DE4129330A1

DE4129330A1 - Verfahren fuer wasserstoffaufbereitung in fahrzeugen unter nutzung der abwaerme eines verbrennungsmotors

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Publication number: DE4129330A1
Application number: DE4129330A
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-07-12
Filing date: 1991-09-04
Publication date: 1993-01-14

Description

Zum technischen Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik zugehörend, und zum technischen Gebiet der Luft- und Seefahrt sowie in Industrieanlagen, wie Fabriken, und in allen wärmeerzeugenden Anlagen, Verfahren und Motoren zugehörend.

Der mir bekannte Stand der Technik lautet, daß der Wasserstoff, der zum Betreiben eines Abgas und Schadstoff freien Fahrzeuges vonnöten ist, in Form eines sperrigen und schweren Wasserstofftanks mitgeführt werden muß, wo er auf -253°C gekühlt werden muß. Das kostet enorm Energie und eben auch Geld. Dann ist der Betankungsaufwand hoch, ein Teil der Füllung verflüchtigt sich täglich aus einem Sicherheitsventil, und der tiefkalte Wasserstoff muß, aufwendig isoliert mit Luftgemisch, über Druckminderer und Filter in die Zylinder strömen. Der dann anschließend nach der Verbrennung den Auspuff ungenutzt verläßt. Somit ist die Reichweite stark eingegrenzt.

Statt es wie nach meiner Erfindung auf folgende Weise zu bewerkstelligen.

Schutzansprüche wird für folgendes begehrt:

Man stelle Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse direkt im Fahrzeug (oder anderen Anlagen) her unter Nutzung der Abwärme (Wärmeenergie) eines Verbrennungsmotors (zum Beispiel) zur Erzeugung des benötigten elektrischen Stromes. Die Wärmeenergie des Auspuffes, Kühlmittels und des Öls wird durch einen Heißluftmotor (Sterlingmotor) in elektrischen Strom umgewandelt. Dazu dient ein über Keilriemen angetriebener Drehstromgenerator, der die Elektrolyse apparatur und die Akkumulatoren mit Strom versorgt.

Schutzansprüche

Begehrt werden Schutzansprüche für Fig. 1 und zu Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 und der zusammenfassenden Zeichnung in der Weise, wie sie im ganzen aufgeführt sind.

Gewerblich anwendbar in allen Verbrennung und Wärme erzeugenden Motoren wie in Flugzeugen, Schiffen und U-Booten, in Kraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen sowie in allen Wärme erzeugenden Industrieanlagen und Fabriken.

Zur umweltschonenden Kraft- und Bewegungserzeugung.

Vorteilhafte Wirkungen

Unabängigkeit von fossilen Brennstoffen,
billiger für den Betreiber,
absolut umweltgerecht und -freundlich,
keine Abgase, nur Wasserdampf,
Schonung der Erdenergiereserven,
keine Ablagerungen an Ventilen und Kolben, eben an Motorteilen,
keine sinnlose Verschenkung von Energien,
Treibstoff ist unbegrenzt vorhanden und kann niemals ausgehen,
Motoröl hält länger,
mehr Motorleistung durch höheren Heizwert und mit Ver brennung von zusätzlichem Sauerstoff (Elektrolyse),
Wasserstoff kann höher verdichtet werden, der Motor hat einen höheren Wirkungsgrad, das heißt weniger Verbrauch und mehr Motorleistung,
sicherer als herkömmliche Wasserstoffversuche in Kraftfahrzeugen,
geringeres Fahrzeuggewicht als übliche Versuchsmodelle,
größere Reichweite,
ist der Ausgleichstank leer (ca. 15-20 l für 500 km), einfach Wasser nachfüllen,
kein Kaltstart mehr, weil der Kraftstoff (H) gasförmig ist,
da nach Abstellen des Motors die Wärme des Kühlmittels, des Abgases und des Öls noch eine Zeitlang vorhanden sind, läuft der Sterling noch eine Zeitlang nach und ladet dabei die Batterien,
die Verbrennung erfolgt wesentlich schneller und gründlicher, weil der Kraftstoff ein Gas ist,
das Hybridfahrzeug muß weniger Platz und Gewicht durch die Batterien mitführen, was bisweilen das größte Problem desselben war, usw.

Ausführliche Beschreibung

Ein Weg der Ausführung ist das Verfahren in Kraftfahreugen, z. B. für Wasserstoff- oder in Hybridantrieb.

Ich beginne meine Beschreibung mit der Energierückgewinnung (durch einen Sterlingmotor).

Als erstes wird die Abwärme des Verbrennungsmotors in einem isolierten (wärmeisolierten) Auspuffrohr (Fig. 2, Nr. 4) in den Sterling- oder auch Heißluftmotor (1) geleitet, der dann die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. Der Wirkungsgrad des Sterlingmotors beträgt zur Zeit 45% Minimum. Vom Sterlingmotor aus wird über Keilriemen oder ähnlichem ein Drehstromgenerator (2) angetrieben, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Die "Abgase" oder viel eher der Wasserdampf verläßt den Sterlingmotor energieärmer durch Rohr 5, das den Wasserdampf zum Kondenzer (Fig. 3) leitet.

Der Sterlingmotor wird durch die Strömungsenergie des "Abgases" angeworfen. Soweit zum "Abgas" bzw. Abdampf. Das Kühlwasser und das Motoröl wird durch Leitung 9 und 10 (isoliert) in einen handelsüblichen Wärmetauscher (11) geführt. Die aufgeheizte Luft wird über Leitung 6 durch Unterdruck in den Sterlingmotor (1) gesaugt. Der Unterdruck entsteht durch die Strömungsenergie in Rohr 4, der die heiße Luft aus Rohr 6 mitreißt. Leitung 7 und 8 befördern Öl und Kühlmittel in ihren Kreislauf zurück. Die Kühlung dürfte ausreichen, daß der Kühler im normalen Kraftfahrzeug nicht mehr nötig sein wird.

Rohr 12 ist ein Luftsammler, der möglichst nahe am Motor angebracht sein sollte, und da auch die dort warme Luft ansaugen soll. Somit wird auch ein kleiner Teil der Strahlwärme (Energie) des Motors genutzt. Der vom Generator erzeugte Strom wird in Batterien (Puffern) geladen, die die Energiedifferenz überbrücken. Voraussichtlich müssen die Batterien beim Parken geladen werden, damit genug Strom vorhanden ist.

Fig. 1 und zu Fig. 1.

Der Strom wird zu Anschluß 2 (+) und 4 (-) geleitet, durch fließt dann die Leitungen 3 (+ und -) zu den Elektrolyseplatten (+ und-). Die Plus- und Minus-Platten müssen abwechselnd aufeinander geschichtet werden. Der Abstand zwischen den Platten 6 sollte 1-3 Millimeter betragen und sollte von Abstandshaltern aus Kunststoff eingehalten werden. Die Platten sollten einzeln in gasdurchlässigen Taschen gelagert sein, damit nur Gas und kein Metallsulfat an die Oberfläche des Wasserspiegels steigen kann, weil sonst Gas (H) und Sulfat zu schäumen anfangen können. Die Platten können aus Aluminium, Messing, Blei, Edelstahl oder aus anderen Metallen und Legierungen sein. Am besten sind mit Sicherheit vergoldete Kupferplatten, die auf alle Fälle für die Pluspolplatten nötig sind, weil diese chemisch höher belastet werden können. Denkbar wäre aber auch Verchromen oder die Platten mit Graphit zu beschichten.

In meinem Versuch nahm ich einfachheitshalber Aluminium, doch wäre z. B. Blei besser, weil das Aluminiumsulfat im Gegensatz zum Bleisulfat zu leicht ist und gern an die Wasser oberfläche steigt und mit dem Gas zu schäumen beginnen kann, und das sollte man doch vermeiden.

Das Ganze kommt in einem Behälter 9 aus Aluminium, der die An schlüsse 7 für das Wasser aus dem Kondenzer (Fig. 3), Anschluß 8, der Leitung zum Ausgleichsbehälter (zu Fig. 1), und An schluß 13 des Druckausgleichsrohrs beinhaltet.

Der Behälter wird mit dem Deckel 1 nach oben abgeschlossen, der die Stromanschlüsse 2 und 4 mit Stromleitungen 3 sowie die Wasserstoffleitung 5 mit Rückschlagventil beinhaltet. Nicht zu vergessen ist das Elektrolyt 12. In meinem Versuch nahm ich gewöhnlichen Essig, besser ist aber ein gelöstes Metallsulfat oder -salz, auch Säuren und Basen sind als Elektrolyt geeignet.

Zur Beschreibung des Ausgleichsbehälters (zu Fig. 1) muß ich erklären, daß Fig. 1 und zu Fig. 1 zusammengehören und auch so von mir beschrieben wurden.

Im Ausgleichsbehälter 18 ist ein Sicherheitsschalter 15 integriert.

Zur Wirkungsweise: Wird mehr Wasserstoff erzeugt als der Motor im Moment verbrennen kann, steigt der Druck im Rohr 5 und drückt den Wasserstoff in die Leitung 13, die den Wasserstoff in den Behälter 9 befördert. Der Wasserstoff steigt an die Wasseroberfläche und läßt den Druck im Behälter (9) so ansteigen, daß das Wasser über die Leitung 8 in den Ausgleichsbehälter 18 strömt. Der Wasserspiegel steigt im Ausgleichsbehälter 18 und schließt den Schalter 15 durch einen Schwimmer 14, der an der Wasseroberfläche schwimmen muß. Dazu muß er leichter als Wasser sein (z. B. Kork, Kunststoff).

Der Schalter 15 unterbricht den Stromfluß zur Elektrolyse apparatur. Somit ist die Wasserstoffproduktion gestoppt, so lange, bis der Wasserstoff über der Wasseroberfläche im Behälter 9 so weit in die Zylinder geströmt ist, daß der Stromfluß wieder geöffnet werden kann. Die Stromleitung 17 schaltet den Stromfluß zur Elektrolyseapparatur.

Der Behälter 18 sollte aus Aluminium sein zwecks guter Wärmeabfuhr. Leitung 16 führt zu einem (Ausgleichs-)Tank mit 15-20 Liter Fassungsvermögen, der für etwa 500 km ausreichen dürfte. In den Tank sollte möglichst kalkarmes Wasser ein gefüllt werden. Gut wäre Regenwasser.

Damit wären wir bei Fig. 3.

Dem Kondenzer mit Pumpe, der zusammenfassend die Aufgabe hat, den Wasserdampf, der den Motor verläßt (Rohr 1), zu konden sieren; und zwar in einem mit Kühlrippen versehenen Aluminiumrohr 2. Das kondensierte Wasser läuft in dem Auffangbehälter 4, wo es mittels Elektromotor 3 über Leitung 5 (bei zu Fig. 1 Nr. 16) zum Ausgleichsbehälter zu Fig. 1 Nr. 18 geführt wird. Stromleitungen 6 (+ und -) versorgen den Elektromotor 3 mit Strom. 17 ist der Einschalter für die Pumpe 3, der gleich funktioniert wie in zu Fig. 1 Nr. 15.

Somit ist das System geschlossen.

Zu erwähnen wäre, daß zur Ladung der Akkumulatoren der Nachtstrom oder Solarstrom geeignet sind wegen der Kosten- und Umweltfrage.

Dieses Verfahren ist auch für Hybridfahrzeuge*) recht interessant. In diesem Falle wäre nicht die Elektrolyse apparatur, sondern der Elektromotor das primäre Ziel von diesem Verfahren der Energieumwandlung.

*) Hybride = Zwitter, ein Automobil, das abwechselnd mit Verbren nungs- oder Elektromotor fährt.

Die Elektrolyseapparatur kann auch als Rohr im Rohr ausgeführt werden, wobei das äußere Rohr dann die Anode und das innere Rohr die Kathode ist. Der Aufbau wäre dann einfacher, die Kühlung wäre besser, die Apparatur wäre in den Ausmaßen kompakter und leichter an die individuellen Motormaße der Automobilhersteller anzupassen.

Bei einem Ottomotor sind 25% der im Benzin chemisch gebundenen Energie zum Antrieb bestimmt. 35% sind Abgase, 32% für die Kühlung und 8% sind Reibung und Strahlung. In meinen Augen ist das eine nicht ausdrückbare Verschwendung von wertvoller Energie.

Durch die zusätzliche Kühlung des Kühlwassers und des Öls durch den Sterlingmotor (eigentlich Stirlingmotor) kann geringfügig die Verdichtung erhöht werden. Das senkt den spezifischen Kraftstoffverbrauch, also mehr Leistung und dabei weniger Verbrauch.

Wichtig zu erwähnen ist auch, daß mit dem Wasserstoff auch der verbrennungsfördernde Sauerstoff mit verbrennt, der ja auch bei der Elektrolyse anfällt. Da Wasser aus zwei Teilen Wasser stoff und einem Teil Sauerstoff besteht, würde es die Verbrennung nicht unwesentlich fördern.

Gasförmige Kraftstoffe verbrennen bekanntlich schneller und vollkommener als naturgemäß erst zu vergasende Kraftstoffe, wie Benzin.

Ein Sterlingmotor hat wenigstens 45% Wirkungsgrad, das heißt, die 32% und 35% des Abgases und der Kühlung müssen zusammengezählt und anschließend halbiert werden, also 26%, die zusätzlich genützt werden können. Mit der Zeit werden die 26% mit Sicherheit weit überschritten werden.

Ist das Verschwendung von Energien.

Erläuterung zu Fig. 1 und zu zu Fig. 1

1 Deckel aus Aluminium
2 Plus-Polanschluß von der Batterie (aus Kupfer)
3 Stromleitungen links und rechts zu den Platten
4 Minus-Polanschluß von der Batterie aus Kupfer
5 Wasserstoff und Sauerstoffleitung (Elektrolytprodukt) zum Motor
6 Aluminiumplatten (besser vergoldete Kupferplatten), möglichst mit großer Fläche. Mit Abstandshalter (1-3 mm Abstand)
7 Leitung für das Wasser aus dem Kondenzer (Fig. 3)
8 Leitung zum Ausgleichsbehälter (zu Fig. 1)
9 Gehäuse aus Aluminium, eventuell mit Kühlrippen
10 Wasserstandsanzeiger
11 Dichtung für Deckel (1)
12 Elektrolyt, Wasser mit Metallsalz, Säuren, Basen oder ähnlichem
13 Druckausgleichsrohr

Zu Fig. 1
8 Leitung zur Elektrolyseapparatur
14 Schwimmer, Kork oder Kunststoff
15 Sicherheitsschalter
16 Leitung zum Ausgleichstank
17 Plus- und Minus-Leitungen zum Schalter 15
18 Behälter aus Aluminium

Erläuterung zu Fig. 2

1 Sterlingmotor oder auch Heißluftmotor genannt
2 Drehstromgenerator, mit Sterlingmotor antriebsmäßig verbunden
3 Riemenscheibe für die Kraftübertragung
4 Abgaszuführung, wärmeisoliert
5 Abgasabführung mit größerem Durchmesser, eventuell aus Aluminium
6 Heißluftzuführung vom Wärmetauscher zum Serlingmotor
7 Kühlwasserabführung, zurück in dessen Kreislauf
8 Ölabführung, zurück in dessen Kreislauf
9 Kühlwasserzuführung (isoliert) und vor dem Kühler und hinter dem Motor abgenommen
10 Ölzuführung (isoliert) direkt aus der Ölwanne
11 handelsüblicher Wärmetauscher
12 Luftsammler

Erläuterung zu Fig. 3

1 Wärmeisoliertes Abgasrohr für den Wasserdampf
2 Aluminiumrohr mit Kühlrippen
3 Elektromotor zur Wasserbeförderung
4 Auffangbehälter für das kondensierte Wasser
5 Wasserleitung zur Elektrolyseapparatur (Fig. 1, Leitung 7)
6 Stromleitung für den Elektromotor
7 Einschalter mit Schwimmer

Erläuterung zur zusammenfassenden Zeichnung

1 Verbrennungsmotor
2 Sterlingmotor
3 Elektrolyseapparatur
4 Batterien
5 Wärmetauscher
6 Kühler
7 Kondenzer
8 Ausgleichstank
9 Ausgleichsbehälter
10 Rückschlagventil mit Druckregler
11 Vergaser oder Einspritzer
12 Wasserstoffleitung zum Motor
13 Druckregelleitung
14 Rückführleitung für das Wasser aus dem Kondenzer (Fig. 3)
15 Wasserauffangbehälter mit Elektromotor
16 Auspuffrohr isoliert
17 Ölleitung
18 Kühlwasserleitung

Claims

Die Merkmale dieser Erfindung sind hauptsächlich:
daß wir durch diese Erfindung endlich die sonst ungenutzten Energien nutzen können,
daß keine schädlichen Abgase wie sonst entstehen können,
daß der Treibstoff Wasserstoff direkt im Fahrzeug entsteht und erzeugt wird und
daß ein Wasserstofftank nicht mehr nötig sein wird,
daß der Betankungsaufwand sehr erleichtert wird,
daß die Motorleistung höher ist als bei normalen Wasserstoffantrieben, weil bei der Elektrolyse im Fahrzeug auch Sauerstoff entsteht, der die Verbrennung erheblich verbessert und beschleunigt, daß, wenn man mal tanken muß, nur Wasser in den Tank kommt und sonst nichts,
daß die Kühlung im Motor ganz erheblich verbessert wird und so auch höher verdichtet werden kann,
daß das Fahrzeuggewicht nicht oder nur gering erhöht wird, weil z. B. der Tank entfällt,
daß in Hybridfahrzeugen die Abwärme vom Verbrennungsmotor zur Ladung der Batterien für den Elektromotor genutzt werden kann,
daß es sicherer ist als bei herkömmlichen Wasserstoffahrzeugen, weil der Wasserstoff direkt im Fahrzeug hergestellt wird und so auch kein Wasser stofftank durch austretende Gase gefährlich werden kann, usw.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet (Schutz), daß die Abwärme von Motoren genutzt wird, um damit die Akkumulatoren in einem Hybridfahrzeug oder die Elektrolyse apparatur in einem mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeug mit elektrischem Strom zu versorgen. Die Abwärme des Verbrennungs motors wird mittels Sterlingmotor, der einen Drehstromgenerator antreibt, in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie wird in der Elektrolyseapparatur in chemische Energie, also in Wasserstoff und Sauerstoff, umgewandelt. In den Zylindern des Motors verbrennt H und O zu sauberem H₂O, also Wasser. Der heiße Wasserdampf verläßt den Motor. Im Sterlingmotor wird dem heißen Wasserdampf die Energie weitgehendst entzogen, das gleiche geschieht über einen Wärme tauscher mit dem Kühlmittel und dem Öl, deren Energie ebenfalls dem Sterlingmotor zugeführt wird.
Der Kondenzer kondentiert den Abdampf zu Wasser, das mittels Elektromotor zurück zur Elektrolyseapparatur geführt wird.
Ich begehre also Schutz für das ganze Verfahren der hier in der Beschreibung beschriebenen Erfindung, also die Um wandlung der Abwärme einer Verbrennungsmaschine (-motors) in elektrischen Strom durch einen Sterlingmotor, und zwar in allen denkbaren Fahrzeugen, wie Schiffen und U-Booten, in Automobilen, in Flugzeugen, in Schienenfahrzeugen und in Industrieanlagen und Fabriken, in allen erdenklichen Formen und unterschiedlichsten Arten.
Insbesondere in Hybridfahrzeugen, das am leichtesten und kurzfristigsten einzusetzen wäre.
Nicht zu vergessen des schadstofffreien Betriebs von Fahr zeugen durch die Elektrolyseapparatur (Fig. 1 und zu Fig. 1) mit dem im Auspufftrakt angeflanschten Kondenzer (Fig. 3), der den Tank aus Gewichtsgründen ersetzt.
Also meine ich Schutz für
1. Fig. 1 und zu Fig. 1, der Elektrolyseapparatur mit Aus gleichsbehälter.
3. Fig. 2, Energieumwandlung durch Sterlingmotor.
3. Fig. 3, Kondenzer mit Pumpe, jeweils mit der in der Beschreibung aufgeführten Funktionen.
Mein Hauptanspruch bezieht sich auf Fig. 2, mit der in der Beschreibung beschriebenen Funktionen und Ausführungen. Das bezieht sich auch auf die Fig. 1 und zu Fig. 1 und Fig. 3, die meine Nebenansprüche darstellen.