtlich, daß der NO-Anteil im Abgas mit steigender Temperatur
steil ansteigt und bei 27000 C rund 5 Vol-% ausmacht.
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In Fig. 9 ist über der Abgastemperatur T mit der Kurve B die Zerfalls-Halbwertszeit
tH des NO veranschaulicht. Hieraus ergibt sich, daß das NO bei 27000C praktisch
sofort zerfällt, bei 22000 C in 1/2000 s, bei 17000 C in etwa 0,6 s, bei 12000 C
in mehreren Minuten und bei 7000 C in mehreren Wochen.
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In Fig. 10 ist die Abgastemperatur über der Zeit t veranschaulicht,
wobei die gestrichelte Linie den Austritt des Abgases aus der Brennkraftmaschine
ohne Rücksicht auf den Maßstab kennzeichnet. In dem Bereich unter 7000 C ist praktisch
kein NO-Zerfall mehr zu erwarten. Die Kurve C zeigt den bekannten Fall, 1 in dem
eine Verbrennung bei rund 2000 - 22000 C erfolgte und das Abgas mit etwa 10000 C
aus der Brennkraftmaschine austritt. Es erfolgt im Auspuffkrümmer eine weitere schlagartige
Abkühlung, so daß das Abgas einen erheblichen Anteil des NO enthält, das bei einer
höheren Temperatur vorhanden war.
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Die Kurve D kennzeichnet den Fall, daß die Verbrennung infolge des
erhöhten Sauerstoffanteils in der Verbrennungsluft bei etwa erfolgt und die Austrittstemperatur
des Abgases rund die Abkühlung in einem Temperaturbereich 50, der bis etwa
14000
C reicht, langsam durchgeführt, wofür eine Zeit von etwa 1 Sekunde vorgesehen ist.
In dem darauffolgenden Temperaturbereich 51 erfolgt eine rasche Abkühlung. Da im
ersten Temperaturbereich 50 Stickoxyde in erheblichem Maße abgebaut werden, hat
man nach der Abkühlung nur noch einen kleinen Stickstoffanteil im Abgas, der größenordnungsmäßig
demJenigen im Abgas einer normal betriebenen Brennkraftmaschine entspricht. In der
Praxis können die Verweilzeiten auch kürzer oder länger gewählt werden.
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Fig. 11 zeigt schematisch die Anordnung eines GehEuses 15 (Fig.4 und
5) und eines Behälters 39 (Fig. 7) in Verbindung mit dem Brennkraftmotor 52 eines
Kraftfahrzeug 21. Über die Leitung 53 wird O-angereicherte Luft dem üblichen Vergaser
zugeführt; bei 54 treten die Abgase nach der Verbrennung aus dem Motor aus.
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In ähnlicher Weise kann auch eine Feuerung mit entsprechend hohem
Wirkungsgrad betrieben werden.