EP2435660A2 - Wasserstoffmotor - Google Patents

Wasserstoffmotor

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Publication number
EP2435660A2
EP2435660A2 EP10721787A EP10721787A EP2435660A2 EP 2435660 A2 EP2435660 A2 EP 2435660A2 EP 10721787 A EP10721787 A EP 10721787A EP 10721787 A EP10721787 A EP 10721787A EP 2435660 A2 EP2435660 A2 EP 2435660A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
chamber
internal combustion
combustion engine
explosion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10721787A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Moder
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Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2435660A2 publication Critical patent/EP2435660A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/32—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with pressure velocity transformation exclusively in rotor, e.g. the rotor rotating under the influence of jets issuing from the rotor, e.g. Heron turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/14—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant
    • F02C3/16—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant the combustion chambers being formed at least partly in the turbine rotor or in an other rotating part of the plant
    • F02C3/165—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant the combustion chambers being formed at least partly in the turbine rotor or in an other rotating part of the plant the combustion chamber contributes to the driving force by creating reactive thrust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C5/00—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
    • F02C5/02—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion characterised by the arrangement of the combustion chamber in the chamber in the plant
    • F02C5/04—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion characterised by the arrangement of the combustion chamber in the chamber in the plant the combustion chambers being formed at least partly in the turbine rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K7/00—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
    • F02K7/005—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof the engine comprising a rotor rotating under the actions of jets issuing from this rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/10—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone
    • F02M25/12—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone the apparatus having means for generating such gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/24—Rotors for turbines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2260/10—Particular cycles
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a hydrogen engine, more generally, an internal combustion engine for the conversion of energy released in the combustion of a fuel, in particular a H 2 -O 2 mixture in mechanical work.
  • the invention relates to a hydrogen generator, in particular for supplying an internal combustion engine with a H 2 -O 2 mixture as fuel.
  • the hydrogen generator has a generator chamber in which at least two electrodes are arranged, which are supplied with electrical energy to electrolytically split water in the generator chamber into H 2 and O 2 .
  • Hydrogen is considered one of the most promising energy sources of the future.
  • Hydrogen has about 2.6 times the energy density of gasoline (based on mass). Hydrogen can be produced with very high efficiencies both electrolytically from virtually unlimited available water or biomass by the Kvaerner process.
  • the energy stored in the hydrogen can be converted into mechanical work in internal combustion engines or into electrical energy through a fuel cell.
  • the invention has for its object to provide an internal combustion engine for the conversion of stored in hydrogen chemical energy in mechanical work see. This object is achieved by a device according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
  • the internal combustion engine according to the invention is particularly suitable for the conversion of energy released in the combustion of an H 2 -O 2 mixture into mechanical work.
  • H 2 -O 2 mixture into mechanical work.
  • the internal combustion engine has at least one drive shaft, which is non-rotatably connected to a chamber component.
  • the chamber component comprises at least one explosion chamber.
  • the explosion chamber is at least partially filled with fuel via at least one fuel supply. Subsequently, the fuel introduced into the explosion chamber is ignited by an ignition device.
  • the explosion chamber has at least one outlet from which ignited fuel to the environment. When the ignited fuel escapes, a recoil occurs, which exerts a torque on the chamber component and drives it.
  • the outlet is preferably formed like a nozzle.
  • the chamber component transmits this torque to the drive shaft. After the fuel is burned, the explosion chamber is again at least partially filled with fuel, which can then be ignited again.
  • the fuel supply preferably comprises at least one channel-like recess in the drive shaft.
  • the channel-like recess may, in particular, comprise a blind bore introduced axially from one end of the drive shaft.
  • the channel-like recess preferably communicates with a fuel channel of the chamber component. Due to the channel-like recess and optionally the fuel passage of the fuel can be very easily introduced into the rotating explosion chamber of the chamber member, because the channel-like recess via a rotary coupling with a fuel reservoir can be coupled. An attaching to the chamber component much more complex rotary joint can therefore be omitted.
  • the rotary coupling In the region of the channel-like recess and / or the rotary coupling is preferably at least one check valve to prevent a rebounding of the explosion in the fuel reservoir.
  • the fuel in the explosion chamber Prior to ignition, the fuel in the explosion chamber is preferably without compression, ie O, 85 * po ⁇ p k ⁇ 1, 15 * p 0 where p 0 denotes the pressure outside the explosion chamber and P K the pressure of the fuel in the explosion chamber.
  • p 0 denotes the pressure outside the explosion chamber
  • P K the pressure of the fuel in the explosion chamber
  • the chamber component preferably comprises at least one coaxially seated on the drive shaft explosion disk, wherein the explosion disk has at least one recess which serves as an explosion chamber.
  • an explosion chamber makes it very easy to introduce and ignite the fuel into the explosion chamber, igniting the ignited fuel by e.g. Lateral opening of the explosion chamber escapes to generate by the resulting recoil a torque and transmitted to the drive shaft.
  • the explosion chamber in the axial direction preferably on both sides, closed by at least one cover plate.
  • a cover plate allows easy installation and, if necessary, revision of the explosion chamber or the entire explosion.
  • the cover plate or the cover plates, a fuel passage of the fuel supply and / or at least parts of the ignition device exhibit. This allows a particularly robust and easy to maintain construction of the chamber component.
  • the fuel ka na I to the explosion chamber preferably has at least one valve which is closed at least during the combustion of the fuel, e.g. a check valve. Thereby, a rebounding of combustion in parts of the fuel supply arranged outside the chamber component can be prevented. This makes it possible to guide an ignitable fuel mixture in the fuel channel to the explosion chamber. Consequently, it is sufficient to provide an optionally branching fuel channel and / or one fuel outlet per explosion chamber.
  • the valve preferably has a spring-loaded valve tappet, which is displaced by at least one control cam during rotation of the chamber component for opening and / or closing the valve.
  • the control cam is preferably arranged on a housing of the internal combustion engine and formed like a ramp.
  • the control cam may be formed on a control disk which is connected to the housing.
  • the position of the control cam is adjustable to control the opening time of the valve, i. the position of the valve relative to the housing where it is open. The opening time can be set particularly easily if the control cam is formed on a control disk and the control disk can be rotated against the housing.
  • control disk ring-shaped elongated holes, which are penetrated by at least one fastening bolt, so that the control disk is rotatable with the fastening bolts dissolved against the housing and with the fastening bolt tightened firmly connected to the housing.
  • the ignition device preferably comprises at least one electric spark generator, which rotates with the chamber component and via at least a rotary transformer is fed.
  • the ignition timing can be set almost arbitrarily.
  • the rotary transformer can transmit the energy necessary for ignition via sliding contacts and / or inductively from the non-rotating reference system to the chamber component rotating therein and / or the ignition device.
  • the spark generator co-rotates with the chamber component, the explosion chamber can be sealed very easily. Otherwise one would have to seal two mutually rotating parts against each other in such a way that even in the explosion of the fuel in the explosion chambers no significant pressure losses occur.
  • the seal would have to withstand the explosive combustion of the fuel in the explosion chamber permanently.
  • the fuel feed preferably comprises at least one line and / or a portion of a line which thermally insulated in the region of the chamber component against the explosion chamber.
  • thermally insulated herein means that there is an insulating layer between the explosion chamber and the fuel supply.
  • the same effect can also be achieved by actively cooling at least part of the fuel feed.
  • the fuel supply may be coaxially encased by a cooling line. Of course, cooling and insulation can also be combined.
  • the liquid is filled into the explosion chambers, which is at least partially vaporized by the heat produced during the combustion of the fuel and also escapes through the outlet.
  • a liquid evaporates, a large increase in volume takes place, so that the now gaseous liquid is expelled through the outlet, which causes the recoil and thus that on the drive shaft applied torque increases.
  • the evaporation of the liquid reduces the heat generated during the explosion and thus increases the efficiency.
  • the liquid may in particular be water, which is preferably injected into the explosion chamber in such a way that it is at least partially aerosolized.
  • the liquid for example as a mist
  • the explosion chamber can be cooled to such an extent before the fuel is introduced that self-ignition of the fuel on hot combustion products of the previous combustion or still hot chamber walls is precluded.
  • the subsequent combustion of the fuel then evaporates the liquid with the advantages mentioned above.
  • the internal combustion engine preferably comprises at least one coolant line with at least one outlet in the explosion clip in order to introduce a liquid which at least partially vaporizes in the explosion of the fuel into the explosion chamber.
  • the outlet of the coolant line which opens in the explosion chamber is preferably designed as a spray nozzle. This increases the surface area of the liquid in the explosion chamber and evaporates quickly and evenly.
  • At least one coolant valve e.g. a coolant check valve to prevent pressure generated by the coolant line during the explosion from being dissipated via the outlet rather than through the coolant line.
  • a coolant check valve to prevent pressure generated by the coolant line during the explosion from being dissipated via the outlet rather than through the coolant line.
  • the coolant line can be designed such that a liquid column remains between the outlet opening into the explosion chamber and the coolant valve after completion of the introduction of the liquid.
  • the liquid column in front of the valve from the perspective of the explosion chamber protects the coolant valve and the components behind it from high thermal stress due to the heat generated during the explosion of the fuel.
  • the coolant line is formed in the chamber component.
  • the coolant line may have a U-shaped section in the chamber component, with the bottom of the "U" facing radially outward.
  • a liquid column remains in the "U", which components are arranged in the limb of the coolant line facing away from the mouth of the coolant line, such as a coolant check valve or components connected thereto, such as a coolant pump against high thermal load by the at During the explosion, the liquid part of the fluid line in the outlet of the coolant line is heated, and this preheated liquid is then at least partially introduced into the explosion chamber, and because it is already preheated, less energy is needed to vaporize them, thereby further increasing the efficiency and at the same time cooling the chamber member by the subsequent liquid.
  • the hydrogen generator has the particular for supplying the above-described Verbrennungskraftma- is suitable with a H 2 -O 2 mixture, a generator chamber in which at least two carbon electrodes are arranged, which are connected to a power supply to be fed with electrical energy.
  • the active surface of the carbon electrodes decreases over time. If, in addition to the carbon electrodes, one also always operates at least one auxiliary metal electrode, eg of stainless steel, then a carbon layer collects on the metal electrodes and the active surface of the electrodes is retained. To clean the metal auxiliary electrodes, it is sufficient to switch off the carbon electrodes briefly and to repolder the metal auxiliary electrodes, eg only for a fraction of a second. As a result, the accumulated coal dust falls to the ground and the auxiliary electrodes can collect new carbon again.
  • the voltage applied to the auxiliary metal electrodes during polarity reversal is below the minimum voltage necessary for the electrolysis of water. This allows the gases (H 2 and O 2 ) to be collected separately with high purity.
  • At least one of the auxiliary metal electrodes preferably surrounds one of the carbon electrodes.
  • a rod-shaped carbon electrode may be coaxially seated in a tubular metal auxiliary electrode.
  • the hydrogen generator preferably comprises at least one emergency outlet which is closed by at least one pressure relief valve. If, during the production of the gases, a pressure is greater than the opening pressure of the pressure relief valve, then the pressure will be discharged via the emergency outlet. In particular, water can be drained through the emergency outlet because, unlike the discharge of one of the gases or even both gases, this does not increase the risk of fire or explo- sion. At the latest when the water has been completely discharged, the electrolysis is interrupted, ie no more gas is produced and therefore no further pressure is built up in the hydrogen generator.
  • the hydrogen generator preferably comprises at least one fan in order to dilute strongly as quickly as possible via the emergency outlet in the event of overpressure of gas to the environment, so that the risk of fire or explosion is reduced.
  • the blower can in particular be driven by a brushless electric motor. Such a motor does not generate sparks, the one
  • the hydrogen generator comprises at least one pressure switch to interrupt the electrolytic splitting of water into H 2 and O 2 when the pressure in the hydrogen generator rises above a predetermined value.
  • the pressure switch can disconnect electrodes from the power supply, eg all cathodes and / or all anodes.
  • FIG 1 an internal combustion engine
  • Figure 3 a side view of a housing
  • Figure 4 a front view of the housing
  • FIG. 6 a front view of the internal combustion engine (partially dismantled)
  • Figure 8 a slip ring disc
  • Figure 9 a front view of the internal combustion engine with
  • FIG. 10 a detail from FIG. 9 in section
  • Fig. 1 shows an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine has a housing 50 in which a drive shaft 10 is mounted.
  • the drive shaft protrudes on both sides of the housing 50.
  • the drive shaft On one side of the housing 50, the drive shaft has a keyway 11, e.g. a pulley, a clutch disc, a gear or the like.
  • In the housing 50 sits on the shaft 10 a rotatably connected thereto chamber member 60.
  • the chamber member 60 includes a first cover 20 and a second cover 40, between which an explosive disk 30 is arranged.
  • the drive shaft 10 has, as part of a fuel supply, a channel-like recess 12 (see Fig.
  • valve housing 44 A valve lifter 46 spring-loaded by a valve spring 48 is seated in the valve housing.
  • the valve housing 44, the valve lifter 46 and the valve spring 48 form a non-return valve (see Fig. 1).
  • an ignitable fuel mixture is passed through the channel-like recess 12 and the fuel passage 42 to the two valves and from there into each one explosion chamber 32 of the explosion disk 30.
  • the injection nozzle 80 is rotatably mounted in the shaft, that is, it does not rotate with the shaft, but serves as a connection for a fuel line.
  • the injector includes a check valve (not shown).
  • the fuel path of the Injector 80 to the recesses 32 is indicated in Fig. 1 by a directional arrows provided line.
  • Fig. 5 shows the explosion disk 30 in the front view (left) and the side view (right).
  • the explosion disk has two recesses 32, the explosion chambers. These are in the mounted state by the first and the second side cover 20, and 40 laterally closed (see Fig. 1).
  • the explosion chambers 32 each have a nozzle-like outlet 34 (see Fig. 5).
  • the axes of symmetry (not shown) of the nozzle-like outlets 34 of the explosion chambers 32 are secants of the perimeter of the explosion disk 30 (referring to FIG. 5, in FIG. 3D are planes of symmetry intersecting the enveloping cylinder surface of the chamber member 60).
  • an ignitable fuel for example a H 2 -O 2 mixture
  • the volume of the ignited fuel is expanded as a result of the resulting heat and this escapes at least partially through the outlets 34 of the explosion chamber 32 a recoil that puts a torque on the
  • a control disk 53 which has two ramps 54 formed in the manner of a cam, is provided in a housing recess.
  • the valve lifters 46 are displaced by the control cam 54 against the force of the valve springs 48, whereby the valves are opened and fuel can flow into the explosion chambers 32.
  • the valves close, and subsequently, ie, when the outlets 34 communicate with the environment via the housing outlets 52, an ignition device 22 (only approached) of the fuel in the explosion chambers 32 ignited and exploded.
  • each explosion chamber 32 is filled and ignited twice with fuel at each full revolution of the drive shaft 10.
  • the internal combustion engine thus has two work cycles per revolution.
  • the number of housing outlets and valves can be varied so that the internal combustion engine has only one or more than two work cycles per revolution.
  • the slip ring disc 70 includes an outer slip ring collar 72 that is rigidly connected to the housing and an inner slip ring ring 74 that is rigidly connected to the first side cover 20.
  • an inner slip ring 74 is connected to the igniters 22.
  • the ignition devices 22 are actuated by a transistor ignition (not shown), which detects the relative position of the chamber component 60 relative to the housing 50 via at least one measuring sensor 78. Based on this information, the ignition controls the ignition timing.
  • the injector 80 is, as indicated in Fig. 9 and Fig. 10, connected via a pipe 82 to a fuel source, such as a fuel tank or a hydrogen generator, which feeds the internal combustion engine with fuel.
  • a fuel source such as a fuel tank or a hydrogen generator
  • the internal combustion engine shown is designed for operation with a H 2 -O 2 mixture (in a ratio of 2 mol H 2 to 1 mol O 2 ).
  • H 2 -O 2 mixture in a ratio of 2 mol H 2 to 1 mol O 2 .
  • FIG. 11 shows a hydrogen generator with a generator housing 113.
  • Water was introduced into the generator housing 113 via a feed water (not shown).
  • the generator housing 113 is closed by a generator housing cover 110 which can be removed for revision purposes.
  • In the generator housing 113 are two stainless steel electrodes 101, 112 and two carbon electrodes 102, 111.
  • a stainless steel electrode 101, 112 each with a carbon electrode 102, 111 arranged to form a pair of electrodes
  • the generator housing 113 is divided by a partition wall 106 into two parts so that both sides of the
  • Partition wall 106 each a pair of electrodes each consisting of a stainless steel electrode 101, 112 and a carbon electrode 102, 111 is arranged.
  • the partition wall depends on the generator housing cover 110 between the two electrode pairs at least approximately down to the level of the lower ends of the electrode pairs, so that the two parts of the generator housing 113 communicate with each other below the partition.
  • the stainless steel electrode 101 forming one pair of electrodes and the carbon electrode 102 are connected in parallel to one pole of a power source (not shown) via terminals 104, 105 and the stainless steel electrode 112 forming the other electrode pair and the carbon electrode 111 to the other Pol the power source connected.
  • the voltage between the two electrode pairs is set to a value at least equal to the value corresponding to the voltage necessary for the electrolytic splitting of water. Accordingly, the water is split electrolytically into H 2 and O 2 .
  • the gases rise to the generator housing cover 110, which collect the two gases H 2 and O 2 separated by the partition 106 below the generator housing cover 110. There they are withdrawn separately through outlets 103 and 109.
  • a carbon layer is formed on the stainless steel electrodes 101, 112.
  • the carbon electrodes are disconnected from the power supply and the two stainless steel electrodes are reversed.
  • the voltage applied to the stainless steel electrodes 101, 112 during polarity reversal is preferably below the minimum voltage necessary for the electrolytic splitting of water, so that no O 2 and no H 2 are formed while the stainless steel electrodes 101, 112 are reversed. Accordingly, a mixing of the gases is avoided.
  • the carbon layer is detached from the stainless steel electrodes 101, 112 and falls down to the bottom of the generator housing 113. There she can be sucked up.
  • the voltage on the stainless steel electrodes 101, 112 is reversed again and the carbon electrodes 102, 111 are reconnected to the power supply. Now, the voltage applied between the electrodes is again selected to be sufficient for electrolytic splitting of water into O 2 and H 2 , thereby continuing gas production.
  • 111 carbon electrode e.g., cathode

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Abstract

Eine Verbrennungskraftmaschine für die Umwandlung von bei der Verbrennung eines Treibstoffes, insbesondere eines H2-O2 Gemisches, freiwerdender Energie in mechanische Arbeit, umfassend mindestens eine Antriebswelle 10, die mit mindestens einem Kammerbauteil 60 verbunden ist, welches mindestens eine Explosionskammer 32 aufweist, mindestens eine Treibstoffzuführung 12, 42, um Treibstoff in die Explosionskammer einzubringen, und mindestens eine Zündvorrichtung zum Zünden von in die Explosionskammer eingebrachtem Treibstoff, leistet schon bei geringen Drehzahlen eine relativ hohes Drehmoment, wenn die Explosionskammer mindestens einen Auslass aufweist, aus dem gezündeter Treibstoff an die Umgebung entweicht, wobei der Auslass derart angeordnet ist, dass der beim Entweichen des gezündeten Treibstoffs entstehende Rückstoß ein Drehmoment auf das Kammerbauteil ausübt.

Description

Wasserstoffmotor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wasserstoffmotor, allgemeiner formuliert, eine Verbrennungskraftmaschine für die Umwandlung von bei der Verbrennung eines Treibstoffes, insbesondere eines H2-O2 Gemisches frei werdender Energie in mechanische Arbeit. Zudem betrifft die Erfindung einen Wasserstoffgenerator, insbesondere zur Versorgung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem H2-O2 Gemisch als Treibstoff. Der Wasserstoffgenerator hat eine Generatorkammer, in der mindestens zwei Elektroden angeordnet sind, die mit elektrischer Energie gespeist werden, um Wasser in der Generatorkammer elektrolytisch in H2 und O2 zu spalten.
Stand der Technik
Wasserstoff gilt als einer der vielversprechendsten Energieträger der Zukunft.
Wasserstoff hat etwa die 2,6-fache Energiedichte von Benzin (auf die Masse bezogen). Wasserstoff lässt sich mit sehr hohen Wirkungsgraden sowohl elektrolytisch aus nahezu unbegrenzt zur Verfügung stehendem Wasser oder auch aus Biomasse durch das Kvaerner Verfahren erzeugen. Die im Wasserstoff gespei- cherte Energie kann in Verbrennungskraftmaschinen in mechanische Arbeit oder durch eine Brennstoffzelle in elektrische Energie umgesetzt werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von in Wasserstoff gespeicherter chemischer Energie in mechani- sehe Arbeit bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Verbrennungskraftmaschine nach der Erfindung ist insbesondere zur Umwandlung von bei der Verbrennung eines H2-O2 Gemisches frei werdender Ener- gie in mechanische Arbeit geeignet. Selbstverständlich können auch andere
Treibstoffe in der Verbrennungskraftmaschine, die nachfolgend auch verkürzt als Wasserstoffmotor bezeichnet wird, verbrannt werden. Die Verbrennungskraftmaschine hat mindestens eine Antriebswelle, die drehfest mit einem Kammerbauteil verbunden ist. Das Kammerbauteil umfasst mindestens eine Explosions- kammer. Die Explosionskammer wird über mindestens eine Treibstoffzuführung mit Treibstoff zumindest teilgefüllt. Anschließend wird durch eine Zündvorrichtung der in die Explosionskammer eingebrachte Treibstoff gezündet. Die Explosionskammer weist mindestens einen Auslass auf, aus dem gezündeter Treibstoff an die Umgebung entweicht. Beim Entweichen des gezündeten Treibstoffs ent- steht ein Rückstoß, der ein Drehmoment auf das Kammerbauteil ausübt und dieses antreibt. Der Auslass ist bevorzugt düsenartig ausgebildet Das Kammerbauteil überträgt dieses Drehmoment auf die Antriebswelle. Nach dem der Treibstoff verbrannt ist, wird die Explosionskammer erneut mit Treibstoff zumindest teilgefüllt, der dann wieder gezündet werden kann.
Die Treibstoffzuführung umfasst bevorzugt mindestens eine kanalartige Ausnehmung in der Antriebswelle. Die kanalartige Ausnehmung kann insbesondere eine vom einem Ende der Antriebswelle axial in diese eingebrachte Sackbohrung umfassen. Die kanalartige Ausnehmung kommuniziert bevorzugt mit einem Treibstoffkanal des Kammerbauteils. Durch die kanalartige Ausnehmung und gegebenenfalls den Treibstoffkanal kann der Treibstoff sehr einfach in die rotierende Explosionskammer des Kammerbauteils eingebracht werden, weil die kanalartige Ausnehmung über eine Drehkupplung mit einem Treibstoffreservoir gekoppelt werden kann. Eine an dem Kammerbauteil ansetzende viel aufwändigere Drehkupplung kann somit entfallen.
Im Bereich der kanalartigen Ausnehmung und/oder der Drehkupplung ist bevorzugt mindestens ein Rückschlagventil, um ein Rückschlagen der Explosion in das Treibstoffreservoir zu verhindern.
Vor der Zündung ist der Treibstoff in der Explosionskammer bevorzugt kompressionslos, d.h. O,85*po <pκ<l,15* p0 wobei p0 den Druck außerhalb der Explosionskammer und PK den Druck des Treibstoffs in der Explosionskammer bezeichnet. Somit herrscht vor der Zündung in der Explosionskammer zumindest in etwa das Druckniveau, welches außerhalb der Explosionskammer herrscht. Dadurch erreicht man relativ geringe Verbrennungstemperaturen und der Kühlungsaufwand bleibt gering.
Das Kammerbauteil umfasst vorzugsweise mindestens eine koaxial auf der Antriebswelle sitzende Explosionsscheibe, wobei die Explosionsscheibe mindestens eine Ausnehmung aufweist, welche als Explosionskammer dient. Eine solche Explosionskammer ermöglicht es sehr einfach, den Treibstoff in die Explosionskammer einzuführen und zu zünden, wobei der gezündete Treibstoff durch eine z.B. seitliche Öffnung der Explosionskammer entweicht, um durch den dabei entstandenen Rückstoß ein Drehmoment zu erzeugen und auf die Antriebswelle zu übertragen.
Bevorzugt ist die Explosionskammer in axialer Richtung, bevorzugt beidseits, durch mindestens eine Abdeckplatte verschlossen. Eine solche Abdeckplatte ermöglicht eine einfache Montage und nötigenfalls Revision der Explosionskammer bzw. der ganzen Explosionsscheibe.
Insbesondere können die Abdeckplatte bzw. die Abdeckplatten einen Treibstoffkanal der Treibstoffzuführung und/und zumindest Teile der Zündvorrichtung aufweisen. Dies ermöglicht einen besonders robusten und wartungsfreundlichen Aufbau des Kammerbauteils.
Der Treibstoff ka na I zu der Explosionskammer weist bevorzugt mindestens ein Ventil auf, das zumindest während der Verbrennung des Treibstoffs geschlossen ist, z.B. ein Rückschlagventil. Dadurch kann ein Rückschlagen der Verbrennung in außerhalb des Kammerbauteils angeordnete Teile der Treibstoffzuführung verhindert werden. Dies ermöglicht es, in dem Treibstoffkanal ein zündfähiges Treibstoffgemisch zu der Explosionskammer zu führen. Folglich genügt es, einen sich gegebenenfalls verzweigenden Treibstoffkanal und/oder einen Treibstoff- auslass pro Explosionskammer vorzusehen.
Das Ventil weist vorzugsweise einen federbelasteten Ventilstößel auf, der bei Rotation des Kammerbauteils zum Öffnen und/oder zum Schließen des Ventils durch mindestens einen Steuernocken verschoben wird. Der Steuernocken ist bevorzugt an einem Gehäuse der Verbrennungskraftmaschine angeordnet und rampenartig ausgebildet. Der Steuernocken kann an einer Steuerscheibe ausgebildet sein, die mit dem Gehäuse verbunden ist. Bevorzugt ist die Position des Steuernockens einstellbar, um den Öffnungszeitpunkt des Ventils steuern zu können, d.h. die Position des Ventils relativ zu dem Gehäuse, an dem es geöffnet ist. Der Öffnungszeitpunkt kann besonders einfach eingestellt werden, wenn der Steuernocken an einer Steuerscheibe ausgebildet ist und die Steuerscheibe gegen das Gehäuse verdreht werden kann. Beispielsweise kann die Steuerscheibe ringsegmentförmige Langlöcher aufweisen, die von je mindestens einem Befestigungsbolzen durchsetzt sind, so dass die Steuerscheibe bei gelösten Befestigungsbolzen gegen das Gehäuse verdrehbar und bei angezogenen Befestigungs- bolzen fest mit dem Gehäuse verbunden ist.
Zur Zündung umfasst die Zündvorrichtung bevorzugt mindestens einen elektrischen Funkenerzeuger, der mit dem Kammerbauteil rotiert und über mindestens einen Drehübertrager gespeist wird. Dadurch kann der Zündzeitpunkt nahezu beliebig eingestellt werden. Selbstverständlich kann der Drehübertrager die zum Zünden notwendige Energie über Schleifkontakte und/oder induktiv vom nicht rotierenden Bezugssystem auf das darin rotierende Kammerbauteil und/oder die Zündvorrichtung übertragen. Dadurch, dass der Funkenerzeuger mit dem Kammerbauteil mitrotiert, kann die Explosionskammer sehr einfach abgedichtet werden. Ansonsten müsste man zwei gegeneinander rotierende Teile so gegeneinander Abdichten, dass selbst bei der Explosion des Treibstoffs in den Explosionskammern keine nennenswerten Druckverluste auftreten. Zudem müßte die Abdichtung der explosionsartigen Verbrennung des Treibstoffs in der Explosionskammer dauerhaft standhalten.
Die Treibstoffzuführung umfasst bevorzugt mindestens eine Leitung und/oder ein Abschnitt einer Leitung die bzw. der im Bereich des Kammerbauteils gegen die Explosionskammer thermisch isoliert. Das ermöglicht es in dieser Leitung bzw. diesem Abschnitt ein zündfähiges Treibstoffgemisch zu transportieren, ohne dass es zu einer die Treibstoffzuführung beschädigenden Selbstentzündung des Treibstoffgemisches in der Treibstoff Zuführung kommt. Thermisch isoliert bedeutet hier z.B., dass zwischen der Explosionskammer und der Treibstoffzuführung eine Isolierschicht ist. Die gleiche Wirkung kann auch durch eine aktive Kühlung mindestens eines Teils der Treibstoffzuführung erreicht werden. Insbesondere kann die Treibstoffzuführung koaxial von einer Kühlleitung ummantelt sein. Natürlich können Kühlung und Isolation auch kombiniert werden.
Bevorzugt wird in die Explosionskammern nicht nur ein zündfähiger Treibstoff, sondern auch eine Flüssigkeit einfüllt, die durch die bei der Verbrennung des Treibstoffs entstehende Wärme zumindest teilweise verdampft und ebenfalls durch den Auslass entweicht. Beim Verdampfen der Flüssigkeit findet eine starke Volumenvergrößerung statt, so dass die nun gasförmige Flüssigkeit durch den Auslass ausgestoßen wird was den Rückstoß und damit das an der Antriebswelle anliegende Drehmoment erhöht. Zudem wird durch das Verdampfen der Flüssigkeit die bei der Explosion entstehende Hitze reduziert und somit der Wirkungsgrad erhöht. Die Flüssigkeit kann insbesondere Wasser sein, welches vorzugsweise so in die Explosionskammer eingespritzt wird, dass es zumindest teilweise vernebelt. Besonders bevorzugt wird zunächst die Flüssigkeit, z.B. als Nebel, in die Brennkammer eingefüllt und erst anschließend die Explosionskammer mit dem Treibstoff zumindest teilgefüllt. Dadurch kann die Explosionskammer vor dem Einfüllen des Treibstoffs soweit gekühlt werden, dass eine Selbstentzündung des Treibstoffes an heißen Verbrennungsprodukten der vorhergegangenen Verbrennung oder noch heißen Kammerwänden ausgeschlossen wird. Bei der anschließenden Verbrennung des Treibstoffs verdampft dann die Flüssigkeit mit den oben genannten Vorteilen.
Dementsprechend umfasst die Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise mindestens eine Kühlmittelleitung mit mindestens einem Auslass in der Explosions- klammer, um eine Flüssigkeit, die bei der Explosion des Treibstoffs zumindest teilweise verdampft, in die Explosionskammer einzubringen. Dadurch kann wie oben beschrieben der Wirkungsgrad erhöht werden.
Der in der Explosionskammer mündende Auslass der Kühlmittelleitung ist bevorzugt als Zerstäubungsdüse ausgebildet. Dadurch wird die Oberfläche der Flüssig- keit in der Explosionskammer erhöht und sie verdampft schnell und gleichmäßig.
In der Kühlmittelleitung ist zudem bevorzugt mindestens ein Kühlmittelventil, z.B. ein Kühlmittelrückschlagventil um zu verhindern, dass über die Kühlmittelleitung bei der Explosion entstehender Druck nicht über den Auslass sondern über die Kühlmitteleitung abgebaut wird. Zudem kann über das Kühlmittelventil der Zeitpunkt wann die Flüssigkeit der Explosionskammer eingebracht wird sowie die
Menge geregelt werden. Insbesondere kann die Kühlmittelleitung derart ausgebildet sein, dass zwischen dem in der Explosionskammer mündenden Auslass und dem Kühlmittelventil nach Abschluss des Einbringens der Flüssigkeit eine Flüssigkeitssäule stehen bleibt. Dann schützt die aus Sicht der Explosionskammer vor dem Ventil stehen- de Flüssigkeitssäule das Kühlmittelventil und dahinter liegende Bauteile vor hoher thermischer Belastung durch die bei der Explosion des Treibstoffs entstehende Wärme.
Bevorzugt ist die Kühlmittelleitung in dem Kammerbauteil ausgebildet. Beispielsweise kann die Kühlmittelleitung U-förmig ausgebildeten Abschnitt in dem Kammerbauteil aufweisen, wobei der Boden des „U" radial nach außen weist.
Dadurch bleibt bei rotierendem Kammerbauteil in dem „U" eine Flüssigkeitssäule stehen, welche in dem der Mündung der Kühlmittelleitung abgewandten Schenkel der Kühlmittelleitung angeordnete Bauteile, wie z.B. ein Kühlmittelrückschlagventil, oder daran angeschlossene Bauteile, wie z.B. eine Kühlmittelpumpe vor hoher thermischer Belastung durch die bei der Explosion des Treibstoffs entstehende Wärme schützt. Bei der Explosion wird der in dem Auslass der Kühlmittelleitung zugewandten Teil der Kühlmittelleitung stehende Teil der Flüssigkeit erwärmt. Diese vorgewärmte Flüssigkeit wird anschließend zumindest zum Teil in die Explosionskammer eingebracht. Weil sie schon vorgewärmt ist, wird weniger Energie benötigt, um sie zu verdampfen. Dadurch kann der Wirkungsgrad weiter erhöht werden und gleichzeitig wird das Kammerbauteil durch die nachfolgende Flüssigkeit gekühlt.
Zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser hat man bisher metallische Elektroden eingesetzt, die jedoch sehr teuer sind. Überraschenderweise hat sich bei Versuchen herausgestellt, dass Kohlenstoffelektroden, die wesentlich günstiger sind, ebenfalls die elektrolytische Spaltung von Wasser bei einem hohen Wirkungsgrad ermöglichen. Entsprechend hat der Wasserstoffgenerator der insbesondere zur Versorgung der zuvor beschriebenen Verbrennungskraftma- schine mit einem H2-O2 Gemisch geeignet ist, eine Generatorkammer, in der mindestens zwei Kohlenstoffelektroden angeordnet sind, die mit einer Stromversorgung verbunden sind, um mit elektrischer Energie gespeist zu werden.
Beim Betrieb des Wasserstoffgenerators sinkt im Laufe der Zeit die aktive Ober- fläche der Kohlenstoffelektroden. Betreibt man zusätzlich zu den Kohlenstoffelektroden auch noch je mindestens eine Metallhilfselektrode, z.B. aus Edelstahl, dann sammelt sich auf den Metallelektroden eine Kohleschicht und die aktive Oberfläche der Elektroden bleibt erhalten. Zum Reinigen der Metallhilfselektroden genügt es die Kohlenstoffelektroden kurz abzuschalten und die Metallhilfs- elektroden umzupolen, z.B. nur für den Bruchteil einer Sekunde. Dadurch fällt der angesammelte Kohlenstaub zu Boden und die Hilfselektroden können wieder neuen Kohlenstoff ansammeln. Bevorzugt ist die beim Umpolen an den Metallhilfselektroden anliegende Spannung unterhalb der für eine Elektrolyse von Wasser notwendigen Mindestspannung. Dadurch können die Gase (H2 und O2) mit hoher Reinheit separat aufgefangen werde.
Bevorzugt umgibt mindestens eine der Metallhilfselektroden eine der Kohlenstoffelektroden. Z.B. kann eine stabförmige Kohlenstoffelektrode koaxial in einer rohrförmigen Metallhilfselektrode sitzen.
Der Wasserstoffgenerator umfasst bevorzugt mindestens einen Notauslass der durch mindestens ein Überdruckventil verschlossen ist. Entsteht bei der Produktion der Gase ein Druck der größer gleich dem Öffnungsdruck des Überdruckventils ist, dann wird der Druck über den Notauslass abgelassen werden. Durch den Notauslass kann insbesondere Wasser abgelassen werden, weil dadurch, anders als beim Ablassen eines der Gase oder sogar beider Gase die Brand- bzw. Explo- sionsgefahr nicht erhöht wird. Spätestens wenn das Wasser komplett abgegeben wurde wird die Elektrolyse unterbrochen, d.h. es wird kein Gas mehr produziert und somit auch kein weiterer Druck in dem Wasserstoffgenerator aufgebaut. Bevorzugt umfasst der Wasserstoffgenerator bevorzugt mindestens ein Gebläse, um über den Notauslass bei Überdruck an die Umwelt abgegebenes Gas möglichst schnell stark zu verdünnen, damit die Brand- bzw. Explosionsgefahr zu reduziert wird. Das Gebläse kann insbesondere durch einen bürstenlosen Elektro- motor angetrieben werden. Ein solcher Motor erzeugt keine Funken, die einen
Brand bzw. eine Explosion auslösen könnte.
Bevorzugt umfasst der Wasserstoffgenerator mindestens einen Druckschalter, um die elektrolytische Spaltung von Wasser in H2 und O2 zu unterbrechen, wenn der Druck in dem Wasserstoffgenerator über einen vorbestimmen Wert steigt. Insbesondere kann der Druckschalter Elektroden von der Stromversorgung trennen, z.B. alle Kathoden und/oder alle Anoden.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
Figur 1: eine Verbrennungskraftmaschine
Figur 2: eine Antriebswelle
Figur 3: eine Seitenansicht eines Gehäuses
Figur 4: eine Vorderansicht des Gehäuses
Figur 5: eine Explosionsscheibe
Figur 6: eine Vorderansicht der Verbrennungskraftmaschine (teilzerlegt)
Figur 7: eine seitliche Abdeckung
Figur 8: eine Schleifringscheibe Figur 9: eine Vorderansicht auf die Verbrennungskraftmaschine mit
Schleifringscheibe, und
Figur 10: ein Detail aus Figur 9 im Schnitt,
Figur 11 einen Wasserstoffgenerator.
Fig. 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine hat ein Gehäuse 50, in welchem eine Antriebswelle 10 gelagert ist. Die Antriebswelle ragt beidseits dem Gehäuse 50 heraus. Auf einer Seite des Gehäuses 50 hat die Antriebswelle eine Passfedernut 11 um z.B. eine Riemenscheibe, eine Kupplungsscheibe, ein Zahnrad oder dgl. drehfest mit der Antriebswelle 10 zu verbin- den. In dem Gehäuse 50 sitzt auf der Welle 10 ein drehfest mit dieser verbundenes Kammerbauteil 60. Das Kammerbauteil 60 umfasst eine erste Abdeckung 20 und eine zweite Abdeckung 40, zwischen denen eine Explosionsscheibe 30 angeordnet ist. Die Antriebswelle 10 hat als Teil einer Treibstoffzuführung eine als koaxiale Sackbohrung ausgeführte kanalartige Ausnehmung 12 (vgl. Fig. 1), die mit einem Treibstoffkanal 42 in der zweiten seitlichen Abdeckung 40 kommuniziert. Der Treibstoffkanal 42 hat zwei radial nach außen verlaufende Zweige, die je in ein Ventilgehäuse 44 münden. In dem Ventilgehäuse sitzt ein durch eine Ventilfeder 48 federbelasteter Ventilstößel 46. Das Ventilgehäuse 44, der Ventilstößel 46 und die Ventilfeder 48 bilden ein Rückschlagventil (vgl. Fig. 1).
Über eine in der kanalartigen Ausnehmung 12 der Antriebswelle sitzende Einspritzdüse 80 wird ein zündfähiges Treibstoffgemisch durch die kanalartige Ausnehmung 12 und den Treibstoffkanal 42 zu den beiden Ventilen und von dort in je eine Explosionskammer 32 der Explosionsscheibe 30 geleitet. Die Einspritzdüse 80 ist drehbar in der Welle gelagert, d.h. sie rotiert nicht mit dem Welle mit, sondern dient als Anschluss für eine Treibstoffleitung. Um In jedem Fall ein Rückschlagen einer Explosion in die Treibstoffleitung zu verhindern, umfasst die Einspritzdüse ein Rückschlagventil (nicht dargestellt). Der Kraftstoffpfad von der Einspritzdüse 80 zu den Ausnehmungen 32 ist in Fig. 1 durch eine mit Richtungspfeilen versehene Linie angedeutet.
Fig. 5 zeigt die Explosionsscheibe 30 in der Frontansicht (links) und der Seitenansicht (rechts). Die Explosionsscheibe hat zwei Ausnehmungen 32, die Explosions- kammern. Diese sind im montierten Zustand durch die erste und die zweite seitliche Abdeckung 20, bzw. 40 seitlich verschlossen (vgl. Fig. 1). Die Explosionskammern 32 haben je einen düsenartig ausgebildeten Auslass 34 (vgl. Fig. 5). Die Symmetrieachsen (nicht eingezeichnet) der düsenartigen Auslässe 34 der Explosionskammern 32 sind Sekanten des Umkreises der Explosionsscheibe 30 (in Be- zug auf Fig. 5, in 3D sind es Symmetrieebenen, die die einhüllende Zylindermantelfläche des Kammerbauteils 60 schneiden). Wird ein zündfähiger Treibstoff, z.B. ein H2-O2 Gemisch, in den Explosionskammern 32 gezündet, so findet durch die dabei entstandene Wärme eine Volumenausdehnung des gezündeten Treibstoffes statt und dieser entweicht zumindest teilweise durch die Auslässe 34 der Ex- plosionskammer 32. Dabei entsteht ein Rückstoß, der ein Drehmoment auf die
Explosionsscheibe und somit über die drehfest mit der Explosionsscheibe 30 verbundene Antriebswelle 10 ausübt und diese somit antreibt.
Zum Befüllen der Explosionskammer 32 werden die Ventile geöffnet. Dazu ist in einer Gehäuseausnehmung eine Steuerscheibe 53, die zwei rampenartig ausge- bildete Steuernocken 54 aufweist. Wenn das Kammerbauteil mit der Welle 10 in dem Gehäuse rotiert, dann werden die Ventilstößel 46 durch die Steuernocken 54 gegen die Kraft der Ventilfedern 48 verschoben, wodurch die Ventile geöffnet werden und Treibstoff in die Explosionskammern 32 strömen kann. Kurz bevor die Auslässe 34 der Explosionskammer 32 über Gehäuseauslässe 52 mit der Umwelt kommunizieren, schließen die Ventile und anschließend, d.h. wenn die Auslässe 34 über die Gehäuseauslässe 52 mit der Umgebung kommunizieren, wird über eine an der ersten seitlichen Abdeckplatte 20 angebrachte Zündvorrichtung 22 ( nur ansatzweise dargestellt) der Treibstoff in den Explosions- kammern 32 gezündet und zur Explosion gebracht. Dabei wird zumindest ein Teil des Verbrennungsproduktes durch die Auslässe 34 der Explosionskammern 32 und die Gehäuseauslässe 52 aus den Explosionskammern herausgedrückt. Jede Explosionskammer 32 wird bei jeder vollen Umdrehung der Antriebswelle 10 zwei Mal mit Treibstoff gefüllt und gezündet. In dem gezeichneten Beispiel hat die Verbrennungskraftmaschine somit zwei Arbeitstakte pro Umdrehung. Natürlich kann die Anzahl der Gehäuseauslässe und Ventile verändert werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine nur einen oder mehr als zwei Arbeitstakte pro Umdrehung hat.
Vor der ersten seitlichen Abdeckplatte 20 sitzt eine Schleifringscheibe 70 (vgl.
Fig. 8 bis Fig. 10). Die Schleifringscheibe 70 umfasst einen äußeren Schleifringkranz 72, der starr mit dem Gehäuse verbunden ist und einen inneren Schleifringkranz 74, der starr mit der ersten seitlichen Abdeckung 20 verbunden ist. Um den äußeren mit dem inneren Schleifringkranz elektrisch zu verbinden ist ein Schleifkontakt 76 vorgesehen (vgl. Fig. 10). Der innere Schleifringkranz 74 ist mit den Zündvorrichtungen 22 verbunden. Die Zündvorrichtungen 22 werden durch eine Transistorzündung (nicht dargestellt) angesteuert, welche über mindestens eine Messsensor 78 die Relativposition des Kammerbauteils 60 zu dem Gehäuse 50 erfasst. Anhand dieser Information steuert die Zündung den Zündzeit- punkt.
Die Einspritzdüse 80 ist, wie in Fig. 9 und Fig. 10 angedeutet, über eine Rohrleitung 82 mit einer Treibstoffquelle, z.B. einen Treibstofftank oder einen Wasserstoffgenerator, verbunden, welcher die Verbrennungskraftmaschine mit Treibstoff speist. Die gezeigte Verbrennungskraftmaschine ist für den Betrieb mit ei- nem H2-O2 Gemisch (im Verhältnis 2 Mol H2 zu 1 Mol O2) ausgelegt. Aus Sicherheitsgründen ist es sinnvoll den Wasserstoff und den Sauerstoff in separaten Leitungen zu dem Einspritzventil zu leiten und erst möglichst kurz vor der Explo- sionskammer oder erst darin zu mischen. Im gezeigten Beispiel erfolgt die Mischung im Einspritzventil.
Figur 11 zeigt einen Wasserstoffgenerator mit einem Generatorgehäuse 113. In das Generatorgehäuse 113 wurde über einen nicht dargestellten Zulauft Was- ser 114 eingefüllt. Das Generatorgehäuse 113 ist durch einen zu revisionszwe- cken abnehmbaren Generatorgehäusedeckel 110 verschlossen. In dem Generatorgehäuse 113 sind zwei Edelstahlelektroden 101, 112 und zwei Kohleelektroden 102, 111. Dabei ist je eine Edelstahlelektrode 101, 112 mit je einer Kohleelektrode 102, 111 zu einem Elektrodenpaar angeordnet Das Generatorgehäu- se 113 ist durch eine Trennwand 106 in zwei Teile geteilt, so dass beidseits der
Trennwand 106 je ein Elektrodenpaar aus je einer Edelstahlelektrode 101, 112 und einer Kohleelektrode 102, 111 angeordnet ist. Die Trennwand hängt von dem Generatorgehäusedeckel 110 zwischen den beiden Elektrodenpaaren zumindest etwa bis auf Höhe der unteren Enden der Elektrodenpaare herab, so dass die beiden Teile des Generatorgehäuses 113 unterhalb der Trennwand miteinander kommunizieren.
Zum Erzeugen von H2 und O2 werden die ein Elektrodenpaar bildende Edelstahlelektrode 101 und die Kohleelektrode 102 über Anschlüsse 104, 105 parallel mit einem Pol einer Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden und die das andere Elektrodenpaar bildende Edelstahlelektrode 112 und die Kohleelektrode 111 mit dem anderen Pol der Stromquelle verbunden. Die Spannung zwischen den beiden Elektrodenpaaren wird auf einen Wert eingestellt der mindestens so groß ist wie der Wert der der Spannung entspricht, die zum elektrolytischen Spalten von Wasser notwendig ist. Entsprechend wird das Wasser elektrolytisch in H2 und O2 gespalten. Die Gase steigen zum Generatorgehäusedeckel 110 auf, wobei die sich die beiden Gase H2 und O2 durch die Trennwand 106 getrennt unterhalb des Generatorgehäusedeckels 110 sammeln. Dort werden sie getrennt durch Auslässe 103 und 109 abgezogen. Während der Elektrolyse bildet sich auf den Edelstahlelektroden 101, 112 eine Kohleschicht. Zum Entfernen der Kohleschicht von den Edelstahlelektroden 101, 112 werden die Kohleelektroden von der Stromversorgung getrennt und die beiden Edelstahlelektroden werden umgepolt. Die beim Umpolen an den Edelstahlelektroden 101, 112 anliegende Spannung liegt bevorzugt unter der zum elektrolytischen Spalten von Wasser notwendigen Mindestspannung, so dass während die Edelstahlelektroden 101, 112 umgepolt sind kein O2 und kein H2 entsteht. Entsprechend wird eine Vermischung der Gase vermieden. Durch das Umpolen der zwischen an den Edelstahlelektroden 101, 112 anliegenden Spannung löst sich die Kohleschicht von den Edelstahlelektroden 101, 112 und fällt auf den Boden des Generatorgehäuses 113 herunter. Dort kann sie aufgesaugt werden. Nachdem die Kohleschicht zumindest zum Teil herabgefallen ist, wird die Spannung an den Edelstahlelektroden 101, 112 erneut umgepolt und die Kohleelektroden 102, 111 werden wieder mit der Stromversorgung verbunden. Nun wird die zwischen den Elektroden anliegende Spannung wieder ausreichend zum elektrolytischen Spalten von Wasser in O2 und H2 gewählt wodurch die Gasproduktion fortgesetzt wird.
Bezugszeichenliste
10 Antriebswelle
11 Passfedernut 12 kanalartige Ausnehmung
13 Passfeder
20 seitliche Abdeckplatte (erste)
22 Zündvorrichtung
30 Explosionsscheibe 32 Explosionskammer
34 Auslass der Explosionskammer 32, hier düsenartig geformt
36 zentrale Ausnehmung für Antriebswelle 10
38 Löcher für Bolzen zum Verspannen der Explosionsscheibe 30 zwischen den Abdeckplatten 20, 40 40 seitliche Abdeckplatte (zweite)
42 Treibstoffkanal
44 Ventilgehäuse
46 Ventilstößel
48 Ventilfeder 50 Gehäuse
52 Gehäuseauslass für Verbrennungsprodukte
53 Steuerscheibe
54 Steuernocke
56 Gehäuseausnehmung für Antriebswelle, Lager, etc. 58 Befestigung für Schalldämpfer
60 Kammerbauteil
70 Schleifringscheibe 72 äußerer Schleifringkranz
74 innerer Schleifringkranz
76 Schleifkontakt
78 Messsensor 79 Zündzeitpunktgeber
80 Einspritzdüse
90 Riemenscheibe
101 Edelstahlelektrode ( z.B. Anode)
102 Kohleelektrode ( z.B. Anode) 103 Auslass
104 Anschluss Kohleelektrode
105 Anschluss Edelstahlelektrode
106 Trennwand
107 Anschluss Edelstahlelektrode 108 Anschluss Kohleelektrode
109 Auslass Sauerstoff
110 Generatorgehäusedeckel
111 Kohleelektrode (z.B. Kathode)
112 Edelstahlelektrode (z.B. Kathode) 113 Generatorgehäuse
114 Wasser

Claims

Patentansprüche
1. Verbrennungskraftmaschine für die Umwandlung von bei der Verbrennung eines Treibstoffes, insbesondere eines H2-O2 Gemisches, freiwerdender Energie in mechanische Arbeit, umfassend
- mindestens eine Antriebswelle (10), die mit mindestens einem
Kammerbauteil (60) verbunden ist, welches mindestens eine Explosionskammer (32) aufweist,
mindestens eine Treibstoffzuführung (42, 44, 80), um Treibstoff in die Explosionskammer (32) einzubringen, und
- mindestens eine Zündvorrichtung (22) zum Zünden von in die Explosionskammer (32) eingebrachtem Treibstoff,
wobei die Explosionskammer (32) mindestens einen Auslass (34) aufweist, aus dem gezündeter Treibstoff an die Umgebung entweicht, und der Aus- lass (34) derart angeordnet ist, dass der beim Entweichen des gezündeten
Treibstoffs entstehende Rückstoß ein Drehmoment auf das Kammerbauteil (60) ausübt.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibstoff Zuführung mindestens eine kanalartige Ausnehmung (12) in der Antriebswelle (10) umfasst.
3. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet dass, das Kammerbauteil (60) mindestens eine koaxial auf der Antriebswelle (10) sitzende Explosionsscheibe (30) umfasst, welche als Explosionskammer (32) eine Ausnehmung aufweist.
4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Explosionskammer in axialer Richtung beidseits durch mindestens eine Abdeckplatte (20, 40) verschlossen ist.
5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Treibstoff Zuführung mindestens einen Treibstoffkanal (42) in dem Kammerbauteil (60) umfasst.
6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Abdeckplatten (20, 30) einen Treibstoffkanal (42) der Treibstoff Zuführung und/oder zumindest Teile der Zündvorrichtung (22) aufweist.
7. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibstoffkanal (42) mindestens ein Ventil aufweist, welches zumindest während der Verbrennung des Treibstoffs verschlossen ist, um ein Rückschlagen der Verbrennung in außerhalb des Kammerbauteils (60) angeordnete Teile der Treibstoffzuführung zu verhindern wird.
8. Verbrennungskraftmaschine nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil einen federbelasteten Ventilstößel (46) aufweist, der bei Rotation des Kammerbauteils (60) zum Öffnen und/oder Schließen des Ventils durch eine Steuerscheibe (53) verschoben wird.
9. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung einen Funkenerzeuger (22) umfasst, der mit dem Kammerbauteil (60) rotiert und über mindestens einen Schleifkontakt (76) gespeist wird.
10. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibstoff Zuführung (42) zumindest im Bereich des Kammerbauteils (60) gegen die Explosionskammer (32) isoliert ist.
11. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibstoff Zuführung (42) zumindest im Bereich des Kammerbauteils (60) gekühlt ist.
12. Wasserstoffgenerator insbesondere zur Versorgung einer Verbrennungs- kraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem H2 O2
Gemisch als Treibstoff umfassend eine Generatorkammer in der zwei Elektroden angeordnet sind, die mit elektrischer Energie gespeist werden, um Wasser in der Generatorkammer elektrolytisch in H2 und O2 zu spalten, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Elektroden Kohlenstoff umfasst.
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