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Beschreibung
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Dies ist eine Continuation-in-part-Anmeldung zu der US-Patentanmeldung
286 992, eingereicht am 27. Juli 1981.
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Die US-PS 4 088 450 beschreibt eine Vielzahl von Katalystatoren, die
in einer erwünschten Reihenfolge angeordnet sind, pawssierend auf dem Temperaturgradienten,
der in der Reaktionskammer vorherrscht. Die Betriebstemperatur des Katalysators
und die Temperatur des Teils der Reaktionskammer, in dem dieser vorliegt, werden
so aufeinander angepaßt, um einen katalytischen Abbau und/oder katalytische Inaktivierung
zu vermeiden.
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Die US-PS 4 091 086 beschreibt eine katalytische Zusammensetzung,
die insbesondere geeignet ist zur Herstellung von Wasserstoff aus Methanol, insbesondere
durch Dampfreformierung, die eine Mischung aus Zinkoxid, Kupferoxid, Thoriumoxid
und Aluminiumoxid umfaßt, wobei die Aktivität und Aktivitätsaufrechterhaltung der
katalytischen Zusammensetzung ausgezeichnet ist, bezüglich einer andersartigen Zusammensetzung,
die im wesentlichen die gleiche ist, jedoch kein Thoriumoxid enthält.
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Die US-PS 3 086 877 beschreibt ein Kraftstoffgas, das in einen Generator
für reformiertes Gas durch die katalytische Umsetzung von Kohlenwasserstoffen und
einem Sauerstoff enthaltenden Gas erhalten und, wenn einem Verbrennungsmotor zugeführt
wird, seinen Wärmegehalt neben dem des Motorabgases besitzt, das verwendet wird,
um Methanol endotherm in eine Gasmischung, enthaltend Kohlenmonoxid und Wasserstoff
umzuwandeln, wobei die so gebildete Gasmischung zu einem oder beiden der Generatoren
für reformiertesGas und zusammen mit dem Kraftstoffgas dem Verbrennungsmotor zugeführt
wird.
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Die US-PS 4 282 835 sieht die Herstellung von CO und H2 -Krat'tstoff
aus CO und Wasser in einem zweiten Synthesizer vor. Das Methanol wird in einen Kraftstofftank
als Flüssigkeit eingeschlossen. Das Wasser wird in einem Wassertank eingeschlossen.
Eine Kraftstoffpumpe und eine Wasserpumpe pumpen Kraftstoff und Wasser zu einem
Mischventil. Ein Wärmeaustauscher erwärmt den Kraftstoff und das Wasser zu einem
Gas, welches durch einen Ni/Al2O3-Katalysator bei 500 °C geführt wird, wobei das
CH3 OH in CO und H2 dissoziiert. Das Gas passiert einen zweiten Synthesizer, enthaltend
Fe/Al203 oberhalb 5000C, wobei H20 und CO,H2 und C02 bilden, und das Gas mit Luft
gemischt und einem Motor zugeleitet wird.
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Die US-PS 4 045 522 sieht einen Vormotor- Umwandler vor.
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Der Katalysator im ersen Reaktor kann aus Kupfer-Zink-Chromit bestehen,
siehe Spalte 2, Zeilen 28 bis 35. Ein zweiter Katalysator besteht aus einem Kohlenwasserstoff
crakkenden Katalysator, wie etwa Zeolit.
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Kikuchi et al in J. Japan Petrol. Inst., 23, (5), 328 -333 (1980)
beschreibt die exotherme teilweise Verbrennung während dem Anstarten eines mit Methanol
betriebenen Motors.
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In TabeLle I auf Seite 329 ist ein Kupfer/Zink-Katalysator sowie ein
Kupfer/Nickel-Katalysator zur Umwandlung von Methanol auf verschieden getragenen
Kupferkatalysatoren aufgeführt. Auf Seite 332 erläutert Kikuchi die Methanolumwandlung
zur Erzielung eines Zwischenprodukts vom Formaldehydtyp, das sich zu Wasserstoff
und Kohlenmonoxid zersetzt, wie in den ersten zwei darin aufgeführten Gleichungen
gezeigt ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftstoffbehandlung-und -verteilungsverfahren,
umfassend das Vorsehen eines Alkoholkraftstoff- Lagerungsmittels eines ersten, einen
Katalysator enthaltenden Reaktors, eines Verbrennungsmotors, zur r erste Reaktor
einen Dissoziationskatalysator enthält, das Durchleiten von Alkohol aus dem Lagerungsmittel
durch
den ersten Reaktor, um eine verbrennbare, gasförmjge Mischung, umfassend Wasserstoff,
vorzusehen, und das Zuführen des Wasserstoffs zu dem Motor.
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Ein Verfahren zum Starten und Betreiben eines Verbrennungsmotors umfaßt
die Reihenfolge folgender Stufen: a) Vorsehen von flüssigem Alkohol und Verdampfen
eines Teils des flüssigen Alkohols, um Alkoholdampf zu bilden, b) Dehydratisieren
des Alkoholdampfs, um eine Anstart-Kraftstoffmischung, umfassend Ather, zu bilden,
c) Vermischen der Anstart- Kraftstoffmischung mit Luft, um eine Anstart- Verbrennungsmischung
zu bilden, d) Zünden der Anstart- Verbrennungsmischung in dem Verbrennungsmotor,
um den Motor zu starten, e) Überführen von Alkoholdampf zu einem, einen Dissoziationskatalysator
aufweisenden Reaktor, f) Dissoziieren mindestens eines Teils des Alkoholdampfs>
um eine Betriebs- Kraftstoffmischung, umfassend Wasserstoff , zu bilden, g) Vermischen
der Betriebs- Kraftstoffmischung mit Luft, um eine Betriebs- Verbrennungsmischung
zu bilden, und, h) Zünden der Betriebs- Verbrennungsmischung in dem Motor, wobei
der Motor mit der Anstart- Verbrennungsmischung kalt gestartet wird und der Betrieb
des Motors mit der Betriebs- Verbrennungsmischung aufrechterhalten wird.
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Gegenstand der Erfindung ist ebenso eine Kraftstoffbehandlungs- und
-verteilungsvorrichtung zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor, gekennzeichnet
durch einen Alkoholkraftstoff- Lagerungstank, eine elektrische Stromquelle, einen
Verdampfer, einen einen Katalysator enthaltenden Reaktor, wobei der den Katalysator
enthaltende Reaktor ein elektrisches Widerstandsheizelement und einen Dehydratationskatalysator
umfaßt, einen Gaslagerungstank, und ein Umgehungsleitungsm ttel, wobei der Alkohollagerungstank
in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit dem Verdampfermittel steht, der Alkohollagerungstank
in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit dem Umgehungsleitungsmittel steht, der Verdampfer
in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit dem den Katalysator enthaltenden Reaktormittel
steht, das den Katalysator enthaltende Reaktormittel in Flüssigkeitsströmungsverbindung
mit dem Gaslagerungstank steht, und der Gaslagerungstank in Flüssigkeitsströmungsverbindung
mit dem Verbrennungsmotor steht, und das Umgehungsleitungsmittel in Flüssigkeitsströmungsverbindung
mit dem Verbrennungsmotor steht.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei diese
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffbehandlungs- und -verteilungsvorrichtung
und -verfahren, wie in der Zeichnung dargestellt.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes Kaltstartveraren
und -vorrichtung ror. Alkoholangetriebene Autos
bereiten Schwierigkeiten
bei niedrigen T:mperaturen, heispielsweise ist bei Umgebungstemperaturen unter 100C
(500 Fahrenheit) der Dampfdruck von Alkohol gering und verursacht Schwierigkeiten
beim Starten eine mit Alkohol betriebenen Motors. Das Verfahren und die Vorrichtung
der Erfindung sehen die Dehydratation von Methanol oder anderen Alkoholen unter
Bildung von Dimethyläther oder höheren Äthern vor. Dimethyläther ist beispielsweise
ein gasförmiger Kraftstoff, der bei Raumtemperaturen einen Siedepunkt von minus
230C besitzt. Das Auto kann mit der Mischung aus Äther und Alkohol kalt gestartet
werden. Nach dem das Auto gestartet ist, wird der Reaktor mittels Kontrollventilen
blockiert und sämtlicher Alkohol wird dem Motor entweder über einen Betriebs- Dissoziationsreaktor,
der größer und mit einem Katalysator zur Bildung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid
ausgerüstet ist, eingespeist oder alternativ hierzu das Methanol direkt dem Motor
zugeführt. Ein bevorzugter Dehydratationskatalysator für die Dehydratisierung von
Alkohol ist Aluminiumoxid (Al203) Wie in der Zeichnung gezeigt, ist mit 1 allgemein
ein Kraftstoffsystem dargestellt. Das Kraftstoffsystem 1 besitzt einen einen Katalysator
enthaltenden Reaktor 30 und eine Umgehungsleitung 2. Flüssiger Alkohol wird in Lagerungstank
3 für flüssigen Alkohol gelagert. Aus dem Lagerungstank 3 für flüssigen Alkohol
wird der flüssige Alkohol in der Flüssigalkoholleitung 4 mittels Pumpe 5 zur Verdampfereinspeisungsleitung
6 und Umgehungsleitung 2 überführt. Flüssiger Alkohol geht von der Verdampfereinspeisungsleitung
6 über Magnetventil 7 und in den Verdampfer 8. Der Verdampfer 8 wird mittels dem
Motorkühlmittel, das in den Verdampfer 8 über Verdampfer- Wärmeübertragungseinspeisungsleitung
9 eintritt, erwärmt. Von dem Verdampfer kehrt das Motorkühlmittel über Verdampfer-Wärmeübertragungsflüssigkeitauslaßleitung
10 zu dem Motor zurück. Der verdampfte Alkohol wird vom Verdampfer 8 durch Leitung
12 zum Flüssigkeitsabscheider 11 und durch Leitung 13 vom Flüssigkeitsabscheider
11 zu dem den Katalysator ent-
haltenden Reaktor 30 überführt.
Der den Katalysator enthaltende Reaktor 30 arbeitet bei etwa 3150C (600°F). Der
verd;lmpSte Alkohol wird in dem den Katalysator enthaltenden Reaktor 30 in Wasserstoff
und Kohlenmonoxid dissoziert.
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r.'n bevorzugter Katalysator für die Dissoziation in dem Katalysatorbett
des den Katalysator enthaltenden Reaktors ist ein Kupfer/Zink-Katalysator mit oder
ohne Förderer, wie etwa Chrom. Jedoch kann der Dissoziator mit einem Zweifachkatalysatorbett
versehen sein, wobei ein Katalysator ein Niedrigtemperatur- Dissoziationskatalysator
und der andere Katalysator ein Hochtemperatur- Dissoziationskatalysator ist. Geeignet
als Niedrigtemperaturkatalysator ist ein Kupfer/Zink-Katalysa'or, mit oder ohne
promoters.
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Geeignet als ein Hochtemperaturkatalysator ist ein Zink/ Chromkatalysator.
Der Vorteil, ein Zweifachkatalysatorbett zu verwenden, ist der, daß der Niedrigtempc:raturkatabjsator
vor Desaktivierung durch thermisches Sintern geschützt ist, da die Dissoziationsreaktion
in der Hochtemperatur-Katalysatorzone die Betriebstemperatur des Niedrigtemperatur-Katalysatorbetts
herabsetzt. Der verdampfte Alkohol berührt somit zuerst den Hochtemperaturkatalysator
und dann den Niedrigtemperaturkatalysator, sowie er den den Katalysator enthaltenden
Reaktor 30 durchströmt.
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Das Dissoziationskatalysatorbett kann ein Niedrigtemperaturkatalysator
alleine, beispielsweise ein Kupfer/Zink-Katalysator, wie vorher erwähnt sein.
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Der den Katalysator enthaltende Reaktor 30 und der in der Zeichnung
gezeigte überhitzer 43 werden mittels Abgas aus dem Verbrennungsmotor 15 erwärmt.
Abgas aus dem Verbrennungsmotor 15 wird mittels Leitung 14, die ein Magnetventil
14' aufweist, zu dem den Katalysator enthaltenden Reaktor 30 überführt. Das Motorabgas
verläßt den den Katalysator enthaltenden Reaktor 30 über Leitung 16. Dieses gekühlte
Motorabgas kann dem Motor rückgeführt oder in die Atmosphäre abgegeben oder teilweise
rückgeführt und teilgleise in die Atmosphäre abgegeben werden. Der Überhitzer 43
nach
Leitung 13 und vor dem Reaktor 30 erwärmt den Kraftstoff, der auf etwa 930C (2200F)
in einem Verdampfer 8 erwärmt und auf etwa 3150C (6000F) im überhitzer 43 überhitzt
wird.
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Ein Abgasströmungsventil 18 ist mit einer Temperaturkontrolle verstehen,
um die Temperatur des den Katalysator enthaltenden Reaktors 30 zu regulieren. Motorabgas
aus dem Motor 15 kann um den den Katalysator enthaltenden Reaktor 30 herum umgeleitet
werden, durch das Abgasströmungsventil 18 und in die Abgasströmungsleitung 17. Durch
Regulieren der Abgasmenge, die zur Erwärmung des den Katalysator enthaltenden Reaktors
30 verwendet wird, kann die Temperatur des den Katalysator enthaltenden Reaktors
30 reguliert werden. Das Abgasströmungsventil 18 ist mit einem Temperatursensor
auf dem Raktor 30 verbunden.
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Dissoziierter Alkohol aus dem den Katalysator enthaltenden Reaktor
30 passiert durch Leitung 31 in den Lagerungstank 19. Der Lagerungstank 19 liefert
Gas zur Verwendung während dem Anstarten und für Stoßbedingungen, wie etwa bei der
Beschleunigung. Vom Lagerungstank 19 wandert Gas durch Leitung 32 zum Magnetventil
20. Vom Magnetventil 20 wandert Gas durch Leitung 33 zum Druckkontrollventil 21.
Vom Druckkontrollventil 21 wandert der dissoziierte Alkohol durch Leitung 34 zu
dem Kontrollmechanismus 22 für dissoziiertes Gas. Von dem Kontrollmechanismus 22
für dissoziierte Gas wandert das Gas durch Leitung 5 zur Kraftstoffeinspeisungsleitung
36 in den Motor 15. Der Kontrollmachanismus 22 für dissoziiertes Gas und der Kraftstoffströmungsmechanismus
23 können die eines Automobil-Kraftstoffeinspritzsystems oder eines Automobilvergasers
sein.
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Undissoziie-rter Alkohol aus Umgehungsleitung 2 gelangt ebenso in
die Kraftstoffeinspeisungsleitung 36. Umgehungsleitung 2 ist mit einem Kraftstoffströmungsmechanismus
23 versehen. Der Kraftstoffströmungsmechanismus 23 reguliert die Menge an undissozilertem
Alkohol, der in den Verbren-
nungmotor 15 über Kraftstoffeinspeisungsleitung
36 eingeführt werden soll.
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Der bevorzugte Alkohol zur Verwendung in dem Kraftstoffsystem ist
Methanol. Einer der Vorteile des Umgehungsleitungssystems ist der, daß mehr Kraftstoffmaterial
in den Verbrennungsmotor 15 während Zeiträumen einer Spitzenbelastung eingeleitet
werden kann, wie etwa in dem Fall, wo Kraftstoffmengen im Überschuß zu denen des
Normalbetriebs gebraucht werden, beispielsweise während dem Starten und Beschleunigen.
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Leitung 24 verbindet den Verdampfer 8 mit Ventil 25. Leitung 26 verbindet
Ventil 25 mit Leitung 2. Somit kann verdampftes Methanol in Leitung 2 eingespeist
werden, um eine gemischte Einspeisung aus verdampften Methanol und flüssigem Methanol
für den Motor 15 über Leitung 36 vorzusehen.
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Aufgrund der Kapazität der Beschleunigungsschleifenleitung muß der
Dissoziationsreaktor nur so groß sein, um normale Betriebsbedingungen zu bewerkstelligen.
Zeiträume mit Spitzenbelastung können mittels der Kapazität der Beschleunigungsschleifenschaltung
gemeistert werden.
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Der Reaktor 39 ist erforderlich, um nur einen geringen Teil der Alkoholeinspeisung,
wie zum Motorkaltstart erfordersich, umzuwandeln. Flüssiger Alkohol, zugeführt über
Leitung 2, wird mit gasförmigem Kraftstoff aus Reactor 39 für den Motorkaltstart
kombiniert. Vorzug.weise wird der flüssige Alkohol zerstäubt. Da nur ein geringer
Teil der Alkoholeinspeisung umgewandelt wird, kann der Reaktor physikalisch gesehen
kleiner sein und enthält weniger Katalysator als zur Umwandlung von sämtlichem Anstartkraftstoff
in Äther notwendig.
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Während dem Starten befinden sich die Ventile 7, 14' und 2u in geschlossener
Stellung, so daß der flüssige Kraft-
stoff aus Tank 3 über Leitung
37 durch Ventil 38 in de kombinierten Verdampfer-Katalysator-Reaktor 39, der Ileizelemente
(40) besitzt, eingespeist wird. Die Batterie 41 leitet über Leitung 42 und dem elelktrischen
Widerstandsheizelement 40 Strom Der Dehydratationskatalysator, wie etwa Al2O3, in
dem Reaktor 39 wandelt die AlkohoLeinspeisung in Ather um, welche dem Motor zum
Starten zugeführt werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Tank 3 Benzin
enthalten oder alternativ hierzu, kann der Tank 3 einen Alkoholkraftstoff und ein
zusätzlicher Tank einen alternativen Kraftstof'f, etwa Benzin, enthalten, wobei
dieser Zusatztank in Flüssigkeitsströmungsverbindung mit Leitung 2 steht, beispielsweise
durch Verbindung über Leitung 4. Beim Betrieb mit Benzin werden die Ventile 7, 14'
und 20 geschlossen und das Benzin über Leitung 2 durch den Kraftstoffströmungsmechanismus
23 dem Motor 15 eingespeist.
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Beim Starten unter Verwendung von beispielsweise Methanol als Alkoholkraftstoff
werden die Ventile 7, 14' und 20 geschlossen, so daß Methanol über Leitung 37 direkt
durch Reaktor 39 und dann in den Motor eingespeist wird. Beim Starten wird ebenso
flüssiger Alkohol dem Motor über Leitung 2 zugeführt. Wird der Motor abgestellt,
so werden die Ventile 7, 14',.20 und 38 geschlossen. Beim Schließen dieser Ventile
wird dissoziiertes Gas im Lagerungstank 19 abgeschieden. Der gelagerte Wasserstoff
wird wahlweise vom Tank 19 Uber das geöffnete Ventil 20 in den Motor 15 gezwungen,
um den im Reaktor 39 gebildeten Äther zu unterstützen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von mehr
als einem Kraftstofftank wird ein Wahlschalter48, der zur Wahl des zu verwendenden
Kraftstoffs dient, vorgesehen durch Kontrolle der Einspeisungsventile vom Lagrung-'stank
für jeden Kraftstoff. Bei dieser Ausführungsform der
Erfindung
befindet sich das Ventil 47 in Leitung 4 zwischen der Pumpe 5 und dem Lagerungstank
3. Zusätzlich ist der zusätzliche Lagerungstank 44 mit Leitung lL durch Leitung
45 verbunden. Das Ventil 46 befindet sich in Leitung 45 und vcrbindet den Zusatzlagerungstank
44 mit Leitung 4.
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Ds Ventil 47 befindet sich in Leitung 4 zwischen dem Lagerungstank
3 und der Leitung 45 und verbindet Leitung 4 mit dem Zusatzlagerungstank 44. Der
Auswahlschalter 48 kontrolliert die Ventile 46 und 47, um jeden verwendeten Kraftstoff
zu proportionieren oder um auszuwählen, welcher Kraftstoff alleine verwendet wird.
Der Zusatztank 44 enthält vorzugsweise Benzin.
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Ist ethanol der in Lagerungstank 3 befindliche Kraftstoff, dann tritt
die Umsetzung CH3OH#CO + 2H2 (I) im Reaktor 30 ein. Im Motor 15 werden COu.H2 aus
Leitung 36 mit °2' beispielsweise in einem Vergaser mit einer Luftansaugöffnung,
gemischt und gemäß der Gleichung CO + H2 + O2 H CO2 + H2O. (II) verbrannt.
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Ist Methanol der in dem Lagerungstank 3 befindliche Kraftstoff, tritt
die Umsetzung 2 CH3OH#(CH3) 20 + H20 (III) in dem Dehydratationsreaktor 39 ein.
Diese Umsetzung ist etwas exotherm, wobei die Änderung der Enthalpie bei 2980K
minus
2,35 kcal. pro Gramm-Mol an gasfömigen Methanol heträgt. Somit muß die Batteris
Strom zuführen, der nur zum Verdampfen der Methanoleinspeisung für den Reaktor 39
ausreicht.
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