DE3607007A1 - Vorrichtung zur thermischen spaltungsaufbereitung fluessiger brennstoffe fuer brennkraftmaschinen und betriebsverfahren fuer diese - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von Brennkraftmaschinen mit aus niedrigoktanzahligen bleifreien entschwefelten paraffinischen und/oder aro­ matischen Kohlenwasserstoffen und/oder Alkoholen durch thermische Spaltung gewonnenen Spaltgasen. Ebenso be­ zieht sie sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung. Durch eine Spaltungsaufbereitung der genannten Art können auch hochverdichtete Otto­ motore mit niedrigoktanzahligen Brennstoffen bei niedrigem Schadstoffausstoß betrieben werden.

Das Interesse in der Patentliteratur gilt vorwiegend den katalytischen Spaltverfahren, bei denen einem katalytischen Spaltreaktor Brennstoffdämpfe und Luft als Reaktionsteilnehmer zugeführt werden. Unbefrie­ digend ist bei diesen Verfahren jedoch die Empfind­ lichkeit gegenüber der Bildung von Crackruß und ge­ genüber eventuell vorhandenen Katalysatorgiften; auch läßt sich trotz günstiger Abgaswerte in bestimmten Betriebsbereichen nicht ein über den gesamten Lastbe­ reich des Motors vorteilhaftes Emissionsverhalten er­ zielen.

Diese Nachteile gelten auch für eine aus der DE-OS 26 10 688 bekannte Vorrichtung zur Spaltgasaufberei­ tung von Brennstoffen für Brennkraftmaschinen, von der die vorliegende Erfindung ausgeht. Bei dieser be­ kannten Vorrichtung geschieht eine dreistufige Aufbe­ reitung von Brennstoff, ggfs. unter Zugabe von Wasser, deren erste im wesentlichen zum Verdampfen des Brenn­ stoffs bzw. der Reaktionsteilnehmer dient, während diese in der zweiten Stufe einer maximalen Erhitzung unterworfen werden, indem sie einen Reaktorteil in Form einer Rohrschlange durchströmen, die im Auspuff­ stutzen bis in die Nähe der Auslaßventile des Motors herangeführt ist. An diese beiden thermischen Stufen schließt sich eine katalytische Stufe an, in der der Brennstoff bei maximal 200°C reformiert wird.

Trotz der recht aufwendigen Behandlung des Brennstoffs in den drei Stufen führt die niedrige Temperatur in der katalytischen Stufe nur zu einer unvollständigen Umsetzung der Kohlenwasserstoffe in kurzkettige gas­ förmige Verbindungen. Dies führt dazu, daß länger­ kettige, höhersiedende Kohlenwasserstoffe lediglich verdampft und nicht gecrackt werden und durch Konden­ sation auf dem Weg in den Verbrennungsraum des Motors zu Störungen führen können. Außerdem ist der Anwen­ dungsbereich der Vorrichtung auf niedrigsiedende Brennstoffe beschränkt, und auch für diese ist nicht sichergestellt, daß die für einen umweltfreundlichen Gasmotorbetrieb notwendigen Anteile an kurzkettigen Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff erreicht werden können.

Aus der DE-OS 25 26 617 ist eine auch thermisch, also katalysatorfrei zu betreibende Spaltungsaufbereitung von Brennstoffen bekannt, bei der diese zusammen mit Luft und Wasser als Reaktionsteilnehmer einen Reaktor durchströmen, der von den Abgasen des Motors umspült ist. Hier geht es jedoch nur um Alkohole oder alkohol­ haltige Mischungen von Brennstoffen.

Üblicherweise müssen bei Verfahren zur thermischen Spaltung von Brennstoffen, z. B. gemäß den DE-OSen 25 42 681 und 29 04 333, in denen Brennstoff mit Luft lediglich partiell verbrannt wird, wegen einer fehlen­ den Wasserzugabe sehr hohe Temperaturen von über 800°C bzw. 1000-1300°C eingehalten werden, um ein den motorischen Anforderungen hinsichtlich Emissions­ minderung brauchbares Spaltgas zu erzeugen. Zwar wird die Abwärme des Spaltgases zum Aufheizen des für die Spaltung eingesetzten Anteils der Verbren­ nungsluft verwendet, doch ist hierfür ein großes Aus­ tauscheraggregat erforderlich. Die Einhaltung der Spalttemperatur erfordert eine sehr genaue Kontrolle der Luftzufuhr, um ein Durchgehen der Temperatur des Spaltreaktors zu vermeiden. Die hohen Temperaturen erzwingen auch die Verwendung hochwertiger Werkstoffe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur thermischen Spaltungsaufberei­ tung von minderwertigen, insbesondere niedrigoktani­ gen flüssigen Brennstoffen für Brennkraftmaschinen, mit der aus einem breiten Brennstoffband blei- und schwefelfreier flüssiger paraffinischer oder aroma­ tischer Kohlenwasserstoffe und/oder Alkohole ein klopffestes und im Motor umweltfreundlich verbrennen­ des Spaltgas erzeugt werden kann, sowie das Aufzeigen von zum Betrieb derselben geeigneten Verfahrenspara­ metern zur Erreichung dieser Ziele.

Ausgehend von der gattungsgemäß vorausgesetzten Bau­ art einer Spaltungsaufbereitungsstufe ist zur Lösung der gestellten Aufgabe der Spaltreaktor erfindungs­ gemäß ein etwa mittig im Auspuffstutzen längsverlau­ fendes Blindrohr, dessen geschlossenes Ende zum Aus­ laßventil weist, und diesem werden als Reaktionsteil­ nehmer Brennstoff, Wasser und Luft durch Zuleitungs­ einrichtungen in der Weise zugeführt, daß sie in der Nähe des Reaktorendes mit einer Geschwindigkeits­ komponente zu diesem Ende hin in den Reaktor eintre­ ten.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung gelangt der Brennstoff unvermittelt an die heißeste Stelle des Reaktors und wird schlagartig bei hoher Turbulenz verdampft und gespalten; ebenso findet hier die Initialzündung für die partielle Oxydation mit der Luftkomponente statt. Dadurch wird aus einem breiten Brennstoffspektrum blei- und schwefelfreier flüssiger paraffinischer oder aromatischer Kohlenwasserstoffe und/oder Alkohole mit Wasserstoff/Kohlenstoff-Ge­ wichtsverhältnissen von bis herab zu H/C 0,1 und maximalen Siedetemperaturen im Bereich unter 400°C ein für den Motorbetrieb geeignetes Spaltgas erzeugt. Hierzu gehören z. B. Methanol, Ethyl- und höhere Alkohole, Benzin (auch in sog. straight­ run qualität), Petroleum, Gasöl, Heizöl EL und L, Braunkohlen- und Steinkohlenteeröl.

Je nach den Spaltbedingungen lassen sich bei der in sehr kurzen Zeiträumen ablaufenden Reaktionen, die kaum Gleichgewichtseinstellung erwarten lassen, Spalt­ gase mit unterschiedlichsten Anteilen an kurzkettigen Kohlenwasserstoffen (CH₄, C₂ H₄, etc), CO, CO₂, H₂, H₂O, N₂ und auch OH-Radikalen erzeugen, die bei der Verbrennung im Motor ein ausgezeichnetes Klopfver­ halten aufweisen und damit einen Betrieb mit hohem Verdichtungsverhältnis und verbesserten Wirkungsgra­ den ermöglichen. Gleichzeitig erlauben solche Spalt­ gase eine Stickoxid-arme Betriebsweise der Verbren­ nungsmotoren, die sowohl oxidierend als auch redu­ zierend sein kann, wobei NO _x -Gehalte von bis herab zu kleiner 100 vppm NO _x im Abgas möglich sind.

Die erfindungsgemäße Spaltung erlaubt die Einstellung von Spaltgasqualitäten, die ihrerseits den Betrieb eines mit Fremdzündung betriebenen Motors mit hohen Verdichtungsverhältnissen ermöglichen. Verdichtungs­ verhältnisse von bis zu 15 sind möglich. Diese Ver­ dichtungsverhältnisse gehen weit über die üblicher Ottomotoren hinaus und erreichen bzw. überschreiten die bei Dieselmotoren als optimal angesehenen Werte. Noch höhere Verdichtungsverhältnisse sind bei be­ stimmten Spaltgaszusammensetzungen nicht ausgeschlos­ sen.

Die mit den erfindungsgemäß gewonnenen Spaltgasen möglichen hohen Verdichtungsverhältnisse sind ins­ besondere in Kombination mit einer "Magerfahrweise" des Motors interessant, bei der der Motor mit einem hohen Luftüberschuß von λ größer 1,3 bei höheren Ver­ dichtungsverhältnissen betrieben werden muß, um nied­ rige Schadstoffemissionen zu erreichen. Höhere C _m H _n Kohlenwasserstoffkonzentrationen aufgrund des soge­ nannten Quencheffektes können wegen des Einsatzes des Spaltgases bei dieser Fahrweise verhindert werden, da langkettige Kohlenwasserstoffe bereits vor Eintritt in den Verbrennungsraum umgewandelt wurden.

Der erfindungsgemäße Spaltbetrieb kann jedoch auch in Kombination mit einer reduzierenden Fahrweise des Motors für die Schadstoffemissionsminderung vorteil­ haft sein, wenn nur eine unterstöchiometrische Ver­ brennungsluftmenge, bezogen auf den zugeführten Brenn­ stoff, durch die Ansaugleitung dem Motor zugeführt wird. Dieses sauerstoffarme Verbrennungsgemisch brennt im Motor unter Sauerstoffmangel nur unvollständig.

Dabei wird die NO _x -Bildung vom Sauerstoffpartialdruck her im Sinne niedriger Emissionen günstig beeinflußt. Verbleibende Restgehalte an CO, H₂ und kurzkettigen Kohlenwasserstoffen werden durch eine Nachverbrennung mittels in die Motorabgase stromaufwärts vom Spalt­ reaktor zugeführter Sekundärluft unter Temperatur­ steigerung auf etwa 900°C nachverbrannt, wobei diese heißen Abgase für den Spaltvorgang im Spaltreaktor 21 ausgenutzt werden. Hierdurch wird unter Nutzung we­ sentlicher Teile des Wärmeinhalts der Abgase der Ver­ brennungsmaschine ein umweltfreundlicher Betrieb mit geringen Wirkungsgradverlusten ermöglicht.

Insgesamt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung rela­ tiv einfach im Aufbau und leicht auf verschiedene Brennstoffe einstellbar. Die Gaszusammensetzung des Verbrennungsgemisches zum Motor kann leicht und zu­ verlässig vorgegeben werden, wobei ein Betrieb mit definierter Luftzahl möglich ist, die sowohl im oxi­ dierenden als auch im reduzierenden Bereich liegen kann.

Die Abgaswärme der Verbrennungsmaschine wird weit­ gehend für den Spaltprozeß ausgenützt. Es besteht weder eine Katalysatorvergiftungsgefahr noch die Gefahr des Zugehens durch Ruß. Trotz hoher Verdichtungsverhält­ nisse bleibt der Betrieb klopffrei.

Ein besonders gewichtiger Vorteil ist, daß ohne nach­ geschaltete empfindliche Katalysatoren zusätzlich zur NO _x -Verminderung die betriebssichere Begrenzung heute noch nicht gesetzlich reglementierter Emissionen von Schadstoffen, wie Benzo-(a) pyren, Geruchsstoffe, Aldehyde, Phenole und anderer aromatischer Kohlenwas­ serstoffe gelingt und eine gleichbleibend niedrige Abgasemission über die ganze Betriebsperiode des Mo­ tors erzielt wird.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.

Die Maßnahmen gemäß Ansprüchen 2 bis 5 sind gerichtet auf die Erzielung einer konzentrierten und stark ver­ wirbelten Einleitung der Reaktionsteilnehmer in den heißesten Bereich des Spaltreaktors.

Anspruch 6 zielt auf den vorstehend betrachteten re­ duzierenden Betrieb des Motors, bei dem ein besonders niedriger NO _x -Ausstoß erzielt wird.

Mittels der Drosselblende gemäß Anspruch 7 kann ein gewünschter Überdruck im Spaltreaktor eingestellt werden, so daß das Spaltgas mit hoher Geschwindigkeit in die Ansaugleitung des Motors eintritt und es da­ durch zu einer intensiven Mischung mit der Ansaugluft kommt.

Die Spaltgase werden in der Regel dem Motor ungekühlt zugeführt. Bei hohen Spalttemperaturen, bei denen die Spaltgase bis zu 25% des Ansauggasvolumens des Motors ausmachen können und die Temperaturen des angesaugten Gasgemisches bis 200°C im ungekühlten Betrieb betra­ gen würden, kann zur Verbesserung der Motorfüllung eine Aufladung des Motors oder gemäß Anspruch 8 eine Kühlung der Spaltgase durch direkte Wassereinspritzung zweckmäßig sein. Eine solche Kühlung wird jedoch zweckmäßig nur bei Motoren größeren Hubraums eingesetzt.

Die in Anspruch 9 vorgeschlagene Vorerhitzung des Wassers und der Luft bietet sich besonders bei hohen Wasser- und Luftanteilen und hohen Spalttemperaturen an. Es werden dann die Luft und das Wasser im Gegen­ strom zu den heißen Abgasen weitestgehend vorgewärmt, so daß lediglich die Verdampfungs- und Überhitzungs­ wärme des Brennstoffs im Spaltreaktor bei hoher Tempe­ ratur aufgebracht werden.

Wenn gemäß Anspruch 10 für jeden Zylinder eines mehr­ zylindrigen Kolbenmotors ein in der Auspufföffnung angeordneter Spaltreaktor vorgesehen wird, kann jeder derselben für sich mit Brennstoff, Wasser und Luft in auf den jeweiligen Brennstoff abgestimmtem, optimalem Verhältnis kontinuierlich versorgt werden. Vorteil­ hafterweise werden dessen Spaltgase der Ansaugöffnung des gleichen Zylinders in einer kleinvolumigen Lei­ tung mit hoher Geschwindigkeit zugeführt und intensiv mit der Verbrennungsluft vor dem Eintrittsventil ver­ mischt, sofern der Motor z. B. im Magerbetrieb mit hohem Luftüberschuß betrieben wird.

Durch die Dosiereinrichtungen gemäß Ansprüchen 11 und 12 ist es möglich, das Verhältnis der Reaktions­ teilnehmer Brennstoff, Wasser und Luft zueinander und dadurch auch die Reaktionstemperatur im Spaltreaktor dem jeweiligen Brennstofftyp und seinem Gehalt an höhersiedenden Kohlenwasserstoffen anzupassen.

Die exakte Zudosierung des Brennstoffes und damit des Spaltgases pro Zylinder gestattet eine für einen um­ weltfreundlichen Motorbetrieb eindeutige Einstell­ möglichkeit der Verbrennungsbedingungen. Für einen gewählten Brennstoff erfolgt die Zufuhr der Ausgangs­ komponenten der Spaltung Brennstoff/Wasser/Luft vor­ zugsweise durch separate, über eine Verhältnisregelung verbundene Dosieraggregate. Dadurch wird auch bei ver­ änderlichen Motorlastzuständen die Zusammensetzung der Spaltgase, welche für das Emissionsverhalten des Motors von großer Bedeutung ist, bei gegebener Spalt­ temperatur möglichst nicht verändert.

Durch die vorstehend betrachteten Dosiermöglichkeiten sind die im Zusammenhang mit der Erfindung wesentli­ chen Verfahrensparameter beeinflußbar. Deren Grenzen sind in Anspruch 13 angegeben. Die sich aus den vor­ genannten konstruktiven Besonderheiten ergebenden Be­ dingungen für den Ablauf des Spaltvorgangs, insbe­ sondere bezüglich der Wirbelzustände und der Aufheiz­ geschwindigkeit des Brennstoffs, ergeben ihr vorteil­ haften Wirkungen insbesondere in Verbindung mit diesen Parametern.

Bei niedrigsiedenden Brennstoffen genügen Spalttempe­ raturen an der unteren Grenze, Wasserzugaben von 0,1-0,2 kg/kg Brennstoff und geringste Luftzugaben zur partiellen Oxidation. Die Spaltwärme der endother­ men Reaktion wird weitgehendst durch indirekten Wärmeaustausch mit den heißen Verbrennungsgasen aus der Abwärme des Mo­ tors gedeckt. Die den Spaltreaktor verlassenden Gase haben einen höheren Heizwert als die eingesetzten Brennstoffe. Die thermische Energie der Abwärme wird in chemische Energie des Brennstoffes umgewandelt.

Bei höhersiedenden Einsatzstoffen, wie z. B. Dieselöl oder Heizöl EL sind Spalttemperaturen an der Obergrenze des Bereichs von etwa 800°C, Wasserzugaben von 0,3-0,4 kg/kg Brennstoff und Luftzugaben vom bis zu 0,15fachen der stöchiometrischen Verbrennungsluft des Brennstoffes für eine umweltwirksame Spaltung des Brennstoffes erforderlich. Die Spalttemperatur im Reaktor liegt dann in der Größenordnung der Auspuff­ temperaturen des Motors oder leicht darüber, so daß die Abwärme des Motors lediglich der Kompensation der Verluste des Spaltreaktors dient. Die partielle Oxi­ dation durch den Luftsauerstoff läßt die Spaltung exotherm verlaufen, wodurch die Reaktortemperatur auf dem gewünschten Niveau gehalten werden kann.

Wenn gemäß Anspruch 14 die im normalen Betriebszustand 750°C heißen Auspuffgase den Reaktor mit hoher Ge­ schwindigkeit von 30 bis 400 m/sec umströmen, kommt es zu einem intensiven Wärmeübergang. Der Wärmeüber­ gang kann z. B. durch Wärmeübertragungsrippen ge­ steigert werden.

Eine Strömungsgeschwindigkeit der Spaltgase von 50-100 m/sec bewirkt, daß die Spaltreaktionen bei hoher Turbulenz in Zeiträumen von unter 1/100 Sekunde ablaufen.

Bei der Wahl der auch die genannten Geschwindigkeiten bestimmenden Strömungsquerschnitte soll in jedem Falle das Volumen des Reaktors und der Zufuhrleitungen des Spaltgases zum Motor klein gehalten werden, um mög­ liche Verschiebungen durch Lastwechsel gering zu halten.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Vierzylindermotor mit einer Brennstoffaufbereitungsvorrichtung in der Drauf­ sicht;

Fig. 2 die schematische Seitenansicht des Motors ge­ mäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Spaltreaktor im schematischen Schnitt;

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform eines Spalt­ reaktors;

Fig. 5 schematisch einen für eine reduzierende Be­ triebsweise vorgesehenen Einzylindermotor;

Fig. 6 schematisch einen Motor mit Vorheizung von Luft und Wasser vor deren Eintritt in den Spaltreaktor;

Fig. 7 schematisch einen Vierzylindermotor mit einer Verdampfungs- und Überhitzungsstufe für Luft und Wasser sowie mit das Mischungsverhältnis der Reaktionsteilnehmer aufrechterhaltenden Dosiereinrichtungen.

Der Vierzylindermotor 1 gemäß Fig. 1 und 2 hat für jeden Zylinder einen Auspuffstutzen 2, die in ein gemeinsames Abgassammelrohr 11 münden. In jeden Aus­ puffstutzen 2 ist ein Spaltreaktor 4 eingebaut, der ein leeres Blindrohr aus hochhitzebeständigem Stahl darstellt, welches koaxial im Auspuffstutzen 2 ange­ ordnet ist und mit seinem geschlossenen vorderen Ende bis nahe an das Auslaßventil 3 des Zylinders heran­ reicht. Das hintere Austrittsende 6 des Spaltreaktors hat über eine Drosselblende 14 Verbindung mit dem An­ saugrohr 7 des Zylinders, das von einer Ansaugsammel­ leitung 10 kommt, welcher ein Startvergaser 9 und ein Luftfilter 8 vorgeschaltet sind. Der Auspuff­ stutzen 2 ist auf der den Spaltreaktor 4 umgebenden Länge außen mit einer Wärmeisolierung 13 versehen.

In jedem Spaltreaktor 4 ist in der Nähe des vorderen Endes eine Mehrstoffdüse 12 eingebaut, die über Zu­ fuhrleitungen 5 von einer Dosiereinrichtung 5 a mit Brennstoff, Wasser und Luft in einem festen Verhältnis und einer von der gewünschten Motorleistung abhängigen Gesamtmenge gespeist wird. Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Mehrstoffdüse 12 derart schräg eingebaut, daß ihr Strahl mit einer zum geschlossenen Vorderende des Spaltreaktors gerichteten Geschwindig­ keitskomponente austritt und dort, also im heißesten Bereich des Spaltreaktors, auf dessen Innenwand auf­ trifft.

Beim Betrieb des Motors ist der Spaltreaktor 4 all­ seitig von den seinen Zylinder verlassenden heißen Auspuffgasen umströmt. Die auf seine heißeste Stelle auftreffenden Reaktionsteilnehmer Brennstoff, Wasser und Luft werden stark verwirbelt, erhitzen sich schlagartig und werden bei hoher Temperatur gespalten. Die Spaltgase strömen mit hoher Geschwindigkeit zum Austrittsende 6. Die dort vorgesehene, ggfs. regel­ bare Drosselblende 14 hat zur Folge, daß der Druck im Spaltreaktor höher als der Druck im Ansaugrohr 7 liegt, und zwar normalerweise um etwa 1 bar.

Durch den Überdruck im Spaltreaktor treten die Spalt­ gase mit hoher Geschwindigkeit in den Ansaugluftstrom ein und werden mit diesem intensiv vermischt. Das so entstandene Verbrennungsgemisch strömt zum Ansaugven­ til des zugehörigen Zylinders.

Die Ansaugluft des Motors wird im dargestellten Bei­ spiel kalt zugeführt. Vorzugsweise im Teillastbereich oder auch bei reduzierender Betriebsweise des Motors kann auch eine Vorwärmung der Motoransaugluft in be­ grenztem Maße unter Ausnutzung der Abwärme der im Ab­ gassammelrohr 11 abströmenden heißen Motorabgase zweckmäßig sein.

Die Abmessungen der betrachteten Bauteile bzw. die von ihnen gebildeten Strömungsquerschnitte sind so gewählt, daß beim Nennleistungsbetrieb des Motors die etwa 750°C heißen Auspuffgase den den Spaltreak­ tor 4 umgebenden Ringkanal mit Spitzengeschwindigkei­ ten von 30 bis 400 m/sec durchströmen und daß die Ge­ schwindigkeit der Spaltgase im Inneren des Spaltreak­ tors zwischen 50 und 100 m/sec liegt. Auf diese Weise kommt ein wirksamer Wärmeübergang zustande, und die Verweilzeit der Reaktionsteilnehmer im Spaltreaktor bleibt unter ca. 1/100 sec.

Soweit das Wasser in flüssiger Form eingesetzt wird, ist es zur Vermeidung von Verkrustungen im Spaltreak­ tor in vollentsalzter Qualität zu verwenden. Die Was­ serkomponente kann jedoch auch durch Verdampfung von üblichen Wasserqualitäten mit der Abwärme des Motors oder aber durch Kühlung auch als Kondensat aus dem Motorabgas gewonnen werden. Bei wasserhaltigen Brenn­ stoffen, z. B. Alkoholen, bei denen Wasser im festen vorgegebenen Verhältnis zu den Kohlenwasserstoffen steht, erübrigt sich eine separate Wasserdosierung und -aufbereitung.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausbildung eines Spalt­ reaktors 47. In diesem werden die Reaktionsteilnehmer, Brennstoff einerseits und Luft und Wasser andererseits, getrennt voneinander durch zwei koaxial ineinander­ liegende Rohre, die sich vom hinteren Ende des Reak­ tors bis in die Nähe von dessen vorderem Ende er­ strecken, eingeleitet. Dabei durchströmt der Brenn­ stoff das zentrale Brennstoffrohr 45 und ein Wasser­ dampf-Luft-Gemisch ein dieses umgebendes Wasserdampf- Luft-Rohr 46 in dem zwischen diesem und dem Brenn­ stoffrohr 45 verbleibenden Ringkanal 48. Auch hier treffen also die Reaktionsteilnehmer unter starker Verwirbelung vorwärts auf die heißeste Stelle des Reaktors.

Die sich bildenden Spaltgase durchströmen den zwi­ schen dem Wasserdampf-Luft-Rohr 46 und dem Reaktor­ rohr gebildeten Ringkanal im Gleichstrom mit den Aus­ puffgasen und verlassen den Reaktor bei 49, um in die Luftansaugleitung eingeleitet zu werden.

Diese Ausbildung des Spaltreaktors ist insbesondere für den Betrieb mit niedrigsiedenden Brennstoffen vor­ gesehen, wobei Luft und Wasser gemeinsam unter Ab­ wärmeausnutzung für alle vier Zylinder vorgewärmt werden. Der Brennstoff kann ebenfalls für alle vier Zylinder gemeinsam in einem abgasbeheizten Verdampfer verdampft werden. So können alle Komponenten vorge­ wärmt und gasförmig der Hochtemperaturspaltstufe zu­ geführt werden.

Fig. 5 zeigt das Beispiel eines Motors 15 für eine reduzierende Betriebsweise mit Spaltungsaufbereitung des Brennstoffs. In die Ansaugleitung 16 gelangen nur 90 bis 95% der stöchiometrischen Verbrennungsluft­ menge, und dieser wird in einer Mischvorrichtung 17 das Spaltgas beigemischt. Dadurch entsteht ein brenn­ stoffreiches, sauerstoffarmes Verbrennungsgemisch, welches im Motor unter Sauerstoffmangel nur unvoll­ ständig verbrennt, was die Entstehung von NO _x -Schad­ stoffen weitgehend unterdrückt.

In die mit etwa 750°C den Motor durch einen Auspuff­ stutzen 18 verlassenden, noch unverbrannten Bestand­ teile, insbesondere CO, H₂ und kurzkettige Kohlenwas­ serstoffe enthaltenden Auspuffgase wird in einer Mischvorrichtung 19 Sekundärluft in einer Menge von etwa 10 bis 20% der stöchiometrischen Verbrennungs­ luftmenge beigemischt, so daß es zu einer Nachver­ brennung kommt, die die Temperatur der Abgase auf ca. 900°C hochtreibt. Mit dieser Temperatur umströmen die Abgase den Spaltreaktor 21.

Der Spaltreaktor 21 ist von der bereits betrachteten Bauart gemäß Fig. 3; die über die Zufuhrleitungen 20 eingeleiteten Reaktionsteilnehmer werden unter Aus­ nutzung des gegenüber dem überstöchiometrischen Be­ trieb höheren Wärmeinhalts der Abgase in bereits be­ schriebener Weise umgesetzt und der Mischvorrichtung 17 zugeleitet. Die in die Auspuffleitung 22 eintre­ tenden Abgase können ggfs. noch zur Vorwärmung der Verbrennungsluft dienen.

Fig. 6 zeigt einen Motor, in dessen Brennstoffspal­ tungsaufbereitungsvorrichtung eine Vorheizung der Reaktionsteilnehmer Wasser und Luft stattfindet, so daß im Spaltreaktor lediglich die Verdampfungs- und Überhitzungswärme für den Brennstoff aufzubringen ist.

Der Spaltreaktor 22 hat sowohl eine schräg zum ge­ schlossenen heißen Ende hin gerichtete Brennstoffdüse 28, als auch ein längsverlaufendes, ebenfalls zum geschlossenen heißen Ende hin gerichtetes Zentralrohr 27 für die Einleitung von Luft und Wasserdampf. Die diesem zugeführten Reaktionsteilnehmer Luft und Was­ ser kommen von Dosiereinrichtungen 23 und 24 und ge­ langen aus diesen in eine Zweistoffdüse 25, die in einen Wärmetauscher 26 eingebaut ist, welcher strom­ abwärts vom Spaltreaktor 22 im Auspuffstutzen unter­ gebracht ist. In diesem Wärmetauscher 26 wird das Wasser verdampft und das Gemisch aus Wasserdampf und Luft überhitzt. Dieses durchströmt mit hoher Geschwin­ digkeit das Zentralrohr 27 und wird beim Verlassen desselben vor seinem Auftreffen auf das heiße ge­ schlossene Ende des Spaltreaktors 22 durch den schräg mit ihm zusammentreffenden Brennstoffstrahl aus der Düse 28 intensiv mit diesem durchmischt und verwirbelt. Der Brennstoff wird durch eine Brennstoffpumpe 29 zu­ dosiert und durch eine Leitung 30 herangeführt. Die vom Spaltreaktor 22 kommenden Spaltgase gelangen über eine Spaltgasleitung 31 zu einer im Ansaugluftstutzen eingebauten Mischvorrichtung 32, durch die sie inten­ siv in die Ansaugluft eingemischt werden.

Die betrachtete Anordnung ist für einen Einzylinder­ motor gezeigt; bei einem mehrzylindrigen Motor hat jeder Auspuffauslaß vorteilhaft separat einen Spalt­ reaktor und einen sich anschließenden Wärmetauscher, wobei jedem Zylinderstrang Brennstoff, Wasser und Luft im vorgegebenen Verhältnis zugeteilt werden.

Fig. 7 zeigt schließlich einen Vierzylindermotor 33 mit vier nur noch schematisch angedeuteten Spaltreak­ toren 34, die etwa von der in Fig. 6 gezeigten Bauart sind. Die Reaktionsteilnehmer Wasser und Luft werden von einer Wasserdosierpumpe 40 und einem Luftdosier­ verdichter 41 in einen Wasserverdampfer 35 gefördert. Anschließend erfolgt eine Überhitzung des aus 35 aus­ tretenden Wasserdampf-Luft-Gemisches in einem Über­ hitzer 36 gemeinsam im Gegenstrom zu den von den vier Spaltreaktoren 34 kommenden heißen Abgasen in der Ab­ gassammelleitung 44. Über die Leitung 37 wird das überhitzte Wasserdampf-Luftgemisch auf die vier Spalt­ reaktoren 34 aufgeteilt, die über die Brennstoffdo­ sierpumpe 38 mit je vier gleichen Brennstoffströmen 39 beschickt werden. Die Erzeugung des Spaltgases und die Zuführung desselben durch Spaltgasleitungen 42 zu den Luftansaugstutzen jedes Zylinders, die von einer gemeinsamen Verbrennungsluftleitung 43 aus­ gehen, geschehen in der beschriebenen Weise.

Die Dosierung der Reaktionsteilnehmer erfolgt dadurch verhältnisgleich, daß die Brennstoffdosierpumpe 38, die Wasserdosierpumpe 40 und der Luftdosierverdichter 41 auf einer gemeinsamen Welle sitzen, so daß die Ge­ samtmenge der Reaktionsteilnehmer durch Steuerung der Wellendrehzahl geregelt werden kann, das Verhältnis der Komponenten untereinander jedoch bei vorgewählten Werten gleichbleibt.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur thermischen Spaltungsaufbereitung flüssiger Brennstoffe für Brennkraft­ maschinen mit einem von den Reaktionsteilnehmern durchströmten Spaltreaktor, der im Auspuffstutzen der Brennkraft­ maschine angeordnet und bis nahe an die Auslaßventile herangebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltreaktor (4, 47, 21, 22, 34) ein etwa mittig im Auspuffstutzen (2) längsverlaufendes Blindrohr ist, dessen geschlossenes Ende zum Auslaßventil (3) weist, und
daß als Reaktionsteilnehmer Brennstoff, Wasser und Luft durch Zuleitungseinrichtungen (12, 45/46, 28/27) in der Nähe des Reaktorendes mit einer Geschwin­ digkeitskomponente zu diesem Ende hin in den Reaktor eintreten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungseinrichtung eine schräg zum Reaktorende hin gerichtete Mehrstoff­ düse (12) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungseinrichtung in Gestalt von wenigstens zwei im Reaktor längsver­ laufenden Rohren (45, 46) ausgeführt ist, durch deren eines (45) Brennstoff und durch deren anderes (46) Wasserdampf und Luft eingeleitet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zwei koaxial ineinanderliegende Zuführungsrohre (45, 46 in Fig. 4).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine schräg zum Reaktorende ge­ richtete Brennstoffdüse (28) und ein längsverlaufen­ des Zuleitungsrohr (27) für Luft und Wasserdampf der­ art, daß die Strahlen der austretenden Reaktionsteil­ nehmer sich kreuzen.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, gekennzeichnet durch die Einleitung von Nachverbren­ nungs-Sekundärluft in den Auspuffstutzen (18 in Fig. 5) stromaufwärts vom Reaktorende.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das im Reaktor (4) ent­ stehende Spaltgas über eine Drosselblende (14) in den Ansaugluftstrom eingemischt wird.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühlung der Spaltgase durch direkte Wassereinspritzung vor deren Einmischung in den Ansaugluftstrom.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem Spaltreaktor (22) vor­ geschalteten, im Gegenstrom durchströmten Wärmetau­ scher (26) zur Erhitzung der Reaktionsteilnehmer Was­ ser und Luft.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche für einen mehrzylindrigen Motor, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinder ein Spalt­ reaktor (4, 34) zugeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche, gekennzeichnet durch Dosiereinrichtungen für die Reaktionsteilnehmer zur Änderung von deren Verhältnis zueinander.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch je eine Dosierpumpe (29, 23, 24) für jeden der Reaktionsteilnehmer, wobei diese durch eine Verhältnisregelung miteinander verbunden sind.

13. Betriebsverfahren für eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur im geschlossenen Ende des Reaktors auf 400 bis 800°C eingestellt wird,
das Wasser flüssig oder dampfförmig in einem Verhält­ nis von 0,1 bis 0,4 kg/kg Brennstoff eingesetzt wird und
die Luft in einer Menge von weniger als dem 0,15fa­ chen der zur stöchiometrischen Verbrennung erforder­ lichen Luftmenge zugegeben wird.

14. Betriebsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenströmungsge­ schwindigkeit der Motorabgase im Ringkanal zwischen Spaltreaktor und Auspuffstutzen auf 30 bis 400 m/s eingestellt wird.

15. Betriebsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindig­ keit der Spaltgase im Spaltreaktor auf 50 bis 100 m/s eingestellt wird.