DE2410644A1 - Anordnungen an brennkraftmaschinen und/oder feuerungsanlagen bei methanol-betrieb - Google Patents

Anordnungen an brennkraftmaschinen und/oder feuerungsanlagen bei methanol-betrieb

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Description

Anordnungen an Brennkraftmaschinen und/oder Feuerungsanlagen bei Methanol-Betrieb.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung an Brennkraftmaschinen und/oder Feuerungsanlagen zur Steigerung des Wirkungsgrades und Erzielung schadstoffreier Abgase durch Verwendung von Methanol als Kraftstoff.
Die grundsätzliche Verwendbarkeit von Methanol als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren ist aus der technischen Literatur schon lange bekannt. Als Nachteil fällt jedoch der niedrige Heizwert und die beobachtete Stickoxid- bzw. Kohlenmonoxidbildung ins Gewicht. Sowohl die nachteiligen Folgen der Abgase von den heutigen Brennkraftmaschinen und Feuerungsanlagen, die fossile Brennstoffe, d.h. überwiegend Kohlen-Wasserstoffe verwenden, drängen zu einer Lösung als auch zusätzlich der Tatbestand, daß insbesondere die Erdölvorräte nur begrenzt zur Verfügung stehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Verwendung von Methanol,anstelle der bisher für Brennkraftmaschinen und Feuerungsanlagen verwendeten Kohlenwasserstoffe auf Erdölbasis, schadstoffreie Abgase sowie eine Heizwerterhöhung und auch eine Verbesserung des Wirkungsgrades zu erzielen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß Methanol über ein erstes Ventil und einen Abgaswärmeaustauscher, der zur Heizwerterhöhung durch Methanol-Spaltung und zur Wirkungsgraderhöhung am kalten Ende eines thermischen Prozesses angeordnet ist, zuerst einem Katalysator zur katalytischen Spaltung, danach der Brennkraftmaschine oder Feuerungsanlage zur Verbrennung und weiterhin einem
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Abgaskatalysator zur Stickoxidreduktion und/oder Kohlenmonoxidoxydation zugeleitet wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß mittels eines in Einstellabhängigkeit vom ersten Ventil stehenden weiteren Ventils entweder Methanol-Spaltgas und/oder mittels einer wasserstoffdurchlässigen Membrane ausschließlich ¥asserstoff zur Stickoxidreduktion und/oder Kohlenmonoxidoxydatxon in die Leitung zu dem Abgaskatalysator zugemessen wird.
In vorteilhafterweise kann die Erfindung dadurch erweitert werden, daß eine Methanolspaltgas- oder Wasserstoffzugabe zu den Abgasen über einen Istwertfühler für Kohlenmonoxid und einen weiteren Istwertfühler für Stickoxid durch ein Steuer- oder Regelgerät, das ein zusätzliches Ventil unabhängig von dem ersten Ventil einstellt, auf ein Schadstoff-Minimum gesteuert oder geregelt wird.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine Brennkraftmaschine mit Schraubendrehkolben nach DP 1 751 091 mit möglichst isothermerKompression durch Methanoleinspritzung während der Verdichtung und/oder mit verminderter Kohlenmonoxid- und Stickoxidbildung durch Methanolspaltung und vorzugsweise isothermer Expansion unterhalb 15OO 0C verwendet wird.
Der Erfindungsgegenstand wird anhand einer Figur erläutert.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Abgase am Auslaß 1 einer beliebigen Brennkraftmaschine oder Feuerungsanlage mittels einem Abgaswärmeaustauscher am "kalten Ende'1 des jeweiligen thermischen Prozesses dazu benutzt, um Methanol auf die erforderliche Spalttemperatur zu bringen und weiterhin die erforderliche Spaltenergie zu übertragen. Dieser Abgaswärmeaustauscher ist mit einem Katalysator kombiniert, wie er beispielsweise als Kupfer- und Nickeloxidkatalysator aus der
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Amerikanischen Patentschrift 2 010 427 bekannt ist. Auf diese Weise kann Methanol aus dem Behälter 3 mittels Pumpe h durch das Stell- oder Regelventil 5 der beliebigen Brennkraftmaschine oder Feuerungsanlage 6 mit der Kraftstoffzuführleitung 7 in» gespaltenen gasförmigen Zustand zugeführt werden.
Mit dem Ventil 8 wird wahlweise in abhängiger, dargestellt durch Wirkungslinie 23» oder unabhängiger Arbeitsweise mit Ventil 5 den Abgasen eine im Verhältnis dazu kleine Menge Methanolspaltgas zugeführt. Mittels der wasserstoffdurchlässigen Membrane 2k wird ermöglicht, daß nur reiner Wasserstoff als Reduktionsmittel zugeleitet wird. Jm Abgaskatalysator 9 erfolgen die Kohlenmonoxxdoxydatxonen und Stickoxidreduktionen und im Wärmeaustauscher 10 wird die Abgaswärme zur Aufheizung der Verbrennungsluft beispielsweise eines Stirlingmotors, einer Gasturbine oder einer Feuerungsanlage benutzt.
Durch den Istwertfühler 11 für Kohlenmonoxid und durch Istwertfühler 12 für Stickoxid werden einem Steuer- bzw. Regelgerät 13 die Istwertsignale geliefert, die das Ventil 8 so beeinflußen, daß die im Abgas verbleibenden Kohlenmonoxid- und Stickoxidkonzentrationen auf ein Minimum gehalten werden.
Im Anwendungsfall auf ein beispielsweise einwelliges Verbrennungskraftmaschinenaggregat mit einer Verbrennungskraftmaschine 6, Zündeinrichtung Ik, Kühlmittelzufuhr 15, Verbindungswellen 16, Verdichter 17, Generator 18, Verbrennungsluftzufuhr 19 wird mit dem Ventil 20 dem Verdichter 17 bereits Methanol auch teilweise schon während der Kompression durch die Leitung 21 zugeführt.
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Die Wirkungsweise ist folgende:
Die Abgaswärme am Auslaß 1 einer beliebigen Brennkraftmaschine oder Feuerungsanlage liefert im Abgaswärmeaustauscher 2 die notwendige Spalttemperatur und Spaltenergie für Methanol, das aus dem Behälter 3» mittels der Pumpe k dem Ventil 5 zur Verbrennung beispielsweise in einer Dampfkesselanlage oder in einer Wärmekraftmaschine 6 über die Zuleitung 7 zugeführt wird. Bei Feuerungsanlagen, Gasturbinen, Stirlingmotoren, Verbrennungsmotoren allgemein und insbesondere SchraubendrehkoIben-Brennkraftmaschinen nach DP 1 751 091 kann dabei die vollständige katalytische Spaltung bei relativ niedriger Temperatur carchgeführt werden. Das gespaltene Methanol wird den vorgenannten Maschinen direkt zugeführt. Mit Katalysatoren beispielsweise nach der Amerikanischen Patentschrift 2 010 427 wird dabei Methanol bis zu Prozentsätzen von mehr als 97 °h bei 260 - 3^5 0C in Kohlenmonoxid und Wasserstoff endotherm gespalten entsprechend der Reaktionsgleichung
CH3OH -*· CO + 2 H2 - 30,6 kcal/, Mol .
Katalysatoren nach der vorgenannten Patentschrift haben Standzeiten von etwa 200 Betriebsstunden aufgrund nur sehr geringer Rußbildung und können leicht regeneriert werden. Dadurch erfüllen sie auch die heute gestellten Forderungen für Fahrzeugantriebe.
Methanol, das heute im Herstellungspreis mit Benzin vergleichbar ist und unabhängig von Erdöl hergestellt werden kann, ist deshalb als Kraftstoff für Fahrzeuge interessant. Durch die chemische Herstellung ist der Reinheitsgrad hoch und aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung mit katalytischer Spaltung entstehen neben Kohlanmonoxiden und Stickoxiden keine nennenswerte schadhaften Abgase während der Verbrennung.
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Durch den Abgaskatalysator 9 kann in Verbindung mit der zugemessenen Menge von Methanol-Spaltgas bzw. von reinem Wasserstoff mittels der wasserstoffdurchlässigen Membrane Zh sowie mittels des Ventils 8 sogar noch das bei der Verbrennung entstandene Kohlenmonoxid oxydiert und insbesondere Stickoxid so reduziert werden, daß die Abgase vollkommen schadstoffrei sind«
Die Zufuhr des Reduktionsmittels über Ventil 8 ist nicht an die gezeichnete Darstellung gebunden. Auch der Abgaskatalysator 9 kann an beliebiger Stelle im Zuge der Abgasleitungen im Hinblick auf die günstigste Reaktionstemperatur je nach Art des verwendeten Abgaskatalysators angeordnet werden. Bei Brennkraftmaschinen oder Feuerungsanlagen, welche kaum noch freien Sauerstoff in den Abgasen enthalten, reicht allein die Verwendung des Abgaskatalysators 9 aus, wenn sonst in den Kohlenmonoxiden gegenüber den Stickoxiden in etwa gleich große Sauerstoffanteile enthalten sind. Bei Brennkraftmaschinen oder Feuerungsanlagen, welche jedoch viel Sauerstoff und/oder überwiegend Stickoxide in den Abgasen enthalten, ist eine Zufuhr von Reduktionsmitteln in Form von Methanol-Spaltgas oder Wasserstoff durch Ventil 8 notwendig.
Die Zuordnung der Reduktionsmittel, die durch Ventil 8 den Abgasen zugeführt werden, ist durch Meßreihen an der jeweiligen Brennkraftmaschine oder Feuerungsanlage zu ermitteln und bei Anlagen die nur einen geringen Aufwand zulassen durch eine abhängige Arbeitsweise der Ventile 5 und 8 festgelegt. Damit ist gemeint, daß durch Versuchsreihen festgestellt wird, welcher über Ventil 5 der Verbrennung zugeführten Methanolmenge eine über Ventil zugeführte Reduktionsmittelmenge entsprechen muß, damit ein Minimum von AbgasSchadstoffen entsteht.
Bei größeren und aufwendigeren Anlagen mit hohen Forderungen an die Schadstoffreiheit der Abgase wird mittels der Steueroder Regeleinrichtung 13 mit Hilfe der Istwertfühler
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für die Kohlenmonoxidkonzentration bzw. Istwertfühler 12 für Stickoxidkonzentration eine selbsttätige und unabhängige Arbeitsweise des Ventils 8 eichergestellt. Auf diese Weise erfolgt die Einstellung eines Schadetoff-Minimums ohne eine Koppelung an den Betriebszustand einer davor angeordneten Brennkraftmaschine oder Feuerungsanlage.
Bei Anwendung der Anordnungen entsprechend der Erfindung auf die üblichen Hubkolben- oder Drehkolbenmaschinen nach dem Ottoverfahren ergibt sich das Problem einer Vorzündung oder Frühzündung, falls das Methanol-Spaltgas direkt bei 260 - 3^5 0C zugeführt wird. In diesem Fall wird eine Zwischenkühlung des gasförmigen Kraftstoffes erforderlich.
Besonders vorteilhaft läßt sich Methanol als Kraftstoff für Schraubendrehkolben-Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung anwenden. In diesem Falle kann entsprechend Deutscher Patentschrift 1 751 091 über Ventil 20 je nach Leistungsbedarf des Aggregates bereits eine gewisse Menge Methanol im flüssigen Zustand über die Zuleitung 21 in einen Verdichter 17 zum Zwecke einer möglichst isothermen arbeitssparenden Kompression eingespritzt werden. Zur Sicherstellung einer schnellen Zündung und Verbrennung wi.rd über Ventil 5 eine bestimmte Mindestmenge Methanol-Spaltgas der Schraubendrehkolben-Brennkraftmaschine z.B. als-Schichtladung so zugeführt, daß sich möglichst immer eine isotherme Expansion ergibt. Als weitere Bedingung kommt hinzu, daß die Verbrennungstemperaturen ca. 15OO C im Hinblick auf eine geringe Stickoxidbildung von sich aus möglichst nicht überschreiten. Auf diese ¥eise können Gasarbeitsaggregate nach dem vorteilhaften Ericsson-Prozeß sowohl entsprechend dem Erfindungsgegenstand mit schadstoffreien Abgasen als auch mit Wirkungsgraden betrieben werden, die weit höher als 40 $ liegen.
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Mit dem vorgeschlagenen Kraftstoff und der vorgeschlagenen Arbeitsweise wird nicht nur ein Umweltproblem, sondern auch noch ein Energieproblem gelöst, da Methanol mit Hilfe jeder beliebigen Primärenergie und den vorhandenen Kohlevorräten heute preiswert hergestellt werden kann. Der Heizwert von flüssigem Methanol wird dabei mit der vorgeschlagenen Anordnung um ca. 1250 kcal/kg erhöht*
Die Wirkungsgradsteigerungen ergeben sich durch Abwärmeverwertung am bisher ungenutzten kalten Ende der thermischen Prozesse.
4 Patentansprüche
1 Figur
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Claims (4)

  1. Patentansprüche
    .J Anordnung an Brennkraftmaschinen und/oder Feuerungsanlagen zur Erzielung schadstoffreier Abgase durch Verwendung von Methanol als Kraftstoff, dadurch gekenn zeichnet, daß Methanol über ein erstes Ventil und einen Abgaswärmeaustauscher, der zur Heizwerterhöhung durch Methanolspaltung und zur Wirkungsgraderhöhung am kalten Ende eines thermischen Prozesses angeordnet ist, zuerst einem Katalysator zur katalytischen Spaltung, danach der Brennkraftmaschine oder Feuerungsanlage zur Verbrennung und weiterhin einem Abgaskatalysator «zur Stickoxidreduktion und/oder Kohlenmonoxidoxydation zugeleitet wird.
  2. 2. Anordnungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines in Einstellabhängigkeit vom ersten Ventil stehenden weiteren Ventils entweder Methanol-Spaltgas und/oder mittels einer wasserstoffdurchlässigen Membrane ausschließlich Wasserstoff zur Stickoxidreduktion und/oder Kohlenmonoxidoxydation in die Leitung zu dem Abgaskatalysator zugemessen wird.
  3. 3. Anordnungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Methanolspaltgas- oder Wasserstoffzugabe zu den Abgasen über einen Istwertfühler für Kohlenmonoxid und einen weiteren Istwertfühler für Stickoxid durch ein Steuer- oder Regelgerät, das ein zusätzliches Ventil unabhängig von dem ersten Ventil einstellt, auf ein Schadstoff-Minimum gesteuert oder geregelt wird.
  4. 4. Anordnungen nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkraftmaschine mit Schraubendrehkolben nach DP 1 751 091 mit möglichst isothermer Kompression durch Methanoleinspritzung während der Verdichtung und/oder mit verminderter Kohlenmonoxid- und Stickoxidbildung durch Methanolspaltung und vorzugsweise isothermer Expansion unterhalb 1500 °C verwendet wird.
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