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
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
Des Weiteren ist in der Druckschrift
Die Druckschrift
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
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
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.
Der dargestellte Kraftstoffkreislauf
Der Verbrennungsmotor
Der in
Die Wasserstoffauslaßöffnung
Der Kraftstoffdruckbehälter
Die Sauerstoffauslaßöffnung
Der in
Des Weiteren weist der Kühlkreislauf
Wie in
Die Expanderabtriebswelle
Für den Betrieb des Verbrennungsmotors
Die durch die Verbrennung erzeugte Wärme wird einerseits über die Motorkühlvorrichtung
Das aus dem Abgasstrom kondensierte Wasser wird gesammelt und in den Wasserspeicher
Zu den Zeiten, zu denen der Verbrennungsmotor
Die Wärmeübertragung von der Motorkühlvorrichtung
Der erzeugte Wasserdampf wird in die Turbine
Das die Turbine
Wie in
Der von der Turbine
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]
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