WO2010020221A2 - Method for operating an internal combustion engine and fuel supply device for carrying out said method - Google Patents

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WO2010020221A2
WO2010020221A2 PCT/DE2009/001147 DE2009001147W WO2010020221A2 WO 2010020221 A2 WO2010020221 A2 WO 2010020221A2 DE 2009001147 W DE2009001147 W DE 2009001147W WO 2010020221 A2 WO2010020221 A2 WO 2010020221A2
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Christian Wolf
Helmut Oberpriller
Parth Gupta
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine with fuels based on hydrocarbons.
  • the invention also relates to a fuel supply device for supplying fuel to an internal combustion engine having a fuel source for supplying hydrocarbons based on de-hydrogenatable fuel and a supply device for supplying fuel to the internal combustion engine.
  • the injection methods can be distinguished essentially according to a compact combustion chamber and a divided combustion chamber.
  • a split combustion chamber finds its application in chamber engines, which are assigned depending on the subdivision of the pre-chamber, swirl chamber and Lanova injection method.
  • a one-piece combustion chamber is used for the direct injection, wherein the combustion chamber can be partially or completely in the piston head, as in particular in a so-called MAN-M method.
  • various pump systems are used to build up the injection pressures.
  • Engines with antechamber or vortex chamber injection use pump systems as single injection pumps, distributor injection pumps or in-line injection pumps.
  • Engines that use direct injection use single pump injection pumps, in-line pumps, distributor injection pumps, unit injector systems or common rail injection as pumping systems.
  • More recent gasoline engines are increasingly using direct injection methods, as is the case with FSI and GDI engines, for example.
  • the direct injection of the fuel in the combustion chamber is not bound to the inlet control times of the valves and thus can take place later in the compression phase.
  • stratified charges, ie zones in the cylinder with different mixture composition are possible, such as the lean-burn engine.
  • the lean-burn engine contains ignitable, rich or stoichiometric fuel ratio, i. H. 14.7 parts air: 1 part fuel, in the area of the spark plug and the lean mixture in the remaining combustion chamber.
  • PDh partial dehydrogenation
  • part of the hydrogen is split off in an endothermic reaction of the hydrocarbon.
  • the reaction is carried out in a reactor by means of a catalyst, for example a platinum catalyst based on a modified catalyst Carrier layer is located. To carry out the endothermic reaction, this heat must be added.
  • the object of the invention is to propose a method for operating a hydrocarbon-based internal combustion engine with which a performance increase, consumption optimization and / or emission reduction can be achieved in a particularly simple manner.
  • a simple on-board provision of hydrogen to achieve these purposes should be proposed.
  • a fuel supply device is to be created with which such a method can be performed.
  • the method according to the invention for operating an internal combustion engine with fuel based on hydrocarbons by partially dehydrating the fuel and introducing the partially dehydrogenated fuel together with the hydrogen into the internal combustion engine, an acceleration of the combustion and thus an increase in the efficiency can be achieved.
  • the emissions of carbon, soot particles and nitrogen oxides are reduced.
  • the maintenance effort can be reduced since the dehydrogenated fuel together with the hydrogen reduces soot formation by unburned hydrocarbons.
  • the method reduces the expense of exhaust aftertreatment, so that no further and expensive devices for the exhaust aftertreatment are required.
  • the fuel is advantageously partially dehydrogenated by means of a PDh catalyst.
  • the PDh catalyst used allows a high hydrogen yield.
  • heat is supplied to the dehydrogenation, so that a better practicability of the method is ensured.
  • heat is added from the internal combustion engine. Thus, no additional heat sources are needed.
  • the dehydrogenation takes place at a temperature between 200 and 450 ° C. Within this temperature range, optimal performance of the dehydrogenation is ensured, which ultimately leads to increased hydrogen yield.
  • the partially dehydrogenated fuel and the hydrogen is passed without separation equal to the dehydrogenation in the internal combustion engine.
  • only one feeding device from the dehydrating device to the internal combustion engine is required.
  • no additional means for separating the partially dehydrogenated fuel and hydrogen is needed so that the complexity and cost of such a device can be reduced.
  • the resulting hydrogen in the partial dehydrogenation is dissolved in the liquid fuel or produced as bubbles in the liquid fuel, thereby enabling good transportability of the mixture.
  • the partially dehydrogenated fuel is injected together with the hydrogen into the internal combustion engine becomes.
  • the injection advantageously results in a very good atomization of the fuel mixture, which results in a more complete combustion.
  • a fuel supply apparatus having a dehydrogenating means for partially dehydrating the fuel is used, the fuel source being connected to the dehydrating means for feeding the dehydrogenatable fuel to the dehydrating means, the feeding means being formed and connected to the dehydrating means in that it directs the partially dehydrated fuel to the internal combustion engine together with the hydrogen recovered from the dehydrogenatable fuel.
  • the fuel supply device advantageously enables on-board generation of the hydrogen from the fuel. Thus, no additives are required, such as in conventional devices that carry additional methane to recover from hydrogen by dehydrogenation. Consequently, the use of the fuel for dehydration saves costs.
  • the dehydrogenator comprises a reactor containing a PDh catalyst.
  • the device is provided with a heat supply device for supplying heat from the internal combustion engine for use in partial dehydration. This eliminates an additional device that supplies heat to the dehydrogenation. Advantageously, this results in a weight and cost savings within the device.
  • the dehydrogenating device and / or the internal combustion engine is supplied exclusively with fuel from the fuel source.
  • an injection device for injecting the mixture of dehydrogenated fuel and hydrogen into the internal combustion engine. hen. With the aid of an injection device, an advantageous atomization of the mixture takes place within the combustion chamber of the internal combustion engine, so that a better and more complete combustion is ensured.
  • the method and the fuel supply device are used in a vehicle, in particular a motor vehicle, aircraft or watercraft.
  • an internal combustion engine which is either a diesel engine, a gasoline engine or a turbine.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an advantageous embodiment of a fuel supply device for an internal combustion engine
  • Fig. 2 is a schematic representation of an aircraft with jet engines as internal combustion engine and a further embodiment of a fuel supply device and
  • Fig. 3 is a schematic representation of a motor vehicle with a gasoline or diesel engine as an internal combustion engine and another
  • Embodiment of a fuel supply device Embodiment of a fuel supply device.
  • the fuel supply device 10 has a fuel source 22 with a fuel line 12, which converts the dehydrogenatable fuel 34 from the fuel source 22 into a dehydrogenated fuel.
  • the dehydrogenated fuel together with the hydrogen 38 is introduced into an internal combustion engine 20 via a feed device 16, here in the form of a line.
  • the introduction of the dehydrogenated fuel with the hydrogen 38 via an injector 17.
  • the fuel supply device 10, a heat supply device 18, the waste heat - heat 40 - from the internal combustion engine 20 in the dehydrogenation device 14 initiates.
  • the dehydrogenatable fuel 34 is passed into a reactor with a catalyst.
  • a catalytic reaction takes place, which extracts a small portion of the bound hydrogen from the fuel 34.
  • Further details on this reaction and a device for carrying out this reaction can be taken from the German patent application DE 10 2007 036495.6-14, which is not previously published, to which reference is expressly made.
  • the content of this earlier application also forms part of the present disclosure.
  • This reaction carried out in the reactor is called partial dehydrogenation and is based on an endothermic reaction.
  • the hydrogen is either dissolved or as bubbles in the dehydrogenated fuel, depending on the pressure, temperature and amount.
  • the dehydrogenated fuel and the hydrogen 38 is present as a mixture, in particular as a dispersion.
  • the dehydrogenated fuel is injected into the internal combustion engine 20 together with the hydrogen 38 - that is, for example, the dispersion produced during the dehydrogenation. There is therefore no separation of the mixture of dehydrogenated fuel and hydrogen 38 produced, but the mixture is passed to the internal combustion engine 20.
  • the invention differs from previously known PDh methods, in particular in the form that immediately after the catalytic dehydrogenation the entire fuel is injected into the internal combustion engine 20 (turbine or gasoline or diesel engine).
  • the bubbles formed in the mixture help to reduce the amount of soot and CO formed during combustion as more complete combustion occurs.
  • the method is also advantageous in the sense that a short-range hydrogen environment is formed which is injected into the turbines or gasoline or diesel engines to promote combustion.
  • the kerosene is conducted from one or more kerosene tanks 25 via the fuel line 12 into the centrally arranged dehydrogenating device 14 and then partially dehydrated. After the partial dehydrogenation, the partially dehydrogenated kerosene is injected into the turbine 26 together with the hydrogen via a feeder 16. The heat required for the reaction is transferred via the heat supply device 18, e.g. from the turbines 26 to the dehydrogenator 14, passed.
  • FIG 3 shows a further practical embodiment for the use of a fuel supply device 10 in a motor vehicle 28.
  • a gasoline or diesel fuel from a fuel tank 32 located in the rear area is conducted via the fuel line 12 into the dehydrogenating device 14 located between the two axles. in which the dehydrogenation of the gasoline or diesel fuel takes place.
  • the partially dehydrated gasoline or diesel fuel is injected together with the hydrogen via a feed device 16 in a gasoline or diesel engine.
  • the heat required for the reaction is introduced into the dehydrogenation device 14.
  • the dehydrating device 14 is in each case constructed as shown and described in the earlier German patent application DE 10 2007 036 495.6-41. It is expressly referred to for further details, also with regard to the dehydrogenation process. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a method for operating an internal combustion engine (20) with fuel (34) made from hydrocarbons. According to the invention, a reduction in emissions and an increase in output with concomitant consumption optimisation may be achieved, whereby a partial dehydrogenation of the fuel (34) and introduction of the partially dehydrogenated duel together with the hydrogen (38) into the internal combustion engine (20) is carried out. A fuel supply device (10) for carrying out the method is also disclosed.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine sowie Brennstoffversorgungsvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens Method for operating an internal combustion engine and fuel supply device for carrying out the method
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit Brennstoffen auf Basis von Kohlenwasserstoffen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Brennstoffversorgungsvorrichtung zum Liefern von Brennstoff zu einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Brennstoffquelle zum Liefern von de- hydrierbarem Brennstoff auf der Basis von Kohlenwasserstoffen und einer Zuführ- einrichtung zum Zuführen von Brennstoff zu der Verbrennungskraftmaschine.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine with fuels based on hydrocarbons. The invention also relates to a fuel supply device for supplying fuel to an internal combustion engine having a fuel source for supplying hydrocarbons based on de-hydrogenatable fuel and a supply device for supplying fuel to the internal combustion engine.
Bei üblichen Kraftfahrzeugen wird Brennstoff in Form von Benzin oder Diesel aus einem Tank zu der als Ottomotor bzw. Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine geleitet. Bei Luftfahrzeugen, wie insbesondere Flugzeugen oder Hubschraubern, kommen heutzutage meist Turbinen als Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz, die mit Brennstoff in Form von Kerosin (z.B. Jet A1) aus den Brennstofftanks versorgt werden.In conventional motor vehicles fuel is passed in the form of gasoline or diesel from a tank to the designed as a gasoline engine or diesel engine internal combustion engine. In the case of aircraft, in particular airplanes or helicopters, today turbines are mostly used as internal combustion engines, which are supplied with fuel in the form of kerosene (for example jet A1) from the fuel tanks.
Aus dem derzeitigen Stand der Technik sind die im folgenden beschriebenen Ein- spritzverfahren für Dieselmotoren, Ottomotoren und Turbinen bekannt.From the current state of the art, the injection methods described below for diesel engines, gasoline engines and turbines are known.
Bei einem Dieselmotor lassen sich die Einspritzverfahren im wesentlichen nach einem kompakten Brennraum und einem unterteilten Brennraum unterscheiden. Ein geteilter Brennraum findet seine Anwendung in Kammermotoren, die je nach Unterteilung dem Vorkammer-, Wirbelkammer- und Lanova-Einspritzverfahren zugeordnet werden. Ein einteiliger Brennraum wird für die Direkteinspritzung verwendet, wobei der Brennraum teilweise oder ganz im Kolbenboden liegen kann, wie insbesondere bei einem sogenannten MAN-M-Verfahren. Für die zuvor genannten Verfahren werden verschiedene Pumpensysteme zum Aufbau der Ein- spritzdrücke verwendet. Motoren mit Vorkammer oder Wirbelkammereinspritzung verwenden als Pumpensysteme Einzeleinspritzpumpen, Verteilereinspritzpumpen oder Reiheneinspritzpumpen. Motoren, die mit einer Direkteinspritzung betrieben werden, verwenden als Pumpsysteme Einzeleinspritzpumpen, Reiheneinspritzpumpen, Verteilereinspritzpumpen, Pumpe-Düse-Einspritzsysteme oder Common- Rail-Einspritzung.In a diesel engine, the injection methods can be distinguished essentially according to a compact combustion chamber and a divided combustion chamber. A split combustion chamber finds its application in chamber engines, which are assigned depending on the subdivision of the pre-chamber, swirl chamber and Lanova injection method. A one-piece combustion chamber is used for the direct injection, wherein the combustion chamber can be partially or completely in the piston head, as in particular in a so-called MAN-M method. For the aforementioned methods, various pump systems are used to build up the injection pressures. Engines with antechamber or vortex chamber injection use pump systems as single injection pumps, distributor injection pumps or in-line injection pumps. Engines that use direct injection use single pump injection pumps, in-line pumps, distributor injection pumps, unit injector systems or common rail injection as pumping systems.
Neuere Ottomotoren verwenden zunehmend Direkteinspritzverfahren, wie dies beispielsweise bei FSI- und GDI-Motoren der Fall ist. Hierbei ist die Direkteinspritzung des Kraftstoffs in dem Brennraum nicht an die Einlasssteuerzeiten der Ventile gebunden und kann so auch erst später in der Verdichtungsphase erfolgen. Damit werden Schichtladungen, also Zonen im Zylinder mit unterschiedlicher Gemischzusammensetzung ermöglicht, etwa beim Magermotor. Im Magermotor befinden sich zündfreudiges, fettes oder stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis, d. h. 14,7 Teile Luft: 1 Teil Kraftstoff, im Bereich der Zündkerze und das Magergemisch im restlichen Brennraum.More recent gasoline engines are increasingly using direct injection methods, as is the case with FSI and GDI engines, for example. In this case, the direct injection of the fuel in the combustion chamber is not bound to the inlet control times of the valves and thus can take place later in the compression phase. Thus, stratified charges, ie zones in the cylinder with different mixture composition are possible, such as the lean-burn engine. The lean-burn engine contains ignitable, rich or stoichiometric fuel ratio, i. H. 14.7 parts air: 1 part fuel, in the area of the spark plug and the lean mixture in the remaining combustion chamber.
Ebenso wird bei modernen Stahltriebwerken Kraftstoff in eine Brennkammer eingespritzt.Similarly, in modern steel engines, fuel is injected into a combustion chamber.
Bei all den zuvor genannten Einspritzverfahren wird bei Neuentwicklungen überall dasselbe Ziel verfolgt, nämlich Leistungssteigerung, Verbrauchsoptimierung und Emissionsminderung. Hier stellt das Beimengen von Wasserstoff zum Kraftstoff eine Möglichkeit dar, diese Ziele zu erreichen.In all of the aforementioned injection methods, the same goal is always pursued in new developments, namely increase in performance, optimization of consumption and emission reduction. Here, adding hydrogen to fuel is one way to achieve those goals.
Derzeit sind Verfahren bekannt, bei denen Ammoniak bzw. Harnstoff als Wasser- stoffträger erfolgreich eingesetzt werden.At present, processes are known in which ammonia or urea are successfully used as hydrogen carriers.
Ein bekanntes Verfahren zur Abspaltung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffgemischen ist das PDh-Verfahren (von Partielle Dehydrierung). Hierbei wird in einer endothermen Reaktion dem Kohlenwasserstoff ein Teil des Wasserstoffs abgespalten. Die Umsetzung dieser Reaktion erfolgt in einem Reaktor mittels eines Katalysators, z.B. eines Platinkatalysators, der sich auf einer modifizierten Trägerschicht befindet. Zur Durchführung der endothermen Reaktion, muss dieser Wärme hinzugeführt werden.One known method of removing hydrogen from hydrocarbon mixtures is the PDh (partial dehydrogenation) process. In this case, part of the hydrogen is split off in an endothermic reaction of the hydrocarbon. The reaction is carried out in a reactor by means of a catalyst, for example a platinum catalyst based on a modified catalyst Carrier layer is located. To carry out the endothermic reaction, this heat must be added.
Bekannte PDh-Verfahren gehen aus der WO 2007/071654 A1 und der DE 10 2005 044 926 B3 hervor.Known PDh methods are evident from WO 2007/071654 A1 and DE 10 2005 044 926 B3.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine auf der Basis von Kohlenwasserstoff vorzuschlagen, mit dem sich auf besondere einfache Art und Weise eine Leistungssteigerung, Verbrauchsopti- mierung und/oder Emissionsminderung erreichen lässt. Insbesondere soll eine einfache Onboard-Bereitstellung von Wasserstoff zum Erreichen dieser Zwecke vorgeschlagen werden.The object of the invention is to propose a method for operating a hydrocarbon-based internal combustion engine with which a performance increase, consumption optimization and / or emission reduction can be achieved in a particularly simple manner. In particular, a simple on-board provision of hydrogen to achieve these purposes should be proposed.
Weiter soll eine Brennstoffversorgungsvorrichtung geschaffen werden, mit der sich ein solches Verfahren durchführen lässt.Next, a fuel supply device is to be created with which such a method can be performed.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten des Patenanspruches 1 bzw. eine Brennstoffversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 gelöst.This object is achieved by a method with the steps of claim 1 and a fuel supply device having the features of claim 9.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit Brennstoff auf Basis von Kohlenwasserstoffen durch partielles De- hydrieren des Brennstoffs und Einleiten des partiell dehydrierten Brennstoffes zusammen mit dem Wasserstoff in die Verbrennungskraftmaschine lässt sich eine Beschleunigung der Verbrennung und somit eine Erhöhung des Wirkungsgrades erreichen. Zusätzlich werden die Emissionen von Kohlenstoff, Russpartikeln und Stickoxiden vermindert. Des weiteren kann der Wartungsaufwand verringert werden, da der dehydrierte Brennstoff zusammen mit dem Wasserstoff eine Rußbildung durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe verringert. Zusätzlich senkt das Ver- fahren den Aufwand für eine Abgasnachbehandlung, so dass keine weiteren und teuren Vorrichtungen für die Abgasnachbehandlung erforderlich sind. Der Brennstoff wird vorteilhaft mittels eines PDh-Katalysators partiell dehydriert. Der verwendete PDh-Katalysator ermöglicht eine hohe Wasserstoffausbeute.With the method according to the invention for operating an internal combustion engine with fuel based on hydrocarbons by partially dehydrating the fuel and introducing the partially dehydrogenated fuel together with the hydrogen into the internal combustion engine, an acceleration of the combustion and thus an increase in the efficiency can be achieved. In addition, the emissions of carbon, soot particles and nitrogen oxides are reduced. Furthermore, the maintenance effort can be reduced since the dehydrogenated fuel together with the hydrogen reduces soot formation by unburned hydrocarbons. In addition, the method reduces the expense of exhaust aftertreatment, so that no further and expensive devices for the exhaust aftertreatment are required. The fuel is advantageously partially dehydrogenated by means of a PDh catalyst. The PDh catalyst used allows a high hydrogen yield.
Vorteilhafterweise wird Wärme zur Dehydrierung zugeführt, so dass eine bessere Durchführbarkeit des Verfahrens gewährleistet ist.Advantageously, heat is supplied to the dehydrogenation, so that a better practicability of the method is ensured.
In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass Wärme aus der Verbrennungskraftmaschine hinzugeführt wird. Somit sind keine zusätzlichen Wärmequellen vonnöten.In a further embodiment, it is provided that heat is added from the internal combustion engine. Thus, no additional heat sources are needed.
Vorteilhaft erfolgt die Dehydrierung bei einer Temperatur zwischen 200 und 4500C. Innerhalb dieses Temperaturbereichs ist eine optimale Durchführung der Dehydrierung gewährleistet, was schließlich zu einer erhöhten Wasserstoffaus- beute führt.Advantageously, the dehydrogenation takes place at a temperature between 200 and 450 ° C. Within this temperature range, optimal performance of the dehydrogenation is ensured, which ultimately leads to increased hydrogen yield.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der partiell dehydrierte Brennstoff und der Wasserstoff ohne Trennung gleich von der Dehydrierung gemeinsam in die Verbrennungskraftmaschine geleitet. Dadurch ist nur eine Zuführeinrichtung von der Dehydriereinrichtung zur Verbrennungskraftmaschine erforderlich. Weiterhin wird keine zusätzliche Einrichtung zum Trennen des partiell dehydrierten Brennstoffes und Wasserstoffes benötigt, so dass Komplexität und Kosten einer derartigen Vorrichtung reduziert werden können.In a further advantageous embodiment of the partially dehydrogenated fuel and the hydrogen is passed without separation equal to the dehydrogenation in the internal combustion engine. As a result, only one feeding device from the dehydrating device to the internal combustion engine is required. Furthermore, no additional means for separating the partially dehydrogenated fuel and hydrogen is needed so that the complexity and cost of such a device can be reduced.
Vorteilhaft wird der entstandene Wasserstoff bei der partiellen Dehydrierung in dem flüssigen Brennstoff gelöst oder als Bläschen in dem flüssigen Brennstoff erzeugt, wodurch eine gute Transportierbarkeit des Gemisches ermöglicht wird.Advantageously, the resulting hydrogen in the partial dehydrogenation is dissolved in the liquid fuel or produced as bubbles in the liquid fuel, thereby enabling good transportability of the mixture.
In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der partiell dehydrierte Brennstoff mit dem Wasserstoff gemeinsam in die Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird. Durch die Einspritzung ergibt sich vorteilhafterweise eine sehr gute Zerstäubung des Kraftstoffgemisches, was eine vollständigere Verbrennung zur Folge hat.In a further embodiment, it is provided that the partially dehydrogenated fuel is injected together with the hydrogen into the internal combustion engine becomes. The injection advantageously results in a very good atomization of the fuel mixture, which results in a more complete combustion.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Brennstoffversorgungsvorrich- tung verwendet, die eine Dehydrogeniereinrichtung zum partiellen Dehydrieren des Brennstoffes hat, wobei die Brennstoffquelle mit der Dehydriereinrichtung verbunden ist, um den dehydrierbaren Brennstoff zu der Dehydriereinrichtung zu leiten, wobei die Zuführeinrichtung derart ausgebildet und an die Dehydriereinrichtung angeschlossen ist, dass sie den partiell dehydrierten Brennstoff zusammen mit dem aus dem dehydrierbaren Brennstoff gewonnenen Wasserstoff zu der Verbrennungskraftmaschine leitet. Die Brennstoffversorgungsvorrichtung ermöglicht vorteilhafterweise eine On-board-Erzeugung des Wasserstoffs aus dem Brennstoff. Somit sind keine Zusatzstoffe erforderlich, wie beispielsweise bei konventionellen Vorrichtungen, die zusätzlich Methan mitführen, um daraus durch Dehydrierung Wasserstoff zu gewinnen. Folglich wird durch die Verwendung des Brennstoffes zur Dehydrierung Kosten gespart.In the method of the present invention, a fuel supply apparatus having a dehydrogenating means for partially dehydrating the fuel is used, the fuel source being connected to the dehydrating means for feeding the dehydrogenatable fuel to the dehydrating means, the feeding means being formed and connected to the dehydrating means in that it directs the partially dehydrated fuel to the internal combustion engine together with the hydrogen recovered from the dehydrogenatable fuel. The fuel supply device advantageously enables on-board generation of the hydrogen from the fuel. Thus, no additives are required, such as in conventional devices that carry additional methane to recover from hydrogen by dehydrogenation. Consequently, the use of the fuel for dehydration saves costs.
Vorteilhafterweise weist die Dehydriereinrichtung einen Reaktor auf, der einen PDh-Katalysator enthält.Advantageously, the dehydrogenator comprises a reactor containing a PDh catalyst.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorrichtung mit einer Wärmezuführeinrichtung zum Zuführen von Wärme aus der Verbrennungskraftmaschine zur Nutzung bei der partiellen Dehydrierung vorgesehen. Dadurch entfällt eine zusätzliche Einrichtung, die Wärme an die Dehydrogeniereinrichtung zuführt. Vorteilhafterweise ergibt sich hieraus eine Gewichts- und Kostenersparnis innerhalb der Vorrichtung.In a further embodiment, the device is provided with a heat supply device for supplying heat from the internal combustion engine for use in partial dehydration. This eliminates an additional device that supplies heat to the dehydrogenation. Advantageously, this results in a weight and cost savings within the device.
Vorteilhaft wird die Dehydrogeniereinrichtung und/oder die Verbrennungskraftmaschine ausschließlich mit Brennstoff aus der Brennstoffquelle versorgt.Advantageously, the dehydrogenating device and / or the internal combustion engine is supplied exclusively with fuel from the fuel source.
Vorteilhaft ist eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen der Mischung aus dehydriertem Brennstoff und Wasserstoff in die Verbrennungskraftmaschine vorgese- hen. Mit Hilfe einer Einspritzeinrichtung erfolgt eine vorteilhafte Zerstäubung des Gemisches innerhalb der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine, so dass eine bessere und vollständigere Verbrennung gewährleistet wird.Advantageously, an injection device for injecting the mixture of dehydrogenated fuel and hydrogen into the internal combustion engine is provided. hen. With the aid of an injection device, an advantageous atomization of the mixture takes place within the combustion chamber of the internal combustion engine, so that a better and more complete combustion is ensured.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Verfahren und die Brennstoffversorgungsvorrichtung in einem Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, Luftfahrzeug oder Wasserfahrzeug, Verwendung findet.In a further embodiment, it is provided that the method and the fuel supply device are used in a vehicle, in particular a motor vehicle, aircraft or watercraft.
Bei dem Fahrzeug wird vorteilhafterweise eine Verbrennungskraftmaschine ver- wendet, die entweder ein Dieselmotor, ein Ottomotor oder eine Turbine ist.In the vehicle advantageously an internal combustion engine is used, which is either a diesel engine, a gasoline engine or a turbine.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen in schematischer Weise dargestellt sind. Hierbei zeigen:The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments, which are shown schematically in the drawings. Hereby show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform einer Brennstoffversorgungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine;Fig. 1 is a schematic representation of an advantageous embodiment of a fuel supply device for an internal combustion engine;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Flugzeugs mit Strahltriebwerken als Verbrennungskraftmaschine und einer weiteren Ausführungsform einer Brennstoffversorgungsvorrichtung undFig. 2 is a schematic representation of an aircraft with jet engines as internal combustion engine and a further embodiment of a fuel supply device and
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Otto- oder Dieselmotor als Verbrennungskraftmaschine und einer weiterenFig. 3 is a schematic representation of a motor vehicle with a gasoline or diesel engine as an internal combustion engine and another
Ausführungsform einer Brennstoffversorgungseinrichtung.Embodiment of a fuel supply device.
Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer Brennstoffversorgungsvorrichtung 10 zur partiellen Dehydrierung eines Brennstoffes 34. Die Brennstoffversor- gungsvorrichtung 10 weist eine Brennstoffquelle 22 mit einer Brennstoffleitung 12, die den dehydrierbaren Brennstoff 34 aus der Brennstoffquelle 22 in eine Dehyd- riereinrichtung 14, die als Reaktor ausgebildet ist und mit einem Katalysator - PDh-Katalysator 36 - versehen ist, leitet. Im Anschluss an die Dehydriereinrich- tung 14 wird über eine Zuführeinrichtung 16, hier in Form von einer Leitung, der dehydrierte Brennstoff zusammen mit dem Wasserstoff 38 in eine Verbrennungs- kraftmaschine 20 eingeleitet. Die Einleitung des dehydrierten Brennstoffes mit dem Wasserstoff 38 erfolgt über eine Einspritzeinrichtung 17. Zusätzlich weist die Brennstoffversorgungseinrichtung 10 eine Wärmezuführeinrichtung 18 auf, die Abwärme - Wärme 40 - aus der Verbrennungskraftmaschine 20 in die Dehydrier- einrichtung 14 einleitet.1 shows an advantageous embodiment of a fuel supply device 10 for the partial dehydrogenation of a fuel 34. The fuel supply device 10 has a fuel source 22 with a fuel line 12, which converts the dehydrogenatable fuel 34 from the fuel source 22 into a dehydrogenated fuel. riereinrichtung 14, which is designed as a reactor and with a catalyst - PDh catalyst 36 - is provided directs. Subsequent to the dehydrating device 14, the dehydrogenated fuel together with the hydrogen 38 is introduced into an internal combustion engine 20 via a feed device 16, here in the form of a line. The introduction of the dehydrogenated fuel with the hydrogen 38 via an injector 17. In addition, the fuel supply device 10, a heat supply device 18, the waste heat - heat 40 - from the internal combustion engine 20 in the dehydrogenation device 14 initiates.
Im Nachfolgenden wird ein mit der Brennstoffversorgungsvorrichtung 10 durchführbares Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 20 mit Brennstoff 34 auf Basis von Kohlenwasserstoff beschrieben. Der dehydrierbare Brennstoff 34 wird in einen Reaktor mit einem Katalysator geleitet. Im Reaktor läuft eine katalytische Reaktion ab, die dem Brennstoff 34 einen geringen Teil des gebundenen Wasserstoffs entzieht. Nähere Einzelheiten zu dieser Reaktion sowie zu einer Vorrichtung zum Durchführen dieser Reaktion sind aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 036495.6-14 zu entnehmen, auf die ausdrücklich verwiesen wird. Der Inhalt dieser älteren Anmeldung bildet auch Teil der hiesigen Offenbarung. Diese im Reaktor durchgeführte Reaktion wird als partielle Dehydrogenierung bezeichnet und beruht auf einer endothermen Reaktion. Folglich sollte dem Prozess Wärme 40 hinzugeführt werden, wobei der bevorzugte Temperaturbereich der Reaktion bei etwa 200° bis 4500C liegt. Nach der Dehydrierung liegt der Wasserstoff je nach Druck, Temperatur und Menge entweder ge- löst oder als Bläschen in dem dehydrierten Brennstoff vor. Beispielsweise liegt der dehydrierte Brennstoff und der Wasserstoff 38 als Gemisch, insbesondere als Dispersion, vor. Anschließend wird der dehydrierte Brennstoff zusammen mit dem Wasserstoff 38 - also z.B. die bei der Dehydrierung erzeugte Dispersion - in die Verbrennungskraftmaschine 20 eingespritzt. Es erfolgt demnach keine Trennung des Gemisches aus dehydriertem Brennstoff und erzeugtem Wasserstoff 38, vielmehr wird das Gemisch zur Verbrennungskraftmaschine 20 geleitet.Hereinafter, a method practicable with the fuel supply apparatus 10 for operating the internal combustion engine 20 with hydrocarbon-based fuel 34 will be described. The dehydrogenatable fuel 34 is passed into a reactor with a catalyst. In the reactor, a catalytic reaction takes place, which extracts a small portion of the bound hydrogen from the fuel 34. Further details on this reaction and a device for carrying out this reaction can be taken from the German patent application DE 10 2007 036495.6-14, which is not previously published, to which reference is expressly made. The content of this earlier application also forms part of the present disclosure. This reaction carried out in the reactor is called partial dehydrogenation and is based on an endothermic reaction. Consequently, should the heat process are added out 40, with the preferred temperature range of the reaction at about 200 ° to 450 0 C. After dehydrogenation, the hydrogen is either dissolved or as bubbles in the dehydrogenated fuel, depending on the pressure, temperature and amount. For example, the dehydrogenated fuel and the hydrogen 38 is present as a mixture, in particular as a dispersion. Subsequently, the dehydrogenated fuel is injected into the internal combustion engine 20 together with the hydrogen 38 - that is, for example, the dispersion produced during the dehydrogenation. There is therefore no separation of the mixture of dehydrogenated fuel and hydrogen 38 produced, but the mixture is passed to the internal combustion engine 20.
Das Verfahren lässt sich wie folgt zusammenfassen:The procedure can be summarized as follows:
PDh -> Wasserstoff+dehydrierter Brennstoff -> Turbine/Otto- oder DieselmotorPDh -> hydrogen + dehydrogenated fuel -> turbine / petrol or diesel engine
Die Erfindung unterscheidet sich von bisher bekannten PDh-Verfahren insbesondere in der Form, dass sofort nach der katalytischen Dehydrierung der gesamte Brennstoff in die Verbrennungskraftmaschine 20 (Turbine oder Otto- oder Dieselmotor) eingespritzt wird.The invention differs from previously known PDh methods, in particular in the form that immediately after the catalytic dehydrogenation the entire fuel is injected into the internal combustion engine 20 (turbine or gasoline or diesel engine).
Dies stellt eine brauchbare Lösung dar, da Wasserstoff bekannt dafür ist, die Effektivität einer Verbrennung zu erhöhen. Durch zusätzlichen Wasserstoff in dem flüssigen Brennstoff, startet der Wasserstoff, im Gegensatz zu dem umgebenden Brennstoff, die Verbrennung idealerweise bei einer niedrigeren Temperatur und verbrennt schneller. Eine derartig verteilte Verbrennung verursacht eine schnellere und vollständigere Verbrennung, obwohl der Brennstoff zu einer schnelleren Wärmeentwicklung in dem Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine 20 führt.This is a viable solution since hydrogen is known to increase the efficiency of combustion. With additional hydrogen in the liquid fuel, unlike the surrounding fuel, the hydrogen ideally starts combustion at a lower temperature and burns faster. Such distributed combustion causes faster and more complete combustion, although the fuel results in faster heat buildup in the combustion chamber of an internal combustion engine 20.
Die im Gemisch entstandenen Bläschen helfen, die Menge an Ruß und CO, die während der Verbrennung gebildet werden, zu reduzieren, da eine vollständigere Verbrennung abläuft.The bubbles formed in the mixture help to reduce the amount of soot and CO formed during combustion as more complete combustion occurs.
Das Verfahren ist ebenso vorteilhaft in dem Sinn, dass eine Wasserstoffumgebung für kurze Distanzen gebildet wird, die in die Turbinen oder Otto- oder Dieselmotoren eingespritzt wird, um die Verbrennung zu fördern.The method is also advantageous in the sense that a short-range hydrogen environment is formed which is injected into the turbines or gasoline or diesel engines to promote combustion.
Die einfache onboard-Bereitstellung von Wasserstoff aus Kraftstoff durch den hier beschriebenen Prozess ermöglicht es, die Ziele Leistungssteigerung, Emissions- minderung, vor allem C, Ruß und NOx, geringerer Wartungsaufwand durch eine geringere Rußbelastung, geringerer Aufwand für die Abgasnachbehandlung sowie keine Verwendung von Zusatzstoffen aufgrund der einfachen onboard Bereitstellung des Wasserstoffs, zu erreichen.The simple onboard delivery of hydrogen from fuel through the process described here makes it possible to meet the goals of increasing performance, emission Reduction, especially C, soot and NO x , lower maintenance through a lower soot load, less effort for exhaust aftertreatment and no use of additives due to the simple onboard provision of hydrogen to achieve.
Fig. 2 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Brennstoffversorgungsvorrichtung 10 anhand eines Luftfahrzeugs 24. Bei dieser Ausführungsform wird aus einem oder mehreren Kerosintanks 25 das Kerosin über die Brennstoffleitung 12 in die zentral angeordnete Dehydriereinrichtung 14 geleitet und anschließend par- tiell dehydriert. Nach der partiellen Dehydrierung wird das partiell dehydrierte Kerosin zusammen mit dem Wasserstoff über eine Zuführeinrichtung 16 in die Turbine 26 eingespritzt. Die für die Reaktion benötigte Wärme wird über die Wärmezuführeinrichtung 18, die z.B. von den Turbinen 26 zu der Dehydriereinrichtung 14 führt, geleitet.2 shows a practical exemplary embodiment of a fuel supply device 10 with reference to an aircraft 24. In this embodiment, the kerosene is conducted from one or more kerosene tanks 25 via the fuel line 12 into the centrally arranged dehydrogenating device 14 and then partially dehydrated. After the partial dehydrogenation, the partially dehydrogenated kerosene is injected into the turbine 26 together with the hydrogen via a feeder 16. The heat required for the reaction is transferred via the heat supply device 18, e.g. from the turbines 26 to the dehydrogenator 14, passed.
Fig. 3 zeigt ein weiteres praktisches Ausführungsbeispiel für den Einsatz einer Brennstoffversorgungsvorrichtung 10 in einem Kraftfahrzeug 28. In dieser Ausführungsform wird ein Otto- oder Dieselkraftstoff aus einem im Heckbereich gelegenen Kraftstofftank 32 über die Brennstoffleitung 12 in die zwischen den beiden Achsen gelegene Dehydriereinrichtung 14 geleitet, in der die Dehydrierung des Otto- oder Dieselkraftstoffes erfolgt. Nach der Dehydrierung wird der partiell dehydrierte Otto- oder Dieselkraftstoff zusammen mit dem Wasserstoff über eine Zuführeinrichtung 16 in einen Otto- oder Dieselmotor eingespritzt. Auch hier wird ausgehend von dem Otto- oder Dieselmotor über die Wärmezuführeinrichtung 18, die für die reaktion benötigte Wärme in die Dehydriereinrichtung 14 eingeleitet.3 shows a further practical embodiment for the use of a fuel supply device 10 in a motor vehicle 28. In this embodiment, a gasoline or diesel fuel from a fuel tank 32 located in the rear area is conducted via the fuel line 12 into the dehydrogenating device 14 located between the two axles. in which the dehydrogenation of the gasoline or diesel fuel takes place. After dehydration, the partially dehydrated gasoline or diesel fuel is injected together with the hydrogen via a feed device 16 in a gasoline or diesel engine. Here too, starting from the gasoline or diesel engine via the heat supply device 18, the heat required for the reaction is introduced into the dehydrogenation device 14.
Die Dehydriereinrichtung 14 ist jeweils so aufgebaut, wie in der älteren deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 036 495.6-41 gezeigt und beschrieben. Es wird für weitere Einzelheiten ausdrücklich hierauf Bezug genommen, auch hinsichtlich des Dehydrierprozesses. BezugszeichenlisteThe dehydrating device 14 is in each case constructed as shown and described in the earlier German patent application DE 10 2007 036 495.6-41. It is expressly referred to for further details, also with regard to the dehydrogenation process. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Brennstoffversorgungsvorrichtung10 fuel supply device
12 Brennstoffleitung (zum Zuführen des dehydrierbaren Brennstoffes) 14 Dehydriereinrichtung12 Fuel line (for supplying the dehydrogenatable fuel) 14 Dehydrator
16 Zuführeinrichtung (zum gemeinsamen Zuführen des partiell dehydrierten Brennstof- fes und Wasserstoff)16 feeder (for co-feeding the partially dehydrated fuel and hydrogen)
17 Einspritzeinrichtung17 injection device
18 Wärmezuführeinrichtung 20 Verbrennungskraftmaschine18 heat supply device 20 internal combustion engine
22 Brennstoffquelle22 fuel source
24 Luftfahrzeug24 aircraft
25 Kerosintank25 kerosene tank
26 Turbine 28 Kraftfahrzeug26 turbine 28 motor vehicle
30 Otto- oder Dieselmotor30 petrol or diesel engine
32 Kraftstofftank32 fuel tank
34 (dehydrierbarer) Brennstoff34 (dehydrogenatable) fuel
36 PDh-Katalysator (z.B. betrieben bei 4000C) 38 Partiell dehydrierter Brennstoff und Wasserstoff36 PDH catalyst (for example, operated at 400 0 C) 38 Partially dehydrated fuel and hydrogen
40 Wärme 40 heat

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (20) mit Brenn- stoff (34) auf Basis von Kohlenwasserstoffen, gekennzeichnet durch partielle Dehydrierung des Brennstoffes (34) und Einleiten des partiell dehydrierten Brennstoffes zusammen mit dem Wasserstoff (38) in die Verbrennungskraftmaschine (20).1. A method for operating an internal combustion engine (20) with fuel (34) based on hydrocarbons, characterized by partial dehydrogenation of the fuel (34) and introducing the partially dehydrogenated fuel together with the hydrogen (38) in the internal combustion engine (20) ,
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (34) mittels eines PDh-Katalysators (36) partiell dehydriert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the fuel (34) by means of a PDh catalyst (36) is partially dehydrated.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur partiellen Dehydrierung Wärme (40) zugeführt wird.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for partial dehydration heat (40) is supplied.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme (40) aus der Verbrennungskraftmaschine (20) hinzugeführt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that heat (40) from the internal combustion engine (20) is added.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Dehydrierung bei einer Temperatur zwischen 2000C und 4500C erfolgt.5. The method according to any one of claims 3 to 4, characterized in that the partial dehydrogenation takes place at a temperature between 200 0 C and 450 0 C.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der partiell dehydrierte Brennstoff und der Wasserstoff ohne Trennung gleich von der Dehydrierung gemeinsam in die Verbrennungskraftmaschine (20) geleitet werden.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the partially dehydrogenated fuel and the hydrogen are passed without separation equal to the dehydrogenation in the internal combustion engine (20).
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der entstandene Wasserstoff bei der Dehydrierung in dem flüssigen Brennstoff gelöst und/oder als Bläschen in dem flüssigen Brennstoff erzeugt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the resulting hydrogen is dissolved in the dehydrogenation in the liquid fuel and / or generated as bubbles in the liquid fuel.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der partiell dehydrierte Brennstoff mit dem Wasserstoff (38) gemeinsam in die Verbrennungskraftmaschine (20) eingespritzt wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the partially dehydrogenated fuel with the hydrogen (38) is injected jointly into the internal combustion engine (20).
9. Brennstoffversorgungsvorrichtung (10) zum Liefern von Brennstoff (34) zu einer Verbrennungskraftmaschine (20), mit einer Brennstoffquelle (22) zum Liefern von dehydrierbarem Brennstoff (34) auf der Basis von Kohlenwasserstoffen und einer Zuführeinrichtung (16) zum Zuführen von Brennstoff zu der Verbrennungskraftmaschine (20), dadurch gekennzeichnet, dass eine Dehydrogeniereinrich- tung (14) zum partiellen Dehydrieren des Brennstoffes (34) vorgesehen ist, wobei die Brennstoffquelle (22) mit der Dehydriereinrichtung (14) verbunden ist, um den dehydrierbaren Brennstoff (34) zu der Dehydriereinrichtung (14) zu leiten, wobei die Zuführeinrichtung (16) derart ausgebildet und an die Dehydriereinrichtung (14) angeschlossen ist, dass sie den dehydrierten Brennstoff zusammen mit dem aus dem dehydrierbaren Brennstoff (34) gewonnenen Wasserstoff zu der Verbrennungskraftmaschine (20) leitet.A fuel supply apparatus (10) for supplying fuel (34) to an internal combustion engine (20), comprising a fuel source (22) for supplying hydrocarbon-based dehydrogenatable fuel (34) and a supply means (16) for supplying fuel internal combustion engine (20), characterized in that a dehydrogenating device (14) is provided for partially dehydrating the fuel (34), the fuel source (22) being connected to the dehydrating device (14) to produce the dehydrogenatable fuel (34). to the dehydrating device (14), wherein the feeding device (16) is designed and connected to the dehydrating device (14) in such a way that it supplies the dehydrated fuel together with the hydrogen obtained from the dehydratable fuel (34) to the internal combustion engine (20). passes.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydriereinrichtung (14) einen Reaktor aufweist, der einen PDh-Katalysator enthält.10. The device according to claim 9, characterized in that the dehydrogenating device (14) comprises a reactor containing a PDh catalyst.
11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmezuführeinrichtung (18) zum Zuführen von Wärme (40) aus der Verbrennungskraftmaschine (20) zur Nutzung bei der Dehydrierung vorgesehen ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a heat supply device (18) for supplying heat (40) from the internal combustion engine (20) is provided for use in the dehydrogenation.
12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehydriereinrichtung (14) und/oder die Verbrennungskraftmaschine (20) ausschließlich mit Brennstoff (34) aus der Brennstoffquelle (22) versorgt wird. 12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the dehydrating device (14) and / or the internal combustion engine (20) exclusively with fuel (34) from the fuel source (22) is supplied.
13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einspritzeinrichtung (17) zum Einspritzen des Gemisches aus dehydriertem Brennstoff und Wasserstoff (38) in die Verbrennungskraftmaschine (20) vorgesehen ist.13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an injection device (17) for injecting the mixture of dehydrogenated fuel and hydrogen (38) is provided in the internal combustion engine (20).
14. Fahrzeug insbesondere Kraftfahrzeug (28), Luftfahrzeug (24) oder Wasserfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine (20), nach einem der voranstehenden Ansprüche.14. Vehicle, in particular motor vehicle (28), aircraft (24) or watercraft with an internal combustion engine (20), according to one of the preceding claims.
15. Fahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine (20) ein Otto- oder Dieselmotor (30) oder eine Turbine (26) ist. 15. Vehicle according to claim 14, characterized in that the internal combustion engine (20) is a gasoline or diesel engine (30) or a turbine (26).
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