DE2750463C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine wassergekühlte Brennkraftmaschine
mit Vorwärmspeicher nach dem Oberbegriff von Anspruch
1, wie er beispielsweise aus der DE-OS 14 51 890
als bekannt hervorgeht.
In der Warmlaufphase von Brennkraftmaschinen ist der Anteil
schädlicher Komponenten im Abgas besonders hoch, weil
die Verbrennungsvorgänge während der Warmlaufphase aus den
verschiedensten Gründen unvollständig und unvollkommen
sind. Neben vielen anderen Bemühungen zur Reduzierung des
Ausstoßes schädlicher Abgaskomponenten ist man auch bemüht,
die Warmlaufphase des Motors zu verkürzen. Dies erfordert
jedoch entweder einen vermehrten Energieaufwand
oder einen kaum zu vertretenden konstruktiven bzw.
fertigungsmäßigen Aufwand oder auch beides gemeinsam.
Die eingangs zitierte Druckschrift zeigt einen Vorwärmspeicher
zur Reduzierung des Motorverschleißes beim Start.
Und zwar wird ein wärmeisolierter Speicherbehälter für
Kühlflüssigkeit mitgeführt, der in den Kühlkreislauf der
Brennkraftmaschine einbezogen ist. Aufgrund der Wärmeisolierung
des Speicherbehälters bleibt der darin gespeicherte
Anteil an Kühlflüssigkeit länger warm als in der
Brennkraftmaschine selber. Vor einem Start der Brennkraftmaschine
aus kaltem Zustand wird die aus dem letzten
Motorbetrieb noch warme Kühlflüssigkeit des Speicherbehälters
in die Brennkraftmaschine umgepumpt und wärmt
diese dabei auf. Während des erneuten Motorbetriebes wird
die Kühlflüssigkeit im Speicherbehälter mit aufgeheizt.
Durch eine sinnreiche zeit- oder temperaturabhängig beeinflußte
Verzögerung kann sogar dafür gesorgt werden, daß
die sich nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine darin
überhitzende, stagnierende Kühlflüssigkeit erst zeitversetzt
nach dem Abstellen in den Speicherbehälter abgepumpt
und in diesem gegenüber der normalen Betriebstemperatur
überhitzten Zustand darin gespeichert wird. Nachteilig ist
der Platz- und Gewichtsbedarf für den Speicherbehälter und
die beschränkte Speicherzeit; nach längeren Betriebspausen
ist der Vorwärmspeicher wirkungslos.
In der Automobiltechnischen Zeitschrift 1977, Seite 45 bis
49 wird unter anderem eine Einrichtung zur Klimatisierung
von Fahrzeugen mittels Hydridspeichern beschrieben. Es
werden dort zwei Hydridspeicher unterschiedlichen Temperaturniveaus
verwendet. Ein Niedertemperaturspeicher dient
zur Abkühlung der Klimatisierungsluft; der von der Luftwärme
freigesetzte Wasserstoff wird für den Motorbetrieb
als Kraftstoff verwendet. Ein Hochtemperaturspeicher wird
vom Kühlwasser der Brennkraftmaschine beaufschlagt, wobei
der daraus freigesetzte Wasserstoff ebenfalls in der
Brennkraftmaschine verbrannt wird. Wenn die Speicher vom
Wasserstoff entleert sind, müssen sie an einer geeigneten
Auffüllstation wieder mit Wasserstoff aufgefüllt oder im
Austauschverfahren durch volle Speicher ersetzt werden.
Auf die Frage einer Abkürzung der Warmlaufphase der
Brennkraftmaschine geht diese Literaturstelle allerdings
nicht ein.
Die GB-PS 9 62 498 zeigt eine Einrichtung und ein Verfahren
zum Wärmetransport unter Ausnutzung der reversiblen Hydriereigenschaft
gewisser Metalle. An der Stelle einer
Wärmequelle wird Metallhydrid dissoziiert in Metall und
Wasserstoff, wobei das Metall in Pulverform vorliegt.
Wasserstoffgas und Metallpulver werden durch eine Pumpe zu
einem Wärmeverbraucher verbracht, wo das Metall unter
Verwendung des mitgeführten Wasserstoffes und unter Freisetzung
der Bindungsenthalpie wieder hydriert wird. Der
Metallhydridstaub wird anschließend wieder zu der Wärmequelle
zurückgepumpt. Auch diese Entgegenhaltung gibt
nicht zu der Frage her, wie die Warmlaufphase einer
Brennkraftmaschine nach einem Motorstart abgekürzt werden
könnte.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maßnahme zur Verkürzung
der Warmlaufphase einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei
der keine zusätzliche Energie benötigt wird, die einfach
im Aufbau ist und die eine Energiespeicherung über beliebig
lange Zeiträume ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Bekanntlich haben bestimmte Metalle bzw. Metall-Legierungen
die Eigenschaft, Wasserstoff in ihre Kristallstruktur aufzunehmen
und dabei Wärme abzugeben. Bei äußerer Wärmezufuhr
und/oder bei niedrigeren Wasserstoffdrücken geben diese Metalle
den Wasserstoff wieder ab. Es handelt sich dabei um einen voll
reversiblen Vorgang, der beliebig oft wiederholt werden kann.
Zum Aufheizen der Brennkraftmaschine vor oder während des Starts
wird dem Vorwärmspeicher Wasserstoff zugeführt, der ihn in sich
aufnimmt und sich dabei erhitzt. Diese Wärme gibt er wenigstens
mittelbar an die Brennraumwandungen ab. Bei betriebswarmem Motor
wird der während der Startphase gebundene Wasserstoff aus
dem Vorwärmspeicher durch die Motorwärme wieder in Freiheit gesetzt
und in einen mitgeführten Wasserstoffspeicher aufgenommen,
wo er für einen erneuten Kaltstart zur Verfügung steht. Es wird
also Betriebsabwärme des Motors gewissermaßen hydridisch zwischengespeichert,
so daß die zum Aufheizen des Motors vor oder während
des Kaltstartes erforderliche Wärmemenge mit zwischengespeicherter
Motorabwärme, also energiefrei erfolgt.
Die Erfindung ist anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter
Ausführungsbeispiele nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer Brennkraftmaschine
mit in die Zylinderlaufbüchse eingebautem
Vorwärmspeicher sowie die Verknüpfung des
Vorwärmspeichers mit einem Hauptspeicher,
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel
einer Brennkraftmaschine mit Vorwärmspeicher,
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Sintergefüge
des Vorwärmspeichers und
Fig. 4 den grundsätzlichen Verlauf der Druck/Temperatur-
Kennlinie von Metallhydriden unterschiedlicher Art.
Bei den beiden verschiedenen in den Fig. 1 und 2 dargestellten
Brennkraftmaschinen ist ein Kolben 2 in einer Zylinderlaufbüchse
6 bzw. 7 auf und ab beweglich geführt. Der zu der Brennkraftmaschine
gehörende Motorblock 10 bzw. 11 ist mit einem Zylinderkopf
3 bzw. 4 versehen. Von den genannten Motorteilen ist
der Arbeitsraum 5 eingeschlossen. Die den Arbeitsraum begrenzenden
Wände werden durch einen Kühlwassermantel 8 bzw. durch kühlwassergefüllte
Räume 9 im Zylinderkopf gekühlt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Vorwärmspeicher 12
in der Zylinderlaufbüchse 6 vorgesehen. Diese ist zu diesem Zweck
aus 2 Büchsen 6 a und 6 b hergestellt, die an ihren Stirnseiten
wasserstoffdicht miteinander verschweißt sind. An der äußeren
Büchse 6 b ist ein Anschluß 15 zur Zu- bzw. Abfuhr von Wasserstoff
vorgesehen. Über eine Leitung 15 a und ein Absperrventil 16
steht der Vorwärmspeicher mit einem Hauptspeicher 14 für Wasserstoff
in Verbindung. Aus ihm kann dem Vorwärmspeicher bei geöffnetem
Ventil 16 während der Kaltstartphase oder auch davor Wasserstoff
zugeführt werden, so daß sich der Vorwärmspeicher erhitzt und mit
ihm die Brennkraftmaschine rasch aufgewärmt wird.
Der Metallhydridspeicher 14 ist in Form eines möglichen Ausführungsbeispieles
mit in Fig. 1 im einzelnen dargestellt; eine
gewisse Besonderheit dieses Speichers liegt darin, daß er sowohl
bezüglich eines flüssigen als auch bezüglich eines gasförmigen
Wärmeaustauschmediums beschickt werden kann. In einem inneren
Druckgefäß 26 aus gegen Wasserstoff diffusionsundurchlässigem
Werkstoff ist ein Granulat 24 eines geeigneten Metallhydrids
bzw. hydrierbaren Metalles oder Metall-Legierung enthalten.
Um den inneren Druckbehälter 26 ist unter Einhaltung eines
Zwischenraumes ein äußerer Druckbehälter gelegt. In das Innere
des Granulates 24 reichen innere auf der Innenseite des Behälters 26
angebrachte Wärmeaustauschrippen 22 hinein, die die Aufgabe haben,
eine möglichst gute wärmeleitende Verbindung zwischen der
inneren Behälterwand und dem Granulat herzustellen. Desgleichen
sind auf der Außenseite des inneren Behälters Wärmeaustauschrippen
23 angebracht, die die Aufgabe haben, einen möglichst
guten Wärmeübergang von einem in dem Zwischenraum strömenden
gasförmigen Medium an die Behälterwand 26 herzustellen. Durch
den zwischen den beiden Behältern gebildeten Zwischenraum wird
beim Motorbetrieb das Motorabgas geleitet. Im Innern des
Granulates ist eine Kühlschlange 28 eingebettet, die über die
Anschlüsse 29 an den Kühlwasserkreislauf 32 des Motors mit Umwälzpumpe
33 angeschlossen ist. Über die Kühlschlange 28 wird
das Innere des Granulates erreicht, wohin gegenüber dem Mantel 26
und die daran angebrachten Rippen die Außenzone des Granulates
erreichbar sind. Von den an dem stirnseitig angeflanschten Deckel
angebrachten Gasanschlüssen 31, die - eventuell über ein Rückhaltesieb
- mit den Hohlräumen des Granulates verbunden sind,
führt einer über die Leitung 20 zu einer Gemischaufbereitungseinrichtung
19. Die Brennkraftmaschine saugt von ihr über die
Drosseleinrichtung 21 und die Gemischansaugleitung 18 ein Wasserstoff/
Luft-Gemisch an. Dieses Gemisch kann bei Mischbetrieb der
Brennkraftmaschine über ein Einspritzventil an einer Vorkammer
noch mit flüssigem Kraftstoff, z. B. Benzin, angereichert werden.
Ein zweiter der beiden Anschlüsse 31 ist mit dem Vorwärmspeicher
12 bzw. 13 verbunden.
Zur besseren Wärmeleitung innerhalb des Metallgranulates kann
dieses formbeständig verpreßt oder versintert sein. Dieses gilt
sowohl für den Hauptspeicher 14 als auch für den Vorwärmspeicher
12 bzw. 13. Zweckmäßig ist es, wenn Kupfer- oder Aluminiumspäne
mit verpreßt werden. Diese hydrieren nicht und behalten ihre
guten Wärmeeigenschaften auch dann, wenn die hydrierbaren
Granulatkörper hydriert sind. Die eingepreßten Späne sorgen
für einen guten Wärmefluß in dem Preßling aus Metallhydridkörnern,
die selber in hydriertem Zustand schlecht wärmeleitend sind.
Der Porenanteil in dem Granulat sollte wenigstens etwa 5-10%
betragen, um noch genügend Gasaustauschkanäle innerhalb des
Preßlings bzw. des Sinterkörpers zu haben.
Die Füllung 25 des inneren, von der Wand 27 gekapselten und von
der Rohrwendel 28 durchzogenen Metallhydridspeichers besteht
aus einem Niedertemperatur-Metallhydrid, z. B. aus Titan-
Eisen-Hydrid, bei dem bei Temperaturen von minus 20 bis plus
80°C (z. B. Kühlwasser) und einem Überdruck von 1 bis 10 Bar
der Speicher völlig vom Wasserstoff entleerbar ist. Der äußere
Speicher 24 zwischen den Wandungen 27 und 26 besteht aus
einem Hochtemperatur-Metallhydrid, z. B. aus Magnesium-Nickel-
Hydrid; bei Überdrücken von etwa 1 Bar sind hier für die weitgehende
Entleerung des Speichers Temperaturen über etwa 300°C
erforderlich. Solche Temperaturen können mit den Motorabgasen,
wenn die Abgasleitungen 17 wärmeisoliert sind, aufgebracht
werden.
Die Wirkungsweise des Vorwärmspeichers ist nun kurz folgende:
Ausgehend von einem metallischen Zustand des Vorwärmspeichers
12 wird vor oder bei Beginn des Kaltstartes das Absperrventil
16 in der Wasserstoffleitung 15 a geöffnet, wodurch Wasserstoff
aus dem Hauptspeicher 14 in den Vorwärmspeicher einströmen
kann. Ist das Temperaturniveau des Metallhydrides in beiden
Speichern, nämlich im Vorwärmspeicher und im Hauptspeicher,
gleich hoch, wird aufgrund der größeren Speicherkapazität des
Hauptspeichers und aufgrund eines anzunehmenden Mindestfüllzustandes
des Hauptspeichers bei der zu Beginn des Kaltstartes in
beiden Speichern vorliegenden Temperatur im Hauptspeicher Wasserstoff
unter einem höheren Druck anstehen als im Vorwärmspeicher,
so daß von dem Hauptspeicher auf den Vorwärmspeicher ein gewisser
Druck ausgeübt werden kann, der zu einer Einlagerung
von Wasserstoff in die Metallteile des Vorwärmspeichers
führt. Dieser erhitzt sich dadurch sehr stark und gibt seine
Wärme an die beiden Büchsen 6 a und 6 b der Zylinderlaufbüchse
6 ab. Dieses gilt, wenn der Hauptspeicher voll hydriert ist,
d. h. Drucke in der Größenordnung von 50 Bar besitzt, während
der Vorwärmspeicher unhydriert ist. Die Kapazitätsunterschiede
zwischen Haupt- und Vorwärmspeicher (Faktor 100) gewährleisten,
daß der Druck im Hauptspeicher nach Auffüllen des Vorwärmspeichers
nicht merklich abgesunken ist. Dadurch ist es möglich,
für beide Speicher die gleichen Hydridbildner zu verwenden. Es
können natürlich auch Metallhydride mit unterschiedlichen Bildungsenthalpien
benutzt werden; wobei es wünschenswert ist, im
Vorwärmspeicher ein Metallhydrid einzusetzen, das eine hohe
Bildungsenthalpie besitzt (höheres Temperaturniveau und größere
freiwerdende Wärmemenge), wodurch der Aufheizvorgang beschleunigt
werden kann. Durch die Erhitzung des Speichers werden die
Wandungen des Arbeitsraumes 5 unmittelbar und nach einer gewissen
Zeit auch das Kühlwasser des Motors erwärmt. Hierdurch
verkürzt sich die Warmlaufphase erheblich. Wird das Absperrventil
etwa gezielt 2 bis 3 Minuten vor Beginn des Startes der
Brennkraftmaschine geöffnet, so liegt bei Start der Brennkraftmaschine
bereits ein ausreichend vorgewärmter Arbeitsraum vor,
so daß vom Start weg gleich mit qualitativ besseren Abgasen zu
rechnen ist.
Hat die Brennkraftmaschine dann ihre Betriebstemperatur erreicht,
so kehrt sich das Druckgefälle um; bei stark
erhitztem Vorwärmspeicher steht der Wasserstoff unter einem
höheren Druck als im Hauptspeicher 14. Der in den metallischen
dehydrierten Zustand zurückgekehrte Vorwärmspeicher stellt in
diesem Zustand einen aufgeladenen Wärmespeicher dar, der durch
Motorabwärme aufgeladen ist. Er kann seine in chemisch gebundener
Form gespeicherte Wärme nicht durch Strahlung oder Konvektion
verlieren. Spätestens beim Abstellen der Brennkraftmaschine aus
betriebswarmem Zustand muß das Absperrventil 16 geschlossen werden,
damit der metallische Zustand des Vorwärmspeichers bis zum
nächsten Kaltstartvorgang erhalten bleibt.
Bei dem anderen Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine
nach Fig. 2 ist die dort gezeigte Zylinderlaufbüchse 7 einstückig
mit dem zugehörigen Motorblock 11 ausgeführt. Eine außenliegende
Wandung des Kühlwassermantels 8 am Motorblock ist als plattenförmiger
Vorwärmspeicher 13 mit 2 im Abstand zueinander gehaltenen
Blechwänden 13 a, 13 b ausgebildet. Die beiden Platten sind am
Außenrand gasdicht miteinander verschweißt; sie werden gegenseitig
durch eingedrückte warzenartige Erhöhungen zug- und druckfest
auf Distanz gehalten. Auch an diesem Vorwärmspeicher ist ein
Anschluß 15 zur Zu- bzw. Abfuhr von Wasserstoff nach dem Vorbild
von Fig. 1 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die
den Arbeitsraum 5 der Brennkraftmaschine begrenzenden Wandungen
durch konvektiven Wärmeaustausch über das Kühlwasser von dem
Vorwärmspeicher aufgeheizt. Zwar dauert hier der Vorgang des Vorwärmens
der Brennkraftmaschine möglicherweise etwas länger als
beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1; dafür ist aber die Ausbildung
und Anordnung des Vorwärmspeichers etwas einfacher. Damit
der Vorwärmspeicher seine Wärme zum weitaus überwiegenden
Teil an das Kühlwasser des kalten Motors abgibt, nicht jedoch
an die Umgebungsluft, ist auf der Außenseite des Vorwärmspeichers
eine wärmeisolierende Schicht 41 angebracht. Wird der Vorwärmspeicher
direkt in das Kühlwasser eingebracht, so kann die Isolierung
nach außen wegfallen. Die Wirkungsweise des Vorwärmspeichers
bei diesem Ausführungsbeispiel ist völlig analog zu der
beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, so daß insoweit auf die
vorausgegangene Beschreibung verwiesen werden kann.
Die Fig. 3 zeigt noch in stark vergrößerter Form einen Ausschnitt
eines Querschnittes durch eine poröse Sinterschicht, wie
sie zur Bildung der eingelagerten Schicht angestrebt wird. In
dem Verbund dieser Schicht sind Körper 34 an den zunächst losen
Kontaktstellen bei nahezu schmelzflüssigem Zustand unter Druck
und Hitze an diesen Stellen 35 flächig miteinander verschweißt.
Zwischen den Körpern verbleiben Poren 36, die zur Aufnahme von
Wasserstoff in gasförmigem Zustand dienen und die zur Verteilung
des Wasserstoffes innerhalb des Sinterverbundes dienen.
Aufgrund der Verschmelzung der Körner im Sinterverbund sind diese
gut wärmeleitend miteinander verbunden. Der Sinterverbund
selber als ganzes ist spalt- und rißfrei; letztere würden - im
metallischen Zustand der Körner - eine gute Wärmeleitung verhindern.
Auch an den Kontaktstellen des Sinterverbundes mit dem
angrenzenden wasserstoffdichten Wandungsmaterial kommt bei gemeinsamer
Versinterung ein Ineinanderlaufen der Körner mit dem
Wandungsmaterial, also ein guter Wärmekontakt zustande.
Im Druck/Temperatur-Diagramm der Fig. 4 ist der grundsätzliche
Verlauf der Kennlinie verschiedener hydrierbarer Metalle bzw.
Metall-Legierungen eingetragen. Der Verlauf und die Lage dieser
Kennlinien und der ihnen zugeordneten Metalle ist bekannt. Man
kann nun zur Auswahl einer geeignet erscheinenden eingelagerten
Schicht für den Vorwärmspeicher in einem die Kennlinien der
verschiedenen Metalle enthaltenden Diagramm auf der Temperaturachse
die beiden Grenzwerte für die Raum- oder Abkühlungstemperatur
T R und die Betriebstemperatur T B abgreifen und sich
eine zwischen diesen beiden Werten liegende Kennlinie bzw. den
entsprechenden Werkstoff heraussuchen. Hochtemperatur-Hydride
sind z. B. Magnesium-Nickel-Hydrid (Mg₂NiH₄), Magnesium- oder
Titanhydride (MgH₂, TiH₂). Ein Niedertemperatur-Hydrid wäre z. B.
Titaneisen-Hydrid.
Claims (5)
1. Wassergekühlte Brennkraftmaschine mit einem Vorwärmspeicher,
der zur Verkürzung der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine
vor oder beim Motorstart thermisch an die
Brennkraftmaschine entladen und während des Motorbetriebes
aus der Motorabwärme thermisch aufgeladen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Vorwärmspeicher (12, 13) als ein büchsen- oder
plattenförmig ausgebildeter, motorintegrierter Metallhydridspeicher
ausgebildet ist, dessen Wandungen (6 a, 13 a)
in unmittelbarem wärmeleitenden Kontakt mit rückkühlbaren,
den oder die Arbeitsräume (5) der Brennkraftmaschine begrenzenden
Wänden (6) stehen oder den Kühlwassermantel (8)
der Brennkraftmaschine nach außen begrenzen und der
doppelwandig ausgebildet ist, wobei die beiden Wandungen
(6 a, 6 b; 13 a, 13 b) einen wasserstoffdicht gekapselten, mit
hydrierbarem Metall aufgefüllten Raum umschließen, der an
eine Wasserstoffquelle und/oder an einen gesonderten
weiteren Wasserstoffspeicher (14) über ein Ventil (16)
angeschlossen ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wasserstoffquelle bzw. der weitere Wasserstoffspeicher
ebenfalls als Metallhydridspeicher (14) ausgebildet
ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der weitere Metallhydridspeicher (14) um ein mehrfaches
größer ist als der Vorwärmspeicher (12, 13) und daß
beide Metallhydridspeicher mit Metallhydriden etwa
gleichen Temperaturniveaus ausgefüllt sind.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der weitere Metallhydridspeicher und der Vorwärmspeicher
hinsichtlich ihrer Wasserstoff-Speicherkapazität annähernd
gleich groß bemessen sind und daß - unter Zugrundelegung
eines bestimmten gleichen Dissoziationsdruckes -
das Temperaturniveau des Vorwärmspeichers etwa 60-80°C
höher ist als das des weiteren Metallhydridspeichers.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Verbindungsleitung zwischen beiden Speichern
ein in Richtung zum Vorwärmspeicher automatisch sperrendes
Rückschlagventil angeordnet ist, welches jedoch - zum
Vorwärmen der Brennkraftmaschine - willkürlich geöffnet
werden kann.
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