DE3413508A1

DE3413508A1 - Verfahren zur dissoziation von alkoholtreibstoffen und wiedergewinnung von abwaerme fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3413508A1
Application number: DE19843413508
Authority: DE
Inventors: Gerald D. McMurray Pa. Rutledge; Heeyoung Yoon
Original assignee: Conoco Inc
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1983-09-15
Filing date: 1984-04-10
Publication date: 1985-04-04
Also published as: US4441461A; JPH048622B2; JPS6056158A

Description

-Jt- P 18 690

Kosaka et al. beschreiben in der US-PS 4 088 450 mehrere Katalysatoren, die in günstiger Anordnung basierend auf dem Temperaturgradienten der in der Reaktionskammer auftritt, angeordnet sind. Die Betriebstemperatur der Katalysatoren und die Temperatur des Teiles der Reaktionskammer/ in der sie sich befinden, sind aneinander angepaßt, so daß eine Zersetzung des Katalysators und/odereine katalytische Inaktivierung vermieden werden.

Peterson et al. beschreiben in der US-PS 4 282 835 die Synthese von CO und !!,,-Brennstoff aus Methanol und Wasser in einer zweiten Synthesevorrichtung (Synthesizer). Methanol wird in einem Alkoholtank als Flüssigkeit gelagert. Das Wasser wird in einem Wassertank gelagert. Ein« Brennstoffpumpe und eine Wasserpumpe zwingen Brennstoff und Wasser zu einen·. Mischventil. Ein Wärmeaustauscher erwärmt den Brennstoff und das Wasser zu einem Gas, das durch einen Nickel-auf-Aluminiumoxid-Katalysator bei 500 ⁰C geleitet wird, wo das Methanol zu CO + H- dissoziiert. Das Gas gelangt zu einer zweiten Syntheseeinrichtung, die einen Fe-auf-Aluminiumoxid-Katalysator über 500 ⁰C enthält, wo Wasser und Kohlenmonoxid Wasserstoff und Kohlendioxid bilden. Anschließend wird das Gas mit Luft vermischt und gelangt zu dem Motor bzw. zu der Maschine.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Behandlung von Brennstoff bzw. Treibstoff und zur Verteilung für eine Innen-Brennkraftmaschine bzw. einen Verbrennungsmotor für Kraftfahrzeuge bereitgestellt, das folgende Stufen umfaßt: (^a) Verdampfen von flüssigem Alkohol unter Bildung von Alkoholdampf ;

(b) Bereitstellen einer wesentlichen Menge an Motor-Abwärme für einen endothermen Reaktor mit einem darin enthaltenen endothermen Dissoziationskatalysator;

(c) Kontakt des Dampfes und des endothermen Dissoziationskatalysators zur Bildung eines an Wasserstoff reichen Gas-Dampf-Gemisches;
(d) Vermischen des wasserstoffreichen Gas-Dampf-Gemisches

mit Luft unter Bildung eines Teil-Verbrennungsgemisches,

(e) Betrieb eines adiabatischen Reaktors ohne wesentliche Menge an Abwärme innerhalb eines Betriebs-Temperaturbereichs, wobei der adiabatische Reaktor ein Katalysatorbett aufweist, das einen Teil-Verbrennungskatalysator und einen Dissoziationskatalysator enthält;

(f) Kontakt des Teil-Verbrennungsgemisches und des Teil-Verbrennungskatalysators und des Dissoziationskatalysators unter Bildung eines Brennstoffgemisches.

Der hier verwendete Ausdruck TC bezieht sich auf die Temperatursteuerung; TS bedeutet einen Temperaturschalter; RC bedeutet die Steuerung des Verhältnisses und FI bedeutet einen Strömungsanzeiger.

Im folgenden werden die Figuren kurz erläutert.

Figur 1 stellt einen Querschnitt eines Reaktors zur Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren dar.

Figur 2 ist ein Längsschnitt des Reaktors der Figur 1.

Figur 3 ist ein schematisches Fließdiagramm eines Kraftfahrzeug-Brennstoff- bzw. -Treibstoffsystems gemäß der Erfindung der Stammanmeldung.

Figur 4 ist ein schematisches Fließdiagramm eines Kraftfahrzeug-Treibstoff- bzw. -Brennstoffsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Im folgenden wird die Erfindung genauer beschrieben.

Aus der Figur 1 ist ersichtlich, daß eine Reaktionskammer 10 sich innerhalb des adiabatischen Reaktors 3 gestützt gg durch Stützen bzw. Träger 16 und/oder Federn 14 und 14' befindet. Die Wandung 10 der Reaktorkammer umschließt das Katalysatorbettmaterial 11* Innere Rippen bzw. Leitbleche erstrecken sich von der Wandung 10 der Reaktionskammer an

die sie befestigt sind. Die inneren Rippen erstrecken sich von der Wandung der Reaktionskammer nach innen in die Reaktionskammer, die durch die Wandung der Reaktionskammer definiert wird. Äußere Rippen 13 sind mit der Wandung 10 der Reaktionskammer verbunden. Äußere Rippen 13 erstrecken sich nach außen von der Wandung 10 der Reaktionskammer in die Warmeaustauscherkammer 12. Die Wärmeaustauscherkammer 12 wird durch die Innenoberfläche der Wandung der Wärmeaustauscherkammer 17 und die äußere Oberfläche der Wandung der Reaktionskammer 10 gebildet.

Die Enden der Wandung 10 der Reaktionskammer sind vorzugsweise mit einem Sieb oder Drahtnetz (nicht dargestellt) bedeckt, um das Katalysatorbett 11 darin zu halten.

^ Wie in der Fig. 2 gezeigt, umfaßt die Wandung des Wärme- , austauschers 17 die Wandung 10 der Reaktionskammer. Die Träger-Feder-Einrichtungen 14 und 14' sind mit der Innenoberfläche der Wandung 17 des Wärmeaustauschers und der äußeren Oberfläche der Wandung 10 der Reaktionskammer verbunden .

Wie in der Fig. 3 gezeigt, ist der adiabatische Reaktor 3 durch die Leitung 19 mit einer Überhitzungseinrichtung 5 (super heater) verbunden. Die Überhitzungseinrichtung 5 nimmt den Alkohol in der Dampfphase aus dem Verdampfer 2 durch die Leitung 20 auf. Luft wird durch die Leitung 15 aus dem Kompressor 21 in die Leitung 20 gepumpt. Das Gemisch von Luft und Methanoldampf gelangt durch die Leitung 20 zu der Überhitzungseinrichtung 5. Alkohol aus dem Alkoholbehälter 1 wird durch die Leitung 22 durch die Pumpe 23 zu dem Verdampfer 2 gepumpt. Das Ventil 24 in der Leitung 22 ist vorgesehen, um die Strömung des flüssigen Alkohols zu dem Verdampfer 2 aus dem Alkoholtank 1 zu begrenzen. Das Gemisch von Luft und Alkoholdampf läuft durch die Leitung 19 in den adiabatischen Reaktor 3. Der adiabatische Reaktor 3 wird durch Abgas aus dem Motor 4 erwärmt. Das Abgas läuft durch die Leitung 25 zu dem

adiabatischen Reaktor 3. Die Leitung 25 weist ein Ventil 26 auf, um die Strömung des Abgases zu dem Reaktor 3 zu begrenzen. Abgas verläßt den Reaktor 3 durch die Leitung 27. Der Verdampfer 2 ist mit einer Leitung 29 versehen, durch die heißes Motorkühlmittel von dem Motor zum Verdampfer 2 geführt wird. Motorkühlmittel fließt von dem Verdampfer 2 durch die Leitung 30. Die Leitung 30 ist mit dem Motor 4 verbunden. Das Filter 6 ist mit dem endothermen Reaktor 70 durch die Leitung 71 verbunden. Der endotherme Reaktor 70 ist durch die Leitung 31 mit dem adiabatischen Reaktor 3 verbunden. Das Filter 6 entfernt Feststoffe aus dem es durchlaufenden wasserstoffreichen gasförmigen Gemisches. Das Filter 6 ist durch die Leitung mit dem Motor 4 verbunden. Das Ventil 36 in der Leitung 32 ist vorgesehen, um die Strömung des Wasserstoffs mit gasförmigem Brennstoff bzw. Treibstoff zu dem Motor zu begrenzen. Die Ventile 24 und 36 blockieren völlig das Dissoziationssystem einschließlich dem Verdampfer zu dem Filter, wenn das System nicht in Betrieb ist. Die Leitung 8 ist mit der Leitung 33 verbunden. Die Leitung 33 ist mit dem Motor 4 verbunden. Wasserstoffreiches Gas in der Leitung 32 wird mit Luft aus der Leitung 8 in der Leitung vermischt. Flüssiger Alkohol fließt durch die Leitung 7 zur Leitung 33. Das Ventil 34 in der Leitung 7 begrenzt die Strömung des hindurchströmenden flüssigen Alkohols.

Der flüssige Alkohol, der durch die Leitung 7 fließt, wird vor dem Bespeisen zum Motor 4 zerstäubt bzw. atomisiert.

Der zur Verwendung als Alkoholtreibstoff bevorzugte Alkohol in dem Alkoholtank 1 ist Methanol.

Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, erstrecken sich die Rippen bzw. Leitbleche 9 und 13 über die Länge der Wandung der Reaktionskammer. Sowohl die inneren Rippen 9 als auch die äußeren Rippen 13 dienen zur Verteilung der Wärme längs der Wandung der Reaktionskammer. Innere Rippen 9 dienen zur Verteilung von Wärme in dem Reaktorbett 11 von der Wandung 10 der Reaktionskammer. Die äußeren Rippen

dienen zur Wärmeübertragung von der Warmeaustauscherkammer 12 in die Wandung der Reaktionskammer 10.

Der Motor wird nach üblichen Methoden zum Start von Innen-Verbrennungsmaschinen gestartet, beispielsweise unter Verwendung eines alternativen Brennstoffs, wie flüssiges Methanol, das durch die Leitung 7 zugeführt wird, oder eines gasförmigen Brennstoffs, wie Propan. Nach dem Start des Motors erwärmt das heiße Abgas den adiabatischen Reaktor 3 durch Durchlauf durch die Wärmeaustauscherkammer 12. Die äußeren Rippen 13 führen die Wärme von diesen heißen Abgasen ab und überführen sie zur Wandung der Reaktionskammer 10. Die Rippen 9 übertragen die Wärme von der Wandung der Reaktionskammer 10 in das Reaktionsbett 11. Wenn die Anfangsbetriebstemperatur erreicht wird, werden das Gemisch von Luft und Methanoldampf zu dem Reaktor beschickt. Vorzugsweise enthält der Reaktor ein doppeltes Katalysatorbett bzw. Dual-Katalysatorbett. Der anfängliche Katalysator, der mit dem Gemisch aus Luft und Methanoldampf in Kontakt gebracht wird, ist ein Teiloxidationskatalysator, beispielsweise Kupfer/Nickel. Der anschließende Katalysator, der mit dem Gemisch aus Alkohol und teilweisem Verbrennungsprodukt in Kontakt kommt, ist ein Dissoziationskatalysator, wie ein Kupfer/Zink-Katalysator. Die teilwei- se Verbrennung erfolgt zwischen dem Methanol und der Luft in der Anfangsstufe des adiabatischen Reaktors 3. Diese Teilverbrennung erzeugt Wärme» Die in der Anfangsstufe des adiabatischen Reaktors 3 erzeugte Wärme wird zu der anschließenden Stufe durch die inneren Rippen 9 übertragen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird, wenn das Katalysatorbett einmal auf die Anfangstemperatur durch die Motor- bzw. Maschinenabgase vorerwärmt ist, das Ventil 26 geschlossen und das Ventil 35 wird durch einen Temperaturschalter geöffnet. Das Ventil 72 in der Leitung 73 wird zuerst geöffnet, um heißes Abgas 2um endothermen Reaktor 70 vor Schließen des Ventils 26 zu führen. Der

-Χ ι Temperaturschalter in der Leitung 31 öffnet auch das Ventil 24 in der Leitung 22, um die Strömung des flüssigen Methanols aus dem Tank 1 einzuleiten und das Ventil 36 in der Leitung 32 um die Strömung des wasserstoffreichen Brennstoffs zum Motor 4 zu beginnen. Die Reaktionstemperatur innerhalb des adiabatischen Reaktors 3 wird durch die Rate der teilweisen Verbrennung aufrechterhalten. Die Rate bzw. das Ausmaß der teilweisen Verbrennung wird durch die Luftmenge gesteuert, die durch die Leitung 15 durch das Steuerventil 35 eingespritzt wird. Das Ventil 35 spricht auf die Temperatur des Auslaßgases in der Leitung 71 an. Das Ventil 35 ist mit der Leitung 71 durch ein Temperatursteuersignal verbunden. Die Temperatursteuerung in der Leitung 71 ist dargestellt. Alternativ kann das Ventil 26 offengelassen werden oder kann eine öffnung mit dem Ventil 72 sein, die geöffnet ist, um zu ermöglichen, dab ein Teil des heißen Abgases durch den Reaktor 3 und den Reaktor 70 über die Leitung 27 und 73 strömen kann. Auf diese Weise kann der Wärraeverlust von dem Reaktor 3 auf ein Minimum herabgesetzt werden und eine gewisse Wärmewiedergewinnung von dem Abgas kann in dem Reaktor erfolgen.

Bei Kaltstarts läuft heißes Abgas von dem Motor in die Wärmeaustauscherkanvmer des Reaktors 3 durch die Leitung 25 und das Ventil 26. Das Abgas verläßt die Wärmeaustauscherkammer durch die Leitung 27. Während des Erwärmens des Reaktors bis zur Betriebstemperatur sind die Ventile 72 und 18 so geschlossen, daß Abgas aus der Leitung 37 in die Leitung 25 und in die Wärmeaustauscherkammer des adiabatischen Reaktors 3 gelangt. Wenn der Reaktor seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird das Ventil 26 geschlossen und die Ventile 18 und 72 werden so geöffnet, daß Abgas nicht länger von der Leitung 37 in den adiabatischen Reaktor 3 strömt, sondern statt dessen das Abgas von der Leitung 37 in die Leitung 39 und 73 kanalisiert wird. Das Abgas von dem endothermen Reaktor 70 gelangt durch die Leitung 74 in die Atmosphäre. Das Ventil 18 steuert die Strömung des Abgases zu der überhitzungseinrichtung

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um die Temperatur des Methanoldampfes aus dem Überhitzer ■> auf die gewünschte Einlaßtemperatur für den adiabatischen Reaktor 3 zu bringen. Somit wird der adiabatische Reaktor von der Abwärme isoliert. Nachdem der adiabatische Reaktor seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird der überhitzer 5 weiter durch Wärme aus dem Abgas erhitzt. Der Verdampfer 2 ist wahlfrei. So kann flüssiges Methanol direkt in die überhitzungseinrichtung 5 aus dem Methanol- oder Alkohollagertank 1 beschickt werden. Alternativ kann Motorabgas aus der Ausstoßleitung 40 der Überhitzungseinrichtung 5 in die Beschickungsleitung 29 für den Verdampfer 2 strömen. In diesem Falle würde kein Motorkühlmittel in die Beschickungsleitung 29 des Verdampfers 2 beschickt werden.

Die Luft, die durch die Leitung 15 beschickt wird, kann durch den Vorerwärmer 41 vorerwärmt werden. Der Vorerwärmer 41 kann mit Abgas aus der Leitung 37 oder 74 beschickt werden, wodurch die Vorerwärmungswärme für die Luft bereitgestellt wird, die durch die Leitung 15 in die Leitung 20 geschickt wird. Es ist günstig, wenn die vorerwärmte Luft keine Temperaturerniedrigung des flüssigen Alkohols und/ oder Alkoholdampfes ergibt, der durch die Leitung 20 zu dem Überhitzer 5 beschickt wird.

Der Reaktor 3 ist vorzugsweise mit einer Isolierung über die Wärmeaustauscherwandung 17 versehen, um die Temperatur darin aufrecht zu erhalten und eine Wärmeübertragung daraus minimal zu halten.

Wenn kein Betrieb erfolgt, liegt das Luft/Alkohol-Beschikkungsverhältnis nahe dem adiabatischen Verhältnis (etwa 0,16), da die endotherme Umwandlung in dem endothermen Reaktor 70 aufgrund der niedrigen Abgastemperatur vernachlässigbar ist. Während eines Fahrens mit hoher Geschwindigkeit wird die Beschickungsmenge des Alkohols wesentlich vergrößert, während die Beschickungsmenge der Luft in geringerem Ausmaß vergrößert wird. So wird das Luft/Alkohol-Beschickungsverhältnis wesentlich geringer als 0,16. Wenn

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kein Betrieb erfolgt, wandelt der adiabatische Reaktor den größten Teil des beschickten Methanols in Wasserstoff und Kohlenmonoxid um. Beim Fahren mit hoher Geschwindigkeit jedoch bei dem niedrigen Luft/Alkohol-Verhältnis fällt die Umwandlung in dem adiabatischen Reaktor auf ein niedriges Niveau ab. Die Verwendung des endothermen Dissoziationskatalysators in dem Reaktor 70 stromabwärts des adiabatischen Katalysators in dem Reaktor 3 verstärkt die prozentuale Dissoziation stark unter Anwendung der Abwärme aus dem Abgas während des Fahrens mit hoher Geschwindigkeit.

Die Figuren 1 und 2 zeigen die Schemata für den Reaktor 3. Der Reaktor ist in zwei Abschnitte unterteilt. Der innere Abschnitt hält das Katalysatorbett und die umgebende leere Kammer. Die Wandung 10 der Reaktionskammer, die das Katalysatorbett 11 und die Wärmeaustauscherkammer 12 trennt, weist innere Rippen 9 und äußere Rippen 13 auf. Während Kaltstarts strömt das heiße Motorabgas durch die Wärmeaustau scherkammer unter Bereitstellung der zur Vorerwärmung des Bettes auf eine gewünschte Temperatur erforderlichen Wärme. Die Rippen der Wandung der Reaktionskammer erhöhen den Wärmeaustausch und verringern so die Vorerwärmungszeit. Während des normalen Dissoziationsbetriebs ist die Wärmeaustauscherkammer von der Strömung des Abgases isoliert und wirkt so als Isolierung. Die Beschickung zu dem Reaktor 3 ist ein Gemisch aus übererhitztem Methanol und Luft. Zur thermisch neutralen Umwandlung von Methanol werden das Luft/Methanol-Verhältnis in dem Gemisch und die Reaktoreinlaß tempera tür gesteuert.

Die Rippen innen und außen an der Wandung der Reaktionskammer sind parallel zu den Strömungsrichtungen der Reaktionskomponenten in dem Bett bzw. des Abgases in der Wärmeaustauscherkammer angeordnet, um den Druckanfall in beiden Strömungen minimal zu halten.

Die inneren Rippen an der Wandung der Reaktionskammer weisen wichtige Funktionen zur Erhaltung der

Katalysatoraktivität und der physikalischen Integrität auf. Während des adiabatischen Betriebs unterstützen die Rippen eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in dem Bett durch Erleichterung der longitudinalen Wärmeübertragung. Dieser Wärmeübertragungseffekt ist günstig für die Erhaltung der Katalysatoraktivität durch Verringerung der Peak-Temperatur, die durch Reaktion zwischen Methanol und Sauerstoff in der vorderen Teilverbrennungszone des Katalysatorbettes erzeugt wird, da eine höhere Temperatur den Katalysator durch Sintern stärker entaktiviert. Außerdem können die inneren Rippen für die Integrität des Katalysatorpellets günstig sein, durch Beschränkung der Bewegung der Pelletbewegung, die sich aus plötzlichen Änderungen der Kraftfahrzeuggeschwindigkeit oder durch Vibrationen des Kraftfahrzeuges aufgrund ungünstiger Straßenverhältnisse ergibt.

Wie in der Figur 2 gezeigt, können die Federn 14 und 14' oder irgendwelche anderen mechanischen Einrichtungen zur Bewegungsdämpfung in der Wärmeaustauscherkammer installiert sein, um jegliche plötzlichen Bewegungen des Kraftfahrzeugs zu absorbieren, ohne sich nachteilig auf die physikalische Integrität des Katalysators auszuwirken.

Da eine rasche Vorerwärmung des Katalysatorbettes durch den Wärmeaustauscher während Kaltstarts erforderlich ist, ist eine Form für die Wandung der Reaktionskammer bevor-

zugt, die eine größere Wärmeaustauscherfläche bei gleichem Katalysatorvolumen ergibt. Aus diesem Grunde weist die Wandung der Reaktionskammer auch zahlreiche innere Rippen 9 und äußere Rippen 13 auf. Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Bauweise des Reaktors. Die Figur 1 zeigt, daß die Wandung der Reaktionskammer in dem Reaktor ein großes Verhältnis von Breite zu Tiefe aufweist, um bei gleichem Volumen eine große Umfangsoberfläche zu ergeben.

Die Figur 3 stellt ein schematisches Fließschema eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbrennstoff- bzw. -treibstoffsystems dar. Die Hauptkomponenten des Treibstoffsystems

sind ein Verdampfer 2, eine Überhitzungseinrichtung

(Supererwärmer) 5, ein Filter 6 und eine Umgehungsleitung 7 zusätzlich zu den adiabatischen und endothermen Reaktoren.
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In dem Verdampfer 2 ergibt das Motorkühlmittel normalerweise bei 93,3 bis 104,4 ⁰C (200 bis 220 ⁰F) die Wärme zum Verdampfen des Methanols. In der _oÜberhitzungseinrichtung wird die Methanoltemperatur auf die gewünschte Reaktoreinlaßtemperatur durch Wärmeaustausch mit dem Abgas angehoben. Der Verdampfer 2 ist wahlfrei, da die überhitzungseinrichtung zur Verdampfung des Methanols und zur Überhitzung verwendet werden kann durch direktes Bespeisen mit flüssigem Methanol. Luft wird durch die Leitung 15 .in <J«m Alkoholbeschickungsstrom eingeführt bzw. eingespritzt, vor der überhitzungseinrichtung , um genügend Zeit zum Vermischen der Luft und des Alkohols vor dem Reaktor zu ermöglichen. Das Filter 6 sammelt Feinstoffe aus dem Katalysatorbett.

Die Umgehungsleitung 7 führt flüssigen Alkohol direkt zu dem Motor, wie während des Kaltstarts oder bei Fahren unter starker Belastung (Beschleunigung oder Fahren mit hoher Geschwindigkeit) erforderlich. Während eines KaItstarts muß der Motor 4 mit flüssigem oder verdampftem Alkohol laufen, bis der Dissoziationsreaktor seine Startphase beendet hat. Während des Fahrens unter hoher Belastung wird der Treibstoffbedarf, der über den maximalen Durchsatz des Reaktors hinausgeht, durch flüssigen Alkohol aus dem Tank 1 bereitgestellt und durch die Umgehungsleitung 7 zugeführt.

Die direkte Beschickung von flüssigem Alkohol im Überschuß über den maximalen Durchsatz des Reaktors hinaus kann güngg stig für die Gesamtleistungsfähigkeit des Kraftfahrzeugs sein, ohne daß die Vorteile der Dissoziation wesentlich verringert werden.

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Der flüssige Alkohol, der zu dem Motor geschickt wird, verstärkt die Motorkraft durch Erhöhung der Energiedichte des kombinierten Treibstoffs, wenn Energie unter Bedingungen einer hohen Belastung erforderlich ist. Darüber hinaus kann er die NO -Emmissionen verringern durch Verringerung der Verbrennungstemperatur in dem Motor.

Die bevorzugte Betriebsweise für den Motor mit dissoziiertem Methanol ist der Betrieb für maximale Leistungsfähigkeit bei Fahrbedingungen mit geringer Belastung und für eine maximale Leistungsfähigkeit unter Übergangsfahrbedingungen unter hoher Belastung. Ein Betrieb unter hoher Belastung der aus Leerlauf und Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit besteht, fordert von dem Motor keine hohe Energieabgabe. Für die Abgabe geringer Energie kann der Motor bei einem maximalen Luft/Treibstoff-Verhältnis oder bei einem minimalen Äquivalenzverhältnis betrieben werden, wobei sich eine maximale Leistungsfähigkeit ergibt. Mit dissoziiertem Methanol kann das Äquivalenzverhältnis so gering wie 0,3 gehalten werden, ohne einen glatten Betrieb des Motors zu behindern, da es einen hohen Wasserstoffgehalt aufweist. Für eine maximale Leistungsabgabe kann Methanol im Überschuß zu dem Reaktordurchsatz durch Umgehungsleitung zugeführt und direkt zum Motor gespeist werden. Die Luftströmung ist nicht gedrosselt» Hieraus erfolgt eine Zunahme der Treibstoffdichte bis zu einem Äquivalenzverhältnis von 1,0, wodurch sich eine maximale Leistungsabgabe ergibt.

Der Betrieb kann durch einen vom Fahrer gesteuerten Beschleuniger bzw. Gashebel bewirkt werden, der ein Signal zu einem Mikroprozessor bzw. Mikrorechner sendet, der seinerseits die Motorleistung je nach Bedürfnis überwacht und einstellt. Einstellungen wie die Vorzündung, das Luft/ Treibstoff-Verhältnis usw. erfolgen. Der Mikroprozessor hält das erforderliche Luft/Treibstoff-Verhältnis während des Betriebs unter geringer Belastung aufrecht, durch Drosseln des Luftstroms durch das Ventil 79. Während

Übergangsbedürfnissen unter hoher Belastung, bei Beschleunigung um die Geschwindigkeit zu erhöhen und beim Fahren bergaufwärts wird zusätzlicher Treibstoff wie flüssiges Methanol durch öffnung des Umgehungsleitungsventils 34 eingespritzt bzw. zugeführt. Auf diese Weise variiert das Luft/Treibstoffverhältnis, wenn die Treibstoffdichte eingestellt wird, um die erforderliche Motorleistung und somit eine gute Fahrleistungsfähigkeit zu ergeben.

Eine alternative Ausführungsform wird in der Figur 4 dargestellt. Der adiabatische Reaktor 3 ist mit der Leitung 19 zu einer Überhitzungseinrichtung 5 mit einem endothermen Reaktorteil 170 verbunden. Die Überhitzungseinrichtung 5 empfängt den Alkohol in der Dampfphase aus dem Verdampfer 2 durch die Leitung 20. Der Dampf der überhitzungseinrichtung wird anschließend in ein wasserstoffreiches Gas in dem Reaktor 170 dissoziiert. Das Ventil 78 in der Leitung 77 wird durch TC gesteuert, um eine Überhitzung des Katalysators in dem endothermen Reaktor 170 bei Fahrbedingungen unter hoher Belastung, wenn eine maximale Abgasströmung und Temperatur vorliegen, zu vermeiden. Luft wird durch die Leitung 15 von dem Kompressor 21 zur Leitung 19 gepumpt. Das Gemisch von Luft, Wasserstoff und Methanoldampf fließt durch die Leitung 19. Alkohol wird aus dem Alkoholtank 1 durch die Leitung 22 durch die Pumpe 23 zu dem Verdampfer 2 gepumpt. Das Ventil 24 in der Leitung 22 ist vorgesehen, um die Strömung des flüssigen Alkohols zu dem Verdampfer 2 aus dem Alkoholtank 1 zu begrenzen. Das Gemisch von Luft, Wasserstoff und Alkoholdampf strömt durch die Leitung 19 in den adiabatischen Reaktor 3. Der adiabatische Reaktor 3 wird durch Abgas aus dem Motor 4 erhitzt. Das Abgas strömt durch die Leitung 25 zu dem adiabatischen Reaktor 3. Die Leitung 25 weist ein Ventil 26 auf, um die Strömung des Abgases zum Reaktor 3 zu begrenzen. Abgas verläßt"den Reaktor 3 durch die Leitung 27. Der Verdampfer 2 ist mit einer Leitung 29 versehen, durch die heißes Motorkühlmittel von dem Motor zum

Verdampfer 2 fließt. Motorkühlmittel strömt von dem Verdampfer 2 durch die Leitung 30. Die Leitung 30 ist mit dem Motor 4 verbunden. Das Filter 6 ist mit dem adiabatischen Reaktor 3 durch die Leitung 71 verbunden. Der endotherme Reaktor 170 ist mit dem adiabatischen Reaktor 3 durch die Leitung 19 verbunden. Das Filter 6 entfernt Feststoffe aus dem wasserstoffreichen Gasgemisch, das es durchfließt. Das Filter 6 ist durch die Leitung 32 mit dem Motor 4 verbunden. Das Ventil 36 in der Leitung 32 ist vorgesehen, um die Strömung des Wasserstoffes mit gasförmigem Treibstoff zu dem Motor zu begrenzen. Die Ventile 24 und 36 blockieren vollständig das Dissoziationssystem einschließlich dem Verdampfer zu dem Filter, wenn sich das System nicht in Betrieb befindet. Die Leitung 8 ist mit der Leitung 33 verbunden. Die Leitung 33 ist mit dem Motor 4 verbunden. Wasserstoffreiches Gas in der Leitung 32 wird mit Luft aus der Leitung 8 in der Leitung 33 vermiccht. Flüssiger Alkohol fließt durch die Leitung 7 zur Leitung 23. Das Ventil 34 in der Leitung 7 begrenzt den Durchfluß des flüssigen Alkohols. Der flüssige Alkohol, der durch die Leitung 7 strömt, wird vor dem Beschicken zum Motor 4 zerstäubt bzw. atomisiert.

Der bevorzugte Alkohol zur Verwendung als Alkoholtreibstoff in dem Alkoholtank 1 ist Methanol.

Bei einer bevorzugten in der Figur 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird, wenn das Katalysatorbett in dem Reaktor 3 einmal auf die Anfangsreaktortemperatür durch das Motorabgas vorerwärmt ist, das Ventil 26 geschlossen und das Ventil 35 wird durch einen Temperaturschalter SW geöffnet. Der Temperaturschalter TS in der Leitung 71 öffnet auch das Ventil 24 in der Leitung 22, um den Fluß des flüssigen Methanols von dem Tank 1 einzuleiten und das Ventil 36 in der Leitung 32 um mit der Strömung des wasserstoffreichen Treibstoffs zum Motor 4 zu beginnen. Die Reaktionstemperatur innerhalb des adiabatischen Reaktors wird durch das Ausmaß der Teilverbrennung

-μι aufrechterhalten. Das Ausmaß der Teilverbrennung wird durch die Luftmenge gesteuert, die durch die Leitung 15 durch das Kontrollventil 35 eingespritzt wird. Das Ventil 35 reagiert auf die Auslaßgastemperatur in der Leitung 71. Das Ventil 35 ist mit der Leitung 71 durch das Temperatursteuersignal TC verbunden. Die Temperatursteuerung TC in der Leitung 71 ist dargestellt.

Bei Kaltstarts strömt heißes Abgas aus dem Motor in die Wärmeaustauscherkammer des Reaktors 3 durch die Leitung 25 und das Ventil 26. Das Abgas verläßt die Wärmeaustauscherkammer durch die Leitung 27. Beim Aufheizen des Reaktors auf die Betriebstemperatur sind die Ventile 18 und so geschlossen, daß das Abgas aus der Leitung 37 in die Leitung 25 und in die Wärmeaustauscherkammer des adiabatischen Reaktors 3 strömt. Wenn der Reaktor seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird das Ventil 26 geschlossen und die Ventile 18 und 72 werden so geöffnet, daß das Abgas nicht länger aus der Leitung 37 in den adiabatischen Reaktor 3 strömt, sondern vielmehr das Abgas aus der Leitung 37 in die Leitungen 39 und 73 kanalisiert wird. Das Abgas aus dem endothermen Reaktor 170 strömt durch die Leitung 40 in die Atmosphäre. Das Ventil 18 steuert die Strömung des Abgases zu der Überhitzungseinrichtung, um die Temperatur des Methanoldampfes aus dem Überhitzer für bei der gewünschten Einlaßtemperatur für den adiabatischen Reaktor 3 zu ergeben. Auf diese Weise wird der adiabatische Reaktor von der Abgaswärme isoliert. Nachdem der adiabatische Reaktor 3 seine Betriebstemperatur er-

QQ reicht hat, wird der Überhitzer 5 durch die Wärme aus dem Abgas weiter erwärmt. Der Verdampfer 2 ist wahlfrei. Auf diese Weise kann flüssiges Methanol direkt in den Überhitzer 5 aus dem Methanol- oder Alkohollagertank 1 beschickt werden. Alternativ kann Motorabgas aus der Ausstoßleitimg 40 des Überhitzers 5 in die Beschickungsleitung 29 für den Verdampfer 2 fließen. In diesem Falle würde kein Motorkühlmittel in die Beschickungsleitung 29 des Verdampfers 2 beschickt werden.

Die durch die Leitung 115 beschickte Luft kann durch den Vorerwärmer 41 vorerwärmt werden. Der Vorerwärmer 41 kann mit Abgas aus der Leitung 37 oder 4 0 beschickt werden, um die Vorerwärmungswärme für die Luft zu ergeben, die durch die Leitung 115 in die Leitung 19 beschickt wird. Es ist günstig, wenn die vorgewärmte Luft die Temperatur des Alkoholdampfes nicht verringert, der durch die Leitung 19 in den adiabatischen Reaktor 3 geschickt wird.

^Der Reaktor 3 ist vorzugsweise mit einer Isolation über der Wandung 17 des Wärmeaustauschers versehen, so daß die Temperatur darin aufrechterhalten wird und die übertragung von Wärme daraus auf ein Minimum herabgesetzt wird.

!5 Während des Stillstands bzw. Leerlaufs liegt das Luft/ Alkohol-Beschickungsverhältnis nahe beim adiabatischen Verhältnis (etwa 0,16), da die endotherme Umwandlung in dem endothermen Reaktor 170 aufgrund der geringen Abgastemperatur vernachlässigbar ist. Während des Fahrens mit hoher Geschwindigkeit wird das Ausmaß der Alkoholbeschikkung wesentlich verstärkt, wohingegen das Ausmaß der Luftbeschickung in geringerem Ausmaß verstärkt wird. Auf diese Weise wird das Luft/Alkohol-Beschickungsverhältnis wesentlich geringer als 0,16. Im Leerlauf bzw. beim Stillstand wandelt der adiabatische Reaktor den größten Teil des Beschickungs-Methanols in Wasserstoff und Kohlenmonoxid um. Beim Fahren mit hoher Geschwindigkeit bei niedrigem Luft/Alkohol-Verhältnis jedoch sinkt die prozentuale Umwandlung in dem adiabatischen Reaktor auf ein niedriges

QQ Niveau ab. Die Verwendung des endothermen Dissoziationskatalysators in dem Reaktor 170 stromaufwärts von dem adiabatischen Katalysator im Reaktor 3 erhöht wesentlich den Prozentsatz der Dissoziation unter Anwendung der Abwärme aus dem Abgas während des Fahrens mit hoher Geschwindigkeit.

Beispiel 1
Kaltstarts

Da der kalte Start in dem adiabatischen Reaktor heißes Motorabgas zur Vorerwärmung des adiabatischen Katalysatorbettes benötigt, muß der Motor 4 nach einer Methode angeworfen werden, die von dem Methanolumwandlungssystem unabhängig ist. Während dieser Periode kann der Motor mit flüssigem Alkohol laufen, der durch die Umgebungsleitung zugeführt wird.

Wenn die Temperatur des adiabatischen Katalysatorbettes in dem Reaktor einmal auf die Anfangsbetriebstemperatur gestiegen ist, wird überhitzter Alkohol zu dem Reaktor unter Einspritzen von Luft durch die Leitung 15 beschickt. Aufgrund der durch Teilverbrennung des Alkohols erzeugten exothermen Wärme steigt die Temperatur des adiabatischen Katalysatorbettes weiter an, bis die endotherme AlkoholdissGziation wirksam wird.

Für einen 20/10 Cu-Ni-Katalysator auf Siliziumdioxid liegt die Bett-Temperatur zur Initiierung der Teilverbrennungsreaktion für Methanol bei etwa 148,8 ⁰C (300 ⁰F) oder darüber. Eine niedrigere Temperatur ist brauchbar, wenn mehr aktiver Katalysator verwendet wird.

Während des Kaltstarts des adiabatischen Reaktors wird auch der endotherme Reaktor mit dem Abgas, das den adiabatischen Reaktor verläßt, vorerwärmt. Nach dem Vorerwärmen kann das aus dem adiabatischen Reaktor erzeugte Gas zu dem endothermen Reaktor ohne Verzögerung geschickt werden. Die Temperatur des endothermen Katalysatorbettes steigt rasch zur Wirksamkeit für die endotherme Dissoziation durch die merkliche Wärme an, die von dem Produktgas und dem Abgas erhältlich ist.

Der Motor kann unabhängig mit einem gasförmigen Starttreibstoff wie Propan, elektrisch verdampfes Methanol

oder fein zerstäubtes Methanol, gestartet werden. Umwandlung des Alkohols

Wenn die Kaltstartphase der adiabatischen und endothermen Reaktoren beendet ist, werden die adiabatischen und endothermen Reaktoren betrieben, wobei die Lufteinspritzrate zum adiabatischen Reaktor so gesteuert wird, daß eine maximale Wiedergewinnung der Abwärme in dem endothermen Reaktor erfolgt. Das O^/Methanol-Beschickungsverhältnis beträgt normalerweise 0,16, wenn Methanol vollständig in dem adiabatischen Reaktor umgewandelt wird. Das Verhältnis ist geringer als die theoretische Zahl von 0,174, da die exotherme Bildung von Nebenprodukten wie Methan und Dimethylether in sehr geringen Mengen erfolgt.

Während des Stillstandes bzw. des Leerlaufes liegt das Luft/Alkohol-Beschickungsverhältnis zum adiabsHLschen Reaktor nahe dem adiabatischen Verhältnis (etwa 0,16), öa unzureichend Abwärme von dem Abgas für die endotherme Dissoziation in dem endothermen Reaktor verfügbar ist. Während des Fahrens mit hoher Geschwindigkeit wird das Ausmaß der Alkoholbeschickung wesentlich gesteigert, während das Ausmaß der Luftbeschickung in geringerem Maße gesteigert wird, da die Wiedergewinnung der Abwärme in dem endothermen Reaktor das Bedürfnis für Luft verringert. Beim Leerlauf ist die Umwandlung von Methanol zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid in dem adiabatischen Reaktor fast vollständig. Bei hoher Fahrgeschwindigkeit jedoch verringert das niedrige Luft/Alkohol-Verhältnis diesen Prozentsatz der Dissoziation in dem adiabatischen Reaktor auf einen niedrigen Gehalt. In der Ausführungsform der Fig. 3 wandelt der endotherme Reaktor 7 0 stromabwärts von dem adiabatischen Reaktor 3 das verbleibende nicht umgewandelte Methanol um unter Ausnutzung der Abwärme aus dem Abgas.

W 3413503

-ΜΙ Mit einem doppelten adiabatischen Katalysatorbett aus Cu/ Ni- und Cu/Zn-Katalysatoren laufen die folgenden drei Reaktionen in dem adiabatischen Reaktor als Hauptreaktionen ab.
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CH₃OH (g) + 1/2 O₂ ■* H₂ + CO + H₂O AH„_QQ = -36,134

²⁹⁸ cal (I)

CH₃OH (g) ■* 2 H₂ + CO ΔΗ__ΟΟ = 21,664

²⁹⁸ cal (II)

H₂O (g) + CO -*■ H₂ + CO₂ ^ΔΗ·5οο = "9,838

²⁹⁸ cal (III)

Methanol wird zuerst über die Reaktionen (I) und (II) in der Cu/Ni-Katalysatorzone umgewandelt und das verbleibende Methanol wird über die Reaktionen (II) und (III) in der folgenden Cu/Zn-Katalysatorzone umgewandelt. Da die Reaktion (I) sehr rasch an einem Cu/Ni-Katalysator abläuft:, wird Sauerstoff rasch bis zur Vollständigkeit in der Zone verbraucht. Das rasche Fortschreiten der Reaktion (i) führt zu einem Temperaturmaximum (Peak) in der Zone. Nach der Erschöpfung des Sauerstoffs wird die endotherme Reaktion (Reaktion (II)) dominierend und kühlt somit die Bett-Temperatur herunter. Das den adiabatischen Reaktor verlassende Gas liegt sehr nahe dem Gleichgewicht für die Wasser/ Gas-Verschiebungsreaktion, aufgrund der ausgezeichneten Verschiebungsaktivität des Cu/Zn-Katalysators.

Beispiel 2

Die bevorzugte Ausführungsform des in der Figur 4 dargestellten Verfahrens wandelt Methanol in einen H₂~reichen Brennstoff für die innere Verbrennung mittels eines endotherm/adiabatischen Reaktorsystems um. In dem Verfahren steigt der Anteil des durch endotherme Dissoziation umgewandelten Methanols mit steigender Abgastemperatur an. Dies ermöglicht die Wiedergewinnung von etwas Abwärme aus dem Abgas, um den Heizwert des Treibstoffs zu erhöhen. Das verbleibende Methanol wird durch adiabatische Umwandlung umgewandelt. Auf diese Weise wandelt das Verfahren Methanol

H 3 4 1 3 b ü Β

in einen H_?-reichen Brennstott um, selbst wenn die Temperatur des Abgases bei niedriger Belastung des Motors, wie Leerlauf und Fahren mit geringer Geschwindigkeit, niedrig ist.
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Diese konsequente Erzeugung an H„-reichem Brennstoff ist wichtig, um die thermische Wirksamkeit des Motors auf ein Maximum anzuheben, wodurch es dem Motor möglich ist, mit einem hohen Kompressionsverhältnis (bis zu 14) und einem niedrigen Äquivalenzverhältnis (so niedrig wie 0,3) zu arbeiten. Aufgrund der Wiedergewinnung der Abwärme und des wirksamen Motorbetriebs mit dem EL-reichen Treibstoff ist die gesamte thermische Wirksamkeit des Treibstoffs mit dem dissoziierten Methanol, das durch das Verfahren erzeugt wird, um mindestens 5 0 % höher, als mit Benzin, und um 25 % als mit Methanol.

Flüssiges Methanol wird zu einem Verdampfer gepumpt, wo es durch die starke Wärme des MotorkühlmitteIs verdampft wird. Der Methanoldampf wird überhitzt und endotherm in einem Überhitzer/endothermen Reaktor dissoziiert. Wahlfrei kann das überhitzen des Methanoldampfes in einem getrennten Gefäß erfolgen, das dem endothermen Reaktor vorausgeht. Der Überhitzer/Reaktor ist mit einem Katalysatorbett für die endotherme Dissoziation ausgerüstet. Die Wärme für das überhitzen und die endotherme Reaktion wird durch das heiße Abgas bereitgestellt. Auf diese Weise ist der Umwandlungsgrad in dem Reaktor abhängig von der verfügbaren Wärme aus dem Abgas. Das verbleibende Methanol wird in einem adiabatischen Reaktor umgewandelt. Die Luftmenge, die in den adiabatischen Reaktor eingespritzt wird, wird gesteuert, so daß eine thermisch neutrale Umwandlung in dem Reaktor erfolgt. Die Temperatur des Produktgases aus dem adiabatischen Reaktor kann als Steuerungsindikator für die Lufteinspritzung verwendet werden. Der Reaktor ist mit einem Katalysatorbett für die exotherme Teilverbrennung und die endotherme Dissoziation versehen. Der durch die Methanolurawandlung erzeugte H_?-reiche Treibstoff wird zu dem Motor

JUj 3A135Ü0

-2<Γ-für die innere Verbrennung beschickt.

Eine Umgehungsleitung für die direkte Injektion bzw. das direkte Einspritzen von flüssigem Methanol in den Motor als ein zusätzlicher Treibstoff ist vorgesehen. Sie wird benötigt für eine gute Leistungsfähigkeit des Motors während Übergangssituationen mit hohen Belastungen (Beschleunigung) .

Weitere wesentliche Vorteile der in der Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind:

1) Die endothermen und adiabatischen Reaktoren sind relativ klein. Der adiabatische Reaktor ist größenmäßig nur so gestaltet, daß er den Methanolstrom für eine geringe Motorbelastung bewältigt. Der endotherme Reaktor ist größenmäßig nur so ausgelegt, daß Methanol bei starker Belastung des Motors vollständig umgewandelt wird. Zwar ist der Methanolfluß bei starker Belastung höher, jedoch ist die erforderliche Größe des endot-hermen Reaktors für die Umwandlung geringer, aufgrund der höheren Abgastemperatur, die als Wärmequelle verfügbar ist.

2) Die geringe Größe des endothermen Reaktors vereinfacht den Betrieb des Reaktors. Die endotherme Reaktion soll durch den Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und dem Katalysatorbett begrenzt werden, wenn die Abgastemperatur bei voller Belastung des Motors sehr hoch ist. Durch diese Bauweise wird das Problem der Entaktivierung des Katalysators durch überhitzen auf ein Minimum herabgesetzt.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben; es versteht sich, daß diese keine Einschränkung darstellen sollen und zahlreiche Variationen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung möglich sind. Derartige Variationen und Modifikationen sind für den Fachmann aus der vorliegenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich.

Claims

GRÜNECKER. KINKELDEY, STOCKMÄIP & PARTNER

PATENTANWÄLTE

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

A. GRÜNECKER, cw.·«*» DR. H..KINKELDEY. »pc-ing

DR W. STOCKMAIR. dipl. ινο,αεε icalt

DR K. SCHUMANN, oipl-pmys

P. H. JAKOB. DiPi ing DR. G. BEZOLD. m.««

W. MEISTER, ο«, ,ng

H. HILGERS. opl -ing DR. H. MEYER-PLATH. c»pi_ ing

CONOCO INC. High Ridge Park Stamford, Connecticut USA

8000 MÜNCHEN 22

MAXIMIUANSTftASSE 5β

P 18 690-dg

20 Verfahren zur Dissoziation von Alkoholtreibstoffen und Wiedergewinnung von Abwärme für Kraftfahrzeuge

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Patentansprüche

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Verfahren zur Behandlung und Verteilung von Treib- bzw. Brennstoffen für Innen-Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge, gekennzeichnet durch . folgende Stufen:

(a) Verdampfen von flüssigem Alkohol unter Bildung von Aiko holdamp f;

(b) Bereitstellung einer wesentlichen Wärmemenge aus Motorabgasen für einen endothermen Reaktor mit einem darin enthaltenen endothermen Dissoziationskatalysator;

(c) Kontakt des Dampfes und des endothermen Dissoziationskatalysators unter Bildung eines wasserstoffreichen Gas/Dampf-Gemisches;

(d) Vermischen des wasserstoffreichen Gas/Dampf-Gemisches mit Luft unter Bildung eines Teilverbrennungsgemisches ;

(e) Betrieb eines adiabatischen Reaktors ohne wesentliche Abgaswärmemenge innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches, wobei der adiabatische Reaktor ein Katalysatorbett aufweist, das einen Teilverbrennungs-. katalysator und einen Dissoziationskatalysator enthält ;

(f) Kontakt des Teilverbrennungsgemisches und des Teilverbrennungskatalysators und des Dissoziationskatalysators unter Bildung eines Treib- bzw. Brennstoffgemisches.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Teilverbrenmingskatalysator Cu/Ni verwendet wird und als Dissoziationskatalysator und endothermer Dissoziationskatalysator Cu/Zn verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß darüber hinaus das Treib- bzw. Brennstoffprodukt und Luft unter Bildung eines Gesamt-Verbrennungsgemisches vermischt werden; und

das Gesamtverbrennungsgemisch in einer Innenbrennkraftmaschine bzw. einem Verbrennungsmotor verbrannt wird.