DE3318501A1

DE3318501A1 - Alkoholspaltung und abwaermerueckgewinnungsverfahren fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3318501A1
Application number: DE19833318501
Authority: DE
Inventors: Gerald D. Rutledge; Heeyoung 15317 McMurray Pa. Yoon
Original assignee: Conoco Inc
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1982-09-03
Filing date: 1983-05-20
Publication date: 1984-03-08
Also published as: US4425876A; JPS5943954A; JPH0263104B2

Description

I ÖOU I

P 18 023-603/wo 20. Mai 1983

Anm.: Conoco Inc., Connecticut, USA

Alkoholspaltung und Abwärmerückgewinnungsverfaiiren für Kraftfahrzeuge

Beschreibung

Z

Die US-PS 4 088 450 beschreibt eine Vielzahl von Katalysatoren, die in einer gewünschten Reihenfolge, basierend auf den Temperaturgradienten, der in der Reaktionskammer vorliegt, angeordnet sind. Die Betriebs-'■J temperatur dem Katalysatoren und die Temperatur des Teils Y¹Z der Reaktionskamraer, in dem diese sind, werden auf einander abgestellt, um einen katalytischen Abbau und/oder katalytisch^ Inaktivierung zu vermeiden.

■: Die US-PS 4 282 835 sieht zur Herstellung von CO und H₀ . i- <=-

'M einen Kraftstoff aus Methanol und Wasser in einer zwei-

$|* ten Herstellungsvorrichtung vor. Das Methanol wird in einem Alkoholtank als Flüssigkeit eingeschlossen. Das Wasser wird in einem Wassertank gehalten. Eine Kraftstoffpumpe und eine Wasserpumpe zwingen den Kraftstoff und das Wasser zu einem Mischventil. Ein Wärmeaustauscher erwärmt den Kraftstoff und Wasser zu einem Gas, welches bei 500 C einen auf Aluminiumoxid befindlichen Efickelkatalysator durchströmt, wobei das Methanol in CO+Hp dissoziiert wird. Das Gas passiert eine zweite Herstellungsvorrichtung, die auf Aluminiumoxid einen Fe-Katalysator bei über 500⁰C enthält, wobei Wasser und Kohlenaonoxid Wasserstoff und Kohlendioxid bilden. Danach wird das Gas mit Luft vermischt und durchströmt den Motor.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Kraftstoffbehandlung und -verteilung für einen Autoaobilverbrennungsmotor, welches durch folgende Stufen gekennzeichnet ist:

(a) Betreiben eines adiabatischen Reaktors ohne eine wesentliche Menge an Abwärme innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches, wobei der Katalysatorbettreaktor einen Teilverbrennungskatalysator und

einen Dissoziationskatalysator umfaßt; 15

(b) Zuführen einer wesentlichen Menge an Motorabwärme zu einem, endothermen Reaktor mit einem darin "befindlichen endothermen Dissoziationskatalysator;

(c) Verdampfen von flüssigem Alkohol zur Bildung von Alkoholdampf\

(d) Vermischen des Alkoholdampfs mit Luft, um eine Teilverbrennungsmischung zu bilden;

(e) In-Kontakt-Bringen der Teilverbrennungsmischung und des Teilverbrennungskatalysators, wobei eine Dissoziationsmischung gebildet und Wärme entwickelt wird;

(f) In-Kontakt-Bringen der Dissoziationsmischung und des Dissoziationskatalysators zur Bildung eines wasserstoffreichen Kraftstoffs;

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''/Sj In-iContnlcc-Bringen des wassers boffreichen Kraftstoffs und des endothermen Dissoziationskatalysator zur Bildung eines Kraftstoff produkte, wobei mindestens ein Teil jeglichen undissoziierten Alkohols in dem wasserstoffreichen Kraftstoff in Wasserstoff ^uri(3· Kohlenmonoxid gespalten wird unter Verwendung der durch das Abgas vorgesehenen Motorabwärme.

^w Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, hierbei zeigen:

15

Figur 1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgeraäßen Reaktors;

Figur 2 eine Querschnittsansicht in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen Reaktors;

Figur 3 sin scheraatisches Fließdiagramm eines Automobilkraftstoffsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.

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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in Figur 1 zu sehen, daß eine Reaktionskannaer 10 innerhalb des adiabatischen Reaktors 3 durch Stützen 16 und/oder durch Federn 1A- und 14·' getragen wird. Die Reaktionskaaimerwand 10 umschließt das Katalysatorbettniaterial 11. Innenrippen 9 erstrecken sich von der Reaktionskammerwand 10, an welcher sie befestigt sind. Die Innenrippen 9 erstrecken sich von der Reaktionskammerwand 10 nach innen in die durch die Reaktionskammerwand 10 definierte Reaktionskanaer. Außenrippen 13 sind mit der Reaktionskammerwand 10 verbunden.

r- üie -ußenrirroen 13 erstrecken sich von der Reaktionso —

Va^^erv/and 10 nach außen in die Wärmeaustauschkammer 12. Die Wärmeaustauschkainmer 12 wird durch, die Innenfläche der Wärmeaustauschwand 17 und die Außenfläche der Reaktionskammerwand 10 definiert.

Die Enden der Reaktionskammerwand 10 werden vorzugsweise durch ein Gitter oder Maschendraht (nicht gezeigt·) bedeckt, ura das Katalysatorbett 11 darin festzuhalten.

^5 Wie in Figur 2 gezeigt, umschließt die Wärmeaustauschwand 1? die Reaktionskainmerwand 10. Die Stützfedermittel 14- und 14' sind mit der Innenfläche der Wärmeaustauschwand 1? und der Außenfläche der Reaktionskammerwand 10 verbunden .

"Wie in Figur 3 gezeigt, ist der adiabatische Reaktor 3 durch Leitung 19 mit einem überhitzer 5 verbunden. Der Überhitzer 5 erhält Dampfphasenalkohol vom Verdampfer 2 über Leitung 20. Über Leitung 15 wird vom Kompressor 21 ia Leitung 20 Luft eingepumpt. Die Mischung aus Luft und Methanoldampf passiert über Leitung 20 den Übererhitzer Alkohol vom Alkoholtank'1 wird über Leitung 22 durch Pumpe 23 zum Verdampfer 2 gepumpt. In Leitung 22 ist ein Ventil 24- vorgesehen, um den Zufluß von flüssigem Alkohol zum Verdampfer 2 aus dem Alkoholtank 1 zu limitieren. Die Mischung aus Luft und Alkoholdampf strömt durch Leitung 19 in den adiabatischen Reaktor 3- Der adiabatische Reaktor 3 wird durch Abgas von dem Motor 4- erwärmt. Das Abgas strömt durch Leitung 25 zu dem adiabatischen Reaktor 3- Die 'Leitung 25 v/eist darin ein Ventil 26 auf, um den Zustrom an Abgas zu dem Reaktor 3 zu limitieren.

Abgas verläßt den Reaktor 2 über Leitung 27- Der Verdampfer 2 ist mit einer Leitung 29 versehen, durch, welche heißes I'Iotorkühlungsmittel vom Motor zum Verdampfer 2 geführt wird. Das Motorkühlungsmittel verläßt den Verdampfer 2 über Leitung 30. Leitung 30 ist mit dem Motor 4 verbunden. Das Filter 6 ist mit dem endothermen Reaktor 70 durch Leitung 71 verbunden. Der endotherme Reaktor 70 ist mit dem adiabatischen Reaktor 3 durch Leitung 31 verbunden. Das Filter 6 entfernt Feststoffe aus der wasserstoffreichen, gasförmigen Mischung, welche hierdurch strömt. Das Filter 6 ist durch Leitung 32 mit dem Motor 4 verbunden. Das Ventil 36 in Leitung 32 ist vorgesehen, um den Zustrom des wasserstoffreichen, gasförmigen Kraftstoffs zu dem Motor zu limitieren. Die Ventile 24 und 36 blockieren vollständig das Dissoziationssystem, einschließlich dem Verdampfer, zu dem Filter, wenn das System außer Betrieb ist. Leitung 8 ist mit Leitung 33 verbunden. Leitung 33 ist mit dem Motor 4- verbunden. Wasserstoffreiches Gas in Leitung 32 vermischt sich mit Luft aus Leitung 8 in Leitung 33· Flüssiger fi 25 Alkohol strömt durch Leitung 7 zur Leitung 33« Das Ventil 34 in Leitung 7 limitiert den hierdurch gehenden Zufluß von flüssigem Alkohol. Der die Leitung 7 passierende, flüssige Alkohol wird, bevor er dem Motor 4- zugeführt

wird, zerstäubt.
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Der bevorzugte Alkohol zur Verwendung als Alkoholkraftstoff in dem Alkoholtank 1 ist Methanol.

Die Rippen 9 und 13 erstrecken sich über die Länge der Seaktionskannnerwand.

•er

Sowohl die Innenrippen 9 als auch die Außenrippen 13 dienen dazu, die Wärme entlang der Reaktionskaramerwand zu verteilen. Die Innenrippen 9 dienen dazu, die Wärme im Reaktorbett 11 von der Reaktionskammerwand 10 zu verteilen. Die Außenrippen 1$ dienen dazu, die Wärme von der Wärmeaustauschkammer 12 in die Reaktionskammerwand 10 zu übertragen.

Der Motor wird mittels in der Technik bekannten Verfahren zum Starten von Verbrennungsmotoren gestartet, beispielswiese durch Verwendung eines Ausweichkraftstoffs, wie etwa flüssigem Methanol, das über Leitung 7 zugeführt wird, oder einem gasförmigen Kraftstoff, wie Propan. Wach dem Starten des Motors erwärmen die heißen Abgase den adiabatischen Reaktor 3, indem sie durch die Warmeaustauschkammer 12 strömen. Die Außenrippen 13 leiten Wärme von den heißen Abgasen und übertragen sie an die Reaktionskammerwand 10. Die Rippen 9 übertragen Wärme von der Reaktionskammerwand 10 in das Reaktionsbett 11. Ist die anfängliche Betriebstemperatur erreicht, wird die Mischung aus Luft und Methanoldampf in den Reaktor eingespeist. Vorzugsweise enthält der Reaktor ein Doppelkatalysatorbett. Der Anfangskatalysator, der ait der Mischung aus Luft und Methanoldampf in Berührung gebracht wird, kann ein Teiloxidationskatalysator, beispielsweise Kupfer/ Nickel sein. Der darauffolgende Katalysator, der mit dem Alkohol und der Teilverbrennungsproduktmischung in Berührung kommt, kann ein Dissoziationskatalysator, wie etwa ein Kupfer/Zinkkatalysator sein. Eine Teilverbrennung kommt zustande zwischen dem Methanol und der Luft in der Anfangsstufe des adiabatischen Reaktors 3· Diese Teilverbrennung erzeugt Wärme. Die in der Anfangsstufe

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10

des adiabatischen Reaktors 3 erzeugte Wärme wird zur darauffolgenden Stufe durch, die Innenrippen 9 übertragen.

Bei einer "bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nachdem das Katalysatorbett auf die Anfangsreaktionstemperatur mittels dem Motorabgas vorerhitzt wurde, das Ventil 26 geschlossen und das Ventil 35 mittels einem Temperaturschalter geöffnet. Ventil 72 in Leitung 73 wird zuerst geöffnet, um heißes Abgas zum endothermen Reaktor 70 zu leiten, bevor das Ventil 26 geschlossen wird. Der Temperaturschalter in Leitung 31 öffnet ebenso Ventil 24-in Leitung 22, um den Zufluß von flüssigem Methanol aus Tank 1 einzuleiten, sowie Ventil 36 in Leitung 32, um den Zustrom von wasserstoffreichen Brennstoff zum Motor 4· einzuleiten. Die Reaktionstemperatur innerhalb des adiabatischen Reaktors 3 wird durch die Teilverbrennungsgeschwindigkeit aufrechterhalten. Die Teilverbrennungsgeschwindigkeit wird durch die über Leitung 15 eingeführte Luftmenge durch Isolierung von Ventil 35 reguliert. Das Ventil 35 ist gegenüber der Auslaßgastemperatur in Leitung 71 temperaturabhängig. Ventil 35 ist mit Leitung 71 durch ein Temperaturkontrollsignal verbunden. Die Temperaturkontrolle in Leitung 71 ist gezeigt. Alternativ hierzu kann das Ventil 26 offengelassen werden oder kann mit geöffnetem Ventil 72 einen Auslaß bilden, um einen Teil an heißem Abgas durch den Reaktor 3 und Reaktor 70 über Leitung 27 und 73 strömen zu lassen. Auf diese Weise kann der Wärmeverlust von Reaktor 3 auf ein Mindestmaß reduziert werden und eine gewisse Wärmerückgewinnung aus

dem Abgas kann in dem Reaktor verwirklicht werden. 35

Während Kaltstarten strömt heißes Abgas vom Motor in die Wärmeaustauschkammer von Reaktor 3 über Leitung 25 und

Ventil 26. Das Abgas verläßt die Wärmeaustauschkammer über Leitung 27- Während der Reaktor bis zur Betriebstemperatur aufgeheizt wird, werden die Ventile 72 und geschlossen, so daß Abgas von Leitung 37 in Leitung 25 und in die Wärmeaustausehkammer des adiabatischen Reaktors 3 strömt. Hat der Reaktor seine Betriebstemperatur erreicht, wird Ventil 26 geschlossen und Ventile 18 und 72 geöffnet, so daß Abgas nicht mehr langer aus Leitung 37 in den adiabatischen Reaktor 3 strömt, sondern daß eher das Abgas von Leitung 37 in die Leitungen 39 und 73 eingeführt wird. Das Abgas aus dem endothermen Reaktor 70 strömt über Leitung 75 in die Atmosphäre. Das Ventil 18 reguliert den Abgasstrom zum Übererhitzer, um der Temperatur des Methanoldampfs vom Überhitzer 5 die er- ' wünschte Einlaßtemperatur für den adiabatischen Reaktor

3 zu geben. Der adiabatische Reaktor wird somit von der Abwärme isoliert. Hat der adiabatische Reaktor 3 seine Betriebstemperatur erreicht, wird das Erwärmen des Überhitzers 5 mittels Wärme aus dem Abgas abgesetzt. Der Verdampfer 2 ist wahlweise. Somit kann flüssiges Methanol direkt in den Überhitzer 5 vom Methanol- oder Alkoholaufbewahrungstank 1 eingespeist werden. Alternativ hierzu kann das Motorabgas von der Auslaßleitung 40 des Überhitzers 5 in die Einspeisungsleitung 29 des Verdampfers

eingeleitet werden. In diesem Fall würde das Motorkühl-30

mittel nicht in die Einspeisungsleitung 29 des Verdampfers 2 eingespeist werden.

Die durch Leitung 15 eingespeiste Luft kann durch den

Vorerwärmer 41 vorgeheizt werden. Der Vorerwärmer 41 kann. 35

mit Abgas aus Leitung 37 oder 74 gespeist werden um die Vorerhitzungswärme für die durch Leitung 15 in Leitung

Λ1

eingespeiste Luft vorzusehen. Vorteilhafterweise erniedrigt die vorerwärmte Luft nicht die Temperatur des flüssigen Alkohols und/oder Alkoholdampfs, der über Leitung 20 dem Überhitzer 5 eingespeist wird.

Der Reaktor 3 ist vorzugsweise mit einer Isolierung über der Wärmeaustauschwand 17 versehen, um die Temperatur darin aufrechtzuerhalten und die Wärmeübertragung hiervon zu minimalisieren.

Während dem Leerlauf ist das Luft/Alkohol-Einspeisungsverhältnis nahe dem adiabatischen Verhältnis (etwa 0,15), da die endotherme Umwandlung im endotheraen Reaktor 70 aufgrund der niedrigen Abgastemperatur vernachlässigbar ist. Während dem Lauf mit hoher Geschwindigkeit ist die Alkoholeinspeisungsrate wesentlicher erhöht, während die Lufteinspeisungsrate in einem geringeren Verhältnis erhöht wird. Somit wird das Luft/Alkohol-Sinspeisungsverhältnis im wesentlichen kleiner als 0,16. Beim Leerlauf verwandelt der adiabatische Reaktor den überwiegenden Teil der Methanoleinspeisung in Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Beim Lauf mit hoher Geschwindigkeit mit dem niedrigen Luft/Alkohol-Verhältnis fällt jedoch der Umwandlungsprozentsatz in dem adiabatischen Reaktor auf einen niedrigen Wert. Die Verwendung des endothermen Dissoziationskatalysators in Reaktor 70 stromabwärts zum adiabatischen Katalysator im Reaktor 3 erhöht wesentlich den Dissoziationsprozentsatz unter Verwendung von Abwärme aus dem Abgas während dem Lauf mit hoher Geschindigkeit.

Figuren 1 und 2 zeigen den Aufbau des Reaktors 3· Der Reaktor hat zwei unterteilte Abschnitte, der innere

Abschnitt, der das Katalysatorbett festhält, und die umgebende, leere Kammer. Die Reaktionskamraerwand 10,. welche das Katalysatorbett 11 und die Wäraeaustauschkammer 12 trennt, besitzt Innenrippen 9 und Außenrippen 13· Während dem Kaltstarten strömt das heiße Motorabgas durch.die Wärmeaustauschkammer, um die zur Vorerhitzung des Betts auf eine erwünschte Temperatur notwendige Wärme vorzusehen. Die Rippen auf der Reaktionskammerwand unterstützen die Wärmeübertragung und verringern somit die Vorerhitzungszeit. Während dem normalen Dissoziationsbetrieb ist die Wärmeaustauschkammer vom Abgasstrom isoliert und wirkt somit als Isolierung. Die Einspeisung zum Reaktor 3 ist eine Mischung aus überhitztem Methanol und Luft. Für die thermisch neutrale Umwandlung von Methanol werden das Luft/Kethanol-Verhältnis in der Einspeisung und die Reaktoreinlaßtemperatur kontrolliert bzw. reguliert.

Die Rippen innerhalb und außerhalb der Reaktionskammerwand sind parallel zu den Strömungsrichtungen der Reaktanten in dem Bett bzw. dem Abgas in der Wärmeaustauschkammer angeordnet, um die Druckabfälle in beiden Strömungen zu minimalisieren.

Die Innenrippen auf der Reaktionskammerwand besitzen

wichtige Funktionen zur Erhaltung der Katalysatoraktivität und physikalischen Integrität. Während dem adiabatischen Betrieb tragen die Rippen dazu bei, eine gleichmäßige Temperaturverteilung in dem Bett aufrechtzuerhalten , indem sie die Wärmeübertragung in Längsrichtung erleichtern. Die Wärmeübertragungswirkung wirkt sich günstig auf die Erhaltung der Katalysatoraktivität aus,

indem die Spitzentemperatur, die durch, die Umsetzung zwischen Methanol und Sauerstoff in der Frontteilverbrennungszone des Katalysatorbetts erzeugt wird, erniedrigt wird da eine höhere Temperatur den Katalysator- durch Sinterung mehr desaktiviert. Weiterhin können die Innenrippen vor- IQ teilhaft sein für die Integrität der Katalysatorpellets, indem sie die Pelletbewegung, welche durch plötzliche Änderungen der Fahrzeuggeschwindigkeit oder Fahrzeugvibrationen aufgrund unebener Straßenbedingungen resultiert, einschränken.

Wie in Figur 2 gezeigt, können Federn 14· und 14-' oder einige andere mechanische Mittel zur Bewegungsdämpfung in der Wärmeaustauschkammer installiert werden, um sämtliche plötzlichen Bewegungen des Fahrzeugs zu absorbieren, ohne die physikalische Integrität des Katalysators nachteilig zu beeinflussen.

Da während dem Kaltstarten eine rasche Vorerwärmung des Katalysatorbetts durch den Wärmeaustauscher erwünscht ist, wird für die Reaktionskammerwand eine Form bevorzugt, die eine größere Wärmeübertragungsfläche bei gleichem Katalysatorvolumen ergibt. Aus diesem Grund besitzt die Reaktionskammerwand ebenso viele Innenrippen 9 und Außenrippen 13· Figuren 1 und 2 zeigen eine Konfiguration des Reaktors. Figur 1 zeigt, daß die Reaktionskammerwand in dem Reaktor ein großes Breite-zu-Tiefe-Verhältnis aufweist, um eine große Außenoberfläche bei gleichem Yolumen zu besitzen.

Figur 3 zeigt ein schematisches Strömungsdiagramm des erfindungsgemäßen Automobilkraftstoffsystems. Hauptbestand-

teile des Kraftstoffsystems sind ein Verdampfer 2, ein Überhitzer 5, ein Filter 6 und eine Umgehungsleitung 7» zusätzlich zum adiabatischen und endothermen Reaktor.

Im Verdampfer 2 liefert das Motorkühlmittel, normalerweise bei 95 bis 104⁰C (200 bis 22O⁰F), die Wärme für die Methanolverdampfung. Im Überhitzer wird die Methanoltemperatur durch Wärmeaustausch mit dem Abgas auf die erwünschte Reaktoreinlaßtemperatur erhöht. Der Verdampfer 2 ist wahlweise, da der Überhitzer zur Methanoiverdampfung und zum Überhitzen durch direktes Einspeisen von flüssigem Methanol verwendet werden kann. Luft wird über Leitung 15 zum Alkoholeinspeisungsstrom eingeführt, normalerweise vor dem Überhitzer, um genügend Zeit für das Vermischen von Luft und Alkohol vor dem Reaktor zu lassen. Das Filter 6 sammelt Feinanteile vom Katalysatorbett.

Die Umgehungsleitung 7 liefert flüssigen Alkohol direkt zum Motor, wie während dem Kaltstarten oder Hochbelastungslauf (Beschleunigung oder Hochgeschwindigkeitslauf) erforderlich. Während dem Kaltstarten muß der Motor 4 mit flüssigem oder verdampftem Alkohol laufen, bis der Dissoziationsreaktor seine Anlaufphase abgeschlossen hat. Während dem Hochbelastungslauf wird die Kraftstoffanforderung im Überschuss zum Durchsatzmaximum des Reaktors durch flüssigen Alkohol aus Tank 1 vorgesehen und über die Umgehungsleitung 7 zugeführt.

Die direkte Einspeisung von flüssigem Alkohol in Überschuß zum Durchsatzmaximum des Reaktors kann vorteilhaft sein für die Gesamtleistung des Fahrzeuges, ohne in bedeutenderweise den Gewinn der Dissoziation zu verringern. Der dem Motor eingespeiste flüssige Alkohol erhöhü die

AQ,

Motorleistung durch Steigerung der Energiedichte des kombinierten Kraftstoffs, wenn die Leistung unter Hochbelastungsbedingungen gebraucht wird. Weiterhin kann er die NO -Emissionen durch Reduzieren der Verbrennungsteinperatur in dem Motor herabsetzen.
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Die bevorzugte Betriebsweise für den Motor mit dissoziiertem Methanol liegt darin, eine maximale Wirksamkeit unter Laufbedingungen bei geringer Belastung und eine maximale Leistung unter Laufbedingungen bei vorübergehender hoher Belastung zu erwirken. Der Betrieb mit geringer Belastung, wie er beim Leerlauf und beim Lauf mit konstanter Geschwindigkeit vorliegt, erfordert keine hohe Leistungsabgabe vom Motor. Für die geringe Leistungsabgabe kann der Motor bei einem maximalen Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder einem minimalen Iquivalenzverhältnis betrieben werden, um einen maximalen Wirkungsgrad zu ergeben. Mit dissoziiertem Methanol kann das Äquivalenzverhältnis auf einen geringen Wert, wie etwa 0,3 , reduziert werden, ohne einen ruhigen Motorbetrieb aufgrund des hohen Wasserstoffgehaltes zu verhindern. Für eine maximale Leistungsabgabe kann Methanol in Überschuß zum Heaktordurchsatz überbrückt und direkt in den Motor eingespeist werden. Der Luftstrom ist ungedrosselt. Das Ergebnis ist eine Erhöhung der Kraftstoffdichte bis zu einem Äquiva-

lenzverhältnis von 1,0 , das eine maximale Leistungsabgabe ergibt.

Der Betrieb kann durchgeführt werden mit einem vom Fahrer kontrollierten Beschleuniger, der ein Signal zu einem Mikroprozessor sendet, der wiederum die Motorleistung, wie erforderlich, überwacht und einstellt.

Es werden Einstellungen wie etwa Zündzeitpunkt, Luft-Kraftstoff verhältnis und dgl. vorgenommen. Der Mikroprozessor hält das erforderliche Luft-Kraftstoffverhältnis während der Anforderung "bei gering belastetem Lauf durch Drosseln des Luftstroms durch Ventil 79 aufrecht.

Während vorübergehenden Anforderungen hoher Belastung, wo eine Beschleunigung zur Fahrgeschwindigkeit und zum Bergfahren erforderlich ist, wird zusätzlicher Kraftstoff als flüssiges Methanol durch Öffnen des Umgehungsventils 24 eingespritzt. Auf diese V/eise variiert das Luft-Kraft-Stoffverhältnis sowie die Kraftstoffdichte eingestellt wird, um die erforderliche Motorleistungsabgabe und somit eine gute Laufleistung zu ergeben.

Beispiel
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Kaltstarten

Da der Kaltstart des adiabatischen Reaktors zum Vorerhitzen des adiabatischen Katalysatorbetts heißes Motorabgas erfordert, muß der Motor 4 durch ein Verfahren, das von dem Methanolumwandlungssystem unabhängig ist, angelassen werden. Während diesem Zeitraum kann der Motor mit flüssigem Alkohol, das durch die Umgehungsleitung zugeführt wird, laufen.

^ου Hat die Temperatur des adiabatischen Katalysatorbetts in dem Reaktor einmal die Anfangsbetriebstemperatur erreicht, wird überhitzter Alkohol mit Lufteinspritsung durch Leitung 15 dem Reaktor eingespeist. Aufgrund der exothermen Wärme, die durch teilweise Verbrennung des Alkohols er-

^J5 zeugt wird, erhöht sich die Temperatur des adiabatischen Katalyßatorbetts weiter, bis die endotherme Alkoholdisnoziation v/irksam wird.

Für einen 20/10 Cu/Ni-Katalysator auf Siliciumoxid beträgt die Bettemperatur zur Einleitung der Teilverbrennungsreaktion für Methanol etwa 149°C (300⁰F) oder darüber. Eine niedrigere Temperatur ist annehmbar, wenn ein Katalysator größerer Aktivität verwendet wird. 10

Während dem Kaltstarten des adiabatischen Reaktors wird der endotherme Reaktor ebenso mit dem Abgas, das den adiabatischen Reaktor verläßt, vorerwärmt. Nach dem Vorerwärmen kann das von dem adiabatischen Reaktor erzeugte Gas dem endothermen Reaktor ohne "Verzögerung eingespeist werden. Die Temperatur des endothermen Katalysatorbetts steigt rasch an, un für die endotherme Dissoziation durch die aus dem Produktgas und dem Abgas erhältliche Eigenwärme wirksam zu sein.

Der Motor kann unabhängig davon mit einem gasförmigen Anlaufkraftstoff, wie etwa Propan, elektrisch verdampften Methanol oder fein zerstäubten Methanol, gestartet werden.
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Alkoholumwandlung

Ist die Kaltstartphase des adiabatischen und endothermen Reaktors einmal abgeschlossen, werden der adiabatische und endotherme Reaktor betrieben, wobei die Luftein-

führungsrate zu dem adiabatischen Reaktor reguliert wird, um eine maximale Abwärmegewinnung in dem endothermen Reaktor zu ergeben. Das Op/Methanol-Einspeisungsverhältnis beträgt normalerweise 0,16 , wenn Methanol vollständig in dem adiabatischen Reaktor umgewandelt wird. Das Verhältnis ist kleiner als der theoretische Wert von 0,174 , aufgrund der exothermen Bildung von Nebenprodukten, wie

Methan und Dimethylether In sehr geringen Mengen.

Während dem Leerlauf ist das Luft/Alkohol-Sinspeisungsverhältnis zu dem adiabatischen Reaktor nahe den adiabatischen Verhältnis ( etwa 0,16) , aufgrund unzureichender Abwärme, die aus dem Abgas für die endotherme Dissoziation in dem endothermen Reaktor erhältlich ist. Während dem Lauf mit hoher Geschwindigkeit ist die Alkoholeinspeisungsrate wesentlich erhöht, während die Lufteinspeisungsrate in einem geringeren Verhältnis erhöht wird, da die Abwärmerückgewinnung in dem endothermen Reaktor die Luftanforderung reduziert. Beim Leerlauf ist die Kethanolumwandlung in Wasserstoff und Kohlenmonoxid in dem adiabatischen Reaktor nahezu vollständig. Beim Lauf mit hoher Geschwindigkeit reduziert jedoch das niedrige Luft/Alkoholverhältnis diesen Dissoziationsprozentsatz in dem adiabatischen Reaktor auf einen niedrigen Wert. Der endotherme Reaktor 70 stromabwärts zum adiabatischen Reaktor 3 wandelt unter Verwendung von Abwärme aus dem Abgas, das verbleibende, nicht umgewandelte Methanol um.

Mit einem doppelten adiabatischen Katalysatorbett aus Cu/Ni-Katalysatoren treten die folgenden 3 Reaktionen

in dem adiabatischen Reaktor als Hautreaktionen auf: 30

(I)CH₃₅OH (g) + 1/2 0₉—>IL> + CO + H₉O ÄH_W = 36134 cal

cL y<-

(H)CH₅OH (g)—^2-H₂ + CO ^Δπ ₂α= ⁼ 21664 cal

(11I)H₂O (g) + GO->H₂ + CO₂ Δ H_?o. = -9838 cal

JJ'löbUl lO

Methanol wird zuerst über die Reaktionen (I) und (Ii) in der Cu/Ni-Katalysatorzone umgewandelt und das restliche Methanol wird über die Reaktionen ( XJ) und (III) in der folgenden Cu/Zn-Katalysatorzone umgewandelt. "Da Reaktion (I) auf einem Cu/Ni-Katalysator sehr schnell ist, wird Sauerstoff zur Vervollständigung in der Zone sehr rasch verbraucht* Das rasche Fortschreiten der Reaktion

(I) erzeugt eine Temperaturspitze in der Zone. Nach Erschöpfung des Sauerstoffs wird die endotherme Reaktion

(II) dominant und kühlt somit die Bettemperatur herab. Das den adiabatischen Reaktor verlassende Gas ist dem Gleichgewicht für die V/asser/Gas-Verschiebungsreaktion sehr nahe, aufgrund der ausgezeichneten Verschiebungsaktivität des Cu/Zn-Katalysators.

Leerseite

Claims

Paten t ansprüche

■Verfahren zur Kraftstoffbehandlung und -verteilung für einen Automobilverbrennungsmotor, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

(a) Betreiben eines adiabatischen Reaktors ohne eine wesentliche Menge an Abwärme innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches, wobei der Katalysatorbettreaktor einen Teilverbrennungskatalysator und einen Dissoziationskatalysator umfaßt;

(b) Zuführen einer wesentlichen Menge an Motorabwärme zu einem endothermen Reaktor mit einem darin befindlichen endothermen Dissoziationskatalysator;

P 18 023-603/wo 20. Mai 1933

5 (c) Verdampfen von flüssigem Alkohol zur Bildung von Alkoholdampf;

(d) Vermischen des Alkoholdampfs mit Luft, um eine Teilverbrennungsmischung zu "bilden;

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(e) In-Kontakt-Bringen der Teilverbrennungsmischung

und des Teilverbrennungskatalysators, wobei eine Dissoziationsmischung gebildet und Wärme entwickelt wird;

15

(f) In-Kontakt-Bringen der Dissoziationsmischung und des Dissoziationskatalysators zur Bildung

|ΐ eines wasserstoffreichen Kraftstoffs;

Jv: 20 (g) In-Kontakt-Bringen des wasserstoff reichen

_£ Kraftstoffs und des endothermen Dissoziations-

·■% katalysators zur Bildung eines Kraftstoffpro-

fdukts, wobei mindestens ein Teil jeglichen undissoziierten Alkohols in dem wasserstoff- ^ 25 reichen Kraftstoff in Wasserstoff und Kohlen-

UB monoxid gespalten wird unter Verwendung der

ν durch das Abgas vorgesehenen Motorabwärme.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ³⁰ zeichnet, daß der Teilverbrennungskatalysator aus Cu/Ni und der Dissoziationskatalysator und der endotherme Dissoziationskatalysator aus Cu/Zn bestehen.

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Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man weiterhin das Kraftstoffprodukt mit Luft zur Bildung einer Gesamtverbrennungsmischung vermischt und die Gesamtverbrennungsmischung in einem Verbrennungsmotor verbrennt.