DE2551350C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinde­ rung der Verschmutzung der Atmosphäre durch Abgase von Verbrennungsvorgängen, insbesondere durch Auspuffgase von Verbrennungsmotoren, bei dem Wasserdampf dem Ver­ brennungsraum zugeführt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Es ist bekannt, daß die Abgase von Verbrennungsvorgän­ gen, insbesondere die Auspuffgase von Verbrennungsmoto­ ren, schädliche Stoffe, wie Stickstoffoxide, Kohlenmon­ oxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Ölgase sowie Schwefeldioxid enthalten.

Dieses Problem besitzt gegenwärtig sehr große Bedeutung und es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um schädliche Gase, die in Abgasen oder Rauchgasen vorhan­ den sind, welche durch die Werkschornsteine, Auspuff­ systeme von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen usw., ausgestoßen werden, in ihrer Menge zu verringern oder ganz auszuscheiden.

Ein Verfahren, bei dem einem Kohlenwasserstoff-Luftge­ misch vor der Verbrennung Wasser oder Wasserdampf zuge­ setzt wird, ist bekannt und beispielsweise in DE-OS 23 31 556, DE-PS 4 66 478 und FR-PS 12 71 173 beschrie­ ben. Diese bekannten Verfahren sind jedoch nicht ganz zufriedenstellend, da sie einerseits oft kompliziert, teuer und wenig zuverlässig sind und andererseits nicht in der Lage sind, die Stickstoffoxide, das Kohlen­ monoxid und die anderen schädlichen Stoffe, die in den Auspuffgasen enthalten sind, vollständig zu beseitigen.

Darüber hinaus sind diese bekannten Verfahren in den meisten Fällen dazu bestimmt, die schädlichen Gase zu beseitigen oder zu zersetzen und nicht dazu, deren Bildung zu verhindern. Schließlich sind diese bekannten Verfahren nur schwer auf die Reinigung von Abgasen oder Rauchgasen anwendbar, die durch Fabrikschornsteine in die Atmosphäre ausgestoßen werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren der eingangs und im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, mit dem in einfacher Weise eine vollständige Beseitigung der Schadstoffe aus den Abgasen von Verbrennungsvorgängen möglich ist, wobei das Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wenig kostenspielig und sehr zuverlässig sein sollen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9 beschrieben.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses erfindungsge­ mäßen Verfahrens ist in Patentanspruch 10 beschrieben. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 11 bis 16.

Es wurde festgestellt, daß bei Anwendung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens die in die Atmosphäre abgegebenen Abgase keine Stickstoffoxide und kein Kohlenmonoxid mehr enthalten, wenn der Wasserdampf, der beispielsweise in das Ansaugsammelrohr eines Verbrennungsmotors eingegeben werden kann, vor dem Eindringen in die Zylinder des Motors, wo die Verbrennung und damit die Bildung der Stickstoffoxide, des Kohlenmonoxids, der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Schwefeldioxids stattfinden, in der erfindungsgemäßen Weise über ein aus Cer bzw. Germanium aufgebautes oder ein Cer bzw. Germanium ent­ haltendes Element geleitet wird. Es wird dabei ange­ nommen, daß die Bildung der obenerwähnten Schadstoffe verhindert oder ihre Zersetzung bewirkt wird, durch Einwirkung von Wasserstoff, der durch Zersetzung des über das aus Cer oder Germanium bestehende bzw. Cer oder Germanium enthaltende Element geleiteten Wasserdampfes erzeugt wurde.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Verbrennung des Brennstoffgemi­ sches wirksamer ist, daß eine geringe, jedoch reelle Abnahme des Brennstoffverbrauches festgestellt werden kann, daß gleichzeitig die Bildung von Calamin vermieden wird, und daß die von dem Motor gelieferte Leistung leicht angehoben ist.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein mit einer Vorrichtung zur Verhinderung der Verschmutzung der Atmosphäre durch die Auspuffgase ausge­ rüstetes Ansaugsammelrohr eines Verbrennungs­ motors;

Fig. 2 ebenfalls in einer schematisierten Schnittdar­ stellung Einzelheiten der Einrichtungen zur Einführung des Wasserdampfes bei einer Vor­ richtung nach Fig. 1; die

Fig. 3, 4 und 5 graphische Darstellungen, welche den Einfluß des mit der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 ausge­ übten Verfahrens auf die Leistung eines Verbrennungsmo­ tors sowie auf seinen spezifischen Verbrauch und auf den Prozentsatz der in den Auspuffgasen enthaltenen Schad­ stoffe zeigen.

Im folgenden wird anhand von Fig. 1 die Anwendung des Verfahrens zur Verhinderung der Verschmutzung der At­ mosphäre durch Abgase von Verbrennungsvorgängen und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Zusammenhang mit dem Lufteinlaßsystem eines Verbren­ nungsmotors, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, beschrieben.

Dieses in Fig. 1 dargestellte Einlaß- oder Ansaugsystem enthält in an sich bekannter Weise eine Zuführungsleitung 1, deren Innenwand einen Venturibereich 2 aufweist und die den Eingang eines Ansaugsammelrohres 3 des Verbrennungsmo­ tors bildet. Der Eingang der Leitung 1 wird von einem Luftfilter 4 überdeckt und die Speiseluft für den Motor dringt folglich durch dieses Luftfilter in die Leitung 1 ein und strömt in der durch den Pfeil 5 angezeigten Richtung.

Ein Vergaser 6, der in herkömmlicher Weise mit flüssigem Brennstoff, wie Benzin, gespeist wird, ist in unmittel­ barer Nähe der Zuführungsleitung 1 angebracht und gibt in deren Venturibereich 2 flüssigen Brennstoff ein, der mit Hilfe einer nicht dargestellten Düse in feine Tropfen zer­ stäubt worden ist. Der Pfeil 7 deutet den Einlaß dieses zerstäubten Brennstoffes in den Venturibereich 2 der Zuführungs­ leitung 1 an.

Das Einlaßsystem enthält ferner eine Drosselklappe 8, die stromabwärts von dem Venturibereich 2 angeordnet ist und den Zustrom des Gemisches aus Speiseluft und zerstäubtem Brennstoff zu den Zylindern regelt.

Das Einlaßsystem enthält ferner Einrichtungen 9, die die Einführung von Wasserdampf in den Venturibereich 2, wie durch den Pfeil 10 angedeutet, oder stromaufwärts vor diesem Venturibereich 2, wie durch den Pfeil 22 angedeu­ tet, ermöglichen. Ein Gitter oder anderes Bauteil 11 aus Cer oder einer cerhaltigen Verbindung ist stromabwärts von dem Venturibereich 2, z. B. unmittelbar am Eingang des Ansaugsammelrohres 3, so angebracht, daß das Gemisch aus Speiseluft, zerstäubtem Brennstoff und Wasserdampf in das Ansaugsammelrohr 3 durch dieses Gitter 11 hin­ durch angesaugt wird.

Einrichtungen zur Einführung des Wasserdampfes in den Venturibereich 2, in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, z. B. in der gleichen Weise wie der Vergaser 6, ermögli­ chen die Regelung der Brennstoffzufuhr in den Venturibe­ reich 2.

In Fig. 2 ist ferner eine Ausführungsart der Einrichtun­ gen zur Eingabe von Wasserdampf in die Zuführungsleitung 1 darge­ stellt.

Diese Einrichtungen umfassen im wesentlichen einen Wasserbehälter 13, der hermetisch geschlossen ist und durch ein Tauchrohr 14, das einen Absperrhahn 15 auf­ weist, mit dem Inneren eines Wärmeaustauschers 16 ver­ bunden ist, der sich im Kontakt mit der Auspuffleitung oder den Auspuffleitungen 17 des Motors befindet. Der Wärmeaustauscher 16 ist mit einem Lufteinlaß 18 und einer Wasserdampfausgangsleitung 19 versehen, die in das Innere der Zuführungsleitung 1 durch eine Düse 21 einmündet, die in Längsrichtung in dieser Leitung und in der Strömungs­ richtung der Luft 5 angeordnet ist.

Diese Einrichtung arbeitet in folgender Weise:

Die Anordnung des geschlossenen Behälters 13 oberhalb des Wärmeaustauschers 16 gewährleistet einen im wesent­ lichen konstanten Wasserspiegel in diesem Wärmeaustau­ scher und den automatischen Ersatz der durch Wärmeaustausch mit den durch die Auspuffleitung 17 strömenden Auspuffgasen in Wasserdampf umgeformten Wassermenge. Die Anordnung der Düse 21 in Längsrichtung in der Zuführungsleitung 1 stellt sicher, daß der durch Saugwirkung durch den Luft­ strom in das Sammelrohr 3 eingegebene Wasserdampfstrom von dem in die Zylinder gelangenden Luftstrom abhängt, so daß man auf diese Weise eine automatische Steuerung und automatische Regelung der Wasserdampfmenge erhält, die bei den verschiedenen Motordrehzahlen diesem Sammel­ rohr zugeführt wird.

Die Wasserdampfmenge kann im Ursprung durch die geeigne­ te Wahl der Abmessungen der Leitung 19 und der Düse 21 oder mit Hilfe eines Ventils 20, das in der Leitung 19 vor dem Eintritt in das Luftansaugsammelrohr 1 bis 3 angeordnet ist, geregelt werden.

Die Speiseluft, der zerstäubte Brennstoff und der Wasserdampf, die in den Venturibereich 2 eingegeben worden sind, werden in das Ansaugsammelrohr 3 des Motors eingesaugt und gelangen durch das Gitter 11 aus Cer oder Germanium oder einer Verbindung oder Legierung, welche Cer oder Germanium enthält. Diese Mischung wird danach auf die verschiedenen Zylinder des Motors verteilt, um darin in herkömmlicher Weise verbrannt zu werden, wobei die erzeugten Auspuffgase in die Atmosphäre durch das Auspuffsystem des Verbrennungsmotors abgeblasen werden.

Es wird bemerkt, daß die Einrichtungen 9 zur Einführung von Wasserdampf in den Motor, anstatt über die Leitung 10 in den Venturibereich 2 einzumünden, auch direkt über eine Leitung 22, die in Fig. 1 mit gestrichelten Linien dargestellt ist, mit dem Luftfilter 4 verbunden sein können.

Weiterhin kann anstelle des Gitters 11 ein verdrillter Draht, der aus Cer besteht oder Cer enthält, verwendet werden, welcher entweder in der Leitung 10 oder in der Leitung 22 angeordnet sein kann, und der, wenn er ver­ braucht ist, leicht ausgewechselt werden kann. Man hat tatsächlich festgestellt, daß das verwendete Cer oder Germanium während des Betriebes des Motors mit der Zeit verschwindet.

Es ist weiterhin festgestellt worden, daß man die gleichen Resultate erhält, wenn anstelle von Cer Germa­ nium verwendet wird. In allen Fällen kann man entweder reines Cer oder reines Germanium oder eine Legierung oder Verbindung, welche 0,5 bis 100% Cer, vorzugsweise 36 bis 40% Cer oder ebenso eine Legierung oder Verbin­ dung, welche vorzugsweise 45 bis 80% Germanium enthält, verwenden. Die Restmenge bei den Legierungen oder Ver­ bindungen kann beispielsweise Eisen sein.

Die Ergebnisse, die mit dem beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung erhalten wurden, sind schematisch in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellt, im Vergleich mit Ergeb­ nissen, die bei bekannten Vorrichtungen erhalten wurden. In den drei Figuren sind die Kurven, die bei einem Motor, der mit einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art ausgerüstet war, erhalten wurden, mit ausgezogenen Linien dargestellt, während die Kurven, die bei einem Motor, der dem Stand der Technik entsprach und nicht mit einer derartigen Vorrichtung ausgerüstet war, mit ge­ strichelten Linien dargestellt sind.

Fig. 3 zeigt die Änderung der Leistung, die vom Motor geliefert wird, in Pferdestärken (CV) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors in Umdrehungen pro Minute (tr/mn).

Fig. 4 zeigt die Änderung des spezifischen Verbrauches in Gramm (g) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors in Umdrehungen pro Minute (tr/mn).

Fig. 5 schließlich zeigt den prozentualen Anteil von Kohlenmonoxid im Auspuffgas des Motors in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors in Umdrehungen pro Minute (tr/mn), wobei dieser prozentuale Anteil an Kohlenmon­ oxid durch Analyse des Auspuffgases durch Chromatografie in der Gasphase erhalten wurde. Man stellt fest, daß bei einem Verbrennungsmotor, der nicht einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art ausgerüstet war, der prozentuale Anteil an Kohlenmonoxid zwischen 4 und 5,5% variiert in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors, während dieser prozentuale Anteil vollständig Null ist bei einem Motor, der mit einer derartigen Vorrichtung ausgerüstet war. Ebenso stellt man fest, daß die prozentualen Anteile folgender Gase, die im allgemeinen mit einem Anteil zwischen 1 und 3% in den Auspuffgasen enthalten sind, nämlich unverbrannte Kohlenwasserstoffe, NO + NO _x , SO₂ im wesentlichen Null sind, wenn der Verbrennungsmotor mit einer solchen Vorrichtung ausgerüstet ist.

Das Cer oder das Germanium, über das der Wasserdampf hinweggeleitet wird, bewirkt die Zersetzung des Wasser­ dampfes und man erhält so Wasserstoff, wobei angenommen werden kann, daß dieser Wasserstoff naszierenden oder atomaren Wasserstoff enthält. Als Ergebnis stellt man fest, daß die Bildung von Schadstoffen, wie Stickstoff­ oxide, Kohlenmonoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Schwefeldioxid, die im allgemeinen in den in die Atmosphäre abgegebenen Gasen enthalten sind, verhindert oder die Zersetzung derartiger Verbindungen bewirkt wird.

Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung können bei Verbrennungsmotoren mit Vergaser oder mit direkter Einspritzung, bei Dieselmotoren, bei Turbinenmotoren, bei Turbo-Reaktoren, bei Haus-Heizungs­ anlagen und bei Fabrikschornsteinen verwendet werden.

Schließlich ist festgestellt worden, daß bei einem Verbrennungsmotor die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn die Drosselnadel des Vergasers so eingestellt wird, daß ein mageres Gemisch erzeugt wird, und daß die Ein­ stellung der Leistungsdüse normal bleibt. Es handelt sich jedoch nicht um eine Verarmung des Verbrennungsge­ misches, sondern um ein Anreichern desselben und um eine bessere Vergasung und Verbrennung nicht nur bei normalen Drehzahlen des Motors, sondern auch bei Verzögerung trotz der mageren Einstellung bei Verzögerung, ein Vorteil, der ohne die beschriebene Vorrichtung unmöglich erreicht werden kann.

Claims (16)

1. Verfahren zur Verhinderung der Verschmutzung der Atmosphäre durch Abgase von Verbrennungsvorgängen, insbesondere durch Auspuffgase von Verbrennungsmotoren, bei dem Wasserdampf dem Verbrennungsraum zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf, bevor er dem Verbrennungsraum zugeführt wird, über ein aus Cer oder Germanium bestehendes oder Cer oder Germanium enthaltendes Element geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei einem Verbrennungsmo­ tor, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf dem Luftansaugsammelstutzen des Motors zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wasserdampf aus Wasser von Umgebungs­ temperatur durch Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen des Motors erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des zuströmenden Wasser­ dampfes oder des zu verdampfenden Wassers durch Ansaugen mit Hilfe des in die Zylinder eingegebenen Luftstromes geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf über ein Element geleitet wird, das 0,5 bis 100% Cer enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf über ein Element geleitet wird, das 36 bis 40% Cer enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf über ein Element geleitet wird, das 45 bis 80% Germanium enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Cer bzw. Germanium enthaltende Element eine Cer- bzw. Germanium-Legierung ist oder eine solche Legierung enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Cer bzw. Germanium enthaltende Element eine Cer- bzw. Germanium-Verbindung ist oder eine solche Verbindung enthält.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer an einen Ver­ brennungsraum angeschlossenen Zuführungsleitung, in welcher ein gasförmiges Medium strömt, das die Bildung schädlicher Gase hervorrufen kann, dadurch gekennzeich­ net, daß sie Einrichtungen (9) zur Einführung von Wasserdampf in die Zuführungsleitung (1) und wenigstens ein aus Cer- oder Germanium bestehendes bzw. Cer oder Germanium enthaltendes Element (11) aufweist, das im Strömungsweg des Wasserdampfes angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Element ein Gitter (11) ist, das quer in der Leitung (1) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Element eine Auskleidung ist, welche die Innenwand der Leitung auf einem Teil ihrer Länge über­ deckt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das Element ein verdrillter Draht ist, der innerhalb der Vorrichtung zur Einführung von Wasserdampf angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, die ein Einlaßsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug bildet, der ein Luftfilter und ein zu den Zylindern des Motors führendes Ansaug­ sammelrohr aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (9) zur Einführung von Wasserdampf in das Sammelrohr (3) oder in das Luftfilter (4) einmünden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß sie einen Wärmeaustauscher (16) aufweist, der mit Wasser von Umgebungstemperatur gespeist wird und in Berührung mit einer Auspuffleitung (17) für heiße Gase steht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtungen (9) zur Einführung von Wasserdampf in das Ansaugsammelrohr (3) über eine Düse (21) einmünden, die in Richtung der Strömung der Luft, die den Zylindern zugeführt wird, ausgerichtet ist.