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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffaufbereitungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei bekannten Brennkraftmaschinen, die mit einem Reformiergasgenerator kombiniert sind, wird eine Mischung aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff wie z. B. Benzin, Luft, Wasser und Abgasen durch den mit Katalysatoren gefüllten Reformiergasgenerator, der auf Temperaturen zwischen 250 und 1000°C erhitzt ist, hindurchgeleitet, so daß ein Teil des Brennstoffs in Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid umgewandelt wird, bevor das Verbrennungs-Gemisch in die Brennkammern der Brennkraftmaschine gelangt. Ferner ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der Wasserstoff aus einem Wasserstoffvorratsbehälter mit dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff vermischt wird.
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Bei Brennkraftmaschinen der zuerst erwähnten Art muß ein gesonderter Wasserbehälter so angebracht sein, daß keine Gefahr von Rißbildungen beim Gefrieren des Wassers besteht. Wenn der Brennstoff Bleiverbindungen enthält, sind in dem Abgas zwangsläufig Bleiverbindungen enthalten, die die Katalysatoren vergiften. Selbst in dem Fall, daß der Brennstoff keine Bleiverbindungen enthält, werden die Katalysatoren durch Ruß und Teer, die in dem Abgas enthalten sind, verschmutzt. Auf alle Fälle tritt daher ein Verlust an katalytischer Aktivität ein. Wenn der Brennstoff, z. B. Benzin, Leichtöl oder Kerosin, cyclische Kohlenwasserstoffe enthält oder wenn der Kohlenwasserstoff-Brennstoff Harzrückstände enthält, werden auf der Katalysatoroberfläche, den Innenwänden der Brennstoffzufuhrleitung und der Innenwand der Brennstoffzufuhrleitung, die den Reformiergasgenerator mit der Brennkraftmaschine verbindet, Ruß und Teer abgeschieden, so daß die katalytische Aktivität verlorengeht und die Brennstoffzufuhrleitung verstopft wird.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen Wasserstoff aus einem Wasserstoffvorratsbehälter zugeführt wird, besteht die Gefahr einer Explosion des Wasserstoffvorratsbehälters. Ferner sind Wasserstoffvorratsbehälter im allgemeinen groß und schwer, so daß ihre Anbringung im Kraftfahrzeug erhebliche wirtschaftliche Nachteile mit sich bringt.
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Aus der DE-PS 8 44 373 ist es bekannt, unter Verwendung von Alkohol und Primärluft ein Reformiergas zu erzeugen und damit eine Brennkraftmaschine zu betreiben.
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Aus dem Aufsatz "Spaltvergaser" in der Zeitschrift "MOT", 8/73, Seite 67, läßt sich entnehmen, daß beim Einsatz von Benzin/Luft-Gemischen in einem Spaltvergaser gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die Luftzahl λ in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 eingestellt wird. Es ist allerdings bekannt, daß die Reformierung von Benzin bei einer Luftzahl λ = 0,1 bis 0,15 (Luft/Benzin-Verhältnis = etwa 1,5 bis 4,5) zur Bildung einer großen Rußmenge führt, die den Katalysator innerhalb kurzer Zeit beeinträchtigt (SAE-Druckschrift 740 600). Nach dem Aufsatz in "MOT", 8/73 können neben exothermen Reaktionen der Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff der Luft, durch Abgasrückführung auch endotherme Reaktionen mit sauerstoffhaltigen Abgaskomponenten des Motors stattfinden. Auf diese Weise wird das CO&sub2; und das H&sub2;O des Abgases zu brennfähigen Komponenten reduziert.
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Aus der DE-OS 22 35 004 sind die Reformierung einer Luft/ Brennstoff-Mischung zu einem gasförmigen Brennstoff durch eine endotherme Reaktion sowie die Verbrennung dieses Reformiergases in einer Brennkraftmaschine zusammen mit eingedüsten Brennstoffen bekannt. Hierbei soll die Aufgabe gelöst werden, Brennstoffe niedriger Octanzahl in niedrigsiedende Brennstoffe mit hoher Octanzahl umzuwandeln, wobei die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine erhöht werden soll und toxische Bestandteile wie z. B. Kohlenmonoxid, karzinogene Kohlenwasserstoffe und Stickoxide aus dem Abgas entfernt werden sollen. Zu den Beispielen für die Brennstoffe niedriger Octanzahl gehören höhere Alkohole.
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Aus der DE-OS 21 19 798 ist ein Verfahren zum Reformieren einer Brennstoff-Mischung in einem Reformierungsreaktor in Gegenwart von Wasser bekannt, wobei in den Reformierungsreaktor 5 bis 50% des Abgasstromes vom Verbrennungsmotor geleitet und dort mit dem zum Reformierungsreaktor eingefügten Brennstoff vermischt wird. Auf diese Weise soll die in den Abgasen vorhandenen Gehalte an Kohlenwasserstoffen, Kohlenoxid und Stickoxide auf niedrige Werte heruntergebracht werden. Nach dem bekannten Verfahren kann in den Reformierungsreaktor gegebenenfalls Zusatzluft eingeleitet werden. Das bekannte Verfahren kann mit Methanol, Äthanol, Alkohol, verschiedenen Petroleumfraktionen und Mischungen davon arbeiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffaufbereitungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so zu optimieren, daß in dem Spaltgasgenerator die Erzeugung von Ruß und Teer auf ein Mindestmaß reduziert wird, und daß mit dem erzeugten Reformiergas die Schadstoffemission weiter reduziert wird.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die flüssigen Komponenten im Löslichkeitsdiagramm aus dem Bereich der homogenen Flüssigphase ausgewählt sind und daß der Luftanteil sich im Bereich einer Luftzahl λ = 0,1 bis 0,15 befindet.
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Fig. 1 zeigt ein Löslichkeitsdiagramm für Methanol, Wasser und Kohlenwasserstoff. Der schraffierte Bereich der Fig. 1 gibt Zusammensetzungen an, bei denen die drei Bestandteile eine homogene Flüssigphase bilden, ohne daß eine Phasentrennung erfolgt. Es hat sich herausgestellt, daß bei Einspeisung einer reformierbaren Brennstoff-Mischung mit einer derartigen Zusammensetzung in den Spaltgasgenerator zusammen mit Luft in der vorstehend angegebenen Luftzahl λ eine große Menge von Wasserstoff und Kohlenmonoxid gebildet werden kann (siehe Tabelle).
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Durch das erfindungsgemäße Brennstoffaufbereitungssystem kann das Problem der Alterung bzw. Vergiftung der Katalysatoren gelöst und ein mageres Verbrennungs-Gemisch mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis, das beträchtlich höher ist als das stöchiometrische, für eine vollständige Verbrennung erforderliches Verhältnis, in ausreichendem Maße in der Brennkraftmaschine verbrannt werden, so daß die Abgabe von schädlichen Verbrennungsprodukten beträchtlich vermindert werden kann.
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Beispiele für den Kohlenwasserstoff, der mit Methanol und Wasser in den Spaltgasgenerator eingespeist wird, sind Benzin, Kerosin, Leichtöl und Dieselöl.
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Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffaufbereitungssystems, das bei einer Brennkraftmaschine in Verbindung mit einem Vergaser angewandt wird.
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Fig. 2 zeigt einen Luftreiniger 1, der über eine Einlaßleitung 2, eine Mischkammer 3, in der ein Reformiergas mit Einlaßluft gemischt wird, und einen Vergaser 4 mit einem Motorblock 5 verbunden ist. Statt des Vergasers 4 kann ein anderes geeignetes Brennstoffeinspritzsystem verwendet werden. Die Abgase aus dem Motorblock 5 strömen in eine Abgaskammer 6 a, die von einem Gehäuse 6 begrenzt wird, und dann in eine Abgasleitung 7. Ein Behälter 8, der eine Mischung aus Methanol, Kohlenwasserstoff und Wasser enthält, ist über eine Leitung 9, einen Zufuhrregler 10 und eine Leitung 9 a mit einem Spaltgasgenerator 15 verbunden. Der Zufuhrregler 10 steuert die dem Spaltgasgenerator 15 zuzuführende Menge der vorstehend erwähnten Mischung, indem er auf die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine anspricht. Ein Luftzufuhrregler 11 ist über eine Luftleitung 12 mit dem Spaltgasgenerator 15 verbunden, um in den Spaltgasgenerator 15 Luft in einer Menge von ¹/&sub3; bis ¹/&sub1;&sub5; der Gesamt-Einlaßluftmenge für die Brennkraftmaschine einzuspeisen. Im oberen Endabschnitt des Spaltgasgenerators 15 ist eine elektrische Zünd- oder Heizvorrichtung, die aus einem "Nicrom"- oder Tantaldraht oder einer Zünd- oder Glühkerze besteht, angeordnet. Das Gehäuse 6 ist mit einer isolierenden Schicht 14 ausgekleidet, um in der Abgaskammer 6 a Hochtemperaturbedingungen aufrechtzuerhalten. Der Spaltgasgenerator 15 ist mit einem Katalysator 16 zur Beschleunigung der chemischen Reformierreaktion zwischen Luft und Methanol gefüllt. Das erzeugte Reformiergas strömt aus dem Spaltgasgenerator 15 über eine Leitung 17 in einen Wärmetauscher 20, in dem zwischen dem Reformiergas und dem aus einem Behälter 18 für flüssigen Brennstoff über eine Brennstoffleitung 19 zugeführten flüssigen Brennstoff Wärme ausgetauscht wird.
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Die Zünd- oder Heizvorrichtung 13 startet die katalytische Reformierreaktion innerhalb des Spaltgasgenerators, d. h. die Reaktion zwischen der über den Luftzufuhrregler 11 zugeführten Luft und dem durch den Brennstoffzufuhrregler 10 zugeführten Methanol, das in der vorstehend erwähnten Mischung enthalten ist, bei der das Reformiergas erzeugt wird. Die durch die Reformierreaktion erzeugte Wärme dient zur Erhöhung der Temperatur des Katalysators 16 unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine. Nach Überschreiten einer Abgastemperatur von 500°C erfolgt die katalytische Reformierreaktion unter der Wirkung der Wärme der Abgase, so daß die Zünd- oder Heizvorrichtung 13 abgeschaltet werden kann.
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Im Wärmetauscher 20 wird das Reformiergas auf eine gewünschte Temperatur abgekühlt, während der flüssige Brennstoff aus dem Behälter 18 aufgeheizt wird. Das Mischungsverhältnis zwischen dem Reformiergas und der Einlaßluft kann daher konstant gehalten und die Zerstäubung und Verdampfung des flüssigen Brennstoffs aus dem Behälter 18 sehr erleichtert werden. Das Reformiergas strömt vom Wärmetauscher 20 über eine Leitung 17 a in die Mischkammer 3, wo es mit der Einlaßluft gemischt wird. Der flüssige Brennstoff strömt vom Wärmetauscher 20 über eine Brennstoffleitung 19 a in einer solchen Menge in den Vergaser 4, daß ein Luft-Brennstoff- Verhältnis, das größer ist als das stöchiometrische, für eine vollständige Verbrennung theoretisch erforderliche Mischungsverhältnis, erhalten werden kann. Das aus dem flüssigen Brennstoff, dem Reformiergas und der Luft bestehende magere Verbrennungs-Gemisch wird für die Verbrennung in den Motorblock 5 eingespeist.
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Wenn das Volumenverhältnis zwischen dem flüssigen Brennstoff wie z. B. Benzin und dem Reformiergas (ausgedrückt in Form von Methanol) beispielsweise bei 1 : 5 liegt, kann eine stabile Verbrennung gewährleistet werden, selbst wenn das Luft-Benzin-Verhältnis höher als 20 ist (d. h. wenn die Luftzahl λ > 1,3). Die Verminderung der Leistung der Brennkraftmaschine ist vernachlässigbar, und selbst unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine sind die Gehalte an schädlichen Verbrennungsprodukten wie Stickoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen in den Abgasen beträchtlich vermindert. Das Verhältnis zwischen dem Reformiergas (ausgedrückt in Form von Methanol) und Benzin kann bis auf 1 : 8 gesenkt werden, jedoch wird eine Änderung dieses Verhältnisses in Abhängigkeit vom Luft-Benzin-Verhältnis bevorzugt.
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Laborversuche haben gezeigt, daß die Zusammensetzung der Produkte der katalytischen Reformierreaktion nahezu gleich bleibt.
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Als Katalysator 16 können bekannte Katalysatoren dienen, die Oxide von Pt, Pd, Ni, Co, Fe, Cu, Cr oder Au oder sog. keramische Verbindungen wie z. B. Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, MgO oder CaO enthalten. In Abhängigkeit von dem angewandten Katalysator sind die Zusammensetzung des Reformiergases, dessen Volumen, die Temperatur, bei der die katalytische Reformierreaktion in stabiler Weise ablaufen kann, und die gebildete Rußmenge leicht unterschiedlich. Die wirksamsten Katalysatoren sind platin- und nickelhaltige Katalysatoren. Die katalytische Reformierreaktion läuft bei einer Temperatur über 250°C ab, jedoch liegt die Reaktionstemperatur vorzugsweise bei 300 bis 700°C, da das Reformiergas durch den Wärmetauscher 20 zur Abgabe seiner Wärme an Benzin geleitet werden muß, um die Zerstäubung und Verdampfung des Benzins zu erleichtern. Wegen des Energieverlustes beträgt die Lufteinspeisung in den Spaltgasgenerator 15 vorzugsweise etwa 100 cm³/min, d. h. etwa 10% der erforderlichen Luftmenge für die theoretische Verbrennung des Methanols ( λ = 0,1), damit das Reformiergas in gewünschter Zusammensetzung gebildet werden kann.
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Die Anwendung von Methanol ist besonders vorteilhaft, da Wasserstoff und Kohlenmonoxid in großer Menge gebildet werden. Ferner besteht ein weiterer Vorteil darin, daß nahezu kein Ruß oder Teer auf den Katalysatoren abgeschieden wird. Wenn die katalytische Reformierreaktion mit Ethanol durchgeführt werden würde, würden zusätzlich zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan verschiedene Verbindungen mit einer höheren Anzahl an Kohlenstoffatomen wie z. B. Ethan, Ethylen, Acetylen und Propylen gebildet und würde am Katalysator Ruß angelagert, wenn auch nur in geringer Menge. Um den Anteil der Reaktionsprodukte mit einer höheren Anzahl von Kohlenstoffatomen zu vermindern, kann die Luftzufuhr bis auf 15% der erforderlichen Luftmenge für die theoretische Verbrennung des Methanols ( λ = 0,15) erhöht werden, jedoch ist eine Steigerung über 15% hinaus nicht bevorzugt, da der Energieverlust in einem für die praktische Anwendung zu beträchtlichen Ausmaß erhöht ist. Die in den Spaltgasgenerator einzuspeisende Luftmenge muß so gewählt werden, daß fast kein Ruß am Katalysator angelagert wird. Am meisten bevorzugt wird eine Lufteinspeisungsmenge von etwa 15 Gew.-% der für die theoretische Verbrennung von Methanol erforderlichen Luftmenge. Mit einer Luftzufuhr von 100 cm³/min für eine Methanoleinspeisung von 0,15 cm³/min erhält man besonders günstige Ergebnisse, wie aus Fig. 3 hervorgeht, wenn man den Energieverlust mit berücksichtigt, kann die katalytische Reformierreaktion wie folgt ausgedrückt werden: °=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz3&udf54; &udf53;vu10&udf54;
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Es handelt sich also um eine endotherme Reaktion mit einer Wärmeaufnahme von 502 kJ/mol. Wenn die Lufteinspeisung über 15% hinausgeht, findet eine exotherme Reaktion statt, die zu einer Verminderung des Wasserstoff- und Kohlenmonoxidanteils in dem Reformiergas führt.
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Durch die katalytische Reformierreaktion gebildetes und in die Verbrennungskammern geleitetes Wasser setzt nicht nur die Temperatur in den Verbrennungskammern herab, sondern es dient auch zur Verminderung der Bildung von Stickoxiden. Es sollte aber darauf geachtet werden, daß keine großen Wassermengen entstehen, da diese eine Korrosion der Brennkraftmaschine verursachen und deren Leistung herabsetzen würden.
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Die Tabelle zeigt die Zusammensetzung des Reformiergases, das bei der katalytischen Reformierreaktion einer Mischung aus 86% Methanol, 7% Wasser und 7% Kohlenwasserstoff erhalten wird. °=c:150&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz14&udf54; &udf53;vu10&udf54;
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In der Mischung sind Wasser, Methanol und Kohlenwasserstoff nicht voneinander getrennt, sondern liegen in homogener Flüssigphase vor, wie es im Löslichkeitsdiagramm von Fig. 1 durch den schraffierten Bereich angedeutet wird. Der verwendete Kohlenwasserstoff hatte eine ähnliche Zusammensetzung wie gewöhnliches Benzin, wobei cyclische Kohlenwasserstoffverbindungen (insbesondere aromatische Verbindungen) und Harzrückstände in sehr geringen Mengen (weniger als 2 bis 3%) enthalten waren. Das Volumen an Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan, das durch die katalytische Reformierreaktion der Mischung erzeugt wird, wird um so größer, je höher der Methanolgehalt ist. Im Vergleich zu anderen Kohlenwasserstoffverbindungen erleichtern Wasserstoff und Kohlenmonoxid die Verbrennung eines mageren Verbrennungs-Gemisches, so daß es um so besser ist, je höher die Gehalte an Wasserstoff und Kohlenmonoxid sind.
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Je höher der Benzingehalt ist, um so größere Mengen Ruß und Teer werden durch Crackung des Benzins gebildet und am Katalysator angelagert, so daß die katalytische Aktivität verlorengeht. Das Mischungsverhältnis zwischen Methanol und Benzin als Kohlenwasserstoff beträgt daher mindestens 7 : 3. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, tritt z. B. in dem Fall, daß Methanol in einer Menge von etwa 70 Gew.-% und Benzin in einer Menge von etwa 30 Gew.-% vorhanden ist, selbst dann keine Phasentrennung ein, wenn die Mischung 2% Wasser enthält, die beispielsweise durch Methanol aus der Atmosphäre absorbiert worden sind.
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Der als Benzin bezeichnete flüssige Brennstoff kann durch andere Brennstoffe wie z. B. Leichtöl, Kerosin, Dieselöl, Kohlenwasserstoffe, Alkohol, Ether, Keton oder stickstoffhaltige Kohlenwasserstoffe gebildet werden, die einzeln oder in Form einer Mischung anwendbar sind.
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Der Zufuhrregler 10 wird im einzelnen in der japanischen Patentanmeldung 12 659/1972 beschrieben; der steuert die Zufuhr der Mischung aus Methanol, Kohlenwasserstoff und Wasser zu dem Spaltgasgenerator 15 in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Der Luftzufuhrregler 11 kann durch eine Luftpumpe und ein Regelventil, dessen Öffnung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gesteuert wird, gebildet werden. Auf diese Weise kann eine Mischung aus Luft sowie Methanol, Kohlenwasserstoff und Wasser in festgelegtem Verhältnis in den Spaltgasgenerator 15 eingespeist werden.
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Bei einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Brennstoffaufbereitungssystem läuft die katalytische Reformierreaktion in dem Spaltgasgenerator nicht mittels Abgaswärme, sondern mittels der von der Zünd- oder Heizvorrichtung 13 erzeugten Wärme ab. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Spaltgasgenerator an einer vom Motorblock entfernten Stelle angebracht werden kann, so daß eine Schädigung des Katalysators durch Vibrationen des Motorblocks verhindert werden kann.
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Der flüssige Brennstoff kann ohne Anwendung eines Wärmetauschers direkt in das Reformiergas eingespritzt werden. Ferner kann auch ein Teil der Methanol und Kohlenwasserstoff enthaltenden Mischung verbrannt werden, um die für die Reformierreaktion erforderliche Wärme zu erzeugen.
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Ein geeigneter Katalysator für das beanspruchte Brennstoffaufbereitungssystem ist ein Katalysator der Fe-Ni-Cr-Cu-Serie auf γ-Aluminiumoxid, wobei die katalytische Reformierreaktion des Gemisches bei 150°C ausgelöst werden kann bei etwa 300°C am wirksamsten ist.