DE102010029972A1 - Combustion engine drive assembly for e.g. motor car, has pump connected with input of expander, and electrical generator mechanically connected with expander driven shaft and electrically connected with electrolysis device - Google Patents

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Abstract

The assembly (1) has a fuel circuit (2) with a combustion engine (4) e.g. 4 stroke petrol engine, for combustion of air and gas mixture. An exhaust outlet aperture (28) is connected with an input of an exhaust gas condenser (8). A water reservoir (9) is attached with an input of an electrolysis device (10). A cooling circuit (3) cools a photovoltaic active region with a heat exchanger (15). A pump (19) is connected with an input of an expander (16). An electrical generator (22) is mechanically connected with an expander driven shaft (17) and electrically connected with the electrolysis device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungsmotorantriebsanordnung für ein Fahrzeug.The present invention relates to an internal combustion engine drive assembly for a vehicle.

Die derzeit üblicherweise verwendeten Verbrennungsmaschinen, insbesondere klassische Zwei- oder Viertaktottomotoren, Dieselmotoren und deren Ausgestaltungen mit Vorrichtungen zum direkten oder indirekten Einspritzen des Kraftstoffes sowie turboaufgeladene oder abgasturboaufgeladene Ausführungen haben immer noch zwei wesentliche Nachteile. Der erste Nachteil besteht darin, dass ein erheblicher Anteil der Wärme der Verbrennungsmaschine ungenutzt durch das Abgassystem entweicht. Der zweite Nachteil besteht darin, dass ein wesentlicher Anteil der Energie durch das Kühlsystem ungenutzt bleibt. Selbst bei den größten Zweitaktdieselmotoren, die derzeit in Schiffen zum Einsatz kommen und in Folge der Größenverhältnisse bei Schiffen nur geringen mechanischen Verlusten ausgesetzt sind, können Wirkungsgrade von mehr als 0,5 derzeit nicht erzielt werden.The currently commonly used combustion engines, especially classic two- or four-stroke engines, diesel engines and their embodiments with devices for directly or indirectly injecting the fuel as well as turbo-charged or exhaust gas-charged versions still have two major disadvantages. The first disadvantage is that a significant portion of the heat of the internal combustion engine escapes unused through the exhaust system. The second disadvantage is that a significant portion of the energy through the cooling system remains unused. Even with the largest two-stroke diesel engines, which are currently used in ships and are exposed due to the size ratios of ships only small mechanical losses, efficiencies of more than 0.5 currently can not be achieved.

Eine Möglichkeit, den Motorwirkungsgrad durch die Nutzung von Solarenergie positiv zu beeinflussen, ist beispielsweise in der Druckschrift DE 101 42 778 A1 beschrieben worden. An den geraden Flächen eines Kraftfahrzeugs sind Solarzellen befestigt. Es wird vorgeschlagen, die von den Solarzellen zur Verfügung gestellte elektrische Energie für die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu nutzen, um durch Zudosieren des gewonnenen Sauerstoffs zur normalen Verbrennungsluft den Motorwirkungsgrad zu verbessern. Der Wasserstoff wird einem Katalysator zudosiert, um den Abbau von Schadstoffen zu unterstützen.One way to positively influence the engine efficiency through the use of solar energy, for example, in the document DE 101 42 778 A1 been described. Solar cells are attached to the straight surfaces of a motor vehicle. It is proposed to use the electric energy provided by the solar cells for the splitting of water into oxygen and hydrogen, in order to improve the engine efficiency by adding the recovered oxygen to the normal combustion air. The hydrogen is added to a catalyst to aid in the degradation of pollutants.

Des Weiteren ist in der Druckschrift DE 10 2006 035 759 A1 ein Verfahren für die Energieversorgung des Antriebs und der Hilfsbetriebe von Fahrzeugen beschrieben, bei dem elektrische und/oder mechanische Energie und/oder Wärmeenergie aus Umwelt- und Umgebungseinflüssen gewonnen werden. Beispielsweise wird vorgeschlagen, die Sonnenstrahlung mittels Solarzellen zu nutzen, die Wärmewirkung der Sonnenstrahlen oder die Wärme der Umgebungsluft oder die Verlustwärme von fahrzeuginternen Komponenten in einem Wärmespeicher zu speichern und bei Bedarf als Wärmekraft zu nutzen.Furthermore, in the document DE 10 2006 035 759 A1 a method for the power supply of the drive and the auxiliary operations of vehicles described in which electrical and / or mechanical energy and / or heat energy from environmental and environmental influences are obtained. For example, it is proposed to use the solar radiation by means of solar cells to store the heat effect of the sun's rays or the heat of the ambient air or the heat loss of in-vehicle components in a heat storage and use as needed as heat.

Die Druckschrift EP 1 454 042 B1 offenbart einen Ottomotor mit einem hohen Wirkungsgrad, der einen Treibstoff mit einer unter Druck stehenden Mischung aus Dampf und Luft verbrennt. Ein Teil der durch die Verbrennung erzeugten Wärmeenergie wird zurück gewonnen und zum Verdampfen von Wasser in die unter Druck stehende Luft genutzt, um einen unter Druck stehenden Wasserdampfluftstrom zu erzeugen. Nach der Verbrennung wird der in dem Abgasstrom enthaltene Wasserdampf genutzt, um eine Turbine anzutreiben. Die Ausgangsleistung der Turbine kann wiederum zum Antrieb eines elektrischen Generators oder auch zur Einkopplung in die Hauptausgangsleistung des Motors genutzt werden, wodurch der Motorwirkungsgrad verbessert wird. Für die Wärmerückgewinnung wird im Wesentlichen ein Rankine-Kreisprozeß genutzt.The publication EP 1 454 042 B1 discloses a high efficiency gasoline engine that burns fuel with a pressurized mixture of steam and air. A portion of the thermal energy generated by the combustion is recovered and used to evaporate water into the pressurized air to produce a pressurized steam water vapor stream. After combustion, the water vapor contained in the exhaust gas stream is used to drive a turbine. The output power of the turbine can in turn be used to drive an electric generator or for coupling into the main output power of the engine, whereby the engine efficiency is improved. For heat recovery, essentially a Rankine cycle is used.

In einem Rankine-Kreisprozeß wird in einem ersten Schritt der Druck einer Flüssigkeit, erhöht. In einem zweiten Schritt wird die Flüssigkeit erhitzt und bei konstantem Druck verdampft. Anschließend treibt der Dampf in einem dritten Schritt eine Turbine an, wobei sich der Druck und die Temperatur des Dampfes verringern. In einem letzten, vierten Schritt wird der Dampf mit Hilfe eines Kondensators bei konstantem Druck und konstanter Temperatur kondensiert. Die dabei entstehende Flüssigkeit steht dann wieder für den ersten Schritt, nämlich die Druckerhöhung, zur Verfügung.In a Rankine cycle, the pressure of a liquid is increased in a first step. In a second step, the liquid is heated and evaporated at a constant pressure. Then, in a third step, the steam drives a turbine, reducing the pressure and temperature of the steam. In a final, fourth step, the steam is condensed using a condenser at constant pressure and temperature. The resulting liquid is then available again for the first step, namely the pressure increase.

Schließlich ist in der Patentschrift US 5,317,996 ein Drehkolbenmotor beschrieben, der mit unterschiedlichen Treibstoffen wie beispielsweise Propan, Methan oder Wasserstoff betrieben werden kann. Bei der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff wird vorgeschlagen, das aus dem Abgasstrom kondensierte Wasser mittels einer solarstrombetriebenen Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten und dem Motor zur Verbrennung erneut zur Verfügung zu stellen.Finally, in the patent US 5,317,996 a rotary engine described which can be operated with different fuels such as propane, methane or hydrogen. When hydrogen is used as a fuel, it is proposed to split the water condensed from the exhaust gas stream into hydrogen and oxygen by means of a solar-powered electrolysis and to make it available to the engine for combustion again.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Verbrennungsmotorantriebsanordnung anzugeben, bei welcher der Wirkungsgrad nochmals erhöht ist und die darüber hinaus besonders wartungs- und umweltfreundlich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 gelöst.Against this background, the invention has set itself the task of providing an internal combustion engine drive arrangement in which the efficiency is increased again and is also particularly maintenance and environmentally friendly. This object is achieved by the features of claim 1.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung zusätzlich.It should be noted that the features listed individually in the following description can be combined with one another in any technically meaningful manner and show further embodiments of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention in particular in connection with the drawing.

Die erfindungsgemäße Verbrennungsmotorantriebsanordnung für ein Fahrzeug und insbesondere für ein Hybridfahrzeug ist im Wesentlichen durch zwei voneinander unabhängige Fluidkreisläufe gekennzeichnet: Einerseits weist sie einen Kraftstoffkreislauf und andererseits einen Kühlkreislauf auf.The internal combustion engine drive arrangement according to the invention for a vehicle and in particular for a hybrid vehicle is essentially characterized by two independent fluid circuits: on the one hand, it has a fuel circuit and, on the other hand, a cooling circuit.

Der Kraftstoffkreislauf ist in vorteilhafter Ausgestaltung ein geschlossener Kraftstoffkreislauf. Er weist einen Verbrennungsmotor zur Verbrennung eines Gemischs aus einem wenigstens Wasserstoff enthaltenden Gas und Luft in einer Brennkammer auf. Bevorzugt weist das Gas lediglich Wasserstoff als Kraftstoff auf, kann jedoch auch Anteile anderer schnell brennbarer Gase enthalten. Der Wasserstoff und die Luft werden in geeigneter Weise der Brennkammer des Verbrennungsmotors zugeführt, wo das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird und verbrennt. Hierzu sind an dem Verbrennungsmotor entsprechende Einlaßöffnungen für den Wasserstoff bzw. die Luft vorgesehen. Der Verbrennungsmotor ist jeder für die Verbrennung von Wasserstoff geeignete Verbrennungsmotor, beispielsweise ein Ottomotor in Hub- oder Drehkolbenausführung.The fuel circuit is in an advantageous embodiment, a closed fuel circuit. He has an internal combustion engine for combustion a mixture of a gas containing at least hydrogen and air in a combustion chamber. Preferably, the gas has only hydrogen as fuel, but may also contain fractions of other rapidly combustible gases. The hydrogen and the air are suitably supplied to the combustion chamber of the internal combustion engine, where the fuel-air mixture is ignited and burns. For this purpose, corresponding inlet openings for the hydrogen or the air are provided on the internal combustion engine. The internal combustion engine is any suitable for the combustion of hydrogen combustion engine, for example, a gasoline engine in a rotary or rotary piston design.

Nach der Verbrennung. wird das verbrannte, heiße Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Brennkammer ausgestoßen und strömt in eine ausgangsseitig mit der Verbrennungsmaschine fluidleitend verbundene Motorabgasvorrichtung. Im Bereich der Motorabgasvorrichtung weist der Kraftstoffkreislauf bevorzugt einen Abgaskondensator auf, um das als Wasserdampf in dem heißen Motorabgas enthaltene Wasser, das in der Brennkammer durch die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff entstanden ist, zurück zu gewinnen. Als Wärmesenke zum Kondensieren des Wassers wird bevorzugt das Innere des Fahrzeugs verwendet, das heißt, die dem Motorabgas beim Kondensieren des Wassers entzogene Wärme steht dem Inneren des Fahrzeugs als Heizwärme zur Verfügung. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Kondensationswärme auch dem Kühlkreislauf beispielsweise zum Erwärmen des in dem Kühlkreislauf zirkulierenden Arbeitsfluids zur Verfügung gestellt werden, wie später noch ausführlicher beschrieben werden wird.After the burning. the burned, hot fuel-air mixture is expelled from the combustion chamber and flows into an engine exhaust device connected in fluid communication with the internal combustion engine on the output side. In the field of the engine exhaust device, the fuel circuit preferably has an exhaust gas condenser to recover the water contained as water vapor in the hot engine exhaust gas, which has been generated in the combustion chamber by the combustion of hydrogen and oxygen. As a heat sink for condensing the water, the interior of the vehicle is preferably used, that is, the heat extracted from the engine exhaust gas when condensing the water is available to the interior of the vehicle as heating heat. Alternatively or additionally, the heat of condensation can also be made available to the cooling circuit, for example for heating the working fluid circulating in the cooling circuit, as will be described in more detail later.

Das aus dem Motorabgas zurück gewonnene Wasser wird bevorzugt in einem Behälter bzw. einem Wasserspeicher gesammelt. Hierzu ist der Abgaskondensator ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang des Wasserspeichers verbunden. Der Wasserspeicher ist ferner ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang einer Elektrolysevorrichtung verbunden. Die Elektrolysevorrichtung dient dazu, das von dem Wasserspeicher bereitgestellte Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Ausgangsseitig sind an der Elektrolysevorrichtung jeweils eine Auslaßöffnung für das Wasserstoffgas bzw. das Sauerstoffgas vorgesehen. Die Wasserstoffauslaßöffnung der Elektrolysevorrichtung ist fluidleitend mit der Wasserstoffeinlaßöffnung des Verbrennungsmotors verbunden. Somit wird der Wasserstoff dem Verbrennungsmotor für eine erneute Verbrennung zur Verfügung gestellt.The recovered from the engine exhaust gas water is preferably collected in a container or a water storage. For this purpose, the exhaust gas condenser is connected on the output side fluid-conducting with the input of the water reservoir. The water reservoir is also the output side fluidly connected to the input of an electrolysis device. The electrolysis device serves to split the water provided by the water reservoir by means of electrical energy into hydrogen and oxygen. On the output side, an outlet opening for the hydrogen gas or the oxygen gas are respectively provided on the electrolysis device. The hydrogen outlet opening of the electrolyzer is fluidly connected to the hydrogen inlet port of the internal combustion engine. Thus, the hydrogen is provided to the internal combustion engine for re-combustion.

Der Kraftstoffkreislauf ist geschlossen. Von dem Wasserspeicher bereitgestelltes Wasser wird durch die Elektrolysevorrichtung in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, der Wasserstoff in der Brennkammer der Verbrennungsmaschine mit beispielsweise in der Luft vorhandenem Sauerstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf verbrannt, das durch den Abgaskondensator wieder zu flüssigem Wasser kondensiert und dem Kraftstoffkreislauf erneut zur Verfügung gestellt wird. Der Verbrennungsmotor ist ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang des Abgaskondensators verbunden, der Abgaskondensator ist ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang des Wasserspeichers verbunden, der Wasserspeicher ist ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang der Elektrolysevorrichtung verbunden und schließlich ist die Wasserstoffauslaßöffnung der Elektrolysevorrichtung fluidleitend mit der Wasserstoffeinlaßöffnung des Verbrennungsmotors verbunden.The fuel circuit is closed. Water provided by the water reservoir is split into hydrogen and oxygen by the electrolysis device, the hydrogen in the combustion chamber of the internal combustion engine is combusted with, for example, air present in the air to water or water vapor condensed by the exhaust gas condenser back to liquid water and the fuel circuit again Is made available. The internal combustion engine is connected on the output side fluid-conducting with the input of the exhaust gas condenser, the exhaust gas condenser is connected on the output side fluid-conducting with the input of the water storage, the water storage is connected on the output side fluid-conductively connected to the input of the electrolysis device and finally the hydrogen outlet of the electrolysis device is fluidly connected to the hydrogen inlet port of the internal combustion engine.

Da der Kraftstoffkreislauf geschlossen ist, ist kein Nachfüllen des Wassers beispielsweise in den Wasserspeicher erforderlich. Ferner ist auch keine wie bei den Verbrennungsmotoren vorgesehene herkömmliche Abgasanlage, zum Beispiel ein Auspuff erforderlich, da das Verbrennungsprodukt der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung Wasser ist, das nach dem Kondensieren gesammelt und erneut zur Verbrennung in dem Verbrennungsmotor genutzt wird. Die durch die Abgaskondensation zur Verfügung gestellte Kondensationswärme stellt des Weiteren eine Möglichkeit dar, das Innere des Fahrzeugs ohne zusätzliche Kosten bzw. ohne den Einsatz von zusätzlichen Energieressourcen zu heizen, zum Beispiel im Winter.Since the fuel circuit is closed, no replenishment of the water is required, for example in the water tank. Further, since the combustion product of hydrogen-oxygen combustion is water that is collected after condensing and used again for combustion in the internal combustion engine, no conventional exhaust system such as an exhaust gas provided as in the internal combustion engines is required. The heat of condensation provided by the exhaust gas condensation furthermore represents a possibility of heating the interior of the vehicle without additional costs or without the use of additional energy resources, for example in winter.

Die fahrzeugseitig durchgeführte Elektrolyse und die Bereitstellung des auf diese Weise gewonnenen Wasserstoffs für die Verbrennung durch den Verbrennungsmotor bieten den großen Vorteil, dass insgesamt weniger Kraftstoff in einem Kraftstoffdruckbehälter mitgeführt werden muß, um die gleiche Reichweite herkömmlicher Fahrzeuge mit einem Wasserstoffmotor zu erreichen. Ferner läßt sich die Größe eines mitgeführten Kraftstoffdruckbehälters aufgrund des geringer benötigten Kraftstoffvolumens auf diese Weise reduzieren und/oder der Druck, mit dem der Wasserstoff in dem Kraftstoffdruckbehälter gespeichert wird, verringern. Ein kleinerer Kraftstoffdruckbehälter führt zu einem geringeren Gesamtgewicht des Fahrzeugs und ermöglicht, den derart eingesparten Raum anderweitig zur Verfügung zu stellen bzw. das Fahrzeug kleiner zu bauen.The electrolysis performed on the vehicle side and the provision of the hydrogen thus obtained for combustion by the internal combustion engine offer the great advantage that altogether less fuel has to be carried in a fuel pressure vessel in order to achieve the same range of conventional vehicles with a hydrogen engine. Furthermore, the size of a entrained fuel pressure vessel can be reduced in this way due to the lower required fuel volume and / or reduce the pressure at which the hydrogen is stored in the fuel pressure vessel. A smaller fuel pressure vessel leads to a lower total weight of the vehicle and makes it possible to make the thus saved space available elsewhere or to build the vehicle smaller.

Ferner weist der Verbrennungsmotor einen zu kühlenden Bereich auf. Der zu kühlende Bereich umfaßt bevorzugt eine Motorkühlvorrichtung und/oder eine Motorabgasvorrichtung.Furthermore, the internal combustion engine has a region to be cooled. The area to be cooled preferably comprises an engine cooling device and / or an engine exhaust device.

Die erfindungsgemäße Verbrennungsmotorantriebsanordnung umfaßt des Weiteren einen Kühlkreislauf zum Kühlen des zu kühlenden Bereichs des Verbrennungsmotors. Hierzu weist dieser einen Wärmetauscher, einen Expander, einen Kondensator und eine Pumpe auf. Die Pumpe ist ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang des Expanders verbunden, der Expander ist ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang des Kondensators verbunden und der Kondensator ist ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang der Pumpe verbunden. Der zu kühlende Bereich des Verbrennungsmotors, nämlich die Motorkühlvorrichtung und/oder die Motorabgasvorrichtung, steht in thermischer Verbindung mit dem Wärmetauscher des Kühlkreislaufs, das heißt, die Wärme wird in dem Wärmetauscher von dem zu kühlenden Bereich des Verbrennungsmotors auf ein Arbeitsfluid des Kühlkreislaufs übertragen.The internal combustion engine drive assembly according to the invention further comprises a cooling circuit for cooling the region of the internal combustion engine to be cooled. For this purpose, this has a heat exchanger, an expander, a capacitor and a pump on. On the output side, the pump is connected in a fluid-conducting manner to the input of the expander, the expander is connected on the output side to a fluid-conducting connection with the input of the capacitor, and the capacitor is connected on the output side to a fluid-conducting connection with the input of the pump. The region of the internal combustion engine to be cooled, namely the engine cooling device and / or the engine exhaust device, is in thermal communication with the heat exchanger of the cooling circuit, that is, the heat is transferred in the heat exchanger from the region of the internal combustion engine to be cooled to a working fluid of the cooling circuit.

Mit dem Kühlkreislauf wird erfindungsgemäß ein vollständiger Rankine-Kreisprozeß durchgeführt. Mit Hilfe der Pumpe, die beispielsweise eine Speisewasserpumpe ist, wird das Arbeitsfluid, zum Beispiel Wasser, bis zu einem Druck komprimiert, der höher ist als der Atmosphärendruck. Das Arbeitsfluid wird anschließend mit Hilfe der in dem Wärmetauscher von dem zu kühlenden Bereich abgegebenen Wärme bei konstantem Druck erhitzt und dabei verdampft.With the cooling circuit according to the invention a complete Rankine cycle is performed. By means of the pump, which is for example a feed water pump, the working fluid, for example water, is compressed to a pressure which is higher than the atmospheric pressure. The working fluid is then heated with the aid of the heat released from the area to be cooled in the heat exchanger at constant pressure and thereby evaporated.

Das Komprimieren und Verdampfen sind die ersten beiden Schritte eines Rankine-Prozesses. Im Rahmen des Rankine-Prozesses wird in einem dritten Schritt der Dampf über einen Expander, der bevorzugt eine Turbine bzw. Dampfturbine ist, entspannt und dabei mechanische Energie erzeugt. Das nach dem Verlassen des Expanders entspannte Arbeitsfluid wird anschließend in einem vierten Schritt des Rankine-Prozesses mit Hilfe des Kondensators (Verflüssiger) wieder verflüssigt. Die Verflüssigung erfolgt insbesondere bei konstantem Druck und bei konstanter Temperatur. Anschließend wird das verflüssigte Arbeitsfluid erneut mit Hilfe der Pumpe verdichtet und in den Wärmetauscher geleitet.Compressing and vaporizing are the first two steps of a Rankine process. In the Rankine process, in a third step, the steam is expanded via an expander, which is preferably a turbine or steam turbine, thereby generating mechanical energy. The relaxed after leaving the expander working fluid is then re-liquefied in a fourth step of the Rankine process using the condenser (condenser). The liquefaction takes place especially at constant pressure and at a constant temperature. Subsequently, the liquefied working fluid is again compressed by means of the pump and passed into the heat exchanger.

Die in dem Expander erzeugte mechanische Energie wird mittels einer Expanderabtriebswelle bereitgestellt. In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist die Expanderabtriebswelle mit einem elektrischen Generator verbunden. Die Expanderabtriebswelle kann zusätzlich auch zum Antrieb der Pumpe verwendet werden und/oder zusätzlich auch zur Abtriebsleistung des Verbrennungsmotors mittels eines geeigneten Getriebes übertragen werden. Dies erhöht die Gesamteffizienz der Verbrennungsmotorantriebsanordnung. Grundsätzlich kann mit der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotorantriebsanordnung ein Wirkungsgrad weit oberhalb von 0,5 erzielt werden.The mechanical energy generated in the expander is provided by means of an expander output shaft. In a preferred embodiment of the invention, the Expanderabtriebswelle is connected to an electric generator. The Expanderabtriebswelle can also be used to drive the pump and / or additionally transmitted to the output of the engine by means of a suitable transmission. This increases the overall efficiency of the engine drive assembly. In principle, an efficiency far above 0.5 can be achieved with the internal combustion engine drive arrangement according to the invention.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der Kühlkreislauf ferner einen Stirlingmotor, der ebenfalls in thermischer Verbindung mit dem zu kühlenden Bereich des Verbrennungsmotors steht. Ferner ist der Stirlingmotor mit der Pumpe des Kühlkreislaufs verbunden, um diese anzutreiben. Auf diese Weise kann ein Teil der von dem zu kühlenden Bereich des Verbrennungsmotors abgegebenen Wärme zum Betrieb der Pumpe genutzt werden, was die Gesamteffizienz der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotorantriebsanordnung nochmals steigert.In a further advantageous embodiment of the invention, the cooling circuit further comprises a Stirling engine, which is also in thermal communication with the area to be cooled of the internal combustion engine. Further, the Stirling engine is connected to the pump of the refrigeration cycle to drive them. In this way, part of the heat released by the area of the internal combustion engine to be cooled can be used to operate the pump, which further increases the overall efficiency of the internal combustion engine drive arrangement according to the invention.

Der Generator ist bevorzugt mit der Elektrolysevorrichtung elektrisch verbunden. Das heißt, die von dem Expander erzeugte mechanische Energie wird durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt, welche größtenteils oder vollständig für die Elektrolyse der Elektrolysevorrichtung genutzt wird. Der Generator ist bevorzugt ebenfalls mit einem Fahrzeugakkumulator elektrisch verbunden. Ein eventuell nicht für die Elektrolyse benötigte Teil der elektrisch erzeugten Energie kann zum Aufladen des Fahrzeugakkumulators verwendet werden. Die elektrisch erzeugte Energie kann bei Bedarf bevorzugt auch weiteren elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden.The generator is preferably electrically connected to the electrolysis device. That is, the mechanical energy generated by the expander is converted by the generator into electrical energy, which is largely or completely used for the electrolysis of the electrolyzer. The generator is preferably also electrically connected to a vehicle battery. A portion of the electrically generated energy which may not be required for the electrolysis can be used to charge the vehicle battery. If required, the electrically generated energy can preferably also be made available to further electrical consumers of the vehicle.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind an geeigneten Fahrzeugaußenflächen photovoltaisch aktive Bereiche, insbesondere Solarzellen, angeordnet. Die Solarzellen sind ebenfalls bevorzugt mit der Elektrolysevorrichtung elektrisch verbunden, so dass die von den Solarzellen bereitgestellte elektrische Energie für die Elektrolyse des im Kraftstoffkreislauf gespeicherten Wassers genutzt werden kann. Vorteilhaft ist die Fläche des photovoltaisch aktiven Bereichs möglichst groß. Es können an unterschiedlichen Stellen der Fahrzeugaußenfläche auch mehrere photovoltaisch aktive Bereiche angeordnet sein, die in geeigneter Weise elektrisch zusammengeschaltet sind, um der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotorantriebsanordnung eine möglichst große elektrische Gesamtleistung zur Verfügung zu stellen. Somit ist die Durchführung der Elektrolyse von dem Betrieb des Verbrennungsmotors entkoppelt und kann beispielsweise auch beim Stillstand des Fahrzeugs oder während des Parkens durchgeführt werden.In a further preferred embodiment of the invention, photovoltaically active areas, in particular solar cells, are arranged on suitable exterior vehicle surfaces. The solar cells are also preferably electrically connected to the electrolysis device, so that the electrical energy provided by the solar cells can be used for the electrolysis of the water stored in the fuel circuit. Advantageously, the area of the photovoltaically active region is as large as possible. It can be arranged at different locations of the vehicle outer surface and a plurality of photovoltaically active areas, which are electrically interconnected in a suitable manner to provide the combustion engine drive assembly according to the invention as large a total electrical power available. Thus, the implementation of the electrolysis of the operation of the internal combustion engine is decoupled and can be carried out, for example, at standstill of the vehicle or during parking.

Bevorzugt findet die Elektrolyse in der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotorantriebsanordnung zu jeder Zeit statt. Während des Stillstands des Fahrzeugs, das heißt wenn der Verbrennungsmotor keinen Kraftstoff zur Verbrennung benötigt, wird der durch die Elektrolyse gewonnene Wasserstoff in einem Kraftstoffdruckbehälter gespeichert. Hierzu ist die Wasserstoffauslaßöffnung der Elektrolysevorrichtung fluidleitend mit dem Eingang einer Kraftstoffspeicherpumpe verbunden, die den Kraftstoff unter Druck in den Kraftstoffdruckbehälter leitet, so dass er zu einem späteren Zeitpunkt dem Verbrennungsmotor für die Verbrennung zur Verfügung gestellt werden kann. Der Kraftstoffdruckbehälter ist ausgangsseitig fluidleitend mit dem Wasserstoffeingang des Verbrennungsmotors verbunden.Preferably, the electrolysis takes place in the internal combustion engine drive assembly according to the invention at all times. During standstill of the vehicle, that is, when the engine does not require fuel for combustion, the hydrogen produced by the electrolysis is stored in a fuel pressure vessel. For this purpose, the hydrogen outlet of the electrolysis device is fluidly connected to the input of a fuel storage pump, which directs the fuel under pressure in the fuel pressure vessel, so that it can be made available to the internal combustion engine for combustion at a later date. The fuel pressure vessel is connected on the output side fluid-conducting with the hydrogen inlet of the internal combustion engine.

Um den Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotorantriebsanordnung weiter zu steigern, ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Kraftstoffspeicherpumpe durch die beim Bremsen des Fahrzeugs während der Fahrt zurück gewonnene und gespeicherte Bremsenergie betrieben wird. Hierzu ist die erfindungsgemäße Verbrennungsmotorantriebsanordnung mit einer Bremsenergierückgewinnungs- und Speichervorrichtung ausgestattet. Beispielsweise wird ein mechanischer Kompressor beim Bremsen des Fahrzeugs angetrieben, um ein Speicherfluid in einem Speicherbehälter zu komprimieren. Beim Entspannen des komprimierten Speicherfluids wird die in dem Speicherfluid gespeicherte Bremsenergie in mechanische Arbeit beispielsweise zum Antrieb der Kraftstoffspeicherpumpe umgewandelt. In order to further increase the overall efficiency of the internal combustion engine drive arrangement according to the invention, it is provided in a preferred embodiment that the fuel storage pump is operated by the braking energy recovered and stored during braking of the vehicle during the drive. For this purpose, the internal combustion engine drive arrangement according to the invention is equipped with a brake energy recovery and storage device. For example, a mechanical compressor is driven during braking of the vehicle to compress a storage fluid in a storage container. When relaxing the compressed storage fluid stored in the storage fluid braking energy is converted into mechanical work, for example, to drive the fuel storage pump.

Weiterhin ist der photovoltaisch aktive Bereich bevorzugt mit dem Fahrzeugakkumulator und/oder weiteren elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs elektrisch verbunden, um diesen ebenfalls die erzeugte elektrische Solarenergie zur Verfügung zu stellen, beispielsweise zum Aufladen des Akkumulators.Furthermore, the photovoltaically active region is preferably electrically connected to the vehicle accumulator and / or further electrical consumers of the vehicle in order to also make available the generated electrical solar energy to them, for example for charging the accumulator.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der von der Elektrolysevorrichtung gewonnene Sauerstoff der Luft zudosiert, die dem Verbrennungsmotor für die Verbrennung zugeführt wird. Somit lässt sich die gewöhnlich etwa 21% betragende Sauerstoffkonzentration der normalen Luft weiter erhöhen, was eine verbesserte und wirksamere Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs ermöglicht. Ferner lassen sich durch den höheren Sauerstoffanteil des Kraftstoff-Luft-Gemischs Stickoxid-Emissionen verringern.In a further preferred embodiment of the invention, the oxygen obtained from the electrolysis device is metered into the air, which is supplied to the combustion engine for combustion. Thus, the normal air concentration, which is usually about 21%, can be further increased, enabling improved and more efficient combustion of the air-fuel mixture. Furthermore, can be reduced by the higher oxygen content of the fuel-air mixture nitrogen oxide emissions.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, anhand einer einzigen Figur erläuterten schematischen Darstellung eines bevorzugten, die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels.Further details and advantages of the invention will become apparent from the following, with reference to a single figure explained schematic representation of a preferred, not limiting the invention embodiment.

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Verbrennungsmotorantriebsanordnung 1, die im Wesentlichen einen Kraftstoffkreislauf 2 und einen Kühlkreislauf 3 aufweist. 1 schematically shows an internal combustion engine drive arrangement according to the invention 1 which is essentially a fuel cycle 2 and a cooling circuit 3 having.

Der dargestellte Kraftstoffkreislauf 2 umfaßt einen Verbrennungsmotor 4, der eingangsseitig eine Wasserstoffeinlaßöffnung 26 und eine Lufteinlaßöffnung 27 aufweist. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Verbrennungsmotor 4 ein Wasserstoffmotor, der für die Verbrennung eines Gemischs aus Wasserstoff und Luft bzw. Sauerstoff geeignet ist.The illustrated fuel circuit 2 includes an internal combustion engine 4 , the input side, a hydrogen inlet opening 26 and an air inlet opening 27 having. In the described embodiment, the internal combustion engine 4 a hydrogen engine suitable for combustion of a mixture of hydrogen and air or oxygen.

Der Verbrennungsmotor 4 weist ferner eine Motorabtriebswelle 5 zur Abgabe einer mechanischen Leistung auf. Eine motorseitige Abgasauslaßöffnung 28 ist fluidleitend über eine Motorabgasvorrichtung 6 mit dem Eingang eines Abgaskondensators 8 verbunden. Ferner ist eine Motorkühlvorrichtung 7 fluidleitend mit entsprechenden am Verbrennungsmotor 4 vorgesehenen Ein- und Auslaßöffnungen verbunden. Die Motorabgasvorrichtung 6 und die Motorkühlvorrichtung 7 stellen einen zu kühlenden Bereich des Verbrennungsmotors 4 dar.The internal combustion engine 4 also has an engine output shaft 5 for delivering a mechanical power. An engine exhaust port 28 is fluid-conducting via an engine exhaust device 6 with the input of an exhaust gas condenser 8th connected. Further, an engine cooling device 7 fluid-conducting with corresponding combustion engine 4 provided inlet and outlet ports connected. The engine exhaust device 6 and the engine cooling device 7 Make a section of the engine to be cooled 4 represents.

Der in 1 dargestellte Abgaskondensator 8 stellt die bei dem Kondensiervorgang des Abgasstroms gewonnene Kondensationswärme dem Fahrzeuginneren als Heizwärme zur Verfügung, was durch den Pfeil 31 in 1 angedeutet ist. Ausgangsseitig ist der Abgaskondensator 8 fluidleitend mit dem Eingang eines Wasserspeichers 9 verbunden. Der Wasserspeicher 9 ist ausgangsseitig fluidleitend mit dem Fluideingang einer Elektrolysevorrichtung 10 verbunden. Die Elektrolysevorrichtung 10 weist an ihrem Fluidausgang eine Wasserstoffauslaßöffnung 29 und eine Sauerstoffauslaßöffnung 30 auf. Die Elektrolysevorrichtung 10 weist ferner einen elektrischen Anschluß zur Versorgung mit elektrischer Energie auf.The in 1 illustrated exhaust gas condenser 8th represents the heat of condensation obtained in the condensation process of the exhaust gas flow to the vehicle interior as heating heat available, which is indicated by the arrow 31 in 1 is indicated. On the output side is the exhaust gas condenser 8th fluid-conducting with the entrance of a water reservoir 9 connected. The water storage 9 the output side is fluid-conducting with the fluid inlet of an electrolysis device 10 connected. The electrolysis device 10 has at its fluid outlet a hydrogen outlet 29 and an oxygen outlet port 30 on. The electrolysis device 10 also has an electrical connection for the supply of electrical energy.

Die Wasserstoffauslaßöffnung 29 ist beispielsweise über ein Schaltventil 13 fluidleitend mit der Wasserstoffeinlaßöffnung 26 des Verbrennungsmotors 4 verbindbar. Ferner ist die Wasserstoffauslaßöffnung 29 über das Schaltventil fluidleitend mit dem Eingang einer Kraftstoffspeicherpumpe 12 verbindbar, die ausgangsseitig wiederum mit dem Eingang eines Kraftstoffdruckbehälters 11 verbunden ist. Die Kraftstoffspeicherpumpe 12 ist antriebsseitig mit einer in 1 nicht dargestellten Bremsenergierückgewinnungsvorrichtung verbunden, welche mechanischer und/oder elektrischer Art sein kann.The hydrogen outlet 29 is for example via a switching valve 13 fluid conducting with the hydrogen inlet port 26 of the internal combustion engine 4 connectable. Further, the hydrogen outlet port 29 via the switching valve fluid-conducting with the input of a fuel storage pump 12 connectable, the output side in turn with the input of a fuel pressure tank 11 connected is. The fuel storage pump 12 is on the drive side with an in 1 Not shown, the brake energy recovery device connected, which may be mechanical and / or electrical type.

Der Kraftstoffdruckbehälter 11 ist ebenfalls mit einer in der 1 nicht dargestellten Einfüllöffnung versehen, um Wasserstoff beispielsweise von einer Wasserstofftankanlage in den Kraftstoffdruckbehälter 11 einzufüllen. Der Ausgang des Kraftstoffdruckbehälters 11 ist fluidleitend mit der Wasserstoffeinlaßöffnung 26 des Verbrennungsmotors 4 verbunden.The fuel pressure tank 11 is also with a in the 1 Not shown filling opening provided to hydrogen, for example, from a hydrogen tank system in the fuel pressure vessel 11 fill. The output of the fuel pressure tank 11 is fluid-conducting with the hydrogen inlet opening 26 of the internal combustion engine 4 connected.

Die Sauerstoffauslaßöffnung 30 der Elektrolysevorrichtung 10 ist fluidleitend mit einem Dosierventil 14 verbunden. Das Dosierventil 14 weist ferner eine Luftzuführung 32 zur Zuführung von normaler Umgebungslust auf. Ausgangsseitig ist das Dosierventil 14 fluidleitend mit der Lufteinlaßöffnung 27 des Verbrennungsmotors 4 verbunden.The oxygen outlet 30 the electrolysis device 10 is fluid-conducting with a metering valve 14 connected. The metering valve 14 also has an air supply 32 for supplying normal ambience. On the output side is the metering valve 14 fluid-conducting with the air inlet opening 27 of the internal combustion engine 4 connected.

Der in 1 dargestellte Kühlkreislauf 3 weist einen Wärmetauscher 15 auf. Der Wärmetauscher 15 ist ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang eines Expanders 16 verbunden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Expander 16 eine Dampfturbine. Der Expander 16 weist ferner eine Expanderabtriebswelle 17 auf zur Abgabe einer mechanischen Leistung. Ausgangsseitig ist der Expander 16 fluidleitend mit dem Eingang eines Kondensators 18 verbunden. Der Kondensator 18 ist ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang einer Pumpe 19 verbunden. Die Pumpe 19 ist schließlich ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang des Wärmetauschers 15 verbunden. in dem Kühlkreislauf 3 zirkuliert ein Arbeitsfluid, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel Wasser ist. Es könnte jedoch auch jedes andere Arbeitsfluid verwendet werden, das zur Durchführung eines Rankine-Kreisprozesses im Sinne der Erfindung geeignet ist. Die Pumpe 19 ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Speisewasserpumpe.The in 1 illustrated cooling circuit 3 has a heat exchanger 15 on. The heat exchanger 15 On the output side, it is fluid-conducting with the input of an expander 16 connected. In the illustrated Embodiment is the expander 16 a steam turbine. The expander 16 also has an expander output shaft 17 to deliver a mechanical power. The output side is the expander 16 fluid-conducting with the input of a capacitor 18 connected. The capacitor 18 the output side is fluid-conducting with the input of a pump 19 connected. The pump 19 Finally, the output side is fluid-conducting with the input of the heat exchanger 15 connected. in the cooling circuit 3 circulates a working fluid, which is water in the illustrated embodiment. However, any other working fluid could be used which is suitable for carrying out a Rankine cycle in the sense of the invention. The pump 19 is a feedwater pump in the described embodiment.

Des Weiteren weist der Kühlkreislauf 3 einen Stirlingmotor 20 auf. Der Stirlingmotor 20 steht in thermischer Verbindung mit dem Wärmetauscher 15, was durch die Pfeile 21 in 1 angedeutet ist. Das heißt, von dem Wärmetauscher 15 wird Wärme auf den Stirlingmotor 20 übertragen, um diesen anzutreiben. Der Stirlingmotor 20 ist ausgangsseitig mit der Pumpe 19 verbunden. Die Pumpe 19 könnte jedoch auch mit der Expanderabtriebswelle 17 verbunden sein und von dieser angetrieben werden, was durch den gestrichelt dargestellten Pfeil 33 in 1 angedeutet ist.Furthermore, the cooling circuit 3 a Stirling engine 20 on. The Stirling engine 20 is in thermal communication with the heat exchanger 15 what through the arrows 21 in 1 is indicated. That is, from the heat exchanger 15 Heat is applied to the Stirling engine 20 transferred to power this. The Stirling engine 20 is on the output side with the pump 19 connected. The pump 19 However, it could also work with the expander output shaft 17 be connected and driven by this, which is indicated by the dashed arrow 33 in 1 is indicated.

Wie in 1 dargestellt ist, steht der Wärmetauscher 15 in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit dem zu kühlenden Bereich des Verbrennungsmotors 4, das heißt mit der Motorabgasvorrichtung 6 sowie mit der Motorkühlvorrichtung 7 in thermischer Verbindung. Das heißt, dass Wärme sowohl von der Motorabgasvorrichtung 6 als auch von der Motorkühlvorrichtung 7 auf das im Kühlkreislauf 3 zirkulierende Arbeitsfluid übertragbar ist.As in 1 is shown, the heat exchanger is 15 in the described embodiment with the area to be cooled of the internal combustion engine 4 that is with the engine exhaust device 6 as well as with the engine cooling device 7 in thermal connection. That is, heat from both the engine exhaust device 6 as well as from the engine cooling device 7 on the in the cooling circuit 3 circulating working fluid is transferable.

Die Expanderabtriebswelle 17 ist mit einem elektrischen Generator 22 verbunden. Der Generator 22 ist elektrisch mit dem Bordnetz des Fahrzeugs verbunden. Über das Bordnetz ist der Generator 22 elektrisch mit der Elektrolysevorrichtung 10, einem Fahrzeugakkumulator 24 und weiteren elektrischen Verbrauchern 25 im Fahrzeug verbunden. Ferner sind mit dem Bordnetz ebenso an der Fahrzeugaußenseite angebrachte Solarzellen als photovoltaisch aktive Bereiche 23 elektrisch verbunden.The expander output shaft 17 is with an electric generator 22 connected. The generator 22 is electrically connected to the electrical system of the vehicle. About the electrical system is the generator 22 electrically with the electrolyzer 10 , a vehicle battery 24 and other electrical consumers 25 connected in the vehicle. Furthermore, with the vehicle electrical system also mounted on the outside of the vehicle solar cells as photovoltaic active areas 23 electrically connected.

Für den Betrieb des Verbrennungsmotors 4 wird diesem Wasserstoff aus dem Kraftstoffdruckbehälter 11 und/oder der Elektrolysevorrichtung 10 über der an dem Verbrennungsmotor 4 vorgesehenen Wasserstoffeinlaßöffnung 26 zugeführt. Ebenso wird dem Verbrennungsmotor 4 über die Lufteinlaßöffnung 27 Luft zugeführt. Die Luft und der Wasserstoff werden in dem Verbrennungsmotor 4 zu einem Kraftstoff-Luft-Gemisch gemischt. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in einer Brennkammer des Verbrennungsmotors 4 verbrannt. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Luft über das Dosierventil 14 ein geeigneter Anteil an Sauerstoff, der bei der Elektrolyse in der Elektrolysevorrichtung 10 erzeugt wird, beigemischt. Damit wird der Sauerstoffgehalt der normalen Luft, der typischerweise etwa 21% beträgt, erhöht, was eine wirksamer Verbrennung ermöglicht.For the operation of the internal combustion engine 4 this hydrogen is taken from the fuel pressure tank 11 and / or the electrolysis device 10 above the on the internal combustion engine 4 provided hydrogen inlet opening 26 fed. Likewise, the internal combustion engine 4 over the air inlet opening 27 Supplied with air. The air and the hydrogen are in the internal combustion engine 4 mixed into a fuel-air mixture. The fuel-air mixture is in a combustion chamber of the internal combustion engine 4 burned. In the embodiment described here, the air is via the metering valve 14 a suitable proportion of oxygen which is produced during the electrolysis in the electrolysis device 10 is generated, added. This increases the oxygen content of normal air, which is typically about 21%, which allows efficient combustion.

Die durch die Verbrennung erzeugte Wärme wird einerseits über die Motorkühlvorrichtung 7 und andererseits über den heißen Abgasstrom, der durch die Motorabgasvorrichtung 6 geleitet wird, aus dem Verbrennungsmotor 4 herausgeführt und dem Kühlkreislauf 3, insbesondere dem Wärmetauscher 15, zur Verfügung gestellt. In dem Wärmetauscher 15 findet eine Wärmeübertragung von der Motorkühlvorrichtung 7 einerseits und der Motorabgasvorrichtung 6 andererseits auf das in dem Kühlkreislauf 3 zirkulierende Arbeitsfluid statt. Nach der Wärmeübertragung im Wärmetauscher 15 wird der noch in dem Abgasstrom enthaltene Wasserdampf in dem Kondensator 8 kondensiert. Die hierbei frei werdende Kondensationswärme steht in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bei Bedarf als Heizwärme zum Beheizen des Fahrzeuginneren zur Verfügung.The heat generated by the combustion is on the one hand via the engine cooling device 7 and, on the other hand, the hot exhaust gas flow passing through the engine exhaust device 6 is routed from the internal combustion engine 4 led out and the cooling circuit 3 , in particular the heat exchanger 15 , made available. In the heat exchanger 15 finds a heat transfer from the engine cooling device 7 on the one hand and the engine exhaust device 6 on the other hand, in the refrigeration cycle 3 circulating working fluid instead. After the heat transfer in the heat exchanger 15 becomes the water vapor still contained in the exhaust gas stream in the condenser 8th condensed. The released heat of condensation is in the in 1 illustrated embodiment when needed as heating heat for heating the vehicle interior available.

Das aus dem Abgasstrom kondensierte Wasser wird gesammelt und in den Wasserspeicher 9 befördert, wo es für die in der Elektrolysevorrichtung 10 durchgeführte Elektrolyse zur Verfügung steht. Der durch die Elektrolyse erzeugte Wasserstoff wird, solange der Wasserstoffmotor 4 in Betrieb ist, diesem wieder zur Verbrennung über das Schaltventil 13 zugeführt. Somit lässt sich die Kraftstoffentnahme aus dem Kraftstoffdruckbehälter 11 während des Betriebs des Verbrennungsmotors 4 reduzieren.The condensed water from the exhaust gas flow is collected and into the water reservoir 9 transported where it is for in the electrolysis device 10 performed electrolysis is available. The hydrogen produced by the electrolysis, as long as the hydrogen engine 4 is in operation, this again for combustion via the switching valve 13 fed. Thus, the fuel extraction from the fuel pressure tank can be 11 during operation of the internal combustion engine 4 to reduce.

Zu den Zeiten, zu denen der Verbrennungsmotor 4 nicht in betrieben wird, wenn das Fahrzeug also beispielsweise geparkt ist, wird die Elektrolyse in der Elektrolysevorrichtung 10 dennoch weiter durchgeführt. Die hierfür benötigte elektrische Energie wird vom Bordnetz des Fahrzeugs und insbesondere von dem photovoltaisch aktiven Bereich 23 des Fahrzeugs, das heißt den an der Fahrzeugaußenfläche angebrachten Solarzellen, bereitgestellt. Da in diesem Fall kein Wasserstoff für die Verbrennung benötigt wird, wird dieser mittels der Kraftstoffspeicherpumpe 12 in den Kraftstoffdruckbehälter 11 gepumpt und gespeichert. Die Kraftstoffspeicherpumpe 12 wird mittels einer Energie angetrieben, die aus einer nicht dargestellten Bremsenergierückgewinnungsvorrichtung bereitgestellt wird. Die Bremsenergie des Fahrzeugs wird bei der Fahrt dazu genutzt, einen mechanischen Kompressor anzutreiben, um den zuvor generierten aber während der Brems-/Stillstandsphase bei heißem Motor generierten Wasserstoff zu komprimieren. Auf diese Weise steht immer zusätzlich zum ursprünglich betankten Vorrat regenerativ erzeugter Wasserstoff zur Verfügung, um die Gesamteffizienz der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotorantriebsanordnung weiter zu steigern.At the times when the internal combustion engine 4 is not operated in, so if the vehicle is parked, for example, the electrolysis in the electrolysis device 10 nevertheless carried on. The electrical energy required for this purpose is from the electrical system of the vehicle and in particular from the photovoltaic active area 23 of the vehicle, that is, the solar cells attached to the vehicle outer surface. Since no hydrogen is needed for the combustion in this case, this is by means of the fuel storage pump 12 in the fuel pressure tank 11 pumped and stored. The fuel storage pump 12 is driven by means of an energy, which is provided from a brake energy recovery device, not shown. The braking energy of the vehicle is used during the drive to drive a mechanical compressor to the previously generated but during the brake / standstill phase when the engine is hot to generate generated hydrogen. In this way, regeneratively generated hydrogen is always available in addition to the originally refueled supply in order to further increase the overall efficiency of the internal combustion engine drive arrangement according to the invention.

Die Wärmeübertragung von der Motorkühlvorrichtung 7 und der Motorabgasvorrichtung 6 erfolgt bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel derart, dass die im Vergleich zu der von der Motorabgasvorrichtung 6 transportierten Wärme niedrigere Temperatur der von der Motorkühlvorrichtung 7 transportierten Wärme genutzt wird, das mittels der Pumpe 19 komprimierte Arbeitsfluid des Kühlkreislaufs 3 in dem Wärmetauscher 15 vorzuwärmen. Mittels des wesentlich heißeren Abgasstroms, der durch die Motorabgasvorrichtung 6 geleitet wird, wird das Arbeitsfluid anschließend weiter erhitzt und verdampft. Die zweistufige Wärmeübertragung, das heißt das Vorwärmen und das anschließende Erhitzen und Verdampfen im Wärmetauscher 15, ist in 1 durch die in der Strömungsrichtung des Arbeitsfluids nacheinander angeordnete Motorkühlvorrichtung 7 und Motorabgasvorrichtung 6 dargestellt.The heat transfer from the engine cooling device 7 and the engine exhaust device 6 takes place at the in 1 illustrated embodiment such that compared to that of the engine exhaust device 6 transported heat lower temperature than that of the engine cooler 7 transported heat is used by means of the pump 19 compressed working fluid of the cooling circuit 3 in the heat exchanger 15 preheat. By means of the much hotter exhaust gas flowing through the engine exhaust device 6 is passed, the working fluid is then further heated and evaporated. The two-stage heat transfer, that is, the preheating and the subsequent heating and evaporation in the heat exchanger 15 , is in 1 by the motor cooling device successively arranged in the flow direction of the working fluid 7 and engine exhaust device 6 shown.

Der erzeugte Wasserdampf wird in die Turbine 16 geleitet und dort entspannt, wobei die Turbine 16 mit Hilfe des Wasserdampfs angetrieben wird. Die Expanderabtriebswelle 17 der Turbine 16 wird mit Hilfe des Wasserdampfs in eine Drehbewegung versetzt. Die hierbei erzeugte mechanische Energie kann sowohl auf die Motorabtriebswelle 5 des Verbrennungsmotors 4 übertragen werden, als auch zum Betreiben der Pumpe 19 verwendet werden. In dem dargestellten Beispiel wird die erzeugte mechanische Energie jedoch alleine dazu genutzt, den Generator 22 anzutreiben. Die erzeugte mechanische Energie wird demnach mittels des Generators 22 in elektrische Energie umgewandelt.The generated water vapor gets into the turbine 16 headed and relaxed there, taking the turbine 16 is driven by means of water vapor. The expander output shaft 17 the turbine 16 is rotated by means of the water vapor in a rotary motion. The mechanical energy generated in this case can be both on the engine output shaft 5 of the internal combustion engine 4 be transferred, as well as to operate the pump 19 be used. In the illustrated example, however, the generated mechanical energy is used alone to power the generator 22 drive. The generated mechanical energy is therefore by means of the generator 22 converted into electrical energy.

Das die Turbine 16 verlassende Arbeitsfluid, insbesondere in Form von Wasserdampf, wird anschließend in den Kondensator 18 geleitet. Im Inneren des Kondensators 18 wird das Arbeitsfluid bei konstantem Druck und konstanter Temperatur verflüssigt. Anschließend verläßt das verflüssigte Arbeitsfluid den Kondensator 18 und wird zur Pumpe 19 geleitet und steht dem Rankine-Kreisprozeß somit erneut zur Verfügung. Es ist zu erwähnen, dass die Kondensationswärme, die bei der Kondensation im Kondensator 18 und/oder im Kondensator 8 gewonnen wird, wahlweise ebenfalls zur Vorwärmung des Arbeitsfluids im Kühlkreislauf 3 genutzt werden kann, wie bereits weiter oben im Zusammenhang mit der Wärmeübertragung der Motorkühlvorrichtung 7 beschrieben wurde.That's the turbine 16 leaving working fluid, especially in the form of water vapor, is then in the condenser 18 directed. Inside the condenser 18 the working fluid is liquefied at constant pressure and temperature. Subsequently, the liquefied working fluid leaves the condenser 18 and becomes the pump 19 and is thus again available to the Rankine cycle. It should be noted that the heat of condensation that occurs during condensation in the condenser 18 and / or in the condenser 8th is obtained, optionally also for preheating the working fluid in the cooling circuit 3 can be used, as already mentioned above in connection with the heat transfer of the engine cooling device 7 has been described.

Wie in 1 dargestellt ist, steht der Stirlingmotor 20 ebenfalls in thermischer Verbindung mit dem Wärmetauscher 15, was durch die Pfeile 21 angedeutet ist. Der Stirlingmotor 20 wird also durch einen Teil der im Wärmetauscher 15 übertragenen Wärme angetrieben und nutzt somit die hierbei erzeugte mechanische Energie zum Antrieb der Pumpe 19.As in 1 is shown, is the Stirling engine 20 also in thermal communication with the heat exchanger 15 what through the arrows 21 is indicated. The Stirling engine 20 So it is through a part of the heat exchanger 15 driven heat and thus uses the mechanical energy generated in this case to drive the pump 19 ,

Der von der Turbine 16 über die Abtriebswelle 17 angetriebene Generator 22 stellt die erzeugte elektrische Leistung dem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs zur Verfügung. Insbesondere wird die erzeugte elektrische Energie dazu genutzt, die Elektrolysevorrichtung 10 mit elektrischer Energie zur Durchführung der Elektrolyse zu versorgen. Ferner wird die erzeugte elektrische Energie jedoch auch anderen elektrischen Verbrauchern 25 im Fahrzeug zur Verfügung gestellt und insbesondere auch zum Aufladen des Fahrzeugakkumulators 24 verwendet.The one from the turbine 16 over the output shaft 17 powered generator 22 provides the generated electrical power to the electrical system of the vehicle. In particular, the generated electrical energy is used to the electrolysis device 10 be supplied with electrical energy to carry out the electrolysis. Furthermore, however, the generated electrical energy also becomes other electrical consumers 25 provided in the vehicle and in particular also for charging the vehicle battery 24 used.

In bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Verbrennungsmotorantriebsanordnung mit einem Wasserstoffverbrennungsmotor in einem Hybridfahrzeug mit seriellem oder parallelem Hybridantrieb eingesetzt. In einem derartigen Fahrzeug ergänzen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Verbrennungsmotorantriebsanordnung mit denen eines herkömmlichen Elektroantriebs in idealer Weise, insbesondere weist das derartige Hybridfahrzeug nahezu keinerlei umweltschädlichen Emissionen auf und nutzt die eingesetzten Energieressourcen in optimaler Weise.In a preferred embodiment, the internal combustion engine drive arrangement according to the invention is used with a hydrogen combustion engine in a hybrid vehicle with serial or parallel hybrid drive. In such a vehicle, the advantages of the internal combustion engine drive arrangement according to the invention with those of a conventional electric drive complement each other in an ideal manner, in particular, the hybrid vehicle of this type has almost no polluting emissions and uses the energy resources used in an optimal manner.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
VerbrennungsmotorantriebsanordnungCombustion engine power system
22
WasserkreislaufWater cycle
33
KühlkreislaufCooling circuit
44
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
55
MotorabtriebswelleEngine output shaft
66
MotorabgasvorrichtungEngine exhaust device
77
MotorkühlvorrichtungEngine cooling apparatus
88th
Abgaskondensatorflue gas condenser
99
Wasserspeicherwater-tank
1010
Elektrolysevorrichtungelectrolyzer
1111
KraftstoffdruckbehälterFuel pressure vessel
1212
KraftstoffspeicherpumpeFuel storage pump
1313
Schaltventilswitching valve
1414
Dosierventilmetering valve
1515
Wärmetauscherheat exchangers
1616
Expanderexpander
1717
ExpanderabtriebswelleExpander output shaft
1818
Kondensatorcapacitor
1919
Pumpepump
2020
StirlingmotorStirling engine
2121
Wärmeübertragungheat transfer
2222
Generatorgenerator
2323
Photovoltaisch aktiver BereichPhotovoltaically active area
2424
FahrzeugakkumulatorFahrzeugakkumulator
2525
Elektrischer VerbraucherElectric consumer
2626
WasserstoffeinlaßöffnungHydrogen inlet port
27 27
LufteinlaßöffnungAir inlet opening
2828
Abgasauslaßöffnungexhaust outlet
2929
Wasserstoffauslaßöffnunghydrogen outlet
3030
Sauerstoffauslaßöffnungoxygen outlet
3131
Heizwärmeheating
3232
Luftzuführungair supply

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 5317996 [0007] US 5317996 [0007]

Claims (1)

Verbrennungsmotorantriebsanordnung (1) für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Hybridfahrzeug, umfassend einen Kraftstoffkreislauf (2) mit einem Verbrennungsmotor (4) zur Verbrennung eines Gemischs aus einem wenigstens Wasserstoff enthaltenden Gas und Luft, einem Abgaskondensator (8) zur Rückgewinnung des in dem Motorabgas enthaltenen Wassers, einem Wasserspeicher (9) zum Bereitstellen des Wassers für den Kraftstoffkreislauf (2) und einer Elektrolysevorrichtung (10) zur Wasserstofferzeugung, wobei eine Abgasauslaßöffnung (28) des Verbrennungsmotors (4) fluidleitend mit dem Eingang des Abgaskondensators (8) verbunden ist, der Abgaskondensator (8) ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang des Wasserspeichers (9) verbunden ist, der Wasserspeicher (9) ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang der Elektrolysevorrichtung (10) verbunden ist und eine Wasserstoffauslaßöffnung (29) der Elektrolysevorrichtung (10) mit einer Wasserstoffeinlaßöffnung (26) des Verbrennungsmotors (4) verbunden ist, wobei der Verbrennungsmotor (4) ferner einen zu kühlenden Bereich aufweist, der eine Motorabgasvorrichtung (6) und/oder eine Motorkühlvorrichtung (7) umfaßt, einen Kühlkreislauf (3) zum Kühlen des zu kühlenden Bereichs mit einem Wärmetauscher (15), einem Expander (16), der eine Expanderabtriebswelle (17) aufweist, einem Kondensator (18) und einer Pumpe (19), wobei die Pumpe (19) ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang des Expanders (16) verbunden ist, der Expander (16) ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang des Kondensators (18) verbunden ist und der Kondensator (18) ausgangsseitig fluidleitend mit dem Eingang der Pumpe (19) verbunden ist, und einen elektrischen Generator (22), der mit der Expanderabtriebswelle (17) mechanisch verbunden ist und mit der Elektrolysevorrichtung (10) elektrisch verbunden ist.Internal combustion engine drive assembly ( 1 ) for a vehicle, in particular for a hybrid vehicle, comprising a fuel circuit ( 2 ) with an internal combustion engine ( 4 ) for combustion of a mixture of an at least hydrogen-containing gas and air, an exhaust gas condenser ( 8th ) for recovering the water contained in the engine exhaust, a water reservoir ( 9 ) for providing the water for the fuel circuit ( 2 ) and an electrolysis device ( 10 ) for producing hydrogen, wherein an exhaust gas outlet opening ( 28 ) of the internal combustion engine ( 4 ) in fluid communication with the inlet of the exhaust gas condenser ( 8th ), the exhaust gas condenser ( 8th ) on the output side fluid-conducting with the input of the water reservoir ( 9 ), the water reservoir ( 9 ) on the output side fluid-conducting with the input of the electrolysis device ( 10 ) and a hydrogen outlet ( 29 ) of the electrolysis device ( 10 ) with a hydrogen inlet opening ( 26 ) of the internal combustion engine ( 4 ), wherein the internal combustion engine ( 4 ) further comprises a region to be cooled, comprising an engine exhaust device ( 6 ) and / or an engine cooling device ( 7 ), a cooling circuit ( 3 ) for cooling the area to be cooled with a heat exchanger ( 15 ), an expander ( 16 ), which has an expander output shaft ( 17 ), a capacitor ( 18 ) and a pump ( 19 ), whereby the pump ( 19 ) on the output side fluid-conducting with the input of the expander ( 16 ), the expander ( 16 ) on the output side fluid-conducting with the input of the capacitor ( 18 ) and the capacitor ( 18 ) on the output side fluid-conducting with the input of the pump ( 19 ), and an electric generator ( 22 ) connected to the expander output shaft ( 17 ) is mechanically connected and with the electrolyzer ( 10 ) is electrically connected.
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