DE202020100047U1 - Drive system for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Antriebssystem für ein Fahrzeug, umfassend
- eine mindestens einen Elektromotor (2) und mindestens einen Freikolben-Lineargenerator (1) umfassende Antriebseinheit,
- mindestens eine Energiespeichereinrichtung (3) und
- mindestens einen Treibstofftank (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem für den Betrieb mit Wasserstoff ausgelegt ist, wobei die mindestens eine Energiespeichereinrichtung (3) mindestens einen Superkondensator (3) umfasst und der mindestens eine Treibstofftank (4) einen Wasserstofftank (4) umfasst.
A drive system for a vehicle, comprising
- a drive unit comprising at least one electric motor (2) and at least one free-piston linear generator (1),
- At least one energy storage device (3) and
- At least one fuel tank (4), characterized in that the drive system is designed for operation with hydrogen, the at least one energy storage device (3) comprising at least one supercapacitor (3) and the at least one fuel tank (4) a hydrogen tank (4) includes.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein mit mindestens einem Elektromotor angetriebenes Fahrzeug, wobei die elektrische Energie für den Elektromotor mittels eines Freikolben-Lineargenerators gewonnen wird. Als Fahrzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung sind sämtliche mit einem Elektromotor angetriebenen Fahrzeuge, wie z.B. Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse, Motorräder, Eisenbahnen, Schiffe und andere vergleichbare Fahrzeuge, zu verstehen.The present invention relates to a drive system for a vehicle driven with at least one electric motor, the electrical energy for the electric motor being obtained by means of a free-piston linear generator. As vehicles in the sense of the present invention, all vehicles driven by an electric motor, such as Cars, trucks, buses, motorcycles, trains, ships and other comparable vehicles.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Durch die Nutzung fossiler Brennstoffe, das Abholzen von Regenwäldern und die Viehzucht werden das Klima und die Temperatur der Erde von der Menschheit zunehmend verändert. Es erhöht sich die Menge der in der Atmosphäre vorkommenden Treibhausgase, wodurch der Treibhauseffekt und die Klimaerwärmung verstärkt werden. Als Treibhausgase werden solche Gase bezeichnet, die die Sonnenwärme auf die Erde einwirken lassen, aber deren Abstrahlung zurück in den interplanetaren Raum behindern. Kohlendioxid (CO2) ist das Treibhausgas, was am häufigsten durch menschliche Tätigkeiten erzeugt wird und auf das die anthropogene Klimaerwärmung zum größten Teil zurückgeführt wird. Kohlendioxid entsteht insbesondere bei der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas.Through the use of fossil fuels, deforestation and cattle breeding, the climate and temperature of the earth are increasingly changing by mankind. The amount of greenhouse gases in the atmosphere increases, which increases the greenhouse effect and global warming. Greenhouse gases are those gases that allow the sun's heat to affect the earth, but hinder its radiation back into the interplanetary space. Carbon dioxide (CO 2 ) is the greenhouse gas that is most commonly generated by human activities and to which anthropogenic global warming is largely attributed. Carbon dioxide is generated in particular when coal, oil and natural gas are burned.
Da für die weltweit führenden Klimaforscher die menschlichen Tätigkeiten mit hoher Wahrscheinlichkeit die Hauptursachen für die Erderwärmung sind, versucht die internationale Gemeinschaft mit zahlreichen Maßnahmen die Erderwärmung unter 2°C im Vergleich zur vorindustriellen Zeit zu halten, wobei ein Anstieg der Durchschnittstemperatur um 2°C als die Schwelle angesehen wird, bei deren Überschreitung das Risiko gefährlicher und möglicherweise katastrophaler Veränderungen der globalen Umwelt massiv zunimmt. Die Maßnahmen haben vor allem das Ziel, den CO2-Ausstoß zu verringern.Since human activity is highly likely to be the main cause of global warming for the world's leading climate researchers, the international community is taking numerous measures to keep global warming below 2 ° C compared to pre-industrial times, with an average temperature increase of 2 ° C as the threshold is considered, when exceeded the risk of dangerous and potentially catastrophic changes in the global environment increases massively. The main aim of the measures is to reduce CO 2 emissions.
Sowohl die EU als auch Deutschland haben sich ambitionierte Klimaziele gesetzt, wonach bis zum Jahre 2050 die jährlichen Treibhausgas-Emissionen im Vergleich zu 1990 um 80 bis 95 % abnehmen sollen. Es ist abzusehen, dass Deutschland für das Jahr 2020 sein Zwischenziel einer Reduktion der Treibhausgas-Emissionen um 40 % mit einer wahrscheinlichen Verringerung von nur ca. 32 % nicht erreichen wird. In anderen Ländern sieht die Situation noch kritischer aus. Um die Klimaziele zu erreichen, wird in Deutschland eine Abgabe auf Brennstoffe wie Kohle, Gas und Erdöl diskutiert, dabei ist im Klimapaket der Bundesregierung die Einführung eines CO2-Preises von zunächst 10 € pro Tonne CO2 ab 2021 vorgesehen. Andere Länder sind in dieser Beziehung deutlich weiter. So müssen die Verbraucher in der Schweiz beispielsweise aktuell 96,- CHF pro Tonne Treibhausgas bezahlen, in Schweden sogar 139,- $ pro Tonne CO2.Both the EU and Germany have set ambitious climate targets, according to which the annual greenhouse gas emissions should decrease by 80 to 95% by 2050 compared to 1990. It is foreseeable that Germany will not achieve its interim goal of a 40% reduction in greenhouse gas emissions by 2020 with a probable reduction of only approx. 32%. The situation looks even more critical in other countries. In order to achieve the climate targets, a levy on fuels such as coal, gas and oil is being discussed in Germany, whereby the federal government's climate package provides for a CO 2 price of initially € 10 per tonne of CO 2 from 2021. Other countries are significantly further in this regard. For example, consumers in Switzerland currently have to pay CHF 96 per tonne of greenhouse gas, and in Sweden as much as $ 139 per tonne of CO 2 .
Eine der Maßnahmen zur Eindämmung der Erderwärmung, die von der internationalen Gemeinschaft vorangetrieben wird, ist die Umstellung des Verkehrs auf Elektromobilität. Zurzeit denkt man dabei in erster Linie an batteriebetriebene Fahrzeuge. Der Batteriebetrieb bringt jedoch einige Nachteile mit sich. So ist die Reichweite der batteriebetriebenen Fahrzeuge zumindest derzeit noch beschränkt. Hinzu kommt, dass bei der Versorgung mit den seltenen Zellmaterialien wie Kobalt und Lithium häufig auf problematische Quellen zurückgegriffen werden muss. Fast zwei Drittel des globalen Bedarfs an Kobalt stammen heute aus den Bergwerken der Demokratischen Republik Kongo, wo das Erz zu einem nicht unerheblichen Anteil unter schwierigsten Bedingungen in illegalen Minen abgebaut wird. Zur Gewinnung des Lithiums aus den Salzseen in den Anden im Dreiländerdreieck Argentinien, Chile, Bolivien werden gigantische Mengen an Grundwasser benötigt. Es wird befürchtet, dass dem Ökosystem in diesen Gebieten und damit den dort lebenden Menschen irreversible Umweltschädigungen zugefügt werden. Ganz abgesehen davon, dass die Rohstoffreserven sowohl an Lithium als auch an Kobalt begrenzt sind und einige Experten eine Verknappung der Rohstoffe befürchten, was zumindest zu einer deutlichen Verteuerung bei der Batterieproduktion führen dürfte. Ein weiterer Nachteil des batteriebetriebenen Fahrzeugs ist, dass die Betankung bzw. das Aufladen der Batterie relativ lange dauert. Zusätzlich zu den oben geschilderten Nachteilen wird heute und wohl auch in Zukunft noch ein großer Teil des Stroms durch Verbrennen fossiler Brennstoffe gewonnen, wobei riesige Mengen an CO2 frei werden.One of the measures to curb global warming that is being pushed by the international community is to switch traffic to electromobility. At the moment, one thinks primarily of battery-powered vehicles. However, battery operation has some disadvantages. The range of the battery-powered vehicles is at least currently limited. In addition, the supply of rare cell materials such as cobalt and lithium often involves problematic sources. Almost two-thirds of the global demand for cobalt today comes from the mines of the Democratic Republic of the Congo, where a significant proportion of the ore is mined in illegal mines under the most difficult conditions. Gigantic amounts of groundwater are required to extract the lithium from the salt lakes in the Andes in the triangle triangle Argentina, Chile, Bolivia. It is feared that irreversible environmental damage will be caused to the ecosystem in these areas and thus to the people living there. Quite apart from the fact that the raw material reserves of both lithium and cobalt are limited and some experts fear a shortage of raw materials, which should at least lead to a significant increase in the cost of battery production. Another disadvantage of the battery-powered vehicle is that the refueling or charging of the battery takes a relatively long time. In addition to the disadvantages described above, a large part of the electricity is generated today and probably in the future by burning fossil fuels, whereby huge amounts of CO 2 are released.
Alternativ zu dem reinen Elektro-Auto, das mit Batteriebetrieb fährt, werden insbesondere Brennstoffzellenfahrzeuge diskutiert. Die Energie, die in der Brennstoffzelle durch Verbrennen von Wasserstoff gewonnen wird, wird auf einen Elektromotor übertragen. Dies macht bei dem Ziel, den CO2-Ausstoß zu verringern, natürlich nur dann Sinn, wenn der getankte Wasserstoff für die Brennstoffzelle aus erneuerbaren Energien hergestellt wird. Die Reichweite des Brennstoffzellen-Fahrzeugs übertrifft die des reinen Elektro-Autos, allerdings ist die Herstellung der Brennstoffzellen zurzeit noch mit hohen Kosten verbunden, was einer schnellen Einführung dieser Technologie entgegensteht.As an alternative to the purely electric car that runs on batteries, fuel cell vehicles in particular are being discussed. The energy generated in the fuel cell by burning hydrogen is transferred to an electric motor. With the goal of reducing CO 2 emissions, this only makes sense, of course, if the refueled hydrogen for the fuel cell is produced from renewable energies. The range of the fuel cell vehicle exceeds that of the pure electric car, but the production of the fuel cells is currently still associated with high costs, which prevents the rapid introduction of this technology.
Neben den mit einer Batterie oder Brennstoffzelle betriebenen Elektro-Autos wurde in der Vergangenheit auch immer wieder der Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff für konventionelle, mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor ausgerüstete Fahrzeuge diskutiert. So beschreibt die
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Aktuell beträgt die Zahl der Neuzulassungen bei den Elektro-Autos ca. 1 Million pro Jahr. Dem gegenüber stehen weltweit 70 Millionen Neuzulassungen insgesamt, bei einem Bestand von ca. 1.5 Milliarden verbrennungsbetriebenen Personenfahrzeugen. Wollte man überhaupt eine Chance haben, die ehrgeizigen Klimaziele zu erreichen, dürften ab sofort nur noch Elektro-Autos zugelassen werden, die dann auch mit emissionsfreier Energie betankt werden, was unrealistisch ist. Wenn man berücksichtigt, dass für die meisten Verbraucher die Anschaffung eines Neuwagens eine große finanzielle Belastung bedeutet, die man nicht so ohne weiteres auf sich nehmen wird oder will, lässt sich leicht abschätzen, dass eine zeitgerechte Umstellung auf Elektro-Autos, um den Klimawandel abzuwenden und die gesteckten Klimaziele zu erreichen, bei den heutigen Zulassungs- und Produktionsraten nicht möglich ist.The number of new registrations for electric cars is currently around 1 million per year. In contrast, there are 70 million new registrations worldwide, with a stock of approximately 1.5 billion combustion-powered passenger vehicles. If one wanted to have any chance of reaching the ambitious climate targets, from now on only electric cars would be allowed, which would then be filled with emission-free energy, which is unrealistic. If one takes into account that for most consumers, the purchase of a new car means a large financial burden that one will not or will not easily take on, it can easily be estimated that a timely switch to electric cars to avert climate change and to achieve the climate goals that are not possible at today's approval and production rates.
Alle vorgenannten Lösungsansätze, insbesondere aber das batteriebetriebene Elektroauto, haben das Problem, dass häufig nur geringe Reichweiten erreicht werden, was auf die zu geringe Kapazität der Batterie oder mangelndes Tankvolumen zurückzuführen ist. Der Einsatz von Brennstoffzellen hat den zusätzlichen Nachteil, dass diese sehr teuer sind und eine komplizierte Technologie erfordern. So können Brennstoffzellen keine Lastschwankungen verkraften, weshalb immer eine große und damit schwere Batterie als Puffer benötigt wird, deren Fortbewegung per se schon eine Menge Energie benötigt.All of the aforementioned solutions, but in particular the battery-operated electric car, have the problem that often only short ranges are achieved, which is due to the insufficient capacity of the battery or insufficient tank volume. The use of fuel cells has the additional disadvantage that they are very expensive and require complex technology. This means that fuel cells cannot cope with load fluctuations, which is why a large and therefore heavy battery is always required as a buffer, the movement of which in itself requires a lot of energy.
Es besteht somit weiterhin Bedarf an einer Lösung der oben geschilderten Probleme, mit deren Hilfe die hohen CO2-Emissionen, die durch Verbrennungsmotoren verursacht werden und als ein Grund für den stattfindenden Klimawandel angesehen werden, wirkungsvoll, kostengünstig und schnell reduziert werden können. Durch die geringe Reichweite der jeweiligen Tank- bzw. Batteriefüllungen der aktuellen umweltschonenden Kraftfahrzeuge wird eine vernünftige technische Lösung des Problems zusätzlich erschwert.There is therefore still a need for a solution to the problems described above, with the aid of which the high CO 2 emissions, which are caused by internal combustion engines and are considered to be a reason for the climate change taking place, can be reduced effectively, cost-effectively and quickly. The short range of the respective tank or battery fillings of the current environmentally friendly motor vehicles makes a sensible technical solution to the problem even more difficult.
Bei der Suche nach einer Lösung des Problems sind dem Erfinder Freikolben-Lineargeneratoren in den Sinn gekommen, die für ihre gute Energieumwandlung bekannt sind. Bei dieser Technologie wird eine Verbrennungsmaschine mit einem Generator kombiniert, woraus ein sogenannter Freikolben-Lineargenerator resultiert, der kompakt, klein und leicht ist und wesentlich energieeffizienter ist als ein konventioneller Generator.In the search for a solution to the problem, the inventor came up with free-piston linear generators, which are known for their good energy conversion. This technology combines an internal combustion engine with a generator, resulting in a so-called free-piston linear generator that is compact and small and is light and much more energy efficient than a conventional generator.
In der
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Zwar offenbaren die letztgenannten Schriften Antriebssysteme für Kraftfahrzeuge, in die ein Freikolben-Linear-Generator integriert ist, allerdings ist keines der Systeme so ausgelegt, dass das oben angesprochene Problem der Reichweite zusammen mit dem Problem der Umweltverschmutzung gelöst ist.Although the latter documents disclose drive systems for motor vehicles in which a free-piston linear generator is integrated, but none of the systems is designed in such a way that the problem of range mentioned above is solved together with the problem of environmental pollution.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
Gelöst wird das Problem durch ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, das eine mindestens einen Elektromotor und mindestens einen Freikolben-Lineargenerator umfassende Antriebseinheit, mindestens eine Energiespeichereinrichtung und mindestens einen Treibstofftank umfasst, wobei das Antriebssystem für den Betrieb mit Wasserstoff ausgelegt ist. Dabei umfasst die mindestens eine Energiespeichereinrichtung mindestens einen Superkondensator und der mindestens eine Treibstofftank umfasst mindestens einen zentralen Wasserstofftank.The problem is solved by a drive system for a vehicle, which comprises a drive unit comprising at least one electric motor and at least one free-piston linear generator, at least one energy storage device and at least one fuel tank, the drive system being designed for operation with hydrogen. The at least one energy storage device comprises at least one supercapacitor and the at least one fuel tank comprises at least one central hydrogen tank.
Der Vorteil eines Antriebs durch Verbrennen von Wasserstoff gegenüber einem reinen Batterieantrieb wird besonders deutlich, wenn man sich die Gewichtsverhältnisse anschaut. So kann ein PKW mit einem kg Wasserstoff ca. 100 km fahren. Für die gleiche Strecke benötigt ein batteriebetriebenes Fahrzeug eine Batterie mit einem Gewicht von ca. 200 kg. Für größere Reichweiten werden entsprechend schwerere Batterien benötigt. Wollte man mit einem batteriebetriebenen Fahrzeug eine Reichweite von 1.000 Meilen = 1.609 km erreichen, würde allein die Batterie des Fahrzeugs ca. 3 Tonnen wiegen. Bei einem wasserstoffbetriebenen Fahrzeug benötigt man für 1.600 km lediglich 16 kg Wasserstoff. Inklusive Tank beträgt das Gewicht dafür ca. 300 kg.The advantage of a drive by burning hydrogen over a pure battery drive becomes particularly clear when you look at the weight ratios. A car can drive about 100 km with one kg of hydrogen. For the same route, a battery-powered vehicle requires a battery with a weight of approx. 200 kg. For longer ranges, correspondingly heavier batteries are required. If you wanted to reach a range of 1,000 miles = 1,609 km with a battery-powered vehicle, the battery of the vehicle alone would weigh about 3 tons. A hydrogen-powered vehicle only requires 16 kg of hydrogen for 1,600 km. Including the tank, the weight is approx. 300 kg.
Aktuell denkt die Fachwelt bei einem Betrieb von Fahrzeugen mit Wasserstoff vor allem an Brennstoffzellen, in denen Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert und elektrische Energie erzeugt wird, die zum Betreiben eine Elektromotors genutzt wird. Zwar übertrifft die Reichweite eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs die eines reinen Elektrofahrzeugs, allerdings haben Brennstoffzellen den Nachteil, dass sie auf einer komplizierten Technik basieren und relativ teuer sind. So sind Brennstoffzellen beispielsweise empfindlich gegenüber Lastschwankungen und benötigen daher im Betrieb zusätzlich eine große Pufferbatterie (Traktionsbatterie) als Zwischenspeicher zur Rekuperation (Energierückgewinnung) und zur Entlastung der Brennstoffzellen.When operating vehicles with hydrogen, experts are currently thinking primarily of fuel cells, in which hydrogen reacts with oxygen and generates electrical energy that is used to operate an electric motor. Although the range of a fuel cell vehicle exceeds that of a purely electric vehicle, fuel cells have the disadvantage that they are based on complicated technology and are relatively expensive. For example, fuel cells are sensitive to load fluctuations and therefore require a large buffer battery (traction battery) as an intermediate store for recuperation (energy recovery) and to relieve the load on the fuel cells.
Im Vergleich zur Brennstoffzelle sind Freikolben-Lineargeneratoren um den Faktor
Der Lösungsansatz sieht daher vor, ein Antriebssystem mit einer Antriebseinheit einzusetzen, bei der ein Freikolben-Lineargenerator mit einem Elektromotor kombiniert wird. Je nach Leistungswunsch können auch mehrere Freikolben-Lineargeneratoren modular verbaut werden, um auf diese Weise die Fahrzeugleistung zu erhöhen. Erfindungsgemäß sollen die Freikolben-Lineargeneratoren mit Wasserstoff betrieben werden, so dass kein CO2-Ausstoß gegeben ist und die eingangs geschilderten Klimaziele realisiert werden können.The solution therefore provides for a drive system with a drive unit to be used in which a free-piston linear generator is combined with an electric motor. Depending on the desired performance, several free piston Linear generators are installed modularly in order to increase vehicle performance in this way. According to the invention, the free-piston linear generators are to be operated with hydrogen, so that there is no CO 2 emission and the climate goals described at the outset can be achieved.
Zwar wird in der
So umfasst das erfindungsgemäße Antriebssystem mindestens einen Superkondensator, um Leistungsspitzen zu puffern, wobei der Superkondensator gleichzeitig zur Rekuperation der Bremsenergie genutzt wird. Der Vorteil eines Superkondensators gegenüber konventionellen Batterien oder Akkumulatoren ist seine hohe Leistungsdichte, die es ermöglicht, dass der Superkondensator sehr viel schneller ge- und entladen werden kann als konventionelle Akkus und gleichzeitig sehr viel mehr Schaltzyklen überdauert. Da die elektrische Energie direkt über den Lineargenerator gewonnen und der Superkondensator lediglich als Traktionsbatterie eingesetzt wird, müssen nur geringe Energiemengen gespeichert werden, so dass das Gewicht der Superkondensatoren niedrig gehalten werden kann.The drive system according to the invention thus comprises at least one supercapacitor in order to buffer power peaks, the supercapacitor being used at the same time for recuperation of the braking energy. The advantage of a supercapacitor compared to conventional batteries or accumulators is its high power density, which enables the supercapacitor to be charged and discharged much faster than conventional batteries and at the same time lasts much more switching cycles. Since the electrical energy is obtained directly from the linear generator and the supercapacitor is only used as a traction battery, only small amounts of energy have to be stored, so that the weight of the supercapacitors can be kept low.
Ein Ziel der vorliegenden Anmeldung ist es, ein umweltschonendes Fahrzeug mit einer großen Reichweite zur Verfügung zu stellen. Das Gewicht von Wasserstoff ist zwar gering, jedoch wird für die Speicherung des Wasserstoffs ein großes Tankvolumen benötigt. Für die oben angesprochenen angestrebten 1.000 Meilen wäre beispielsweise bei einem PKW ein zylindrischer Wasserstofftank mit einer Länge von ca. 4,66 m und einem Durchmesser von ca. 50 cm erforderlich, der bei 700 bar ca. 24 kg Wasserstoff aufnehmen kann, womit die angestrebten 1.000 Meilen problemlos erreicht werden sollten. Wie der Tank tatsächlich dimensioniert ist, hängt von der Bauart und den Platzverhältnissen des jeweiligen Kraftfahrzeugs ab, allerdings ist bei der angestrebten Kilometerleistung der Wasserstofftank immer so groß, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems der Wasserstofftank in einem Zentralrohrrahmen gelagert ist, wobei der Zentralrohrrahmen so konzipiert ist, dass man den Rohrrahmen vom Heck her öffnen und gegebenenfalls den vorgegebenen Tank durch Tanks mit neuerer Technologie ersetzen kann. Dies ist ein wichtiger Aspekt bei der Konstruktion des Fahrzeugs, da zurzeit gerade in der Entwicklung von Tanks für die Speicherung von Wasserstoff angesichts der aktuellen Umweltdiskussionen, bei denen Wasserstoff als umweltfreundlicher Treibstoff immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses rückt, große Anstrengungen unternommen werden, das Problem der großen Tankvolumina zu lösen.An aim of the present application is to provide an environmentally friendly vehicle with a long range. The weight of hydrogen is low, but a large tank volume is required to store the hydrogen. For the above-mentioned 1,000 miles, for example, a cylindrical hydrogen tank with a length of approx. 4.66 m and a diameter of approx. 50 cm would be required for a car, which can hold approx. 24 kg of hydrogen at 700 bar, which means that the desired 1,000 miles should be easily reached. How the tank is actually dimensioned depends on the design and the space available in the respective motor vehicle, however, with the desired mileage, the hydrogen tank is always so large that in a preferred embodiment of the drive system according to the invention the hydrogen tank is mounted in a central tubular frame, the central tubular frame is designed so that you can open the tubular frame from the rear and, if necessary, replace the specified tank with tanks with newer technology. This is an important aspect in the design of the vehicle, as great efforts are currently being made in the development of tanks for storing hydrogen, given the current environmental discussions, in which hydrogen is increasingly becoming the focus of interest as an environmentally friendly fuel Solve the problem of large tank volumes.
Da durch den großen Zentraltank kein oder nur noch wenig Platz für einen konventionellen Antriebsstrang mit einem entsprechenden Getriebe vorhanden ist, ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen, Radnabenelektromotoren einzusetzen, die heute bereits einen Wirkungsgrad von 93% aufweisen und beispielsweise für Busse schon in Serie produziert werden. Darüber hinaus schätzen die Fachleute, dass dieses Antriebskonzept 30% bis 40% billiger sein sollte als ein zentral eingebauter Elektromotor. Hinzu kommt, dass mit dieser Technologie eine extrem gute Straßenlage realisiert werden kann, wenn beispielsweise alle vier Räder eines PKWs jeweils über einen Radnabenelektromotor angetrieben und dabei mit einer entsprechenden Steuerelektronik individuell angesteuert werden. Ein weiterer Vorteil der Radnabenelektromotoren ist, dass im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Elektromotoren keine Permanentmagnete verbaut werden müssen, bei deren Herstellung Seltene Metalle zum Einsatz kommen, die unter schwierigen ökologischen Bedingungen gewonnen werden müssen. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht somit vor, dass der erfindungsgemäß vorgesehene, mit dem Freikolben-Lineargenerator kombinierte mindestens eine Elektromotor ein Radnabenelektromotor ist, wobei zur Umsetzung des vorliegenden Antriebskonzeptes selbstverständlich auch mehrere modular angeordnete Freikolben-Lineargeneratoren zusammen mit mehreren Radnabenelektromotoren eingesetzt werden können.Since there is little or no space for a conventional drive train with a corresponding transmission due to the large central tank, according to a particularly preferred embodiment of the present invention it is provided to use wheel hub electric motors which already have an efficiency of 93% and, for example, already for buses be produced in series. Experts also estimate that this drive concept should be 30% to 40% cheaper than a centrally installed electric motor. In addition, this technology can be used to achieve extremely good road holding if, for example, all four wheels of a car are each driven by a wheel hub electric motor and are individually controlled with appropriate control electronics. Another advantage of the wheel hub electric motors is that, unlike many conventional electric motors, there is no need to use permanent magnets that are manufactured using rare metals that have to be obtained under difficult ecological conditions. A preferred embodiment of the present invention thus provides that the at least one electric motor, which is provided according to the invention and combined with the free piston linear generator, is a wheel hub electric motor, wherein of course several modularly arranged free piston linear generators can also be used together with several wheel hub electric motors to implement the present drive concept.
Eine besondere Herausforderung bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem ist die richtige Vorbereitung des Wasserstoffs für die Verbrennung im Freikolben-Lineargenerator. Es wurde gefunden, dass der Wasserstoff vorteilhaft vor der Verbrennung mit einem Wassernebel angereichert werden sollte, da sich reiner Wasserstoff bei der Verbrennung nicht mehr allzu sehr ausdehnt und damit der Energiegewinn bei der Verbrennung im Freikolben-Lineargenerator nicht optimal ist. Durch die Zumischung von Wassernebel nehmen die Brenneigenschaften des Wasserstoffs die Charakteristika von Erdgas an. Gleichzeitig verdampfen die Wasserpartikel unter Volumenvergrößerung schlagartig bei der Verbrennung des Wasserstoffs und erhöhen damit die Ausdehnung des Gemischs bei der Verbrennung, was zu einer Verbesserung der Ausnutzung der Energie des Wasserstoffs führt und damit den Wirkungsgrad erhöht. Weitere vorteilhafte Nebeneffekte der Zumischung des Wassernebels sind eine Verbesserung der Schmierung des Kolbens und eine Reduzierung der Stickoxidemissionen aufgrund der durch den Wassernebel ermöglichten niedrigen Verbrennungstemperatur. Somit umfasst das erfindungsgemäße Antriebssystem vorteilhaft einen sogenannten Konverter als Vorrichtung zur Anreicherung des Wasserstoffs mit einem Wassernebel, wobei die Vorrichtung zur Anreicherung des Wasserstoffs mit einem Wassernebel bzw. der Konverter zwischen dem Wasserstofftank und dem mindestens einen Freikolben-Lineargenerator angeordnet ist und mit diesen in Wirkverbindung steht. Die Anzahl der Konverter kann je nach Größe und Hubraum des Freikolben-Lineargeneratoren variieren, wobei lediglich garantiert sein muss, dass eine ausreichende Menge an Wassernebel zur Verfügung steht, um eine optimale Verbrennung zu erreichen.A particular challenge in the drive system according to the invention is the correct preparation of the hydrogen for combustion in the free-piston linear generator. It was found that the hydrogen should advantageously be enriched with a water mist before combustion, since pure hydrogen no longer expands too much during combustion and the energy gain during combustion in the free-piston linear generator is therefore not optimal. By adding water mist, the burning properties of hydrogen take on the characteristics of natural gas. At the same time, the water particles suddenly evaporate with an increase in volume when the hydrogen is burned and thus increase the expansion of the mixture during the combustion, which leads to an improvement in the use of the energy of hydrogen and thus increases the efficiency. Further advantageous side effects of admixing the water mist are an improvement in the lubrication of the piston and a reduction in nitrogen oxide emissions due to the low combustion temperature made possible by the water mist. Thus, the drive system according to the invention advantageously comprises a so-called converter as a device for enriching the hydrogen with a water mist, the device for enriching the hydrogen with a water mist or the converter being arranged between the hydrogen tank and the at least one free-piston linear generator and in operative connection with them stands. The number of converters can vary depending on the size and displacement of the free-piston linear generator, whereby it only has to be guaranteed that a sufficient amount of water mist is available to achieve optimal combustion.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung zur Anreicherung des Wasserstoffs mit einem Wassernebel ein partiell mit Wasser gefüllter, einen Ultraschall-Zerstäuber aufweisender Hohlzylinder, durch den der Wasserstoff auf dem Weg vom Wasserstofftank zu dem mindestens einen Freikolben-Lineargenerator geleitet wird, wobei der Wasserstoff mit einem Wassernebel angereichert wird.In a particularly advantageous embodiment of the present invention, the device for enriching the hydrogen with a water mist is a hollow cylinder which is partially filled with water and has an ultrasonic atomizer and through which the hydrogen is guided on the way from the hydrogen tank to the at least one free-piston linear generator. the hydrogen being enriched with a water mist.
Gegenstand einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Konverter als Vorrichtung zur Anreicherung des Wasserstoffs mit einem Wassernebel, wobei der Konverter eine Venturi-Düse umfasst, über die der Wasserstoff auf dem Weg vom Wasserstofftank zu dem mindestens einen Freikolben-Lineargenerator mit einem Wassernebel angereichert wird.Another preferred embodiment relates to a converter as a device for enriching the hydrogen with a water mist, the converter comprising a venturi nozzle, via which the hydrogen is enriched with a water mist on the way from the hydrogen tank to the at least one free-piston linear generator.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem umfasst darüber hinaus vorzugsweise einen Kühler für den mindestens einen Freikolben-Lineargenerator, wobei das Kühlsystem gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung mit Wasser betrieben wird.The drive system according to the invention preferably further comprises a cooler for the at least one free-piston linear generator, the cooling system being operated with water according to an advantageous embodiment.
Ein besonderer Vorteil des Antriebssystems ist der einfache Aufbau der Antriebseinheit, wobei der mindestens eine Freikolben-Lineargenerator über den mindestens einen Superkondensator in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Elektromotor steht. Natürlich können auch jeweils mehrere Komponenten eingesetzt werden, wobei beispielsweise für einen Hinterradantrieb zwei Freikolben-Lineargeneratoren mit zwei Superkondensatoren in Wirkverbindung stehen, die wiederum jeweils einen Radnabenelektromotor mit Energie versorgen. Beim Allradantrieb werden beispielsweise vier Radnabenelektromotoren eingesetzt, die elektronisch geregelt werden können und über vier Freikolben-Lineargeneratoren und vier Superkondensatoren betrieben werden.A particular advantage of the drive system is the simple construction of the drive unit, the at least one free-piston linear generator being operatively connected to the at least one electric motor via the at least one supercapacitor. Of course, several components can also be used in each case, two free-piston linear generators with two supercapacitors for example for a rear-wheel drive, which in turn each supply a wheel hub electric motor with energy. For example, four-wheel drive electric motors are used in all-wheel drive, which can be electronically controlled and operated via four free-piston linear generators and four supercapacitors.
Aus Sicherheitsgründen sind zwischen dem zentralen Wasserstofftank und dem mindestens einen Freikolben-Lineargenerator Flammenrückschlagsicherungen und Sicherheitsventile angeordnet, wobei die Flammenrückschlagsicherungen eine Ausbreitung eines unkontrollierten Feuers in Richtung Wasserstofftank verhindern sollen.For safety reasons, flame check devices and safety valves are arranged between the central hydrogen tank and the at least one free-piston linear generator, the flame check devices being used to prevent an uncontrolled fire from spreading in the direction of the hydrogen tank.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Freikolben-Lineargeneratoren als Module ausgebildet sind, so dass sie ohne großen technischen Aufwand ausgetauscht oder auch miteinander kombiniert werden können. Dabei erleichtert es die Modulbauweise auch, mehrere Freikolben-Lineargeneratoren in einem Fahrzeug zu verbauen, um die Spitzenleistung zu erhöhen. Wenn die Spitzenleistungen nicht benötigt werden, wie z.B. bei einer Leerfahrt oder bei niedriger Geschwindigkeit im Stadtbetrieb, können mit Hilfe der Pufferung durch den Superkondensator je nach Leistungsbedarf einzelne Freikolben-Lineargeneratoren ab- oder zugeschaltet werden.An advantageous embodiment of the present invention provides that the free-piston linear generators are designed as modules, so that they can be exchanged or combined with one another without great technical effort. The modular design also makes it easier to install several free-piston linear generators in one vehicle in order to increase the peak performance. When peak performance is not needed, such as When driving empty or at low speed in city operation, individual free-piston linear generators can be switched on or off depending on the power requirement with the help of buffering by the supercapacitor.
Da es bei der vorliegenden Entwicklung in erster Linie um die Reduzierung des CO2-Ausstoßes geht, ist der Freikolben-Lineargenerator primär für den Betrieb mit Wasserstoff konzipiert und vorgesehen. Allerdings steckt die Wasserstofftechnologie in Bezug auf den Betrieb von Fahrzeugen noch in den Kinderschuhen und es fehlt aktuell an Wasserstofftankstellen, so dass eine insbesondere für die Übergangszeit vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorsieht, dass das Antriebssystem mindestens einen Reservetank für Benzin, Diesel oder Gas aufweist. Dazu ist der mindestens eine Freikolben-Lineargenerator elektronisch geregelt, so dass der Freikolben-Lineargenerator neben Wasserstoff auch mit Diesel, Benzin oder Erdgas betreibbar ist.Since the present development is primarily concerned with reducing CO 2 emissions, the free-piston linear generator is primarily designed and intended for operation with hydrogen. However, hydrogen technology is still in its infancy with regard to the operation of vehicles and there is currently a lack of hydrogen filling stations, so that an embodiment of the present invention that is particularly advantageous for the transitional period provides that the drive system has at least one reserve tank for gasoline, diesel or gas. For this purpose, the at least one free-piston linear generator is electronically controlled, so that the free-piston linear generator can be operated in addition to hydrogen with diesel, gasoline or natural gas.
Das oben beschriebene Antriebssystem ist zwar in erster Linie für PKWs gedacht, jedoch kann das System problemlos auch für Busse, LKWs, Motorräder, Schiffe und sogar für Eisenbahnen eingesetzt werden kann, wobei lediglich das Tankvolumen, die Anzahl der Freikolben-Lineargeneratoren und die Größe und gegebenenfalls die Bauart der Elektromotoren angepasst werden muss. So können beispielsweise mit Wasserstoff betriebene Züge, die aktuell mit 200 KW Brennstoffzellen erprobt werden, problemlos mit Hilfe von mehreren Freikolben-Lineargeneratoren auf die erfindungsgemäße Antriebstechnologie umgerüstet werden.The drive system described above is primarily intended for cars, but the system can also be used for buses, trucks, motorcycles, ships and even for railways without problems, with only the tank volume, the number of free-piston linear generators and the size and if necessary, the design of the electric motors must be adapted. For example, trains powered by hydrogen, which are currently being tested with 200 KW fuel cells, can be easily converted to the drive technology according to the invention with the aid of several free-piston linear generators.
Figurenliste Figure list
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von ausgesuchten Beispielen mit Hilfe von Zeichnungen ausführlich erläutert. Es ist selbstverständlich, dass diese Beispiele keinesfalls als Einschränkungen zu sehen sind, sondern lediglich dazu dienen, das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung zu erklären. Dabei zeigen
-
1 eine schematische Darstellung für eine Anordnung der Komponenten des erfindungsgemäßen Antriebssystems und -
2 eine schematische Darstellung eines Konverters für die Vermischung von Wasserstoff und Wassernebel.
-
1 a schematic representation of an arrangement of the components of the drive system according to the invention and -
2 a schematic representation of a converter for mixing hydrogen and water mist.
Die
Die Energie für den Antrieb wird mit Hilfe von zwei Freikolben-Lineargeneratoren
Bei einer alternativen Form des Konverters
Neben den oben beschriebenen Hauptkomponenten, umfasst das erfindungsgemäße Antriebssystem vorteilhaft auch einen Kühler
Des Weiteren sind in der
Die
Die
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Freikolben-LineargeneratorFree piston linear generator
- 22
- Elektromotor (Radnabenelektromotor)Electric motor (wheel hub electric motor)
- 33
- Superkondensator (Energiespeichereinrichtung)Supercapacitor (energy storage device)
- 44
- Wasserstofftank (Treibstofftank)Hydrogen tank (fuel tank)
- 55
- Konverterconverter
- 66
- Tank (destilliertes Wasser)Tank (distilled water)
- 77
- Kühlercooler
- 88th
- Radwheel
- 99
- Ersatztank (Diesel, Benzin, Gas)Replacement tank (diesel, gasoline, gas)
- 1010
- WasserstoffleitungHydrogen pipe
- 1111
- FlammenrückschlagsicherungFlame arrester
- 1212th
- TankstutzenFiller neck
- 1313
- Kabel (Lineargenerator, Superkondensator)Cable (linear generator, super capacitor)
- 1414
- Kabel (Superkondensator, Elektromotor)Cable (super capacitor, electric motor)
- 1515
- Achseaxis
- 1616
- Leitung (destilliertes Wasser)Pipe (distilled water)
- 1717
- Leitung (Kühlwasser)Pipe (cooling water)
- 1818th
- Leitung (Treibstoff)Line (fuel)
- 1919
- VerteilerrohrManifold
- 2020th
- Destilliertes WasserDistilled water
- 2121
- Ultraschall-ZerstäuberUltrasonic atomizer
- 2222
- HohlstangeHollow bar
- 2323
- KabelleitungCable line
- 2424
- Membranmembrane
- 2525
- Wasserstoff/Wassernebel-GemischHydrogen / water mist mixture
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102010026886 A1 [0020, 0027]DE 102010026886 A1 [0020, 0027]
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-
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