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Die
Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsraum,
welchem ein mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff zugeführt
wird, und mit einem Elektrolysebehälter, welcher mit dem
Verbrennungsraum verbunden ist und in welchem Wasserstoff mittels
Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird. Ebenso betrifft die Erfindung ein
Verfahren zum Betrieb einer derartigen Verbrennungskraftmaschine.
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Die
Verwendung von elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff bei Verbrennungskraftmaschinen ist
an sich bekannt. So kann Wasserstoff beispielsweise entsprechend
der
EP 0721 794 A1 bzw.
entsprechend der
EP
0 721 795 A1 zur Abgasnachbehandlung durch katalytische
NO-Reduktion genutzt werden. Auch ist es aus der
DE 28 16 115 A1 bekannt,
elektrolytisch gewonnenen Wasserstoff vor einer Drosselklappe einem
Ansaugstutzen einer Verbrennungskraftmaschine aufzugeben. Bei all
diesen Verfahren wird jeweils anfallender Sauerstoff, insbesondere
wenn lediglich Wasser zur Elektrolyse genutzt wird, nicht genutzt.
Demgegenüber offenbaren die
DE
412 195 und die
CH 116
428 Verbrennungskraftmaschinen für die Verbrennung
hoch siedender flüssiger Brennstoffe, welcher elektrolytisch
gewonnenes Knallgas als Zusatzgas oder sogar elektrolytisch gewonnener
Wasserstoff als einziges Oxidationsmittel aufgegeben werden. Andererseits
offenbart die
DE 25
52 841 A1 eine Verbrennungskraftmaschine, welche ausschließlich
mit einem elektrolytisch gewonnenen Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch
unter Zufuhr von Luft betrieben wird, wobei auch hier Luft und Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch
vor einer Drosselklappe einem Ansaugstutzen aufgegeben werden.
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Darüber
hinaus ist es aus der
DE
36 12 666 A1 bekannt, Nickel-haltige Anoden für
die Elektrolyse von Kaliumhydroxidlösungen zu verwenden.
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Es
ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine gattungsgemäße
Verbrennungskraftmaschine sowie ein gattungsgemäßes
Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen,
die einen erhöhten Wirkungsgrad aufweisen.
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Als
Lösung wird eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsraum,
welchem ein mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff zugeführt wird,
und mit einem Elektrolysebehälter, welcher mit dem Verbrennungsraum
verbunden ist und in welchem Wasserstoff mittels Elektrolyse aus
Wasser gewonnen wird, vorgeschlagen, welche sich dadurch auszeichnet,
dass Kaliumhydroxid als Elektrolyt für die Elektrolyse
in einer Konzentration von über 25% genutzt wird. Vorzugsweise
liegt die Konzentration über 28% bzw. über 30%.
Insbesondere kann die Konzentration über 32% bzw. 34% liegen.
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Zwar
führen derartig hohe Konzentrationen zu einem verhältnismäßig
aggressiven Elektrolyten mit all den hiermit verbundenen Schwierigkeiten. Auch
kann es zu einer übermäßigen Aufschäumung des
Elektrolyten und somit zu einem Austrag des an sich katalytisch
genutzten Kaliumhydroxids kommen, so dass an sich derartig hohe
Konzentrationen für Elektrolysen nicht genutzt werden,
insbesondere da diese angesichts der katalytischen Funktion des
Kaliumhydroxids nicht notwendig erscheinen. Andererseits lässt
sich durch eine geeignete Materialwahl sowie durch einfache bauliche
Maßnamen, wie beispielsweise einer hohen Bauhöhe über
einem Flüssigkeitspegel in dem Elektrolysebehälter,
der Aggressivität und dem Aufschäumen begegnen,
wobei auch komplexere Maßnahmen, wie sie nachfolgend erläutert
werden, hilfreich sein können. Durch derartig hohe Konzentrationen
ergibt sich jedoch ein unerwartet hoher Anstieg der Ausbeute und
somit des Wirkungsgrades.
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Als
weitere Lösung wird eine Verbrennungskraftmaschine mit
einem Verbrennungsraum, welchem ein mit Wasserstoff angereicherter
Brennstoff zugeführt wird, und mit einem Elektrolysebehälter, welcher
mit dem Verbrennungsraum verbunden ist und in welchem Wasserstoff
mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird, vorgeschlagen, welche
sich durch Nickelektroden auszeichnet.
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Zwar
ist die Verwendung von Nickelanoden bei der Elektrolyse bereits
aus der
DE 36 12 666
A1 an sich bekannt. Dass sich derartige Anoden auch in Verbindung
mit Verbrennungskraftmaschinen nutzen lassen, insbesondere wenn
sie über ein elektrisches System der Verbrennungskraftmaschine
betrieben werden, ist durch den Stand der Technik nicht nahegelegt.
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Wenigstens
eine der Nickelelektroden kann wenigstens eine Nickeloberfläche
aus Nickel mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,15%, vorzugsweise unter
0,025%, aufweisen. Durch einen derartigen Reinheitsgrad kann einerseits
ein besonders hoher Wirkungsgrad erziel werden. Andererseits führt
eine derartige Ausgestaltung der Oberfläche zu einer ausreichend
langen Lebensdauer der Nickelelektrode, insbesondere im Zusammenspiel
mit den vorstehend aufgeführten Elektrolytkonzentrationen,
wobei derartige Elektroden auch bei anderen Elektrolyten als Kaliumhydroxid
entsprechend vorteilhaft zur Anwendung kommen können.
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Kumulativ
bzw. alternativ hierzu kann wenigstens eine der Nickelelektroden
einen spezifischen elektrischen Widerstand unter 0,090 Wmm2m-1, vorzugsweise
unter 0,086 Wmm2m-1,
aufweisen. Durch eine derartige Ausgestaltung lässt sich
der Wirkungsgrad bei der Elektrolyse überraschend stark
erhöhen, obgleich dieses bei der Wandstärke der
Elektroden und ihren Abmessungen hinsichtlich des Stromflusses durch
die Elektroden selbst an sich unerheblich erscheint. Es wird vermutet,
dass dieser überraschende Effekt mit Oberflächenreaktionen,
die durch einen derartig geringen spezifischen elektrischen Widerstand
erleichtert werden, zusammenhängt.
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Vorzugsweise
werden sowohl als Anode als auch als Kathode Nickelelektroden genutzt.
Dieses ermöglicht einen möglichst einfachen Aufbau
des Elektrolysebehälters, so dass dieser verhältnismäßig klein
baut. Dieses gilt insbesondere, wenn eine Nickelelektrode sowohl
als Anode als auch als Kathode genutzt wird.
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Es
versteht sich, dass für die Elektrolyse im Wesentlichen
die Elektrodenoberflächen von Bedeutung sind. Insofern
können die Elektroden verhältnismäßig
komplex aufgebaut sein und beispielsweise ein mit Nickel beschichtetes
Trägermaterial aufweisen. Baulich besonders einfach ist
jedoch die Verwendung von Nickelplatten, wobei sich überraschender
Weise herausgestellt hat, dass bereits durch ebene Nickeloberflächen,
insbesondere mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen hinsichtlich
der Reinheit und des spezifischen Widerstandes, ein ausreichender
Wirkungsgrad realisiert werden kann. Andererseits können
die Elektroden auch komplexer ausgestaltet sein und beispielsweise
ein poröses Material umfassen. Ebenso können die
Elektroden noch weitere katalytisch wirksame Lagen, wie beispielsweise
eine geeignete poröse Oberflächenbeschichtung
oder ähnliches, aufweisen.
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Ebenso
löst die erfindungsgemäße Aufgabe eine
Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsraum, welchem ein
mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff zugeführt wird,
und mit einem Elektrolysebehälter, welcher mit dem Verbrennungsraum
verbunden ist und in welchem Wasserstoff mittels Elektrolyse aus
Wasser gewonnen wird, welche sich dadurch auszeichnet, dass der
Wasserstoff hinter einer Drosselklappe der Verbrennungskraftmaschine
aufgegeben wird.
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Auf
diese Weise kann sehr einfach und effektiv verhindert werden, dass
sich Wasserstoff, insbesondere wenn er in Form von Knallgas der
Verbrennungskraftmaschine aufgegeben wird, in der Verbrennungskraftmaschine
anreichert. Durch drosselnde Einrichtungen, wie beispielsweise durch
reduzierte Leitungsdurchmesser, lässt sich auf einfache
Weise sicherstellen, dass ein zu niedriger Druck den Elektrolysebehälter
nicht erreicht. Auf diese Weise kann insbesondere ein Übermaß an
Schaumbildung vermieden werden. Andererseits hat diese Anordnung
gegenüber der Aufgabe vor der Drosselklappe, wie dieses
beispielsweise in der
DE
28 16 115 A1 bzw. in der
DE 25 52 841 A1 offenbart ist, den Vorteil, dass
jederzeit ein ausreichender Unterdruck zur Verfügung steht,
um betriebssicher den Wasserstoff bzw. das Knallgas abzugreifen,
und der Unterdruck verhältnismäßig konstant,
gerade unabhängig von der Stellung der Drosselklappe, auf
den Elektrolysebehälter wirkt.
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Insbesondere
kann der Wasserstoff über eine Ableitung eines Bremskraftverstärkers
aufgegeben wird, wenn eine derartige Ableitung vorhanden ist. Dieses
hat den Vorteil, dass an dem Ansaugstutzen einer bereits vorhandenen
Verbrennungskraftmaschine keine baulichen Veränderungen
vorgenommen werden müssen, um den Wasserstoff bereitzustellen.
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Es
versteht sich, dass alternativ hierzu auch andere Anschlüsse,
insbesondere wenn sie hinter der Drosselklappe eines Kraftfahrzeuges
vorgesehen sind, genutzt werden können. Insbesondere kann
selbstverständlich auch ein neuer separater Anschluss bereitgestellt
werden. Bei Verbrennungskraftmaschinen ohne Drosselklappe kann die
Wasserstoffaufgabe beispielsweise über den Ansaugkanal
des Luftfilters erfolgen. Auch kann die Wasserstoffaufgabe unmittelbar
hinter dem Luftfilter vorgesehen sein. Gegebenfalls kann der Wasserstoff
auch unmittelbar dem Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine
aufgegeben werden.
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In
vorliegenden Zusammenhang werden Richtungen, also beispielsweise „vor"
und „hinter", unter Berücksichtung der Strömungsrichtung
zu dem Verbrennungsraum der Verbrennungskraftmaschine definiert.
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Eine
Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbrennungsraum, welchem ein
mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff zugeführt wird,
und mit einem Elektrolysebehälter, welcher mit dem Verbrennungsraum
verbunden ist und in welchem Wasserstoff mittels Elektrolyse aus
Wasser gewonnen wird, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb
einer derartigen Verbrennungsmaschine lösen die erfindungsgemäße
Aufgabe auch unabhängig von den Merkmalen der übrigen
Ansprüche, wenn die Betriebstemperatur des Elektrolysebehälters
unter 90°C gehalten wird.
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Zwar
könnte erwartungsgemäß bei höheren Temperaturen
die Wasserstoffausbeute bei gleicher elektrischer Leistung erhöht
werden, jedoch hat sich herausgestellt, dass die Bereitstellung
derartig hoher Temperaturen zu übergroßen thermischen
Verlusten führt, so dass durch die verhältnismäßig
geringen Temperaturen der Wirkungsgrad insgesamt erhöht werden
kann. Insbesondere stehen entsprechende Temperaturen bei Verbrennungskraftmaschinen,
beispielsweise in Kraftfahrzeugen, als Abwärme, z. B. als
Kühlwassertemperatur, ohnehin zur Verfügung. Darüber
hinaus steigt durch die verhältnismäßig niedrigen
Temperaturen die Standzeit des Elektrolysebehälters erheblich,
insbesondere verschleißen die Elektroden kaum noch.
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Besonders
vorzugsweise wird eine Betriebstemperatur des Elektrolysebehälters
unter 85°C, insbesondere unter 80°C, aufrechterhalten,
was dementsprechend energetisch günstiger ist.
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Andererseits
wird die Betriebstemperatur vorzugsweise über 60°C,
bzw. 65°C, gehalten, um so die elektrolytischen Prozesse
zu fördern.
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Vorzugsweise
weist die Verbrennungskraftmaschine Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks
in dem Elektrolysebehälter auf. Dementsprechend löst unabhängig
von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung die erfindungsgemäße
Aufgabe auch ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine
mit einem Verbrennungsraum, welchem ein mit Wasserstoff angereicherter
Brennstoff zugeführt wird, und mit einem Elektrolysebehälter,
welcher mit dem Verbrennungsraum verbunden ist und in welchem Wasserstoff
mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird, welches sich dadurch
auszeichnet, dass in dem Elektrolysebehälter ein Unterdruck aufrecht
gehalten und die Betriebstemperatur des Elektrolysebehälters
unter 90°C bzw. unter 85°C, insbesondere unter
80°C, gehalten wird.
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Insbesondere
die Kombination eines Unterdrucks mit einer über 60°C
bzw. 65°C liegenden, aber 90°C, 85°C
bzw. 80°C nicht übersteigenden Betriebstemperatur
des Elektrolysebehälters führt zu einer für
die Elektrolyse sehr vorteilhaften Betriebsumgebung, die einen sehr
hohen Wirkungsgrad bedingt.
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Durch
die Variation des Unterdrucks kann darüber hinaus die Menge
an Wasserstoff, die über die Elektrolyse bereitgestellt
wird, sehr einfach gesteuert werden. Je nach konkreter Ausgestaltung kann
somit die Verbrennungskraftmaschine ohne wesentliche weitere Steuermechanismen
betrieben werde, da in der Regel der Unterdruck ein Maß für
die Anforderung und den Verbrauch der Verbrennungskraftmaschine
an Kraftstoff darstellt und somit die Menge an Wasserstoff, die
durch die Elektrolyse bereitgestellt wird, ohne Weiteres der benötigten
Wasserstoffmenge entspricht.
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Durch
die geeignete Wahl der Temperatur, des Unterdrucks, der Konzentration
des Elektrolyten sowie der Stromstärke kann dafür
gesorgt werden, dass der Elektrolyt in dem Elektrolysebehälter
gleichförmig perlt. Hierbei wird in vorliegendem Zusammenhang
unter dem Begriff „perlen einer Flüssigkeit" ein
Zustand der Flüssigkeit beschrieben, in welchem diese von
kleinen nach oben steigenden, verhältnismäßig
regelmäßig angeordneten Gasbläschen durchzogen
ist. Dieser Zustand ist, abgesehen von dem Zustand in welchem kleine
oder lediglich vereinzelte Gasbächen in der Flüssigkeit
zu finden sind, auch deutlich von dem Zustand zu unterscheiden,
in welchem diese sprudelnd von chaotischen Gasblasen, die sich miteinander
verbinden und ggf. sogar wieder teilen, durchsetzt ist.
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Dementsprechend
löst die erfindungsgemäße Aufgabe auch
ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem
Verbrennungsraum, welchem ein mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff
zugeführt wird, und mit einem Elektrolysebehälter,
welcher mit dem Verbrennungsraum verbunden ist und in welchem Wasserstoff
mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird, welches sich dadurch
auszeichnet, dass der Elektrolyt in dem Elektrolysebehälter
zumindest zu ausgewählten Zeitpunkten perlt.
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Hierbei
hat das Perlen den Vorteil, dass die Elektrolyse gleichförmig
und ungestört ablaufen kann. Insbesondere bei chaotischen
Zuständen wird die Elektrolyse durch das Übermaß an
Gasblasen, die auch die Elektroden erreichen, anscheinend derart
gestört, dass die Ausbeute und damit auch die Effektivität
sinken.
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Vorzugsweise
siedet der Elektrolyt leicht, wobei in vorliegendem Zusammenhang
der Begriff „sieden" den Elektrolyt an sich in seinem Aggregatszustand,
unabhängig von der elektrochemischen Reaktion der Elektrolyse,
beschreibt, so dass beim Sieden Gase auch ohne Stromzufuhr aus dem
Inneren der Flüssigkeit entweichen und in Blaseform an
die Oberfläche gelangen, indem die übrigen Randbedingungen,
wie Temperatur, Unterdruck, Konzentration des Elektrolyten, entsprechend
gewählt werden.
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Vorzugsweise
perlt der Elektrolyt auch beim Sieden lediglich, sodass durch die
im Flüssigkeitsinneren entstehenden Gasblasen die Elektrolyse
nicht gestört wird. Es hat sich heraus gestellt, dass insbesondere
beim leichten Sieden der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine
vorteilhaft erhöht werden kann. Hierbei wird davon ausgegangen, dass
durch das leichte Sieden der Transport der elektrolytisch gebildeten
Gase von den Elektroden weg gefördert wird.
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Auch
bedingt das leichte Sieden augenscheinlich, dass Wassermoleküle
mit dem gebildeten Wasserstoff und dem gebildeten Sauerstoff ausgetragen
werden. Es wird vermutet, dass diese Wassermoleküle, ebenso
wie die durch die Knallgasreaktion bereitgestellten Wassermoleküle,
vorteilhaft für eine Reduktion der Schadstoffe in den Abgasen
einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
sind. Dadurch, dass die Wassermoleküle bereits in Gasform
vorliegen und durch Abwärme und ggf. durch den bereits
durch die Verbrennungskraftmaschine bereit gestellten Unterdruck
erzeugt werden, wird hierdurch die Energiebilanz der Verbrennungskraftmaschine
nur unwesentlich belastet. Insofern versteht es sich, dass auf diese
Weise bereit gestellte Wassermoleküle auch unabhängig
von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung für
eine Verbrennungskraftmaschine vorteilhaft sein können.
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Insbesondere
durch das Perlen, aber auch durch das leichte Sieden, kommt es bei
geeigneten Elektrolyten, beispielsweise bei Kaliumhydroxid, aber auch
bei anderen Elektrolyten zur Bildung von Schaum. Hierbei ist die
Menge an gebildeten Schaum im Wesentlichen vom Grad der Blasenbildung
abhängig. Kocht somit der Elektrolyt derart, dass es zu
einer chaotischen Blasenbildung kommt, so entstehen sehr große
Blasen, die zu dem auch sehr hoch aufschäumen. Letzteres
kann dazu führen, dass in vermehrtem Maße Elektrolyt
aus dem Elektrolysebehälter ausgetragen wird, weshalb ebenfalls ein
Kochen des Elektrolyten, welches zu einer chaotischen Blasenbildung
führt, möglichst vermieden werden sollte.
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Andererseits
hat sich eine geringe Menge Schaum auf der Oberfläche des
Elektrolyten als Vorteilhaft erwiesen. Hierdurch werden sowohl Wasserstoff
als auch Sauerstoff kurzzeitig zwischengespeichert, so dass sie
bei einer erhöhten Anforderung durch die Verbrennung sehr
kurzfristig auch in ausreichendem Maße bereitstehen. Hierbei
erweist sich eine Steuerung der Elektrolyse über den Unterdruck der
Verbrennungskraftmaschine als besonders vorteilhaft, da eine Drucksenkung,
die bei einer Verbrennungskraftmaschine unmittelbar einer erhöhten
Anforderung entspricht, entsprechend unmittelbar Wasserstoff und
Sauerstoff bereitstellt.
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Hierbei
versteht es sich, dass die Elektrolyse gegebenenfalls auch anders
gesteuert werden kann. Insbesondere kann sie auch ergänzend,
beispielsweise durch eine λ-Sonde, gesteuert werden. Hierbei ist
insbesondere eine ergänzende Steuerung von Vorteil, da
die Unterdrucksteuerung ggf. nur bestimmte Betriebszustände,
insbesondere lediglich sehr kurzzeitige Betriebszustände,
erfassen kann, während eine ergänzende Steuerung
dann langfristig entsprechend eingreifen kann. So kann insbesondere
beispielsweise bei dauerhaftem Betrieb unter Volllast eine Nachregelung,
ggf. gesteuert durch eine λ-Sonde oder ähnliches,
erfolgen. Die Regelung über den Unterdruck hat jedoch den
großen Vorteil, dass weitgehend auf eine Elektronik verzichtet
werden kann.
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Es
versteht sich, dass der vorstehend beschriebene Schaum auch unabhängig
von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung entsprechend
vorteilhaft ist. Dementsprechend löst die erfindungsgemäße
Aufgabe auch ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine
mit einem Verbrennungsraum, welchem ein mit Wasserstoff angereicherter
Brennstoff zugeführt wird, und mit einem Elektrolysebehälter,
welcher mit dem Verbrennungsraum verbunden ist und in welchem Wasserstoff
mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird, welches sich dadurch
auszeichnet, dass der Elektrolyt in dem Elektrolysebehälter
zumindest zu ausgewählten Zeitpunkten von einer durch ihn
gebildeten Schaumschicht bedeckt ist.
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Hierbei
kann, je nach konkreter Betriebsführung die Schaumschicht
auch dazu dienen, ein Übermaß an Wassermolekühlen,
welches in die gasförmige Phase übergetreten ist,
wieder zurückzuführen. In der Schaumschicht können
die Gase leicht abkühlen, so dass die Wassermoleküle
entsprechend schon dort wieder kondensieren können. Ebenso
können in der Schaumschicht entsprechend mitgerissenen
Ionen gefangen und zurückgeführt werden, wenn
die Blasen des Schaums platzen und die flüssige Hülle wieder
zurückfällt.
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Vorzugsweise
weist die Verbrennungskraftmaschine eine Einrichtung zum Rückhalten
eines Elektrolytschaums, wie beispielsweise einen Filter, auf. Hierdurch
ist möglich, die Verbrennungskraftmaschine innerhalb etwas
großzügigeren Betriebsbedingungen zu betreiben
und dennoch die Gefahr, dass unnötig Elektrolyt, insbesondere
auch Wasser, ausgetragen wird, in Grenzen zu halten. Dementsprechend
ist eine derartige Rückhalteeinrichtung auch unabhängig
von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung für
Verbrennungskraftmaschinen mit einem Verbrennungsraum, welchem ein
mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff zugeführt wird,
und mit einem Elektrolysebehälter, welcher mit dem Verbrennungsraum
verbunden ist und in welchem Wasserstoff mittels Elektrolyse aus
Wasser gewonnen wird, vorteilhaft.
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Insbesondere
kann die Rückhalteeinrichtung auch eine Gasauslassöffnung
in einer Schaumraumwandung umfassen. Erfahrungsgemäß kann Schaum
eine enge Öffnung nur schwer durchdringen, so dass die
Schaumblasen dazu neigen, vor einem Durchdringen durch die Öffnung
zu platzen. Auf diese Weise kann baulich besonders einfach eine Ruckhalteeinrichtung
bereitgestellt werden.
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Kumulativ
bzw. alternativ hierzu kann ein Feuchtigkeitsabscheider vorgesehen
sein. Insofern ist dieser ebenfalls unabhängig von den übrigen Merkmalen
vorliegender Erfindung für Verbrennungskraftmaschinen mit
einem Verbrennungsraum, welchem ein mit Wasserstoff angereicherter
Brennstoff zugeführt wird, und mit einem Elektrolysebehälter,
welcher mit dem Verbrennungsraum verbunden ist und in welchem Wasserstoff
mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird, entsprechend vorteilhaft.
Hierbei kann der Feuchtigkeitsabscheider beispielsweise durch Kondensationsplatten
oder gekühlte Rohre gebildet sein. Ebenso ist es möglich,
lediglich einen etwas kühleren Raum als Feuchtigkeitsabscheider
vorzusehen.
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Vorzugsweise
ist der Feuchtigkeitsabscheider hinter einer Einrichtung zum Rückhalten
eines Elektrolytschaums angeordnet. Auf diese Weise wird der Feuchtigkeitsabscheider
nicht durch en Übermaß an Flüssigkeit
belastet und kann seine Hauptaufgabe, Wassertröpfchen oder
ein Übermaß an Wasserdampf abzufangen, entsprechend
vorteilhaft erfüllen.
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Eine
kompakte Bauform folgt, wenn der Feuchtigkeitsabscheider in dem
Elektrolysebehälter angeordnet ist. Auf dese Weise können
die für vorliegende Erfindung maßgeblichen Baugruppen
im Wesentlichen zu einer einzigen Baugruppe dem Elektrolysebehälter
zusammengefasst werden. Dieser braucht dann nur noch mit der restlichen
Verbrennungskraftmaschine entsprechend verbunden zu werden.
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Vorzugsweise
umfasst der Feuchtigkeitsabscheider Mittel zur Rückführung
der abgeschiedenen Feuchtigkeit, die mit dem Elektrolyseraum verbunden sind.
Auf diese Weise kann die Feuchtigkeit wieder zurückgeführt
werden, so dass die Laufzeiten der erfindungsgemäßen
Verbrennungskraftmaschine optimiert werden können.
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Der
Feuchtigkeitsabscheider kann eine Nachfüllöffnung, über
welche insbesondere Wasser dem Elektrolysebehälter aufgegeben
werden kann, aufweisen. Auf diese Weise können beim Nachfüllen etwaige
Reste an Elektrolyten wieder in den Elektrolysebehälter
zurückgespült werden. Zwar könnte auch über
eine derartige Nachfüllöffnung Elektrolyt nachgefüllt
werden. Da es jedoch vorteilhaft ist, einen separaten Wassertank
vorzusehen, sollte die Nachfüllung an Elektrolyt vorzugsweise über
gesonderte Öffnungen erfolgen.
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Vorzugsweise
weist der Elektrolysebehälter ein Gehäuse aus
Polypropylen auf. Ein derartiges Gehäuse erweist sich insbesondere
bei Kaliumhydroxid und/oder bei den gewählten Betriebsbedingungen
als zuverlässig langzeitstabil.
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In
vorliegendem Zusammenhang versteht es sich, dass der Wasserstoff
nicht zu sämtlichen Betriebszeitpunkten der Verbrennungskraftmaschine zur
Verfügung stehen muss. Insbesondere beim Starten oder auch
im Stillstand braucht somit keine Elektrolyse stattzufinden. Da
die Verbesserungen im Wirkungsgrad ohnehin erst bei längeren
Laufzeiten zu Buche schlagen, kann die Elektrolyse beispielsweise
erst einsetzen, wenn die Verbrennungskraftmaschine ihre Betriebstemperatur
erreicht hat. Dann ist eine eventuell entladene Batterie auch wieder
aufgeladen und die Strombelastung durch die Elektrolyse schädigt
nicht das übrige System der Verbrennungskraftmaschine.
Auch stehen dann die Temperaturen für eine effiziente Elektrolyse
ohne weiteres zur Verfügung. Dementsprechend ist auch die
Formulierung zu verstehen, dass bestimmte Betriebsbedingungen zu
ausgewählten Zeitpunkten vorliegen sollen. Es versteht
sich darüber hinaus, dass auch zu anderen gegebenen Zeiten
die entsprechenden Betriebsbedingungen kurzzeitig verlassen werden
können. So kann beispielsweise bei Überlastsituationen, wie
z. B. bei kurzzeitiger erheblicher Beschleunigung, durchaus ein Überschäumen
oder chaotisches Kochen des Elektrolyten in Kauf genommen werden.
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Vorzugsweise
wird die Verbrennungskraftmaschine derart betrieben, dass das Wasseräquivalent
der Menge an erzeugten Wasserstoff zwischen 0,1% und 10%, insbesondere
zwischen 0,2% und 5%, an verbrauchtem Brennstoff entspricht.
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Durch
eine derartige Betriebsweise ist sichergestellt, dass der Wasserstoff,
oder auch entsprechend das Knallgas, lediglich der Unterstützung der
Verbrennung und nicht Hauptlieferant für Energie darstellt.
Auf diese Weise können die energetischen Vorteile der besseren
Verbrennung die für die Elektrolyse benötigte
Energie kompensieren. Dieses ist bei einem Übermaß an
Wasserverbrauch nicht mehr gewährleistet. Hierbei versteht
es sich, dass eine derartige Betriebsweise auch unabhängig
von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung für
ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit einem
Verbrennungsraum, welchem ein mit Wasserstoff angereicherter Brennstoff
zugeführt wird, und mit einem Elektrolysebehälter,
welcher mit dem Verbrennungsraum verbunden ist und in welchem Wasserstoff
mittels Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird, entsprechend vorteilhaft
ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Wasserstoff der Verbrennungskraftmaschine
zumindest teilweise in Form von Knallgas, also in Anwesenheit von
Sauerstoff, vorzugsweise im stöchiometrischen Verhältnis
von 2 Teilen Wasserstoff zu einem Teil Sauerstoff, aufgegeben wird.
Hierbei versteht es sich, dass die Komplexität des Verbrennungsprozesses
in der Praxis dazu führen kann, dass lediglich ein Teil
des Knallgases bei der Verbrennung auch der entsprechenden Knallgasreaktion
unterliegt. Ebenso werden unter normalen Umständen durch
die Anwesenheit weitere Oxidationsmittel, insbesondere von Luftsauerstoff,
nicht in dem gesamten der Verbrennung unterliegenden Medium Sauerstoff
und Wasserstoff im stöchiometrisch der Knallgasreaktion
entsprechenden Verhältnis zueinander vorliegen. Durch die
Aufgabe zumindest teilweise in Form von Knallgas scheint es jedoch
bereits vor der eigentlichen Verbrennung zu einer günstigen
Anlagerung von Wasserstoff und Sauerstoff aneinander zu kommen, so
dass entsprechend vorteilhaft eine Knallgasreaktion stattfinden
kann.
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Vorliegende
Erfindung eignet sich insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen,
bei denen kohlenstoffhaltige Kraftstoffe unter Beigabe eines Oxidationsmittels,
insbesondere unter Beigabe von Luftsauerstoff, verbrannt werden.
Insbesondere eignet sich vorliegende Erfindung somit für
mit Benzin bzw. Diesel jeder Art betriebene Verbrennungskraftmaschinen.
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In
vorliegendem Zusammenhang bezeichnet der Begriff „Elektrolyt"
jedes Medium, aus welchem mittels Strom Wasserstoff bereitgestellt
werden kann. Insbesondere jedoch kann ein erfindungsgemäßer Elektrolyt
in flüssiger Form vorliegen und besteht vorzugsweise aus
Wasser, in welchem Ionen, beispielsweise Kaliumionen und OH--Gruppen, angereichert sind, um dem Stromkreis
zu schließen.
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Weitere
Vorteile, Ziele und Eigenschaften einer erfindungsgemäßen
Verbrennungskraftmaschine werden anhand der nachfolgenden Beschreibung
anliegender Zeichnung erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Verbrennungskraftmaschine;
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2 eine
schematische Detaildarstellung des Elektrolysebehälters
der Verbrennungskraftmaschine nach 1;
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3 eine
schematische Detaildarstellung eines weiteren Elektrolysebehälters
im Schnitt entlang der Linie III-III in 4;
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4 ein
Schnitt durch den Elektrolysebehälter nach 3 entlang
der Linie IV-IV in 3;
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5 ein
Schnitt durch den Elektrolysebehälter nach 3 und 4 entlang
der Linie V-V in 4; und
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6 ein
Schnitt durch den Elektrolysebehälter nach 3 bis 5 entlang
der Linie VI-VI in 5.
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Die
in Figur schematisch dargestellte Verbrennungskraftmaschine umfasst
einen Kolbenmotor 1 mit einem Zylinder 2, in welchem
in bekannter Weise ein Kolben 3, welcher von einer Pleuelstange 4 an einer
Kurbelwelle 5 getragen wird, hin und her läuft und
die Kurbelwelle 5 hierdurch antreibt. Die hierfür erforderliche
Energie wird durch einen Verbrennungsvorgang innerhalb eines Verbrennungsraums 6 in
dem Zylinder 2 gewonnen.
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Der
für den Verbrennungsvorgang benötigte Brennstoff
wird dem Verbrennungsraum 6 über einen Ansaugstutzen 7 zugeführt,
wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die Brennstoffmenge über
eine Drosselklappe 8 dosiert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Ansaugstutzen darüber hinaus hinter der Drosselklappe 8 ein
Anschluss 9 für einen Bremskraftverstärker
(nicht dargestellt) vorgesehen.
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An
dem Bremskraftverstärkeranschluss 9 ist darüber
hinaus ein Elektrolysebehälter 10 (siehe insbesondere 2)
angeschlossen. Der Elektrolysebehälter 10 ist
seinerseits mit einem Wasservorratsbehälter 11 über
eine Versorgungsleitung 12 verbunden und über
Anschlussleitungen 13, 14 an eine Batterie 15 angeschlossen,
welche in bekannter Weise Bestandteil einer Stromversorgung für
den Motor 1 ist und über eine Lichtmaschine (nicht
dargestellt) des Motors 1 gespeist wird.
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Der
Elektrolysebehälter 10 ist mit einer gesättigten
Kaliumhydroxidlösung 16 befüllt, wobei durch
die Elektrolyse bereitgestellter und dem Ansaugstutzen 7 zugeführter
Wasserstoff und Sauerstoff zu eine entsprechenden Reduktion an Wasser
in dem Elektrolysebehälter 10 führen,
welches über die Versorgungsleitung 12 aus dem
Wasservorratsbehälter 11 ersetzt wird.
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Innerhalb
des Elektrolysebehälters 10 sind sieben Elektroden 17,
die als Platten ausgebildet sind und parallel zueinander angeordnet
sind. Eine der beiden äußeren Platten 17 ist
mit dem Pluspol 18 der Batterie 15, die bei diesem
Ausführungsbeispiel ein Spannung von ca. 12 V aufweist,
verbunden, während die andere der beiden äußeren
Platten 17 mit dem Minuspol 19 verbunden ist.
Die übrigen Platten 17 sind im Wesentlichen äquidistant
zwischen den beiden äußeren Platten 17 angeordnet.
Auf diese Weise bildet sich zwischen den Platten 17 ein
Spannungsgefälle von jeweils aus, so dass zwischen den jeweils
einander gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen
jeweils ca. 2 V Spannung anliegen.
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Ohne
wesentliche Beeinträchtigung können auch lediglich
entsprechend 6 Elektroden angeordnet werden. Bei höheren
Ausgangsspannungen, beispielsweise bei ca. 24 V, insbesondere beispielsweise
für LKW, empfehlen sich andererseits wesentlich mehr Elektroden,
wobei dann ggf. die Fläche der Elektroden verringert werden
kann. Andererseits können auch geringere Ausgangsspannungen,
beispielsweise in der Gegend um 6 V, insbesondere für Motorräder,
zur Anwendung kommen, bei denn eine geringere Elektrodenzahl sinnvoll
sein kann. Hierbei versteht es sich in vorliegendem Zusammenhang, dass
die Spannungen nicht zwingend genau diese Werte erreichen müssen,
da hier die entsprechenden Spannungen, welche von den jeweiligen
Verbrennungskraftmaschinen vorgegeben werden, vorteilhaft genutzt
werden können. Dementsprechend sollen insbesondere Spannungen
zwischen 5 V und 48 V, vorzugsweise zwischen 5 V und 8 V, insbesondere für
Motorräder, zwischen 11 V und 15 V, insbesondere für
Kraftfahrzeuge, und zwischen 22 V und 30 V, insbesondere für
Lastkraftfahrzeuge, vorzugsweise zur Anwendung kommen.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel bestehen die Elektroden aus
Nickel mit der DIN-Bezeichnung LC-Ni99 (Ni 201).
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In
einem ausreichenden Abstand über dem Flüssigkeitsspiegel 20 ist
eine erste Filterstufe 21 vorgesehen, so dass sich unterhalb
der Filterstufe 21 ein freier Raum bildet, der als Schaumraum 22 genutzt
werden kann. In einer zweiten Filterstufe 23 können
etwaige Elektrolytrückstände, insbesondere Kaliumhydroxidbestandteile,
die ggf. von dem elektrolytisch erzeugten Wasserstoff oder Sauerstoff
mitgerissen werden, abgefangen werden. In einem Feuchtigkeitsabsorber 24 können
feinste Wassertröpfchen abgefangen werden, sodass lediglich
Gase in den Motor 1 gelangen. Auf diese Weise werden darüber
hinaus Verluste an Elektrolyt weitgehend vermieden, wobei etwaige
Kaliumhydroxidbestandteile wieder durch das Wasser zurückgespült
werden können, wenn dieses über die Versorgungsleitung 12 ersetzt
wird. So können Verluste an Elektrolyten minimiert werden.
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Zum
Betrieb der Verbrennungskraftmaschine wird das erzeugte Gasgemisch über
den Ansaugstutzen 7 angesaugt, wobei der Elektrolysebehälter
auf ungefähr 75°C temperiert wird. Durch den Unterdruck
und den Stromfluss entstehen perlenförmige Gasbläschen
aus Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser, da Bedingungen gewählt
werden, bei denen der Elektrolyt leicht siedet. Hierdurch wird in
dem Schaumraum 22 ein feinblasiger Schaum bereitgestellt,
der für kurzzeitige Anforderungen an besonders viel Wasserstoff
bzw. Sauerstoff kurzzeitig Knallgas zwischenspeichert.
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Der
in 3 bis 6 dargestellte Elektrolysebehälter 50 kann
anstelle des Elektrolysebehälters 10 aus 1 und 2 zur
Anwendung kommen, indem dessen äußeren Elektroden 52 bzw. 54 eines weitere
drei Elektroden 56 umfassenden Elektrodenpakets aus parallel
angeordneten Nickelplatten aus Nickel mit der DIN-Bezeichnung
LC-Ni99 (Ni 201) über Anschlüsse 58 mit
der Batterie 15 (1) und Gasauslässe 60 mit
dem Ansaugstutzen 7 (1) verbunden
werden.
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Der
Elektrolysebehälter 50 ist doppelwandig ausgebildet,
wobei die innere Wandung 62 einen Elektrolyseraum umschließt,
in welchem die Elektroden 52, 54, 56 angeordnet
sind. Die äußere Wandung 64 umschließt
einerseits einen Wasservorrat 66 und andererseits einen
Feuchtigkeitsabscheidungsraum 68. Wasservorrat 66 und
Feuchtigkeitsabscheidungsraum 68 sind durch eine Wandung 70 voneinander
getrennt, welche zwei Durchlässe 72 aufweist, über
welche Wasser und Elektrolyt aus dem Feuchtigkeitsabscheidungsraum 68 in
den Wasservorrat 66 überführt werden
können. Hierbei kann Wasser über eine Nachfüllöffnung 74,
die mit einem Verschluss 76 verschlossen ist, nachgefüllt
werden. Etwaiges Elektrolyt, welches in dem Feuchtigkeitsabscheidungsraum 68 abgelagert
ist, wird durch das Nachfüllen in den Wasservorrat 66 zurückgespült.
Kaliumhydroxid kann über separate Nachfüllöffnungen 78 (lediglich exemplarisch
beziffert), die jeweils ebenfalls Verschlüsse 80 (lediglich
exemplarisch beziffert) verschlossen sind, nachgefüllt
werden.
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Über
Ausgleichsöffnungen 82 kann darüber hinaus
Wasser aus dem Wasservorrat 66 zu den Elektroden 52, 54, 56 nachfließen.
Durch die Strömungsrichtung wird ein Verlust an Elektrolyten
minimiert. Aus diesem Grunde sind die Ausgleichsöffnungen 82 auch
verhältnismäßig klein ausgebildet. Alternativ
bzw. ergänzend können durch Membranen oder ähnliche
Maßnahmen Rückflusse an Elektrolyten minimiert
werden. Ebenso ist je Zwischenraum zwischen den Elektroden 52, 54 56 lediglich
eine Ausgleichsöffnung 82 vorgesehen, die zudem
wechselseitig angeordnet sind, so dass Kurzschlüsse möglichst
vermieden werden können.
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Über
dem Elektrolyten wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel
ein Schaumraum 84 gebildet, in dem insbesondere Sauerstoff
und Wasserstoff zwischengespeichert und ggf. auch zu Knallgas vermischt
werden können. In der inneren Wandung sind Gasauslassöffnungen 86 (exemplarisch
beziffert) angeordnet, die in den Schaumraum 84 hineinreichen, wobei
die hierdurch bedingte Verengung als Rückhalteeinrichtung
für den Schaum – und insbesondere für
den Elektrolyten, der den Schaum bildet – dient. Die Gasauslassöffnungen 86 münden
in den Feuchtigkeitsabscheidungsraum 68, in welchem restlicher Elektrolyt
abgeschieden werden kann. Ebenso können sich dort Feuchtigkeit
abscheiden und die Gasse, Wasserstoff, Sauerstoff und ggf. auch
Wassermoleküle innig mischen, bevor sie über die
Gasauslässe 60 den Elektrolysebehälter 50 verlassen.
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Der
Elektrolysebehälter 50 ist derart in der Nähe
des Motors 1 angeordnet, dass die Abwärme des
Motors 1 diesen in geeigneter Weise temperiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0721794
A1 [0002]
- - EP 0721795 A1 [0002]
- - DE 2816115 A1 [0002, 0014]
- - DE 412195 [0002]
- - CH 116428 [0002]
- - DE 2552841 A1 [0002, 0014]
- - DE 3612666 A1 [0003, 0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN-Bezeichnung
LC-Ni99 (Ni 201) [0064]
- - DIN-Bezeichnung LC-Ni99 (Ni 201) [0067]