DE10135643A1 - Vorrichtung zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff - Google Patents

Vorrichtung zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff, wobei aus einem flüssigen Rohkraftstoff mit Hilfe eines Reaktors ein wasserstoffreiches Gas erzeugt und der Brennkraftmaschine zugeführt wird. In der Abgasleitung der Brennkraftmaschine ist ein Abgaskatalysator angeordnet, welcher zumindest zeitweise über eine Bypassleitung ebenfalls mit wasserstoffreichem Gas versorgt wird. Außerdem steht die Abgasleitung zur Wärmeenergierückgewinnung mit dem Reaktor in thermischem Kontakt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Bei Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen ist heutzutage die Verbrauchsoptimierung und die Reduzierung des Kohlendioxidaustosses das vordringliches Ziel. Gleichzeitig sollen die Schadstoffe, insbesondere die Stickoxide, im Abgas reduziert werden.
  • Ein möglicher Ansatz zur Erreichen dieser Ziele sind Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb. Hierzu ist aber neben der Brennstoffzelle selbst und der zugehörigen Peripherie auch ein Elektrotraktionssystem notwendig.
  • Außerdem sind seit langem Kraftfahrzeuge mit Spaltvergaser bekannt, bei denen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine mit Hilfe einer Vorrichtung zur partiellen Oxidation umgewandelt werden. Dabei treten jedoch hohe Temperaturen im Bereich über 800°C auf. Dies führt zum einen zur Rußbildung. Zum anderen tritt durch die Exothermie dieser Reaktion ein Verlust von Energie bei der chemischen Umwandlung auf.
  • Zur Reduzierung insbesondere der Stickoxide im Abgas sind schließlich sogenannte Denox-Katalysatoren bekannt, bei denen die Stickoxide mit Hilfe von reduzierenden Medien an einem geeigneten Katalysator zu Stickstoff umgewandelt werden. Hierzu ist es bekannt, Wasserstoff und Kohlenmonoxid im Fahrzeug aus Kohlenwasserstoffen oder auch aus Harnstoff zu gewinnen. Beim Einsatz von Harnstoff muss allerdings ein separater Tank für den Harnstoff vorgesehen werden.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff zu schaffen, mit der der Verbrauch der Brennkraftmaschine und gleichzeitig der Ausstoß an Kohlendioxid verringert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Durch den Einsatz von endothermen Reaktionen zur Kraftstoffgas-Herstellung erhöht sich der Heizwert der Edukte um den Beitrag der aus dem Abgas zurückgewonnenen Wärmeenergie. Für das Gesamtsystem ergibt sich demnach ein höherer Gesamtwirkungsgrad. Damit verbunden ist eine entsprechende Reduzierung der Kohlenmonoxidemissionen.
  • Das bei der endothermen Dampfreformierung erzeugte Kraftstoffgas ist außerdem hervorragend geeignet zur Verwendung als Reduktionsmittel in einem Denox-Katalysator. Daher können die Verbrennungstemperaturen und damit der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine angehoben werden. Der erhöhte Stickoxidausstoß, bei Verwendung von Methanol aufgrund des sehr reinen Kraftstoffes im wesentlichen thermische Stickoxide, kann dann wieder durch einen Denox-Katalysator in Verbindung mit dem erzeugten Kraftstoffgas als Reduktionsmittel reduziert werden.
  • Neben konventionellen Kraftstoffen, wie Benzin und Diesel, sind hier vor allem alternative Kraftstoffe, wie Methanol, Dimethylether oder Ethanol, vorteilhaft. Vor allem Methanol, aber auch Dimethylether, lassen sich bei niedriger Temperatur zu Kraftstoffgas umwandeln. Das Kraftstoffgas setzt sich hierbei vornehmlich aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und gegebenenfalls nicht umgewandelten Kraftstoff zusammen. Durch die niedere Temperatur ist die Materialauswahl für die Komponenten, sowie die Rückgewinnung der Wärmeenergie aus dem Abgas, deutlich begünstigt. Bei Methanol ist beispielsweise eine Energierückgewinnung von ungefähr 20% allein aus dem Abgas möglich. Bei Kohlenwasserstoffen müssen ähnliche Energiemengen bei deutlich höheren Temperaturen übertragen werden, so daß unter Umständen der Energieinhalt und das Temperaturniveau nur für eine Teilumsetzung des Kraftstoffes ausreicht.
  • Vor allem bei Methanol, aber auch bei Dimethylether entsteht bei der Umwandlung kein oder nur wenig Ruß. Auch die Verbrennung von Gemischen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid und gegebenenfalls nicht umgewandelter Kraftstoffbestandteile in der Brennkraftmaschine sind bezüglich der Schadstoffbildung, einschließlich der Rußbildung, eher unkritisch. Es handelt sich hierbei um einen Gasmotor mit bekannten Vorteilen bei der Vermischung und Verbrennung. Außerdem sind vor allem Methanol und Dimethylether bereits bei der Herstellung sehr reine Stoffe, so daß die Verbrennung und die Abgasreinigung nicht mit weiteren unerwünschten Stoffen, beispielsweise Schwefel, belastet wird.
  • Die genannten Kraftstoffe sind alle aus Erdgas oder regenerativ aus Biomasse erzeugbar. Dies ermöglicht langfristig eine weitere Verbesserung der globalen Kohlendioxidbilanz. Insbesondere bei Alkoholkraftstoffen und bei Dimethylether entsteht allein durch den geringeren Kohlenstoffgehalt pro umgesetzter Energie weniger Kohlendioxid.
  • Die korrosiven Eigenschaften der vorgeschlagenen Kraftstoffe in der Brennkraftmaschine werden eliminiert, da die Umwandlung in Wasserstoff und Kohlenmonoxid unter gänzlich anderen Bedingungen erfolgt, als bei einer Verbrennung in einer Brennkraftmaschine. Der entstandene Wasserstoff und das Kohlenmonoxid sind demgegenüber nicht korrosiv.
  • Eventuelle Nachteile des Wasserstofferzeugers während des Kaltstarts oder bei Lastwechseln sind durch ergänzende direkte Verbrennung der Rohkraftstoffe in der Brennkraftmaschine zu umgehen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • Die Zeichnung zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff.
  • In einem Tank 1 wird ein vorzugsweise flüssiger Rohkraftstoff im Fahrzeug mitgeführt und mit Hilfe einer Eduktzuführleitung 2 einem Wasserstofferzeuger 3 zugeführt. In der Eduktzuführleitung 2 ist eine Pumpe 4 vorgesehen, mit der der Rohkraftstoff gefördert und gegebenenfalls auch dosiert wird. Im Wasserstofferzeuger 3 wird aus dem Rohkraftstoff mit Hilfe einer endothermen Reaktion ein wasserstoffreiches Kraftstoffgas erzeugt und einer Brennkraftmaschine 5 über eine Kraftstoffgas-Zuführleitung 6 zugeführt. Zur Einstellung der benötigten Menge an Kraftstoffgas ist in der Kraftstoffgas-Zuführleitung eine erste Ventileinrichtung 11 vorgesehen. Über eine Ansaugleitung 7 wird der Brennkraftmaschine 5 außerdem die für die Verbrennung benötigte Luft zugeführt. Nach der Verbrennung wird das Abgas über eine Abgasleitung 8 abgeführt. In dieser Abgasleitung 8 ist eine Abgasreinigungseinrichtung 9, vorzugsweise ein sogenannter Denox-Katalysator, angeordnet. In einem solchen Denox- Katalysator 9 werden die im Abgas enthaltenden Stickoxide mittels der im Abgas vorhandenen reduzierenden Bestandteile zu Stickstoff reduziert.
  • Zur Bereitstellung beziehungsweise zur Erhöhung der reduzierenden Bestandteile im Abgas ist weiterhin zwischen der Kraftstoffgas-Zuführleitung 6 und der Abgasleitung 8 eine Kraftstoffgas-Bypassleitung 10 vorgesehen. Diese mündet vorzugsweise stromauf der Abgasreinigungseinrichtung 9 in die Abgasleitung 8, so daß sich das wasserstoffreiche Kraftstoffgas stromauf der Abgasreinigungseinrichtung 9 mit dem Abgas mischen kann. Gegebenenfalls kann sie jedoch auch direkt in die Abgasreinigungseinrichtung 9 münden. In der Kraftstoffgas-Bypassleitung 10 ist außerdem eine zweite Ventileinrichtung 11 zur Einstellung der der Abgasreinigungseinrichtung zugeführten Menge an Kraftstoffgas vorgesehen.
  • Da im Wasserstofferzeuger eine endotherme Reaktion abläuft muß dieser beheizt werden. Hierzu ist der Wasserstofferzeuger 3 im Ausführungsbeispiel in einen Wärmetauscher 12 integriert. Auf der Gegenseite des Wärmetauschers 12 ist eine Heizkammer 13 vorgesehen, die über eine Trennwand 14 mit dem Wasserstofferzeuger 3 in wärmeleitendender Verbindung steht. Die Heizkammer 13 ist dabei in die Abgasleitung 8 stromab der Abgasreinigungseinrichtung 9 integriert, so daß die Heizkammer 13 vom Abgas durchströmt und dabei Wärmeenergie vom Abgas auf die Reaktionszone des Wasserstofferzeugers 3 übertragen wird. Neben der gezeigten Anordnung sind jedoch auch andere Anordnungen möglich, mit deren Hilfe Wärmeenergie aus dem Abgas auf den Wasserstofferzeuger 3 übertragen wird. Beispielsweise kann auch ein Wärmetauscher stromauf des eigentlichen Wasserstofferzeugers 3 in der Eduktzuführleitung 2 angeordnet werden, so daß die übertragene Wärmeenergie über das Edukt in den Wasserstofferzeuger 3 eingebracht wird. Weiterhin ist die Zwischenschaltung eines Wärmeträgermediums denkbar.
  • Nach dem Durchströmen der Heizkammer 13 kann dann das Abgas an die Umgebung abgegeben werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird der flüssige Rohkraftstoff vor dem Eintritt in den Wasserstofferzeuger 3 in einem Verdampfer 15 verdampft und gegebenenfalls überhitzt. Hierzu kann der Verdampfer 15 analog dem Wärmetauscher 12 ausgebildet sein, wobei die eigentliche Verdampferkammer 17 über eine Trennwand 18 in wärmeleitendem Kontakt mit einer Heizkammer 19 steht. Diese Heizkammer 19 ist wiederum in der Abgasleitung 8 angeordnet und wird vom Abgas durchströmt. Dabei können die Heizkammern 13, 19 der beiden Wärmetauscher 12, 15 seriell vom Abgas durchströmt werden. Alternativ kann jedoch stromauf des Wärmetauschers 12 von der Abgasleitung 8 eine Bypassleitung 20 abzweigen, welche zwischen den beiden Wärmetauschern 12, 15 wieder in die Abgasleitung 8 einmündet. In diesem Fall werden die beiden Wärmetauscher 12, 15 zumindest zum Teil parallel durchströmt. Es ist jedoch auch möglich, daß die beiden Wärmetauscher 12, 15 vollständig parallel durchströmt werden. In diesem Fall ist die dem Wasserstofferzeuger 3 zugeordnete Heizkammer 13 in der Abgasleitung 8 angeordnet, während die der Verdampferkammer 17 zugeordnete Heizkammer 19 in der Bypassleitung 20 angeordnet ist und wobei die Bypassleitung 20 erst stromab des Verdampfers 15 in die Abgasleitung 8 einmündet.
  • Alternativ kann auch ein Teil der benötigten Wärmeenergie für die Verdampfung des Rohkraftstoffes und/oder des Wassers aus dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine entnommen werden.
  • In Abhängigkeit von den gewünschten Temperaturniveaus kann die Abgasreinigungseinrichtung 9 auch entgegen der im Ausführungsbeispiel gezeigten Anordnung stromab des Wärmetauschers 12 und/oder des Wärmetauschers 15 in der Abgasleitung 8 angeordnet sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Anordnung kann in der Abgasleitung 8 zusätzlich ein Schalldämpfer 21 vorgesehen werden. Weiterhin kann in der Kraftstoffgas-Zuführleitung 6 ein weiterer Wärmetauscher 22 angeordnet werden, welcher zur Kühlung des aus dem Wasserstofferzeuger 3 austretenden Kraftstoffgases mit einem Kühlmedium beaufschlagt wird. Schließlich kann ein Speicherbehälter 23 für das Kraftstoffgas vorgesehen sein, welcher mit der Kraftstoffgas- Zuführleitung 6 in Strömungsverbindung steht. Vorzugsweise steht dieser Speicherbehälter 23 stromab des Wärmetauschers 22 mit der Kraftstoffgas-Zuführleitung 6 in Strömungsverbindung, so daß nur gekühltes Kraftstoffgas in den Speicherbehälter 23 gelangt. Dadurch kann die Speicherkapazität des Speicherbehälters 23 erhöht werden.
  • Der Prozeßdruck in der Kraftoffgas-Zuführleitung 6 ist üblicherweise nur geringfügig gegenüber Umgebungsdruck erhöht. Um die Dynamik zu verbessern oder auch um die Dosierung zu vereinfachen kann der Druck aber auch zur Pufferung von Kraftstoffgas leicht überhöht sein, vorzugsweise mit 1 bis 10 bar Überdruck.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann die Brennkraftmaschine 5 zusätzlich über eine weitere Eduktzuführleitung 2a zur direkten Versorgung mit flüssigem Rohkraftstoff mit dem Tank 1 verbunden sein. In diesem Fall kann bei schnellen Lastanforderungen und/oder während eines Kaltstarts auch teilweise oder ausschließlich flüssiger Rohkraftstoff direkt in die Brennkraftmaschine 5 dosiert werden. Zu diesem Zweck ist wiederum eine dritte Ventileinrichtung 24 in der weiteren Eduktzuführleitung 2a angeordnet.
  • Als Kraftstoffe können Alkohole oder andere katalytisch beziehungsweise thermisch spaltbare Kraftstoffe, wie Methanol, Dimethylether, Ethanol, Benzin oder Diesel, eingesetzt werden.
  • Im Wasserstofferzeuger 3 kommen abhängig vom verwendeten Kraftstoff verschiedene Stoffumwandlungsprozesse in Frage. Bei der Verwendung von Methanol sind dies
    die Pyrolyse

    CH3OH => CO + 2 H2

    und die Dampfreformierung

    CH3OH + H2O => CO2 + 3 H2.
  • Beide Reaktionen erfolgen vorzugsweise an konventionellen Kupferkatalysatoren bei Temperaturen über 200°C und einer Wärmezufuhr von ungefähr 4000 kJ/kg. Bei der Dampfreformierung ist vorteilhaft, daß die Rußbildung unterdrückt wird. Gleichzeitig entsteht als Brenngas hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid, dagegen wenig giftiges Kohlenmonoxid. Weiterhin kann im Verdampfer 15 das Methanol zusammen mit dem Wasser verdampft werden, wodurch eine Verkokung auch im Verdampfer 15 unterdrückt wird. Nachteilig bei der Wasserdampfreformierung ist der höhere Energiebedarf bei der Verdampfung, da eine größere und auch teurere Vorrichtung benötigt wird. Weiterhin wird ein größer Tank benötigt, falls das Wasser im Tank mitgeführt wird. Alternativ kann das Wasser auch aus dem Abgas zurückgewonnen werden. Diese Technologie ist jedoch technisch aufwendig und somit teuer.
  • Bei Mischformen von Pyrolyse und Wasserdampfreformierung läßt sich der Gesamtprozess hinsichtlich Tankgröße, Energiebedarf für Verdampfung und endotherme Stoffumwandlung, Größe der benötigten Vorrichtungen, benötigter Energieinhalt und Temperatur des Abgases optimieren.
  • Beim Einsatz von Ethanol, was einen höheren Brennwert als Methanol aufweist, kommen ebenfalls
    die Pyrolyse

    C2H5OH => CO + 3 H2 + C

    und die Dampfreformierung

    C2H5OH + H2O => 2 CO + 4 H2

    in Frage. In beiden Fällen erfolgt die Reaktion bei Temperaturen über 500°C. Wieder weist hier die Dampfreformierung den Vorteil der geringeren Rußbildungsgefahr auf. Auch im Verdampfer kann die Verkokung durch die gemeinsame Verdampfung von Ethanol und Wasser reduziert werden. Durch weitere Wasserzugabe kann die Rußbildung weiter unterdrückt werden und gleichzeitig durch eine Shiftreaktion ein Teil des Kohlenmonoxids zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt werden. Die Nachteile der Dampfreformierung sind für Ethanol und Methanol entsprechen, wie oben dargestellt.
  • Beim Einsatz von Dimethylether, sogenanntes DME, ist zu beachten, daß dieser Stoff unter Umgebungsbedingungen gasförmig ist. Allerdings wird DME bereits bei geringen Drücken flüssig. Daher wird DME bevorzugt als Flüssiggas in einem Drucktank bei relativ niederen Drücken mitgeführt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Versorgung einer Brennkraftmaschine (5) mit Kraftstoff, mit einem Tank (1) zur Speicherung eines Rohkraftstoffes, mit einem Wasserstofferzeuger (3) zur endothermen Umwandlung des Rohkraftstoffes in ein wasserstoffreiches Kraftstoffgas, mit einer in einer Eduktzuführleitung (2) angeordneten Vorrichtung (4) zur Dosierung von Rohkraftstoff aus dem Tank (1) in den Wasserstofferzeuger (3), mit einer Kraftstoffgas-Zuführleitung (6) zwischen Wasserstofferzeuger (3) und Brennkraftmaschine (5), mit einer in einer Abgasleitung (8) vorgesehenen Abgasreinigungseinrichtung (9), mit einer Kraftstoffgas-Bypassleitung (10), die die Kraftstoffgas-Zuführleitung (6) mit der Abgasleitung (8) verbindet und in der eine Ventileinrichtung (16) zum zumindest zeitweisen Zufuhr von Kraftstoffgas zur Abgasreinigungseinrichtung (9) angeordnet ist, und wobei der Wasserstofferzeuger (3) in wärmeübertragenden Kontakt zur Abgasleitung (8) steht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Dosiereinheit (4) und dem Wasserstofferzeuger (3) ein Verdampfer (15) in der Eduktzuführleitung (2) angeordnet ist, der in wärmeübertragendem Kontakt zur Abgasleitung (8) steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (15) in bezug auf die Abgasströmung stromab des Wasserstofferzeugers (3) in der Abgasleitung (8) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Abgasleitung (8) eine Bypassleitung (20) abzweigt und daß der Wasserstofferzeuger (3) mit der Abgasleitung (8) stromab der Abzweigung der Bypassleitung (20) und der Verdampfer (15) mit der Bypassleitung (20) in wärmeübertragendem Kontakt steht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Dosiereinheit (4) und dem Wasserstofferzeuger (3) ein Verdampfer (15) in der Eduktzuführleitung (2) angeordnet ist, der in wärmeübertragendem Kontakt mit einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine (5) steht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kraftstoffgas-Zuführleitung (6) ein Kühler (22) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherbehälter (23) für das Kraftstoffgas vorgesehen ist, welches mit der Kraftstoffgas-Zuführleitung (6) in Strömungsverbindung steht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (5) zusätzlich über eine Eduktzuführleitung (2a) zur direkten Versorgung mit flüssigem Rohkraftstoff mit dem Tank (1) verbunden ist.
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