DE4235533A1 - Wasserstoffzufuehrsystem fuer einen wasserstoffmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserstoffzuführ­ system für einen Wasserstoffmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 58(1983)-12 458 ist ein Wasserstoffmotor offenbart, bei dem eine Wasser­ stoffzuführöffnung vorgesehen ist, die sich getrennt von einer Lufteinlaßöffnung öffnen läßt, und dem Zylinder wird Wasserstoff über die Wasserstoffzuführöffnung bei einem niedrigen Druck zugeführt, so daß die über die Lufteinlaß­ öffnung eingeführte Luftmenge nicht durch den diesem zuge­ führten Wasserstoff beeinflußt wird, wodurch die volumetri­ sche Wirksamkeit verbessert wird.

Weiterhin ist in der japanischen, ungeprüften Patentveröf­ fentlichung Nr. 1(1988)-2 16 024 ein Wasserstoffmotor offen­ bart, in dem ein Haupt- und ein Nebenwasserstoffreservoir bzw. -tank vorgesehen sind. Das Hauptwasserstoffreservoir wird auf das Nebenwasserstoffreservoir geschaltet, wenn die Reserve bzw. der Vorrat an Wasserstoff in dem Hauptwasser­ stoffreservoir abnimmt.

Im allgemeinen umfaßt das Wasserstoffreservoir eine Wasser­ stoffspeicherlegierung, die darin Wasserstoff bei einer niedrigen Temperatur speichert und Wasserstoffgas bei einer hohen Temperatur abgibt. Das Wasserstoffreservoir gibt Was­ serstoffgas ab, indem die Wasserstoffspeicherlegierung durch die Wärme des Motors, z. B. durch die Wärme des Motorkühl­ mittels erwärmt wird.

Die herkömmlichen Wasserstoffmotoren sind nachteilig dahin­ gehend, daß eine hinreichende Wasserstoffgasmenge aus der Wasserstoffspeicherlegierung nicht freigegeben werden kann und der Motor aufgrund der ausgesprochen mageren Luft/Brenn­ stoffmischung nicht gut gestartet werden kann, wenn der Motor kalt ist.

Wenn eine Wasserstoffspeicherlegierung zum Vermeiden eines derartigen Problems verwendet wird, die eine hinreichende Wasserstoffgasmenge selbst bei einer geringen Temperatur freigeben kann, kann der Druck des Wasserstoffgases, das von einer derartigen Wasserstoffspeicherlegierung freigegeben wird, in die Größenordnung von 20 atp (bzw. 20,265 bar) ansteigen und das Wasserstoffreservoir muß demgemäß diesem Druck des Wasserstoffgases standhalten, was zu zusätzlichem Gewicht des Wasserstoffreservoirs führt und zusätzliche Maßnahmen hinsichtlich der Sicherheit erfordert.

In Anbetracht der voranstehenden Beobachtungen und Beschrei­ bung ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wasserstoffzuführsystem für einen Wasserstoffmotor anzuge­ ben, welches eine hinreichende Wasserstoffgasmenge zuführen kann, so daß der Motor gut gestartet werden kann, selbst wenn er gestartet wird, während er kalt ist, und welches nicht zu einer großen Gewichtszunahme des Wasserstoffreser­ voirs führt.

Das Wasserstoffzuführsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es ein erstes und ein zwei­ tes Wasserstoffreservoir aufweist. Das erste Wasserstoff­ reservoir umfaßt eine Wasserstoffspeicherlegierung, die Wasserstoff bei einer erhöhten Temperatur unter Erwärmung von dem Motor freigibt, und das zweite Wasserstoffreservoir weist eine Wasserstoffspeicherlegierung auf, die Wasserstoff bei einer niedrigen Temperatur ohne Unterstützung durch Wärme von dem Motor freigibt. Das Wasserstoffzuführsystem der vorliegenden Erfindung weist weiterhin eine Temperatur­ erfassungseinrichtung auf, die die Temperatur des Motors erfaßt, und eine Schalteinrichtung auf, die veranlaßt, daß das zweite Wasserstoffreservoir mit der Wasserstoffzuführ­ öffnung des Motors in Verbindung gesetzt wird, wenn die Tem­ peratur des Motors geringer ist als ein vorbestimmter Wert, und die veranlaßt, daß das erste Wasserstoffreservoir mit der Wasserstoffzuführöffnung in Verbindung gesetzt wird, wenn die Temperatur des Motors nicht geringer ist als der vorbestimmte Wert.

Bei dieser Anordnung steht das zweite Wasserstoffreservoir, welches Wasserstoff bei einer niedrigen Temperatur freigibt, mit dem Motor in Verbindung, wenn dieser kalt ist, und dem­ gemäß kann dem Motor eine hinreichende Menge an Wasserstoff zugeführt werden, wenn der Motor gestartet wird, wodurch der Motor gut gestartet werden kann. Da das zweite Wasserstoff­ reservoir zum Starten des Motors dient, kann das Volumen des zweiten Wasserstoffreservoirs klein sein. Selbst wenn das zweite Wasserstoffreservoir demgemäß so aufgebaut ist, daß es einem hohen Druck widerstehen kann, ist die Gewichtszu­ nahme relativ gering.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung wird die Wasserstoffquelle von dem ersten Wasser­ stoffreservoir auf das zweite Wasserstoffreservoir geschal­ tet, selbst wenn die Temperatur des Motors hoch ist, wenn der Vorrat bzw. die Reserve an Wasserstoff in dem Hauptwas­ serstoffreservoir auf einen vorbestimmten Pegel abnimmt, wodurch das zweite Wasserstoffreservoir gleichzeitig als Re­ servetank dient.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die einen Wasser­ stoff-Rotationskolbenmotor zeigt, der mit einem Wasserstoff­ zuführsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die das Einspritzventil zeigt;

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in Fig. 2;

Fig. 5 ist eine Ansicht zum Darstellen der Öffnungszeiten der Kanäle bzw. Öffnungen bzw. Steueröffnungen; und

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm zum Darstellen des Umschaltens von Metallhydrid-Reservoirs.

In Fig. 1 hat ein Rotationskolbenmotor mit zwei Rotoren ein Paar von Rotorgehäusen 1, die jeweils eine peritrokoide Innenfläche haben. Ein Rotor 2 mit drei inneren Hüllflächen ist in jedem Rotorgehäuse 1 angeordnet, so daß seine drei Spitzen bzw. Erhebungen in Kontakt mit der Innenfläche des Rotorgehäuses 1 sind, und zwar mittels Spitzenabdichtungen, und drei Arbeitskammern 4 sind durch die Innenfläche des Rotorgehäuses 1, die äußere Umfangsfläche des Rotors 2, ein Paar von Seitengehäusen (nicht in Fig. 1 gezeigt), die auf gegenüberliegenden Seiten des Rotorgehäuses 1 montiert sind, und ein Zwischengehäuse 3 definiert. Das Volumen in jeder Arbeitskammer 4 verändert sich, wenn sich der Rotor 2 exzen­ trisch dreht, wodurch Otto-Zyklen bzw. -takte ausgeführt werden. Die Drehung des Rotors 2 wird auf eine exzentrische Welle 11 übertragen, um diese anzutreiben. Obwohl die Roto­ ren 2 seriell angeordnet sind, sind sie in Fig. 1 in einem abgewickelten bzw. aufgeklappten bzw. entwickelten Zustand gezeigt.

In dem Zwischengehäuse 3 sind eine Lufteinlaßöffnung bzw. ein Lufteinlaßkanal KP und eine Wasserstofföffnung bzw. ein Wasserstoffkanal HP in vorbestimmten Positionen ausgebildet, so daß sie sich zu der Arbeitskammer öffnen, was in dem Ein­ laßtakt stattfindet (die Arbeitskammer 4, die sich in dem Einlaßtakt befindet, ist in Fig. 1 mit 4k bezeichnet). Der Lufteinlaßöffnung KP wird über einen Einlaßkanal 6 Einlaß­ luft zugeführt und in einem Metallhydrid-Arbeitsreservoir (nachstehend mit MH-Arbeitsreservoir bezeichnet) 7 gespei­ chertes Wasserstoffgas wird der Wasserstofföffnung HP über einen Brennstoffzuführkanal 8 zugeführt. Eine Brennstoff­ steuereinheit 50 steuert die Zufuhr von Einlaßluft und dem Wasserstoffgas, was nachstehend im Detail beschrieben wird. Der Brennstoffsteuereinheit 50 wird die Motorgeschwindigkeit eingegeben, die durch einen Motorgeschwindigkeitssensor 51 erfaßt wird, der die Motorgeschwindigkeit über die Rota­ tionsgeschwindigkeit der exzentrischen Welle 11 erfaßt.

Das Zwischengehäuse 3 ist ein Unterteilungselement, welches zwischen dem vorderen Zylinder F (in Fig. 1 auf der rechten Seite angeordnet) und dem hinteren Zylinder R (in Fig. 1 auf der linken Seite angeordnet) angeordnet ist und hat eine ähnliche Funktion wie das Seitengehäuse. Die Rotoren 2 in dem vorderen und dem hinteren Zylinder F bzw. R liegen an der vorderen bzw. der hinteren Seite des Zwischengehäuses 3 mittels Seitendichtungen (nicht gezeigt) an und gleiten darauf. Die Rotoren 2 in den jeweiligen Zylindern F und R laufen mit 180 Grad zueinander.

Das MH-Arbeitsreservoir 7 hat eine Wasserstoffspeicherlegie­ rung, die Wasserstoff adsorbieren und freigeben kann. Ein Wasserstoffüllkanal 71 zum Zuführen von Wasserstoff zu der Wasserstoffspeicherlegierung und ein Kühlmittelkanal 72, durch den Kühlmittel zum Kühlen der Wasserstoffspeicherle­ gierung fließt, sind mit dem MH-Arbeitsreservoir 7 verbun­ den. Weiterhin ist ein Erwärmungswasserkanal 73 mit dem MH-Arbeitsreservoir 7 verbunden, um die Wasserstoffspeicherle­ gierung durch das Motorkühlmittel zu erwärmen.

Wasserstoffmoleküle treten in Metallkristallgitter der Was­ serstoffspeicherlegierung ein und bilden dort Metallhydrid.

So wird Wasserstoff in der Wasserstoffspeicherlegierung in der Form von Metallhydrid gespeichert. Wenn die Wasserstoff­ speicherlegierung gekühlt wird, wird die Ausbildung von Metallhydrid unterstützt und Wasserstoff wird in der Wasser­ stoffspeicherlegierung adsorbiert. Wenn die Wasserstoffspei­ cherlegierung erwärmt wird, wird Wasserstoff von dieser freigegeben. Das folgende sind Beispiele von Metallhydrid.
MgH₂, UH₃, TiH₂, VH₂, ZrH₂, LaH₃, Mg₂NH₄, TiFeH_1,9, LaNi₅H₆, MmNi₅H_6,3, MmNi_4,5Mn_0,5H_6,6, MmNi_4,5Al_0,5H_4,9 (Mm bezeichnet Netzmetall bzw. Mesh-Metall)

Der Wasserstoffüllkanal 71 ist mit dem MH-Arbeitsreservoir 7 durch einen Hahn 71A, ein Überdruckventil 71B und ein Schaltventil 71C verbunden. Das Bezugszeichen 71D bezeichnet einen Drucksensor, der den Wasserstoffgasdruck in dem MH-Arbeitsreservoir 7 angibt.

Der Kühlmittelkanal 72 ist derart ausgebildet, daß durch eine Wasseröffnung 72A zugeführtes Wasser durch das MH-Re­ servoir 7 zirkuliert, um die Wasserstoffspeicherlegierung zu kühlen, und über eine Wasserabführöffnung 72B herausfließt. Wenn der Wasserstoffspeicherlegierung über den Wasserstoff­ füllkanal 71 Wasserstoff zugeführt wird, läßt man Wasser durch den Kühlmittelkanal 72 fließen, um die Wasserstoff­ speicherlegierung zu kühlen und die Adsorbtion von Wasser­ stoff in der Wasserstoffspeicherlegierung zu unterstützen.

Der Erwärmungswasserkanal 73 ist so ausgebildet, daß Motor­ kühlmittel in bzw. aus einem Wassermantel des Rotorgehäuses 1 durch das MH-Arbeitsreservoir 7 strömt bzw. fließt und an den Wassermantel bzw. das Wassergehäuse zurückgegeben wird, wodurch die Wasserstoffspeicherlegierung durch die Wärme des Motorkühlmittels erwärmt wird, um Wasserstoff aus der Was­ serstoffspeicherlegierung freizugeben. Das Bezugszeichen 73P zeigt eine Wasserpumpe, die Bezugsziffern 73A und 73B zeigen Rückschlagventile und die Bezugsziffer 73C zeigt ein Regula­ torventil. Der Druck des Wasserstoffs in dem MH-Arbeitsre­ servoir erreicht maximal etwa 9 Atmosphären (atm). Die Be­ zugsziffer 73D bezeichnet einen Temperatursensor, der die Temperatur des Motorkühlmittels erfaßt.

Die Einlaßöffnung 6 ist mit einem Drosselventil 64 versehen, welches durch einen Schrittmotor 65 betätigt wird, und ein Drosselpositionssensor 66 erfaßt den Öffnungsgrad des Dros­ selventils 64. Die durch den Drosselpositionssensor erfaßte Drosselöffnung wird der Brennstoffsteuereinheit 50 als Rück­ koppelinformation eingegeben.

Ein Abgasrohr 9 ist mit Abgasöffnungen EP verbunden, die in den Rotorgehäusen 1 der jeweiligen Zylinder ausgebildet sind.

Der Brennstoffzuführkanal 8 verzweigt sich oberhalb des Hahns 71A von dem Wasserstoffüllkanal 71 und ist mit einem Wasserstoffzuführventil 81, einem Solenoidventil 82, einem Druckregulator 83, einem Brennstoffregulatorventil 84 und einem Einspritzventil (als Zeitgabeventil) 20 versehen. Das Brennstoffregulatorventil 84 ist mit einem Beschleunigungs­ pedal AP verriegelt und steuert die Flußrate des Wasser­ stoffgases. Das von dem MH-Arbeitsreservoir 7 zugeführte Wasserstoffgas wird auf etwa fünf Atmosphären (atm) (3-7 atp) durch den Druckregulator 83 geregelt und den Wasserstofföff­ nungen HP der jeweiligen Zylinder F und R mittels des Brenn­ stoffregulatorventils 84 und des Einspritzventils 20 zuge­ führt. Ein Drucksensor 54 erfaßt den Druck des Wasserstoff­ gases in dem Brennstoffzuführkanal 8 zwischen dem Druckregu­ lator 83 und dem Brennstoffregulatorventil 84 und ein Tempe­ ratursensor 58 erfaßt die Temperatur des Wasserstoffgases in dem Brennstoffzuführkanal 8 zwischen dem Druckregulator 83 und dem Brennstoffregulatorventil 84. Ein Positionssensor 55 erfaßt den Öffnungsgrad des Brennstoffregulatorventils 84. Die Ausgangssignale der Sensoren 54, 58 und 55 werden der Brennstoffsteuereinheit 50 eingegeben.

Die Lufteinlaßöffnung KP und die Wasserstofföffnung HP, die in dem Zwischengehäuse 3 ausgebildet sind, werden mit jeder der Arbeitskammern 4 in dem zeitlichen Ablauf in Verbindung gesetzt, der in Fig. 5 gezeigt ist, wenn sich der Rotor 2 dreht. D. h., die Lufteinlaßöffnung KP wird geöffnet bei einem Kurbelwinkel von 32 Grad nach dem oberen Totpunkt (TDC) am Ende des Abgastaktes und die Wasserstofföffnung HP wird etwas später als die Lufteinlaßöffnung KP bei einem Kurbelwinkel von 60 Grad nach dem oberen Totpunkt (TDC) am Ende des Abgastaktes geöffnet. Die Lufteinlaßöffnung KP schließt sich 50 Grad nach dem unteren Totpunkt (BDC) am Ende des Einlaßtaktes und die Wasserstofföffnung HP schließt sich 150 Grad nach dem unteren Totpunkt (BDC), und zwar um etwa 100 Grad später als die Lufteinlaßöffnung KP. D. h., die Lufteinlaßöffnung KP ist 288 Grad geöffnet von 32 Grad nach dem oberen Totpunkt (TDC) bis 50 Grad nach dem unteren Tot­ punkt (BDC) und die Wasserstofföffnung HP ist 370 Grad offen von 60 Grad nach dem oberen Totpunkt (TDC) bis 150 Grad nach dem unteren Totpunkt (BDC).

Nachstehend wird die Anordnung des Einspritzventils 20 unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 beschrieben.

Fig. 2 zeigt das Zwischengehäuse 3 aus der Sicht der Ar­ beitskammer 4 des vorderen Zylinders F (die rechte Seite in Fig. 1). Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Gehäuse 31 an der äußeren Oberfläche des Zwischengehäuses 3 in der Nähe der Wasserstofföffnung HP festgelegt und das Einspritzventil 20 ist auf einer Seite des Gehäuses 31 montiert.

Wie es auch in Fig. 4 gezeigt ist, ist ein vertikaler hoh­ ler Abschnitt 32 in dem Zwischengehäuse 3 ausgebildet und eine Unterteilungswand 32A erstreckt sich vertikal in dem hohlen Abschnitt 32. Die Unterteilungswand 32A unterteilt den hohlen Abschnitt 32 in zwei Kanäle 32F und 32R, die jeweils zu dem vorderen und dem hinteren Zylinder F bzw. R führen.

Ein Paar von Kanälen 31F und 31R sind in dem Gehäuse 31 über dem hohlen Abschnitt 32 ausgebildet und stehen jeweils mit den Kanälen 32F und 32R in dem Gehäuse 3 in Verbindung. Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, welches eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in Fig. 2 ist, erreichen die unteren Endabschnitte der Kanäle 32F und 32R die Wasserstofföffnun­ gen HP und stehen mit den Wasserstofföffnungen HP in den Zylindern F bzw. R über ein Paar von Durchbrechungen bzw. Öffnungen 34F bzw. 34R in Verbindung, die in dem Zwischenge­ häuse 3 ausgebildet sind. Das Bezugszeichen 3S in Fig. 4 bezeichnet ein äußeres Seitengehäuse.

Die Kanäle 31F und 31R in dem Gehäuse 31 sind getrennt offen zu der Seitenoberfläche bzw. Seitenfläche des Gehäuses 31, auf der das Einspritzventil 20 montiert ist und stehen je­ weils mit Kanälen 22F und 22R in Verbindung, die in dem Gehäuse 21 des Einspritzventils 20 ausgebildet sind, wie es später beschrieben wird.

Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, hat das Einspritzventil 20 die Kanäle 22F und 22R, die sich zu bzw. bei Abschnitten entgegengesetzt zu den offenen Enden der Kanäle 31F und 31R in dem Gehäuse 31 öffnen, und ein Schlotterventil bzw. Pup­ pet-Ventil 23 ist an dem offenen Ende von jedem der Kanäle 22F und 22R vorgesehen. Die Kanäle 22F und 22R vereinigen sich in einen einzelnen Kanal 22 vor bzw. stromauf der Schlotterventile 23 und der Brennstoffzuführkanal 8 ist mit dem Kanal 22 verbunden.

Das Schlotterventil 23 hat einen Ventilschaft bzw. Ventil­ stößel 23A, der gleitbar in eine Führung 24 paßt, die an dem Gehäuse 21 festgelegt ist. Eine Ventilsitzfläche 23B ist an einem Ende des Ventilstößels 23A vorgesehen und der Ventil­ stößel 23A wird durch eine Feder 25 in Richtung auf einen Ventilsitz 26 in eine Position gezwungen, in der die Ventil­ sitzfläche 23B in engem Kontakt mit dem Ventilsitz 26 ist, um den entsprechenden Kanal in dem Einspritzventil 20 zu schließen. Wenn die Ventilsitzfläche 23B von dem Ventilsitz 26 wegbewegt wird unter Überwindung der Kraft der Feder 25, wird der entsprechende Kanal in dem Einspritzventil geöff­ net.

Eine Nockenwelle 27 ist zur Drehung in dem Gehäuse 21 hinter dem Ventilstößel 23A gelagert. Die Nockenwelle 27 ist mit Nocken 27F und 27R versehen, die den Schlotterventilen 23 zugeordnet sind, um die Kanäle 22F und 22R in dem Einspritz­ ventil 20 zu öffnen bzw. zu schließen, wenn sich die Nocken­ welle 27 dreht. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Noc­ kenwelle 27 mit der exzentrischen Welle 11 des Motors mit­ tels einer Kette oder eines Zeitgabe- bzw. Zahnriemens 12 verbunden, um synchron mit der exzentrischen Welle 11 ge­ dreht zu werden, wodurch die Schlotterventile 23 mit einer vorbestimmten Zeitgabe synchron zur Drehung der exzentri­ schen Welle 11 oder des Motors geöffnet und geschlossen werden. Die Nocken 27F und 27R sind auf der Nockenwelle 27 mit 180 Grad zueinander ausgebildet gleich der Phasendiffe­ renz zwischen den jeweiligen Zylindern F und R.

Bei der oben beschriebenen Anordnung des Einspritzventils 20 hängt die Zufuhr von Wasserstoffgas zu der Wasserstofföff­ nung HP von der Ventilzeitgabe des Einspritzventils 20 ab.

Das Schlotterventil 23 des Einspritzventils 20 öffnet sich gleichzeitig mit dem Schließen der Lufteinlaßöffnung KP (50 Grad nach dem unteren Totpunkt BDC) und schließt sich 140 Grad nach dem unteren Totpunkt (BDC), und zwar etwas später als die Wasserstofföffnung HP geschlossen wird. D. h., das Schlotterventil 23 ist 90 Grad geöffnet von 50 Grad nach dem unteren Totpunkt (BDC) bis 140 Grad nach dem unteren Totpunkt (BDC).

Nachstehend wird der Betrieb des Rotationskolbenmotors be­ schrieben.

Der Druck des Wasserstoffgases, das von dem MH-Reservoir 7 zugeführt wird, wird durch den Druckregulator bzw. -regler 83 auf einen vorbestimmten Druck (etwa 5 Atmosphären atm) geregelt bzw. reguliert und die Menge des zuzuführenden Wasserstoffgases wird durch das Brennstoffregulatorventil 84 gesteuert, welches mit dem Beschleunigungs- bzw. Gaspedal AP verriegelt ist. Die Brennstoffsteuereinheit 50 kennt die Menge des zugeführten Wasserstoffgases auf der Basis des Öffnungsgrades des Brennstoffregulatorventils 84, was durch den Positionssensor 55 erfaßt wird, den Druck des Wasser­ stoffgases, der durch den Drucksensor 54 in dem Brennstoff­ zuführkanal 8 erfaßt wird, und die Temperatur des Wasser­ stoffgases, die durch den Temperatursensor 58 erfaßt wird, und steuert das Drosselventil 63 in dem Einlaßkanal 6 gemäß der Menge des Wasserstoffgases, so daß der Lufteinlaßöffnung KP Luft in einer Menge zugeführt wird, daß das vorbestimmte Luft/Brennstoffverhältnis geschaffen wird.

Wie oben beschrieben, öffnet sich die Lufteinlaßöffnung KP 32 Grad nach dem oberen Totpunkt (TDC) am Ende des Abgas­ taktes und dann öffnet sich die Wasserstofföffnung HP 60 Grad nach dem oberen Totpunkt (TDC). Zu dieser Zeit wird das Schlotterventil 23 noch geschlossen gehalten und Wasser­ stoffgas wird nicht zugeführt, obwohl in dem Einlaßtakt Luft in die Arbeitskammer 4K durch die Lufteinlaßöffnung KP strömt. Hiernach, und zwar gleichzeitig mit dem Schließen der Lufteinlaßöffnung KP 50 Grad nach dem unteren Totpunkt (BDC), öffnet sich das Schlotterventil 23 und Wasserstoffgas fließt zu Beginn des Kompressionstaktes in die Arbeitskammer 4 durch die Wasserstofföffnung HP, die geöffnet worden ist.

Die Lufteinlaßöffnung KP und die Wasserstofföffnung HP, die in dem Zwischengehäuse 3 ausgebildet sind, öffnen sich zur Arbeitskammer in dem Einlaßtakt, nachdem die führende Sei­ tendichtung sie passiert bzw. an ihnen vorbeigeht, und dem­ gemäß haben die Öffnungszeitspanne und die Öffnungsfläche bzw. der Öffnungsbereich einen Bezug zueinander. D. h., wenn die Öffnungszeitspanne begrenzt ist, ist auch die Öffnungs­ fläche begrenzt. Um die Öffnungsfläche über eine gewisse Grenze zu vergrößern, muß die Öffnungszeitspanne verlängert werden. Da bei dieser Ausführungsform die Zufuhr von Wasser­ stoffgas über die Wasserstofföffnung HP von der Öffnungs­ zeitspanne des Einspritzventils 20 abhängt, können die Form und die Fläche der Wasserstofföffnung HP so eingestellt werden, daß sich das Einspritzventil 20 öffnet, während die Wasserstofföffnung HP offen ist, und eine hinreichende Menge an Wasserstoffgas kann über die Wasserstofföffnung HP zu­ geführt werden.

Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform die Luft­ einlaßöffnung KP für 288 Grad offengelassen wird, die Was­ serstofföffnung HP für 376 offengelassen wird und das Ein­ spritzventil 20 für 90 Grad offengelassen wird, können die Öffnungsfläche der Wasserstofföffnung HP und die Öffnungs­ zeitspanne des Einspritzventils 20 gemäß der Luftfüllmenge für einen gegebenen Betriebszustand des Motors eingestellt werden, was gemäß der Öffnungszeitspanne der Lufteinlaßöff­ nung KP bestimmt werden kann, so daß Wasserstoffgas in einer solchen Menge zugeführt werden kann, die ein erforderliches Luft/Brennstoffverhältnis liefert. In dem Rotationskolbenmo­ tor kann ein solcher Zustand gewährleistet werden durch Veranlassen, daß sich die Lufteinlaßöffnung KP etwas nach dem oberen Totpunkt (TDC) öffnet, durch Einstellen der Öff­ nungszeitspanne der Lufteinlaßöffnung KP zwischen 230 und 320 Grad, durch Veranlassen, daß sich die Wasserstofföffnung HP etwas nach dem Öffnen der Lufteinlaßöffnung KP öffnet, und durch Einstellen der Öffnungszeitspanne der Wasserstoff­ öffnung HP auf einen längeren Wert als jenen der Lufteinlaß­ öffnung KP. Die Öffnungszeitspanne des Einspritzventils 20 kann auf eine Zeitspanne eingestellt werden, die hinreichend ist, um eine erforderliche Menge an Wasserstoffgas zuzufüh­ ren. D. h., die Öffnungszeitspanne des Einspritzventils 20 kann geeignet zwischen 60 und 130 Grad eingestellt werden, solange sich das Einspritzventil 20 in der Nähe des Schlie­ ßens der Lufteinlaßöffnung KP öffnet, so daß Wasserstoffgas nicht in die Lufteinlaßöffnung KP zurückkehrt bzw. umkehrt, und sich schließt, bevor der Druck in der Arbeitskammer höher wird als der Wasserstoffgaszuführdruck (d. h. vor der Mitte des Kompressionstaktes) und bevor sich die Wasser­ stofföffnung HP schließt. Wenn die Öffnungszeitspanne des Einspritzventils 20 so eingestellt wird, ist das Verhältnis der Öffnungszeitspanne des Einspritzventils 20 zu jener der Lufteinlaßöffnung KP etwa 1 : 3.

Bei dem Motor mit der oben beschriebenen Anordnung wird Wasserstoffgas über die Wasserstofföffnung HP über 90 Grad zwischen 50 Grad nach dem unteren Totpunkt (BDC), wobei sich das Einspritzventil 20 öffnet, und 140 Grad nach dem unteren Totpunkt (BDC), bei dem sich das Einspritzventil 20 schließt, zugeführt. In dem Rotationskolbenmotor ist der Kurbelwinkel zwischen dem oberen Totpunkt (TDC) und dem unteren Totpunkt (BDC) 270 Grad und länger als bei einem Hubkolbenmotor (180 Grad) und demgemäß läuft jeder Takt langsamer ab als bei dem Hubkolbenmotor und der Druck in der Arbeitskammer erhöht sich in dem Kompressionstakt langsam. Aufgrund dieser Tatsache zusammen mit der Tatsache, daß die Form und/oder die Öffnungsfläche der Wasserstofföffnung HP so eingestellt werden, daß eine Öffnungsfläche, die hinrei­ chend ist, um eine gewünschte Menge an Wasserstoffgas zuzu­ führen, zu jeder Zeit in ihrer Öffnungszeitspanne erhalten werden kann, kann eine erforderliche Menge an Wasserstoffgas in die Arbeitskammer bei Beginn des Kompressionstaktes ein­ geführt werden, selbst wenn der Wasserstoffgas-Zuführdruck so gering ist wie etwa 5 Atmosphären (atm). Da das Wasser­ stoffgas weiterhin nach dem Schließen der Lufteinlaßöffnung zugeführt wird, kann in die Arbeitskammer zugeführtes Was­ serstoffgas nicht in die Einlaßöffnung fließen, wodurch Fehlzündungen nicht auftreten können. D. h., bei dieser Aus­ führungsform kann Wasserstoffgas effizient in einer großen Menge zu Beginn des Kompressionstaktes nach dem Schließen der Lufteinlaßöffnung KP zugeführt bzw. gefüllt werden und demgemäß kann die Motorleistung erhöht werden während Fehl­ zündungen verhindert werden. Da bei dem Rotationskolbenmotor die vier Takte stattfinden, während sich die Arbeitskammer bewegt, findet der Einlaßtakt in einer Position statt, die unterschiedlich ist von der Position, bei der der Arbeits­ takt stattfindet, und ist von bzw. vollzieht sich bei rela­ tiv geringer Temperatur, und demgemäß kann Wasserstoffgas mit Luft für eine lange Zeit ohne die Möglichkeit einer vorzeitigen Zündung gemischt werden. Dies gestattet den Betrieb des Motors mit einem mageren Luft/Brennstoffgemisch, wenn das Überschußluftverhältnis λ (= tatsächliches Luft/ Brennstoffverhältnis/stöchiometrisches Luft/Brennstoffver­ hältnis) nicht geringer ist als zwei. Im Ergebnis wird wenig NOx ausgebildet. Da der Wasserstoffmotor inhärent weder Kohlendioxyd oder giftige bzw. vergiftete unverbrannte Kom­ ponenten ausbildet, kann ein nahezu vollständig verunrei­ nigungsfreier Motor gemäß dieser Ausführungsform realisiert werden.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 90 ein Metallhydrid-Startreservoir, welches im Volumen kleiner ist als das MH-Arbeitsreservoir 7 und eine Wasserstoffspeicherlegierung aufweist, die von jener in dem MH-Arbeitsspeicher 7 unter­ schiedlich ist. Die Wasserstoffspeicherlegierung in dem Metallhydrid-Startreservoir 90 gibt Wasserstoffgas bei einem vorbestimmten Druck (z. B. 20 atp) bei einer Temperatur ab, die ohne die Verwendung von Wärme des Motors erhalten werden kann, z. B. eine Temperatur, die niedriger ist als 30 bis 40 Grad Celsius. Ein Beispiel einer solchen Wasserstoffspei­ cherlegierung wird durch die folgende Formel dargestellt.

MmNi_4,42, Fe_0,48, Co_0,1,

wobei Mm Bewehrungs- bzw. Gitter- bzw. Maschenmetall (Mesh- Metall) darstellt.

Mit dem Metallhydrid-Startreservoir 90 sind ein Wasserstoff­ üllkanal 91 zum Zuführen von Wasserstoff zu dem Metallhy­ drid-Startreservoir 90, ein Kühlmittelkanal 92 zum Kühlen der Wasserstoffspeicherlegierung zur Unterstützung von Ad­ sorbtion von Wasserstoff in der Wasserstoffspeicherlegierung und ein Hilfs-Erwärmungswasserkanal 93 zum aushilfsweisen bzw. zusätzlichen Erwärmen der Wasserstoffspeicherlegierung durch das Motorkühlmittel verbunden. Der Wasserstoffüll­ kanal 91 ist mit einem Hahn 91A, einem Überdruckventil 91B und einem Schaltventil 91C ausgestattet. Ein Drucksensor 91D erfaßt den Wasserstoffgasdruck in dem Metallhydrid-Startre­ servoir 90.

Der Kühlmittelkanal 92 ist derart ausgebildet, daß durch eine Wasseröffnung 92A zugeführtes Wasser durch das Metall­ hydrid-Startreservoir 90 zirkuliert unter Kühlung der Was­ serstoffspeicherlegierung und über eine Wasserabführöffnung 92B herausfließt.

Der Erwärmungswasserkanal 93 ist mit dem Motor über den Erwärmungswasserkanal 73 für das MH-Arbeitsreservoir 7 ver­ bunden. Das Bezugszeichen 93B zeigt ein Rückschlagventil und das Bezugszeichen 93C zeigt ein Regulator- bzw. Reglerven­ til. Das Bezugszeichen 93D zeigt einen Temperatursensor, der die Temperatur des Motorkühlmittels erfaßt. Das Motorkühl­ mittel in dem Wassergehäuse bzw. dem Wassermantel des Motors 1 wird durch die Wasserpumpe 73P durch das Metallhydrid-Startreservoir 90 zirkuliert, um zu verhindern, daß sich die Wasserstoffspeicherlegierung stark abkühlt, wenn sie Was­ serstoff freigibt, wodurch die Wasserstoffspeicherlegierung auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird.

Ein Start-Brennstoffzuführkanal 95 ist mit dem Wasserstoff­ üllkanal 91 zwischen dem Hahn 91A und dem Schaltventil 91C verbunden und steht mit dem Druckregulator 83 mittels eines Wasserstoffzuführventils 96 und eines Schaltventils 97 in Verbindung.

Nun wird der Betrieb der Brennstoffsteuereinheit 50 beim Schalten des MH-Arbeitsreservoirs 7 und des Metallhydrid-Startreservoirs 90 unter Bezugnahme auf das in Fig. 6 ge­ zeigte Flußdiagramm beschrieben.

Die Steuereinheit 50 bestimmt zunächst auf der Basis des Erfassungssignals des Drucksensors 71D, ob der Wasserstoff­ gasdruck Pm in dem MH-Arbeitsreservoir 7 nicht geringer ist als ein Arbeitsdruck Pa (z. B. 5 atp) (Schritt S1). Wenn bestimmt bzw. erfaßt wird, daß Pm nicht geringer ist als Pa, wählt die Steuereinheit 50 das MH-Arbeitsreservoir 7 und öffnet das Schaltventil 82 in dem Arbeits-Brennstoffzuführ­ kanal 8, während sie das Schaltventil 97 im Start-Brenn­ stoffzuführkanal 95 schließt (Schritt S2). Wenn die Steuer­ einheit 50 somit das MH-Arbeitsreservoir 7 wählt, berechnet die Steuereinheit 50 den Verbrauch an Wasserstoff in dem MH-Arbeitsreservoir 7 auf der Basis des Wasserstoffgasdruckes Pm in dem MH-Arbeitsreservoir 7, der Flußrate v des Wasser­ stoffgases zu der Wasserstofföffnung HP und der Temperatur T des Wasserstoffgases (Schritt S3). Dann berechnet die Steuereinheit 50 den Vorrat Vm an Wasserstoff in dem MH-Ar­ beitsreservoir 7 auf der Basis des Verbrauchs an Wasserstoff in dem MH-Arbeitsreservoir 7 (Schritt S4). Dann bestimmt die Steuereinheit 50, ob der Vorrat Vm nicht geringer ist als ein vorbestimmter Wert Vam (Schritt S5). Wenn Vm nicht ge­ ringer ist als Vam, kehrt die Steuereinheit 50 sofort zu­ rück. Im anderen Fall kehrt die Steuereinheit 50 zurück, nachdem sie im Schritt S6 angezeigt hat, daß das MH-Arbeits­ reservoir 7 leer wird.

Wenn der Vorrat Vm an Wasserstoff in dem MH-Arbeitsreservoir 7 geringer wird als der vorbestimmte Wert Vam und der Was­ serstoffgasdruck Pm in dem MH-Arbeitsreservoir 7 geringer ist als der Arbeitsdruck Pa oder wenn der Motor bei einer geringen Temperatur gestartet wird, ist die Antwort auf die Frage in Schritt S1 NEIN und die Steuereinheit 50 fährt mit Schritt S7 fort. Im Schritt S7 wählt die Steuereinheit 50 das Metallhydrid-Startreservoir 90 und öffnet das Schaltven­ til 97 in dem Start-Brennstoffzuführkanal 95 während sie das Schaltventil 82 in dem Arbeits-Brennstoffzubehörkanal 8 schließt. Dann berechnet die Steuereinheit 50 den Verbrauch an Wasserstoff in dem Metallhydrid-Startreservoir 90 auf eine ähnliche Weise wie im Schritt S3 (Schritt S8). Dann berechnet die Steuereinheit 50 den Vorrat Vs an Wasserstoff in dem Metallhydrid-Startreservoir 90 auf der Basis des Verbrauchs an Wasserstoff in dem Metallhydrid-Startreservoir 90 (Schritt S9). Dann bestimmt die Steuereinheit 50, ob der Vorrat Vs nicht geringer ist als ein vorbestimmter Wert Vas (Schritt S10). Wenn Vs nicht geringer ist als Vas, kehrt die Steuereinheit 50 sofort zurück. Im anderen Fall kehrt die Steuereinheit 50 zurück, nachdem sie im Schritt S11 ange­ zeigt hat, daß das Metallhydrid-Startreservoir 90 leer wird.

Bei dieser Ausführungsform steht das Metallhydrid-Startre­ servoir 90, welches Wasserstoff bei einem vorbestimmten Druck (etwa 20 atp) bei einer geringen Temperatur freigibt, mit dem Motor in Verbindung, wenn der Motor kalt ist und demgemäß kann eine hinreichende Menge an Wasserstoff dem Motor zugeführt werden, wenn der Motor gestartet wird, wo­ durch ein optimales Luft/Brennstoffverhältnis erhalten wer­ den kann und der Motor gut gestartet werden kann. Da das Volumen des Metallhydrid-Startreservoirs 90 klein sein kann, ist die Gewichtszunahme relativ gering, selbst wenn das zweite Wasserstoffreservoir so konstruiert ist, daß es einem hohen Druck widerstehen kann. Da der Druck des Wasserstoff­ gases, das aus dem Metallhydrid-Startreservoir 90 freigege­ ben wird, so hoch ist wie etwa 20 atp, kann eine hinreichen­ de Menge an Wasserstoffgas der Arbeitskammer 4K bei dem Ein­ laßtakt sicher zugeführt werden, selbst wenn der Druck in der Arbeitskammer hoch ist.

Ob die Temperatur des Motors hoch ist, wird bei dieser Aus­ führungsform dadurch erfaßt, ob der Wasserstoffgasdruck nicht geringer ist als ein vorbestimmter Wert. Es muß jedoch nicht erwähnt werden, daß die Temperatur des Motors durch einen Temperatursensor erfaßt werden kann, der z. B. die Temperatur des Motorkühlmittels erfaßt.

Bei dieser Ausführungsform wird die Wasserstoffbrennstoff­ quelle von dem MH-Arbeitsreservoir 7 auf das Metallhydrid-Startreservoir 90 geschaltet, selbst wenn die Temperatur des Motors hoch ist, wenn der Vorrat an Wasserstoff in dem MH-Arbeitsreservoir 7 auf einen vorbestimmten Pegel abnimmt. Demgemäß dient das Metallhydrid-Startreservoir 90 auch als Reservetank.

Um eine hinreichende Menge an Wasserstoff zu der Arbeits­ kammer zu führen, ist es von Vorzug, daß der Wasserstoff nicht durch den Lufteinlaßkanal in die Arbeitskammer einge­ führt wird, sondern direkt in die Arbeitskammer eingeführt wird, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, bei der Wasserstoff über die Wasserstofföffnung eingeführt wird, die sich zu der Arbeitskammer öffnet. Wenn sich die Wasserstoff­ öffnung jedoch zu der Arbeitskammer öffnet, muß der Wasser­ stoff unter Überwindung des Druckes in der Arbeitskammer eingeführt werden. Bei dem Wasserstoffzuführsystem bzw. Wasserstoffbrennstoffzuführsystem der vorliegenden Erfindung kann Wasserstoffgas mit einem hohen Druck vorliegen, und zwar unabhängig davon, ob der Motor kalt oder heiß ist, und demgemäß kann eine hinreichende Menge an Wasserstoff der Arbeitskammer zugeführt werden, ohne die Gefahr, daß Wasser­ stoff zurückströmt bzw. umkehrt. Dies ist wünschenswert beim Erhöhen der Motorleistung, wenn der Motor unter schwerer Last arbeitet.

Obwohl das Wasserstoffzuführsystem dieser Ausführungsform auf einen Rotationskolbenmotor mit zwei Rotoren angewendet worden ist, kann es auch auf einen Hubkolbenmotor angewendet werden.

Claims (4)

1. Wasserstoffzuführsystem für einen Wasserstoffmotor, mit
einem ersten Wasserstoffreservoir (7), welches darin eine Wasserstoffspeicherlegierung aufweist, die Wasser­ stoff bei einer erhöhten Temperatur freigibt, und durch Verwendung der Wärme des Motors veranlaßt wird, Wasser­ stoff freizugeben,
einem zweiten Wasserstoffreservoir (90), welches darin eine Wasserstoffspeicherlegierung hat, die Wasserstoff bei einer niedrigen Temperatur ohne Unterstützung durch die Wärme des Motors freigibt,
einer Motortemperaturerfassungseinrichtung (71D), die erfaßt, daß die Temperatur des Motors geringer ist als ein vorbestimmter Wert, und
einer Schalteinrichtung (50, 82, 97), die veranlaßt, daß das zweite Wasserstoffreservoir (90) mit einer Wasserstoffzuführöffnung (HP) des Motors in Verbindung steht, wenn die Temperatur des Motors geringer ist als der vorbestimmte Wert, und die veranlaßt, daß das erste Wasserstoffreservoir (7) mit der Wasserstoffzuführöff­ nung (HP) in Verbindung steht, wenn die Temperatur des Motors nicht geringer ist als der vorbestimmte Wert.

2. Wasserstoffzuführsystem nach Anspruch 1, bei dem die Motortemperaturerfassungseinrichtung erfaßt, daß die Temperatur des Motors geringer ist als der vorbestimmte Wert, wenn der Druck (Pm) in dem ersten Wasserstoff­ reservoir (7) geringer ist als ein vorbestimmter Wert (Pa).

3. Wasserstoffzuführsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Wasserstoffreservoir (90) ein geringeres Volumen hat als das erste Wasserstoffreservoir (7).

4. Wasserstoffzuführsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schalteinrichtung (50, 82, 97) veranlaßt, daß das zweite Wasserstoffreservoir (90) mit der Was­ serstoffzuführöffnung (HP) des Motors in Verbindung steht, wenn der Vorrat (Vm) an Wasserstoff in dem er­ sten Wasserstoffreservoir (7) auf einen vorbestimmten Pegel (Vam) abnimmt, und zwar selbst dann, wenn die Temperatur des Motors nicht geringer ist als der vor­ bestimmte Wert.