Method for operating an internal combustion engine with a gas mixture supplied to the combustion air, produced by water electrolysis and arrangement and electrolyzer for performing the method

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Offenlegungsschrift

(71) Anmelder: (56) Ermittelter Stand der Technik: HMT - Hydromotive GmbH, 10117 Berlin, DE

(74) Vertreter: US 2010 / 0 065 419 A1 DTS Patent- und Rechtsanwälte Schnekenbühl US 2010 / 0 175 941 A1 und Partner mbB, 80538 München, DE US 4 936 961 A

(72) Erfinder: WO 2007/ 091 105 A1 Manthei, Rainer, 14641 Nauen, DE; Schneider, WO 2007/ 101 329 A1 Marcus, 85414 Kirchdorf, DE; Göbel, Gerhard, WO 2013/ 170 309 A1 10315 Berlin, DE; Tóth, György, Zalaegerszeg, HU WO 2015/ 021 385 A1

Prüfungsantrag gemäß § 44 PatG ist gestellt.

Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen

(54) Bezeichnung: Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem der Verbrennungsluft zugeführten, durch Wasserelektrolyse erzeugten Gasgemisch sowie Anordnung und Elektrolysegerät zur Durchführung des Verfahrens

(57) Zusammenfassung: Beim Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem dem fossilen Kraftstoff im

Motorverbrennungsraum zusätzlich zugeführten, von einem der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Elektrolysegerät erzeugten, in die Verbrennungsluft eingebrachten

Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemisch wird die entsprechend dem jeweiligen Motorbetrieb in den Ansaugtrakt des Motors gesaugte Luftmenge gemessen und je Volumeneinheit an jeweils angesaugter Verbrennungsluft immer eine lediglich als Additiv fungierende begrenzte Menge eines mit dem

Elektrolysegerät mit einem pulsierenden Strom erzeugten

Browngases noch im Zustand des Entstehens und einer zeitlich begrenzten kurzen Bestandsdauer von energiegeladenen gasförmigen Wassermoleküle der Verbrennungsluft zugeführt. Der Anteil der im Verbrennungsprozess im Kraftstoff verteilten Brownsgasmenge ist derart begrenzt, dass die im Browngas enthaltenen energieangereicherten, gasförmigen Wassermoleküle nur als den Kraftstoff zündende

Start- oder Zündkeime für eine früh einsetzende und lang anhaltende intensive und vollständige Verbrennung dienen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine mit einem Elektrolysegerät verbundene Anordnung zur vom Motorbetrieb abhängigen Erzeugung und Zuführung des Brownsgases zur

Verbrennungsluft.

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Beschreibung der gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen für die Durchführung der Elektrolyse eine Spannung von [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Be- etwa zwei Volt anliegt.

treiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem der Verbrennungsluft zugeführten, durch Elektroly- [0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein se von Wasser erzeugten Gasgemisch sowie eine Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraft- Anordnung mit einem Elektrolysegerät zur Durchfüh- maschine mit einem der Verbrennungsluft zugeführrung des Verfahrens. tem, durch Elektrolyse von Wasser erzeugten Gasgemisch sowie eine Anordnung und ein Elektrolyse- [0002] Bei einem aus der DE 10 2009 026 374 A1 gerät zur Durchführung des Verfahrens so auszubekannten Verfahren zum Betreiben eines Verbren- bilden, dass mit geringem apparativen und energenungsmotors für Kraftfahrzeuge mit fossilem Kraft- tischen Aufwand sowie bei geringem Elektrolytverstoff und einem der Verbrennungsluft im Ansaugtrakt brauch kontinuierlich eine einer effizienten Kraftstoffdes Motors zugeführten, im Fahrzeug durch Elek- verbrennung genügende Gasmenge erzeugt und so trolyse von Wasser hergestellten Wasserstoff-Sauer- in den Motorbrennraum geleitet wird, dass ein redustoff-Gemisch (Knallgas, Browngas) wird das Was- zierter Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig verringerserstoff-Sauerstoff-Gemisch im normalen Motorbe- ter Schadstoffemission gewährleistet sind. trieb bis zum Erreichen eines vorgegebenen Speicherdrucks erzeugt und zwischengespeichert und [0006] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einur bei hoher Motorleistung beim Anfahren und Be- nem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanschleunigen des Fahrzeugs in den Ansaugtrakt des spruchs 1 sowie einer Anordnung und einem Elektro- Motors geleitet. Die Erzeugung des Wasserstoffs er- lysegerät gemäß den Merkmalen der Patentansprüfolgt mit einem aufwändig ausgebildeten, aus einem che 7 und 11 gelöst.

separaten Wassertank versorgten Elektrolysegerät, das an eine zusätzliche Lichtmaschine angeschlos- [0007] Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildunsen ist. gen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0003] Die WO 2007/091105 beschreibt die Verwendung eines im Elektrolysegerät erzeugten Wasser- [0008] Beim Betrieb einer Verbrennungskraftmastoff-Sauerstoff-Gemisches bei einem mit herkömmli- schine mit einem dem fossilen Kraftstoff im Motorverchen Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor, wo- brennungsraum zusätzlich zugeführten, von einem bei der Kraftstoff bei einer Laständerung kurzzeitig der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Elekganz oder teilweise durch das im Fahrzeug erzeug- trolysegerät erzeugten und in die Verbrennungsluft te Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch ersetzt wird. Aus eingebrachten Gasgemisch besteht der Kern der Erder WO 2007/101329 A1 sind ein Verfahren und eine findung darin, dass die entsprechend dem jeweiligen Vorrichtung zum wasserstoffunterstützten Kaltstarten Motorbetrieb bzw. der Motorleistung, zum Beispiel im eines Verbrennungsmotors bekannt. Dabei soll aus Leerlauf, beim Beschleunigen usw., in den Ansaugdem in einem Elektrolysegerät erzeugten Wasser- trakt des Motors gesaugte Luftmenge gemessen wird stoff-Sauerstoff-Gemisch der Sauerstoff abgetrennt und je Volumeneinheit an jeweils angesaugter Verwerden. Auch in der US 6 155 212 A1 und in der brennungsluft immer eine gleiche, lediglich als Ad- WO 2006/124805 A2 wird die zusätzliche Nutzung ditiv fungierende, begrenzte Menge eines mit dem von im Kraftfahrzeug erzeugtem und zwischenge- Elektrolysegerät mit einem pulsierenden Strom erspeichertem Wasserstoff für den Verbrennungspro- zeugten, Wasserstoff, Sauerstoff und energieangezess beschrieben. reicherte gasförmige Wassermoleküle enthaltenden Brownsgases ohne Zwischenspeicherung, das heißt [0004] Ein aus der DE 10 2008 003 126 A1 be- noch im Zustand des Entstehens der energiereichen kanntes, über den Ansaugtrakt unmittelbar an den und zündfreudigen, aber nur kurzzeitig beständigen Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschi- gasförmigen Wassermoleküle (auch als lineare Wasne angeschlossenes Elektrolysegerät zur Erzeugung serisomere bezeichnet) der Verbrennungsluft zugeeines dem Kraftstoff beizumengendem Wasserstoff- führt wird. Dabei ist der prozentuale Anteil des im Ver- Sauerstoff-Gemisch verwendet zur Verbesserung brennungsprozess im Kraftstoff vorhandenen, elekdes Wirkungsgrads der Elektrolyse Kaliumhydroxid trolytisch erzeugten Gasgemisches derart begrenzt, (KOH) als Elektrolyt. Das Elektrolysegerät umfasst dass die im Kraftstoff-Luft-Gemisch im Motorverbrenin gleichmäßigem Abstand angeordnete Elektroden- nungsraum verteilten Wasserstoffmoleküle nur unplatten, die in den in einem Behälter befindlichen wesentlich als zusätzlicher Kraftstoff wirken, sondern Elektrolyt eintauchen. Die beiden äußeren Platten allein die energieangereicherten, gasförmigen Wassind an den Minus- bzw. Pluspol der Fahrzeugbatte- sermoleküle im Brownsgas als den Kraftstoff schnell rie angeschlossen und die Anzahl der Platten wird und explosionsartig zündende Start- oder Zündkeime entsprechend der von der Batterie bereitgestellten für eine früher einsetzende und lang anhaltende in- Spannung so festgelegt, dass zwischen zwei einan- tensive und vollständige Verbrennung dienen.

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[0009] Der fossile Kraftstoff (zum Beispiel Diesel viel Brownsgas im Elektrolysegerät erzeugt, wie im oder Benzin) wird allein aufgrund der nur als Zünd- jeweiligen Motorbetrieb gerade benötigt wird, so dass keimlinge wirkenden energieangereicherten gasför- der Stromverbrauch gering ist und die Kapazität der migen Wassermoleküle im Brownsgas effizienter ge- Fahrzeugbatterie nicht mehr als erforderlich genutzt nutzt, so dass die Motorleistung verbessert und der wird.

Kraftstoffverbrauch und mithin der Schadstoffausstoß gesenkt werden kann. Darüber hinaus wird die [0014] Die Anordnung zur Durchführung des Verfah- Abgastemperatur und damit die Stickoxid- und Koh- ren, die zur Zuführung einer an den jeweiligen Molendioxid-Emission weiter reduziert. Der für die kon- torbetrieb angepassten Luftmenge eine von einem tinuierliche Bereitstellung des Brownsgases durch Luftfilterkasten ausgehende, mit dem Motorverbrendie erfindungsgemäß durchgeführte Elektrolyse er- nungsraum der Verbrennungskraftmaschine verbunforderliche apparative und energetische Aufwand ist dene Luftzufuhrleitung umfasst, ist erfindungsgemäß wegen der in Abhängigkeit von der Ansaugluftmen- dadurch gekennzeichnet, dass eine an ein von einer ge kontrollierten Erzeugung einer zudem begrenz- Fahrzeugbatterie versorgtes Elektrolysegerät angeten Gasmenge und wegen der durch den pulsieren- schlossene Gaszufuhrleitung unmittelbar in die Luftden Strom erhöhten Gasproduktion im Elektrolyse- zufuhrleitung mündet, und in die Luftzufuhrleitung vor gerät gering. Der Stromverbrauch für die Elektrolyse der Mündung der Gaszufuhrleitung ein Luftmassenwird derart minimiert, dass die erforderliche elektri- messer zur Erfassung des in Abhängigkeit vom jeweische Energie – ohne zusätzliche oder eine größere ligen Motorbetrieb angesaugten Luftvolumens und in Lichtmaschine – allein von der Fahrzeugbatterie ge- die Gaszufuhrleitung in Strömungsrichtung zunächst liefert werden kann. Der mit 0,05 bis 0,5 Promille pro ein Durchflussmengenmesser zur Erfassung der tat- Liter Ansaugluft äußerst geringe Braungasbedarf ist sächlich erzeugten Gasmenge und ein Drosselvenzudem insofern vorteilhaft, als die erforderliche Gas- til zur endgültigen Einstellung des an die gefördermenge mit einem Elektrolysegerät von geringer Bau- te Luftmenge angepassten Gasvolumens eingebungröße ohne Zwischenspeicherung ständig zur Verfü- den sind, die jeweils an ein dem Elektrolysegerät zugung gestellt werden kann. geordnetes erstes Steuergerät zur Regelung der Gaserzeugung auf der Grundlage der angesaugten Luft- [0010] In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die menge und der erfassten Gasmenge mithilfe eines am Elektrolysegerät wirkenden Stromimpulse recht- von einem Modulator kontinuierlich oder in Intervaleck- oder trapezförmig geformt. len umgeformten, in Frequenz, Amplitude, Flankenanstiegswinkel und Zeitdauer variablen pulsierenden [0011] In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung Stroms angeschlossen sind.

werden die Stromimpulse zur Einflussnahme auf die erzeugte Browngasmenge und insbesondere den [0015] In weiterer Ausbildung der erfindungsgemädarin enthaltenen Anteil an energieangereicherten, ßen Anordnung sind in die Gaszufuhrleitung ein Wasgasförmigen Wassermolekülen kontinuierlich oder in serscheider, ein Wasserdetektor und ein Gasfilter zur Intervallen sowie mit unterschiedlicher Amplitude er- Gasreinigung und eine aus einem gasdurchlässigen zeugt. Die Gasausbeute kann darüber hinaus durch keramischen Material bestehende Rückbrandsichedie Wahl des Flankenwinkels der Stromimpulslänge rung zur Vermeidung eines Flammenrückschlags in beeinflusst werden. das Elektrolysegerät eingebunden.

[0012] In weiterer Ausbildung der Erfindung werden [0016] In Ausgestaltung der Erfindung ist das ersdie Stromimpulse in Abhängigkeit von der Elektrolyt- te Steuergerät über ein zweites Steuergerät mit eitemperatur und der Elektrolytkonzentration sowie der nem der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Plattengeometrie und dem Plattenabstand derart ge- Hauptsteuergerät verbunden. Das erste und zweie steuert, dass das aus Elektrodenplatten und Elektro- Steuergerät können auch in das Hauptsteuergerät inlyt bestehende System in Resonanz betrieben wird. tegriert sein.

Das führt zu einer Umspülung der Elektrodenplatten und zu einer schnellen Ablösung der Gasbläschen [0017] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung münund somit auch zu einer Erhöhung der Gasausbeute. det die Gaszufuhrleitung zur Verwirbelung und gleichmäßigen Verteilung der im Gasstrom enthalte- [0013] Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal nen gasförmigen Wassermoleküle in der Ansaugluft der Erfindung wird die Menge des im Elektrolysegerät über eine stromab des Luftmassenmessers angeorderzeugten Browngases in Abhängigkeit vom jeweili- nete Venturidüse in die Luftzufuhrleitung. gen Motorbetrieb auf der Grundlage der dem Ansaugtrakt zugeführten, von einem Luftmassenmesser er- [0018] In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung fassten Luftmenge in Verbindung mit der von einem weist das Elektrolysegerät mehrere in einem mit ei- Durchflussmengenmesser erfassten, vom Elektroly- nem Elektrolyt gefüllten Gehäuse im Abstand paralsegerät tatsächlich erzeugten Browngasmenge ge- lel angeordnete, mit Durchbrüchen versehene Eleksteuert. Das heißt, es wird im Wesentlichen nur so trodenplatten auf. Die beiden äußeren Elektroden-

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platten oder alternativ eine mittige Elektrodenplat- [0025] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird te und die beiden äußeren Elektrodenplatten sind anhand der Zeichnung, in der über das erste Steuergerät mit dem Plus- bzw. Minuspol der Fahrzeugbatterie verbunden. Ein ober- [0026] Fig. 1 eine Anordnung zum Betreiben einer halb der Elektrodenplatten durch eine Gehäusede- Verbrennungskraftmaschine mit fossilem Kraftstoff cke begrenzter, das erzeugte Browngas kurzzeitig und einem der Verbrennungsluft aus einem Elektroaufnehmender Gassammelraum ist über einen auf lyseprozess zugeführten Gasgemisch aus Wassereinen Gasauslassstutzen abdichtend aufsteckbaren stoff, Sauerstoff und gasförmigem Wasser (Brownsund bei einem bestimmten Überdruck (ca > 0,1 bar) gas); und im Gassammelraum selbsttätig öffnenden Deckel mit einem innen liegenden, einen Filter aufnehmenden [0027] Fig. 2 ein Elektrolysegerät zur Erzeugung von Rohrstück und einem Gasanschlussstutzen an die Brownsgas (HHO) mit einer im Detail dargestellten zur Luftzufuhrleitung führende Gaszufuhrleitung an- Plattenanordnung; und schließbar. Das kleine, unter einem geringen Druck stehende Gasreservoir oberhalb der Elektrodenplat- [0028] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Platten ermöglicht eine rasche Zuführung der nur kurzzei- tenanordnung im Elektrolysegerät tig beständigen energiereichen, gasförmigen Was- zeigt, näher erläutert.

sermoleküle zur Verbrennungsluft.

[0029] Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung um- [0019] In Ausgestaltung der Erfindung weist die Ge- fasst als herkömmliche Bestandteile eine hier nur häusedecke des Elektrolysegerätes einen bis auf durch den Motorverbrennungsraum 1 wiedergegebedie maximale Elektrolytfüllhöhe im Gehäuse abge- ne Verbrennungskraftmaschine (beispielsweise für senkten Abschnitt mit einer durch einen Schraubde- einen Personenkraftwagen), deren einzelne Zylinder ckel verschließbaren Einfüllöffnung auf. Ein Überfül- über ein Saugrohr 2 mit dem Ansaugtrakt für die len des Elektrolysegerätes oder eine zu starke Ver- aufgrund der Kolbenbewegung angesaugte Verbrendünnung des Elektrolyten ist dadurch ausgeschlos- nungsluft verbunden sind. Der Ansaugtrakt besteht sen und oberhalb des Elektrolyten steht immer ein im Wesentlichen aus einer von einem Luftfilterkasbestimmtes Gasreservoir zur Verfügung. ten 3 ausgehenden Luftzufuhrleitung 4, in die ein Luftmassenmesser 5 zur Erfassung des in Abhängig- [0020] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind keit vom Motorbetrieb jeweils angesaugten Luftvoludie Elektrodenplatten in am Boden und zwei gegen- mens sowie ein Turbolader 6 zur Verdichtung und überliegenden Seitenwänden des Gehäuses sowie eine Drosselklappe 7 zur Regelung der dem Saugim Bereich der Elektrodenoberkante vorgesehenen rohr 2 zugeführten Luftmenge entsprechend der je- Nuten fixiert. weils geforderten Motorleistung eingebunden sind. Über ein der Verbrennungskraftmaschine zugeord- [0021] In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung netes, an den Luftmassenmesser 5 angeschlossenes umfasst das Elektrolysegerät zur Überwachung des Hauptsteuergerät 8 (OBD-Steuergerät) wird die dem Elektrolyten einen Dichtemesser, einen Füllstands- Motorverbrennungsraum 1 zugeführte Kraftstoffmenmesser und einen Temperatursensor sowie ein Über- ge geregelt.

druckventil.

[0030] An die Verbrennungskraftmaschine ist in üb- [0022] In Ausgestaltung der Erfindung weisen die licher Weise eine mit der Fahrzeugbatterie 9 verbun- Elektrodenplatten eine gegenüber ihrer Höhe deut- dene Lichtmaschine 10 zur Stromversorgung der für lich größere Breite auf. Dadurch ist eine ausreichend den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erforgroße Elektrodenfläche über einen langen Zeitraum derlichen elektrischen Geräte und sonstiger Strommit Elektrolyt bedeckt und somit ohne Nachfüllen von verbraucher gekoppelt. Mit dem von der Fahrzeug- Elektrolyt eine lange Betriebsdauer des Elektrolyse- batterie 9 über eine Sicherung 11 bereitgestellten gerätes gewährleistet. Strom wird auch das nachfolgend beschriebene Elektrolysegerät 12 angetrieben, mit dem während des [0023] Die Elektrodenplattendicke beträgt etwa ei- Betriebs der Verbrennungskraftmaschine durch eleknen Millimeter und der Elektrodenplattenabstand liegt trolytische Wasserzersetzung ständig eine definierzwischen 1,5 und 10,5 Millimetern. Der im Elektroly- te Menge von Browngas (HHO) und insbesondere segerät befindliche Elektrolyt ist vorzugsweise eine 3, des in dem Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemisch an- 5 bis 5,0-prozentige Kalilaugelösung. fangs enthaltenen energieangereicherten gasförmigen Wassers (H-O-H) erzeugt wird und über eine [0024] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist Gaszufuhrleitung 13 in den zwischen dem Luftmasder Elektrolyt zur Gefrierpunktabsenkung im Winter- senmesser 5 und dem Turbolader 6 befindlichen Teil betrieb eine erhöhte Konzentration auf und/oder ent- der Luftzufuhrleitung 4 eingespeist wird. hält bis max. 10% Ethylenglycol als Gefrierschutzmittel.

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[0031] Das in Fig. 2 dargestellte Elektrolysegerät 12 deren Höhe, so dass die Elektrodenplatten 20 – bei umfasst ein aus Kunststoff bestehendes geschlos- einem sich allmählich verbrauchenden Elektrolyten senes Gehäuse 14 mit einem von der Gehäusede- – über einen langen Zeitraum in ausreichender Höcke 15 ausgehenden Gasauslassstutzen, auf den ein he in den Elektrolyt eintauchen und ohne ständiges mittels O-Ring (jeweils nicht dargestellt) abdichtend Nachfüllen von Elektrolyt eine ausreichende Menge gehaltener Deckel 16 aufgesteckt ist. Von der ho- an Brownsgas erzeugt wird. Ein Liter Elektrolyt reicht rizontalen Innenseite des Deckels 16 geht ein sich etwa 50 Betriebsstunden oder bis zu 5000 Kilometer in den Gasauslassstutzen erstreckendes Rohrstück bei einem 3l Dieselmotor.

17 zur Aufnahme eines Filters (nicht dargestellt) aus, mit dem von dem bei der Elektrolyse erzeugten Gas [0034] Wie Fig. 3 zeigt, ist es aber auch denkbar, mitgerissene Salzpartikel sowie Wasser und Was- dass eine mittig angeordnete Elektrodenplatte 20‘‘ serdampf zurückgehalten werden sollen. Ein an dem mit dem Pluspol der Fahrzeugbatterie verbunden ist Deckel 16 oberhalb des Filters angebrachter Gasan- und die beiden äußeren Elektrodenplatten 20‘ an den schlussstutzen 27 ist mit der in Fig. 1 dargestellten Minuspol angeschlossen sind, um mit der mittigen Gaszufuhrleitung 13 verbunden. Der Deckel 16 kann Anode und zwei äußeren Kathoden und den zwizur Reinigung des Filters auf einfache Art manuell schen diesen angeordneten Elektrodenplatten in eivon dem an die Gehäusedecke 15 angeformten Gas- ner kompakten Ausführung des Elektrolysegerätes auslassstutzen abgezogen werden. Der Öffnungswi- eine größere Elektrodenfläche und damit eine hohe derstand des Deckels 16 ist auf einen geringen Be- Gaserzeugungsrate zu gewährleisten. triebsdruck von 0.1 bar begrenzt.

[0035] Wie Fig. 1 zeigt, ist an das Elektrolysege- [0032] In einem nach unten versetzten Abschnitt 18 rät 12 ein erstes Steuergerät 23 mit einem integrierder Gehäusedecke 15, das heißt in einer gegen- ten Modulator (nicht dargestellt) zur Umwandlung des über der Gehäusedecke und der in dieser ausgebil- von der Fahrzeugbatterie 9 gelieferten Gleichstroms deten Gasauslassöffnung abgesenkten Ebene befin- in – im Wesentlichen rechteckförmige – Stromimpuldet sich eine mit einem Schraubdeckel 19 verschließ- se angeschlossen, die das aus den Elektrodenplatbare Einfüllöffnung (nicht dargestellt) für den maximal ten 20 und dem zwischen diesen befindlichen Elekbis auf das Niveau des abgesenkten Abschnitts 18 trolyten bestehende System zum Schwingen bringen, der Gehäusedecke 15 in das Gehäuse 14 einzubrin- so dass die bei der Elektrolyse gebildeten Wassergenden Elektrolyten, hier vorzugsweise eine 3,5- bis stoff-, Sauerstoff- und Wassergasbläschen (Browns- 5,0-prozentige Kalilauge. Aufgrund der dadurch be- gas) durch die Bewegung des Gesamtsystems besgrenzten maximalen Füllhöhe h wird eine bestimmte ser von der Elektrodenplatten 20 abgelöst werden Mindesthöhe des Gasreservoirs im Gassammelraum und somit immer eine maximale Elektrodenfläche 24 Elektrolysegerät 12 festgelegt und zudem verhin- zur Erzeugung eines hohen Brownsgasvolumens als dert, dass Elektrolyt versehentlich in die zum Ansaug- Additiv für das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Motorvertrakt des Motors führende Gaszufuhrleitung 13 ge- brennungsraum 1 zur Verfügung steht. Aufgrund der langt. durch den pulsierenden Strom in Schwingung versetzten Wassermoleküle wird – neben der Elektroly- [0033] In den Elektrolyt tauchen – am Boden und se von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff – zuan zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Ge- dem ein größerer Teil der im Elektrolyten enthaltenen häuses 14 sowie im Bereich der Plattenoberkanten Wassermoleküle zu linearen Wasserisomeren (H-Oin einem Abstand von etwa 1 mm in Nuten (nicht dar- H) aufgespreizt, d.h. die Entstehung von energiegestellt) fixierte – hier 1 mm dicke Elektrodenplatten angereichertem, gasförmigem Wassermolekülen als 20 ein. Die Elektrodenplatten 20 können so zur Rei- Bestandteil von Brownsgas angeregt und unterstützt, nigung oder zum Austauschen einfach montiert und so dass für den Verbrennungsprozess ein nur in gedemontiert werden. Die Elektrodenplatten 20 weisen ringer Menge erforderliches Additiv, jedoch mit deutjeweils eine oder mehrere Bohrungen (nicht darge- lich höherer Energie als herkömmliches Knallgas, zur stellt) auf, so dass die zwischen diesen gebildeten Verfügung steht. Der pulsierende Strom und die da- Kammern 37 miteinander verbunden sind und von durch im Elektrolysesystem erzeugten Schwingundem Elektrolyt durchströmt werden können. Die bei- gen können ständig oder in gleich oder unterschiedden äußeren Elektrodenplatten 20‘, 20‘‘ sind über je- lich langen Intervallen sowie in unterschiedlicher Freweils eine Verbindungsleitung 21 und an der Gehäu- quenz und Amplitude (Stromstärke) erzeugt werden, sedecke 15 angebrachte Anschlussklemmen 22 mit um auf diese Art im Motorbetrieb auf das erzeugdem Minus- bzw. Pluspol der Fahrzeugbatterie 9 ver- te Gasvolumen und die Struktur des Gases Einfluss bunden. Entsprechend der Batteriespannung (z. B. nehmen zu können und insbesondere das energie- 12–15 Volt bei PKW) und der Anzahl der Elektroden- reiche Browngas bereitzustellen. Aufgrund der durch platten 20 liegt in den zwischen diesen gebildeten die Vibration des Elektrolysesystems erhöhten Ga- Kammern 37 jeweils eine für den Elektrolyseprozess serzeugung kann der Stromverbrauch gesenkt weroptimale Spannung von ca. zwei Volt an. Vorzugwei- den und dennoch eine hohe Gasausbeute erreicht se ist die Breite der Elektrodenplatten 20 größer als werden.

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[0036] Das Elektrolysegerät 12 ist mit einem in te, dem Elektrolysegerät 12 zugeordnete Steuergedem über dem jeweiligen Elektrolytniveau befindli- rät 23 angeschlossen, das wiederum mit dem Durchchen Gassammelraum 24 angeordneten, in Fig. 1 flussmengenmesser 32 und dem Luftmassenmesser nur schematisch dargestellten Überdruckventil 25 als 5 sowie dem Drosselventil 34 elektrisch verbunden zusätzliche Sicherheit (Öffnung bei einem Betriebs- ist.

druck im Gassammelraum – hier > 0,1 bar) ausgerüstet. Innerhalb eines Gasdruckes =< 0,1 bar ist ei- [0038] Die Rückbrandsicherung 33 umfasst eine aus ne unmittelbare Weiterleitung des erzeugten Gases einem gesinterten Material bestehende poröse Strukund insbesondere der nur kurzzeitig beständigen en- tur, die ein Zurückschlagen einer durch die Verergiereichen gasförmigen Wassermoleküle noch im brennung im Motorraum erzeugten Flamme und ei- Zustand des Entstehens in den Ansaugtrakt gewähr- ne dadurch bewirkte Entzündung des im Gasreserleistet. Eine weitere Sicherheit gegen das Auftreten voir des Elektrolysegerätes gespeicherten Gasgemieines unzulässig hohen Drucks im Elektrolysegerät sches verhindert. Das mit dem ersten Steuergerät 23 12 bietet der am Gehäuse 14 lediglich durch eine verbundene Drosselventil 34 sorgt dafür, dass bei ge- Steckverbindung gehaltene Deckel 16, der bei ei- ringer Motorleistung, zum Beispiel im Leerlauf, und nem zu hohen Gasdruck von dem an die Gehäusede- entsprechend geringer Gasabnahme aufgrund des cke 15 angeformten Gasauslassstutzen abgestreift geringen Unterdrucks vor dem Turbolader 6, nicht eiwird. Mit einem in den Elektrolyt ragenden Dichte- ne zu hohe Gasmenge in den Ansaugtrakt gelangt. messer 26 kann die Konzentration des Kaliumhy- Schließlich besteht die Aufgabe der Venturidüse 35 droxids in der wässrigen Elektrolytlösung überwacht darin, das in die Luftzuführungsleitung 4 eingebrachwerden werden, während mit einem Füllstandmesser te Brownsgas in der über den Luftfilterkasten 3 ange- 28 die Füllhöhe im Gehäuse 14 ermittelt werden kann saugten Luft intensiv zu verwirbeln und sehr fein und und die Temperatur des Elektrolyten mit einem Tem- gleichmäßig zu verteilen.

peratursensor 29 angezeigt wird. Mit einer Arbeitstemperatur von 60 bis 65 °C und vorzugsweise ei- [0039] Eine wichtige Funktion in dem Gesamtsysnem KOH-Anteil von 3,5 bis 5,0 % wird in Verbindung tem hat zudem der in die Gaszufuhrleitung 13 strommit dem am Elektrolysegerät 12 anliegenden gepuls- ab vom Wasserscheider 30 und Gasfilter 31 eingeten Strom, und zwar bei einer gegenüber herkömm- bundene Durchflussmengenmesser 32, der die im lichen, bei Verbrennungskraftmaschinen eingesetz- Elektrolysegerät 12 erzeugte Gasmenge misst und ten Elektrolysegeräten deutlich verringerten Strom- das Messergebnis dem Steuergerät 23 des Elektrostärke, eine der Wirkung des Brownsgasgemisches lysegerätes 12 übermittelt. Das erste Steuergerät 23 lediglich als Additiv genügende Gasmenge erzeugt. erhält zudem in Abhängigkeit vom jeweiligen Fahr- Die erforderliche Plattenfläche und der Elektrolytver- zeugbetrieb (Leerlauf, Stop and Go-Fahrweise, Gebrauch sind vergleichsweise gering. Das Elektroly- schwindigkeit, Beschleunigung usw.) Informationen segerät kann daher klein und kompakt ausgebildet vom Luftmassenmesser 5 über die jeweils angesaugsein und erfordert einen geringen Wartungsaufwand. te Luftmenge und vom Hauptsteuergerät 8 sowie dem Aufgrund des geringen Stromverbrauchs kann die zweiten Steuergerät 36 über den Unterdruck im An- Stromversorgung des Elektrolysegerätes über die an saugtrakt und weitere Motorbetriebsdaten. Schließdie Fahrzeugbatterie angeschlossene Lichtmaschi- lich ist das erste Steuergerät 23 über eine Steuerne des Fahrzeugs erfolgen. Sobald der Füllstand leitung auch mit dem Drosselventil 34 verbunden, oder die KOH-Konzentration oder die Temperatur so dass eine an die dem Turbolader bzw. Motordes Elektrolyten außerhalb eines vorgegebenen Be- verbrennungsraum aufgrund des jeweiligen Motorbereiches liegen, wird dieser Zustand durch ein vom triebs jeweils zuzuführenden Luftmenge angepasste ersten Steuergerät initiiertes Signal angezeigt. Gasmenge in den Ansaugtrakt geleitet wird und je Volumeneinheit an angesaugter Luft mittels der Ven- [0037] Gemäß Fig. 1 sind stromab des Elektrolyse- turidüse 35 immer eine definierte Gasmenge von 0, gerätes 12 in die an die Luftzufuhrleitung 4 ange- 05 bis 0,5 Promille je Liter Ansaugluft in der Luftzuschlossene Gaszufuhrleitung 13 zunächst ein Was- fuhrleitung 4 versprüht wird und in den Motorverbrenserscheider 30, ein Wasserdetektor 30a und ein Gas- nungsraum 1 gelangt. Unabhängig vom jeweiligen filter 31 zur Abscheidung von im Brownsgas noch Fahrzeug- und Motorbetrieb ist somit in dem im Moenthaltenem Wasserdampf und zur Abtrennung von torverbrennungsraum jeweils befindlichen Kraftstoff Salzpartikeln eingebunden. Über ein Durchflussmen- immer ein bestimmter prozentualer, je Volumeneingenmesser 32, eine Rückbrandsicherung 33 und ein heit an angesaugter Verbrennungsluft gleicher An- Drosselventil 34 gelangt das Gasgemisch schließlich teil an Brownsgas und damit der als Zündkeime wirzu einer stromab des Luftmassenmessers 5 und vor kenden energiereichen, gasförmigen Wassermoleküdem Turbolader 6 unmittelbar in die Luftzufuhrleitung le enthalten.

4 mündenden Venturidüse 35. Das mit der Verbrennungskraftmaschine sowie der Drosselklappe 7 und [0040] Die Gaserzeugung im Elektrolysegerät 12 dem Luftmassenmesser 5 verbundene Hauptsteuer- wird somit im Wesentlichen über die Motordrehgerät 8 ist über ein zweites Steuergerät 36 an das ers- zahl (Hauptsteuergerät), die Ansaugluftmenge (Luft-

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mengenmesser), die tatsächlich erzeugte Gasmen- 23 erstes Steuergerät ge (Durchflussmengenmesser) und die pro Ansaug- 24 Gassammelraum, Gasreservoir volumeneinheit festgelegte Gasmenge (Drosselven- 25 Überdruckventil til) mithilfe der Amplitude und Struktur der erzeug- 26 Dichtemesser ten Stromimpulse gesteuert. Es wird somit nur so 27 Gasanschlussstutzen viel Gas erzeugt, wie gerade für den jeweiligen Fahr- 28 Füllstandmesser zeug-/Motorbetrieb zur schnellen Zündung und voll- 29 Temperatursensor ständigen Verbrennung des fossilen Kraftstoffs be- 30 Wasserscheider, 30a Wasserdetektor nötigt wird. Das heißt, der prozentuale Brownsgas- 31 Gasfilter anteil in einer Ansaugvolumeneinheit ist bewusst ge- 32 Durchflussmengenmesser ring gehalten und wirkt nicht in herkömmlicher Wei- 33 Rückbrandsicherung se als zusätzlicher Kraftstoff, sondern hat in der ge- 34 Drosselventil ringen Menge lediglich die Funktion eines Additivs. 35 Venturidüse Das heißt, die im Verbrennungsraum gleichmäßig 36 zweites Steuergerät verteilten gasförmigen Wassermoleküle wirken ledig- 37 Kammern zwischen 20 lich als Startkeimlinge oder Zündkeimlinge, die im

Verbrennungstakt die Zündung des im Motorverbrennungsraum vorhandenen Kraftstoff-Luft-Gemisches beschleunigen und intensivieren. Die frei werdende

Reaktionsenergie zündet an einer Vielzahl von Zündherden explosionsartig den Kraftstoff und sorgt für eine homogene und vollständige Verbrennung des in den Verbrennungsraum eingebrachten Kraftstoffs.

Der Kraftstoff wird allein aufgrund der nur als Zündkeimlinge wirkenden gasförmigen Wassermoleküle des Brownsgases effizienter genutzt, so dass die

Motorleistung verbessert und der Kraftstoffverbrauch und mithin der Schadstoffausstoß gesenkt werden kann. Darüber wird die Abgastemperatur und damit die Stickoxid- und Kohlendioxid-Emission weiter reduziert. Der für die kontinuierliche Bereitstellung des

Brownsgses erforderliche apparative und energetische Aufwand ist wegen der kontrollierten Erzeugung einer nur begrenzten Gasmenge gering.

Bezugszeichenliste

1 Motorverbrennungsraum 2 Saugrohr 3 Luftfilterkasten 4 Luftzufuhrleitung 5 Luftmassenmesser 6 Turbolader 7 Drosselklappe 8 Hauptsteuergerät 9 Fahrzeugbatterie 10 Lichtmaschine 11 Sicherung 12 Elektrolysegerät 13 Gaszufuhrleitung

15 Gehäusedecke 16 Deckel v. Gasauslassstutzen 17 Rohrstück für Schaumstofffilter 18 abgesenkter Abschnitt v. 15 19 Schraubdeckel v. Elektrolyteinfüllöffnung 20 Elektrodenplatten, (20‘, 20‘‘ äußere Elektrodenplatten) 21 Verbindungsleitung 22 Anschlussklemmen

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

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Patentansprüche Luftmassenmesser erfassten Luftmenge in Verbindung mit der von einem Durchflussmengenmesser 1. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungs- erfassten, vom Elektrolysegerät tatsächlich erzeugkraftmaschine mit einem dem fossilen Kraftstoff im ten Brownsgasmenge gesteuert wird. Motorverbrennungsraum mit der Verbrennungsluft zusätzlich zugeführten, durch Elektrolyse von Was- 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennser erzeugten Gasgemisch, dadurch gekennzeich- zeichnet, dass der Anteil der einem Liter Ansaugluft net, dass die entsprechend dem jeweiligen Motor- zugeführten Brownsgasmenge zwischen 0.05 und 0, betrieb in den Ansaugtrakt des Motors gesaugte 5 Promille liegt.

Luftmenge gemessen wird und je Volumeneinheit an jeweils angesaugter Verbrennungsluft immer ei- 8. Anordnung zur Durchführung des Verfahren, ne gleiche, lediglich als Additiv fungierende begrenz- mit einer ausgehend von einem Luftfilterkasten (3) te Menge eines mit einem pulsierenden Strom be- mit dem Motorverbrennungsraum (1) der Verbrentriebenen Elektrolysegerät erzeugten, energieange- nungskraftmaschine verbundenen Luftzufuhrleitung reicherte, gasförmige Wassermoleküle enthaltenden (4) zur Zuführung einer an den jeweiligen Motorbe- Brownsgases unmittelbar, das heißt ohne Zwischen- trieb angepassten Luftmenge, in die eine an ein von speicherung der Verbrennungsluft zugeführt wird, einer Fahrzeugbatterie (9) versorgtes Elektrolysegewobei der prozentuale Anteil der im Verbrennungs- rät (12) angeschlossene Gaszufuhrleitung (13) münprozess im Kraftstoff vorhandenen Gasmoleküle der- det, dadurch gekennzeichnet, dass in die Luftzuart begrenzt ist, dass die im Kraftstoff-Luft-Gemisch fuhrleitung (4) vor der Mündung der Gaszufuhrleitung gleichmäßig verteilten energieangereicherten, gas- (13) ein Luftmassenmesser (5) zur Erfassung des in förmigen Wassermoleküle nur als den Kraftstoff zün- Abhängigkeit vom jeweiligen Motorbetrieb angesaugdende Start- oder Zündkeime für eine früh einsetzen- ten Luftvolumens und in die Gaszufuhrleitung (13) in de und lang anhaltende intensive und vollständige Strömungsrichtung zunächst ein Durchflussmengen- Verbrennung dienen. messer (32) zur Erfassung der tatsächlich erzeugten Gasmenge und ein Drosselventil (34) zur endgülti- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- gen Einstellung des an die geförderte Luftmenge anzeichnet, dass die am Elektrolysegerät wirkenden gepassten Gasvolumens eingebunden sind, die je- Stromimpulse rechteck- oder trapezförmig geformt weils an ein dem Elektrolysegerät (12) zugeordnesind. tes erstes Steuergerät (23) zur Regelung der Gaserzeugung auf der Grundlage der angesaugten Luft- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- menge und der erfassten Gasmenge mithilfe eines kennzeichnet, dass die Stromimpulse zur Beeinflus- von einem Modulator kontinuierlich oder in Intervalsung der Gasausbeute und der Menge an energie- len umgeformten, in Frequenz, Amplitude, Flankenangereicherten, gasförmigen Wassermolekülen kon- winkel und Zeitdauer variablen pulsierenden Stroms tinuierlich oder in Intervallen sowie mit unterschiedli- angeschlossen sind.

cher Amplitude erzeugt werden.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch ge- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis kennzeichnet, dass in die Gaszufuhrleitung (13) ein 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromimpul- Wasserscheider (30), ein Wasserdetektor (30a) und se zur Beeinflussung der Gasausbeute und der Men- ein Gasfilter (31) zur Gasreinigung und eine aus ge an energieangereicherten, gasförmigen Wasser- einem gasdurchlässigen keramischen Material bemolekülen im Brownsgas einen variablen Flankenan- stehende Rückbrandsicherung (33) zur Vermeidung stiegswinkel aufweisen. eines Flammenrückschlags in das Elektrolysegerät (12) eingebunden sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der 10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch ge- Brownsgasausbeute die Stromimpulse im Abhängig- kennzeichnet, dass das erste Steuergerät (23) über keit von der Elektrolyttemperatur und –konzentration ein zweites Steuergerät (36) mit einem der Verbrensowie der Elektrodenplattengeometrie und dem Plat- nungskraftmaschine zugeordneten Hauptsteuergerät tenabstand so gesteuert werden, dass das aus Elek- (8) verbunden ist.

trodenplatten und Elektrolyt bestehende System zur schnellen Ablösung von den Elektrodenplatten und 11. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gederen Umspülung in Resonanz betrieben wird. kennzeichnet, dass die Gaszufuhrleitung (13) zur Verwirbelung und gleichmäßigen Verteilung der im 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Gasstrom enthaltenen Moleküle in der Ansaugluft dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des im über eine stromab des Luftmassenmessers (5) ange- Elektrolysegerät erzeugten Brownsgases in Abhän- ordnete Venturidüse (35) in die Luftzufuhrleitung (4) gigkeit vom jeweiligen Motorbetrieb auf der Grund- mündet.

lage der dem Ansaugtrakt zugeführten, von einem

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12. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch ge- tration aufweist und/oder als Gefrierschutzmittel bis kennzeichnet, dass das Elektrolysegerät (12) meh- max. 10% Ethylenglycol enthält. rere in einem mit einem Elektrolyt gefüllten Gehäuse (14) im Abstand parallel angeordnete, mit Durchbrü- Es folgen 2 Seiten Zeichnungen chen versehene Elektrodenplatten (20, 20‘, 20‘‘) aufweist, und die beiden äußeren Elektrodenplatten (20‘, 20‘‘) oder eine mittige Elektrodenplatte (20‘‘) und die beiden äußeren Elektrodenplatten (20‘) über das erste Steuergerät (23) mit dem Plus- bzw. Minuspol der Fahrzeugbatterie (9) verbunden sind, wobei ein oberhalb der Elektrodenplatten (20, 20‘, 20‘‘) durch eine Gehäusedecke (15) begrenzter Gassammelraum (24) über einen auf einen Gasauslassstutzen abdichtend aufsteckbaren und bei einem bestimmten Überdruck im Gassammelraum (24) selbsttätig öffnenden Deckel (16) mit einem innen liegenden, einen Filter aufnehmenden Rohrstück (17) und einem Gasanschlussstutzen (27) an die Gaszufuhrleitung (13) anschließbar ist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusedecke (15) einen bis auf die maximale Elektrolytfüllhöhe im Gehäuse (14) abgesenkten Abschnitt (18) mit einer durch einen Schraubdeckel (19) verschließbaren Einfüllöffnung aufweist.

14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenplatten (20) in am Boden und zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuses (14) sowie im Bereich der Plattenoberkante vorgesehenen Nuten fixiert sind.

15. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysegerät (12) zur Überwachung des Elektrolyten einen Dichtemesser (26), einen Füllstandsmesser (28) und einen Temperatursensor (29) sowie ein Überdruckventil (25) aufweist.

16. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenplatten (20) eine gegenüber ihrer Höhe deutlich größere Breite aufweisen und dadurch über einen langen Zeitraum eine ausreichend große Elektrodenfläche mit Elektrolyt bedeckt ist.

17. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenplattendicke etwa einen Millimeter beträgt und der Elektrodenplattenabstand zwischen 1,5 und 10,5 Millimetern liegt.

18. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der im Elektrolysegerät (12) befindliche Elektrolyt eine 3,5 bis 5,0-prozentige Kalilaugelösung ist.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt zur Gefrierpunktabsenkung im Winterbetrieb eine erhöhte Konzen-

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