DE3110511A1 - "verfahren und vorrichtung zur thermochemischen wasserstoff-sauerstoff-verbrennungseinleitung" - Google Patents
"verfahren und vorrichtung zur thermochemischen wasserstoff-sauerstoff-verbrennungseinleitung"Info
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Description
A 4257 - 14 -
Verfahren und Vorrichtung zur thermochemischen
Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zur thermochemischen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
bei einem mit einer Primärbrennstoff-Verbrennungskammer versehenen Verbrennungsgrundsystem.
Bei den brennstoff verbrauchenden Anwendungen machen die begrenzte
Verfügbarkeit von nicht erneuerbaren Primärenergiequellen und die Faktoren der energiebezogenen Umweltbelastungen Überlegungen nach
einer besseren Brennstoffausnützung, nach reduzierten Emissionswerten
und nach einem übergang auf nicht aus Erdöl bestehenden oder abgeleiteten
Brennstoffen erforderliche. Diese drei Zielsetzungen stehen
in enger Wechselwirkung und oft einander entgegen. So kann z.B. der Übergang von Öl oder Naturgas auf Kohle in elektrischen Stromerzeugungsanlagen
schwierige Emissionssteuereinrichtungen und größere Boil eränderungen erfordern.
Mit Verbrennung arbeitende Vorrichtungen und Systeme können bei mobilen und stationären Energieumwandlungssystemen aller Industrienationen
eingesetzt werden. Bevorzugte Asuführungsbeispiele sind die Kraftfahrzeugmotoren mit Innenverbrennung und die elektrischen Gebrauchsboiler.
Aufgrund dieser Energieengpässe und unter dem Druck von Regierungsverordnungen
haben die Konstrukteure und die Anwender von Verbren-
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nungssystemen versucht, den Wirkungsgrad der Energieumwandlung oder
die Brennstoffausnützung zu verbessern. Dabei wird der Reduzierung
der Umweltverschmutzung durch Ausstoß des Verbrennungsgrundsystems von mobilen und stationären Einrichtungen besondere Bedeutung beigemessen.
Der gegenwärtige Stand der Entwicklung kann durch die Überprüfung der
drei grundsätzlichen Kategorien zusammengefaßt werden. Diese drei Kategorien umfassen: den verbesserten Wirkungsgrad der Energieumwandlung
oder die bessere Ausnützung des Brennstoffes; die reduzierte umweltspezifische Verunreinigung der LUft, des Wassers und der Erde
oder verbesserte Emissionskontrolleinrichtungen und der Einsatz von alternativen Brennstoffen und neuen Einsatzmöglichkeiten dieser
Brennstoffe, um den Verbrauch von öl und Naturgas zu reduzieren.
Verbesserungen in dem Wirkungsgrad der Energieumwandlung sind in fast
allen wesentlichen industriellen Verbrennungssystemen in Bezug auf
gute Betriebswirtschaftlichkeit gesucht worden. Es ist jedoch ein verhältnismäßig reifer Zustand mit nur noch begrenzten Möglichkeiten
von weiteren Verbesserungen erreicht, wenn man herkömmliche Versuche ansetzt. Der Verbrennungswirkungsgrad einer modernen Innenverbrennungsmaschine
oder eines dampfbetriebenen Kessels kann z.B. etwa 98 % betragen. Zusätzliche Verbesserungen sind daher wirklich nur noch
sehr beschränkt möglich.
Jedoch in manchen Fällen besteht die Möglichkeit für messbare Verbesserungen,
so z.B. bei der Weiterentwicklung von Hochgeschwindigkeits-Dieselmaschinen,
wie sie bei schweren Lastkraftwagen und Omnibussen eingesetzt werden. Die Dieselmaschine ist jedoch mit Umweltverschmutzungen
verbunden, die in Zukunft den Einsatz derartiger
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Maschinen begrenzen können und/oder eine potentielle Verbesserung der
Brennstoffausnützung verhindern können. Die Hochgeschwindigkeits-Dieselkraftfahrzeugmotoren
in den heutigen Kraftfahrzeugen und kleinen Lastkraftwagen bedingen eine geteilte Verbrennungskammer und
nicht die einzige Verbrennungskammer großer Maschinen. Es wird neben der Hauptverbrennungskammer, in der der Brennstoff mit hochkomprimierter
Luftladung verbrannt wird, eine damit verbundene Hilfskammer,
als Vorkammer oder Wirbelkammer bezeichnet, benötigt. Der Dieselbrennstoff
wird zunächst in diese letztere Kammer eingespritzt, in der vielfach eine elektrische Glühkerze als Starthilfe angeordnet
ist. Die geteilte Verbrennungskammer, die mit einem thermodynamischen Verlust von 10 bis 15 % der Brennstoffausnützung verbunden ist,
scheint aber dennoch erforderlich zu sein, um die geforderten Emissionsbdingungen
für Kraftfahrzeuge einhalten und eine wirksame Zündung und einen hohen VErbrennungswirkungsgrad sicherstellen zu können.
Wenn diese Bedingungen mit einer direkt eingespritzten offenen Einkammermaschine eingehalten werden könnten, ließe sich im gesamten
eine wesentliche Verbesserung der Brennstoffausnützung erreichen.
Die Arbeit an Emissionskontroll- und -Steuereinrichtungen wurde bei
spezifischen Emissionen sehr stark intensiviert, um festgelegte Pegel einhalten zu können. Unter diesen spezifischen Emissionen befinden
sich Kohlenmonoxyd, rückwirkende Kohlenwasserstoffe, Stickstoffoxyde,
Schwefeloxyde und Schmutzteilchen. Im allgemeinen wurden die festgelegten
Pegel für diese Emissionen fortlaufend reduziert. Diese Pegel können auch auf festgelegten Basiswerten von regionalen Luftverschmutzungsanforderungen
basieren, wie z.B. im Staat von Kalifornien. Versuche der Emissionssteuerung enthalten: abgeänderte Brennstoffvorbehandlung
und -zuführung, wie z.B. verbesserte Dieselbrennstoff Injektoren;
Abänderung des Verbrennungsprozesses, wie z.B. oxydie-
m * mn
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rende katalytische Nachbehandlung in Kraftfahrzeugen und Kalkstein-Schwefel
entfernung in kohlegefeuerten elektrischen Stromerzeugungsanlagen.
Die meisten Emissionsregelungen resultieren in schädlichen techni sehen
Wirkungen, ungünstigen Zwängen im Betriebsverfahren und/oder in zusätzlichen Ausgangs- und Betriebskosten und sind oft gegenläufig zu
der Wirkungsgradverbesserung und Brennstoffausnützung. Sie können
sogar zu neuen Sekundäremissionen führen. Bei dem gegenwärtigen katalytischen Kraftfahrzeugkonverter tritt z.B. im Abgaskrümmer ein
unerwünschter Rückstauf auf, der den Wirkungsgrad reduziert, und es
wird unverbleites Benzin benötigt. Es kann auch ein reduziertes Maschinen-Kompressionsverhältnis erforderlich sein, das ebenfalls den
Wirkungsgrad herabsetzt und giftige gasförmige und flüssige Sulfatprodukte, die normalerweise nicht vorhanden sind, werden emittiert.
Die in bestimmten Kraftfahrzeug-Innenverbrennungsmaschinen verfolgte
"Magerbrenntechnik" reduziert im wesentlichen die Stickstoffoxyd- und
Kohlenmonoxyd-Emission, aber aufgrund der Änderung der Luft-Brennstoff-Mischung von Zylinder zu Zylinder und letztlich den Grenzen der
Fehlzündung nehmen die Emissionen an rückwirkenden Kohlenwasserstoffe zu und der Verbrennungswirkungsgrad fällt unter annehmbare Grenzwerte.
Ein Hauptproblem bei den alternativen Brennstoffen liegt darin, daß
diese Brennstoffe mit den gegenwärtigen Einrichtungen nicht vereinbar sind. Ein Versuch besteht darin, alternative Brennstoffe mit denselben
technischen Spezifikationen wie* die gegenwärtigen Erdöl-Brennstoffe
zu erzeugen: Benzin, Diesel, Turbinenbrennstoffe, Heizöl und Restöle. Die teilweise oder vollständige Anpassung an die Spezifika-
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tionen für gegenwärtige Brennstoffe, beginnend mit den nicht aus Erdöl abgeleiteten Brennstoffen, wie Kohle, ölschiefer, Biomasse
usw., ist schwierig, teuer und in vielen Fällen undurchführbar. Der Einsatz von alternativen Brennstoffen in einer Kompressions-Zündungs-Dieselmaschine
erfordert, daß ein bestimmter Mindestcetangehalt erreicht wird, während bei einer benzingespeisten Zündkerzen-Maschine
ein Mindestoktangehalt erreicht werden muß. Einige alternative Brennstoffe besitzen diese Grundeigenschaften, wie sie für eine konventionelle
Verbrennungseinrichtung erforderlich sind, nicht. Neue Versuche zur Brennstoffvorbehandlung und -zuführung zur Verbrennungskammer
sind erwünscht in Bezug auf solche Fakten wie physikalischer Zustand inkompatiblen Brennstoffen, falsch abgestimmter Viskositätsbereich und ungeeignete Verflüchtigungseigenschaften.
Obgleich Wasserstoff als Brennstoff für ein Verbrennungsgrundsystem
noch nicht in größerem Umfange verwendet worden ist, wird er in bestimmten luftbeladenen Verbrennungsprozessen, die atmosphärischen
Sauerstoff verwenden, von mobilen und stationären Einrichtungen als Brennstoff eingesetzt. Auch die Wasserstoff-Sauerstoff-Kombination
ist schon lange in Sauerstoff-Wasser-Stoff-Flammen angewendet, wie
sei beim Metallschneiden, beim Schweißen, bei der Glaswaren-Herstellung und anderen derartigen Arbeitsgängen benötigt werden.
Der vorherrschende Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff ist heute
bei der Luft- und Raumfahrt-Entwicklung. Die frühe Entwicklung der wasserstoff-gespeisten Rakete, die hauptsächlich Sauerstoff, aber
auch Fluorine und bestimmte andere Oxydationsmittel verwendet, ist von J.L. Sloop in "Liquid Hydrogen as a Propulsion Fuel" in NASA,
History Series, NASA SP-4404, Washington, D.C, 1978 beschrieben worden.
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In den Jahren nach 1960 wurden mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebene
Raketenantriebe für das US-Raumfahrtprogramm entwickelt. Einige dieser Antriebe enthielten sowohl eine mit einem Wasserstoff-Sauerstoff
-Gemisch gespeiste Hauptbrennkammer, als auch mehrere Hilfsverbrennungseinrichtungen,
wie einem brennstoffergiebigen Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgenerator
und einen kleinen erweiterten Wasserstoff-Sauerstoff -Zündkerzenzünder, um die Verbrennung in der Hauptverbrennungskammer
einzuleiten. In den Jahren nach 1970 wurde von der Firma Rocketdyne für das wiederverwendbare Space-Shuffle-Fahrzeug ein
Startsystem entwickelt, das ein 500.000 Pfund Wasserstoff-Sauerstoff-Raketenantriebssystem
mit im Druck abgestufter Verbrennung in einer hohen Verbrennungskammer vorsieht und mit mehreren Einrichtungen zur
Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung ausgerüstet ist.
In derselben Periode wurden mehrere kleine Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktionssteuersysteme
und andere Raketenhilfsantriebe konstruiert
und getestet. Keines dieser Systeme und keiner dieser Antriebe wurde aber bis zur Inbetriebnahme entwickelt.
Der Wasserstoff-Sauerstoff-Raketenantrieb und die davon betroffenen
Verbrennungsflächen setzen eine grundlegende Technologie der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung
voraus, um Einrichtungen für die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung zu schaffen, damit diese über einen
weiten Bereich von Arbeitsflüssen, Drücken und Mischungsverhältnissen (brennstoffergiebig, brennstoffarm und stöchiometrisch) arbeiten.
Dies schließt Einrichtungen zur Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung ein, die zur Einleitung der Verbrennung in den größeren
Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungssystemen dienen, wie sie z.B. durch die Hauptraketendruckkammern gegeben sind. Der Einsatz solcher
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Einrichtungen zur Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung zur
Erzeugung der Zündung in einem Verbrennungsgrundsystem, wie einem Kohlenwasserstoffsystem einer Innenverbrennungs-Kolbenmaschine, einer
Gasturbine, einer Außenverbrennungs-Wärmemaschine, einem Ofen oder
einem Heizkessel, die andere als Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffe
verwenden, ist bis heute nicht bekannt.
Ein anderer Anwendungsfall für Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinrichtungen
ist der stöchiometrische Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner, dem Wasser verdünnt zugegeben wird, um eine sehr kompakte, in
weitem Maß steuerbare Ausgangsgröße in Bezug auf Druck, Temperatur,
Fluß und dynamischem Ansprechen, zu erhalten, insbesondere in einem Spezialdampfgenerator, wie er in der US-PS 14 83 917 beschrieben ist.
Derartige Systeme sind für einen Fahrzeug-Hauptantrieb mit großem Wirkungsgrad und für die Stromerzeugung mit Hochtemperatur-Dampfexpandern
vorgeschlagen worden:
Rockwell International, Rocketdyne Division in "A Non-Pol luting Noiseless. Engine for Powerplant Applications - With Specific Orientation
to a High Speed Ground Transportation System"; W.J.D. Escher,
D.S. Goalwin und R.E. Schnurstein, Rocketdyne Division, Rockwell International, Report RIP-13, Juli 1970 und General Electric Co. in
"Role of Hydrogen in Eco Energy"; W. Hausz, General Electric Co. TEMPO Center for Advanced Studies Paper in Hydrogen for Energy Distri
bution, Institute of Gas Technology Symposium paper, Januar 1979,
Chicago, Illinois. Escher Technology Associates hat ein derartiges System für den Antrieb eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, wie in
der Abhandlung "On the Higher Energy Form of Water (H2O*) in Automotive
Vehicle Advanced Power Systems" von W.J.D. Escher, in Escher
Technology Associates paper, 7-th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, proceedings, September 1972, San Diego,
California, beschrieben ist.
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Erst kürzlich hat Rocketdyne diesen Lösungsweg zur Erzeugung von
Strom in Dampfkraftwerken, die verschiedene thermodynamische Kreise
aufweisen, untersucht. Die thermodynamischen Kreise enthalten herkömmliche Kondensationsdampfturbinen mit Rankine'schem Kreis, wie sie
in "Hydrogen/Oxygen Steam Generation: An Example of Aerospace Technology
Transfer" von D.E. Wright, Rocketdyne Division, Rockwell International, in Hydrogen for Energy Distribution, Institute of Gas
Technology symposium paper, Januar 1979, Chicago, Illinois, beschrieben sind. Für diese Anwendungen des Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsprinzips
ist festgestellt worden, daß die Dampferzeugung das einzige ausgeführte Objekt ist.
Eine große Anzahl von potentiellen Anwendungen von Wasserstoff-Luft-Verbrennungsgrundsystemen
ist vorgeschlagen worden und einige davon haben die experimentelle Forschung erreicht.
Dies reicht von den Kraftfahrzeug-Innenverbrennungsmaschinen, über
die Schiffsgasturbinen bis zu den Unterschall-, überschall- und Hyperschall-Flugzeugantrieben, die Gasturbinensysteme, gemischte
Raketen/Luf tan saugsysteiiie und Unterschall- bzw. überschall-Verbrennungsstaudüsen aufweisen, wie in "Survey and Assessment of Contemporary
U.S. Hydrogen-Fuelel International Combustion Engine Projects"
von W.J.D. Escher, Escher Technology Associates report for the U.S.
Energy Research and Development Administration, ERDA Report TEC-75/005, September 1975, zusammengestellt sind.
Es sind Studien der Wasserstoff-Zusetzung bei konventionellen Brennstoff-Verbrennungssystemen
wie Innenverbrennungsmaschinen durchgeführt worden, wie in "Emission Control with Lean Operation Using
Hydrogen-Supplemented Fuel" von R.F. Stebar und F.B. Parks, General
Motors Corporation Research Publication GMRL-1537, Februar 1974;
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"Hydrogen-Enrichment-Concept, Preliminary Evaluation", Anon., Jet
Propulsion Laboratory Report prepared under Interagency Agreement ERA-IAG-Dr-0548, U.S. Energy Research and Development Administration,
Report TEC-74/007, Dezember 1975, beschrieben ist. Bei mit Wasserstoff
ergänzten Verbrennungssystemen ist im Gegensatz zu den herkömmlichen Brennstoff-Verbrennungssystemen das Hauptziel die "Magerverbrennung
sgrenzen" des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes auszudehnen und dadurch eine meßbare Verbesserung in der Brennstoffausnützung und der
Emission zu erreichen. Es sind viele Vorschläge der Wasserstoffzugabe gemacht worden, um die gewünschte Charakteristik bei Innenverbrennungsmaschinen
zu erreichen. Die Hauptschwierigkeiten derartiger Vorschläge liegen in der Wasserstoffquelle, insbesondere bei Kraftfahrzeug-Bordeinrichtungen
zur Erzeugung des Wasserstoffes, wie in "Lean Combustion in Automotive Engines: An Assessment of the Addition
of Hydrogen to Gasoline as Compared to Other Techniques", Anon., The Aerospace Corporation report prepared under EPA Contract No. E
(04-3)-1101, PA-3, U.S. Department of Energy Report CONS/1101-1,
Februar 1976, beschrieben ist. Unter den Vorschlägen sind: Die Speicherung als unter Druck stehendes Gas; die Erzeugung von wasserstoffreichem
Gas aus Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten, einschließlich der
hauptsächlich gebräuchlichsten Brennstoffe, wie Benzin oder andere chemische Verbindungen, wie in "Hydrogen-Enrichment-Concept, Preliminary
Evaluation", Anon., Jet Propulsion Laboratory Report prepared under Interagency Agreement ERA-IAG-D4-0548, U.S., Energy
Research and Development Administration, Report TEC-74/007, Dezember
1975, beschrieben ist; Metallhydrid-Speicher, wie sie in "Hydrogen
Storage in Metal Hydrides" von J.J. Reilly und G.D. Sandro.ck in
Scientific American, Februar 1980, beschrieben sind; kryogene Flüssigkeiten
und die Elektrolyse von Wasser, wie in "Automotive Fuel-Saving
System with On-Board Hydrogen Generation and Injection into
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LC. Engines" von D.A. KeIley, Technidyne, Inc. paper presented at
the 1st World Hydrogen Energy Conference Proceedings, März 1978, Miami Beach, Florida und in "Method and Apparatus for Operating
Combustion Engines" von P.F. Talenti, US-Patent Nr. 4 111 160 (1978)
beschrieben sind.
Ein Nachteil der Wasserstoffbeimengung ist, daß ziemlich beachtliche
Anteile an Wasserstoff im Verhältnis zum konventionellen Brennstoff
auf einer äquivalenten Energiebasis benötigt werden, um die gewünschte
verbesserte Brennstoffausnutzung und Reduzierung der Emission zu
erhalten. Der Bedarf eines teuren Wasserstoffspeichers und/oder eines Bord-Wasserstofferzeugers mit den begleitenden Kosten und/oder den
Betriebswirkungsgradverschlechterungen haben dazu geführt, daß die weitere Entwicklung von Wasserstoffbeimengungseinrichtungen begrenzt
oder sogar blockiert ist. Soweit den Erfindern bekannt ist, wird beim Stand der Technik keine Einrichtung zur thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
als "chemische Zündkerze" oder in einer Brennstoff-Vorbehandlungskammer zur Verbrennungseinleitung und
-verbesserung für einen andersartigen Primärbrennstoff ohne Wasserstoff verwendet, dessen Verbrennung mit Luft in erster Linie in einer
Verbrennungskammer für herkömmliche Brennstoffe stattfindet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens zur thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
bei einem mit einer Primärbrennstoff-Verbrennungskammer versehenen Verbrennungsgrundsystem zu schaffen,
bei denen der thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsgrundsystems und damit die Brennstoffausnutzung verbessert, die Emissionen des
Verbrennungsgrundsystems reduziert und beim Verbrennungsgrundsystem auch alternative Brennstoffe eingesetzt werden können.
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Diese Aufgabe wird nach dem Verfahren der Erfindung dadurch gelöst,
daß in eine Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer, die mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer in Verbindung steht, Wasserstoff
und Sauerstoff eingeführt werden, daß der in der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
eingeführte Wasserstoff gezündet und verbrannt wird, daß die heißen Wasserstoff-Verbrennungsprodukte von der
Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer zu der Primärbrenn stoff Verbrennungskammer
weitergeleitet werden und daß mit den heißen Wasserstoff-Verbrennungsprodukten der der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
zugeführte Primärbrennstoff gezündet wird. Dieses Verfahren zur thermochemischen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
bei einem herkömmlichen Verbrennungsgrundsystem kann in großer Mannigfaltigkeit bei Innen- und Außenverbrennungsmaschinen,
bei stationären und mobilen Anlagen, wie mit Benzin oder Diesel betriebene Fahrzeugmotoren, Gasturbinen, Rankine- und Stirling-Maschinen,
öfen und Heizkessel, einschließlich der kohle- oder ölbeheizten,
eingesetzt werden.
Die thermochemische Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsei η leitung
nach der Erfindung ergibt eine energiereichere Verbrennungseinleitung als bei konventionellen elektrischen oder Kompressionszündungen für
konventionelle und alternative, nicht auf Erdöl basierende Brennstoffe, welche in einem breiten Bereich von Verbrennungsgrundsystemen,
wie Innenverbrennungs-Kolbenmaschinen, Turbinen, Außenverbrennungsmaschinen, Öfen und Heizkessel viel schwieriger zu verbrennen
sind.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß Kammerwände eine längliche Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
mit einem ersten geschlossenen Ende und einem gegenüberliegenden zweiten Ende bilden, welches mit
31Ί0511
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der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer eines Verbrennungsgrund systems
in Verbindung steht, daß eine Wasserstoff-Zuführeinrichtung mit einem Wasserstoff-Steuerventil, einer Wasserstoffquelle und einem
Wasserstoff-Injektor der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer unter Druck stehenden Wasserstoff zuführt, daß eine Sauerstoff-Zuführeinrichtung
mit einem Sauerstoff-Steuerventil, einer Sauerstoffquelle
und einem Sauerstoff-Injektor der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung skammer Sauerstoff zuführt, daß eine Zündeinrichtung mit
einer Zündsteuereinrichtung, einer Zündenergiequelle und einem Zünder
Zündimpulse in das geschlossene Ende der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
einbringt, um das darin befindliche Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch zu zünden und die Verbrennungsprodukte durch das
zweite Ende der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung skammer in die
Primärbrennstoff-Verbrennungskammer zu leiten, daß eine Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung
mit einem Primärbrennstoff-Steuerventil, einer Primärbrennstoffquelle und einem Primärbrennstoff-Injektor den
Primärbrennstoff der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer zuführt und
die Wasserstoff-Verbrennungsprodukte aus der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
den Primärbrennstoff zünden, und daß die Steuereinrichtung in Verbindung mit dem Verbrennungsgrundsystem die Zündsteuereinrichtung,
das Wasser-Steuerventil, das Sauerstoff-Steuerventil
und das Primärbrennstoff-Steuerventil so steuern, daß die Dosierung und der Zeitablauf der Zündung, der Zuführung von Wasserstoff
und Sauerstoff in die Vorrichtung zur thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
und die Zuführung des Primärbrennstoffes in die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer des Verbrennungsgrundsystems koordiniert sind. Der Wasserstoff-Sauerstoff-Speicher
und/oder -Generator kann verhältnismäßig klein sein und wenig begleitende Kosten verursachen.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind der folgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen und den Unteransprüchen zu entnehmen. Dabei
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sollen die Nachteile bekannter Verbrennungsgrundsysteme durch ein Verfahren und eine Einrichtung zur Vorbehandlung des Brennstoffes und
der Verbrennungseinleitung vermieden werden. Außerdem soll die Zündung zur Verbrennung herkömmlicher und alternativer Brennstoffe
wirkungsvoller gemacht werden, wie bei den gegenwärtig verwendeten
.elektrischen oder thermischen Einrichtungen (Zündkerze, Glühkerze,
Luftkompressionserhitzung).
Darüber hinaus soll der Betriebswirkungsgrad verbessert und die
Zündverzögerung bewirkten schädlichen Wirkungen, wie zu schnellen Druckanstieg bei der Verbrennung und mechanische Überlastungen in
Otto- oder Dieselmotoren reduziert werden.
Um den Betriebswirkungsgrad zu erhöhen und die Emissionen zu reduzieren
bzw. anderweitig günstig zu beeinflussen, ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, den Brennstoff durch thermochemische und
mechanische Zerstäubung, Verdampfung, durch chemische Veränderung und Mischung vor der Verbrennung vorzubehandeln.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, die elektrische Energie
die zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff für den thermochemischen
Verbrennungseinleitungsprozess benötigt wird, aus Verlustenergie, wie sie in den Abgasen oder den Kühlmitteln enthalten ist
oder wie sie aus einem Nutzbremssystem abgeleitet werden kann, zu gewinnen.
Die Verbrennungseinleitung nach der Erfindung ermöglicht, daß herkömmliche
Verbrennungssysteme, die Benzin in homogenen Brennstoff-Luft-Gemisch verwenden, mit magereren Bedingungen, wie anderweitig
möglich, arbeiten, um eine verbesserte Brennstoffausnutzung und reduzierte Emissionswerte zu erhalten.
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Mit dem Verbrennungseinleitungsverfahren nach der Erfindung soll auch
der Betrieb eines Systems verbessert werden, das mit einem heterogenen Brennstoff-Luft-Gemisch arbeitet.
Die erfindungsgemäße VErbrennungseinleitung soll bei Hochgeschwindigkeits-Dieselmaschinen
die Direkteinspritzung in offene Verbrennungskammern, wie bei Mittel- und Niedriggeschwindigkeits-Dieselmaschinen
ermöglichen und so die üblichen Vorkammern und Wirbelkammern überflüssig machen und dabei noch die thermodynamisehen VErIuste reduzieren
und die Brennstoffausnutzung verbessern.
Mit der Vorrichtung zur Verbrennungseinleitung nach der Erfindung soll bei einer Dieselmaschine auch die Maschinen-Emission, insbesondere
die Teilchen-Emission und die Stickstoffoxyd-Emission reduziert
werden.
Die Vorrichtung zur Verbrennungseinleitung nach der Erfindung reduziert
den Wert für den Cetangehalt, der für die verwendeten Brennstoffe beim Einsatz in einer Dieselmaschine noch eingehalten werden
muß, so daß auch ein weiterer Bereich von alternativen Brennstoffen eingesetzt werden kann.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung zur Verbrennungseinleitung nach
der Erfindung soll ein bestehendes Verbrennungsgrundsystem so modifiziert werden können, daß in ihm auch andere Brennstoffe verbrannt
werden können als die Brennstoffe, für das das Verbrennungsgrund system ausgelegt wurde.
Die Verbrennungseinleitung nach der Erfindung soll auch dazu dienen,
die Stickstoffoxyd-Emission in einem Hochtemperatur-Verbrennungssy-
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stem mit konventioneller Flüssigbrennstoff-Speisung entscheidend zu
reduzieren. Dies ist bei Gasturbinen durch örtliche und nahezu augenblickliche Vorverdampfung des Brennstoffes der Fall, wobei die nahezu
stöchiometrischen Hochtemperatur-Verbrennungsbereiche um die brennenden
Brennstofftropfen vermieden sind.
Die Vorrichtung zur Verbrennungseinleitung soll auch in bestehende
Verbrennungssysteme mit einem Minimum an Änderungen eingebaut werden können, wobei diese Änderungen auch schon bei neu entwickelten Systemen
integriert sein können.
Die Erfindung wird anhand von verschiedenen, in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
FigL 1 schematisch ein Blockschaltbild einer Vorrichtung
und eines Verfahrens zur thermochemisehen
Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung nach
der Erfindung,
Fig. 2 schematisch ein Blockschaltbild und einen Teilschnitt eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung
und ein Verfahren nach der Erfindung für einen konventionellen, brennstoffbetriebenen Innenverbrennungsmotor«
Fig. 3 schematisch ein Blockschaltbild und einen Teilschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels dieser
Erfindung für eine Vorrichtung, bei der ein Teil oder der gesamte handelsübliche Brennstoff dem
Motor über eine Vorrichtung zur Verbrennungseinleitung mit einer einzigen Verbrennungs- und Reaktionskammer
zugeführt wird,
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Fig. 4 schematisch ein Blockschaltbild und einen
Teilschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels dieser Erfindung für eine Vorrichtung, bei der ein
Teil oder der gesamte handelsübliche Brennstoff
dem Motor über eine abgeteilte zweite Kammer innerhalb der Vorrichtung zur Verbrennungseinleitung
zugeführt wird, die strömungsmäßig hinter der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung liegt und
Teilschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels dieser Erfindung für eine Vorrichtung, bei der ein
Teil oder der gesamte handelsübliche Brennstoff
dem Motor über eine abgeteilte zweite Kammer innerhalb der Vorrichtung zur Verbrennungseinleitung
zugeführt wird, die strömungsmäßig hinter der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung liegt und
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugmotorsystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem ein Bord-Wasserelektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet wird.
Die Fig. 1 zeigt das System 10 zur thermochemi sehen Wasser st of f-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
in Form eines Funktionsblockschaltbildes. Das System 10 zur thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
umfaßt ein Steuerungssystem 12, ein Wasserstoff-Sauerstoff-Versorgungssystem 13 und eine Vorrichtung 11 zur
thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung. In
einem System 10 zur thermochemischen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsein
leitung können das Wasser-Sauerstoff-Verbrennungssystem 13
und die Vorrichtung 11 zur thermochemischen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
auch mehrfach vorgesehen sein. Das Verbrennungsgrundsystem 14 kann ein quasi-eingeschwungenes, zyklisches oder
pulsierendes Verbrennungssystem mit Innen- oder Außenverbrennung, wie z.B. ein mit Benzin, Diesel oder anderen Kohlenwasserstoff-Verbindungen
gespeister Fahrzeug-Verbrennungsmotor; eine Gasturbine; ein Verbrennungsmotor mit Rank ine'schem oder Stirling'schem Kreis; ein
Ofen oder ein Heizkessel mit Innen- oder Außenverbrennung sein. Es können sowohl handelsübliche, als auch alternative Primärbrennstoffe
verwendet werden.
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Die Fig. 1 zeigt das Steuerungssystem 12, das eine Steuereinrichtung
101, eine Zündzuführeinrichtung 102, eine Zuführeinrichtung 103 für
unter Druck stehenden Sauerstoff, eine Zuführeinrichtung 104 für unter Druck stehenden Wasserstoff und eine Zuführeinrichtung 105 für
den Primärbrennstoff enthält.
Die Steuereinrichtung 101 koordiniert und steuert alle Einrichtungen
des Steuerungssystems 12, wie durch die Koordinierungseinrichtung 106
in Verbindung mit den Einrichtungen angedeutet ist.
Die Steuereinrichtung 101 und die Koordinierungseinrichtung 106 können elektronische, elektromechanische und/oder mechanische Mittel
enthalten, um die gewünschten Ergebnisse, wie sie in der Beschreibung beschrieben und für einen Fachmann auf diesem Gebiet geläufig sind,
zu erreichen. Die Steuereinrichtung 101 ist mit dem Verbrennung sgrundsystem 14 über eine Verbrennungssystem-Koordinierungseinrichtung
107 verbunden, um den Primärbrennstoff dem Verbrennungsgrundsystem 14 zuzuführen, um der Vorrichtung 11 zur thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-
Verbrennungsein leitung bei Bedarf die Zündung, den Sauerstoff, den Wasserstoff und den Primärbrennstoff zuzuführen und um
eine Mengenstuerung und eine Zeitfolge für die gewünschte Betriebsweise des Verbrennungsgrundsystems 14 zu erhalten. Der elektronische
Schaltkreis oder die mechanischen Mittel können auf ein Signal ansprechen, das bei öfen von der chemischen Analyse der Verbrennung in
dem Verbrennungsgrundsystem 14 oder bei Innenverbrennungsmotoren von dem Umlauf des Schwungrades abgeleitet wird.
Dabei ist die Koordinierungseinrichtung 107 vorgesehen, die die Koordinierung zwischen dem Verbrennungsgrundsystem 14 und der Steuereinrichtung
101 im System 10 zur thermochemischen Wasserstoff-Sauerstoff
-Verbrennungsein leitung übernimmt.
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Die Zündeinrichtung enthält eine Zündsteuereinrichtung 102, eine Zündenergiequelle 108 und einen Zünder 122 und führt die Zündimpulse
über die Zündleitung 121 der Vorrichtung 11 zur thermochemi sehen
Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung zu. Die Zündenergiequelle 108 kann eine beliebige geeignete elektrische Stromversorgung,
wie z.B. Netzwechselstrom, elektrochemische Zellen, Batterien, Synchrongeneratoren,
Generatoren u.a. sein, die die gewünschte elektrische Energie abgeben kann. Der Zünder 122 kann eine Zündkerze, eine
Glühkerze oder ein anderer elektrischer Zünder sein.
Die Einrichtung zum Zuführen von unter Druck stehendem Sauerstoff enthält ein Sauerstoff-Steuerv entil 103, eine SauerstoffquelIe 111
und einen Sauerstoff-Injektor 119. Das Sauerstoff-Steuerventil 103
kann elektronisch oder mechanisch gesteuert werden und gibt die Zeit und die Durchflußmenge des Sauerstoffes durch den Sauerstoff-Injektor
119 zu der Vorrichtung 11 der thermochemisehen Verbrennungseinleitung.
Die SauerstoffquelIe 111 kann jede geeignete SauerstoffquelIe,
wie eine kommerzielle Sauerstoff-Versorgungsleitung, ein Speicherbehälter
oder ein Sauerstoff-Erzeuger sein, die Sauerstoff enthaltendes
Gas dem Sauerstoffventil 103 zuführt. Mit der Bezeichnung "Sauerstoff"
wird in der folgende Beschreibung und in den Ansprüchen jedes beliebige Gas verstanden, das mehr als 75 Volumenprozente Sauerstoff,
aber keine Chemikalien enthält, die für die Verbrennung schädlich sind oder unerwünschte Verbrennungsprodukte erzeugen. Bevorzugt wird
jedoch ein Gas verwendet, das mehr als 95 Volumenprozente Sauerstoff
enthält.
Die Einrichtung zum Zuführen von unter Druck stehendem Wasserstoff
enthält ein Wasserstoff-Steuerventil 104, eine Wasserstoffquelle 112
und eine Wasserstoff-Injektor 120. Das Wasserstoff-Steuerventil 104
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kann elektronisch oder mechanisch gesteuert werden und gibt die Zeit
und die Durchflußmenge des Wasserstoffes durch den Wasserstoff-Injektor
120 vor, der eine Leitung zu der Vorrichtung 11 für die thermochemische
Verbrennungseinleitung ist. Die Wasserstoffquelle 112 kann jede beliebige Wasserstoffquelle, wie eine kommerzielle Wasserstoff-Versorungsleitung,
ein Speicherbehälter oder ein Wasserstoff-Erzeuger sein, die Wasserstoff enthaltendes Gas dem Wasserstoff-Steuerventil
104 zuführt. Mit der Bezeichnung "Wasserstoff" wird in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen jedes beliebige Gas verstanden, da
mehr als 75 Volumenprozente Wasserstoff, aber keine Chemikalien enthält, die für die Verbrennung schädlich sind oder unerwünschte
Verbrennungsprodukte erzeugen. Bevorzugt wird jedoch ein Gas, das mehr als 95 Volumenprozente Wasserstoff enthält.
Die Einrichtungen zum Zuführen von Sauerstoff und Wasserstoff müssen
diese Gase unter ausreichendem Druck anbieten, damit der Eintritt der Gase in die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer sichergestellt
ist und damit bei den in einer Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
vorliegenden Druckverhältnissen und Arbeitsbedingungen die gewünschte Vermischung erreicht wird. Wenn z.B. die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
der Zylinder eines zyklisch arbeitenden Innenverbrennungsmotors ist, dann muß der Druck größer sein als bei einer Verbrennungskammer
eines Ofens, die mit atmosphärischem Druck arbeitet. Die Zuführeinrichtungen für unter Druck stehenden Sauerstoff und
Wasserstoff stellen Gase mit einem Druck bereit, der dem 1,1- bis 2-fachen Wert es Druckes entspricht, den die Luft oder die anderen
Gase, in der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer beim Eintritt
der Gase aufweisen. Dieser Druck kann bei einem Dieselmotor, der mit Spitzendrucken bis zu 1500 psi arbeitet, einige wenige psi (5-10
pounds per square inch) Wirkdruck bis zur Größenordnung von 2000 psi betragen. Die Drücke können mit an sich bekannten Druckerzeugern, wie
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Kompressoren, Pumpen oder einem Druck-Elektrolyseur, erzeugt werden.
Bei einem Fahrzeug ist es erwünscht, ein Bord-Wasserstoff-Sauerstoff-Versorgungssystem 13 zu haben, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Bei einem Fahrzeug ist es erwünscht, ein Bord-Wasserstoff-Sauerstoff-Versorgungssystem 13 zu haben, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Die Speicherung an Bord kann mittels unter Druck stehenden oder
mittels kryogenen Flüssigkeitsspeichern erreicht werden. Auch chemische Speicher, wie die bekannten Metallhydrid-Wasserstoffspeieher,
sind geeignet. Die Wasserstoff-Sauerstoff-Versorgungseinrichtung 133 ist vorzugsweise ein Wasser-Elektrolyseur. Geeignete Elektrolyseure
enthalten einpolige oder zweipolige Alkalielektrolyte, wie die von
den Firmen Electrolyzer Corporation Ltd., Toronto, Canada und TeIedyne
Energy Systems, Timonium, Maryland, USA, hergestellten. Das
Speisewasser wird der Wasserstoff-Sauerstoff-Versorgungseinrichtung
133 von der Wasserversorgungseinrichtung 110 zugeführt und die für die Elektrolyse erforderliche Energie erhält die Wasserstoff-Sauerstoff-Versorgungseinrichtung
133 von der Stromversorgungseinrichtung 109, die eine Batterie oder ein anderer Stromerzeuger sein kann. Ein
geeigneter Stromerzeuger kann einen motorgetriebenen Generator, einen
Nutzbremsungsgenerator, einen Abgasverbrennungsgenerator, wie einen Turbinenexpander, oder andere Energiewandler oder Rückgewinnungseinrichtungen
allein oder in Kombination enthalten. Es sind verschiedene Wasser-Elektrolyse-Systeme bekannt und für Bord-Elektrolyse-Systeme,
wie sie vorstehend vorgesehen und gezeigt wurden, sind solche Systeme geeignet, die verhältnismäßig wenig Sauerstoff und Wasserstoff benötigen.
Der Anteil des Wasserstoffes, der in der Vorrichtung und dem Verfahren nach der Erfindung benötigt wird, basiert auf der chemischen
Energie, die von dem Wasserstoff und dem Primärbrennstoff bereitgestellt wird, und beträgt etwa 0,5 bis etwa 15 % der chemischen
Energie, die von dem Wasserstoff und dem Ausgleich des Primärbrennstoffes abgeleitet wird. Wasserstoff-Energiebeträge von ungefähr
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1 bis ungefähr 8 % von der gesamten Energie werden bevorzugt. Der
Anteil an Sauerstoff kann der stöchiometrische Wert für die Oxydation
des Wasserstoffes sein. In diesem Fall werden nur heiße Verbrennungsprodukte für die Zündung der Primärbrennstoffe in der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
vorgesehen. Der Anteil des Sauerstoffes liegt unterhalb des stöchiometrischen Wertes, wenn die heißen Verbrennungsprodukte mit einem Überschuß an Wasserstoff der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
zugeführt werden, um die Verbrennung des Primärbrennstoffes zu unterstützen. Der Anteil des Sauerstoffes liegt
über dem stöchiometrischen Wert, wenn die heißen Verbrennungsprodukte mit einem Überschuß an Sauerstoff der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
zugeführt werden, um die Oxydation des Primärbrennstoffes zu verbessern.
Die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung enthält ein Primärbrennstoff-Steuerventil
105, eine Primärbrennstoffquelle 113 und einen Primärbrennstoff-Injektor. Das Primärbrennstoff-Steuerventil 105 ist ein
elektronisch oder mechanisch gesteuertes Ventil, das die Menge und die Folge des Primärbrennstoffes durch die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung
115 steuert und den Primärbrennstoff mit Luft vermischt. Die Luft wird über die Luftversorungseinrichtung 116 zugeführt, um
das gewünschte Primärbrennstoff/Luft-Gemisch zu erhalten, das über
die Primärbrennstoff-Luft-Versorungseinrichtung 117 dem Verbrennungsgrundsystem
14 zugeführt wird. Wie bereits erläutert, kann das Verbrennungsgrundsystem 14 jedes beliebige Innen- oder Außenverbrennungssystem
sein, das für die Verbrennung von Primärbrennstoffen, wie
gasförmige, flüssige oder feste Kohlenwasserstoff-Verbindungen oder
von wasserstoffreinen Brennstoffen, wie Naturgas, Ersatznaturgas,
verflüssigtes Erdgas, Benzin, Kerosin, Dieselöl, andere mittlere Destilate, Altöl, Alkohole wie Menthol und Äthanol, Ammoniak, Pflan-
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zenölderivate, Kohle, Torf usw. geeignet ist. Die Primärbrennstoffquelle
113 liefert die oben genannten Brennstoffe oder Gemische davon und führt eine erforderliche Vorbehandlung durch, bevor die Brennstoffe
dem Primärbrennstoff-Steuerventil 105 zugeführt werden. Die
Bezeichnung "Primärbrennstoff", wie sie hier verwendet wird, bezieht sich auf einen Brennstoff, der nicht Wasserstoff ist und der die
chemische Grundenergie liefert, die zur Energieumwandlung dem Verbrennung ssystem 14 zugeführt wird. Die Hauptverbrennung des Primärbrennstoffes
findet in dem luftgespeisten Verbrennungsgrundsystem 14 statt. Ein Teil oder der gesamte Primärbrennstoff kann über das
Primärbrennstoff-Steuerventil 105 der Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung
114 zur direkten Einführung in die Vorrichtung 11 zur thermochemischen
Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung zugeführt werden.
Anhand der Fig. 1 und 2 kann gesehen werden, daß eine Einrichtung 11
zur thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
nach der Erfindung Kammerwände umfaßt, die eine längliche Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
bilden. Diese Wasserstoff-Sauerstoff -Verbrennungskammer hatr ein erstes geschlossenes Ende und ein
gegenüberliegendes zweites Ende, das mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
des Verbrennungsgrundsystems in Verbindung steht.
Außerdem weist die Vorrichtung 11 zur thermochemischen Wasserstoff-Sauerstoff
-Verbrennungseinleitung eine Zuführeinrichtung für unter Druck stehendem Wasserstoff auf, die ein Wasserstoff-Steuerventil,
eine Wasserstoffquelle und einen Wasserstoff-Injektor enthält, welcher
wasserstoffhaltiges Gas der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
zuführt. Die Vorrichtung 11 weist weiterhin eine Zuführeinrichtung für unter Druck stehendem Sauerstoff auf, die ein Sauerstoff-Steuerventil,
eine Sauerstoffquelle und einen Sauerstoff-Injek-
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tor enthält, welcher sauerstoffhaltiges Gas der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
zuführt. In der Vorrichtung 11 ist auch eine Zündeinrichtung enthalten, die eine Zündsteuereinrichtung, eine
Zündenergiequelle und einen Zünder umfaßt, welcher die Zündimpulse in das erste geschlossene Ende der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
einführt, um das darin befindliche Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff zu zünden. Die Verbrennungsprodukte davon gelangen über
das zweite Ende der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer in die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer. Die Vorrichtung 11 enthält
weiterhin eine Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung mit einem Primärbrennstoff-Steuerventil,
einer Primärbrenn stoff quelle und einem Primärbrennstoff-Injektor, der den Primärbrennstoff der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
zuführt. Der Primärbrennstoff wird dabei durch die Verbrennungsprodukte aus der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
gezündet. Schließlich umfaßt die Vorrichtung 11 auch noch Koordinierungseinrichtungen in Verbindung mit dem Verbrennungsgrundsystem,
der Zündeinrichtung, dem Wasserstoff-Steuerventil, dem Sauerstoff-Steuerventil und dem Primärbrennstoff-Steuerventi1, um die
Dosierung und den Zeitablauf der Zündung, der Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhr zu der Einrichtung für die thermochemische Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsein
leitung und die Primärbrennstoffzufuhr zu dem Primärbrennstoff-Verbrennungsgrundsystem zu regeln.
Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 11 zur
thermochemi sehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verb rennu ngseinleitung in
Verbindung mit einer Innenverbrennungskolbenmaschine mit Vergaser oder Ansaugventil-Brennstoffeinspritzung, wie sie z.B. in einem
Fahrzeugantrieb eingesetzt ist. Ein einzelner Zylinder der Maschine ist durch die Wände 126 und den Kolben 131 gezeigt. Der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
127 wird gesteuert durch das Ansaugventil 128 über die Brennstoff-Luft-Versorgungsleitung 117 der Primärbrenn-
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stoff zugeführt. Ein handelsüblicher Vergaser oder ein Brennstoff-Einspritzsystem
118 kann eingesetzt werden, um eine geeignete Mischung aus Primärbrennstoff und Luft der Brennstoff-Luft-Versorgungsleitung
zuführen zu können. Nach der Verbrennung in der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
127 können die Abgase beim öffnen des Absaugventils 129 in die Abgasleitung 130 gelangen. Die Koordinierungseinrichtung 107 des Verbrennungssystems ist hier als Koordinierungs-
^" einrichtung 101 gezeigt, die mit der Stellung der Kurbelwelle der
Maschine koordiniert ist.
Die Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 11 zur thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung,
die eine Wasserstoff-Sauerstoff -Verbrennungskammer 124 enthält, welche durch die Kammerwände
123 gebildet und an einem Ende mit dem Zünder 122 und am anderen Ende mit den öffnungen 125 versehen ist. Die öffnungen 125 stellen eine
Verbindung von der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskarrmer 124 zu
der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer 127 her. Wie Fig. 2 zeigt,
wird der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer 124 über die Wasserstoff-Zuführungsleitung 120 nur Wasserstoff als Brennstoff
zugeführt. Der Sauerstoff wird der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
124 über die Sauerstoff-Zuführungsleitung 119 zugeführt.
Der Zünder 122 ist eine Zündkerze, der über die Zündleitung 121 die Zündimpulse zugeführt werden. Der Wasserstoff wird in der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
124 verbrannt und die Oxydationsprodukte mit sehr hoher Temperatur gelangen über die öffnungen 125 in
die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer 127 und führen die Zündenergie für den Primärbrennstoff mit. Bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung
in der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer können
Temperaturen bis zu ungefähr 6000 0F erreicht werden und die Verbren-
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nungsproduktgase aus der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
können auf sehr hohe Geschwindigkeiten bis zu ungefähr 10 000 Fuß pro Sekunde beschleunigt werden, um zur Primärbrennstoffvorbehandlung
oder Einspritzung in die Verbrennungskammer ausgenützt zu werden, was sofort zur Zündung und Verbrennung des Primärbrennstoffes in der
gesamten Primärbrennstoff-Verbrennungskammer 127 führt. Die öffnungen
125 sind so angeordnet, daß die heißen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsprodukte
über die gesamte Primärbrennstoff-Verbrennung skammer 127 verteilt werden. Der Austritt der heißen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsproduktgase
durch die öffnungen 125 wird in Bezug auf Geschwindigkeit, Richtung und allgemeiner Verteilung gesteuert, um die Brennstoff-Luft-Vermischung, die Zündung und die
Verbrennung wirksam auszuführen.
Das Verfahren der thermochemischen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung nach dieser Erfindung sieht vor, daß Wasserstoff und
Sauerstoff einer Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer zugeführt
werden, die mit einer Primärbrennstoff-Verbrennungskammer eines Verbrennungsgrundsystems in Verbindung steht, daß der Wasserstoff in
der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer gezündet und im wesentliehen
verbrannt wird, daß die heißen Wasserstoff-Verbrennungsprodukte von der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer in die Primärbrennstoff-
Verbrennungskammer geleitet werden und daß durch die heißen Wasserstoff-Verbrennung sprodukte der der Primärbrenn stoff-Verbrennungskammer
zugeführte Primärbrennstoff gezündet wird.
Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 11 zur
thermochemischen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung, bei
der mindestens ein Teil des Primärbrennstoffes direkt der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
124 zugeleitet wird, und zwar über die Primärbrennstoff-Zuführungsleitung 114. Zusätzlicher Primär-
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brennstoff wird der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer 127 über
einen handelsüblichen Vergaser oder eine Einspritzeinrichtung 118 und die Primärbrennstoff-Zuführungsleitung 115 zugeführt. Wie der Fig. 3
weiterhin zu entnehmen ist, hat die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
124 ein offenes Ende 132, das mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
127 in Verbindung steht. Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders dann nützlich, wenn ein großer Teil oder der
gesamte Primärbrennstoff der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer 124 zur Erwärmung, chemischen Behandlung, Mischung und Zündung
durch die Produkte der Wasserstoff-Verbrennung der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
124 zugeführt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 findet jedoch die Hauptverbrennung des Primärbrennstoffes
mit Luft in der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer 127 statt.
Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 11 zur
thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung nach
der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel steht die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
124 über die öffnungen 125 mit einer Vorbehandlungskammer 134 in Verbindung, die ein Teil der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
127 ist. Die Vorbehandlungskammer 134 steht mit ihrem offenen Ende 135 mit dem Hauptraum der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
127 in Verindung. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird der Wasserstoff mit Sauerstoff in der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
124, wie anhand der Fig. 2 beschrieben wurde, verbrannt. Der gesamte Primärbrennstoff oder ein Teil davon
wird über die Primärbrennstoff-Zuführungsleitung 114 der ringförmigen
Primärbrennstoff-Einspritzkammer 136 zugeführt und gelant durch die
Primärbrennstoff-öffnungen 137 mit dem Wasserstoff-Verbrennungsprodukt in innigen Kontakt und Mischung, welches über die öffnungen 125
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aus der Wasserstoff- Sauerstoff -Verbrennungskammer 124 zugeführt
wird. Der erwärmte, gemischte und chemisch behandelte Primärbrennstoff und die Verbrennungsprodukte aus der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
124 gelangen über das offene Ende 135 der Vorbehandlung skammer 134 in die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer 127,
woe die Verbrennung des Primärbrennstoffes mit Luft stattfindet. Zusätzlicher Primärbrennstoff kann über die Primärbrennstoff-Zuführungsleitung
115 und einen handelsüblichen Vergaser oder eine Einspritzeinrichtung 118 der Primärbrennstoff-Verbrennung skammer 127
zugeführt werden. Dieses Ausführungsbeispiel wird besonders dann bevorzugt, wenn eine Vorbehandlung des Primärbrennstoffes einschließlich
Zerstäubung, Verdampfung, Teiloxydation und Entwässerung erwünscht
ist. Diese Vorbehandlung findet in Anwesenheit der heißen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsprodukte statt, die zusätzlich
noch Wasserstoff und Sauerstoff enthalten können.
Bei den anhand der Fig. 2,3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen
nach der Erfindung weist das Verbrennungssystem eine Innenverbrennungsmaschine
auf. Es ist jedoch leicht einzusehen, daß nach, der Entfernung der Ventile 128 und 129 und des Kolbens 131 und der
entsprechenden Ausrüstung der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer 127
mit Brennstoffheizeinrichtungen die Verbrennungskammer als stationärer Kohle- oder ölofen oder -heizkessel verwendet werden kann. In
diesem Fall wird die Abzugsleitung 130 vorteilhafterweise am gegenüberliegenden
Ende der Verbrennungskammer 127 angeordnet.
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren und eine Vorrichtung nach der Erfindung,
wie sie bei einem Fahrzeug zur Anwendung kommen. Die Vorrichtung 11 zur thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsei η leitung
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ist mt der Innenverbrennungsmaschine 14 in der vorher beschriebenen
Weise gekoppelt. Der Primärbrennstoff wird in einem Primärbrennstoff-Speicherbehälter
18 gespeichert und über die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung 114 der Vorrichtung 11 zur thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung
und/oder der Maschine 14 zugeführt. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden über einen Wasserstoff-Injektor
120 und einen Sauerstoff-Injektor 119 zugeführt. Der Wasserstoff
und der Sauerstoff werden von einem Elektrolyseur 16 geliefert und unter Druck in dem Wasserstoff-Sammler 19 und Sauerstoff-Sammler
30 gespeichert. Der Bord-Wasserspeicher 17 führt dem Elektrolyseur 16
Wasser zu und der Generator 15, der ein Gleichstromgenerator oder ein Wechselstromgenerator mit Gleichrichter sein kann, speist den Elektrolyseur
16 mit Strom. Der Generator 15 kann angetrieben werden durch direkte Kopplung mit der Maschine 14 oder durch Kopplung mit
der Abgasverbrennungsan lage, dem Nutzbremssystem, oder anderen Energiewandlern
oder Wiedergewinnungssystemen. Die Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung ist ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel, da der Wasserstoff- und Sauerstoff verbrauch geringer ist als bei den bekannten Bord-Verbrennungssystemen, bei
denen dem Primärbrennstoff in der Maschine Wasserstoff zugesetzt wird.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung erhöhen den thermischen Wirkungsgrad des Verbrennungsgrundsystems durch bessere
Steuerung der Zündung, bessere und besser gesteuerte Verbrennung, sparsamerer Gesamtbetrieb, insbesondere bei Otto-Motoren, und bringen
eine größere Hitzeauslösung während der Verbrennungsphase und eine Vereinfachung bei der Auslegung der einzigen Verbrennungskammer bei
Dieselmaschinen und Entladungsmaschinen gegenüber den unterteilten Verbrennungskammern.
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Die Abgase des Verbrennungsgrundsystems, .das das Verfahren und die
Vorrichtung nach der Erfindung verwendet, werden aufgrund der besseren Verbrennung reduziert. Die Bildung von Stickstoffoxyden wird
durch die Reduzierung der örtlichen Spitzentemperaturzonen und durch
Verringerung der Teilchengröße bei der Primärbrennstoff-Vorbehandlung in der Primärbrennstoff-Vorbehandlungskammer unterdrückt. -
v--' Die Erfindung ermöglicht aufgrund der positiven und energiereichen
Zündung den Einsatz alternativer Brennstoffe, so können z.B. Brennstoffe mit niedrigem Cetangehalt für den Einsatz in einer Dieselmaschine
verwendet werden. Durch die Verwndung der energiereichen, auf der Verbrennung basierenden Zündung oder durch die Einspritzung von
Brennstoffen in die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer oder die Vorbehandlungskammer sowie durch Vorbehandlung des Primärbrennstoffes
durch die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsprodukte werden
die Brennstoffe wirkungsvoller und gründlicher verbrannt. Diese Merkmale und Vorteile der Erfindung können von dem Fachmann beim
Lesen der vorstehenden Ausführungen erkannt und realisiert werden.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der thermochemisehen
Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung ist der Einsatz bei einem Kraftfahrzeug-Dieselmotor. Eine dauernde Schwierigkeit bei
einem dieselbetriebenen Kraftfahrzeugmotor ist die Tatsache, daß sie 30- bis 80-mal mehr Teilchen ausstrahlen als entsprechende äquivalente
benzinbetriebene Motoren. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung kann die Emission eines Diesel-Kraftfahrzeugmotor's
auf einen Pegel reduziert werden, der dem eines äquivalenten Benzin-Kraftfahrzeugmotors
entspricht oder sogar kleiner sein kann, da eine gleiche oder bessere Ausnützung des Brennstoffes erreicht wird. Mit
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dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung werden zusätzlich
der Kaltstart verbessert und die Arbeitsgeräusche des Motors, die mit einem Diesel-Kraftfahrzeugmotor verbunden sind, reduziert.
Außerdem kann Brennstoff mit einer geringeren Cetanzahl wie der z.Z. bei Diesel-Kraftfahrzeugmotoren verwendete Brennstoff eingesetzt
werden.
Ein Ausführungsbeispiel für den Einsatz der Vorrichtung zur thermochemischen
Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung bei einem
Diesel-Kraftfahrzeugmotor ist in Fig. 4 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird die Stellung der Kurbelwelle mechanisch über Steuerzahnräder, -wellen oder -ketten mit der Steuereinrichtung 101
verbunden, um die Einspritzung von Wasserstoff, Sauerstoff und Diesel-Brennstoff
und die Zündung zu steuern und um die Bedingungen für den Diesel-Motor über den gesamten Geschwindigkeits- und Lastbereich
entsprechend der Stellung des Gaspedals einzuhalten. Die Synchronisation des Wasserstoff-Sauerstoff-Flusses mit der Zuführung der
Zündimpulse zur Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer wird mechanisch
durch die Verkettung der Drehbewegung der Kurbelwelle und der Stellung des Gaspedals erreicht. Diese Synchronisation kann weiterhin
auch durch geschwindigkeitsempfindliehe Einrichtungen, wie z.B.
Fliehkraftregler, erreicht werden. Die Wasserstoff- und Sauerstoff-Steuerventile
werden mechanisch über eine Dreh- oder Schiebewelle betätigt, die gleichzeitig auch zur periodischen Betätigung des
Zündkontaktes einer Zündkerze oder zur dauernden Betätigung des Zündkontaktes einer Glühkerze ausgenützt ist, um die Zündung und die
Zuführung von Wasserstoff und Sauerstoff in die Wasserstoff-Sauerstoff-
Verbrennungskammer zu erreichen. Der Wasserstoff und der Sauerstoff
werden in einem stöchiometrischen Verhältnis von 1 Gewichtsteil
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Wasserstoff zu 8 Gewichtsteilen Sauerstoff der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
124 zugeführt. Die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung wird über die Zündkerze oder Glühkerze in der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
eingeleitet, wenn der Kolben das Ende seines Hubes erreicht und das Volumen der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
auf ein Minimum reduziert hat. Die Verbrennung des Wasserstoffes und des Sauerstoffes in der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer
führt zu teilweise dissoziertem Wasserdampf von ungefähr 5500° F. Diese energiereichen Wasserstoffverbrennungsprodukte werden durch die Öffnungen in den Vorbehandlungsteil der Verbrennungskammer
entladen, während gleichzeitig Diesel-Brennstoff in die Vorbehandlugskammer eingespritzt wird, wie in Fig. 4 gezeigt ist,
um heftig mit dem Diesel-Primärbrennstoff, der in den den Kolben
aufnehmenden Hauptteil der Primärbrennstoffkammer expandiert und eindringt, in Wirkverbindung tritt, diesen vollständig verdampft,
chemisch umwandelt und thermisch zündet. Dem Hauptteil der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer
wird neben dem Diesel-Brennstoff Luft zugeführt, wo die Verbrennung fließend und vollständig stattfindet.
Durch dieses Verbrennungsverfahren wird die Teilchen-Emissionsbildung vollständig vermiede^ die normalerweise bei den Tröpfchen-Verbrennungseinrichtungen
der herkömmlichen Dieselverbrennung auftritt. Der Arbeitshub des Kolbens des Dieselmotors wird auf diese Weise eingeleitet
und die Schritte des Arbeitszyklus wie Ausdehnung, Absaugung, Einspritzung und Verdichtung werden in herkömmlicher Weise ausgeführt.
Die Einspritzdrücke des Diesel-Brennstoffes liegen ungefähr
bei 2500 bis 3500 Ib/in2 , da in der Einspritzstufe eine extreme
Zerstäubung nicht erforderlich ist. Bei den herkömmlichen Diesel-Kraftfahrzeugmotoren
beträgt der Brennstoff-Einspritzdruck in der Größenordnung von 12000 bis 17000 Ib/in2 , um die für das Verbrennungsverfahren
der gegenwärtig verwendeten Motoren den erforder-
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lieh hohen Grad an Zerstäubung zu erhalten. Diese bevorzugte praktische
Anwendung der Erfindung bei einem Diesel-Kraftfahrzeugmotor zeigt das in Fig. 5 dargestellte Untersystem. Ein Gleichstrom-Generator
wird direkt vom Dieselmotor angetrieben und kann wahlweise auch durch andere elektrische Stromquellen, wie z.B. einem von der Abgasverbrennungsanlage
oder einem Nutzbremssystem angetriebenen Hilfsgenerator, unterstützt werden. Der Wasser-Elektrolyseur ist ein
Druck-Elektrolyseur mit festem Polymer-Elektrolyt (SPE), wie er von
der Generalt Electric Company hergestellt wird. Ein geeigneter Wasservorratsbehälter
für ausreichendes, unter Druck stehendes Wasser zur Versorgung des Elektrolyseurs ist vorgesehen. Ein Wasserstoff Druckgasspeicher
und ein Sauerstoff-Druckgasspeieher mit geeignetem
Meß- und Wandlergeräten, elektrischen Schaltkreisen und Informationsverarbeitungsgeräten
sind vorgesehen, um die Arbeitsweise des Systems zu koordinieren. Die für den STart und die Anheizphase des Motors
benötigten Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff werden den zugeordneten Druckgasspeichern entnommen. Wenn diese Gase benötigt werden,
fällt der Druck in den Druckgasbehältern und ein entsprechend eingestellter Druckschalter signalisiert einen erhöhten Strombedarf an dem
motorgetriebenen Generator, was sich in erhöhter Last am Motor auswirkt.
Dieser STrom wird dem Wasser-Elektrolyseur zugeführt und führt
zur Erzeugung von Hochdruck-Wasserstoffgas und -Sauerstoffgas. Der
Wasserfluß von dem Wasservorratsspeicher zu de Elektrolyseur wird von einer Hochdruck-Verdrängerpumpe gesteuert. Die Gasdruckspeicher
werden daher auch bei der Zuführung von Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Motor auf den gewünschten Druckwerten gehalten.
Die Vorrichtung zur thermochemisehen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung,
wie sie am Beispiel eines Diesel-Kraftfahrzeugmotors
beschrieben wurde, reduziert die Teilchen-Emission auf demselben Pegel wie bei einem vergleichbaren Benzin-Motor und zwar einzig und
allein aufgrund der verbesserten Verbrennung des Diesel-Brennstoffes
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und der Verhinderung der Teilchenbildung bei der Tröpfchen-Zündverbrennung
herkömmlicher Diesel-Motoren. Die Vorrichtung nach der
Erfindung erlaubt das Weglassen der herkömmlichen geteilten Verbrennungskammer
und die Verwendung einer offenen Verbrennungskammer mit direkter Einspritzung, was eine Verbesserung des BrennstoffWirkungsgrades
von ungefähr 15 bis 20% bringt. Dies gleicht den Bedarf an Brennstoff für die Stromerzeugung des Elektrolyseur mehr als aus. Die
sehr energiereiche Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung, die unmittelbar
beim Start des Motors zur Verfugung steht, reduziert die Kaltstartprobleme
des Motors. Das Motorgeräusch und unzulässige innere Belastungen durch Zündverzögerungen, die zu sehr großen Drücken in
der Verbrennungskammer führen und bei herkömmlichen Diesel-Motoren auftreten, werden durch die positive gleichförmige und hochenergiereiche
Zündwirkung des Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungsproduktes erheblich reduziert. Da der Diesel-Motor nach der Erfindung nicht von
der Kompressionszündung abhängt und die wesentlich energiereichere Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungshitze verwendet, können auch
Brennstoffe mit niedrigerem Cetangehalt verwendet werden.
In der vorstehenden Beschreibung sind bestimmte bevorzugte Ausführungsbispiele
der Erfindung erläutert. Es ist für den Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet naheliegend diese Erfindung auch auf andere
Ausführungsbeispiele zu übernehmen und dabei bestimmte Einzelheiten beträchtlich zu variieren, ohne vom Grundprinzip der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.
Claims (51)
- A 4257 17. März 1981vo/poeEscher / Foster
Technology Associates, Inc.
1405, North U.S. 27thSt. Johns, Michigan 48879
U.S.A.AnsprücheVerfahren zur thermochemischen Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung bei einem mit einer Primärbrennstoff-Verbrennungskamer versehenen Verbrennungsgrundsystem,
dadurch gekennzeichnet,daß in eine Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124), die mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) in Verbindung steht, Wasserstoff und Sauerstoff eingeführt werden,
daß der in der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) eingeführte Wasserstoff gezündet und verbrannt wird,
daß die heißen Wasserstoff-Verbrennungsprodukte von der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) zu der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) weitergeleitet werden und
daß mit den heißen Wasserstoff-Verbrennungsprodukten der der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zugeführte Primärbrennstoff gezündet wird.A 4257 - 2 - - 2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) der Wasserstoff und der Sauerstoff zur Verbrennung des Wasserstoffes in stöchiometrischen Beträgen zugeführt werden. - 3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) der Wasserstoff mit einem größeren als dem stöchiometrischen Betrag, wie er für die Verbrennung mit Sauerstoff erforderlich ist, zugeführt wird. - 4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) der Wasserstoff mit einem kleineren als dem stöchiometrischen Betrag, wie er zur Verbrennung mit Sauerstoff erforderlich ist, zugeführt wird. - 5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß zumindest ein Teil des Primärbrennstoffes der Wasserstoff-Sauerstoff -Verbrennungskammer (124) zugeführt wird. - 6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß der Primärbrennstoff nur einer Vorbehandlungskammer (134) der Primärbrenstoff-Verbrennungskammer (127) zugeführt wird, wobei ein Ende der Vorbehandlungskammer (134) mit der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) und das andere Ende mit der Primärbrennstoff-VErbrennungskammer (127) in Verbindung stehen.A 4257 - 3 - - 7. . Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß wenigstens ein Teil des Primärbrennstoffes einer Vorbehandlungskammer (134) der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zugeführt wird, wobei ein Ende der Vorbehandlungskammer (134) mit der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) und das andere Ende mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) in Verbindung stehen.
- 8. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,daß der der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zugeführte Primärbrennstoff nur einem Vorbehandlungsteil (134) der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zugeführt wird, wobei ein Ende des Vorbehandlungsteiles (134) mit der Wasserstoff-Sauerstoff- Verbrennungskammer (124) und das andere Ende mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) in Verbindung stehen. - 9. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,daß zumindest ein Teil des Primärbrennstoffes zusätzlich einem Vorbehandlungsteil (134) der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zugeführt wird, wobei ein Ende des Vorbehandlungsteiles (134) mit der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) und das andere Ende mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) in Verbindung stehen. - 10. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß in der Primärbrennstoff-Verbrennungskanmer (127) eine im wesentlichen stetige Verbrennung von Primärbrennstoff durchgeführt wird.A 4257 - 4 - - 11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß in der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) eine zyklische Verbrennung von Primärbrennstoff durchgeführt wird. - 12. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß Primärbrennstoff aus der Gruppe von Naturgas, Naturersatzgas, verflüssigtes Erdgas, Benzin, Kerosin, Dieselöl, mittlere öldestillate, Altöl, Alkohol, Pflanzenöl-Derivate, Kohle und Torf verwendet wird. - 13. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) im wesentlichen auf atmospärisehen Druck gebracht wird. - 14. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) auf einen erhöhten Druck von etwa 1 bis ungefähr 300 Atmosphären gebracht wird. - 15. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß der Wasserstoff und der Sauerstoff in einem Wasser-Elektrolyseur (16) erzeugt werden. - 16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,A 4257 - 5 -daß die Stromversorgung für den Wasser-Elektrolyseur von einem elektrischen Generator (15) abgeleitet wird, der von dem Verbrennungsgrundsystem (14) angetrieben wird. - 17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,daß die Stromversorgung von einem Nutzbremssystem eines Fahrzeuges abgeleitet wird. - 18. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,daß die Stromversorgung von einer Abgasverbrennungsanlage abgeleitet wird. - 19. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß der Wasserstoff in einem Anteil zugeführt wird, der etwa 0,5 bis 15 % der chemischen Energie beträgt, die zusammen aus dem Wasserstoff und dem Primärbrennstoff gewonnen wird. - 20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,daß der Wasserstoff vorzugsweise in einem Anteil zugeführt wird, der ungefähr 1 bis 8 % der chemischen Energie beträgt, die zusammen aus dem Wasserstoff und dem Primärbrennstoff gewonnen wird. - 21. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20,dadurch gekennzeichnet,daß Kammerwände eine längliche Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) mit einem ersten geschlossenen Ende und einemA 4257 - 6 -gegenüberliegenden zweiten Ende bilden, welches mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (i27) eines Verbrennungsgrundsystems (14) in Verbindung steht,daß eine Wasserstoff-Zuführeinrichtung mit einem Wasserstoff-Steuerventil (104), einer Wasserstoffquelle (112) und einem Wasserstoff-Injektor (120) der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) unter Druck stehenden Wasserstoff zuführt,
daß eine Sauerstoff-Zuführeinrichtung mit einem Sauerstoff-Steuerventil (103), einer Sauerstoffquelle (111) und einem Sauerstoff-Injektor (119) der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) Sauerstoff zuführt,daß eine Zündeinrichtung mit einer Zündsteuereinrichtung (102), einer Zündenergiequelle (108) und einem Zünder (122) Zündimpulse in das geschlossene Ende der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung skammer (124) einbringt, um das darin befindliche Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch zu zünden und die Verbrennungsprodukte durch das zweite Ende der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) in die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zu leiten,daß eine Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung mit einem Primärbrennstoff-Steuerventi 1 (105), einer Primärbrennstoffquelle (113) und einem Primärbrennstoff-Injektor den Primärbrennstoff der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zuführt und die Wasserstoff-Verbrennungsprodukte aus der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) den Primärbrennstoff zünden, und daß die Steuereinrichtung in Verbindung mit dem Verbrennungsgrundsystem (14) die Zündsteuereinrichtung (102), das Wasser-Steuerventil (104), das Sauerstoff-Steuerventil (103) und das Primärbrennstoff-Steuerventil (105) so steuern, daß die Dosierung und der Zeitablauf der Zündung, der Zuführung von Wasser-A 4257 - 7 -stoff und Sauerstoff in die Vorrichtung (11) zur thermochemischen Wasser-Sauerstoff-Verbrennungseinleitung und die Zuführung' des Primärbrennstofes in die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) des Verbrennungsgrundsystems (14) koordiniert sind. - 22. Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung zusätzlich einen zweiten Primärbrennstoff-Injektor (114) aufweist, der einen Teil des Primärbrennstoffes der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) zuführt. - 23. Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,daß die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zusätzlich Kammerwände für eine Vorbehandlungskammer (134) aufweist, die einerseits mit dem zweiten Ende der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) und andererseits mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) in Verbindung steht, und
daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung der Vorbehandlungskammer (134) nur einen Teil des Primärbrennstoffes zuführt. - 24. Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,daß die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zusätzlich Kammerwände für eine Vorbehandlungskammer (134) aufweist, die einerseits mit dem zweiten Ende der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) und andererseits mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) in Verbindung steht und
daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung einen dritten Pri-A 4257 - 8 -märbrennstoff-Injektor (114) aufweist, der zumiondest einen Teil des Primärbrennstoffes der Vorbehandlungskammer (134) zuführt. - 25. Vorrichtung nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,daß die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zusätzlich Kammerwände für eine Vorbehandlungskammer (134) aufweist, die einerseits mit dem zweiten Ende der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) und andererseits mit der Primärbrennstoff- Verbrennungskammer (127) in Verbindung steht, und
daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung den Primärbrennstoff nur der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zuführen. - 26. Vorrichtung nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,daß die Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) zusätzlich Kammerwände für eine Vorbehandlungskammer (134) aufweist, die einerseits mit dem zweiten Ende der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennungskammer (124) und andererseits mit der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) in Verbindung steht, und
daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung einen dritten Primärbrennstoff-Injektor (114) aufweist, der mindestens einen Teil des Primärbrennstoffes der Vorbehandlungskammer (134) zuführt. - 27. Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind.A 4257 - 9 - - 28. Vorrichtung nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet,daß ein elektrischer, von dem Verbrennungsgrundsystem (14) angetriebener Generator (15) die elektrische Energie für den Wasser-Elektrolyseur (16) liefert. - 29. Vorrichtung nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet,daß ein Nutzbremssystem eines Fahrzeuges die elektrische Energie für den Wasser-Elektrolyseur (16) liefert. - 30. Vorrichtung nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet,daß eine Abgasverbrennungsanlage oder dgl. der Primärbrennstoff-Verbrennungskammer (127) die elektrische Energie für den Wasser-Elektrolyseur (16) liefert. - 31. Vorrichtung nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind. - 32. Vorrichtung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind. - 33. Vorrichtung nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind.A 4257 - 10 - - 34. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind.
- 35. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind.
- 36. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziindenergiequelle (108) einen elektrischen Generator aufweist.
- 37. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Zünder (122) eine Zündkerze, oder eine Glühkerze ist.
- 38. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung einen Vergaser (118) aufweist.
- 39. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung Einspritzdüsen (118) aufweist.
- 40. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,A 4257 -11-daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112)durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist unddaß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung einen Vergaser (118)aufweist.
- 41. Vorrichtung nach Anspruch 22,
Λdadurch gekennzeichnet,daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112)durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist unddaß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung einen Vergaser (118)aufweist. - 42. Vorrichtung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112)durch einen Wasser-Elektrolyseur (16 gebildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist unddaß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung einen Vergaser (118)aufweist. - 43. Vorrichtung nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,daß die SauerstoffquelIe (111) und die Wasserstoffquelle (112)durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist unddaß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung einen Vergaser (118)aufweist. - 44. Vorrichtung nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,daß die SauerstoffquelIe (111) und die WasserstoffquelIe (112)A 4257 - 12 -durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist und daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung einen Vergaser (118) aufweist. - 45. Vorrichtung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist und daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung einen Vergaser (118) aufweist. - 46. Vorrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet siond,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist und daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung Einspritzdüsen (118) aufweist. - 47. Vorrichtung nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist und daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung Einspritzdüsen (118) aufweist. - 48. Vorrichtung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,A 4257 - 13 -daß die Sauerstoffquelle (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist und daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung Einspritzdüsen (118) aufweist. - 49. Vorrichtung nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,daß die SauerstoffquelIe (111) und die Wasserstoffquelle (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist und daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung Einspritzdüsen (118) aufweist. - 50. Vorrichtung nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,daß die SauerstoffquelIe (111) und die WasserstoffquelIe (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gebildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist und daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung Einspritzdüsen (118) aufweist. - 51. Vorrichtung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,daß die SauerstoffquelIe (111) und die WasserstoffquelIe (112) durch einen Wasser-Elektrolyseur (16) gbildet sind,daß der Zünder (122) eine Zündkerze oder eine Glühkerze ist und daß die Primärbrennstoff-Zuführeinrichtung Einspritzdüsen (118) aufweist.
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