EP4288649B1 - Gas supply system, energy converter, and method for operating a direct fuel injection internal combustion engine - Google Patents

Gas supply system, energy converter, and method for operating a direct fuel injection internal combustion engine Download PDF

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EP4288649B1
EP4288649B1 EP21820456.8A EP21820456A EP4288649B1 EP 4288649 B1 EP4288649 B1 EP 4288649B1 EP 21820456 A EP21820456 A EP 21820456A EP 4288649 B1 EP4288649 B1 EP 4288649B1
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EP
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oxyhydrogen
combustion engine
energy converter
internal combustion
supply system
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Oliver Richter
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Individual
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0203—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
    • F02M21/0206—Non-hydrocarbon fuels, e.g. hydrogen, ammonia or carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C25B1/044—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water producing mixed hydrogen and oxygen gas, e.g. Brown's gas [HHO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/05—Pressure cells
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen
    • F02B2043/106—Hydrogen obtained by electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to an energy converter having a gas supply system.
  • the long-term goal is to largely dispense with the combustion of fossil fuels to generate energy.
  • the new concepts for generating electrical energy and for driving vehicles that have been considered so far have the disadvantage that they cannot be implemented by converting existing power plants and vehicles, but require the replacement of existing technology and the creation of a new supply and distribution infrastructure.
  • driving vehicles using hydrogen require a fuel cell with a hydrogen pressure gas tank instead of a conventional combustion engine with a fuel tank, and a A refueling infrastructure for hydrogen will be created, as well as the possibility of producing hydrogen centrally and distributing it to hydrogen filling stations.
  • the US 2009/0320789 A1 describes a device by means of which several different fuels can be mixed before they are introduced into the high-pressure reservoir of an internal combustion engine.
  • the device can have a diesel tank and a gas tank that contains hydrogen or oxyhydrogen.
  • the WO 2020/075178 A1 describes an internal combustion engine that is operated using oxyhydrogen gas.
  • This internal combustion engine has an electrolyzer, the gases produced by which are initially stored in a separate hydrogen tank and an oxygen tank before being mixed again immediately before being fed into an internal combustion engine.
  • the US2007/0080070 A1 discloses an electrolyzer that can be used to generate oxyhydrogen gas.
  • the oxyhydrogen gas is fed into a tank and then fed into an internal combustion engine through pressure lines.
  • an object of the present invention is to provide an energy converter which can be operated using a fuel supply system for a conventional direct injection internal combustion engine, in which the fuel provided can be produced from a widely available base substance and which does not require any structural changes to the internal combustion engine.
  • an energy converter that has a gas supply system for a direct injection combustion engine, which has an electrolyzer.
  • the gas supply system also has an oxyhydrogen tank that stores hydrogen and oxygen from the electrolyzer.
  • the oxyhydrogen tank has a volume in the range of 800 cm 3 to 1000 cm 3. It acts as an expansion tank when supplying gas to the combustion engine.
  • the gas supply system has an oxyhydrogen line that is fluidically connected to the oxyhydrogen tank. It is designed to be connected to a high-pressure accumulator (common rail) of the combustion engine.
  • the gas supply system has an overpressure switch that is set up to switch off the electrolyzer depending on a pressure in the oxyhydrogen tank.
  • the overpressure switch is particularly preferably set up to switch off the electrolyzer when a pressure threshold value in the range of 400 hPa to 800 hPa is reached.
  • This overpressure switch has the advantage that, on the one hand, a sufficient supply of oxyhydrogen is ensured in the oxyhydrogen tank in order to be able to provide sufficient oxyhydrogen even in the event of a sudden load change of the combustion engine and, on the other hand, the pressure in the oxyhydrogen tank is limited so much that it does not have to have a high pressure resistance and that the amount of oxyhydrogen stored cannot lead to a dangerous deflagration if a leak occurs.
  • the gas supply system also has a pressure reducer arranged in the oxyhydrogen line. This allows an oxyhydrogen flow fed into the high-pressure accumulator to be set to an optimum pressure for the operation of the combustion engine. If the direct-injection combustion engine is, for example, a 1.4 l four-cylinder gasoline engine with a nominal output of 75 kW, a pressure reduction to 80 hPa is advantageous.
  • the electrolyzer, the oxyhydrogen tank, the oxyhydrogen line and, if necessary, the overpressure switch and the pressure reducer can be designed as a common assembly which represents the gas supply system and which can be subsequently installed as a whole in the fuel supply system of an internal combustion engine. This installation can take place between a low-pressure area and a high-pressure area of the fuel supply system.
  • the oxyhydrogen line is connected to the high-pressure accumulator via a high-pressure pump in the high-pressure area.
  • An inlet of the electrolyzer is connected to a fuel tank in particular via a low-pressure pump in the low-pressure area. It is preferable to install the gas supply system as close to the high-pressure pump as possible in order to keep the gas-carrying lines short.
  • the gas supply system can have a conventional electrolyzer that outputs hydrogen and oxygen separately. These can then be fed into the oxyhydrogen tank through two separate gas lines.
  • the electrolyzer which has at least one cathode and at least one anode, differs from conventional electrolyzers from which hydrogen and oxygen are taken separately, in that it has a common oxyhydrogen outlet. This means that the hydrogen and oxygen gases produced at the cathode and anode by electrolysis can mix in the electrolyzer to form oxyhydrogen and then leave the electrolyzer through the oxyhydrogen outlet.
  • the oxyhydrogen tank is then fluidically connected to the oxyhydrogen outlet.
  • the electrolyzer does not have to correspond to a preferred design or size, but the design used must enable the described functionality.
  • the size of the electrolyzer depends on the intended use and is not subject to a minimum or maximum size.
  • the electrolyzer has a circular cylindrical housing A water inlet is arranged in a circular area and the oxyhydrogen outlet is arranged in a jacket surface.
  • Such an electrolyzer is designed so that the longitudinal axis of its housing is arranged essentially horizontally so that water can flow into the housing along or parallel to the longitudinal axis.
  • the housing simultaneously functions as an electrolysis chamber and as a collecting chamber for the hydrogen and oxygen gases produced by the electrolysis, which mix there to form oxyhydrogen and can be fed into the oxyhydrogen tank through the oxyhydrogen outlet.
  • the oxyhydrogen gas outlet is preferably arranged at the highest point in the installation position of the electrolyzer.
  • a cuboid frame is arranged in the housing.
  • the cathode and the anode are each arranged on a side surface of the frame.
  • This arrangement of the cathode and the anode is preferably vertical, so that even when the water level in the housing is low, both electrodes are immersed in the water.
  • the frame is preferably attached to the two circular surfaces of the housing. This is particularly preferably achieved in that the circular surfaces each have recesses on their side facing the interior of the housing, into which the frame engages.
  • the cathode consists in particular of a platinum wire. This is preferably wound around a cathode plate of the frame.
  • the anode consists in particular of a graphite-based foil. It is arranged in particular between a frame-shaped anode plate of the frame and an anode frame.
  • the gas supply system is preferably set up to automatically switch off the electrolyzer.
  • the energy converter has a direct-injection combustion engine, the high-pressure accumulator of which is fluidically connected to the oxyhydrogen line of the gas supply system.
  • a water tank is fluidically connected to a water inlet of the electrolyzer of the gas supply system.
  • the oxyhydrogen gas is introduced into the combustion chamber of a cylinder in an injection stroke (stroke 1 in a 4-stroke internal combustion engine) of the internal combustion engine, compressed in a compression stroke (stroke 2) and ignited at the transition to stroke 3.
  • stroke 1 in a 4-stroke internal combustion engine
  • stroke 2 compressed in a compression stroke
  • stroke 3 the volume of the gaseous oxyhydrogen gas is reduced to the volume of the liquid water that is created due to the formation of liquid water as a combustion product of the hydrogen/oxygen gas mixture.
  • This volume reduction is calculated to be 99.5% and leads to a decompression in the cylinder that mathematically reaches the value 199.9:1.
  • this value would only be achieved under normal conditions, i.e. an initial temperature of 20 °C and an initial pressure of 1013.25 hPa.
  • the internal combustion engine designed as a reciprocating piston engine is a self-contained system with closed valves that can only react to pressure changes by moving the piston upwards or downwards. If the internal combustion engine is a 4-stroke internal combustion engine, during normal use with fossil fuels, the high pressure created by combustion causes the piston to move downwards in stroke 3. If, on the other hand, oxyhydrogen is burned in the internal combustion engine, a considerable negative pressure occurs at the end of stroke 3, which the reciprocating piston, which has now passed bottom dead center, can only compensate for by moving upwards in stroke 4. Since the negative pressure is very high, as described above, this creates a force that moves the piston upwards to compensate for the negative pressure created by the reduction in volume.
  • This force is not an effect of the low overpressure initially created when the oxyhydrogen is burned, but rather the reaction of the "combustion engine” system to the disturbance variable "decompression” as a result of the reduction in volume of the burned oxyhydrogen to the volume of the water created.
  • the combustion engine is therefore not driven by the combustion enthalpy of the oxyhydrogen, but by the pressure change in the cylinder at the end of stroke 3.
  • the combustion of the oxyhydrogen only serves to generate a negative pressure as a disturbance pulse.
  • the combustion engine reacts to this disturbance pulse in the only way possible, namely by moving the piston upwards in stroke 4.
  • the mechanical energy created in this way can be tapped at the crankshaft.
  • the energy that can be tapped in the combustion engine is somewhat less than Theoretically or mathematically, the pulling force on the piston to compensate for the negative pressure would be, since during the upward movement of the piston in stroke 4 the exhaust valves are already opened and thus part of the negative pressure is compensated by incoming air. With the complete upward movement of the piston, the water molecules that have formed are ejected together with the air that has flowed in.
  • the internal combustion engine drives a generator and that the generator is connected to the electrolyzer via an electrical connection. In this way, at least part of the kinetic energy of the internal combustion engine can be converted into electrical energy, which can be used to operate the electrolyzer.
  • the generator can be driven directly or indirectly. In addition to driving the generator, the internal combustion engine can also drive other users.
  • the generator is electrically connected to an energy storage device, which is connected to the electrolyzer via the electrical connection.
  • an energy storage device In order to start the internal combustion engine, it is first necessary to generate oxyhydrogen gas, for which the electrolyzer must be supplied with electrical energy. This can be provided by the energy storage device.
  • the energy storage device can be recharged using the generator so that energy can be kept available for a later restart of the internal combustion engine.
  • the energy storage device can also be used to operate a starter of the internal combustion engine and thus enable an initial oxyhydrogen combustion in a piston of the internal combustion engine.
  • the electrical connection between the generator and the electrolyzer preferably runs through an overpressure switch of the gas supply system.
  • an overpressure switch of the gas supply system When a predetermined oxyhydrogen pressure is reached in the oxyhydrogen tank, In this way, the supply of electrical energy to the electrolyzer by a generator can be temporarily interrupted until the pressure has dropped sufficiently to require further electrolysis.
  • the combustion engine can be arranged in particular in a motor vehicle.
  • the generator can then be an alternator of the motor vehicle and the energy storage device can be a battery of the motor vehicle.
  • the gas supply system enables the motor vehicle to operate by burning oxyhydrogen gas, which is generated from water.
  • the water tank is a fuel tank of the motor vehicle. This makes it possible to install the gas supply system as a retrofit element in the fuel supply system of the motor vehicle and to fill the fuel tank with water, which is then passed on to the electrolyzer.
  • the water In order to give the water an optimal electrical conductivity for electrolysis, it preferably contains at least 0.6 mmol of an alkali halide, such as sodium chloride or potassium chloride, or an ammonium halide, such as ammonium chloride, as an electrolyte.
  • an alkali halide such as sodium chloride or potassium chloride
  • an ammonium halide such as ammonium chloride
  • Sodium chloride is particularly preferably used as an electrolyte. Since the electrolyte is not used up, it can generally be added to the electrolyzer once in order to always give the incoming water the required electrolyte concentration. This can be done by filling it up once with an electrolyte solution, whereby it is then sufficient to add water to the water tank, which no longer needs to contain any electrolyte.
  • the fuel acts as an electrical insulator between the cathode and the anode in the electrolyzer. No electrochemical reaction then takes place in the electrolyzer and the fuel can instead be pumped through the electrolyzer and the oxyhydrogen tank into the high-pressure system of the combustion engine, which resumes its conventional operation when burning fossil fuels.
  • the internal combustion engine of a motor vehicle has an air supply. Since electrolytically generated oxyhydrogen already has the optimal mixture ratio between hydrogen and oxygen for combustion, the inflow of additional air only means that a larger volume of gas has to be compressed and thus the performance of the internal combustion engine drops. In order to prevent this inflow of air, it is therefore preferable for the air supply of the internal combustion engine to be closed. This can be achieved, for example, by permanently closing a throttle valve in the air supply. The provision of a closure on the air supply can also be provided.
  • the energy converter it can be provided that water vapor generated in the combustion engine is condensed and the condensed water is returned to the water tank. Since the electrolyte is not consumed, the required electrolyte concentration in the electrolyzer can be maintained even when the electrolyzer is operated with condensed water.
  • the energy converter Since a consumer operated with the energy converter functions independently of ambient air or external oxygen, it can also be operated in a vacuum, under water or in other atmospheres. In principle, the energy converter can be used anywhere and in all areas of application, both technically and geographically.
  • FIG. 1 An energy converter according to an embodiment of the invention is shown in Figure 1.
  • this is an energy converter of a motor vehicle.
  • This has a gas supply system 10 which has been installed in the fuel supply system of the motor vehicle.
  • An electrolyzer 20 is connected to an oxyhydrogen gas tank 12 in the gas supply system 10 via a first oxyhydrogen gas line 11.
  • the oxyhydrogen gas tank 12 is set up to temporarily store oxyhydrogen gas generated in the electrolyzer 20 and then release it into a second oxyhydrogen gas line 13 in which a pressure reducer 14 is arranged.
  • An overpressure switch 15 is arranged on the oxyhydrogen gas tank 12. It is set up to interrupt an electrical connection which connects the electrolyzer 20 to several energy sources.
  • the motor vehicle has a fuel tank 30 which is not filled with a fossil fuel, but with water 31 in which 0.4 g/l of sodium chloride is dissolved.
  • a low-pressure line 32 connects the fuel tank 30 to a water inlet of the electrolyzer 20.
  • An electric fuel pump 33 is arranged in the low-pressure line 32 and pumps the water 31 from the fuel tank 30 into the electrolyzer 20.
  • the electric fuel pump 33 delivers gasoline from the fuel tank 30 to a high-pressure fuel pump 41.
  • the gas supply system 10 is installed in the fuel supply system in such a way that it interrupts the fuel line leading from the electric fuel pump 33 to the high-pressure fuel pump 41 and the high-pressure fuel pump 41 is connected to the second oxyhydrogen line 13.
  • the gas supply system 10 is thus supplied with water via the electric fuel pump 33 and in turn supplies the high-pressure fuel pump 41 with oxyhydrogen via the second oxyhydrogen line 13.
  • the high-pressure fuel pump 41 delivers gasoline through a high-pressure fuel line 42 into a high-pressure reservoir 43 of an internal combustion engine 50, which in the present embodiment is designed as a direct-injection four-stroke gasoline engine.
  • the high-pressure fuel pump 41 instead delivers the oxyhydrogen gas into the high-pressure fuel reservoir 43 along the same path.
  • the injection strategy of the internal combustion engine 50 stored in the engine control unit of the internal combustion engine 50 has not been changed, so that oxyhydrogen gas is injected from the high-pressure fuel reservoir 43 into the combustion chambers of the cylinders of the internal combustion engine 50 in the same way as is provided for direct gasoline injection.
  • An intake manifold in which a throttle valve 52 is arranged acts as the air supply 51 of the combustion engine 50.
  • the air supply 51 is closed by blocking the throttle valve 52 in the closed position.
  • the internal combustion engine 50 has an electric starter 53. Its crankshaft is connected to the drive train of the motor vehicle (not shown). Furthermore, part of the torque of the internal combustion engine 50 is taken from an electric generator 54. An energy storage device 60 in the form of a battery is connected to the generator 54 via an electrical connection and can be charged by it. To start the internal combustion engine 50, the starter 53 and the electrolyzer 20 are supplied with electrical energy from the energy storage device 60 via the electrical connection 61. When the internal combustion engine 50 is operating, the electrolyzer 20 is supplied via the generator 54. This supply can be temporarily interrupted by the overpressure switch 15.
  • the cooling water pump of the combustion engine 50 (not shown) is switched off. Nevertheless, during operation of the combustion engine Depending on the load, only an exhaust gas temperature in the range of 700°C to 900°C and an oil temperature in the range of 95°C to 105°C are required.
  • the Figures 2 - 4 show representations of the electrolyzer 20 in the gas supply system 10.
  • the electrolyzer 20 has a circular cylindrical housing with a jacket surface 210 and two circular surfaces 220. In the present embodiment, the length of the housing is 20 cm and the diameter of the circular surfaces 220 is also 20 cm each.
  • the electrolyzer is arranged so that its longitudinal axis runs horizontally.
  • An oxyhydrogen outlet 212 at the uppermost point of the jacket surface 210 enables oxyhydrogen to escape into the first oxyhydrogen line 11. Water pumped by the electric fuel pump 33 is fed into the interior of the electrolyzer 20 through a water inlet 222 in one of the circular surfaces 220.
  • a cuboid frame 240 is arranged in the housing of the electrolyzer and carries a cathode 250 and a Figures 2 - 4 invisible anode.
  • the cathode 250 is designed as a meandering platinum wire which is wound around a cathode plate 241 of the frame 240, which supports the cathode 250 in this way.
  • the anode is clamped between an anode plate 244 and an anode frame 261.
  • the cathode 250 is connected to an electrical cathode connection 253 and the anode is connected to an electrical anode connection 263.
  • the two electrical connections 253, 263 are guided through the same circular area 220 through which the water inlet 222 also runs.
  • FIG. 5 shows all components of the electrolyzer 20 in an exploded view.
  • the outer surface 210 has an opening 211 into which the oxyhydrogen outlet 212 is inserted.
  • a tangential compensation disk 213 is provided to compensate between the curved surface of the outer surface 210 and the oxyhydrogen outlet 212.
  • On the outside of the Six screw rods 214 are arranged on the casing surface 210, each of which has a rod section whose length corresponds to the length of the casing surface 210.
  • a thread is arranged at each of the two ends of the rod section, which projects beyond the casing surface 210.
  • the circular surface 220 which has the water inlet 222, has an opening 221 in which the water inlet 222 is inserted.
  • Two further openings 223 serve to accommodate electrical feedthroughs 224.
  • One of the electrical connections 253, 263 is guided through each of the electrical feedthroughs 224.
  • Each electrical feedthrough 224 is fixed by means of a nut 225 on the outside and a nut 226 on the inside of the circular surface 220, in that the nuts 225, 226 are attached to an external thread of the electrical feedthroughs 224.
  • Both the circular surface 220, which has the openings 221, 223, and the further circular surface 220 each have six holes through which the threaded sections of the screw rods 214 are guided.
  • a hexagon cap nut 227 and a washer 228 are attached to each threaded section. Both circular surfaces 220 have two grooves 229 on their inner side, in which the frame 240 engages and is thus clamped between the two circular surfaces 220.
  • Two O-rings 231, 232 with different diameters serve to seal each of the circular surfaces 220 against the outer surface 210.
  • the frame 240 has the cathode plate 241, which is serrated on its top and bottom to engage with the meanders of the cathode 250.
  • Three fixing strips 242 and three spacers 243 connect the cathode plate 241 to the frame-shaped anode plate 244.
  • cylinder screws 245 are guided through holes in the cathode plate 241 and the anode plate 244 and end in the fixing strips 242 and the spacers 243.
  • Three further Cylinder screws 246 are guided by means of which the fixing strips 242 are screwed to the inside of the circular surface 220, which has the water inlet 222.
  • the cathode 250 is clamped to the cathode plate 241 by means of fixing clamps 251.
  • Two cylinder screws 252 each fasten one of the fixing clamps 251 to the cathode plate 241.
  • the anode 260 is designed as a graphite membrane (SIGRAFLEX ® from SGL Carbon). It is clamped between the frame-shaped anode plate 244 and an anode frame 261. For this purpose, the anode plate 244 and the anode frame 261 are screwed together with cylinder screws 262. The electrical connection 263 of the anode 260 is attached to this.
  • SIGRAFLEX ® graphite membrane
  • the electrolyzer contains no moving parts and is therefore not subject to mechanical wear.
  • the cathode 250 and the anode 260 are also made of durable materials that do not wear out. Leaks can occur on the sealing surfaces of the oxyhydrogen outlet 212 and the water inlet 222 as well as on the O-rings 231, 232, which can be replaced if necessary.
  • opening the electrolyzer 20 to replace the O-rings 231, 232 its interior can also be cleaned of sodium chloride deposited there, which can precipitate if the water is oversaturated with this electrolyte.
  • the electrolyzer 20 heats up slightly. This waste heat is released into the environment. The heating is so slight that no active cooling is required for the electrolyzer 20 as long as unhindered heat release to the environment is ensured.
  • the gas supply system can be used for all mobile or stationary direct-injection combustion engines, regardless of the fuel previously used, such as gasoline, diesel, gas or other fuels. This means that the gas supply system can also be used in shipping, in power plants or for local generators. In principle, the gas supply system can be used with any direct-injection combustion engine, regardless of its size or use.
  • both the mechanical energy and the thermal energy can be used, for example to generate electricity by means of a generator (mechanical energy) with simultaneous use of the waste heat (thermal energy) to generate steam.
  • seawater already contains sodium chloride as an electrolyte. Since the salt content of seawater is too high (approx. 35 g/l seawater), it should be replaced with fresh water (for example from a on-board seawater desalination plant) (approx. 87 l fresh water to 1 l sea water). In inland shipping, an electrolyte can be added to the fresh water in the required quantity.
  • the expanded application possibilities include, not least, the conversion of coal, oil or gas power plants in which the turbines were previously driven by steam generated by the combustion of coal, oil or gas.
  • the turbines are driven directly by the units.
  • the waste heat from the units can still be used to generate steam.
  • existing coal, oil or gas power plants can be converted and continued to be used at relatively low cost, but without polluting the environment as before and without these power plants having to be shut down and abandoned.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energiewandler, der ein Gasversor-gungssystem aufweist.The present invention relates to an energy converter having a gas supply system.

Stand der TechnikState of the art

Aus Gründen des Klimaschutzes besteht das langfristige Ziel weitgehend auf die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung zu verzichten. Bisher angedachte neue Konzepte zur elektrischen Energiegewinnung sowie zum Antreiben von Fahrzeugen haben allerdings den Nachteil, dass sie nicht durch Umrüstung vorhandener Kraftwerke und Kraftfahrzeuge realisiert werden können, sondern den Austausch der vorhandenen Technologie und die Schaffung einer neuen Versorgungs- und Verteilungsinfrastruktur erforderlich machen. Während beispielsweise die Idee besteht, Kraftfahrzeuge mittels Wasserstoff als Energieträger anzutreiben, benötigen solche Kraftfahrzeuge anstelle eines herkömmlichen Verbrennungsmotors mit einem Kraftstofftank eine Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffdruckgastank und es müsste eine Betankungsinfrastruktur für Wasserstoff geschaffen werden sowie die Möglichkeit den Wasserstoff zentral zu produzieren und an Wasserstofftankstellen zu verteilen.For reasons of climate protection, the long-term goal is to largely dispense with the combustion of fossil fuels to generate energy. However, the new concepts for generating electrical energy and for driving vehicles that have been considered so far have the disadvantage that they cannot be implemented by converting existing power plants and vehicles, but require the replacement of existing technology and the creation of a new supply and distribution infrastructure. For example, while there is the idea of driving vehicles using hydrogen as an energy source, such vehicles require a fuel cell with a hydrogen pressure gas tank instead of a conventional combustion engine with a fuel tank, and a A refueling infrastructure for hydrogen will be created, as well as the possibility of producing hydrogen centrally and distributing it to hydrogen filling stations.

Die US 2009/0320789 A1 beschreibt eine Vorrichtung mittels derer mehrere unterschiedliche Kraftstoffe gemischt werden können, bevor sie in den Hochdruckspeicher eines Verbrennungsmotors eingeleitet werden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Dieseltank und einen Gastank aufweist, welches Wasserstoff oder Knallgas enthält.The US 2009/0320789 A1 describes a device by means of which several different fuels can be mixed before they are introduced into the high-pressure reservoir of an internal combustion engine. The device can have a diesel tank and a gas tank that contains hydrogen or oxyhydrogen.

Die WO 2020/075178 A1 beschreibt einen Verbrennungsmotor, der mittels Knallgases betrieben wird. Dieser Verbrennungsmotor weist einen Elektrolyseur auf, dessen erzeugte Gase zunächst in je einem separaten Wasserstofftank und einem Sauerstofftank gelagert werden, bevor sie unmittelbar vor Einleitung in einen Verbrennungsmotor wieder vermischt werden.The WO 2020/075178 A1 describes an internal combustion engine that is operated using oxyhydrogen gas. This internal combustion engine has an electrolyzer, the gases produced by which are initially stored in a separate hydrogen tank and an oxygen tank before being mixed again immediately before being fed into an internal combustion engine.

Die US2007/0080070 A1 offenbart einen Elektrolyseur, mit dem Knallgas erzeugt werden kann. Das Knallgas wird in einen Tank geleitet und dann durch Druckleitungen in einen Verbrennungsmotor eingeleitet.The US2007/0080070 A1 discloses an electrolyzer that can be used to generate oxyhydrogen gas. The oxyhydrogen gas is fed into a tank and then fed into an internal combustion engine through pressure lines.

Um dem oben erwähnten Problem zu begegnen besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Energiewandler bereitzustellen, der unter Verwendung eines Kraftstoffversorgungssystems für einen herkömmlichen direkt einspritzenden Verbrennungsmotor betrieben werden kann, in dem der bereitgestellte Kraftstoff aus einer überall verfügbaren Grundsubstanz hergestellt werden kann und das keine baulichen Veränderungen am Verbrennungsmotor erforderlich macht.In order to address the above-mentioned problem, an object of the present invention is to provide an energy converter which can be operated using a fuel supply system for a conventional direct injection internal combustion engine, in which the fuel provided can be produced from a widely available base substance and which does not require any structural changes to the internal combustion engine.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch einen Energiewandler gelöst, der ein Gasversorgungssystem für einen direkt einspritzenden Verbrennungsmotor aufweist, welches einen Elektrolyseur aufweist. Das Gasversorgungssystem weist weiterhin einen Knallgastank auf, der Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Elektrolyseur speichert. Der Knallgastank weist ein Volumen im Bereich von 800 cm3 bis 1000 cm3 auf. Er fungiert bei der Gasversorgung des Verbrennungsmotors als Ausgleichsbehälter.This task is solved by an energy converter that has a gas supply system for a direct injection combustion engine, which has an electrolyzer. The gas supply system also has an oxyhydrogen tank that stores hydrogen and oxygen from the electrolyzer. The oxyhydrogen tank has a volume in the range of 800 cm 3 to 1000 cm 3. It acts as an expansion tank when supplying gas to the combustion engine.

Schließlich weist das Gasversorgungssystem eine Knallgasleitung auf, die fluidisch mit dem Knallgastank verbunden ist. Sie ist eingerichtet, um mit einem Hochdruckspeicher (Common-Rail) des Verbrennungsmotors verbunden zu werden.Finally, the gas supply system has an oxyhydrogen line that is fluidically connected to the oxyhydrogen tank. It is designed to be connected to a high-pressure accumulator (common rail) of the combustion engine.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Gasversorgungssystem einen Überdruckschalter aufweist, der eingerichtet ist, um in Abhängigkeit von einem Druck im Knallgastank den Elektrolyseur abzuschalten. Besonders bevorzugt ist der Überdruckschalter eingerichtet, um den Elektrolyseur abzuschalten, wenn ein Druckschwellenwert im Bereich von 400 hPa bis 800 hPa erreicht wird. Dieser Überdruckschalter hat den Vorteil, dass einerseits eine ausreichende Knallgasbevorratung im Knallgastank gewährleistet wird, um auch bei einem plötzlichen Lastwechsel des Verbrennungsmotors ausreichend Knallgas zur Verfügung stellen zu können und andererseits der Druck im Knallgastank so stark begrenzt wird, dass dieser keine hohe Druckbeständigkeit aufweisen muss und dass die bevorratete Knallgasmenge beim Auftreten einer Leckage zu keiner gefährlichen Verpuffung führen kann.Furthermore, it is preferred that the gas supply system has an overpressure switch that is set up to switch off the electrolyzer depending on a pressure in the oxyhydrogen tank. The overpressure switch is particularly preferably set up to switch off the electrolyzer when a pressure threshold value in the range of 400 hPa to 800 hPa is reached. This overpressure switch has the advantage that, on the one hand, a sufficient supply of oxyhydrogen is ensured in the oxyhydrogen tank in order to be able to provide sufficient oxyhydrogen even in the event of a sudden load change of the combustion engine and, on the other hand, the pressure in the oxyhydrogen tank is limited so much that it does not have to have a high pressure resistance and that the amount of oxyhydrogen stored cannot lead to a dangerous deflagration if a leak occurs.

Außerdem ist es bevorzugt, dass das Gasversorgungssystem weiterhin einen Druckminder aufweist, der in der Knallgasleitung angeordnet ist. Hierdurch kann ein in den Hochdruckspeicher eingespeister Knallgasstrom auf einen für den Betrieb des Verbrennungsmotors optimalen Druck eingestellt werden. Wenn es sich bei dem direkt einspritzenden Verbrennungsmotor beispielsweise um einen 1,4 I Vierzylinder Ottomotor mit einer nominalen Leistung von 75 kW handelt, so ist eine Druckreduzierung auf 80 hPa vorteilhaft.It is also preferred that the gas supply system also has a pressure reducer arranged in the oxyhydrogen line. This allows an oxyhydrogen flow fed into the high-pressure accumulator to be set to an optimum pressure for the operation of the combustion engine. If the direct-injection combustion engine is, for example, a 1.4 l four-cylinder gasoline engine with a nominal output of 75 kW, a pressure reduction to 80 hPa is advantageous.

Der Elektrolyseur, der Knallgastank, die Knallgasleitung und gegebenenfalls der Überdruckschalter und der Druckminderer können als gemeinsame Baugruppe ausgeführt werden, welche das Gasversorgungssystem darstellt und die als Ganzes nachträglich in das Kraftstoffversorgungssystem eines Verbrennungsmotors eingebaut werden kann. Dieser Einbau kann zwischen einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich des Kraftstoffversorgungssystems erfolgen. Dabei wird die Knallgasleitung über eine Hochdruckpumpe des Hochdruckbereichs mit dem Hochdruckspeicher verbunden. Ein Einlass des Elektrolyseurs wird insbesondere über eine Niederdruckpumpe des Niederdruckbereichs mit einem Kraftstofftank verbunden. Es ist bevorzugt, das Gasversorgungssystem möglichst nahe an der Hochdruckpumpe einzubauen, um die gasführenden Leitungen kurz zu halten.The electrolyzer, the oxyhydrogen tank, the oxyhydrogen line and, if necessary, the overpressure switch and the pressure reducer can be designed as a common assembly which represents the gas supply system and which can be subsequently installed as a whole in the fuel supply system of an internal combustion engine. This installation can take place between a low-pressure area and a high-pressure area of the fuel supply system. The oxyhydrogen line is connected to the high-pressure accumulator via a high-pressure pump in the high-pressure area. An inlet of the electrolyzer is connected to a fuel tank in particular via a low-pressure pump in the low-pressure area. It is preferable to install the gas supply system as close to the high-pressure pump as possible in order to keep the gas-carrying lines short.

Grundsätzlich kann das Gasversorgungssystem einen herkömmlichen Elektrolyseur aufweisen, der Wasserstoff und Sauerstoff separat ausgibt. Diese können dann durch zwei separate Gasleitungen in den Knallgastank geleitet werden. Der Elektrolyseur, welcher mindestens eine Kathode und mindestens eine Anode aufweist, unterscheidet sich von herkömmlichen Elektrolyseuren, denen Wasserstoff und Sauerstoff separat entnommen werden, jedoch darin, dass er einen gemeinsamen Knallgasauslass aufweist. Dies bedeutet, dass die an der Kathode und der Anode durch Elektrolyse entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff sich noch im Elektrolyseur zu Knallgas vermischen können, um den Elektrolyseur anschließend durch den Knallgasauslass zu verlassen. Der Knallgastank ist dann fluidisch mit dem Knallgasauslass verbunden.In principle, the gas supply system can have a conventional electrolyzer that outputs hydrogen and oxygen separately. These can then be fed into the oxyhydrogen tank through two separate gas lines. The electrolyzer, which has at least one cathode and at least one anode, differs from conventional electrolyzers from which hydrogen and oxygen are taken separately, in that it has a common oxyhydrogen outlet. This means that the hydrogen and oxygen gases produced at the cathode and anode by electrolysis can mix in the electrolyzer to form oxyhydrogen and then leave the electrolyzer through the oxyhydrogen outlet. The oxyhydrogen tank is then fluidically connected to the oxyhydrogen outlet.

Der Elektrolyseur muss keiner bevorzugten Bauform oder Größe entsprechen, die verwendete Bauform muss jedoch die beschriebene Funktionalität ermöglichen. Die Größe des Elektrolyseurs ist abhängig vom Verwendungszweck und unterliegt keiner Minimal- oder Maximalgröße. In einer Ausführungsform weist der Elektrolyseur ein kreiszylinderförmiges Gehäuse auf. Dabei ist ein Wassereinlass in einer Kreisfläche angeordnet und der Knallgasauslass ist in einer Mantelfläche angeordnet. Ein solcher Elektrolyseur ist dazu vorgesehen, dass die Längsachse seines Gehäuses im Wesentlichen horizontal angeordnet wird, sodass Wasser entlang oder parallel zur Längsachse in das Gehäuse einströmen kann. Das Gehäuse fungiert dabei gleichzeitig als Elektrolyseraum und als Sammelraum für die durch die Elektrolyse entstandenen Gase Wasserstoff und Sauerstoff, die sich dort zu Knallgas vermischen und durch den Knallgasauslas in den Knallgastank geleitet werden können.The electrolyzer does not have to correspond to a preferred design or size, but the design used must enable the described functionality. The size of the electrolyzer depends on the intended use and is not subject to a minimum or maximum size. In one embodiment, the electrolyzer has a circular cylindrical housing A water inlet is arranged in a circular area and the oxyhydrogen outlet is arranged in a jacket surface. Such an electrolyzer is designed so that the longitudinal axis of its housing is arranged essentially horizontally so that water can flow into the housing along or parallel to the longitudinal axis. The housing simultaneously functions as an electrolysis chamber and as a collecting chamber for the hydrogen and oxygen gases produced by the electrolysis, which mix there to form oxyhydrogen and can be fed into the oxyhydrogen tank through the oxyhydrogen outlet.

Hierzu ist der Knallgasauslass vorzugsweise in der Einbauposition des Elektrolyseurs an seinem obersten Punkt angeordnet.For this purpose, the oxyhydrogen gas outlet is preferably arranged at the highest point in the installation position of the electrolyzer.

Zur Positionierung der Kathode und der Anode im Gehäuse, ist es weiterhin bevorzugt, dass ein quaderförmiger Rahmen in dem Gehäuse angeordnet ist. Die Kathode und die Anode sind dabei jeweils an einer Seitenfläche des Rahmens angeordnet. Diese Anordnung der Kathode und der Anode erfolgt vorzugsweise jeweils vertikal, sodass bereits bei einem geringen Wasserfüllstand im Gehäuse beide Elektroden in das Wasser eintauchen. Der Rahmen ist vorzugsweise an den beiden Kreisflächen des Gehäuses befestigt. Besonders bevorzugt ist dies dadurch realisiert, dass die Kreisflächen an ihrer dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Seite jeweils Ausnehmungen aufweisen, in welche der Rahmen eingreift.To position the cathode and the anode in the housing, it is further preferred that a cuboid frame is arranged in the housing. The cathode and the anode are each arranged on a side surface of the frame. This arrangement of the cathode and the anode is preferably vertical, so that even when the water level in the housing is low, both electrodes are immersed in the water. The frame is preferably attached to the two circular surfaces of the housing. This is particularly preferably achieved in that the circular surfaces each have recesses on their side facing the interior of the housing, into which the frame engages.

Für das Material der Kathode sowie der Anode bestehen keine festen Vorgaben. Die verwendeten Materialien sollten jedoch gut leitend und möglichst inert sein, um einen Verschleiß der Kathode oder der Anode zu vermeiden. Die Kathode besteht insbesondere aus einem Platindraht. Dieser ist vorzugsweise um eine Kathodenplatte des Rahmens gewickelt. Die Anode besteht insbesondere aus einer auf Graphit basierenden Folie. Sie ist insbesondere zwischen einer rahmenförmigen Anodenplatte des Rahmens und einem Anodenrahmen angeordnet.There are no fixed specifications for the material of the cathode and the anode. However, the materials used should be highly conductive and as inert as possible to avoid wear on the cathode or the anode. The cathode consists in particular of a platinum wire. This is preferably wound around a cathode plate of the frame. The anode consists in particular of a graphite-based foil. It is arranged in particular between a frame-shaped anode plate of the frame and an anode frame.

Selbst bei ungewollter Entzündung des im Gasversorgungssystem vorhandenen Knallgases geht keine Gefahr davon aus, da die vorhandene geringe Menge an Knallgas an der Austrittstelle mit einer Flamme rasch verbrennt, jedoch nicht explodiert. Für den Fall eines Lecks am Gasversorgungssystem und dem damit verbundenen Druckabfall im Knallgastank ist das Gasversorgungssystem vorzugsweise dazu eingerichtet, dass es den Elektrolyseur automatisch abschaltet.Even if the oxyhydrogen gas in the gas supply system is accidentally ignited, there is no danger, as the small amount of oxyhydrogen gas present burns quickly with a flame at the point of exit, but does not explode. In the event of a leak in the gas supply system and the associated drop in pressure in the oxyhydrogen gas tank, the gas supply system is preferably set up to automatically switch off the electrolyzer.

Der Energiewandler weist außer dem Gasversorgungssystem einen direkt einspritzenden Verbrennungsmotor auf, dessen Hochdruckspeicher fluidisch mit der Knallgasleitung des Gasversorgungssystems verbunden ist. Ein Wassertank ist fluidisch mit einem Wassereinlass des Elektrolyseurs des Gasversorgungssystems verbunden. Im Betrieb des Energiewandlers wird Wasser aus dem Wassertank in die Elektrolysezelle geleitet und dort elektrolytisch Knallgas erzeugt. Dieses wird im Knallgastank zwischengespeichert und durch die Knallgasleitung in den Hochdruckspeicher geleitet. Dort wird es in derselben Weise vorgehalten, wie ein unter Druck stehender flüssiger Kraftstoff des Verbrennungsmotors und in derselben Weise direkt in die Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt.In addition to the gas supply system, the energy converter has a direct-injection combustion engine, the high-pressure accumulator of which is fluidically connected to the oxyhydrogen line of the gas supply system. A water tank is fluidically connected to a water inlet of the electrolyzer of the gas supply system. When the energy converter is in operation, water is fed from the water tank into the electrolysis cell, where oxyhydrogen is generated electrolytically. This is temporarily stored in the oxyhydrogen tank and fed through the oxyhydrogen line into the high-pressure accumulator. There it is stored in the same way as a pressurized liquid fuel of the combustion engine and injected directly into the cylinders of the combustion engine in the same way.

Das Knallgas wird in einem Einspritztakt (Takt 1 bei einem 4-Takt-Verbrennungsmotor) des Verbrennungsmotors in den Brennraum eines Zylinders eingebracht, in einem Kompressionstakt (Takt 2) komprimiert und am Übergang zu Takt 3 gezündet. Durch die Zündung des Knallgases verringert sich durch Entstehung von flüssigem Wasser als Verbrennungsprodukt des Wasserstoff-/Sauerstoffgasgemischs im Idealfall das Volumen des gasförmigen Knallgases auf das Volumen des entstehenden flüssigen Wassers. Diese Volumenreduktion beträgt rechnerisch 99,5 % und führt im Zylinder zu einer Dekompression die rechnerisch den Wert 199,9 : 1 erreicht. Dieser Wert würde allerdings nur bei Normalbedingungen also einer Ausgangstemperatur von 20 °C und einem Ausgangsdruck von 1013,25 hPa erreicht. Unter Betriebsbedingungen wird ein tatsächlicher Dekompressionswert von ca. 100 : 1 erreicht. Diese Dekompression im Zylinder nach Umsetzung des Knallgases in Wasser führt zu einer Temperaturerniedrigung und dem Entstehen eines starken Unterdrucks im Zylinder. Dieser Unterdruck ist als Einführung einer Störgröße in die Bewegung des Verbrennungsmotors zu verstehen.The oxyhydrogen gas is introduced into the combustion chamber of a cylinder in an injection stroke (stroke 1 in a 4-stroke internal combustion engine) of the internal combustion engine, compressed in a compression stroke (stroke 2) and ignited at the transition to stroke 3. By igniting the oxyhydrogen gas, the volume of the gaseous oxyhydrogen gas is reduced to the volume of the liquid water that is created due to the formation of liquid water as a combustion product of the hydrogen/oxygen gas mixture. This volume reduction is calculated to be 99.5% and leads to a decompression in the cylinder that mathematically reaches the value 199.9:1. However, this value would only be achieved under normal conditions, i.e. an initial temperature of 20 °C and an initial pressure of 1013.25 hPa. Under operating conditions, an actual decompression value of approx. 100:1 is achieved. This decompression in the cylinder after the oxyhydrogen gas has been converted into water leads to a reduction in temperature and the creation of a strong negative pressure in the cylinder. This negative pressure is to be understood as the introduction of a disturbance in the movement of the combustion engine.

Der als Hubkolbenmotor ausgeführte Verbrennungsmotor stellt bei geschlossenen Ventilen ein in sich geschlossenes System dar, das auf Druckveränderungen nur durch Aufwärts- oder Abwärtsbewegungen des Kolbens reagieren kann. Wenn der Verbrennungsmotor ein 4-Takt-Verbrennungsmotor ist, führt beim normalen Einsatz mit fossilen Verbrennungsstoffen, der durch die Verbrennung entstehende hohe Druck zu einer Abwärtsbewegung des Kolbens in Takt 3. Wird hingegen Knallgas im Verbrennungsmotor verbrannt so tritt am Ende von Takt 3 ein erheblicher Unterdruck auf, der vom Hubkolben, welcher inzwischen den unteren Totpunkt überschritten hat, in Takt 4 nur durch Aufwärtsbewegung ausgeglichen werden kann. Da der Unterdruck wie voranstehend beschrieben sehr hoch ist, geht davon eine Kraft aus, mit der der Kolben nach oben bewegt wird, um den durch Volumenverringerung entstandenen Unterdruck auszugleichen. Diese Kraft ist kein Effekt des bei der Verbrennung des Knallgases zunächst entstehenden niedrigen Überdrucks, sondern die Reaktion des Systems "Verbrennungsmotor" auf die Störgröße "Dekompression" in Folge der Volumenreduktion des verbrannten Knallgases auf das Volumen des dabei entstehenden Wassers. Der Verbrennungsmotor wird also nicht durch die Verbrennungsenthalpie des Knallgases, sondern durch die Druckänderung im Zylinder zum Ende des Taktes 3 angetrieben. Die Knallgasverbrennung dient nur zur Generierung eines Unterdrucks als Störimpuls. Der Verbrennungsmotor reagiert in der einzigen ihm möglich Weise auf diesen Störimpuls nämlich durch Aufwärtsbewegung des Kolbens im Takt 4. Die dabei entstehende mechanische Energie kann an der Kurbelwelle abgegriffen werden. Die abgreifbare Energie ist im Verbrennungsmotor allerdings etwas geringer als theoretisch oder rechnerisch die Zugkraft am Kolben zum Ausgleich des Unterdrucks betragen würde, da während der Aufwärtsbewegung des Kolbens im Takt 4 bereits die Auslassventile geöffnet werden und somit ein Teil des Unterdrucks durch einströmende Luft kompensiert wird. Mit der vollständigen Aufwärtsbewegung des Kolbens werden die entstandenen Wassermoleküle zusammen mit der nachgeströmten Luft ausgeworfen.The internal combustion engine designed as a reciprocating piston engine is a self-contained system with closed valves that can only react to pressure changes by moving the piston upwards or downwards. If the internal combustion engine is a 4-stroke internal combustion engine, during normal use with fossil fuels, the high pressure created by combustion causes the piston to move downwards in stroke 3. If, on the other hand, oxyhydrogen is burned in the internal combustion engine, a considerable negative pressure occurs at the end of stroke 3, which the reciprocating piston, which has now passed bottom dead center, can only compensate for by moving upwards in stroke 4. Since the negative pressure is very high, as described above, this creates a force that moves the piston upwards to compensate for the negative pressure created by the reduction in volume. This force is not an effect of the low overpressure initially created when the oxyhydrogen is burned, but rather the reaction of the "combustion engine" system to the disturbance variable "decompression" as a result of the reduction in volume of the burned oxyhydrogen to the volume of the water created. The combustion engine is therefore not driven by the combustion enthalpy of the oxyhydrogen, but by the pressure change in the cylinder at the end of stroke 3. The combustion of the oxyhydrogen only serves to generate a negative pressure as a disturbance pulse. The combustion engine reacts to this disturbance pulse in the only way possible, namely by moving the piston upwards in stroke 4. The mechanical energy created in this way can be tapped at the crankshaft. However, the energy that can be tapped in the combustion engine is somewhat less than Theoretically or mathematically, the pulling force on the piston to compensate for the negative pressure would be, since during the upward movement of the piston in stroke 4 the exhaust valves are already opened and thus part of the negative pressure is compensated by incoming air. With the complete upward movement of the piston, the water molecules that have formed are ejected together with the air that has flowed in.

Es ist bevorzugt, dass der Verbrennungsmotor einen Generator antreibt und der Generator über eine elektrische Verbindung mit dem Elektrolyseur verbunden ist. Auf diese Weise kann zumindest ein Teil der Bewegungsenergie des Verbrennungsmotors in elektrische Energie umgewandelt werden, mit welcher der Elektrolyseur betrieben werden kann. Das Antreiben des Generators kann direkt oder indirekt erfolgen. Neben dem Antreiben des Generators kann der Verbrennungsmotor auch noch weitere Nutzer antreiben.It is preferred that the internal combustion engine drives a generator and that the generator is connected to the electrolyzer via an electrical connection. In this way, at least part of the kinetic energy of the internal combustion engine can be converted into electrical energy, which can be used to operate the electrolyzer. The generator can be driven directly or indirectly. In addition to driving the generator, the internal combustion engine can also drive other users.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Generator elektrisch mit einem Energiespeicher verbunden ist, der über die elektrische Verbindung mit dem Elektrolyseur verbunden ist. Um den Verbrennungsmotor in Betrieb zu nehmen ist es zunächst erforderlich Knallgas zu erzeugen, wozu der Elektrolyseur mit elektrischer Energie versorgt werden muss. Diese kann von dem Energiespeicher bereitgestellt werden. Sobald der Verbrennungsmotor gestartet wurde kann der Energiespeicher mittels des Generators nachgeladen werden, sodass Energie für einen späteren erneuten Start des Verbrennungsmotors vorgehalten werden kann. Der Energiespeicher kann auch verwendet werden, um damit einen Starter des Verbrennungsmotors zu betreiben und so eine erste Knallgasverbrennung in einem Kolben des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.Furthermore, it is preferred that the generator is electrically connected to an energy storage device, which is connected to the electrolyzer via the electrical connection. In order to start the internal combustion engine, it is first necessary to generate oxyhydrogen gas, for which the electrolyzer must be supplied with electrical energy. This can be provided by the energy storage device. As soon as the internal combustion engine has been started, the energy storage device can be recharged using the generator so that energy can be kept available for a later restart of the internal combustion engine. The energy storage device can also be used to operate a starter of the internal combustion engine and thus enable an initial oxyhydrogen combustion in a piston of the internal combustion engine.

Die elektrische Verbindung zwischen dem Generator und dem Elektrolyseur verläuft vorzugsweise durch einen Überdruckschalter des Gasversorgungssystems. Wenn im Knallgastank ein vorgegebener Knallgasdruck erreicht wurde, kann auf diese Weise die Versorgung des Elektrolyseurs mit elektrischer Energie durch einen Generator vorübergehend unterbrochen werden, bis der Druck wieder soweit abgesunken ist, dass eine weitere Elektrolyse erwünscht ist.The electrical connection between the generator and the electrolyzer preferably runs through an overpressure switch of the gas supply system. When a predetermined oxyhydrogen pressure is reached in the oxyhydrogen tank, In this way, the supply of electrical energy to the electrolyzer by a generator can be temporarily interrupted until the pressure has dropped sufficiently to require further electrolysis.

Der Verbrennungsmotor kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein. Bei dem Generator kann es sich dann um eine Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs handeln und bei dem Energiespeicher um eine Batterie des Kraftfahrzeugs. Das Gasversorgungssystem ermöglicht den Betrieb des Kraftfahrzeugs durch die Verbrennung von Knallgas, welches aus Wasser erzeugt wird.The combustion engine can be arranged in particular in a motor vehicle. The generator can then be an alternator of the motor vehicle and the energy storage device can be a battery of the motor vehicle. The gas supply system enables the motor vehicle to operate by burning oxyhydrogen gas, which is generated from water.

Es ist hierbei bevorzugt, dass der Wassertank ein Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs ist. Dies ermöglicht es, das Gasversorgungssystem als Nachrüstelement in das Kraftstoffversorgungssystem des Kraftfahrzeugs einzubauen und den Kraftstofftank mit Wasser zu befüllen, welches dann in den Elektrolyseur weitergeleitet wird.It is preferred that the water tank is a fuel tank of the motor vehicle. This makes it possible to install the gas supply system as a retrofit element in the fuel supply system of the motor vehicle and to fill the fuel tank with water, which is then passed on to the electrolyzer.

Um dem Wasser eine für die Elektrolyse optimale elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, enthält dieses als Elektrolyt vorzugsweise mindestens 0,6 mmol eines Alkalihalogenids, wie insbesondere Natriumchlorid oder Kaliumchlorid, oder eines Ammoniumhalogenids, wie insbesondere Ammoniumchlorid. Besonders bevorzugt wird Natriumchlorid als Elektrolyt verwendet. Da der Elektrolyt nicht verbraucht wird, kann dieser grundsätzlich einmalig im Elektrolyseur vorgelegt werden, um dem einströmenden Wasser anschließend stets die erforderliche Elektrolytkonzentration zu verleihen. Dieses Vorlegen kann dadurch erfolgen, dass eine einmalige Betankung mit einer Elektrolytlösung erfolgt, wobei es anschließend ausreichend ist in den Wassertank Wasser zu geben, welches keinen Elektrolyt mehr enthalten muss. Sollte ein Benutzer den Wassertank stets mit Elektrolytlösung befüllen, so führt dies zu einem Konzentrationsanstieg des Elektrolyten im Elektrolyseur bis der Elektrolyt schließlich aus der dort gesättigten Elektrolytlösung ausfällt. Da hohe Elektrolytkonzentrationen die Elektrolyse allerdings nicht negativ beeinflussen und da es selbst bei Elektrolytausfällung nicht zu Feststoffansammlungen im Elektrolyseur kommt, die zum Verhältnis im Innenvolumen des Elektrolyseurs signifikant wären, ist so ein Vorgehen unschädlich.In order to give the water an optimal electrical conductivity for electrolysis, it preferably contains at least 0.6 mmol of an alkali halide, such as sodium chloride or potassium chloride, or an ammonium halide, such as ammonium chloride, as an electrolyte. Sodium chloride is particularly preferably used as an electrolyte. Since the electrolyte is not used up, it can generally be added to the electrolyzer once in order to always give the incoming water the required electrolyte concentration. This can be done by filling it up once with an electrolyte solution, whereby it is then sufficient to add water to the water tank, which no longer needs to contain any electrolyte. If a user always fills the water tank with electrolyte solution, this leads to an increase in the concentration of the electrolyte in the electrolyzer until the electrolyte finally precipitates out of the saturated electrolyte solution there. Since high However, electrolyte concentrations do not have a negative effect on the electrolysis and since even electrolyte precipitation does not lead to solid accumulations in the electrolyzer that would be significant in relation to the internal volume of the electrolyzer, such a procedure is harmless.

Sollte der Kraftstofftank versehentlich anstelle mit Wasser erneut mit Kraftstoff befüllt werden, so fungiert dieser im Elektrolyseur als elektrischer Isolator zwischen der Kathode und der Anode. Es findet dann keine elektrochemische Reaktion im Elektrolyseur statt und der Kraftstoff kann stattdessen durch den Elektrolyseur und den Knallgastank hindurch in das Hochdrucksystem des Verbrennungsmotors gepumpt werden, welcher wieder seinen herkömmlichen Betrieb bei Verbrennung fossiler Brennstoffe aufnimmt.If the fuel tank is accidentally refilled with fuel instead of water, the fuel acts as an electrical insulator between the cathode and the anode in the electrolyzer. No electrochemical reaction then takes place in the electrolyzer and the fuel can instead be pumped through the electrolyzer and the oxyhydrogen tank into the high-pressure system of the combustion engine, which resumes its conventional operation when burning fossil fuels.

Der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs weist eine Luftzufuhr auf. Da elektrolytisch erzeugtes Knallgas bereits das für die Verbrennung optimale Mischungsverhältnis zwischen Wasserstoff und Sauerstoff aufweist bewirkt das Einströmen zusätzlicher Luft lediglich, dass ein größeres Gasvolumen komprimiert werden muss und damit die Leistung des Verbrennungsmotors sinkt. Um dieses Einströmen von Luft zu verhindern ist es deshalb bevorzugt, dass die Luftzufuhr des Verbrennungsmotors verschlossen ist. Dies kann beispielsweise durch ein dauerhaftes Schließen einer Drosselklappe in der Luftzufuhr realisiert werden. Auch das Vorsehen eines Verschlusses an der Luftzufuhr kann vorgesehen werden.The internal combustion engine of a motor vehicle has an air supply. Since electrolytically generated oxyhydrogen already has the optimal mixture ratio between hydrogen and oxygen for combustion, the inflow of additional air only means that a larger volume of gas has to be compressed and thus the performance of the internal combustion engine drops. In order to prevent this inflow of air, it is therefore preferable for the air supply of the internal combustion engine to be closed. This can be achieved, for example, by permanently closing a throttle valve in the air supply. The provision of a closure on the air supply can also be provided.

Die abrupte und starke Verringerung des Teilchenvolumens in den Zylindern des Verbrennungsmotors führt zu einer sehr starken Abkühlung. Es wird keine externe Kühlung des Verbrennungsmotors benötigt, da sich die Zylinder zwar sehr kurzfristig erhitzen, danach aber sofort wieder stark abkühlen. Daher kann die Kühlwasserpumpe des Verbrennungsmotors abgeschaltet werden.The abrupt and strong reduction in the particle volume in the cylinders of the combustion engine leads to a very strong cooling. No external cooling of the combustion engine is required, since the cylinders heat up for a very short time but then immediately cool down again. The cooling water pump of the combustion engine can therefore be switched off.

In einer Ausführungsform des Energiewandlers kann vorgesehen sein, dass im Verbrennungsmotor entstehender Wasserdampf kondensiert wird und das kondensierte Wasser in den Wassertank zurückgeführt wird. Da der Elektrolyt nicht verbraucht wird, kann auch beim Betrieb des Elektrolyseurs mit Kondenswasser die erforderliche Elektrolytkonzentration im Elektrolyseur aufrechterhalten werden.In one embodiment of the energy converter, it can be provided that water vapor generated in the combustion engine is condensed and the condensed water is returned to the water tank. Since the electrolyte is not consumed, the required electrolyte concentration in the electrolyzer can be maintained even when the electrolyzer is operated with condensed water.

Da ein mit dem Energiewandler betriebener Verbraucher unabhängig von Umgebungsluft oder Fremdsauerstoff funktioniert, kann er auch im Vakuum, unter Wasser oder in anderen Atmosphären betrieben werden. Grundsätzlich ist der Einsatz des Energiewandlers technisch wie geografisch überall und in allen Einsatzgebieten möglich.Since a consumer operated with the energy converter functions independently of ambient air or external oxygen, it can also be operated in a vacuum, under water or in other atmospheres. In principle, the energy converter can be used anywhere and in all areas of application, both technically and geographically.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

  • Figur 1 zeigt schematisch einen Energiewandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Figur 2 zeigt eine isometrische Darstellung eines Elektrolyseurs eines Gasversorgungssystems eines Energiewandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Figur 3 zeigt eine Seitenansicht des Elektrolyseurs gemäß Figur 2.
  • Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung des Elektrolyseurs gemäß Figur 2.
  • Figur 5 zeigt eine Explosionsdarstellung des Elektrolyseurs gemäß Figur 2.
An embodiment of the invention is shown in the drawings and is explained in more detail in the following description.
  • Figure 1 shows schematically an energy converter according to an embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows an isometric representation of an electrolyzer of a gas supply system of an energy converter according to an embodiment of the invention.
  • Figure 3 shows a side view of the electrolyzer according to Figure 2 .
  • Figure 4 shows a sectional view of the electrolyzer according to Figure 2 .
  • Figure 5 shows an exploded view of the electrolyzer according to Figure 2 .

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

Ein Energiewandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 1 dargestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um einen Energiewandler eines Kraftfahrzeugs. Dieser weist ein Gasversorgungssystem 10 auf, welches in das Kraftstoffversorgungssystem des Kraftfahrzeugs eingebaut wurde. Ein Elektrolyseur 20 ist in dem Gasversorgungssystem 10 über eine erste Knallgasleitung 11 mit einem Knallgastank 12 verbunden. Der Knallgastank 12 ist eingerichtet, um im Elektrolyseur 20 erzeugtes Knallgas zwischenzuspeichern und anschließend in eine zweite Knallgasleitung 13 abzugeben, in welcher ein Druckminderer 14 angeordnet ist. Ein Überdruckschalter 15 ist an dem Knallgastank 12 angeordnet. Er ist dazu eingerichtet, um eine elektrische Verbindung zu unterbrechen, die den Elektrolyseur 20 mit mehreren Energiequellen verbindet.An energy converter according to an embodiment of the invention is shown in Figure 1. In the present embodiment, this is an energy converter of a motor vehicle. This has a gas supply system 10 which has been installed in the fuel supply system of the motor vehicle. An electrolyzer 20 is connected to an oxyhydrogen gas tank 12 in the gas supply system 10 via a first oxyhydrogen gas line 11. The oxyhydrogen gas tank 12 is set up to temporarily store oxyhydrogen gas generated in the electrolyzer 20 and then release it into a second oxyhydrogen gas line 13 in which a pressure reducer 14 is arranged. An overpressure switch 15 is arranged on the oxyhydrogen gas tank 12. It is set up to interrupt an electrical connection which connects the electrolyzer 20 to several energy sources.

Das Kraftfahrzeug weist einen Kraftstofftank 30 auf, der allerdings nicht mit einem fossilen Kraftstoff, sondern mit Wasser 31 gefüllt ist, in dem 0,4 g/l Natriumchlorid gelöst sind. Eine Niederdruckleitung 32 verbindet den Kraftstofftank 30 mit einem Wassereinlass des Elektrolyseurs 20. In der Niederdruckleitung 32 ist eine elektrische Kraftstoffpumpe 33 angeordnet, die das Wasser 31 aus dem Kraftstofftank 30 in den Elektrolyseur 20 fördert.The motor vehicle has a fuel tank 30 which is not filled with a fossil fuel, but with water 31 in which 0.4 g/l of sodium chloride is dissolved. A low-pressure line 32 connects the fuel tank 30 to a water inlet of the electrolyzer 20. An electric fuel pump 33 is arranged in the low-pressure line 32 and pumps the water 31 from the fuel tank 30 into the electrolyzer 20.

Ohne Verwendung des Gasversorgungssystems 10 fördert die elektrische Kraftstoffpumpe 33 Benzin aus dem Kraftstofftank 30 zu einer Kraftstoffhochdruckpumpe 41. In der erfindungsgemäßen Einbausituation ist das Gasversorgungssystem 10 so in das Kraftstoffversorgungssystem eingebaut, dass es die von der elektrischen Kraftstoffpumpe 33 zur Kraftstoffhochdruckpumpe 41 führende Kraftstoffleitung unterbricht und die Kraftstoffhochdruckpumpe 41 an die zweite Knallgasleitung 13 angeschlossen ist. Das Gasversorgungssystem 10 wird somit über die elektrische Kraftstoffpumpe 33 mit Wasser versorgt und versorgt seinerseits über die zweite Knallgasleitung 13 die Kraftstoffhochdruckpumpe 41 mit Knallgas.Without using the gas supply system 10, the electric fuel pump 33 delivers gasoline from the fuel tank 30 to a high-pressure fuel pump 41. In the installation situation according to the invention, the gas supply system 10 is installed in the fuel supply system in such a way that it interrupts the fuel line leading from the electric fuel pump 33 to the high-pressure fuel pump 41 and the high-pressure fuel pump 41 is connected to the second oxyhydrogen line 13. The gas supply system 10 is thus supplied with water via the electric fuel pump 33 and in turn supplies the high-pressure fuel pump 41 with oxyhydrogen via the second oxyhydrogen line 13.

Im Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs fördert die Kraftstoffhochdruckpumpe 41 Benzin durch eine Kraftstoffhochdruckleitung 42 in einen Hochdruckspeicher 43 eines Verbrennungsmotors 50, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als direkt einspritzender Viertakt-Ottomotor ausgeführt ist. In der dargestellten Einbausituation fördert die Kraftstoffhochdruckpumpe 41 auf demselben Weg stattdessen das Knallgas in den Kraftstoffhochdruckspeicher 43. Die im nicht dargestellten Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors 50 hinterlegte Einspritzstrategie des Verbrennungsmotors 50 wurde nicht verändert, sodass Einspritzungen von Knallgas aus dem Kraftstoffhochdruckspeicher 43 in die Brennräume der Zylinder des Verbrennungsmotors 50 in derselben Weise erfolgen, wie dies für die Benzindirekteinspritzung vorgesehen ist.During normal operation of the motor vehicle, the high-pressure fuel pump 41 delivers gasoline through a high-pressure fuel line 42 into a high-pressure reservoir 43 of an internal combustion engine 50, which in the present embodiment is designed as a direct-injection four-stroke gasoline engine. In the installation situation shown, the high-pressure fuel pump 41 instead delivers the oxyhydrogen gas into the high-pressure fuel reservoir 43 along the same path. The injection strategy of the internal combustion engine 50 stored in the engine control unit of the internal combustion engine 50 (not shown) has not been changed, so that oxyhydrogen gas is injected from the high-pressure fuel reservoir 43 into the combustion chambers of the cylinders of the internal combustion engine 50 in the same way as is provided for direct gasoline injection.

Als Luftzufuhr 51 des Verbrennungsmotors 50 fungiert ein Saugrohr, in dem eine Drosselklappe 52 angeordnet ist. Die Luftzufuhr 51 ist verschlossen, indem die Drosselklappe 52 in geschlossener Stellung blockiert wurde.An intake manifold in which a throttle valve 52 is arranged acts as the air supply 51 of the combustion engine 50. The air supply 51 is closed by blocking the throttle valve 52 in the closed position.

Der Verbrennungsmotor 50 weist einen elektrischen Starter 53 auf. Seine Kurbelwelle ist mit dem nicht dargestellten Antriebstrang des Kraftfahrzeugs verbunden. Weiterhin wird ein Teil des Drehmoments des Verbrennungsmotors 50 von einem elektrischen Generator 54 abgegriffen. Ein Energiespeicher 60 in Form einer Batterie ist über eine elektrische Verbindung mit dem Generator 54 verbunden und kann von diesem aufgeladen werden. Zum Starten des Verbrennungsmotors 50 werden der Starter 53 und der Elektrolyseur 20 über die elektrische Verbindung 61 vom Energiespeicher 60 mit elektrischer Energie versorgt. Im Betrieb des Verbrennungsmotors 50 erfolgt eine Versorgung des Elektrolyseurs 20 über den Generator 54. Diese Versorgung kann durch den Überdruckschalter 15 zeitweilig unterbrochen werden.The internal combustion engine 50 has an electric starter 53. Its crankshaft is connected to the drive train of the motor vehicle (not shown). Furthermore, part of the torque of the internal combustion engine 50 is taken from an electric generator 54. An energy storage device 60 in the form of a battery is connected to the generator 54 via an electrical connection and can be charged by it. To start the internal combustion engine 50, the starter 53 and the electrolyzer 20 are supplied with electrical energy from the energy storage device 60 via the electrical connection 61. When the internal combustion engine 50 is operating, the electrolyzer 20 is supplied via the generator 54. This supply can be temporarily interrupted by the overpressure switch 15.

Die nicht dargestellte Kühlwasserpumpe des Verbrennungsmotors 50 ist abgeschaltet. Dennoch stellt sich im Betrieb des Verbrennungsmotors lastabhängig lediglich eine Abgastemperatur im Bereich von 700°C bis 900°C und eine Öltemperatur im Bereich von 95°C bis 105°C ein.The cooling water pump of the combustion engine 50 (not shown) is switched off. Nevertheless, during operation of the combustion engine Depending on the load, only an exhaust gas temperature in the range of 700°C to 900°C and an oil temperature in the range of 95°C to 105°C are required.

Die Figuren 2 - 4 zeigen Darstellungen des Elektrolyseurs 20 in dem Gasversorgungssystem 10. Der Elektrolyseur 20 weist ein kreiszylinderförmiges Gehäuse mit einer Mantelfläche 210 und zwei Kreisflächen 220 auf. Die Länge des Gehäuses beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 20 cm und der Durchmesser der Kreisflächen 220 beträgt jeweils ebenfalls 20 cm. Der Elektrolyseur ist so angeordnet, dass seine Längsachse horizontal verläuft. Ein Knallgasauslass 212 am obersten Punkt der Mantelfläche 210 ermöglicht dabei ein Austreten von Knallgas in die erste Knallgasleitung 11. Von der elektrischen Kraftstoffpumpe 33 gefördertes Wasser wird durch einen Wassereinlass 222 in einer der Kreisflächen 220 in den Innenraum des Elektrolyseurs 20 geleitet.The Figures 2 - 4 show representations of the electrolyzer 20 in the gas supply system 10. The electrolyzer 20 has a circular cylindrical housing with a jacket surface 210 and two circular surfaces 220. In the present embodiment, the length of the housing is 20 cm and the diameter of the circular surfaces 220 is also 20 cm each. The electrolyzer is arranged so that its longitudinal axis runs horizontally. An oxyhydrogen outlet 212 at the uppermost point of the jacket surface 210 enables oxyhydrogen to escape into the first oxyhydrogen line 11. Water pumped by the electric fuel pump 33 is fed into the interior of the electrolyzer 20 through a water inlet 222 in one of the circular surfaces 220.

Ein quaderförmiger Rahmen 240 ist in dem Gehäuse des Elektrolyseurs angeordnet und trägt eine Kathode 250 und eine in den Figuren 2 - 4 nicht sichtbare Anode. Die Kathode 250 ist als mäanderförmiger Platindraht ausgeführt, welcher um eine Kathodenplatte 241 des Rahmens 240 gewickelt ist, die die Kathode 250 auf diese Weise trägt. Die Anode ist zwischen einer Anodenplatte 244 und einem Anodenrahmen 261 eingeklemmt. Die Kathode 250 ist mit einem elektrischen Kathodenanschluss 253 verbunden und die Anode ist mit einem elektrischen Anodenanschluss 263 verbunden. Die beiden elektrischen Anschlüsse 253, 263 sind durch dieselbe Kreisfläche 220 geführt, durch welche auch der Wassereinlass 222 verläuft.A cuboid frame 240 is arranged in the housing of the electrolyzer and carries a cathode 250 and a Figures 2 - 4 invisible anode. The cathode 250 is designed as a meandering platinum wire which is wound around a cathode plate 241 of the frame 240, which supports the cathode 250 in this way. The anode is clamped between an anode plate 244 and an anode frame 261. The cathode 250 is connected to an electrical cathode connection 253 and the anode is connected to an electrical anode connection 263. The two electrical connections 253, 263 are guided through the same circular area 220 through which the water inlet 222 also runs.

Figur 5 zeigt alle Bauteile des Elektrolyseurs 20 in einer Explosionsdarstellung. Die Mantelfläche 210 weist eine Öffnung 211 auf, in welche der Knallgasauslass 212 eingesetzt ist. Als Ausgleich zwischen der gekrümmten Oberfläche der Mantelfläche 210 und dem Knallgasauslass 212 ist eine Tangentialausgleichsscheibe 213 vorgesehen. An der Außenseite der Mantelfläche 210 sind sechs Verschraubungsstangen 214 angeordnet, die jeweils einen Stangenbereich aufweisen dessen Länge der Länge der Mantelfläche 210 entspricht. An den beiden Enden des Stangenbereichs ist jeweils ein Gewinde angeordnet, dass über die Mantelfläche 210 hinaussteht. Figure 5 shows all components of the electrolyzer 20 in an exploded view. The outer surface 210 has an opening 211 into which the oxyhydrogen outlet 212 is inserted. A tangential compensation disk 213 is provided to compensate between the curved surface of the outer surface 210 and the oxyhydrogen outlet 212. On the outside of the Six screw rods 214 are arranged on the casing surface 210, each of which has a rod section whose length corresponds to the length of the casing surface 210. A thread is arranged at each of the two ends of the rod section, which projects beyond the casing surface 210.

Die Kreisfläche 220, welche den Wassereinlass 222 aufweist, verfügt über eine Öffnung 221 in welcher der Wassereinlass 222 eingesetzt ist. Zwei weitere Öffnungen 223 dienen zur Aufnahme von elektrischen Durchführungen 224. Durch jeweils eine der elektrischen Durchführungen 224 ist einer der elektrischen Anschlüsse 253, 263 geführt. Jede elektrische Durchführung 224 ist jeweils mittels einer Mutter 225 an der Außenseite und einer Mutter 226 an der Innenseite der Kreisfläche 220 fixiert, indem die Muttern 225, 226 an einem Außengewinde der elektrischen Durchführungen 224 angebracht sind. Sowohl die Kreisfläche 220, welche die Öffnungen 221, 223 aufweist, als auch die weitere Kreisfläche 220 weisen jeweils sechs Bohrungen auf, durch welche die Gewindeabschnitte der Verschraubungsstangen 214 geführt sind. Jeweils eine Sechskanthutmutter 227 und eine Unterlegscheibe 228 werden dabei an jedem Gewindeabschnitt angebracht. Beide Kreisflächen 220 weisen an Ihrer Innenseite jeweils zwei Nuten 229 auf, in welcher der Rahmen 240 eingreift und so zwischen den beiden Kreisflächen 220 eingeklemmt ist. Jeweils zwei O-Ringe 231, 232 mit unterschiedlichem Durchmesser dienen dazu jede der Kreisflächen 220 gegenüber der Mantelfläche 210 abzudichten.The circular surface 220, which has the water inlet 222, has an opening 221 in which the water inlet 222 is inserted. Two further openings 223 serve to accommodate electrical feedthroughs 224. One of the electrical connections 253, 263 is guided through each of the electrical feedthroughs 224. Each electrical feedthrough 224 is fixed by means of a nut 225 on the outside and a nut 226 on the inside of the circular surface 220, in that the nuts 225, 226 are attached to an external thread of the electrical feedthroughs 224. Both the circular surface 220, which has the openings 221, 223, and the further circular surface 220 each have six holes through which the threaded sections of the screw rods 214 are guided. A hexagon cap nut 227 and a washer 228 are attached to each threaded section. Both circular surfaces 220 have two grooves 229 on their inner side, in which the frame 240 engages and is thus clamped between the two circular surfaces 220. Two O-rings 231, 232 with different diameters serve to seal each of the circular surfaces 220 against the outer surface 210.

Der Rahmen 240 weist die Kathodenplatte 241 auf, die an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite gezahnt ist, um mit den Mäandern der Kathode 250 einzugreifen. Drei Fixierleisten 242 und drei Abstandshalter 243 verbinden die Kathodenplatte 241 mit der rahmenförmigen Anodenplatte 244. Zylinderschrauben 245 sind hierzu durch Bohrungen in der Kathodenplatte 241 und der Anodenplatte 244 geführt und enden in den Fixierleisten 242 und den Abstandshaltern 243. Durch jede der Fixierleisten 242 sind jeweils drei weitere Zylinderschrauben 246 geführt mittels welcher die Fixierleisten 242 mit der Innenseite der Kreisfläche 220 verschraubt sind, welche den Wassereinlass 222 aufweist.The frame 240 has the cathode plate 241, which is serrated on its top and bottom to engage with the meanders of the cathode 250. Three fixing strips 242 and three spacers 243 connect the cathode plate 241 to the frame-shaped anode plate 244. For this purpose, cylinder screws 245 are guided through holes in the cathode plate 241 and the anode plate 244 and end in the fixing strips 242 and the spacers 243. Three further Cylinder screws 246 are guided by means of which the fixing strips 242 are screwed to the inside of the circular surface 220, which has the water inlet 222.

Die Kathode 250 ist mittels Fixierklemmen 251 an der Kathodenplatte 241 festgeklemmt. Zwei Zylinderschrauben 252 befestigen hierzu jeweils eine der Fixierklemmen 251 an der Kathodenplatte 241.The cathode 250 is clamped to the cathode plate 241 by means of fixing clamps 251. Two cylinder screws 252 each fasten one of the fixing clamps 251 to the cathode plate 241.

Die Anode 260 ist als Graphitmembran (SIGRAFLEX® der Firma SGL Carbon) ausgeführt. Sie ist zwischen der rahmenförmigen Anodenplatte 244 und einem Anodenrahmen 261 eingeklemmt. Hierzu sind die Anodenplatte 244 und der Anodenrahmen 261 mit Zylinderschrauben 262 miteinander verschraubt. Der elektrische Anschluss 263 der Anode 260 ist an dieser angesetzt.The anode 260 is designed as a graphite membrane (SIGRAFLEX ® from SGL Carbon). It is clamped between the frame-shaped anode plate 244 and an anode frame 261. For this purpose, the anode plate 244 and the anode frame 261 are screwed together with cylinder screws 262. The electrical connection 263 of the anode 260 is attached to this.

Der Elektrolyseur enthält keine beweglichen Teile und unterliegt dadurch keinem mechanischen Verschleiß. Auch die Kathode 250 und die Anode 260 bestehen aus beständigen Materialien, die nicht abnutzen. Undichtigkeiten können an den Dichtflächen des Knallgasauslasses 212 und des Wassereinlasses 222 sowie an den O-Ringen 231, 232 entstehen, die bei Bedarf ausgetauscht werden können. Beim Öffnen des Elektrolyseurs 20 zum Austauschen der O-Ringe 231, 232 kann auch sein Innenraum von dort abgelagertem Natriumchlorid gereinigt werden, welches bei Übersättigung des Wassers mit diesem Elektrolyten gegebenenfalls ausfallen kann.The electrolyzer contains no moving parts and is therefore not subject to mechanical wear. The cathode 250 and the anode 260 are also made of durable materials that do not wear out. Leaks can occur on the sealing surfaces of the oxyhydrogen outlet 212 and the water inlet 222 as well as on the O-rings 231, 232, which can be replaced if necessary. When opening the electrolyzer 20 to replace the O-rings 231, 232, its interior can also be cleaned of sodium chloride deposited there, which can precipitate if the water is oversaturated with this electrolyte.

Während des Betriebs erwärmt sich der Elektrolyseur 20 geringfügig. Diese Abwärme wird an die Umgebung abgegeben. Die Erwärmung ist dabei so gering, dass keine aktive Kühlung für den Elektrolyseur 20 benötigt wird, solange eine ungehinderte Wärmeabgabe an die Umgebung sichergestellt ist.During operation, the electrolyzer 20 heats up slightly. This waste heat is released into the environment. The heating is so slight that no active cooling is required for the electrolyzer 20 as long as unhindered heat release to the environment is ensured.

Aus 1,0 mol Wasser kann im Elektrolyseur Knallgas erzeugt werden, welches 1,0 mol Wasserstoff und 0,5 mol Sauerstoff entspricht. 1,5 mol Gas weist unter Normalbedingungen (T = 20 °C, p = 1013,25 hPa) ein Volumen von 3670,50 cm3 auf. Bei der Verbrennung des Knallgases wird dieses Volumen auf das Flüssigkeitsvolumen von 1,0 mol Wasser verringert, welches 18 cm3 beträgt. Diese Volumenverringerung entspricht einer Dekompression von 199,9 : 1.In the electrolyzer, oxyhydrogen gas can be produced from 1.0 mol of water, which corresponds to 1.0 mol of hydrogen and 0.5 mol of oxygen. Under normal conditions (T = 20 °C, p = 1013.25 hPa), 1.5 mol of gas has a volume of 3670.50 cm 3 . When the oxyhydrogen gas is burned, this volume is reduced to the liquid volume of 1.0 mol of water, which is 18 cm 3 . This reduction in volume corresponds to a decompression of 199.9:1.

Die Elektrolyse von 1,0 mol Wasser benötigt bei einer Temperatur von 20°C und einem Druck von 1013,25 hPa theoretisch eine elektrische Energie von 571,8 kJ bzw. 158,96 Wh. Bei einem Wirkungsgrad des Elektrolyseurs von 75 % ergibt sich ein realer Energieverbrauch von 212 Wh/mol.The electrolysis of 1.0 mol of water at a temperature of 20°C and a pressure of 1013.25 hPa theoretically requires an electrical energy of 571.8 kJ or 158.96 Wh. With an electrolyzer efficiency of 75%, this results in a real energy consumption of 212 Wh/mol.

Es konnte gezeigt werden, dass der Betrieb eines VW Golf 1.4 mit einem 1,4 I, Vierzylinder-Ottomotor mit nominal 75 kW Leistung mittels des voranstehend beschriebenen Gasversorgungssystems 10, dessen Elektrolyseur mit 12 V Bordspannung betrieben wird und dessen Druckminderer 14 Knallgas mit einem Druck von 80 hPa in die Kraftstoffhochdruckpumpe 41 leitet, auf einer Fahrtstrecke von 100 km 1,4 I Wasser verbraucht. Dies entspricht einer Stoffmenge von 77,78 mol Wasser, für dessen Elektrolyse bei dem oben genannten Energieverbrauch 16,49 kW elektrische Energie verbraucht werden. Bei unterschiedlichen Durchschnittsgeschwindigkeiten v und Fahrtzeiten t führt dies zu den in Tabelle 1 genannten Werten für den elektrischen Stromfluss I durch den Elektrolyseur 20 und für die durchschnittliche elektrische Leistung P des Elektrolyseurs 20: Tabelle 1 v [km/h] 35 80 200 t [h] 2,86 1,25 0,50 I [A] 0,48 1,10 2,75 P [W] 5,8 13,2 33,0 It was shown that the operation of a VW Golf 1.4 with a 1.4 l, four-cylinder petrol engine with a nominal output of 75 kW using the gas supply system 10 described above, whose electrolyzer is operated with 12 V on-board voltage and whose pressure reducer 14 feeds oxyhydrogen at a pressure of 80 hPa into the high-pressure fuel pump 41, consumes 1.4 l of water over a distance of 100 km. This corresponds to a quantity of 77.78 mol of water, for the electrolysis of which 16.49 kW of electrical energy is consumed at the above-mentioned energy consumption. At different average speeds v and travel times t, this leads to the values given in Table 1 for the electrical current flow I through the electrolyzer 20 and for the average electrical power P of the electrolyzer 20: Table 1 v [km/h] 35 80 200 t [h] 2.86 1.25 0.50 I [A] 0.48 1.10 2.75 P [W] 5.8 13.2 33.0

Dabei wurde eine Drehzahl des Verbrennungsmotors 50 von 2000 rpm angenommen, womit ein Takt des Viertakt-Motors jeweils eine Zeit von 15 ms in Anspruch nimmt.A speed of 2000 rpm of the combustion engine was assumed, which means that each cycle of the four-stroke engine takes a time of 15 ms.

Auch wenn die Anwendung des Energiewandlers im voranstehenden Ausführungsbeispiel anhand seiner Verwendung in einem Kraftfahrzeug beschrieben wurde, kann er nicht nur in Automobilen und nicht nur unter Verwendung von Ottomotoren zum Einsatz kommen. Das Gasversorgungsystem kann für alle mobilen oder stationären direkteinspritzenden Verbrennungsmotoren, unabhängig vom bisher verwendeten Kraftstoff, wie Benzin, Diesel, Gas oder anderen Kraftstoffen eingesetzt werden. Damit kann das Gasversorgungsystem auch in der Schifffahrt, in Kraftwerken oder für lokale Generatoren eingesetzt werden. Grundsätzlich kann das Gasversorgungssystem mit jedem direkteinspritzenden Verbrennungsmotor, unabhängig von dessen Größe oder Nutzung, eingesetzt werden.Even though the application of the energy converter in the above embodiment was described based on its use in a motor vehicle, it can be used not only in automobiles and not only with gasoline engines. The gas supply system can be used for all mobile or stationary direct-injection combustion engines, regardless of the fuel previously used, such as gasoline, diesel, gas or other fuels. This means that the gas supply system can also be used in shipping, in power plants or for local generators. In principle, the gas supply system can be used with any direct-injection combustion engine, regardless of its size or use.

Bei stationären Anwendungen des Energiewandlers, welcher das erfindungsgemäße Gasversorgungsystem aufweist, können sowohl die mechanische Energie als auch die thermische Energie genutzt werden, beispielsweise zur Stromgewinnung per Generator (mechanische Energie) mit gleichzeitiger Nutzung der Abwärme (thermische Energie), um damit Dampf zu erzeugen.In stationary applications of the energy converter, which has the gas supply system according to the invention, both the mechanical energy and the thermal energy can be used, for example to generate electricity by means of a generator (mechanical energy) with simultaneous use of the waste heat (thermal energy) to generate steam.

Fracht- und Passagierschiffe können auf diese Weise den gesamten Energiebedarf für sowohl den Antrieb als auch die Elektrizitäts- und die Warmwasserversorgung, die Heizung der Schiffe, sowie auf See den Betrieb der Entsalzungsanlagen für Meerwasser sicherstellen. Die zum Betrieb nötigen Wassermengen können bei Schiffen dem jeweiligen Gewässer direkt entnommen werden, Stopps zur Betankung an Tankstellen in Häfen oder an Anlegestellen werden dadurch überflüssig. Meerwasser enthält bereits Natriumchlorid als Elektrolyt. Da der Salzgehalt des Meerwassers zu hoch ist (ca. 35 g/l Meerwasser), sollte dieses mit Süßwasser (beispielsweise aus einer bordeigenen Meerwasserentsalzungsanlage) verdünnt werden (ca. 87 I Süßwasser auf 1 I Meerwasser). In der Binnenschifffahrt kann dem Süßwasser ein Elektrolyt in der notwendigen Menge zugegeben werden.In this way, cargo and passenger ships can ensure the entire energy requirement for propulsion, electricity and hot water supply, heating of the ships, and the operation of the desalination plants for seawater at sea. The water quantities required for operation can be taken directly from the respective water bodies, making stops for refueling at filling stations in ports or at moorings unnecessary. Seawater already contains sodium chloride as an electrolyte. Since the salt content of seawater is too high (approx. 35 g/l seawater), it should be replaced with fresh water (for example from a on-board seawater desalination plant) (approx. 87 l fresh water to 1 l sea water). In inland shipping, an electrolyte can be added to the fresh water in the required quantity.

Zu den erweiterten Einsatzmöglichkeiten gehört nicht zuletzt die Umrüstung von Kohle-, Öl- oder Gaskraftwerken, in denen der Antrieb der Turbinen bisher durch Wasserdampf erfolgt, der durch Verbrennung von Kohle, Öl oder Gas erzeugt wird. Bei Einsatz entsprechender Aggregate, die mit dem erfindungsgemäßen Gasversorgungssystem betrieben werden, erfolgt der Antrieb der Turbinen direkt durch die Aggregate. Die Abwärme der Aggregate kann weiterhin zur Dampferzeugung genutzt werden. Dadurch können mit relativ geringen Kosten bestehende Kohle-, Öl- oder Gaskraftwerke umgebaut und weiter genutzt werden, ohne jedoch wie vorher die Umwelt zu belasten, und ohne dass diese Kraftwerke stillgelegt und verlassen werden müssen.The expanded application possibilities include, not least, the conversion of coal, oil or gas power plants in which the turbines were previously driven by steam generated by the combustion of coal, oil or gas. When using corresponding units that are operated with the gas supply system according to the invention, the turbines are driven directly by the units. The waste heat from the units can still be used to generate steam. This means that existing coal, oil or gas power plants can be converted and continued to be used at relatively low cost, but without polluting the environment as before and without these power plants having to be shut down and abandoned.

Claims (13)

  1. Energy converter, having
    • a gas supply system (10), having
    - an electrolyser (20), which has at least one cathode (250) and at least one anode (260) with a shared oxyhydrogen outlet (212),
    - an oxyhydrogen tank (12) with a volume in the range of from 800 cm3 to 1000 cm3 that is fluidically connected to the oxyhydrogen outlet (212), and
    - an oxyhydrogen conduit (13) that is fluidically connected to the oxyhydrogen tank (12),
    • a direct-injection internal combustion engine (50), of which the high-pressure accumulator (43) is fluidically connected to the oxyhydrogen conduit (13) of the gas supply system (10), and
    • a water tank (30) that is fluidically connected to a water inlet (222) of the electrolyser (20) of the gas supply system (10).
  2. Energy converter according to claim 1, characterised in that the gas supply system (10) further has an overpressure switch (15) that is equipped to switch off the electrolyser (20) depending on a pressure in the oxyhydrogen tank (12).
  3. Energy converter according to claim 1 or 2, characterised in that the gas supply system (10) further has a pressure reducer (14) that is arranged in the oxyhydrogen conduit (13).
  4. Energy converter according to one of claims 1 to 3, characterised in that the electrolyser (20) has a circular-cylindrical housing, wherein a water inlet (222) is arranged in a circular surface (220) and the oxyhydrogen outlet (212) is arranged in a lateral surface (210).
  5. Energy converter according to claim 4, characterised in that a cuboid frame (240) is arranged in the housing and the cathode (250) and the anode (260) are respectively arranged on a side surface (241, 244) of the frame (240).
  6. Energy converter according to one of claims 1 to 5, characterised in that the internal combustion engine (50) is a four-stroke internal combustion engine.
  7. Energy converter according to one of claims 1 to 6, characterised in that the internal combustion engine (50) drives a generator (54) and the generator (54) is connected to the electrolyser (20) via an electrical connection (61).
  8. Energy converter according to claim 7, characterised in that the generator (54) is electrically connected to an energy store (60) that is connected to the electrolyser (20) via the electrical connection (61).
  9. Energy converter according to claim 7 or 8, characterised in that the electrical connection (61) between the generator (54) and the electrolyser (20) passes through an overpressure switch (15) of the gas supply system (10).
  10. Energy converter according to one of claims 1 to 9, characterised in that the internal combustion engine (50) is arranged in a motor vehicle.
  11. Energy converter according to claim 10, characterised in that the water tank (30) is a fuel tank of the motor vehicle.
  12. Energy converter according to claim 10 or 11, characterised in that an air feed (51) of the internal combustion engine (50) is closed.
  13. Energy converter according to one of claims 10 to 12, characterised in that a cooling water pump of the internal combustion engine (50) is switched off.
EP21820456.8A 2021-02-03 2021-11-08 Gas supply system, energy converter, and method for operating a direct fuel injection internal combustion engine Active EP4288649B1 (en)

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