DE4040310A1 - Verfahren und vorrichtung zum schadstoffarmen betreiben eines hybrid-antriebes fuer verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Hybrid-Antriebe in der Kombination Elektromotor und Verbrennungs­ kraftmaschine sind an sich bekannt, wenn auch noch nicht im groß­ technischen Einsatz. Einen schadstoffarmen Betrieb erreicht man mit einer solchen Anlage jedoch nur zum Teil. Beim Elektromotoren­ betrieb arbeitet eine solche Anlage abgasfrei; beim Betrieb mit der Verbrennungskraftmaschine enthält das Abgas die für Otto- oder Dieselmotoren üblichen Schadstoffwerte. Mit der Einführung von Ab­ gaskatalysatoren, insbesondere von solchen mit Lambdasonde, wurden die Schadstoffe in den Abgasen von Ottomotoren stark gesenkt. Die Hauptschadstoffkomponenten, die bei der Verbrennung des Benzins in Ottomotoren entstehen und mit dem nicht unschädlichen Kohlendio­ xid, die Stickoxide und die nicht restlos umgesetzten Kohlenwasser­ stoffe werden durch Abgaskatalysatoren bis zu 80% entfernt. Die Wirksamkeit dieser Katalysatoren hängt auch weitgehend von ihrer Betriebsdauer ab.

Der Kohlendioxydgehalt in den Verbrennungsgasen wird, vor allem durch den Umsatz von Kohlenmonoxid, nach der Gleichung

2 CO + O₂ = 2 CO₂

erhöht.

Die Abgaskatalysatoren leisten keinen Beitrag zur Verminderung der schädlichen CO₂-Emissionen.

Ein weiterer Nachteil der Abgaskatalysatoren besteht darin, daß sie beim Anfahren einer Verbrennungskraftmaschine praktisch un­ wirksam sind, weil der Katalysator (Träger und aktive Komponen­ ten) erst auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt werden muß, um effektiv zu arbeiten. Gerade aber während der Anfahrperiode werden Schadstoffe in erhöhter Konzentration emitiert.

Flüssiggase sind grundsätzlich gute Motorbetriebsstoffe. Sie haben einen höheren Wasserstoffgehalt und einen niedri­ geren Kohlenstoffgehalt als Benzine und sind deshalb ein umweltfreundlicher Brennstoff für die Energieerzeugung. Ihr großtechnischer Einsatz in Kraftfahrzeugen scheiterte bisher an ihrer aufwendigen Speicherung. Noch schadstoffärmer ist Wasserstoff als Motorentreibstoff. Doch auch hierbei ist ein entscheidender Durchbruch bei der Lösung des Speicher­ problems nicht gelungen. Die gasförmige Speicherung verlangt für ausreichende Aktionsradien von ortsbeweglichen Ver­ brennungskraftmaschinen sehr hohe Drücke und damit dichtwan­ dige Tanks. Es treten hierbei nicht nur Gewichtsprobleme auf, die notwendigen hohen Drücke stellen vor allem auch ein Sicher­ heitsrisiko dar. Auch für die Verwendung von flüssigem Wasser­ stoff in Verbrennungskraftmaschinen wurde bisher keine praktisch anwendbare Lösung gefunden. Außerdem ist Wasserstoff für die heute gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen kein idealer Brennstoff, weil seine Verbrennung unter Volumenkontraktion erfolgt.

Es wurde nun gefunden, daß man die Vorteile der flüssigen Kraftstoffe, ihre günstige Lager- und Transportfähigkeit bei hoher Energiedichte, verbinden kann mit den günstigen Eigenschaften hochmethanhaltiger gasförmiger Brennstoffe, ihre guten Verbrennungseigenschaften bei niedrigem Schad­ stoffausstoß und ihre Klopffestigkeit, in dem man die in einem Vorratsbehälter (Tank) gelagerten praktisch schwefel­ freien flüssigen Kohlenwasserstoffe mit einem oberen Siede­ ende bis etwa 320°C, vorzugsweise bis 120°C, verdampft, mit Wasserdampf mischt, dieses Gemisch bei Temperaturen von etwa 350-500°C katalytisch zu einem methanreichen Gas um­ setzt, dieses Gas bis auf etwa Umgebungstemperatur abkühlt, der Verbrennungskraftmaschine zuführt, dort in Gegenwart von freiem Sauerstoff bei höheren Drücken als Atmosphärendruck zündet und die Verbrennungskraftmaschine automatisch anstelle der Batterie, den weiteren Energiebedarf und die Energielie­ ferungen des Aggregats übernimmt.

Die katalytische Vergasung des Kohlenwasserstoffgemisches zu einem hochmethanhaltigem Gas erfolgt bei Temperaturen von 350-500°C unter Zusatz von 1,0 bis 4,0 kg Wasserdampf, vorzugsweise nicht mehr als 2,0 kg Wasserdampf je kg Kohlen­ wasserstoffe. Alle Kohlenwasserstofffraktionen bis zu einem Siedeende bis zu etwa 320°C sind für diesen Prozeß geeignet. Zur Minderung des CO₂-Gehaltes in den Abgasen ist es jedoch vorteilhaft möglichst niedrigsiedende Kohlenwasserstoffe ein­ zusetzen, z. B. mit einem Siedenende von etwa 120°C. Wird Benzin für Kraftfahrzeugmotoren verwendet, so soll es ohne die Klopffestigkeit des Brennstoffes verbessernde Zusätze, wie Bleiverbindungen, zum Einsatz kommen. Die Wärmetönung der Reaktion ist exotherm, so daß dem Prozeß von außen keine Wärme zugeführt werden muß. Zur Durchführung des Verfahrens wird das Kohlenwasserstoffgemisch, beispielsweise das bisher verwendete Otto-Benzin oder Dieselöl verdampft, mit Wasser­ dampf gemischt, überhitzt und einem mit Katalysator gefülltem Reaktionsgefäß zugeführt. Die Temperatur des Gemisches aus Kohlenwasserstoff- und Wasserdampf soll beim Eintritt in den Reaktionsraum etwa zwischen 350 und 400°C liegen. Für die Verdampfung und Überhitzung der Einsatzstoffe wird vorzugs­ weise die fühlbare Wärme des erzeugten hochmethanhaltigen Gases nach Verlassen des Reaktionsraumes und der Verbrennungs­ gase der Kraftmaschine verwendet. Der Reaktionsraum ist mit einem Katalysator gefüllt, der 20 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 50 Gew.-% Nickel und etwa 2,0 Gew.-% Chrom, auf einem Träger enthält. Als Träger eignen sich z. B. Magnesiumsili­ kate, Aluminiumoxid oder Gemische dieser Stoffe. Die Ober­ fläche eines solchen Katalysators sollte zwischen 60 und 250 m²/g liegen. Das notwendige Katalysatorvolumen richtet sich nach der Leistung der Verbrennungskraftmaschine. Als Richtwert kann angenommen werden, daß für 10 kg/h des flüssigen Kohlenwasserstoffs nicht mehr als etwa 5 Liter Katalysator benötigt wird. Das Schüttgewicht des Katalysators beträgt etwa 0,8 bis 0,9 kg/l.

Die Kohlenwasserstoffe können auch flüssig und dosiert in den überhitzten Wasserdampf eingespritzt werden, wobei sie ver­ dampfen. Durch die Überhitzungstemperatur des Wasserdampfes kann dadurch die gewünschte Eintrittstemperatur des Gemisches in den Reaktionsraum eingestellt werden.

Es ist auch möglich, dem katalytischen Reaktionsraum zunächst die gesamte Wasserdampfmenge und etwa nur die Hälfte der Kohlen­ wasserstoffe zuzuführen. Nachdem dieses Gemisch 30 bis 60%, vorteilhafterweise 40 bis 50% der katalytischen Schüttung durchströmt hat, wird dem Produktgas-Kohlenwasserstoff-Wasser­ dampfgemisch die zweite Hälfte der Kohlenwasserstoffe zuge­ mischt und die Umsetzungen in der restlichen Katalysatorschicht zu Ende geführt.

Als Ergebnis dieser Reaktionen erhält man ein methanreiches Gas, das außer Wasserdampf noch die folgenden Gasbestandteile enthält:

Methan
55 bis 80 Vol.%
Wasserstoff	5 bis 20 Vol.%
Kohlendioxid	15 bis 25 Vol.%

Das giftige Kohlenmonoxid erreicht nur Werte, die weit unterhalb von 1,0 Vol.-% liegen.

Dieses methanreiche Gas enthält etwa 40 bis 50 Gew.-% mehr Wasser­ stoff als die eingesetzte Kohlenwasserstoffmenge. Dieser höhere Wasserstoffanteil stammt aus dem bei den Reaktionen umgesetzten Wasserdampf.

Dieses Gas ist ein hervorragender Einsatzstoff für Verbrennungs­ kraftmaschinen, weil es hoch verdichtet werden kann, bis zu Größenordnungen von Dieselmotoren und darüber, einen niedrigen Brennstoffverbrauch je kWh hat und das Abgas, ohne katalytische Nachbehandlung, extrem schadstoffarm ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß durch eine katalytische Nachreaktion, eine sogenannte Methanisierungsstufe, der Wasserstoffgehalt des methanreichen Gases auf weniger als 5,0 Vol.-%, beispielsweise auf weniger als 1,0 Vol.-%, herabge­ setzt wird. Für diese Reaktion können handelsübliche Methani­ sierungskatalysatoren verwendet werden, es kann dafür aber auch der gleiche Katalysator wie in der primären Umsetzungsstufe ein­ gesetzt werden. In der Methanisierungsstufe reagieren haupt­ sächlich das Kohlendioxid mit dem Wasserstoff und der Bildung von Methan und Wasserdampf nach der folgenden Reaktionsgleichung:

CO₂ + 4 H₂ = CH₄ + 2 H₂O.

Diese Reaktion ist ebenfalls exotherm und sollte zweckmäßiger­ weise in einem Temperaturbereich von 280 bis 400°C ablaufen. Es ist deshalb notwendig, das Gas aus der Primärstufe von etwa 460°C auf 280 bis 300°C abzukühlen. Diese Kühlung kann indirekt mit Wasser oder Luft erfolgen. Durch Veränderung des H₂- und CO₂-Gehaltes des methanreichen Gases können Zündwillig­ keit und Klopffestigkeit des der Verbrennungsmaschine zugeführten Gases in weiten Grenzen günstig beeinflußt werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen die Kohlenwasserstoffe und der Wasserdampf nicht unbedingt durch eine katalytische Schüttung geführt werden, die beispielsweise aus Pillen von den Abmessungen 3×3 mm oder 5×5 mm oder aus Strangpreßlingen von ähnlichem Durchmesser bestehen. Für die Umsetzung eignet sich z. B. auch eine Einrichtung, die aus mehreren konzentrischen Rohren besteht, wobei die inneren Rohre innen und außen mit einem porösen, keramischen Material beschichtet sind, auf das die aktiven Komponenten, z. B. Nickel, Chrom und Edelme­ talle aufgebracht sind. Auch keramische Wabenkörper sind als Trä­ germaterial geeignet, wie sie z. B. auch für Abgaskatalysatoren ver­ wendet werden. Als zusätzliche Katalysatorenkomponenten kommen Edelmetalle, vorwiegend Platin und/oder Paladium in der Größen­ ordnung von 0,05 bis 0,3 Gew.-% in Betracht.

Zur Wiedergewinnung des bei den katalytischen Reaktionen nicht zersetzten, bzw. bei einer eventuellen Nachmethanisierung ge­ bildeten Wasserdampfes, wird das erzeugte Treibstoffgas durch eine indirekte Wasser- und/oder Luftkühlung bis auf wenige Gra­ de über die Umgebungstemperatur der Verbrennungskraftmaschine gekühlt. Auch ein großer Teil des in den Abgasen enthaltenen Verbrennungswassers wird durch Kühlung gewonnen. Die angefallenen Kondensate werden wieder verdampft und dem oder den katalytischen Umformungsprozessen zugeführt. Die Kühltemperaturen werden so ge­ wählt, daß das anfallende Kondensat für die Umformung der flüssigen Brennstoffe in ein hochmethanhaltiges Gas ausreicht.

Die vorgewärmte Luft kann für die Verbrennung im Motor verwendet werden.

Ein Verfahrensbeispiel wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Das flüssige Kohlenwasserstoffgemisch wird durch die Leitung 9 dem Wärmeaustauscher 1 zugeführt. Durch die Leitung 27 strömt Speisewasser in den Wärmeaustauscher 2. Beide Medien werden durch die Verbrennungsgase aus dem Motor 8 über die Leitung 12 erwärmt, verdampft und überhitzt. Durch die Leitung 14 strömt der dampfförmige, überhitzte Kohlenwasserstoff, durch die Leitung 15 der Wasserdampf. Das Gemisch aus beiden Dämpfen, das eine Tempe­ ratur von 350 bis 450°C haben soll, strömt durch die Leitung 16 in den katalytischen Reaktionsraum 3. Die Einstellung der Ein­ trittstemperatur hängt vom Siedebereich des eingesetzten Kohlen­ wasserstoffgemisches, dem Dampf/Benzin-Verhältnis und von der Betriebszeit des Katalysators ab. Je höher der Siedebereich des Kohlenwasserstoffs und je länger die Betriebszeit des Katalysators ist, umso höher muß auch die Eintrittstemperatur gewählt werden. Auch bei niedrigen Dampf/Benzin-Verhältnissen wählt man etwas höhere Eintrittstemperaturen.

Im Reaktionsraum 3 findet die vollständige Umsetzung der flüssigen Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf unter exothermen Reaktionsbedingungen zu einem hochmethanhaltigem Gas statt. Ein höherer Reaktionsdruck erhöht den Methangehalt und erniedrigt den Kohlenmonoxyd- und den Wasserstoffgehalt des Gases.

Unter sonst gleichen Bedingungen kann durch den gewählten Reaktionsdruck die Gaszusammensetzung im erwünschten Sinne beeinflußt werden. Auch das Verdichtungsverhältnis in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine kann durch das Treib­ stoffgas bis auf die höchste, für eine bestimmte Gaszusammen­ setzung noch zulässige Verdichtung gesteigert werden.

Dabei ist auch noch zu beachten, ob der Motor mit Fremdzündung oder als Selbstzünder betrieben werden soll. Diese Zusammen­ hänge sind ein wichtiger Grund für den extrem niedrigen Brenn­ stoffverbrauch beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen ge­ mäß der Erfindung. Die Reaktionsbedingungen unter denen das hochmethanhaltige Brennstoffgas hergestellt wird, bestimmen auch weitgehend seine Verbrennungseigenschaften in der Kraft­ maschine, die optimal eingestellt werden können.

In der Anlaufphase, d. h. beim Antrieb mit dem Elektromotor, kann die Erhitzung und Verdampfung der Flüssigkeiten und die Erwärmung des Katalysatorbettes auf elektrischem Wege, z. B. durch eine Widerstandsheizung erfolgen, die batteriegespeist wird. Das Gas verläßt den Reaktor durch die Leitung 17 und wird in den Wärmeaustauscher 6 geführt, wo es auf wenige Grad Celsius über Umgebungstemperatur abgekühlt und über die Leitung 24 in einen Vorratsbehälter 7 geleitet wird. Von hier aus wird es über die Leitung 25 den einzelnen Zylindern der Verbrennungs­ kraftmaschine zugeführt. Die Verbrennungsgase verlassen den Motor 8 durch die Leitung 12, wie bereits erwähnt, geben ihre fühlbare Wärme und eventuell Kondensationswärme in den Wärme­ austauschern 1 und 2 weitgehend ab und verlassen die Motoran­ lage durch die Leitung 13. In dieser Leitung ist zweckmäßiger­ weise noch ein Wärmeaustauscher angeordnet (in der Zeichnung nicht mit aufgeführt), der die Verbrennungsgase so weit ab­ kühlt, daß das anfallende Kondensat zusammen mit dem Konden­ sat, das bei der Kühlung des hochmethanhaltigen Gases anfällt, ausreicht, den Wasserdampf zu liefern, der für die katalyti­ schen Umsetzungen des flüssigen Brennstoffs zu dem Motor­ treibstoffgas ausreicht. Dieser Wärmeaustauscher kann so ge­ staltet werden, daß ein separater Schalldämpfer entfallen kann.

Ebenso kann in bekannter Weise in dieser Leitung ein Gefäß eingebaut sein, in dem durch katalytische Umsetzungen das im Auspuffgas in geringen Mengen möglicherweise noch vor­ handene CO und CH₄ zu CO₂ und H₂O umgeformt werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren erhält man ein Motor­ abgas, das praktisch frei ist von Schadstoffen, wie unver­ brannten, zum Teil kanzerogenen Kohlenwasserstoffen, Kohlen­ monoxid und Stickoxiden. Ein weiterer sehr wesentlicher Vor­ teil ist die Verringerung des CO₂-Ausstoßes in den Motorab­ gasen von 30 bis 60%. Zu einem geringeren Teil ist es darauf zurückzuführen, daß niedrig siedende Benzinfraktionen einge­ setzt werden können, die weniger Kohlenstoff enthalten. Zum Teil beruht dieser Vorteil auch auf der Tatsache, daß Wasserstoff aus der Wasserdampfspaltung an den ursprünglich flüssigen Kohlenwasserstoff angelagert wird, wodurch Methan entsteht und durch die Bildung von freiem Wasserstoff. Dieses Gas hat sehr günstige Verbrennungseigenschaften und es ist vor allem sehr klopffest, so daß es mit einem hohen Wirkungsgrad und einem geringeren Brennstoffaufwand im Motor umgesetzt werden kann, als flüssige Brennstoffe, bezogen auf die gleiche Motorleistung. Insbesondere im Hinblick auf die schädlichen CO₂-Emissionen ist das Verfahren gemäß der Er­ findung allen bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Verminderung von Schadstoffen beim Betrieb von Verbrennungs­ kraftmaschinen weit überlegen.

Bei der Verbrennung von Methan im Motor werden keine so hohen Temperaturen erreicht, wie bei der Verbrennung von Kohlenwasser­ stoffen der Siedebereiche von Benzin oder Dieselöl. Dadurch wird die Bildung von Stickoxiden weitgehend unterdrückt. Der wesent­ lich höhere Wasserdampfanteil im Verbrennungsgas hat einen niedrigen Kohlenmonoxidgehalt in diesem Gas zufolge.

Das in der Anlage vereinfacht skizzierte Verfahren stellt nur eine Ausführungsform dar. Es sind hierbei auch abgewandelte An­ ordnungen der einzelnen Apparate zueinander möglich.

So kann z. B. das Gas, das den Reaktor 3 durch die Leitung 17 verläßt, einem Wärmeaustauscher 4 (gestrichelt gezeichnet) zu­ geführt werden, indem es auf Temperaturen von 280 bis 300°C gekühlt wird, bevor es durch die Leitung 19 in einen Nachreak­ tionsraum oder Methanisierungsreaktor 5 geleitet wird, in dem nach der bereits beschriebenen Reaktionsleitung:

CO₂ + 4H₂ = CH₄ + 2 H₂O

der Wasserstoffgehalt auf einen wünschenswerten Volumenanteil im Brennstoffgas vermindert werden kann. Durch diese Maßnahme wird die Klopffestigkeit und Zündwilligkeit des Gases verändert (Methanzahl). Das Gas wird dann zur weiteren Kühlung dem Wär­ meaustauscher 6 zugeführt. Weiterhin kann z. B. durch die fühl­ bare Wärme und die Kondensationswärme der Gase nach den Reak­ toren 3 und 5, zusätzlich zu der Wärme der Verbrennungsgase dazu benutzt werden, in den Wärmeaustauschern 1 und 2 die flüssigen Einsatzstoffe zu erwärmen, zu verdampfen und zu überhitzen.

Das bei der Kühlung der Verbrennungsgase anfallende Kondensat (Wasser) wird in den Wärmeaustauscher 2 zurückgeführt. Es ist möglich den Prozeß auf diese Weise ohne weitere Fremdwasser­ zufuhr aufrecht zu erhalten.

In den Wasser-Wasserdampf-Kreislauf kann auch die Motorküh­ lung mit einbezogen werden. Der katalytische Umwandlungspro­ zeß der flüssigen Kohlenwasserstoffe benötigt Wasserdampf von überatmosphärischem Druck. Deswegen können auch die Innenwand­ temperaturen der einzelnen Zylinder der Verbrennungskraft­ maschine erhöht werden. Diese Maßnahmen begünstigt die rest­ lose Verbrennung des hochmethanhaltigen Gases in den wand­ nahen Schichten der Zylinder.

Aktive Komponenten des Katalysators sind vorteilhafterweise Nickel, Chrom und eventuell zugesetzte Edelmetalle, wie Pla­ tin und/oder Paladium in kleinen Mengen.

Bei der Herstellung liegt Nickel normalerweise als NiO vor, so daß es vor der Verwendung noch reduziert werden muß. Diese Reduzierung erfolgt mit Wasserstoff oder wasserstoff­ enthaltenden Gasen und kann sowohl im Herstellerwerk des Katalysators, aber auch erst kurz vor der ersten Inbetrieb­ nahme des Katalysators erfolgen. Es muß nur verhindert werden, daß der Katalysator nach der Reduzierung freiem Sauerstoff ausgesetzt wird. Das kann man in einfacher Weise in vielerlei Wegen erreichen. Auch bei einer Schädigung des Katalysators durch Schwefelverbindung, Ablagerung von Kohlenstoff oder hochkohlenstoffhaltigen Verbindungen oder ähnlichem, kann der Katalysator durch Wasserstoff wieder regeneriert werden.

Im stationären Betrieb haben diese Katalysatoren Betriebszeiten von etwa 30 000 Stunden erreicht. Beim rauheren Betrieb einer ortsbeweglichen Verbrennungskraftmaschine, vor allem durch das häufige An- und Abstellen der Maschine bedingt, kann man Lauf­ zeiten des Katalysators von mehr als 4000 Stunden erwarten. Das entspricht einer Fahrleistung von erheblich mehr als 100 000 km, abhängig davon ob vorwiegend Stadt- oder Autobahn­ verkehr gefahren wird. Weiterhin unberücksichtigt sind bei die­ sen Betrachtungen die Fahrleistungen mit dem Elektromotorenan­ trieb, der sich positiv auswirkt, so daß der Katalysator die gleiche Lebensdauer haben dürfte wie die Verbrennungskraftma­ schine.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist ein flüssiger Einsatz­ brennstoff erwünscht, der im gesamten Siedebereich weitgehend aus Paraffinen besteht, wobei selbstverständlich auch Naphthene und Aromaten in den Kohlenwasserstoffen enthalten sein dürfen und zwar bis zu einem Prozentsatz von 45 bzw. 15 Gew.-%. Sie sind jedoch für ein einwandfreies Funktionieren des Ver­ fahrens nicht notwendig. Die verwendeten flüssigen Kohlenwasser­ stoffe müssen jedoch frei sein von den oft noch üblichen Zu­ sätzen zum Fahrbenzin, wie z. B. Bleialkyle. Zur Vermeidung von Schwefelvergiftungen der Katalysatoren ist es jedoch notwendig, die eingesetzten Kohlenwasserstoffe vorher zu entschwefeln, am zweckmäßigsten bereits in der Raffinerie.

Für eine lange Betriebszeit des Katalysators ist es sehr we­ sentlich, die Schwefelgehalte auf Werte unter 2,0 ppm zu verringern. Das kann in bekannterweise durch die Hydrierung der Schwe­ felverbindung an Katalysatoren mit nachgeschalteten schwefel­ aufnehmenden Massen wie Eisenoxyd oder Zinkoxyd geschehen.

Das beschriebene Verfahren eignet sich in gleicher Weise für Viertakt- und Zweitaktmaschinen. Der Betriebsdruck in den katalytischen Reaktionsgefäßen wird so gewählt, daß er um 1 bis 50 at über dem Kompressionsdruck der Verbrennungskraft­ maschine liegt, vorzugsweise 5 bis 25 at darüber. Beim Betrieb des Motors saugen die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zunächst nur Luft an. Wenn der Kolben des Zylinders etwa 1/2 bis 8/10 des Verdichtungshubes zurückgelegt hat, strömt der gasförmige Brennstoff über Schlitze oder Ventile in die ver­ dichtete Luft. Das kann bis zum oberen Todpunkt des Verdich­ tungshubes geschehen. Dadurch läßt sich auch der Verdichtungs­ enddruck in gewissen Grenzen variieren und die Leistung der Verbrennungskraftmaschine günstig beeinflussen. Kurz vor oder im oberen Todpunkt des Verdichtungshubes kann das Luft-Gasge­ misch in bekannterweise durch eine oder mehrere Zündkerzen ge­ zündet werden. Die Betriebsbedingungen (z. B. Temperatur der verdichteten Luft, Gaszusammensetzung) können auch so gewählt werden, daß das Gas-Luftgemisch selbst zündet. Der weitere Arbeitshub des Kolbens, so wie das Ausspülen der Verbrennungs­ gase spielen sich in der bekannten Weise wie bei Zweitakt- oder Viertaktmaschinen ab.

Die Verbrennungskraftmaschine kann beim Einsatz des hochmethan­ haltigen Antriebsbrennstoffes so betrieben werden, daß die Koh­ lenmonoxidwerte im Abgas auch vernachlässigbar kleine Werte von weit unter 0,5 Vol.-% und die Stickoxidgehalte drastisch um etwa 2 Zehnerpotenzen, d. h. von ca. 3000 ppm auf 30 ppm gesenkt werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung nutzt die relativ kurze Be­ triebsdauer batteriebetriebener Elektromotoren nicht nur zum Anfahren des Hybridantriebes. Während dieser Betriebsperiode wird die katalytische Vorschaltstufe einer Verbrennungskraftmaschine auf die Betriebstemperatur aufgeheizt, Kohlenwasserstoff- und Wasserdampf erzeugt, als Gemisch katalytisch zu einem hochmethanhaltigen Gas umgesetzt, gekühlt und der Ver­ brennungskraftmaschine für die Energieerzeugung zugeführt und die Umschaltung vom Elekromotorenantrieb auf den Ver­ brennungskraftmaschinenantrieb in kürzester Zeit fließend und automatisch durchführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet die Vorteile flüssiger Kohlenwasserstoffe, ihre gute Lagerbarkeit und Transportfähigkeit bei hoher Energiedichte, mit den ver­ brennungstechnisch hervorragenden und umweltfreundlichen Eigenschaften von hochmethanhaltigen Gasen bei ihrer Ver­ wendung für motorische Antriebe. Falls erforderlich, z. B. im Stadtverkehr, kann problemlos vom Verbrennungsmotorantrieb auf Elektromotorantrieb umgeschaltet werden. Die für den Elek­ tromotorantrieb notwendige Batterie wird während des Betrie­ bes der Verbrennungskraftmaschine wieder auf die erforderliche elektrische Spannung aufgeladen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung hat also den Vorteil, daß alle Schadstoffemissionen von Verbrennungskraftmaschinen, wie Kohlenmonoxid, unverbrannte kanzerogene Kohlenwasser­ stoffe, Stickoxide und Feststoffe, wie z. B. Ruß und Bleioxyd­ staub, völlig vermieden bzw. bis auf einen vernachlässigbar kleinen Betrag herabgesetzt werden. Da der eingesetzte Brenn­ stoff voraussetzungsgemäß praktisch schwefelfrei sein muß, be­ stehen beim Betrieb solcher Verbrennungskraftmaschinen keiner­ lei Schwefelemissionen. Besonders hervorzuheben ist die Tat­ sache, daß die den Motor verlassenden Verbrennungsgase des methanreichen und wasserstoffhaltigen Treibgases, auf die Mo­ torleistung bezogen einen sehr stark verminderten Kohlendioxid­ ausstoß haben. Dieses Merkmal, der sehr wesentlichen Reduzie­ rung des Kohlendioxidausstoßes von Verbrennungskraftmaschinen, weist kein bis heute bekanntes Verfahren für die Reduzierung von Schadstoffen bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen auf.

Da der Antrieb von batteriebetriebenen Elektromotoren der be­ schriebenen Art keine Schadstoffemissionen aufweist, wird in den folgenden Beispielen nur der Betrieb von Verbrennungskraft­ maschinen und ihre Schadstoffemissionen betrachtet.

Beispiel 1

Ein Ottomotor wird mit einem Benzin vom Siedebereich 90-185°C und einem oberen Heizwert von 11 200 kcal/kg betrieben. Der Kohlenstoffgehalt dieses Brennstoffes beträgt 85,6 Gew.-% und der Wasserstoffgehalt 14,4 Gew.-%. Der Motor verbraucht 330 g/kWh dieses Kraftstoffes bei einem Verdichtungsverhältnis von 9. Der im Brennstoff enthaltene Kohlenstoff von 282,5 Gew.-% wird vollständig zu Kohlendioxyd umgesetzt. Das Abgas enthält 0,527 Nm³CO₂/kWh. Daneben noch 3000 ppm Stickoxide, 300 ppm unverbrannte Kohlenwasserstoffe von z. T. kanzerogener Wirkung.

Beim Betrieb des Motors in einem sehr engen Bereich um das stöchiometrische Luft-Kraftstoffverhältnis (Lambda = 1) wird durch den 3-Wege-Katalysator eine wesentliche Verminderung der Schadstoffe von 70-80% erreicht. Der Kohlendioxidgehalt im Abgas wird durch den Katalysator entsprechend erhöht.

Beispiel 2

Pro Kilowattstunde werden dem beschrie­ benen Reichgaskatalysator 220 g Leichtbenzin von einem Siedebe­ reich 50-110°C, einem oberen Heizwert von 11 300 kcal/kg, einem Kohlenstoffgehalt von 84,3 Gew.-%, einem Wasserstoffge­ halt von 15,7 Gew.-% im Gemisch mit 440 g Wasserdampf, bei 370°C und unter einem Druck von 25 atü zugeführt. Verdampft und über­ hitzt wurden die Einsatzstoffe durch Wärmeaustausch mit den Motorabgasen, den Wärmeverlusten durch Kühlung des Motors und durch Abkühlung des hochmethanhaltigen erzeugten Gases, wie bereits beschrieben. Der Reaktionsraum ist gefüllt mit einem Homogenkontakt der 40 Gew.-% Nickel und 2,0 Gew.-% Chrom auf einem Magnesiumsilikatträger enthält. Das Katalysatorvolumen beträgt 130 cm³ oder 115 g. An dem Katalysator wird das Kohlenwasser­ stoffgemisch vollständig gespalten und ein 460°C heißes Spalt­ gas erzeugt. Das heiße Spaltgas wird auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Es hat folgende Zusammensetzung:

CO₂
= 22,0 Vol.%
CO	= 0,6 Vol.%
H₂	= 14,0 Vol.%
CH₄	= 63,4 Vol.%

Das Gas wird in den Vorratsbehälter 7 geleitet und kann von dort zur motorischen Verbrennung geführt werden. Das Verdichtungsver­ hältnis der Verbrennungskraftmaschine beträgt 20. Der Motor ver­ braucht 0,407 Nm³/kWh des methanreichen Gases.

Das Abgas enthält 0,346 Nm³ CO₂/kWh, der Stickoxidgehalt liegt bei etwa 30 ppm, das unverbrannte Methan liegt in der gleichen Größenordnung.

Gegenüber Beispiel 1 ist der Kohlendioxidgehalt im Abgas um 34,4 Vol.-% und der Stickoxidgehalt um 99% gesenkt worden, ohne katalytische Umsetzung im Abgas.

Claims (16)

1. Verfahren und Vorrichtung zum schadstoffarmen, bzw. schadstofffreien Betreiben eines Hybrid-Antriebes für Ver­ brennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß das Aggre­ gat durch einen batteriebetriebenen Elektromotor gestartet wird, daß während des Elektromotorantriebes der katalytische Teil des Aggregates auf etwa 350-400°C aufgeheizt wird und das an­ schließend in einem Vorratsbehälter gelagerte, weitgehend schwefelfreie Kohlenwasserstoffe mit einem oberen Siedeende bis etwa 320°C verdampft, mit Wasserdampf gemischt werden, daß das Gemisch mit Temperaturen von etwa 350-500°C katalytisch zu ei­ nem hochmethanreichen Gas umgesetzt wird, daß dieses Gas gekühlt, der Verbrennungskraftmaschine zugeführt, dort in Gegenwart von Sauerstoff bei höheren Drücken als Atmosphärendruck gezündet oder selbstzündet und die Verbrennungskraftmaschine automatisch den weiteren Energiebedarf und Energielieferung des Aggregates über­ nimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zum Elektroteil gehörenden Einrichtungen sowie die Verbrennungskraftmaschine und die zugehörige Brennstoffversorgung, in einem Kraftfahrzeug untergebracht sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das hochmethanreiche Gas bei Reaktionsdrücken zwischen 5 und 100 ata, vorzugsweise zwischen 20 und 50 ata er­ zeugt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Wasserdampf zu den Kohlenwasserstoffen im katalytisch umzusetzenden Gemisch etwa 1,5 : 1 bis 4 : 1, vorzugsweise nicht mehr als 2,5 : 1 beträgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das methanreiche Gas vor dem Einleiten in den Vorratsbehälter auf Temperaturen von 5 bis 100°C, vorzugsweise auf 10-30°C gekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das gekühlte hochmethanreiche Gas vor dem Einlaß in die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine einem Druckbehälter (Vorratsbehälter) zugeführt wird, dessen Inhalt für mindestens einen Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine von 3 Minuten ausreicht und in dem das Gas weitgehend bei konstantem Druck gespeichert wird.

7. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeverluste der Verbrennungs­ kraftmaschine und der katalytischen Umwandlungsstufe auf die Ein­ satzstoffe Wasser, Wasserdampf, Kohlenwasserstoffe, Kohlenwasser­ stoffdämpfe und ggf. Luft übertragen werden.

8. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem hochmethanhaltigen Gas und aus den Verbrennungsgasen auskondensierte Wasser wieder in den katalytischen Umwandlungsprozeß zurückgeführt wird.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß hochleistungsfähige Batterien, z. B. Natrium- Schwefel-Batterien verwendet werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bremskraft des Aggregates in elektrische Ener­ gie umgewandelt und in die Batterie abgegeben wird.

11. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskraftmaschine über den Generator die Batterie wieder auflädt.

12. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte methanreiche Gas, oder zumindest ein Teil davon, auf Temperaturen von 220°C bis 300°C, vorzugsweise auf 250°C bis 280°C abgekühlt und einem Methanolre­ aktor zugeführt wird, der Kupfer und mindestens eines der Metalle Zink, Chrom und Vanadium als Katalysator enthält.

13. Verfahren und Vorrichtung nach den vorhergehen­ den Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß alle aus der Kühlung von Gasen, einschließlich der Verbrennungsgase, auskondensiertes Wasser oder ggf. Methanol, wieder in den katalytischen Prozeß zurückgeführt, verdampft und für den katalytischen Umwandlungs­ prozeß der flüssigen Kohlenwasserstoffe genutzt werden.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Kondensat ausgetriebenen Methanol­ dämpfe getrennt vom Wasserdampf gewonnen und so dem wäßrigen Kondensat wieder zugeführt werden, daß der Gefrierpunkt des Kon­ densats immer unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.

15. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine durch einen Zündstrahl eines flüssigen Brennstoffes bewirkt wird.

16. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Zündstrahl nicht mehr als 1% bis 10%, vorzugsweise 3% bis 5%, des Heizwertes des gas­ förmigen Brennstoffes im Zylinder der Verbrennungskraftmaschine beträgt.