DE4115727A1

DE4115727A1 - IC engine uses hydrogen generated electrolytically in operating space - to increase efficiency and reduce waste and emission

Info

Publication number: DE4115727A1
Application number: DE4115727A
Authority: DE
Inventors: Michal Machura; Kazimierz Adamek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1991-05-14
Publication date: 1992-01-02

Abstract

In driving an engine by combustion of H2, the novelty is that the H2 and O2 for combustion are produced in the operating space of the engine of electrolytic dissociation of water. Pref. dissociation is accelerated by adding an alkali cpd.. The engine is a piston engine and the electrolyser is placed in the walls of the combustion chamber. In particular, an 8-stroke engine is used. At the start of the stroke, water, opt. with catalyst, is sucked in or injected. Strokes 2,4 and 6 comprise compression, strokes 3, 5 and 7 expansion to convert the combustion to mechanical work and stroke 8 exhaustion of the combustion gases. Electrolysis starts immediately after intake or injection of water at the start of stroke 1 and continues up to the start of stroke 7. Combustion may be triggered by external ignition or autoignition. USE/ADVANTAGE - The technique reduces waste and is efficient since it eliminates the need to remove the combustion prods. after each combustion, which wastes hot and partly oxidised prods.. It can be used in 2- or 4-stroke or rotary engines or even cycles with more than one working stroke, e.g. an 8-stroke cycle with 3 working strokes or a 16-stroke cycle with 7 working strokes. Emissions are very slight, with only small amts. of NOx. CO and CO2 are emitted only to the extent that they are present in the air used for combustion.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antrieb eines Motors durch Verbrennung von Wasserstoff sowie einen Motor zur Anwen dung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for driving a motor by burning hydrogen and an engine for use this procedure.

Bekannt sind Verfahren und nach diesen arbeitende Motoren, bei denen der zur Verbrennung dienende Wasserstoff extern erzeugt und mit den Verbrennungssauerstoff enthaltender Luft in den Ar beitsraum des Motors eingebracht wird.Processes and motors working according to them are known which the hydrogen used for combustion generates externally and with the air containing combustion oxygen in the ares beitsraum the engine is introduced.

Diese haben den Nachteil, daß nach jeder Verbrennung der Ar beitsraum von den Verbrennungsprodukten entleert werden muß und die neben dem Verbrennungssauerstoff in der Luft enthalte nen Bestandteile aufgeheizt und teilweise oxidiert werden, was den Energieumsetzungswirkungsgrad und die Umweltbelastung negativ beeinflußt.These have the disadvantage that the Ar beitsraum must be emptied of the combustion products and which is in the air in addition to the combustion oxygen components are heated and partially oxidized, what the energy conversion efficiency and environmental impact negatively influenced.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Anteil der nicht zur Verbrennung erforderlichen Bestandteile der Motorfüllung zu reduzieren und Voraussetzungen zur Wirkungsgradsteigerung zu schaffen.The invention has for its object the proportion of not Components of the engine filling required for combustion to reduce and requirements for increasing efficiency create.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zur Verbrennung erforderliche Wasser- und Sauerstoff im Arbeitsraum des Motors durch elektrolytische Dissoziation von Wasser erzeugt wird. This object is achieved in that the Combustion requires water and oxygen in the work area of the engine generated by electrolytic dissociation of water becomes.

Vorteilhaft ist die Zugabe von die Dissoziation beschleunig ten Katalysatoren. Zweckmäßig ist die Anordnung der Elektroly sevorrichtung in den Wandungen des Verbrennungsraumes und die Ausgestaltung des Motors für Zyklen mit mehr als einem Ar beitstakt, beispielsweise für 8 Taktzyklen mit 3 Arbeitstak ten, sowohl mit Fremd als auch mit Eigenzündung.The addition of the dissociation is advantageously accelerated th catalysts. The arrangement of the electrolytes is expedient device in the walls of the combustion chamber and Design of the motor for cycles with more than one ar beitstakt, for example for 8 clock cycles with 3 work clock ten, both with external and with auto ignition.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die für die Herstellung der eigentlichen Brennstoffbestandteile erfor derlichen Ausgangsstoffe nicht entzündbar sind und somit die Sicherheit der Anwendung erhöhen. Der Gefahr des Einfrierens bei absinkenden Temperaturen kann durch Beheizungen des Vor ratsbehälters und der Zuleitungen entweder durch Abwärme, wie Rückführung der Verbrennungsprodukte, oder durch Fremdheizung begegnet werden.Another advantage of the invention is that the for the production of the actual fuel components are not flammable and thus the Increase application security. The risk of freezing when temperatures drop, heating the front storage container and the supply lines either by waste heat, such as Return of the combustion products, or by external heating be met.

Zur Anordnung der Elektrolysevorrichtung, z. B. von Kathoden und Anoden mit relativ geringen Abständen kann in den Wandun gen des Verbrennungsraumes, also des Volumens, zwischen dem Kolben im oberen Totpunkt und Zylinderkopf Z erfolgen. Hier für stehen ganz oder teilweise die diesen Verbrennungsraum umhüllenden Wandungen zur Verfügung, soweit sie nicht durch andere Einrichtungen wie Zündvorrichtung oder Ein- und Auslaß ventile besetzt sind. Die Elektrodenanordnung bildet ein en ges Spaltsystem in diesen Oberflächen, wobei wegen des Diffu sionsverhaltens der Gasmoleküle die Spalten nicht zu tief sein dürfen. Bei dieser Anordnung ist ein Elektrolyseverlauf zu erwarten, der bei der sogenannten Elektrolytenzirkulation vorteilhaft ist, da die entstehenden Gasblasen den Durchmes ser der Spalten im Zusammenhang mit dem Ionentransport nicht wesentlich verkleinern.To arrange the electrolysis device, for. B. of cathodes and anodes with relatively short distances can be in the wall towards the combustion chamber, i.e. the volume between the Pistons at top dead center and cylinder head Z take place. Here stand for this combustion chamber in whole or in part enveloping walls available, provided that they are not through other devices such as igniter or inlet and outlet valves are occupied. The electrode arrangement forms an en ges gap system in these surfaces, whereby because of the diff sions behavior of the gas molecules the gaps not too deep may be. In this arrangement there is an electrolysis process to be expected from the so-called electrolyte circulation is advantageous because the resulting gas bubbles the diameter not the columns related to ion transport significantly reduce.

Zur Optimierung der Verbrennung sollte Sauerstoff in einem über die stöchiometrischen Verhältnisse hinausgehenden An teil vorhanden sein. Dieser Sauerstoffüberschuß wird durch Luftsauerstoff bereitgestellt und sollte zwischen 1,14 als oberem Grenzwert und 9,85 als unterem Grenzwert liegen. Die Zündgrenzen für Fremdzündung werden mit dem Luftüberschußko effizienten in bekannter Weise bestimmt.To optimize combustion, oxygen should be in one An beyond the stoichiometric ratio part of it. This excess of oxygen is caused by Atmospheric oxygen is provided and should be between 1.14 upper limit and 9.85 as lower limit. The Ignition limits for spark ignition are with the excess air Ko determined efficiently in a known manner.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Grundsatz auf alle be kannten Verbrennungsmotorprinzipien angewendet werden, z. B. auf Hubkolbenmotoren sowohl nach dem Zweitakt- als auch nach dem Viertakt-Prinzip, auf Kreiskolbenmotoren oder Umlaufkol benmotoren. Bei Hubkolbenmotoren erlaubt die Erfindung auch Zyklen mit mehr als einem Arbeitstakt, z. B. einem Achttakt- Zyklus mit drei Arbeitstakten oder einem 16 Taktzyklus mit sieben Arbeitstakten.In principle, the method according to the invention can be applied to all Known internal combustion engine principles are applied, for. B. on reciprocating engines after both the two-stroke and after the four-stroke principle, on rotary piston engines or rotary pistons benmotoren. The invention also allows for reciprocating engines Cycles with more than one work cycle, e.g. B. an eight-stroke Cycle with three work cycles or a 16 cycle with seven work cycles.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel in Form eines Achttakt-Hubkolbenmotors mit Fremdzündung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.The invention is illustrated below using an exemplary embodiment in Form of an eight-stroke reciprocating piston engine using spark ignition the accompanying drawing explained.

In der Zeichnung zeigen:The drawing shows:

Fig. 1 schematisch den Zyklus eines Achttakt-Motors, Fig. 1 shows schematically the cycle of an eight-stroke engine,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Achttakt-Wasserstoff- Kolbenmotors mit Fremdzündung. Fig. 2 is a block diagram of an eight-stroke hydrogen piston engine with spark ignition.

In Fig. 1 ist der Zyklus eines 8-Takt-Hubkolbenmotors schema tisch dargestellt. Das gesamte Zylindervolumen oberhalb des Kolbens in seiner untersten Stellung (unterer Totpunkt U) ist der Arbeitsraum des Zylinders a, das Zylindervolumen oberhalb des oberen Totpunktes O des Kolbens ist der Verbrennungsraum V. Die Elektrolyseeinrichtung E (hier nur schematisch im Kolben angedeutet) ist durch in engen Spalten auf den jeweiligen Wand oberflächen angeordnete positive Elektroden f und negative Elektroden g gebildet. Die Kennzeichnung des Kolbens h in zwei, in positive und negative Elektroden getrennte Felder soll nur symbolisch andeuten, daß beide Elektrodenarten je hälftig die Elektrolyseeinrichtungen E bilden, die sich auf allen den Ver brennungsraum umhüllenden Oberflächen befinden.In Fig. 1, the cycle of an 8-stroke reciprocating engine is shown schematically. The entire cylinder volume above the piston in its lowest position (bottom dead center U) is the working space of cylinder a, the cylinder volume above top dead center O of the piston is the combustion chamber V. The electrolysis device E (indicated only schematically in the piston here) is indicated by in Narrow gaps on the respective wall surfaces arranged positive electrodes f and negative electrodes g are formed. The marking of the piston h in two fields, separated into positive and negative electrodes, is only intended to indicate symbolically that both types of electrodes each form half the electrolysis devices E, which are located on all surfaces surrounding the combustion chamber.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm des Ausführungsbeispiels eines 8-Takt-Wasserstoff-Kolbenmotors mit Fremdzündung. Statt der hier dargestellten anderen Zuladungen für den dem Motor zuge ordneten Stromgenerator kann elektrische Energie auch direkt fremd zugeführt werden. In welchem Anteil das Drehmoment des Motors für mechanische Antriebsarbeit auf der einen und Antrieb des dem Motor zugeordneten Stromgenerators und gegebenenfalls anderer Vorrichtungen in der Motorperipherie aufgeteilt wird, hängt von den Verhältnissen des Einzelfalles ab. Da bei dem beschriebenen Verfahren bzw. dem dieses Verfahren anwendenden Motor destilliertes Wasser, gegebenenfalls mit Katalysator zusatz, in den Arbeitsraum gebracht wird, wo es elektrolytisch dissoziiert wird, entstehen Wasserstoff und Sauerstoff für die Verbrennung in stöchiometrischem Verhältnis. Fig. 2 shows a block diagram of the embodiment of an 8-stroke hydrogen-piston engine with spark ignition. Instead of the other payloads shown here for the power generator assigned to the motor, electrical energy can also be supplied directly from outside. The proportion of the torque of the motor for mechanical drive work on the one and drive of the current generator assigned to the motor and possibly other devices in the motor periphery is divided depending on the circumstances of the individual case. Since in the described method or the engine using this method, distilled water, optionally with catalyst added, is brought into the work area where it is electrolytically dissociated, hydrogen and oxygen are produced for combustion in a stoichiometric ratio.

Zur Optimierung der Verbrennung wird kurz vor der ersten Zün dung eines Zyklus Luft in den Arbeitsraum eingedüst und so ein Sauerstoffüberschuß (Luftüberschuß) eingestellt, wie er für die Optimierung der jeweiligen Zündungsverhältnisse erforder lich ist. Auf diese Weise wird im Vergleich zu herkömmlichen Wasserstoffmotoren mit Zuführung von extern hergestelltem Was serstoff und Luftsauerstoff für die Verbrennung der Anteil der nicht an der Verbrennung teilnehmenden sonstigen Luftbestand teile wesentlich reduziert. Das hat den Vorteil, daß dieses Ballastvolumen nicht mitaufgeheizt werden muß und auch nicht bei der Verbrennung oxidiert oder andere Verbindungen eingeht, was sich insgesamt positiv auf den Energieumsetzungswirkungs grad sowie auf die Bildung von schädlichen, umweltbelastenden Bestandteilen auswirkt. To optimize combustion, shortly before the first ignition one cycle of air is injected into the work area and so in Excess oxygen (excess air) set as for the optimization of the respective ignition conditions required is. This way it is compared to conventional Hydrogen engines with the supply of externally manufactured products Oxygen and atmospheric oxygen for the combustion of the proportion of other air stock not participating in the combustion parts significantly reduced. The advantage is that this Ballast volume does not have to be heated and also not oxidized during combustion or forms other compounds, which is overall positive on the energy conversion impact degree as well as the formation of harmful, environmentally harmful Components.

Da sich bei der Verbrennung des Wasserstoffs Wasser bildet, das bei der kontinuierlich fortlaufenden elektrolytischen Dissoziation wieder in Brennstoff dissoziiert wird, wird die Möglichkeit geschaffen, das Verfahren bzw. die danach arbeitenden Motoren mit Zyklen auszugestalten, die mehr als einen Arbeitstakt pro Zyklus erlauben, im Ausführungsbeispiel bei einem 8-Takt-Zyklus drei Arbeitstakte. Dieser Zyklus braucht erst dann unterbrochen zu werden, wenn die hierbei vor handenen Rest-Ballastgehalte sich zu einem den weiteren Fort gang des Verfahrens hindernden Anteil konzentriert haben.Since water forms when the hydrogen is burned, that with the continuously continuous electrolytic Dissociation is again dissociated into fuel created the possibility of the procedure or the afterwards working engines with cycles that more than allow one cycle per cycle, in the exemplary embodiment in an 8-stroke cycle, three work cycles. This cycle does not need to be interrupted until this occurs the remaining ballast content to one of the further fort have concentrated in the course of the proceedings.

Die Elektrolysevorrichtung E ist in den Oberflächen der Wandun gen des Verbrennungsraums V angeordnet. Sie ist gebildet durch Kathoden, d. h. negative Elektroden, und Anoden, d. h. positive Elektroden, die in kleinen Abständen voneinander angeordnet sind und ein enges Spaltensystem bilden. Wegen des Diffusions verhaltens von Wasserstoffmolekülen im Medium von Wasser soll die Spaltentiefe nicht zu groß sein. Der Elektrolyseverlauf ist bei der sogenannten Elektrolytenzirkulation vorteilhaft, da die entstehenden Gasblasen den Durchmesser der Spalten mit den Elektroden nicht wesentlich verkleinern, was mit dem Ionen transport verbunden ist. Der im Wasser zugegebene Katalysator, im Ausführungsbeispiel Kaliumhydroxid (KOH), beschleunigt den Elektrolysevorgang. Es können noch andere alkalische Verbin dungen als Katalysator verwendet werden, wobei bei der Verwen dung von sauren alkalischen Verbindungen deren Einfluß auf den Motor und die Umwelt berücksichtigt werden muß.The electrolysis device E is in the surfaces of the walls arranged against the combustion chamber V. It is formed by Cathodes, d. H. negative electrodes, and anodes, i.e. H. positive Electrodes arranged at small distances from each other are and form a narrow column system. Because of the diffusion behavior of hydrogen molecules in the medium of water the column depth should not be too large. The course of electrolysis is advantageous in the so-called electrolyte circulation, because the resulting gas bubbles have the diameter of the gaps the electrodes do not significantly reduce what happens to the ions transport is connected. The catalyst added in the water in the exemplary embodiment potassium hydroxide (KOH), accelerates the Electrolysis process. There may be other alkaline compounds be used as a catalyst, the use formation of acidic alkaline compounds whose influence on the Engine and the environment must be taken into account.

Die Elektrolysevorrichtung ist an allen Verbrennungsraum-Ober flächen angeordnet, die nicht von anderen Aggregaten, z. B. den Einlaß- und Auslaßventilen b, e der Zündvorrichtung c und der Lufteindüsung d besetzt sind. Die übrigen Flächen des Ar beitsraumes A bleiben von Elektrolysevorrichtungen E frei, um die Voraussetzung für effektive Abdichtung und Schmierung des Kolben-Zylinder-Systems nicht zu stören. The electrolysis device is on all combustion chamber upper Arranged areas that are not used by other units, e.g. B. the inlet and outlet valves b, e of the ignition device c and the air injection d are occupied. The remaining areas of the Ar beitsraumes A remain free of electrolysis devices E to the prerequisite for effective sealing and lubrication of the Do not disturb piston-cylinder system.

Die Verwendung von Wasser und gegebenenfalls eines Katalysa tors als "Ausgangsbrennstoff" bringt wegen deren Nichtent zündlichkeit Vorteile in der Sicherheit des Anwendungsfalles. Der Gefahr des Einfrierens bei absinkenden Temperaturen kann dadurch begegnet werden, daß der Wasservorratsbehälter durch Rückführung des "Ausblaswassers" bzw. durch sonstige Abwärme oder Fremdheizung aufgewärmt wird.The use of water and optionally a catalyst tors as "starting fuel" brings because of their non-ent ignitability advantages in the safety of the application. The risk of freezing at falling temperatures can can be countered by the fact that the water reservoir through Return of the "blow-out water" or by other waste heat or external heating is warmed up.

Durch den Temperaturanstieg infolge der Verbrennung wird das im Arbeitsraum befindliche undissoziierte Wasser je nach dem jeweils vorhandenen Druck im Zylinder zumindest teilweise ver dampft, was jedoch keinen nennenswerten Einfluß auf den Elek trolysevorgang hat.Due to the temperature rise due to the combustion, this becomes Undissociated water in the work area depending on the ver existing pressure in the cylinder at least partially steams, but this has no significant influence on the elec trolysis process.

Der Elektrolysevorgang wird unmittelbar nach Einbringen des Wassers zu Beginn des ersten Taktes in Gang gesetzt und konti nuierlich fortgeführt bis kurz nach der letzten Zündung eines Zyklus, im Ausführungsbeispiel also zu Beginn des 7. Taktes bzw. des 3. Arbeitstaktes.The electrolysis process is started immediately after the Water started and continuous at the beginning of the first bar continued until shortly after the last ignition Cycle, in the embodiment at the beginning of the 7th bar or the 3rd work cycle.

Die Emissionen sind beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Mo tor sehr gering. Sowohl wegen der Anteile als auch der Tem peraturen entstehen NO_x-Verbindungen nur in geringem Maße, CO bzw. CO₂ werden nur insoweit emittiert, als sie vorher mit der Zusatz-Verbrennungsluft eingetragen wurden.The emissions are very low in the method or engine according to the invention. Both because of the proportions and the temperatures, NO _x compounds are formed only to a small extent, CO and CO ₂ are only emitted to the extent that they were previously entered with the additional combustion air.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf alle Typen von Ver brennungsmotoren angewandt werden, z. B. auf Hubkolbenmotoren mit Fremdzündung oder Eigenzündung und sowohl nach dem "2-Takt" oder "4-Takt"-Prinzip, auf Rotationskolbenmotoren und Umlauf kolbenmotoren. Dabei ist jeweils darauf zu achten, daß die sich relativ zueinander bewegenden Flächen von Kolben und Zy linder zwecks geeigneter Dichtungsausbildung von der Elektro lysevorrichtung frei bleiben müssen.The method according to the invention can be applied to all types of ver internal combustion engines are applied, e.g. B. on reciprocating engines with spark ignition or auto ignition and both after the "2-stroke" or "4-stroke" principle, on rotary piston engines and circulation piston engines. It is important to ensure that the surfaces of pistons and Zy moving relative to each other linder for a suitable seal formation from the electrical lysis device must remain free.

Claims

1. A method for driving an engine by burning hydrogen, characterized in that the hydrogen and combustion oxygen in the working space of the engine is generated by electrolytic dissociation of water.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the water for the catalytic acceleration of the dissocia tion an alkali compound is added.

3. The method according to claim 2, characterized in that the alkali compound is potassium hydroxide.

4. Motor for applying a method according to one of the Claims 1 to 3, characterized in that the engine Reciprocating engine and the electrolysis device in the wall of the combustion chamber is arranged.

5. Motor according to claim 4, characterized in that the Reciprocating engine is designed as an eight-stroke engine, in which Start of the cycle water, possibly with a catalyst is sucked or injected, which ver in the 2nd, 4th and 6th measure seals the expansion of the combustion in the 3rd, 5th and 7th cycle converted into mechanical work and combustion in the 8th cycle blows out gases.

6. Motor according to claim 5, characterized in that electrolysis immediately after suction or injection the water, if necessary with a catalyst, at the beginning of the The first measure begins and continues until the beginning of the 7th Clock is continued.

7. Motor according to claim 4 to 6, characterized in that the combustion can be triggered by spark ignition.

8. Motor according to claim 4 to 6, characterized in that the combustion can be triggered by self-ignition.