DE4230408A1 - Verfahren zur reduzierung der stickoxide in einer eine kontinuierliche verbrennung durchfuehrenden brennkraftmaschine und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur reduzierung der stickoxide in einer eine kontinuierliche verbrennung durchfuehrenden brennkraftmaschine und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren der von einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Verbrennung einer Brennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung, einem Heizkessel etc. abgegebenen Stickoxide. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Reini­ gungssystem zum wirksamen Reinigen von Stickoxiden durch Re­ duktion, ohne die ausgezeichneten Brennstoffverbrauchseigen­ schaften einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise eines Stirlingmotors, in Mitleidenschaft zu ziehen und ohne durch die Konzentration des im Abgas mit vorhandenen Sauerstoffs beeinflußt zu werden.
Im Betrieb eines Stirlingmotors, bei dem es sich um eine Brennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung handelt, wird ein Arbeitsgas durch Verbrennen eines Brennstoffs unter Verwen­ dung eines Brenners, der in einer Brennkammer angeordnet ist, erhitzt, wonach man das Arbeitsgas expandieren läßt. Bei der Erhitzung des Arbeitsgases durch Verbrennung unter Verwendung eines Brenners macht man üblicherweise von der Verbrennungswärme Gebrauch, die erzeugt wird, indem man das Innere einer Brennkammer mit Brennstoff und Luft für die Verbrennung versorgt und den Brennstoff auf einer hohen Tem­ peratur verbrennt. Das aus einer derartigen Verbrennung re­ sultierende Abgas wird über einen Abgaskanal in die Atmosphäre abgegeben. In diesem Fall wird der Brennstoff zu­ sammen mit Verbrennungsluft bei hoher Temperatur vollständig verbrannt, so daß das Abgas keinerlei toxische Bestandteile enthält. Wenn jedoch die Verbrennung unter Bedingungen durchgeführt wird, bei denen die Luftkonzentration niedrig ist (d. h. bei denen ein niedriger Überschußkoeffizient vor­ handen ist), kann nicht vermieden werden, daß das aus der kontinuierlichen Verbrennung entstehende Abgas Stickoxide (NOx) enthält, obwohl die Menge an den nicht verbrannten Be­ standteilen HC und CO im Abgas gering ist.
Verfahren zum Reduzieren des Stickoxidanteils im Abgas, das durch eine Vorrichtung mit kontinuierlicher Verbrennung er­ zeugt wird, umfassen ein abgemagertes Verbrennungsverfahren, ein Verfahren, bei dem ein ternärer Katalysator Verwendung findet, etc. Wenn man jedoch die kontinuierliche Verbren­ nungsvorrichtung eines Stirlingmotors o. ä. betrachtet, wird die bei einem abgemagerten Verbrennungsverfahren zuge­ führte Luft in einer großen Menge verwendet, so daß auf diese Weise die Flammentemperatur der Verbrennung absinkt. Darüber hinaus wird durch eine Erhöhung der zugeführten Luftmenge die vom Luftzuführgebläse verbrauchte Energie er­ höht, was wiederum einen Abfall im Wirkungsgrad des Motors zur Folge hat. Daher wird die Verbrennung normalerweise mit einem niedrigen Überschußkoeffizient, d. h. einem von 1,1 bis 1,3 reichenden Überschußkoeffizient, durchgeführt. Folglich führt ein solches Verbrennungsverfahren nicht zu einer abge­ magerten Verbrennung und wird nicht den Bedingungen zur Herabsetzung der Stickoxide gerecht.
Aus diesen Gründen hat man die Verwendung eines ternären Ka­ talysators in Betracht gezogen. Bei einem Verfahren, bei dem ein ternärer Katalysator Verwendung findet, werden das im Abgas vorhandene NOx, CO und HC durch einen Reinigungskata­ lysator chemisch in nicht toxische Verbindungen überführt, wie beispielsweise N2, CO2 und H2 O. Da die chemische Umwand­ lung zur gleichen Zeit wie die Oxidation und Reduktion stattfindet, ist es erforderlich, daß das Abgas auf einer niedrigen Sauerstoffkonzentration gehalten wird, um den Wir­ kungsgrad der Reduktion zu steigern. Darüber hinaus ist die in der Sauerstoffkonzentration zulässige Änderung sehr ge­ ring. Um dieses Verfahren durchzuführen, ist es daher erfor­ derlich, daß die Menge des zugehörigen Brennstoffs und der zugeführten Verbrennungsluft mit großer Genauigkeit ge­ steuert wird. Richtig gesagt, die HC- und CO-Bestandteile sind bei einer kontinuierlichen Verbrennung gering, selbst bei einem niedrigen Überschußkoeffizienten, so daß daher die Verwendung eines ternären Katalysators nicht unbedingt er­ forderlich ist. Wenn ein ternärer Katalysator verwendet wird, muß die Temperatur des Abgases auf 400 ≈ 450°C oder mehr erhöht werden. Wenn das Abgas auf eine hohe Temperatur erhöht wird, kann keine ausreichende Vorerhitzung der Luft vom Abgas durchgeführt werden, so daß die Temperatur der dem Verbrennungsbereich zugeführten Luft fällt. Hierdurch wird ein Absinken des Wirkungsgrades des Motors verursacht, was unerwünscht ist. Da darüber hinaus das Abgas eine hohe Tem­ peratur aufweist, sinkt die Haltbarkeit des Katalysators, und die Kosten steigen, da teure Edelmetalle für den Kataly­ sator eingesetzt werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herabsetzung des von einer Vorrichtung mit kontinuierlicher Verbrennung abgegebenen Stickoxidan­ teils zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. der die vor­ stehend aufgezeigten Probleme des Standes der Technik gelöst werden.
Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit dem bzw. der die in einem Abgas, das von der Vorrichtung mit kontinuierlicher Verbrennung ei­ ner Brennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung, einem Kessel o. ä. abgegeben wird, enthaltenen Stickoxide durch Reinigung reduziert werden, ohne den Wirkungsgrad der Verbrennungsvor­ richtung zu verringern, und zwar unabhängig von der Konzen­ tration des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herabsetzen des Stickoxidanteiles in einer Verbrennungsvor­ richtung, die eine kontinuierliche Verbrennung durchführt, gelöst, bei dem der Stickoxidanteil, der im Verbrennungsab­ gas, das Sauerstoff enthält und durch die Verbrennung eines zugeführten Brennstoffs erzeugt wird, enthalten ist, herab­ gesetzt wird, indem man das Abgas durch eine Katalysatorein­ heit leitet. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
Zuführen von Wasserstoff zum Abgas, das in die Katalysa­ toreinheit eindringt, und katalytisches Reduzieren des Ab­ gases, das zusammen mit dem Wasserstoff zugeführt wurde, in einer Umgebung mit einer vergleichsweise niedrigen Tempera­ tur von weniger als 250°C, um auf diese Weise den Anteil der Stickoxide herabzusetzen.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner durch eine Vor­ richtung zum Herabsetzen des Stickoxidanteils bei einer eine kontinuierliche Verbrennung durchführenden Verbrennungsvor­ richtung gelöst, die eine Brennkammer, erste Zuführein­ richtungen zum Versorgen der Brennkammer mit Brennstoff und Luft, einen Abgaskanal zum Abgeben des durch die Verbrennung in der Brennkammer erzeugten Abgases, im Abgaskanal angeord­ nete katalytische Einrichtungen zum Reinigen von im abgege­ benen Abgas enthaltenen toxischen Bestandteilen und zweite Zuführeinrichtungen zum Zuführen von Wasserstoff zu dem in die katalytischen Einrichtungen eindringenden Abgas umfaßt.
Beispiele von Vorrichtungen, die als zweite Einrichtungen zum Zuführen von Wasserstoff verwendet werden können, umfas­ sen einen Reformer zum Modifizieren des Wasserdampfes im Brennstoff, eine Vorrichtung zum teilweisen Oxidieren des Brennstoffs und eine elektrolytische Vorrichtung, bei der eine Protonen-leitende Membran Verwendung findet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herabsetzen des An­ teiles der Stickoxide in einer Verbrennungsvorrichtung wird das reduzierende Wasserstoffgas mit dem in die katalytische Vorrichtung eingeführten Abgas vermischt. Durch den Kontakt mit dem Reinigungskatalysator in der katalytischen Vor­ richtung werden die Stickoxide durch katalytische Reduktion unter niedrigen Temperaturbedingungen, d. h. bei Temperaturen von weniger als 250°C, gereinigt.
Wenn Wasserstoff in einer Menge zugeführt wird, die zur Re­ duktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide ausreichend ist, können die Stickoxide unabhängig von der Konzentration des im Abgas vorhandenen Sauerstoffs in wirksamer Weise gerei­ nigt werden. Darüber hinaus kann durch den Einschluß des Wasserstoffs die Reinigung des Abgases im Vergleich zu einem Fall, bei dem kein Wasserstoff vorhanden ist, bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt werden. Folglich wird die Haltbarkeit des Katalysators verbessert. Darüber hinaus kann der Katalysator selbst eine katalytische reduzierende Funktion besitzen, so daß hierdurch Kosten gesenkt werden können. Da die Temperatur des Abgases erniedrigt wird, kann die Wärme zum Vorerhitzen der Verbrennungsluft eingesetzt werden, wodurch der Wirkungsgrad der Vorerhitzung ansteigt.
Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zum Herab­ setzen des Stickoxidanteils in einer Verbrennungsvorrichtung wird das durch kontinuierliche Verbrennung entstehende Abgas mit gasförmigem Wasserstoff versorgt, so daß die Stickoxide durch eine katalytische Reduktion mit dem Reinigungskata­ lysator entfernt werden können. Da diese katalytische Reduk­ tion bei einer niedrigen Temperatur von weniger als 250°C stattfindet, nimmt der Wirkungsgrad der Verbrennungsvor­ richtung nicht ab. Ferner muß die zugeführte Wasserstoff­ menge nur ausreichend groß sein, um den Stickoxidgehalt zu reduzieren, und das Gas kann zusammen mit einem oxidierenden Gas, wie beispielsweise Sauerstoff, vorhanden sein. Das be­ deutet, daß absolut reines Wasserstoffgas nicht verwendet werden muß. Mit anderen Worten, es kann auch billiges Was­ serstoffgas verwendet werden, das andere Gase einschließt. Beispiele hierfür sind elektrolysiertes Gas, das durch Ver­ wendung einer Protonen-leitenden Membran erhalten wurde, Wasserstoffgas, das durch Modifikation von als Brennstoff dienendem Wasserstoff erhalten wurde, und Wasserstoffgas, das durch einen Teilverbrennungsprozeß erhalten wurde. Da darüber hinaus die Reinigung bei einer niedrigen Temperatur von weniger als 250°C durchgeführt wird, kann der Katalysa­ tor im Abgaskanal angeordnet sein. Ferner ist für die Reini­ gung des Abgases eine Temperaturregelung nicht unbedingt er­ forderlich.
Erfindungsgemäß können somit Stickoxide, die in einem Abgas enthalten sind, das bei einer Verbrennung in einer konti­ nuierlichen Verbrennungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit äußerer Verbrennung, einem Kessel o. ä. erzeugt wird, rasch bei niedrigen Temperaturen von weniger als 250°C re­ duziert oder eliminiert werden, ohne daß dies durch die Kon­ zentration des im Abgas vorhandenen Sauerstoffs beeinflußt wird, indem Wasserstoff in einer Menge zugeführt wird, die der Menge der Stickoxide angemessen ist. Hierdurch wird es möglich, den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen, indem man die Verbrennungstemperatur erhöht, was bei einer herkömmlich ausgebildeten Vorrichtung nicht durchgeführt werden kann, da sich hier ein Anstieg des Anteils an Stickoxiden ergeben würde. Dadurch, daß die Vorrichtung bei einem niedrigen Überschußkoeffizienten betrieben wird, muß nur eine geringe Luftmenge zugeführt werden. Hierdurch wird es möglich, die erforderliche Energie des Gebläses sowie die Geräuschent­ wicklung zu reduzieren. Da ein vergleichsweise billiger Ka­ talysator aus Platin o.ä. in einer Niedrigtemperaturumgebung von weniger als 250°C verwendet werden kann, wird auch die Haltbarkeit des Katalysators verbessert.
Des weiteren ist es in der Theorie möglich, Abgas zu erhal­ ten, das keine Stickoxide mehr aufweist, was beim Stand der Technik nicht erreichbar ist. Dies wiederum macht es mög­ lich, einen wirkungsvollen Stirlingmotor mit niedriger Um­ weltverschmutzung und einem verbesserten thermischen Wir­ kungsgrad zu erhalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Gesamtdarstellung der Konstruktion einer Vorrichtung gemäß einer ersten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Gesamtdarstellung einer zweiten Aus­ führungsform, bei der eine Wasserstoff­ quelle gemäß Fig. 1 mit einem Zuführ­ steuerventil versehen ist;
Fig. 3 eine Gesamtansicht einer dritten Ausfüh­ rungsform der Vorrichtung, bei der Luft für einen Teilverbrennungsprozeß außer­ halb einer Brennkammer eingeführt und der durch Oxidation hergestellte Wasserstoff als Wasserstoffquelle verwendet wird;
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der Wasserstoffquelle der Fig. 3;
Fig. 5 eine Gesamtansicht eines Ausführungsbei­ spiels, bei dem eine Vorrichtung zur Er­ zeugung von Wasserstoff in einer Brenn­ kammer gemäß Fig. 3 vorgesehen ist;
Fig. 6 eine Gesamtansicht einer vierten Ausfüh­ rungsform der Vorrichtung, bei der die Wasserstoffquelle durch Elektrolyse bei der Anordnung der Brennkammer wie in Fig. 1 realisiert wird; und
Fig. 7 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der NOx-Umwand­ lungsrate bei sich ändernder Wasserstoff­ konzentration zeigt.
Erste Ausführungsform
Diese Ausführungsform findet bei der Verbrennungsvorrichtung eines Stirlingmotors Verwendung. Die Gesamtkonstruktion die­ ser Ausführungsform ist in Fig. 1 gezeigt.
Wie Fig. 1 zeigt, besitzt die Verbrennungsvorrichtung eines Stirlingmotors eine Brennkammer 1, eine Brennstoffquelle 2 zum Versorgen der Brennkammer 1 mit Brennstoff, eine Luft­ quelle 3 zum Versorgen der Brennkammer 1 mit Luft, einen Ab­ gaskanal 4 zum Abführen von Abgas von der Brennkammer 1, eine katalytische Einheit 5, die im Abgaskanal 4 angeordnet ist, und eine Wasserstoffgasquelle 6, die über das Innere der Brennkammer 1 mit dem Abgaskanal 4 verbunden ist.
Die Brennkammer 1 besitzt die Form eines mit einem Boden versehenen Zylinders, dessen Umfang von einer adiabatischen Wandfläche bedeckt ist. Der Boden der Brennkammer 1 ist mit radial verlaufenden Heizrohren 10 versehen, die mit einem Arbeitsgas zum Betreiben des Stirlingmotors gefüllt sind. Ein Wärmetauscher 11, in dem Verbrennungsluft durch die Ver­ brennungswärme vorerhitzt wird, ist allgemein in der Form eines Zylinders außerhalb der Heizrohre 10 angeordnet. Eine Zündeinheit 12 mit einer Brennstoffeinspritzdüse 13 und ei­ ner Zündvorrichtung (nicht gezeigt) ist in der Mitte der Krone der Brennkammer vorgesehen und liegt den Heizrohren 10 gegenüber. Der Wärmetauscher 11 steht mit dem Verbrennungs­ teil in Verbindung.
Die Brennstoffquelle 2 ist so ausgebildet, daß sie der Brennstoffeinspritzdüse 13 über ein Ventil 20, das von einer Steuereinheit 7 gesteuert wird, Brennstoff zuführen kann.
Die Luftquelle 3 besitzt ein Gebläse 30, das von der Steuereinheit 7 gesteuert wird, und ist so ausgebildet, daß ein Luftstrom vom Gebläse 30 in den Wärmetauscher 11 ein­ dringt. Die in den Wärmetauscher 11 eingeströmte Luft wird dadurch erhitzt und dringt dann in die Zündeinheit 12 ein. Hier wird die erhitzte Luft mit einem atomisierten Brenn­ stoff vermischt, der von der Brennstoffeinspritzdüse 13 ein­ gespritzt wurde. Das Gemisch wird gezündet, und die entstan­ dene Flamme wird in das Innere der Brennkammer 1 abgegeben.
Der Abgaskanal 4 mündet an einem Abschnitt der Seitenwand der Brennkammer 1 in der Nähe ihres Bodens und verbindet die Brennkammer 1 mit der Außenseite. Die katalytische Einheit 5 ist im Abgaskanal 4 an einer Stelle angeordnet, an der das Abgas eine vorgegebene Temperatur annimmt. Die katalytische Einheit 5 besteht beispielsweise aus einem wabenförmigen Träger, der zur Lagerung eines üblichen ternären Katalysa­ tors dient.
Die Wasserstoffgasquelle 6, die ein kennzeichnendes Merkmal dieser Ausführungsform darstellt, umfaßt eine Versorgungs­ vorrichtung 60 mit entionisiertem Wasser, eine Mischvor­ richtung 61 zum Vermischen des von der Versorgungsvor­ richtung 60 zugeführten Wassers mit einem Teil des zur Brennstoffeinspritzdüse 13 geführten Brennstoffs, einen Dampfreformer 62, der in der Brennkammer 1 an einer Stelle montiert ist, an der eine vorgegebene Temperatur erreicht wird, einen Hot-Shift-Converter 63 und einen Cold-Shift-Con­ verter 64. Das vom Cold-Shift-Converter 64 erzeugte Wasser­ stoffgas wird in das Innere des Abgaskanales 4 eingeführt. Durch die in der Brennkammer 1 herrschende Wärme werden in der Wasserstoffgasquelle 6 dieser Ausführungsform etwa 80 Gew.% des Gemisches aus Brennstoff und Wasser zu Wasser­ stoffgas. Dieses Wasserstoffgas wird der katalytischen Ein­ heit 5 innerhalb des Abgaskanales 4 zugeführt.
Bei der auf diese Weise ausgebildeten Ausführungsform wird somit LNG-Brennstoff, der von der Brennstoffquelle 2 zuge­ führt wird, von der Brennstoffeinspritzdüse 13 in die Brenn­ kammer 1 eingespritzt. Zur gleichen Zeit wird das Gebläse 30 angetrieben, so daß Luft in den Wärmetauscher 11 eingeführt wird. Die Luft wird der Zündeinheit 12 zugeführt. Hier wer­ den Brennstoff und Luft vermischt, das Gemisch wird gezün­ det, und die entstehende Flamme wird in die Brennkammer 1 eingeführt.
Die Heizrohre 10 in der Brennkammer 1 werden durch die von der Zündeinheit 12 abgegebene Flamme erhitzt, und der Stir­ lingmotor wird kontinuierlich angetrieben. Das aus der Ver­ brennung entstandene Abgas wird gekühlt, indem man es einem Wärmetausch mit Luft dem Wärmetauscher 11 unterzieht, und das gekühlte Abgas strömt in die katalytische Einheit 5 in­ nerhalb des Abgaskanales 4.
In der katalytischen Einheit 5 wird das aus der Verbrennung resultierende Abgas mit dem von der Wasserstoffgasquelle 6 zugeführten Wasserstoffgas in Kontakt gebracht. Auf diese Weise werden die Stickoxide durch den Wasserstoff chemisch reduziert. Das entstandene Abgas wird in einem von den Stickoxiden gereinigten Zustand in die Atmosphäre abgegeben.
Versuch
Bei der Durchführung eines Versuches unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wurde die Menge des in das Abgas der Verbrennung eingeführten Wasserstoffgases ver­ ändert, und die Beziehung zwischen der Temperatur des Ab­ gases am Einlaß des Katalysators und der Umwandlungsrate der Stickoxide wurde untersucht. Der für die Reinigung verwen­ dete Katalysator war ein monolythischer Katalysator, der 2 g Platin pro 1 l katalytischen Volumens trug. Der Katalysator­ wert SV, der dem Gasströmungsdurchsatz (l/h) geteilt durch das Katalysatorvolumen (1) entspricht, betrug 50 000/h. Das durch die Verbrennung innerhalb der Brennkammer 1 entstan­ dene Abgas setzte sich etwa aus 10 % CO2, 79% N2, 4% O2, 100 ppm CO, 7% H2O und 500 ppm NOx zusammen, und zwar in einem Zustand, in dem kein Wasserstoff zugeführt wurde. Die maximale Menge der Abgabe der Stickoxide betrug 500 ppm.
Die Menge an Wasserstoffgas wurde verändert, um Konzentra­ tionswerte an Wasserstoff von 0, 270, 540, 810 und 1080 ppm nach dessen Mischung mit dem Abgas zu erhalten. Die NOx-Um­ wandlungsrate wurde bei jedem der vorstehend erwähnten Werte gemessen. Die Ergebnisse sind im Diagramm der Fig. 7 ge­ zeigt, in dem die Temperatur des Abgases am Einlaß des Kata­ lysators entlang der horizontalen Achse und die Umwandlungs­ rate der Stickoxide entlang der vertikalen Achse aufgetragen ist.
Das Diagramm zeigt an, das dann, wenn sich die Wasserstoff­ konzentration auf dem hohen Wert von 1080 ppm befindet, eine hohe NOx-Umwandlungsrate von etwa 90% selbst in einem nie­ drigen Bereich der Einlaßgastemperaturen von 100 ≈ 170°C erhalten wird. Wenn die Einlaßtemperatur 200°C übersteigt, tritt ein scharfer Abfall der NOx-Umwandlungsrate auf. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß eine Oxidationsreak­ tion stattfindet, da der ebenfalls vorhandene Sauerstoff bei Temperaturen über 200°C aktiviert wird. Das Zuführverhält­ nis von Wasserstoff zu den Stickoxiden bei einer Wasser­ stoffgaskonzentration von 1080 ppm beträgt etwa 5.
In einem Fall, in dem das Wasserstoffgas und der Brennstoff mit diesem Zuführverhältnis (5) von Wasserstoff zu Stickoxi­ den, das in den speziell gewünschten Bereich fällt, zuge­ führt werden, besitzt der der Wasserstoffquelle 6 zugeführte Brennstoff einen Strömungsdurchsatz im Bereich von 0,65 l/min. Das entspricht etwa 0,3% eines Brennstoffdurch­ satzes von 173 l/min in einem Fall, bei dem der Brennstoff LNG ist und die Verbrennungsleistung eines Stirlingmotors 120 kW beträgt. Man kann daher erkennen, daß der der Wasser­ stoffgasquelle 6 zugeführte Brennstoff eine sehr geringe Auswirkung auf den Gesamtwert des Brennstoffverbrauches be­ sitzt.
Im Gegensatz zu einer Kolbenmaschine mit innerer Verbrennung ist ein Stirlingmotor so aufgebaut, daß absolut keine Ver­ mischung von Schmiermittel mit dem Abgas stattfindet. Das bedeutet, daß der Katalysator keinem durch die Verbrennung von Schwefel oder Phosphor, insbesondere in Schmiermitteln enthaltenem Schwefel, entstandenem SO2 ausgesetzt ist. Daher erfährt der Katalysator keine Qualitätsverschlechterung durch die toxischen Auswirkungen von SO2. Des weiteren kann der Reinigungskatalysator an der Stelle einer vorgegebenen Gastemperatur am am weitesten abstromseitig gelegenen Punkt im Abgassystem angeordnet werden, so daß er an einer Stelle genutzt werden kann, an der die Temperatur von etwa 170°C bis 100°C reicht. Es besteht somit absolut keine Gefahr ei­ ner thermischen Qualitätsverschlechterung, da der Katalysa­ tor bei einer Temperatur verwendet werden kann, die weit un­ ter der Grenze des thermischen Widerstandes des Katalysators liegt.
Daher kann bei einer Vorrichtung, wie beispielsweise einem Stirlingmotor, die grundsätzlich auf einer eine kontinuier­ liche Verbrennung durchführenden Vorrichtung basiert, wie bei dieser Ausführungsform, unter maximalem Einsatz der Fähigkeiten des Katalysators eine extrem lange Lebensdauer erreicht werden.
2. Ausführungsform
Diese Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme der Ausbildung der Wasserstoffgasquelle 6, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform ist speziell ein Ventil 63 zwischen der Versorgungsvorrichtung 60 mit entionisiertem Wasser und der Mischvorrichtung 61 vorgesehen. Ein zur Mischvorrichtung 61 geführtes Brenn­ stoffzuführrohr ist mit einem Ventil 64 versehen. Die Aus­ bildung ist derart, daß die beiden Ventile 63, 64 von der Steuereinheit 7 gesteuert werden.
Um die zugeführte Menge an Brennstoff und Wasser an die Maximalmenge der Stickoxide im Abgas anzupassen, werden die Durchsätze des Wassers und Brennstoffs bei der Vorrichtung dieser Ausführungsform von der Steuereinheit 7 so geregelt, daß die Menge an zugeführtem Wasserstoffgas eingestellt wird. Wie bei der ersten Ausführungsform kann eine geeignete Menge an Wasserstoffgas zugeführt werden, um das Abgas von Stickoxiden zu reinigen.
Wenn die Stickoxide und das Wasserstoffgas genau in äquiva­ lenten Mengen miteinander vermischt sind, werden die Stick­ oxide in der Theorie durch chemische Reduktion vollständig gereinigt. Da ein Teil des Brennstoffs zur Erzeugung des Wasserstoffgases verwendet wird, könnte man vermuten, daß hierdurch der Wirkungsgrad des Motors reduziert wird. Durch­ geführte Versuchsberechnungen unter Verwendung eines Motors mit einer Leistung von 20 kW zeigen jedoch, daß das Verhält­ nis zwischen dem für die Wasserstoffgaserzeugung verwendeten Brennstoff und dem zur Verbrennung eingesetzten Brennstoff maximal 1% beträgt, so daß auf diese Weise die negativen Auswirkungen auf den Wirkungsgrad des Motors vernachlässig­ bar sind.
Des weiteren kann das Vorerhitzen der Verbrennungsluft in ausreichender Weise durchgeführt werden, um hohe Verbren­ nungstemperaturen zu erreichen, und die Menge an zurückge­ wonnener Wärme wird erhöht. Dies trägt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors bei.
3. Ausführungsform
Wie in Fig. 3 gezeigt, kann bei diesem Ausführungsbeispiel die Wasserstoffgasquelle 6 Wasserstoff durch einen Teilver­ brennungsprozeß erzeugen. In anderer Hinsicht entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorherbeschriebenen. Des wei­ teren ist die Anordnung der Brennkammer 1, der Brennstoff­ quelle 2, der Luftquelle 3, der katalytischen Einheit 5 und der Steuereinheit 7 die gleiche wie in Fig. 1. Das kenn­ zeichnende Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß das Verfahren zur Erzeugung des Wasserstoffgases nicht auf der Dampfreformer-Methode basiert, sondern statt dessen ein durch ein partielles Verbrennungsverfahren außerhalb der Brennkammer 1 erhaltenes Gas verwendet und dieses Gas als Wasserstoffgasquelle 6 benutzt. Genauer gesagt, es wird von einer Drossel 22 Gebrauch gemacht, um einen Teil des Brenn­ stoffs in bezug auf die zugeführte Menge zu regulieren, und es wird eine Drossel 31 verwendet, um einen Teil der Luft in bezug auf die zugeführte Menge zu regulieren. Die auf diese Weise regulierte Luft und der auf diese Weise regulierte Brennstoff dringen in eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung 65 ein, in der der Brennstoff teilweise oxidiert wird. Die erforderliche Menge an Wasserstoffgas, die erzeugt wird, wird dem Abgaskanal 4 zugeführt.
Wie in Fig. 4 gezeigt, kann die erforderliche Menge an Was­ serstoffgas in entsprechender Weise dem Abgaskanal 4 zuge­ führt werden, indem die Zuführmenge eines Teiles des Brenn­ stoffs und der Luft unter Verwendung eines Brennstoffsteuer­ ventiles 20′ und eines Luftsteuerventiles 31′ anstelle der vorstehend erwähnten Drosseln 22 und 31 gesteuert wird.
Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die erforderliche Menge an Was­ serstoffgas auch dem Abgaskanal 4 zugeführt werden, indem man die Wasserstofferzeugungsvorrichtung 65 innerhalb der Brennkammer 1 anordnet und die Wärme des verbrannten Abgases ausnutzt.
4. Ausführungsform
Bei dieser in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform wird die Wasserstoffquelle 6 realisiert, indem man unter Verwendung einer Wasserstoffgaserzeugungsvorrichtung 66, die auf einer Elektrolyse von Wasser unter Verwendung einer Protonen-lei­ tenden Membran basiert, Wasserstoffgas erzeugt. Die erfor­ derliche Menge des entstandenen Wasserstoffgases kann von der Vorrichtung 66 dem verbrannten Abgas innerhalb des Ab­ gaskanales 4 zugeführt werden. Je nach dem speziellen Fall kann die erforderliche Menge an Wasserstoffgas direkt von einem Wasserstoffgastank zugeführt werden.
Bei jeder Ausführungsform kann eine Düse mit einer Vielzahl von Perforierungen oder einer einzigen Öffnung im Inneren des Abgaskanales 4 angeordnet und an die Wasserstoffgaszu­ führleitung 6 angeschlossen sein. Eine Leitplatte kann zwischen der Düse und der katalytischen Einheit 5 angeordnet sein, um einen gleichmäßigen Strom des Wasserstoffgases zu erreichen und die Mischung des Wasserstoffgases mit dem Ab­ gas zu verbessern. Gemäß den Fig. 1 und 2 ist es möglich, den Dampfreformer 62 und die Konverter 63, 64 innerhalb des Wärmetauschers 11 anzuordnen.
Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung zum Herabsetzen des Anteiles der Stickoxide in einer Verbrennungsvorrichtung eines Stirlingmotors, die eine kontinuierliche Verbrennung durchführt, vorgeschlagen, die eine Brennkammer, Einrichtun­ gen zum Versorgen der Brennkammer mit Brennstoff und Luft, einen Abgaskanal zum Abgeben eines durch die Verbrennung in der Brennkammer erzeugten Abgases, eine im Abgaskanal ange­ ordnete katalytische Einheit zum Reinigen des abgegebenen Abgases von toxischen Komponenten und Wasserstoff Zuführeinrichtungen zum Zuführen von Wasserstoffgas zum Abgas, das in die katalytische Einheit eindringt, umfaßt. Das Wasserstoff­ gas wird dem Abgas, das in die katalytische Einheit einge­ drungen ist, zugeführt, und das Abgas wird dann in einer Um­ gebung auf vergleichsweise niedrigen Temperaturen von weni­ ger als 250°C katalytisch reduziert, wodurch der Anteil der Stickoxide im Abgas erabgesetzt wird.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herabsetzen des Stickoxidanteils in einer Verbrennungsvorrichtung, die eine kontinuierliche Verbren­ nung durchführt, bei dem die im Verbrennungsabgas, das Sau­ erstoffgas enthält und durch Verbrennung eines zugeführten Brennstoffs in der Verbrennungsvorrichtung erzeugt worden ist, enthaltenen Stickoxide in ihrem Anteil reduziert wer­ den, indem sie durch eine katalytische Einheit geführt wer­ den, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Zuführen von Wasserstoffgas zum Verbrennungsabgas, das in die katalytische Einheit eindringt; und
katalytisches Reduzieren des Verbrennungsabgases, dem das Wasserstoffgas zugeführt worden ist, innerhalb der kataly­ tischen Einheit in einer Umgebung auf einer vergleichsweise niedrigen Temperatur von weniger als 250°C, um auf diese Weise den Anteil der Stickoxide herabzusetzen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsvorrichtung ein Stirlingmotor ist.
3. Vorrichtung zum Herabsetzen des Stickoxidanteiles in einer Verbrennungsvorrichtung, die eine kontinuierliche Ver­ brennung durchführt, gekennzeichnet durch:
eine Brennkammer (1);
erste Zuführeinrichtungen zum Versorgen der Brennkammer (1) mit Brennstoff und Luft;
einen Abgaskanal (4) zum Abführen des durch Verbrennung in der Brennkammer (1) erzeugten Abgases;
im Abgaskanal (4) angeordnete katalytische Einrichtungen (5) zum Reinigen des Abgases von toxischen Komponenten; und zweite Zuführeinrichtungen zum Zuführen von Wasserstoffgas zum Abgas, das in die katalytischen Einrichtungen (5) ein­ dringt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Zuführeinrichtungen die folgenden Bestand­ teile umfassen:
Einrichtungen (16) zum Zuführen von entionisiertem Wasser; Mischeinrichtungen (61) zum Mischen des entionisierten Was­ sers der Einrichtung (60) mit einem Teil des Brennstoffs von den ersten Zuführeinrichtungen;
einen Dampfreformer (62), der mit dem Gemisch aus entioni­ siertem Wasser und Brennstoff von den Mischeinrichtungen (61) versorgt wird, wobei die Mischeinrichtungen in der Brennkammer (1) an einer Stelle montiert sind, an der eine vorgegebene Temperatur erreicht wird; und
Heiß- und Kalt-Shift-Converter (64), die an die Wasserdampf­ modifiziereinrichtungen angeschlossen sind, um Wasserstoff­ gas zu erzeugen, das dem Abgas im Abgaskanal (4) zugeführt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Zuführeinrichtungen die folgenden Bestand­ teile umfassen:
Wasserstofferzeugungseinrichtungen zum Erzeugen von Wasser­ stoffgas;
erste Regeleinrichtungen zum Versorgen der Wasserstofferzeu­ gungseinrichtungen mit einem geregelten Strom eines Teiles des Brennstoffs von den ersten Zuführeinrichtungen; und
zweite Regeleinrichtungen zum Versorgen der Wasserstoffer­ zeugungseinrichtungen mit einem geregelten Strom eines Tei­ les der Luft von den ersten Zuführeinrichtungen;
wobei die Wasserstofferzeugungseinrichtungen einen partiel­ len Verbrennungsprozeß durchführen und auf diese Weise das Wasserstoffgas erzeugen, das dann dem Abgas im Abgaskanal zugeführt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Zuführeinrichtungen Wasserstofferzeugungs­ einrichtungen (66) zum Erzeugen von Wasserstoffgas durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung einer Protonen-lei­ tenden Membran umfassen, wobei das erzeugte Wasserstoffgas dem Abgas im Abgaskanal zugeführt wird.
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