DE2508345A1

DE2508345A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von wasserstoff

Info

Publication number: DE2508345A1
Application number: DE19752508345
Authority: DE
Inventors: Katuaki Kosaka; Tadahiko Nagaoka; Zene Ueno
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1974-02-26
Filing date: 1975-02-26
Publication date: 1975-08-28
Also published as: JPS50116823A; US4004554A; GB1491138A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DIPL.-INQ.

H. KINKELDEY

DR.-ING.

W. STOCKMAIR

DR-ING. · AeE(CAUTECH)

K. SCHUMANN

2508345 ^dr· ^rer· ^NAT- ■ ^d|pl-^pH

P. H. JAKOB

DtPL.-INS.

G. BEZOLD

DR. RER. NAT. · D1PL.-CHEM.

MÜNCHEN E. K. WEIL

DR. RER. OEC. INQ.

LINDAU

MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

P 8998

26. Feb. 1975

Nissan Motor Go., Ltd.

No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku, Yokohama City, Japan

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff; sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Umwandlung oder zum Cracken eines Kohlenwasserstoff-Treibstoffes bzw. -kraftstoffes in ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, daß dann, wenn Wasserstoff einem Kohlenwasserstoff-Treibstoff zugesetzt wird, der in einen Innenverbrennungsmotor (Explosionsmotor) eingeführt wird, der Motor ein Luft/—

509835/0937

Treibstoff-Gemisch verbrennen kann, das mehr Luft enthält, als für eine vollständige Verbrennung stöchiometrisch erforderlich wäre. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Mischung durch den zugesetzten Wasserstoff aktiviert wird. Die Folge davon ist, daß der Motor ein Abgas (Auspuffgas) abgibt, das beträchtlich niedrigere Konzentrationen an schädlichen Komponenten, wie Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickstoffoxiden, enthält.

Bei der Anwendung eines solchen Verfahrens auf einen Motor eines gewöhnlichen Kraftfahrzeuges, wie z.B. eines Personenkraftwagens, ist es jedoch gefährlich, das Fahrzeug mit einem Wasserstoffvorratsbehälter auszustatten, weil dieser explodieren kann. Aus Sicherheitsgründen ist es daher zweckmäßig, das Fahrzeug mit einer Vorrichtung zu versehen, die den dem Treibstoff zuzusetzenden Wasserstoff je nach Bedarf erzeugt. Zur Herstellung von Wasserstoff ist es zweckmäßig, das sogenannte "partielle Oxydations- oder Verbrennungsverfahren" anzuwenden, bei dem aus den Kohlenwasserstoffen ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas gebildet wird. Bei diesem Verfahren werden die Kohlenwasserstoffe mit einem Drittel des für eine vollständige Verbrennung stöchiometrisch erforderlichen Sauerstoffs oder der erforderlichen Luft gemischt. Das dabei erhaltene Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff oder Luft wird dann unter hohem Druck und bei hoher Temperatur partiell (teilweise) oxydiert. Dabei werden die Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Wasser zersetzt oder umgewandelt in oder gecrackt-unter Bildung eines an freiem Wasserstoff und Kohlenmonoxid reichen Gases. Diese Reaktion ist exotherm und das gebildete, freien Wasserstoff enthaltende Gas weist eine hohe Temperatur auf.

Bei der Durchführung des partiellen Oxydationsverfahrens treten jedoch die folgenden drei Probleme auf:

509835/0937

1.) Für eine starke Kompression des Gemisches aus den Kohlenwasserstoffen-und Sauerstoff oder Luft ist Energie erforderlich, was in einem Kraftfahrzeug zu einer Erhöhung der Belastung des Motors oder zu einem Energieverlust des Motors führt oder den Einbau einer Kompressionseinrichtung erforderlich macht;

2.) es muß eine konstante Wasserstoffzufuhr zu dem Motor aufrechterhalten werden; damit muß die Treibstoff-Umwandlungsoder -Crackreaktion mit einer hohen Geschwindigkeit ablaufen. Um diese hohe Geschwindigkeit in Gegenwart einer derartigen geringen Sauerstoffzufuhr zu erzielen, muß die Mischung in beträchtlichem Ausmaße komprimiert und erhitzt werden; wenn jedoch eine adiabatische Kompression angewendet wird, ist das Gewicht der Vorrichtung so hoch, daß sie in der Praxis nicht verwendbar ist;

3.) die Temperatur des freien Wasserstoff enthaltenden Gases muß herabgesetzt werden, so daß es gefahrlos in einen Motor eingeführt werden kann; es muß daher ein Kühler verwendet werden«

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung oder Crackung von Kohlenwasserstoff-Treibstoff unter Bildung eines freien Wasserstoff enthaltenden Gases anzugeben, wobei sich das Gas expandiert und Arbeit leistet, die für die Verwendung in den nachfolgenden Arbeitsgängen gesammelt (gespeichert) und gleichzeitig die Temperatur herabgesetzt wird. Dadurch werden die Energie- und Wärmeverluste herabgesetzt, beispielsweise bis herunter auf den Y/ert O. Ziel der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, worin eine brennbare Mischung gezündet wird unter Bildung einer Flamme, die auf ein Grundgemisch aus Kohlenwasserstoffen, Sauerstoff oder Luft und Wasser einwirkt, wodurch dieses auf eine hohe Temperatur er-

5098 3 5/0937

hit zt wird, die für die Durchführung der Treib stoff-Umwandlungsreaktion erforderlich ist, so daß es unnötig ist, das Grundgemisch adiabatisch zu komprimieren.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Umwandeln von Treibstoff in ein freien Wasserstoff.enthaltendes Gas, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man einen ersten Hohlraum mit einer Grundmischung aus einem Treibstoff, einem Oxydationsmittel und Wasser, in dem diese in einem vorher festgelegten Verhältnis zueinander vorliegen, füllt, die Grundmischung komprimiert, getrennt davon einen zweiten Hohlraum mit einer brennbaren Mischung aus einem Treibstoff und einem Oxydationsmittel, in der diese in einem vorher festgelegten Verhältnis zueinander vorliegen, füllt, die brennbare Mischung zündet unter Bildung einer Flamme, diese auf die komprimierte Grundmischung einwirken läßt, was dazu führt, daß die Grundmischung in ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas umgewandelt wird, das sich unter der Einwirkung der Wärme der Flamme expandiert, das freien Wasserstoff enthaltende Gas während seiner Expansion Arbeit verrichten läßt und die von dem freien Wasserstoff enthaltenden Gas geleistete Arbeit sammelt (speichert) als Energie zum Komprimieren der Grundmischung.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, insbesondere eine Vorrichtung zum Umwandeln von Treib-bzw. Kraftstoff in ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas, die gekennzeichnet ist durch eine einen Verdrängungsexpander mit einem Gehäuse und einem Arbeit verrichtenden Element, welches die Kompressions- und Expansionstakte in dem Gehäuse durchführt und eine Expanderkammer mit variablem Volumen darin begrenzt, eine Einrichtung zum Füllen der Expanpanderkammer mit einem Grundgemisch aus einem Treibstoff,-einem Oxydationsmittel und Wasser, in dem diese in einem vorher festgelegten

509835/0937

Verhältnis zueinander vorliegen, wobei das Arbeit verrichtende Element während des Kompressionstaktes das Grundgemisch komprimiert, eine Verbrennungskammer, die mit der Expansionskammer in Verbindung steht, eine Einrichtung zum Füllen der Verbrennungskammer mit einem Verbrennungsgemisch aus einem Treibstoff und einem Oxydationsmittel, in dem diese in einem vorher festgelegten Verhältnis zueinander vorliegen, eine Einrichtung zum Zünden des Verbrennungsgemisches in der Verbrennungskammer unter Erzeugung einer Flamme, eine Einrichtung, die bewirkt, daß die Flamme aus der Verbrennungskammer in die Expanderkammer eintritt, so daß die Wärme der Flamme die Umwandlung des Grundgemisches in ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas bewirkt und zu einer Expansion des freien Wasserstoff enthaltenden Gases führt, so daß das Arbeitselement in diesem Expansionstakt Arbeit verrichtet, eine Einrichtung, die-während des Expansionstaktes des Arbeitselementes durch dieses Arbeitselement angetrieben wird, zum Ansammeln bzw. Speichern der Energie, die zur Durchführung des Kompressionstaktes (der Kompressionsarbeit) des Arbeitselementes verwendet wird.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Umwandeln oder Cracken eines Treibstoffes (Kraftstoffes) und

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Umwandeln oder Cracken eines Treibstoffes bzw. Kraftstoffes.

509835/093 7

In der Pig. 1 ist eine erfindungsgemäße Treibstoffumwandlungs- oder -crackvorrichtung 10 zusammen mit einem Innenverbrennungsmotor (Explosionsmotor) 12 eines Motorfahrzeugs (nicht gezeigt) dargestellt. Die TreibstoffUmwandlungsvorrichtung 10 weist einen Verdrängungsexpander 14 vom Vier-Takt-Kolben-Typ auf. . Der Expander 14- umfaßt einen Zylinder 16 und einen Kolben 18, der in den Zylinder 16 so eingepaßt ist, daß er in axialer Richtung hin und her gleiten kann. Der Zylinder 16 weist einen Zylinderkopf 20 auf, der mit einer Eintrittsöffnung (A-nsaugöffnung) 22, einer Flainmenaustrittsöffnung 24 und einer Austrittsöffnung (einem Abgasauslaß) 26 versehen ist. Der Kolben 18 führt nacheinander die Ansaug-, Kompressions-, Expansionsund Auspuff takte durch, wobei er ein variables Volumen der Haupt- oder Expanderkammer 28 in dem Zylinder 16 begrenzt. Die Expanderkammer 28 dient als Reaktions- oder Treibstoffumwandlungskammer während des Expansionstaktes des Kolbens 18. Der Kolben 18 steht über einen Verbindungsstab 32 mit der Kurbelwelle 30 in operativer Verbindung. Ein Schwungrad (nicht dargestellt) ist an einem Ende der Kurbelwelle 30 befestigt. Die Einlaß- und Auslaßöffnungen 24 und 26 sind mit Einlaß- und Auslaßventilen 34 bzw. 36 versehen. Die Einlaß- und Auslaßventile 34 und 36 sind normalerweise geschlossen und werden durch Nocken (nicht dargestellt) auf einer durch die Kurbelwelle 30 angetriebenen Welle (nicht dargestellt) betätigt, so daß das Einlaßventil 24 während des Ansaugtaktes des Kolbens geöffnet ist und das Auslaßventil 26 während des Auspufftaktes des Kolbens 18 geschlossen ist.

Der Expander 14 ist mit einer Hauptmischkammer oder -einrichtung 38 versehen, welche über eine Haupt ansaugleitung 40 xait der Einlaßöffnung 22 in Verbindung steht. Für die Einführung von Treibstoff ist ein (nicht dargestellter) Kohlenwasserstoff-Treibstoff -Vorratsbehälter vorgesehen, der über die Leitung 42 mit der Mischkammer 38 in Verbindung steht. Der Treibstoff kann ein flüssiger Treibstoff (Kraftstoff) sein. Zur Einführung

509835/093 7

von Luft ist eine (nicht dargestellte) Luftquelle vorgesehen, die durch eine Leitung 44 mit der Mischkammer 38 in Verbindung steht. Zur Einführung von Wasser oder Wasserdampf ist eine Wasser- oder Wasserdampfquelle, z.B. ein Wasserbehälter (nicht dargestellt)_ή vorgesehen, der über eine Leitung 46 mit der Mischkammer 38 in Verbindung steht. Bei der Luftquelle kann es sich um die äußere Atmosphäre, gegenüber der die Leitung über einen Luftfilter (Luftreiniger) (nicht dargestellt) belüftet (offen*)' ist, handeln. Die Mischkammer 38 kann mit einem Venturiabschnitt (nicht dargestellt) versehen sein, durch welchen Luft in die Expanderkammer 28 einströmt und gegenüber dem die Leitungen 42 und 46 offen sind. Der den Venturiabschnitt während des Ansaugtaktes des Kolbens 18 passierende Luftstrom erzeugt in dem Venturiabschnitt ein Vakuum, wodurch Treibstoff und Wasserdampf aus den Leitungen 42 bzw. 46 angesaugt oder eingeführt wird. In den Leitungen 42, 44 und 46 können Pumpen (nicht dargestellt) angeordnet sein, um Treibstoff, Luft und Wasser jeweils unter Druck in die Mischkammer 38 einzuspritzen oder einzuführen..In diesem Falle kann auf den Venturiabschnitt in der Mischkammer 38 verzichtet werden. Der Treibstoff, die Luft und das Wasser oder der Wasserdampf, die in die Mischkammer 38 eingeführt werden, werden miteinander gemischt unter Bildung eines Grundgemisches, das in die Expanderkammer 28 eingeführt wird, in der es komprimiert und in ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas umgewandelt wird. In jeder der Leitungen 42, 44 und 46 können geeignete Kontrollbzw. Regeleinrichtungen, z.B. ein Strömungsregelventil (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um den hindurchgehenden Fluidstrom so zu dosieren, daß das Grundgemisch ein vorher festgelegtes Treibstoff/Luft/Wasser-Verhältnis aufweist. In der Leitung 46 kann ein Wärmeaustauscher 48 vorgesehen sein, so daß das Abgas (Auspuffgas) aus dem Motor. 12 das der Mischkammer 38 zugeführte Wasser erwärmt zur Herstellung von Wasserdampf. Dadurch wird der thermische Wirkungsgrad (die Wärmeausnutzung) des Motors 12 erhöht.

509835/0937

Der Expander 14· ist auch mit einer Hilf s- oder Verbrennungskammer 50, die an einer Auslaßöffnung 52 über eine Leitung 54- mit der öffnung 24- in Verbindung steht, sowie mit einer Hilfsmischkammer oder -einrichtung 56 versehen, die über eine Hilfsansaugleitung 60 mit einer Einlaßöffnung 58 der Verbrennungskammer 50 in Verbindung steht„ Für die Einführung von Treibstoff ist eine Kohlenwasserstofftreibstoff-Quelle (-Vorrat) (nicht dargestellt) vorgesehen, die über eine Leitung 62 mit der Hilfsmischkammer 56 in Verbindung steht. Der Treibstoff kann ein flüssiger Treibstoff sein. Zur Einführung von Luft ist eine (nicht dargestellte) Luftquelle vorgesehen, die über eine Leitung 64- mit der Hilfsmischkammer 56 in Verbindung steht. Bei der Luftquelle kann es sich ebenfalls um die äußere Atmosphäre handeln, gegenüber der die Leitung 64-über ein Luftfilter (nicht dargestellt) belüftet (offen) ist. Die Hilfsmischkammer 56 kann mit einem Venturi-Abschnitt (nicht dargestellt) versehen sein, durch welchen Luft in die Verbrennungskammer 50 eingeführt wird und gegenüber dem die Leitung 62 offen ist. Der den Venturiabschnitt während des Ansaugtaktes des Kolbens 18 passierende Luftstrom erzeugt in dem Venturiabschnitt ein Vakuum, wodurch Treibstoff aus der Leitung 62 angesaugt oder eingeführt wird. Alternativ können in den Leitungen 62 und 64- Pumpen (nicht dargestellt) angeordnet sein, um den Treibstoff bzw. die Luft unter Druck in die Hilfsmischkammer 56 einzuführen. In diesem Falle kann auf den Venturi-Abschnitt in der Hilfsmischkammer 56 verzichtet werden. Der Treibstoff und die Luft, die in die Mischkammer 56 eingeführt werden, werden miteinander gemischt unter Bildung eines brennbaren Gemisches, das sum Verbrennen, in die Verbrennungskammer 50 eingeführt wird. In geder der Leitungen 62 und 64- kann eine geeignete Kontroll- bzw. Regeleinrichtung, wie z.B. ein Strömungsregelventil (nicht dargestellt), vorgesehen sein, um den hindurchströmenden JFluidstrom in der Weise zu dosieren, daß das brennbare Gemisch ein vorher festgelegtes Luft/Treibstoff-Verhältnis auf v/eist. Das brennbare Gemisch, kann beispie Is-

509835/0937

-9- 250834S

weise ein Luft/Treibstoff-Verhältnis aufweisen, das in der Hahe des stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnisses liegt, dies wird jedoch vorzugsweise vermieden, um die Bildung zu großer Mengen an Stickstoffoxiden beim Verbrennen des brennbaren Gemisches in der Verbrennungskammer 50 zu vermeiden. Die Einlaßöffnung 58 der Verbrennungskammer 50 ist mit einem Einlaßventil 66 versehen. Das Einlaßventil 66 ist normalerweise geschlossen und \vird durch eine Nocke (nicht dargestellt) auf einer Welle (nicht dargestellt), die von der Kurbelwelle 30 angetrieben wird, so betätigt, daß es synchron mit dem Einlaßventil 34- geöffnet wird. In der Verbrennungskammer 50 ist eine Zündkerze 68 vorgesehen und wenn sie in Betrieb gesetzt wird, entsteht ein Funke, wodurch das Verbrennungsgemisch gezündet wird unter Bildung einer Flamme.

Der Expander 14- ist auch mit einer Mischkammer oder -einrichtung 70 zum Mischen des freien Wasserstoff enthaltenden Gases mit dem Haupttreibstoff für den Motor 12 versehen. Die Mischkammer 70'Steht über eine Abgasleitung (Auspuffleitung) zur Einführung des freien Wasserstoff enthaltenden Gase.s mit der Auslaßöffnung 26 in Verbindung. Die Mischkammer 70 steht auch über eine Leitung 74- mit einer Einlaßöffnung (Eintrittsöffnung) (nicht dargestellt) des Motors 12 in Verbindung. Eine Kohlenwasserstoff-Treibstoff-Quelle (nicht dargestellt) für den Motor 12 steht über eine Leitung 76 mit der Mischkammer 70 in Verbindung zur Einführung des Haupttreibstoffes in dieselbe. Die Mischkammer 70 kann einen Venturiabschnitt (nicht dargestellt) aufweisen, durch welchen das freien Wasserstoff enthaltende Gas strömt und gegenüber dem die Leitung 76 offen ist. Der während des Auspufftaktes des Kolbens 18 und/oder des Ansaugtaktes des Motors 12 durch den Venturiabschnitt fließende Strom des freien Wasserstoff enthaltenden Gases erzeugt in dem Venturiabschnitt ein Vakuum, wodurch Treibstoff durch die Leitung 76 eingesaugt oder eingeführt wird. In der Leitung

50983b/0937

76 kann eine Pumpe vorgesehen sein, um den Treibstoff unter Druck aus der Treibstoffquelle in die Mischkammer 70 einzuspritzen. In diesem Falle kann der Venturiabschnitt in der Mischkammer 70 entfallen. Der Treibstoff und das freien Wasserstoff enthaltende Gas, die in die Mischkammer 70 eingeführt werden, werden miteinander gemischt unter Bildung eines Gemisches, das in eine oder mehrere Kammern (nicht dargestellt) des Motors 12 eingeführt wird. Geeignete Regeleinrichtungen, beispielsweise ein Strönungsregelventil (nicht dargestellt)^ können in der Leitung 76 vorgesehen sein, um den einfließenden Treibstoffstrom in der Weise zu dosieren, daß der Treibstoff und das freien Wasserstoff enthaltende Gas in einem vorher festgelegten Verhältnis zueinander vorliegen. Die Menge des in der Hauptmischkammer 38 erzeugten Gasgemisches wird durch die oben erwähnte Regeleinrichtung in der Weise reguliert, daß das freien Wasserstoff enthaltende Gas und der Haupttreibstoff, der dem Motor zugeführt wird, in einem vorher festgelegten Verhältnis zueinander vorliegen.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Treibstoffumwandlungssystems 10, welches den vorstehend beschriebenen Aufbau und die vorstehend beschriebene Anordnung hat, ist folgende: Der Expander 14 wird durch eine geeignete Einrichtung, beispielsweise einen Startermotor (nicht dargestellt)_%gestartet. Während des Ansaugtaktes des Kolbens 18 ist das Ansaugventil 34 geöffnet, während das Auslaßventil 36 geschlossen ist, so daß das Grundgemisch aufgrund der Saugbewegung des Kolbens aus der Hauptmischkammer 38 durch die Leitung 40 in die Expanderkammer 28 gesaugt wird. Gleichzeitig wird das Einlaßventil 66 geöffnet, so daß das Kraft stoff gemisch (Verbrennungsgemisch) aufgrund der Saugbewegung des Kolbens 18 aus der Hilfsmischkammer 56 durch die Leitung 60 in die Verbrennungskammer 50 gesaugt wird. Danach werden während des Kompressionstakt es des Kolbens 18 die Ventile 34 und 66 geschlossen und das in die Expanderkammer 28 eingesaugte Grundgemisch wird als Folge der Kompres-

509835/0937

sionsbewegung des Kolbens 18 komprimiert, so daß die Temperatur des Grundgemisches auf einen hohen Wert erhöht wird. Die Zündkerze 68 wird erregt, wodurch ein Funke in der Verbrennungskammer 50 entsteht, welcher das Kraftstoffgemisch unmittelbar vor dem oberen Totpunkt des Kompressionstaktes (Kompressionshubs) des Kolbens 18 zündet. Die Folge davon ist, daß das Kraftstoffgemisch in der Verbrennungskammer 50 schnell verbrannt wird unter Erzeugung einer Flamme mit einer hohen Temperatur und unter einem hohen Druck. Die Flamme wird aus der Verbrennungskammer 50 durch die Leitung ^A- in die Expanderkammer 28 verspritzt (spurted). Das Grundgemisch wird durch die Flamme durchgerührt und auf eine höhere Temperatur erhitzt. Als Folge davon tritt eine schnelle Treibstoffumwandlungsreaktion in dem Grundgemisch auf, bei der die Kohlenwasserstoffe des Grundgemisches zersetzt und in ein Gas umgewandelt werden, das hohe Konzentrationen an freiem Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält. Das dabei erhaltene Gas expandiert sich und treibt den Kolben 18 an, wodurch der Expansions takt des Kolbens 18 durchgeführt wird. Auf diese Weise wird ein großer Teil der Wärmeenergie des freien Wasserstoff enthaltenden Gases während der Expansion des Gases in Arbeit (mechanische Energie) umgewandelt, so daß die Temperatur des Gases abnimmt, beispielsweise bis auf einen Wert, bei dem das Gas keinen nachteiligen Effekt auf den Betrieb des Motors 12 ausübt, wenn ihm das Gas zugeführt wird. Damit werden die Wärmeverluste vermindert, beispielsweise bis herab auf den Wert 0. Dementsprechend ist es nicht erforderlich, einen Radiator oder Kühler vorzusehen, um das freien Wasserstoff enthaltende Gas zu kühlen. Natürlich kann ein Radiator oder Kühler vorgesehen werden. Die Expansionsarbeit des freien Wasserstoff enthaltenden Gases wird in dem Schwungrad und anderen Arbeit s- oder Bewegungr,-komponenten als Energie gespeichert, die zur Durchführung der nachfolgenden Auspuff-, Ansaug- und Kompressionstakte des Kolbens 18 verwendet wird. Als Folge davon wird der Kolben 18 durch die Trägheit des Schwungrades und der anderen Arbeits-

509835/0937

elemente während der Auspuff-, Ansaug- und Kompressionstakte des Kolbens 18 angetrieben. Daher erhöht der Expander 14 nicht die Belastung des Motors 12 und führt auch zu keinem Energieverlust des Motors noch erfordert er die Verwendung einer Antriebseinrichtung für den Kolben 18 und er läuft daher von selbst oder unaufhörlich außer während des Starts.

Während des Auspufftaktes des Kolbens 18 wird das Auspuffventil 36 geöffnet, während die Ventile 34 und 66 geschlossen werden, so daß das freien Wasserstoff enthaltende Gas durch die Auspuffbewegung des Kolbens 18 aus der Expanderkammer 28 durch die Leitung 72 in die Mischkammer 70 ausgetragen wird, in welcher es mit dem Treibstoff (Kraftstoff) gemischt wird·

In der Fig. 2 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Treibstoffumwandlungs- oder -crackvorrichtung dargestellt. Die TreibstoffUmwandlungsvorrichtung 80 unterscheidet sich von der in der Fig. 1 dargestellten und vorstehend beschriebenen TreibstoffUmwandlungsvorrichtung 10 dadurch, daß die Hilf smischkammer 56 mit dem bei der Zersetzung von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) gebildeten Sauerstoff anstelle von Luft beliefert wird. In der Fig. 2 sind entsprechende Komponentenelemente durch die gleichen Bezugsziffern wie in der Fig. 1 bezeichnet. Die TreibstoffUmwandlungsvorrichtung 80 ist mit einer Wasserstoffperoxidquelle, beispielsweise einem Wasserstoffperoxid enthaltenden Behälter 82, versehen. Die Wasserstoffperoxidquelle 82 steht über eine Leitung 86 mit einer Zersetzungskammer 84- in Verbindung, die einen geeigneten Katalysator für die Erleichterung der Zersetzung des Wasserstoffperoxids enthält. In der Zersetzungskammer 84- wird das Wasserstoffperoxid aus der Wasserstoffperoxidquelle 82 in Sauerstoff·und Wasserdampf einer hohen Temperatur umgewandelte In der Leitung 86 ist an einer Stelle·zwischen der Wasserstoffperoxidquelle 82 und der Zersetzungskammer 84 eine Pumpe 88 vorgesehen, mit deren Hilfe Wasserstoffperoxid unter Druck aus der Wasserstoffperoxidquelle

509835/0937

82 in die Zersetzungskammer 84 eingeführt wird. In der Leitung 86 ist an einer Stelle zwischen der Pumpe 88 und der Zersetzungskammer 84 ein Strömungsregelventil 90 vorgesehen. Das Strömungsregelventil 90 kann manuell oder automatisch so betätigt werden, daß es den in die Zersetzungskammer 84 eingeführten Wasserstoffperoxidstrom so regelt, daß das Wasserstoffperoxid und der von einer Treibstoffquelle bzw. Kraftstoffquelle (nicht dargestellt) der Hilfsmischkammer 56 zugeführte Treibstoff bzw. Kraftstoff in einem vorher festgelegten Verhältnis zueinander vorliegen. Die Zersetzungskammer 84 steht über eine Leitung 92 mit einem Separator in Verbindung, welcher die Zersetzungsprodukte des Wasserstoffperoxids in Sauerstoff und Wasser auftrennt. Der Separator weist einen ersten, Sauerstoff enthaltenden Abschnitt 96 und einen zweiten, Wasser enthaltenden Abschnitt 98 auf. In der Leitung 92 ist an einer Stelle zwischen der Zersetzungskammer 84 und dem Separator 94 ein Radiator oder Kühler 100 vorgesehen, welcher den Sauerstoff und den Wasserdampf, die der Zersetzungskaamer 84 zugeführt werden, kühlt. Der Sauerstoff enthaltende Abschnitt 96 steht über eine Leitung 102 mit der Hilfsmischkaimner 56 in Verbindung. Der Wasser enthaltende Abschnitt 98 wird als Y/asserquelle für die Hauptmischkammer verwendet und er steht mit einer Leitung 46 in Verbindung, die ihrerseits mit der Mischkammer 38 in Verbindung steht.

Der in die Hilfsmischkammer 56 eingeführte Sauerstoff wird mit dem aus der Treibstoffquelle zugeführten Treibstoff gemischt unter Bildung eines Verbrennungsgemisches (Kraftstoffgemisches), das der Verbrennungskammer 5° zugeführt wird, in der es unter Erzeugung einer Flamme verbrannt wird. Da die Hilfsmischkammer 56 anstatt mit Luft mit aus der Zersetzung von Wasserstoffperoxid stammendem Sauerstoff versorgt wird, wird dabei das Verbrennungsgemisch nicht durch den einen Bestandteil der Luft bildenden Stickstoff verdünnt. Die Folge davon ist, daß die Treibstoffmoleküle schnell die Sauerstoff-

509835/0937

moleküle finden und mit ihnen reagieren unter Bildung einer schnellen und vollständigen Verbrennung in der Verbrennungskammer 50· Dementsprechend wird eine !Flamme mit einer höheren Temperatur gebildet, die unter einem höheren Druck steht als die Flamme, die durch das aus dem Treibstoff und Luft bestehende Verbrennungsgemisch, wie in bezug auf die J¹Ig. 1 beschrieben, gebildet wird. Infolgedessen wird während des Expansionstaktes des Kolbens 18 eine vollständiger ablaufende Treibstoffumwandlungs- oder -crackreaktion in der Expanderkamrner 28 gefördert, wodurch das ßrundgemisch in ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas überführt wird. Außerdem wird die Bildung von Stickstoffoxiden auf den Wert O herabgesetzt.

Die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform ist dann geeignet, wenn das Wasserstoffperoxid in dem Behälter 82 einen verhältnismäßig geringen Prozentsatz an Wasserstoffperoxid, beispielsweise JO % ¥/asserstoffperoxid, enthält. Wenn in einer erfindungsgemäßen Treibstoffumwandlungs- oder -crackvorrichtung ein verhältnismäßig hoher Prozentsatz an Wasserstoffperoxid, das eine hohe Aktivität aufweist, anstelle von Sauerstoff oder Luft verwendet wird, kann die Treibstoff Umwandlungsvorrichtung so konstruiert werden, daß der Kohlenwasserstofftreibstoff, das Wasserstoffperoxid und das Wasser direkt in die Expander— kammer 28 eingespritzt werden unter Bildung eines Grundgeaisches innerhalb desselben, und daß der Kohlenwasserstofftreibstoff und das Wasserstoffperoxid direkt in die Verbrennungskammer eingespritzt werden unter Bildung eines Verbrennungsgemisches (Kraftstoffgemisches) darin. Die Folge davon ist, daß das Grundgemisch und das Verbrennungsgemisch aktiviert werden und die Geschwindigkeit der Treibstoffumwandlungsreaktion in der Expanderkafflaer 28 weiter begünstigen.

Es sei darauf hingewiesen, daß eine erfindungsgemäSe Treibstoff Umwandlungsvorrichtung sich selbst unterhalt (immerzu läuft) unter Bildung eines Gases mit einer hohen Konzentration

503835/0937

an freiem Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff treibstoff, ohne daß dabei Energie- und Wärmeverluste auftreten und ohne daß daher eine Herabsetzung des thermischen Gesamtwirkungsgrades eines Motors durch Ausnutzung der exothermen Realstion auftritt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Treibstoffumwandlungsvorrichtung aus einem Kohlenwasserstofftreibstoff ohne adiabatische Kompression eines Grundgemisches aus einem Kohlenwasserstofftreibstoff, einem Oxydationsmittel und Wasser ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas liefert, indem man eine getrennte Verbrennungskammer verwendet und darin eine Flamme erzeugt, die in das Gasgemisch überführt wird und dieses auf die zur Durchführung der Treibstoffumwandlungsreaktion erforderliche hohe Temperatur erhitzt.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf einen Kohlenwasserstofftreibstoff (Kohlenwasserstoffkraftstoff)
beschrieben, sie kann aber auch auf einen Alkoholtreibstoff, wie Methanol, angewendet werden. Anstelle des vorstehend beschriebenen Expanders als eines solchen vom 'Vier-Takt-Kolben-Typ' kann auch ein solcher vom Zwei-Takt-Kolben-Typ oder vom Drehkolbentyp verwendet werden. Ganz allgemein kann die vorstehend an Hand spezifischer bevorzugter Ausführungsformen beschriebene Erfindung, wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, in vielerlei Hinsicht abgeändert.und modifiziert
werden, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Patentansprüche:

509835/0937

Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Umwandeln von Treibstoff bzw. Kraftstoff in ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas, dadurch gekennzeichnet, daß man einen ersten Hohlraum mit einem Grundgemisch aus einem Treibstoff, einem Oxydationsmittel und Wasser, in dem diese in einem vorher festgelegten Verhältnis zueinander vorliegen, füllt, das Grundgemisch komprimiert, getrennt davon einen zweiten Hohlraum mit einem Verbrennungsgemisch (Kraftstoffgemisch) aus einem Treibstoff und einem Oxydationsmittel, in dem diese in einem vorher festgelegten Verhältnis zueinander vorliegen, füllt, das Verbrennungsgemisch entzündet unter Erzeugung einer Flamme, die Flamme auf das komprimierte Grundgemisch einwirken läßt, was dazu führt, daß das Grundgemisch in ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas umgewandelt wird, das sich unter der Einwirkung der Wärme der Flamme expandiert, das freien Wasserstoff enthaltende Gas während seiner Expansion Arbeit verrichten läßt und die von dem freien Wasserstoff enthaltenden Gas geleistete Arbeit speichert als Energie zum Komprimieren des Grundgemisches.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Füllen des ersten Hohlraumes mit dem Grundgemisch in der Weise durchführt, daß man das Grundgemisch herstellt und dieses in den ersten Hohlraum einführt, und daß man das Füllen des zweiten Hohlraumes mit dem Verbrennungsgemisch (Kraftstoffgemisch) in der Weise durchführt, daß man das Verbrennungsgemisch (Kraftstoffgemisch) herstellt und es in den zweiten Hohlraum einführt.

3e Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Verbrennungsgemisch unmittelbar vor Beendigung der Kompression des-Grundgemisches zündet.

509835/0937

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß man das freien Wasserstoff enthaltende Gas in einen dritten Hohlraum austrägt, den dritten Hohlraum mit einem Motortreibstoff füllt und das freien Wasserstoff enthaltende Gas mit dem Motortreibstoff mischt.

5. Vorrichtung für die Umwandlung von Treibstoff in ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas, gekennzeichnet durch einen Verdrängungsexpander (14-) mit einem Gehäuse (16) und einem Arbeitselement (18), das innerhalb des Gehäuses (16) Kompressions-und Expansionstakte durchführt und ein variables Volumen in der Expanderkammer (28) begrenzt, eine Einrichtung zum Pullen der Expanderkammer (28) mit einem Grundgemisch aus einem Treibstoff, einem Oxydationsmittel und Wasser, in dem diese in einem vorher festgelegten Verhältnis zueinander vorliegen, wobei das Arbeitselement (18) das Grundgemisch während seines Kompressionstaktes komprimiert, eine Verbrennungskammer (50), die mit der Expanderkammer (28) in Verbindung steht, eine Einrichtung zum Füllen der Verbrennungskammer (50) mit einem Verbrennungsgemisch aus einem Treibstoff und einem Oxydationsmittel, in dem diese in einem vorher festgelegten Verhältnis zueinander vorliegen, eine Einrichtung (68) zum Zünden des Verbrennungsgemisches in der Verbrennungskammer (50) unter Erzeugung einer Flamme, einer Einrichtung (54) zum Einspritzen der Flamme aus der Verbrennungskammer (50) in die Expanderkammer (28), so daß die Wärme der Flamme die Umwandlung des Grundgemisches in ein freien Wasserstoff enthaltendes Gas bewirkt und dazu führt, daß sich das freien Wasserstoff enthaltende Gas expandiert, so daß das Arbeitselement in diesem Expansionstakt Arbeit verrichtet, eine Einrichtung, die während des Expansionstaktes des Arbeitselements (18) durch dieses angetrieben wird und die Energie speichert, die zur Durchführung des Kompressionstaktes des Arbeitselements (18) verwendet wird.

509835/0937

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum. Füllen der Expanderkammer (28) mit dem Grundgemisch eine Hauptmischkammer (38) aufweist, die mit der Treibstoff quelle, der Quelle für das Oxydationsmittel und der Wasserquelle zur Zuführung von Treibstoff, Oxydationsmittel bzw. Wasser und zur Erzeugung des Grundgemisches innerhalb derselben und mit der Expanderkammer (28). zur Einführung des Grundgemisches in dieselbe in Verbindung steht, und daß die Einrichtung zum Füllen der Verbrennungskammer (50) mit dem Verbrennungsgemisch eine Hilfsmischkammer (56) aufweist, die mit der Treibstoff quelle und der Quelle für das Oxydationsmittel zur Einführung von Treibstoff bzw. Oxydationsmittel und zur Bildung des Verbrennungsgemisches innerhalb derselben sowie mit der Verbrennungskammer (50) zur Einführung des Verbrennungsgemisches (Kraftstoffgemisches) in dieselbe in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserzuführungseinrichtung einen Wärmeaustauscher aufweist, der das Motorabgas aufnimmt, wodurch das der Hauptmischkamaer (38) zugeführte Wasser erhitzt wird unter Bildung von Wasserdampf.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung für die Einführung von Wasser und von Oxydationsmittel in die Hilf smischkammer (56) eine Wasserstoffperoxidquelle (82), eine Zersetzungskammer (84), die mit der Wasserstoffperoxidquelle (82) in Verbindung steht und in welcher das Wasserstoffperoxid aus der Quelle (82) zersetzt wird, sowie einen Separator (94) aufweist, der mit der Zersetzungskainmer (84) in Verbindung steht und die Zersetzungsprodukte des Wasserstoffperoxids in Sauerstoff und Wasser trennt und einen Sauerstoff enthaltenden Abschnitt (96) und einen Wasser enthaltenden Abschnitt (98) aufweist, wobei der Wasser enthaltende Abschnitt (98) mit der Haupt-

5 0 9 8 3 5/0937

COPY

mischkammer (38) in Verbindung steht, um Wasser in dieselbe einzuführen, und der Sauerstoff enthaltende Abschnitt (96) mit der Hilfsmischkammer (56) in Verbindung steht, um Sauerstoff in dieselbe einzuführen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserzuführungseinrichtung außerdem einen zwischen der Hauptmischkammer (38) und dem Wasser enthaltenden Abschnitt (98) angeordneten Wärmeaustauscher aufweist, der das Motorabgas aufnimmt und das der Hauptmischkammer (38) zugeführte Wasser erhitzt unter Bildung von Wasserdampf·.·

10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgemisch (Kraftstoff-Gemisch) unmittelbar vor Beendigung des Kompressionstaktes des Arbeitselements (Ί8) gezündet wird.

11· Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine mit der Expanderlcammer (28) in Verbindung stehende Mischkammer (70)- und eine Einrichtung zum Austragen des freien Wasserstoff enthaltenden Gases in die zuletzt genannte Mischkammer aufweist, wobei letztere mit der TreibstoffZuführungseinrichtung zur Einführung von Treibstoff und zum Mischen des Treibstoffs mit dem freien Wasserstoff enthaltenden Gas sowie mit einem Motor (12) zur Einführung eines Gemisches aus dem freien Wasserstoff enthaltenden Gas und dem Treibstoff in Verbindung steht.

50983 5/0937

COFV

Leerseife