DE3535306A1

DE3535306A1 - Verbrennungsmotor fuer funktion in geschlossenem system

Info

Publication number: DE3535306A1
Application number: DE19853535306
Authority: DE
Inventors: Pavel Dipl Biol Vsiansky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-10-03
Filing date: 1985-10-03
Publication date: 1987-04-09

Description

1. Stand der Technik

In der U-Boottechnik besteht ein Bedarf an einer Antriebsein heit, die möglichst lange Zeit in einem geschlossenen System, also völlig abgetrennt von der Umgebung arbeiten kann. Die häufigste, schon vor dem Ersten Weltkrieg entwickelte Methode besteht aus einer Kombination von einem Dieselmotor mit einem Elektrogenerator und ausreichender Batteriespeicherkapazität. Wenn die Batterien für den Elektroantrieb leer werden, muß das U-Boot auftauchen und die Batterien mit dem Dieselelektroaggregat wieder aufladen.

Kleinere Tauchboote für wissenschaftliche und Offshore An wendung besitzen als einzige Energiequelle Batterien, in der Regel Blei-Akkumulatoren, die aber viele Nachteile mit sich bringen: Ihre Kapazität beschränkt oft die Einsatzdauer, weil bei ihnen das Verhältnis von Gewicht zu Speicherenergie recht ungünstig ist. Sie werden gegen den Außendruck entweder geschützt, meistens in separaten Druckkörpern, oder - mit speziellem Öl gefüllt - dem vollen Druck ausgesetzt. Beides ist mit relativ großen Volumen- und Gewichtsanforderungen verbunden. Trotz sorgfälltigsten Entgasungen besteht bei ihrer Anwendung Explosionsgefahr durch Knallgasentwicklung. Auch bei Nicht gebrauch müssen sie gewartet werden (nachgeladen) und haben begrenzte Lebensdauer.

Die einzige, von der Oberfläche auf die Dauer unabhängige Antriebsmethode, ist zur Zeit nur der Atomreaktorantrieb, der aber, genauso wie die radioaktiven Isotopen als Wärmequelle, auch in der Zukunft in kleineren Tauchbooten wegen den allgemein bekannten Gefahren kaum Anwendung finden wird.

Die Brennstoffzellen als Energiequelle wurden in einigen Elektrotauchbooten bereits in der Praxis getestet, (Gierschner: Tauchboote, S. 260) aber für den praktischen Einsatz noch unreif gefunden.

Der Walter-Antrieb basiert auf der Ausnutzung der bei der Zer setzung von Wasserstoffperoxid freiwerdenden Reaktionswärme, s. g. "kalt-Verfahren" bzw. kombiniert mit der Verbrennung von Dieselkraftstoff, "warm-Verfahren", zum Antrieb einer Dampf turbine. Wegen der komplizierten Maschinenanlage und Schwierig keiten, verbunden mit der Lagerung von hochkonzentriertem H₂O₂, hat sich dieses Verfahren bisher nicht durchgesetzt.

Schon während des 2. Weltkrieges wurden Versuche unternommen, für den U-Bootantrieb auch bei der Unterwasserfahrt Ver brennungsmotoren zu verwenden. Vor kurzer Zeit wurde von der schwedischen Firma AGA Lidingö eine solche Lösung vorgestellt. Sie besteht aus einem Stirling-Motor, der mit einem Gemisch aus Dieselöl und Gas nahezu geräuschlos arbeitet. Als Oxidations mittel dient Sauerstoff, der in flüssigem Zustand gelagert wird. Der Motor wird nicht direkt zum Antrieb eingesetzt, sondern lädt während der Tauchfahrt die Batterien, das Schiff kann also länger tauchen. Einige mit diesem Aggregat ausge rüsteten Boote werden zur Zeit getestet, s. "HOBBY"-Zeitschrift Nr. 8, 1985, S. 74. Die Marine und die Offshore-Industrie haben an diesem Antrieb bereits großes Interesse bekundet.

Mit der Anwendung von Verbrennungsmotoren in geschlossenem Kreislauf ist prinzipiell ein Problem verbunden: Die Beseiti gung der Abgase. Neben dem Wasserdampf, der sich leicht abkühlen und auf kleines Volumen kondensieren läßt, entstehen bei dem Verbrennungsprozeß gasförmige Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und eventuell noch andere Gase, die entweder chemisch absorbiert, oder gegen unter Umständen rel. hohen Druck nach außen gepumpt werden müssen. Ein Motor ohne solche "gasförmigen Abgase", würde eine bedeutende Verein fachung darstellen. Eine solche Lösung wird in dieser Schrift vorgestellt.

2. Aufbau und Funktion

Das Antriebssystem besteht aus einem Verbrennungsmotor nach dem Otto- oder Stirling Prinzip oder einer Turbine, wobei als Brennstoff ein Gemisch aus Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser dampf dient. Durch den Verbrennungsprozeß entsteht als einziges Abgasprodukt reines Wasser, das Teils für die Aufbereitung des Brennstoffgemisches, Teils kondensiert und zwischengelagert wird.

Die Arbeitsweise wird anhand der Zeichnung erklärt. In dem Verbrennungsmotor (1) wird ein gasförmiges Gemisch aus H₂, O₂ und H₂O verbrannt. Der entstehende Wasserdampf (2) wird durch einen Wärmeaustauscher (3) geleitet, wo er einen Teil seiner Wärme an einen geschlossenen Wasserhilfskreislauf (9) abgibt, das zum Erwärmen des H₂-Speichers (8) dient. Das "Abgaswasserdampf" wird weiter in einen Kühler (4) geführt, wo es kondensiert und abkühlt, so daß es in einem Fanggefäß (5) gelagert werden kann. An das Gefäß kann eine Pumpe (6) ange schlossen sein, die das Wasser bei Bedarf nach außen pumpt. Die Funktionen des Wärmeaustauschers (3) und Kühlers (4) können vereint sein und nur von einem Körper erfüllt werden.

Ein Teil des Wasserdampfes wird noch vor dem Wärmeaustauscher entnommen und der Brennstoffmischkammer (7) zugeführt, wo es mit H₂ und O₂ in richtigem Verhältnis, gewährleistet durch die Steuerventile (12), vermischt wird. Der Wasserstoff wird in einem speziellen Eisen-Titan-Hydrid Speicher (8) gelagert, der Anschlüsse auf Warm- (9) und Kühlwasser (10) hat. Sauerstoff kann entweder gasförmig in Druckflaschen, oder bei größeren Anlagen vorteilhaft in flüssiger Form gelagert werden (11).

Der Motor kann entweder direkt zum Antrieb (13) verwendet werden, oder in Verbindung mit einem Elektrogenerator Strom für den Elektroantrieb und Aufladen von Batterien erzeugen.

Auf Konstruktionseinzelheiten wird bei der Beschreibung nicht eingegangen, da nur funktionelle Prinzipien für das Patent wesentlich sind.

3. Wirkungsweise

Die Anwendung von Wasserstoff als Brennstoff für Otto-Motoren ist in der Praxis längst erfolgreich getestet. Am Motor selbst muß dabei nicht viel geändert werden, anstatt des Vergasers müssen nur die H₂-Leitungen und Einlaßventile eingebracht werden. (Am 8. Oktober 1984 wurde z. B. in Berlin mit einem Test einsatz von 5 PKW's mit kombiniertem Benzin-Wasserstoff Antrieb mit normalen Otto-Motoren begonnen, s. "Hobby" Nr. 2, 1985, S. 78).

Wasserstoff ist als Brennstoff gut geeignet, sein Heizwert pro Kilogramm beträgt 120 Megajoule, also das Dreifache von Benzin (40 Megajoule/kg). Die H₂-Lagerung ist am günstigsten in gasförmigem Zustand in dem von der Fa. Mercedes entwickelten Eisen-Titan-Metallhydrid-Speicher. In einer Raumeinheit des Metallhydrids kann auch bei normaler Temperatur etwa dreimal soviel H₂ gepeichert werden, wie in flüssiger Form möglich wäre. Bei dem "Betanken" des Hydridspeichers entsteht Wärme, die durch Kühlwasser abgeleitet werden muß, bei der H₂- Entnahme muß der Speicher leicht beheizt werden, so daß das Gewicht des Speichers um die notwendigen Wasserleitungen ansteigt. Pro Kilogramm H₂ muß mit einem Speichergewicht von ca. 25-35 kg gerechnet werden.

Für die Verbrennung von 1 kg H₂ werden 8 kg O₂ d. h. ca. 5600 Ltr. gebraucht. Bei einer Sauerstoffspeicherung in Druckflaschen werden dazu rund 30-40 kg Gewicht notwendig. In dem Gesamtge wicht von rund 60-80 kg wird also die Energie von 120 Megajoule (ca. 33 kWh) gespeichert, d. h. 400-550 Wh/kg. Verglichen mit den 10-45 Wh/kg der Bleiakkumulatoren (Gierschner: Tauchboote, S. 23) ist die Speicherkapazität bei H₂ Verwendung um ca. das 10-40 fache höher. Je 10 t Bootsmasse werden heute etwa 30-50 kWh Batteriespeicherenergie eingebaut, bei den Bleiakkumulatoren sind dazu 1-4 t Gewicht nötig, die oft mit speziellen Auf triebskörpern ausgeglichen werden müssen. Bei einer Anwendung von H₂ als Brennstoff wäre für die Speicherung derselben Energiemenge nur etwa 100-150 kg erforderlich. Die ganze Boots konstruktion würde dadurch viel einfacher ausfallen, da sie auch ohne die Auftriebskörper auskommen könnte.

Die Verbrennungstemperatur von reinem H₂ + O₂ ist für einen normalen Motor zu hoch. Die gute Entflammbarkeit von solchen Gemischen erlaubt ein Magerbetrieb. Der Lambda-Wert (λ, definiert das Luft- Kraftstoffverhältnis, bei λ = 1 ist es 14.6/l) beträgt bei einem Benzinmotor 1.3-1.5, bei einem H₂-Luftgemisch-Motor ist λ = 7. Bei einem Betrieb in geschlossenem Kreislauf wird der günstigste λ -Wert mit dem Zusatz von dem "Abgaswasserdampf" zu dem Brennstoffgemisch eingestellt.

Bei der Verbrennung von 1 kg H₂ mit 8 kg O₂ entstehen 9 kg Wasser. Bei einem Energiegehalt von 33 kWh entstehen also lediglich 9 Ltr. "Abgase". So kleines Volumen ist unproblema tisch zu lagern, vorteilhaft ist dabei, daß sich das Gesamt gewicht des Systems nicht ändert, so daß keine zusätzliche Tarierung bei einem ev. Tauchbooteinsatz notwendig wäre. Bei einer größeren Anlage besteht die Möglichkeit das Reaktions wasser nach außen zu pumpen.

4. Anwendungsmöglichkeiten

Die vorgeschlagene Antriebseinheit eignet sich wegen des günstigen Speicherenergie/Gewicht-Verhältnisses, der leichten "Abgas"-Beseitigung und der absoluten Unabhängigkeit von der Umgebung besonders gut für Einsätze in geschlossenen Räumen, wie es z. B. bei den Tauchbooten und Unterwasserstationen der Fall ist. Das Interesse der Marine und der Offshore-Industrie bestätigt, daß auf diesem Gebiet ein Bedarf an ähnlichem Antrieb besteht.

Claims

1. Verbrennungsmotor für Funktion in geschlossenem System, gekennzeichnet durch die Kombination von einem Verbrennungsmotor mit einem Brennstoffgemisch bestehend aus Wasserstoff, Sauerstoff und Wasserdampf, wodurch, verbunden mit der Kondensation des Abgaswasserdampfes, keine gasförmigen, großvolumigen Abgase entstehen.

2. Verbrennungsmotor für Funktion in geschlossenem System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Recirkulation eines Teils des Abgaswasserdampfes durch seine Entnahme aus dem "Abgas" und Zuführung in die Brennstoffmischkammer, wodurch die Verbrennungstemperatur und der λ-Wert reguliert werden.