DE2851232A1

DE2851232A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2851232A1
Application number: DE19782851232
Authority: DE
Inventors: Vaughn R Anderson; Ronald L Woolley
Original assignee: Billings Energy Corp
Current assignee: Billings Energy Corp
Priority date: 1977-11-28
Filing date: 1978-11-27
Publication date: 1979-06-07
Also published as: US4167919A; SE441947B; BR7807774A; IT1100759B; CA1096719A; AU530449B2; AU4193078A; SE7812266L; FR2410133A1; GB2009311B; JPS5499816A; GB2009311A; FR2410133B1; IT7830219A0

Description

Patentanwalt DIPL-PHYS. DR. W. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*

MÜNCHEN 81"· WISSMANNSTRASSE 14 ■ TELEFON 93 27 74 · TELEGRAMMADRESSE: LANSHOFFPATENT MÜNCHEN

München, den 27. 11. 1978 Unser Zeichen : 42 - 1804

Patentanmeldung
der

Billings Energy Corporation, 2000 East Billings Avenue,

Provo, Utah 84601,
USA

Brennkraftmaschine

909823/0686

* Ständiger allgemeiner Vertreter nach § 46 PalAnwO'. zugelassen bei den Landgerichten München I und II.

Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen, die mit Brennstoff in Form von gasförmigem Wasserstoff laufen und betrifft insbesondere Verfahren, um während des Betriebs derartiger Brennkraftmaschinen Fehlzündungen zu verhindern und die Erzeugung von Stickoxiden zu verringern.

Brennkraftmaschinen, die Wasserstoff als Brennstoff verwenden, können ohne Schwierigkeit mit verringerter Leistung betrieben werden, wenn der Zündzeitpunkt für das als Brennstoff verwendete gasförmige Wasserstoffgemisch richtig gewählt wird. Bei höherer Leistung tritt das Problem der Rückzündung im Einlaß-Verteiler auf. Ohne Einrichtungen zum Unterdrücken derselben kann die Maschine nicht kontinuierlich mit der bei herkömmlichen Kraftfahrzeugen üblichen Leistung laufen. Darüberhinaus nimmt auch die Bildung von Stickoxiden (NO ) mit steigender Leistung eines mit Wasserstoff als Brennstoff laufenden Motors zu.

Aus der US-Patentschrift 3 983 882 ist es bekannt, dem Wasserstoff-Luft-Gemisch in dem Einlaß-Verteiler einer Brennkraftmaschine Wasser hinzuzufügen, wodurch die Neigung zu Rückzündungen wirksam unterdrückt und die Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung weitgehend verringert wird. Gemäß der Lehre des erwähnten Patents wird Wasserstoffgas mit einer vorbestimmten Menge Luft vermischt, und diesem Gemisch von Wasserstoff und Luft wird am Einlaß-Verteiler des Motors Wasser zugesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mit Wasserstoff als Brennstoff laufenden Motor Zündungen im Einlaßsystem zu vermeiden und die Erzeugung von Stickoxiden weitestgehend zu verringern.

S09823/0886

Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine für den Betrieb mit Wasserstoff, mit einer Speisevorrichtung zum Erzeugen und Zusetzen von fein verteiltem Wasser und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser an einer Stelle des Einlaßsystems zugegeben wird, an der der Wasserstoff noch nicht mit Luft vermischt ist. Hierzu werden übliche Brennkraftmaschinen und Ausrüstungen verwendet.

Gemäß der Erfindung kann Wasser aus beliebiger Quelle zugegeben werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der während der Verbrennung von Wasserstoff gebildete Wasserdampf kondensiert und bildet die Quelle für das dem Wasserstoff strom zugesetzte Wasser. Ein Behälter hält den für das Einführen notwendigen Wasserpegel aufrecht. Es wird eine ausreichende Wassermenge erzeugt, um einen vorbestimmten Wasserzustrom aufrechtzuerhalten. Die Bildung von Stickoxiden während des Verbrennungsprozesses des Wasserstoffes wird um einen Faktor zwischen 3 und 20 verringert im Vergleich zu der Anlage nach dem US-Patent 3 983 882, indem das Wasser direkt zum Wasserstoffstrom zugesetzt wird, bevor der Wasserstoff brennstoff mit Luft vermischt wird. Das Problem von Fehlzündungen besteht bei der Brennkraftmaschine nach der Erfindung nicht. Das Einströmwasser kühlt das Wasserstoffverbrennungsverfahren ab, vermindert dadurch die Wasserstoffverbrennungsgeschwindigkeit und eliminiert dadurch im wesentlichen das Fehlzündungsproblem.

Das Wasser gelangt durch eine Einspritzdüse oder einen Vergaser in den Wasserstoffstrom. Der wasserbeladene Wasserstoff wird dann in einer herkömmlichen Gasmeßvorrichtung mit Luft vermischt. Sodann wird das Wasserstoff-Luft-Gemisch dem Einlaß der Brennkraftmaschine zugeführt.

Ein statischer Wasserspeichertank ist nicht erforderlich, kann aber nach Bedarf verwendet werden. Thermostatisch geregelte

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Abflußventile leeren wasserführende Teile automatisch, um ein Einfrieren zu verhindern, wenn die Maschine bei Frostbedingungen nicht benutzt wird. Frostschutz ist nicht erforderlich. Sofort beim Start des Motors wird genügend Wasser verfügbar, so daß Nachfüllen oder Speichern nicht erforderlich ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm einer Ausführungsform der mit Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Vergaser zum Einführen von Wasser in bestimmtem Massenverhältnis in den Wasserstoffstrom;

J¹Ig. 3 einen Querschnitt durch eine Einspritzdüse, durch die Wasser in den Wasserstoffstrom eingespritzt wird, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Verringerung von Stickoxiden und des Verhältnisses zwischen der Leistung der Maschine und dem Mol-Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff in dem verbrannten Brennstoff.

Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 10 verwendet zwei in Strömungsrichtung hintereinander liegende Vergaser 15 und 20. Der Vergaser 15 dient dazu, Wasserstoffgas und Luft zu vermischen und dieses Gemisch dem Einlaß-Verteiler 11 der Brennkraftmaschine 10 zuzuführen. Wasserstoffgas (H₂) wird dem Vergaser 15 über die Speiseleitung 16 zugeführt. Diese Leitung 16 wird unter relativ niedrigem Druck mit gasförmigem H₂ beschickt. Eine Lufteinlaßleitung 17 führt in

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den Vergaser 15, und Luft wird in vorgewählter Menge mit dem durch die Leitung 16 zugeführten Wasserstoffgas vermischt. Ein handelsüblicher Vergaser für das Teil 15 ist etwa ein von IMPCO hergestelltes luftbetätigtes Membranventil.

Der dem Vergaser 15 zugeführte Wasserstoff enthält Wasser in Form von Dampf, Tröpfchen, Dunst, Spray oder einer Kombination hieraus. Das Wasser gelangt durch einen zweiten Vergaser 20, der in Strömungsrichtung vor der Leitung 16 und dem Vergaser 15 liegt, in den Wasserstoffstrom in die Leitung 16. Der zweite Vergaser 20 ist ein üblicher Flüssigkeit-Gas-Vergaser. Wasserstoffgas gelangt mit relativ niedrigem Druck durch eine Leitung 18 in den zweiten Vergaser 20, und Wasser gelangt durch eine Speiseleitung 21 in denselben. Der Vergaser 20 ist für den Wasserstoff- bzw. Wasserstrom gut geeignet, indem die Einspritzdüsen passend dimensioniert sind oder die Strömungsstärken für Wasserstoff bzw. Wasser einstellbar ist.

Eine Pumpe 22 pumpt Kondenswasser durch die Speiseleitung 21 in den Vergaser 20. Das vorbestimmte Massenverhältnis von Wasser zu Wasserstoff in dem Gasgemisch vom Vergaser 20 wird durch die Einstellungen in dem Vergaser im wesentlichen aufrechterhalten. Das Verhältnis von Luft zu Wasserstoff und Wasser ist durch die Einstellungen in dem Vergaser 15 aufrechterhalten.

Das Gemisch aus Luft, Wasserstoff und Wasser wird in einer durch die Drosselstellung des Vergasers 15 vorbestimmten Menge in den Einlaß-Verteiler 11 der Brennkraftmaschine 10 geleitet zum anschließenden V erbrennen in dessen Zylindern. Der Auslaß der Brennkraftmaschine 10 wird über eine Auslaß-Sammelleitung 27 direkt einem Kondensor 30 zugeführt. Dieser wirkt als Vorkühler und dient dazu, Geräusche aus der Brennkraftmaschine 10 zu dämpfen. Die Innenfläche der Wände des Kondensors 30 sind so proportioniert, daß sie Wasserdampf

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in genügender Menge für den Spitzenbedarf der Brennkraftmaschine 10 kondensieren und umwandeln. Das Wasser gelangt in einen kleinen Behälter 35 des Kondensors, wo es bis zur späteren Einführung in den Vergaser 20 verbleibt. Eine Speiseleitung 36 erstreckt sich von einer Öffnung in dem unteren
Bereich des Behälters 35 bis in den Einlaß der Wasserpumpe Diese pumpt dann das Wasser durch die Speiseleitung 21 in
den Vergaser 20. Die Pumpe 22 kann elektrisch oder mechanisch vom Motor angetrieben werden.

Der Kondensor ist so gestaltet, daß er Wasser in für den Dauerbetrieb ausreichender Menge kondensiert. In dem Kondensor 30 ist ein kleiner Behälter 35 vorgesehen, in dem genügend
Wasser gespeichert werden kann, um zumindest für schnelle
Manöver, etwa das Überholen eines anderen Fahrzeugs mit hoher Geschwindigkeit, gerüstet zu sein. Für derartige Spurts genügt eine Speichermenge von etwa 1/2 bis 2 oder 3 Litern
Wasser, je nach Leistung des Motors. Restgase und Wasserdampf aus dem Auslaß innerhalb des Kondensors 30 treten zusammen mit überschüssigem Kondenswasser oder dem Überlauf aus dem Behälter 35 durch das Auslaßrohr 47 nach draußen.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein System zum automatischen Verhindern der Wasservereisung in
den Bauteilen der Wassereinführanlage bei Frostbedingungen, wenn die Maschine nicht benutzt wird. Zu diesem Zweck ist je ein thermisch gesteuertes Ventil am Austrittsende des zweiten Vergasers 20, am Kammerauslaß der Pumpe 22 und am Unterteil des Behälters 30 angebracht. Das thermisch gesteuerte
Ventil 40 an der Unterseite des Vergasers 20 steht über eine Leitung 41 mit dem Kondensor 30 in Fluidverbindung. Das thermisch gesteuerte Ventil 43 an der Pumpe 22 wird über eine
Leitung 42 zum Kondensor 30 hin entleert. Das thermisch gesteuerte Ventil 45 entleert den Behälter 35 über das Auslaßrohr

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46. Die Ventile 40, 43 und 45 sind voreingestellt und öffnen bei und unterhalb einer vorbestimmten Temperatur, um Wasser ablaufen zu lassen. Diese vorbestimmte Temperatur hängt von der jeweiligen Anordnung in dem Motorraum ab und einer empirischen Festlegung, welche Außentemperatur das Wasser in dem Motorraum gefrieren lassen würde. Einstellungen zwischen 0⁰C und 4,4⁰C sind üblich, wobei die günstigste Einstellung bei etwa i,67°C liegt.

In jedem Fall liegt bei laufendem Motor die Temperatur in dem Motorraum über der eingestellten Temperatur, und die Ventile bleiben auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt geschlossen, so daß Wasserkondensation und Wassereinlauf nicht unterbrochen werden. Beim Start des Motors mit abgezogenem Wasser erwärmt sich der Motor rasch und steuert die thermisch geregelten Ventile in die geschlossene Stellung. Auch geschieht die Kondensation einer ausreichenden Wassermenge von dem Motorauslaß, die zum Einfüllen in den Motor mit dem Wasserstoff brennstoff bestimmt ist, sehr rasch. Der Behälter füllt sich nach dem Starten des Motors sehr rasch mit Wasser.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Vergasers 20. Er ist im allgemeinen wie ein herkömmlicher Benzinvergaser ausgebildet. Die Wasserspeiseleitung 21 endet bei einem Nadelventil im oberen Teil einer Aufnahmekammer 50. Sobald genügend Wasser in der Kammer 50 ist, verschließt ein Schwimmer 51 das Nadelventil 52. An der Unterseite der Kammer 50 ist ein Düsenventil 55 vorgesehen. Es bemißt den Wasserstrom in ein Rohr 56, welches sich in die engste Stelle einer Venturidüse 57 erstreckt. Das Ende des Rohrs 56 liegt über dem Wasserniveau 58. Von der Kammer 50 erstreckt sich eine Entlüftungsleitung 59 in eine Mischkammer 60. Im äußeren Bereich dieser Mischkammer 60 ist ein Drosselventil 61 angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Vermischen von Wasser mit dem Wasserstoffgasstrom. Bei

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dieser Ausführungsform wird eine Einspritzdüse 75 verwendet zum Einspritzen von Wasser in den Wasserstoffstrom anstelle des bei den anderen Ausfuhrungsformen beschriebenen Vergasers. Das Wasserstoffgas wird durch die Einspritzdüse 75 direkt in die Speiseleitung 16 des Vergasers 15 geleitet. Das Wasser wird auf bekannte Weise und in genau bemessener Menge in die Speiseleitung 16 eingespritzt. Der so entstandene Wassernebel wird mit dem Wasserstoffgasstrom vermischt, und dieses Gasgemisch gelangt in den Einlaßverteiler 72 der Brennkraftmaschine 10. Das Massenverhältnis von Wasser zu Wasserstoff in dem kombinierten Gemisch (mit Luft) ist vorbestimmt, wie nachstehend nach erläutert wird, um optimale Ergebnisse zu erreichen. Die Einspritzdüse kann eine bestimmte mechanische Vorrichtung sein, es können aber auch elektronische Einspritzvorrichtungen verwendet werden, wie sie von der Robert Bosch GmbH in Stuttgart hergestellt werden.

Mit dem Begriff "Einströmen" ist gemeint, daß die Bestandteile durch die Fluiddynamik des Einlaßsystems vermischt werden, also durch Vakuum, Venturidüsen, öffnungen, und dergleichen. Mit dem Begriff "Einspritzen" ist gemeint, daß das Einlaufgut direkt durch eine Einspritzdüse hineingedrückt wird, etwa durch eine Pumpe. Der Begriff "Einführen" ist hier als allgemeiner Ausdruck gebraucht, der sowohl Einströmen als auch Einspritzen als auch jede andere Art und Weise beinhaltet, wie Wasser mit Wasserstoffgas vermischt und das Wasserstoff gemisch dem Einlaß des Motors zugeleitet wird.

Der in Fig. 1 dargestellte Kondensor 30 kann ein offenes Gehäuse sein, dessen Innenwände 31 als Kondensstruktur dienen. Die Wände 31 sind innen dem heißen dampfbeladenen Auslaß ausgesetzt. Das Äußere der Wände ist der Raumptemperatur des Motorraumes ausgesetzt. Bei einem kleinen Fahrzeug mit 50 Brems-PS genügt eine Innenwandfläche von etwa 2.300 cm² zum

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Kondensieren einer ausreichenden Wassermenge für das Motorsystem. Die erforderliche Oberfläche verläuft im allgemeinen linear mit den Brems-PS des Motors. Demnach benötigt ein Wagen mit 100 Brems-PS eine Innenwandfläche 31 von etwa 4.600 cm² in dem Kondensor 30. Vorzugsweise befindet sich in dem Kondensor 30 eine Auffangkammer, so daß Wassertropfen sich von dem Auslaßstrom niederschlagen, anstatt durch das Auslaßrohr 47 nach draußen geblasen zu werden. Gestalt und Größe des Kondensors 30 können durch bekannte Verfahren optimiert werden, etwa durch Riffelungen der Wände, oder durch innen angebrachte Rohrleitungen, durch welche ein Motorkühlmedium strömen kann.. Es wurden eine Reihe von Tests bei einem V-8-Motor durchgeführt, der so verändert wurde, daß das Kompressionsverhältnis von etwa 8:1 auf etwa 12:1 erhöht wurde, so daß Wasserstoffgas als Brennstoff verwendet werden konnte. Dies wurde durch Ersetzen der Kolben in dem Motor und leichtes Abschleifen der Köpfe erzielt. Der Motor wurde auf einem von der General Electric Company hergestellten Einströmdynamometer angebracht. Das Zündungssystem des Motors war im wesentlichen dasselbe wie das vom Hersteller des Motors gelieferte.

Stickoxide (NQ ) wurden mit einem Chemilumineszenzanalysator Thermoelectron, Serie 14, Modell 12A gemessen. Dieser Analysator lieferte interferenzfreie, lineare, kontinuierliche Anzeigen der Motorabgase. Das Molverhältnis, d.h. der Anteil an Wasserstoff in dem Bremmgemisch in Bezug auf die chemisch korrekte Menge für eine gegebene Sauerstoffmenge in dem Brenngemisch, wurde angezeigt, indem der im Abgas verbleibende Sauerstoffret mit einem Sauerstoffanalysator von Beckman, Modell 715, gemessen wurde.

Ih einer Versuchsreihe wurde das Wasser gemäß der Lehre des US-Patents 3 983 882 in das Luft-Wasserstoffgemisch in dem Einlaß-Verteiler des Motors gegeben. In einer zweiten Versuchsreihe wurde Wasser mit dem Wasserstoffstrom vermischt,

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der wasserbeladene Wasserstoff wurde sodann mit Luft vermischt, was ein Brenngemisch ergab, das dann dem Motoreinlaß zugeführt wurde zur anschließenden Verbrennung in den Zylindern desselben. In beiden Versuchsreihen wurde die Wasserströmungsgeschwindigkeit durch einen Fisher-Porter-Rotameter gemessen und die Wasserstoffströmungsgeschwindigkeit mit einem Schutle und Koerting-Rotameter, wobei die vom Hersteller gelieferte Eichkurve verwendet wurde.

Die Versuchsergebnisse bestätigten im allgemeinen die Lehre des US-Patents 3 983 882, indem das Hinzufügen von Wasser zu dem Brennstoff - ob es mit dem Wasserstoffgas vor oder nach dem Vermischen desselben mit Luft vermischt wurde - positive Auswirkungen sowohl auf die Emissionen als auch auf die Leistung des Motors hatte. Die Bildung von Stickoxiden wird wesentlich verringert, und ein Fehlzünden des Motors wird vermieden, wenn Massenverhältnisse von Wasser zu Wasserstoff von etwa Zwei verwendet werden. Betrachtet man jedoch die Ergebnisse, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind, so erkennt man, daß noch eine 3- bis 20-fache Verringerung des erzeugten Stickoxidbetrages erreicht wird, wenn der Motor der vorliegenden Erfindung statt derjenige gemäß dem US-Patent 3 983 882 verwendet wird. Es wird auch durch die vorliegende Erfindung noch eine weitere wesentliche Verbesserung erzielt. Wie in Fig. 4 zu sehen ist, kann für jedes gegebene Molverhältnis der Prozentsatz an erzeugten Stickoxiden bedeutend verringert werden. Dies gestattet den Betrieb des Motors bei dem höchstmöglichen Molverhältnis, und - wie im oberen Teil von Fig. 4 gezeigt -, ist der themische Wirkungsgrad einer mit Wasserstoff betriebenen Brennkraftmaschine bei einem Molverhältnis von etwa 0,7 am höchsten. Wurde der Motor, bei dem die Versuche gemacht wurden, mit dem bekannten Wasserzuführverfahren und bei einem Molverhältnis von etwa 0,7 betrieben, so erzeugte er in seinen Abgasen mindestens 200 ppm Stickoxide.

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Wurde jedoch das Wasser gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zugeführt, erzeugt der Motor mit demselben Molverhältnis von etwa 0,7 weniger als 10 ppm Stickoxide in seinen Abgasen.

Die Anmeldung ist nicht auf die beschriebene Wirkung der
Erfindung beschränkt, jedoch wird angenommen, daß durch
Einführung des Wassers in den Wasserstoffstrom vor der Vermischung mit Luft das Wasser dem Wasserstoff folgt und
größere Wasserkonzentrationen erzielt werden bei größerer
Brennstoffkonzentration. Aus Studien über die Abgase von
den einzelnen Zylindern des Motors ergab sich, daß die Verteilung des Wasserstoffs auf die Zylinder des Motors leicht uneinheitlich ist, mit einer Abweichung von etwa 10% in dem Molverhältnis zwischen den einzelnen Zylindern. Diese Abweichung im Molverhältnis beeinträchtigt die Gesamtleistung des Motors in keiner Weise. Jedoch ist die Bildung von
Stickoxiden eine Exponentialfunktion des Molverhältnisses, und die leichte Uneinheitlichkeit kann dazu führen, daß
die Erzeugung von Stickoxiden von Zylinder zu Zylinder sich leicht ändert. Durch größere Wasserkonzentrationen bei
größerer Brennstoffkonzentration wird die Bildung von Stickoxiden weitestgehend vermieden.

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Claims

Patentansprüche :

Brennkraftmaschine für den Betrieb mit Wasserstoff, mit einer Speisevorrichtung zum Erzeugen und Zusetzen von fein verteiltem Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser an einer Stelle des Einlaßsystems zugegeben wird, an der der Wasserstoff noch nicht mit Luft vermischt ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet , daß die Speisevorrichtung einen Vergaser umfaßt zum Mischen des fein verteilten Wassers mit dem Wasserstoffgas.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Speisevorrichtung so eingestellt ist, daß das Massenverhältnis des Wassers zum Wasserstoff 2 : 1 oder höher ist.
4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Speisevorrichtung eine in der Wasserstoffzufuhrleitung mündende Einspritzdüse umfaßt.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen in die Abgasleitung eingefügten Kondensor und durch eine Einrichtung zum Zuführen des kondensierten Wassers zu der Speisevorrichtung.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 bis 5, gekennzeichnet durch einen zweiten Vergaser zum Mischen von Luft mit dem Gemisch aus Wasserstoff und fein verteiltem Wasser.

S0 9-8 23/Ö686

ORIGINAL INSPECTED
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der zweite Vergaser (20) eine Steuer- oder Regeleinrichtung aufweist zum Regeln des Massenverhältnisses von Wasser zu Wasserstoff in dem dem ersten Vergaser (15) zugeführtsn Brennstoffstrom.

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