DE4328276A1 - Verfahren zur Verbrennung von Treibstoff - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbrennung von Treibstoff. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Verbrennung von Treibstoff unter verringerter Abgabe von Ruß und NO_x.

Ruß wird erzeugt, wenn beim Verbrennen nicht genug Sauer­ stoff um die Treibstoff-Moleküle oder -Teilchen herum vorhanden ist. Solcher Ruß wird in die Atmosphäre abgegeben und verur­ sacht Luftverschmutzung. Deshalb wurden große Anstrengungen unternommen, um die Rußbildung zu verhindern. In der Technik der Verbrennungsmotoren, die Treibstoff in einer Verbrennungs­ kammer verbrennen, wird z. B. die Verbrennung anfangs unter der Bedingung eines fetten Treibstoff-Luft-Gemisches durchgeführt und später unter der Bedingung eines mageren Treibstoff-Luft- Gemisches, um die Rußbildung während der späteren Verbrennung zu begrenzen, wie in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 3-3920 offenbart.

Wird aber die Treibstoff-Luft-Mischung unter der Bedingung eines fetten Treibstoff-Luft-Gemisches verbrannt, wird immer Ruß erzeugt, und deshalb wird bei der anfänglichen Verbrennung im genannten Verbrennungsmotor Ruß erzeugt. Es ist schwierig, die Rußbildung bei der anfänglichen Verbrennung in Verbren­ nungsmotoren und aufanderen Gebieten zu verhindern. Das hängt damit zusammen, daß der Mechanismus der Rußbildung nicht aufge­ klärt ist. Wenn der Mechanismus der Rußbildung aufgeklärt ist, kann die Erzeugung von Ruß verhindert werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfah­ rens zur Verbrennung von Treibstoff ohne Rußbildung, indem der Mechanismus der Rußbildung aufgeklärt wird.

Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Patentansprüchen ersichtlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Die Fig. 1 bis 7 sind Ansichten, die den Ablauf der Ruß­ bildung darstellen.

Fig. 8 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, die in einem Beispiel der Erfindung verwendet wird.

Fig. 9 ist eine Grafik, die die NO-Reinigung darstellt, die mit einer Anlage nach Fig. 8 erzielt wird.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:

Gemäß der Erfindung wird ein neues Verfahren zur Verbren­ nung von Treibstoff bereitgestellt, das die erwähnten Probleme vermeidet und einen Verbrennungsprozeß für Treibstoff mit redu­ zierter Ruß- und NO_x-Bildung bereitstellt. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt die folgenden Schritte: Verbren­ nen eines Treibstoffes; In-Kontakt-bringen einer inneren Schale, die im Verlauf der Rußbildung erzeugt wird, mit anderen Bestandteilen in einem Verbrennungsgas, um die chemischen Reak­ tionen mit diesen anderen Bestandteilen im Verbrennungsgas zu fördern, bevor sich eine äußere Schale bildet; gleichzeitiges Verhindern der Bildung der äußeren Schale um die innere Schale.

Indem die innere Schale mit den anderen Bestandteilen im Verbrennungsgases in Kontakt gebracht wird, wird wegen der hohen Reaktivität der inneren Schale eine chemische Reaktion mit den anderen Bestandteilen im Gas gefördert. Zeitgleich wird die Bildung der äußeren Schale um die innere Schale verhindert und damit die Rußbildung.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 wird der Mechanismus der Rußbildung beschrieben, der von den Autoren dieser Anmel­ dung aufgeklärt wurde. Fig. 1 bis 7 zeigen den Mechanismus der Rußbildung in einem Dieselmotor, jedoch wurde bestätigt, daß jeder beliebige, bei der Verbrennung zur Anwendung kommende Treibstoff Ruß mit einem ähnlichen Mechanismus bildet.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Treibstoffmoleküls, das im Leichtöl enthalten ist. Dieses Treibstoffmolekül hat ein Mol­ gewicht von ungefähr 200 und eine Konfiguration, in der die Kohlenstoffatome linear gebunden sind.

Am Beginn einer Verbrennung von Treibstoff nehmen die Treibstoffmoleküle die Gestalt cyclischer Strukturen von C₆ bis C₁₀ an, wie in Fig. 2 dargestellt, dann werden sie kugelförmige Cluster 10 mit C₆₀ oder C₇₂, wie in Fig. 3 gezeigt. Diese Clu­ ster 10 bestehen aus einer Kombination von 6gliedrigen und 5gliedrigen Ringstrukturen.

Wie in Fig. 4 gezeigt, stapeln sich während der Verbrennung Teilkugel-Strukturen 12, bestehend aus einer Kombination von 6gliedrigen und 5gliedrigen Ringstrukturen, nach und nach um die Cluster 10. Ein auf diese Weise gebildetes Teilchen wächst weiter und wird am Ende dieses Schrittes ein Teilchen mit einer Teilchengröße von etwa 3 nm.

Als nächstes konglomerieren einige dieser Teilchen und bil­ den ein Aggregat von Teilchen, wie in Fig. 5 dargestellt. Die­ ses Aggregat wird als eine innere Schale bezeichnet. Jedes der Teilchen, die die innere Schale bilden, hat eine hohe Aktivi­ tät, weil es von einer Struktur 12 umgeben ist, die aus insta­ bilen 5gliedrigen Ringstrukturen besteht. Deshalb hat die innere Schale eine hohe Aktivität.

Mit Fortschreiten der Verbrennung bilden sich stabile Gra­ phitelemente, und diese Graphitelemente 14 stapeln sich nach und nach um die innere Schale, wie in Fig. 6 gezeigt. Auf diese Weise wächst ein Teilchen, das aus einer inneren Schale und Graphitelementen 14 um die innerer Schale herum besteht, weiter und wird am Ende dieses Schrittes ein Teilchen mit einer Teil­ chengröße von ungefähr 30 nm. Wie beschrieben, besteht ein Teilchen während dieses Schrittes aus einer inneren Schale und einer Schicht aus Graphitelementen 14 um diese innere Schale herum, und diese Schicht aus Graphitelementen wird als äußere Schale bezeichnet. Diese Graphitelemente sind stabil und haben eine geringe Aktivität. Deshalb hat diese äußere Schale keine Aktivität.

Als nächstes verbinden sich die in Fig. 6 dargestellten Teilchen linear, wie in Fig. 7 dargestellt. Solche Teilchen­ gruppen, wie in Fig. 7 gezeigt, stellen das Material dar, das Ruß genannt wird.

Wie vorstehend beschrieben, wird bei der Rußbildung während der Verbrennung von Leichtöl, wie es in Dieselmotoren Verwen­ dung findet, eine äußere Schale um eine innere Schale gebildet. Allerdings ist bei Ruß, der bei der Verbrennung von Benzin ent­ steht, wie es in Benzinmotoren Verwendung findet, die Grenze zwischen innerer und äußerer Schale etwas unklar. D.h., Benzin verbrennt ähnlich, wie in Fig. 1 bis 4 dargestellt, aber die in Fig. 4 dargestellten Teilchen agglomerieren nicht, wie in Fig. 5 gezeigt. Wenn die in Fig. 4 dargestellten Teilchen zu wachsen beginnen, stapeln sich Graphitelemente drumherum und bilden die äußere Schale. Das ist ein Typ von Ruß, der sich bildet, wenn eine Vormischung verbrannt wird. Deshalb bildet sich dieser Ruß in ähnlicher Weise, wenn Kerosin oder Schweröl in einem Heizkessel verbrannt wird.

Obwohl die Grenze zwischen innerer und äußerer Schale etwas unklar ist, ist es offensichtlich, daß die äußere Schale um die innere Schale gebildet wird. Deshalb besteht Ruß, der sich im Verlauf der Verbrennung des Treibstoffs bildet, sicher aus einer inneren und einer äußeren Schale. Also bildet jeder Brennstoffim Verlauf der Rußbildung zuerst eine innere Schale mit hoher Aktivität, und dann bildet sich eine inaktive, äußere Schale um die innere.

Wie schon beschrieben, ist die äußere Schale inaktiv. Des­ halb kann der Ruß, sobald sich die äußere Schale gebildet hat, nicht mehr brennen, selbst wenn genug Sauerstoff um den Ruß herum vorhanden ist, und der Ruß bleibt, wie er ist. Nach bis­ heriger technischer Lehre wird angenommen, daß Ruß eine geringe Reaktivität hat und keine chemischen Reaktionen eingeht, da er einen inaktiven Zustand erreicht hat.

Die Autoren dieser Erfindung aber haben gefunden, daß es eine Stufe im Verlauf der Rußbildung gibt, auf der der Ruß eine hohe Aktivität besitzt, d. h. es bildet sich eine innere Schale mit hoher Aktivität im Verlauf der Rußbildung. So können unter Verwendung solch einer inneren Schale mit hoher Aktivität ver­ schiedene chemische Reaktionen ablaufen. Wenn es z. B. genug Sauerstoff gibt, wenn die innere Schale erzeugt wird, kann sie sofort oxidiert werden und es bildet sich kein Ruß. Es macht nämlich keinen Sinn, genug Sauerstoff in der Umgebung der äuße­ ren Schale bereitzustellen, wenn sie sich erst einmal gebildet hat. Es muß genug Sauerstoff in der Umgebung der inneren Schale zum Zeitpunkt ihrer Bildung anwesend sein.

Wenn ein Material in der Umgebung der inneren Schale anwe­ send ist, das reduziert werden kann, wie z. B. ein Oxid, kann die innere Schale den Sauerstoffaus einem solchen Oxid entfer­ nen und das Oxid wird reduziert. Es macht ebenfalls keinen Sinn, genug Oxid in der Umgebung der äußeren Schale bereitzu­ stellen, wenn sie sich erst einmal gebildet hat. Es muß genug Oxid in der Umgebung der inneren Schale zum Zeitpunkt ihrer Bildung anwesend sein.

Wenn Ruß, der aus einer inneren Schale mit hoher Aktivität besteht, in Kontakt mit anderen Bestandteilen gebracht wird, bevor sich die inaktive, äußere Schale um die innere Schale bildet, wird eine chemische Reaktion der anderen Bestandteile im Verbrennungsgas durch den Ruß, der aus einer inneren Schale besteht, gefördert. Das ist das Prinzip des Verfahrens zur Ver­ brennung von Treibstoff gemäß der vorliegenden Erfindung unter Ausnutzung der hohen Aktivität der inneren Schale.

Ein Beispiel für "Treibstoff, der im Verlauf der Verbren­ nung Ruß erzeugen kann," schließt typischerweise verschiedene Petroltreibstoffe, wie z. B. Benzin, Leichtöl, Schweröl und ähn­ liches, ein, ist aber nicht beschränkt auf Petroltreibstoff. Er schließt gasförmige Treibstoffe, wie z. B. Erdgas, und feste Treibstoffe, wie z. B. Kohle, ein. Ein nicht einschränkendes Beispiel eines "Verbrennungsortes und eines Abgabeortes von Verbrennungsgas" schließt einen Benzinmotor, einen Dieselmotor, einen Heizkessel, verschiedene Verbrennungsheizgeräte und ihre Auspuffsysteme, wie z. B. Auspuffkrümmer und Auspuffleitungen, ein. Beispiele für "bestimmte Bestandteile außer Ruß im Ver­ brennungsgas" schließen Stickoxide (NO_x) ein, die Luftver­ schmutzung verursachen. Es besteht der Wunsch, dieses NO_x durch eine Reduktionsreaktion zu Stickstoffgas (N₂) zu reduzieren. Die bestimmten Bestandteile schließen auch verschiedene bekannte und unbekannte Materialien ein, die im Verbrennungsgas vorhanden sind oder erzeugt werden und eine gewünschte chemi­ sche Reaktion mit der inneren Schale eingehen können.

Wenn es einen zweiten Bestandteil im Verbrennungsgas gibt (ein anderer als die Bestandteile, die die chemische Reaktion fördern sollen), der eine Reaktivität bezüglich einer inneren Schale aufweist, ist es denkbar, daß die innere Schale bevor­ zugt mit einem solchen, zweiten Bestandteil reagiert. In einem solchen Fall ist es bevorzugt, die innere Schale erst in Kon­ takt mit einem Bestandteil, der ihre chemische Reaktion fördern soll, zu bringen, wenn die Konzentration des zweite Bestand­ teils auf natürliche Weise oder durch geeignete Mittel verrin­ gert worden ist. Ein Beispiel eines solchen Falles ist die Situation, daß Sauerstoff als zweiter Bestandteil wirkt, wäh­ rend das in einem Dieselmotor erzeugte NO_x durch Kontakt mit der inneren Schale reduziert werden soll.

Läßt man einen Bestandteil, der die chemische Reaktion der inneren Schale fördern soll, mit ihr in Kontakt zu treten, wird ihr Wachstum zum Ruß unterbunden. Diese innere Schale kann leicht oxidiert und zerstört werden, wenn sie mit Sauerstoff in Verbindung gebracht wird. Deshalb kann die Menge an abgegebenem Ruß gemäß der Erfindung reduziert werden.

Zur Illustration des Effekts der Erfindung wird das fol­ gende Beispiel angegeben. In diesem Beispiel wird die NO-Reini­ gung im Verhältnis zur Temperatur gemessen, indem ein Modell- Gas mit einer definierten Konzentration an NO in Kontakt mit der getrennt erzeugten, inneren Schale gebracht wird.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die in diesem Beispiel Verwendung findet. In Fig. 8 wird ein NO enthaltendes Modell-Gas im Gaszylinder 21 durch das Ventil 22 in die Leitung 23 gelassen. Dann wird das Modell-Gas die das Reaktionsrohr 25 eingelassen, das mit der Heizung 24 versehen ist. Ein Differential-Auspuff 26, der durch Bogenentladung an Graphit eine innere Schale mit ungefähr 3 nm Durchmesser erzeugt, ist mit einem Ende des Reaktionsrohres 25 durch die Leitung 27 verbunden. Das Gas, das aus dem anderen Ende des Reaktionsrohres 25 austritt, wird zu einem NO_x-Meßgerät 28 geleitet- von dem die NO-Konzentration im Modell-Gas und damit die NO-Reinigung gemessen wird.

Fig. 9 illustriert ein Ergebnis der Messung der NO-Reini­ gung des Modell-Gases, bei der das Modell-Gas und die innere Schale im erhitzten Reaktionsrohr 25 in Kontakt miteinander gebracht werden, während die Temperatur langsam erhöht wurde. In Fig. 9 stellt die Abszisse die Temperatur innerhalb des Reaktionsrohres 25 dar und die Ordinate die NO-Reinigung (%).

Fig. 9 zeigt, daß NO besonders oberhalb von 355°C wirkungsvoll gereinigt wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Verbrennung von Treibstoff umfassend die Schritte: Verbrennen eines Treibstoffes; In-Kontakt-bringen einer inneren Schale, die im Verlauf der Rußbildung erzeugt wird, mit anderen Bestandteilen in einem Verbrennungsgas zur Förderung einer chemischen Reaktion der genannten, anderen Bestandteile im Verbrennungsgas, bevor eine äußere Schale gebildet wird; gleichzeitiges Verhindern der Bildung einer äußeren Schale um die innere Schale.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der andere Bestandteil NO_x-Gas ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin abgegebenes NO_x-Gas reduziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Menge des abgegebe­ nen Rußes verringert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Treibstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus flüssigem Petroltreib­ stoff, Gas-Treibstoff und festem Treibstoff.

6. Verfahren nach Anspruch 1, das in einem Benzinmotor, einem Dieselmotor, einem Heizkessel und verschiedenen Verbren­ nungsheizgeräten oder ihren Auspuffsystemen angewendet wird.