SE441947B - Forbrenningsmotor avsedd att drivas med vetgas samt forfarande for drift av motorn - Google Patents

Description

7812266-0 2 vid förfarandet enligt den amerikanska patentskriften 3,983,882. Backtändning i insug- ningsgrenröret eíflmneras i den vätgasdrívna motorn enligt uppfinningen. Det införda vattnet dämpar väteförbränningsprocessen, varigenom förbränningshastigheten minskar.

På detta sätt elimineras nästan fullständigt problemet med backtändning.

Vatten införes i vätgasströmmen genom ett insprutningsmun- stycke eller en förgasare. Den vattenhaltiga vätgasen blandas sedan med luft i en konventionell gasmätningsanordning. Blandningen av vät- gas och luft ledes därpå till förbränningsmotorns insugningssystem.

En statisk vattenbehållare är icke nödvändig men kan användas om så önskas. Termostatreglerade avtappningsventiler tömmer automa- tiskt komponenter innehållande vatten för att dessa icke skall frysa, när motorn icke användes vid temperaturer under fryspunkten. Frost- skyddsmedel erfordras icke. Tillräckligt med vatten blir tillgängligt genast efter start av motorn, och förrådsbehållaren behöver sålunda icke fyllas på.

Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till den bifogade ritningen, på vilken fig. l schematiskt visar en utför- ingsform av den vätgasdrivna förbränningsmotorn enligt uppfinningen; fig. 2 är ett schematiskt snitt genom en förgasare använd vid inför- ande av vatten i vätgasströmmen i ett förutbestämt viktförhàllande; fig. 3»är ett schematiskt snitt genom ett insprutningsmunstycke an- vänt vid införande av vatten i vätgasströmmen; och fig. 4 är ett dia- gram visande den minskning av kväveoxidbildningen som uppnås i enlig- het med uppfinningen samt sambandet mellan motorns termiska verknings- grad och ekvivalensförhállandet mellan väte och syre i det bränsle som förbrännes.

I den i fig. 1 visade motorn 10 användes två seriekopplade förgasare 15 och 20. Förgasaren 15 är avsedd att blanda vätgas och luft och mata den resulterande gasblandningen till motorns 10 insug- ningsgrenrör 11. Vätgas (H2) ledes till förgasaren 15 genom en till- förselledning 16. I ledningen 16 införes vätgas med relativt lågt tryck. Luft införes i förgasaren 15 genom en ledning 17, och luften blandas med den genom ledningen 16 tillförda vätgasen i förutbestämda proportioner. Förgasaren 15 kan vara av kommersiell typ, t.ex. en membranmanövrerad luft-gas-ventil från IMPCO.

Den 1 förgasaren 15 införda vätgasen innehåller vatten i form 5 av ånga, små droppar, dimma, spray eller kombinationer därav. Vatten införes i vätgasströmman i en förgasare 20, som är belägen uppströms förgasaren 15. Förgasaren 20 kan vara av vanlig gas-vätska-typ, och Ä den tjänar såsom vattanmätningsanordning. Vätgas med relativt lågt tryck ledes till förgasaren 20 genom en ledning 18, och vatten ledes till förgasaren 20 genom en ledning 21. Förgasaren 20 kan lätt an- passas till vätgas- resp. vattenflödet genom att insprutningsmun- 7812266-0 3 styckena ges lämplig storlek eller genom reglering av förgasarens förmåga att mäta vätgas respektive vatten.

En pump 22 pumpar vatten genom tillförselledningen 21 till förgasaren 20. Det förutbestämda viktförhållandet mellan vatten och väte i gasblandningen från förgasaren 20 upprättbálles genom lämplig inställning av denna förgasare. Förhållandet mellan luft och väte plus vatten regleras genom lämplig inställning av förgasaren 15.

Blandningen av luft, väte och vatten ledes (i en mängd eller volym som bestämmas av inställningen av spjället i förgasaren 15) in i motorns 10 insugningsgrenrör ll för suceessiv förbränning i mo- torns cylindrar. Avgaserna från motorn införes direkt i en konden- sor 30 genom ett avgasgrenrör 27. Kondensorn 30 verkar såsom förkyla- re och dämpar ljudet från motorn 10. Innerytan av kondensorns 30 väggar 31 är dimensionerad så att vattenånga kondenseras i sådan ut- sträckning, att tillräckligt med vatten bildas för motorns toppbehov.

Det kondenserade vattnet samlas i en liten behållardel 35 av konden- sorn 30, där det kvarhålles för senare transport till förgasaren 20.

En matarledning 36 sträcker sig från en öppning i undre delen av behållaren 35 till inloppet av pumpen 22. Denna pump 22 pumpar däref- ter vattnet genom ledningen 21 till förgasaren 20. Pumpen 22 kan dri- vas elektriskt eller mekaniskt från motorn l0.

Kondensorn 30 är konstruerad att kondensera vattenånga till vatten med tillräcklig hastighet för alla normala körförhállanden.

I kondensorns behållardel 55 förvaras tillräckligt med vatten för tillfälliga ökade behov, såsom vid omkörning av en annan bil med hög hastighet. Ett förråd av från ca 0,5 1 till ca 2 eller 3 l vatten är tillräckligt för dylika behov, beroende på motorns effekt- uttag. Kvarvarande gaser och vattenånga i kondensorn 30 samt över- skott av vatten i behållaren 35 lämnar kondensorn genom ett avgas- rör 47.

Ett viktigt kännetecken hos uppfinningen är ett system som automatiskt hindrar komponenterna i vatteninsprutningssystemet från att frysa vid temperaturer under fryspunkten, när motorn icke använ- des. Termostatreglerade ventiler är sålunda anbragta vid förgasarens 20 dräneringsöppning, vid pumpens 22 dräneringsöppning och vid bott- en av behållaren 35. Reglerventilen 40 vid botten av förgasaren 20 kommunicerar med kondensorn 30 vifl en rörlfdning 41. Regl=rventilen 43 vid pumpen 22 kommunicerar med kondensorn §0 via en rörledning 42.

Behållaren 35 dräneras genom en avloppsledning 46 innehållande en 7812266-0 termostatreglerad ventil 45. Reglerventilerna 40, 43 och 45 är förin- ställda sâ att de öppnar och utför sin dräneringsfunktion vid och under en förutbestämd temperatur. Den förinställda temperaturen beror pâ respektive placering i motorutrymmet och på en empirisk bestämning av vilken lufttemperatur som bringar vattnet inuti motorutrymmet att frysa. Vanligen användes temperaturinställningar mellan O och 500, varvid ca 2°C anses vara en "säker" inställning.

' Nar motorn är 1 drift är 1 alla händelser temperaturen inuti motorutrymmet mycket högre än den förinställda temperaturen, och ventilerna förblir stängda även vid yttertemperaturer under fryspunkt- en så att kondensering och insprutning av vatten kan äga rum. Vid start av motorn efter dränering av vatten värms motorn snabbt upp, varvid de termostatreglerade ventilerna stänges. Dessutom kondenseras snabbt tillräckligt med vatten ur avgaserna för den önskade insprut- ningen av vatten i vätgasen. Behållaren 55 fyllas nämligen med vatten strax efter det att motorn har startats.

I fig. 2 visas en utföringsform av en vattenförgasare 20. För- gasaren liknar en konventionell bensinförgasare. Vattentillförselled- ningen 21 slutar vid en nålventil 52 i övre delen av en inloppskamma- re 50. När det är tillräckligt med vatten i kammaren 50, stänges nål- ventilen 52 av en flottör 51. En mätöppning 55 är belägen vid botten av kammaren 50. Denna öppning bestämmer det vattenflöde som genom en ledning 56 strömmar in i ett venturirör 57. Änden av röret 56 är be- lägen högre än vattennivån 58 i kammaren 50. En ventilationsledning 59 sträcker sig från kammaren 50 till en blandningskammare 60. Ett reglerspjäll 61 är anbragt i utloppsdelen av kammaren 60.

I fig. 3 visas en annan anordning lämpad för inblandning av vatten i en vätgasström. I denna anordning användes ett insprutnings- munstycke 75 för insprutning av vatten i vätgasströmmen istället för den ovan beskrivna förgasaren. Vätgasen ledes direkt till ledningen 16, vilken leder till förgasaren 15. Vatten insprutas på känt sätt 1 ledningen 16 i uppmätt mängd genom munstycket 75. Det resulterande finfördelade vattnet blandas med vätgasen, och gasblandningen ledes till förbränningsmotorns 10 insugningsgrenrör. Viktförhâllandet mell- an vatten och väte i den slutliga blandningen med luft förutbestämmes på nedan beskrivet sätt för att optimala resultat skall erhållas.

Insprutningsmunstycket kan antingen vara en känd mekanisk anordning eller en elektronisk anordning, t.ex. från Robert Bosch Company, Stuttgart, Västtyskland. 7812266-0 Införandet av vatten 1 vätgasströmmen kan enligt uppfinningen ske antingen på dynamisk väg, såsom medelst vakuum, venturirör, öpp- ningar eller liknande, eller genom direkt insprutning genom ett mun- stycke, t.ex. med hjälp av en pump, eller på något annat lämpligt sätt.

Den i fig. 1 visade kondensorn 50 kan vara en "öppen låda", där kondensationen ägor rum vid innerväggarna 31, när de heta avgas- erna innehållande vattenånga kommer i kontakt därmed. Kondensorns ytterväggar exponeras för den i motorutrymmet rådande temperaturen.

I ett litet fordon (50 hk; 36,8 RW) är en area av O,2}2 mg hos inner- väggarna 31 tillräcklig för kontinuerlig kondensering av erforderlig vattenmängd. Den erforderliga kylytan är vanligen direkt proportion- ell mot motoreffekten. I en 100 hk (75,6 kW) bil bör således inner- väggarna 31 ha en area av ca 0,465 m2. Kondensorn 30 innehåller före- trädesvis en "uppsamlingskammare" så att små vattendroppar avskiljes ur avgasströmmen istället för att följa med ut genom avgasröret #7.

Formen och storleken av kondensorn 50 kan optimeras pà känt sätt.

Man kan t.ex. använda korrugerade väggar eller inre flänsförsedda rör, genom vilka ett kylmedium ledes.

Man har genomfört en serie försök med en V-8-motor, vilken modifivrades för höjning av kompressionsförhållandet från 8:1 till l2:l i samband med övergång till vätgas såsom bränsle.Modifieringen âstadkoms genom utbyte av kolvarna och lätt hyvling av cylinderlook- en. Motorn var monterad på en induktionsdynamometer tillverkad av General Electric Company. Motorns tändsystem var i huvudsak det ur- sprungligen levererade.

Kväveoxider (NOK) mättes med en Thermoeleotron Series 14 Chemiluminescent Analyzer, Model 12A. Medelst denna analysator mätt- es störningsfritt och kontinuerligt halten kväveoxider i avgasström- men. Ekvivalensförhållandet, d.v.s. mängden väte i bränsleblandning- en i relation till den kemiskt riktiga mängden (den stökiometriska mängden) för en given mängd syre i bränsleblandningen, bestämdes genom att man mätte mängden kvarvarande syre i avgasen medelst en Beckman oxygen analyzer, Model 715.

I en försöksserie infördes vatten i luft-väte-blandningen i motorns insughingsgrenrör i enlighet med den metod som beskriv-s i den amerikanska patentskriften 3.985.882. I en annan försöksserie infördes vatten i vätgasströmmen, varefter vätgasen innehållande vatten blandades med luft. Den härvid erhållna bränsleblandningen leddes till motorns insugningssystem för successiv förbränning i 7812266-0 6 motorns cylindrar. I båda försöksserierna mättes vattenflödet med en Fisher-Porter rotameter, och vätgasflödet mättes med en Schutle- -Koerting rotameter, varvid tillverkarens kalibreringskurva användes.

Försöksresultaten bekräftade rent allmänt vad som anges i den amerikanska patentskriften 3.985.832, nämligen att införande av vatten i bränslet, vare sig vatten införas i vätgasen före eller ef- ter dennas blandning med luft, har en positiv inverkan både på ut- släppen av kväveoxider och på motorns uppförande. Ålstringen av kväveoxider minskas kraftigt och backtändning elimineras, när vikt- förhållanden mellan vatten och väte större än 2 användes. Av resul- taten i fig. 4 framgår emellertid, att en 3-faldig till 20-faldig minskning av mängden kväveoxider uppnås, när förfarandet enligt USP 5.983.882 ersättas med förfarandet enligt föreliggande uppfinning.

Dessutom erhålles även en annan väsentlig förbättring. För vilket som helst givet ekvivalensförhâllande kan halten kväveoxider minskas kraf- tigt. Detta gör det möjligt, att köra motorn vid högsta möjliga ekvi- valensförhållande, och den termiska verkningsgraden hos vätedrivna förbränningsmotorer är maximal vid ett ekvivalensförnållande ø av ca 0,7 (se övre delen av fig. 4). När testmotorn fick arbeta enligt den kända metoden för införande av Vatten och vid ett ekvivalensförhåll- ande ø av ca 0,7, var halten kväveoxider i avgasen minst 200 ppm. När l motorn fick arbeta vid samma ekvivalensförhållande men vattnet inför- des i enlighet med föreliggande uppfinning, var halten kväveoxider i avgasen mindre än 10 ppm.

Utan att begränsa uppfinningen till någon speciell teori antager man, att när vattnet införes i vätgasströmmen före vätgasens blandning med luft så följer vattnet med vätet, så att högavatten- koncentrationer erhålles där bränslekoncentrationen är hög. Genom att studenaavgaserna från de individuella cylindrarna har man visat, att fördelningen av väte till cylindrarna är något olikformig; ekviva- lensförhållandet uppvisar en variation av ca 10 % mellan de olika cylindrarna. Variationen i ekvivalensförnâllandet påverkar icke motorns totala prestanda. Bildningen av kväveoxider är emellertid en exponentialfunktion av ekvivalensförhållandet, och en svag olikfor- mighet kan resultera i en avsevärd skillnad i kväveoxidbildningen från cylinder till cylinder. Om vattenkoncentrationen är hög där bränslekoncentrationen är hög, kan hämningen av kväveoxidbildningen - optimeras.

Claims (7)

2266~0 \1 G22 -_\ Patentkrav

1. Förbränningsmotor innefattande en eller flera förbränningskanunare, ett insugningsgrenrör (11) för införande av en blandning av vätgas och luft i för- bränningskarnrarna för succezssiv förbränning däri, bränsletíllförselorgan (15) för inmatning av en blandning av vätgas och luft i bestämt förhållande i insug- ningsgrenröret och en vätetillförselledning (16) för införande av vätgas i bräns- letillförselorganen (15), k ä n n e t e c k n a d a v att den även innefattar vattenfördelningsorgan (20) för att åstadkomma små droppar, spray el ler dimma av tillfört vatten och införa dropparna, sprayen eller dirmnn i vätetiflllförselled- ningen (16) så att blandning med vätgasen sker före vätgasens blandning med luft, en Kondensor (30) för kondensering av vattenånga ur de vid förbränningen av vät- gasen i förbränningskarnrarna bildade förbränningsgaserna och organ (36, 22, 21) för att leda kondenserat vatten till vattenfördelningsorganen (20) i sådan mängd att backtändning förhindras och halten kväveoxider i avgaserna minskas.

2. Förbränningsmotor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att ' bränsletillförselorganen utgöres av en förgasare (15) avsedd att blanda vätgas- vatten-blandningen med luft.

3. Förbränningsrmtor enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d a v att vat- tenfördelningsorganen utgöres av en andra förgasare (20) belägen uppströms den första förgasaren (15), vilken andra förgasare (20) är anordnad att införa vat- ten i form av små droppar, spray eller dimna i vätgasströnrrnen i ett förutbestämt viktförhållande vatten/väte.

4. Förbränningsxnotor enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d a att vat- tenfördelningsorganen utgöres av en anordning (75) för insprutning av vatten i form av små droppar, spray eller dimma i vätetíllförselleríningen (16) .

5. Förfarande för förhindrande av backtändning och för minskning av bild- ningen av kväveoxider i en förbränningsmtor enligt kraven 1-4 som drives med vätgas, k ä n n e t e c k n a t a v att man (a) lagrar vatten; (b) frarnställer små drcppar, spray eller dimma av det lagrade vattnet; (c) blandar det finförde- lade vattnet med vätgas; och (d) inför luft och vätgas-vatten-blandningen i ett förutbestämt förhållande i Inotorns insugningssystem för förbränning i cylindrarna, varvid det finfördelade vattnet blandas med vätgasen i ett förutbestämt viktför- hållande.

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t a att man i steg (a) kondenserar vattenånga i de bildade förbränningsgaserna och leder clet kon- denserade vattnet till en förrådsbehållare.

7. För-farande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t a v att vattnet blandas med vätgasen i ett viktförhållande vattenzvätgas av 2:1 eller större.