DE3924776C2 - - Google Patents
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- Y10S123/00—Internal-combustion engines
- Y10S123/12—Hydrogen
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur geregelten Abgabe von Wasserstoff an eine mit Wasserstoffen
betriebene Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf ein Verfahren zu des
sen Betrieb.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auch
auf ein Verfahren zum Starten eines Wasserstoffmotors, auf
ein Verfahren zum Stillsetzen eines solchen Motors,
auf ein Verfahren zur Regelung der Erwärmung eines
solchen Behälters (Tanks), der eine Wasserstoff-Einschluß
legierung enthält, und auf ein Verfahren zur Kühlung eines
eine Wasserstoff-Einschlußlegierung enthaltenden Be
hälters.
Zum Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird
auf die beigefügten Fig. 8 und 9 bezug genommen.
Die Fig. 8 zeigt ein System mit einem Wasserstoffmotor,
wobei eine Wasserstoff-Einschlußlegierung zur Anwendung
kommt, das beispielsweise beschrieben ist in "A trial manu
facture of an engine system utilizing metal hydride" auf
Seite 247 einer Kollektion 851 der "Automotive Technique
Academic Seminars", veröffentlicht durch Society of
Automotive Engineers, Inc. im Mai 1985.
Wie die Fig. 8 zeigt, wird ein Motor 61 durch Wasserstoff
betrieben, der in einem Behälter 65 für eine Wasserstoff-
Einschlußlegierung erzeugt wird, wobei dieser Behälter im
folgenden als MH-Tank bezeichnet wird, und in einem Abgas-
Wärmetauscher wird die Wärme seines Abgases auf einen Zwi
schenwärmeträger, der im MH-Tank 65 mit einer konstanten
Strömungsmenge zirkuliert und der über eine Zwischenwärme
trägerleitung zugeführt wird, übertragen.
Der Zwischenwärmeträger gelangt mit der Wasserstoff-Ein
schlußlegierung im MH-Tank 65 in Wärmetausch, und der MH-
Tank 65, der Wärme empfangen hat, gibt Wasserstoff in Über
einstimmung mit den Gleichgewichtsbedingungen der Wasser
stoff-Einschlußlegierung, die durch die Temperaturen und
Drücke bestimmt sind, frei.
Die Wärmetauschvorgänge im MH-Tank werden durchgeführt,
wie folgt:
Zuerst kann ein Wärmestrom Qwm erlangt werden, wie folgt:
Qwm = (Tw-Tm)/Rwm
= 2(Twein-Tw) γwCwFw (kcal/h) (1)
= 2(Twein-Tw) γwCwFw (kcal/h) (1)
auf der Grundlage der Bedingungen
Tw = (Twein+Twaus)/2.
Es sind:
Tw : Durchschnittstemperatur des Zwischenwärmeträgers im Tank;
Twein : Temperatur des Zwischenwärmeträgers am Einlaß in den Tank;
Twaus : Temperatur des Zwischenwärmeträgers am Auslaß des Tanks;
Tm : Durchschnittstemperatur der Wasserstoff-Einschlußlegierung im Tank;
Rwm : Wärmewiderstand zwischem dem Zwischenwärmeträger und der Legierung;
γw : spezifisches Gewicht des Zwischenwärmeträgers;
Cw : spezifische Wärme des Zwischenwärmeträgers;
Fw : Strömungsmenge des im Tank zirkulierenden Zwischenwärmeträgers;
Tw : Durchschnittstemperatur des Zwischenwärmeträgers im Tank;
Twein : Temperatur des Zwischenwärmeträgers am Einlaß in den Tank;
Twaus : Temperatur des Zwischenwärmeträgers am Auslaß des Tanks;
Tm : Durchschnittstemperatur der Wasserstoff-Einschlußlegierung im Tank;
Rwm : Wärmewiderstand zwischem dem Zwischenwärmeträger und der Legierung;
γw : spezifisches Gewicht des Zwischenwärmeträgers;
Cw : spezifische Wärme des Zwischenwärmeträgers;
Fw : Strömungsmenge des im Tank zirkulierenden Zwischenwärmeträgers;
Die Legierungstemperatur Tm kann erlangt werden, wie folgt:
Tm = ∫ (Qwm-Qmt-Qm/Cm dt (2)
Qm = α · Fe (3)
auf den Grundlagen von
α : Wärmemenge der Wasserstoff-Dissoziation (kcal/Nm);
Fe : Strömungsmenge des erzeugten Wasserstoffs;
Qmt : Strömungsmenge der an der Oberfläche des Tanks abgegebenen Wärme;
Cm : Wärmekapazität der Legierung.
α : Wärmemenge der Wasserstoff-Dissoziation (kcal/Nm);
Fe : Strömungsmenge des erzeugten Wasserstoffs;
Qmt : Strömungsmenge der an der Oberfläche des Tanks abgegebenen Wärme;
Cm : Wärmekapazität der Legierung.
Wenn der MH-Tank 65 wärmeisoliert ist, so kann Qmt niedrig
sein. Demzufolge kann, wenn die MH-Legierung auf einen Wärmegleichgewichtszustand
gelangt, eine Beziehung Qwm=Qm
nach der Gleichung (2) erlangt werden, und Wasserstoff wird
in der Menge erzeugt, die der vom Zwischenwärmeträger über
tragenen Wärmemenge entspricht.
In einem solchen System, wie es oben beschrieben wurde,
werden zum Zweck, den Druck des Wasserstoffs auf einem vorbestimmten
Niveau zu haben, die Einströmmenge des Abgases
in den Abgas-Wärmetauscher 67 und dessen Einström-Wärmemenge
durch ein Abgas-Regelventil 68 geregelt, das durch die Signale
von einem Druckregler 70 betätigt wird. Die Temperatur
des Zwischenwärmeträgers auf der Eintrittsseite des MH-Tanks
65 wird sich in Übereinstimmung mit den Änderungen der Einström-Wärmemenge
in den Abgas-Wärmetauscher 67 ändern.
Wenn beispielsweise der Druck des Wasserstoffs unter das
vorbestimmte Niveau abfällt, so wird der Druckregler 70 das
Abgas-Regelventil 68 so betätigen, daß das Abgas zum Wärmetauscher
67 geführt wird. Als Ergebnis dessen steigt die
Temperatur des zirkulierenden Zwischenwärmeträgers allmählich
an und erhitzt die Legierung im MH-Tank 65. Auf diese
Weise erhöht sich die Menge des erzeugten Wasserstoffs, und
der Druck des Wasserstoffs kann wieder erlangt werden.
Wenn dagegen der Druck über das vorbestimmte Niveau hinaus
ansteigt, so wird der umgekehrte Vorgang ablaufen.
In dem oben beschriebenen System ist jedoch die Zeitkonstante
des Prozesses hinsichtlich des Druckreglers 70 wegen der
Wärmekapazität des den Zwischenwärmeträger im Kreislauf führenden
Systems, das den Abgas-Wärmetauscher 67 einschließt,
groß, und es treten unvermeidlich unstabile Änderungen in
den Wasserstoffdrücken auf der Grundlage einer solchen Zeitverzögerung
auf. Insbesondere wird, wenn eine Motorbelastung
sich plötzlich ändert, auch der Wasserstoffdruck in hohem
Maß verändert, was ein Faktor sein kann, der einen stabilen
Betrieb erschwert oder verhindert.
Die Fig. 9 zeigt die Ergebnisse von Betriebssimulationen
des in Fig. 8 dargestellten Systems.
Auf der Abszisse ist die Zeit (Sekunden) aufgetragen, während
auf der Ordinate die Temperatur (°C) und der mit 10 multi
plizierte Druck des Wasserstoffs (kg/cm2G) aufgetragen sind.
Die Motorbelastungen sind in derselben Figur dargestellt,
und es wurden Vollasten sowie Leerläufe mehrere Male wieder
holt. Gleich nach einem Start des Betriebs wird Wasserstoff,
selbst bei einem Leerlaufen, im Übermaß erzeugt, weil Wasser
stoff am Beginn des Betriebs in seiner vollen Menge einge
schlossen ist.
Wenn der MH-Motor 61 auf seine volle Belastung gelangt, so
wird der Wasserstoffdruck bei etwa 8 kg/cm2 eines vorbestimm
ten Niveaus eingeregelt. Bei 1200 s jedoch überschreitet
der Wasserstoffdruck das vorbestimmte Niveau in hohem Ausmaß
in Übereinstimmung mit einem raschen Abfall in der Motorlast.
Danach wird während eines langen Leerlaufs der Wasserstoff
druck abgesenkt, weil ein geringer Mangel an Wärmemenge des
Abgases einen Anstieg der Temperatur des Zwischenwärmeträ
gers verhindert. Etwa 6 min nach einer zweiten vollen Bela
stung bei 3500 s gelingt es dem Wasserstoffdruck, auf das
vorbestimmte Niveau zu kommen, jedoch können unstabile Ände
rungen im Wasserstoffdruck nicht beendet werden.
Im allgemeinen hat ein Antriebsmechanismus eines Wasserstoff
motors, z.B. eines Wasserstoffmotors mit Vergasern, eine
Leitung, die einen MH-Tank mit dem Motor verbindet, und nach
einer Einregelung des Drucks des Wasserstoffgases durch
einen an der Leitung vorgesehenen Regler strömt das Gas
vom Vergaser durch einen Ansaugkrümmer in das Innere eines
Brennraumes, in dem das Gas durch die Funken einer Zündkerze
gezündet wird. Auf diese Weise wird das Wasserstoffgas ver
brannt (zur Explosion gebracht), um den Motor zu starten.
Eine Zündvorrichtung muß abgeschaltet werden, um die Funken
bildung an der Zündkerze zu beenden, so daß der Motor still
gesetzt wird. Zu nahezu derselben Zeit wird das Erwärmen
der Wasserstoff-Einschlußlegierung beendet und die Zufuhr
von Wasserstoffgas zum Motor abgesperrt.
Jedoch ist das Wasserstoffgas in der zum Motor führenden
Leitung noch nicht verbrannt und gelangt auch nicht aus dem
Motor heraus, wenn dieser zum Stillstand kommt. Demzufolge
verbleibt Wasserstoffgas im Regler, im Vergaser und im An
saugkrümmer des Motors. Wenn der Motor erneut gestartet wird,
so tritt außerhalb des Brennraumes eine Verbrennung (Explo
sion) auf, die üblicherweise als eine Fehlzündung bezeichnet
wird und darauf beruht, daß Rest-Wasserstoffgas die Wasser
stoffdichte bei einem Beginn des Zündens oder der Funken
bildung erhöht. Es wurden bezüglich der Technik, die Fehl
zündung bei dem Start des Motors zu verhindern, verschiede
ne Wege in Betracht gezogen, weil fortwährende Fehlzündun
gen den Motor zum Stillstand bringen.
Im Hinblick auf die obigen Feststellungen zum Stand der Technik
ist es die Aufgabe der Erfindung,
die Zufuhr von Wasser
stoff zur Brennkraftmaschine zu stabilisieren und einen störungsfreien
Betrieb der Brennkraftmaschine sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Vorteile wie auch die Merkmale der Erfindung werden
aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Be
schreibung von bevorzugten Ausführungsformen deutlich. Es
zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit
einem Wasserstoffmotor gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer gegenüber
Fig. 1 abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Ergebnisse von Betriebssimu
lationen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zeigt;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Startvorrich
tung eines Motors;
Fig. 5 einen Flußplan zum Startvorgang eines Motors mit
Hilfe der Startvorrichtung von Fig. 4;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
zum Stillsetzen eines Motors;
Fig. 7 einen Flußplan für den Vorgang zum Stillsetzen des
Motors mit Hilfe der in Fig. 6 dargestellten
Vorrichtung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem
Wasserstoffmotor nach dem Stand der Technik;
Fig. 9 ein Diagramm zu Ergebnissen von Betriebssimulatio
nen des in Fig. 8 gezeigten Systems;
Ein System mit einem Wasserstoffmotor in einer ersten erfin
dungsgemäßen Ausführungsform wird im folgenden unter Bezug
nahme auf die Fig. 1 erläutert.
Hiernach ist ein Kühler 3 mit einer Brennkraftmaschine einem Wasserstoffmotor 1 über
eine Kühlwasserleitung 11 verbunden, die der Führung von
Wasser zur Kühlung des Motors 1 dient. Zwischen den Kühler
3 und den Motor 1 sind ein Temperaturschalter 4 sowie eine
Kühlwasserpumpe 2 geschaltet, welche das im Kühler 3 abge
kühlte Kühlwasser dem Motor 1 zuführt. Die Temperatur des
Kühlwassers wird bei dieser Ausführungsform mittels des Tem
peraturschalters 4 auf beispielsweise 80°C gehalten.
Über eine Abgasleitung 13 und ein Abgas-Regelventil 8 ist
ein Wärmetauscher 7 mit dem Motor 1 verbunden. Ein eine Was
serstoff-Einschlußlegierung enthaltender Behälter (MH-Tank: Metall-Hybrid-Speicher)
5 ist thermisch mit dem Wärmetauscher 7 über einen Zwischen
wärmeträger verbunden, welcher in einer Zwischenwärmeträger
leitung 12 mit Hilfe einer Umwälzpumpe 6 umgewälzt wird.
Ein eine Wärmeregeleinrichtung bildender Temperaturschalter
17 ist auf der Eintrittsseite des Zwischenwärmeträgers in
den MH-Tank 5 mit der Zwischenwärmeträgerleitung 12 verbun
den. Der Temperaturschalter 17 steuert das Abgas-Regelventil
8, um die Einströmmenge an Abgas vom Motor 1 in den Wärmetau
scher 7 so zu regeln, daß die Temperatur des Zwischenwärmeträ
gers in dessen Leitung 12 im wesentlichen auf einem maxima
len Niveau an der Eintrittsseite in den MH-Tank 5 gehalten
werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die
se Temperatur des Zwischenwärmeträgers auf 85°C gehalten,
jedoch ist klar, daß sich dieser Temperaturwert in Über
einstimmung mit dem Zwischenwärmeträger ändern kann.
An der Eintrittsseite des Zwischenwärmeträgers in den MH-
Tank 5 ist an der Zwischenwärmeträgerleitung 12 eine Regeleinrichtung bzw. ein Regel
ventil 15 vorgesehen, das die Einströmmenge des im Wärmetau
scher 7 erwärmten Zwischenwärmeträgers in den MH-Tank 5 re
gelt. An der Zwischenwärmeträgerleitung 12 ist zwischen der
stromaufwärtigen Seite des Regelventils 15 und der Austritts
seite des Zwischenwärmeträgers aus dem MH-Tank 5 ein Ventil
16 vorgesehen, das den Zwischenwärmeträger in der Leitung
12 in Übereinstimmung mit der Einströmmenge durch das Regel
ventil 15 in den MH-Tank 5 an diesem vorbeiführt, so daß
eine Unterbrechung in der Zirkulation des Zwischenwärmeträ
gers verhindert wird.
Mit dem MH-Tank 5 ist eine Wasserstoffleitung 14 verbunden,
um den Motor 1 mit dem aus der Wasserstoff-Einschlußlegie
rung im MH-Tank 5 erzeugten Wasserstoff zu versorgen. An
dieser Wasserstoffleitung 14 ist ein Druckminderventil 9
angeordnet, das den Druck des vom MH-Tank 5 dem Motor 1 zu
geführten Wasserstoffs unter einem konstanten Niveau hält.
Das Regelventil 15 regelt die Einströmmenge des Zwischenwär
meträgers in den MH-Tank 5 entsprechend dem Druck des in
der Wasserstoffleitung 14 geführten Wasserstoffs.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Regelung der Erwärmung
des obigen Wasserstoff-Antriebssystems erläutert.
Abgas vom Motor 1 strömt durch den Wärmetauscher 7 und er
wärmt den Zwischenwärmeträger in der Leitung 12 auf eine
maximale Temperatur, wobei die Einströmmenge durch das Abgas-
Regelventil 8 eingestellt wird. Der erwärmte Zwischenwärme
träger strömt durch den Tank 5 und erwärmt die in diesem
befindliche Wasserstoff-Einschlußlegierung in Übereinstim
mung mit seiner Einströmmenge, die durch das Regelventil
15 bestimmt wird. Demzufolge erzeugt die Einschlußlegierung
Wasserstoff in einer Menge, die dem Grad an aufgenommener
Wärme entspricht, und der erzeugte Wasserstoff wird dem Mo
tor 1 über die Wasserstoffleitung 14 unter Einregelung sei
nes Drucks durch das Druckminderventil 9 zugeführt.
Bei dem oben beschriebenen System wird die Temperatur des
zirkulierenden Zwischenwärmeträgers ständig auf einem maxi
malen Wert gehalten, wenn die Leistung der Wärmequelle, d.h.
im vorliegenden Fall die Abgasmenge, ausreichend ist. Demzu
folge wird die Wärmemenge, die in den MH-Tank 5 eingeführt
wird, durch Änderung der Einströmmenge des Zwischenwärme
trägers in den MH-Tank 5 eingeregelt.
Bei einem Verfahren zur Regelung der Erwärmung eines Wasser
stoffmotor-Antriebssystems nach dem Stand der Technik, das
in Fig. 8 gezeigt ist, wird die in den MH-Tank eingeführte
Wärmemenge durch Erhöhen und Absenken der Temperatur Tw von
Warmwasser entsprechend der Gleichung (1) geregelt. Dagegen
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmeregelung
die Wärmemenge für den MH-Tank 5 durch Änderung der Einström
menge Fw an Warmwasser geregelt.
Durch die Erfindung können folglich die unstabilen Änderungen
im Wasserstoffdruck vermindert werden, weil die Einströmmen
ge des Zwischenwärmeträgers in den MH-Tank 5 augenblicklich
durch Öffnen oder Schließen des Regelventils 15, das ein
rasches Ansprechverhalten auf drastische Änderungen in der
Menge des zu verwendenden Wasserstoffs hat, erhöht und ver
mindert werden kann. Bei einem plötzlichen Lastabfall am
Motor 1 während eines Leerlaufs od. dgl. kann der abnormale
Anstieg im Wasserstoffdruck minimiert werden, wenn der Zustrom
des Zwischenwärmeträgers in den MH-Tank 5 unterbrochen wird,
weil die fühlbare Wärme des Zwischenwärmeträgers im MH-Tank
5 niedrig ist.
Wie aus dem Obigen hervorgeht, können durch das erfindungs
gemäße Verfahren zur Wärmeregelung die unstabilen Änderungen
im Wasserstoffdruck, welche im Stand der Technik auf Grund
einer plötzlichen Laständerung auftreten, vermindert werden.
Die Fig. 3 zeigt Ergebnisse von Betriebssimulationen mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren, um die Erwärmung durch die
selbe Anlage unter den gleichen Betriebsbedingungen, wie
sie für die Betriebssimulationen des in Fig. 9 gezeigten
Wasserstoffmotor-Antriebssystems gelten, zu regeln.
Wie die Fig. 3 zeigt, übersteigt wegen der oben erläuterten
Gründe der Druck das vorbestimmte Niveau kurz nach einem
Starten des Betriebs. Nach einem Vollast-Betrieb ist jedoch
der Wasserstoffdruck außerordentlich stabil, wie dargestellt
ist.
Die allmähliche Abnahme in der Temperatur des Zwischenwärme
trägers während eines langen Leerlaufens ist auf den Mangel
an von dem Motor 1 zugeführter Wärmemenge zurückzuführen.
Wenn jedoch die Wärmemenge ausreichend ist, wird die Tempe
ratur des Zwischenwärmeträgers exakt auf 85°C gehalten.
Bei der gegenüber der Ausführungsform von Fig. 1 abgewandel
ten, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist eine Zwi
schenwärmeträgerleitung 20 auf der Austrittsseite des Zwi
schenwärmeträgers am MH-Tank 5 mit der Kühlwasserpumpe 2
verbunden, um anstelle des Umwälzens des Zwischenwärmeträ
gers mittels der Umwälzpumpe 6 Kühlwasser dem Motor 1 zuzu
führen. Die Kühlwasserpumpe 6 ist in diesem Fall mit der
Kühlwasserleitung 11 verbunden und liefert das durch das
Kühlen des Motors erhitzte heiße Kühlwasser als den Zwischen
wärmeträger in den MH-Tank 5 über den Wärmetauscher 7 und
das Regelventil 15. Der übrige Aufbau dieses Systems ist
demjenigen des Systems von Fig. 1 gleich.
Bei dieser abgewandelten Ausführungsform wird das als Zwi
schenwärmeträger durch den MH-Tank 5 geführte Kühlwasser
auf Grund des endothermischen Effekts, wenn Wasserstoff aus
der Wasserstoff-Einschlußlegierung im MH-Tank 5 erzeugt wird,
abgekühlt. Der Zwischenwärmeträger wird dann über die Kühl
wasserpumpe 2 dem Motor 1 zugeführt und kühlt diesen zusammen
mit dem Kühlwasser vom Kühler 3, denn der MH-Tank 5 unter
stützt als eine Wärmesenke die Kühlwirkung des Kühlers 3
gegenüber dem Motor 1. Demzufolge können die Kapazität und
die Größe des Kühlers 3 klein gemacht werden, so daß das
Wasserstoffmotor-Antriebssystem und folglich das gesamte
Fahrzeug, das dieses System trägt, mit geringen Größenabmes
sungen gefertigt werden können. Darüber hinaus ist das An
triebssystem mit einem Wasserstoffmotor in der vorliegenden
abgewandelten Ausführungsform für ein Fahrzeug geeignet,
das üblicherweise mit niedrigen Geschwindigkeiten fährt und
zu einem Überhitzen seines Motors neigt, wie z.B. ein Gabel
stapler, weil das Kühlen des Motors 1 in ausreichender,
zufriedenstellender Weise sowohl durch den Kühler 3 als
auch durch den MH-Tank 5 bewerkstelligt wird.
Bei der abgewandelten, oben beschriebenen Ausführungsform
kann der vom Motor 1 über die Umwälzpumpe 6 abgegebene Zwi
schenwärmeträger unmittelbar ohne ein Durchströmen des Wär
metauschers 7 dem MH-Tank 5 zugeführt werden, so daß der
Wärmetauscher 7 wegfallen kann und insofern die Größenabmes
sungen des Waserstoffmotor-Antriebssystems kleiner gehalten
werden können.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 wird eine Einzelheit
für das Wasserstoffmotor-Antriebssystem gemäß der Erfindung
erläutert.
Wie die Fig. 4 zeigt, ist in einem MH-Tank 21 eine Wasser
stoff-Einschlußlegierung, die durch Erwärmung mittels Abgas,
Kühlwassers von hoher Temperatur, das bei der Kühlung eines
Motors usw. erhitzt worden ist, Wasserstoffgas bei ihrer
Erwärmung erzeugt. Ein mit dem MH-Tank 21 in Verbindung ste
hendes Filter 22 entfernt im Wasserstoffgas enthaltene Fremd
materialien, wie feine Legierungspartikel. Das gereinigte
Wasserstoffgas wird über ein zum Filter 22 stromabwär
tiges Rückschlagventil 23 einem Druckminderventil 24 zuge
führt. Wenn eine Fehlzündung auftritt, so verhindert das
Rückschlagventil 23 einen Eintritt der Flamme in den MH-
Tank 21. Vom Druckminderventil 24 wird das Wasserstoffgas
nach Herabsetzen dessen Drucks auf das Niveau, das auf der
Grundlage der Sicherheit einer Rohrleitung usw. vorbestimmt
wird, einem Elektromagnet-Regelventil 25 zugeführt.
Dieses Elektromagnet-Regelventil 25 kann zwischen zwei Stel
lungen - einer Stellung a und einer Stellung b - umgeschaltet
werden. In der in Fig. 4 gezeigten Stellung b ist das vom
Druckminderventil 24 herangeführte Wasserstoffgas an einem
weiteren Strömen gehindert. Wird das Regelventil 25 zur Stel
lung a umgeschaltet, so wird das Wasserstoffgas im Druck
auf annähernd den Atmosphärendruck an einem nach dem Regel
ventil 25 liegenden Regler 26 eingeregelt, worauf es einem
anschließenden Vergaser 27 zugeführt wird, in dem das Wasser
stoffgas mit der durch ein Luftfilter 28 herangeführten Luft
gemischt wird. Dann strömt das Wasserstoffgas durch einen
Ansaugkrümmer 30 des Motors 29 und wird in einem (nicht dar
gestellten) Brennraum komprimiert, in welchem es durch Zün
den mittels einer Zündkerze 31 verbrannt wird.
Im folgenden wird eine elektrische Einrichtung zur Betäti
gung des Elektromagnet-Regelventils 25 erläutert.
Ein Steuergerät 33 betreibt und stoppt einen Anlasser 34
des Motors 29 auf der Grundlage einer An/Aus-Betätigung
eines Zündschalters 32, und es bewirkt und stoppt einen
Zündvorgang der Zündkerze 31 mittels einer Zündvorrichtung
35, wobei von einem eingebauten Zeitgeber gemäß einem vorge
speicherten Programm eine Zeit gezählt wird. Das Steuerge
rät 33 gibt an das Elektromagnet-Regelventil 25 Signale zu
dessen Er- sowie Entregung ab und schaltet dieses Ventil
25 in entweder die Stellung a oder die Stellung b, so daß
der MH-Tank 21 und der Motor 29 entweder miteinander verbun
den oder voneinander getrennt sind. Mit dem Steuergerät 33
ist auch ein Motor-Drehzahlfühler 36 verbunden, der die Dreh
zahl des Motors 29 ermittelt, so daß das Steuergerät das
Drehen des Motors 29 in Übereinstimmung mit den Signalen
vom Drehzahlfühler 36 überwacht.
Ein Verfahren zur Regelung des Startens des Motors 29 mit
dem System von Fig. 4 wird im folgenden erläutert.
Es wird angenommen, daß der Motor 29 stillsteht, das Elektro
magnet-Regelventil 25 sich in der Stellung b befindet und
der MH-Tank 21 sowie der Motor 29 voneinander getrennt sind.
Wenn der Zündschalter 32 zum Starten des Motors 29 angeschal
tet wird, so stellt das das Steuergerät 33 im Schritt S 1
fest, und es dreht im Schritt S 2 den Anlasser 34, um den
Motor 29 im Leerlauf zu drehen. Das restliche Wasserstoffgas,
das seit dem letzten Stillsetzen des Motors 29 im Regler
26, Vergaser 27 und Ansaugkrümmer 30 verblieben ist, wird
deshalb aus dem Motor 29 ausgestoßen. Das Steuergerät 33
zählt im Schritt S 3 die Zeit der Leerlaufdrehung des Motors
29 und wartet für eine bestimmte Zeitspanne (im vorliegenden
Fall 1,5 s), bis das im Motor seit dem letzten Stillstand
noch verbliebene Wasserstoffgas vollständig ausgestoßen wor
den ist. Nach Ablauf dieser Zeitspanne gibt im Schritt S 4
das Steuergerät an die Zündvorrichtung 35 ein Signal, um
die Funkenbildung an der Zündkerze 31 auszulösen.
Nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne (0,5 s)
im Schritt S 5, d.h. zum Zeitpunkt, da die Zündkerze 31 gänz
lich für ein Zünden bereit ist, prüft im Schritt S 6 das Steu
ergerät 33 mittels der Signale vom Drehzahlfühler 36, ob
der Motor 29 tatsächlich dreht oder nicht. Dies geschieht,
um eine solche Situation zu vermeiden, daß Wasserstoffgas
dem Motor 29 zugeführt wird, während dieser noch nicht dreht,
weil der Anlasser 34 auf Grund eines Ausfalls der Batterie
usw. nicht dreht. Wenn entschieden wird, daß der Motor 29
dreht, so gibt das Steuergerät 33 Signale im Schritt S 7 an
das Elektromagnet-Regelventil 25 ab, um dessen Stellung von
b nach a zu ändern. Dadurch kommen der MH-Tank 21 und der
Motor 29 miteinander in Verbindung, so daß Wasserstoffgas
dem Motor 29 zugeführt wird. Demzufolge wird nach dem Mi
schen des Wasserstoffgases mit der Luft im Vergaser 27 die
erste Verbrennung im Brennraum des Motors 29 bewirkt, so
daß dieser mit seinem Laufen beginnt. Es ist zu bemerken,
daß dann, wenn im Schritt S 6 festgestellt wird, daß der Motor
29 nicht dreht, das dafür angesehen wird, daß der Anlasser
34 nicht in Ordnung sind, weshalb das Steuergerät 33 ver
schiedene Schritte unternimmt, die hier nicht näher zu er
läutern sind.
Der Motor 29 kann zum Stillstand kommen, wenn der Zünd
schalter 32 ausgeschaltet wird, um die Funkenbildung an der
Zündkerze 31 zu unterbrechen, und hierbei wird die Stellung
des Elektromagnet-Regelventils 25 durch das Steuergerät 33
von der Stellung a nach b verändert, wobei auch eine Behei
zung der Wasserstoff-Einschlußlegierung im MH-Tank 21 in
geeigneter Weise beendet wird.
Wie oben beschrieben wurde, wird bei der erläuterten Ausfüh
rungsform eine Fehlzündung mit Sicherheit verhindert, weil
das zwischen dem Regelventil 25 und dem Brennraum des Motors
29 verbliebene Wasserstoffgas durch ein Leerdrehen des Motors
29 vor dessen tatsächlichem Starten restlos ausgestoßen wird.
Wenngleich diese Ausführungsform derart ausgestaltet ist,
daß das Elektromagnet-Regelventil 25 durch das Steuergerät
33 zwischen den Stellungen a und b umgeschaltet wird, um
entweder den MH-Tank 21 und den Motor 29 miteinander zu ver
binden oder voneinander zu trennen, ist es möglich, eine der
artige Ausbildung vorzusehen, wobei anstelle der Schaltkon
trolle des Steuergeräts 33 gegenüber dem Elektromagnet-Regel
ventil 25 bei einem Starten des Motors 29 die Menge des in
den Brennraum einströmenden Wasserstoffgases allmählich er
höht wird und die erste Verbrennung (Explosion) störungsfrei
abläuft.
Um bei der vorliegenden Ausführungsform das Wasserstoffgas
in einem solchen Zustand zuzuführen, daß dessen Zündung er
möglicht wird, wartet das Regelventil 25 nach dem Zünden
der Kerze 31 für 0,5 s mit seinem Öffnen. Jedoch kann die
ses Regelventil 25 entweder bei einem Zünden oder kurz vor
einem Zünden je nach der Zeitsteuerung bei einem Start des
Motors 29 öffnen, um sicherzustellen, daß die erste Zündung
erst einsetzt, nachdem das im Ansaugkrümmer 30 und im Motor
29 usw. seit dem letzten Stillsetzen des Motors 29 verblie
bene Wasserstoffgas restlos aus dem Motor 29 ausgestoßen
ist.
Ferner wird bei dieser Ausführungsform die Entscheidung,
ob das restliche Wasserstoffgas noch vorhanden ist oder
nicht, auf der Grundlage einer Zeit getroffen, jedoch kann
mittels des Feststellens der Anzahl der Drehungen des vom
Anlasser 34 gedrehten Motors 29 die Entscheidung über das
Vorhandensein von restlichem Wasserstoffgas auf der Zahl
der Umdrehungen beruhend getroffen werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 wird eine weitere Ein
zelheit des erfindungsgemäßen Verfahrens, und zwar zum Still
setzen desselben Systems, das anhand der Fig. 4 und 5 erläu
tert wurde, beschrieben.
Wie die Fig. 6 zeigt, wird das Elektromagnet-Regelventil
25 in der Stellung a gehalten, wobei der Motor 29 mit dem
vom MH-Tank 21 zugeführten Wasserstoffgas läuft. Wenn der
Zündschalter 32 zum Stillsetzen des Motors 29 ausgeschaltet
wird, so stellt das das Steuergerät im Schritt S 1 der Fig. 7
fest, und es ändert die Stellung des Regelventils 25 von
a nach b, um den MH-Tank 21 und den Motor 20 voneinander
im Schritt S 3 zu trennen, während die Zündvorrichtung 35
betrieben und die Zündkerze 31 des Motors 29 im Schritt S 2
im Zündzustand gehalten wird. Demzufolge verbleibt Wasser
stoffgas nicht länger im Regler 26, Vergaser 27, Ansaugkrüm
mer 30 usw., weil das gesamte, auf der stromabwärtigen Seite
des Regelventils 25 verbleibende Wasserstoffgas unter der
Saugwirkung eines (nicht dargestellten) Kolbens, der sich
im Motor 29 bewegt, im Brennraum komprimiert und dort ver
brannt wird, so daß ein Ausstoß in die Atmosphäre erfolgt.
Wenn nach dem Ausstoßen des verbliebenen Wasserstoffgases
aus dem Motor 29 das Steuergerät 33 im Schritt S 4 auf Grund
der Signale vom Motor-Drehzahlfühler 36 entscheidet, daß
der Motor 29 stillsteht, dann unterbricht das Steuergerät
33 im Schritt S 5 das Zünden an der Zündkerze 31 über die
Zündvorrichtung 35 und führt den Stillsetzvorgang für den
Motor 29 zum Ende.
Bei diesem Verfahren zum Stillsetzen des Motors 29, wie es
oben beschrieben wurde, wird das gesamte, zwischen dem Regel
ventil 25 und dem Brennraum des Motors 29 verbliebene Wasser
stoffgas im Brennraum komprimiert und entzündet, um nach
dem Beendigen der Zufuhr von Wasserstoffgas vom MH-Tank 21
zum Motor 29 durch die Änderung in der Stellung des Regelven
tils 25 ausgestoßen zu werden. Demzufolge verbleibt im Motor
29 und im Antriebssystem für diesen bei einem Stillsetzen
des Motors 29 keinerlei Wasserstoffgas, so daß die auf rest
lichem Wasserstoffgas beruhende Fehlzündung vermieden wer
den kann, wenn der Motor 20 erneut gestartet wird.
Wenngleich bei der erläuterten Ausführungsform der Zündvor
gang unterbrochen wird, nachdem die Maschine 29 stillsteht,
so kann das beispielsweise, wie folgt, abgewandelt werden:
(1) die Zahl der Zündungen nach dem Schließen des Elektro
magnet-Regelventils 25 wird für jeden Zylinder des Motors
29 im voraus bestimmt, so daß der Zündvorgang sich nicht
fortsetzt, nachdem die vorbestimmte Anzahl an Zündungen aus
geführt worden ist;
(2) wenn nach dem Schließen des Regelventils 25 der Motor
29 mit einer vorbestimmten Anzahl an Umdrehungen gedreht
hat, wird der Zündvorgang nicht weiter fortgesetzt.
Claims (6)
1. Vorrichtung zur geregelten Abgabe von Wasserstoff an
eine mit Wassertoff betriebene Brennkraftmaschine (1),
deren Abgasmenge betriebsparameterabhängig mittels eines
Abgasregelventils (8) durch einen Wärmetauscher (7)
geleitet wird, in welchem es im Wärmetausch mit einem
Zwischenwärmeträger steht, der in einem Wärmeträgerkreis
mit einer Pumpe (6), dem Wärmetauscher (7) und
einem Metall-Hybrid-Speicher (5) umläuft, dadurch gekennzeichnet,
daß das Abgasregelventil (8) in Abhängigkeit
von der Temperatur des Zwischenwärmeträgers vor
Eintritt in den Metall-Hybrid-Speicher (5) mittels eines
Temperaturschalters (17) angesteuert wird, und daß
stromabwärts der Temperaturmeßstelle für den Temperaturschalter
(17) im Wärmeträgerkreis eine Regeleinrichtung
(15) angeordnet ist, vor der ein den Metall-Hybrid-Speicher
(5) umgehender Bypass für den Wärmeträgerkreis
vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmeträgerkreis zum Wärmetausch zusätzlich
durch den Kühlerkreislauf der Brennkraftmaschine (1)
verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmeträgerkreis zum Wärmetausch durch den Kühlerkreislauf
der Brennkraftmaschine (1) verläuft und
der Wärmetaucher (7) weggelassen wird.
4. Regelverfahren für eine Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits
die Temperatur des Zwischenwärmeträgers vor Eintritt
in den Metall-Hybrid-Speicher (5) auf einen im
wesentlichen konstanten Wert geregelt wird, indem das
Abgasregelventil (8) angesteuert wird, und daß andererseits
die Menge des in den Metall-Hybrid-Speicher (5)
einströmenden Zwischenwärmeträgers mittels der Regeleinrichtung
(15) in Abhängigkeit vom Wasserstoffdruck
des aus dem Metall-Hybrid-Speicher (5) ausströmenden
Wassertoffs gesteuert wird, um einen möglichst konstanten
Wasserstoffdruck zu erhalten.
5. Verfahren zum Starten einer mit Wasserstoff betriebenen
Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Schritt die Verbindung zwischen dem
Metall-Hybrid-Speicher (5) und der Brennkraftmaschine
(1) unterbrochen wird, daß in einem zweiten Schritt für
eine festgelegte Zeitspanne die Brennkraftmaschine (1)
ohne Zündung durch einen Anlasser (34) angetrieben
wird, um eine sich in Verbindungsleitungen befindende
Restmenge an Wasserstoff auszustoßen, daß in einem
dritten Schritt die Zündung eingeschaltet wird, und daß
in einem vierten Schritt nach einer weiteren festgelegten
Zeitspanne die Verbindung zwischen Metall-Hybrid-
Speicher (5) und Brennkraftmaschine (1) hergestellt
wird, um die Brennkraftmaschine nach dem Start mit Wasserstoff
zu beliefern.
6. Verfahren zum Stillsetzen einer mit Wasserstoff betriebenen
Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Schritt bei weiterhin eingeschalteter
Zündung die Verbindung zwischen dem Metall-
Hydrid-Speicher (5) und der Brennkraftmaschine (1) unterbrochen
wird, wobei die sich in Verbindungsleitungen
befindende Restmenge an Wasserstoff verbrannt und ausgestoßen
wird, und daß in einem zweiten Schritt nach
dem Stillstehen der Brennkraftmaschine (1) die Zündung
ausgeschaltet wird.
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