DE3432512C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Vorglühen des Motorblocks einer Brennkraftmaschine oder der Brennkraftmaschinen-Ansaugluft - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Vorglühen des Motorblocks einer Brennkraftmaschine oder der Brennkraftmaschinen-Ansaugluft

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Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschinenansaugluftvorglühvorrichtung bzw. eine Brennkraftmaschinenvorglühvorrichtung geschaffen, die einen Ansaugluftvorglüher bzw. einen Brennkraftmaschinenvorglüher enthält. Diese Vorglühvorrichtung ist im Ansaugluftzufuhrrohr bzw. nahe dem Motorblock der Brennkraftmaschine angeordnet. Sie enthält ein erstes Metallhydrid, das im Wärmeaustausch mit der Ansaugluft bzw. der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Ein Wasserstoffspeicherbehälter enthält Wasserstoff mit einem höheren Druck als dem Wasserstoffabsorptionsdruck des ersten Metallhydrids oder aber ein zweites Metallhydrid mit einem höheren Wasserstoffdissoziationsdruck als dem Wasserstoffabsorptionsdruck des ersten Metallhydrids im Betriebstemperaturbereich. Ein mit einem Ventil versehenes Verbindungsrohr verbindet Ansaugluft- bzw. Brennkraftmaschinenvorglüher mit dem Wasserstoffspeicherbehälter, so daß zwischen Wasserstoffspeicherbehälter und Vorglüher Wasserstoff hin- und herbewegt werden kann.

Description

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des ersten Metallhydrids (MH 1) über die Ansaugluft erfolgt, die zu diesem Zweck durch die Brennkraftmaschinenabgase oder durch Verdichtung mittels eines Turboladers erhitzt wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Vorglühen des Motorblocks einer Brennkraftmaschine oder der Brennkraftmaschinen-Ansaugluft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I und auf ein Verfahren zum Start und Betrieb der Brennkraftmaschine unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
Das Starten und der Aufwärmvorgang einer Brennkraftmaschine ist insbesondere be; tiefen Außentemperaturen gelegentlich ein Problem. Denn einerseits wird die Gemischbildung bei sehr tiefen Außentemperaturen erschwert und andererseits erfolgt das Warmlaufen der Brennkraftmaschine an kalten Tagen sehr verzögert, so daß darunter der Fahrkomfort erheblich leidet
Insbesondere der Startvorgang einer Diesel-Brennkraftmaschine ist bei extrem tiefen Außentemperaturen nicht unproblematisch, da die Zündtemperatur des aus Ansaugluft und eingespritztem Brennstoff bestehenden Gemischs überwiegend bzw. allein durch hohe Verdichtung bereitgestellt werden muß. Der Startvorgang einer Diesel-Brennkraftmaschine erfordert daher notwendigerweise das Vorglühen der Ansaugluft auf eine bestimmte Temperatur, um im Brennraum Lufttemperaturen von 600 bis 800° C zu erreichen.
Herkömmlicherweise wird die einer Brennkraftmaschine zuzuführende Luft mittels einer elektrischen Heizvorrichtung vorgeglüht bei der als Energiequelle eine Batterie herangezogen wird. Es hat sich jedoch gezeigt daß die Kapazität der Batterie nicht groß genug ist um die Ansaugluft schnell auf ein ausreichendes Temperaturniveau vorheizen zu können. Als weiterer Nachteil muß bei einer derartigen Lösung die Vergrößerung der Abmessungen der Batterie in Kauf genommen werden, wodurch der ohnehin im Kraftfahrzeug vorliegende Platzmangel bei Gewichtsvergrößerung noch verschärft wird.
Aus der DE-AS 10 42 289 ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei der die Vorwärmung der Luft durch elektrische Heizkörper vorgenommen wird, die an der Drosselklappe angebracht sind. Die Luft wird auf diese Weise intensiv mit der Heizvorrichtung in Verbindung gebracht, damit sie möglichst viel Wärme aufnehmen kann. Bei dieser Vorrichtung sind jedoch die oben erwähnten Nachteile noch nicht beseitigt.
Aus der US-PS 40 50 430 und aus der US-PS 41 22 679 ist jeweils eine Vorrichtung zur Vorwärmung der Ansaugluft bekannt, bei der die Ansaugluft durch einen als Wärmetauscher ausgebildeten Ansaugabschnitt strömt, der vom Abgas vorgewärmt wird. Wenngleich bei der Vorrichtung gemäß US-PS 40 50 430 Maßnahmen ergriffen sind, um den Wärmeaustausch im vorzuwärmenden Ansaugabschnitt zu intensivieren, so kann mit dieser Vorrichtung gerade der Startvorgang nicht verbessert werden, weil die Vorwärmung erst bei laufender Brennkraftmaschine wirksam ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vorglühen des Motorblocks einer Brennkraftmaschine oder der Brennkraftmaschinen-Ansaugluft und ein Verfahren zum Start und Betrieb der Brennkraftmaschine unter Zuhilfenahme einer derartigen Vorrichtung zu schaffen, mit der in kürzester Zeit günstige Voraussetzungen für den Start und das Warmlaufen der Brennkraftmaschine geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan= spruchs 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 4 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.
Erfindungsgemäß wird in vorteilhafter Weise von der Reversibilität der Wasserstoff-Absorption und -Dissoziation eines Metallhydrids Gebrauch gemacht, wobei
die Absorption exotherm und die Abgabe von Wasserstoff endotherm verläuft. Dabei wird in vorteilhafter Weise das bei Betrieb einer Brennkraftmaschine vorgegebene Temperatur-Spektrum ausgenützt, d. h., die nach dem Warmlaufen der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehende Wärme dazu herangezogen, Wasserstoff aus dem zur Vorwärmung dienenden Metallhydrid in den Speicher zurückzuführen. Auf diese Weise gelingt es mit einem einfachen Absperrventil, die Vorwärmung der Brennkraftmaschine bzw. der Ansaugluft zu steuern und zwar derart, daß für jeden Startvorgang stets genügend Energie zur Verfügung gestellt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat darüberhinaus den zusätzlichen Vorteil, daß das Metallhydrid in einfacher Weise in den Luft-Strömungsweg bzw. in e>ne Heizvorrichtung für den Motorblock eingegliedert werden kann, so daß bei kleinem benötigten Bauraum gute Voraussetzungen für einen intensiven Wärmeübergang zwischen Glühkörper und dem zu heizenden Medium geschaffen werden können.
Mit den in den Patentansprüchen 2 und 3 angegebenen Materialien lassen sich mit verhältnismäPf'g kleinem Bauraum innerhalb einiger Sekunden Temperaturerhöhungen der Ansaugluft von über 30° C erzielen.
Mit der Weiterbildung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 5 kann nicht nur die Temperatur der vorgewärmten Ansaugluft zusätzlich angehoben werden, sondern es wird auch die Rückspeicherung des im Metallhydrid gespeicherten Wasserstoffs in den Speicherbehälter beschleunigt, so daß die Betriebsbereitschaft der Vorrichtung auch dann zuverlässig bereitgestellt werden kann, wenn die Brennkraftmaschine häufig hintereinander gestartet wird. Der Betrieb der Brennkraftmaschine wird durch diese Weiterbildung des Verfahrens nicht beeinträchtigt, da im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine ohnehin eher die Tendenz hin zu hohen Ansauglufttemperaturen besteht
Zwar ist aus der US-PS 42 14 699 bereits die Verwendung von Metallhydriden zu Heizzwecken bekannt Gemäß dieser Druckschrift, in der ein Brennstoff-Versorgungssystem für eine Wasserstoff-Brennkraftmaschine offenbart ist, wird Wasserstoff aus einem Niedertemperatur-Metallhydrid abgezogen, indem dem Kühlsystem oder der Umgebungsluft Wärme entzogen wird. Dieser Wasserstoff wird von einem Hochtemperatur-Metallhydrid absorbiert, um Wärme zu erzeugen, die dann zur Beheizung des Fahrgastraums herangezogen wird.
Durch diesen Aufbau der Heizvorrichtung ist vorgegeben, daß das Hochtemperatur-Metallhydrid erst nach einer verhältnismäßig laugen Zeitspanne zur Beheizung herangezogen werden kann, denn ein derartiges HochtemperatUi-Metallhydrid kann erst bei Temperaturen über 200° C exotherm mit dem Wasserstoff reagieren. Da das Hochtemperatur-Metallhydrid somit zunächst erst einmal auf diese Betriebstemperatur vorgeheizt werden muß, kann dieses System nicht dort übernommen werden, wo es um die Verbesserung des Startvorgangs der Brennkraftmaschine geht.
In der japanischen Patentveröffentlichung 1 60 288/1980 ist ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem ebenfalls ein Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs aufgewärmt werden kann, indem Wasserstoff aus einem niedrig temperierten Wasserstoffspeichertank zu einem hoch temperierten Wasserstoffspeichertank übergeführt wird, um dadurch ohne den Einsatz elektrischer Energie Wärme zu erzeugen. Der Einsatz von Wasserstoff zur Bereitstellung günstiger Voraussetzungen für den Anlaßvorgang der Brennkraftmaschine bei extrem tiefen Außentemperaturen ist in dieser Druckschrift nicht angedeutet
Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigen
F i g. 1 und 2 Zyklusdiagramme zur Verdeutlichung des dem Verfahren zugrundeliegenden Prinzips des Vorglühens der Ansaugluft;
Fig.3, 4 und 5 Darstellungen des Aufbaus unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der nach dem Verfahren arbeitenden Vorrichtung zum Vorglühen der Ansaugluft des Motors;
F i g. 6 und 7 Teilschnittdarstellungen eines Ansaugrohres zur Verdeutlichung wichtiger Teile eines Ausführungsbeispiels des Glühkörpers; und
F i g. 8 und 9 Darstellungen des Aufbaus unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der Motorvorglühvorrichtung.
Unter Bezugnahme auf F i g. 1 und 2 wird das Prinzip des erfindungsgemäßen Vorglühens der Ansaugluft beschrieben.
Die Vorrichtung zum Vorglühen der Ansaugluft weist ein erstes Metallhydrid auf. Wasserstoff mit einem höheren Druck als dem Wasserstoffgleichgewichtsabsorbtionsdruck des ersten Metallhydrids wird dem ersten Metalhiydrid zugeführt Der Wasserstoff wird von dem Wasserstoff zugeführt, der entweder im Wasserstoffspeicherbehälter gespeichert ist oder von einem zweiten Metallhydrid im Speicherbehälter, das bei den Betriebstemperaturen einen höheren Wasserstoffgleichgewichtsdissoziationsdruck aufweist als der Wasserstoffabsorbtionsdruck des ersten Metallhydrids.
F i g. 1 ist ein Zyklusdiagramm für den Fall, daß Wasserstoff im Wasserstoffspeicherbehälter gespeichert ist; Fig.2 ist ein Zyklusdiagramm für den Fall, daß ein zweites Metallhydrid im Wasserstoffspeicherbehälter gespeichert ist In den F i g. 1 und 2 stellt die Abszisse den Reziprokwert der absoluten Temperatur T, und die Ordinate den natürlichen Logarithmus des Wasserstoffgleichgewichtsdissoziationsdrucks P des Metalihydrids dar. In F i g. 1 hat ein erstes Metallhydrid MH1 in der Vorrichtung zum Vorglühen der Ansaugluft bei der Vorglühtemperatur Tb der Ansaugluft im Ansaugluftzufuhrrohr zum Zeitpunkt des Starts der Brennkraftmaschine einen niedrigeren Wasserstoffgieichgewichtsabsorbtionsdruck Pb als der Wasserstoffdruck P im inneren des Wasserstoffspeicherbehälters, und bei der Temperatur Ta der Ansaugluft während des Normalbetriebs hat das erste Metallhydrid MH1 einen höheren Wasserstoffgleichgewichtsdissoziationsdruck Pa als der Wasserstoffdruck .Pirn Wasserstoffspeicherbehäiter.
Wenn zum Startzeitpunkt der Brennkraftmaschine Wasserstoff mit dem Druck P dem ersten Metallhydrid MHX zugeführt wird, absorbiert MH \ Wasserstoff, um Wärme zu erzeugen. Diese Wärme wärm*, die Ansaugluft, die in Wärmeaustauschberührung mit dem MHA enthaltenden Glühkörper steht, und erhöht die Ansauglufttemperatur auf Tb (Erwärmungsvorgang). Andererseits ist der Wasserstoffgleichgewichtsdissoziationsdruck Pa von MH1 bei der Ansauglufttemperatur Ta während des Normalbetriebs nach dem Starten der Brennkraftmaschine höher als der Wasserstoffdruck P. Deshalb läßt MHX Wasserstoff frei und bildet Wasserstoff zum Gebrauch beim nächsten Startvorgang der Brennkraftmaschine .(Vorbereitungsvorgang).
Das erste Metallhydrid MHX hat in Fig.2 bei der Vorglühtemperatur Td zum Startzeitpunkt der Brennkraftmaschine einen niedrigeren Wasserstoffgleichge-
wichtsabsorbtionsdruck Pd als der Wasserstoffgleichgewichtsdissoziationsdruck des im Wasserstoffspeicherbehälter enthaltenen zweiten Metallhydrids MH2 bei Atmosphärentemperatur Tc. Andererseits, bei der Ansauglufttemperatur Ta während des Normalbetriebs, hat das erste Metallhydrid MH 1 einen höheren Wasserstoffgleichgewichtsdissoziationsdruck Pa als der Wasserstoffgleichgewichtsabsorbtionsdruck von MH 2 bei der Umgebungstemperatur Tb.
Entsprechend wird zum Startzeitpunkt der Brennkraftmaschine Wasserstoff dem ersten Metallhydrid MHX vom zweiten Metallhydrid MH 2 zugeführt, und MH1 absorbiert Wasserstoff und erzeugt Wärme. Diese Wärme erhitzt die Ansaugluft, die mit dem MH 1 enthaltenden Glühkörper in Wärmeaustauschberührung steht, und erhöht die Ansauglufttemperatur auf Td (Erwärmungsvorgang).
Da andererseits nach dem Starten der Brennkraftmaschine der Wasserstoffgleichgewichtsdissoziationsdruck Pa von MH1 bei der Ansauglufttemperatur Ta während des Normalbetriebs höher ist als der Wasserstoffgleichgewichtsabsorbtionsdruck von MH 2 bei der Umgebungstemperatur Tb, gibt MH1 endotherm Wasserstoff frei. Der freigekommene Wasserstoff wird durch MH 2 absorbiert, um beim nächsten Startvorgang der Brennkraftmaschine gebraucht zu werden (Vorbereitungsvorgang).
Fig.3 stellt den Aufbau einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zum Vorglühen der Ansaugluft dar. In einem Ansaugrohr 3 zur Zufuhr von Luft von einem Turbolader 1 zu einer Brennkraftmaschine 2 ist ein das erste Metallhydrid MH1 enthaltender Glühkörper 4 angeordnet, um einen Wärmeaustausch mit der Ansaugluft vorzunehmen. Ein Wasserstoffspeicherbehälter 6 ist mittels eines Verbindungsrohrs 5 mit dem Glühkörper verbunden. Der Wasserstoffspeicherbehälter 6 enthält Wasserstoff, oder aber er enthält ein zweites Metallhyürid MH2 mit einem höheren Wasserstoff gleichgewichtsdissoziationsdruck als MH1 im Betriebstemperaturbereich. Mittels eines im Verbindungsrohr 5 angeordneten Wasserstoffstromflußventils 7 ist der Wasserstoffspeicherbehälter 6 mit dem Glühkörper 4 während des Aufwärmvorgangs verbunden; der Vorbereitungsvorgang wird wie oben beschrieben durchgeführt. Der Wasserstoffspeicherbehälter 6 ist an einer geeigneten Stelle eines Fahrzeugkörpers angeordnet und steht im Wärmeaustausch mit der Außenatmosphäre oder mit dem Fahrzeugkörper.
F i g. 4 stellt den Aufbau eines anderen Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zum Vorglühen der Ansaugluft dar, bei dem vergleichbare Elemente der vorstehend beschriebenen Vorrichtung mit denselben Referenzzeichen wie in F i g. 3 versehen sind. Es ist ersichtlich, daß der Unterschied zwischen diesem Ausführungsbeispiel und der in Fig.3 dargestellten Vorrichtung darin besteht, daß das Ansaugrohr 3 zweigeteilt, d. h. in ein Ansaugluftvorglührohr 8 und ein Ansaugluftdosierrohr 9 aufgeteilt ist. Im Ansaugluftvorglührohr 8 ist derselbe Glühkörper 4 wie in der Vorrichtung aus F i g. 3 angeordnet Das Ansaugluftdosierrohr 9 weist ein Dosierventil 10 auf, um den Strom der Ansaugluft vom Turbolader 1 zur Brennkraftmaschine zu steuern. Während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine ist das Dosierventil 10 geschlossen, um die Ansaugluft zwangsweise durch das Ansaugluftvorglührohr zu leiten, damit die Ansaugluft vorgeglüht wird. Nachdem die Brennkraftmaschine im Normalbetrieb arbeitet, wird das Dosierventil 10 geöffnet, um die Ansaugluft ohne Druckabfall weiterzuleiten. Jc nach Wunsch kann dieses Dosierventil als manuell betriebenes Ventil oder als Magnetventil gebaut werden.
F i g. 5 stellt den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung dar, bei dem das Abgas der Brennkraftmaschine als Wärmequelle zum Aufheizen des Metallhydrids im Glühkörper während des Vorbereitungsvorgangs benutzt wird. Ein Abzweigrohr 3a vom zur Brennkraftmaschine 2 führenden Ansaugrohr 3 ist mit einem Abzweigrohr 186 von einem Brennkraftmaschinenabgasrohr 18 verbunden. Ein anderes Abzweigrohr Zb vom Ansaugrohr ist mit einem anderen Abzweigrohr 18a vom Brennkraftmaschinenabgasrohr 18 verbunden. Weiterhin ist ein Verbindungsrohr 17 zwischen dem Paar Abzweigrohre 3a und Zb angeordnet. Um die Ansaugluft und das Brennkraftmaschinenabgas in das Verbindungsrohr 17 zu leiten, sind Regelventile 19 und 20 im Brennkraftmaschinenabgasrohr 18 und im Ansaugluftzufuhrrohr 3, Regelventile 21 und 22 in den Abzweigrohren 3a und Zb und Regelventile 24 und 23 in den Abzweigrohren 18a und 186 angeordnet, jeweils in einer solchen Weise, daß sie geöffnet und geschlossen werden können. Außerdem ist der Glühkörper 4 im Verbindungsrohr 17 angeordnet. Genau wie im obigen Ausführungsbeispiel ist der Wasserstoffspeicherbehälter 6 mittels des mit dem Wasserstoffstromventils 7 versehenen Verbindungsrohrs 5 mit dem Ansaugluftvorglüher 4 verbunden.
Während des Erwärmungsvorgangs wird das Regelventil 19 im Abgasrohr 18 geöffnet, und die Regelventile 24 und 23 in den Abzweigrohren 18a und 186 werden geschlossen. Zur selben Zeit ist das Steuerventil 20 im Ansaugrohr 3 geschlossen; die Regelventile 21 und 22 in den Abzweigrohrens 18a und 186 sind geöffnet. Dies ist durch die gestrichelten Linien an den Regelventilen dargestellt. Daraus ergibt sich, daß die Ansaugluft in das Verbindungsrohr 17 fiießt und durch den Glühkörper 4 erwärmt wird. Andererseits, beim Vorbereitungsvorgang, ist das Regelventil 19 im Abgasrohr 18 geschlossen, während die Regelventile 23 und 24 in den Abzweigrohren 186 und 18a geöffnet sind. Zur selben Zeit ist das Regelventil 20 im Ansaugrohr 3 geöffnet, während die Regelventile 21 und 22 in den Abzweigrohren 3a und Zb geschlossen sind. Das ist durch die durchgezogenen Linien bei den Regelventilen dargestellt. Daraus ergibt sich, daß das Abgas in das Verbindungsrohr 17 fließt und den Glühkörper 4 aufheizt.
Die vorstehende Beschreibung klärt unter Bezugnahme auf die F i g. 3 bis 5 das aus den F i g. 1 und 2 hervorgehende Verfahrensprinzip und die zur DurchfrSrurig des Verfahrens dienende Vorrichtung. Im folgenden soll das Ineinandergreifen der Fig.3 und der Fig. 1 beschrieben werden. Wenn das Wasserstoffstromventil 7 zum Startzeitpunkt der Brennkraftmaschine geöffnet wird, um den Erwärmungsvorgang durchzuführen, fließt aus dem Wasserstoffspeicherbehälter 6 Wasserstoff in den Glühkörper 4. MH1 absorbiert diesen Wasserstoff bei der Temperatur Tb und erzeugt Wärme, wodurch die Ansaugluft im Ansaugrohr 3 aufgeheizt wird. Während des Erwärmungsvorgangs erniedrigt sich der Druck im Wasserstoffvorratsbehälter um ein bestimmtes Maß. Wenn die Brennkraftmaschine so den Normalbetrieb erreicht hat, hat die auf die Temperatur Ta erhitzte Ansaugluft, die durch den Turbolader 1 komprimiert wird, eine höhere Temperatur als der Glühkörper 4, wonach der Glühkörper aufgeheizt wird. Deshalb gibt das im Glühkörper enthaltene MH1 endotherm Wasserstoff mit der Temperatur Ta frei. Dieser Wasserstoff
kehrt über das Vcrbindungsrohr 5 in den Wasserstoffspeichcrbehalter 6 zurück und gewinnt wieder seinen ursprünglichen Druck. Nach diesem Vorbereitungsvorgang wird das Wasserstoffsiromventil 7 geschlossen, und die Vorrichtung ist für den nächsten Startvorgang der Brennkraftmaschine bereit.
Im folgenden wird die Vorrichtung nach F i g. 3 im Zusa'irTienhang mit F i g. 2 beschrieben. Wenn beim Erwärmuiigsvorgang das Wasserstoffstromventil 7 zum .Startzeitpunkt der Brennkraftmaschine geöffnet wird, läßt MH 2 im Wasserstoffspeicherbehäl'.er 6 Wasserstoff frei, während es aus der Atmosphäre mit der Temperatur Tc Wärme aufnimmt. Dieser Wasserstoff wird durch MH 1 im Glühkörperrohr 4 bei der Temperatur Td absorbiert, um Wärme zu erzeugen. Beim Vorbereitungsvorgang wird MH \ durch die vom Turbolader 1, der Normalbetriebszustand erreicht hat, komprimierte Ansaugluft mit der Temperatur Ta aufgeheizt. Daraus ergibt sich, daß MH ! Wasserstoff mit der Temperatur Ta freigibt, der durch MH 2 bei der Temperatur Tb absorbiert wird. Die durch MH 2 während dieses Zeitraums erzeugte Wärme wird an die Atmosphäre oder den Fahrzeugkörper abgegeben. Danach wird das Wasserstoffstromventil 7 geschlossen, und die Vorrichtung ist bereit zum nächsten Startvorgang der Brennkraftmaschine.
Wenn das Wasserstoffstromventil 7 als Magnetventil aufgebaut ist und beim Startvorgang der Brennkraftmaschine geöffnet und beim Ausgehen der Brennkraftmaschine geschlossen wird, kann die vorstehend beschrieben·. Vorrichtung entsprechend einfach betrieben werden, ohne daß ein weiteres Steuerinstrument notwendig ist.
Bei der beschriebenen Vorrichtung, beispielsweise bei der Vorrichtung nach F i g. 5, kann eine elektrische Heizvorrichtung (nicht dargestellt) im Glühkörper 4 angeordnet sein. In diesem Fall kann der Wasserstoff von MH 1 nach MH 2 durch die elektrische Heizvorrichtung oder mit deren Hilfe zurückgeführt werden. Deshalb kann der Vorbereitungsvorgang sicher vollendet werden. auch wenn die Betriebszeit des Kraftfahrzeugs kurz ist.
Das Metallhydrid kann aus einer großen Anzahl Metallhydride ausgewählt werden.
F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der wichtigen Teile des Glühkörpers und der anderen Vorrichtungsteile, mit denen er gekoppelt ist. Einer oder eine Vielzahl von zylindrischen Behältern 11 ist innerhalb des Ansaugrohrs 3 angeordnet und aneinander oder an der Rohrwand des Ansaugrohrs befestigt. Ein Metallhydrid
13 ist in das Innere jedes Behälters gefüllt. Die Behälter sind mittels des mit dem Wasserstoffstromventil 7 versehenen Verbindungsrohrs 5 mit dem Wasserstoffspeicherbehälter 6 verbunden. Die Zwischenräume zwischen den zylindrischen Behältern 11 bilden Durchlässe
14 für die Ansaugluft
Fig.7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Vorglühen der Ansaugluft. Im Ansaugrohr sind radiale Rippen 15 ausgebildet, und das Zufuhrrohr weist eine Vielrohrstruktur auf, wobei die einzelnen Rohrelemente miteinander konzentrisch sind. Beispielsweise, wie dargestellt, ist ein Metallhydrid 13 in die ringförmigen Abschnitte zwischen den Rohrelementwänden eingefüllt, wobei die Rohrelemente mit dem Verbindungsrohr 5 verbunden sind. Die Zwischenraumabschnitte bilden Durchlässe 16 für die Ansaugluft.
In der vorstehenden Beschreibung wird durch den Turbolader oder das Abgas komprimierte und vorgeheizte Luft als Wärmequelle zur Aufheiziing dos Mctallhydrids MH 2 beim Vorbercitungsvorgang benutzt. Falls die Vorrichtung eine Wärmequelle benöligt. kann diese Wärmequelle nicht auf die oben genannten beschränkt werden, sondern jede durch den Betrieb der Brennkraftmaschine erzeugte Wärme kann benutzt werden, beispielsweise der Brennkraftmaschinenkörper, das Brennkraftmaschinenkühlwasser oder das Brennkraftmaschinenöl.
Im folgenden wird eine Vorrichtung zum Vorglühen der Brennkraftmaschine selbst beschrieben, wobei wieder ein Metallhydrid zur Wärmeerzeugung benutzt wird.
Die Vorrichtung zum Vorglühen der Brennkraftmaschine weist die folgenden Elemente auf:
(A) einen Glühkörper, der ein erstes Metallhydrid enthält und zum Wärmeaustausch mit der Brennkraftmaschine am Motorblock angeordnet ist,
(B) einen Wasserstoffspeicherbehälter, der Wasserstoff mit einem höheren Druck als dem Wasserstoffabsorbtionsdruck des ersten Metallhydrids enthält, oder aber ein zweites Metallhydrid mit einem höheren Wasserstoffdissoziationsdruck als dem Wasserstoffabsorbtionsdruck des ersten Metallhydrids im Betriebstemperaturbereich enthält, und
(C) ein mit einem Ventil versehenes Verbindungsrohr, das den Glühkörper mit dem Wasserstoffspeicherbehälter derart verbindet, daß Wasserstoff zwischen ihnen hin- und herbewegt werden kann.
Der Aufbau der Brennkraftmaschinen-Vorglühvorrichtung ist mit Ausnahme des Aufbaus (A) derselbe wie bei der oben beschriebenen Vorrichtung zum Vorglühen der Ansaugluft. Deshalb kann das Betriebsprinzip dieser Vorglühvorrichtung einfach anhand der vorstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 verstanden werden, wenn das Wort »Ansaugluft« durch »Brennkraftmaschine« ersetzt wird.
Fig. 8 stellt eine Ausführungsform der Vorrichtung zum Vorglühen des Motorblocks dar. Ein ein erstes Metallhydrid MH1 enthaltender Glühkörper 31 ist auf einem Motor derart in nahem Kontakt zu einem Motorblock 32 angeordnet, daß ein Wärmeaustausch mit dem Motorblock 32 stattfinden kann. Ein Wasserstoffspeicherbehälter 34 ist mittels eines Verbindungsrohrs 33 mit diesem Glühkörper verbunden. Der Wasserstoffspeicherbehälter 34 enthält Wasserstoff oder er ist mit einem zweiten Metallhydrid MH2 gefüllt, das im Betriebstemperaturbereich einen höheren Wasserstoffgieichgewichtsdissoziationsdruck hat. Der Wasserstoffspeicherbehälter 34 wird in Verbindung mit dem Glühkörper 31 gebracht, während der oben erwähnte Erwärmungsvorgang und der Vorbereitungsvorgang durch Betätigung eines Wasserstoffstromventils 35 eines Verbindungsrohrs 33 durchgeführt wird. Der Wasserstoffspeicherbehälter 34 ist an einer geeigneten Stelle des Fahrzeugkörpers angeordnet; er steht im Wärmetausch beispielsweise mit der Außenatmosphäre oder dem Fahrzeugkörper.
F i g. 9 stellt den Aufbau einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung zum Vorglühen des Motorblocks dar. Mit den Elementen der Ausführungsform gemäß F i g. 8 vergleichbare Elemente sind mit denselben Referenzzeichen versehen. Es ist vorteilhaft, wenn ein sog. Heizrohr 36 mit hoher thermischer Leitfähigkeit nahe am Motorblock 32 befestigt ist; der Glühkörper 31 ist
mit dem Heizrohr 36 verbunden. Andererseits ist der Aufbau der Vorrichtung derselbe wie der der in F i g. 8 dargestellten Vorrichtung. Der Wärmeaustausch zwischen dem Glühkörper 31 und dem Motorblock 32 wird durch das Heizrohr 36 durchgeführt.
Wenn das Wasserstoffstromventi! als Magnetventil gebaut ist und beim Startvorgang der Brennkraftmaschine geöffnet and beim Auslaufvorgang der Brennkraftmaschine geschlossen wird, kann die Vorrichtung zum Vorglühen des Brennkraftmaschinen-Blocks einfach betrieben werden, ohne daß ein weiteres Steuerinstrument benötigt wird.
Im folgenden werden konkrete Versuchsergebnisse beschrieben, die mit der beschriebenen Vorrichtung zum Vorglühen der Ansaugluft bzw. des Motorblocks erzielt werden konnten.
Für den Fall, daß in der nach dem in F i g. 1 dargestellten Prinzip arbeitenden Vorrichtung 1 kg LaNi5 als MH! im Glühkörper benutzt und die Kapazität des Wasserstoffspeicherbehälters auf 37 I festgesetzt wurde (Tb = etwa 500C, Pb = etwa 6 Atmosphären, Ta = etwa 700C, Pa = etwa 10 Atmosphären), konnte die Temperatur der Ansaugluft in einigen Sekunden auf etwa 15"C erhöht werden (die Atmosphärentemperatur während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine beim Erwärmungsvorgang betrug -250C). Für den Fall, daß die Ansaugluft bei zusätzlichem Gebrauch einer herkömmlichen elektrischen Heizvorrichtung, die einen Temperaturanstieg von 25° C erzielen konnte, vorgeglüht wurde, konnte sie auf etwa 400C aufgeheizt werden. Beim Vorbereitungsvorgang wurde die Ansaugluft durch einen Turbolader komprimiert und erreichte eine Temperatur zwischen 50 und 700C; dabei konnte Wasserstoff vom Metallhydrid freigegeben werden, wonach die Vorrichtung für den nächsten Startvorgang der Brennkraftmaschine bereit war.
Für den Fall, daß in der nach dem in F i g. 2 dargestellten Prinzip arbeitenden Vorrichtung 1 kg CeCo5 als MH 1 und 1 kg MmNi5 (Mm = Mischmetall) als MH2 benutzt wurde (Tc = etwa — 300C, Tb = etwa 00C, Td = etwa 3O0C, Ta = etwa 50° C, Pd = etwa 1 Atmosphäre, Pa = etwa 10 Atnosphären), konnte die Temperatur der Ansaugluft innerhalb einiger Sekunden auf etwa 50C erhöht werden (die Atmosphärentemperatur beim Startvorgang der Brennkraftmaschine betrug —25° C). Für den Fall, daß zusätzlich eine elektrische Heizvorrichtung benutzt wurde, konnte die Ansaugluft auf etwa 300C aufgeheizt werden. Nachdem die Brennkraftmaschine den Normalbetriebszustand erreicht hatte, konnte der Glühkörper durch die Ansaugluft auf etwa 50 bis 700C aufgeheizt werden, so daß Wasserstoff von ihm freigegeben werden konnte. Auf diese Art und Weise war die Vorrichtung für den nächsten Startvorgang der Brennkraftmaschine vorbereitet.
Beim Vorglühen eines Motorblocks mit einem Gewicht von 50 kg und einer Wärmekapazität der Brennkraftmaschine von 5 kcal/" C konnten folgende Ergebnisse erzielt werden:
Für den Fall, daß bei der nach F i g. 1 arbeitenden Vorrichtung 1,6 kg ZrMn2 als MHi im Brennkraftmaschinenvorglüher benutzt und die Kapazität des Wasserstoffspeicherbehälters auf 851 festgesetzt wurde (Tb = etwa 300C, Pb = etwa 1 Atmosphäre, Ta = etwa 1300C, Pa = etwa 10 Atmosphären), konnte die Brennkraftmaschinentemperatur, die beim Startvorgang etwa —25°C betrug, während des Heizvorgangs innerhalb einiger Sekunden auf etwa 25° C erhöht werden. Beim Vorbereitungsvorgang hat der Motorblock eine Temperatur von etwa 130° C erreicht, so daß Wasserstoff leicht voiTi Metallhydrid freigegeben werden konnte.
Für den Fall, d.aß bei der nach F i g. 2 arbeitenden Vorrichtung 6 kg CaNU als MH 1 und 6 kg MmNh (Mm = Mischmetall) als MH 2 benutzt wurde (Tc = etwa -25° C, Tb = etwa 00C, Td = etwa 30° C, Ta = etwa 13O0C, Pd = etwa 1 Atmosphäre, Pa - etwa 10 Atmosphären), konnte die Temperatur der Brennkraftmaschine, die beim Startvorgang -250C betrug, innerhalb einiger Sekunden auf 25°C erhöht werden. Nachdem die Brennkraftmaschine Normalbetriebszustand erreicht hatte, heizte der Motorblock das MH 1 im Glühkörper auf, und Wasserstoff konnte von MH 1 freigegeben werden.
Vorzugsweise werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als erstes Metallhydrid beispielsweise LaNis - *A1,(1 = *0), CeCo5, ZrMn2 und CaNi5 benutzt. Ein bevorzugtes zweites Metallhydrid stellt beispielsweise MmNi5 (Mm = Mischmetall) dar, wobei Mm für ein Gemisch aus Seltenerden bzw. Lanthaniden steht.
Die Zusammenstellung des ersten Metallhydrids und des zweiten Metallhydrids bzw. deren Anpassung aneinander kann durch die Temperaturabhängigkeiten der Wasserstoffgleichgewichtsdissoziations- und -absorbtionsdrücke dieser Metallhydride bestimmt werden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum VorglOhen des Motorblocks einer Brennkraftmaschine oder der Brennkraftmaschinen-Ansaugluft mit einem beheizbaren im Wärmeaustausch mit dem Motorblock bzw. der Ansaugluft stehenden Glühkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkörper (4) ein erstes Metallhydrid (MHl) enthält und über ein ein Absperrventil (7) aufweisendes Verbindungsrohr (5) mit einem Wasserstoffspeicherbehälter (6) verbunden ist, der vor dem Start der Brennkraftmaschine Wasserstoff mit einem über dem Wasserstoffabsorptionsdruck des ersten Metallhydrids (MHi) liegenden Druck oder ein zweites Metallhydrid (MH 2) mit einem im Betriebstemperaturbereich über dem Wasserstoffabsorptionsdruck des ersten Metallhydrids (MH 1) liegenden Wasserstoffdissoziationsdruck enthält.
2. Vorrichtung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Metallhydrid (MHt) aus der aus LaNi5 _ XA1* (1 = χ = 0), CeCo5, ZrMn2, und CaNi5 bestehenden Gruppe gewählt ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Metallhydrid (MH 2) vom Stoff MmNi5 gebildet ist, wobei Mm für Mischmetall steht, das aus Gemischen der Seltenerden besteht
4. Verfahren zum Start und Betrieb der Brennkraftmaschine mittels einer Vorrichtung zum Vorglühen des Motorblocks einer Brennkraftmaschine oder der Brennkraftmaschinen-Ansaugluft gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
35
a) Zuführen von Wasserstoff aus dem Wasserstcffspeicherbehälter (6) zum Glühkörper (4) durch öffnen eines Ventils (7), wodurch infolge der bei der Absorption von Wasserstoff im ersten Metaühydrid (MH 1) entstehenden Wärme die Ansaugluft oder der Motorblock (32) erwärmt wird;
b) Starten der Brennkraftmaschine unter Nutzung der erwärmten Ansaugluft;
c) Aufheizen des Glühkörpers (4) auf eine höhere Temperatur (Ta) während des Betriebs oder während der Zeit zwischen dem Auslaufen und dem Wiederstart der Brennkraftmaschine, um zu bewirken, daß Wasserstoff aus dem ersten Metallhydrid (MHi) freigesetzt und in den Wasserstoffspeicher (6) rückgeführt wird; und
d) Schließen des Ventils (7;35).
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