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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 aufgebrachten, 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 Ölfeuerungsanlage 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 ansSigt.
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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 ausgangsseiti.g einer normalen Verbrennungsanlage
entspricht (Zufuhr von Brennstoff und normaler Luft; Abfuhr eines Abgases mit geringem
Schadstoffanteil), aber einen wesentlich verbesserten Wirkungsgrad 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 Sicherheitsgründen
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 % vermischen. Die hohen Verbrennungs temperaturen führen nicht nur zu
einer Steigerung des Wirkungsgrades und einer Verminderung des Brennstoffverbrauchs,
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 Zündzeitpunkt nahe an den oberen Totpunkt gelegt werden. Dies spart zusätzlich
Treibstoff und verringert die Neigung zur Selbstzündung. Die verminderte Klopfneigung
erlaubt es ferner, die Verdichtung zu erhöhen, wodurch der Wirkungsgrad 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 27000C beispielsweise 5 Vol. %, daß die Einrichtung in der Praxis unbrauchbar
wäre. In Verbindung mit der Erzielung des hohen Wirkungsgrades ist es daher erforderlich,
dem Abgaskanal eine Vorrichtung zur Verminderung des Stickoxydanteils zuzuordnen,
damit der hohe Wirkungsgrad auch tatsächlich genutzt werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß Hohlfasern
mit mikroporöser Wand in großer Zahl parallel zueinander angeordnet und an einer
Umfangsfläche Jeweils mit einer Membran beschichtet sind. Auf diese Weise läßt sich
mit geringem Platzbedarf eine außerordentlich große Membranoberfläche erzielen.
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So lassen sich ohne Schwierigkeiten 0,5 Millionen,1 Million oder sogar
mehr als 5 Millionen Hohlfasern in einer kleinen Batterie parallel zueinander anordnen.
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Wenn sich die Membran am inneren Umfang der Hohlfasern befindet, ergibt
sich eine lange Lebensdauer, weil die dünne Membran gut geschützt untergebracht
ist und keiner mechanischen Beanspruchung durch eine benachbarte Hohlfaser unterliegt.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Membran auf mindestens
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 mehrere 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 arbeiten und oder
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 Brennraum mindestens ein mit einer Wärmeisolierung versehener Behälter
nachgeschaltet ist, der eine den Stickoxydzerfall begünstigende Verzögerung der
Abgasabkühlung bewirkt. Uberraschenderweise läßt sich dadurch, daß die sonst übliche
plötzliche Abkühlung der aus dem Brennraum austretenden Abgase vermieden wird, der
Stickoxydanteil von beispielsweise 5 Vor.% 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 erleidftert es, die Temperatur des Abgases allmählich
abzusenken.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestzllter
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. 3a einen Querschnitt durch eine abgerandelte Hohlfaser
mit Innenmembran,
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 Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erhöhung des Sauerstoffanteils
in schematischer Darstellung, Fig. 7 eine Alternative für eine Vorrichtung zur Verminderung
des Stickordanteils 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 30000
C liegt. Das Abgas wird über einen Abgaskanal 4 abgeführt, der aus einem ersten
Rohrabschnitt 5, einem Behälter 6 und einem zweiten Rohrabschnitt 7 besteht, a frelchen
sich ein Schalldämpfer anschließt. Der Rohrabschnit 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 durchläuft 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 Vermindeflrng desStickoxyds 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. Gemäß
Fig. 3a ist eine Hohlfaser 111 innen mit einer Membran 112 versehen. Die Hohlfasern
haben beispielsweise einen Außendurchmesser von 0,05 bis 0,2 mm, vorzugsweise 0,1
mm, eine Wandstärke von 1 bis 20 pm, vorzugsweise 5 Fm und überwiegend eine Porengröße
von 0,1 bis 1 Mm, die Jedoch zur Membran hin bis auf unter 20 nm abnehmen kann.
Sie können unter anderem aus Polyester, Zellulose oder Zelluloseazetat bestehen.
Die Membran besteht beispielsweise aus Silikonkautschuk mit einer Dicke von z.B.
100 nm, kann aber auch andere Materialien enthalten, beispielsweise Polykarbonat.
Einzelheiten über Aufbau und Herstellung sind in der gleichlaufenden deutschen Patentanmeldung
Vorrichtung zur Erhöhung oder Verminderung des Sauerstoffanteils der Luft sowie
Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung" des Anmelders enthalten.
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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. Silikonkautschuk 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 Hohlfaserbatterie 14,
die eine Länge 1 von 10 cm, eine Höhe h von 20 cm und eine Breite b von 60 cm hat.
Sie kann 6 Millionen sich in Längsrichtung parallel zueinander erstreckender Hohlfasern
11 und mehr enthalten, die eine Membranfläche von ca. 180 m2 und mehr ergeben.
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Die Faserbatterie 14 ist in einem Gehäuse 15 untergebracht, das zwei
Stirnwände 16 und 17 aufweist, in welche die Enden der Hohlfasern 11 oder 111 abgedichtet
eingesetzt sind. Mi Vrteil bestehen die Stirnwände 16 und 17 aus die Umfänge der
Fasern/verklebendem Kunststoff. 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 geleitet werden kann. Hinter der Stirnwand 17 befindet sich ein zugehöriger
Ausgang 19, über den sauerstoffverarmte Luft abgeführt wird. Vor den Eingang 18
ist eh Luftfilter 20 geschaltet. Die ganze Anordnung kann beispielsweise in ein
gestrichelt angedeutetes Kraftfahrzeug 21 in der Nähe sinter Frontseite 22 eingebaut
sein, wobei sich die Hohlfasern 11 in Fahrzeuglängsrichtung erstrecken, so daß der
Fahrtwind für einen ausreichenden Luftdurchsatz durch die Hohlfasern sorgt. Stattdessen
oder zusätzlich kann im Ausgang ein Ventilator 23 vorgesehen sein. Innerhalb 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 gesamt Oberfläche jeder einzelnen Hohlfaser ohne störende Widerstände mit dem
Ausgang 28 des zweiten Raumes 13 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 Eintrittsraum
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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Bei der AusfUhrungsform nach Fig. 7 weist ein Abgaskanal 37 einen
ersten Rohrabschnitt 38, einen Behälter 39 und einen zweiten Rohrabschnitt 40 auf,
die sämtlich von einer Wärmeisolation 41 umgeben sind. Im Behälter sind zu beiden
Seiten eines Mittelraumes 42 abwechselnd von beiden Seiten her verlaufende
Wände
43 vorgesehen, so daß 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 iiber
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 ansteigttnd bei 27000C 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 2700 0C praktisch
sofortfterfällt, bei 22000C in 1/2000 s, bei 17000C in etwa 0,6 s, bei 12000C in
mehreren Minuten und bei 7000C 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.
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In dem Bereich unter 700 0C ist praktisch kein NO-Zerfall mehr zu
erwarten. Die Kurve C zeigt den bekannten Fall, in dem eine Verbrennung bei rund
2000 - 2200 0C erfolgte und das Abgas mit etwa 10000C 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 3000 0C erfolgt und
die Austrittstemperatur des Abgases rund 17000C beträgt. Mit Hilfe der Vorrichtungen
der Fig. 2 oder 7 wird 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 Tetnperaturbereich 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 Gehäuses 15 (Fig.4 und
5) und eines Behälters 39 (Fig. 7) in Verbindung mit dem Brennkraftmotor 52 eines
Kraftfahrzeugs21. Über die Leitung 53 wird O2-angereicherte Luft dem üblichen Vergaser
zugeführt; bei 54 ti-K-.ten die Abgase nach der Verbrennung aus dem Motor aus.
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In ähnlicher Weise kann auch eine Feuerung mit entsprechend hphem
Wirkungsgrad betrieben werden.