DE102012006827A1 - Method for operating combustion engine of motor car, involves producing required amount of hydrogen by electrolysis process for operation of combustion engine, and transferring hydrogen and oxygen into combustion chamber - Google Patents
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Abstract
Description
Titeltitle
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mittels einer Kombination aus fossilen Kraftstoffen und einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch und Mischgenerator zur Herstellung von Wasserstoff und der Brennstoffkombination.Method for operating an internal combustion engine by means of a combination of fossil fuels and a hydrogen-oxygen mixture and mixed generator for the production of hydrogen and the fuel combination.
Anwendungsgebietfield of use
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor mittels einer Kombination aus herkömmlichen, fossilen Kraftstoffen und einem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch.The invention relates to an apparatus for operating a vehicle with an internal combustion engine by means of a combination of conventional, fossil fuels and a hydrogen-oxygen mixture.
Stand der TechnikState of the art
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.The fuels used in conventional internal combustion engines are made from petroleum and its derivatives. As the oil reserves decline in the foreseeable future, the designers are forced to produce more economical than the currently operating engines. One possible solution is the use of hydrogen in internal combustion engines. On the one hand, the ever increasing vehicle density and the recognizable environmental damage, which arise in connection with exhaust gases and emissions from motor vehicles, require that the environmental impact of internal combustion engines in motor vehicles be reduced.
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
In der
Auch aus der
In der
Die
Alle erwähnten Dokumente gehen somit davon aus, dass Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse hergestellt werden.All the documents mentioned assume that hydrogen and oxygen are produced by electrolysis.
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.The following problems occur:
For the provision of the electrical energy required for the electrolysis is only an external or an accumulator of a vehicle available. In addition, due to the evolution of heat in the electrolysis process, saturated steam containing acidic and basic salts is formed. When introduced into the cylinder, this leads to corrosion in the combustion chambers and in the exhaust system of the internal combustion engine.
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.Alternatively, 100% hydrogen-powered internal combustion engines are under development and testing. Although such motors may be an alternative to conventional motors, practical application is very problematic. At the existing filling stations, hydrogen must be laboriously stored. Refueling the vehicles is only fully automatic possible for safety reasons. The tank installed in the motor vehicle must meet the highest cooling and safety requirements. This causes very high costs and risks, so that a broad application in the next few years is not to be expected. The invention aims to eliminate the disadvantages mentioned.
Aufgabenstellungtask
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.The inventive task is to be seen in the development of a method for operating an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, by means of a combination of fossil fuels and a hydrogen-oxygen mixture. Furthermore, for the realization of the method to develop a generator with which the fuel mixture can be produced.
Lösung der AufgabenstellungSolution of the task
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.The task has been solved by the procedural and listed in claim 3 apparatus features in
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Wasserstoff ausschließlich in der benötigten Menge zeitgleich zum Betrieb des Verbrennungsmotors durch Elektrolyse herzustellen. According to the invention it is proposed to produce the hydrogen exclusively in the required amount at the same time for the operation of the internal combustion engine by electrolysis.
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.In this method, no storage of the hydrogen gas is provided. Hydrogen is produced and consumed immediately. The mixing ratio changes depending on the speed of the internal combustion engine. At low speed, an admixture of about 2% to the intake air is sufficient.
Merkmale der Erfindung in Bezug auf Verbrennungsmotoren sind zur Kraftstoffreduzierung auch die Reduzierung der Abgase des Verbrennungsmotors.Features of the invention with respect to internal combustion engines to reduce fuel consumption and the reduction of the exhaust gases of the internal combustion engine.
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.All of the Internet's peer-reviewed and tested hydrogen generators had too little gas production or the water in the hydrogen generators became very dirty after a few hours of use.
Ausführungsbeispielembodiment
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 (
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.By supplying hydrogen gas into the intake air of an internal combustion engine, carbons are bound with hydrogen in the fuel-air mixture, and carbons are now also burned with hydrogen, whereby the power of the internal combustion engine is raised. If the additional power is not called, the fuel consumption is reduced and the exhaust gases are reduced.
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.In order to increase the voltage required for the electrolysis, a voltage converter or a 24 V generator (G) is provided. The voltage converter or the 24 V alternator (G) and the microprocessor control for the whole system form a unit. The voltage that has been increased here is preferably up to 24 volts (at 12 volts) and 30 amps power line, at 24 volt alternator (g) at 80 amps power line.
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.For 42 volt vehicles (planned), the voltage remains 42 volts and 30 amps of power line. The voltage converter has the task to increase the existing on-board voltage at 12 volts to 24 volts. The maximum amperage for a standard 12 volt automotive alternator is limited to approximately 30 amps. In a 24 volt automotive alternator G, the current is limited to about 8 amps. The DC voltage thus generated is passed from here to the electrolytic cell Z and applied to the anode. The basic structure of the electrolytic cell Z consists of a plug-in chamber system in a rectangular shape. The starting materials used are stainless steel, steel, aluminum and plastics. The plug-in chamber system connects the inner reaction surfaces with the outer housing components.
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.The reaction surfaces used are each a cathode plate and an anode plate and dual reaction plates lying between them. Their number varies according to the dimensioned power of the electrolytic cell Z. For the preparation of the reaction spaces between the reaction plates are plastic frame, which also act as a seal.
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.The reaction plates have dimensions of approx. 130 mm × 165 mm These are approx. 1 mm wide. The heat-resistant plastic frames have a thickness of approx. 2 mm with identical external dimensions.
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
Die Reaktionswärme wird über einen Wärmetauscher K, der an das Kühlsystem des Verbrennungsmotors angeschlossen ist, abgeführt. Der Elektrolysezelle Z wird über eine druckfeste Leitung
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.The gas buffer ZS holds about 5 liters. It is needed to supply the system with sufficient hydrogen oxygen mixture during start-up or acceleration.
In die Leitung
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.If the negative pressure in the intake duct A rises above a value of about -0.4 bar, this value is reached when accelerating or accelerating, the valve V opens and hydrogen-oxygen mixture passes into the intake duct A of the internal combustion engine.
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.If the negative pressure in the intake duct A drops below a value of about -0.5 bar, this value corresponds to a slight pressure on the accelerator pedal or idle gas, the black-and-white valve V is closed via the pressure switch S. In order to ensure the function of both control loops, a central control unit S is used. This electronic control unit S is also used for setting all pressure values of the system and monitoring the cooling of the electrolytic cell Z. In the central control unit S, a circuit for switch-on delay is integrated. This delays the start of production of the hydrogen-oxygen mixture in the electrolytic cell and holds the black-and-white valve V for the filling of the intake duct (A) until the internal combustion engine has started. This prevents an inflow of hydrogen-oxygen mixture during the starting process of the internal combustion engine.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- AA
- Ansaugtraktintake system
- SS
- Steuergerätcontrol unit
- SiSi
- Sicherungfuse
- GG
- Generatorgenerator
- VV
- VentilValve
- V1V1
- Verteilungdistribution
- ZZ
- Elektrolysezelleelectrolysis cell
- TT
- Tank/WasserabscheiderTank / water separator
- ZSZS
- Zwischenspeichercache
- KK
- Kühlungcooling
- PP
- Pumpepump
- 11
- Elektroleitungenelectric lines
- 22
- GasdruckleitungGas pressure line
- 33
- UnterdruckleitungVacuum line
- 44
- Gasleitung AuslassGas line outlet
- 55
- Wasserleitung EinlassWater pipe inlet
- 66
- Wasserfilterwater filters
- 77
- WasserstandssensorWater level sensor
- 88th
- Temperatursensortemperature sensor
- 99
- WassereinfühlstutzenWassereinfühlstutzen
- 1010
- WasserstandsschauglasWater level sight glass
- 1111
- Stromleitung bis SOAPower line to SOA
- 1212
- Druckanzeigepressure indicator
- 1313
- Temperaturanzeigetemperature display
- 1414
- UnterdruckanzeigeVacuum indicator
- 1515
- KühlflüssigkeitsleitungenCoolant lines
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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