Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ein- Stellung der Zündeigenschaft eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs durch thermische, katalytische und Oxidationsreaktionen. Nach dem Start ist keine externe Energiezufuhr von außen erforderlich. Die Wärme für die ther- mischen und/oder katalytischen Reaktionen wird durch eine Oxidation eines zugeführten Oxidationsmittels mit einem Teil des zugeführten Brennstoffs auf einem Katalysator bereitgestellt. Das Verfahren und die Vorrichtung beinhal- ten eine Verteilungszone, die eine Verteilungsstruktur enthält, auf der flüssige Brennstoffe verdampft werden können. Die Oxidationsreaktionen stellen ebenso die Wärme für eine Verdampfung flüssiger Brennstoffe bereit. Ferner wird die Wärme dazu genutzt, den Brennstoff katalytisch und/oder thermisch umzuwandeln. Dadurch kann die Brennstoffeigenschaft gezielt an verschiede- ne Anwendungen angepasst werden. Das hier beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung kann aus einem Brennstoff mit einer hohen Cetanzahl, entsprechend ergeben sich kurze Zündverzugszeiten und niedrige Zündtemperaturen, einen Brennstoff mit einer hohen Oktanzahl, entspre- chend ergeben sich längere Zündverzugszeiten und höhere Zündtemperatu- ren, erzeugen. Der Brennstoff kann so eingestellt werden, dass Schadstoffe wie Ruß und Stickoxide in einer Verbrennungseinheit, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, einer Gasturbine oder einem Gasbrenner gesenkt wer- den können. Zudem kann der Wirkungsgrad erhöht werden. Es können erst- mals auch flüssige Brennstoffe verdampft und so umgewandelt werden, dass sie in Gasbrennern, Gasmotoren und Gasturbinen ohne Modifikationen einge- setzt werden. Der Brennstoff kann mit der vorliegenden Erfindung an die je- weilige Anwendung angepasst werden. Der Verbrennungsmotor wird zumindest noch für längere Zeit die dominie- rende Antriebsform sein. Die Automobilindustrie steht vor einer gewaltigen Aufgabe, um eine ressourcenschonende, nachhaltige Mobilität zu gewährleis- ten. Die größte Herausforderung ist dabei die Reduzierung der Treibhausgase und Emissionen wie Stickoxide und Ruß. Die Rußpartikel und NO _x -Emissionen müssen derzeit durch aufwendige Abgasnachbehandlungssysteme wie Ruß- partikelfilter, SCR-Technik (Selective Catalytic Reduction) und/oder NO _x - Speicherkatalysatoren in Verbindung mit innermotorischen Maßnahmen (ge- kühlte Abgasrückführung und Ladeluft) reduziert werden. Abgasnachbehand- lungssysteme sind aufgrund ihrer hohen Edelmetallbeladungen der Katalysa- toren und großer Komplexität teuer, erhöhen das Gewicht und den Kraftstoff- verbrauch.

Derzeit untersuchen zahlreiche Firmen und Forschungseinrichtungen alterna- tive Brennverfahren, um die Schadstoffe auch ohne bzw. mit einer reduzier- ten Abgasnachbehandlung abzusenken. Das größte Potential wird dabei den homogenen Brennverfahren zugeschrieben (S. Raming:„Energiemanagement in Kraftfahrzeugen", Schriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Energie- technik, Band 56, 2006, S. 108).

Durch das homogene Brennverfahren können innermotorisch die Stickoxid- und Rußemissionen reduziert und gleichzeitig der thermische Wirkungsgrad weiter erhöht werden. Die Herausforderung des homogenen Brennverfahrens ist die Gemischbildung, die Kontrolle der Zündverzugszeit und Zündtempera- tur sowie der Einsatz bei Volllast und in volllastnahen Betriebspunkten im Mo- torkennfeld. Das homogene Brennverfahren kann bislang mit einem Kraftstoff nur im unteren Leistungsbereich des Motorkennfelds betrieben werden. Um den Leistungsbereich zu erweitern, muss die Kraftstoffeigenschaft dynamisch angepasst werden (X. Lu et al. Fuel design and management for the control of advanced compression-ignition combustion modes. Progress in Energy and Combustion Science 37 (2011) 741-783).

Für viele Anwendungen im Stand der Technik ist es notwendig oxidierbare flüssige Substanzen, wie z.B. Benzin, Diesel, Bioöle, ein- und mehrwertige Al- kohole, Aldehyde, Ether, Carbonsäuren, Aromaten und Amine, zu verdamp- fen. Zusätzlich ist es für einige Anwendungen von Interesse, die Substanz nicht nur zu verdampfen, sondern gleichzeitig die Moleküle der Ausgangssubstanz in energiereiche kleinere Moleküle, wie z.B. Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder organische Moleküle mit C-C-Doppelbindungen, aufzuspalten. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften der Ausgangssubstanz gezielt an die Anwendung anzupassen. Mögliche Anwendungen finden sich z.B. bei der Verbrennung in Motoren oder Brennern, bei der Reformierung, beim Aufbau chemischer Ver- bindungen mittels chemischer Synthesen, bei Raffinerieprozessen oder in der petrochemischen Industrie.

Bislang mussten für solche Anwendungen mehrere„unit Operations" hinter- einander geschaltet werden, eine für die Verdampfung der Substanz und eine für die thermische Aufspaltung der Substanz.

Für den ersten Schritt, die Verdampfung, werden nach dem Stand der Technik Vorrichtungen eingesetzt, die auf dem Prinzip der Energiezufuhr in Form von elektrischem Strom, Mikrowellen oder Wärme von außen mittels indirekter Wärmeübertragung beruhen. All diese Wege sind jedoch mit Wärmeübertra- gungswiderständen und Wärmeverlusten behaftet.

Wird mit elektrischem Strom oder mit Mikrowellen beheizt, bedeutet es unter exergetischen Gesichtspunkten einen hohen Aufwand, diese Energieformen bereit zu stellen. Abwärme aus einem Prozess kann in diesen Fällen nicht di- rekt genutzt werden. Im Falle der Energiezufuhr durch elektrischen Strom o- der Mikrowellen sind Energiequellen für elektrischen Strom bzw. Mikrowellen erforderlich, was z.B. an Bord von Fahrzeugen schnell zu Limitierungen der verfügbaren Energiemenge führt.

Im Falle der Energiezufuhr in Form von Prozesswärme oder Abwärme, die in der Prozesstechnik sehr weit verbreitet ist, sind große Übertragungsflächen erforderlich, um technisch und wirtschaftlich sinnvolle Wärmströme zu errei- chen (siehe z.B. Rohrbündel- oder Plattenwärmeüberträger).

Im Stand der Technik sind zwar einige Wärmeüberträger und Verdampfer mit direkter Wärmeübertragung beschrieben, doch wird hier meist lediglich die Energie von einem warmen, gasförmigen Medium bereitgestellt, das durch den Apparat strömt.

Der zweite Prozessschritt, die thermische Aufspaltung der Moleküle, ist weit verbreitet in der chemischen und vor allem in der petrochemischen Industrie. Doch auch bei Prozessen zur Abfallverwertung spielt das thermische Cracken, auch Pyrolyse genannt, eine Rolle.

Zum thermischen Cracken von Erdölfraktionen und auch zur Pyrolyse von Ab- fällen (Hausmüll, Plastikfraktionen, etc.) ist zahlreicher Stand der Technik be- kannt. Wiederum wird in den allermeisten Fällen die Energie, die für das en- dotherme thermische Cracken erforderlich ist, von außen zugeführt, also von einer externen Wärmequelle.

Ein Verfahrenskonzept, bei dem die zum Cracken erforderliche Energie teil- weise aus dem zu crackenden Stoff selbst stammt, ist z.B. das„Kalte Flamme"- Prinzip. Es wurde von Naidja et al. (A. Naidja, CR. Krishna, T. Butcher, D. Mah- jan, Progr. Ener. Combust. Sei. 29, 2003, 155-191) ausführlich beschrieben. Das„Kalte Flamme"-Prinzip nutzt den Effekt, dass eine unterstöchiometrische

Mischung von Luft und Brennstoff chemisch reagiert und dabei leicht bläuli- ches Licht, die sogenannte,„Kalte Flamme" emittiert. Die Energie, die bei der partiellen Oxidation des Brennstoffs frei wird, bricht die Moleküle des Brenn- stoffs auf, die jedoch rasch wieder rekombinieren und dabei stabile organi- sehe Verbindungen, wie Alkohole, Peroxide, Aldehyde und Kohlenmonoxid, bilden.

In diesem Zusammenhang beschäftigen sich z.B. die EP 1 533 494 A2 sowie die US 6,872,482 E2 mit der Verwendung des„Kalte Flamme"-Prinzips bei Ver- brennungsvorgängen in Motoren oder bei der Reformierung fossiler Brenn- stoffe zur Wasserstofferzeugung für Brennstoffzellensysteme.

Das„Kalte Flamme"-Prinzip, bei welchem kein Katalysator verwendet wird, hat jedoch den Nachteil, dass eine gewisse Temperatur von ca. 500 °C nicht überschritten werden darf, da es sonst zur Hauptwärmefreisetzung kommen kann. Die Luft muss im Reaktor zirkuliert werden. Zudem hat die kalte Flamme einen starken Druckeinfluss, der den Temperaturbereich stark einengt. Im Weiteren können schnelle Startzeiten nur mit einer hohen Startenergie er- reicht werden, da der Luftstrom auf ca. 300 bis 450 °C erwärmt werden muss.

Aus DE 10 2006 060 669 AI ist ein Verfahren bekannt, das die katalytische Verdampfung und Vergasung flüssiger Brennstoffe in der Anwendung für Heizölkessel und die Reformierung flüssiger Brennstoffe zur Umsetzung in Brennstoffzellen beschreibt.

Aus der DE 10 2010 012 945 AI ist eine Vorrichtung zur Verdampfung von flüssigen Kraftstoffen bekannt. Die Vorrichtung verfügt über ein konzentriert um einen Lufteiniass angeordnetes Katalysatorsystem. Um das Katalysatorsys- tem herum ist konzentrisch poröses Material angeordnet, das den Kraft- und/oder Brennstoff aufnehmen kann. Das poröse Material ist vom Katalysa- torsystem über einen dazwischen liegenden Raum getrennt. Es wird nur auf die Verdampfung des Kraft- und/oder Brennstoffs in Folge unterstöchiometri- scher, katalytiscner Oxidation abgestellt. Kurzkettige Kohlenwasserstoffe fal- len bei dieser Art der Reaktionsführung nur als unerwünschte Nebenprodukte, in verfahrenstechnisch vernachlässigbarer Konzentration (<o,5 vol.-%), an.

Nach dem Stand der Technik ist es nicht möglich die Zündeigenschaft von oxy- dierbaren flüssigen Substanzen, wie z.B. Benzin, Diesel, Bioöle, ein- und mehrwertige Alkohole, Aldehyde, Ether, Carbonsäuren, Aromaten und Amine, in einem Gehäuse ohne Energiezufuhr von außen einzustellen.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung der Zündeigenschaft aus Brennstoffen anzugeben, welches die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Einstellung der Zündeigenschaft eines Brennstoffs mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Pa- tentanspruch 16 gibt zudem eine entsprechende Vorrichtung zur Einstellung der Zündeigenschaft eines Brennstoffs. Die jeweilig abhängigen Patentansprü- che stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Einstellung der Zündeigenschaft eines Brennstoffs, nutzend eine Einheit, welche mindestens eine Verteilungs- zone, mindestens eine Oxidationszone und mindestens eine Umwandlungszo- ne aufweist, vorgeschlagen

Dabei wird in der Verteilungszone, welche eine Verteilungsstruktur aufweist, Brennstoff verteilt. In der Oxidationszone wird zumindest ein Teil des Brenn- stoffs mit mindestens einem Oxidationsmittel an mindestens einem Katalysa- tor auf einem Katalysatorträger oxidiert. in der Umwandlungszone wird zu- mindest ein Teil des verteilten Brennstoffs und/oder eines anderen zugeführ- ten Brennstoffs thermisch und/oder katalytisch umgewandelt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch das Molverhältnis von im Oxidationsmittel enthaltenen Sauerstoff zum zur vollständigen Oxidation des vorhandenen Brennstoffes benötigten Sauerstoff, die Zündeigenschaft einge- stellt wird.

Alternativ oder zusätzlich kann die Einstellung der Zündeigenschaft auch durch den Druck in der Einheit, und/oder die Verweilzeit und/oder die Tempe- ratur eingestellt werden. Dabei wird nicht verkannt, dass die genannten Mög- lichkeiten vielfach nicht unabhängig voneinander sind. So gibt es gewisse Zu- sammenhänge etwa zwischen Druck und Verweilzeit.

An dieser Stelle soll der Begriff Zündeigenschaft definiert werden. Hierzu sol- len zunächst die bekannten Größen Zündverzugszeit und Zündtemperatur dargestellt werden.

Die Zündtemperatur ist diejenige Temperatur, auf die man einen Stoff oder eine Kontaktoberfläche erhitzen muss, damit sich eine brennbare Substanz, sei es ein Feststoff, eine Flüssigkeit, deren Dämpfe oder Gas, in Gegenwart von Luft ausschließlich aufgrund seiner Temperatur - also ohne Zündquelle wie einen Zündfunken - selbst entzündet. Sie ist bei jedem Stoff unterschied- lich hoch und in vielen Fällen vom Druck abhängig.

Bei der Injektion eines Kraftstoff/Luft-Gemisches tritt ein Verzug zwischen der Injektion und dem Beginn der Hauptwärmefreisetzung auf. Dieses Zeitintervall kennzeichnet die Zündverzugszeit. Die Zündverzugszeit setzt sich aus radikal- induzierten Zeitintervallen zusammen und ist für jeden Brennstoff spezifisch und ist abhängig von Druck und Temperatur.

Die Cetanzahl beschreibt die Zündwilligkeit eines Kraftstoffes. Je höher die Cetanzahl desto zündwilliger ist der Kraftstoff. Dieses Verhalten ist bei Die- selmotoren erwünscht, verursacht aber aufgrund der molekularen Zusam- mensetzung und des Brennverfahrens hohe Ruß- und Stickoxidemissionen. Die Oktanzahl ist reziprok zu der Cetanzahl, eine hohe Oktanzahl bedeutet, dass der Brennstoff zündunwilliger ist. Benzin bspw. hat eine hohe Oktanzahl und muss im Motor über eine Fremdzündung, normalerweise eine Zündkerze, gezündet werden. Für alternative Brennverfahren ist es erforderlich, die Zündwilligkeit dynamisch anzupassen, bei niedrigen Lasten muss der einge- setzte Brennstoff eher zündwillig sein, mit höheren Lasten soll dagegen die Zündwilligkeit herabgesetzt werden. Die Cetanzahl wird in einem standardi- sierten Verfahren bei einem Druck und einer Temperatur bestimmt. Die Cetanzahl (oder Oktanzahl) ist deshalb nicht geeignet, um den gesamten

Brennverlauf zu beschreiben. Es muss deshalb ein detaillierter Verlauf der Zündverzugszeit in Abhängigkeit von Druck und Zündtemperatur bestimmt werden. Nur so können dynamische Verbrennungsprozesse ausreichend be- schrieben werden. In der vorliegenden Erfindung kann die Zündverzugszeit und die Zündtemperatur mit dem Verfahren und der Vorrichtung im gesam- ten Druck und Temperaturbereich dynamisch zwischen Diesel, Benzin und darüber hinaus eingestellt werden.

Vorliegend wird gerade nicht auf die bei Standardbedingungen bestimmte Cetanzahl abgestellt, sondern es interessiert die Zündverzugszeit und/oder

Zündtemperatur bei den verschiedenen, regelmäßig von den Standardbedin- gungen abweichenden, Werten von Druck und Temperatur. Insofern wird all- gemein von der Zündeigenschaft des Brennstoffs gesprochen. Aus der Zündei- genschaft ergeben sich dann bei den jeweiligen Werten von Druck und Tem- peratur die Zündverzugszeit und/oder die Zündtemperatur.

Die gezielte Wahl des Molverhältnisses und/oder der anderen genannten Pa- rameter erlaubt eine Beeinflussung der Zündeigenschaft. Das Verfahren er- laubt also eine gezielte Beeinflussung der Eigenschaften von Brennstoff und damit eine Anpassung des Brennstoffs an die jeweiligen Anforderungen. Ins- besondere bei Verbrennungsmotoren sind die Anforderungen an den Brenn- stoff für eine optimale Verbrennung von der Last abhängig. Daher bringt ein vergleichsweise einfaches Verfahren zur Anpassung des Brennstoffs an die jeweiligen Anforderungen deutliche Vorteile.

In einer wichtigen Ausführungsform kann in der Verteilungszone eine Ver- dampfung von flüssigem Brennstoff erfolgen. Insoweit kann die Verteilungs- zone auch als Verdampfungszone bezeichnet werden. Im Regelfall sollte der Brennstoff in der Oxidationszone und in der Umwandlungszone zumindest überwiegend gasförmig vorliegen. Wie nachfolgend dargestellt, kann dies auch energetisch günstig erfolgen. In einer Ausführungsform wird zumindest ein Teil der durch die Oxidation ent- stehenden Wärme in die Verteilungszone und/oder in die Umwandlungszone übertragen. Damit kann die bei der Oxidation freiwerdende Wärme effizient genutzt werden. Es versteht sich, dass in der Verteilungszone vor allem dann

Wärme benötigt wird, wenn dort eine Verdampfung erfolgt.

In einer Ausführungsform wird die Wärme durch Konvektion und/oder Strah- lung übertragen. Wärmeleitung ist nicht auszuschließen, spielt in der Regel aber eine untergeordnete Rolle. Im Regelfall stehen Oxidationszone, Vertei- lungszone und Umwandlungszone in Strahlungskontakt, so dass ein gewisser Wärmeaustausch durch Strahlung erfolgt. Entscheidend kommt aber hinzu, dass ein Wärmeaustausch durch Konvektion erfolgt. Dies setzt freilich voraus, dass eine Strömung von der Oxidationszone in die Verteilungszone und Um- wandlungszone erfolgt. Eine Strömung von der Oxidationszone in die Um- wandlungszone ist im Stand der Technik bekannt und ergibt sich allein daraus, dass die Umwandlung der Oxidation folgt und der teilweise oxidierte Brenn- stoff in die Umwandlungszone strömt. Eine Strömung von der Oxidationszone in die Verteilungszone, die wie dargestellt bei flüssigen Brennstoffen zugleich die Verdampfungszone ist, ist hingegen nicht bekannt. Im Normalfall ist allen- falls eine Strömung von der Verteilungszone in die Umwandlungszone be- kannt. Wenngleich eine derartige Strömung auch vorliegend erfolgen muss, ist es ein wesentlicher Beitrag auch eine Strömung von der Oxidationszone in die Verteilungszone zu bewirken. Dabei ist klar, dass es unterschiedliche Bereiche zwischen Oxidationszone und Verteilungszone geben muss, so dass Bereiche vorhanden sind, in denen eine Strömung von der Oxidationszone in die Vertei- lungszone erfolgt und weitere Bereiche vorhanden sind, in denen eine Strö- mung von der Verteilungszone in die Oxidationszone auftritt. Unter üblichen Bedingungen erfolgt etwa die Hälfte der Wärmeübertragung durch Konvektion, während die andere Hälfte durch Wärmestrahlung erfolgt. Auch in Absatz [0017] der DE 10 2006 060 669 AI wird eine Wärmekonvektion vom Katalysator durch den mit Brennstoffdampf und Luft gefüllten Abstand zur Schicht mit Brennstoff erwähnt. Bei näherer Betrachtung, insbesondere der Figur 1 der DE 10 2006 060 669 AI ist jedoch zu erkennen, dass es sich um einen untergeordneten Effekt handelt. Entsprechend ist am Ende von Absatz [0017] der DE 10 2006 060 669 AI auch erwähnt, dass die Wärmestrahlung überwiegt.

In einer Ausführungsform wird das Oxidationsmittel so auf die Verteilungszo- ne geleitet, dass dieses anschließend zusammen mit dem Brennstoff in die Oxidationszone und/oder Umwandlungszone geleitet wird. Dabei ist zu be- achten, dass das Oxidationsmittel als Teil eines Gemischs zur Verteilungszone strömen kann. Durch diese Strömung wird die oben beschriebene Wärmekon- vektion erzielt.

In einer Ausführungsform wird die für die Verdampfung und thermische und/oder katalytische Umwandlung erforderliche Energie im Wesentlichen durch die Oxidation gewonnen. Dies soll nicht ausschließen, dass insbesonde- re in der Startphase eine zusätzliche Beheizung erforderlich ist. Solange kein gegebenenfalls verdampfter Brennstoff vorliegt, der oxidiert werden kann, ist auch keine Wärme aus der Oxidation vorhanden, die zur Verdampfung ge- nutzt werden kann. Von derartigen Sondersituationen abgesehen ist es mög- lich die zur Verdampfung und zur Umwandlung erforderliche Energie aus der Oxidation zu gewinnen.

In einer Ausführungsform werden insbesondere in der Oxidationszone Oxida- tionsmittel, Brennstoff und Zwischenprodukte vermischt. Dies erfolgt vor al- lem in Zusammenhang mit der oben genannten Strömung von der Oxidations- zone in die Umwandlungszone und umgekehrt. Durch diese Strömungsver- hältnisse erfolgen besondere, im Stand der Technik nicht bekannte Durchmi- schungen, welche zur Umwandlung des Brennstoffs und damit zur Einstellung der Zündeigenschaft beitragen. Die dabei entstehenden und strömenden Gas- gemische können zur Wärmeübertragung durch Konvektion beitragen.

In einer Ausführungsform enthält das Oxidationsmittel Sauerstoff oder sauer- stoffhaltige Medien, insbesondere Luft oder Abgase mit Restsauerstoff. Zur Oxidation ist es also nicht erforderlich, dass besonders reiner Sauerstoff vor- liegt. Es genügt Luft und in vielen Fällen sogar Abgas mit Restsauerstoff

In einer Ausführungsform beträgt der Druck in der Einheit 0,01 bis 100 bar, bevorzugt zwischen 0,01 - 50bar, besonders bevorzugt 0,05 bis 10 bar. Diese Druckbereiche haben sich bewährt. Beim angegebenen Druck handelt es sich um einen Überdruck im Vergleich zur Umgebung.

In einer Ausführungsform ist der Brennstoff ausgewählt aus Brennstoffen wie Benzin, Diesel, Bioöle, Pyrolyseöle, Biodiesel, Schweröl, Alkohole, Fischer-

Tropsch-Kraftstoffe, Dimethylether, Diethylether, Oxymethylenether (OME1 - OME10 und Mischungen), Ester, Aldehyde, Aromate, Amine, Carbonsäuren, Alkane - hier vor allem Methan, Ethan, Propan, Butan - Erdgas, Fackelgase, Deponiegase, Biogase und Mischungen hieraus. Anhand der genannten Bei- spiele wird klar, dass es sich normal um flüssige oder gasförmige Brennstoffe handelt. Die Nutzung fester Brennstoffe soll nicht ausgeschlossen werden, dürfte sich wegen der Handhabung aber schwierig gestalten.

In einer Ausführungsform beträgt das Molverhältnis von im Oxidationsmittel enthaltenen Sauerstoff zum zur vollständigen Oxidation des vorhandenen

Brennstoffes benötigten Sauerstoff von 0,03 bis 0,9, bevorzugt von 0,05 bis 0,4 besonders bevorzugt von 0,1 bis 0,3, beträgt. Derartige Werte haben sich bewährt. In einer Ausführungsform wird die Zündeigenschaft zusätzlich über mindes- tens einen der folgenden Parameter eingestellt:

die Abstände zwischen Oxidationsmitteleinlass, Katalysator und Verdamp- fe rstruktur,

Position und/oder Dimension und /oder Anzahl und/oder Form des Oxidati- onsmittel- und Brennstoffeinlasses,

Strömungsfeld des Oxidationsmittels

Struktur und Zelldichte des Katalysatorträgers

dem Katalysatormaterial sowie dessen Verteilung auf dem Katalysatorträger Anordnung und Form des Auslasses.

Hierzu ist darzustellen, dass mehrere Einlässe vorgesehen werden können, die geschlossen und geöffnet werden können, wobei auch ein teilweises Öffnen oder Schließen möglich ist. Der Oxidationsmittel- und Brennstoffeinlass kann beispielsweise, rund, flach oder eckig sein. Damit kann eine Beeinflussung des Verfahrens erfolgen. Das Strömungsfeld des Oxidationsmittels beschreibt an welcher Stelle, in wel- cher Richtung mit welcher Geschwindigkeit Oxidationsmittel fließt. Dies ist letztlich abhängig von den geometrischen Bedingungen, also Aufbau der Ein- heit, Abstände der Einlässe und dergleichen sowie des eingestellten Volumen- Stroms und des vorherrschenden Drucks.

Es ist zu beachten, dass manche Parameter von der genutzten Vorrichtung abhängen und daher während des Betriebs nicht beeinflusst werden können. Dazu gehört etwa normalerweise die Struktur und Zelldichte des Katalysator- trägers. Anders verhält es sich etwa mit Einlässen, die während des Betriebs geschlossen und geöffnet werden können.

Auch die Anordnung und Form des Auslasses ist grundsätzlich durch die Ein- heit vorgegeben. Freilich wäre auch hier denkbar etwa ein in die Einheit ra- gendes Rohr mit verschiedenen schaltbaren Öffnungen vorzusehen. Würde etwa eine weiter hineinragende Öffnung geöffnet, könnte damit gleichsam die Umwandlungszone verkürzt werden. Dies könnte in manchen Betriebszustän- den gewünscht sein. In einer Ausführungsform wird der umgewandelte Brennstoff einer Verbren- nungseinrichtung, bevorzugt einem Verbrennungsmotor, wie z.B. einem Ben- zinmotor, einem Dieselmotor oder einem Gasmotor, einer Turbine oder ei- nem Brenner zugeführt. In einer Ausführungsform wird die Einstellung der Zündeigenschaft derart geregelt, dass unter Berücksichtigung der variablen Leistungsanforderungen an die Verbrennungseinrichtung ein Schadstoffausstoß, insbesondere der NOx und Rußausstoß, der Verbrennungseinrichtung gesenkt wird. Durch die Rege- lung mit dem Ziel der Reduzierung des Schadstoffausstoßes wird erreicht, dass die Umwandlung des Brennstoffs dahingehend optimiert wird. Freilich wird es in manchen Fällen nicht sinnvoll sein, eine maximale Schadstoffreduk- tion anzustreben. Es kann beispielweise auch sinnvoll sein, einen etwas höhe- ren Schadstoffausstoß hinzunehmen, wenn dies einen deutlich niedrigeren Verbrauch ermöglicht.

In einer Ausführungsform wird der umgewandelte Brennstoff einer Abgas- nachbehandlungseinrichtung zugeführt. Vielfach ist es üblich dem Abgas in ausgewählten Zeitabschnitten Brennstoff zuzuführen. Dazu werden verbreitet Injektoren genutzt, welche dem Abgas zwischen Motor und Oxidationskataly- sator Brennstoff zugeben. Dieser Brennstoff kann zu einer erhöhten Wärme- freisetzung in einem Oxidationskatalysator führen und den Abgasstrom auf- heizen. Dieser aufgeheizte Abgasstrom kann dazu dienen Ruß, der sich an ei- nem Rußpartikelfilter befindet, abzubrennen. Damit wird der Rußpartikelfilter regeneriert. Um diese Wärmefreisetzung zu ermöglichen darf eine sogenannte Anspring- temperatur des Oxidationskatalysators nicht unterschritten werden. Durch Einsatz des umgewandelten Brennstoffs anstelle von konventionellem Brenn- stoff kann diese Anspringtemperatur abgesenkt werden. Damit entfällt oft die Notwendigkeit den Oxidationskatalysator zu beheizen. Dies ist bisher deshalb oft notwendig, da durch innermotorische Maßnahmen wie Abgasrückführung und hohe Aufladungen die Abgastemperatur nach dem Motor zunehmend sinkt.

Eine effiziente Abgasnachbehandlung ist daher im Stand der Technik nicht immer möglich. Durch den umgewandelten Brennstoff kann eine ausreichen- de Anhebung der Abgastemperatur leichter erfolgen. Damit kann eine signifi- kante Senkung des Schadstoffausstoßes erreicht werden. Dies ist vor allem bei niedriger Betriebstemperatur und/oder niedriger Last gegeben. Dies tritt bei Kraftfahrzeugen oft im innerörtlichen Betrieb auf, bei dem die Schadstoffe für den Menschen besonders schädlich sind.

Der umgewandelte Brennstoff kann ferner dazu dienen, Stickoxide in Spei- cherkatalysatoren in einem breiten Temperaturfenster zu reduzieren. Dadurch werden Stickoxide auch bei tiefen Abgastemperaturen zuverlässig reduziert.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Einstellung der Zündeigen- schaft mindestens eines Brennstoffs enthaltend mindestens einen Brennstof- feinlass und mindestens einen Oxidationsmitteleinlass.

Ferner ist mindestens eine Verteilungszone zur Verteilung des Brennstoffs mit mindestens einer Verteilerstruktur für den Brennstoff,

mindestens eine Oxidationszone zur zumindest teilweisen Oxidation des

Brennstoffs enthaltend mindestens einen Katalysatorträger mit mindestens einem Katalysator,

mindestens eine Umwandlungszone zur zumindest teilweisen katalytischen und/oder thermischen Umwandlung des Brennstoffs und

mindestens einem Auslass für Brennstoff mit veränderter Zündeigenschaft vorgesehen.

Dabei sind der Oxidationsmitteleinlass, der Katalysatorträger und die Vertei- lungszone so angeordnet und ausgestaltet, dass in der Oxidationszone ent- standene Wärme an ein in die Verteilungszone und/oder Umwandlungszone strömendes Gas oder Gasgemisch übertragen werden kann.

Wenngleich eine Ausführung des Verfahrens auch mit einer anderen Vorrich- tung als der hier beschriebenen möglich sein mag, so ist doch die Vorrichtung besonders geeignet das vorbeschriebene Verfahren auszuführen. Zur Vermei- dung von Wiederholungen wird daher ergänzend zu den nachfolgenden Be- trachtungen auf die Beschreibung des Verfahrens verwiesen.

Zunächst soll klargestellt werden dass sich die Vorrichtung wie das Verfahren nicht nur für jeweils einen reinen Brennstoff eignet. Es ist durchaus möglich verschiedene Brennstoffe oder Brennstoffgemische zu verarbeiten.

Der Anordnung und Ausgestaltung von Oxidationsmitteleinlass, Katalysator- träger und Verteilungszone in einer Weise, dass in der Oxidationszone ent- standene Wärme an ein in die Verteilungszone und/oder Umwandlungszone strömendes Gas oder Gasgemisch übertragen werden, kommt besondere Be- deutung zu. Damit ist es möglich einen gezielten Wärmetransport von der Oxidationszone in die Verteilungszone und in die Umwandlungszone zu be- wirken. Da vom Ablauf des Prozesses vor der Oxidation zunächst eine Vertei- lung, im Falle flüssiger Brennstoffe auch eine Verdampfung, in der Vertei- lungszone erfolgt, ergibt sich eine derartige Strömung nicht von selbst, viel- mehr ist eine bewusste Anordnung erforderlich. Bei dem strömenden Gas oder Gasgemisch handelt es sich im Regelfall um das aus dem Oxidationsmit- teleinlass stammende Gas oder Gasgemisch, welches durch die Oxidationszo- ne oder entlang der Oxidationszone in die Verteilungszone strömt. Freilich können sich auch Vermischungen, etwa mit bereits oxidiertem Brennstoff oder mit Zwischenprodukten der Oxidation und der Umwandlungsreaktions- Produkte ergeben.

Dabei ist es möglich, dass die Vorrichtung genau eine Reaktionskammer ent- hält, wobei die Reaktionskammer die mindestens eine Verteilungszone, die mindestens eine Oxidationszone und die mindestens eine Umwandlungszone aufweist. Im Regelfall ist die Vorrichtung in einem Gehäuse untergebracht.

Wenngleich von einem Auslass für Brennstoff mit veränderter Zündeigen- schaft gesprochen wird, muss klar sein, dass durch den Auslass auch andere Gase, etwa nicht umgewandelter, in zugeführter Luft enthaltener Stickstoff, strömen kann.

Wie bereits erwähnt ist in einer Ausführungsform die Verteilungszone derart ausgebildet, dass flüssiger Brennstoff in der Verteilungszone verdampft wer- den kann.

In einer Ausführungsform ist der Katalysatorträger so zwischen der Vertei- lerstruktur für den Brennstoff und dem Oxidationsmitteleinlass angeordnet, dass aus dem Oxidationsmitteleinlass strömendes Gas oder Gasgemisch so auf die Verteilungszone geleitet wird, dass dieses anschließend zusammen mit dem Brennstoff in die Oxidationszone und/oder Umwandlungszone abgeleitet wird.

Zunächst ist darzustellen, dass am Oxidationsmitteleinlass in der Regel Luft eingeblassen wird, also ein Gasgemisch, welches als Oxidationsmittel Luft enthält. In jedem Fall enthält das eingeblasene Gas oder Gasgemisch Oxidati- onsmittel, normalerweise Sauerstoff. Im Regelfall wird aber kein reiner Sauer- stoff eingeblasen, sondern wie erwähnt Luft. Die geschilderte Ausführungsform wird im Regelfall dadurch realisiert, dass

Luft auf einer der Verteilungszone abgewandten Seite des Katalysatorträgers eingeblasen wird und durch den Katalysatorträger hindurch zur Verteilungs- zone strömt. Freilich gibt es eine Vielzahl weiterer Varianten. So kann auch der Katalysatorträger derart angeströmt werden, dass das Gas oder Gasge- misch, welches Oxidationsmittel enthält, vom Katalysatorträger wieder ab- prallt und in die Verteilungszone strömt, wobei Wärme vom Katalysatorträger aufgenommen und in die Verteilungszone transportiert wird.

In einer Ausführungsform weist der Katalysatorträger Ausnehmungen und/oder Strömungskanäle auf, die ein Strömen des Oxidationsmittels bis zur Verteilungszone begünstigen. Wichtig ist dabei meist freilich, dass dennoch

Wärme vom Katalysatorträger auf das strömende Oxidationsmittel übertra- gen werden kann.

In einer Ausführungsform enthält der Katalysatorträger eine offenporöse Struktur oder Strömungskanäle. Diese soll ebenfalls das Strömen des Oxidati- onsmittels begünstigen. Der Katalysatorträger kann hierzu beispielsweise ke- ramisch oder metallisch sein. In Betracht kommen eine Schaumstruktur oder eine Wabenstruktur. Es können Strömungskanäle ausgebildet sein mit einer Zelldichte von mindestens 50 - 1000 Zellen pro Quadratinch, bevorzugt zwi- sehen 200 - 600 Zellen pro Quadratinch. Die Schaumstruktur hat bevorzugt eine Porosität von 20 bis 98%, besonders bevorzugt zwischen 50% - 95%.

In einer Ausführungsform sind die Verteilerstruktur für den Brennstoff und der Katalysatorträger planar und/oder konzentrisch aufgebaut sind, wobei eine modulare Bauweise mit sich mehrfach wiederholender Anordnung mög- lich ist. Dies kann bei Bedarf in einem Stack erfolgen. Dadurch kann eine sehr große thermische Eingangsleistung in einer kompakten Einheit umgesetzt werden. Es können dadurch ebenfalls sehr große Verdampferleistungen reali- siert werden. Dies ist mit dem bisherigen Stand der Technik nicht erreichbar.

In einer Ausführungsform ist eine Anordnung in einem Stack möglich. Ge- schützt werden soll auch die tatsächliche Anordnung in einem Stack. Durch Anordnung in einem Stack ist eine kompakte Ausführung möglich. In einer Ausführungsform ist die Verteilerstruktur für den Brennstoff durch ein an der Innenwand des Gehäuses angeordnetes Vlies und/oder eine Struktu- rierung an der Gehäuseinnenwand gebildet. Damit kann bei flüssigen Brenn- stoffen die Fließgeschwindigkeit reduziert werden, so dass mehr Zeit zur Ver- dunstung zur Verfügung steht.

In einer Ausführungsform sind in mehreren Ebenen und/oder pro Ebene an mehreren Stellen Oxidationsmitteleinlässe angeordnet, wobei die Oxidati- onsmitteleinlässe in Form von Löchern und/oder Schlitzen ausgeführt sein können, und so positioniert sind, dass das Oxidationsmittel entlang und/oder durch den Katalysatorträger strömen kann. Wiederum ist klarzustellen, dass das Oxidationsmittel als Teil eines Gas oder Gasgemischs strömen kann.

Ebenso sind in einer Ausführungsform in mehreren Ebenen und/oder pro Ebene an mehreren Stellen Brennstoffeinlässe angeordnet, wobei die Brenn- stoffeinlässe in Form von Löchern und/oder Schlitzen aufgeführt sein können und so positioniert sind, dass der Brennstoff in die Verteilungszone strömen kann.

In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung vertikal, horizontal oder ge- neigt betrieben werden. Damit gibt es mehr Freiheitsgrade zum Einbau der Vorrichtung. Zudem ermöglicht dies wie schon ausgeführt beim Einsatz in ei- nem Kraftfahrzeug

In einer Ausführungsform ist eine zusätzliche Heizvorrichtung, insbesondere eine elektrische Heizvorrichtung, vorhanden. Denkbar ist auch der Einsatz von heißem Abgas zur Unterstützung der Beheizung. Die zusätzliche Heizvorrich- tung dient vor allem für den Start.

In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass der aus der Vorrichtung austretende Brennstoff einer Verbrennungseinrichtung, be- vorzugt einem Verbrennungsmotor, beispielweise einem Benzinmotor, einem

Dieselmotor oder einem Gasmotor, einer Turbine oder einem Brenner zuge- führt werden kann. Damit kann beim Betrieb der Verbrennungseinrichtung eine Schadstoffreduktion im Abgas erreicht werden.

In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Ausführung des oben ge- schilderten Verfahrens ausgebildet.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher er- läutert ohne die Erfindung auf die hier dargestellten spezifischen Ausfüh- rungsformen zu beschränken. Dabei zeigen Fig. 1 anhand einer schematischen Darstellung das erfindungsgemäße Verfah- ren,

Fig. 2 eine dreidimensionale Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3 eine Schnittdarstellung von Fig.2.,

Fig. 4 anhand einer schematischen Darstellung die erfindungsgemäße Vorrich- tung in Stackbauweise,

Fig. 5 anhand eines Diagramms den Einfluss des Drucks auf die Verteilung der Alkane im Brennstoff,

Fig. 6 anhand eines Diagramms den Einfluss des Drucks auf die Verteilung der Alkene im Brennstoff,

Fig. 7 anhand eines Diagramms den Einfluss des Drucks auf die Verteilung der Aromate im Brennstoff

Fig. 8 anhand eines Diagramms den Einfluss der Luftzahl auf die Verteilung der Alkane,

Fig. 9 die Änderung der Zündeigenschaft von Diesel zu einem Brennstoff mit Zündeigenschaften ähnlich Superbenzin

In Figur 1 ist anhand einer schematischen Darstellung das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt. Dazu ist ein Gehäuse 1 vorhanden. Auf einer Seite des Gehäuses 1 wird Luft 2 eingeblasen, welche den als Oxidationsmittel dienen- den Sauerstoff enthält. Auf der anderen Seite wird Brennstoff 3 eingebracht. Der Brennstoff 3 gelangt in eine Verteilungszone 15 in der sich ein als Vertei- lungsstruktur dienendes Vlies 4 befindet. Der Brennstoff 3 verdampft im Vlies 4 und strömt zum Katalysatorträger 5, der in der Oxidationszone 6 liegt, in der eine Oxidation erfolgt. Auf dem Katalysatorträger 5 befindet sich edelmetalli- sches Katalysatormaterial, z.B. Platin auf einem gamma-Aluminiumoxid. Zu- gleich strömt die Luft 2 durch den Katalysatorträger 5 und überträgt dabei durch Konvektion Wärme zum Vlies 4, die zur Verdampfung des Brennstoffs 3 dient. Der Wärmetransport erfolgt zusätzlich durch Wärmestrahlung und ist durch die Pfeile 8 dargestellt. Zwischen Katalysatorträger 5 und Vlies 4 gibt es also sowohl eine Strömung vom Katalysatorträger 5 zum Vlies 4 wie auch vom Vlies 4 zum Katalysatorträger 5. Einzelheiten hierzu werden später nochmals erläutert. Darüber hinaus gibt es eine durch die Pfeile 9 dargestellte Strömung in Richtung einer Umwandlungszone 10. In der Umwandlungszone 10 findet eine thermische und katalytische Umwandlung des verdampften Brennstoffs 3 statt. Schließlich verlässt umgewandelter Brennstoff 11, also Brennstoff mit veränderten Zündeigenschaften das Gehäuse 1.

In Figur 2 ist eine dreidimensionale Ansicht gezeigt, aus der die Brennstoffzu- fuhr und Oxidationsmittelzufuhr näher hervorgeht. In einer Wand des Gehäu- ses 1 sind eine Vielzahl von Brennstoffeinlässen 12, dargestellt durch Pfeile, vorhanden. In der Wand, die gegenüber der Wand mit den Brennstoffeinläs- sen 12 liegt, befinden sich viele Oxidationsmitteleinlässe 13. Man könnte auch von Lufteinlässen sprechen, da Luft 2, welche Sauerstoff als Oxidationsmittel enthält, eingeblasen wird. Somit wird also erreicht, dass in mehreren Ebenen Oxidationsmittel, besser gesagt Luft 2 enthaltend Sauerstoff als Oxidations- mittel, strömen kann.

Zu erkennen ist wiederum, dass zwischen den Wänden mit Brennstoffeinläs- sen 12 und Oxidationsmitteleinlässen 13, also im Gehäuse 1, der Katalysator- träger 5 angeordnet ist. An der Wand mit den Brennstoffeinlässen 12 ist auch das Vlies 4 zu erkennen.

Die sich im Gehäuse 1 einstellende Strömung ist in Figur 3 zu erkennen. Die Luft 2 strömt durch die Oxidationsmitteleinlässe 13 in das Gehäuse 1. Es sind hier nur beispielhaft drei Oxidationsmitteleinlässe 13 in drei Ebenen darge- stellt. Die Luft 2 strömt in diesen Bereichen durch den Katalysatorträger 5 zum Vlies 4, in dem der Brennstoff 3 verteilt wird und verdampft. In diesen Berei- chen sind im Katalysatorträger 5 Strömungskanäle 14 angeordnet, welche die Durchströmung des Katalysatorträgers 5 begünstigen. Bei der Durchströmung des Katalysatorträgers 5 nimmt die Luft bei der Oxidation freiwerdende Wär- me auf. Die Wärmeleitung im Katalysatorträger 5 ermöglicht, dass die Wärme zu den Strömungskanälen transportiert wird und dort auf die Luft 2 übertra- gen wird. Die in den Strömungskanälen 14 erwärmte Luft strömt zum Vlies 4. Dort erfolgt die Verdampfung des Brennstoffs 3. Ein Gemisch aus Luft 2 und verdampftem Brennstoff 3 strömt wieder zurück zum Katalysatorträger 5, damit dort die Oxidation des Brennstoffs 3 erfolgen kann. Der in der Luft 2 vorhandene Sauerstoff dient als Oxidationsmittel. Die Rückströmung erfolgt dabei wie ersichtlich zu den Bereichen zwischen den Strömungskanälen 14.

Dabei erfolgt auch eine Strömung durch den Katalysatorträger 5 hindurch auf die dem Vlies 4 abgewandte Seite. Von dort erfolgt eine Strömung zu den Strömungskanälen 14. Es ergeben sich also die durch die Pfeile dargestellten Walzen, derart dass in den Strömungskanälen 14 und deren Verlängerung eine Strömung von den Oxidationsmitteleinlässen 13 durch den Katalysator- träger 5 zum Vlies 4 erfolgt während in den anderen Bereichen ein Rückströ- mung erfolgt.

Hinzu kommt noch, dass eine Strömung 9 in Richtung Umwandlungszone 10 erfolgt. Somit ergibt sich eine Strömung in Richtung der Umwandlungszone

10, in der der Brennstoff katalytisch und thermisch weiter umgewandelt wird und schließlich als Brennstoff 11 mit veränderten Zündeigenschaften das Ge- häuse 1 durch einen nicht dargestellten Ausgang verlässt und zu einem Ver- brennungsmotor geführt wird.

In Figur 4 wird der Aufbau eines Stacks 15 gezeigt. Im Stack 15 sind mehrere der vorgeschilderten Anordnungen nebeneinander angeordnet. Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des umgewandelten Brennstoffs 11.

Nun sollen die stattfindenden Umwandlungen und Reaktionen für ein Beispiel detaillierter beschrieben werden. Als Ausgangsprodukt wird Diesel und Luft eingesetzt. Die Gewichtsanteile bezogen auf die Summe an Diesel und Luft sind dabei wie folgt: Alkane 22,1%, Alkene 0,6%, Aromate 7,9% und Stickstoff 51,9%.

Im Zuge der Oxidationsprozesse erfolgt teilweise eine partielle Oxidation, die im austretenden Brennstoff 11 mit veränderten Zündeigenschaften zu einem Gewichtsanteil von 0,2% Wasserstoff und 5,7% Kohlenmonooxid führt. To- taloxidationsanteile führen zu einem Gewichtsanteil von 6,9% Wasser und 8,8% Kohlendioxyd. Die Crackreaktionen, also Umwandlungsreaktionen, füh- ren zu einem Gewichtsanteil von 3,1% Alkanen, 12,5% Alkenen und 2,8% Aromaten. Mithin hat der austretenden Brennstoff 11 mit veränderten Zünd- eigenschaften eine deutlich andere Zusammensetzung als die zugeführte Luft 2 und der zugeführte Brennstoff 3. Lediglich der Gewichtsanteil des Stickstoffs bleibt mit 51,9% gleich.

Aus Figur 5 wird ersichtlich, dass bei Verwendung von Diesel als zugeführtem Brennstoff 3 im Brennstoff 11 mit veränderten Zündeigenschaften unter- schiedliche Konzentrationen von Alkanen auftreten. Auf der Rechtswertachse ist dabei die Anzahl der C-Atome des jeweiligen Alkans aufgetragen und auf der Hochwertachse der Massenstrom. Die unterschiedlichen Schattierungen geben an welcher Druck im Gehäuse 1 vorhanden ist. Die Zusammensetzung des Brennstoffs 11 mit veränderter Zündeigenschaft hängt also entscheidend vom Druck ab, bei dem die Reaktionen stattfinden.

In den Figuren 6 bis 8 ist ebenfalls auf der Rechtswertachse die Anzahl der C- Atome und auf der Hochwertachse der Massenstrom aufgetragen. Die unter- schiedlichen Schattierungen in Figuren 6 und 7 zeigen die unterschiedlichen Drücke bei den Reaktionen an. In Figur 6 ist die Verteilung der Alkene und in Figur 7 die Verteilung der Aromate aufgezeigt.

Die unterschiedlichen Schattierungen in Figur 8 zeigen die unterschiedlichen Luftzahlen an, also das unterschiedliche Massenverhältnis von Luft 2 und Brennstoff 3.

In Figur 9 ist auf der Hochwertachse die Zündverzugszeit in ms und auf der Rechtswertachse der Kehrwert der Zündtemperatur in 1/K aufgetragen. Die rechts gelegene durchgehende schwarze Kurve zeigt den Verlauf von unver- ändertem Diesel. Die graue Kurve mit Quadraten zeigt den Verlauf von Brenn- stoff mit veränderten Zündeigenschaften, wobei die Veränderung bei einem Druck von 0,3 bar erfolgt ist. Die graue Kurve mit Dreiecken zeigt den Verlauf, wenn die Umwandlung bei einem Druck von 1,1 bar erfolgt ist. Die graue Kur- ve mit Rauten zeigt den Verlauf von unverändertem Superbenzin mit einer Oktanzahl von 95. Es ist also zu erkennen, dass die Zündeigenschaft von Diesel durch das Verfahren der Zündeigenschaft von Superbenzin angenähert wer- den kann.