DE686809C - Vorrichtung zur Speisung von Brennkraftmaschinen mit Gasmischungen, die sich durch katalytische teilweise Spaltung von Ammoniak unter Ausnutzung der Abwaerme der Brennkraftmaschine ergeben - Google Patents

Description

Zwecks vollständiger Spaltung von Ammoniak und zur Gewinnung einer als Treibstoff für Brennkraftmaschinen dienenden Mischung aus 75 Raumteilen Wasserstoff und 25 Raumteilen Stickstoff hat man eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen flüssiges Ammoniak enthaltenden Behälter aufweist, der auf dem Wege der Auspuffgase der Brennkraftmaschine liegt. Infolge der Anwärmung, die dieser Behälter durch die genannte Anordnung erleidet, verdampft das Ammoniak. Das verdampfte Ammoniak strömt nach etwaigem Durchströmen von Leitungen, die im Kühlsystem der Maschine selbst liegen, durch eine Katalysatorkammer, die in unmittelbarer Nähe, vorzugsweise im oberen Teil der Brennkammer der Maschine, untergebracht ist. In dieser Kammer findet die vollständige Spaltung des Ammoniaks statt, und man erhält

ao die Wasserstoff - Stickstoff - Mischung obiger Zusammensetzung, die nach vorheriger Zugabe der erforderlichen Verbrennungsluftmenge in die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine geführt wird.

Wie aus nachstehendem ersichtlich ist, hat die Verwendung der genannten Vorrichtung aber verschiedene Nachteile im Gefolge, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung behoben werden. Mit ihr wird das Ammoniak nicht vollständig, sondern nur teilweise gespalten, und zwar werden von ihm 3,4 bis 18,20/0 gespalten, so daß man Mischungen aus Ammoniak, Wasserstoff und Stickstoff erhält, bei denen das volumetrische Verhältnis von Ammoniak zu Wasserstoff zwisehen 3:1 und 19:1 liegt; diese Mischungen werden als Treibstoff für Verbrennungskraftmaschinen verwendet.

Eine der einfachsten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als Beispiel in der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben, in welcher A darstellt einen mit einem Hahn versehenen, flüssiges Ammoniak enthaltenden Behälter, B den Ammoniakverdampfer, C den Katalysenapparatj der den für die Ammoniakspaltung dienenden Katalysator enthält; D< ist eine Rohrleitung, in welche die..vom Motor angesaugte Verbren-

nungsluft durch das Filter E eintritt; G ist ein automatisches Ventil, das sich beim Stillstehen des Motors automatisch schließt; H ist die Motorspeiseleitung, /, I₁, I₂ die Rohr-", leitung, durch welche die Auspuffgase des Motors in Pfeilrichtung nach außen geleitet werden; diese Rohrleitung ist bei / derart ausgebaut, daß in ihr Katalysenapparat C und Wärmeaustauscher T untergebracht werden ίο können und dennoch genügend Raum für den Durchgang der Auspuffgase bleibt; L ist die Verbindungsleitung zwischen A und B, deren im Innern des Behälters B befindliches Ende mit dem automatischen Ventil U versehen ist, welches das Ammoniak von A in B, aber nicht von B in A treten läßt; K. ist ein Wärmeaustauscher, M die Verbindungsleitung zwischen B und T, N die Verbindungsleitung zwischen dem Katalysenapparat C und Wärmeaustauscher K, R die Verbindungsleitung zwischen dem Wärmeaustauscher K) Ventil G und Rohr ff; die Rohrleitung R ist mit dem Wasserabscheider 5 versehen; Rohrleitung P, die ein Ventil Q aufweist, verbindet den oberen Teil des Behälters A mit einer zwischen S und G befindlichen Stelle der Rohrleitung/?. Ammoniakverdampfer jB ist mit einem Apparat versehen, durch den er außer mit der vom Wärmeaustauscher Ιζ abgegebenen Wärme auch noch durch andere Wärme angewärmt werden kann. Dieser Apparat ist in beiliegender Zeichnung durch Behälter O, der Behälter B umgibt, dargestellt. Den zwischen den beiden Behältern befindlichen Zwischenraum durchstreicht eine warme Flüssigkeit oder ein warmes Gas, die oben ein- und unten austreten, wie es die Pfeile angeben. Bei dieser Ausführungsform benutzt man als Heizmittel, gewohnlich entweder die Auspuffgase, von denen ein Teil abgezweigt wird, indem man die Rohrleitung, durch die das Heizmittel in O tritt, mit einer beliebigen Stelle der Rohrleitung /, I₁,1₂ verbindet, oder das aus der Zylinderkühlung kommende warme Wasser. Bei Kraftwagen kann dieses warme Wasser von der Rohrleitung, die es zum Kühler führt, abgezweigt und dann wieder zum Kühler geschickt werden. Ein in der Zeichnung nicht angegebenes Ventil regelt und unterbricht die Zirkulation des Heizmittels. Die Zirkulation .kann ebensogut automatisch durch einen Thermoregulator reguliert werden.

Bei normalem Lauf arbeitet diese Vorrichtung folgendermaßen:

Wenn das Ventil Q geschlossen ist, öffnet das flüssige Ammoniak infolge des in A herrschenden Druckes das Ventil U und gelangt von Behälter A in Behälter B, wo es verdampft; das so erhaltene gasförmige Ammoniakwird durch Rohrleitung M zum Wärme-'austauscher T und von dort' zum Apparat C geführt. In T wird das gasförmige Ammoniak auf eine Temperatur gebracht, die vorzugsweise fast so hoch wie die Arbeitstempe-•'r&tur des Apparates C ist; in C wird ein Teil ';(Ms Ammoniaks in Wasserstoff und Stickstoff gespalten. Die Temperatur von C beträgt im allgemeinen 320 bis 450⁰C, zuweilen kann sie jedoch auch 600⁰C erreichen. Wärmeaustauscher7" und Apparat C werden durch die sie umstreichenden Auspuffgase auf der erforderlichen Temperatur gehalten. Die endotherme Reaktion der Ammoniakspaltung vollzieht sich auf diese Weise im Apparat C auf Kosten der in den Verbrennuingsprodukten enthaltenen Wärme; ein Teil dieser Wärme wird also wiedergewonnen.

Die aus C austretende Ammoniak-Wasserstoff-Stickstoff-Mischung wird durch die Rohrleitung iV zum Wärmeaustauscher/< geleitet, wo sie abkühlt und an das im Behälter B befindliche Ammoniak einen Teil oder alle Wärme, die es zum Verdampfen benötigt, abgibt. Wie erwähnt, kann auch Apparat O dem Ammoniak einen Teil dieser Wärme liefern. Durch diese Abkühlung kann in Rohrleitung/? eine WasserkondensatiOn stattfinden; dies tritt hauptsächlich dann ein, wenn das gebrauchte Ammoniak nicht ganz wasserfrei ist oder gelösten Wasserstoff enthält sowie wenn der in C befindliche Katalysator kleine Mengen von Oxyden enthält, die durch den Wasserstoff allmählich reduziert werden. Dieses Wasser wird durch den Abscheider 5 abgeschieden und gesammelt, wodurch es nicht zum Ventil G gelangt und weder dessen noch den regelmäßigen Betrieb des Motors selbst stört.

Von 5 tritt die Ammoniak-Wasserstoff-Stickstoff-Mischung durch das Ventil G in Rohr//, wo sie auf atmosphärischen Druck entspannt und mit der Verbrennungsluft vermischt wird. Von dort gelangt sie zur Motorspeisung.

Die beschriebene Ausführungsform wird meist für solche Motoren verwandt, bei denen der Treibstoff und die Verbrennungsluft unter Atmosphärendruck in die Zylinder geführt werden.

Die gleiche Ausführungsform kann bei Anbringen einiger Abänderungen auch für solche Motoren dienen, in deren Zylinder die Ammoniak-Stickstoff-Wasserstoff-Mischung unter verhältnismäßig hohem Druck geschickt werden muß, wie z. B. bei Dieselmotoren. In diesem Falle ist es zweckmäßig, daß der Druck der Mischung in Rohrleitung R höher ist als der Druck, mit dem sie in die Zylinder treten soll. Hierdurch werden Zusatzapparate 12a für- die Komprimierung der Mischung selbst überflüssig. Um in R einen genügend hohen

Druck zu erhalten, braucht man nur die Temperatur, bei welcher in B die Ammoniakverdampfung stattfindet, zu erhöhen; zu diesem Zweck kann man sich der Aushilfsheizung, die in der Zeichnung durch Apparat O dargestellt ist, bedienen.

Der Druck in R und folglich auch in B, C, T kann auch höher sein als die Dampfspannung des Ammoniaks in A; dadurch

ίο würde an sich das Ammoniak nicht von A in B treten können. Dem kann aber dadurch abgeholfen werden, daß man von Zeit zu Zeit dem Druck in R einen höheren Wert gibt, als er normalen Verhältnissen entspricht. Zu diesem Zweck genügt es, den Apparat B stärker zu heizen, so daß die in B verdampfte und in C teilweise gespaltene Ammoniakmenge größer ist als die vom Motor im selben Zeitraum verbrauchte. Durch dieses Vorgehen erhöht man schnell den Druck in R. Man öffnet das Ventil Q und hat somit in A denselben Druck. Sobald das Ventil Q geschlossen und der Druck in R auf seinen normalen Wert gesunken ist, kann das Ammoniak wieder von A in B übertreten. Diese Maßnahmen zur Steigerung des Druckes in A können jedesmal, wenn man den Druck in A zu erhöhen wünscht, während des Laufes des Motors ohne Schaden vorgenommen werden.

Bei Dieselmotoren kann die unter Drude befindliche Ammoniak-Stickstoff-Wasserstoff-Mischung auch dazu dienen, um einen Teil des Ammoniaks in flüssigem Zustand in die Motorzylinder zu schicken. Hierzu benutzt man gewöhnlich eine Zerstäubungsdüse. Das in flüssiger Form einzuführende Ammoniak kann sowohl aus demselben Behälter genommen werden, dem das zur teilweisen Spaltung bestimmte Ammoniak entnommen wird, wie auch aus einem anderen Behälter, dessen Druck durch die für Behälter .4 beschriebenen Maßnahmen beliebig erhöht werden kann.

Wenn die Ammoniak-Wasserstoö-Stickstoff-Mischung für die Speisung von Motoren bestimmt ist,"deren Zündung durch Zündkerzen erfolgt, ist es vorteilhaft, diese Kerzen . mit einer Heizvorrichtung zu versehen. Dazu verwendet man gewöhnlich elektrische, um die Kerzen selbst gewickelte Heizw'iderstände. Es wurde nämlich gefunden, daß sich bei Inbetriebsetzung eines Motors, der für längere Zeit stillgestanden hat, so daß die Zylinder abgekühlt sind, ein Teil des durch die Verbrennung erzeugten Wasserdampfes auf den Kerzen kondensieren und dieselben dadurch betriebsunfähig 'machen kann. Zur Behebung dieses Übelstandes genügt es, kurz vor Inbetriebsetzung des Motors die Kerzen anzuwärmen. Nach Inbetriebsetzung wird diese Heizung überflüssig.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier als Beispiel angeführte Ausführungsf orm. Die Vorrichtung kann, ohne die Grenzen der Erfindung zu überschreiten, auch in anderer Weise gebaut werden.

So können z. B. Apparate T und C so vereinigt werden, daß sie einen einzigen Apparat bilden. Außerdem kann Ventil U beispielsweise durch 'einen Niveauregler ersetzt werden, mit dem der Stand des flüssigen Ammoniaks in Behälter B stets konstant gehalten wird. Das Ventil U ergibt jedoch in der Praxis bessere Ergebnisse und ist billiger als der Regler. Es hat den Vorteil, daß, wenn z. B. der Ammoniak-Stickstoff-Wasserstoff-Mischungsverbrauch sinkt und folglich der Druck in B steigt, das Ventil U geschlossen bleibt, während die Ammoniakverdampfung in B weitergeht. Der Ammoniakstand in B sinkt, und ein Teil des Austauschers Ιζ kommt somit statt mit dem flüssigen Ammoniak mit dem gasförmigen in Berührung. Die Wärmeübertragung nimmt ab und folglich auch die Menge an verdampftem Ammoniak, welches automatisch auf eine dem Motorverbrauch entsprechende Menge sinkt. Das Gegenteil tritt ein, wenn die vom Motor verbrauchte Menge zunimmt. Schließlich kann auch die Verbrennungsluft mit aus den Auspuffgasen wiedergewonnener Wärme geheizt werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn man die Stärke des Motors beschränken will.

Mit Aushilfsrohrleitungen und Ventilen kann die heiße, um die Apparate T und C und im Innern von I( kreisende Gasmenge nach Belieben reguliert werden.

Hervorzuheben ist, daß bei Stillstand des Motors Wärmeaustauscher /< und teilweise Apparate mit Ammoniak-Wasserstoff-Stickstoff-Mischung gefüllt bleiben, die nachher zur Inbetriebsetzung dient. Ein Teil dieser Mischung kann auch im oberen Teil des Behälters ,4 aufgespeichert werden, indem man nach vorheriger Schließung des Hahnes von^4 Ventil Q öffnet.

Die Zuhilfenahme eines, anderen Brennstoffes, wie z. B. Benzin, zur Inbetriebsetzung des Motors, um die Vorrichtung auf die für ihren Betrieb erforderlichen Bedingungen zu bringen, ist also nur nach einer wichtigen Reparatur, die die Zerlegung der Vorrichtung selbst zur Folge hatte, vonnöten. Die Inbetriebsetzung kann übrigens auch in diesem Falle mit einer Ammoniak-Luft-Mischung vollzogen werden. In kurzer Zeit kann man so Apparat C auf die für die Ammoniakspaltung nötige Temperatur bringen, wodurch der Lauf des Motors normal wird. ^c

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat trotz ihrer äußerst einfachen Bauart in der Praxis ausgezeichnete Ergebnisse gezeitigt.

Ein erster grundlegender Unterschied zwischen der Vorrichtung der Erfindung und der älteren Vorrichtung, von der oben die Rede ist und die für die vollständige Spaltung des Ammoniaks dient, besteht darin, daß, während zur vorliegenden Vorrichtung ein Behälter für flüssiges Ammoniak Ä und ein Ammoniakverdampfer B gehören, die ältere Vorrichtung einen einzigen Behälter, der sowohl als Ammoniakbehälter wie auch als Ammoniakverdampfer dient, besitzt.

Erfindungsgemäß braucht man also zwecks Verdampfung des Ammoniaks nur die geringe im Verdampfer befindliche Ammoniak menge anzuwärmen. Daraus ergeben sich zwei wichtige Vorteile.

Der erste besteht darin, daß für die Ammoniakverdampfung die Wärme genügt, die aus der den Katalysenapparat verlassenden Ammoniak - Wasserstoff - Stickstoff - Mischung wiedergewonnen werden kann. Zu diesem Zweck besitzt der Ammoniakverdampfer im Innern den Wärmeaustauscher K-Beim Arbeiten mit der älteren Vorrichtung muß man hingegen den Behälter für das flüssige Ammoniak im Wege der Auspuffgase anbringen, was gewöhnlich nicht so einfach ist, ob es sich nun um ortsfeste Maschinen oder um Maschinen, die auf Fahrzeugen montiert sind, handelt.

Der zweite Vorteil besteht darin, daß, wie oben gesagt, der AmmoniakverdampferB und der Wärmeaustauscher /C sowie das Ventil U eine automatische Regulierung der erzeugten Ammoniak - Wasserstoff - Stickstoff - Mischung derart gestatten, daß sie der von der Verbrennungskraftmaschine verbrauchten Mischungsmenge entspricht. Dies ist aber beim Arbeiten mit der älteren Vorrichtung nicht möglich. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß während erfindungsgemäß der Katalysenapparat in der Auspuffgasleitung untergebracht ist, er in der älteren Vorrichtung in unmittelbarer Nähe, vorzugsweise im oberen Teil der Verbrennungskammer der Maschine, untergebracht ist. Eine Folge dieser Anordnung ist, daß man bei Anwendung der älteren Vorrichtung den Verbrennungsgasen die für die Ammoniakspaltung erforderliche Wärme entzieht. Die in den Verbrennungsgasen verbleibende Wärmemenge, die in mechanische Energie verwandelt werden kann, "erleidet also eine nicht unbedeutende Verminderung. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthalten hingegen die Verbrennungsgase eine größere Wärmemenge, da nämlich ein Teil des Ammoniaks mit aus den Auspuffgasen wiedergewonnener Wärme gespalten wird. Die Wärmeausbeute der Verbrennungskraftmaschine ist also erfindungsgemäß größer als beim Arbeiten mit der älteren Vorrichtung.

Die weiteren Unterschiede, die durch die Rohrleitung P und Ventil Q, den Wärmeaustauscher Γ usw. gegeben sind, und die dadurch bedingten Vorteile gehen klar und deutlich aus dem schon Gesagten hervor.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Vorrichtung zur Speisung von Brennkraftmaschinen mit Gasmischungen, die sich durch katalytische teilweise Spaltung von Ammoniak unter Ausnutzung der Abwärme der Brennkraftmaschine ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht erwärmtes Ammoniakvorratsgefäß (A) über ein Rückschlagventil (U) mit einem vom Vorratsgefäß getrennten Ammoniakverdampfer (B) verbunden ist, der seinerseits mit dem in der Auspuffgasleitung ('/) untergebrachten und daher nur einen Teil des gasförmigen Ammoniaks spaltenden Katalysenapparates '(C) in Verbindung steht, und in dessen Innerm ein von den den Katalysenapparat verlassenden heißen Spaltgasen durcitströmter, die Verdampfungswärme ganz oder teilweise liefernder Wärmeaustauscher (/<) angeordnet ist, so daß die Wärmeübertragung mit der Standböhe des flüssigen Ammoniaks im Verdämpfer wechselt, wodurch eine selbsttätige Anpassung der Verdampfung an den Verbrauch der Brennkraftmaschine bewirkt wird*
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ammoniakverdampfer (B) und dem Katalysenapparat (C) ein gleichfalls in der Auspuffgasleitung (/) untergebrachter Vorwärmer (T) angeordnet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen