DE3318501A1 - Alkoholspaltung und abwaermerueckgewinnungsverfahren fuer kraftfahrzeuge - Google Patents
Alkoholspaltung und abwaermerueckgewinnungsverfahren fuer kraftfahrzeugeInfo
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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;
JJ I ÖDU j
''/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.
25
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.
30
30
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
JJ I ÖÖU I
JT
10
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.
10
10
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
20
20
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.
25
25
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 ÄHW = 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 (2)
- 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 19335 (c) Verdampfen von flüssigem Alkohol zur Bildung von Alkoholdampf;(d) Vermischen des Alkoholdampfs mit Luft, um eine Teilverbrennungsmischung zu "bilden;10(e) In-Kontakt-Bringen der Teilverbrennungsmischungund 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 derν 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.35Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man weiterhin das Kraftstoffprodukt mit Luft zur Bildung einer Gesamtverbrennungsmischung vermischt und die Gesamtverbrennungsmischung in einem Verbrennungsmotor verbrennt.
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