DE3545049A1 - Use of hydrogen peroxide as fuel and/or oxygen supplier in reciprocating piston engines - Google Patents
Use of hydrogen peroxide as fuel and/or oxygen supplier in reciprocating piston enginesInfo
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Abstract
Description
Wasserstoffperoxid ist seit vielen Jahrzehnten sowohl als Treibstoff als auch in seiner Eigenschaft als Sauerstofflieferant zusammen mit oxidablen Stoffen, z. B. konventionellen Treibstoffen oder Alkoholen, auch alkoholischen Lösungen anderer oxidabler Substanzen, für Raketen, Turbinentriebwerke (Walter-Systeme) und Rückstoßtriebwerke in Gebrauch.Hydrogen peroxide has been used as a fuel for many decades as well as in his capacity as an oxygen supplier with oxidizable substances, e.g. B. conventional fuels or alcohols, also alcoholic solutions of other oxidizable substances, for rockets, turbine engines (Walter systems) and recoil engines in use.
Für Hubkolbenmotoren wird Wasserstoffperoxid derzeit noch nicht verwendet. Dies ist vornehmlich darauf zurückzuführen, daß die Verwendung konventioneller Treibstoffe bis vor einigen Jahren als eine zufriedenstellende Lösung angesehen wurde.Hydrogen peroxide is not yet used for reciprocating engines used. This is mainly due to the fact that the Using conventional fuels until a few years ago a satisfactory solution was considered.
Dies ist bekanntlich nicht mehr der Fall. Insbesondere der Ausstoß umweltbelastender Abgase ist als ein aktuelles Problem des Kraftfahrzeugverkehrs erkannt worden.As is well known, this is no longer the case. Especially the output Exhaust gases that pollute the environment is a current problem in motor vehicle traffic been recognized.
Seitdem wird vielerorts und auf vielerlei Weise versucht, den Ausstoß schädlicher bzw. umweltbelastender Bestandteile der Abgase zu verringern. Ein Beispiel dafür sind die Abgaskatalysatoren, ein weiteres die von Daimler-Benz in Zusammenarbeit mit anderen Firmen entwickelten und zum Einbau in Kraftfahrzeuge vorgesehenen Hydridspeicher (die weiter unten zum Vergleich herangezogen werden), wobei eine Umrüstung der Motoren auf Wasserstoffbetrieb bereits in praktikable Nähe gerückt sein soll.Since then, emissions have been tried in many places and in many ways harmful or environmentally harmful components of the exhaust gases reduce. One example of this is the catalytic converter, another those developed by Daimler-Benz in collaboration with other companies and hydride storage provided for installation in motor vehicles (which are used for comparison below), where converting the engines to hydrogen operation is already practicable Should be close.
Aber auch einem psychologischen Grund ist es zuzuschreiben, daß der Gedanke an eine Verwendung des Wasserstoffperoxids als Treibstoff und/oder Sauerstofflieferant für Kraftfahrzeugmotoren bisher kaum je zu Ende gedacht wurde; denn über die Gefährlichkeit des Umganges mit Wasserstoffperoxid finden sich im Fachschrifttum widersprüchliche Angaben. Obwohl durch jahrzehntelange Erfahrungen und Untersuchungsergebnisse (unter anderem auch die des Erfinders) widerlegt, kursiert in Fachkreisen immer noch die Ansicht, daß bei Wasserstoffperoxid und seinen konzentrierten wäßrigen Lösungen Detonationsgefahr bestehe. Diese Ansicht ist in bezug auf den flüssigen Aggregatzustand des Wasserstoffperoxids irrig und beruht auf einer Fehlinterpretation der seit langem bekannten Tatsache, daß der über flüssigem Wasserstoffperoxid bzw. seinen konzentrierten Lösungen stets vorhandene Wasserstoffperoxid-Dampf bei Erreichen einer bestimmten, temperatur- und druckabhängigen Konzentration (bei normalem Druck 26%) vorhersehbar, ja berechenbar explodiert. Diese Tatsache wird erfindungsgemäß genutzt, siehe unten. Die Explosion bleibt aber stets auf die Dampfphase begrenzt und überträgt sich nicht auf die Wasserstoffperoxidflüssigkeit. Diese an sich bekannte Beobachtung konnte vom Erfinder durch ausgedehnte Meßreihen in vollem Umfang bestätigt werden.But it is also due to a psychological reason that the thought of using hydrogen peroxide as a fuel and / or oxygen supplier for motor vehicle engines so far hardly ever thought to the end; because about the dangerousness of the Dealing with hydrogen peroxide is contradictory in specialist literature Information. Although through decades of experience and Investigation results (including those of the inventor) refuted, the opinion still circulates among experts that for hydrogen peroxide and its concentrated aqueous solutions There is a risk of detonation. This view is in relation to the liquid Physical state of the hydrogen peroxide is wrong and is based on a misinterpretation of the long known fact that the over liquid hydrogen peroxide or its concentrated Solutions always present hydrogen peroxide vapor when reached a certain, temperature and pressure dependent concentration (at normal pressure 26%) predictable, predictable explosion. This fact is used according to the invention, see below. The explosion but always remains limited to the vapor phase and transmits not on the hydrogen peroxide liquid. This known per se The inventor was able to observe through extensive series of measurements be fully confirmed.
Sorgt man nun dafür, daß die gefährliche Dampfkonzentration mit Sicherheit nicht erreicht wird, was durch geeignete Maßnahmen möglich ist, oder daß eine Dampfphase gar nicht erst entsteht (z. B. in zusammendrückbaren Plastiksäcken wie auf wasserstoffperoxidbetriebenen U-Booten, die gegen Ende des 2. Weltkrieges in Entwicklung waren), so sind Explosionen ausgeschlossen. (Es handelte sich um U-Boote, die nicht mit Hubkolbenmotoren, sondern mit Turbinenantrieb ausgestattet waren, siehe R. Mitteau, Chimie & Industrie, 63 (1950), 144. Bei konventionellen Treibstoffen wird seit fast einem Jahrhundert eine nicht minder große Explosionsgefahr (bekanntestes Beispiel: "Hineinleuchten mit Streichholz in den Tank") in Kauf genommen, und man hat sich daran gewöhnt, mit ihr zu leben. Im Falle von Wasserstoffperoxid und seinen konzentrierten Lösungen müßte man aufpassen, daß sie nicht mit brennbaren bzw. leicht oxidablen organischen Stoffen in Berührung kommen.)Now you ensure that the dangerous vapor concentration with certainty is not achieved, which is possible through suitable measures or that a vapor phase does not even arise (e.g. in compressible Plastic bags like those on hydrogen peroxide operated Submarines that were under development towards the end of World War II), so explosions are excluded. (They were submarines that did not have reciprocating engines, but were equipped with a turbine drive, see R. Mitteau, Chimie & Industrie, 63 (1950), 144. Conventional fuels have been around for almost a century a no less great risk of explosion (best-known example: "Illumination with matchstick in the tank") accepted, and you got used to living with her. In case of One would have to use hydrogen peroxide and its concentrated solutions take care that they are not combustible or easily oxidized organic substances come into contact.)
Auch eine kontinuierlich verlaufende Zersetzung des Wasserstoffperoxids ist kein Argument gegen seine breite Anwendung, denn die heute erhältliche Handelsware ist hinreichend stabilisiert. Es wird noch zu ermitteln sein, welche Stabilisatoren sich bei Verwendung von Wasserstoffperoxid in Hubkolbenmotoren am besten eignen.Also a continuous decomposition of the hydrogen peroxide is not an argument against its widespread application, because today available merchandise is sufficiently stabilized. It will still be determine which stabilizers are in use when using Hydrogen peroxide is best suited for reciprocating engines.
Beim Zerfall des Wasserstoffperoxids wird ein Energiebetrag von 23,45 kcal · mol-1 in Freiheit gesetzt. Zieht man davon die zum Erhitzen und Verdampfen benötigte Energiemenge (insgesamt etwa 15 kcal/mol) ab, so resultiert eine Restmenge von etwa 8 bis 9 kcal · mol-1, die in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann. Da man in der Praxis nicht 100%iges, sondern höchstens 90%iges Wasserstoffperoxid verwenden wird, ist die für mechanische Energie nutzbare Restenergie noch geringer. Dennoch muß durch weitere Berechnungen und Versuche geklärt werden, ob diese Energiemenge für den Niederlastbetrieb oder zumindest Leerlauf eines Hubkolbenmotors ausreicht. Sollte das nicht der Fall sein, so entfällt zwar die Möglichkeit, Wasserstoffperoxid für sich allein als Treibstoff zu verwenden, aber auch im Mischbetrieb (siehe unten) kommt seine freiwerdende Zerfallsenergie der Gesamtenergiebilanz zugute.When the hydrogen peroxide decays, an energy amount of 23.45 kcal · mol -1 is released. Subtracting the amount of energy required for heating and evaporation (a total of about 15 kcal / mol) results in a residual amount of about 8 to 9 kcal · mol -1 , which can be converted into mechanical work. Since in practice not 100%, but at most 90% hydrogen peroxide will be used, the residual energy usable for mechanical energy is even lower. Nevertheless, further calculations and tests have to clarify whether this amount of energy is sufficient for low-load operation or at least idling of a reciprocating piston engine. If this is not the case, there is no possibility of using hydrogen peroxide as a fuel on its own, but even in mixed operation (see below), its decaying energy released benefits the overall energy balance.
Bestandteil der Erfindung ist die Nutzung der Tatsache, daß der Wasserstoffperoxiddampf bei Erreichen einer genügend hohen Dichte und Temperatur explodiert. Der Zeitpunkt der Explosion und ihre Parameter können in gewissem Umfang, z. B. durch Verwendung von Katalysatoren, variiert werden. Es ist noch zu prüfen, ob die zur Explosion des Dampfes erforderlichen Dichte und Temperatur - in Analogie zu den Vorgängen im Dieselmotor - allein durch Kompression erreichbar sind oder ob zusätzlich eine Zündung benötigt wird.Part of the invention is the use of the fact that the Hydrogen peroxide vapor when a sufficiently high density is reached and temperature explodes. The time of the explosion and its Parameters can to some extent, e.g. B. by using catalysts, can be varied. It remains to be seen whether the explosion of the steam required density and temperature - by analogy to the processes in the diesel engine - solely through compression can be reached or whether an additional ignition is required.
Wie schon erwähnt, wird ein Teil des Energiegehaltes des Wasserstoffperoxids in mechanische Arbeit umgewandelt und trägt damit zum Betrieb des Motors direkt bei, ist also in diesem Sinne ein Treibstoff. Wird daneben ein weiterer Treibstoff (konventioneller Treibstoff, Alkohol, Wasserstoff etc.) verwendet, so tritt allerdings die Treibstoffwirkung des Wasserstoffperoxids gegenüber seiner Funktion als Lieferant des zur Verbrennung des anderen Treibstoffes benötigten Sauerstoffs zurück.As already mentioned, part of the energy content of the hydrogen peroxide converted into mechanical work and thus contributes to operate the engine directly, is in this sense a Fuel. In addition, another fuel (more conventional Fuel, alcohol, hydrogen etc.) is used, however, occurs the effect of hydrogen peroxide on its fuel Function as a supplier of the fuel used to burn the other fuel required oxygen back.
Beim Mischbetrieb werden die Verhältnisse naturgemäß noch komplexer sein als beim Betrieb mit Wasserstoffperoxid allein; ihre Erforschung steht noch bevor. Es wird sich um ein System aus mehreren Komponenten handeln, nämlich aus konventionellem Treibstoff (oder Alkohol oder Wasserstoff etc.), Wasserstoffperoxid samt dem aus ihm stammenden Wasser bzw. Wasserdampf sowie der atmosphärischen Luft, deren Durchsatz allerdings so gering als möglich gehalten werden soll.In mixed operation, the conditions are naturally even more complex be than when operating with hydrogen peroxide alone; their exploration is still to come. It will be a multi-component system act, namely from conventional fuel (or alcohol or hydrogen etc.), hydrogen peroxide together with that originating from it Water or water vapor as well as the atmospheric air Throughput, however, should be kept as low as possible.
Im Idealfall würde der gesamte Sauerstoffbedarf nicht mehr aus der Luft, sondern aus Wasserstoffperoxid gedeckt werden, so daß sich Stickoxide nur noch aus den im Treibstoff üblicherweise in nur sehr niedrigen Konzentrationen enthaltenen Stickstoffverbindungen bilden können. Das Nahziel ist jedoch eine Zumischung des Wasserstoffperoxids zur Verringerung der NO x -Werte und des Treibstoffverbrauchs und damit auch des Gesamtausstoßes an Schadstoffen.Ideally, the entire oxygen requirement would no longer be met from the air, but from hydrogen peroxide, so that nitrogen oxides can only be formed from the nitrogen compounds usually contained in the fuel in only very low concentrations. The short-term goal, however, is admixing the hydrogen peroxide to reduce the NO x values and the fuel consumption and thus also the total emissions of pollutants.
Das Wasserstoffperoxid bzw. dessen konzentrierte Lösungen sollen nach einem der im folgenden angegebenen Verfahren in den Brennraum der Motorzylinder eingebracht oder eingelassen werden:The hydrogen peroxide or its concentrated solutions should into the combustion chamber using one of the methods specified below the engine cylinder is inserted or inserted:
1. als Flüssigkeit durch Einspritzen, Ansaugen oder auf andere Weise, ggf. unter gleichzeitigem Vernebeln und/oder Verdampfen;1. as a liquid by injection, suction or other Manner, possibly with simultaneous atomization and / or evaporation;
2. als Flüssigkeit durch intermittierendes Einspritzen von Tropfen bzw. kleiner konstanter Volumina in die Zuleitung, durch welche flüssiger oder gasförmiger Treibstoff zum Brennraum transportiert wird;2. as a liquid through the intermittent injection of drops or smaller constant volumes in the feed line through which liquid or gaseous fuel is transported to the combustion chamber becomes;
3. als Dampf/Wasserdampf-Gemisch3. as a steam / water vapor mixture
4. als Dampf/Wasserdampf-Luft-Gemisch4. as a steam / steam-air mixture
5. als Dampf/Luft-Gemisch5. as a steam / air mixture
6. als Dampf/Treibstoffdampf-Gemisch6. as a vapor / fuel vapor mixture
7. als Dampf/Treibstoffdampf/Luft-Gemisch7. as a vapor / fuel vapor / air mixture
Zu Ziffern 3 bis 7: Die Zusammensetzung dieser Gemische muß so gewählt werden, daß sie vor Eintritt in den Brennraum mit Sicherheit nicht explodieren können!For numbers 3 to 7: The composition of these mixtures must be chosen so that before entering the combustion chamber Safety cannot explode!
Die Mengenverhältnisse der Komponenten sollen erfindungsgemäß rechner- oder prozessorgesteuert sein, aber auch per Hand gezielt geändert werden können. So sollte z. B. das Wasserstoffperoxid/Luft- Verhältnis bei Landfahrzeugmotoren in Tunnels und längeren Unterführungen oder bei Smog vorübergehend erhöht werden können.The quantitative ratios of the components are to be calculated according to the invention. or be processor-controlled, but also specifically changed by hand can be. So z. B. the hydrogen peroxide / air Relationship for land vehicle engines in tunnels and longer underpasses or can be temporarily increased with smog.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist der Einsatz von Katalysatoren, z. B. Raney-Metallen, in den Brennkammern der Hubkolbenmotoren. Das Wasserstoffperoxid soll in diesem Fall nicht nur durch Verdichtung und Temperaturerhöhung, sondern zusätzlich auch katalytisch zersetzt werden, wodurch die Reproduzierbarkeit des Explosionszeitpunktes verbessert werden soll.Another component of the invention is the use of catalysts, e.g. B. Raney metals, in the combustion chambers of the reciprocating engines. In this case, the hydrogen peroxide should not only pass through Compression and temperature increase, but also catalytic be decomposed, which increases the reproducibility of the time of explosion should be improved.
Die Verwendung von Wasserstoffperoxid wird eine Umrüstung und Anpassung der Hubkolbenmotoren erfordern, die erst erarbeitet werden muß. Aus diesem Grund können auch bei den oben genannten Verfahren keine detaillierten Angaben gemacht werden. The use of hydrogen peroxide becomes an upgrade and adjustment of the reciprocating engines that are only being developed got to. For this reason, you can also use the above methods no detailed information is given.
Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik lassen sich wie folgt zusammenfassen:Let the advantages of the invention over the prior art can be summarized as follows:
1. Beim thermischen Zerfall des Wasserstoffperoxids fallen als Reaktions-Endprodukte nur Wasser und Sauerstoff an.1. At the thermal decomposition of the hydrogen peroxide fall as Final reaction products only water and oxygen.
2. Wasserstoffperoxid zerfällt unter den im Brennraum von Hubkolbenmotoren herrschenden Bedingungen vollständig und ist in den Abgasen nicht enthalten.2. Hydrogen peroxide breaks down among those in the combustion chamber of reciprocating engines prevailing conditions and is in the Exhaust gases not included.
3. Der Zerfall des Wasserstoffperoxids erfolgt stark exotherm,
wobei ein Teil der in Freiheit gesetzten chemischen Energie
in mechanische Energie (Arbeitshub des Kolbens) umgesetzt
werden kann. In diesem Sinn ist Wasserstoffperoxid als Treibstoff
anzusehen. Es vermag in dieser Eigenschaft
a) den Verbrauch sonstiger Treibstoffe in Hubkolbenmotoren zu
reduzieren und damit auch
b) den Ausstoß der bei der Verbrennung dieser Treibstoffe
entstehenden umweltbelastenden Stoffe zu verringern.3. The decomposition of the hydrogen peroxide is highly exothermic, whereby part of the chemical energy released can be converted into mechanical energy (working stroke of the piston). In this sense, hydrogen peroxide should be regarded as a fuel. It can do this
a) to reduce the consumption of other fuels in reciprocating engines and thus also
b) to reduce the emissions of the polluting substances produced by the combustion of these fuels.
4. Der beim Wasserstoffperoxidzerfall in Freiheit gesetzte Sauerstoff kann anstelle der atmosphärischen Luft oder zusätzlich zu dieser zur Verbrennung von Treibstoffen üblicher Art oder des Wasserstoffs genutzt werden. In seiner Eigenschaft als Sauerstofflieferant eignet sich deshalb das Wasserstoffperoxid zur Verringerung des Luftdurchsatzes von Hubkolbenmotoren. Da Stickoxide in den Motoren zu einem weitaus überwiegenden Teil durch die Oxidation des Luftstickstoffes entstehen, Wasserstoffperoxid aber frei von Stickstoff ist, führt die Verwendung von Wasserstoffperoxid in Hubkolbenmotoren zu einer Verringerung des Stickoxidausstoßes.4. The oxygen released when hydrogen peroxide decays can be in place of atmospheric air or in addition to this for the combustion of fuels of the usual kind or of hydrogen can be used. In his capacity as The oxygen supplier is therefore suitable for the hydrogen peroxide to reduce the air throughput of reciprocating engines. Because nitrogen oxides in the engines become a vast majority Partly created by the oxidation of atmospheric nitrogen, hydrogen peroxide but is nitrogen free, use results of hydrogen peroxide in reciprocating engines to one Reduction of nitrogen oxide emissions.
5. Die Energiedichte des Wasserstoffperoxids ist zwar bedeutend niedriger als die der üblichen Treibstoffe; verglichen mit den eingangs erwähnten Hydridspeichern für Wasserstoff, die bis zu 25-mal mehr wiegen als ein voller Benzintank gleichen Energiegehaltes erscheint jedoch das Verhältnis im Falle des Wasserstoffperoxids (nach vorläufiger Schätzung das 6- bis 9-fache Benzingewicht) vertretbar.5. The energy density of hydrogen peroxide is significant lower than that of conventional fuels; compared to the initially mentioned hydride storage for hydrogen, which up to Weigh 25 times more than a full gas tank with the same energy content however, the ratio appears in the case of hydrogen peroxide (According to preliminary estimates, 6 to 9 times Gasoline weight) acceptable.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19853545049 DE3545049A1 (en) | 1985-12-19 | 1985-12-19 | Use of hydrogen peroxide as fuel and/or oxygen supplier in reciprocating piston engines |
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|---|---|
| DE3545049A1 true DE3545049A1 (en) | 1987-06-25 |
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ID=6288927
Family Applications (1)
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| DE19853545049 Withdrawn DE3545049A1 (en) | 1985-12-19 | 1985-12-19 | Use of hydrogen peroxide as fuel and/or oxygen supplier in reciprocating piston engines |
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| DE (1) | DE3545049A1 (en) |
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