Method for operating an internal combustion engine with a gas mixture produced by water electrolysis and supplied to the combustion air, as well as arrangement and electrolysis device for carrying out the method

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Patentschrift

(21) Aktenzeichen: 10 2015 120 545.9 (51) Int Cl.: F02D 19/12 (2006.01)

(45) Veröffentlichungstag der Patenterteilung: 20.06.2024 F02B 43/10 (2006.01)

Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das Patent Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten (§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu § 2 Abs. 1 Patentkostengesetz).

(73) Patentinhaber: (56) Ermittelter Stand der Technik: HMT - Hydromotive GmbH, 10117 Berlin, DE siehe Folgeseiten

(72) Erfinder:

Manthei, Rainer, 14641 Nauen, DE; Schneider,

Marcus, 85414 Kirchdorf, DE; Göbel, Gerhard, 10315 Berlin, DE; Tóth, György, Zalaegerszeg, HU

(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) Hauptanspruch: Verfahren zum Betreiben einer Ver­ brennungskraftmaschine mit einem dem fossilen Kraftstoff im Motorverbrennungsraum mit der Verbrennungsluft zusätzlich zugeführten, durch Elektrolyse von Wasser erzeugten Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechend dem jeweiligen Motorbetrieb in den Ansaug­ trakt des Motors gesaugte Luftmenge gemessen wird und je Volumeneinheit an jeweils angesaugter Verbrennungsluft immer eine gleiche, lediglich als Additiv fungierende begrenzte Menge eines mit einem pulsierenden Strom betriebenen Elektrolysegerät erzeugten, energieangerei­ cherte, gasförmige Wassermoleküle enthaltenden Browns­ gases unmittelbar, das heißt ohne Zwischenspeicherung der Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei der prozentuale

Anteil der im Verbrennungsprozess im Kraftstoff vorhande­ nen Gasmoleküle derart begrenzt ist, dass die im Kraftstoff-

Luft-Gemisch gleichmäßig verteilten energieangereicherten, gasförmigen Wassermoleküle nur als den Kraftstoff zünd­ ende Start- oder Zündkeime für eine früh einsetzende und lang anhaltende intensive und vollständige Verbrennung dienen, wobei der Anteil der einem Liter Ansaugluft zuge­ führten Brownsgasmenge zwischen 0,05 und 0,5 Promille liegt und wobei:

die Menge des im Elektrolysegerät erzeugten Brownsgases in Abhängigkeit vom jeweiligen Motorbetrieb auf der Grund­ lage der dem Ansaugtrakt zugeführten, von einem Luftmassenmesser erfassten Luftmenge in Ver­ bindung mit der von einem Durchflussmengenmesser erfassten, vom Elektrolysegerät tatsächlich erzeugten

Brownsgasmenge gesteuert wird.

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Drawing sheet — no readable text.

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Beschreibung Spannung so festgelegt, dass zwischen zwei einan­ der gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen für [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum die Durchführung der Elektrolyse eine Spannung Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit von etwa zwei Volt anliegt. einem der Verbrennungsluft zugeführten, durch

Elektrolyse von Wasser erzeugten Gasgemisch [0005] In der US 2010 / 0 175 941 A1 wird eine Vor­ sowie eine Anordnung mit einem Elektrolysegerät richtung für ein Signalerzeugungsgerät beschrieben, zur Durchführung des Verfahrens. das ein elektrisches Signal zur Verwendung in einem Elektrolysegerät erzeugt.

bekannten Verfahren zum Betreiben eines Verbren­ [0006] In der US 4 936 961 A wird ein Verfahren zum nungsmotors für Kraftfahrzeuge mit fossilem Kraft­ Erhalt der Abgabe einer Benzin-Gasmischung stoff und einem der Verbrennungsluft im Ansaugtrakt beschrieben, die auch Wasserstoff und Sauerstoff des Motors zugeführten, im Fahrzeug durch Elektro­ umfasst.

lyse von Wasser hergestellten Wasserstoff-Sauer­ stoff-Gemisch (Knallgas, Browngas) wird das Was­ [0007] In der WO 2015/ 021 385 A1 wird eine elekt­ serstoff-Sauerstoff-Gemisch im normalen ronische Steuereinheit und ein Verfahren zur Regu­ Motorbetrieb bis zum Erreichen eines vorgegebenen lierung der Ausschüttung von Wasserstoff und Speicherdrucks erzeugt und zwischengespeichert Sauerstoff beschrieben.

und nur bei hoher Motorleistung beim Anfahren und

Beschleunigen des Fahrzeugs in den Ansaugtrakt [0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, des Motors geleitet. Die Erzeugung des Wasserstoffs ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungs­ erfolgt mit einem aufwändig ausgebildeten, aus kraftmaschine mit einem der Verbrennungsluft zuge­ einem separaten Wassertank versorgten Elektroly­ führtem, durch Elektrolyse von Wasser erzeugten segerät, das an eine zusätzliche Lichtmaschine Gasgemisch sowie eine Anordnung und ein Elektro­ angeschlossen ist. lysegerät zur Durchführung des Verfahrens so aus­ zubilden, dass mit geringem apparativen und ener­ [0003] Die WO 2007/ 091 105 A1 beschreibt die Ver­ getischen Aufwand sowie bei geringem wendung eines im Elektrolysegerät erzeugten Was­ Elektrolytverbrauch kontinuierlich eine einer effizien­ serstoff-Sauerstoff-Gemisches bei einem mit her­ ten Kraftstoffverbrennung genügende Gasmenge kömmlichen Kraftstoff betriebenen erzeugt und so in den Motorbrennraum geleitet Verbrennungsmotor, wobei der Kraftstoff bei einer wird, dass ein reduzierter Kraftstoffverbrauch bei Laständerung kurzzeitig ganz oder teilweise durch gleichzeitig verringerter Schadstoffemission gewähr­ das im Fahrzeug erzeugte Wasserstoff-Sauerstoff- leistet sind Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit Gemisch ersetzt wird. Aus der einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patent­ WO 2007/ 101 329 A1 sind ein Verfahren und eine anspruchs 1 sowie einer Anordnung und einem Vorrichtung zum wasserstoffunterstützten Kaltstar­ Elektrolysegerät gemäß den Merkmalen des Patent­ ten eines Verbrennungsmotors bekannt. Dabei soll anspruchs 6 gelöst.

aus dem in einem Elektrolysegerät erzeugten Was­ serstoff-Sauerstoff-Gemisch der Sauerstoff abge­ [0009] Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildun­ trennt werden. Auch in der US 6 155 212 A und in der gen der Erfindung sind Gegenstand der Unter­ WO 2006/ 124 805 A2 wird die zusätzliche Nutzung ansprüche.

von im Kraftfahrzeug erzeugtem und zwischenge­ speichertem Wasserstoff für den Verbrennungspro­ [0010] Beim Betrieb einer Verbrennungskraftma­ zess beschrieben. schine mit einem dem fossilen Kraftstoff im Motorver­ brennungsraum zusätzlich zugeführten, von einem [0004] Ein aus der DE 10 2008 003 126 A1 bekann­ der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten tes, über den Ansaugtrakt unmittelbar an den Ver­ Elektrolysegerät erzeugten und in die Verbrennungs­ brennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine luft eingebrachten Gasgemisch besteht der Kern der angeschlossenes Elektrolysegerät zur Erzeugung Erfindung darin, dass die entsprechend dem jeweili­ eines dem Kraftstoff beizumengendem Wasserstoff- gen Motorbetrieb bzw. der Motorleistung, zum Bei­ Sauerstoff-Gemisch verwendet zur Verbesserung spiel im Leerlauf, beim Beschleunigen usw., in den des Wirkungsgrads der Elektrolyse Kaliumhydroxid Ansaugtrakt des Motors gesaugte Luftmenge (KOH) als Elektrolyt. Das Elektrolysegerät umfasst gemessen wird und je Volumeneinheit an jeweils in gleichmäßigem Abstand angeordnete Elektroden­ angesaugter Verbrennungsluft immer eine gleiche, platten, die in den in einem Behälter befindlichen lediglich als Additiv fungierende, begrenzte Menge Elektrolyt eintauchen. Die beiden äußeren Platten eines mit dem Elektrolysegerät mit einem pulsieren­ sind an den Minus- bzw. Pluspol der Fahrzeugbatte­ den Strom erzeugten, Wasserstoff, Sauerstoff und rie angeschlossen und die Anzahl der Platten wird energieangereicherte gasförmige Wassermoleküle entsprechend der von der Batterie bereitgestellten enthaltenden Brownsgases ohne Zwischenspeiche­

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rung, das heißt noch im Zustand des Entstehens der temperatur und der Elektrolytkonzentration sowie der energiereichen und zündfreudigen, aber nur kurzzei­ Plattengeometrie und dem Plattenabstand derart tig beständigen gasförmigen Wassermoleküle (auch gesteuert, dass das aus Elektrodenplatten und Elekt­ als lineare Wasserisomere bezeichnet) der Verbren­ rolyt bestehende System in Resonanz betrieben nungsluft zugeführt wird. Dabei ist der prozentuale wird. Das führt zu einer Umspülung der Elektroden­ Anteil des im Verbrennungsprozess im Kraftstoff vor­ platten und zu einer schnellen Ablösung der Gas­ handenen, elektrolytisch erzeugten Gasgemisches bläschen und somit auch zu einer Erhöhung der Gas­ derart begrenzt, dass die im Kraftstoff-Luft-Gemisch ausbeute.

im Motorverbrennungsraum verteilten Wasserstoff­ moleküle nur unwesentlich als zusätzlicher Kraftstoff [0015] Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal wirken, sondern allein die energieangereicherten, der Erfindung wird die Menge des im Elektrolysege­ gasförmigen Wassermoleküle im Brownsgas als rät erzeugten Browngases in Abhängigkeit vom den Kraftstoff schnell und explosionsartig zündende jeweiligen Motorbetrieb auf der Grundlage der dem Start- oder Zündkeime für eine früher einsetzende Ansaugtrakt zugeführten, von einem Luftmassen­ und lang anhaltende intensive und vollständige Ver­ messer erfassten Luftmenge in Verbindung mit der brennung dienen. von einem Durchflussmengenmesser erfassten, vom Elektrolysegerät tatsächlich erzeugten Brown­ [0011] Der fossile Kraftstoff (zum Beispiel Diesel gasmenge gesteuert. Das heißt, es wird im Wesent­ oder Benzin) wird allein aufgrund der nur als Zünd­ lichen nur so viel Brownsgas im Elektrolysegerät keimlinge wirkenden energieangereicherten gasför­ erzeugt, wie im jeweiligen Motorbetrieb gerade benö­ migen Wassermoleküle im Brownsgas effizienter tigt wird, so dass der Stromverbrauch gering ist und genutzt, so dass die Motorleistung verbessert und die Kapazität der Fahrzeugbatterie nicht mehr als der Kraftstoffverbrauch und mithin der Schadstoff­ erforderlich genutzt wird. ausstoß gesenkt werden kann. Darüber hinaus wird die Abgastemperatur und damit die Stickoxid- und [0016] Die Anordnung zur Durchführung des Verfah­ Kohlendioxid-Emission weiter reduziert. Der für die ren, die zur Zuführung einer an den jeweiligen Motor­ kontinuierliche Bereitstellung des Brownsgases betrieb angepassten Luftmenge eine von einem Luft­ durch die erfindungsgemäß durchgeführte Elektro­ filterkasten ausgehende, mit dem lyse erforderliche apparative und energetische Auf­ Motorverbrennungsraum der Verbrennungskraftma­ wand ist wegen der in Abhängigkeit von der Ansaug­ schine verbundene Luftzufuhrleitung umfasst, ist luftmenge kontrollierten Erzeugung einer zudem erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass begrenzten Gasmenge und wegen der durch den eine an ein von einer Fahrzeugbatterie versorgtes pulsierenden Strom erhöhten Gasproduktion im Elektrolysegerät angeschlossene Gaszufuhrleitung Elektrolysegerät gering. Der Stromverbrauch für die unmittelbar in die Luftzufuhrleitung mündet, und in Elektrolyse wird derart minimiert, dass die erforder­ die Luftzufuhrleitung vor der Mündung der Gaszu­ liche elektrische Energie - ohne zusätzliche oder eine fuhrleitung ein Luftmassenmesser zur Erfassung größere Lichtmaschine - allein von der Fahrzeugbat­ des in Abhängigkeit vom jeweiligen Motorbetrieb terie geliefert werden kann. Der mit 0,05 bis 0,5 Pro­ angesaugten Luftvolumens und in die Gaszufuhrlei­ mille pro Liter Ansaugluft äußerst geringe Braungas­ tung in Strömungsrichtung zunächst ein Durchfluss­ bedarf ist zudem insofern vorteilhaft, als die mengenmesser zur Erfassung der tatsächlich erforderliche Gasmenge mit einem Elektrolysegerät erzeugten Gasmenge und ein Drosselventil zur end­ von geringer Baugröße ohne Zwischenspeicherung gültigen Einstellung des an die geförderte Luftmenge ständig zur Verfügung gestellt werden kann. angepassten Gasvolumens eingebunden sind, die jeweils an ein dem Elektrolysegerät zugeordnetes [0012] In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die erstes Steuergerät zur Regelung der Gaserzeugung am Elektrolysegerät wirkenden Stromimpulse recht­ auf der Grundlage der angesaugten Luftmenge und eck- oder trapezförmig geformt. der erfassten Gasmenge mithilfe eines von einem Modulator kontinuierlich oder in Intervallen umge­ [0013] In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung formten, in Frequenz, Amplitude, Flankenanstiegs­ werden die Stromimpulse zur Einflussnahme auf die winkel und Zeitdauer variablen pulsierenden Stroms erzeugte Browngasmenge und insbesondere den angeschlossen sind.

darin enthaltenen Anteil an energieangereicherten, gasförmigen Wassermolekülen kontinuierlich oder [0017] In weiterer Ausbildung der erfindungsgemä­ in Intervallen sowie mit unterschiedlicher Amplitude ßen Anordnung sind in die Gaszufuhrleitung ein erzeugt. Die Gasausbeute kann darüber hinaus Wasserscheider, ein Wasserdetektor und ein Gasfil­ durch die Wahl des Flankenwinkels der Stromimpuls­ ter zur Gasreinigung und eine aus einem gasdurch­ länge beeinflusst werden. lässigen keramischen Material bestehende Rück­ brandsicherung zur Vermeidung eines [0014] In weiterer Ausbildung der Erfindung werden Flammenrückschlags in das Elektrolysegerät einge­ die Stromimpulse in Abhängigkeit von der Elektrolyt­ bunden.

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[0018] In Ausgestaltung der Erfindung ist das erste [0024] In Ausgestaltung der Erfindung weisen die Steuergerät über ein zweites Steuergerät mit einem Elektrodenplatten eine gegenüber ihrer Höhe deut­ der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten lich größere Breite auf. Dadurch ist eine ausreichend Hauptsteuergerät verbunden. Das erste und zweie große Elektrodenfläche über einen langen Zeitraum Steuergerät können auch in das Hauptsteuergerät mit Elektrolyt bedeckt und somit ohne Nachfüllen von integriert sein. Elektrolyt eine lange Betriebsdauer des Elektrolyse­ gerätes gewährleistet.

[0019] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung mündet die Gaszufuhrleitung zur Verwirbelung und [0025] Die Elektrodenplattendicke beträgt etwa gleichmäßigen Verteilung der im Gasstrom enthalte­ einen Millimeter und der Elektrodenplattenabstand nen gasförmigen Wassermoleküle in der Ansaugluft liegt zwischen 1,5 und 10,5 Millimetern. Der im Elekt­ über eine stromab des Luftmassenmessers angeord­ rolysegerät befindliche Elektrolyt ist vorzugsweise nete Venturidüse in die Luftzufuhrleitung. eine 3,5 bis 5,0-prozentige Kalilaugelösung.

[0020] In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung [0026] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Elektrolysegerät mehrere in einem mit weist der Elektrolyt zur Gefrierpunktabsenkung im einem Elektrolyt gefüllten Gehäuse im Abstand Winterbetrieb eine erhöhte Konzentration auf und/o­ parallel angeordnete, mit Durchbrüchen versehene der enthält bis max. 10% Ethylenglycol als Gefrier­ Elektrodenplatten auf. Die beiden äußeren Elektro­ schutzmittel.

denplatten oder alternativ eine mittige Elektroden­ platte und die beiden äußeren Elektrodenplatten [0027] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird sind über das erste Steuergerät mit dem Plus- bzw. anhand der Zeichnung, in der Minuspol der Fahrzeugbatterie verbunden. Ein ober­

Fig. 1 eine Anordnung zum Betreiben einer Ver­ halb der Elektrodenplatten durch eine Gehäusede­ brennungskraftmaschine mit fossilem Kraftstoff cke begrenzter, das erzeugte Browngas kurzzeitig und einem der Verbrennungsluft aus einem aufnehmender Gassammelraum ist über einen auf

Elektrolyseprozess zugeführten Gasgemisch einen Gasauslassstutzen abdichtend aufsteckbaren aus Wasserstoff, Sauerstoff und gasförmigem und bei einem bestimmten Überdruck (ca > 0,1 bar)

Wasser (Brownsgas); und im Gassammelraum selbsttätig öffnenden Deckel mit einem innen liegenden, einen Filter aufnehmenden Fig. 2 ein Elektrolysegerät zur Erzeugung von Rohrstück und einem Gasanschlussstutzen an die Brownsgas (HHO) mit einer im Detail dargestell­ zur Luftzufuhrleitung führende Gaszufuhrleitung ten Plattenanordnung; und anschließbar. Das kleine, unter einem geringen

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Plat­

Druck stehende Gasreservoir oberhalb der Elektro­ tenanordnung im Elektrolysegerät zeigt, näher denplatten ermöglicht eine rasche Zuführung der erläutert.

nur kurzzeitig beständigen energiereichen, gasförmi­ gen Wassermoleküle zur Verbrennungsluft.

[0028] Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfasst als herkömmliche Bestandteile eine hier nur durch [0021] In Ausgestaltung der Erfindung weist die den Motorverbrennungsraum 1 wiedergegebene

Gehäusedecke des Elektrolysegerätes einen bis auf

Verbrennungskraftmaschine (beispielsweise für die maximale Elektrolytfüllhöhe im Gehäuse abge­ einen Personenkraftwagen), deren einzelne Zylinder senkten Abschnitt mit einer durch einen Schraubde­ über ein Saugrohr 2 mit dem Ansaugtrakt für die auf­ ckel verschließbaren Einfüllöffnung auf. Ein Überfül­ grund der Kolbenbewegung angesaugte Verbren­ len des Elektrolysegerätes oder eine zu starke nungsluft verbunden sind. Der Ansaugtrakt besteht

Verdünnung des Elektrolyten ist dadurch ausge­ im Wesentlichen aus einer von einem Luftfilterkasten schlossen und oberhalb des Elektrolyten steht 3 ausgehenden Luftzufuhrleitung 4, in die ein Luft­ immer ein bestimmtes Gasreservoir zur Verfügung.

massenmesser 5 zur Erfassung des in Abhängigkeit vom Motorbetrieb jeweils angesaugten Luftvolumens [0022] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind sowie ein Turbolader 6 zur Verdichtung und eine die Elektrodenplatten in am Boden und zwei gegen­

Drosselklappe 7 zur Regelung der dem Saugrohr 2 überliegenden Seitenwänden des Gehäuses sowie zugeführten Luftmenge entsprechend der jeweils im Bereich der Elektrodenoberkante vorgesehenen geforderten Motorleistung eingebunden sind. Über

Nuten fixiert.

ein der Verbrennungskraftmaschine zugeordnetes, an den Luftmassenmesser 5 angeschlossenes [0023] In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung

Hauptsteuergerät 8 (OBD-Steuergerät) wird die umfasst das Elektrolysegerät zur Überwachung des dem Motorverbrennungsraum 1 zugeführte Kraft­

Elektrolyten einen Dichtemesser, einen Füllstands­ stoffmenge geregelt.

messer und einen Temperatursensor sowie ein Über­ druckventil.

[0029] An die Verbrennungskraftmaschine ist in übli­ cher Weise eine mit der Fahrzeugbatterie 9 verbun­

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dene Lichtmaschine 10 zur Stromversorgung der für ein. Die Elektrodenplatten 20 können so zur Reini­ den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erfor­ gung oder zum Austauschen einfach montiert und derlichen elektrischen Geräte und sonstiger Strom­ demontiert werden. Die Elektrodenplatten 20 weisen verbraucher gekoppelt. Mit dem von der Fahrzeug­ jeweils eine oder mehrere Bohrungen (nicht darge­ batterie 9 über eine Sicherung 11 bereitgestellten stellt) auf, so dass die zwischen diesen gebildeten Strom wird auch das nachfolgend beschriebene Kammern 37 miteinander verbunden sind und von Elektrolysegerät 12 angetrieben, mit dem während dem Elektrolyt durchströmt werden können. Die bei­ des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine durch den äußeren Elektrodenplatten 20', 20" sind über elektrolytische Wasserzersetzung ständig eine defi­ jeweils eine Verbindungsleitung 21 und an der Geh­ nierte Menge von Browngas (HHO) und insbeson­ äusedecke 15 angebrachte Anschlussklemmen 22 dere des in dem Wasserstoff-Sauerstoff-Gasge­ mit dem Minus- bzw. Pluspol der Fahrzeugbatterie 9 misch anfangs enthaltenen energieangereicherten verbunden. Entsprechend der Batteriespannung (z. gasförmigen Wassers (H-O-H) erzeugt wird und B. 12 - 15 Volt bei PKW) und der Anzahl der Elektro­ über eine Gaszufuhrleitung 13 in den zwischen dem denplatten 20 liegt in den zwischen diesen gebilde­ Luftmassenmesser 5 und dem Turbolader 6 befind­ ten Kammern 37 jeweils eine für den Elektrolysepro­ lichen Teil der Luftzufuhrleitung 4 eingespeist wird. zess optimale Spannung von ca. zwei Volt an. Vorzugweise ist die Breite der Elektrodenplatten 20 [0030] Das in Fig. 2 dargestellte Elektrolysegerät 12 größer als deren Höhe, so dass die Elektrodenplat­ umfasst ein aus Kunststoff bestehendes geschlosse­ ten 20 - bei einem sich allmählich verbrauchenden nes Gehäuse 14 mit einem von der Gehäusedecke Elektrolyten - über einen langen Zeitraum in aus­ 15 ausgehenden Gasauslassstutzen, auf den ein reichender Höhe in den Elektrolyt eintauchen und mittels O-Ring (jeweils nicht dargestellt) abdichtend ohne ständiges Nachfüllen von Elektrolyt eine aus­ gehaltener Deckel 16 aufgesteckt ist. Von der hori­ reichende Menge an Brownsgas erzeugt wird. Ein zontalen Innenseite des Deckels 16 geht ein sich in Liter Elektrolyt reicht etwa 50 Betriebsstunden oder den Gasauslassstutzen erstreckendes Rohrstück 17 bis zu 5000 Kilometer bei einem 3I Dieselmotor. zur Aufnahme eines Filters (nicht dargestellt) aus, mit dem von dem bei der Elektrolyse erzeugten Gas mit­ [0033] Wie Fig. 3 zeigt, ist es aber auch denkbar, gerissene Salzpartikel sowie Wasser und Wasser­ dass eine mittig angeordnete Elektrodenplatte 20" dampf 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 zwi­ zur Reinigung des Filters auf einfache Art manuell schen diesen angeordneten Elektrodenplatten in von dem an die Gehäusedecke 15 angeformten Gas­ einer kompakten Ausführung des Elektrolysegerätes auslassstutzen abgezogen werden. Der Öffnungswi­ eine größere Elektrodenfläche und damit eine hohe derstand des Deckels 16 ist auf einen geringen Gaserzeugungsrate zu gewährleisten. Betriebsdruck von 0.1 bar begrenzt.

[0034] Wie Fig. 1 zeigt, ist an das Elektrolysegerät [0031] In einem nach unten versetzten Abschnitt 18 12 ein erstes Steuergerät 23 mit einem integrierten der Gehäusedecke 15, das heißt in einer gegenüber Modulator (nicht dargestellt) zur Umwandlung des der Gehäusedecke und der in dieser ausgebildeten von der Fahrzeugbatterie 9 gelieferten Gleichstroms Gasauslassöffnung abgesenkten Ebene befindet in - im Wesentlichen rechteckförmige - Stromimpulse sich eine mit einem Schraubdeckel 19 verschließ­ angeschlossen, die das aus den Elektrodenplatten bare Einfüllöffnung (nicht dargestellt) für den maxi­ 20 und dem zwischen diesen befindlichen Elektroly­ mal bis auf das Niveau des abgesenkten Abschnitts ten bestehende System zum Schwingen bringen, so 18 der Gehäusedecke 15 in das Gehäuse 14 einzu­ dass die bei der Elektrolyse gebildeten Wasserstoff-, bringenden Elektrolyten, hier vorzugsweise eine 3,5- Sauerstoff- und Wassergasbläschen (Brownsgas) bis 5,0-prozentige Kalilauge. Aufgrund der dadurch durch die Bewegung des Gesamtsystems besser begrenzten maximalen Füllhöhe h wird eine von der Elektrodenplatten 20 abgelöst werden und bestimmte Mindesthöhe des Gasreservoirs im Gass­ somit immer eine maximale Elektrodenfläche zur ammelraum 24 Elektrolysegerät 12 festgelegt und Erzeugung eines hohen Brownsgasvolumens als zudem verhindert, dass Elektrolyt versehentlich in Additiv für das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Motorver­ die zum Ansaugtrakt des Motors führende Gaszu­ brennungsraum 1 zur Verfügung steht. Aufgrund der fuhrleitung 13 gelangt. durch den pulsierenden Strom in Schwingung ver­ setzten Wassermoleküle wird - neben der Elektrolyse [0032] In den Elektrolyt tauchen - am Boden und an von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff - zudem zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Geh­ ein größerer Teil der im Elektrolyten enthaltenen äuses 14 sowie im Bereich der Plattenoberkanten in Wassermoleküle zu linearen Wasserisomeren (H-Oeinem Abstand von etwa 1 mm in Nuten (nicht darge­ H) aufgespreizt, d.h. die Entstehung von energiean­ stellt) fixierte - hier 1 mm dicke Elektrodenplatten 20 gereichertem, gasförmigem Wassermolekülen als

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Bestandteil von Brownsgas angeregt und unterstützt, gen. Sobald der Füllstand oder die KOH-Konzentra­ so dass für den Verbrennungsprozess ein nur in tion oder die Temperatur des Elektrolyten außerhalb geringer Menge erforderliches Additiv, jedoch mit eines vorgegebenen Bereiches liegen, wird dieser deutlich höherer Energie als herkömmliches Knall­ Zustand durch ein vom ersten Steuergerät initiiertes gas, zur Verfügung steht. Der pulsierende Strom Signal angezeigt.

und die dadurch im Elektrolysesystem erzeugten

Schwingungen können ständig oder in gleich oder [0037] Gemäß Fig. 1 sind stromab des Elektrolyse­ unterschiedlich langen Intervallen sowie in unter­ gerätes 12 in die an die Luftzufuhrleitung 4 ange­ schiedlicher Frequenz und Amplitude (Stromstärke) schlossene Gaszufuhrleitung 13 zunächst ein Was­ erzeugt werden, um auf diese Art im Motorbetrieb auf serscheider 30, ein Wasserdetektor 30a und ein das erzeugte Gasvolumen und die Struktur des Gasfilter 31 zur Abscheidung von im Brownsgas Gases Einfluss nehmen zu können und insbeson­ noch enthaltenem Wasserdampf und zur Abtrennung dere das energiereiche Browngas bereitzustellen. von Salzpartikeln eingebunden. Über ein Durchfluss­ Aufgrund der durch die Vibration des Elektrolysesys­ mengenmesser 32, eine Rückbrandsicherung 33 tems erhöhten Gaserzeugung kann der Stromver­ und ein Drosselventil 34 gelangt das Gasgemisch brauch gesenkt werden und dennoch eine hohe Gas­ schließlich zu einer stromab des Luftmassenmes­ ausbeute erreicht werden. sers 5 und vor dem Turbolader 6 unmittelbar in die Luftzufuhrleitung 4 mündenden Venturidüse 35. Das [0035] Das Elektrolysegerät 12 ist mit einem in dem mit der Verbrennungskraftmaschine sowie der Dros­ über dem jeweiligen Elektrolytniveau befindlichen selklappe 7 und dem Luftmassenmesser 5 verbun­ Gassammelraum 24 angeordneten, in Fig. 1 nur dene Hauptsteuergerät 8 ist über ein zweites Steuer­ schematisch dargestellten Überdruckventil 25 als gerät 36 an das erste, dem Elektrolysegerät 12 zusätzliche Sicherheit (Öffnung bei einem Betriebs­ zugeordnete Steuergerät 23 angeschlossen, das druck im Gassammelraum -hier >0,1 bar) ausgerüs­ wiederum mit dem Durchflussmengenmesser 32 tet. und dem Luftmassenmesser 5 sowie dem Drossel­ ventil 34 elektrisch verbunden ist.

[0036] Innerhalb eines Gasdruckes =< 0,1 bar ist eine unmittelbare Weiterleitung des erzeugten [0038] Die Rückbrandsicherung 33 umfasst eine Gases und insbesondere der nur kurzzeitig beständi­ aus einem gesinterten Material bestehende poröse gen energiereichen gasförmigen Wassermoleküle Struktur, die ein Zurückschlagen einer durch die Ver­ noch im Zustand des Entstehens in den Ansaugtrakt brennung im Motorraum erzeugten Flamme und eine gewährleistet. Eine weitere Sicherheit gegen das dadurch bewirkte Entzündung des im Gasreservoir Auftreten eines unzulässig hohen Drucks im Elektro­ des Elektrolysegerätes gespeicherten Gasgemi­ lysegerät 12 bietet der am Gehäuse 14 lediglich sches verhindert. Das mit dem ersten Steuergerät durch eine Steckverbindung gehaltene Deckel 16, 23 verbundene Drosselventil 34 sorgt dafür, dass der bei einem zu hohen Gasdruck von dem an die bei geringer Motorleistung, zum Beispiel im Leerlauf, Gehäusedecke 15 angeformten Gasauslassstutzen und entsprechend geringer Gasabnahme aufgrund abgestreift wird. Mit einem in den Elektrolyt ragenden des geringen Unterdrucks vor dem Turbolader 6, Dichtemesser 26 kann die Konzentration des nicht eine zu hohe Gasmenge in den Ansaugtrakt Kaliumhydroxids in der wässrigen Elektrolytlösung gelangt. Schließlich besteht die Aufgabe der Venturi­ überwacht werden werden, während mit einem Füll­ düse 35 darin, das in die Luftzuführungsleitung 4 ein­ standmesser 28 die Füllhöhe im Gehäuse 14 ermit­ gebrachte Brownsgas in der über den Luftfilterkasten telt werden kann und die Temperatur des Elektrolyten 3 angesaugten Luft intensiv zu verwirbeln und sehr mit einem Temperatursensor 29 angezeigt wird. Mit fein und gleichmäßig zu verteilen. einer Arbeitstemperatur von 60 bis 65 °C und vor­ zugsweise einem KOH-Anteil von 3,5 bis 5,0 % wird [0039] Eine wichtige Funktion in dem Gesamtsys­ in Verbindung mit dem am Elektrolysegerät 12 anlie­ tem hat zudem der in die Gaszufuhrleitung 13 genden gepulsten Strom, und zwar bei einer gegen­ stromab vom Wasserscheider 30 und Gasfilter 31 über herkömmlichen, bei Verbrennungskraftmaschi­ eingebundene Durchflussmengenmesser 32, der nen eingesetzten Elektrolysegeräten deutlich die im Elektrolysegerät 12 erzeugte Gasmenge verringerten Stromstärke, eine der Wirkung des misst und das Messergebnis dem Steuergerät 23 Brownsgasgemisches lediglich als Additiv genü­ des Elektrolysegerätes 12 übermittelt. Das erste gende Gasmenge erzeugt. Die erforderliche Platten­ Steuergerät 23 erhält zudem in Abhängigkeit vom fläche und der Elektrolytverbrauch sind vergleichs­ jeweiligen Fahrzeugbetrieb (Leerlauf, Stop and Goweise gering. Das Elektrolysegerät kann daher klein Fahrweise, Geschwindigkeit, Beschleunigung usw.) und kompakt ausgebildet sein und erfordert einen Informationen vom Luftmassenmesser 5 über die geringen Wartungsaufwand. Aufgrund des geringen jeweils angesaugte Luftmenge und vom Haupt­ Stromverbrauchs kann die Stromversorgung des steuergerät 8 sowie dem zweiten Steuergerät 36 Elektrolysegerätes über die an die Fahrzeugbatterie über den Unterdruck im Ansaugtrakt und weitere angeschlossene Lichtmaschine des Fahrzeugs erfol­ Motorbetriebsdaten. Schließlich ist das erste Steuer­

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gerät 23 über eine Steuerleitung auch mit dem Dros­ 3 Luftfilterkasten selventil 34 verbunden, so dass eine an die dem Tur­ bolader bzw. Motorverbrennungsraum aufgrund des 4 Luftzufuhrleitung jeweiligen Motorbetriebs jeweils zuzuführenden Luft­ 5 Luftmassenmesser menge angepasste Gasmenge in den Ansaugtrakt geleitet wird und je Volumeneinheit an angesaugter 6 Turbolader Luft mittels der Venturidüse 35 immer eine definierte 7 Drosselklappe Gasmenge von 0,05 bis 0,5 Promille je Liter Ansaug­ luft in der Luftzufuhrleitung 4 versprüht wird und in 8 Hauptsteuergerät den Motorverbrennungsraum 1 gelangt. Unabhängig 9 Fahrzeugbatterie vom jeweiligen Fahrzeug- und Motorbetrieb ist somit in dem im Motorverbrennungsraum jeweils befindli­ 10 Lichtmaschine chen Kraftstoff immer ein bestimmter prozentualer, 11 Sicherung je Volumeneinheit an angesaugter Verbrennungsluft gleicher Anteil an Brownsgas und damit der als 12 Elektrolysegerät Zündkeime wirkenden energiereichen, gasförmigen 13 Gaszufuhrleitung Wassermoleküle enthalten.

[0040] Die Gaserzeugung im Elektrolysegerät 12 15 Gehäusedecke wird somit im Wesentlichen über die Motordrehzahl

(Hauptsteuergerät), die Ansaugluftmenge (Luftmen­ 16 Deckel v. Gasauslassstutzen genmesser), die tatsächlich erzeugte Gasmenge 17 Rohrstück für Schaumstofffilter (Durchflussmengenmesser) und die pro Ansaugvolu­ meneinheit festgelegte Gasmenge (Drosselventil) 18 abgesenkter Abschnitt v. 15 mithilfe der Amplitude und Struktur der erzeugten 19 Schraubdeckel v. Elektrolyteinfüllöffnung Stromimpulse gesteuert. Es wird somit nur so viel

Gas erzeugt, wie gerade für den jeweiligen Fahr­ 20 Elektrodenplatten, (20', 20" äußere Elekt­ zeug-/Motorbetrieb zur schnellen Zündung und voll­ rodenplatten) ständigen Verbrennung des fossilen Kraftstoffs 21 Verbindungsleitung benötigt wird. Das heißt, der prozentuale Browns­ gasanteil in einer Ansaugvolumeneinheit ist bewusst 22 Anschlussklemmen gering gehalten und wirkt nicht in herkömmlicher 23 erstes Steuergerät Weise als zusätzlicher Kraftstoff, sondern hat in der geringen Menge lediglich die Funktion eines Addi­ 24 Gassammelraum, Gasreservoir tivs. Das heißt, die im Verbrennungsraum gleichmä­ 25 Überdruckventil ßig verteilten gasförmigen Wassermoleküle wirken lediglich als Startkeimlinge oder Zündkeimlinge, die 26 Dichtemesser im Verbrennungstakt die Zündung des im Motorver­ 27 Gasanschlussstutzen brennungsraum vorhandenen Kraftstoff-Luft-Gemi­ sches beschleunigen und intensivieren. Die frei wer­ 28 Füllstandmesser dende Reaktionsenergie zündet an einer Vielzahl 29 Temperatursensor von Zündherden explosionsartig den Kraftstoff und sorgt für eine homogene und vollständige Verbren­ 30 Wasserscheider, 30a Wasserdetektor nung des in den Verbrennungsraum eingebrachten 31 Gasfilter Kraftstoffs. Der Kraftstoff wird allein aufgrund der nur als Zündkeimlinge wirkenden gasförmigen Was­ 32 Durchflussmengenmesser sermoleküle des Brownsgases effizienter genutzt, so 33 Rückbrandsicherung dass die Motorleistung verbessert und der Kraftstoff­ verbrauch und mithin der Schadstoffausstoß gesenkt 34 Drosselventil werden kann. Darüber wird die Abgastemperatur und 35 Venturidüse damit die Stickoxid- und Kohlendioxid-Emission wei­ ter reduziert. Der für die kontinuierliche Bereitstel­ 36 zweites Steuergerät lung des Brownsgses erforderliche apparative und 37 Kammern zwischen 20 energetische Aufwand ist wegen der kontrollierten

Erzeugung einer nur begrenzten Gasmenge gering. Patentansprüche

Bezugszeichenliste 1. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungs­ kraftmaschine mit einem dem fossilen Kraftstoff im 1 Motorverbrennungsraum Motorverbrennungsraum mit der Verbrennungsluft 2 Saugrohr zusätzlich zugeführten, durch Elektrolyse von Was­

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ser erzeugten Gasgemisch, dadurch gekennzeich­ 6. Anordnung zur Durchführung des Verfahren net, dass die entsprechend dem jeweiligen Motor­ gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit betrieb in den Ansaugtrakt des Motors gesaugte einer ausgehend von einem Luftfilterkasten (3) mit Luftmenge gemessen wird und je Volumeneinheit dem Motorverbrennungsraum (1) der Verbren­ an jeweils angesaugter Verbrennungsluft immer nungskraftmaschine verbundenen Luftzufuhrleitung eine gleiche, lediglich als Additiv fungierende (4) zur Zuführung einer an den jeweiligen Motorbe­ begrenzte Menge eines mit einem pulsierenden trieb angepassten Luftmenge, in die eine an ein von Strom betriebenen Elektrolysegerät erzeugten, einer Fahrzeugbatterie (9) versorgtes Elektrolysege­ energieangereicherte, gasförmige Wassermoleküle rät (12) angeschlossene Gaszufuhrleitung (13) enthaltenden Brownsgases unmittelbar, das heißt mündet, dadurch gekennzeichnet, dass in die Luft­ ohne Zwischenspeicherung der Verbrennungsluft zufuhrleitung (4) vor der Mündung der Gaszufuhrlei­ zugeführt wird, wobei der prozentuale Anteil der im tung (13) ein Luftmassenmesser (5) zur Erfassung Verbrennungsprozess im Kraftstoff vorhandenen des in Abhängigkeit vom jeweiligen Motorbetrieb Gasmoleküle derart begrenzt ist, dass die im Kraft­ angesaugten Luftvolumens und in die Gaszufuhrlei­ stoff-Luft-Gemisch gleichmäßig verteilten energie­ tung (13) in Strömungsrichtung zunächst ein Durch­ angereicherten, gasförmigen Wassermoleküle nur flussmengenmesser (32) zur Erfassung der tatsäch­ als den Kraftstoff zündende Start- oder Zündkeime lich erzeugten Gasmenge und ein Drosselventil (34) für eine früh einsetzende und lang anhaltende inten­ zur endgültigen Einstellung des an die geförderte sive und vollständige Verbrennung dienen, wobei Luftmenge angepassten Gasvolumens eingebunden der Anteil der einem Liter Ansaugluft zugeführten sind, die jeweils an ein dem Elektrolysegerät (12) Brownsgasmenge zwischen 0,05 und 0,5 Promille zugeordnetes erstes Steuergerät (23) zur Regelung liegt und wobei: der Gaserzeugung auf der Grundlage der ange­ die Menge des im Elektrolysegerät erzeugten saugten Luftmenge und der erfassten Gasmenge Brownsgases in Abhängigkeit vom jeweiligen Motor­ mithilfe eines von einem Modulator kontinuierlich betrieb auf der Grundlage der dem Ansaugtrakt oder in Intervallen umgeformten, in Frequenz, Amp­ zugeführten, litude, Flankenwinkel und Zeitdauer variablen pul­ von einem Luftmassenmesser erfassten Luftmenge sierenden Stroms angeschlossen sind. in Verbindung mit der von einem Durchflussmen­ genmesser erfassten, vom Elektrolysegerät tatsäch­ 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch lich erzeugten Brownsgasmenge gesteuert wird. gekennzeichnet, dass in die Gaszufuhrleitung (13) ein Wasserscheider (30), ein Wasserdetektor (30a) 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch und ein Gasfilter (31) zur Gasreinigung und eine aus gekennzeichnet, dass die am Elektrolysegerät wir­ einem gasdurchlässigen keramischen Material kenden Stromimpulse rechteck- oder trapezförmig bestehende Ruckbrandsicherung (33) zur Vermei­ geformt sind. dung eines Flammenruckschlags in das Elektrolyse­ gerat (12) eingebunden sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromimpulse zur Beein­ 8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch flussung der Gasausbeute und der Menge an ener­ gekennzeichnet, dass das erste Steuergerät (23) gieangereicherten, gasförmigen Wassermolekülen über ein zweites Steuergerät (36) mit einem der Ver­ kontinuierlich oder in Intervallen sowie mit unter­ brennungskraftmaschine zugeordneten Haupt­ schiedlicher Amplitude erzeugt werden. steuergerät (8) verbunden ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch dadurch gekennzeichnet, dass die Stromimpulse gekennzeichnet, dass die Gaszufuhrleitung (13) zur Beeinflussung der Gasausbeute und der zur Verwirbelung und gleichmäßigen Verteilung der Menge an energieangereicherten, gasförmigen im Gasstrom enthaltenen Moleküle in der Ansaugluft Wassermolekülen im Brownsgas einen variablen über eine stromab des Luftmassenmessers (5) Flankenanstiegswinkel aufweisen. angeordnete Venturidüse (35) in die Luftzufuhrlei­ tung (4) mündet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der 10. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch Brownsgasausbeute die Stromimpulse in Abhängig­ gekennzeichnet, dass das Elektrolysegerät (12) keit von der Elektrolyttemperatur und -konzentration mehrere in einem mit einem Elektrolyt gefüllten sowie der Elektrodenplattengeometrie und dem Gehäuse (14) im Abstand parallel angeordnete, mit Plattenabstand so gesteuert werden, dass das aus Durchbrüchen versehene Elektrodenplatten (20, 20', Elektrodenplatten und Elektrolyt bestehende Sys­ 20") aufweist, und die beiden äußeren Elektroden­ tem zur schnellen Ablösung von den Elektrodenplat­ platten (20', 20") oder eine mittige Elektrodenplatte ten und deren Umspülung in Resonanz betrieben (20") und die beiden äußeren Elektrodenplatten (20) wird. über das erste Steuergerät (23) mit dem Plus- bzw.

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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 Gasaus­ lassstutzen abdichtend aufsteckbaren und bei einem bestimmten Überdruck im Gassammelraum (24) selbsttätig öffnenden Deckel (16) mit einem innen liegenden, einen Filter aufnehmenden Rohr­ stück (17) und einem Gasanschlussstutzen (27) an die Gaszufuhrleitung (13) anschließbar ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, 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.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenplatten (20) in am Boden und zwei gegenüberliegenden Seiten­ wänden des Gehäuses (14) sowie im Bereich der Plattenoberkante vorgesehenen Nuten fixiert sind.

13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysegerat (12) zur Überwachung des Elektrolyten einen Dichte­ messer (26), einen Füllstandsmesser (28) und einen Temperatursensor (29) sowie ein Überdruck­ ventil (25) aufweist.

14. Anordnung nach Anspruch 10, 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 Elekt­ rolyt bedeckt ist.

15. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenplattendicke etwa einen Millimeter beträgt und der Elektroden­ plattenabstand zwischen 1,5 und 10,5 Millimetern liegt.

16. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der im Elektrolysegerät (12) befindliche Elektrolyt eine 3,5 bis 5,0-prozentige Kalilaugelösung ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt zur Gefrier­ punktabsenkung im Winterbetrieb eine erhöhte Kon­ zentration aufweist und/oder als Gefrierschutzmittel bis max. 10% Ethylenglycol enthält.

Es folgen 2 Seiten Zeichnungen

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Drawing sheet — no readable text.

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Drawing sheet — no readable text.