Beim Deutschen Patentamt erfolgte am 27.12. 2024 unter dem Aktenzeichen:

10 2024 OO4 428.0 meine Patentanmeldung mit dem Titel:

Verfahren zum Betrieb einer Kolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine und ein Verfahren zum Betrieb einer

Kolbenmaschine. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betrieb

einer Kolbenmaschine, deren Energiebedarf im Brennraum der Kolbenmaschine

durch die gezielte Herbeiführung einer zweistufigen Explosion abgedeckt wird.

Hintergrund der Erfindung

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe stellt infolge der anfallenden,

umweltschädlichen und vor allem klimaschädlichen und bis dato nur teilweise

beherrschbaren Emissionen (C0 2 , CO, S0 2 , Ruß) sowie der sich abzeichnenden

Erschöpfung der Rohstoffvorkommen für die Menschheit und den Planeten ein

erhebliches weltweites Problem dar. Die überwiegend verwendeten fossilen

Brennstoffe wie z .B. Benzin und Diesel sind nicht erneuerbar. Deshalb wird nach

Alternativen geforscht.

Nach heutigem Erkenntnisstand wird bei einer zukünftigen weitgehenden und

weltweiten Umstellung der Energieversorgung auf nicht fossile Primärenergie auf

die umfangreichen Vorkommen an Wasserstoff in Form von Wasser zurück

gegriffen werden. Wasser selbst ist in nahezu unbegrenzter Verfügbarkeit

vorhanden und liegt mit 0,88 Massen % an neunter Stelle der Häufigkeit der in

der Erdrinde vorkommenden Verbindungen. Wasser kommt in der Natur in allen

drei Aggregatzuständen - fest, flüssig und gasförmig – vor. Wasserstoff kommt

deshalb als zukünftiger Primärenergieträger und „saubere Energiequelle" in

Betracht.

Das Wasserstoffatom ist das einfachste und leichteste Element aus der Reihe der

chemischen Elemente. Molekularer Wasserstoff

geruchloses Gas mit einer Dichte von 0,0899 kg/m 3 .

(H 2 ) ist ein farb- und

Mit Sauerstoff (O 2 ) reagiert Wasserstoff (H 2 ) zu Wasser (H 2 O). Die Reaktion kann

sowohl thermisch als auch katalytisch als auch in jeglicher thermischer und

katalytischer Kombination eingeleitet werden.

Knallgas ist ein hoch explosives Mischgas aus Wasserstoff (H 2 ) und Sauerstoff (O 2 ).

Die Zündgrenzen bei Knallgas liegen bei 4,00 bis 74,20 Vol.% H 2 für Wasserstoff in

der Luft.

Wasserstoff besitzt unter allen Gasen den höchsten Diffusionskoeffizienten, die

untere und obere Detonationsgrenze von Wasserstoff in Luft liegt bei 18 und 59

Vol.%, die Zündtemperatur beträgt 858°C, die Verbrennungsgeschwindigkeit in

Luft ist 275 cm/s und im Vergleich zu Benzin mit 37 bis43 cm/s wesentlich höher.

Die Detonationsgeschwindigkeit in Luft ist mit 1,9 km/s im Vergleich zu Benzin mit

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1,4 bis 1,7 km/s ebenfalls höher.

Im Vergleich zu anderen Brennstoffen hat Wasserstoff einen besonders weiten

Zündbereich, eine hohe Verbrennungs- und Flammgeschwindigkeit und benötigt

eine relativ geringe Zündenergie. Infolge der viel höheren Geschwindigkeit mit

der sich Wasserstoff Flammen ausbreiten detonieren Wasserstoff-Luft-

Gemische (Knallgas) viel eher als andere Gase.

Beträgt der Wasserstoffanteil in einem Knallgas 29 Vol.%, entfällt auf jeweils

zwei Wasserstoffatome ein Sauerstoff Atom, und der Wasserstoff verbrennt.

Wenn die Zündtemperatur der Flammen von 535 Grad Celsius überschritten wird,

kommt es bereits zu einer Verpuffung oder Detonation.

Somit kommt Knallgas als Betriebsstoff dem heute überwiegend verwendeten

Benzin oder Dieselöl aus technisch ökonomischen Gründen als Alternative in

Frage.

Aus dem Stand der-Technik sind Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff

bzw. Knallgas bekannt. Insbesondere sind Verfahren bekannt, die die

Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse-Verfahren, sowie dessen

Speicherung, Transport und Betrieb von Verbrennungsmotoren umfassen, um die

heute üblichen Treibstoffe wie z.B. Benzin und/oder Diesel durch Wasserstoff bzw.

Knallgas zu ersetzen.

Wasserstoffgas stellt ein zwar energiereiches, aber auch zugleich hoch explosives

Gas dar, bei dessen Umgang Gefährdungen für Leben und die körperliche

Unversehrtheit von Mensch und Tier erwachsen können.

Bis heute ist im Stand-der-Technik kein sicheres und zugleich kostengünstiges und

damit wirtschaftliches Erzeugungs- Transport- und Speichersystem für Wasserstoff

bekannt.

Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, eine sichere und ökonomische

Lösung zum Betrieb einer Kolbenmaschine zu finden, um die vorhandene Natur zu

schützen und keine zusätzlichen, die Menschheit und die Umwelt / Klima

gefährdenden Giftstoffe und/oder Strahlung zu erzeugen.

Die bezeichneten Probleme im vorgenannten Stand-der-Technik werden durch das

anspruchsgemäße Verfahren und die anspruchsgemäße Vorrichtung gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer

Kolbenmaschine, die mindestens einen Brennraum und einen bewegbaren Kolben

umfasst. Eine ein Reaktionsmittel umfassende Wasserdispersion wird dem

Brennraum der Kolbenmaschine zugeführt, wobei im Brennraum ein Glühkörper

vorhanden ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Auslösen einer

sofortigen ersten Explosion durch eine explosionsartige Verdampfung des in der

Wasserdispersion enthaltenen Wassers, indem die Wasserdispersion zum

Auftreffen auf den Glühkörper gebracht und dadurch über den Siedepunkt der

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Wasserdispersion erhitzt wird, sowie das Auslösen einer zweiten Explosion,

gleichzeitig mit oder unmittelbar nach der ersten Explosion, indem das verdampfte

Wasser an dem Glühkörper mit dem Reaktionsmittel auf eine Prozeßtemperatur

erhitzt und somit zu einer ersten chemischen Reaktion gebracht wird, bei der

gasförmiger Wasserstoff entsteht, der sich mit im Brennraum vorhandenen

Prozeßsauerstoff unter Einfluß der im Brennraum durch den Glühkörper aufrecht

erhaltenen Prozeßtemperatur in einer Knallgasreaktion zu Wasser verbindet. Die

durch die erste und zweite Explosion entstehende expansive Reaktionsenergie wird

durch Bewegung des Kolbens in mechanische Bewegungsenergie umgesetzt.

Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst die Erfindung weiteres eine Kolbenmaschine

zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Kolbenmaschine

einen Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter für die Erzeugung und

Bevorratung der Wasserdispersion und eine Wasserdispersionszuleitung zu einer

Einspritzpumpe umfasst. Die Kolbenmaschine umfasst zumindest einen Injektor,

durch den die Wasserdispersion in einen Brennraum zugeführt wird, sowie ein in

den Brennraum eingebrachten Glühkörper und eine dem Brennraum

nachgeordnete Filtervorrichtung, wobei der Brennraum ferner Mittel umfasst, den

Glühkörper dauerhaft zum Glühen zu bringen.

Weitere Aspekte der Erfindung sind in den anhängigen Ansprüchen definiert,

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen

in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise näher erläutert.

Abbildung 1 zeigt

Kolbenmaschine.

ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer

Abbildung 2 zeigt schematisch eine Kolbenmaschine zur Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Abbildung 1 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer in Abbildung 2 schematisch

dargestellten Kolbenmaschine 20 deren Energiebedarf im Brennraum 3 der

Kolbenmaschine 20 durch die gezielte Herbeiführung einer Explosion abgedeckt

wird.

Die in Abbildung 2 schematisch gezeigte Kolbenmaschine 20 umfasst ein

Brennstoffdispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter 1 , der mit einer

Einspritzpumpe 2 verbunden ist. Diese wiederum pumpt Brennstoff über die

Wasserdispersionszuleitung (Brennstoffzuleitung) 4 in Richtung des

Anschlusses des Injektors (Brennstoffinjektors) 6. Der Brennraum 3 umfass t

zumindest ein Einlaßventil 5 für den für die Verbrennung notwendigen

Prozeßsauerstoff, sowie zumindest ein Auslaß- oder Auspuffventil 8 . Der

Abgasmassenstrom wird über das Auspuffventil 8 und eine

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Auspuffdampfrücklaufleitung 11 in ein Auffangkondensationsgefäß 12 geleitet.

Das Auffangkondensationsgefäß 12 umfasst in einer Ausführungsform eine

Filtervorrichtung. Der Heißdampf wird in dem Auffangkondensationsgefäß 12

kondensiert und das derart kondensierte Wasser über eine Rücklaufleitung 13

zurück in den Brennstoff-Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter 1 geleitet.

In Abbildung 2 ist ferner eine schematische Ansicht eines Kolbens 9 und

einer Pleuelstange 10 des Kolbens dargestellt. Der Kolben ist beweglich

angeordnet, wobei die Bewegung über die Pleuelstange 10 auf eine Kurbelwelle

übertragen wird.

In einer Ausführungsform ist die Kolbenmaschine 20 als Viertakt-

Verbrennungsmotor (Ottomotor) ausgeführt, was eine Kombination des

erfindungsgemäßen Verfahrens mit bereits lange und erfolgreich erprobten

Antriebstechnologien aus dem Stand-der-Technik ermöglicht.

Abbildung 1 zeigt von oben nach unten den zeitlichen

erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe Zeitstrahl links in Abb. 1).

Verlauf des

Eine ein Reaktionsmittel umfassende Wasserdispersion wird als Brennstoff in einem

ersten Schritt 100 dem Brennraum 3 der Kolbenmaschine 20 zugeführt, wobei in

dem Brennraum 3 ein Glühkörper 7 eingebracht ist, wo in einem zweiten Schritt 101

die Wasserdispersion, beispielsweise durch den Injektor 6, zum Auftreffen auf den

Glühkörper 7 gebracht und dadurch über den Siedepunkt der Wasserdispersion

erhitzt wird.

In einer Ausführungsform wird die Wasserdispersion aus einem Brennstoff-

Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter 1 zugeführt. Dies ermöglicht eine

kontrollierte Bevorratung der Wasserdispersion, sowie beispielsweise das Mitführen

eines Vorrates der Wasserdispersion als Brennstoffvorrat bei durch die

erfindungsgemäße Kolbenmaschine 20 angetriebenen Fahrzeugen als auch das

Aufrechterhalten eines teilweisen Brennstoff-Kreislaufes, wie untenstehend noch

näher beschrieben sein wird.

In einer Ausführungsform, und wie in Abbildung 2 schematisch gezeigt, kann der

Glühkörper 7 durch eine dauernd glühende metallene Glühkerze 7, wie sie

beispielsweise in einem Dieselmotor verwendet wird, umfasst sein deren

Glühtemperatur sich im Bereich von 1150 bis 1300° C bewegt.

In einen dritten Schritt 102 wird eine erste Explosion durch eine explosionsartige

Verdampfung des in der Wasserdispersion enthaltenen Wassers ausgelöst. lnfolge

des vom Verdichtungshub erzeugten Drucks entsteht ein unter Druck stehender

Feinst-Wasserdampf.

Die physikalische Explosion erfolgt, da der Siedepunkt des in der Wasserdispersion

enthaltenen Wassers erheblich niedriger ist als die Temperatur des mit 1150° bis

1300°C glühenden Glühkörpers 7, wie beispielsweise der Glühkerze 7. Das in der

Wasserdispersion enthaltene Wasser verdampft unmittelbar beim Auftreffen auf den

Glühkörper 7. Da der infolge der physikalischen Explosion erzeugte Heißdampf im

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Verhältnis zur eingespritzten flüssigen Wassermenge ein in etwa 1350fach größeres

Volumen einfordert, erfolgt eine raumsuchende Wasserdampf-Explosion.

In einem viertem Schritt 104 erfolgt das Auslösen einer zweiten Explosion,

gleichzeitig mit oder unmittelbar nach der ersten Explosion, indem das verdampfte

Wasser an dem Glühkörper 7 mit dem Reaktionsmittel auf eine Prozeßtemperatur

erhitzt und somit zu einer ersten chemischen Reaktion gebracht wird, bei der

gasförmiger Wasserstoff entsteht, der sich mit im Brennraum 3 vorhandenen

Prozeßsauerstoff unter Einfluß der im Brennraum 3 durch den Glühkörper 7 aufrecht

erhaltenen Prozeßtemperatur in einer Knallgasreaktion nach der chemischen

Reaktion H 2 + 0 2 > 2H 2 0 zu Wasser verbindet.

Die notwendige Menge Knallgas wird somit direkt im Brennraum 3 erzeugt und

dort sofort, und damit, ohne dass es zu einer Gefährdung für dem

Menschen kommt verbraucht, sowie ohne der Notwendigkeit eines besonderen

Regelbedarfs.

In einem fünften Schritt 105 wird die durch die erste und zweite Explosion

entstehende expansive Reaktionsenergie durch Bewegung des Kolbens 9 in

mechanische Bewegungsenergie umgesetzt.

Die notwendige Menge der pro Kolben 9 (Zylinder) einzuspritzenden

Wasserdispersion ist je nach Motorbauart unterschiedlich und wird empirisch

festgelegt. Die Menge wird so gewählt, dass es infolge der höheren Knallgas-

Verbrennungsgeschwindigkeit im Vergleich zur Verbrennungsgeschwindigkeit von

Benzin oder Diesel zu keiner Beschädigung des Kolbenbodens und/oder der

Kolbenmaschine 20 kommt.

Das beim Betrieb dieser Kolbenmaschine 20 anfallende Abgas oder „Auspuffgas“ ist

immer nur umweltfreundlicher Heißwasserdampf. Es kommt damit zu keiner

Freisetzung von umweltschädlichen Emissionen.

Durch die Abkühlung des Wasserdampfs kondensiert dieser erneut zu Wasser und

dieses Wasser wird in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in den

Brennstoff-Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter 1 zurückgeleitet, wodurch

nur ein relativ geringer Nachfüllbedarf an Wasser entsteht. Es ist so ein teilweiser

Kreislauf entstanden.

In einer Ausführungsform ist dem Brennraum 3 die Kondensationsvorrichtung 12

nachgeordnet, in welcher der bei dem Verfahren entstandene Wasserdampf erneut

verflüssigt wird, und welche auch eine Filtervorrichtung umfasst, in der die

Reaktionsmittel zumindest teilweise dem Auspuffmassenstrom entnommen werden.

Das industriell bis heute ungelöste Problem einer Wasserspaltung ist die

Abtrennung des Wasserstoffes und Sauerstoffes unter Prozeßbedingungen und

damit insbesondere die Vermeidung der Rekombination. Im erfindungsgemäßen

Verfahren wird diese Rekombination jedoch hingegen herbeigeführt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die für die Herstellung der

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Wasserdispersion (Brennstoff) erforderlichen nicht entzündlichen

Ausgangsstoffe wie Wasser, Metall und Luft in vollkommen ungefährlicher Form

überall, aber insbesondere auch in jedem durch die erfindungsgemäße

Kolbenmaschine 20 angetriebenen Fahrzeug transportiert bzw. dort zum

Verbrauch, bereit gehalten werden.

In einer Ausführungsform umfasst die Wasserdispersion als Reaktionsmittel

pulverförmiges Mikro- oder Nanometall und/oder Molybdänsulfid. Hinsichtlich der

nachfolgend beschriebenen Zusammensetzung der Wasserdispersion wird

zusätzlich auf das deutsche Patent DE 10 2012 015 373 B4 verwiesen.

Pulverförmige Mikro- oder Nanometalle oder Molybdänsulfid besitzen im Verhältnis

zum Volumen der Mikro- oder Nano-Pulverpartikel eine größere Oberfläche als im

Verhältnis zu herkömmlichen Pulverpartikeln, so dass sich mehr Wassermoleküle

pro Zeiteinheit mit dem Reaktionsmittel chemisch verbinden können, also dies bei

gewöhnlichen pulverförmigen Metallen der Fall wäre. Dies verbessert die

Reaktionsneigung und ermöglicht hinreichend schnelle, für den Motorbetrieb

geeignete Reaktionszeiten.

Wasser als nicht fossiler Brennstoff ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren der

Hauptbeststandteil der metallhaltigen Wasserdispersion. Durch das Auftreffen

dieser Wasserdispersion auf den Glühkörper 7 (Glühkerze) wird im Brennraum 3

sofort die Wasserdampf-Explosion auslöst. Das erfindungsgemäße Verfahren

ermöglicht die Verwendung jeder Art von Wasser, wenn dieses Wasser frei von

störenden Verunreinigungen wie beispielsweise Feststoffen ist.

In einer Ausführungsform umfasst die Wasserdispersion 93 bis 95 Gew.% Wasser

und 3 bis 5 Gew.% pulverförmiges Mikro- oder Nanometall und/oder Molybdänsulfid.

Dieses Mischungsverhältnis ermöglicht für das erfindungsgemäße Verfahren eine

optimale Reaktionszeit sowohl für die Wasserdampf-Explosion als auch die

zeitgleich oder unmittelbar danach stattfindende Knallgasreaktion.

In einer Ausführungsform umfasst das pulverförmige Metall Mikro-Aluminium

und/oder Nano-Aluminium und/oder Mikro-Zink und/oder Nano-Zink. Aluminium

und Zink gehören als chemisch unedle Metalle zu den reaktionsfreudigen

Metallen.

Im Stand-der-Technik ist Aluminium als langlebiges, rostfreies Metall bekannt.

Chemisch gesehen ist es eines der unedelsten und damit reaktionsfreudigsten

Metalle. ln Kontakt mit Wasser entreißt es den H 0 Molekülen unmittelbar den

2

Sauerstoff und setzt Wasserstoff und Energie frei. Das blanke Metall reagiert des

weiteren an der Luft unmittelbar mit Sauerstoff und überzieht sich mit einer

dünnen Oxidschicht, die alle weiteren Reaktionen an de r

Me t a l l o b e r f l ä c h e unterbindet.

Wird beispielsweise Aluminium unter Anwendung von im Stand-der-Technik (seit)

Jahrzehnten bekannten, industriellen Verfahren bis zu einem Durchmesser von

einem Tausendstel Millimeter verkleinert, so wird Mikro-Aluminium ( µ - Al) erhalten.

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Bei Mikro-Aluminium (µ-AI)ist die Oxidschicht nur noch sehr dünn und bricht daher

dementsprechend schneller auf. Mikro-Aluminium (µ-Al) reagiert bereits bei

Temperaturen unter 1.000° C mit Wasser.

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Glühkörper 7, wie

beispielsweise die Glühkerze 7, auf eine Temperatur von 1000°C bzw. eine

höhere Temperatur gebracht und stellt somit die benötigte Energie für das

Aufbrechen der Oxidschicht von Mikro-Aluminium (µ-Al) bereit.

Ein beispielsweise in der Wasserdispersion enthaltenes Mikro-Aluminium (µ-Al)

schmilzt bereits bei 660° C und es kommt beim Auftreffen auf den 1150 bis 1300° C

heißen Glühkörper 7, wie beispielsweise die Glühkerze 7, zusätzlich zu der

nachfolgend dargestellten chemische Reaktion:

2Al + 3H 2 O -> Al 2 O 3 + 3H 2

Das als Reaktionsabfallprodukt entstehende Aluminiumoxid Al 2 O 3 , das auch mit

dem Begriff Tonerde bezeichnet wird, ist ein weißes ungefährliches Pulver, das

weder Gift- noch sonstige Gefahrenstoffe beinhaltet. Das Aluminiumoxid wird mit

dem rekombinierten Wasserdampf in die Auspuffdampfrücklaufleitung 11

mitgerissen. In einer Ausführungsform wird die Tonerde durch einen Tonerdefilter

abfiltriert. Dies vermeidet, dass die Tonerde in die Umwelt gelangt.

Durch den Ansaugtakt der Kolbenmaschine 20 ist im Brennraum 3 in einer

erfindungsgemäßen Ausführungsform bereits Prozeßsauerstoff in Form von Luft

zugeführt worden und somit im Brennraum 3 bereits vorhanden und es entsteht

zusammen mit dem soeben erzeugen Wasserstoff (H 2 ) Knallgas.

Infolge der im Brennraum herrschenden hohen Temperatur erfolgt sofort nach der

Entstehung des Knallgases die Knallgasreaktion nach der vorgenannten

chemischen Reaktion H 2 + 0 2 -> 2H 2 0 als zweite Explosion, die gleichzeitig oder

unmittelbar nach der ersten Explosion stattfindet.

Die sowohl von der ersten (physikalischen) als auch von der zweiten (chemischen)

Explosion ausgehenden expansive Reaktionsenergie wird dann, wie vorstehend

bereits ausgeführt, mittels des Kolbens 9 der Kolbenmaschine 20 in

Bewegungsenergie umgesetzt.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Wasserdispersion erzeugt somit

Wasserstoff "on demand", also je nach Bedarf der Kolbenmaschine 20/des Motors,

indem die in der Wasserdispersion enthaltenen Mikro/Nano-Metalloberflächen auf

den Glühkörper 7 auftreffen, so dass die Mikro/Nano-Metalloberflächen mit dem

Wasser der Wasserdispersion spontan reagieren und dabei Wasserstoff

produzieren. Das Mikro-Nanometall muss dabei in der elektrochemischen

Spannungsreihe höher als Wasserstoff liegen und über absolut stabile und sichere

Handhabungseigenschaften verfügen.

Im Stand-der-Technik sind preisgünstige Verfahren zur Herstellung von Mikro-/

Nanometallen bekannt.

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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt die

Tenside und/oder Kaliumcarbonat und/oder Frostschutzmittel.

Wasserdispersion

Tenside verringern die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder setzen deren

Grenzflächenspannung herab und ermöglichen oder unterstützen somi t die

Bildung von Dispersionen. Bereits einige Tropfen eines handelsüblichen

Haushalts-Spülmittels in einer Mikro-Aluminium (µ-Al) umfassenden

Was s er dispersion verringern die Oberflächenspannung einer solchen

Dispersion.

Kaliumkarbonat, K 2 CO 3 , trägt zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit der

zweiten Reaktion zur Erzeugung von Wasserstoff bei, ohne dass teure

Edelmetallkatalysatoren verwendet werden müssen. Kaliumcarbonat

(Pottasche), das Kaliumsalz der Kohlensäure, bildet ein weißes,

hygroskopisches Pulver mit einer Schmelztemperatur von 891°C und einer

Dichte von 2,428g/cm 3 und ist kostengünstig in Handel erhältlich. Im Stand-der-

Technik ist Kaliumcarbonat bereits bekannt als Elektrolytbestandteil zur

Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit in Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen.

Wird die Verbrennungskraftmaschine Kolbenmaschine, im Winter bei

Minusgraden betrieben, dann wird dem Wasser Frostschutzmittel zugefügt. Der

angegebene Wasseranteil der Wasserdispersion verringert sich entsprechend.

Die Erzeugung der Dispersion

bekanntes Verfahren erfolgen.

kann durch jedes im Stand-der-Techni k

In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird beispielsweise in dem

Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter (Tank) 1 der Kolbenmaschine die

Wasserdispersion erzeugt und anschließend als Brennstoff für den Betrieb der

Kolbenmaschine 20,verwendet.

Die Wasserdispersion besteht in einer Ausführungsform, wie vorstehend bereits

ausgeführt, aus 93 bis 95 Gew.% Wasser und 3 bis 5 Gew.%Metallen, wie

beispielsweise Mikro-Aluminium,

In einer Ausführungsform besteht die Wasserdispersion ferner aus 1 Gew.%

Tensiden, 1 Gew.% Kaliumcarbonat (Pottasche), und einem Frostschutzmittel

geeignet für den Betrieb der Kolbenmaschine 20 (Motor) bei Temperaturen unter

0°C (Winterbetrieb).

Die erfindungsgemäße Wasserdispersion besteht somit

Materialien, die ungefährlich für Mensch und Umwelt sind.

ausschließlich aus

In einer Ausführungsform wird die die Wasserdispersion abwechselnd mit Wasser

dem Brennraum 3 zugeführt. Dies ermöglicht einen sparsamen Verbrauch der

Wasserdispersion und damit der in ihr enthaltenen Materialien wie beispielsweise

die Mikro- und Nanometalle bei gleichzeitigem Betrieb der Kolbenmaschine 20 mit

dauerhaft unverminderter Effizienz. Durch Variation der in den Verbrennungsraum

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eingebrachten Wasserdispersionsmenge wird die jeweils nötige Knallgasmenge

zum Betrieb der Kolbenmaschine 20, wie etwas eines Ottomotors, hergestellt. Der

Gasbedarf ist beispielsweise durch den momentanen Lastzustand der

Kolbenmaschine 20 beeinflußt.

In einer Ausführungsform wird der Prozeßsauerstoff in Form von Luft zugeführt.

Dies ermöglicht es, dem Prozeßsauerstoff aus der umgebenden Luft zu entnehmen,

was das Vorhalten eines eigenen Behälters für den Prozeßsauerstoff entbehrlich

macht. Beispielsweise brauchen damit Fahrzeuge, die mit der erfindungsgemäßen

Kolbenmaschine 20 betreiben werden, keinen separaten Tank für den

Prozeßsauerstoff mitzuführen.

Zur Optimierung der Verbrennung ist in einer AusführungsformSauerstoff in einem

über die stöchiometrischen Verhältnisse hinausgehenden Anteil vorhanden.

Dieser Sauerstoffüberschuß wird beispielsweise durch den im Heißdampf

befindlichen Luftsauerstoff und durch die Ansaugluft bereit gestellt und liegt

beispielsweise zwischen 1,14 als oberen Grenzwert und 9,85 als unteren

Grenzwert.

In einer Ausführungsform wird die Wasserdispersion durch einen Injektor 6 auf den

Glühkörper 7 aufgespritzt. Dies ermöglicht ein kontrollierbares Aufbringen der

Wasserdispersion auf den Glühkörper 7.

In einer Ausführungsform umfasst der Injektor 6 einen üblicherweise für Benzin-

/Dieselmotoren verwendeten Pumpen-Düse-Injektor, der mit Hochdruck auf den

Glühkörper 7 die metallhaltige Wasserdispersion aufspritzt. Beispielsweise spritzt

eine Hochdruckpumpe mittels einer Einspritzdüse die Wasserdispersion (Brennstoff)

punktgenau auf den Glühkörper 7 (Glühkerze) auf.

In einer Ausführungsform ragt der Injektor

3 des Zylinders. Dies erleichtert

Wasserdispersion auf den Glühkörper 7.

zumindest teilweise

das punktgenaue

in den Brennraum

Aufspritzen der

In einer Ausführungsform wird der Wasserdispersion eine Menge Öl zugemischt,

welche geeignet ist, eine ausreichende Schmierung der Kolbenmaschine 20

sicherzustellen. Die Schmierung der Kolbenmaschine kann analog wie beim Betrieb

eines Zweitakt-Verbrennungsmotors erfolgen.

In einer Ausführungsform wird der erforderliche Strom für den Injektor 6 und den

Glühkörper 7 durch den Einsatz von im Stand-der-Technik bekannten Technologien

wie z.B. durch die Anflanschung eines Generators als Nebenaggregat an

die Kolbenmaschine 20 erzeugt und in einer Batterie, wie diese

üblicherweise in jeden Kraftfahrzeug vorhanden ist, gespeichert.

In einer sehr bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße

Verfahren und die erfindungsgemäße Kolbenmaschine 20 zum Betreiben

von Stromgeneratoren, wie beispielsweise Hausstromgeneratoren,

eingesetzt. Die für die Herstellung der Wasserdispersion (Brennstoff)

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erforderlichen nicht entzündlichen Ausgangsstoffe wie Wasser, Metall und Luft

können hierbei in vollkommen ungefährlicher Form in einem Gebäude wie etwa

einem Wohnhaus gelagert werden.

Bezugszeichenliste

1

2

3

4

5

6

7

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9

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11

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20

Brennstoff-Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter;

Einspritzpumpe;

Brennraum (des Zylinders);

Wasserdispersionszuleitung (Brennstoffzuleitung);

Einlaßventil für die Ansaug-Luft;

Injektor (für Wasserdispersion/Brennstoff);

Glühkörper;

Auspuffventil

Kolben (der Kolbenmaschine/Ottomotor);

Pleuelstange des Kolbens;

Auspuffdampfrücklaufleitung (für das kondensierte Wasser);

Auffangkondensationsgefäß (Tonerdefilter);

Rücklaufleitung (für das kondensierte Wasser);

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer Kolbenmaschine, die mindestens einen Brennraum

und einen bewegbaren Kolben umfasst, dadurch gekennzeichnet, daß eine ein

Reaktionsmittel umfassende Wasserdispersion dem Brennraum der

Kolbenmaschine zugeführt wird, wobei in dem Brennraum ein Glühkörper

eingebracht ist; sowie durch - Auslösen einer sofortigen ersten Explosion durch eine

explosionsartige Verdampfung des in der Wasserdispersion enthaltenen Wassers,

indem die Wasserdispersion zum Auftreffen auf den Glühkörper gebracht und

dadurch über den Siedepunkt der Wasserdispersion erhitzt wird; und - Auslösen

einer zweiten Explosion, gleichzeitig mit oder unmittelbar nach der ersten Explosion,

indem das verdampfte Wasser an dem Glühkörper mit dem Reaktionsmittel auf eine

Prozeßtemperatur erhitzt und somit zu einer ersten chemischen Reaktion gebracht

wird, bei der gasförmiger Wasserstoff entsteht, der sich mit im Brennraum

vorhandenen Prozeßsauerstoff unter Einfluß der im Brennraum durch den

Glühkörper aufrecht erhaltenen Prozeßtemperatur in einer Knallgasreaktion zu

Wasser verbindet; wobei die durch die erste und zweite Explosion entstehende

expansive Reaktionsenergie durch Bewegung des Kolbens in mechanische

Bewegungsenergie umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserdispersion

als Reaktionsmittel pulverförmiges Mikro- oder Nanometall und/oder Molybdänsulfid

umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserdispersion

93 - 95 Gew.% Wasser und 3 - 5 Gew.% pulverförmiges Mikro- oder Nanometall

und/oder Molybdänsulfid umfasst.

Seite 10

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das

pulverförmige Metall Mikro-Aluminium und/oder Nano-Aluminium und/oder Mikro-

Zink und/oder Nano-Zink umfasst.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die

Wasserdispersion Tenside und/oder Kaliumcarbonat und/oder Frostschutzmittel

umfasst.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die

Wasserdispersion abwechselnd mit Wasser dem Brennraum zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der

Prozeßsauerstoff in Form von Luft zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die

Wasserdispersion durch einen Injektor auf den Glühkörper aufgespritzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der

Glühkörper eine Glühkerze umfasst.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die

Wasserdispersion aus einem Brennstoff-Dispersionserzeugungs- und

Vorratsbehälter zugeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass

die Prozeßtemperatur 1150°C bis 1300°C beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass

das Wasser, das Mikro-Aluminium und/oder das Nano-Aluminium und der

Prozeßsauerstoff in der ersten chemischen Reaktion nach der Formel:

2Al + 3H 2 O = Al 2 O 3 + 3H 2

und in der Knallgasreaktion nach der Formel: 2H 2 + O 2 = 2H 2 O umgesetzt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass

nach der Knallgasreaktion: – das entstandene Wasser kondensiert, wieder dem

Brennstoff-Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter zugeführt wird und/oder

das entstandene Al 2 O 3 abfiltriert wird.

14. Kolbenmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen

1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine einen

Dispersionserzeugungs- und Vorratsbehälter für die Erzeugung und Bevorratung

der Wasserdispersion, eine Wasserdispersionszuleitung zu einer Einspritzpumpe,

zumindest einen Injektor, durch den die Wasserdispersion in einen Brennraum

zugeführt wird, ein in den Brennraum eingebrachter Glühkörper und eine dem

Brennraum nachgeordnete Filtervorrichtung umfasst, wobei der Brennraum ferner

Mittel umfasst, das Glühkörper dauerhaft zum Glühen zu bringen.

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15. Kolbenmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem

Brennraum nachgeordnete Auffang- und Kondensationsvorrichtung vorgesehen ist,

in der der bei der Knallgasreaktion entstehende Wasserdampf verflüssigt wird

und/oder dass die Auffang- und Kondensationsvorrichtung einen Tonerdefilter zum

Abfiltrieren des nach der ersten chemischen Reaktion entstandenen Al 2 O 3 umfasst.

Zusammenfassung

Offenbart ist ein Verfahren zum Betrieb einer Kolbenmaschine, bei dem eine

ein Reaktionsmittel umfassende Wasserdispersion dem Brennraum der

Kolbenmaschine zugeführt wird, wobei in dem Brennraum ein Glühkörper

eingebracht ist. Eine erste Explosion wird durch eine explosionsartige Verdampfung

des in der Wasserdispersion enthaltenen Wassers ausgelöst, indem die

Wasserdispersion zum Auftreffen auf den Glühkörper gebracht und dadurch über

den Siedepunkt der Wasserdispersion erhitzt wird. Eine zweite Explosion wird

gleichzeitig mit oder unmittelbar nach der ersten Explosion ausgelöst, indem das

verdampfte Wasser an dem Glühkörper mit dem Reaktionsmittel auf eine

Prozeßtemperatur erhitzt und somit zu einer ersten chemischen Reaktion gebracht

wird, bei der gasförmiger Wasserstoff entsteht, der sich mit im Brennraum

vorhandenen Prozeßsauerstoff unter Einfluß der im Brennraum durch den

Glühkörper aufrecht erhaltenen Prozeßtemperatur in einer Knallgasreaktion zu

Wasser verbindet. Die durch die erste und zweite Explosion entstehende expansive

Reaktionsenergie wird durch Bewegung des Kolbens in mechanische

Bewegungsenergie umgesetzt.

Abbildung 1

Zeit

102

Zuführen einer Wasserdispersion in Brennraum

Au4reﬀen der Wasserdispersion auf

Glühkörper im Brennraum

100

101

103

Auslösen einer ersten

Explosion durch

explosionsar>ges Verdampfen

der Wasserdispersion

Auslösen einer zweiten

Explosion (Knallgasreak>on)

Umsetzung der Explosionsenergie

in Kolbenbewegung

Abb.1

104

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Abbildung 2

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