AT511863B1 - Kolbenmaschine und verfahren zum betrieb einer kolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Erzeugung einer Wasserdispersion, der Umwandlung dieser Wasserdispersion mittels eines Brennstoff-Zündungsinjektors (11), "on demand" in explosionsfähiges Knallgas und sofortige Verwendung dieses Knallgases als Brennstoff für Ottomotore.In einem Brennstoffsuspersion Erzeugungs- und Vorratsbehälter (1) wird eine Wassersuspersion bestehend aus Wasser und Metalle insbesondere in Form von µ Al (Mikro Aluminium), Tensiden und Kaliumcarbonat (Pottasche), und handelsüblichen Frostschutzmittel (bei Winterbetrieb) erzeugt und anschließend mit der Einspritzpumpe (14) dem erfindungsgemäßen Brennstoff- und Zündinjektors Fig. 1, der an einer Seite einen Brennstoffanschluß (3) sowie einen Anschlußnippel (20) für die Brennstoffzuleitung aufweist, zugeführt. Ein Stromanschluß (4) zur Mittelelektrode (plus) ist vorgesehen.

Description

österreichisches Patentamt AT511 863 B1 2013-10-15

Beschreibung

KOLBENMASCHINE UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER KOLBENMASCHINE

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer Kolbenmaschine.

[0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Knallgas aus Wasserdispersionen die ausschließlich aus Materialien bestehen die als absolut ungefährlich gelten, wobei dieses selbst „on demand" hergestellte Knallgas als Brennstoff für Ottomotore dient. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durführung des Verfahrens, insbesondere eine Kolbenmaschine.

[0003] Es wurde immer wieder versucht Wasserstoff bzw. Knallgas, auf verschieden artiger Weise aber insbesondere durch einen wie immer gearteten Elektrolyse Vorgang zu erzeugen, den Wasserstoff dann in irgend einer Form zu speichern, zu transportieren, um diesen anschließend zum Betrieb von Verbrennungsmotoren zu verwenden, um so die heute üblichen Treibstoffe wie z.B. Benzin und/oder Diesel durch Wasserstoff bzw. Knallgas zu ersetzen.

[0004] Bis dato wurde jedoch weder ein wirtschaftlich lebensfähiges Elektrolyse-Erzeugungs-Transport- noch ein ausreichend sicheres Speichersystem für das hoch explosive Wasserstoffgas, Knallgas gefunden.

[0005] Da es sich bei den heute verwendeten fossilen Brennstoffen um nicht erneuerbare Energiequellen handelt, wird weltweit nach Alternativen geforscht. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe stellt infolge der anfallenden und bis dato nur teilweise beherrschbaren Emissionen (C02, CO, S02 sowie Ruß) und Erschöpfung der Vorkommen ein erhebliches globales Problem dar.

[0006] Nach heutigem Erkenntnisstand wird zukünftig eine weitgehende Umstellung der Energieversorgung auf nicht fossile Primärenergie unausweichlich sein und es wird auf die umfangreichen Vorkommen für Wasserstoff, in Form von Wasser, weltweit bevorzugt zurück gegriffen werden. Dies deshalb, weil im Prinzip Wasserstoff in nahezu unbegrenzter Verfügbarkeit vorhanden ist. Wasserstoff liegt mit 0,88 Massen % an neunter Stelle der Häufigkeit der in der Erdrinde vorkommenden Elemente und Wasserstoff ist als "reine Energiequelle" als zukünftiger Primärenergieträger, unbestritten.

[0007] Bei Verbrauch des Wasserstoffes wird durch die Rekombination mittels des im Wasser selbst und des in der Luft enthaltenen Sauerstoffes ein relativ einfacher und wiederholbarer Kreislauf in Gang gesetzt.

[0008] Die Aufgabe besteht darin, eine ökonomische Lösung zum Betrieb eines Otto-Motors zu finden, die vorhandene Natur zu schützen, ohne zusätzliche, die Menschheit gefährdende Gift-und/oder Strahlungsstoffe zu erzeugen.

[0009] Die erfindungsgemäßen Aufgaben werden dadurch gelöst, dass Wasser, Prozesssauerstoff und/oder Luftsauerstoff und Reaktionsmittel in den Brennraum der Kolbenmaschine eingebracht werden, dabei und/oder danach zumindest das Wasser auf eine Prozesstemperatur erhitzt wird, bei der sich der in den Wassermolekülen enthaltene Sauerstoff mit dem Reaktionsmittel und der in den Wassermolekülen enthaltene Wasserstoff mit dem Prozessauerstoff und/oder dem Luftsauerstoff verbindet, und dass die dabei entstehende Reaktionsenergie durch Expansion und Bewegung des Kolbens in Bewegungsenergie umgesetzt wird.

[0010] Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind, dass das Reaktionsmittel metallische Bestandteile wie beispielsweise Aluminium, Zink, Molybdänsulfid und/oder insbesondere Mikrometall umfasst, das in der elektrochemischen Spannungsreihe höher angeordnet ist als Wasserstoff, dass das Reaktionsmittel pulverförmiges Aluminium wie beispielsweise Microaluminium umfasst, dass der Prozesssauerstoff in Form von Luft zugeführt wird und/oder dass ein Gemisch umfassend Wasser, Reaktionsmittel und gegebenenfalls Prozesssauerstoff einen Zündin- 1 /10 österreichisches Patentamt AT511 863 B1 2013-10-15 jektor passiert, welcher das Gemisch durch einen Lichtbogen zumindest lokal auf oder über Prozesstemperatur erhitzt.

[0011] Ferner ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur zumindest 700'C, bevorzugt bis oder über 2000°C beträgt, dass Wasser, Aluminium und Prozesssauerstoff nach folgenden Formeln umgesetzt wird: [0012] - 2AI + 3H20 = AI203 + 3H2 und [0013] - 2H2 + 02 = 2H20, dass das/die Reaktionsmittel Kaliumkarbonat, Frostschutzmittel und/oder Tenside umfasst und/oder dass nach der Reaktion das entstandene Wasser gegebenenfalls kondensiert, wieder dem Brennstoff-Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter zugeführt wird und/oder das entstandene oxidierte Reaktionsmittel ausgefiltert wird.

[0014] Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine weist die Merkmale auf, dass der Zündinjektor einen Austritt und Mittel zur Erzeugung eines Lichtbogens aufweisen, dass das Wasser und das/die Reaktionsmittel durch den Austritt in den Bereich eines Lichtbogens geleitet sind, dass die Brennstoffe von einem Brennstoff-Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter in die Brennstoffleitung geleitet sind, dass dem Brennraum nachgeordnet eine Kondensationsvorrichtung vorgesehen ist, in der, der bei der Reaktion entstehende Wasserdampf verflüssigt wird, dass dem Brennraum nachgeordnet eine Filtervorrichtung vorgesehen ist, in der die Reaktionsmittel zumindest teilweise dem Auspuffmassenstrom entnommen werden und/oder dass durch den Zündinjektor Benzin einspritzbar ist.

[0015] Es soll Wasserstoff „on demand" - je nach Bedarf, dadurch erzeugt werden, dass Mikro Metalloberflächen in einer Wasserdispersion in einem Elektroplasma soweit erwärmt werden, das die Metalloberflächen mit Wasser spontan reagieren und dabei Wasserstoff (Knallgas) produzieren. Das Mikrometall muss relativ günstig zu produzieren sein, in der elektrochemischen Spannungsreihe höher als Wasserstoff liegen und über absolut stabile und sichere Handhabungseigenschaften verfügen.

[0016] Zur Verbesserung der Klarheit der Erfindung werden nachstehend Grundlageninformationen erörtert: [0017] Thermolyse bedeutet generell die Spaltung chemischer Verbindungen durch Hitze -die Auftrennung von Molekülen in Atome der sie bildenden chemischen Elemente.

[0018] Wasser kommt in der Natur in allen drei Aggregatzuständen somit fest, flüssig und dampfförmig, vor. Das Wasserstoffatom ist das einfachste und leichteste. Um ein Proton als Atomkern kreist ein Elektron. Der Wasserstoff ist ein färb- und geruchloses Gas mit einer Dichte von 0,0899 Gramm je Liter. Die chemische Formel der Knallgas Reaktion ist: H2 + 1/2 02 = H20 [0019] Die Zünd- und Detonationseigenschaften der Gasgemische (Knallgas) von Wasserstoff mit Sauerstoff (Luft) sind von großer Bedeutung wobei die Zündgrenzen von Wasserstoff in Luft bei 4,00 bis 74,20 Vol. % H2 liegen.

[0020] Wasserstoff hat unter allen Gasen den höchsten Diffusionskoeffizienten, die untere und obere Detonationsgrenze von Wasserstoff in Luft liegt bei 18 und 59 Vol. %, die Zündtemperatur beträgt nur 858 Grad Celsius, die Verbrennungsgeschwindigkeit in Luft ist 275 cm/s und im Vergleich zu Benzin mit 37 - 43 cm/s wesentlich höher.

[0021] Die Detonationsgeschwindigkeit in Luft ist mit 1,9 km/s im Vergleich zu Benzin mit 1,4 bis 1,7 km/s ebenfalls höher.

[0022] Nicht nur, aber auch infolge der jeweils höheren Verbrennungsgeschwindigkeit und der höheren Detonationsgeschwindigkeit ist Knallgas als Betriebsstoff dem heute übenwiegend verwendeten Benzin oder Dieselöl aus technisch ökonomischen Gründen vorzuziehen.

[0023] Im Vergleich zu anderen Brennstoffen hat Knallgas einen besonders weiten Zündbereich, eine hohe Verbrennungs- und Flammgeschwindigkeit und benötigt eine relativ geringe Zündenergie. 2/10 österreichisches Patentamt AT511 863B1 2013-10-15 [0024] Mit Sauerstoff aus Wasser oder Luft reagiert Wasserstoff zu Wasser. Die Reaktion kann sowohl thermisch als auch katalytisch als auch in jeglicher thermischer und katalytischer Kombination eingeleitet werden.

[0025] Das Wasserstoffmolekül ist stabil. Normalenweise beginnen sich die einzelnen Moleküle im Dampf erst um die 2.000 Grad Celsius in Wasserstoff und Sauerstoff aufzutrennen und erst über 3.500 Grad Celsius haben sich alle Moleküle gespalten, die Wärmeschwingungen der Atome im Molekül sind so stark geworden, dass sie die molekularen Anziehungskräfte übersteigen.

[0026] Bei 3.500 Grad sind etwa 70% des Wassers in OH-Radikale, Wasserstoff und Sauerstoff dissoziiert und nur durch hohe Prozesstemperaturen werden hohe Wirkungsgrade erzielt. Derartig hohe Temperaturen sind aus Materialgründen nur mit hohem Aufwand technisch beherrschbar.

[0027] Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die thermolytische Temperatur und somit die Effizienz des Verfahrens signifikant gesenkt werden: Die in den Verbrennungsraum des Ottomotors angesaugte Luft wird durch den Verdichtungshub verdichtet und dabei entsprechend erhitzt.

[0028] Bedingt durch die im Verbrennungsraum herrschende hohe Temperatur, entstanden durch die Verdichtung der Luft und den Einspritzdruck der Wasserdispersion, geht das in der Wasserdispersion enthaltene Wasser sofort in einen für den nachfolgenden Prozess wünschenswerten mikromolekularen heißdampfförmigen Zustand über.

[0029] Beim zwangsweisen Durchgang des in der Wasserdispersion enthalten Mikrometalls, das in bevorzugter Weise als μΑΙ ausgeführt ist, durch das Elektroplasma des kombinierten Brennstoff- und Zündungsinjektors entsteht unmittelbar im Verbrennungsraum detonationsfähiges Knallgas das sich sofort entzündet. Dieses Knallgas, entspricht einem Wasserstoff Luftgemisch von 29, somit detonationsfähigen, Volums Prozenten.

[0030] Zur Optimierung der Verbrennung sollte Sauerstoff in einem über die stöchiometrischen Verhältnisse hinausgehenden Anteil vorhanden sein. Dieser Sauerstoffüberschuss wird durch den im Heißdampf befindlichen Luftsauerstoff und durch die Ansaugluft bereit gestellt und sollte zwischen 1,14 als oberen Grenzwert und 9,85 als unteren Grenzwert liegen.

[0031] Wasserstoff-Luft-Gemische (Knallgas) detonieren viel eher als andere Gase - eine Folge der viel höheren Geschwindigkeit mit der sich Wasserstoff Flammen ausbreiten.

[0032] Beträgt der Wasserstoffanteil 29 Vol. %, entfällt auf jeweils zwei Wasserstoffatome ein Sauerstoff Atom, die sich zu einem Wassermolekül verbinden - bei einem solchen Verhältnis verbrennt der Wasserstoff restlos. Wenn die Zündtemperatur der Flammen von 535 Grad Celsius überschritten wird, kommt es bereits zu einer Verpuffung oder Detonation.

[0033] Erfindungsgemäß wird die jeweils nötige Knallgasmenge zum Betrieb des Ottomotors durch Variation der in den Verbrennungsraum eingebrachten Wasserdispersionsmenge hergestellt. Der Knallgasbedarf ist beispielsweise durch den momentanen Lastzustand des Motors beeinflusst.

[0034] Durch das erfindungsgemäße Verfahren neuer Technologie, können die für die Herstellung der eigentlichen Brennstoffbestandteile erforderlichen nicht entzündlichen Ausgangsstoffe wie Wasser, Metall und Luft in vollkommen ungefährlicher Form überall, aber insbesondere auch in jedem Kfz transportiert bzw. dort zum Verbrauch, bereit gehalten werden.

[0035] Die notwendige Menge Knallgas wird direkt im Verbrennungsraum erzeugt und dort anschließend außerhalb eines besonderen Regelbedarfs, somit völlig ungefährlich, sofort verbraucht.

[0036] Das erfindungsgemäße Verfahren hat auch noch den äußerst angenehmen Nebeneffekt, dass kaum verunreinigter Wasserdampf den Ottomotor verlässt. Durch die Abkühlung des Dampfs kondensiert dieser zu Wasser und wenn gewünscht, kann das Kondensat zumindest 3/10 österreichisches Patentamt AT 511 863 B1 2013-10-15 teilweise in den Brennstoff Vorratsbehälter rückgeleitet werden wodurch nur ein geringerer Nachfüllbedarf an Wasser entsteht.

[0037] Das industriell bis heute ungelöste Problem einer Wasserspaltung war und ist die Abtrennung des Wasserstoffes und Sauerstoffes unter Prozessbedingungen und damit insbesondere die Vermeidung der Rekombination. Im erfindungsgemäßen Verfahren ist diese Rekombination, als Knallgas zur sofortigen Explosion ausgesprochen erwünscht.

[0038] Im Wasser ist die Energie des hochexplosiven Wasserstoffs enthalten, die durch Knallgas Verbrennung mittels des im Wasser selbst enthaltenen Sauerstoffs bzw. dem Sauerstoffanteils der Luft, genutzt wird.

[0039] Grundlage der theoretischen Energiebetrachtung ist u. a. die thermische Dissoziation von Wasser also der Zerfall von Molekülen durch Wärme-Einwirkung in seine einzelnen Atome.

[0040] Bereits oberhalb einer Temperatur von 700° C, bevorzugt oberhalb von 2.200° C vollzieht sich die direkte Spaltung von Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff. In der folgenden Betrachtung wird von einer Phyro- Thermolyse von 1000 g Wasser ausgegangen, und zwar derart, dass die betrachtete Wassermenge bei dieser Temperatur nahezu vollständig in Wasserstoff und Sauerstoff zerfällt, und die entstandenen Stoffmengen wieder miteinander reagieren und zu Wasser oxidieren.

[0041] Gleichfalls wird davon ausgegangen, dass die in Form eines Lichtbogens (Elektroplas-ma) eingebrachte thermische Energie gänzlich der Phyro- Thermolyse zu Gute kommt, und es dabei vernachlässigende Verluste z. B. durch Wärmestrahlung gibt.

[0042] Hierbei entstehen: [0043] a.) an Sauerstoff: [0044] (1.0 g H20 /18,015 gmol) x 15,999 gmol = 888,093 g O und [0045] b.) an Wasserstoff:

[0046] (1000g H20 /18,015 gmol) x (2 x 1,008 gmol) = 111,9067 g H

[0047] Diese entstandenen 111,9067 g Wasserstoff besitzen einen Heizwert von: 111,9067 x 0,03333 kW = 3,729 kW

[0048] In weiterer Folge wird nun die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele weiter erörtert.

[0049] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung, insbesondere einen Halbschnitt eines erfindungsgemäßen Brennstoff- und Zündinjektors [0050] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0051] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung, insbesondere einen Halbschnitt eines erfin-dungsgemäßen Brennstoff- und Zündinjektors 11. Dieser weist an einer Seite einen Brennstoffanschluss 3 sowie einen Anschlussnippel 20 für die Brennstoffzuleitung auf. Ferner ist ein Stromanschluss 4 zur Mittelelektrode (plus) vorgesehen. Ein maßgeblicher Teil des Körpers ist durch die Isolatorkeramik 22 gebildet. Auf dieser ist der Sechskant 23 zur Handhabung, insbesondere zur Einschraubung des Brennstoff- und Zündinjektors 11 vorgesehen. Im Bereich der Verschraubung ist der Stromanschluss 7 (Masse/minus) angeordnet. Der Massenschluss erfolgt maßgeblich über leitende Teile insbesondere über den Zylinderkopf bzw. die Zylinderwand. In dem Bereich des Brennstoff- und Zündinjektors 11, der in den Brennraum 12 des Zylinders ragt, sind die Mittelelektrode 17 sowie der Austritt 18 des Brennstoffs in dem Plasmaspalt vorgesehen. Der Brennstoff wird somit durch den Brennstoff- und Zündinjektor 11, insbesondere durch die Bohrung 19 für die Brennstoffzuleitung durchgepumpt, um im Bereich des Austritts 18 von dem Zündfunken 16 entzündet zu werden und die erfindungsgemäße Reaktion zu starten.

[0052] Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfin- 4/10 österreichisches Patentamt AT511 863B1 2013-10-15 dungsgemäßen Vorrichtung. Dabei ist ein Brennstoffdispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter 1 vorgesehen der mit der Einspritzpumpe 14 verbunden ist. Diese wiederum pumpt den Brennstoff über die Brennstoffzuleitung 2 Richtung Brennstoffanschluss 3 des Brennstoffzündinjektors. Der Injektor ragt zumindest teilweise in den Brennraum 12 des Zylinders. Der Brennstoff und Zündinjektor umfasst einen Stromanschluss 4 zur Mittelelektrode sowie einen Massenanschluss zur Erzeugung eines Zündfunkens bzw. des Elektroplasmas. Ferner sind im Bereich des Brennraums zumindest ein Einlassventil 13 für die Prozessluft sowie zumindest ein Auslass- oder Auspuffventil 5 vorgesehen. Der Abgasmassenstrom wird über das Auspuffventil 5 und die Auspuffdampfrücklaufleitung 8 Richtung und in ein Auffangkondensationsgefäß 9 geleitet. Dieses Gefäß 9 umfasst gegebenenfalls den Tonerdefilter. In dem Gefäß 9 wird das Restwasser kondensiert und über die Rücklaufleitung 10 des kondensierten Wassers zurück in den Brennstoff Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter 1 geleitet. Ferner dargestellt ist eine schematische Ansicht eines Kolbens 6 und einer Pleuelstange 15 des Kolbens. Der Kolben ist, einem Ottomotor oder einer Kolbenmaschine entsprechend, beweglich angeordnet, wobei die Bewegung über die Pleuelstange 15 auf eine Kurbelwelle übertragbar ist.

[0053] Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet Verfahren zur Erzeugung einer Wasserdispersion, „on demand" Umwandlung dieser Wasserdispersion mittels eines Brennstoff- Zündungsinjektors in explosionsfähiges Knallgas und Verwendung dieses Knallgases als Brennstoff für Ottomotore.

[0054] Erzeugung von Wasserdispersionen als Brennstoff für Ottomotore: [0055] In einem Behälter 1 {Tank} wird eine Wasserdispersion erzeugt und anschließend als Brennstoff für den Betrieb der Ottomotor verwendet. Diese Wasserdispersion besteht beispielsweise aus: [0056] 93 bis 95% [0057] 03 bis 05% [0058] [0059] [0060] 1 % [0061] 1% [0062]

Wasser

Metalle insbesondere in Form von μΑΙ (Mikro Aluminium) und/oder ersatzweise Nano AI, μ und Nano Zink, Molybdän Sulfid.

Tensiden

Kaliumcarbonat (Pottasche), K2C03,

Frostschutzmittel bei Winterbetrieb mit Minusgraden [0063] Es kann praktisch jede Art von Wasser verwendet werden, wenn dieses Wasser frei von störenden Verunreinigungen wie beispielsweise Feststoffen ist.

[0064] Metalle beinhalten insbesonde μΑΙ (Mikro Aluminium) an Hand dessen das Verfahren tieferstehend erklärt wird. Ersatzweise kann auch Nano AI, μ und Nano Zink und Molybdän Sulfid verwendet werden.

[0065] Im Alltag ist Aluminium als langlebiges, rostfreies Material bekannt. Chemisch gesehen ist es jedoch eines der unedelsten und damit reaktionsfreudigsten Metalle. In Kontakt mit Wasser entreißt es den H20 Molekülen sofort den Sauerstoff und setzt Wasserstoff und Energie frei. Das blanke Metall reagiert an der Luft sofort mit Sauerstoff und überzieht sich mit einer dünnen Oxidschicht, die alle weiteren Reaktionen stoppt.

[0066] Verkleinert man Aluminium bis zu einem Durchmesser von einem Tausendstel Millimeter, (seit Jahrzehnte industriell durchgeführt) so spricht man von „Mikro" μ Aluminium (u AI) [0067] Bei μΑΙ ist auch die Oxidschicht nur noch sehr dünn und bricht daher dementsprechend schneller auf. Mikro-Aluminium (μ AI) reagiert bereits bei Temperaturen, unter 1.000° C, mit Wasser.

[0068] Ein elektrischer Lichtbogen (Elektro Plasma) hat diese bzw. eine höhere Temperatur und stellt so die benötigte Energie für das Aufbrechen der Oxidschicht von μ AI bereit. 5/10 österreichisches Patentamt AT511 863 B1 2013-10-15 [0069] Darüber hinaus ist bei feinem Pulver die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen sehr groß was die Reaktionsneigung verbessert.

[0070] Tenside verringern die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder setzen die Grenzflächenspannung herab, ermöglichen oder unterstützen die Bildung von Dispersionen.

[0071] Bereits einige Tropfen eines handelsüblichen Haushalts - Spülmittels in der Wasser / μΑΙ (Mikro Aluminium) Dispersion verringern die Oberflächenspannung dieser Dispersion, daß ein schnellerer Start des Verfahrens einsetzt.

[0072] Kaliumcarbonat (Pottasche), K2C03, das Kaliumsalz der Kohlensäure bildet ein weißes, hygroskopisches Pulver mit einer Schmelztemperatur von 891 °C und einer Dichte von 2,428 g»cm'3 und ist kostengünstig erhältlich. Kaliumcarbonat ist u. a. ein Elektrolytbestandteil in Schmelzcarbonatbrennstoffzellen und erhöht dort und auch im dargestellten Verfahren die Reaktionsgeschwindigkeit ohne teure Edelmetallkatalysatoren.

[0073] Die Erzeugung der Dispersion zum Start und zur Aufrechterhaltung des Verfahrens kann durch jegliches bekanntes Dispersionsverfahren erfolgen.

[0074] Wird der Ottomotor im Winter bei Minusgraden betrieben, dann muss dem Wasser Frostschutzmittel zugefügt werden. Der angegebene Wasseranteil der Wasserdispersion verringert sich entsprechend.

BRENNSTOFF- ZÜNDUNGSINJEKTOR, BESCHREIBUNG DES VERFAHRENS

[0075] Um thermischen Stresses vorzubeugen werden vorzugsweise ganz normale Zündkerzen ohne Entstörungswiderstand deren Mittelelektrode aus Iridium oder noch besser aus dem Material „Inconel", oftmals auch nur als „Inco" bezeichnet, zum Umbau als Brennstoff- Zündungsinjektors verwendet.

[0076] Der Umbau der Zündkerze erfolgt dermaßen, dass in die Mittelelektrode 17 der Zündkerze (Plus Ansteuerung für den Zündfunken) eine Bohrung mit einem Durchmesser von 0,1 mm angebracht wird und durch diese Bohrung wird der Brennstoff durch das Elektroplasma (den Zündfunken) hindurch in den Zylinder eingespritzt.

[0077] Die Hochdruckpumpe 14 und die eingespritzte Tröpfchengröße entsprechen je im Prinzip jenem Equipment das heute üblicherweise bei der Einspritzung von Benzin in Ottomotore verwendet wird.

[0078] Beim zwangsweisen Durchgang des im Brennstoff schwebenden μ AI durch das im Brennstoff- Zündungsinjektors vorhandene Elektroplasma (Zündfunken) entsteht spontan eine chemische Reaktion. Aus 2 Molekülen Aluminium und 3 Molekülen Wasser, entstehen Alumini-umoxid und 3 Moleküle Wasserstoff.

[0079] Aus: 2 AI + 3 H20 < entsteht > Al203 (Aluminiumoxid = Tonerde) + 3 H2 [0080] Infolge des vom Verdichtungshub erzeugten Drucks wird aus dem eingespritzten Brennstoff der überwiegend Wasser enthält ein unter Druck stehender Feinstwasserdampf.

[0081] Der soeben erzeugte Wasserstoff verbindet sich mit dem in den Zylinder angesaugten Luftsauerstoff sofort zu Knallgas (HHO Gas) und (im-) explodiert sofort im Brennraum des Zylinders. Dadurch wird der Kolben als Arbeitstakt nach unten geschleudert. Die dabei erzielte Nutzwärme und die dabei freiwerdende Energie werden somit unmittelbar zur Arbeitsleistung im Ottomotor herangezogen.

[0082] Durch den im Verbrennungsraum vorhandenen Luftsauerstoff kommt es nach der Explosion des Knallgases anschließend zu einer sofortigen Rekombination, es entsteht erneut Wasserdampf der über das Auslassventil den Ottomotor verlässt.

[0083] Bei dem Prozess wird auch als Nebenprodukt Aluminiumoxid das unter dem Begriff Tonerde bekannt ist, erzeugt. Es ist ein weißes ungefährliches Pulver und wird mit dem rekom-binierten Wasserdampf in den Auspuff mitgerissen, kann aber mit einem entsprechend Filter 9 6/10 österreichisches Patentamt AT511 863 B1 2013-10-15 aufgefangen und einer Verwendung zugeführt werden.

[0084] Dieser Wasserdampf wird entweder in die Umgebungsluft abgeführt oder es erfolgt eine Kondensation des Wasserdampfes, es entsteht Wasser und dieses kann mittels einer Rücklaufleitung 8 in den Tonerde Ausscheidungsfilter 9 geleitet um dann durch eine Rücklaufleitung 10 in den Vorratsbehälter 1 geführt zu werden. Ein teilweiser Kreislauf ist entstanden.

[0085] Das Ganze läuft so schnell ab, dass wir nicht in der Lage sind sowohl den Spaltungs-als auch den Prozess der Rekombinierung, erneute Erzeugung von Wasserdampf vermischt mit Tonerde Partikel, zu sehen.

[0086] Allenfalls muss das Verdichtungsverhältnis, der exakte Zündzeitpunkt und der Verbrennungsluftüberschuss des jeweiligen Ottomotors im Hinblick auf den Knallgasbetrieb adaptiert werden.

[0087] Praktischerweise kann die Erzeugung der erforderlichen Hochspannung für das Elektro-plasma durch den Einsatz herkömmlicher Technologien wie diese zur Erzeugung des Zündfunken in jedem Ottomotor vorhanden ist, erfolgen.

[0088] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwei Frequenzen bzw. eine Aufmodulierung von Pulsen anlässlich der Stromanspeisung der Zündkerzen die Effektivität des Verfahrens verbessert.

[0089] Eine davon ist: 43,430 Hz und die dazu gehörigen "Sub-Harmonic" Frequenzen sind: 21715 Hz und/oder 14476 Hz und/oder 15517 Hz [0090] Eine zweite Frequenz ist: 14,3762 Hz und die dazu gehörigen "Sub-Harmonic" Frequenzen sind: 71881 Hz und/oder 47920 Hz und/oder 35840 Hz und/oder 28752 Hz.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Brennstoff Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter 2 Brennstoff Zuleitung 3 Brennstoff Anschluß zum Brennstoff- Zündungsinjektror 4 Stromanschluß zur Mittelelektrode (Plus) 5 Auspuffventil 6 Kolben des Ottomotors 7 Stromanschluß Masse (Minus) an die Zylinderwand 8 Auspuffdampf Rücklaufleitung 9 Auffang- und Kondensationsgefäß inkl. Tonerdefilter 10 Rücklaufleitung des kondensierten Wassers 11 Brennstoff- und Zündungsinjektor 12 Brennraum des Zylinders 13 Einlaßventil für die Luft 14 Einspritzpumpe 15 Pleuelstange des Kolbens 16 Zündfunken > Spalt in dem das Elektroplasma entsteht 17 Plus Mittelelektrode des Brennstoff- Zündungsinjektors 18 Austritt des Brennstoffs in den Plasmaspalt 19 Bohrung für die Brennstoffzuleitung 20 Anschlußnippel für die Brennstoffzuleitung 21 Anschlußnippel für die Mittelelektrode (Plus) 22 Isolatorkeramik 23 Sechskant > Ansatz f. Zündkerzenschlüssel 7/10

Claims (9)

1. österreichisches Patentamt AT 511 863 B1 2013-10-15 Patentansprüche 1. Verfahren zum Betrieb einer Kolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser oder ein Gemisch aus Brennstoff und Wasser, Prozeßsauerstoff und/oder Luftsauerstoff und als Reaktionsmittel ein Metall das in der elektrochemischen Spannungsreihe höher angeordnet ist als Wasserstoff, wie beispielsweise Aluminium und Zink, in der Form von pulverförmigem Mikrometall, durch einen Zündinjektor, der eine Bohrung zur Weiterleitung der Reaktionsmittel und Mittel zur Erzeugung eines Plasmalichtbogens aufweist, in den Brennraum der Kolbenmaschine eingebacht wird, dabei und/oder danach zumindest das Wasser durch den Lichtbogen des Zündinjektors auf Prozeßtemperatur erhitzt wird, bei der sich der in den Wassermolekülen enthaltene Sauerstoff mit dem Reaktionsmittel und der in den Wassermolekülen enthaltene Wasserstoff mit dem Prozeßsauerstoff und/oder dem Luftsauerstoff verbindet und daß die dabei entstehende Reaktionsenergie durch Expansion und Bewegung des Kolbens in Bewegungsenergie umgesetzt wird.
2. 2. Verfahren nach einem der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßsauerstoff in Form von Luft zugeführt wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch umfassend Wasser, Reaktionsmittel und gegebenenfalls Prozeßsauerstoff einen Zündinjektor passiert, welcher das Gemisch durch einen Lichtbogen zumindest lokal auf oder über Prozeßtemperatur erhitzt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßtemperatur zumindest 700‘C, bevorzugt bis oder über 2000°C beträgt.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Reaktionsmittel zusätzlich Kaliumkarbonat, Frostschutzmittel und/oder Tenside umfaßt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Reaktion - das entstandene Wasser gegebenenfalls kondensiert, wieder dem Brennstoff-Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter zugeführt wird und/oder das entstandene oxidierte Reaktionsmittel ausgefiltert wird.
7. 7. Kolbenmaschine für Mikrometall-Brennstoffe zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmaschine, einen Dispersi-onserzeugungs- und Vorratsbehälter (1) für die Vermischung von Wasser, Brennstoff und Reaktionsmittel eine Brennstoffleitung (2) zu einer Einspritzpumpe (14), zumindest einen Zündinjektor (11) durch den der Brennstoff dem Brennraum (12) zugeführt wird und der Mittel zur Erzeugung eines Lichtbogens aufweist, und eine dem Brennraum nachgeordnete Filtervorrichtung, besitzt.
8. 8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennraum nachgeordnet eine Kondensationsvorrichtung vorgesehen ist, in der der bei der Reaktion entstehende Wasserdampf verflüssigt wird.
9. 9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bohrung des Zündinjektor (11) Benzin einspritzbar ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 8/10