DE2750463A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents
BrennkraftmaschineInfo
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- DE2750463A1 DE2750463A1 DE19772750463 DE2750463A DE2750463A1 DE 2750463 A1 DE2750463 A1 DE 2750463A1 DE 19772750463 DE19772750463 DE 19772750463 DE 2750463 A DE2750463 A DE 2750463A DE 2750463 A1 DE2750463 A1 DE 2750463A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S123/00—Internal-combustion engines
- Y10S123/12—Hydrogen
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1.
In der Warmlaufphase von Brennkraftmaschinen ist der Anteil schädlicher Komponenten im Abgas besonders hoch, weil die
Verbrennungsvorgänge während der Warmlaufphase aus den verschiedensten Gründen unvollständig und unvollkommen sind.
Neben vielen anderen Bemühungen zur Reduzierung des Ausstoßes schädlicher Abgaskomponenten ist man auch bemüht, die Warmlaufphase des Motors zu verkürzen. Dies erfordert jedoch entweder
einen vermehrten Energieaufwand oder einen kaum zu vertretenden konstruktiven bzw. fertigungsmäßigen Aufwand oder auch
beides gemeinsam.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maßnahme zur Verkürzung
der Warmlaufphase des Motors anzugeben, bei der keine zusätzliche Energie benötigt wird und die einfach im Aufbau ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Bekanntlich haben bestimmte Metalle bzw. Metall-Legierungen
die Eigenschaft, Wasserstoff in ihre Kristallstruktur aufzunehmen und dabei Wärme abzugeben. Bei äußerer Wärmezufuhr
und/oder bei niedrigeren Wasserstoffdrucken geben diese Metalle
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den Wasserstoff wieder ab. Es handelt sich dabei um einen voll reversiblen Vorgang, der beliebig oft wiederholt werden kann.
Zum Aufheizen der Brennkraftmaschine vor oder während des Starts wird dem Vorwärmspeicher Wasserstoff· zugeführt, der ihn in sich
aufnimmt und sich dabei erhitzt. Diese Wärme gibt er wenigstens mittelbar an die Brennrauinwandungen ab. Bei betriebswarmem Motor
wird der während der Startphase gebundene Wasserstoff aus dem Vorwärmspeicher durch die Motorwärmc wieder in Freiheit gesetzt
und in einen mitgeführten Wasserstoffspeicher aufgenommen,
wo er für einen erneuten Kaltstart zur Verfügung steht. Es wird also Betriebsabwärme des Motors gewissermaßen hydridisch zwischengespeichert,
so daß die zum Aufheizen des Motors vor oder während des Kaltstartes erforderliche Wärmemenge mit zwischengespeicherter
Motorabwärme, also energiefrei erfolgt.
Die Erfindung ist anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer Brennkraftmaschine
mit in die Zylinderlaufbüchse eingebauten Vorwärmspeicher sowie die Verknüpfung des
Vorwärmspeichers mit einem Hauptspeicher,
Figur 2 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine mit Vorwärmspeicher,
Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Sintergefüge des Vorwärmspeichers und
Figur 4 den grundsätzlichen Verlauf der Druck/Temperatur-Kennlinie
von Metallhydriden unterschiedlicher Art.
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Bei den beiden verschiedenen in den Figuren 1 und 2 dargestellten Brennkraftmaschinen ist ein Kolben 2 in einer Zylinderlaufbüchse
6 bzw. 7 auf und ab beweglich geführt. Der zu der Brennkraftmaschine gehörende Motorblock 10 bzw. 11 ist mit einem Zylinderkopf
3 bzw. 4 versehen. Von den genannten Motorteilen ist der Arbeitsraum 5 eingeschlossen. Die den Arbeitsraum begrenzenden
Wände werden durch einen Kühlwassermantel 8 bzw. durch kühlwassergefüllte Räume 9 im Zylinderkopf gekühlt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist ein Vorwärmspeicher 12 in der Zylinderlaufbüchse 6 vorgesehen. Diese ist zu diesem Zweck
aus 2 Büchsen 6a und 6b hergestellt, die an ihren Stirnseiten wasserstoffdicht miteinander verschweißt sind. An der äußeren
Büchse 6b ist ein Anschluß 15 zur Zu- bzw. Abfuhr von Wasserstoff vorgesehen. Ober eine Leitung 15a und ein Absperrventil 16
steht der Vorwärmspeicher mit einem Hauptspeicher 14 für Wasserstoff in Verbindung. Aus ihm kann dem Vorwärmspeicher bei geöffnetem
Ventil 16 während der Kaltstartphase oder auch davor Wasserstoff zugeführt werden, so daß sich der Vorwärmspeicher erhitzt und mit
ihm die Brennkraftmaschine rasch aufgewärmt wird.
Der Metallhydridspeicher 14 ist in Form eines möglichen Ausführungsbeispieles
mit in Figur 1 im einzelnen dargestellt; eine gewisse Besonderheit dieses Speichers liegt darin, daß er sowohl
bezüglich eines flüssigen als auch bezüglich eines gasförmigen Wärmeaustauschmediums beschickt werden kann. In einem inneren
Druckgefäß 26 aus gegen Wasserstoff diffusionsundurchlässigem Werkstoff ist ein Granulat 24 eines geeigneten Metallhydrids
bzw. hydridierbaren Metalles oder Metall-Legierung enthalten. Um den inneren Druckbehälter 26 ist unter Einhaltung eines
Zwischenraumes ein äußerer Druckbehälter gelegt. In das Innere des Granulates 24 reichen innere auf der Innenseite des Behälters
angebrachte Wärmeaustauschrippen 22 hinein, die die Aufgabe haben, eine möglichst gute wärmeleitende Verbindung zwischen der
inneren Behälterwand und dem Granulat herzustellen. Desgleichen
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sind auf der Außenseite des inneren Behälters Wärmeaustauschrippen
23 angebracht, die die Aufgabe haben, einen möglichst guten Wärmeübergang von einem in dem Zwischenraum strömenden
gasförmigen Medium an die Behälterwand 26 herzustellen. Durch den zwischen den beiden Behältern gebildeten Zwischenraum wird
beim Motorbetrieb das Motorabgas geleitet. Im Innern des Granulates ist eine Kühlschlange 28 eingebettet, die über die
Anschlüße 29 an den Kühlwasserkreislauf 32 des Motors mit Umwälz pumpe 33 angeschlossen ist. Über die Kühlschlange 28 wird
das Innere des Granulates erreicht, wohin gegenüber dem Mantel und die daran angebrachten Rippen die Außenzone des Granulates
erreichbar sind. Von den an dem stirnseitig angeflanschten Deckel angebrachten Gasanschlüssen 31, die - eventuell über ein Rückhaltesieb
- mit den Hohlräumen des Granulates verbunden sind, führt einer über die Leitung 20 zu einer Gemischaufbereitungseinrichtung
19. Die Brennkraftmaschine saugt von ihr über die Drosseleinrichtung 21 und die Gemischansaugleitung 18 ein Wasserstoff/Luft-Gemisch
an. Dieses Gemisch kann bei Mischbetrieb der Brennkraftmaschine über ein Einspritzventil an einer Vorkammer
noch mit flüssigem Kraftstoff, z. B. Benzin, angereichert werden. Hin zweiter der beiden Anschlüsse 31 ist mit dem Vorwärmspeicher
12 bzw. 13 verbunden.
Zur besseren Wärmeleitung innerhalb des Metallgranulates kann dieses formbeständig verpreßt oder versintert sein. Dieses gilt
sowohl für den Hauptspeicher 14 als auch für den Vorwärmspeicher 12 bzw. 13. Zweckmäßig ist es, wenn Kupfer- oder Aluminiumspäne
mit verpreßt werden. Diese hydr ieren nicht und behalten ihre
guten Wärmeeigenschaften auch dann, wenn die hydr^ierbaren
Granulatkörner hydr^iert sind. Die eingepreßten Späne sorgen für einen guten Wärmefiuß in dem Preßling aus Metallhydridkörnern,
die selber in hydr—iertem Zustand schlecht wärmeleitend sind.
Der Porenanteil in dem Granulat sollte wenigstens etwa 5 - 10 % betragen, um noch genügend Gasaustauschkanäle innerhalb des
Preßlings bzw. des Sinterkörpers zu haben.
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Die Füllung 25 des inneren von der Wand 27 gekapselten und von
der Rohrwendel 28 durchzogenen Metallhydridspeichers besteht aus einem Niedertemperatur-Metallhydrid, z. B. aus Titanüisen-Hydrid,
bei dem bei Temperaturen von minus 2o bis plus 8o C (z. B. Kühlwasser) und einem Überdruck von 1 bis 1o Bar
der Speicher völlig vom Wasserstoff entleerbar ist. Der äußere Speicher 24 zwischen den Wandungen 27 und 26 besteht aus
einem Hochtemperatur-Metallhydrid, z. B. aus Magnesium-Nickel-Hydrid;
bei Überdrucken von etwa 1 Bar sind hier für die weitgehende Entleerung des Speichers Temperaturen über etwa 3oo C
erforderlich. Solche Temperaturen können mit den Motorabgasen, wenn die Abgasleitungen 17 wärmeisoliert sind, aufgebracht
werden.
Die Wirkungsweise des Vorwärmspeichers ist nun kurz folgende: Ausgehend von einem metallischen Zustand ds Vorwärmspeichers
12 wird vor oder bei Beginn des Kaltstartes das Absperrventil 16 in der Wasserstoffleitung 15a geöffnet, wodurch Wasserstoff
aus dem Hauptyeicher 14 in den Vorwärmspeicher einströmen kann. Ist das Temperaturniveau des Metallhydrides in beiden
Speichern, nämlich im Vorwärmspeicher und im Hauptspeicher,
gleich hoch, wird aufgrund der größeren Speicherkapazität des Hauptspeichers und aufgrund eines anzunehmenden Mindestfüllzustandes
des Hauptspeichers bei der zu Beginn des Kaltstartes in beiden Speichern vorliegenden Temperatur im Hauptspeicher Wasserstoff
unter einem höheren Druck anstehen als im Vorwärmspeicher, so daß von dem Hauptspeicher auf den Vorwärmspeicher ein gewisser
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Dissoziationsdruck ausgeübt werden kann, der zu einer Einlagerung von Wasserstoff in die Metallteile des Vorwürnispeichers
führt. Dieser erhitzt sich dadurch sehr stark und gibt seine Wärme an die beiden Büchsen 6a und 6b der Zylinderlaufbüchse
6 ab. Dieses gilt, wenn der Hauptspeieher voll hydriert ist,
d. h. Drucke in der Größenordnung von 5o Bar besitzt, während der Vorwärmspeieher unhydricrt ist. Die Kapazitätsunterschiede
zwischen Haupt- und Vorwärmspeicher (Faktor 1oo) gewährleisten,
daß der Druck im Hauptspeicher nach Auffüllen des Vorwärmspeichers nicht merklich abgesunken ist. Dadurch ist es möglich,
für beide Speicher die gleichen Hydridbildner zu verwenden. Es
können natürlich auch Metallhydride mit unterschiedlichen Bildungsenthalpien
benutzt werden; wobei es wünschenswert ist, im Vorwärmspeicher ein Mctallhydrid einzusetzen, das eine hohe
Bildungsentlialpie besitzt (höheres Temperaturniveau und größere freiwerdende Wärmemenge), wodurch der Aufheizvorgang beschleunigt
werden kann. Durch die Erhitzung des Speichers werden die Wandungen des Arbeitsraumes 5 unmittelbar und nach einer gewissen
Zeit auch das Kühlwasser des Motors erwärmt. Hierdurch verkürzt sich die Karmlaufphase erheblich. Wird das Absperrventil
etwa gezielt 2 bis 3 Minuten vor Beginn des Startes der Brennkraftmaschine geöffnet, so liegt bei Start der Brennkraftmaschine
bereits ein ausreichend vorgewärmter Arbeitsraum vor, so daß vom Start weg gleich mit qualitativ besseren Abgasen zu
rechnen ist.
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Hat die Brennkraftmaschine dann ihre Betriebstemperatur erreicht,
so kehrt sich das Gefälle des Dissoziationsdruckes um; bei stark erhitzern Vorwärmspeicher steht der Wasserstoff bei ihm unter einem
höheren Druck an als im Hauptspeicher 14. Der in den metallischen dehydridierten Zustand zurückgekehrte Vorwärmspeicher stellt in
diesem Zustand einen aufgeladenen Wärmespeicher dar, der durch Motorabwärme aufgeladen ist. lir kann seine in chemisch gebundener
Form gespeicherte Wärme nicht durch Strahlung oder Konvektion verlieren. Spätestens beim Abstellen der Brennkraftmaschine aus
betriebswarmem Zustand muß das Absperrventil 16 geschlossen werden, damit der metallische Zustand des Vorwärmspeichers bis zum
nächsten Kaltstartvorgang erhalten bleibt.
Bei dem anderen Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine nach Figur 2 ist die dort gezeigte Zylinderlaufbüchse 7 einstückig
mit dem zugehörigen Motorblock 11 ausgeführt. Eine außenliegende Wandung des Kühlwassermantels 8 am Motorblock ist als plattenförmiger
Vorwärmspeicher 13 mit 2 im Abstand zueinandergehaltencn Blechwänden 13a, 13b ausgebildet. Die beiden Platten sind am
Außenrand gasdicht miteinander verschweißt; sie werden gegenseitig durch eingedrückte warzenartige Erhöhungen zug- und druckfest
auf Distanz gehalten. Auch an diesem Vorwärmspeicher ist ein Anschluß 15 zur Zu- bzw. Abfuhr von Wasserstoff nach dem Vorbild
von Figur 1 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die den Arbeitsraum 5 der Brennkraftmaschine begrenzenden Wandungen
durch konvektiven Wärmeaustausch über das Kühlwasser von dem Vorwärmspeicher aufgeheizt. Zwar dauert hier der Vorgang des Vorwäriuens
der Brennkraftmaschine möglicherweise etwas langer als
beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1; dafür ist aber die Ausbildung
und Anordnung des Vorwärmspeichers etwas einfacher. Damit der Vorwärmspeicher seine Wärme zum weitaus überwiegenden
Teil an das Kühlwasser des kalten Motors abgibt, nicht jedoch an die Umgebungsluft, ist auf der Außenseite des Vorwärmspeichers
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eine wärmeisolierende Schicht Ί1 angebraclit. Wird der Vorwärmspeicher
direkt in das Kühlwasser eingebracht, so kann die Isolierung nach außen wegfallen. Die Wirkungsweise des Vorwärmspeichers
bei diesem Ausführungsbeispiel ist völlig analog zu der beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, so daß insoweit auf die
vorausgegangene Beschreibung verwiesen werden kann.
Die Fig. 3 zeigt noch in stark vergrößerter Form einen Ausschnitt eines Querschnittes durch eine poröse Sinterschicht, wie
sie zur Bildung der eingelagerten Schicht angestrebt wird. In dem Verbund dieser Schicht sind Körner 34 an den zunächst losen
Kontaktstellen bei nahezu schmelzflüssigem Zustand unter Druck
und Hitze an diesen Stellen 35 flüchig miteinander verschweißt. Zwischen den Körnern verbleiben Toren 36, die zur Aufnahme von
Wasserstoff in gasförmigem Zustand dienen und die zur Verteilung
des Wasserstoffes innerhalb des Sinterverbundes dienen.
Aufgrund der Verschmelzung der Körner im Sinterverbund sind diese gut wärmeleitend miteinander verbunden. Der Sinterverbund
selber als ganzes ist spalt- und reißfrei; letztere würden - im metallischen Zustand der Körner - eine gute Wärmeleitung verhindern.
Auch an den Kontaktstellen des Sinterverbundes mit dem
angrenzenden wasserstoffdichten Wandungsmaterial kommt bei gemeinsamer
Versinterung ein Ineinanderlaufen der Körner mit dem
Wandungsmaterial, also ein guter Wärmekontakt zustande.
Im üriick/Tcmpcratur-Diagramm der Fig. 4 ist der grundsätzliche
Verlauf der Kennlinie verschiedener hydrierbarer Metalle bzw. Metall-Legierungen eingetragen. Der Verlauf und die Lage dieser
Kennlinien und der ihnen zugeordneten Metalle ist bekannt. Man kann nun zur Auswahl einer geeignet erscheinenden eingelagerten
Schicht für den Vorwärmspeicher in einem die Kennlinien der verschiedenen Metalle enthaltenden Diagramm auf der Temperatur-
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-ie- - Daim 11 745/4
ΛΛ
achse die beiden Grenzwerte für die Raum- oder Abkühlungstemperatur
TR und die Betriebstemperatur T„ abgreifen und sich
eine zwischen diesen beiden Werten liegende Kennlinie bzw. den entsprechenden Werkstoff heraussuchen. IIochtemperatur-Hydride
sind z. B. Magnesium-Nickel-Hydrid (Mg-NiII.), Magnesium- oder Titanhydride (MgIl-, Till-). Kin Niedertemperatur-IIydrid wäre z.
Titaneisen-Hydrid.
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L e e r s e 11 e
Claims (6)
- Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 11 745/4Stuttgart-Untertürkheim 7 1q ηηAnsprüche[1 Λ Brennkraftmaschine mit rückkühlbaren den oder die Arbeitsräume der Brennkraftmaschine begrenzenden Wänden, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarem wärmeleitenden Kontakt oder mittelbar über konvektiver wärmetauschender Verbindung mit den Wänden ein wasserstoffdichtjgekapselter Metallhydridspeicher - Vorwärmspeicher (12, 13) - vorgesehen ist und daß das innere der Kapselung (6a, b, 13a, b) wahlweise an eine Wasserstoffquelle und/oder an einen gesonderten weiteren Wasserstoffspeicher (14) anschließbar ist.
- 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wasserstoffquelle bzw. daß der weitere Wasserstoffspeicher ebenfalls als Metallhydridspeicher (14) ausgebildet ist.
- 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der weitere Metallhydridspeicher (14) um ein mehrfaches größer ist als der Vorwärmspeicher (12, 13) und daß beide Metallhydridspeicher mit Metallhydriden etwa gleichen Temperaturniveaus ausgefüllt sind.909820/0142ORIGINAL INSPECTEDarDaim 11 755/4
- 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß sie wenigstens teilweise mit Wasserstoff aus dem weiteren Metallhydridspeicher (14) als Kraftstoff gespeist wird.
- 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der weitere Metallhydridspeicher und der Vorwärmspeicher hinsichtlich ihrer Wasserstoff-Speicherkapazität annähernd gleichgroß bemessen sind und daß - unter Zugrundelegung eines bestimmten gleichen Dissoziationsdruckes - das Temperaturniveau des Vorwärmspeichers etwa 60 - 80° C höher ist als das des weiteren Metallhydridspeichers.
- 6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß in der Verbindungsleitung zwischen beiden Speichern ein willkürlich offenbares in Richtung zum Vorwärmspeicher sperrendes Rückschlagventil angeordnet ist.909820/0U2
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