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Verfahren zur Erzeugung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff Die Erfindung
bezieht sich auf die Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthaltenden Gasgemischen.
durch- teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, mit freiem Sauerstoff im Verbrennungsraum
einer mit bestimmtem Arbeitszyklus arbeitenden Verbrennungskraftmaschine. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist von besonderem Nutzen für die Erzeugung von Kohlenmonoxyd und Wasserstoff
durch teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffgasen mit Luft, verhältnismäßig
reinem Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherter Luft; die dabei entstehenden
Erzeugnisse sind namentlich als Wasserstoffquelle oder als Ausgangsgas für die Synthese
von Kohlenwasserstoffen, Alkoholen oder Ammoniak geeignet.
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Man hat bereits vorgeschlagen, Gemische aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff
durch Teilverbrennung von Kohdenwasserstoffen mit freiem Sauerstoff durch Einleitung
der Gemische oder einzelner ihrer Bestandteile nacheinander in Kolben-Verbrennungsmotoren,
Verdichtung und Zündung der Gemische unter erhöhtem Druck herzustellen,
wobei
auch. Dampf mit eingeleitet wurde. Nach einer Ausführungsform dieses Verfahrens
hat man z. B. vorgeschlagen, erst den Kohlenwasserstoff in den Zylinderraum einzuleiten
und, das sauerstoffhaltige Gas kurz vor Erreichung des oberen Totpunktes teilweise
zuzuführen und alsdann den. Inhalt des Zylinderraumes zu zünden, während der Rest
des sauerstoffhaltigen. Gases erst nachher unter allmählichem Fortschreiben der
Verbrennung zugeführt wurde, oder man hat auch umgekehrt erst das sauerstoffhaltige
Gas verdichtet und nachträglich den Kohlenwasserstoff zugeführt: Nach der Verbrennung
werden in jedem Falle die Verbrennungsprodukte ausgestoßen, vorzugsweise unter Verkleinerung
des Verbrennungsraumes, und dieser gesamte Vorgang wird fortlaufend wiederholt,
um die aus Kohlenmonoxyd und Wasserstoff bestehenden Verbrennungsprodukte laufend
weiter zu erzeugen Nach vorliegender Erfindung wird bei diesem Vorgang ein. Kühlmittel,
das keinen freien Sauerstoff enthält, in den Zylinder des Motors eingeleitet, nachdem
wenigstens die Hauptmenge der Verbrennungsprodukte abgeströmt ist, jedoch vor Einleitung
frischen sauerstoffhaltigen Gases in den Zylinder. Der Zweck dieser Maßnahme ist
eine Abkühlung des Verbrennungsraumes und eine Verhütung von Frühzündungen der Gasladungen
unmittelbar nach- den- Abgeben der Verbrennungsprodukte und vor der Einführung von
Sauerstoff.
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Als Kühlmittel spritzt man: vorzugsweise eine Flüssigkeit in den Verbrennungsraum
ein. Wasser oder flüssige Koblenwasserstoffe sind dafür besonders brauchbar; man
kann aber auch Wasserdampf von. nicht zu hoher Temperatur einblasen. Der entstehende
oder der eingeblasene Wasserdampf bietet noch den Vorteil, daß er als Spülmittel
für die Verbrennungsprodukte wirkt und daß er von den ausgestoßenen, gasförmigen
Gemischen leicht wieder durch Kondensation abgetrennt werden kann. Wenn man so die
Flüssigkeit während des Auspufftaktes, d. 'h. während des Ausstoßens der Verbrennungsprodukte;
zuführt, so werden die heißen. Stellen im Verbrennungsraum der Maschine gut abgekühlt
und die Verbrennungsprodukte vollständig aus dem Verbrennungsraum weggeführt. Da
der Wasserdampf einen nutzbringenden, in festgelegten Mengenverhältnissen regelbaren
Reaktionsteilnehmer darstellt und ein Überschuß von ihm, wie bereits gesagt, aus
den Verbrennungsgasen leicht zu entfernen ist, ist eine. genaue Bemessung des Wassers
oder Dampfes nicht notwendig.
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Eine Zufuhr der Reaktionsteilnehmer in den Verbrennungsraum nacheinander
in der Art, daß die Hauptmenge der Kahlenwas-serstoffe vor dem Sauerstoff eirgefübrt
wird, dient ebenfalls dazu, die Restgase und Beißern Stellen im Verbrennungsraum
abzukühlen und Frühzündungen zu vermeiden.
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Die für das einwandfreie Arbeiten der Maschine erforderliche Sauerstoffmenge
beträgt im allgemeinen etwas mehr als die Menge, die auf Grund stöchiometrischer
Berechnungen theoretisch für die Umwandlung des gesamten Eohlenwasserstoffbetriebstofts
in Kohlenmonoxyd und Wasserstoff erforderlich ist. Im allgemeinen braucht man etwa
5 bis 5o'/o, mehr Sauerstoff, als die theoretische Menge beträgt. Der Sauerstoffbedarf
ändert sich mit der Bauart der Maschine und liegt für Hochkompressionsmaschinen
niedriger als für Niederkompressionsmaschinen. Am besten wird der Sauerstoffbtdarf
für jede Maschine im Versuch festgestellt. Zuviel Sauerstoff verursacht Fehl- oder
Frühzündung, während zuwenig Sauerstoff die übermäßige Bildung von Verbrennungsrückständen
und damit ein Verrußen der Zündkerze zur Folge hat. Zur Erzielung von Höchstausbeuten.
an Kohlenmonoxyd und Wasserstoff ist .es wünschenswert, mit Sauerstoffmengen, zu
arbeiten, die den theoretisch festgelegten möglichst nahekommen. Ein besonderer
Gedanke der vorliegenden Erfindung ist es, einen kleinen. Teil der gesamten Sauerstoffbeschickung
so in den Verbrennungsraum der Maschine einzuführen, daß er in die unmittelbare
Nachbarschaft der Zündkerze gelangt, wodurch ein Absetzen. von Kohlerückständen
an dieser Stelle lind ein Verrußen der Zündkerze vermieden wird. Diese Sauerstoffteilmenge
wird nach der Verdichtung der aus Kohlenwasserstoff und der Hauptmenge des Sauerstoffs
bestehenden. Beschickung und ungefähr im Zeitpunkt der Zündung eingeführt.
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Bei technischen Verfahren, die Wasserstoff, Kohlenmonoxyd oder Gemische
von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd verwenden, ist es im allgemeinen erwünscht, daß
die Gase unter hohem Druck zur Verfügung stehen. -Es wurde gefunden, daß die Verbrennungsmaschine
mit Auspuffdrucken bis zu 7 kg/cm2 betrieben werden. kann. Erfindungsgemäß werden
Drucke bevorzugt, die .im Bereich von 3,5kg/cm2 bis 71cg/cm2 liegen. Es werden.
auch entsprechend erhöhte Ansaugdrucke verwendet.
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Zur näheren Erläuterung der Einzelheiten der Erfindung wird auf die
beiliegende Zeichnung verwiesen, in der Fig. i einen senkrechten: Schnitt auf der
Linie i- i (Fig. 2) und Fig. 2 einen waagerechten Schnitt auf der Linie 2-2 (Fig.
i) durch den Zylinder einer die Grundzüge der vorliegenden Erfindung verkörpernden
Verbrennungsmaschine darstellt und Fig. 3 die schematische Darstellung eines typischen
Arbeitsganges ist.
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In der in Fig. i und 2 dargestellten Maschine, die auch mehrere Zylinder
umfassen. kann, enthält ein einzelner Zylinder io einen: sich senkrecht auf und
ab bewegenden Kolben i i, der durch Bolzen 12 und Pleuelstange 13 mit einer nicht
gezeigten Kurbelwelle verbunden ist, die die anfallende mechanische Energie aufnimmt.
In dem Zylinderkopf 15 führen vier getrennte Ventile 16, 17, iä und i9 jeweils zu
den einzelnen Rohren 20, 21, 22 und 23.
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Der Sauerstoffzufuhrstrom stellt, wie früher betont, vorbeilhafter"veise
ein angereichertes oder rektifiziertes, vorwiegend aus molekular,-in oder
freiem
Sauerstoff bestehendes Gas dar. Dieses Gas enthält vorzugsweise über 8o 11/o Sauerstoff;
wünschenswert ist ein Prozentsatz von über 9o bis 951/o Sauerstoff. Das Ergebnis
ist ein Erzeugnis, welches aus einem s-e r reinen Wass-erstoff-Kohlenmonoxyd-Gemisch
besteht, das von schwer abtrennbai-en, verunreinigenden Gasen, wie Stickstoff, im
wesentlichen frei ist.
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Bei der dargelegten Ausführungsform nimmt das Rohr 2o das Gasprodukt
durch Auspuffventil 16 auf. Rohr 21 liefert einen Strom von reinem Sauerstoff und
Rohr 23 einen Strom gasförmigen Kohlenwasserstoffs. Rohr 22 liefert unter
Druck stehenden Dampf durch Ventil 18.
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Die Zündung wird vermittels einer Zündkerze 25 bewirkt, die mit einer
nicht gezeigten elektrischen Zündvorrichtung verbunden ist und zeitlich so betätigt
wird, wie nachstehend näher beschrieben.
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Die Ventile 17, i8 und i9 sind vorzugsweise, wie durch 26, 27 und
28 angegeben, verkleidet mit ringförmig angeordneten Vorsprüngen, die dazu dienen,
durch ein Zuführen oder Einströmenlassen in ungefähr gleicher Drehrichtung in bezug
auf die Zylinderachse ein starkes Durcheinanderwirbeln und dadurch vollständiges
Mischen der zugeführten Reaktionsteilnehmer zu gewährleisten. Natürlich bildet die
genaue Anordnung oder Konstruktion. an sich der Mischvorsprünge keinen wesentlichen
Teil der vorliegenden Erfindung, und deshalb wird diese Konstruktion nicht in ihren
Einzelheiten gezeigt. Es wurde jedoch gefunden, daß sich Vorsprünge, die sich ringförmig
über einen Bereich von 9o bis iSo° der Ventilfläche erstrecken, wirkungsvoll sind,
wenn sie allgemein in der gleichen Drehzich.tung gerichtet sind. Diese Bauweise
aber kann offensichtlich in weiten Grenzen abgewandelt werden, um die richtig:-,
Mischwirkung zu gewährleisten. Zu diesem Zweck können aber auch. Richtsaugöffnungen
und/oder wirbelerzeugende Zylinde rkopfanordnungen verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nicht
gezeigte Vorkehrungen für eine Steuerung der Ventile und der Zündung gemäß des in
Fig. 3 dargestellten Schemas getroffen.
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In diesem Schema wird der gesamte Arbeitsgang einer Viertaktverbrennungsmaschine
dargestellt, wobei von Punkt A an im Uhrzeigers.inn vorgegangen wird.
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Die senkrechte Linie 36 zeigt die winkelmäßige Stellung der Zylinderachse
des Verbrennungsmotors an. Punkt 29 stellt deshalb den: oberen und Punkt 38 den
unteren. Totpunkt dar. In Übereinstimmung damit enthält die Winkelbewegung auf der
rechten Seite der Linie 36 ungefähr den Ansaug- und Verbren.nungs- oder Verpuffungsvorgang
des Arbeitsganges, wohingegen sich die gegenüberliegende Seite des Schemas im allgemeinen
auf den Verdichtungs- und Auspuffvorgang bezieht.
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Beginnt man mit dem Auspuffvorgang bei der Winkelstellung A, so öffnet
sich das Auspuffventil vorzugsweise, aber nicht unbedingt, ein: wenig vor dem unteren
Totpunkt und bleibt geöffnet ungefähr für die Dauer der gesamten Aufwärtsbewegung
des Kolbens - wie dies durch das gestrichelte Feld dargestellt wird -, während der
die im vorigen Arbeitsgang erzeugten Verbrennungsprodukte durch das Auspuffventil
16 in das Auspuffrohr 20 abfließen. In dem dargestellten Arbeitsgang öffnet sich
das Auspuffventil bei 20° vor dem unteren Totpunkt und schließt sich bei io° vor
dem oberen Totpunkt, wie durch die Winkelentfernungen 30 bzw. 31 angegeben.
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Wenn die Winkelstellung bei Punkt G mit 300 vor dem .oberen Totpunkt,
d. h. 20° vor dem Schließen des Auspuffventils, erreicht ist, öffnet sich das Dampfein:laßventil
18, und die restlichen Verbrennungsprodukte werden durch das Auspuffventil 16 ,hinausgespült.
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Ungefähr am Totpunkt, vorzugsweise ein wenig davor, nämlich bei der
Winkelstellung B, öffnen sich sowohl das Kohlenwasserstoffgaseinlaßventil i9 als
auch das Sauerstoffventil 17, und die unter Druck befindlichen Reaktionsteilnehmer
strömen, aus den Rohren 21 und 23 kommend, ein:. Die Zufuhr der Reaktionsteilnehmer
beginnt im Falle der beschriebenen besonderen Ausführungsform bei der Winkelentfernung
31 mit io° vor dem oberen Totpunkt und dauert an während des ganzen gestrichelten
Verlaufes dies Arbeitsganges bis zu der Winkelstellung F, vorzugsweise ungefähr
bis zum oder kurz nach dem unteren. Totpunkt, und in dem beschriebenen, besonderen
Falle bis 15° nach- dem unteren Totpunkt, wie durch den Kreisbogen 35 angegeben..
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Nach diesem Punkt macht die Maschine bei geschlossenen Ventilen eine
fast völlige Umdrehung, während der die gemischten Gase verdichtet, bei Punkt 40
gezündet und danach verbrannt werden, wie dies die Linie angibt, die sich bis zur
Winkelstellung A fortsetzt, von wo aus der Viertaktarbeitsgang wiederholt wird.
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Wie oben angegeben, ist die Öffnungsdauer des Dampfeinlaßventils nicht
besonders kritisch, da geringe, von den Verbrennungsprodukten durch das Auspuffrohr
:2o mitgerissene Wasserdampfmengen durch Kondensieren leicht zu entfernen sind.
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Es versteht sich von. selbst, daß die in dem oben beschriebenen besonderen
Beispiel festgelegte Steuerung der Ventile und der Zündung erheblich abgeändert
werden kann; z. B. kann das Öffnen des Auspuffventils irgendwo zwischen q.o° vor
und q.0° nach dem unteren Totpunkt, vorzugsweise aber mindestens bei i o° vor dem
unteren Totpunkt, stattfinden. Während das Auspuffventil im Regelfall ungefähr am
oberen Totpunkt geschlossen wird, kann es gemäß dien Eigenschaften der Maschine
so eingestellt werden, daß es zwischen 20° vor bis 2o° nach, dem oberen Totpunkt
geschlossen wird.
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Zur Erzielung einer wirkungsvollen Ladung mit Reaktionsteilnehmern
werden das Kohlenwasserstoffgasventil und das Sauerstoffventil vorteilhafter-weise
ungefähr an oder vor dem oberen Totpunkt geöffnet, so z. B. bei 20° vorher. Das
Sauerstoff- und das Kohlenwasserstoffeinlaßventil
können vor oder
vorzugsweise ein: wenig nach dem unteren Totpunkt, z. B. bei io° oder auch, noch
bei 20° danach, geschlossen werden. Der Zündpunkt q.o hängt von den bekannten Grundzügen
der Bauart und der Arbeitsweise der Maschine ab, die als solche keinen Teil der
Erfindung bilden. Deshalb wird die Zündsteuerung vorzugsweise unter gebührender
Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Maschine und anderer ihrer Eigenschaften
auf die Entwicklung eines Höchstwertes von mechanischer Energie eingestellt. Beispiel
Erdgas wird in einem Motor-Gaserzeuger als Brennstoff verwendet. Die Zusammensetzung
des Erdgases ist wie folgt:
| Methan . . . . . . . . . . . . . . 84,6 Malprozent |
| Äthan ............... 7,3 - |
| Propan ......... . .... 5,1 - |
| Kohlendioxyd . .... ... 1,6 - |
| Luft ....... ... .. .. .. . 1,4 - |
Das Gas wird aus dem Einlaßrohr23 unter einem Druck von 3,7 kg/cm2 in den Zylinder
geleitet. Sauerstoff von einem Reinheitsgrad von 99,5 Molprozent wird aus dem Einlaßrohr
21 unter einem Druck von 5,4 kg/cm2 in den Zylinder geleitet. Das Erdgas und der
Sauerstoff werden in einem Verhältnis von i,511/a. oder von
0,75 Mol Sauerstoff
auf i Mol Kohlenstoff im Zufuhrgas in den Zylinder der Maschine geleitet. Dampf
mit einem Druck von 4,2 kg/cm2 wird als Spülmittel verwendet.
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Das Gasprodukt wird mit einem Druck von 2,8 kg/cm2 aus der Maschine
abgegeben. Es hat folgende Zusammensetzung:
| Kohlenmonoxyd ...... 32,0 Molprozent |
| Kohlendioxyd . .. .. .. . 8,2 - |
| Wasserstoff ... .. .. ... 59,2 - |
| Stickstoff ............ 0,4 - |
| Methan ............. 0,2 - |
Das Ausspülen mittels Wasserdampf ergibt einen reibungslosen Arbeitsgang ohne Kohlebildung,
dessen Ablauf man voraussagen kann. Die Maschine zeigt keine Neigung zu Fehlzündungen
oder zum Klopfen. Es gibt keine Störungen auf Grund von spontaner Zündung.
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Wie oben angegeben, sind bei der vorliegenden Erfindung besonders
ein normalerweise gasförmiger Kohlenwasserstoff, wie Methan und die Kohlenwasserstoffe
von C2 bis C4, wie sie z. B. im Erdgas zu finden sind, als Betriebsstoff für die
Maschine ins Auge gefaßt. Allgemein jedoch können die Zufuhrgase gasförmige oder
dampfförmige Kohlenwasserstoffe, z. B. normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffe,
enthalten, die gasförmig und stark vorerhitzt zugeführt werden.
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Vorerhitzen eines oder aller Reaktionsteilnehmer und des Dampfes auf
Temperaturen zwischen i5o und. 32o° und höher ist besonders als ein Mittel zur Verbesserung
der Wärmewirksamkeit anzusehen. Es muß erwähnt werden, daß trotz des Vorerhitzens
die Temperatur des Dampfes wesentlich geringer als die des restlichen Verbrennungsgemisches
ist, so daß die Anfangskühlung oder -abschreckung bis in einen Bereich hinein eintritt,
wo ungesteuerte Zündung verhindert wird. Es ist daher deutlich zu e 'kennen, r daß
das vorliegende Verfahren ein wesentliches und erwünschtes Vorerhitzen der Reaktionsteilnehmer
ermöglicht, ohne daß dabei eine Neigung zu Fehl- oder Frühzündungen auftritt, die
sonst bei dem gleichzeitigen Einführen von verhältnismäßig stark erhitztem Methan,
und Sauerstoff in den Verbrennnungsraum eintreten würde.
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Trotz des Umstandes, daß ins einzelne gehende Beispiele für eine Viertaktmaschine
gegeben worden sind, dürfte es doch klar sein, daß die Erfindung in ihrer Anwendbarkeit
nicht hierauf beschränkt ist, da das Zuführen der Reaktionsteilnehmer vor, während
oder nach der Verdichtung und vor der Zündung gemäß der üblichen Praxis des Gasmaschinenbaues
vorgenommen werden kann. Zum Beispiel können. Vorkehrungen getroffen werden, um
die Dampf-, Methan- und Sauerstoffzufuhr am untersten Punkt des Auspufftaktes einer
Zweitaktmaschine erfolgen zu lassen, derart, daß Sauerstoff und Methan nach dem
Einblasen dies Dampfes zugeführt werden.
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Das Einblasen von Dampf bewirkt einen gemessenen und festgelegten
Gehalt an Wasserdampf in dem Reaktionsgemisch, das gezündet werden soll. Im allgemeinen
kann der Wasserdampfgehalt bis zu ioo°/a des Molarvolumens des freien molekularen,
der Maschine zugeführten Sauerstoffs betragen.
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In der vorstehenden,, ins einzelne gehende Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde Dampf als Beispiel für ein Kühl-
und, Spülmittel angeführt. Selbstverständlich können auch andere Spülgase, z. B.
Kohlendioxyd, Methan, Luft u. dgl., die für das Enderzeugnis nicht schädlich sind,
durch Rohr 22 als Kühl- und/oder Spülmittel zugeführt werden.
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Ähnlich kann, wie oben darauf hingewiesen, das Ventil i9 vor dem Öffnen
des Ventils 17 geöffnet werden, damit der gasförmige I#,'oh,lenwasserstoffbetriebsstoff
vor dem Einführen von relativ reinem, aus Rohr 21 kommendem Sauerstoff in den Verbrennungsraum
der Maschine eingeführt werden kann. -In, der auf die Zeichnung bezüglichen Beschreibung
sind die bevorzugten Ventilverkleidungen so angeordnet, daß sie einen. in einer
einzigen Richtung erfolgenden. Wirbel erzeugen. Die sehr erwünschte innige Mischung
der Reaktionsteilnehmer kann auch so verwirklicht werden, daß man die Ventilverkleidungen
in entgegengesetzten Drehbewegungen anordnet, um ein in. entgegengesetzten Richtungen
erfolgendes Wirbeln der eingeführten Reaktionsteilnehmer zu veranlassen. In der
Tat scheint es, daß entgegengesetzt erfolgendes Wirbeln eine etwas innigere Mischung
besorgt. Demgemäf bezieht sich die vorliegende Erfindung auf jede beliebige Kombination
von Wirbelbewegungen., die
in wirksamer Weise das gewünschte Mischen
und die Verbrennung verwirklichen.
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Selbstverständlich können viele Abwandlungen und Abänderungen der
oben; beschriebenen Erfindung vorgenommen werden, ohne daß dadurch der Grundgedanke
der Erfindung verlassen wird.