DE102008037570A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Spritverbrauchsreduktion bei Verbrennungsmotoren - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spritverbrauchsreduktion bei Verbrennungsmotoren. Dazu wird dem Kraftstoff-Luft-Gemisch eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff zugemischt, die durch die Elektrolyse von Wasser im Fahrzeug generiert wird. Der dazu benötigte Strom wird überwiegend oder ausschließlich durch ein Rekuperationsbremssystem gewonnen. Das Verfahren zur Spritverbrauchsreduktion bei Verbrennungsmotoren umfasst die Schritte Erzeugung von Energie durch eine Rekuperationsbremsvorrichtung, Einsatz der erzeugten Energie in einer Elektrolysevorrichtung für die Elektrolyse eines mindestens teilweise aus Wasser bestehenden Elektrolyten in Wasserstoff und Sauerstoff, Zwischenlagerung des erzeugten Wasserstoffes und Sauerstoffes in einem oder mehreren Vorratsbehältern und Zudosierung des erzeugten Wasserstoffes und Sauerstoffes zum Verbrennungskraftstoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors. Die Vorrichtung an einem Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens umfasst die Merkmale, dass mindestens eine Achse des Fahrzeuges mit einer Rekuperationsbremsvorrichtung ausgestattet ist, die Rekuperationsbremsvorrichtung mit einer Elektrolysevorrichtung verbunden ist, die deren Elektroden mit Spannung versorgt, die Elektrolysevorrichtung mit einem mindestens teilweise aus Wasser bestehenden Elektrolyten gefüllt ist, die Elektrolysevorrichtung mit einem oder mehreren Vorratsbehältern verbunden ist, in denen der ...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spritverbrauchsreduktion bei Verbrennungsmotoren. Dazu wird dem Kraftstoff-Luft-Gemisch eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff zugemischt, die durch die Elektrolyse von Wasser im Fahrzeug generiert wird. Der dazu benötigte Strom wird überwiegend oder ausschließlich durch ein Rekuperationsbremssystem gewonnen.
  • Die Entwicklung von Verfahren zur Spritverbrauchsreduktion bzw. Effizienzerhöhung von Verbrennungsmotoren wurde in der Technik schon fast so lange betrieben, wie es Verbrennungsmotoren gibt. Da der Verbrennungsmotor per se durch Wärme-, Reibungs- und Vibrationsverluste mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad arbeitet (bis zu 37% für einen Ottomotor und bis zu 45% für einen Dieselmotor), wurde auf diversen Wegen versucht, diese Verluste zu minimieren oder die Effizienz der Verbrennung von fossilen Brennstoffen zu verbessern. Zudem wurden Methoden entwickelt, um bei der Fortbewegung von Fahrzeugen mittels eines Verbrennungsmotors verloren gehende Energie zurückzugewinnen. In Anbetracht der begrenzten Ressourcen an fossilen Brennstoffen und der Schadstoffbelastung durch die Abgase gewinnen Verfahren zur Spritverbrauchsreduktion immer mehr an Bedeutung.
  • In der Patentschrift GB 591718 A wurde beispielsweise eine Vorrichtung beschrieben, die die Effizienz der Verbrennung des Kraftstoffes dadurch zu erhöhen versucht, dass dem Kraftstoff-Luft-Gemisch Wasserstoff und Sauerstoff beigemengt wird. Die Erfindung macht sich zu Nutze, dass der von der Lichtmaschine generierte Strom nach vollständiger Ladung des Akkumulators ungenutzt verloren geht, sofern keine weiteren Verbraucher Strom abnehmen. Dieser Strom wird erfindungsgemäß zur Elektrolyse von Wasser eingesetzt und der gewonnene Wasserstoff und Sauerstoff der Verbrennung im Motor zugeführt.
  • Dazu ist der Akkumulator des Fahrzeugs mit einer Elektrolysevorrichtung kombiniert, so dass beim Laden des Akkumulators durch die Lichtmaschine durch einen Teil des Ladestroms im Akkumulator selbst die Elektrolysegase erzeugt werden. Dem Vorteil der Nutzbarmachung des überschüssigen Stromes steht hier der Nachteil gegenüber, dass die Lichtmaschine so dauerhaft mehr Leistung erbringen muss, was einen erhöhten Spritverbrauch zur Folge hat, und nicht mehr der volle Ladestrom für den Akkumulator zur Verfügung steht, was besonders bei Kurzstreckenfahrten problematisch werden kann.
  • Die US-Offenlegungsschrift US 5,733,421 A führt in ihrer Einleitung die vorteilhaften Auswirkungen des Wasserstoffs auf die Verbrennungseffizienz und die Reduktion von Schadstoffen im Abgas aus. Die sich durch die Explosivität von Wasserstoff ergebenden Sicherheitsprobleme bei dessen Einsatz als Spritadditiv sind die Problemstellung dieser Erfindung. Sie offenbart zur Lösung eine explosionsgeschützte Elektrolysezelle mit integriertem Wasservorratsbehälter zur automatischen Wasserstandskorrektur.
  • Auch diverse andere Patentschriften befassen sich mit der Ausgestaltung von Elektrolysezellen für die an Board Wasserspaltung in Fahrzeugen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der geometrischen Gestaltung und der Materialzusammensetzung der Elektroden sowie der Elektrolytzusammensetzung. Beispielhaft sei hier die US-Patentschrift US 6,311,648 B1 genannt.
  • Im Bereich der Elektro- und Hybridfahrzeuge ist es üblich, Energie dadurch zurückzugewinnen, dass beim Bremsvorgang aus dem Fahrzeug abgeführte kinetische Energie nicht wie bei mechanischen Bremsen in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird und damit verloren geht, sondern eine elektrische Maschine, namentlich ein Elektromotor, im Bremsbetrieb als Generator benutzt wird. Der mit dieser als Rekuperationsbremse bezeichneten Bremsvorrichtung erzeugte Strom wird dann zum Laden des Antriebsakkumulators des Fahrzeugs verwendet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorteile eines Rekuperationsbremssystems mit den Vorteilen einer verbesserten Motoreffizienz durch Zusatz von Wasserstoff und Sauerstoff zum Kraftstoff-Luft-Gemisch zu verbinden.
  • Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Spritverbrauchsreduktion bei Verbrennungsmotoren umfassend die Schritte
    • – Erzeugung von Energie durch eine Rekuperationsbremsvorrichtung,
    • – Einsatz der erzeugten Energie in einer Elektrolysevorrichtung für die Elektrolyse eines mindestens teilweise aus Wasser bestehenden Elektrolyten in Wasserstoff und Sauerstoff,
    • – Zwischenlagerung des erzeugten Wasserstoffes und Sauerstoffes in einem oder mehreren Vorratsbehältern,
    • – Zudosierung des erzeugten Wasserstoffes und Sauerstoffes zum Verbrennungskraftstoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors.
  • Zur Optimierung des Elektrolysevorganges umfasst die Elektrolysevorrichtung bevorzugt mindestens einen Transformator, mit dessen Hilfe ein Hochspannungsfeld erzeugt wird. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich um ein hochfrequentes Hochspannungsfeld. Ferner ist der Transformator besonders bevorzugt ein Ringkerntransformator.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante besteht die Rekuperationsbremsvorrichtung aus als Generatoren betriebenen elektrischen Maschinen, die mit den zu bremsenden Rädern der nicht verbrennungsmotorangetriebenen Achsen verbunden sind. Hierbei können eine oder mehrere der nicht verbrennungsmotorangetriebenen Achsen mit den elektrischen Maschinen verbunden sein, wobei die zu bremsenden Räder jeweils entweder direkt mit einer eigenen elektrischen Maschine oder über die Achse mit einer gemeinsamen elektrischen Maschine verbunden sein können.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante wird die Energie zusätzlich oder alternativ zu der Rekuperationsbremsvorrichtung mittels einer oder mehrerer Solarzellen erzeugt. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Rekuperationsbremsvorrichtung und/oder die Solarzellen mit einem Pufferakkumulator verbunden sind. So kann die erzeugte Energie, die nicht für die Elektrolyse benötigt wird, was in Phasen längerer Bremstätigkeit oder bei abgestelltem Motor auftreten kann, zur Ladung dieses Pufferakkumulators verwendet werden. Damit geht diese Energie dem System nicht verloren und es steht unmittelbar beim Start des Motors schon Energie für die Elektrolyse bereit.
  • Weiterhin wird die Energieerzeugung besonders bevorzugt von einem System überwacht, das eine Stromeinspeisung aus dem Pufferakkumulator und/oder dem Akkumulator des Verbrennungsmotors in die Elektrolysevorrichtung vornimmt, wenn die durch die Rekuperationsbremsvorrichtung und/oder die Solarzellen erzeugte Energiemenge die für eine ausreichende Elektrolyse benötigte Energiemenge unterschreitet. Dadurch kann die Elektrolyse auch in Phasen ohne Bremswirkung und ausreichende Sonneneinstrahlung kontinuierlich fortgesetzt werden.
  • Die Zwischenlagerung des erzeugten Wasserstoffes und Sauerstoffes kann getrennt voneinander in eigenen Behältern oder in stöchiometrischer Mischung, so wie sie die Elektrolysezelle über einen gemeinsamen Gasraum verlässt, in gemeinsamen Behältern erfolgen. In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante erfolgt die Zwischenlagerung unter erhöhtem Druck, so dass eine größere Menge an Gas für bremsfreie Zeiten bevorratet werden kann.
  • Die Zudosierung des erzeugten Wasserstoffes und Sauerstoffes zu dem Kraftstoff-Luft-Gemisch kann entweder in konstanter Menge oder in Abhängigkeit von der Motordrehzahl erfolgen. Die konstante Dosierung zeichnet sich dabei durch einen besonders einfachen technischen Aufbau ohne zusätzliche Sensoren und angesteuerte Dosierungseinrichtungen aus. Demgegenüber bietet die an die Motordrehzahl gekoppelte Dosierung den Vorteil, dass die Gase ent sprechend des Lastzustandes des Motors und der verbrannten Benzinmenge in gleichbleibender Konzentration dosiert werden können. Dies ist vorteilhaft für Minimierung des Schadstoffausstoßes und die zu erzielende Spritsparwirkung.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante wird das Wasser für die Elektrolysevorrichtung durch einen Kondensator, der Luftfeuchtigkeit aus der Umgebungsluft kondensiert, und/oder den Kondensatauslass der Klimaanlage des Fahrzeuges und/oder eine Regenwasserauffangvorrichtung nachgefüllt. Auf diese Weise lassen sich erheblich längere Strecken mit dem Fahrzeug zurücklegen, bevor der Wasservorrat wieder aufgefüllt werden muss.
  • Der Elektrolyt besteht in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante aus einer wässrigen Lösung von Hydrogencarbonaten oder Hydroxiden oder Mischungen hieraus. Dabei zeichnen sich insbesondere Natriumhydrogencarbonat, Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid durch besonders gute Ergebnisse aus.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Vorrichtung an einem Fahrzeug umfassend die Merkmale, dass
    • – mindestens eine Achse des Fahrzeuges mit einer Rekuperationsbremsvorrichtung ausgestattet ist,
    • – die Rekuperationsbremsvorrichtung mit einer Elektrolysevorrichtung verbunden ist, die deren Elektroden mit Spannung versorgt,
    • – die Elektrolysevorrichtung mit einem mindestens teilweise aus Wasser bestehenden Elektrolyten gefüllt ist,
    • – die Elektrolysevorrichtung mit einem oder mehreren Vorratsbehältern verbunden ist, in denen der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff zwischengelagert werden kann,
    • – der oder die Vorratsbehälter über Mittel zur Dosierung mit den Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors verbunden sind.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung enthält die Elektrolysevorrichtung mindestens einen Transformator, mit dessen Hilfe ein Hochspannungsfeld erzeugt wird. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich um ein hochfrequentes Hochspannungsfeld. Ferner ist der Transformator besonders bevorzugt ein Ringkerntransformator.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante besteht die Rekuperationsbremsvorrichtung aus als Generatoren betriebenen elektrischen Maschinen, insbesondere Elektromotoren, die mit den zu bremsenden Rädern der nicht verbrennungsmotorangetriebenen Achsen verbunden sind. Hierbei können eine oder mehrere der nicht verbrennungsmotorangetriebenen Achsen mit den elektrischen Maschinen verbunden sein, wobei die zu bremsenden Räder jeweils entweder direkt mit einer eigenen elektrischen Maschine oder über die Achse mit einer gemeinsamen elektrischen Maschine verbunden sein können.
  • Das Wasser, das in der Elektrolysevorrichtung verbraucht wird, wird bevorzugt durch einen Kondensator, der Luftfeuchtigkeit aus der Umgebungsluft kondensiert, und/oder den Kondensatauslass der Klimaanlage des Fahrzeuges und/oder eine Regenwasserauffangvorrichtung mit nachgeschaltetem Filter wieder aufgefüllt. Dazu sind diese über Schlauchleitungen mit der Elektrolysevorrichtung oder einem vorgeschalteten, getrennten Wasservorratsbehälter verbunden. Die Regenwasserauffangvorrichtung kann beispielsweise aus den üblichen Regenablaufrinnen des Fahrzeugs bestehen, an deren Ablaufkanälen, die normalerweise zum Boden des Fahrzeugs geführt werden, ein Schlauch mit Filtereinsatz angebracht ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verfügt die Elektrolysevorrichtung über getrennte Ableitungen für Wasserstoff und Sauerstoff. Die Elektrolysevorrichtung ist dazu in Kammern unterteilt, um die Gase über den Elektroden separat auffangen zu können. Dies ermöglicht eine unabhängige Dosierung des Wasserstoffes und des Sauerstoffes, was jedoch einen komplexeren Aufbau der Elektrolysezelle und eine zusätzliche Dosiervorrichtung erfordert. Alternativ dazu kann die Elektrolysevorrichtung über einen gemeinsamen Gasraum über den Elektroden verfügen, aus dem das stöchiometrische Gasgemisch über eine einzelne Ableitung heraus geleitet wird.
  • Der Elektrolyt besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einer wässrigen Lösung von Hydrogencarbonaten oder Hydroxiden oder Mischungen hieraus, insbesondere werden Natriumhydrogencarbonat, Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid bevorzugt.
  • Die Elektroden können analog zur Bauform der Elektrolysevorrichtung, die quaderförmig oder zylindrisch ist, in Plattenform oder zylindrisch ausgeführt sein. Vorteilhaft ist es dabei, wenn sie nicht aus massiven Blechen hergestellt werden, sondern aus einem Maschendraht oder aus perforierten Blechen. Je nach verwendetem Elektrolyten kommen als Materialien beispielsweise Eisen/(Edel-)Stahl, Nickel, Silber, Messing und Kohlenstoff in Frage, wobei Edelstahl und Nickel besonders bevorzugt sind. Bei den Elektroden kann es sich um ein einzelnes Paar handeln oder um eine Zusammenschaltung von mehreren Sätzen.
  • Eine weitere Ausgestaltungsvariante der Vorrichtung sieht vor, dass eine oder mehrere am oder im Fahrzeug angebrachte Solarzellen mit der Elektrolysevorrichtung verbunden sind und diese zusätzlich oder alternativ zur Rekuperationsbremsvorrichtung mit Strom versorgen. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Rekuperationsbremsvorrichtung und/oder die Solarzellen mit einem Pufferakkumulator verbunden sind. So kann die erzeugte Energie, die nicht für die Elektrolyse benötigt wird, was in Phasen längerer Bremstätigkeit oder bei abgestelltem Motor auftreten kann, zur Ladung dieses Pufferakkumulators verwendet werden. Damit geht diese Energie dem System nicht verloren und es steht unmittelbar beim Start des Motors schon Energie für die Elektrolyse bereit.
  • Weiterhin wird die Energieerzeugung besonders bevorzugt von einem System überwacht, das eine Stromeinspeisung aus dem Pufferakkumulator und/oder dem Akkumulator des Verbrennungsmotors in die Elektrolysevorrichtung vornimmt, wenn die durch die Rekuperationsbremsvorrichtung und/oder die Solarzellen erzeugte Energiemenge die für eine ausreichende Elektrolyse benötigte Energiemenge unterschreitet. Dadurch kann die Elektrolyse auch in Phasen ohne Bremswirkung und ausreichende Sonneneinstrahlung kontinuierlich fortgesetzt werden. Dieses Überwachungssystem kann bevorzugt auch die Bereitstellung des Ladestroms für den Pufferakkumulator aus dem für die Elektrolyse überschüssigen Strom veranlassen. Es fungiert in diesem Fall als zentrale Steuereinheit und ist mit Stromeingängen aus dem Rekuperationsbremssystem und/oder der Solarzelleneinheit und/oder dem Fahrzeugakkumulator sowie Stromausgängen zum Pufferakkumulator und der Elektrolysezelle ausgestattet, zwischen denen sie den Stromfluss steuert. Von hier aus können auch Anzeigeinstrumente im Innenraum des Fahrzeugs zur Anzeige des Ladestroms, des Pufferakkumulatorladezustands, des Elektrolysestroms, des durch die Solarzelleneinheit und die Rekuperationsbremsen erzeugten Stroms und des Wasserfüllstandes in der Elektrolysezelle und dem Wasservorratsbehälter mit Informationen versorgt werden.
  • Der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff werden besonders bevorzugt gleichzeitig mit oder nach dem Verbrennungskraftstoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors eingeleitet. Dies kann beispielsweise durch zusätzliche Einspritzdüsen vor oder an den Zylindern geschehen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff mit dem Verbrennungskraftstoff-Luft-Gemisch vorgemischt und dann gemeinsam in die Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors eingeleitet. Besonders bevorzugt werden der Wasserstoff und Sauerstoff in den Luftansaugtrakt des Verbrennungsmotors eingeleitet.
  • Für eine verbesserte Zwischenlagerung der erzeugten Gase ist die Vorrichtung in einer vorteilhaften Variante zwischen der Elektrolysevorrichtung und dem jeweils ersten der einen oder mehreren Vorratsbehälter für Wasserstoff und Sauerstoff oder das Gasgemisch mit einer Pumpe ausgestattet. So kann eine größere Menge an Gas für bremsfreie Zeiten bevorratet werden. Außerdem wird dadurch ein gleichbleibendes Druckniveau in den Gasvorratsbehältern aufrecht erhalten, was eine genaue Dosierung erheblich vereinfacht.
  • Ausführungsbeispiel
  • Eine bevorzugte Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist in den 1 und 2 dargestellt und soll im Folgenden näher beschrieben werden. Das dargestellte Beispiel ist dabei nicht als einschränkend zu verstehen, sondern als Präsentation einer vorteilhaften Kombination erfindungsgemäßer Merkmale.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Spritsparvorrichtung. Elektrische Verbindungen sind in der Zeichnung durch punktierte Linien dargestellt und Schlauch- oder Rohrverbindungen durch Pfeillinien. Durch den Verbrennungsmotor (1), der sowohl ein Ottomotor als auch ein Dieselmotor sein kann, wird mittels des Getriebes (2) über die Kardanwelle (3) und das Differential (4) die Hinterachse (5) des Fahrzeugs angetrieben. Die nicht angetriebene Vorderachse (6) ist mit einem Rekuperationsbremssystem ausgestattet, das aus den im Bremsbetrieb als Generatoren betriebenen Elektromotoren (7) und der damit verbundenen Leistungselektronik (8) besteht. Hierüber wird die Elektrolysezelle (9) mit Strom zur elektrolytischen Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff versorgt. Der Anschluss der Leistungselektronik (8) an die Elektrolysezelle (9) erfolgt dabei über das Überwachungssystem (10).
  • Zusätzlich zum Rekuperationsbremssystem wird die Elektrolysezelle (9) von einer Solarzelleneinheit (11) gespeist, die auf dem Dach des Fahrzeugs montiert ist. Auch die Solarzelleneinheit (11) ist über das Überwachungssystem (10) verbunden. Das Überwachungssystem (10), das als zentrale Steuereinheit fungiert, misst die Stromabgabe der Leistungselektronik (8) und der Solarzelleneinheit (11), sowie die Stromaufnahme der Elektrolysezelle (9). Das System sorgt einerseits für die Trennung der Verbindung der Solarzelleneinheit (11) zu der Elektrolysezelle (9), wenn der Motor nicht in Betrieb ist. Andererseits ist es mit einem Pufferakkumulator (12) und dem Fahrzeugakkumulator (13) verbunden (dessen Verbindung zur Lichtmaschine ebenfalls nicht in der Zeichnung dargestellt ist) und speist bei Bedarf zusätzlichen Strom aus diesen in die Elektrolysezelle (9) ein, wenn die Stromabgabe bedingt durch längere bremsfreie Zeiten und ungenügende Sonneneinstrahlung nicht mehr ausreichend ist für die benötigte Gasproduktion. Zunächst wird dabei der Pufferakkumulator (12) eingesetzt und erst wenn dieser nicht mehr genügend Energie liefern kann, wird auf den Fahrzeugakkumulator (13) zurückgegriffen. Der Ladezustand des Fahrzeugakkumulators (13) wird während der Stromentnahme laufend vom Überwachungssystem (10) überwacht und die Elektrolysezelle (9) nötigenfalls deaktiviert, wenn vorher festgelegte Mindestwerte unterschritten werden.
  • Steht der Motor und die Solarzelleneinheit (11) produziert Strom oder es fällt bedingt durch starken Bremsbetrieb mehr Energie an als in der Elektrolyse verbraucht wird, so verwendet das Überwachungssystem (10) den überschüssigen Strom zur Ladung des Pufferakkumulators (12). Auf diese Weise geht diese Energie dem System nicht verloren und die Elektrolyse kann gleich beim Start des Motors mit rekuperierter Energie versorgt werden.
  • Die Elektrolysezelle (9) verfügt über einen gemeinsamen Gasraum, in dem das stöchiometrisch anfallende Gasgemisch aufgefangen und über eine gemeinsame Leitung nach Außen geführt wird. Dort wird das Gasgemisch durch den Kompressor (14) verdichtet und in den Gasvorratsbehälter (15) befördert. Der Gasvorratsbehälter (11) ist dementsprechend mit einem Überdruckventil und einer Berstsicherung ausgestattet. Über eine nicht in der Zeichnung dargestellte Dosiervorrichtung wird das Gasgemisch in Abhängigkeit von der Motordrehzahl in den Luftansaugstutzen (16) des Verbrennungsmotors (1) eindosiert.
  • Der Kondensatauslass der Klimaanlage (17) des Fahrzeugs, ein Kondensator (18), der die Luftfeuchtigkeit aus der Umgebungsluft kondensiert, und die Regenablaufrinnen (19) mit nachgeschaltetem Filter sind mit einem Wasservorratsbehälter (20) verbunden. Aus diesem wird das in der Elektrolysezelle (9) verbrauchte Wasser wieder aufgefüllt. Die Elektrolysezelle (9) besitzt dazu ent sprechende Füllstandssensoren. Das Überwachungssystem (10) schaltet danach, die (nicht zeichnerisch erfasste) Förderpumpe in der Verbindungsleitung vom Wasservorratsbehälter (20) zur Elektrolysezelle (9). Unterschreitet der Füllstand in der Elektrolysezelle (9) einen Minimalwert, weil nicht mehr genügend Wasser zum Nachdosieren zur Verfügung steht, so deaktiviert das Überwachungssystem (10) die Elektrolysezelle (9) und aktiviert eine Wasserstandswarnleuchte an der Anzeigeneinheit im Fahrzeuginnenraum.
  • In 2 ist das Schaltschema der Elektrolysezelle (9) dargestellt. Das Überwachungssystem (10) ist über einen Transistor mit dem Ringkerntransformator (21) verbunden, in dem die zugeführte Spannung auf 500 bis 2000 V, bevorzugt 800 bis 1500 V angehoben wird. Der Transistor wird über einen Rechteckimpulsgenerator (22) geschaltet, der seine Frequenz vom Oszillator (23) vorgegeben bekommt. Die Frequenz der Rechteckimpulse ist auf die Elektrolysezelle für optimale Gasproduktion abzustimmen und liegt erfahrungsgemäß bevorzugt im Bereich von 8 bis 260 kHz. Besonders bevorzugt wird die vom Rechteckimpulsgenerator (22) erzeugte Impulslänge auch von der Motordrehzahl und/oder der Gaspedalstellung beeinflusst. Somit kann die Gasproduktion an den Lastzustand des Motors angepasst werden. Die den Ringkerntransformator (21) verlassende, gepulste Hochspannung wird über eine Sperrdiode in die Elektroden (24) der Elektrolysezelle (9) geleitet.
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Getriebe
    3
    Kardanwelle
    4
    Differential
    5
    Hinterachse
    6
    Vorderachse
    7
    Elektromotoren
    8
    Leistungselektronik
    9
    Elektrolysezelle
    10
    Überwachungssystem
    11
    Solarzelleneinheit
    12
    Pufferakkumulator
    13
    Fahrzeugakkumulator
    14
    Kompressor
    15
    Gasvorratsbehälter
    16
    Luftansaugstutzen
    17
    Klimaanlage
    18
    Kondensator
    19
    Regenablaufrinnen
    20
    Wasservorratsbehälter
    21
    Ringkerntransformator
    22
    Rechteckimpulsgenerator
    23
    Oszillator
    24
    Elektroden
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - GB 591718 A [0003]
    • - US 5733421 A [0005]
    • - US 6311648 B1 [0006]

Claims (29)

  1. Verfahren zur Spritverbrauchsreduktion bei Verbrennungsmotoren umfassend die Schritte – Erzeugung von Energie durch eine Rekuperationsbremsvorrichtung, – Einsatz der erzeugten Energie in einer Elektrolysevorrichtung für die Elektrolyse eines mindestens teilweise aus Wasser bestehenden Elektrolyten in Wasserstoff und Sauerstoff, – Zwischenlagerung des erzeugten Wasserstoffes und Sauerstoffes in einem oder mehreren Vorratsbehältern, – Zudosierung des erzeugten Wasserstoffes und Sauerstoffes zum Verbrennungskraftstoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysevorrichtung mindestens einen Transformator zur Erzeugung eines hochfrequenten Hochspannungsfeldes umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekuperationsbremsvorrichtung aus als Generatoren betriebenen elektrischen Maschinen besteht, die mit den zu bremsenden Rädern der nicht verbrennungsmotorangetriebenen Achsen verbunden sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator ein Ringkerntransformator ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zusätzlich oder alternativ zu der Rekuperationsbremsvorrichtung mittels einer oder mehreren Solarzellen erzeugt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff und Sauerstoff getrennt voneinander in eigenen Behältern zwischengelagert werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff und Sauerstoff in stöchiometrischer Mischung in gemeinsamen Behältern zwischengelagert werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zudosierung des erzeugten Wasserstoffes und Sauerstoffes in konstanter Menge erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zudosierung des erzeugten Wasserstoffes und Sauerstoffes in von der Motordrehzahl abhängiger Menge erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlagerung unter erhöhtem Druck erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssige, in der Rekuperationsbremsvorrichtung und/oder den Solarzellen erzeugte Energie zur Ladung eines Pufferakkumulators benutzt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugung von einem System überwacht wird, das eine Stromeinspeisung aus dem Pufferakkumulator und/oder dem Akkumulator des Verbrennungsmotors in die Elektrolysevorrichtung vornimmt, wenn die durch die Rekuperationsbremsvorrichtung und/oder die Solarzellen erzeugte Energiemenge die für eine ausreichende Elektrolyse benötigte Energiemenge unterschreitet.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser für die Elektrolysevorrichtung durch einen Kondensator, der Luftfeuchtigkeit kondensiert, und/oder den Kondensatauslass der Klimaanlage des Fahrzeuges und/oder eine Regenwasserauffangvorrichtung nachgefüllt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus einer wässrigen Lösung von Hydrogencarbonaten, insbesondere Natriumhydrogencarbonat, Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid oder Mischungen hieraus besteht.
  15. Vorrichtung an einem Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 14 umfassend die Merkmale, dass – mindestens eine Achse des Fahrzeuges mit einer Rekuperationsbremsvorrichtung ausgestattet ist, – die Rekuperationsbremsvorrichtung mit einer Elektrolysevorrichtung verbunden ist, die deren Elektroden mit Spannung versorgt, – die Elektrolysevorrichtung mit einem mindestens teilweise aus Wasser bestehenden Elektrolyten gefüllt ist, – die Elektrolysevorrichtung mit einem oder mehreren Vorratsbehältern verbunden ist, in denen der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff zwischengelagert werden kann, – der oder die Vorratsbehälter über Mittel zur Dosierung mit den Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors verbunden sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Elektrolysevorrichtung mindestens ein Transformator zur Erzeugung eines hochfrequenten Hochspannungsfeldes enthalten ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekuperationsbremsvorrichtung aus als Generatoren betriebenen elektri schen Maschinen besteht, die mit den zu bremsenden Rädern der nicht verbrennungsmotorangetriebenen Achsen verbunden sind.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator ein Ringkerntransformator ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator, der Luftfeuchtigkeit kondensiert, und/oder der Kondensatauslass der Klimaanlage des Fahrzeuges und/oder eine Regenwassersuffangvorrichtung mit nachgeschaltetem Filter mit der Elektrolysevorrichtung verbunden ist und das während der Elektrolyse verbrauchte Wasser wieder nachfüllt.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysevorrichtung über getrennte Ableitungen für Wasserstoff und Sauerstoff verfügt, die in getrennten Kammern der Vorrichtung aufgefangen werden.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysevorrichtung über einen gemeinsamen Gasraum über den Elektroden verfügt, aus dem das stöchiometrische Gasgemisch über eine einzelne Ableitung heraus geleitet wird.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere am oder im Fahrzeug angebrachte Solarzellen mit der Elektrolysevorrichtung verbunden sind und diese zusätzlich oder alternativ zur Rekuperationsbremsvorrichtung mit Strom versorgen.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff gleichzeitig mit oder nach dem Verbrennungskraftstoff-Luft-Gemisch in die Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors eingeleitet werden.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff mit dem Verbrennungskraftstoff-Luft-Gemisch vorgemischt und dann gemeinsam in die Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors eingeleitet werden.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff in den Luftansaugtrakt des Verbrennungsmotors eingeleitet werden.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekuperationsbremsvorrichtung und/oder die Solarzellen mit einem Pufferakkumulator verbunden sind und diesen mit nicht für die Elektrolyse benötigtem Strom laden.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysevorrichtung mit einem System zur Überwachung der Energieerzeugung verbunden ist, das eine Stromeinspeisung aus dem Pufferakkumulator und/oder dem Akkumulator des Verbrennungsmotors in die Elektrolysevorrichtung vornimmt, wenn die durch die Rekuperationsbremsvorrichtung und/oder die Solarzellen erzeugte Energiemenge die für eine ausreichende Elektrolyse benötigte Energiemenge unterschreitet.
  28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektrolysevorrichtung und dem jeweils ersten der einen oder mehreren Vorratsbehälter für Wasserstoff und Sauerstoff oder das Gasgemisch eine Pumpe angebracht ist.
  29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus einer wässrigen Lösung von Hydrogencarbonaten, insbesondere Natriumhydrogencarbonat, Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid oder Mischungen hieraus besteht.
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