DE2750463C2 - - Google Patents

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.