EP0047008A1 - Process for the complete combustion (oxidation) of carbonaceous fuels producing less aggressive agents - Google Patents

Process for the complete combustion (oxidation) of carbonaceous fuels producing less aggressive agents Download PDF

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EP0047008A1 EP81106793A EP81106793A EP0047008A1 EP 0047008 A1 EP0047008 A1 EP 0047008A1 EP 81106793 A EP81106793 A EP 81106793A EP 81106793 A EP81106793 A EP 81106793A EP 0047008 A1 EP0047008 A1 EP 0047008A1
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Abstract

In this method of complete combustion the concentration of noxious substances, such as CO for example, in the exhaust gases is measured. Oxygen is accordingly added to the air for combustion until the concentration of the noxious substances in the exhaust gases has fallen to a predetermined value. If at the same time engine power must remain constant, the fuel flow and air flow are also regulated. The apparatus for carrying out this method consists above all of a measuring device (7) for noxious substances, which is disposed in an exhaust pipe (5) and of a regulating amplifier (10) which is controlled by said measuring device and which controls the supply of oxygen from a storage tank (13) by means of a servomotor (11) and a regulating valve (12) to an air and oxygen mixer (2). If engine power has to remain constant, the fuel flow and air for combustion are adjusted by means of an adjusting device (19) controlled by the engine power and of a control valve (16) regulated by said device by means of the regulating amplifier (10). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum vollkommenen schadstoffarmen Verbrennen (Oxidation) von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bei gleichzeitiger Verminderung des Brennstoffverbrauchs.The invention relates to a method for the complete low-emission combustion (oxidation) of carbon-containing fuels with a simultaneous reduction in fuel consumption.

Es ist bekannt, kohlenstoffhaltige Brennstoffe unter Zumischung von Luft als Sauerstoffträger zu verbrennen. Ein solcher Verbrennungsvorgang läßt sich in zwei Bereiche aufteilen:

  • 1. in eine partielle Verbrennung und
  • 2. in eine vollständige Verbrennung.
It is known to burn carbon-containing fuels with the addition of air as an oxygen carrier. Such a combustion process can be divided into two areas:
  • 1. in a partial combustion and
  • 2. in complete combustion.

Der Unterschied erklärt sich aus der ausreichenden oder mangelhaften Anwesenheit von Sauerstoff. Ist bei der Verbrennung, z.B. zur Erzeugung thermischer Energie, ausreichend Sauerstoff für einen stöchiometrischen Umsatz vorhanden, so verläuft die Verbrennung vollständig und es bleibt kein unverbrannter Brennstoff zurück. Aus Sauerstoff und Kohlenstoff bildet sich dann Kohlendioxid (C02) Dieses farblose und natürlicherweise wegen des vollständigen chemischen Umsatzes unbrennbare Gas ist in den sich einstellenden Konzentrationen nicht giftig, zumal es auch in der Luft ( 0,03 Vol.-% ) vorkommt.The difference can be explained by the sufficient or insufficient presence of oxygen. If there is sufficient oxygen for a stoichiometric conversion during the combustion, for example for the generation of thermal energy, the combustion proceeds completely and no unburned fuel remains. Oxygen and carbon then form carbon dioxide (C0 2 ). This colorless gas, which is naturally incombustible due to the complete chemical conversion, is not toxic in the concentrations that occur, especially since it also occurs in the air (0.03% by volume).

Kohlendioxid ist von erheblicher Bedeutung für den pflanzlischen und tierischen Organismus und Stoffwechsel. Beim Atmungsvorgang von Mensch und Tier wird Luftsauerstoff aufgenommen und C02 abgegeben. Die Pflanzen dagegen nehmen C02 aus der Luft auf und geben nach unterschiedlichen Synthesen Sauerstoff ab, d.h. hier verläuft die Reaktion in umgekehrter Richtung. Man kann in diesem Zusammenhang von sauerstoff-verbrauchenden und sauerstoff-erzeugenden Vorgängen sprechen, die sich ausgleichen.Carbon dioxide is of considerable importance for the plant and animal organism and metabolism. When humans and animals breathe, atmospheric oxygen is absorbed and C0 2 released . The plants, on the other hand, take up CO 2 from the air and release oxygen after various syntheses, ie the reaction proceeds in the opposite direction. In this context, one can speak of oxygen-consuming and oxygen-generating processes that balance each other out.

Bei der unvollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Stoffen entsteht neben dem C02 auch das hochgiftige Kohlenmonoxid 00, das geruch-und farblos, wegen der aber nur teilweisen Oxidation noch brennbar ist.Außerdem entstehen neben diesem;Giftstoff noch andere, die Umwalt belastende Schad- und Schmutzstoffe, deren Wirkung im einzelnen noch nicht restlos geklärt ist.The incomplete combustion of carbonaceous substances creates not only the C0 2 but also the highly toxic carbon monoxide 00, which is odorless and colorless, but is still flammable because of the only partial oxidation whose effects have not yet been fully clarified.

Es war die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum vollkommenen schadstoffarmen Verbrennen (Oxidation) von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen vorzuschlagen, das die Nachteile der alten bekannten Verfahren nicht mehr aufweist. Dieses Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß die Konzentration der erzeugten Schadstoffe im Abgasstrom gemessen und nach Maßgabe dieser Meßwerte solange Sauerstoff in steigender Menge dem Brennstoffbereich zugeführt wird, bis die im Abgas gemessene Konzentration an Schadstoffen bis auf einen vcrgegebenen Wert zurückgegangen ist.It was the object of the invention to propose a method for the complete low-emission combustion (oxidation) of carbon-containing fuels, which no longer has the disadvantages of the old known methods. According to the invention, this method consists in that the concentration of the pollutants produced is measured in the exhaust gas stream and, in accordance with these measured values, an increasing amount of oxygen is fed to the fuel area until the concentration of pollutants measured in the exhaust gas has decreased to a given value.

In weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Konstanthaltung der Verbrennungsleistung gleichzeitig mit der Messung der Schadstoff-Konzentration im Abgas die Brennstoffmenge in Abhängigkeit von der Motorleistung zusätzlich geregelt und die Luftmenge entsprechend diesem Wert eingestellt.In a further embodiment of the method according to the invention, the amount of fuel is additionally regulated as a function of the engine power and the amount of air is adjusted in accordance with this value in order to keep the combustion output constant, simultaneously with the measurement of the pollutant concentration in the exhaust gas.

Mit diesen Maßnahmen ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig mehrere Vorteile. Der Brennstoff oder Kraftstoff wird optimal ausgenutzt, d.h. die Verbrauchswerte pro Arbeitseinheit werden auf den geringstmöglichen Wert vermindert. Die Bildung eines hochgiftigen Gases wird z.B. unmöglich, eine diesbezügliche Schädigung der Umwelst ist also ausgeschlossen. Weiterhin werden andere Schadstoffe nicht gebildet und die Umwel t wird auch dadurch nicht belastet.With these measures, there are several advantages in the method according to the invention at the same time. The fuel or fuel is used optimally, i.e. the consumption values per work unit are reduced to the lowest possible value. The formation of a highly toxic gas is e.g. impossible, damage to the environment in this regard is therefore impossible. Furthermore, other pollutants are not formed and the environment is not polluted.

Im allgemeinen wird bei einem Verbrennungsvorgang der nötige Sauerstoff als Luft beigegeben. Luft besteht aber aus einem Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch im Volumenverhältnis 78:21, wenn man von den Edelgasen absieht. Dadurch ist der Verbrennungsvorgang in seinem Verlauf und in seiner Intensität durch die Stoffeigenschaften vorbestimmt, wobei der Sticksto£fanteil an der Erzeugung der freien Energie nicht teilnimmt, vielmehr die Verbrennungstemperatur mindert. Will man mehr Sauerstoff für eine verbesserte Verbrennung dem Stoff zumischen, um bei einer luftüberschußzahl von über 1 mehr Sauerstoff pro Stoffanteil zu erreichen, so muß dem Sauerstoff die vierfache Menge an Stickstoff beigegeben werden, wodurch Verbrennungstemperatur und Wirkungsgrad sinken. Vergrößert man aber die Gesamtmenge der Luft, so muß diese vergrößerte Menge durch zusätzliche Maschinen (Kompressoren, Turbinen) gefördert werden, die, bezogen auf die zusätzliche Sauerstoffmenge, die fünffache Menge Luft fördern müssen.In general, the necessary oxygen is added as air during a combustion process. However, air consists of a nitrogen-oxygen mixture in a volume ratio of 78:21, apart from the noble gases. As a result, the course and intensity of the combustion process are predetermined by the properties of the substance, the nitrogen component not participating in the generation of the free energy, but rather reducing the combustion temperature. If you want to add more oxygen to the substance for an improved combustion, in order to achieve more oxygen per substance fraction with an excess air ratio of more than 1, four times the amount of nitrogen has to be added to the oxygen, as a result of which the combustion temperature and efficiency decrease. If, however, the total amount of air is increased, this increased amount must be conveyed by additional machines (compressors, turbines) which, based on the additional amount of oxygen, have to convey five times the amount of air.

Es ist daher zweckmäßiger, den Sauerstoff z.B. aus einer Flasche zuzugeben, bis der in der Meßsonde angezeigte Wert der Konzentration an Schadstoffen, z.B. an C0, auf ein vorgegebenes Minimum absinkt.It is therefore more convenient to e.g. add from a bottle until the value of the concentration of pollutants, e.g. at C0, drops to a predetermined minimum.

Das Prinzip der Erfindung ist einfach und z.B. bei Fahrzeugmotoren ohne großen technischen Aufwand anwendbar. Man installiert im Abgaskanal eine Meßsonde für den Schadstoff und gibt das erhaltene Signal über eine Regelstrecke auf ein Regelventil, z.B. ein Feindosierventil. Dieses wird z.B. in den Ansaugkanal hinter dem Filter vor dem Verbrennungsraum eingebaut. Die Dosierung des Sauerstoffs erfolgt dann so, daß bei optimaler Verbrennungsgeschwindigkeit eine vollkommene Verbrennung durch ausreichend vorhandenen Sauerstoff entsteht.The principle of the invention is simple and e.g. applicable to vehicle engines without great technical effort. A measuring probe for the pollutant is installed in the flue gas duct and the signal received is sent via a controlled system to a control valve, e.g. a fine metering valve. This is e.g. installed in the intake duct behind the filter in front of the combustion chamber. The oxygen is then metered in such a way that, at the optimum rate of combustion, complete combustion is achieved through sufficient oxygen.

Man kommt daher bei gleicher Leistung mit einer geringeren Menge an Treibstoff aus, um z.B. die gleiche thermische Energie zu erzeugen. Dadurch, daß der Sauerstoff aus einer im Fahrzeug mitgeführten Flasche zugedüst wird, kann selbst bei stark verschmutztem Luftfilter eine einwandfreie Verbrennung des Treibstoffes erreicht werden.You can therefore get by with the same performance with a smaller amount of fuel, for example the same ther to produce mixed energy. Because the oxygen is injected from a bottle carried in the vehicle, proper combustion of the fuel can be achieved even when the air filter is very dirty.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind demnach:

  • 1. die optimale Verwertung des Brenn- und Kraftstoffes, dadurch
  • 2. die Minimierung des Verbrauches an Brennstoff und die Einsparung von wertvollen und kostspieligen Energieträgern,
  • 3. keine Erzeugung von hochgiftigen Gasen, daher
  • 4. die Anwendung auch in geschlossenen Räumen,
  • 5. die Vermeidung der Schadstoff-Emissionen und
  • 6. eine wirtschaftlich bessere Ausnutzung des Brennstoffes.
The advantages of the method according to the invention are accordingly:
  • 1. the optimal utilization of the fuel and fuel, thereby
  • 2. minimizing the consumption of fuel and saving valuable and costly energy sources,
  • 3. No generation of highly toxic gases, therefore
  • 4. use in closed rooms,
  • 5. avoiding pollutant emissions and
  • 6. an economically better utilization of the fuel.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil bei der Verbrennung von festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl oder Erdgas Verwendung finden.The method according to the invention can advantageously be used in the combustion of solid, liquid and gaseous fuels such as coal, petroleum or natural gas.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein Schadstoff-Meßgerät in der Abgasleitung und einen durch das Meßgerät gesteuerten Regelverstärker zur Zufuhr von Sauerstoff aus einem Vorratsbehälter über einen Stellmotor und ein Regelventil zu einem Mischgerät.A device for performing the method according to the invention is characterized by a pollutant measuring device in the exhaust pipe and a control amplifier controlled by the measuring device for supplying oxygen from a storage container via a servomotor and a control valve to a mixing device.

In weiterer Ausbildung ist diese Vorrichtung gekennzeichnet durch ein Meßgerät zur Bestimmung der Motorleistung und ein in Abhängigkeit davon geregeltes Einstellungsgerät zur Festlegung der Brennstoffmenge sowie durch ein von diesem Gerät über den Regelverstärker geregeltes Steuerventil für die Einstellung der Menge der Verbrennungsluft.In a further embodiment, this device is characterized by a measuring device for determining the engine output and a setting device, which is regulated as a function thereof, for determining the amount of fuel, and by a control valve, which is regulated by this device via the control amplifier, for setting the amount of combustion air.

In Bild 1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum vollkommenen schadstoffarmen Verbrennen von flüssigen kohlenstoffhaltigen Brennstoffen dargestellt. Der flüssige Brennstoff B'gelangt nach Einstellung der Menge durch ein Steuergerät 1 in ein Mischgerät 2. Hier wird er mit der gleichfalls zugeführten Luftmenge 1 gemischt und einem Motor 3 zugeführt, wo er zur Erzeugung von Energie verbrannt wird. Der Motor 3 treibt eine Maschine 4 an, das Abgas A geht durch eine Abgasleitung 5 über einen Auspuff 6 nach außen.In Figure 1, for example, is a device for through leadership of the method according to the invention for the complete low-emission combustion of liquid carbonaceous fuels shown. After the amount has been set, the liquid fuel B ′ arrives in a mixing device 2 by means of a control device 1. Here it is mixed with the air amount 1 that is also supplied and fed to a motor 3, where it is burned to generate energy. The engine 3 drives a machine 4, the exhaust gas A passes through an exhaust pipe 5 via an exhaust 6 to the outside.

In einem CO-Meßgerät 7 wird die Konzentration an CO im Abgas dauernd gemessen. Die Meßimpulse werden nach Umwandlung in einem Kompensator 8 über ein integral wirkendes Zeitglied 9 einem Regelverstärker 10 zugeführt. Liegt der gemessene CO-Wert über 0 %, so gibt der Regelverstärker 10 eine Spannung zu dem Stellmotor 11. Dieser betätigt ein Regelventil 12, das bei Öffnung Sauerstoff aus einem Vorratsbehälter 13 dem Mischgerät 2 zuführt. Das Regelventil 12 bleibt solange geöffnet, bis das CO-Meßgerät 7 einen Gehalt von beispielsweise 0 % anzeigt, der vorher im Regelverstärker eingestellt wurde. Gegebenenfalls kann die Menge L der Luft durch ein Meßgerät 14 gemessen und in Abhängigkeit von der in einem Gerät 15 gemessenen Menge des Brennstoffs B vom Regelverstärker 10 über ein Steuerventil 16 zusätzlich geregelt werden. Die Luft kann durch Unterdruck zugeführt werden.The concentration of CO in the exhaust gas is continuously measured in a CO measuring device 7. After conversion in a compensator 8, the measuring pulses are fed to a control amplifier 10 via an integrally acting timing element 9. If the measured CO value is above 0%, the control amplifier 10 supplies a voltage to the servomotor 11, which actuates a control valve 12, which supplies oxygen to the mixing device 2 from a storage container 13 when it is opened. The control valve 12 remains open until the CO measuring device 7 indicates a content of 0%, for example, which was previously set in the control amplifier. If necessary, the amount L of air can be measured by a measuring device 14 and additionally regulated by the control amplifier 10 via a control valve 16 as a function of the amount of fuel B measured in a device 15. The air can be supplied by negative pressure.

Die erzeugte leistung steigt durch Zugabe des Sauerstoffs, d.h. durch die zusätzliche Verbrennung des CO zu C02 an. Soll die Leistung aber konstant gehalten werden, so kann dies durch das Steuergerät 1 über den Regelverstärker 10 erfolgen. Hierzu wird die Leistung am Motor 3 gemessen. Der Meßwert wird dem Regelverstärker 10 über eine Leitung 17 zugeführt und hier mit einem vorher eingestellten Wert verglichen. Der Regelverstärker 10 beeinflußt dann direkt über eine Leitung 18 ein dem Steuergerät 1 vorgeschaltetes Einstellgerät 19 und dieses verändert die Brennstoffzufuhr im Steuergerät 1.The power generated increases through the addition of oxygen, ie through the additional combustion of the CO to CO 2 . However, if the power is to be kept constant, this can be done by the control unit 1 via the control amplifier 10. For this purpose, the power on motor 3 is measured. The measured value is fed to the control amplifier 10 via a line 17 and compared here with a previously set value. The control amplifier 10 affects then directly via a line 18 a setting device 19 connected upstream of the control device 1 and this changes the fuel supply in the control device 1.

Claims (4)

1. Verfahren zum vollkommenen schadstoffarmen Verbrennen (Oxidation) von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen bei gleichzeitiger Verminderung des Brennstoffverbrauches, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der erzeugten Schadstoffe im Abgasstrom gemessen und nach Maßgabe dieser Meßwerte solange Sauerstoff in steigender Menge dem Brennstoffbereich zugeführt wird, bis die im Abgas gemessene Konzentration an Schadstoffen auf einen vorgegebenen Wert zurückgegangen ist.1. A method for perfect low-pollutant combustion (oxidation) of carbon-containing fuels with a simultaneous reduction in fuel consumption, characterized in that the concentration of the pollutants generated in the exhaust gas flow is measured and oxygen is supplied to the fuel area in increasing amounts until the in the exhaust gas measured concentration of pollutants has decreased to a predetermined value. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung der Motorleistung gleichzeitig mit der Messung der Schadstoffkonzentration im Abgas die Brennstoffmenge in Abhängigkeit von der Motorleistung zu sätzlich geregelt und die Luftmenge diesem Wert entsprechend eingestellt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that in order to keep the engine power constant at the same time as the measurement of the pollutant concentration in the exhaust gas, the amount of fuel as a function of the engine power is additionally regulated and the amount of air is adjusted accordingly to this value. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Schadstoff-Meßgerät (7) in einer Abgasleitung (5) und einen durch das Meßgerät (7) gesteuerten Regelverstärker (10) zur Zufuhr von Sauerstoff aus einem Vorratsbehälter (13) über einen Stellmotor (11) und ein Regelventil (12) zu einem Mischgerät (2).3. A device for performing the method according to claim 1, characterized by a pollutant measuring device (7) in an exhaust pipe (5) and a control amplifier (10) controlled by the measuring device (7) for supplying oxygen from a storage container (13) an actuator (11) and a control valve (12) for a mixing device (2). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Meßgerät (20) zur Bestimmung der Motorleistung und ein in Abhängigkeit davon geregeltes Einstellungsgerät (19) zur Festlegung der Brennstoffmenge sowie durch ein von diesem Gerät (19) über den Regelverstärker (10) geregeltes Steuerventil (16) für die Einstellung der Menge der Verbrennungsluft.4. The device according to claim 3, characterized by a measuring device (20) for determining the engine power and a depending on it regulated setting device (19) for determining the amount of fuel and by a device (19) via the control amplifier (10) controlled control valve ( 16) for setting the amount of combustion air.
EP81106793A 1980-09-02 1981-08-31 Process for the complete combustion (oxidation) of carbonaceous fuels producing less aggressive agents Withdrawn EP0047008A1 (en)

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