WO2017041791A1 - Verfahren zum konditionieren von fluiden für verbrennungsvorrichtungen - Google Patents

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    • C10L2290/146—Injection, e.g. in a reactor or a fuel stream during fuel production of water

Definitions

  • the present invention relates to a method of conditioning fluids for combustion devices, wherein the fluids are selected from liquid fuels and liquid combustion aids, to conditioned liquid fuels themselves, and to the use of carbon dioxide to improve the combustion of liquid fuels.
  • the global warming caused by greenhouse gases reaches perceptibly dangerous proportions.
  • the automotive industry is under massive pressure, as the CO2 emissions of motor vehicles play a decisive role. It is therefore working on methods to continually improve the engines of motor vehicles and to make them more efficient and less polluting. But the best strategy is to avoid CC emissions. But because of the comfort of modern life, e.g. the individual traffic, etc., it is important to optimize the processes so that increased efficiency can reduce the consumption at the same power. Ideally, this should be associated with a reduction in the emission of harmful gases.
  • DE 103 34 897 A1 describes diesel microemulsions as an alternative fuel for reducing the environmental impact of soot and nitrogen oxide emissions.
  • water is trapped in nanostructures and emulsified in diesel fuel to produce positive effects. It is described that at the same time the efficiency can be increased and fossil energy sources can be saved.
  • NOx nitrogen oxide
  • Nitrogen oxides are produced by burning fossil fuels for two reasons. On the one hand, nitrogen is oxidized to NOx during combustion when the energy carrier is nitrogen-containing. On the other hand, the air nitrogen reacts at higher temperatures (from about 1 .200 ° C) with the air-oxygen (so-called “thermal NO” or “Zeldovich-NO”). Combustion temperatures of up to approx. 2,300 ° C are reached in modern fuel-efficient engines, resulting in increased NOx production. In the prior art, there are already strategies that lead to a reduction of NOx in diesel engines. In particular, by the exhaust gas recirculation less oxygen is available for the actual combustion in the combustion chamber and also the reaction of nitrogen with oxygen is thereby reduced.
  • the temperature in the combustion chamber can be best realized in addition to the regular cooling of the cylinder wall by water for cooling in the Combustion chamber itself is used.
  • Water has a very high heat capacity, is cheap, widely available and toxicologically harmless to the environment. Water decomposes radically at high temperatures. The OH radicals formed could support combustion in a positive way. However, water has a very large dipole moment and therefore a very large surface tension.
  • the water can be used optimally if it is introduced as finely divided as possible into the combustion chamber, so that it is completely present in the end as steam and thus a maximum cooling capacity can be achieved. Due to the very high surface tension of the water, however, a tremendous amount of energy is required to spray water in such a finely divided manner.
  • water diesel which is an emulsion of water and diesel fuel.As these substances are usually poorly miscible - the water would separate from the hydrophobic, oily diesel - emulsifiers, also known as Surfactants, etc.
  • the surface tension can also be reduced by alcohol, especially methanol, ethanol or propanols - or with the help of surface-active substances (surfactants).
  • WO 2010/133625 A2 describes a bicontinuous monophasic microemulsion which contains, in addition to an aqueous component (alcohol / water mixture), a hydrophobic component (mineral oil-based fuel), an ionic surfactant component and a nonionic surfactant component. This results in a continuous aqueous phase and a continuous hydrophobic phase in the microemulsion. With this microemulsion, unprecedented low pollutant emissions and combustion efficiency will be possible.
  • WO 201 1/042432 A1 a method for operating an internal combustion engine is presented, which includes the in-situ production of a fuel mixture containing a polar component, a non-polar fuel component, an amphiphilic component and other auxiliaries.
  • the in-situ production is carried out in the high-pressure region of the injection system of the internal combustion engine immediately before the injection process at very high pressures.
  • the surfactant components have the disadvantage that they are expensive and significantly limit the possibility of using the water (for example, extraction from the exhaust gas). In addition, depending on the time of injection, they can increase emissions even further.
  • This object is achieved in a first aspect of the present invention by a method of conditioning fluids for combustion devices, wherein the fluids are selected from liquid fuels and liquid combustion aids, comprising the steps of:
  • said object is achieved by a conditioned liquid fuel comprising under standard conditions
  • a third aspect of the present invention solves the above object by the use of carbon dioxide to improve the combustion of liquid fuels, wherein
  • carbon dioxide is introduced into the liquid fuel at a temperature of from -75 ° C. to + 175 ° C. and a pressure of from 1 bar to 1 000 bar, the introduction taking place in situ,
  • a fourth aspect of the present invention is the use of carbon dioxide for the conditioning of liquid hydrocarbons or hydrocarbon mixtures, wherein x) a liquid hydrocarbon or a liquid hydrocarbon mixture is provided,
  • a fifth aspect of the present invention relates to the use of carbon dioxide to improve the winter performance of diesel fuel or gasoline, wherein
  • carbon dioxide is introduced in situ into the diesel fuel or gasoline at a temperature of from -75 ° C. to + 175 ° C. and a pressure of from 1 bar to 1 000 bar,
  • the present invention has the advantage that the combustion properties of liquid fuels can be improved by the conditioning according to the invention and thereby the efficiency and the energy yield can be increased while the emission of pollutants is reduced. Furthermore, in general, the properties of liquid hydrocarbons or liquid hydrocarbon mixtures can be improved.
  • the first aspect of the present invention relates to a method of conditioning fluids for combustion devices, wherein the fluids are selected from liquid fuels and liquid combustion aids, which first comprises providing a fluid in step a).
  • a step b) carbon dioxide is introduced into the fluid at a temperature of from -75.degree. C. to + 175.degree. C., preferably -75.degree. C. to + 75.degree. C., and a pressure of from 1 bar to 1 .000 bar, the Introduction takes place in situ.
  • an in situ conditioned fluid is obtained in step c).
  • liquid fuel as used in the present invention includes liquid and free-flowing (ie, higher viscosity) fuels and fuels Specific embodiments are defined below:
  • liquid combustion aids as used herein includes those agents that can be added to the liquid fuel to provide the same Improve combustion. Examples according to the invention are water, hydrogen peroxide, ozone, organic peroxides and inorganic peroxides.
  • liquid hydrocarbons can be used as the liquid fuel, ie saturated, unsaturated, cyclic, linear, branched, aromatic, polyaromatic and combinations, for example cyclic unsaturated hydrocarbons, as well as esters, ethers, acetals, hemiacetals, aldehydes, ketones, carboxylic acids, alcohols , Amines, thio-hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, and mixtures thereof (including the additives).
  • cyclic unsaturated hydrocarbons as well as esters, ethers, acetals, hemiacetals, aldehydes, ketones, carboxylic acids, alcohols , Amines, thio-hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, and mixtures thereof (including the additives).
  • diesel or diesel fuels XtL fuels, emulsion fuels, biodiesel, vegetable oils (eg sunflower oil, rapeseed oil, olive oil, palm oil, etc.) vegetable oil (fatty acid) ester (eg RME rapeseed methyl ester, FAME fatty acid methyl ester, etc.), hydrogenated vegetable oils, fats, frying oils, kerosene, fuel oil (all classes), coal tar oil, heavy oil, gas oil.
  • vegetable oils eg sunflower oil, rapeseed oil, olive oil, palm oil, etc.
  • vegetable oil (fatty acid) ester eg RME rapeseed methyl ester, FAME fatty acid methyl ester, etc.
  • hydrogenated vegetable oils eg fats, frying oils, kerosene, fuel oil (all classes), coal tar oil, heavy oil, gas oil.
  • XtL fuels also referred to as “Fischer-Tropsch fuels” refer to various synthetic fuels in which a solid or gaseous energy source is converted to a carbonaceous fuel that is liquid at normal temperature and pressure is a variable and "tl_” stands for the English term "to liquid.”
  • G gas-to-liquid
  • B BtL: “biomass -to-liquid "when using biomass)
  • C CtL:” coal-to-liquid "when using coal).
  • gasoline or gasoline all classes such as Super Plus, Super, Super E-10, Super E-5, as well as aviation gasoline, two-stroke mixtures, light gasoline, alkylate gasoline.
  • condition is meant in the present invention a treatment by which the properties of fluids can be improved, in particular with regard to their incinerability (increase), their viscosity (reduction), their density (usually increase), the reduction of the tendency to volatilize As well as the reduction of the surface tension, concrete embodiments will be explained below.
  • the introduction of carbon dioxide in step b) into a fluid according to the invention follows Henry's law, according to which the partial pressure of a gas which prevails over a liquid is proportional to the concentration of the gas in the liquid. As a result, as the pressure increases, so does the concentration of the gas in the liquid until it reaches a saturation state. With the variation of the temperature, this process can be additionally influenced.
  • a conditioned fluid according to the invention is obtained. Since the conditioned fluid for the thermal reaction is generated in situ, higher pressures and thus a higher saturation during insertion are possible.
  • autoclaves are used in a first alternative of introduction, in which the carbon dioxide at a temperature of - 75 ° C to + 175 ° C, preferably - 75 ° C to + 75 ° C, and a pressure of 1 bar to 1 000 Bar is dissolved in the fluid.
  • a conditioned fluid is obtained which can be stored, e.g. by filling in tanks.
  • step b) The introduction of carbon dioxide according to the invention in step b) into a fluid causes a specific combustion effect during the thermal conversion of the conditioned fluid according to the invention.
  • This effect is achieved by dividing the conditioned fluid according to the invention, which has been given by high pressure or by an injection nozzle, to the combustion chamber of a combustion device during the application (for example during the injection process) into fine bubbles.
  • these bubbles additionally atomize on injection due to the gases releasing from the carbon dioxide, whereby, first and foremost, the combustion is improved.
  • the inventive method improves the combustion properties of liquid fuels, which on the one hand, the yield, ie the efficiency and the energy yield, increases and on the other hand, the emission of pollutants is reduced.
  • the liquid fuel is selected from the group comprising liquid hydrocarbons, petroleum, heating oil, heavy oil, diesel fuels, gasoline fuels, XtL fuels, kerosene, emulsion fuels, turbine fuels, bunker oils, biofuels.
  • the liquid fuels also include flowable fuels.
  • the liquid fuels have a viscosity of between 0.1 mPa * s and 10 7 mPa * s, in particular between 0.2 mPa * s and 1 000 mPa 's at.
  • Examples of the present invention include an olive oil ( " 10 2 mPa * s), n-pentane (25 ° C: 0.224 mPa-s), n-hexane (0.320 mPa-s), n-heptane (0.410 mPa-s), octane (" 0,538 mPa-s), nonane (0.71 1 mPa-s), decane (0.920 mPa-s), dodecane (1, 52 mPa-s), paraffin oil (10 2 mPa 's to 10 6 mPa-s), benzene (25 ° C: 0,601 mPa-s), diethyl ether (0.240 mPa-s), diisopropyl ether (0.33 mPa »s), glycerol (in 1480 mPa» s), chloroform (0.56 mPa »s), Petroleum (0.65 mPa-s), engine oil
  • the liquid fuel is diesel fuel or gasoline.
  • the carbon dioxide is introduced into the fluid by pressure, so that the fluid conditioned according to the invention has a consistency (in particular viscosity, density) that it can be injected with the necessary pressure into a combustion chamber of a combustion device.
  • the carbon dioxide used in the invention shows particularly suitable properties, since it is to liquefy by means of pressure and can even be brought into a supercritical state.
  • the solubility of carbon dioxide in liquid fuels is greatly increased by the supercritical state, i. With supercritical carbon dioxide almost unlimited amounts can be realized.
  • the liquid combustion aid is particularly preferably water.
  • water has very good properties as a combustion aid.
  • the fluid is a mixture of the liquid fuel and the liquid combustion aid. This mixture can be conditioned particularly advantageously with the carbon dioxide.
  • introduction of carbon dioxide in step b) may occur upstream of a fuel injection pump of a combustion device.
  • a mixture adapted to the engine operating point and optimized mixture can be provided in situ, with which the positive effects can be further increased.
  • the optimized mixture includes both the carbon dioxide and the liquid combustion aids.
  • step b) takes place in a fuel injection pump of a combustion device.
  • even higher pressures can be realized, which opens up even more opportunities for the carbon dioxide content, that is higher carbon dioxide contents.
  • the introduction of carbon dioxide in step b) can take place together with the liquid combustion aid by means of a separate injection pump directly into the combustion device.
  • the phrase "together with” means that the liquid combustion aid is conditioned with carbon dioxide according to the invention.
  • liquid combustion aids are injected, one with carbon dioxide, to aid both cooling and combustion.
  • nitrogen-containing additives in water conditioned with carbon dioxide can be injected immediately after combustion in order to chemically reduce the nitrogen oxides formed during combustion and to further contribute to the cooling. With this additional cooling and performance increases can be achieved.
  • the present invention can be carried out by dissolving the carbon dioxide in water in step b) when it is introduced into the liquid fuel in situ.
  • water is the combustion product of the regular combustion of fossil fuels such as diesel and can thus be obtained directly from the exhaust gases or combustion gases.
  • demineralized water should be used, because otherwise deposits can lead to corrosion damage in the internal combustion engine.
  • the condensed from the exhaust gases water is virtually demineralized and thus ideally suited for the described use.
  • the temperature in the combustion chamber besides the regular cooling of the cylinder wall can best be realized by using water for cooling in the combustion chamber itself (eg use of "water diesel") ,
  • a further embodiment provides for adding further additives to the liquid combustion assistant, selected from surface tension reducing agents and nitrogen oxides reducing agents.
  • alcohols and surfactants may be agents for reducing the surface tension.
  • nitrogen oxide reducing agents may be selected from urea, guanidine, ammonia, organic amines or other suitable ammonium compounds which may additionally chemically degrade the remaining NOx to nitrogen. This is especially true in the above-described injection immediately after combustion).
  • step b) the introduction of carbon dioxide in step b) is carried out in water directly into the combustion device by means of a separate injection pump.
  • the liquid fuel is injected into the combustion chamber via the fuel injection pump and water conditioned in parallel with carbon dioxide, if appropriate with the further additives, so that the conditioning according to the invention takes place directly in the combustion chamber.
  • a lower surface tension of the water is realized by the conditioning according to the invention.
  • the second aspect of the present invention relates to a conditioned liquid fuel which under standard conditions is from 49% to 99.99% by volume of a liquid fuel, from 0.01% to 15% by volume carbon dioxide and 0% by volume. % to 50% by volume of water.
  • the conditioned fluid has the advantages that better combustion characteristics are achieved, thereby increasing the yield, i. the efficiency and the energy yield, increases and on the other hand the emission of pollutants is reduced.
  • the presence of dissolved carbon dioxide in the water ensures good cooling of the internal combustion engine, which has a positive effect on the total emission of pollutants.
  • Both water and carbon dioxide can be recovered from the combustion exhaust gases.
  • the conditioning of the fuel as well as of the water with carbon dioxide can be done in situ immediately before the injection and can be optimally mixed and injected depending on the engine condition (separately with separate water supply into the combustion chamber or together with the provision of so-called "hydraulic fuel")
  • the liquid fuel is cooled, for which, for example, dry ice, Peltier cooling, liquid nitrogen, a cooling unit in the fuel supply of the combustion device or the air conditioning system of a motor vehicle can be used be realized, if the conditioning takes place immediately before the supply to the injection pump, as it has been shown above as an inventive alternative of introduction.This is true both for the conditioning of Kraftsto ffs as well as for conditioning the water as a combustion aid.
  • the conditioned liquid fuel is obtainable in particular by the method according to the invention described above.
  • the conditioned liquid fuel can in principle be industrially produced and offered through the normal network of distributors or distributors. But it is particularly useful to produce the conditioned liquid fuel on site, or to produce in situ.
  • the present invention relates to the use of carbon dioxide to improve the combustion of liquid fuels, wherein first in a step i) a liquid fuel is provided.
  • a liquid fuel is provided in a step ii) carbon dioxide at a temperature of - 75 ° C to + 175 ° C, preferably - 75 ° C to + 75 ° C, and introduced a pressure of 1 bar to 1, 000 bar, the introduction done in situ.
  • a conditioned liquid fuel is obtained in situ.
  • the conditioned liquid fuel is finally burned, i. thermally recycled, in particular converted into kinetic energy and / or thermal energy (combined heat and power).
  • liquid fuels preferred according to the invention are also valid or preferred in this aspect.
  • step iv) takes place according to the invention in an internal combustion engine or in a turbine for generating kinetic energy or in a burner for thermal energy production.
  • the use according to the invention improves the combustion and emission properties of conventional liquid fuels through the step ii) the introduction of carbon dioxide.
  • a jet of conditioned liquid fuel is atomized by the geometry of the injection nozzle and brought into strong turbulence, which tears the jet into fine droplets whose size depends on the viscosity of the fuel, the droplet size increasing Viscosity increases.
  • the surface tension of the fuel also plays a role, that is, the lower the viscosity and / or the surface tension of the conditioned liquid fuel, the finer are the bubbles.
  • the same effect with the same effect also occurs in carbon dioxide-conditioned water or so-called "hydro fuel”.
  • the liquid fuel is diesel fuel or gasoline.
  • the carbon dioxide is dissolved in water when it is introduced in situ into the liquid fuel.
  • a fourth aspect of the present invention relates to the use of carbon dioxide for the conditioning of liquid hydrocarbons or hydrocarbon mixtures, wherein first in a step x) a liquid hydrocarbon or a liquid hydrocarbon mixture is provided. In a subsequent step y) carbon dioxide at a temperature of - 75 ° C to + 175 ° C, preferably - 75 ° C to + 75 ° C, and a pressure of 1 bar to 1, 000 bar in the liquid hydrocarbon or liquid hydrocarbon mixture introduced. As a result, a conditioned liquid hydrocarbon or a conditioned liquid hydrocarbon mixture is finally obtained in step z).
  • the definitions given above are also valid in this aspect, or preferred.
  • liquid hydrocarbon or “liquid hydrocarbon mixture” is understood to mean the hydrocarbons already mentioned above for liquid fuels.
  • liquid hydrocarbons can be used, that is to say saturated, unsaturated, cyclic, linear, branched, aromatic, polyaromatic and combinations, for example cyclic unsaturated hydrocarbons, and esters, ethers, acetals, hemiacetals, aldehydes, ketones, carboxylic acids, amines, Thio-hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, and mixtures thereof (including the additives).
  • the hydrocarbons or hydrocarbon mixtures used in this embodiment also include highly hydrocarbon or hydrocarbon mixtures with viscosities of up to 10 16 mPa * s, for example bitumen and asphalt.
  • the fifth aspect of the present invention relates to the use of carbon dioxide to improve the winter performance of diesel fuel or gasoline, wherein diesel fuel or gasoline is provided in step I) and carbon dioxide at a temperature of -75 ° C to + 175 ° C in a step II) , Preferably - 75 ° C to + 75 ° C, and a pressure of 1 bar to 1, 000 bar in situ in the diesel fuel or the gasoline is introduced.
  • a conditioned diesel fuel or a conditioned gasoline fuel is obtained.
  • petrol fuel can be dispensed in this way on the environmentally harmful addition of low-boiling hydrocarbons, such as butane, which emit due to their high vapor pressure for the most part in the environment.
  • FIG. 1 shows a diagram for the specific fuel consumption of a liquid fuel conditioned according to the invention in comparison with a series fuel
  • FIG. 2a-d diagrams to illustrate the reduction of emissions
  • 3a-d are diagrams for illustrating the reduction of emissions of carbon monoxide (CO) at different speeds by an inventively conditioned liquid fuel compared to a series fuel
  • 4a-d are diagrams for illustrating the behavior of the smoke number at different rotational speeds in a liquid fuel conditioned according to the invention in comparison with a series fuel
  • the present invention offers various possibilities for conditioning a fluid by means of carbon dioxide.
  • the carbon dioxide can be introduced either directly into a liquid fuel or into a liquid combustion aid to be mixed with this.
  • the carbon dioxide may be introduced into an already established mixture of liquid fuel and liquid combustion aid.
  • a liquid fuel conditioned according to the invention is referred to as an "alternative fuel" in which the carbon dioxide has been introduced directly into diesel fuel.
  • FIG. 1 shows, on the basis of experimental data, how the conditioning according to the invention of a liquid fuel, in this case diesel fuel, reduces the fuel consumption slightly but markedly compared with the same liquid fuel which was not conditioned.
  • Replacing liquid fuel with carbon dioxide (C0 2 ) ultimately resulted in fuel savings of several percentage points.
  • the diagrams shown in Figures 2a-d, 3a-d and 4a-d show the reduction of emissions of hydrocarbons and carbon monoxide in the exhaust gas and the behavior of the smoke number at different speeds when using according to the invention with CO2 conditioned liquid (in this case diesel -) Fuel compared with the same unconditioned fuel.
  • the engine control was not set to the conditioning-modified fuel. By optimizing the engine control (eg injection timing, boost pressure, etc.), a further reduction in emissions and a further increase in efficiency can be expected.
  • CO2 is produced as a by-product of the combustion of fossil fuels, which makes it not only possible to use this surplus, but also makes sense and is advantageous.
  • CO2 itself is non-flammable and therefore can contribute to greater safety in combustion devices, in particular by overshadowing the liquid in a tank Fuel.
  • a temperature-dependent concentration equilibrium forms with the atmosphere above the liquid fuel.
  • non-flammable gases such as CO2
  • CO2 can be obtained directly from industry, for example in refineries.
  • conventional liquid fuels burn mainly to CO2 and water
  • a procedural introduction of CO2 into the fuel on the already resulting exhaust gases is useful and advantageous.
  • the CO2 present in the exhaust gas can be selectively separated and fed to an in-situ conditioning.
  • CO2 was injected into a diesel fuel in a gas-tight sealable pressure vessel (autoclave).
  • the injection pressure was 3 bar.
  • the experiment was carried out at room temperature, the temperature being additionally kept low at about 10 ° C. by the addition of dry ice. As a result, a conditioned liquid fuel according to the invention was obtained.
  • the engine test bench included a Mercedes engine CDI 220 (with an injection pressure of about 1, 800 bar (engine manufacturer: Daimler AG, engine code: OM 646 (two overhead camshafts, 1 6 valves): Displacement: 2.2 I. Power: 1 10 kW, torque: 340 Nm Injection: common rail direct injection with solenoid valve-controlled injectors, supercharging: turbocharger with variable turbine geometry).
  • the engine test bench was also equipped with a tempered fuel balance to precisely determine the consumption. Subsequently, the work performed was started by means of an eddy current brake with defined performance characteristics at different speeds. Consumption and emissions (in this case especially carbon monoxide, hydrocarbons and smoke number) were measured for each engine speed with the corresponding braking power (compare Figures 2a-d, 3a-d). The result of the experiments was that the combustion could be accelerated by the conditioning according to the invention with C0 2 . That is, through the effect of internal atomization, there was a faster and better combustion. As a result, the hydrocarbon and carbon monoxide emissions have been reduced. Despite the volume replacement of diesel fuel by CO2 consumption was at least identical, there were sometimes even lower consumption.
  • the present invention can also be used advantageously for gasoline and gasoline engines.
  • the conditioning according to the invention with CO2 had a positive influence on the knock resistance and the combustion of gasoline.
  • C0 2 acted as an anti-preignment additive, that is, the better and more complete combustion reduced the combustion residues in the combustion chamber.
  • the conditioning according to the invention with CO2 increased the winter suitability of gasoline fuels, in particular the cold-starting properties. Likewise, lower emissions and higher efficiency (and thus lower fuel consumption) could be achieved.
  • LPG gaseous alkanes, especially methane, ethane, propane, butane, or mixtures of these alkanes
  • LPG gaseous alkanes, especially methane, ethane, propane, butane, or mixtures of these alkanes
  • this continuous, quasi-bivalent operation meant that part of the gasoline could be replaced by LPG.
  • This not only resulted in financial savings from the cheaper gas (LPG), but also resulted in a more homogeneous mixture formation with the air, allowing a more uniform combustion and thus lower emissions, increased efficiency, saving petrol and quieter running properties.
  • By an inventive conditioning of gasoline with LPG under high pressure and high gas components in gasoline can be realized.
  • propane and butane can be easily liquefied and can be added to the petrol depending on pressure in almost any quantity.
  • admixing just before injection (in situ) is the best method.
  • the emulsion formed is unstable and must be prepared immediately prior to injection into the combustion chamber (eg by a scarab mixer). However, due to the high instability of this emulsion there is a risk of segregation and thus of a non-circular running of the engine. 1 b. with emulsifiers ("hydrodiesel").
  • emulsifiers have been developed which form an absolutely thermodynamically stable emulsion of water and diesel fuel, sometimes in a matter of seconds, so that there is the possibility of adding this emulsion as a finished fuel to the tank. Likewise, it can also be formed immediately before combustion.
  • the problem with the filling station solution is that the fuel is traded per liter and the added water throws the economic issue into the room due to the taxation of the total fuel.
  • the water must be taxed with. Since the tax is very high, this concept has already been discarded in the past for economic reasons. In addition, significant amounts of emulsifiers are necessary (5% to 15%), which make this process more expensive. 2.
  • the water is injected into the intake manifold or enter by means of ultrasonic nebulization.
  • the water is injected separately into the engine compartment / combustion chamber.
  • This ideal solution is considerably more complex than the injection in the intake manifold, but offers many possibilities for the absolute optimization of the combustion conditions. Injection time, injection duration and injection quantity can be varied and multiple injections can be realized. Thus, the water can then be used at least partially for optimal cooling and support for combustion.
  • a biphasic mixture of water and commercial diesel fuel was treated with a CC water bubbler at 20 ° C and visually inspected.
  • a two-phase mixture of water and diesel fuel was shaken vigorously by hand and allowed to stand for 5 minutes. After these 5 minutes, the two phases had already almost completely separated again, as shown in Fig. 5a can be seen.
  • a biphasic mixture of water and diesel fuel was added to C0 2 at 20 ° C by means of the whirler, shaken vigorously by hand and allowed to stand for 10 minutes. From Fig. 5b can be clearly seen how the added C0 2 has improved the emulsion between water and diesel fuel. This improvement in emulsion is indicated by the degree of turbidity of the two phases.
  • a "water diesel” specific to the engine situation can be provided, which exhibits significantly better atomization, cooling and combustion properties than a corresponding mixture without the conditioning according to the invention with CO2 ,
  • Viscosity reduction a By introducing the gas into the fuel, a significant reduction in viscosity was observed. For C0 2 , the viscosity of some liquid fuels or hydrocarbons, or hydrocarbon blends, was reduced to less than one-tenth of the original viscosity. The incorporation (solution) of the small gas molecules between the larger fuel and hydrocarbon molecules, the molecular interactions between these could be reduced, the mobility increased, the viscosity decreased and also the surface tension decreased.
  • the fuel may "spoil" in winter, paraffin crystals flocculate and clog filters, etc. Reducing CO2, in particular, has the potential to significantly lower the plating temperature.
  • rapeseed oil has a higher density compared to diesel fuel and has a kinematic viscosity about ten times greater. So far, only small quantities in gasoline for so-called “multi-power units” can be replaced by vegetable oils, which could be increased by the addition of CO2 and improved combustion, reduced emissions and increased efficiency when using vegetable oils As so-called “biodiesel” so far it requires a transesterification to the corresponding fatty acid methyl esters in order to use these in regular modern engines. By redeeming enough CO2, these oils could also be used directly as fuel.
  • CO2 acted as a flow modifier in the conditioning of the invention to improve the filterability and pumpability of the liquid fuel, which in practice can replace the preheating of heavy fuel oils for large marine diesel engines or for industrial processes.
  • Conditioned liquid fuels according to the invention can act as Zündbevant because of the finer atomization.
  • CO2 has a stabilizing effect on biphasic mixtures of water and fuel and can be used as an emulsifier which, in addition to its emulsifying effect, continues to produce the aforementioned positive effects.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren von Fluiden für Verbrennungsvorrichtungen, wobei die Fluide aus flüssigen Kraftstoffen und flüssigen Verbrennungshilfsmitteln ausgewählt sind, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Fluids, b) Einbringen von Kohlenstoffdioxid in das Fluid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C und einem Druck von 1 bar bis 1.000 bar, wobei das Einbringen in situ erfolgt, und dadurch c) Erhalten eines in situ konditionierten Fluids. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen konditionierten flüssigen Kraftstoff, unter Standardbedingungen umfassend - 49 Vol.-% bis 99,99 Vol.-% eines flüssigen Kraftstoffs und - 0,01 Vol. -% bis 15 Vol. -% Kohlenstoffdioxid und 0 Vol.-% bis 50 Vol.-% Wasser. Schließlich wird die Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigen Kraftstoffen, bzw. zur Konditionierung von flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoff-Gemischen sowie zur Verbesserung der Wintertauglichkeit von Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff beschrieben.

Description

Verfahren zum Konditionieren von Fluiden für Verbrennungsvorrichtungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Konditionieren von Fluiden für Verbrennungsvorrichtungen, wobei die Fluide aus flüssigen Kraftstoffen und flüssigen Verbrennungshilfsmitteln ausgewählt sind, auf konditionierte flüssige Kraftstoffe selbst sowie auf die Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigen Kraftstoffen. Die durch Treibhausgase bedingte globale Erderwärmung erreicht fühlbar gefährliche Ausmaße. Vor allem die Automobilindustrie steht massiv unter Druck, da der CO2- Ausstoß von Kraftfahrzeugen eine maßgebliche Rolle spielt. Sie arbeitet daher an Methoden, die Motoren der Kraftfahrzeuge laufend zu verbessern und diese effizienter sowie schadstoffärmer zu machen. Die beste Strategie ist jedoch sicher die Vermeidung von CC Emissionen. Doch da man sich an den Komfort des modernen Lebens, z.B. den Individualverkehr etc., gewöhnt hat, gilt es, die Prozesse zu optimieren, damit durch erhöhte Wirkungsgrade der Verbrauch bei gleicher Leistung reduziert werden kann. Idealerweise sollte dies mit einer Reduktion der Emission von schädlichen Gasen verbunden sein.
Die Problemstellung bei Motoren und Turbinen im Stand der Technik ist, dass bei besserer Effizienzleistung der Verbrennungsmotoren die Schadstoffemissionen weiter reduziert und der Wirkungsgrad erhöht werden sollen. Erreicht werden soll dies über eine physikalisch-chemische Behandlung des Kraftstoffes. Bei der thermischen Verwertung von Kraftstoffen, zum Beispiel in Brennern, soll durch eine Verbesserung der Verbrennung ebenfalls die Emission von Schadstoffen reduziert und die Ausbeute an thermischer Energie erhöht werden.
Gattungsgemäße Verfahren sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt. So beschreibt DE 103 34 897 A1 Diesel-Mikroemulsionen als alternativen Kraftstoff zur Reduzierung der Umweltbelastung durch Ruß- und Stickoxid-Emissionen. Hierzu wird Wasser in Nanostrukturen eingeschlossen und in Dieselkraftstoff emulgiert, um positive Effekte zu erzeugen. Es ist beschrieben, dass gleichzeitig der Wirkungsgrad erhöht und fossile Energieträger eingespart werden können.
Einen anderen Ansatz beschreiben Antoshkiv et al. (Antoshkiv, Oleksiy;Berg, Hein Peter; Wagner, Rodion;„Untersuchung des ottomotorischen Betriebs mit verschiedenen Kraftstoffmischungen", Forum der Forschung 20/2007; BTU Cottbus; S. 63-68) mit der Entwicklung kompakter Antriebmaschinen („Multifuel-Power-Units") für hybride Antriebssysteme, bei denen zu herkömmlichem Benzin alternative Treibstoffe mit einem ottomotorischen Brennverfahren eingesetzt werden, beispielsweise Benzin/Rapsöl- Mischungen. Der Wirkungsgrad von Dieselmotoren konnte ferner durch vielfältige weitere Maßnahmen gesteigert und die Emissionen reduziert werden (vgl. Ullmann, Bd. 12, S. 573-577, Verlag Chemie, Weinheim 1976), beispielsweise durch eine gute Zerstäubung und heftige Wirbelung, so dass Kraftstoff und Luft in der au ßerordentlich kurzen Zeit von tausendstel Sekunden intensiv vermischt und im Brennraum verteilt werden. Hierfür werden nach dem Stand der Technik mit der Direkteinspritzung unter sehr hohen Druck (bis zu 2.000 bar), der Optimierung von Geometrien der Brennkammer und der Einspritzdüsen (zum Beispiel Wandungen des Brennraums), der elektronischen Steuerung und Sensorik oder der Auslegung von Turboladern und Kompressoren verschiedene Prinzipien angewandt. Diese Optimierungsmaßnahmen sind hauptsächlich auf der Basis von Verbesserungen in der Mess- und Steuertechnik und Verbesserungen in der Materialwissenschaft erreicht worden und haben hier auch ihre Limitierung. Generell haben Dieselmotoren gegenüber Ottomotoren einen höheren Wirkungsgrad. Mit immer weiter fortschreitender Optimierung der Verbrennung steigt allerdings auch die Temperatur im Verbrennungsraum, wodurch sich in nachteiliger Weise erhöhte Stickoxid-Emissionen (NOx) ergeben. Das heißt, die geringere C02-Emission wird mit erhöhter NOx-Emission bezahlt. Da NOx ein hohes toxisches Umweltpotenzial hat, wird vereinzelt das Ende des Dieselmotors heraufbeschworen.
Stickoxide (NOx) entstehen bei der Verbrennung fossiler Energieträger aus zwei Gründen. Zum einen wird Stickstoff bei der Verbrennung zu NOx oxidiert, wenn der Energieträger stickstoffhaltig ist. Zum anderen reagiert der Luft-Stickstoff bei höheren Temperaturen (ab ca. 1 .200 °C) mit dem Luft-Sauerstoff (sog.„Thermisches NO" oder „Zeldovich-NO"). Bei den modernen verbrauchsoptimierten Motoren werden Verbrennungstemperaturen bis ca. 2.300 °C erreicht, woraus eine vermehrte NOx- Erzeugung folgt. Im Stand der Technik gibt es bereits Strategien, die bei Dieselmotoren zu einer Reduzierung des NOx führen. Insbesondere durch die Abgasrückführung steht im Verbrennungsraum weniger Sauerstoff für die eigentliche Verbrennung zur Verfügung und auch die Reaktion von Stickstoff mit Sauerstoff wird dadurch verringert. Diese Strategie funktioniert leider nicht bei Volllast, da hier sonst zu wenig Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht und durch die unvollständige Verbrennung der Anteil an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff ansteigt. Ru ßbildung und ein schlechter Wirkungsgrad sind die Folge. Ideal wäre eine Verbrennung unter Stickstoffausschluss, die allerdings sehr aufwändig und deshalb wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Daher bleibt als Strategie die Reduktion der Temperatur im Verbrennungsraum, denn je höher die Temperatur im Verbrennungsraum ist, desto intensiver ist die Reaktion von Stickstoff mit Sauerstoff zu NOx.
Die Temperatur im Verbrennungsraum kann neben der regulären Kühlung der Zylinderwandung am besten realisiert werden, indem Wasser für die Kühlung im Verbrennungsraum selbst verwendet wird. Wasser hat eine sehr hohe Wärmekapazität, ist billig, überall verfügbar und toxikologisch unbedenklich gegenüber der Umwelt. Wasser zersetzt sich bei hohen Temperaturen radikalisch. Die gebildeten OH-Radikale könnten die Verbrennung in positiver Weise unterstützen. Wasser hat jedoch ein sehr gro ßes Dipol-Moment und daher auch eine sehr große Oberflächenspannung. Das Wasser kann optimal genutzt werden, wenn es möglichst feinteilig in den Verbrennungsraum eingebracht wird, so dass es am Ende vollständig als Dampf vorliegt und somit eine maximale Kühlleistung erreicht werden kann. Aufgrund der sehr hohen Oberflächenspannung des Wassers ist jedoch eine enorme Energie notwendig, um Wasser so feinteilig zu versprühen. Es wurde sog.„Wasserdiesel" untersucht, der eine Emulsion von Wasser und Dieselkraftstoff ist. Da diese Stoffe normalerweise schlecht mischbar sind - das Wasser würde sich vom hydrophoben, öligen Diesel abscheiden - werden zur dauerhaften, gleichmäßigen Vermischung beider Stoffe Emulgatoren, auch bekannt als Tenside, benötigt. Die Oberflächenspannung kann auch durch Alkohol, besonders Methanol, Ethanol oder Propanole verringert werden - oder mit Hilfe von oberflächenaktiven Substanzen (Tensiden).
So wird in WO 2010/133625 A2 eine bikontinuierliche einphasige Mikroemulsion beschrieben, die neben einer wässrigen Komponente (Alkohol/Wasser-Gemisch) eine hydrophobe Komponente (Kraftstoff auf Mineralölbasis), eine ionische Tensidkomponente und eine nicht-ionische Tensidkomponente enthält. Dadurch entstehen in der Mikroemulsion eine kontinuierliche wässrige Phase und eine kontinuierliche hydrophobe Phase. Mit dieser Mikroemulsion soll eine bislang unerreichte Schadstoffarmut und Effizienz bei der Verbrennung möglich sein.
In WO 201 1 /042432 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors vorgestellt, das das in-situ-Herstellen einer Kraftstoffmischung beinhaltet, die eine polare Komponente, eine unpolare Kraftstoff-Komponente, eine amphiphile Komponente und weitere Hilfsstoffe enthält. Das in-situ-Herstellen wird im Hochdruckbereich des Einspritzsystems des Verbrennungsmotors unmittelbar vor dem Einspritzvorgang bei sehr hohen Drücken vorgenommen.
Die Tensidkomponenten haben jedoch den Nachteil, dass sie teuer sind und die Möglichkeit der Nutzung des Wassers deutlich einschränken (bspw. Gewinnung aus dem Auspuff-Gas). Darüber hinaus können sie je nach Einspritzzeitpunkt die Emission noch weiter erhöhen.
Alternativ wird nach dem Stand der Technik versucht, das Problem zu lösen, indem man ähnlich wie beim Diesel das Wasser mit sehr hohem Druck einspritzt. Dies ist aber sehr energieaufwändig und auch technologisch anspruchsvoll. Daher spielt die Wirtschaftlichkeit bei der Entscheidung über die Umsetzung dieser Vorgehensweise eine sehr große Rolle. Auch muss man bei der Hochdruckeinspritzung aufgrund der gro ßen Kraft des Wassersdrucks darauf aufpassen, dass es dabei nicht zu einem extremen Verschlei ß durch Kavitation und Erosion kommt. Eine andere Strategie verwendet überhitztes Wasser, was bei der Einspritzung sofort verdunstet. Allerdings ist damit natürlich die Kühlleistung deutlich geringer als bei der Verwendung von kaltem Wasser. Dies ist dem erwünschten Effekt nicht zuträglich. Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Konditionieren von Verfahren zum Konditionieren von Fluiden für Verbrennungsvorrichtungen anzugeben und einen entsprechenden konditionierten flüssigen Kraftstoff für die Erzeugung von thermischer und/oder kinetischer Energie bereitzustellen, die auf alternative und einfache Art und Weise eine weitere Optimierung ermöglichen und bei gleichem oder erhöhtem Wirkungsgrad flüssige Kraftstoffe effizienter nutzen und damit fossile Energieträger einsparen und durch eine vollständigere verbesserte Verbrennung auch Emissionen reduzieren. Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zum Konditionieren von Fluiden für Verbrennungsvorrichtungen, wobei die Fluide aus flüssigen Kraftstoffen und flüssigen Verbrennungshilfsmitteln ausgewählt sind, gelöst, das die Schritte umfasst:
a) Bereitstellen eines Fluids,
b) Einbringen von Kohlenstoffdioxid in das Fluid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar, wobei das Einbringen in situ erfolgt, und dadurch
c) Erhalten eines in situ konditionierten Fluids. In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die genannte Aufgabe gelöst durch einen konditionierten flüssigen Kraftstoff, unter Standardbedingungen umfassend
49Vol.-% bis 99,99 Vol.-% eines flüssigen Kraftstoffs und
0,01 Vol.-% bis 15 Vol.-% Kohlenstoffdioxid und
- 0 Vol.-% bis 50 Vol.-% Wasser.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung löst die vorstehende Aufgabe durch die Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigen Kraftstoffen, wobei
i) ein flüssiger Kraftstoff bereitgestellt wird,
ii) Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar in den flüssigen Kraftstoff eingebracht wird, wobei das Einbringen in situ erfolgt,
iii) dadurch ein konditionierter flüssiger Kraftstoff in situ erhalten wird und
iv) der konditionierte flüssige Kraftstoff verbrannt wird.
Einen vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Konditionierung von flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoff-Gemischen dar, wobei x) ein flüssiger Kohlenwasserstoff oder ein flüssiges Kohlenwasserstoff-Gemisch bereitgestellt wird,
y) Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar in den flüssigen Kohlenwasserstoff oder das flüssige Kohlenwasserstoff-Gemisch eingebracht wird, und dadurch
z) ein konditionierter flüssiger Kohlenwasserstoff oder ein konditioniertes flüssiges Kohlenwasserstoff-Gemisch erhalten wird.
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Verbesserung der Wintertauglichkeit von Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff, wobei
I) Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff bereitgestellt wird,
II) Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar in situ in den Dieselkraftstoff oder den Ottokraftstoff eingebracht wird,
III) dadurch ein konditionierter Dieselkraftstoff oder ein konditionierter Ottokraftstoff erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass sich die Verbrennungseigenschaften von flüssigen Kraftstoffen durch die erfindungsgemäße Konditionierung verbessern lassen und dadurch der Wirkungsgrad und die Energieausbeute erhöht werden können, während sich die Emission von Schadstoffen reduziert. Ferner können allgemein die Eigenschaften von flüssigen Kohlenwasserstoffen oder flüssigen Kohlenwasserstoff- Gemischen verbessert werden.
Durch den Einsatz von Kohlenstoffdioxid, das bevorzugt in Wasser gelöst wird, können vorteilhafte Effekte erzielt werden, insbesondere die Reduzierung der Oberflächenspannung des Wassers und eine weitere Nanozerstäubung des eingespritzten Wassers durch den geringen Siedepunkt des Kohlenstoffdioxids. Auf diese Weise kann mit kaltem Wasser eine maximale Kühlleistung erreicht werden.
Im Folgenden wird die Erfindung im Detail beschrieben. Vorteile und Ausführungsformen, die in Bezug auf einen der vier vorstehend genannten Aspekte beschrieben werden, gelten für die drei anderen vorstehend genannten Aspekte entsprechend.
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren von Fluiden für Verbrennungsvorrichtungen, wobei die Fluide aus flüssigen Kraftstoffen und flüssigen Verbrennungshilfsmitteln ausgewählt sind, das zunächst in Schritt a) das Bereitstellen eines Fluids umfasst. In einem Schritt b) wird Kohlenstoffdioxid in das Fluid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C, bevorzugt - 75 °C bis + 75 °C, und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar eingebracht, wobei das Einbringen in situ erfolgt. Dadurch wird in Schritt c) ein in situ konditioniertes Fluid erhalten. Der erfindungsgemäß verwendete Begriff „flüssiger Kraftstoff" schließt flüssige und fließfähige (d.h. höherviskose) Kraftstoffe und Brennstoffe ein. Konkrete Ausführungsformen werden nachstehend definiert. Der erfindungsgemäß verwendete Begriff „flüssige Verbrennungshilfsmittel" schließt jene Mittel ein, die dem flüssigen Kraftstoff beigegeben werden können, um die Verbrennung zu verbessern. Erfindungsgemäße Beispiele sind Wasser, Wasserstoffperoxid, Ozon, organische Peroxide und anorganische Peroxide. Grundsätzlich können als flüssiger Kraftstoff alle Arten von flüssigen Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden, d.h. gesättigte, ungesättigte, cyclische, lineare, verzweigte, aromatische, polyaromatische und Kombinationen z.B. cyclische ungesättigte Kohlenwasserstoffe, sowie Ester, Ether, Acetale, Halbacetale, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Alkohole, Amine, Thio-Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, und deren Mischungen (inklusive der Additive).
Ferner können weitere Kraftstoffarten wie schwere Erdöldestillate, getoppte Rohöle, Steinkohlenteeröle, Schieferöle oder zähflüssige Rückstände der Erdölverarbeitung (Bunker-C-Öle) verwendet werden.
Weitere konkrete Beispiele sind für Diesel, bzw. Dieselkraftstoffe XtL- Kraftstoffe, Emulsionskraftstoffe, Biodiesel, Pflanzenöle (z.B. Sonnenblumenöl, Rapsöl, Olivenöl, Palmöl, etc.) Pflanzenöl(fettsäure)-Ester (z.B. RME Rapsmethylester, FAME Fettsäuremethylester, etc.), hydrierte Pflanzenöle, Fette, Frittieröle, Kerosin, Heizöl (alle Klassen), Steinkohlenteeröl, Schweröl, Gasöl. Mit „XtL- Kraftstoffen", die auch als „Fischer-Tropsch-Kraftstoffe" bezeichnet werden, werden verschiedene synthetische Kraftstoffe bezeichnet, bei denen ein fester oder gasförmiger Energieträger in einen bei normaler Temperatur und Druck flüssigen kohlenstoffhaltigen Kraftstoff umgewandelt wird.„X" stellt eine Variable dar und während„tl_" für den englischen Begriff „to Liquid" steht. Für„X" sind G (GtL:„Gas-to-Liquid"bei der Verwendung von Erdgas bzw. Biogas), B (BtL:„Biomass-to-Liquid" bei der Verwendung von Biomasse) und C (CtL:„Coal-to- Liquid" bei der Verwendung von Kohle) gebräuchlich.
Weitere konkrete Beispiele sind für Benzin, bzw. Ottokraftstoffe alle Klassen wie Super- Plus, Super, Super E-10, Super E-5, sowie Flugbenzin, Zweitaktgemische, Leichtbenzin, Alkylatbenzin.
Unter„Konditionieren" wird in der vorliegenden Erfindung eine Behandlung verstanden, durch welche die Eigenschaften von Fluiden verbessert werden können, insbesondere in Bezug auf ihre Verbrennungsfähigkeit (Steigerung), ihre Viskosität (Verringerung), ihre Dichte (i.d.R. Steigerung), die Reduktion der Versulzungsneigung sowie die Verringerung der Oberflächenspannung. Konkrete Ausführungsformen werden nachstehend noch ausgeführt. Das erfindungsgemäße Einbringen von Kohlenstoffdioxid in Schritt b) in ein Fluid folgt dem Henry'schen Gesetz, wonach der Partialdruck eines Gases, welcher über einer Flüssigkeit herrscht, proportional zu der Konzentration des Gases in der Flüssigkeit ist. Daraus resultiert, dass bei steigendem Druck auch die Konzentrationsmenge des Gases in der Flüssigkeit steigt, bis diese einen Sättigungszustand erreicht hat. Mit der Variation der Temperatur kann dieser Vorgang zusätzlich beeinflusst werden. Je niedriger die Temperatur während des Einbringens ist, desto mehr Gas (mit wenigen Ausnahmen wie Wasserstoff) kann in dem Fluid gelöst werden. Es wird ein konditioniertes Fluidgemäß der Erfindung erhalten. Da das konditionierte Fluid für die thermische Umsetzung in situ erzeugt wird, sind höhere Drücke und damit eine höhere Sättigung beim Einbringen möglich.
Zum erfindungsgemäßen Einbringen des Kohlenstoffdioxids werden entweder technische Apparaturen, wie zum Beispiel Autoklaven, Kompressoren, Verdichter, spezielle Düsen, Mischer und/oder Membranen, oder spezielle Verfahrensschritte, wie zum Beispiel das direkte Einlösen von Trockeneis in das Fluid, verwendet.
Erfindungsgemäß werden in einer ersten Alternative des Einbringens Autoklaven verwendet, bei denen das Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C, bevorzugt - 75 °C bis + 75 °C, und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar in das Fluid eingelöst wird. Auf diese Weise wird ein konditioniertes Fluid erhalten, der bevorratet werden kann, z.B. durch Abfüllen in Tanks.
Das erfindungsgemäße Einbringen von Kohlenstoffdioxid in Schritt b) in ein Fluid bewirkt bei der thermischen Umsetzung des erfindungsgemäßen konditionierten Fluids einen speziellen Verbrennungseffekt. Dieser Effekt wird dadurch erzielt, dass das durch hohen Druck oder durch eine Einspritzdüse dem Brennraum einer Verbrennungsvorrichtung aufgegebene erfindungsgemäße konditionierte Fluid während des Aufgebens (z.B. beim Einspritzvorgang) in feine Bläschen zerteilt wird. Durch die Konditionierung mit Kohlenstoffdioxid zerstäuben diese Bläschen beim Einspritzen aufgrund der sich aus dem Kohlenstoffdioxid freisetzenden Gase zusätzlich noch feiner, wodurch zuallererst die Verbrennung verbessert wird. Bei diesem Vorgang kann man von einer Art„inneren Zerstäubung" sprechen, d.h. die bereits durch Zerstäubung erhaltenen Bläschen zerspringen aufgrund des physikalisch-chemischen Effektes und auch wegen der Verringerung der Oberflächenspannung erneut aus sich selbst heraus in noch feinere Bläschen. Dadurch wird auch die Durchmischung mit der Luft bzw. dem Sauerstoff im Verbrennungsraum noch einmal verbessert.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren verbessern sich die Verbrennungseigenschaften flüssiger Kraftstoffe, wodurch einerseits die Ausbeute, d.h. der Wirkungsgrad und die Energieausbeute, steigt und andererseits die Emission von Schadstoffen reduziert wird. In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der flüssige Kraftstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend flüssige Kohlenwasserstoffe, Erdöl, Heizöl, Schweröl, Dieselkraftstoffe, Ottokraftstoffe, XtL-Kraftstoffe, Kerosin, Emulsionskraftstoffe, Turbinenkraftstoffe, Bunkeröle, Biokraftstoffe.
Wie vorstehend beschrieben schließen die flüssigen Kraftstoffe auch fließfähige Kraftstoffe ein. Erfindungsgemäß bevorzugt weisen die flüssigen Kraftstoffe eine Viskosität zwischen 0,1 mPa*s und 107 mPa*s, insbesondere zwischen 0,2 mPa*s und 1 .000 mPa«s, auf.
Erfindungsgemäße Beispiele schließen ein Olivenöl («102 mPa*s), n-Pentan (25 °C: 0,224 mPa-s), n-Hexan (0,320 mPa-s), n-Heptan (0,410 mPa-s), Octan (0,538 mPa-s), Nonan (0,71 1 mPa-s), Decan (0,920 mPa-s), Dodecan (1 ,52 mPa-s), Paraffinöl (102 mPa«s bis 106 mPa-s), Benzol (25 °C: 0,601 mPa-s), Diethylether (0,240 mPa-s), Diisopropylether (0,33 mPa»s), Glycerin (rein: 1480 mPa»s), Chloroform (0,56 mPa»s), Petroleum (0,65 mPa-s), Motoröl (150 °C: ~ 3 mPa«s, 25 °C: ~ 100 mPa-s), Schweröl RMA 30 (50 °C: 30 mPa-s), Schweröl RMK 700 (50 °C: 700 mPa-s), Bitumen (je nach Sorte 107 mPa*s bis 1014 mPa*s), Asphalt (je nach Rezeptur: 1011 mPa*s bis 1016 mPa-s).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der flüssige Kraftstoff Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff.
Das Kohlenstoffdioxid wird erfindungsgemäß durch Druck in das Fluid eingebracht, so dass das dann erfindungsgemäß konditionierte Fluid eine Konsistenz (insbesondere Viskosität, Dichte) aufweist, dass es mit dem notwendigen Druck in eine Brennkammer einer Verbrennungsvorrichtung eingespritzt werden kann. Das erfindungsgemäß eingesetzte Kohlenstoffdioxid zeigt besonders geeignete Eigenschaften, da es mittels Druck zu verflüssigen ist und sogar in einen überkritischen Zustand gebracht werden kann. Die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in flüssigen Kraftstoffen erhöht sich durch den überkritischen Zustand stark, d.h. mit überkritischem Kohlenstoffdioxid sind nahezu beliebig einzubringende Mengen realisierbar.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist das flüssige Verbrennungshilfsmittel Wasser. Wie einleitend dargelegt, hat Wasser als Verbrennungshilfsmittel sehr gute Eigenschaften.
Es ist in einer Weiterbildung der Erfindung ferner bevorzugt, wenn das Fluid eine Mischung aus dem flüssigen Kraftstoff und dem flüssigen Verbrennungshilfsmittel ist. Diese Mischung kann besonders vorteilhaft mit dem Kohlenstoffdioxid konditioniert werden.
In einer Ausführungsform kann Einbringen von Kohlenstoffdioxid in Schritt b) vor einer Kraftstoff-Einspritzpumpe einer Verbrennungsvorrichtung erfolgen. Hier kann in vorteilhafter Weise eine an den Motorbetriebspunkt angepasste und optimierte Mischung definiert in situ bereitgestellt werden, womit sich die positiven Effekte weiter steigern lassen. Die optimierte Mischung umfasst sowohl das Kohlenstoffdioxid als auch die flüssigen Verbrennungshilfsmittel.
In einer dazu alternativen Ausführungsform erfolgt das Einbringen von Kohlenstoffdioxid in Schritt b) in einer Kraftstoff-Einspritzpumpe einer Verbrennungsvorrichtung. Neben den für den Motorbetriebspunkt optimierten Mischungen können hier zusätzlich noch höhere Drücke realisiert werden, was noch weitere Möglichkeiten für den Kohlenstoffdioxidanteil eröffnet, das heißt höhere Kohlenstoffdioxidgehalte.
In noch einer alternativen Ausführungsform kann das Einbringen von Kohlenstoffdioxid in Schritt b) gemeinsam mit dem flüssigen Verbrennungshilfsmittel mittels einer eigenen Einspritzpumpe direkt in die Verbrennungsvorrichtung erfolgen. Die Formulierung „gemeinsam mit" bedeutet, dass das flüssige Verbrennungshilfsmittel erfindungsgemäß mit Kohlenstoffdioxid konditioniert ist.
In dieser alternativen Ausführungsform zwei verschiedene Arten von flüssigen Verbrennungshilfsmitteln eingespritzt werden, zum einen Wasser mit Kohlenstoffdioxid, um sowohl die Kühlung wie auch die Verbrennung zu unterstützen. Zum anderen können unmittelbar nach der Verbrennung stickstoffhaltige Additive in Wasser, das mit Kohlenstoffdioxid konditioniert ist, eingespritzt werden, um die bei der Verbrennung gebildeten Stickoxide chemisch zu reduzieren und weiter zur Kühlung beizutragen. Mit dieser zusätzlichen Kühlung sind auch Leistungssteigerungen zu erreichen.
Diese drei alternativen Ausführungsformen stellen abhängig vom verwendeten flüssigen Kraftstoff vorteilhafte Möglichkeiten dar, um das in situ mit Kohlenstoffdioxid konditionierte Fluid dem Brennraum einer Verbrennungsvorrichtung aufzugeben. Dieses Einbringen wird vorzugsweise bei Einspritzdrücken von 100 bar bis 2.500 bar, bevorzugt 400 bar bis 1 .600 bar, durchgeführt.
Es hat sich in einer Weiterbildung als vorteilhaft erwiesen, wenn das Kohlenstoffdioxid vor Schritt b) direkt aus der Industrie gewonnen oder das im Abgas vorhandene Kohlenstoffdioxid selektiv abgetrennt und einer in-situ-Konditionierung zugeführt wird.
Auf diese Weise kann ein Teil des entstehenden Kohlenstoffdioxids direkt abgefangen und für die Erfindung eingesetzt werden, ohne in die Umwelt zu gelangen. Somit ist das Mitführen eines (schweren) Drucktanks für das Kohlenstoffdioxid nicht notwendig. Es bedarf auch keiner zwingenden separaten Betankung mit Kohlenstoffdioxid an einer Tankstelle und der damit verbundenen Infrastruktur.
Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Erfindung ausgeführt werden, indem in Schritt b) das Kohlenstoffdioxid in Wasser gelöst ist, wenn es in situ in den flüssigen Kraftstoff eingebracht wird. Wasser ist neben Kohlenstoffdioxid das Verbrennungsprodukt der regulären Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie Diesel und kann so direkt auch aus den Auspuffgasen bzw. Verbrennungsgasen gewonnen werden. Vorteilhafterweise sollte aber demineralisiertes Wasser zur Anwendung kommen, weil ansonsten Ablagerungen zu Korrosionsschäden in der Verbrennungsmaschine führen können. Das aus den Auspuffgasen kondensierte Wasser ist quasi demineralisiert und somit für den beschriebenen Einsatz ideal geeignet. Wie bereits erwähnt kann die Temperatur im Verbrennungsraum neben der regulären Kühlung der Zylinderwandung am besten realisiert werden, indem Wasser für die Kühlung im Verbrennungsraum selbst verwendet wird (z. B. Nutzung von „Wasserdiesel"). Die Probleme der Verwendung von Wasser wurden vorstehend genannt.
Erfindungsgemäß können diese Probleme nun überwunden werden, wenn das zum Konditionieren eingesetzte Kohlenstoffdioxid in Wasser gelöst ist. Hierdurch wird einerseits die Oberflächenspannung des Wassers reduziert, so dass eine möglichst feinteilige Verteilung im Verbrennungsraum ermöglicht wird, ohne die notwendige Energie übermäßig erhöhen zu müssen. Das Wasser liegt somit vollständig als Dampf vor. Ferner können die bei der Zersetzung gebildeten OH-Radikale die Verbrennung in positiver Weise unterstützen. Andererseits kommt es durch den geringen Siedepunkt des Kohlenstoffdioxids zu einer weiteren Nanozerstäubung des eingespritzten Wassers. So kann erfindungsgemäß mit kaltem Wasser, in dem das Kohlenstoffdioxid gelöst ist, eine maximale Kühlleistung erreicht werden.
Besonders vorteilhaft ist in einer Abwandlung dieser Ausführungsform, das Kohlenstoffdioxid vor Schritt b) in situ in Wasser zu lösen. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dem flüssigen Verbrennungshilfsmittel weitere Additive zuzugeben, ausgewählt aus Mitteln zur Reduzierung der Oberflächenspannung und Mitteln zur Verringerung von Stickoxiden.
Mittel zur Reduzierung der Oberflächenspannung können insbesondere Alkohole und Tenside sein. Mittel zur Verringerung von Stickoxiden können vorteilhaft aus Harnstoff, Guanidin, Ammoniak, organischen Aminen oder weiteren geeigneten Ammonium- Verbindungen ausgewählt werden, die zusätzlich das verbliebende NOx chemisch zu Stickstoff abbauen können. Dies gilt insbesondere bei der vorstehend beschriebenen Einspritzung unmittelbar nach der Verbrennung).
Die Zugabe dieser weiteren Additive, einzeln oder in beliebigen chemisch sinnvollen Kombinationen, kann besonders vorteilhaft in der Ausführungsform erfolgen, bei der das Einbringen von Kohlenstoffdioxid in Schritt b) gelöst in Wasser mittels einer eigenen Einspritzpumpe direkt in die Verbrennungsvorrichtung erfolgt. In anderen Worten wird über die Kraftstoff-Einspritzpumpe in herkömmlicher Weise der flüssige Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt und parallel dazu mit Kohlenstoffdioxid konditioniertes Wasser, ggf. mit den weiteren Additiven, so dass die erfindungsgemäße Konditionierung in situ direkt im Brennraum erfolgt. Auch hier wird durch die erfindungsgemäße Konditionierung eine geringere Oberflächenspannung des Wassers realisiert.
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen konditionierten flüssigen Kraftstoff, der unter Standardbedingungen 49 Vol.-% bis 99,99 Vol.-% eines flüssigen Kraftstoffs 0,01 Vol.-% bis 15 Vol.-% Kohlenstoffdioxid und 0 Vol.-% bis 50 Vol.-% Wasser umfasst.
Die vorstehend aufgeführten Definitionen und erfindungsgemäß bevorzugten flüssigen Kraftstoffe sind auch in diesem Aspekt gültig, bzw. bevorzugt. Unter „Standardbedingungen" werden 23 °C und 1 bar verstanden.
Das konditionierte Fluid hat die Vorteile, dass bessere Verbrennungseigenschaften erreicht werden, wodurch einerseits die Ausbeute, d.h. der Wirkungsgrad und die Energieausbeute, steigt und andererseits die Emission von Schadstoffen reduziert wird. Gleichzeitig wird durch das Vorhandensein von in Wasser gelöstem Kohlenstoffdioxid eine gute Kühlung der Verbrennungsmaschine gewährleistet, was sich positiv auf den gesamten Schadstoffausstoß auswirkt.
Sowohl Wasser als auch Kohlendioxid können aus den Verbrennungsabgasen gewonnen werden. Die Konditionierung des Kraftstoffs als auch des Wassers mit Kohlenstoffdioxid kann in situ unmittelbar vor der Einspritzung geschehen und lastabhängig auf den Motorzustand optimiert gemischt und eingespritzt werden (separat bei separater Wasserzuführung in den Verbrennungsraum oder gemeinsam bei der Bereitstellung von sog.„Hydrokraftstoff"). In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der flüssige Kraftstoff gekühlt wird, wofür beispielsweise Trockeneis, eine Peltier-Kühlung, Flüssigstickstoff, ein Kühlaggregat in der Kraftstoffzuführung der Verbrennungsvorrichtung oder die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden können. Am wirtschaftlichsten und einfachsten kann die erfindungsgemäße Konditionierung realisiert werden, wenn die Konditionierung unmittelbar vor der Zuführung zur Einspritzpumpe geschieht, wie es vorstehend als erfindungsgemäße Alternative des Einbringens dargestellt wurde. Dies gilt sowohl für die Konditionierung des Kraftstoffs wie auch für die Konditionierung des Wassers als Verbrennungshilfsmittel.
Der konditionierte flüssige Kraftstoff ist insbesondere durch das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erhältlich. Der konditionierte flüssige Kraftstoff kann grundsätzlich industriell hergestellt und über das normale Netz von Verteilungs- oder Vertriebsstellen angeboten werden. Es ist aber besonders sinnvoll, den konditionierten flüssigen Kraftstoff erst vor Ort herzustellen, bzw. in situ zu erzeugen.
Im dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigen Kraftstoffen, wobei zunächst in einem Schritt i) ein flüssiger Kraftstoff bereitgestellt wird. In diesen wird in einem Schritt ii) Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C, bevorzugt - 75 °C bis + 75 °C, und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar eingebracht, wobei das Einbringen in situ erfolgt. Dadurch wird in einem Schritt iii) ein konditionierter flüssiger Kraftstoff in situ erhalten. In einem Schritt iv) wird der konditionierte flüssige Kraftstoff schließlich verbrannt, d.h. thermisch verwertet, insbesondere in kinetische Energie und/oder thermische Energie umgesetzt (Kraft-Wärme-Kopplung).
Die vorstehend aufgeführten Definitionen und erfindungsgemäß bevorzugten flüssigen Kraftstoffe sind auch in diesem Aspekt gültig, bzw. bevorzugt.
Die Verbrennung in Schritt iv) erfolgt erfindungsgemäß in einem Verbrennungsmotor oder in einer Turbine zur Erzeugung kinetischer Energie oder in einem Brenner zur thermischen Energiegewinnung.
Die erfindungsgemäße Verwendung verbessert die Verbrennungs- und Emissionseigenschaften von herkömmlichen flüssigen Kraftstoffen durch den Schritt ii) das Einbringen von Kohlenstoffdioxid.
Bei der Verbrennung in Schritt iv) wird ein Strahl des konditionierten flüssigen Kraftstoffs durch die Geometrie der Einspritzdüse zerstäubt und in eine starke Turbulenz gebracht, wodurch der Strahl in feine Tröpfchen zerrissen wird, deren Größe von der Viskosität des Kraftstoffs abhängt, wobei die Tröpfchengröße mit steigender Viskosität zunimmt. Auch die Oberflächenspannung des Kraftstoffes spielt hier eine Rolle, das heißt je geringer die Viskosität und/oder die Oberflächenspannung des konditionierten flüssigen Kraftstoffs, desto feiner sind die Bläschen. Der gleiche Effekt mit derselben Wirkung findet auch bei mit Kohlenstoffdioxid konditioniertem Wasser oder sog.„Hydrokraftstoff" statt.
Durch den erfindungsgemäßen Effekt der inneren Zerstäubung findet eine deutlich bessere Feinverteilung auch von schwer flüchtigen Substanzen statt, so dass insbesondere diese vollständiger verbrannt werden können. Es ergeben sich weniger Verkokungsrückstände an den Einspritzdüsen und geringere Verschmutzungen im Brennraum. So können beispielsweise auch pflanzliche Öle (zum Beispiel Biodiesel) oder nicht behandelte Öle (keine Methylester) besser verbrannt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen flüssigen Kraftstoffen wird durch die vorliegende Erfindung eine Verbesserung der Zündungsfreudigkeit erreicht. Durch die vorstehend angesprochene bessere und vollständigere Verbrennung finden sich im Abgas zudem geringere Schadstoffkonzentrationen. Ferner ist die Verbrennung weicher, d.h. leiser und gleichmäßiger als bei konventionellen Kraftstoffen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der flüssige Kraftstoff Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung besteht darin, dass in Schritt ii) das Kohlenstoffdioxid in Wasser gelöst ist, wenn es in situ in den flüssigen Kraftstoff eingebracht wird. Die Vorteile wurden vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits erläutert Das erfindungsgemäß verwendete Kohlenstoffdioxid hat ferner den Vorteil, dass es bereits ein Bestandteil herkömmlicher Abgase ist und somit keine weiteren Verträglichkeitsprobleme mit Abgaskatalysatoren resultieren können. Insgesamt ergibt sich ein deutlich geringerer Verschleiß an den Verbrennungsmotoren, Turbinen und Brennern.
Alle vorstehend aufgeführten Aspekte der vorliegenden Erfindung weisen neben den bereits erläuterten primären Effekten des Verfahrens, d.h. der Verbesserung der Verbrennungseigenschaften und der Verringerung der Emissionen, weitere positive Effekte auf. Dazu zählen beispielsweise eine Verbesserung der Klopffestigkeit des Treibstoffs (insbesondre bei Ottokraftstoffen), eine Verringerung der Versulzungstemperatur des Treibstoffs, bei der Verwendung von Kohlenstoffdioxid als niedrigsiedende Substanz eine allgemeine Inertisierung des freien Tankvolumens, eine Reduktion der Oberflächenspannung und eine Reduzierung der Viskosität des Treibstoffs, was besonders bei hochviskosen Treibstoffen wie z.B. Schiffsdiesel oder bei industriellen Anwendungen von Schweröl wie zum Beispiel in Glasöfen, Drehtrommelöfen, Ölkraftwerken etc. vorteilhaft ist.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Konditionierung von flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoff-Gemischen, wobei zunächst in einem Schritt x) ein flüssiger Kohlenwasserstoff oder ein flüssiges Kohlenwasserstoff-Gemisch bereitgestellt wird. In einem anschließenden Schritt y) wird Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C, bevorzugt - 75 °C bis + 75 °C, und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar in den flüssigen Kohlenwasserstoff oder das flüssige Kohlenwasserstoff-Gemisch eingebracht. Dadurch wird schließlich in Schritt z) ein konditionierter flüssiger Kohlenwasserstoff oder ein konditioniertes flüssiges Kohlenwasserstoff-Gemisch erhalten. Die vorstehend aufgeführten Definitionen sind auch in diesem Aspekt gültig, bzw. bevorzugt.
Unter„flüssiger Kohlenwasserstoff" oder„flüssiges Kohlenwasserstoff-Gemisch" werden im Sinne der vorliegenden Erfindung die vorstehend bereits für flüssige Kraftstoffe genannten Kohlenwasserstoffe verstanden.
Grundsätzlich können alle Arten von flüssigen Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden, das heißt gesättigte, ungesättigte, cyclische, lineare, verzweigte, aromatische, polyaromatische und Kombinationen zum Beispiel cyclische ungesättigte Kohlenwasserstoffe, sowie Ester, Ether, Acetale, Halbacetale, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, Amine, Thio-Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, und deren Mischungen (inklusive der Additive). Zu den in dieser Ausführungsform verwendeten Kohlenwasserstoffen bzw. Kohlenwasserstoff-Gemischen zählen aber auch hochzähe Kohlenwasserstoffe oder Kohlenwasserstoff-Gemische mit Viskositäten von bis zu 1016 mPa*s, beispielsweise Bitumen und Asphalt. Der fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Verbesserung der Wintertauglichkeit von Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff, wobei in einem Schritt I) Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff bereitgestellt und in einem Schritt II) Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C, bevorzugt - 75 °C bis + 75 °C, und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar in situ in den Dieselkraftstoff oder den Ottokraftstoff eingebracht wird. Dadurch wird in einem Schritt III) ein konditionierter Dieselkraftstoff oder ein konditionierter Ottokraftstoff erhalten. Beim Otto- Kraftstoff kann auf diese Weise auf den umweltschädlichen Zusatz von niedrigsiedenden Kohlenwasserstoffen, wie zum Beispiel Butan verzichtet werden, die auf Grund ihres hohen Dampfdrucks zum großen Teil in die Umwelt emittieren.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen, auch anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm zum spezifischen Kraftstoff-Verbrauch eines erfindungsgemäß konditionierten flüssigen Kraftstoffs im Vergleich zu einem Serienkraftstoff,
Fig. 2a-d Diagramme zur Darstellung der Reduktion der Emissionen an
Kohlenwasserstoffen (HC) bei verschiedenen Drehzahlen durch einen erfindungsgemäß konditionierten flüssigen Kraftstoff im Vergleich zu einem Serien kraftstoff, Fig. 3a-d Diagramme zur Darstellung der Reduktion der Emissionen an Kohlenstoffmonoxid (CO) bei verschiedenen Drehzahlen durch einen erfindungsgemäß konditionierten flüssigen Kraftstoff im Vergleich zu einem Serien kraftstoff,
Fig. 4a-d Diagramme zur Darstellung des Verhaltens der Rauchzahl bei verschiedenen Drehzahlen bei einem erfindungsgemäß konditionierten flüssigen Kraftstoff im Vergleich zu einem Serienkraftstoff
Fig. 5a+b bildliche Darstellungen von Mischungsversuchen zwischen Wasser und
Dieselkraftstoff mit und ohne Zusatz von CO2.
Die vorliegende Erfindung bietet verschiedene Möglichkeiten, mittels Kohlenstoffdioxid ein Fluid zu konditionieren. Dazu kann das Kohlenstoffdioxid entweder direkt in einen flüssigen Kraftstoff oder in ein mit diesem zu mischenden flüssigen Verbrennungshilfsmittel eingebracht werden. Alternativ kann das Kohlenstoffdioxid in eine bereits erstellte Mischung aus flüssigem Kraftstoff und flüssigem Verbrennungshilfsmittel eingebracht werden.
In den Figuren 1 bis 4 wird ein erfindungsgemäß konditionierter flüssiger Kraftstoff als „alternativer Kraftstoff" bezeichnet, bei dem das Kohlenstoffdioxid direkt in Dieselkraftstoff eingebracht wurde. Die Figuren beziehen sich auf das nachstehend noch im Detail dargestellte erste Ausführungsbeispiel.
Figur 1 stellt anhand von Versuchsdaten dar, wie sich durch die erfindungsgemäße Konditionierung eines flüssigen Kraftstoffs, in diesem Falle Dieselkraftstoff, der Kraftstoffverbrauch gering, aber merklich gegenüber dem gleichen flüssigen Kraftstoff verringert, der nicht konditioniert wurde. Durch den Ersatz von flüssigem Kraftstoff gegen Kohlenstoffdioxid (C02), ergab sich aber letztendlich eine Kraftstoff-Einsparung von mehreren Prozentpunkten. Die in den Figuren 2a-d, 3a-d und 4a-d dargestellten Diagramme zeigen die Reduktion der Emissionen an Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid im Abgas sowie das Verhalten der Rauchzahl bei verschiedenen Drehzahlen bei der Verwendung von erfindungsgemäß mit CO2 konditioniertem flüssigen (in diesem Falle Diesel-) Kraftstoff im Vergleich mit demselben unkonditionierten Kraftstoff. In diesen Versuchen wurde die Motorsteuerung nicht auf den durch Konditionierung modifizierten Kraftstoff eingestellt. Durch eine Optimierung der Motorsteuerung (z.B. Einspritzzeitpunkt, Ladedruck, etc.) ist eine weitere Reduktion der Emission und eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades zu erwarten.
CO2 entsteht- wie bereits erwähnt - bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern als Abfallprodukt, wodurch eine stoffliche Verwertung dieses Überschusses nicht nur möglich wird, sondern sinnvoll und vorteilhaft ist. Zudem ist CO2 selbst nicht brennbar und kann daher zu mehr Sicherheit bei Verbrennungsvorrichtungen beitragen, insbesondere durch eine Überschleierung des in einem Tank befindlichen flüssigen Kraftstoffs. In Kraftstofftanks bildet sich ein temperaturabhängiges Konzentrationsgleichgewicht mit der Atmosphäre über dem flüssigen Kraftstoff aus. Bei der Verwendung von nicht brennbaren Gasen wie CO2 erhöht dies die Sicherheit vor einer ungewollten Verpuffung oder gar Explosion. Bei Kraftstofftanks treten zudem geringere Emissionen durch Entweichen von Kraftstoff dämpfen bei der Betankung auf, wenn der Tank durch die Konditionierung des flüssigen Kraftstoffs mit CO2 überschleiert ist.
Gewonnen werden kann CO2 beispielsweise direkt aus der Industrie, zum Beispiel in Raffinerien. Da herkömmliche flüssige Kraftstoffe allerdings hauptsächlich zu CO2 und Wasser verbrennen, ist auch eine verfahrenstechnische Einbringung von CO2 in den Kraftstoff über die ohnehin entstehenden Abgase sinnvoll und vorteilhaft. Über spezielle Membranen lässt sich beispielsweise das im Abgas vorhandene CO2 selektiv abtrennen und einer in-situ-Konditionierung zuführen.
Zur Demonstration der erfindungsgemäßen Effekte der vorliegenden Erfindung wurden beispielhafte Testverfahren durchgeführt, die in den nachstehenden Ausführungsbeispielen dargelegt sind, ohne die Erfindung darauf einzuschränken. Erstes Ausführungsbeispiel
Zunächst wurde in einem gasdicht verschließbaren Druckbehälter (Autoklav) CO2 in einen Dieselkraftstoff eingepresst. Der Einpressdruck betrug 3 bar. Der Versuch wurde bei Raumtemperatur durchgeführt, wobei später durch die Hinzugabe von Trockeneis die Temperatur zusätzlich auf ca. 1 0 °C niedrig gehalten wurde. Hierdurch wurde ein erfindungsgemäßer konditionierter flüssiger Kraftstoff erhalten.
Anschließend wurde auf einem Motorprüfstand eine Versuchsreihe mit dem erfindungsgemäßen konditionierten flüssigen Kraftstoff durchgeführt. Zum Vergleich diente exakt derselbe normale, handelsübliche Dieselkraftstoff, nur ohne die erfindungsgemäße Konditionierung mit CO2. Der Motorprüfstand umfasste einen Mercedes-Motor CDI 220 (mit einem Einspritzdruck von etwa 1 .800 bar (Motor- Hersteller: Daimler AG; Motor-Kennbuchstabe: OM 646 (zwei oben liegende Nockenwellen, 1 6 Ventile): Hubraum: 2,2 I; Leistung : 1 10 kW; Drehmoment: 340 Nm; Einspritzung : Common-Rail-Direkteinspritzung mit magnetventilgesteuerten Injektoren ; Aufladung : Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie).
Der Motorprüfstand war ferner ausgerüstet mit einer temperierten Treibstoffwaage, um den Verbrauch exakt zu bestimmten. Anschließend wurde die geleistete Arbeit mittels einer Wirbelstrombremse mit definierten Leistungskennzahlen bei unterschiedlichen Drehzahlen angefahren. Für jede Drehzahl mit entsprechender Bremsleistung wurden der Verbrauch und die Emissionen (hier speziell Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Rauchzahl) gemessen (vgl. Fig. 2a-d, 3a-d). Ergebnis der Versuche war, dass durch die erfindungsgemäße Konditionierung mit C02 die Verbrennung beschleunigt werden konnte. Das heißt, durch den Effekt der inneren Zerstäubung kam es zu einer schnelleren und besseren Verbrennung. Dadurch haben sich die Kohlenwasserstoff- sowie Kohlenmonoxid-Emissionen reduziert. Trotz des volumenmäßigen Ersatzes von Dieselkraftstoff durch CO2 war der Verbrauch zumindest identisch, es gab teilweise sogar einen geringeren Verbrauch. Allerdings konnte der volumenmäßig durch C02 ersetzte Dieselkraftstoff gespart werden, wodurch sich Kraftstoff-Einsparungen von 0,5 % bis 3 % ergaben. Bezogen auf den Kraftstoffverbrauch wurde der Wirkungsgrad erhöht und damit die CC Emission pro erbrachter Arbeit reduziert. Obwohl mit sehr hohem Druck eingespritzt wurde (Hochdruckeinspritzung über 1 .500 bar), wodurch bereits eine sehr feine Zerstäubung des Kraftstoffs erreicht wurde, konnte trotzdem noch eine weitere Verbesserung durch die Konditionierung mit CO2 beobachtet werden. Bei diesen Versuchen wurde die Motorsteuerung (Einspritzzeitpunkt, Ladedruck, etc.) nicht auf die veränderten Verbrennungseigenschaften des konditionierten Kraftstoffs eingestellt. Durch eine entsprechende Einstellung der Motorsteuerung ist jedoch eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades und eine weitere Reduktion der Emissionen zu erwarten.
Bei älteren Dieselmotoren mit deutlich geringerem Einspritzdruck konnte der erfindungsgemäße Effekt noch deutlicher beobachtet werden. Weitere Versuche mit einem älteren Mercedes W 201 , Baujahr 1991 , 2,5 I, zeigten, dass allein durch die Konditionierung von herkömmlichem Dieselkraftstoff mit CO2 bei Normaldruck der Verbrauch reduziert und die Agilität des Motors erhöht werden konnten. Zweites Ausführungsbeispiel
Die vorliegende Erfindung lässt sich vorteilhaft auch für Ottokraftstoffe und Ottomotoren einsetzen. Die erfindungsgemäße Konditionierung mit CO2 hatte beispielsweise einen positiven Einfluss auf die Klopffestigkeit und die Verbrennung von Ottokraftstoffen. Zudem wirkte C02 als Antipreignition-Additiv, das heißt durch die bessere und vollständigere Verbrennung reduzierten sich die Verbrennungsrückstände im Brennraum. Die erfindungsgemäße Konditionierung mit CO2 erhöhte die Wintertauglichkeit von Ottokraftstoffen insbesondere die Kaltstarteigenschaften. Ebenso konnten geringere Emissionen und ein höherer Wirkungsgrad (und dadurch weniger Kraftstoffverbrauch) erreicht werden.
Drittes Ausführungsbeispiel
Es ist bekannt, dass bei der Kraftstoffzufuhr in Verbrennungsmotoren Gase gegenüber Flüssigkeiten gewisse Nachteile aufweisen. Flüssiggas ist zwar im Tank in flüssiger Form gespeichert, wird jedoch auf dem Weg zum Motor in einem Verdampfer in den gasförmigen Aggregatzustand überführt und dementsprechend gasförmig ins Saugrohr eingeblasen. Herkömmliche Kraftstoffe (Benzin, Diesel) werden in der Regel über Vergaser oder Düsen als kleinste Flüssigkeitströpfchen der Brennkammer zugeführt. Da die Dichte von Flüssigkeiten sehr viel größer ist als die von Gasen, nimmt gasförmiger Kraftstoff mehr Raum im Saugrohr ein. Das Gas verdrängt dadurch einen Teil der Ansaugkluft. Weniger Luft im Verhältnis zur Kraftstoffmenge bedeutet, dass das Gemisch dadurch fetter wird. Soll das Luftverhältnis jedoch beibehalten werden, muss dementsprechend die Kraftstoffzufuhr gesenkt werden. Dies hat insgesamt eine verminderte Zylinderfüllung im Vergleich zum Benzinbetrieb zur Folge, Die Luftzufuhr kann nicht beliebig erhöht werden, da es aufgrund des vorhandenen Querschnittes und des damit verbundenen Strömungswiderstandes Grenzen gibt. Dieses Problem könnte nur mit Direkteinspritzung von hoch verdichtetem Gas umgangen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnte Autogas (d.h. gasförmige Alkane, insbesondere Methan, Ethan, Propan, Butan oder Gemische dieser Alkane) in Ottokraftstoff eingebracht und der Ottokraftstoff somit konditioniert werden. Bei der Konditionierung von Ottokraftstoff mit Autogas konnte durch diesen kontinuierlichen, quasi bivalenten Betrieb ein Teil des Ottokraftstoffs durch Autogas ersetzt werden. Dadurch ergaben sich nicht nur finanzielle Einsparungen durch die kostengünstigeren Gase (Autogas), sondern es ergab sich auch eine homogenere Gemischbildung mit der Luft, wodurch eine gleichmäßigere Verbrennung ermöglicht wurde und dadurch geringere Emission, Erhöhung des Wirkungsgrades, Einsparung von Ottokraftstoff und ruhigere Laufeigenschaften auftraten. Durch ein erfindungsgemäßes Konditionieren von Ottokraftstoff mit Autogas unter hohen Druck sind auch hohe Gasanteile im Ottokraftstoff realisierbar. Besonders Propan und Butan lassen sich leicht verflüssigen und können druckabhängig in nahezu beliebigen Mengen dem Ottokraftstoff beigemischt werden. Auch hier ist die Zumischung unmittelbar vor der Einspritzung (in situ) die beste Methode.
Viertes Ausführungsbeispiel
Zum Eintrag von Wasser in den Verbrennungsraum gibt es grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten:
1 . Das Wasser wird direkt in den Dieseltreibstoff gemischt,
1 a. ohne weitere Emulgatoren
Die gebildete Emulsion ist instabil und muss unmittelbar vor der Einspritzung in den Verbrennungsraum hergestellt werden (z. B. durch einen Skarabäus-Mischer). Allerdings besteht durch die hohe Instabilität dieser Emulsion die Gefahr einer Entmischung und damit eines unrunden Laufs des Motors. 1 b. mit Emulgatoren („Hydrodiesel").
In den letzten Jahren wurden Emulgatoren entwickelt, die eine absolut thermodynamisch stabile Emulsion von Wasser und Dieseltreibstoff bilden, teilweise in Sekundenschnelle, so dass es die Möglichkeit gibt, diese Emulsion schon als fertigen Treibstoff in den Tank zu geben. Ebenso kann sie aber auch unmittelbar vor der Verbrennung gebildet werden. Problematisch bei der Tankstellenlösung ist, dass der Treibstoff pro Liter gehandelt wird und das beigemischte Wasser aufgrund der Besteuerung des Gesamttreibstoffs die Wirtschaftlichkeitsfrage in den Raum wirft. Das Wasser muss mit versteuert werden. Da die Steuer sehr hoch ist, ist dieses Konzept bereits schon einmal in der Vergangenheit aus Wirtschaftlichkeitsgründen wieder verworfen worden. Darüber hinaus sind erhebliche Mengen an Emulgatoren notwendig (5 % bis 15 %), die dieses Verfahren zusätzlich verteuern. 2. Das Wasser wird in den Ansaugstutzen gespritzt oder mittels einer Ultraschallvernebelung eintragen.
3. Das Wasser wird separat in den Motorraum/Verbrennungsraum eingespritzt. Diese Ideallösung ist deutlich aufwändiger als die Einspritzung in den Ansaugstutzen, bietet aber viele Möglichkeiten zur absoluten Optimierung der Verbrennungsbedingungen. Einspritzzeitpunkt, Einspritzdauer und Einspritzmenge können variiert und Mehrfacheinspritzungen realisiert werden. Damit kann dann das Wasser zumindest teilweise für die optimale Kühlung und Unterstützung für die Verbrennung genutzt werden.
Die erfindungsgemäße Konditionierung von Kraftstoffen mit in Wasser gelöstem CO2 bringt auch bei den bereits bekannten Techniken große Vorteile.
Bei Möglichkeit 1 a. entsteht ganz ohne zugesetzte Emulgatoren eine stabilere Emulsion, wenn anstelle von Wasser mit CO2 versetztes Wasser verwendet wird, da CO2 sowohl in Wasser als auch in Dieseltreibstoff löslich ist. Hinzu kommt noch die vorstehend beschriebene Verbesserung der Zerstäubung des Wassers - ebenso wie die des Diesels - durch die Freisetzung des CO2 nach der Einspritzung und der Reduktion der Oberflächenspannung und Viskosität.
Das Dilemma in Möglichkeit 1 b. könnte erfindungsgemäß dadurch überwunden werden, indem bei dem derzeit vertriebenen Biodiesel (mit in Deutschland momentan 7 % methylierten Fettsäureestern „FAME") statt der Methylveresterung der Pflanzenfettsäuren eine Ethoxilierung derselben vorgenommen wird und damit die Biodiesel-Bestandteile in Emulgatoren umwandelt werden. So kann auf effiziente Weise der Anteil der nachwachsenden Rohstoffe im Diesel als Emulgator verwendet werden und damit eine wesentliche Verteuerung verhindert werden.
Bei den Möglichkeiten 2. und 3. kann jeweils eine noch feinere Vernebelung des Wassers erreicht werden, wenn mit C02 gesättigtes Wasser erfindungsgemäß eingesetzt wird.
Die beschriebenen Vorteile einer Einspritzung von mit CO2 angereichertem Wasser zur Emissionsminderung und Leistungssteigerung kann nicht nur bei Dieselmotoren, wie vorstehend beschrieben, sinnvoll eingesetzt werden, sondern auch bei Verbrennungsmotoren und Turbinentriebwerken.
Fünftes Ausführungsbeispiel
In einfachen Versuchen wurde eine zweiphasige Mischung von Wasser und handelsüblichem Dieselkraftstoff mit einem CC Aufsprudelgerät für Wasser bei 20 °C behandelt und optisch untersucht. Eine zweiphasige Mischung von Wasser und Dieselkraftstoff wurde von Hand intensiv geschüttelt und 5 Minuten stehen gelassen. Nach diesen 5 Minuten hatten sich die beiden Phasen bereits fast vollständig wieder voneinander getrennt, wie Fig. 5a zu entnehmen ist. Ferner wurde eine zweiphasige Mischung von Wasser und Dieselkraftstoff mittels des Aufsprudelgeräts bei 20 °C mit C02 versetzt, von Hand intensiv geschüttelt und für 10 Minuten stehen gelassen. Aus Fig. 5b ist deutlich zu erkennen, wie das zugesetzte C02 die Emulsion zwischen Wasser und Dieselkraftstoff verbessert hat. Diese Verbesserung der Emulsion wird durch den Grad der Trübung der beiden Phasen angezeigt.
Erfindungsgemäß kann mit dieser Technik mittels eines (z.B. statischen) Mischers unmittelbar vor der Einspritzung ein für die Motorsituation spezifischer„Wasserdiesel" bereitgestellt werden, der deutlich bessere Zerstäubungs-, Kühl- und Verbrennungs- Eigenschaften zeigt als ein entsprechendes Gemisch ohne die Erfindungsgemäße Konditionierung mit CO2.
Auswertung und Effekte
Zusammenfassend wurden die folgenden Effekte für das erfindungsgemäß verwendete CO2 beobachtet, da C02 sich sehr gut in den meisten flüssigen Kraftstoffen löst und unter Normalbedingungen als Gas vorliegt. Die Möglichkeit CO2 durch Variation von Druck und Temperatur zu Verflüssigen oder in den überkritischen Zustand zu versetzen erhöht die Löslichkeit in den Kraftstoffen dramatisch und erweitert so die Möglichkeiten enorm.
A. Feinteiligere Zerstäubung
a. Nach der Einspritzung in den Brennraum (eines Brenners oder Motors) kam es zusätzlich zu einem weiteren Zerfall der Tröpfchen in noch kleinere Einheiten b. Zusätzlich wurden diese Tröpfchen weiter auseinandergerissen durch die sich befreienden Gase und konnten sich besser mit der Luft, insbesondere dem
Sauerstoff, im Brennraum vermischen, wodurch ein besserer Stofftransport gewährleistet wurde (innere Zerstäubung).
B. Viskositätserniedrigung a. Durch die Einbringung des Gases in den Kraftstoff wurde eine deutliche Viskositätsverringerung beobachtet. Bei C02 reduzierte sich die Viskosität bei einigen flüssigen Kraftstoffen oder Kohlenwasserstoffen, bzw. Kohlenwasserstoffmischungen, auf weniger als ein Zehntel der ursprünglichen Viskosität. Durch die Einlagerung (Lösung) der kleinen Gasmoleküle zwischen die größeren Kraftstoff- bzw. Kohlenwasserstoff-Moleküle konnten die molekularen Wechselwirkungen zwischen diesen reduziert werden, die Beweglichkeit stieg, die Viskosität sank und auch die Oberflächenspannung nahm ab.
b. Auch bei höheren Drücken (z.B. in der Einspritzpumpe oder im Motor- Brennraum) wurde diese au ßergewöhnliche Viskositätsverringerung beobachtet, die sich mit Hilfe von Tensiden bei erhöhten Drücken z.B. bei Dieselkraftstoffen so nicht erzielen lässt. Da die Viskosität der reinen flüssigen Kraftstoff-Phase mit steigendem Druck zunimmt, wurde der beobachtbare Abfall der Viskosität durch das eingelöste C02 bewirkt. Es konnte der Viskositätsabfall bei eingelöstem CO2 damit erklären werden, dass durch die kleinen C02-Moleküle, eingelagert zwischen den langkettigen Alkanen, die innere Reibung reduziert wurde.
c. Die Verringerung der Viskosität kann in mehreren Anwendungen von großem Nutzen sein:
ci. Bei großen Aggregaten, z.B. Schiffsmotoren oder Brennern (beispielsweise für die Glasherstellung), bei denen (billiges) hochviskoses Schweröl Verwendung findet, muss bisher das Öl erwärmt werden, um es ausreichend fließfähig und pumpbar zu machen. Durch die Einbringung von CO2 konnte darauf verzichtet werden und zusätzlich kam es nach Einspritzung in den Brennraum zum bereits beschriebenen Effekt mit der Folge einer besseren Verbrennung, weniger Schadstoffen und einer höheren Energieausbeute (Wirkungsgrad).
cii. Bei Dieselkraftstoffen (und auch bei Kerosin) kann es im Winter zu einer„Versulzung" des Kraftstoffes kommen. Paraffinkristalle flocken aus und verstopfen Filter etc. Durch die Einlösung insbesondere von CO2 konnte die Versulzungstemperatur deutlich erniedrigt werden.
ciii. Die Viskositätsreduktion bei Pflanzenöl-Kraftstoffen ist besonders interessant. Rapsöl hat beispielsweise im Vergleich zu Dieselkraftstoff eine höhere Dichte und besitzt eine ca. zehnmal so große kinematische Viskosität. Somit können bisher nur geringe Mengen im Benzin für sog.„Multi-Power-Units" durch Pflanzenöle ersetzt werden. Dieser Anteil konnte durch die Zugabe von CO2 erhöht und die Verbrennung verbessert, Emissionen reduziert und der Wirkungsgrad gesteigert werden. Bei der Verwendung von Pflanzenölen als sog.„Biodiesel" bedarf es bislang einer Umesterung zu den entsprechenden Fettsäuremethylestern, um diese in regulären modernen Motoren zu nutzen. Durch die Einlösung von ausreichend CO2 konnten diese Öle auch direkt als Kraftstoff Verwendung finden.
C. Verringerung der Oberflächenspannung
Durch das Einlösen von CO2 in flüssige Kraftstoffe konnte auch eine Erniedrigung der Oberflächenspannung beobachtet werden. Dies ist wahrscheinlich auf den gleichen Mechanismus zurückzuführen, der auch für die Viskositätserniedrigung verantwortlich ist. Die niedrigere Oberflächenspannung erleichterte auch eine feinteiligere Zerstäubung. Eine reduzierte Grenzflächenspannung führte zu kleineren Tropfen, da die zur Erzeugung von neuer Grenzfläche notwendige Energie geringer war. Aus diesem Grund war eine reduzierte Grenzflächenspannung in den meisten verfahrenstechnischen Prozessen erwünscht, da sie den Wärme- und Stofftransport verbessert.
D. Auswirkungen auf Motoren
a. Durch eine Optimierung des Motors (Einspritzzeitpunkt, Ladedruck, elektronische Motorsteuerung) auf die veränderten Verbrennungseigenschaften des konditionierten Kraftstoffes konnten sowohl der Wirkungsgrad weiter gesteigert, als auch die Emissionen weiter reduziert werden.
b. Eine jeweilige Erniedrigung des Cloud-Point, Pour-Point, Stockpunkt, der Versulzungstemperatur (d.h. Auskristallisation von Paraffinen) konnte erreicht werden. c. Durch die bessere und vollständigere Verbrennung ergaben sich weniger
Koksrückstände in Brennraum.
d. CO2 wirkte in der erfindungsgemäßen Konditionierung als Fließmodifizierer zur Verbesserung der Filtrierbarkeit und Pumpbarkeit des flüssigen Kraftstoffs, was in der Praxis die Vorwärmung von schweren Heizölen für große Schiffsdieselmotoren oder für industrielle Prozesse ersetzen kann.
e. Erfindungsgemäß konditionierte flüssige Kraftstoffe können wegen der feineren Zerstäubung als Zündbeschleuniger wirken.
f. Motoren, insbesondere Kfz-Motoren, zeigten mit den erfindungsgemäß konditionierten flüssigen Kraftstoffen bessere Kaltstart- und Kaltlaufeigenschaften. g. Es trat eine geringere Belastung des Motoröls auf, da weniger Ruß entstand.
h. Motoren, die mit erfindungsgemäß konditionierten flüssigen Kraftstoffen betrieben wurden, wiesen eine längere Lebensdauer auf.
i. Es konnten zu herkömmlichen Kraftstoffen zugegebene Additive, zum Beispiel gegen Versulzung oder Tenside zur Reduktion der Oberflächenspannung, eingespart werden.
E. stabilisierende Wirkung als Emulgator
CO2 hat bei zweiphasigen Mischungen von Wasser und Kraftstoff eine stabilisierende Wirkung und kann als Emulgator eingesetzt werden, der neben seiner emulgierenden Wirkung weiterhin die vorstehend genannten positiven Effekte erzeugt.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Konditionieren von Fluiden für Verbrennungsvorrichtungen, wobei die Fluide aus flüssigen Kraftstoffen und flüssigen Verbrennungshilfsmitteln ausgewählt sind, umfassend die Schritte:
a) Bereitstellen eines Fluids,
b) Einbringen von Kohlenstoffdioxid in das Fluid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar, wobei das Einbringen in situ erfolgt, und dadurch
c) Erhalten eines in situ konditionierten Fluids.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der flüssige Kraftstoff Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das flüssige Verbrennungshilfsmittel Wasser ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fluid eine Mischung aus dem flüssige Kraftstoff und dem flüssigen Verbrennungshilfsmittel ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Einbringen von Kohlenstoffdioxid in Schritt b) vor einer Kraftstoff-Einspritzpumpe einer Verbrennungsvorrichtung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Einbringen von Kohlenstoffdioxid in Schritt b) in einer Kraftstoff-Einspritzpumpe einer Verbrennungsvorrichtung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Einbringen von Kohlenstoffdioxid in Schritt b) gemeinsam mit dem flüssigen Verbrennungshilfsmittel mittels einer eigenen Einspritzpumpe direkt in die Verbrennungsvorrichtung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kohlenstoffdioxid vor Schritt b) direkt aus der Industrie gewonnen wird oder das im Abgas vorhandene Kohlenstoffdioxid selektiv abgetrennt und einer in-situ-Konditionierung zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in Schritt b) das Kohlenstoffdioxid in dem flüssigen Verbrennungshilfsmittel gelöst ist, wenn es in situ in den flüssigen Kraftstoff eingebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Kohlenstoffdioxid vor Schritt b) in situ in dem flüssigen Verbrennungshilfsmittel gelöst wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei dem flüssigen Verbrennungshilfsmittel weitere Additive zugegeben werden, ausgewählt aus Mitteln zur Reduzierung der
Oberflächenspannung und Mitteln zur Verringerung von Stickoxiden.
12. Konditionierter flüssiger Kraftstoff, unter Standardbedingungen umfassend
- 49 Vol.-% bis 99,99 Vol.-% eines flüssigen Kraftstoffs und
- 0,01 Vol. -% bis 15 Vol. -% Kohlenstoffdioxid und
0 Vol.-% bis 50 Vol.-% Wasser.
13. Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigen Kraftstoffen, wobei
i) ein flüssiger Kraftstoff bereitgestellt wird,
ii) Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar in den flüssigen Kraftstoff eingebracht wird, wobei das Einbringen in situ erfolgt,
iii) dadurch ein konditionierter flüssiger Kraftstoff in situ erhalten wird und iv) der konditionierte flüssige Kraftstoff verbrannt wird.
14. Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Konditionierung von flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoff-Gemischen, wobei
x) ein flüssiger Kohlenwasserstoff oder ein flüssiges Kohlenwasserstoff-Gemisch bereitgestellt wird,
y) Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar in den flüssigen Kohlenwasserstoff oder das flüssige Kohlenwasserstoff-Gemisch eingebracht wird, und dadurch
z) ein konditionierter flüssiger Kohlenwasserstoff oder ein konditioniertes flüssiges Kohlenwasserstoff-Gemisch erhalten wird.
15. Verwendung von Kohlenstoffdioxid zur Verbesserung der Wintertauglichkeit von Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff, wobei
I) Dieselkraftstoff oder Ottokraftstoff bereitgestellt wird,
II) Kohlenstoffdioxid bei einer Temperatur von - 75 °C bis + 175 °C und einem Druck von 1 bar bis 1 .000 bar in situ in den Dieselkraftstoff oder den Ottokraftstoff eingebracht wird,
III) dadurch ein konditionierter Dieselkraftstoff oder ein konditionierter Ottokraftstoff erhalten wird.
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