DE3545049A1

DE3545049A1 - Verwendung von wasserstoffperoxid als treibstoff und/oder sauerstofflieferant in hubkolbenmotoren

Info

Publication number: DE3545049A1
Application number: DE19853545049
Authority: DE
Inventors: Georg Dr Rer Nat Denbsky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-12-19
Filing date: 1985-12-19
Publication date: 1987-06-25

Description

Wasserstoffperoxid ist seit vielen Jahrzehnten sowohl als Treibstoff als auch in seiner Eigenschaft als Sauerstofflieferant zusammen mit oxidablen Stoffen, z. B. konventionellen Treibstoffen oder Alkoholen, auch alkoholischen Lösungen anderer oxidabler Substanzen, für Raketen, Turbinentriebwerke (Walter-Systeme) und Rückstoßtriebwerke in Gebrauch.

Für Hubkolbenmotoren wird Wasserstoffperoxid derzeit noch nicht verwendet. Dies ist vornehmlich darauf zurückzuführen, daß die Verwendung konventioneller Treibstoffe bis vor einigen Jahren als eine zufriedenstellende Lösung angesehen wurde.

Dies ist bekanntlich nicht mehr der Fall. Insbesondere der Ausstoß umweltbelastender Abgase ist als ein aktuelles Problem des Kraftfahrzeugverkehrs erkannt worden.

Seitdem wird vielerorts und auf vielerlei Weise versucht, den Ausstoß schädlicher bzw. umweltbelastender Bestandteile der Abgase zu verringern. Ein Beispiel dafür sind die Abgaskatalysatoren, ein weiteres die von Daimler-Benz in Zusammenarbeit mit anderen Firmen entwickelten und zum Einbau in Kraftfahrzeuge vorgesehenen Hydridspeicher (die weiter unten zum Vergleich herangezogen werden), wobei eine Umrüstung der Motoren auf Wasserstoffbetrieb bereits in praktikable Nähe gerückt sein soll.

Aber auch einem psychologischen Grund ist es zuzuschreiben, daß der Gedanke an eine Verwendung des Wasserstoffperoxids als Treibstoff und/oder Sauerstofflieferant für Kraftfahrzeugmotoren bisher kaum je zu Ende gedacht wurde; denn über die Gefährlichkeit des Umganges mit Wasserstoffperoxid finden sich im Fachschrifttum widersprüchliche Angaben. Obwohl durch jahrzehntelange Erfahrungen und Untersuchungsergebnisse (unter anderem auch die des Erfinders) widerlegt, kursiert in Fachkreisen immer noch die Ansicht, daß bei Wasserstoffperoxid und seinen konzentrierten wäßrigen Lösungen Detonationsgefahr bestehe. Diese Ansicht ist in bezug auf den flüssigen Aggregatzustand des Wasserstoffperoxids irrig und beruht auf einer Fehlinterpretation der seit langem bekannten Tatsache, daß der über flüssigem Wasserstoffperoxid bzw. seinen konzentrierten Lösungen stets vorhandene Wasserstoffperoxid-Dampf bei Erreichen einer bestimmten, temperatur- und druckabhängigen Konzentration (bei normalem Druck 26%) vorhersehbar, ja berechenbar explodiert. Diese Tatsache wird erfindungsgemäß genutzt, siehe unten. Die Explosion bleibt aber stets auf die Dampfphase begrenzt und überträgt sich nicht auf die Wasserstoffperoxidflüssigkeit. Diese an sich bekannte Beobachtung konnte vom Erfinder durch ausgedehnte Meßreihen in vollem Umfang bestätigt werden.

Sorgt man nun dafür, daß die gefährliche Dampfkonzentration mit Sicherheit nicht erreicht wird, was durch geeignete Maßnahmen möglich ist, oder daß eine Dampfphase gar nicht erst entsteht (z. B. in zusammendrückbaren Plastiksäcken wie auf wasserstoffperoxidbetriebenen U-Booten, die gegen Ende des 2. Weltkrieges in Entwicklung waren), so sind Explosionen ausgeschlossen. (Es handelte sich um U-Boote, die nicht mit Hubkolbenmotoren, sondern mit Turbinenantrieb ausgestattet waren, siehe R. Mitteau, Chimie & Industrie, 63 (1950), 144. Bei konventionellen Treibstoffen wird seit fast einem Jahrhundert eine nicht minder große Explosionsgefahr (bekanntestes Beispiel: "Hineinleuchten mit Streichholz in den Tank") in Kauf genommen, und man hat sich daran gewöhnt, mit ihr zu leben. Im Falle von Wasserstoffperoxid und seinen konzentrierten Lösungen müßte man aufpassen, daß sie nicht mit brennbaren bzw. leicht oxidablen organischen Stoffen in Berührung kommen.)

Auch eine kontinuierlich verlaufende Zersetzung des Wasserstoffperoxids ist kein Argument gegen seine breite Anwendung, denn die heute erhältliche Handelsware ist hinreichend stabilisiert. Es wird noch zu ermitteln sein, welche Stabilisatoren sich bei Verwendung von Wasserstoffperoxid in Hubkolbenmotoren am besten eignen.

Verwendung des Wasserstoffperoxids für sich allein als Treibstoff

Beim Zerfall des Wasserstoffperoxids wird ein Energiebetrag von 23,45 kcal · mol^-1 in Freiheit gesetzt. Zieht man davon die zum Erhitzen und Verdampfen benötigte Energiemenge (insgesamt etwa 15 kcal/mol) ab, so resultiert eine Restmenge von etwa 8 bis 9 kcal · mol^-1, die in mechanische Arbeit umgesetzt werden kann. Da man in der Praxis nicht 100%iges, sondern höchstens 90%iges Wasserstoffperoxid verwenden wird, ist die für mechanische Energie nutzbare Restenergie noch geringer. Dennoch muß durch weitere Berechnungen und Versuche geklärt werden, ob diese Energiemenge für den Niederlastbetrieb oder zumindest Leerlauf eines Hubkolbenmotors ausreicht. Sollte das nicht der Fall sein, so entfällt zwar die Möglichkeit, Wasserstoffperoxid für sich allein als Treibstoff zu verwenden, aber auch im Mischbetrieb (siehe unten) kommt seine freiwerdende Zerfallsenergie der Gesamtenergiebilanz zugute.

Bestandteil der Erfindung ist die Nutzung der Tatsache, daß der Wasserstoffperoxiddampf bei Erreichen einer genügend hohen Dichte und Temperatur explodiert. Der Zeitpunkt der Explosion und ihre Parameter können in gewissem Umfang, z. B. durch Verwendung von Katalysatoren, variiert werden. Es ist noch zu prüfen, ob die zur Explosion des Dampfes erforderlichen Dichte und Temperatur - in Analogie zu den Vorgängen im Dieselmotor - allein durch Kompression erreichbar sind oder ob zusätzlich eine Zündung benötigt wird.

Verwendung des Wasserstoffperoxids als Treibstoff und Sauerstofflieferant zugleich (Mischbetrieb)

Wie schon erwähnt, wird ein Teil des Energiegehaltes des Wasserstoffperoxids in mechanische Arbeit umgewandelt und trägt damit zum Betrieb des Motors direkt bei, ist also in diesem Sinne ein Treibstoff. Wird daneben ein weiterer Treibstoff (konventioneller Treibstoff, Alkohol, Wasserstoff etc.) verwendet, so tritt allerdings die Treibstoffwirkung des Wasserstoffperoxids gegenüber seiner Funktion als Lieferant des zur Verbrennung des anderen Treibstoffes benötigten Sauerstoffs zurück.

Beim Mischbetrieb werden die Verhältnisse naturgemäß noch komplexer sein als beim Betrieb mit Wasserstoffperoxid allein; ihre Erforschung steht noch bevor. Es wird sich um ein System aus mehreren Komponenten handeln, nämlich aus konventionellem Treibstoff (oder Alkohol oder Wasserstoff etc.), Wasserstoffperoxid samt dem aus ihm stammenden Wasser bzw. Wasserdampf sowie der atmosphärischen Luft, deren Durchsatz allerdings so gering als möglich gehalten werden soll.

Im Idealfall würde der gesamte Sauerstoffbedarf nicht mehr aus der Luft, sondern aus Wasserstoffperoxid gedeckt werden, so daß sich Stickoxide nur noch aus den im Treibstoff üblicherweise in nur sehr niedrigen Konzentrationen enthaltenen Stickstoffverbindungen bilden können. Das Nahziel ist jedoch eine Zumischung des Wasserstoffperoxids zur Verringerung der NO_x-Werte und des Treibstoffverbrauchs und damit auch des Gesamtausstoßes an Schadstoffen.

Das Wasserstoffperoxid bzw. dessen konzentrierte Lösungen sollen nach einem der im folgenden angegebenen Verfahren in den Brennraum der Motorzylinder eingebracht oder eingelassen werden:

1. als Flüssigkeit durch Einspritzen, Ansaugen oder auf andere Weise, ggf. unter gleichzeitigem Vernebeln und/oder Verdampfen;

2. als Flüssigkeit durch intermittierendes Einspritzen von Tropfen bzw. kleiner konstanter Volumina in die Zuleitung, durch welche flüssiger oder gasförmiger Treibstoff zum Brennraum transportiert wird;

3. als Dampf/Wasserdampf-Gemisch

4. als Dampf/Wasserdampf-Luft-Gemisch

5. als Dampf/Luft-Gemisch

6. als Dampf/Treibstoffdampf-Gemisch

7. als Dampf/Treibstoffdampf/Luft-Gemisch

Zu Ziffern 3 bis 7: Die Zusammensetzung dieser Gemische muß so gewählt werden, daß sie vor Eintritt in den Brennraum mit Sicherheit nicht explodieren können!

Die Mengenverhältnisse der Komponenten sollen erfindungsgemäß rechner- oder prozessorgesteuert sein, aber auch per Hand gezielt geändert werden können. So sollte z. B. das Wasserstoffperoxid/Luft- Verhältnis bei Landfahrzeugmotoren in Tunnels und längeren Unterführungen oder bei Smog vorübergehend erhöht werden können.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist der Einsatz von Katalysatoren, z. B. Raney-Metallen, in den Brennkammern der Hubkolbenmotoren. Das Wasserstoffperoxid soll in diesem Fall nicht nur durch Verdichtung und Temperaturerhöhung, sondern zusätzlich auch katalytisch zersetzt werden, wodurch die Reproduzierbarkeit des Explosionszeitpunktes verbessert werden soll.

Die Verwendung von Wasserstoffperoxid wird eine Umrüstung und Anpassung der Hubkolbenmotoren erfordern, die erst erarbeitet werden muß. Aus diesem Grund können auch bei den oben genannten Verfahren keine detaillierten Angaben gemacht werden.

Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Beim thermischen Zerfall des Wasserstoffperoxids fallen als Reaktions-Endprodukte nur Wasser und Sauerstoff an.

2. Wasserstoffperoxid zerfällt unter den im Brennraum von Hubkolbenmotoren herrschenden Bedingungen vollständig und ist in den Abgasen nicht enthalten.

3. Der Zerfall des Wasserstoffperoxids erfolgt stark exotherm, wobei ein Teil der in Freiheit gesetzten chemischen Energie in mechanische Energie (Arbeitshub des Kolbens) umgesetzt werden kann. In diesem Sinn ist Wasserstoffperoxid als Treibstoff anzusehen. Es vermag in dieser Eigenschaft
a) den Verbrauch sonstiger Treibstoffe in Hubkolbenmotoren zu reduzieren und damit auch
b) den Ausstoß der bei der Verbrennung dieser Treibstoffe entstehenden umweltbelastenden Stoffe zu verringern.

4. Der beim Wasserstoffperoxidzerfall in Freiheit gesetzte Sauerstoff kann anstelle der atmosphärischen Luft oder zusätzlich zu dieser zur Verbrennung von Treibstoffen üblicher Art oder des Wasserstoffs genutzt werden. In seiner Eigenschaft als Sauerstofflieferant eignet sich deshalb das Wasserstoffperoxid zur Verringerung des Luftdurchsatzes von Hubkolbenmotoren. Da Stickoxide in den Motoren zu einem weitaus überwiegenden Teil durch die Oxidation des Luftstickstoffes entstehen, Wasserstoffperoxid aber frei von Stickstoff ist, führt die Verwendung von Wasserstoffperoxid in Hubkolbenmotoren zu einer Verringerung des Stickoxidausstoßes.

5. Die Energiedichte des Wasserstoffperoxids ist zwar bedeutend niedriger als die der üblichen Treibstoffe; verglichen mit den eingangs erwähnten Hydridspeichern für Wasserstoff, die bis zu 25-mal mehr wiegen als ein voller Benzintank gleichen Energiegehaltes erscheint jedoch das Verhältnis im Falle des Wasserstoffperoxids (nach vorläufiger Schätzung das 6- bis 9-fache Benzingewicht) vertretbar.

Claims

1. Verwendung von Wasserstoffperoxid als Treibstoff für Hubkolbenmotoren.

2. Verwendung von Wasserstoffperoxid in Hubkolbenmotoren als Lieferant des zur Verbrennung von an sich bekannten Treibstoffen oder Treibstoffgemischen benötigten Sauerstoffes anstelle der atmosphärischen Luft oder zusätzlich zu dieser.

3. Verwendung von Wasserstoffperoxid nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines konventionellen Treibstoffes oder zusätzlich Wasserstoff im Hubkolbenmotor verbrannt wird.

4. Verwendung von Wasserstoffperoxid nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wäßrige Lösungen des Wasserstoffperoxids verwendet werden.

5. Verfahren zur Verwendung von Wasserstoffperoxid nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sowie zur Verwendung von Wasserstoffperoxidlösungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoffperoxid oder dessen Lösungen als Flüssigkeit in den Brennraum der Hubkolbenmotoren eingespritzt oder auf eine andere Weise eingebracht oder eingelassen werden.

6. Verfahren zur Verwendung von Wasserstoffperoxid nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sowie zur Verwendung von Wasserstoffperoxidlösungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoffperoxid oder dessen Lösungen als Dampf in den Brennraum der Hubkolbenmotoren gepumpt, angesaugt oder auf eine andere Weise eingebracht oder eingelassen werden.

7. Verfahren zur Verwendung von Wasserstoffperoxid oder seinen wäßrigen Lösungen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoffperoxid im Brennraum des Hubkolbenmotors katalytisch zersetzt wird.