DE2816115C2

DE2816115C2 - Gasgenerator für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2816115C2
Application number: DE2816115A
Authority: DE
Inventors: Pier F. Washington D.C. Talenti
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-14
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1982-05-06
Also published as: IT1102659B; DE2816115A1; GB1554140A; FR2387357A1; CA1071950A; JPS53134793A; IT7848893A0; CH629569A5; FR2387357B1

Description

■to

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator für einen Verbrennungsmotor mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen.

Es ist bereits bekannt, Wasserstoff mit einem in Vergasern von Verbrennungsmotoren erzeugten Gemisch aus Benzindampf und Luft zur Erhöhung der Motorleistung zu vermischen. Es ist auch bekannt, daß eine bessere und vollständigere Oxidation des Kraftstoffes in der Verbrennungskammer des Verbrennungsmo- so tors erreichbar ist, wenn der Motor mit einem mageren Luft/Kraftstoffgemisch betrieben wird. Das hat jedoch den Nachteil, daß bei üblichen Kraftstoffen die Verbrennung von schwachen Gemischen, d. h. von solchen, bei denen der Anteil der Luft wesentlich höher als der dem stöchiometrischen Verhältnis von Kraftstoff zu Luft entsprechende ist, zur Fehlzündung, unkontrollierter Verbrennung oder möglicherweise zum Abwürgen des Motors führen kann. Andererseits ist ein sehr schwaches Gemisch aus Wasserstoff und Luft leichter entzündbar. Eine hervorragende Entzündbarkeit ist für ein Gemisch aus Kraftstoff und Spurenanteilen einer Mischung aus Wasserstoff und Luft charakteristisch. Wenn ein derartiges Gemisch mit einer Zündkerze gezündet wird, verbrennt der sich über das Gemisch verteilende Wasserstoff zuerst und trägt zu einer optimalen Kombination des restlichen verdampften Kraftstoffs bei.

Im Hinblick auf diese Probleme können der Zündbereich des Verbrennungsmotors erweitert und Gemische mit einem hohen Luftanteil verbrannt werden. Die Verbrennungstemperatur ist aufgrund der zusätzlichen Luft niedriger, Wärmeverluste sind entsprechend verringert Diese nahezu vollständige Verbrennung unter hohen Drücken verbessert die Wirtschaftlichkeit des Verbrennungsmotors, reduziert schädliche Auspuffgase und verzögert die Bildung von Ruß in der Verbrennungskammer des Motors, Die Nutzung dieser Vorgänge war schwierig da keine ausreichende Vorrichtung zum Erzeugen und Lagern von Wasserstoff für Verbrennungsmotore zur Verfügung stand. Das Mitführen von schweren Druckflaschen tür Wasserstoffgas ist unzweckmäßig, da derartige Flaschen nachgefüllt und ausgetauscht werden müssen. Außerdem besteht bei derartigen Druckflaschen erhöhte Explosionsgefahr. Die Lagerung von flüssigem Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen ist umständlich, teuer und insbesondere für mobile Zwecke gefährlich.

Zur Beseitigung der bekannten Nachteile sind bereits eine Reihe von Gasgeneratoren entwickelt worden. So offenbart die US-PS 13 80 183 einen Gasgenerator für einen Verbrennungsmotor mit einer eine elektrolytische Lösung aufnehmenden Gasgenerator-Zelle, mit einem die Gasgenerator-Zelle in eine erste und zweite Kammer aufteilenden Separator, der eine die beiden Kammern verbindende Öffnung aufweist, mit zumindest einer in der erster, Kammer angeordneten Kathode zur Erzeugung von Wasserstoff und zumindest einer in der zweiten Kammer angeordneten Anode, die an eine elektrische Stromquelle angeschlossen sind, mit einem zum Vergaser führenden Anschluß des Wasserstoffraumes der ersten Kammer oberhalb der elektrolytischen Lösung, dessen Anschlußquerschnitt den Aufbau des Überdrucks in dieser ersten Kammer durch den erzeugten Wasserstoff und eine damit verbundene Veränderung des Pegels dt7 elekixolytischen Lösung dieser Kammer erlaubt. Bei diesem Gasgenerator sind Speicherbehälter für die getrennt: Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff erforderlich, aus denen der Wasserstoff und der Sauerstoff für die nachfolgende Vermischung und Verbrennung abgegeben wird. Das Speichern von Wasserstoff und Sauerstoff sowie das nachfolgende Vermischen dieser Gase ist jedoch äußerst gefährlich. Bei diesem Gasgenerator sind in der Gasgenerator-Zelle stabförmige Elektroden vorgesehen. In dem US-PS 3311 097 ist ein ähnlicher Gasgenerator für einen Verbrennungsmotor beschrieben. Die Elektroden sind bei diesem plattenförmig ausgebildet

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Gasgenerator so zu verbessern, daß er nur soviel Wasserstoff erzeugt, wie zur vollständigen Verbrennung bei der jeweiligen Geschwindigkeit und Belastung des Verbrennungsmotors erforderlich ist und daß damit Speicherbehälter entbehrlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anode und die Kathode jeweils plattenförmig ausgebildet sind und daß die Kathodenplatte eine Form aufweist, bei der der Zuwachsbetrag des der elektrolytischen Lösung ausgesetzten Oberflächenbereichs in Anstiegsrichtung der Lösung zunimmt.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß ein robuster und vereinfachter Gasgenerator ohne Speicherbehälter geschaffen ist, bei dem das gefährliche Speichern von

Wasserstoff und Sauerstoff entfällt, ohne daß aufwendige Ventil- und Meßeinrichtungen erforderlich sind. Neben der geringfügigen, für den Aufbau eines Gegendruckes für Einstellzwecke erforderlichen Wasserstoffmenge wird der Wasserstoff sofort nach seiner Erzeugung verbraucht, so daß Explosionsgefahren so gut wie ausgeschlossen sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unterans^rüchen 2 bis 4 gelöst, die sich im wesentlichen auf die Ausbildung der Kathodenplatte sowie den Separator beziehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, zum Teil geschnittene Ansicht des erfindungsgemäßen Gasgenerators für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges und

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II des in F i g. 1 gezeigten Gasgenerators.

F i g. 1 zeigt eine Antriebswelle 10 eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors, der dem Gasgenerator der Erfindung in wirkungsvoller Weist angepaßt ist Bei einem solchen Kraftfahrzeug treibt die Antriebswelle to in üblicher Weise einen Generator 12 an. Der Generator 12 weist eine positive elektrische Leitung 14 und eine negative elektrische Leitung 16 auf. Parallel zu den elektrischen Leitungen 14 und 16 sind die Leitungen 18 und 20 geschaltet, welche jeweils an die negativen und positiven Anschlüsse einer Batterie 22 angeschlossen sind. Der Generator 12 erzeugt Gleichstrom.

Die elektrischen Leitungen 14 und 16 sind jeweils mit Anoden 24 und Kathoden 26 einer Wasserstoff- und Sauerstoff erzeugenden Gasgenerator-Zelle 30 verbunden. In F i g. 1 ist die Gasgenerator-Zelle 30 im Querschnitt, in Fig.2 dagegen im Längsschnitt dargestellt Die Gasgenerator-Zelle 30 besteht aus einem Gehäuse 32, das eine mit einer Kammer A für Kathoden 26 in Verbindung stehende Wasserstoffleitung 34 aufweist Eine Sauerstoff-Abgabeleitung 38 steht mit der Kammer B für die Anoden 24 in Verbindung. Die Abgabeleitung 38 gibt Sauerstoff an die Atmosphäre ab, was die Luftqualität verbessert.

Die durch ein Luftfilter 42 geführte Luft tritt über einen Venturikanal 44 aus, der mit der Wasserstoffleitung 34 in Verbindung steht Zwischen dem Venturikanal 44 und der Kammer A befinden sich entlang der Wasserstoffleitung 34 ein Ventil 46 und ein Filter 47.

Der flüssige Kraftstoff für das Fahrzeug wird in einem Kraftstoffbehälter 50 gelagert Der Kraftstoff fließt aus so dem Kraftstoffbehälter 50 zum Vergaser vermittels einer entlang der Kraftstoffleitung 54 angeordneten Pumpe 52. Eine Rückführleitung 56 für den Kraftstoff steht mit der Ausgangsseite der Pumpe 52 hinter dem Kraftstoffbehälter 50 über ein Druckreduzierventil 53 in Verbindung. Eine Ausgangsleitung 55 der Pumpe 52 führt zu einem üblichen Schwimmergehäuse 58 über ein Ventil 57. Im Schwimmergehäuse 58 ist ein Schwimmer 60 mit einem Ventilglied 62 angeordnet, das die Ausgangsleitung 55 der Pumpe 52 schließt, wenn ein w angemessener Kraftstoffpegel im Schwimmergehäuse 58 erreicht ist.

Ein Aufnahmerohr 68 verbindet den unteren Teil des Schwimmergehäuses 58 mit dem Venturikanal 44. Das Aufnahmerohr 68 weist ein in den Venturikanal 44 führendes Ende auf. Eine Drosselklappe 66 ist in üblicher Weise quer zum unteren Teil des Venturikanals 44 angeordnet. Während Luft durch das Luftfilter 42 vermittels des während des Kolbensaughubes entstandenen Vacuums gesogen wird, bewirkt die sich im Venturikanal 44 bewegende Luft, daß eine bestimmte Menge Kraftstoff durch das Aufnahmerohr 68 und eine bestimmte Menge Wasserstoff aus der Wasserstoffleitung 34 gesogen wird.

Ein geeignetes Gemisch aus Luft, Benzin und Wasserstoff fließt zur Ansaugleitung 70. Der dargestellte Zylinder 72 des Verbrennungsmotors nimmt einen hin- und herbewegbaren Kolben 74 auf und ist mit einer Zündkerze 76 sowie mit üblichen Ventilen 78 und 80 ausgerüstet

Im Verbrennungsraum 82 des Kolbens 74 werden der gasförmige Wasserstoff, der flüssige Kraftstoff und die; Luft gezündet Obgleich nur Spuren von Wasserstoff in der Größenordnung von 0,4 bis 2% vorhanden sind, erfolgt eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs. Wegen der vollständigen Verbrennung werden die Abgase ohne Verunreinigungen über die Auspuffleitung 84 abgegeben.

Wie die F : g. 1 dem System durch das Ventil 46 genau einstellbare Mengen von Wasserstoff zugeführt Das Ventil 46 kann entweder durch Handsteuerung oder automatisch durch einen Monitor (nicht gezeigt) eingestellt werdea. welcher die Abgase ' in der Auspuffleitung 84 analysiert

F i g. 2 zeigt in einem Längsschnitt den in F i g. 1 dargestellten Gasgenerator zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff.

Die Gasgenerator-Zelle 30 arbeitet nach dem üblichen elektrolytischen Wasserzersetzungs-Prozeß entsprechend der Formel

2H₂O-O₂ + 2H₂,

wobei der Gleichstrom für die Elektrolyse vom Generator 12 geliefert wird. Da die Fahrzeugbatterie 22 nur den Strom zum Starten des Verbrennungsmotors liefert, ist sie für die Wasserstofferziugunj; nicht erforderlich. Der durch die Elektrolyse erzeugte Sauerstoff wird über die Abgabeleitung 38 an die Atmosphäre abgeführt Alternativ kann der im Laufe der Elektrolyse erzeugte Sauerstoff gesammelt und unter Vermeidung von Explosionsgefahren dem Motor getrennt zugeführt werden. Die in den F i g. 1 und F i g. 2 dargestellte Gasgenerator-Zelle 30 besteht zur Durchführung der Elektrolyse aus einem metallischen Zellengehäuse 90 mit einer Isolierschicht 92 auf seiner Außenseite.

Ein Separator 94 unterteilt die Gasgenerator-Zelle 30 in zwei Kammern A und B. Der Separator 94 ist an einem Rahmen 95 angebracht Parallele Kathodenplatten 26 sind mit dem negativen Stromleiter verbunden. Die nus Eisen bestehenden Kathodenplatten 26 sind in der Kammer A angeordnet Die Gasgenerator-Zelle 30 besteht vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahl. Ein erheblicher Teil des Stromflusses zwischen den Elektroden 24 und 36 erfolgt direkt durch den Separator 94, um so die Stromstrecke zu verkürzen, was wiederum Energie einspart. Für diese Zwecke wurden Separatoren aus Asbest und in Kunststoff gegossenem Metall verwendet Beim Einsatz von Asbest verursacht seine Porosität eine für den Stromdurchlat ausreichende Durchfeuchtung. Bei Verwendung von Metallpulver wird ein ausreichender Prozentanteil dazu benutzt, Strom wirksam durch den Separator zu schicken.

Der verwendete Elektrolyt kann eine 20- bis 30%ige wäßrige Lösung von Kaliumhydroxid sein. Zur Kompensierung der Zersetzung kann beispielsweise destil-

liertes oder salzfreies Wasser durch die Öffnung 21 der Gasgenerator-Zelle 30 zugesetzt werden. Ein in der Zeichnung nicht gezeigtes Fenster kann in der Außenseite der Gasgenerator-Zelle 30 vorgesehen sein, um eine Prüfung des Elektrolytpegels in der Gasgenerator-Zelle 30 zu ermöglichen. Während der Tests erreichte die Gasgenerator-Zelle 30 ihre maximale Leistung mit einem Elektrolyten, der 28%iges Kaliumhydroxid enthielt. Wegen der großen Kapazität der Gasgenerator-Zelle 30 wurden keine Nachteile festgestellt, wenn Leitungswasser anstelle von destilliertem Wasser zum Wiederauffüllen der Gasgenerator-Zelle 30 verwendet wurde.

Die plattenförmigen Anoden 24 bestehen vorzugsweise aus Eisen oder Nickel, wobei die Hauptparameter zur Bestimmung der Leistung der Gasgenerator-Zelle 30 die Gesamtheit der für den Stromfluß zur Verfügung Stphpnrlpn Flelctrodenoberfläche der Kathode 26 und der Anode 24 sowie den Abstand zwischen den Elektrodenplatten darstellen.

Der an den Kathoden 26 gebildete Wasserstoff gelangt durch eine Öffnung 96 in eine Kammer 98 mit einem abgeschrägten Boden 100, anschließend durch eine Öffnung 102 in eine Sammelkammer 104 und von hier über eine Wasserstoffleitung 34 und ein Ventil 46 zum Venturikanal 44. Wie ausgeführt, wird der an der Anode 24 abgeschiedene Sauerstoff über die Abgabeleitung 38 an die Atmosphäre abgegeben.

Wie die F i g. 2 zeigt, ist das Gehäuse 32 der Gasgenerator-Zelle 30 im Längsschnitt dreieckig ausgebildet. Die Kathoden 26 und die Anoden 24 weisen ebenfalls eine Dreiecksform auf. Diese Dreiecksform der Kathoden 26 ist wichtig für den Pegel des Elektrolyten. Da sich der für die Wasserstofferzeugung der Kathoden 26 zur Verfügung stehende Oberflächenbereich rasch vergrößert, wenn der Elektrolytpegel in der Kammer ansteigt und sich andererseits rasch vermindert, wenn der Elcktrolytpegel in der Kammer abfällt, reagiert die Gasgenerator-Zelle 30 hochempfindlich auf die Anforderungen des Verbrennungsmotors.

Bei Betrieb verursacht der Saughub des Verbrennungsmotors einen negativen Druck in der Ansaugleitung des Vergasers, so daß Wasserstoff über die Wasserstoffleitung 34 in den Vergaser fließt. Durch entsprechende Einstellung des Ventils 46 und/oder durch eine geeignete Wahl der Abmessungen der Wasserstoffleitung 34 wird der dem Verbrennungsmo-ϊ tor zuzuführende Wasserstoffstrom so eingestellt, daß er kontinuierlich dem Bedarf des Verbrennungsmotors entspricht. Eine Regulierung der Geschwindigkeit zur Wasserstofferzeugung erfolgt automatisch in der Gasgenerator-Zelle 30. Im Falle einer Überproduktion

ίο von Wasserstoff in der Gasgenerator-Zelle 30 wird ein höherer Wasserstoffdruck in dem mit Gas gefüllten Raum 111 der Kammer A gebildet. Dieser positive Druck setzt den Pegel des Elektrolyten so herab, daß der Elektrolyt durch die Öffnungen 112 des Separators

94 und durch die Öffnungen 114 der plattenförmigen Anoden 24 in den freien Raum 116 entweicht, welcher dem die oberen Enden der Anoden 24 umgebenden Atmosphärendruck ausgesetzt ist, wodurch die befeuchteten leitenden Oberflächenteile der Kathodenplatten 26 und damit die Geschwindigkeit der Wasserstofferzeugung der Gasgenerator-Zelle 30 so herabgesetzt werden, daß die Wasserstofferzeugung in der Gasgenerator-Zelle 30 und der Wasserstoffverbrauch durch den Verbrennungsmotor sich gegenseitig ausgleichen.

Wenn die Wasserstoffleitung 34 verstopft oder das Ventil 46 geschlossen ist, sinkt der Elektrolytpegel unter die Ka'hodenplatte 26.

Die Kammern 98 und 104 bilden Vorfilter zum Abscheiden flüssiger Tröpfchen, welche mit dem in der Gasgenerator-Zelle 30 erzeugten gasförmigen Wasserstoff vermischt sind. Die abgetrennte Flüssigkeit fließt wieder in die Gasgenerator-Zelle 30 entlang dem geneigten Boden 100 der Kammer 98 zurück. Ein weiteres Filter 47 ist vorzugsweise in der Wjsserstoffleitung 34 vorgesehen, um zu verhindern, daß korrodierende Flüssigkeiten in den Verbrennungsmotor eintreten.

Da der Stromgenerator direkt mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist, wird weniger Strom und

■to damit weniger Wasserstoff bei relativ geringen Umdrehungsgeschwindigkeiten des Verbrennungsmotors erzeugt. Dies stellt eine weitere automatische Kontrolle der Wasserstofferzeugung dar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Gasgenerator für einen Verbrennungsmotor mit einer eine elektrolytische Lösung aufnehmenden Gasgenerator-Zelle, mit einem die Gasgenerator-Zelle in eine erste und zweite Kammer aufteilenden Separator, der eine die beiden Kammern verbindende Öffnung aufweist, mit zumindest einer in der ersten Kammer angeordneten Kathode zur Erzeugung von Wasserstoff und zumindest einer in der zweiten Kammer angeordneten Anode, die an eine elektrische Stromquelle angeschlossen sind, mit einem zum Vergaser führenden Anschluß des Wasserstoffraumes der ersten Kammer oberhalb der elektrolytischen Lösung, dessen Anschlußquerschnitt den Aufbau eines Überdrucks in dieser ersten Kammer durch den erzeugten Wasserstoff und eine damit verbundene Veränderung des Pegels der elektrolytischen Lösung dieser Kammer erlaubt, dadurcb gekennzeichnet, daß die Anode (24) und die Kathode (26) jeweils plattenförmig ausgebildet sind und daß die Kathodenplatte (26) eine Form aufweist, bei der der Zuwachsbetrag des der elektrolytischen Lösung ausgesetzten Oberflächenbereichs in Anstiegsrichtung der Lösung zu- nimmt

2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenplatte (26) dreiekkig ausgebildet ist, wobei die Basis derselben im oberen Teil der ersten Kammer (A) angeordnet ist und die Katkxlenplatte sich zu einem Scheitelpunkt im unteren Teil der ersten Kammer (^verjüngt

3. Gasgenerator nach Anspruch 1,- dadurch gekennzeichnet, daß der Separator (94) leitend ist.

4. Gasgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Separator (94) aus Metall und Kunststoff besteht