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Einrichtung zum Vergasen von flüssigen bzw. flüssigkeitsähnlichen
Brennstoffen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gum Vergasen von flüssigen
bzw. flüssigkeitsähnlichen wasserhaltigen Brennstoffen sowie von wasserdampf-Paltigen
Reichgasen, z. B. durch Teiloxydation in Gaserzeugern und Restverbrennung in Brennkraftlnaschinen.
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Bei der motorischen Verbrennung natürlich vorkommender oder künstlich
hergestellter brennbarer Flüssigkeiten oder flüssigkeitsähnlicher brennbarer Stoffe,
z. B. mit dem Sauerstoff der Luft, versucht man gine möglichst vollständige Umsetzung
des brennbaren Stoffes zu den bekannten Verbrennungsendprodukten Kohlendioxyd und
Wasser zu erreichen. Es ist bekannt, daB dabei nur ein kleiner Teil der Verprennungswärme
als Arbeitsleistung der Kurbelwelle, wenn man die bisher meist angewendeten Verbrennungskraftmaschinen
betrachtet, gewonnen wird. Die tatsächliche Arbeitsleistung liegt bei Ottomotoren
um 24°/o und bei DiesAmaschinen um 32°/o der Verbrennungswärme. Etwa 30°/o gehen
als Wärmeinhalt des Kühlmittels und etwa 25 bis 30°/o mit den Abgasen verloren;
dabei liegen die Strahlungs- und Leitungsverluste zwischen 5 und 10%.
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Die Erfindung hat sich u. a. die Aufgabe gestellt, die bisher bekannten
Brennkraftmaschinen kraftstoffunabhängig zu machen und die motorische Verbrennung
brennbarer Flüssigkeiten, flüssigkeitsähnlicher brennbarer Stoffe und von Reichgasen
mit einem hohen Vollständigkeitsgrad ablaufen zu lassen, i z. B. in Kolbenmotoren
mit einem Vollständigkeitsgrad
von mehr als 9o °/o, und auch schnell
laufende Kolbenmotore mit hochsiedenden Schwerölen zu betreiben.
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Erfindungsgemäß wird u. a. das Ziel erreicht, Gaserzeuger und Brennkraftmaschine
in der Weise zu einer organischen bzw. betrieblichen Einheit zu verbinden, daß das
Leistungsgewicht des Gaserzeugers nicht wesentlich über o,5 kg/PS bzw. o,i5 kg/iooo
kcal/h liegt. Im Gaserzeuger werden wasserhaltige brennbare Flüssigkeiten oder flüssigkeitsähnliche
brennbare Stoffe, gegebenenfalls auch wasserdampfhaltige Reichgase, so vernebelt,
verdampft und vergast, daß ein Brenn- bzw. Kraftgas mit z. B. hohem Heizwert, geringem
Gehalt an Inerten, hoher Zündgeschwindigkeit und großem Zündbereich entsteht. Gas
und Luft werden brennreif, d. h. zweckmäßig dosiert und gründlich gemischt, der
Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Es können beispielsweise folgende Stoffe vergast
werden: 70 bis g6°/@ger Äthylalkohol, Äthylalkohol-Glycerin-Gemische, Methylalkohol,
Methylalkohol-Äthylalkohol-Gemische u. dgl.
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Man hat früher bereits versucht, flüssige, hochsiedende Kohlenwasserstoffe,
wie Schweröle, durch Vergasen für die motorische Verbrennung vorzubereiten. Die
Öle wurden zu diesem Zweck teilweise mit Luft verbrannt, um die thermische Voraussetzung
für die Spaltung des Öles und für seine Umwandlung in Brenngas zu schaffen. Das
Öl wurde beispielsweise mit stark vorgewärmter Luft zerstäubt und mit dieser Luft
in einer Vergasungskammer, oft katalytisch begünstigt, teilverbrannt. Die durch
diese Teilverbrennung erzielten Temperaturen der Spaltkammer lagen zwischen Zoo
und iioo° C und reichten für die beabsichtigte Spaltung des Öles sowie für dessen
Vergasung aus. Der Luftzusatz betrug 2,25 1 je i g 01.
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Es ist bekannt, daß man auf diese Weise bestenfalls ein ölkarburiertes
Luftgas erhält. Außerdem sind die Vergasungsverluste, die durch die Abspaltung von
Kohlenstoff und Olteer zwangsläufig entstehen, verhältnismäßig hoch. Es wurde nun
versucht, die Vergasungsverluste dadurch heräbzudrücken, daß man die Teilverbrennungsluft
mit Wasserdampf sättigte oder auch neben Luft Wasser eindüste oder Wasserdampf einblies.
Man wollte so die Reaktion des bei der Spaltung frei werdenden Kohlenstoffes mit
Wasser zu Wassergas begünstigen. Dabei will man einerseits auf mechanisch beigemengtes
Wasser in Nebel- oder in Dampfform nicht verzichten, andererseits meint oft der
gleiche Erfinder, die Verwendung von Wasserdampf sei nicht unbedingt erforderlich,
könne ganz weggelassen,werden oder, wenn die für die Teilverbrennung notwendige
Zerstäubungsluft auf Temperaturen oberhalb 500°C, beispielsweise durch Wärmeaustausch,
vorgewärmt wird, auf einen geringen Bruchteil der sonst üblichen Menge eingeschränkt
werden. Es war naheliegend, diese innere Heizung, die immer zu einem Gas mit mehr
oder weniger hohem Gehalt an Inerten und mit verhältnismäßig geringem Heizwert führt,
durch die Außenbeheizung des Gaserzeugers zu ersetzen und die unerwünschten Spaltrückstände
durch die Wassergasreaktion mit Hilfe von eingedüstem Wasser oder von Wasserdampf
zu beseitigen. Solche Vorschläge gehen teilweise bis zum Ende des vorigen Jahrhunderts
zurück und tauchen in neuerer Zeit unter Benutzung moderner Vorrichtungen wieder
auf. In keinem Falle konnte die anzustrebende und erfindungsgemäß ermöglichte organische
Vereinigung einer Gaserzeugervorrichtung mit einer Verbrennungskraftmaschine erreicht
werden, da die bekannten Gas-, erzeuger und die meistens damit verbundenen Dampfentwickler
zu schwer und zu umfangreich und im Betrieb zu reaktionsträge waren.
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Schon die Bedingung, ein Gas mit einem Heizwert von mehr als 140o
kcal Nm3 zu erzeugen, schließt die Primärverbrennung des Kraftstoffes, beispielsweise
durch Vergasen mit Luft in einem Schwachgasgenerator üblicher Bauart, aus und setzt
Reaktionen voraus, die jenseits der Neutrokalore des Wa Ostwaldschen Vergasungsdreiecks
im endothermen Gebiet liegen und daher nur durch Außenbeheizung zu realisieren sind.
Die Leistungsgewichte der bisher üblichen ortsbeweglichen Generatoren bzw. Gaserzeuger
liegen im allgemeinen über 5 kgiPs, also weit über dem Leistungsgewicht, das als
ein Ziel für die Einrichtung nach der Erfindung anzusehen ist. Außerdem liegen die
Heizwerte wesentlich unter 25oo, kgjkcal/Nm3, der als unterer Grenzheizwert zu gelten
hat. Selbst wenn man berücksichtigt, daß die sogenannten Olgaserzeuger mit Außenbeheizung,
also mit den verlangten endothermen Gasreaktionen, Brenngase mit dem gewünschten
unteren Heizwert liefern, so entsprechen sie dennoch nicht den erfindungsgemäßen
Anforderungen an einen Gaserzeuger. Ihr Leistungsgewicht liegt selbst in den günstigsten
Fällen wesentlich über 2 kg/PS. Sie sind reaktionsträge und arbeiten mit
einem Vergasungswirkungsgrad um 65°;a. Das geringe Leistungsgewicht eines Gaserzeugers
für die Einrichtung nach der Erfindung wird durch Gasraumbelastungen erreicht, die
zwischen 2 bis 3 # ios kcal 'm3;'h liegen. Diese Gasraumbelastungen werden durch
die erfindungsgemäß erreichbaren hohen Wärmeübergänge sowohl im Verdampfer als auch
im Spaltrohr ermöglicht, die ihre Voraussetzungen wiederum in den hohen Reaktionsgeschwindigkeiten
haben, die im Mittel bei 5o m/sec liegen. Zum Vergleich mag darauf hingewiesen werden,
daß die bisher bekannten Gasraumbelastungen selbst bei stationären Höchstleistungsgeneratoren,
die mit sauerstoffangereicherter Luft betrieben werden, nicht wesentlich über o,75.
ioe kcal/m3/h liegen, während sich die Gasgeschwindigkeiten im Mittel um etwa 5
m/sec bewegen. Gemäß der Erfindung liegt ein Verdampferrohr im Gaserzeuger zentrisch
in einem runden bzw. annähernd kreisrunden Vergasungsraum. Die zu vergasenden Stoffe
werden mit hoher Geschwindigkeit in das Verdampferrohr eingedüst, wobei unerwünschte
Spaltvorgänge nicht auftreten können, weil die erforderliche Verdampfungswärme ausschließlich
durch Konvektion, unterstützt durch starke Wirbelung, zugeführt wird. Die verdampften
Stoffe treten an der Umkehrstelle des Verdampferrohres mit hoher Geschwindigkeit
aus und werden mit starken Wirbeln durch den Strahlungsraum des Spaltrohres geführt.
Da die Zufuhr der Vergasungswärme ausschließlich durch Strahlung erfolgt, ist die
gewollte leichte Anpassungsmöglichkeit des Gaserzeugers z. B. an den Betrieb der
Brennkraftmaschine ohne
weiteres gegeben, weil die Wärmeübertragung
durch Strahlung schneller beeinflußt werden kann als die durch Konvektion. Damit
werden hohe Vergasungsleistungen ohne störende Spaltreaktionen und ohne unerwünschte
Rückstandsbildung erzielt. Ordnet man zudem im Spaltraum noch eine katalytisch wirkende
Sperrschicht an, so wird ein hoher Vergasungswirkungsgrad auch bei stoßweise schwankenden
Belastungen gesichert. Die Sperrschicht kann unter Umständen ganz fortfallen, beispielsweise
dann, wenn mit Stoßbelastungen in nennenswertem Umfang nicht gerechnet zu werden
braucht. Das Verdampferrohr ist an der Eintrittsstelle der Vergasungsmittel mit
einer regelbaren injektorartig wirkenden Vorrichtung versehen, die es gestattet,
eine einstellbare Menge Reaktionsgas beliebig oft umzuwälzen und so Menge und Heizwert
oder andere gewünschte Eigenschaften des Endgases willkürlich zu beeinflussen. Die
Kraftstoffaufgabe kann beispielsweise durch dieBeeinflussung einesÜberströmventils
oder durch die Verstellung der Nockenwelle der zur Förderung des Brennstoffes benutzten
Pumpe mittels eines Fußpedals beeinflußt werden.
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Zweckmäßig wird die fühlbare Wärme des Brenn-bzw. Kraftgases und gegebenenfalls
auch die des Heizabgases zur zusätzlichen Sicherung der durch Außenbeheizung aufrechtzuerhaltenden
Vergasungstemperatur rekuperativ zurückgewonnen. Weiter ist es vorteilhaft, die
optimale Reaktionstemperatur des Vergasungsraumes durch einen Thermofühler, der
zweckmäßig an oder in der Nähe des Gasaustrittsstutzens angeordnet ist und der ein
Drosselorgan in der Gasleitung für die Außenbeheizung des Gaserzeugers steuert,
auf konstanter Höhe zu halten. In Abhängigkeit von Reaktionsraumbelastung und damit
von der je nachdem zu- oder abnehmenden Reaktionstemperatur schließt oder öffnet
das Drosselorgan die Leitung zum Brenner für die Außenbeheizung. Die Abgase der
Außenbeheizung können bei Motorenbetrieb durch einen injektorartig ausgebildeten
Auspufftopf der Verbrennungskraftmaschine abgesaugt werden. Damit erreicht man eine
zwangsläufige Abführung der Abgase in Abhängigkeit von der Gaserzeugerbelastung
und eine Unterstützung der Heizgasregulierung durch den Thermofühler. Als zweckmäßig
hat sich herausgestellt, das den Vergasungsraum bildende Vergaserrohr auf pulvermetallurgischem
Wege, z. B. aus Wolframkarbiden, herzustellen.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Zeichnung, die als Beispiel
in Fig. i eine Einrichtung zum Einbau in ein Kraftfahrzeug nach der Erfindung im
Längsschnitt in schematischer Form und in Fig. 2 den Gaserzeuger der Fig. i in größerem
Maßstab zeigt.
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Gemäß Fig. i fördert die Pumpe i den flüssigen Brennstoff nach dem
Gaserzeuger 2, in den er mittels der Düse 3 durch das injektorartig wirkende Verdampfeirohr
4 eingestäubt wird. Nach erfolgter Umsetzung im von außen beheizten Vergasungsrohr
5 verläßt das Kraftgas den Gaserzeuger und gibt seine Wärme im Wärmeaustauscher
6 an die Verbrennungsluft ab. In dem in den Weg des fertigen Gases eingeschalteten
Abscheider 7 sammelt sich etwa anfallendes Kondensat an, das der Verbrennungsluft
bei 8 zugeführt wird und dort verdampft. Ein Teil des Reaktionsgases wird abgezweigt
und dem Gasbrenner 9 zugeführt. Die Regelung der Pumpe erfolgt durch das Pedal io,
während die Drosselung der Heizgasmenge für die Außenbeheizung des Vergasungsraumes
5 durch den Thermofühler ii über das Drosselventil 12 erfolgt. Durch Verstellen
der Düse 3 in ihrer Längsachse bei 13 läßt sich die Menge des umlaufenden Fertiggases
und damit der Heizwert des Gases einstellen. Die Verbrennungsluft für die Außenbeheizung
wird vom Wärmeaustauscher 6 durch den als Rekuperator 14 ausgebildeten Mantel des
Gaserzeugers dem Brenner 9 zugeführt; Abgase und Reaktionsgas werden dabei weitgehend
abgekühlt. Die Abgase verlassen den Gaserzeuger bei 15 und werden dem Auspufftopf
zugeleitet. Die Motorabgase saugen bei 16 mittels eines Injektors die Abgase der
Außenbeheizung an. Der Gaserzeuger selbst, der als echter Vergaser zu gelten hat,
ist in Fig. 2 in größerem Maßstab dargestellt. Der zu vergasende Brennstoff gelangt
in die Düse 3, die an dem Ende des längs beweglichen Rohres 17 befestigt
ist, wird von ihr vernebelt und gelangt über das injektorartig wirkende Verdampferrohr
4 in das am unteren Ende geschlossene Reaktionsrohr 5. Das Verdampferrohr 4 ist
an seinem der Düse zugewandten Ende venturirohrartig ausgebildet und bildet mit
der Düse 3 eine Ringschlitzdüse. Das im Reaktionsrohr 5 entstehende Reaktionsgas
wird bei 18 abgeleitet. Da die Düse 3 verstellbar ist, läßt sich erreichen, daß
die durch das eingespritzte Vergasungsmittel wieder mitgenommene Gasmenge in weiten
Grenzen beliebig geändert werden kann und daß ein heizwertarmes oder -reiches Reaktionsgas
erzielt wird. Die erforderliche Reaktionswärme wird durch den Brenner 9 erzeugt,
dem das Heizgas durch die Leitung i9 zugeführt wird. Die erforderliche Verbrennungsluft
tritt bei 2o ein und strömt durch den Rekuperator 14 dem Brenner 9 zu. Die Brennerabgase
treten bei 21 in den Rekuperator ein, streichen durch die Züge 22 und treten bei
15 aus. Das Anheizen des Gaserzeugers kann durch elektrische Heizung oder mit Hilfe
einer Lötlampe bei 23 erfolgen. Das Verdampferrohr 4 ist bei 24 mit einer katalytisch
wirkenden Sperrschicht umgeben, die den vom Verdampfer- und Vergaserrohr gebildeten
Zwischenraum in passender Höhe ausfüllt. Das Verdampferrohr 5 ist mit Zwischenraum
von dem feuerfesten Körper 25 umgeben, der seinerseits mit dem Rekuperator 14 ummantelt
ist.
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Am Wesen der Erfindung wird nichts geändert, wenn das von dem Gaserzeuger
gelieferte Gas noch zu anderen Zwecken als der motorischen Verbrennung verwendet
wird oder wenn dem Gaserzeuger wasserdampfhaltige Reichgase, z. B. Erdgas, Spaltgas
oder sog. Flüssiggase, aus der Erdgas- bzw.Koksofengaszerlegung u. dgl. zugeführt
werden.