DE102012006827A1 - Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mittels einer Kombination aus fossilen Kraftstoffen und einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch und Mischgenerator zur Herstellung von Wasserstoff und der Brennstoffkombination - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mittels einer Kombination aus fossilen Kraftstoffen und einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch sowie Generator zur Herstellung des Brennstoffgemischs. Die Erfindung betrifft ein Verfahren. zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mittels einer Kombination aus herkömmlichen, fossilen Kraftstoffen und einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch. Weiterhin wird ein Mischgenerator vorgestellt, mit dem die besagte Brennstoffkombination herstellbar ist. Die Erfindung betrifft eine durch Wasser gewonnenen Wasserstoff/Sauerstoffzuführung bei Verbrennungsmotoren und dadurch eine Kraftstoffverringerung und eine Abgasverringerung.

Description

• Titel
• Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mittels einer Kombination aus fossilen Kraftstoffen und einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch und Mischgenerator zur Herstellung von Wasserstoff und der Brennstoffkombination.
• Anwendungsgebiet
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor mittels einer Kombination aus herkömmlichen, fossilen Kraftstoffen und einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch.
• Stand der Technik
• Die Kraftstoffe, die in herkömmlichen Verbrennungsmotoren Verwendung finden, werden aus Erdöl und dessen Derivaten hergestellt. Da die Erölreserven in absehbarer Zeit abnehmen, sind die Konstrukteure gezwungen, wirtschaftlichere als die derzeit arbeitenden Motoren herzustellen. Eine Lösungsmöglichkeit ist der Einsatz von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren. Die ständig wachsende Fahrzeugdichte einerseits und die erkennbaren Umweltschäden andererseits, die im Zusammenhang mit Abgasen und Emissionen aus Kraftfahrzeugen entstehen, verlangen, dass die Umweltbelastung durch Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen reduziert wird.
• Zur Erhöhung der Verbrennungsleistung in den Zylindern der Verbrennungsmotoren wird dem Verbrennungsraum bekanntermaßen Wasserstoff und Sauerstoff zugeleitet. Durch das Einleiten von Wasserstoff in den Verbrennungsmotor wird eine Leistungserhöhung erreicht. Eine relevante Vorrichtung ist aus der DE 38 28 764 bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden Wasserstoff und Sauerstoff dem Verbrennungsmotor zugeführt.
• In der DE 24 47 822 ist eine Verbrennungsmischung für Verbrennungsmotoren beschrieben. Die Verbrennungsmischung wird durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt.
• Auch aus der DE 1 467 060 ist eine Vorrichtung für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse bekannt.
• In der EP 0 422 994 ist eine Vorrichtung für die Herstellung von Sauerstoff-Wasserstoffgas (Knallgas) mit der Elektrolysemethode beschrieben.
• Die GB 2 143 848 stellt eine Vorrichtung für die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse vor, während die GB 2 029 447 eine Vorrichtung für die Herstellung einer Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff durch die Elektrolyse von Wasser für einen Motor beschreibt. Schließlich wird in der US 4 184 931 eine Methode für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch die Elektrolyse einer Flüssigkeit beansprucht.
• Alle erwähnten Dokumente gehen somit davon aus, dass Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse hergestellt werden.
• Dabei treten folgende Probleme auf:
  Für die Bereitstellung der für die Elektrolyse benötigten elektrischen Energie steht ausschließlich ein externer bzw. ein Akkumulator eines Fahrzeuges zur Verfügung. Außerdem entsteht durch Wärmeentwicklung beim Elektrolysevorgang gesättigter Wasserdampf, der sauer und basisch reagierende Salze enthält. Beim Einleiten in die Zylinder führt dies zu Korrosion in den Verbrennungsräumen und in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors.
• Alternativ befinden sich zu 100% mit Wasserstoff betriebene Verbrennungsmotoren in der Entwicklung und Erprobung. Obwohl solche Motoren eine Alternative zu herkömmlichen Motoren sein können, ist die praktische Anwendung sehr problematisch. Bei den vorhandenen Tankstellen muss Wasserstoff aufwändig gelagert werden. Ein Betanken der Fahrzeuge ist aus Sicherheitsgründen nur vollautomatisch möglich. Der im Kraftfahrzeug verbaute Tank muss höchsten kühl- und sicherheitstechnischen Anforderungen entsprechen. Dies verursacht sehr hohe Kosten und Risiken, sodass eine breite Anwendung in den nächsten Jahren nicht zu erwarten ist. Die Erfindung hat die Beseitigung der genannten Nachteile zum Ziel.
• Aufgabenstellung
• Die erfinderische Aufgabenstellung ist in der Entwicklung eines Verfahrens zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mittels einer Kombination aus fossilen Kraftstoffen und einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch zu sehen. Weiterhin ist zur Realisierung des Verfahrens ein Generator zu entwickeln, mit dem das Brennstoffgemisch herstellbar ist.
• Lösung der Aufgabenstellung
• Die Aufgabenstellung ist durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten verfahrenstechnischen und die im Patentanspruch 3 angegebenen apparativen Merkmale gelöst worden. Die untergeordneten Ansprüche enthalten jeweils zweckmäßige Ausgestaltungen.
• Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Wasserstoff ausschließlich in der benötigten Menge zeitgleich zum Betrieb des Verbrennungsmotors durch Elektrolyse herzustellen.
• Bei diesem Verfahren ist keine Lagerung des Wasserstoffgases vorgesehen. Wasserstoff wird produziert und sofort verbraucht. Das Mischungsverhältnis ändert sich je nach Drehzahl des Verbrennungsmotors. Bei kleiner Drehzahl ist eine Beimischung von ca. 2% zur Ansaugluft ausreichend.
• Merkmale der Erfindung in Bezug auf Verbrennungsmotoren sind zur Kraftstoffreduzierung auch die Reduzierung der Abgase des Verbrennungsmotors.
• Alle in Augenschein und getesteten Wasserstoffgeneratoren aus dem Internet, hatten alle eine zu geringe Gasproduktion oder das Wasser in den Wasserstoffgeneratoren wurde nach wenigen Betriebsstunden sehr dreckig.
• Ausführungsbeispiel
• An Hand eines Verbrennungsmotors zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs wird das erfindungsgemäße Verfahren sowie die sich daraus ergebenden apparativen anlagentechnischen Merkmale nachfolgend unter Bezugnahme auf eine zugehörige Zeichnung (1) näher erläutert.
• Durch die Zuführung von Wasserstoffgas in die Ansaugluft eines Verbrennungsmotors werden im Kraftstoffluftgemisch Kohlenstoffe mit Wasserstoff gebunden und über den Wasserstoff werden nun auch Kohlenstoffe mit Verbrannt wodurch die Leistung des Verbrennungsmotors angehoben wird. Wird die Mehrleistung nicht abgerufen reduziert sich der Kraftstoffverbrauch und die Abgase werden verringert.
• Um die Spannung, die für die Elektrolyse benötigt wird, zu erhöhen, ist ein Spannungswandler oder eine 24 V Lichtmaschine (G) vorgesehen. Der Spannungswandler oder die 24 V Lichtmaschine (G) und die Mikroprozessorsteuerung für das ganze System bilden eine Einheit. Die Spannung, die hier erhöht wurde, kommt vorzugsweise bis 24 Volt (bei 12 Volt) und 30 Ampere Stromleitung, bei 24-Volt-Lichtmaschine (G) auf 80 Ampere Stromleitung.
• Bei 42-Volt-Kraftfahrzeugen (in Planung) bleibt die Spannung 42 Volt und 30 Ampere Stromleitung. Der Spannungswandler hat die Aufgabe, die vorhandene Bordspannung bei 12 Volt auf 24 Volt zu erhöhen. Die maximale Stromstärke bei einer gebräuchlichen 12 Volt Kfz-Lichtmaschine wird auf ca. 30 Ampere begrenzt. Bei einer 24 Volt Kfz-Lichtmaschine G wird die Stromstärke auf ca. 8 Ampere begrenzt. Die so erzeugte Gleichspannung wird von hier zur Elektrolysezelle Z geleitet und an die Anode angelegt. Der Grundaufbau der Elektrolysezelle Z besteht aus einem Steckkammersystem in Rechteckform. Als Ausgangsmaterialien werden Edelstahl, Stahl, Aluminium und Kunststoffe eingesetzt. Das Steckkammersystem verbindet die innen liegenden Reaktionsflächen mit den äußeren Gehäusekomponenten.
• Als Reaktionsflächen dienen jeweils eine Kathoden – und eine Anodenplatte sowie zwischen diesen liegende Dualreaktionsplatten. Deren Anzahl variiert entsprechend der dimensionierten Leistung der Elektrolysezelle Z. Zur Herstellung der Reaktionsräume zwischen den Reaktionsplatten dienen Kunststoffrahmen, die gleichzeitig als Dichtung wirken.
• Die Reaktionsplatten haben Maße von ca. 130 mm × 165 mm Diese sind ca. 1 mm breit. Die hitzebeständigen Kunststoffrahmen haben bei identischen Außenmaßen eine Dicke von ca. 2 mm.
• Die Rahmenbreite beträgt ca. 15 mm. Mittels der außen an der Elektrolysezelle Z liegenden Gehäusekomponenten werden die Reaktionsplatten, die im Wechsel mit den Kunststoffrahmen in Reihe angeordnet sind, zusammengepresst. Außen am Gehäuse sind Anschlüsse für Wassereinlass und Gasauslass angebracht. Um einen gleichmäßigen Anpressdruck der Gehäusekomponenten auf die Reaktionsplatten in allen Betriebszuständen der Elektrolysezelle Z. die insbesondere durch Temperaturschwankungen und mechanisch wechselnde Belastungen (z. B. bei Betrieb in fahrenden Kfz) gekennizeichnet sind, zu gewährleisten, werden federunterstützte Druckschrauben eingesetzt. Die eingesetzten Federn sind Druckfedern, deren Größe, Anzahl und Federkraft entsprechend der dimensionierten Leistung der Elektrolysezelle (Z) variieren. Reaktionsplatten und Gehäusekomponenten sind zueinander mittels Kunststoffplatten elektrisch isoliert. Zusätzlich sind an den Gehäusekomponenten der Elektrolysezeile (Z) Kühlrippen wahlweise für Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung P, K vorgesehen. Das Kühlsystem P, K wird über einen Mikroprozessor im zentralen Steuergerät S, der mit einem Temperatursensor 8 verbunden ist, überwacht und gesteuert.
• Die Reaktionswärme wird über einen Wärmetauscher K, der an das Kühlsystem des Verbrennungsmotors angeschlossen ist, abgeführt. Der Elektrolysezelle Z wird über eine druckfeste Leitung 5 aus dem Wassertank T destilliertes Wasser zugeführt. An der Seite des Wassertanks befindet sich ein Wasserstandmesser 10. Dieser zeigt den Wasserstand im Tank T an. Zusätzlich angebracht ist ein Sensor 7, der den minimalen Wasserstand signalisiert. Über Kanäle innerhalb der Elektrolysezelle Z wird das destillierte Wasser über die Reaktionsplatten durch die Elektrolysezelle Z hindurchgeleitet. Über Anschlusspunkte an der Kathoden- und Anodenplatte wird die für die Elektrolyse Z benötigte elektrische Energie zugeführt. Sobald an Kathode und Anode der Elektrolyse Z elektrische Leistung anliegt, beginnt die Bildung des Wasserstoff-Sauerstoffgemisches. Dieses Gasgemisch wird über eine druckfeste Leitung 4 zum Wasserabscheider T geleitet. Im Wasserabscheider T wird das Gasgemisch von aus der Elektrolysezelle Z mittransportierten Wasseranteilen getrennt. Um eine kompakte Bauweise der gesamten Anlage zu erreichen, ist der Wasserabscheider T in den Wassertank T integriert. Das so isolierte Wasserstoff-Sauerstoffgemisch wird über eine druckfeste Leitung 2 zum Gas-Zwischenspeicher ZS geleitet.
• Der Gas-Zwischenspeicher ZS fasst ca. 5 Liter. Er wird benötigt, um das System mit genügend Wasserstoff Sauerstoffgemisch beim Anfahren bzw. beim Beschleunigen zu versorgen.
• In die Leitung 2 zum Gras-Zwischenspeicher ZS ist ein Druckschalter S integriert, der bei Erreichen eines Druckes von ca. 0,9 bar die Stromzuführung zur Elektrolysezelle Z unterbricht. Sinkt der Druck unter ca. 0,8 bar, wird die Stromzuführung zur Elektrolysezelle Z wieder hergestellt und die Produktion des Wasserstoff Sauerstoffgemisches wieder aufgenommen. Kombiniert wird diese Druckregelung mit einem zweiten Regelkreis, der den Unterdruck im Ansaugkanal A des Verbrennungsmotors als Messgröße nutzt, um mittels Druckschalter S ein Schwarz-Weiss-Ventil V zu schalten.
• Steigt der Unterdruck im Ansaugkanal A über einen Wert von ca. –0,4 bar, dieser Wert wird beim Gasgeben bzw. Beschleunigen erreicht, öffnet das Ventil V und es gelangt Wasserstoff-Sauerstoffgemisch in den Ansaugkanal A des Verbrennungsmotors.
• Sinkt der Unterdruck im Ansaugkanal A unter einen Wert von ca. –0.5 bar, dieser Wert entspricht einem geringen Druck auf das Gaspedal bzw. Standgas, wird über den Druckschalter S das Schwarz-Weiss-Ventil V geschlossen. Um die Funktion beider Regelkreise zu gewährleisten wird ein zentrales Steuergerät S eingesetzt. Dieses elektronische Steuergerät S dient auch zum Einstellen sämtlicher Druckwerte des Systems sowie Überwachung der Kühlung der Elektrolysezelle Z. Im zentralen Steuergerät S ist eine Schaltung zur Einschaltverzögerung integriert. Diese verzögert den Beginn der Produktion des Wasserstoff-Sauerstoffgemisches in der Elektrolysezelle und hält das Schwarz-Weiss-Ventil V für die Befüllung des Ansaugkanals (A) bis der Verbrennungsmotor angelaufen ist. Dies verhindert ein Einströmen von Wasserstoff-Sauerstoffgemisch während des Startvorganges des Verbrennungsmotors.
• Bezugszeichenliste

A

Ansaugtrakt

S

Steuergerät

Si

Sicherung

G

Generator

V

Ventil

V1

Verteilung

Z

Elektrolysezelle

T

Tank/Wasserabscheider

ZS

Zwischenspeicher

K

Kühlung

P

Pumpe

1

Elektroleitungen

2

Gasdruckleitung

3

Unterdruckleitung

4

Gasleitung Auslass

5

Wasserleitung Einlass

6

Wasserfilter

7

Wasserstandssensor

8

Temperatursensor

9

Wassereinfühlstutzen

10

Wasserstandsschauglas

11

Stromleitung bis SOA

12

Druckanzeige

13

Temperaturanzeige

14

Unterdruckanzeige

15

Kühlflüssigkeitsleitungen

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 3828764 [0004]
• DE 2447822 [0005]
• DE 1467060 [0006]
• EP 0422994 [0007]
• GB 2143848 [0008]
• GB 2029447 [0008]
• US 4184931 [0008]

Claims (2)

1. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mittels einer Kombination aus fossilen Kraftstoffen und einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff und Sauerstoff dem Verbrennungsraum zugeleitet werden, wobei der Wasserstoff in der benötigten Menge zeitgleich zum Betrieb des Verbrennungsmotors durch Elektrolyse hergestellt wird.
2. Mischgenerator zur Herstellung des Brennstoffgemischs für den Betrieb eines Verbrennungsmotors mittels einer Kombination aus fossilen Kraftstoffen und einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Zuführung von Wasserstoffgas in die Ansaugluft im Kraftstoffluftgemisch Kohlenstoffe mit Wasserstoff gebunden und über den Wasserstoff nun auch Kohlenstoffe mit Verbrannt werden, wodurch die Leistung des Verbrennungsmotors angehoben wird.

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