EP4288649A2 - Gasversorgungssystem, energiewandler und verfahren zum betreiben eines direkteinspritzenden verbrennungsmotors - Google Patents

Gasversorgungssystem, energiewandler und verfahren zum betreiben eines direkteinspritzenden verbrennungsmotors

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EP4288649A2
EP4288649A2 EP21820456.8A EP21820456A EP4288649A2 EP 4288649 A2 EP4288649 A2 EP 4288649A2 EP 21820456 A EP21820456 A EP 21820456A EP 4288649 A2 EP4288649 A2 EP 4288649A2
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EP
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combustion engine
internal combustion
oxyhydrogen
supply system
gas supply
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Oliver Richter
Rudolf A. THEODOR
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    • 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
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    • 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
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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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    • F02B2043/106—Hydrogen obtained by electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a gas supply system for an internal combustion engine. Furthermore, the present invention relates to an energy converter which has the gas supply system. The present invention also relates to a method for operating a direct-injection 4-stroke internal combustion engine and a method for operating a direct-injection 2-stroke internal combustion engine
  • one object of the present invention is to provide a fuel supply system for a conventional direct-injection internal combustion engine, in which the fuel provided can be produced from a basic substance that is available everywhere and which does not require any structural changes to the combustion engine. gate requires.
  • Another object is to provide an energy converter that can be operated using the gas supply system. Further tasks consist in providing a method for operating internal combustion engines which have the fuel supply system.
  • this object is achieved by a gas supply system for a direct-injection internal 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 preferably has a volume in the range from 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 set up to be connected to a high-pressure accumulator (common rail) of the internal combustion engine.
  • the gas supply system has an overpressure switch that is set up to switch off the electrolyzer as a function of the 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 from 400 hPa to 800 hPa is reached.
  • This overpressure switch has the advantage that, on the one hand, a sufficient supply of oxyhydrogen gas is ensured in the oxyhydrogen tank, so that sufficient oxyhydrogen gas can be made available even in the event of a sudden load change in the combustion engine, and, on the other hand, the pressure in the oxyhydrogen tank is limited to such an extent that it is not too high must be pressure-resistant and that the quantity of detonating gas stored cannot lead to a dangerous deflagration in the event of a leak.
  • the gas supply system also has a pressure reducer, which is arranged in the oxyhydrogen line.
  • a pressure reducer which is arranged in the oxyhydrogen line.
  • the electrolyser, 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 retrofitted as a whole into the fuel supply system of an internal combustion engine.
  • This installation can be 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 in particular via a high-pressure pump of the high-pressure area.
  • An inlet of the electrolyzer is connected to a fuel tank, in particular via a low-pressure pump of the low-pressure region. It is preferable to install the gas supply system as close as possible to the high-pressure pump 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, preferably differs from conventional electrolyzers from which hydrogen and oxygen are removed separately, however, in that it has a common oxyhydrogen outlet. This means that the gases hydrogen and oxygen produced at the cathode and the anode by electrolysis can still mix in the electrolyser to form oxyhydrogen and then leave the electrolyser through the oxyhydrogen outlet.
  • the oxyhydrogen tank is then fluidically connected to the oxyhydrogen outlet.
  • the electrolyser does not have to correspond to a preferred design or size, but the design used must enable the functionality described.
  • the size of the electrolyser depends on the intended use and is not subject to any 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 lateral area.
  • Such an electrolyzer is intended for the longitudinal axis of its housing to be arranged essentially horizontally, so that water can flow into the housing along or parallel to the longitudinal axis.
  • the housing acts simultaneously as an electrolysis space and as a collection space for the
  • the gases produced by electrolysis are hydrogen and oxygen, which mix there to form oxyhydrogen and can be fed through the oxyhydrogen outlet into the oxyhydrogen tank.
  • the oxyhydrogen outlet is preferably arranged at its uppermost 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 in each case 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 wrapped 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 switch off the electrolyzer automatically.
  • the invention in a second aspect, relates to an energy converter which, in addition to the gas supply system, has a direct-injection internal combustion engine whose high-pressure accumulator is fluidically connected to the oxyhydrogen line of the gas supply system.
  • a water tank is fluidly connected to a water inlet of the electrolyzer of the gas supply system.
  • water is fed from the water tank into the electrolytic cell, where oxyhydrogen gas is produced 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 internal combustion engine and injected directly into the cylinders of the internal combustion engine in the same way.
  • the oxyhydrogen is introduced into the combustion chamber of a cylinder during an injection stroke (stroke 1 in a 4-stroke combustion engine) of the combustion engine, compressed in a compression stroke (stroke 2) and ignited at the transition to stroke 3.
  • stroke 1 in a 4-stroke combustion engine
  • stroke 2 compressed in a compression stroke
  • stroke 3 the ignition of the oxyhydrogen gas reduces the volume of the gaseous oxyhydrogen gas to the volume of the resulting liquid water due to the formation of liquid water as a combustion product of the hydrogen/oxygen gas mixture.
  • This reduction in volume is arithmetically 99.5% and leads to decompression in the cylinder, which arithmetically achieves a value of 199.9:1.
  • this value would only be reached under normal conditions, i.e.
  • the internal combustion engine designed as a reciprocating piston engine represents a self-contained system that can only react to pressure changes by moving the piston up or down. If the internal combustion engine is a 4-stroke internal combustion engine, in normal use with fossil fuels, the high pressure resulting from the combustion leads to a downward movement of the piston in stroke 3. If, on the other hand, oxyhydrogen is burned in the internal combustion engine, then at the end of In cycle 3, a significant vacuum builds up, which the reciprocating piston, which has meanwhile passed bottom dead center, can only compensate for in cycle 4 by moving upwards. Since the negative pressure is very high, as described above, this generates a force with which the piston is moved upwards in order to compensate for the negative pressure caused by the reduction in volume.
  • This force is not an effect of the low overpressure that initially develops when the oxyhydrogen is burned, but rather the reaction of the "combustion engine” system to the disturbance variable "decompression” as a result of the volume reduction of the burned oxyhydrogen gas to the volume of the water produced.
  • the combustion engine becomes i.e. it is not driven by the combustion enthalpy of the oxyhydrogen, but by the pressure change in the cylinder at the end of cycle 3.
  • the oxyhydrogen combustion only serves to generate a negative pressure as an interference pulse
  • the combustion engine reacts to this interference pulse in the only way possible, namely by moving the piston in stroke 4.
  • the resulting mechanical energy can be tapped off at the crankshaft.However, the tappable energy in the combustion engine is somewhat lower than theoretically or arithmetically the tensile force on the piston would be to compensate for the vacuum, since during the upward movement of the The exhaust valves are already opened in stroke 4 and part of the negative pressure is thus compensated for by the inflowing air. With the full As the piston moves upwards, the water molecules 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, with which the electrolyzer can be operated.
  • the generator can be driven directly or indirectly. In addition to driving the generator, the combustion engine can also drive other users.
  • the generator is electrically connected to an energy store, which is connected to the electrolyzer via the electrical connection.
  • an energy store which is connected to the electrolyzer via the electrical connection.
  • the energy store can be recharged by means of the generator, so that energy can be kept available for later restarting of the internal combustion engine.
  • the energy store can also be used in order to operate a starter of the internal combustion engine and thus to enable a first 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 in the gas supply system.
  • the supply of electrical energy to the electrolyser by a generator can be temporarily interrupted in this way until the pressure has fallen so far that further electrolysis is desired.
  • the internal combustion engine can in particular be arranged in a motor vehicle.
  • the generator can then be an alternator of the motor vehicle and the energy store can be a battery of the motor vehicle.
  • the gas supply system enables the motor vehicle to be operated by burning oxyhydrogen, 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 forwarded to the electrolyzer.
  • the energy converter it can be provided that water vapor produced in the internal 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. Since a consumer operated with the energy converter functions independently of the ambient air or external oxygen, it can also be operated in a vacuum, under water or in other atmospheres. In principle, the use of the energy converter is technically and geographically possible anywhere and in all areas of application.
  • the invention in a third aspect, relates to a method for operating a direct-injection 4-stroke internal combustion engine. This includes introducing gaseous hydrogen and oxygen in an injection stroke (stroke 1) of the internal combustion engine into a cylinder combustion chamber of the internal combustion engine, and compressing and igniting the gaseous hydrogen and oxygen in the compression stroke (stroke 2). By igniting the hydrogen and oxygen, a piston of the internal combustion engine performs a work stroke (cycle 4) in the internal combustion engine by burning hydrogen and oxygen to form water with the accompanying decompression.
  • stroke 1 injection stroke
  • stroke 2 a piston of the internal combustion engine performs a work stroke (cycle 4) in the internal combustion engine by burning hydrogen and oxygen to form water with the accompanying decompression.
  • the internal combustion engine preferably drives a generator which is connected via an electrical connection to an electrolyzer which produces hydrogen and oxygen from a water-electrolyte mixture.
  • the internal combustion engine preferably drives a generator which is connected via an electrical connection to an electrolyzer which produces hydrogen and oxygen from a water-electrolyte mixture.
  • the direct-injection 2-stroke internal combustion engine has a gas supply system according to the first aspect of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic of an energy converter according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 4 shows a sectional view of the electrolyzer according to Figure 2.
  • FIG. 1 An energy converter according to an embodiment of the invention is shown in FIG. In the present exemplary embodiment, this is an energy converter of a motor vehicle.
  • This has a gas supply system 10 which was built into the fuel supply system of the motor vehicle.
  • An electrolyzer 20 is connected in the gas supply system 10 via a first oxyhydrogen line 11 to an oxyhydrogen tank 12 .
  • the oxyhydrogen tank 12 is set up to temporarily store oxyhydrogen gas generated in the electrolyzer 20 and then to release it into a second oxyhydrogen line 13 in which a pressure reducer 14 is arranged.
  • An overpressure switch 15 is arranged on the oxyhydrogen tank 12 . It is configured to break an electrical connection that connects the electrolyzer 20 to multiple power sources.
  • the cooling water pump (not shown) of the internal combustion engine 50 is switched off.
  • the exhaust gas temperature is only in the range from 700°C to 900°C and the oil temperature in the range from 95°C to 105°C.
  • Both circular surfaces 220 each 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 each with different diameters serve to seal off each of the circular surfaces 220 from the lateral surface 210.
  • Frame 240 includes cathode plate 241 which is serrated on its top and bottom to engage the meanders of cathode 250 .
  • Three fixing strips 242 and three spacers 243 connect the cathode plate 241 to the frame-shaped anode plate 244.
  • socket head 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.
  • Each of the Fixing strips 242 are each guided by three further cylinder screws 246 by means of which the fixing strips 242 are screwed to the inside of the circular surface 220 which has the water inlet 222 .
  • a rotational speed of the internal combustion engine 50 of 2000 rpm was assumed, with which a cycle of the four-stroke engine takes a time of 15 ms.
  • 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 diluted with fresh water (e.g. from an on-board seawater desalination system) (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 amount.

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Abstract

Ein Gasversorgungssystem (10) für einen direkteinspritzenden Verbrennungsmotor (50) weist einen Elektrolyseur (20) und einen Knallgastank (12) auf. Eine Knallgasleitung (13), die fluidisch mit dem Knallgastank (12) verbunden Ist, ist eingerichtet ist, um mit einem Hochdruckspeicher (43) des Verbrennungsmotors (50) verbunden zu werden. Das Gasversorgungssystem (10) ist Teil eines Energiewandlers, der weiterhin den Verbrennungsmotor (50) aufweist. Ein Wassertank (30) ist in dem Energiewandler fluidisch mit einem Wassereinlass des Elektrolyseurs (20) des Gasversorgungssystems (10) verbunden ist.

Description

Gasversorgungssystem, Energiewandler und Verfahren zum Betrei- ben eines direkteinspritzenden Verbrennungsmotors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasversorgungssystem für einen Ver- brennungsmotor. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Energiewandler, der das Gasversorgungssystem aufweist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines direkteinsprit- zenden 4-Takt-Verbrennungsmotors und ein Verfahren zum Betreiben eines direkteinspritzenden 2-Takt-Verbrennungsmotors
Stand der Technik
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 wer- den 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 Mög- lichkeit den Wasserstoff zentral zu produzieren und an Wasserstofftankstellen zu verteilen.
Um diesem Problem zu begegnen besteht eine Aufgabe der vorliegenden Er- findung darin, ein Kraftstoffversorgungssystem für einen herkömmlichen direkt einspritzenden Verbrennungsmotor bereit zu stellen, in dem der bereit- gestellte Kraftstoff aus einer überall verfügbaren Grundsubstanz hergestellt werden kann und das keine baulichen Veränderungen am Verbrennungsmo- tor erforderlich macht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Energiewandler bereitzustellen, der unter Verwendung des Gasversorgungs- systems betrieben werden kann. Weitere Aufgaben bestehen darin Verfahren zum Betreiben von Verbrennungsmotoren bereitzustellen, welche das Kraft- stoffversorgungssystem aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Gasver- sorgungssystem für einen direkt einspritzenden Verbrennungsmotor gelöst, welches einen Elektrolyseur aufweist. Das Gasversorgungssystem weist wei- terhin einen Knallgastank auf, der Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Elektrolyseur speichert. Beispielsweise dann, wenn der Verbrennungsmotor dazu vorgesehen ist ein Kraftfahrzeug anzutreiben, weist der Knallgastank vorzugsweise ein Volumen im Bereich von 800 cm3 bis 1000 cm3 auf. Er fun- giert bei der Gasversorgung des Verbrennungsmotors als Ausgleichsbehälter. Schließlich weist das Gasversorgungssystem eine Knallgasleitung auf, die fluidisch mit dem Knallgastank verbunden ist. Sie ist eingerichtet, um mit ei- nem Hochdruckspeicher (Common-Rail) des Verbrennungsmotors verbunden zu werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Gasversorgungssystem einen Über- druckschalter 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 ausrei- chende Knallgasbevorratung im Knallgastank gewährleistet wird, um auch bei einem plötzlichen Lastwechsel des Verbrennungsmotors ausreichend Knall- gas zur Verfügung stellen zu können und andererseits der Druck im Knallgastank so stark begrenzt wird, dass dieser keine hohe Druckbeständig- keit aufweisen muss und dass die bevorratete Knallgasmenge beim Auftreten einer Leckage zu keiner gefährlichen Verpuffung führen kann.
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 beispiels- weise um einen 1 ,4 I Vierzylinder Ottomotor mit einer nominalen Leistung von 75 kW handelt, so ist eine Druckreduzierung auf 80 hPa vorteilhaft.
Der Elektrolyseur, der Knallgastank, die Knallgasleitung und gegebenenfalls der Überdruckschalter und der Druckminderer können als gemeinsame Bau- gruppe ausgeführt werden, welche das Gasversorgungssystem darstellt und die als Ganzes nachträglich in das Kraftstoffversorgungssystem eines Ver- brennungsmotors eingebaut werden kann. Dieser Einbau kann zwischen einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich des Kraftstoffversor- gungssystems erfolgen. Dabei wird die Knallgasleitung insbesondere über eine Hochdruckpumpe des Hochdruckbereichs mit dem Hochdruckspeicher verbunden. Ein Einlass des Elektrolyseurs wird insbesondere über eine Nie- derdruckpumpe des Niederdruckbereichs mit einem Kraftstofftank verbunden. Es ist bevorzugt, das Gasversorgungssystem möglichst nahe an der Hoch- druckpumpe einzubauen, um die gasführenden Leitungen kurz zu halten.
Grundsätzlich kann das Gasversorgungssystem einen herkömmlichen Elekt- rolyseur aufweisen, der Wasserstoff und Sauerstoff separat ausgibt. Diese können dann durch zwei separate Gasleitungen in den Knallgastank geleitet werden. Vorzugsweise unterscheidet sich der Elektrolyseur, welcher mindes- tens eine Kathode und mindestens eine Anode aufweist, von herkömmlichen Elektrolyseuren, denen Wasserstoff und Sauerstoff separat entnommen wer- den, jedoch darin, dass er einen gemeinsamen Knallgasauslass aufweist. Dies bedeutet, dass die an der Kathode und der Anode durch Elektrolyse ent- stehenden 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.
Der Elektrolyseur muss keiner bevorzugten Bauform oder Größe entspre- chen, die verwendete Bauform muss jedoch die beschriebene Funktionalität ermöglichen. Die Größe des Elektrolyseurs ist abhängig vom Verwendungs- zweck 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 Elektroly- seur ist dazu vorgesehen, dass die Längsachse seines Gehäuses im Wesentlichen horizontal angeordnet wird, sodass Wasser entlang oder paral- lel 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 ge- leitet werden können.
Hierzu ist der Knallgasauslass vorzugsweise in der Einbauposition des Elekt- rolyseurs an seinem obersten Punkt angeordnet.
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 Rah- mens angeordnet. Diese Anordnung der Kathode und der Anode erfolgt vorzugsweise jeweils vertikal, sodass bereits bei einem geringen Wasserfüll- stand im Gehäuse beide Elektroden in das Wasser eintauchen. Der Rahmen ist vorzugsweise an den beiden Kreisflächen des Gehäuses befestigt. Beson- ders bevorzugt ist dies dadurch realisiert, dass die Kreisflächen an ihrer dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Seite jeweils Ausnehmungen aufwei- sen, in welche der Rahmen eingreift.
Für das Material der Kathode sowie der Anode bestehen keine festen Vorga- ben. 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 vorzugs- weise 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 Ano- denrahmen angeordnet.
Selbst bei ungewollter Entzündung des im Gasversorgungssystem vorhande- nen Knallgases geht keine Gefahr davon aus, da die vorhandene geringe Menge an Knallgas an der Austrittstelle mit einer Flamme rasch verbrennt, je- doch nicht explodiert. Für den Fall eines Lecks am Gasversorgungssystem und dem damit verbundenen Druckabfall im Knallgastank ist das Gasversor- gungssystem vorzugsweise dazu eingerichtet, dass es den Elektrolyseur automatisch abschaltet.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Energiewandler, der au- ßer dem Gasversorgungssystem einen direkt einspritzenden Verbrennungsmotor aufweist, dessen Hochdruckspeicher fluidisch mit der Knallgasleitung des Gasversorgungssystems verbunden ist. Ein Wassertank ist fluidisch mit einem Wassereinlass des Elektrolyseurs des Gasversor- gungssystems verbunden. Im Betrieb des Energiewandlers wird Wasser aus dem Wassertank in die Elektrolysezelle geleitet und dort elektrolytisch Knall- gas 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 Ver- brennungsmotors und in derselben Weise direkt in die Zylinder des Verbrennungsmotors eingespritzt.
Das Knallgas wird in einem Einspritztakt (Takt 1 bei einem 4-Takt-Verbren- nungsmotor) des Verbrennungsmotors in den Brennraum eines Zylinders eingebracht, in einem Kompressionstakt (Takt 2) komprimiert und am Über- gang zu Takt 3 gezündet. Durch die Zündung des Knallgases verringert sich durch Entstehung von flüssigem Wasser als Verbrennungsprodukt des Was- serstoff-/Sauerstoffgasgemischs im Idealfall das Volumen des gasförmigen Knallgases auf das Volumen des entstehenden flüssigen Wassers. Diese Vo- lumenreduktion 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 Be- triebsbedingungen wird ein tatsächlicher Dekompressionswert von ca. 100 : 1 erreicht. Diese Dekompression im Zylinder nach Umsetzung des Knallgases in Wasser führt zu einer Temperaturemiedrigung und dem Entstehen eines starken Unterdrucks im Zylinder. Dieser Unterdrück ist als Einführung einer Störgröße in die Bewegung des Verbrennungsmotors zu verstehen.
Der als Hubkolbenmotor ausgeführte Verbrennungsmotor stellt bei geschlos- senen Ventilen ein in sich geschlossenes System dar, das auf Druckveränderungen nur durch Aufwärts- oder Abwärtsbewegungen des Kol- bens reagieren kann. Wenn der Verbrennungsmotor ein 4-Takt- Verbrennungsmotor ist, führt beim normalen Einsatz mit fossilen Verbren- nungsstoffen, der durch die Verbrennung entstehende hohe Druck zu einer Abwärtsbewegung des Kolbens in Takt 3. Wird hingegen Knallgas im Ver- brennungsmotor verbrannt so tritt am Ende von Takt 3 ein erheblicher Unterdrück auf, der vom Hubkolben, welcher inzwischen den unteren Tot- punkt überschritten hat, in Takt 4 nur durch Aufwärtsbewegung ausgeglichen werden kann. Da der Unterdrück wie voranstehend beschrieben sehr hoch ist, geht davon eine Kraft aus, mit der der Kolben nach oben bewegt wird, um den durch Volumenverringerung entstandenen Unterdrück auszugleichen. Diese Kraft ist kein Effekt des bei der Verbrennung des Knallgases zunächst entstehenden niedrigen Überdrucks, sondern die Reaktion des Systems „Ver- brennungsmotor“ 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 Verbrennungsmo- tor reagiert in der einzigen ihm möglich Weise auf diesen Störimpuls nämlich durch Aufwärtsbewegung des Kolbens im Takt 4. Die dabei entstehende me- chanische 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 Un- terdrucks 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.
Es ist bevorzugt, dass der Verbrennungsmotor einen Generator antreibt und der Generator über eine elektrische Verbindung mit dem Elektrolyseur ver- bunden 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 Genera- tors kann direkt oder indirekt erfolgen. Neben dem Antreiben des Generators kann der Verbrennungsmotor auch noch weitere Nutzer antreiben.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Generator elektrisch mit einem Energie- speicher verbunden ist, der über die elektrische Verbindung mit dem Elektrolyseur verbunden ist. Um den Verbrennungsmotor in Betrieb zu neh- men 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 nachgela- den 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 Ver- brennungsmotors zu ermöglichen.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Generator und dem Elektrolyseur verläuft vorzugsweise durch einen Überdruckschalter des Gasversorgungs- systems. Wenn im Knallgastank ein vorgegebener Knallgasdruck erreicht wurde, kann auf diese Weise die Versorgung des Elektrolyseurs mit elektri- scher Energie durch einen Generator vorübergehend unterbrochen werden, bis der Druck wieder soweit abgesunken ist, dass eine weitere Elektrolyse er- wünscht ist. Der Verbrennungsmotor kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeord- net sein. Bei dem Generator kann es sich dann um eine Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs handeln und bei dem Energiespeicher um eine Baterie des Kraftfahrzeugs. Das Gasversorgungssystem ermöglicht den Betrieb des Kraftfahrzeugs durch die Verbrennung von Knallgas, welches aus Wasser er- zeugt wird.
Es ist hierbei bevorzugt, dass der Wassertank ein Kraftstofftank des Kraftfahr- zeugs ist. Dies ermöglicht es, das Gasversorgungssystem als Nachrüstele- ment in das Kraftstoffversorgungssystem des Kraftfahrzeugs einzubauen und den Kraftstofftank mit Wasser zu befüllen, welches dann in den Elektrolyseur weitergeleitet wird.
Um dem Wasser eine für die Elektrolyse optimale elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, enthält dieses als Elektrolyt vorzugsweise mindestens 0,6 mmol ei- nes Alkalihalogenids, wie insbesondere Natriumchlorid oder Kaliumchlorid, oder eines Ammoniumhalogenids, wie insbesondere Ammoniumchlorid. Be- sonders bevorzugt wird Natriumchlorid als Elektrolyt verwendet. Da der Elektrolyt nicht verbraucht wird, kann dieser grundsätzlich einmalig im Elekt- rolyseur vorgelegt werden, um dem einströmenden Wasser anschließend stets die erforderliche Elektrolytkonzentration zu verleihen. Dieses Vorlegen kann dadurch erfolgen, dass eine einmalige Betankung mit einer Elektrolytlö- sung 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 Elekt- rolyt 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. Sollte der Kraftstofftank versehentlich anstelle mit Wasser erneut mit Kraft- stoff befüllt werden, so fungiert dieser im Elektrolyseur als elektrischer Isolator zwischen der Kathode und der Anode, Es findet dann keine elektro- chemische Reaktion im Elektrolyseur statt und der Kraftstoff kann stattdessen durch den Elektrolyseur und den Knallgastank hindurch in das Hochdrucksys- tem des Verbrennungsmotors gepumpt werden, welcher wieder seinen herkömmlichen Betrieb bei Verbrennung fossiler Brennstoffe aufnimmt.
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 bei- spielsweise durch ein dauerhaftes Schließen einer Drosselklappe in der Luftzufuhr realisiert werden. Auch das Vorsehen eines Verschlusses an der Luftzufuhr kann vorgesehen werden.
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. Da- her kann die Kühlwasserpumpe des Verbrennungsmotors abgeschaltet werden.
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 Kon- denswasser die erforderliche Elektrolytkonzentration im Elektrolyseur aufrechterhalten werden. 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.
In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben ei- nes direkteinspritzenden 4-Takt-Verbrennungsmotors. Dieses umfasst ein Einbringen von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff in einem Ein- spritztakt (Takt 1) des Verbrennungsmotors in einen Zylinderbrennraum des Verbrennungsmotors, und ein Komprimieren und Zünden des gasför- migen Wasserstoffs und Sauerstoffs im Kompressionstakt (Takt 2). Durch das Zünden des Wasserstoffs und Sauerstoffs verrichtet ein Kolben des Verbrennungsmotors durch die Verbrennung von Wasserstoff und Sauer- stoff zu Wasser mit der einhergehenden Volumenverringerung einhergehende Dekompression einen Arbeitstakt (Takt 4) im Verbren- nungsmotor.
Vorzugsweise treibt der Verbrennungsmotor einen Generator an, der über eine elektrische Verbindung mit einem Elektrolyseur verbunden ist, der aus einem Wasser-Elektrolyt-Gemisch Wasserstoff und Sauerstoff er- zeugt.
Die bei der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ent- standenen Wassermoleküle werden bevorzugt zumindest teilweise über einen Kondensator zurückgewonnen. Besonders bevorzugt wird das zu- rückgewonnene Wasser dem Elektrolyseur zugeleitet.
Insbesondere weist der direkteinspritzende 4-Takt-Verbrennungsmotor ein Gasversorgungssystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf. In einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines direkteinspritzenden 2-Takt-Verbrennungsmotors. Hierin vergrößert in einem ersten Takt ein nach unten laufender Kolben ein Volumen in ei- nem Zylinder des Verbrennungsmotors, wodurch im Zylinder ein Unterdrück entsteht Sobald ein Zuführkanal der Einspritzanlage in den Zylinder freigegeben wird, werden gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff in den Zylinder eingespritzt. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das im Zylinder der Verbrennungsmotors befindliche Wasser- stoff/Sauerstoff-Gemisch verdichtet und kurz vor dem oberen Totpunkt durch eine Zündeinrichtung gezündet. In einem zweiten Takt nach dem Zünden des Wasserstoffs und Sauerstoffs bewegt sich der Kolben des Verbrennungsmotors zu einem unteren Totpunkt, wobei durch die mit der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser einhergehenden Volumenverringerung und folgender Dekompression im Zylinder ein Ar- beitstakt im Verbrennungsmotor bei der folgenden Aufwärtsbewegung verrichtet wird.
Vorzugsweise treibt der Verbrennungsmotor einen Generator an, der über eine elektrische Verbindung mit einem Elektrolyseur verbunden ist, der aus einem Wasser-Elektrolyt-Gemisch Wasserstoff und Sauerstoff er- zeugt.
Insbesondere weist der direkteinspritzende 2-Takt-Verbrennungsmotor ein Gasversorgungssystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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 Ausführungs- beispiel der Erfindung.
Figur 2 zeigt eine isometrische Darstellung eines Elektrolyseurs eines Gas- versorgungssystems 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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Ein Energiewandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fi- gur 1 dargestellt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um einen Energiewandler eines Kraftfahrzeugs. Dieser weist ein Gas- versorgungssystem 10 auf, welches in das Kraftstoffversorgungssystem des Kraftfahrzeugs eingebaut wurde. Ein Elektrolyseur 20 ist in dem Gasversor- gungssystem 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.
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 Nat- riumchiorid gelöst sind. Eine Niederdruckleitung 32 verbindet den Kraftstofftank 30 mit einem Wassereinlass des Elektrolyseurs 20. in der Nie- derdruckleitung 32 ist eine elektrische Kraftstoffpumpe 33 angeordnet, die das Wasser 31 aus dem Kraftstofftank 30 in den Elektrolyseur 20 fördert.
Ohne Verwendung des Gasversorgungssystems 10 fördert die elektrische Kraftstoffpumpe 33 Benzin aus dem Kraftstofftank 30 zu einer Kraftstoffhoch- druckpumpe 41. In der erfindungsgemäßen Einbausituation ist das Gasversorgungssystem 10 so in das Kraftstoffversorgungssystem eingebaut, dass es die von der elektrischen Kraftstoffpumpe 33 zur Kraftstoffhochdruck- pumpe 41 führende Kraftstoffieitung unterbricht und die Kraftstoffhochdruckpumpe 41 an die zweite Knallgasleitung 13 angeschlos- sen 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.
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 Ein- spritzstrategie 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 er- folgen, wie dies für die Benzindirekteinspritzung vorgesehen ist.
Als Luftzufuhr 51 des Verbrennungsmotors 50 fungiert ein Saugrohr, in dem eine Drosselklappe 52 angeordnet ist. Die Luftzufuhr 51 ist verschlossen, in- dem die Drosselklappe 52 in geschlossener Stellung blockiert wurde. 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 Verbrennungsmo- tors 50 von einem elektrischen Generator 54 abgegriffen. Ein Energiespeicher 60 in Form einer Batterie ist über eine elektrische Verbin- dung 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.
Die nicht dargestellte Kühlwasserpumpe des Verbrennungsmotors 50 ist ab- geschaltet. 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.
Die Figuren 2 - 4 zeigen Darstellungen des Elektrolyseurs 20 in dem Gasver- sorgungssystem 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 Was- sereinlass 222 in einer der Kreisflächen 220 in den Innenraum des Elektrolyseurs 20 geleitet.
Ein quaderförmiger Rahmen 240 ist in dem Gehäuse des Elektrolyseurs an- geordnet und trägt eine Kathode 250 und eine in den Figuren 2 - 4 nicht sichtbare Anode. Die Kathode 250 ist als mäanderförmiger Platindraht ausge- führt, welcher um eine Kathodenplatte 241 des Rahmens 240 gewickelt ist, die die Kathode 250 auf diese Weise trägt. Die Anode ist zwischen einer Ano- denplatte 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 ge- führt, durch welche auch der Wassereinlass 222 verläuft.
Figur 5 zeigt alle Bauteile des Elektrolyseurs 20 in einer Explosionsdarstel- lung. 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 Tan- gentialausgleichsscheibe 213 vorgesehen. An der Außenseite der Mantelfläche 210 sind sechs Verschraubungsstangen 214 angeordnet, die je- weils 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.
Die Kreisfläche 220, welche den Wassereinlass 222 aufweist, verfügt über eine Öffnung 221 in welcher der Wassereinlass 222 eingesetzt ist. Zwei wei- tere 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 ei- nem 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 wei- sen 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.
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. Zylinder- schrauben 245 sind hierzu durch Bohrungen in der Kathodenplatte 241 und der Anodenplatte 244 geführt und enden in den Fixierleisten 242 und den Ab- standshaltem 243. Durch jede der Fixierleisten 242 sind jeweils drei weitere Zylinderschrauben 246 geführt mittels welcher die Fixierleisten 242 mit der In- nenseite der Kreisfläche 220 verschraubt sind, welche den Wassereinlass 222 aufweist.
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.
Die Anode 260 ist als Graphitmembran (SIGRAFLEX® der Firma SGL Car- bon) 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 ver- schraubt Der elektrische Anschluss 263 der Anode 260 ist an dieser angesetzt.
Der Elektrolyseur enthält keine beweglichen Teile und unterliegt dadurch kei- nem 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 Wasserein- lasses 222 sowie an den O-Ringen 231, 232 entstehen, die bei Bedarf ausgetauscht werden können. Beim Öffnen des Elektrolyseurs 20 zum Aus- tauschen 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.
Während des Betriebs erwärmt sich der Elektrolyseur 20 geringfügig. Diese Abwärme wird an die Umgebung abgegeben. Die Erwärmung ist dabei so ge- ring, dass keine aktive Kühlung für den Elektrolyseur 20 benötigt wird, solange eine ungehinderte Wärmeabgabe an die Umgebung sichergestellt ist.
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 un- ter 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.
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.
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 voran- stehend beschriebenen Gasversorgungssystems 10, dessen Elektrolyseur mit 12 V Bordspannung betrieben wird und dessen Druckminderer 14 Knall- gas 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 Fahrt- zeiten t führt dies zu den in Tabelle 1 genannten Werten für den elektrischen Stromfluss / durch den Elektrolyseur 20 und für die durchschnittliche elektri- sche Leistung P des Elektrolyseurs 20:
Tabelle 1
Dabei wurde eine Drehzahl des Verbrennungsmotors 50 von 2000 rpm ange- nommen, womit ein Takt des Viertakt-Motors jeweils eine Zeit von 15 ms in Anspruch nimmt.
Auch wenn die Anwendung des Energiewandlers im voranstehenden Ausfüh- rungsbeispiel 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, unab- hängig vom bisher verwendeten Kraftstoff, wie Benzin, Diesel, Gas oder anderen Kraftstoffen eingesetzt werden. Damit kann das Gasversorgungsys- tem auch in der Schifffahrt, in Kraftwerken oder für lokale Generatoren eingesetzt werden. Grundsätzlich kann das Gasversorgungssystem mit je- dem direkteinspritzenden Verbrennungsmotor, unabhängig von dessen Größe oder Nutzung, eingesetzt werden.
Bei stationären Anwendungen des Energiewandlers, welcher das erfindungs- gemäße Gasversorgungsystem aufweist, können sowohl die mechanische Energie als auch die thermische Energie genutzt werden, beispielsweise zur Stromgewinnung per Generator (mechanische Energie) mit gleichzeitiger Nut- zung der Abwärme (thermische Energie), um damit Dampf zu erzeugen.
Fracht- und Passagierschiffe können auf diese Weise den gesamten Energie- bedarf 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 nöti- gen 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 Natri- umchlorid 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 Süß- wasser auf 1 I Meerwasser). In der Binnenschifffahrt kann dem Süßwasser ein Elektrolyt in der notwendigen Menge zugegeben werden.
Zu den erweiterten Einsatzmöglichkeiten gehört nicht zuletzt die Umrüstung von Kohle-, Öl- oder Gaskraftwerken, in denen der Antrieb der Turbinen bis- her durch Wasserdampf erfolgt, der durch Verbrennung von Kohle, Öl oder Gas erzeugt wird. Bei Einsatz entsprechender Aggregate, die mit dem erfin- dungsgemäßen 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.

Claims

Ansprüche
1. Gasversorgungssystem (10) für einen direkteinspritzenden Verbren- nungsmotor (50), aufweisend - einen Elektrolyseur (20), - einen Knallgastank (12), der fluidisch mit dem Elektrolyseur (20) verbunden ist, und - eine Knallgasleitung (13), die fluidisch mit dem Knallgastank (12) verbunden ist, und die eingerichtet ist, um mit einem Hochdruck- speicher (43) des Verbrennungsmotors (50) verbunden zu werden.
2. Gasversorgungssystem (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeich- net, dass er weiterhin einen Überdruckschalter (15) aufweist, der eingerichtet ist, um in Abhängigkeit von einem Druck im Knallgastank (12) den Elektrolyseur (20) abzuschalten.
3. Gasversorgungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass es weiterhin einen Druckminderer (14) aufweist, der in der Knallgasleitung (13) angeordnet ist.
4. Gasversorgungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (20) mindestens eine Kathode (250) und mindestens eine Anode (260) mit einem gemeinsa- men Knallgasauslass (212) aufweist, wobei der Knallgasauslass fluidisch mit dem Knallgastank (12) verbunden ist.
5. Gasveraorgungssystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich- net, dass der Elektrolyseur (20) ein kreiszylinderförmiges Gehäuse aufweist, wobei ein Wassereinlass (222) in einer Kreisfläche (220) an- geordnet ist und Knallgasauslass (212) in einer Mantelfläche (210) angeordnet ist.
6. Gasversorgungssystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich- net, dass ein quaderförmiger Rahmen (240) in dem Gehäuse angeordnet ist und die Kathode (250) und die Anode (260) jeweils an einer Seitenfläche (241, 244) des Rahmens (240) angeordnet sind.
7. Energiewandler, aufweisend - ein Gasversorgungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, - einen direkteinspritzenden Verbrennungsmotor (50), dessen Hochdruckspeicher (43) fluidisch mit der Knallgasleitung (13) des Gasversorgungssystems (10) verbunden ist, und - einen Wassertank (30), der fluidisch mit einem Wassereinlass (222) des Elektrolyseurs (20) des Gasversorgungssystems (10) verbunden ist.
8. Energiewandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (50) ein Viertaktverbrennungsmotor ist.
9. Energiewandler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (50) einen Generator (54) antreibt und der Generator (54) über eine elektrische Verbindung (61) mit dem Elektrolyseur (20) verbunden ist.
10. Energiewandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (54) elektrisch mit einem Energiespeicher (60) verbunden ist der über die elektrische Verbindung (61) mit dem Elektrolyseur (20) verbunden ist.
11. Energiewandler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung (61) zwischen dem Generator (54) und dem Elektrolyseur (20) durch einen Oberdruckschalter (15) des Gasversorgungssystems (10) verläuft.
12. Energiewandler nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Verbrennungsmotor (50) in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
13. Energiewandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass der Wassertank (30) ein Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs ist
14. Energiewandler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftzufuhr (51) des Verbrennungsmotors (50) verschlossen ist.
15. Energiewandler nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge- kennzeichnet dass eine Kühlwasserpumpe des Verbrennungsmotors (50) abgeschaltet ist.
16. Verfahren zum Betreiben eines direkteinspritzenden 4-Takt-Verbren- nungsmotors (50) mit folgenden Schritten: - Einbringen von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff in einem Einspritztakt des Verbrennungsmotors (50) in einen Zylinderbrenn- raum des Verbrennungsmotors (50), - Komprimieren und Zünden des gasförmigen Wasserstoffs und Sau- erstoffs im Kompressionstakt dadurch gekennzeichnet, dass durch das Zünden des Wasserstoffs und Sauerstoffe ein Kolben des Verbrennungsmotors (50) durch die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser mit der ein- hergehenden Volumenverringerung einhergehende Dekompression ein Arbeitstakt im Verbrennungsmotor (50) verrichtet wird.
17. Verfahren zum Betreiben eines direkteinspritzenden 4-Takt-Verbren- nungsmotors (50) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (50) einen Generator (54) antreibt, der über eine elektrische Verbindung mit einem Elektrolyseur (20) verbunden ist, der aus einem Wasser-Elektrolyt-Gemisch Wasserstoff und Sauer- stoff erzeugt
18. Verfahren zum Betreiben eines direkteinspritzenden 4-Takt-Verbren- nungsmotors (50) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entstandenen Wassermoleküle zumindest teil- weise Über einen Kondensator zurückgewonnen werden.
19. Verfahren zum Betreiben eines direkteinspritzenden 4-Takt-Verbren- nungsmotors (50) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zurückgewonnene Wasser dem Elektrolyseur (20) zugeleitet wird.
20. Verfahren zum Betreiben eines direkteinspritzenden 2-Takt-Verbren- nungsmotors (50) mit folgenden Schritten: - in einem ersten Takt vergrößert ein nach unten laufender Kolben ein Volumen im Zylinder des Verbrennungsmotors (50), wodurch im Zylinder ein Unterdrück entsteht und sobald ein Zuführkanal der Einspritzanlage in den Zylinder freigegeben wird, wird gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff in den Zylinder eingespritzt und
- durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das im Zylinder der Verbrennungsmotors (50) befindliche Wasserstoff und Sauerstoff- Gemisch verdichtet und kurz vor dem oberen Totpunkt durch eine Zündeinrichtung gezündet, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Takt nach dem Zün- den des Wasserstoffs und Sauerstoffs der Kolben des Verbrennungsmotors (50) sich zu einem unteren Totpunkt bewegt, wo- bei durch die mit der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser einhergehenden Volumenverringerung und folgender Dekom- pression im Zylinder ein Arbeitstakt im Verbrennungsmotor (50) bei der folgenden Aufwärtsbewegung verrichtet wird.
21. Verfahren zum Betreiben eines direkteinspritzenden 2-Takt-Verbren- nungsmotors (50) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (50) einen Generator (54) antreibt, der über eine elektrische Verbindung mit einem Elektrolyseur (20) verbunden ist, der aus einem Wasser-Elektrolyt-Gemisch Wasserstoff und Sauer- stoff erzeugt.
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