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.

Figure DE202020100047U1_0000
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.
Figure DE202020100047U1_0000

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 DE 10 2015 120 545 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem dem fossilen Kraftstoff im Motorverbrennungsraum zusätzlich zugeführten, durch Elektrolyse von Wasser erzeugten Gasgemisch. Dabei soll das Gasgemisch lediglich als Additiv ohne Zwischenspeicherung der Verbrennungsluft zugeführt werden.In addition to the electric cars powered by a battery or fuel cell, the use of has repeatedly been used in the past Hydrogen as a fuel for conventional vehicles equipped with a conventional internal combustion engine is discussed. So describes the DE 10 2015 120 545 A1 a method for operating an internal combustion engine with a gas mixture additionally supplied to the fossil fuel in the engine combustion chamber and generated by electrolysis of water. The gas mixture should only be supplied as an additive without intermediate storage of the combustion air.

In der DE 200 20 836 U1 wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff in Kraftfahrzeugen beschrieben, wobei die Vorrichtung einen Elektrolyse-Reaktor umfasst, der durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird, wobei der bei der Elektrolyse produzierte Wasserstoff dem fossilen Brennstoff als zusätzlicher Kraftstoff zugeführt wird.In the DE 200 20 836 U1 describes a device for generating hydrogen in motor vehicles, the device comprising an electrolysis reactor which is driven by the internal combustion engine, the hydrogen produced in the electrolysis being fed to the fossil fuel as an additional fuel.

In der US 4 085 709 A wird ein Wasserstoff-Kraftstoffsystem beschrieben, das in erster Linie dafür gedacht ist, Wasserstoffgas zu erzeugen und zu speichern, wobei das Wasserstoffgas als Brennstoff für einen Verbrennungsmotor eingesetzt werden soll. Zwar deutet die US-Schrift an, dass das System im Auto verbaut ist, man findet jedoch keine Hinweise darauf, wo und wie das System im Fahrzeug integriert ist. Damit ist das System als schnelle Lösung für eine weltweit wirkungsvolle Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen und eine Abwendung des damit verbundenen Klimawandels so ohne weiteres nicht geeignet.In the US 4,085,709 A describes a hydrogen fuel system that is primarily intended to generate and store hydrogen gas, the hydrogen gas to be used as fuel for an internal combustion engine. Although the US scripture indicates that the system is installed in the car, there is no indication of where and how the system is integrated in the vehicle. The system is therefore not a suitable quick solution for a globally effective reduction of greenhouse gas emissions and averting the associated climate change.

Gegenstand der DE 10 2018 101 684 A1 ist ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Elektrolysevorrichtung zum Zerlegen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, einem Akku, einer wasserstoffbetriebenen Energiequelle zur Bereitstellung der Antriebskraft für das Fahrzeug und einer Steuerung, um überschüssige Energie zur Elektrolysevorrichtung zu leiten.Subject of DE 10 2018 101 684 A1 is a hydrogen-powered vehicle with an electrolysis device for decomposing water into hydrogen and oxygen, a battery, a hydrogen-powered energy source for providing the driving force for the vehicle, and a controller for supplying excess energy to the electrolysis device.

In der DE 20 2019 102 910 U1 wird eine Anordnung zum Erzeugen, Speichern und Bereitstellen von Wasserstoff beschrieben, wobei der Wasserstoff insbesondere als Brennstoff für das Betreiben von Verbrennungsmotoren genutzt werden soll. Die Anordnung ist konzipiert, um ohne großen Aufwand und kostengünstig konventionelle Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff als alternativem Brennstoff zu versorgen. Dazu ist vorgesehen, ein konventionelles Fahrzeug mit Verbrennungsmotor zusätzlich mit einem Wasserstoffgenerator, einem Kompressor, einem Wasserstofftank und einer Steuereinheit auszurüsten, wobei die oben genannten Komponenten als kompakte Einheit ähnlich wie ein Gepäckträger im oder auf dem Fahrzeug integriert werden sollen. Dieser Lösungsansatz hat den Nachteil, dass die Aufnahmekapazität des Wasserstofftanks aufgrund der baulichen Gegebenheiten begrenzt ist und dass es möglicherweise schwierig sein wird, die Benutzer von Fahrzeugen, die sich zum größten Teil bei der Wahl des Fahrzeugs nicht von praktischen und ökonomischen Gesichtspunkten oder Überlegungen leiten lassen, dazu zu bringen, einen zusätzlichen Um- und Aufbau am Fahrzeug zu akzeptieren, der das Aussehen und auch die Leistung des Fahrzeuges verändert.In the DE 20 2019 102 910 U1 An arrangement for generating, storing and providing hydrogen is described, the hydrogen being used in particular as a fuel for operating internal combustion engines. The arrangement is designed to supply conventional internal combustion engines with hydrogen as an alternative fuel with little effort and at low cost. For this purpose, it is provided to additionally equip a conventional vehicle with an internal combustion engine with a hydrogen generator, a compressor, a hydrogen tank and a control unit, the above-mentioned components being to be integrated in or on the vehicle as a compact unit similar to a luggage rack. The disadvantage of this approach is that the absorption capacity of the hydrogen tank is limited due to the structural conditions and that it may be difficult for the users of vehicles, which for the most part are not guided by practical and economic aspects or considerations when choosing the vehicle to get to accept an additional conversion and construction on the vehicle that changes the appearance and also the performance of the vehicle.

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 DE 34 34 532 C1 wird ein Stromversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor beschrieben, wobei dem Fahrzeugmotor eine Freikolben-Stirlingmotor mit Lineargenerator zugeordnet ist, wobei die vom Lineargenerator erzeugte elektrische Energie der Batterie und der Elektrik zugeführt wird.In the DE 34 34 532 C1 describes a power supply system for a motor vehicle with an internal combustion engine, the vehicle engine being associated with a free-piston Stirling engine with a linear generator, the electrical energy generated by the linear generator being supplied to the battery and the electrical system.

Die DE 10 2016 003 349 A1 offenbart einen batteriebetriebenen Kraftfahrzeug-Elektromotor, der zwecks Nachladung der Batterie zusätzlich mit einem Linear-Mehrfach-Reihengenerator ausgestattet ist, der über eine mit einer Elektro-Magnetkupplung ausgestatteten Kardanwelle mit dem Elektromotor verbunden ist. Darüber hinaus verfügt das System über einen kleinen Diesel- oder Otto-Lademotor für die Batterie, so dass auch im Stand der Ladevorgang der Batterie betrieben werden kann.The DE 10 2016 003 349 A1 discloses a battery-operated motor vehicle electric motor which is additionally equipped with a linear multiple series generator for the purpose of recharging the battery, which is connected to the electric motor via a cardan shaft equipped with an electro-magnetic coupling. In addition, the system has a small diesel or gasoline charging motor for the battery, so that the battery can also be charged while it is stationary.

In der DE 602 05 279 T2 wird ein Antriebssystem für ein Motorfahrzeug beschrieben, das einen oder mehrere Kaltflammen-Linearstromgeneratoren aufweist, die dazu geeignet sind, einen Bruchteil der Gesamtleistung, wie sie für das Motorfahrzeug erforderlich ist, in Form elektrischer Energie zu erzeugen, wobei dieser Bruchteil der Energie gleichzeitig dem elektrischen Energiebedarf des Motorfahrzeugs entspricht und die verbleibende Energie zu einem oder mehreren Elektromotoren geliefert wird, die zu Fahrtzwecken verwendet werden.In the DE 602 05 279 T2 describes a drive system for a motor vehicle which has one or more cold flame linear current generators which are suitable for generating a fraction of the total power required for the motor vehicle in the form of electrical energy, this fraction of the energy simultaneously being the electrical Corresponds to the energy requirement of the motor vehicle and the remaining energy is supplied to one or more electric motors that are used for driving purposes.

Die US 5 172 784 A beschreibt ein Antriebsystem für ein Elektro-Hybridfahrzeug mit einem Freikolben-Verbrennungsmotor, das mit einem integrierten linearen elektrischen Stromgenerator und einer Impulsfrequenzsteuerung versehen ist. Der Freikolben-Verbrennungsmotor soll schadstofffreien Brennstoff, wie z.B. Alkohol, Gas oder Propangas, verbrennen.The US 5 172 784 A describes a drive system for an electric hybrid vehicle with a free-piston internal combustion engine, which is provided with an integrated linear electric current generator and a pulse frequency control. The free-piston internal combustion engine is intended to burn pollutant-free fuel, such as alcohol, gas or propane gas.

Gegenstand der der DE 10 2010 026 886 A1 ist ein Hybridantriebsstrangsystem, das Hubkolbenverbrennungsmotoren mit Freikolben umfasst, die jeweils eine Lineargeneratoreinrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aufweisen. Über ein Steuermodul werden mindestens eine Drehmomentmaschine und die Hubkolbenverbrennungsmotoren betrieben, wobei die mechanischen und elektrischen Leistungsanforderungen in Abhängigkeit vom Ladungszustand einer Energiespeichereinrichtung ermittelt werden.Subject of the DE 10 2010 026 886 A1 is a hybrid powertrain system that includes reciprocating piston engines with free pistons, each having a linear generator device for generating electrical energy. At least one torque machine and the reciprocating piston internal combustion engines are operated via a control module, the mechanical and electrical performance requirements being determined as a function of the charge state of an energy storage device.

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 20 kostengünstiger und gleichzeitig unempfindlich gegenüber Lastschwankungen, da sie nach dem Verbrenner-Kolben-Prinzip arbeiten. Dabei erzielen Freikolben-Lineargeneratoren heute schon Wirkungsgrade von über 60% und sind damit den Brennstoffzellen ebenbürtig.Compared to the fuel cell, free-piston linear generators are by the factor 20th Cost-effective and at the same time insensitive to load fluctuations, since they work according to the internal combustion piston principle. Free-piston linear generators already achieve efficiencies of over 60% and are therefore on a par with fuel cells.

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 DE 10 2010 026 886 A1 neben Benzinmischungen, zahlreichen Alkoholen, Alkoholgemischen, Kohlenwasserstoffen, Mischungen aus Kohlenwasserstoffen und Alkoholen, alternativen flüssigen und gasförmigen Kraftstoffen, Biogasen, Reformaten und Synthesegasen auch Wasserstoff als möglicher Kraftstoff für das Betreiben einer Lineargeneratoreinrichtung aufgezählt, jedoch fehlt in der Anmeldung jeder konkrete Hinweis, wie eine derartige Anordnung betrieben werden kann. Im Folgenden wird dagegen detailliert beschrieben, wie eine Kombination aus Freikolben-Lineargenerator und Elektromotor als Antriebssystem funktioniert und in der Praxis umgesetzt werden kann.Although in the DE 10 2010 026 886 A1 In addition to gasoline mixtures, numerous alcohols, alcohol mixtures, hydrocarbons, mixtures of hydrocarbons and alcohols, alternative liquid and gaseous fuels, biogases, reformates and synthesis gases, hydrogen is also listed as a possible fuel for operating a linear generator device, but the application lacks any specific information such as one such arrangement can be operated. In contrast, the following describes in detail how a combination of free piston linear generator and electric motor works as a drive system and can be implemented in practice.

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.
In the following, the present invention is explained in detail on the basis of selected examples with the aid of drawings. It goes without saying that these examples are by no means to be regarded as limitations, but merely serve to explain the basic principle of the present invention. Show
  • 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 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug besitzt einen Zentralrohrrahmen, in dem ein großer Zentraltank 4 für die Speicherung von Wasserstoff eingebaut ist. Der Zentralrohrrahmen ist in der 1 lediglich durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Auf eine detaillierte Einzeichnung des Zentralrohrrahmens wurde im vorliegenden Fall verzichtet, da man davon ausgehen kann, dass der Fachmann weiß, wie eine solche Konstruktion aufgebaut sein muss. In der 1 sind die die wichtigsten Einzelkomponenten für das erfindungsgemäße Antriebssystem zusammengefasst, wobei sich deren Zusammenspiel aus den eingezeichneten Wirkverbindungen ergibt. Die Größe des Zentraltanks 4 hängt natürlich von der angestrebten Reichweite des Fahrzeugs und die dafür benötigte Menge an Wasserstoff ab. Ziel der vorliegenden Erfindung war es auch, eine Reichweite von ca. 1.000 Meilen zu erreichen, wofür eine Tankmenge von 24 kg Wasserstoff eingeplant wurde. Das dafür benötigte Tankvolumen ist mit ca. 0.5 m3 relativ groß, so dass die Konstruktion des gesamten Antriebssystems im Wesentlichen vom Zentraltank 4 geprägt wird. Selbst wenn die Reichweite halbiert würde, womit dann eine „konventionelle“ Reichweite von ca. 800 km gegeben wäre, würde sich an diesem Konstruktionsprinzip nichts ändern, da auch in diesem Bereich die Tankgröße immer noch so ausfällt, dass kein Platz mehr für einen zentralen Antriebsstrang und ein zentrales Getriebe ist. Bei der Konstruktion des Zentralrohrrahmens ist vorgesehen, dass dieser vom Heck her zugänglich ist, so dass die Möglichkeit besteht, den aktuellen Tank 4 gegebenenfalls durch eine neuere Tankgeneration auszutauschen. Dieser Aspekt könnte wichtig werden, da auf dem Gebiet der Speicherung von Wasserstoff für Kraftfahrzeuge zurzeit sehr viel geforscht und entwickelt wird.The 1 shows a schematic representation of the structure of a drive system according to the invention for a motor vehicle. The motor vehicle has a central tubular frame in which a large central tank 4 for storing hydrogen. The central tubular frame is in the 1 only indicated by a dashed line. A detailed drawing of the central tubular frame was omitted in the present case, since it can be assumed that the person skilled in the art knows how such a construction has to be constructed. In the 1 the most important individual components for the drive system according to the invention are summarized, their interaction resulting from the active connections shown. The size of the central tank 4 depends of course on the desired range of the vehicle and the amount of hydrogen required for it. The aim of the present invention was also to achieve a range of approximately 1,000 miles, for which a tank quantity of 24 kg of hydrogen was planned. The tank volume required for this is relatively large at approx. 0.5 m 3 , so that the entire drive system is constructed essentially from the central tank 4 is shaped. Even if the range were halved, which would give a “conventional” range of approx. 800 km, nothing would change in this design principle, since the tank size in this area is still such that there is no more space for a central drive train and is a central transmission. When designing the central tubular frame, it is provided that it is accessible from the rear, so that there is the possibility of the current tank 4 replace with a newer tank generation if necessary. This aspect could become important since a lot of research and development is currently being carried out in the field of hydrogen storage for motor vehicles.

Die Energie für den Antrieb wird mit Hilfe von zwei Freikolben-Lineargeneratoren 1 geliefert, die bei dem vorliegenden Beispiel im Heck des Kraftfahrzeugs angeordnet sind und mit Wasserstoff betrieben werden, der über die Wasserstoffleitung 10 zum Freikolben-Lineargenerator 1 transportiert wird. Aus Sicherheitsgründen ist die Wasserstoffleitung 10 mit einer Flammenrückschlagsicherung 11 ausgerüstet, die ein unkontrolliertes Ausbreiten von Feuer in Richtung Wasserstofftank 4 verhindern soll. Im Bereich der Wasserstoffleitung 10 ist außerdem noch der Tankstutzen 12 vorgesehen, was für dieses Beispiel bedeutet, dass das Fahrzeug vom Heck her betankt werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Wasserstoff vor dem Verbrennen im Freikolben-Lineargenerator 1 mit einem Wassernebel angereichert, um die Verbrennung zu optimieren. Dazu ist zwischen dem Wasserstofftank 4 und dem Freikolben-Lineargenerator ein Konverter 5 angeordnet, der als Vorrichtung zur Anreicherung von Wassernebel im Wasserstoff vorgesehen ist. Eine vorteilhafte Bauweise des Konverters 5 sieht einen partiell mit destilliertem Wasser gefüllten Hohlzylinder vor, in dem ein Ultraschall-Zerstäuber verbaut ist. Dieser besondere Konverter 5 wird später mit Hilfe der 2 ausführlicher erläutert. Das für diesen Vorgang benötigte destillierte Wasser wird aus dem Wassertank 6 über die Wasserleitung 16 zum Konverter 5 geleitet und dort mit dem Wasserstoff vermischt wird, um anschließend im Freikolben-Lineargenerator 1 verbrannt zu werden, wobei elektrische Energie gewonnen wird, die über die Stromleitung 13 zum Superkondensator 3 weitergeleitet wird. Der Superkondensator 3 kann bis zu eine Millionen Ladezyklen aushalten und dient vor allem dazu, Leistungsspitzen zu puffern und Bremsenergie zurückzugewinnen. Über die Stromleitung 14 wird die Energie von dem Superkondensator 3 weiter zum Radnabenelektromotor 2 transportiert, der in der Radnabe des Rades 8 verbaut ist. Mit dem Radnabenelektromotor 2 wird das Fahrzeug angetrieben, wobei im vorliegenden Beispiel ein Hinterradantrieb dargestellt ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem einen Allradantrieb zu realisieren, was sich bei den Radnabenelektromotoren 2 anbietet, da damit ohne großen technischen Aufwand alle vier Räder 8 separat angetrieben werden können, was dann lediglich elektronisch geregelt werden muss. Bei diesem Konzept könnten gegebenenfalls auch weitere Freikolben-Lineargeneratoren 1 in Kombination mit weiteren Superkondensatoren 3 eingesetzt werden.The energy for the drive is generated using two free-piston linear generators 1 delivered, which are arranged in the present example in the rear of the motor vehicle and operated with hydrogen, via the hydrogen line 10 to the free piston linear generator 1 is transported. For safety reasons, the hydrogen line is 10 with a flame arrester 11 equipped that an uncontrolled spread of fire towards the hydrogen tank 4 should prevent. In the area of hydrogen piping 10 is also the filler neck 12 provided, which means for this example that the vehicle can be refueled from the rear. According to an advantageous embodiment of the present invention, the hydrogen is burned in the free-piston linear generator 1 enriched with a water mist to optimize combustion. To do this is between the hydrogen tank 4 and the free piston linear generator is a converter 5 arranged, which is provided as a device for the enrichment of water mist in hydrogen. An advantageous construction of the converter 5 provides for a hollow cylinder partially filled with distilled water, in which an ultrasonic atomizer is installed. This particular converter 5 will be done later with the help of 2 explained in more detail. The distilled water required for this process comes from the water tank 6 over the water pipe 16 to the converter 5 passed and mixed there with the hydrogen, and then in the free-piston linear generator 1 to be burned, generating electrical energy through the power line 13 to the supercapacitor 3 is forwarded. The super capacitor 3 can withstand up to a million charging cycles and is primarily used to buffer power peaks and to recover braking energy. Via the power line 14 the energy from the supercapacitor 3 continue to the wheel hub electric motor 2 transported in the wheel hub of the wheel 8th is installed. With the wheel hub electric motor 2 the vehicle is driven, a rear-wheel drive being shown in the present example. It is of course also possible to implement all-wheel drive with the drive system according to the invention, which is the case with the wheel hub electric motors 2 offers, because with it all four wheels without great technical effort 8th can be driven separately, which then only needs to be controlled electronically. With this concept, additional free-piston linear generators could possibly also be used 1 in combination with other supercapacitors 3 be used.

Bei einer alternativen Form des Konverters 5 umfasst die Vorrichtung zur Anreicherung des Wasserstoffs mit einem Wassernebel eine Venturi-Düse, mit deren Hilfe dann in dem sogenannten Konverter 5 der Wasserstoffstrom mit einem Wassernebel versetzt wird.An alternative form of converter 5 the device for enriching the hydrogen with a water mist comprises a venturi nozzle, with the help of which then in the so-called converter 5 the hydrogen stream is mixed with a water mist.

Neben den oben beschriebenen Hauptkomponenten, umfasst das erfindungsgemäße Antriebssystem vorteilhaft auch einen Kühler 7, von dem Kühlwasser über die Kühlwasserleitung 17 zum Freikolben-Lineargenerator 1 gepumpt wird. Es hat sich bei den Entwicklungsarbeiten herausgestellt, dass auf diese Weise die optimale Betriebstemperatur des Freikolben-Lineargenerators 1 besser eingehalten werden kann, so dass gerade im Fahrzeugdauerbetrieb die Kühlung des Freikolben-Lineargenerators 1 sinnvoll ist.In addition to the main components described above, the drive system according to the invention advantageously also includes a cooler 7 , of the Cooling water via the cooling water pipe 17 to the free piston linear generator 1 is pumped. During the development work, it was found that the optimal operating temperature of the free-piston linear generator 1 can be better adhered to, so that the free piston linear generator is cooled, especially in continuous vehicle operation 1 makes sense.

Des Weiteren sind in der 1 zwei kleine Reservetanks 9 für Benzin, Diesel oder Gas zu sehen, die gegebenenfalls in der Übergangszeit, in der noch Mangel an Wassersstofftankstellen herrscht, eingesetzt werden können. Allerdings ist fraglich, ob diese Variante tatsächlich zum Zuge kommt, denn es ist gerade in der letzten Zeit festzustellen, dass die Konzepte, die auf Wasserstoff bauen, immer mehr an Fahrt gewinnen und heute schon ein verstärkter Ausbau des Tankstellennetzes für Wasserstoff zu beobachten ist. Es ist vorgesehen, dass der Freikolben-Lineargenerator 1 elektronisch geregelt ist, so dass er neben Wasserstoff auch mit Diesel, Benzin oder Erdgas betreibbar ist, wobei die konventionellen Treibstoffe direkt über die Treibstoffleitung 18 dem Freikolben-Lineargenerator 1 zugeführt werden.Furthermore, in the 1 two small reserve tanks 9 for petrol, diesel or gas, which can be used in the transition period when there is still a shortage of hydrogen filling stations. However, it is questionable whether this variant will actually come into play, because it has recently been noticed that the concepts that build on hydrogen are gaining momentum and that today an intensified expansion of the filling station network for hydrogen can be observed. It is envisaged that the free piston linear generator 1 is electronically controlled so that it can be operated in addition to hydrogen with diesel, gasoline or natural gas, the conventional fuels directly via the fuel line 18th the free piston linear generator 1 be fed.

Die 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Konverters 5, der dem Freikolben-Lineargenerator 1 vorgeschaltet ist und für die Vermischung von Wasserstoff mit Wassernebel vorgesehen ist. Der Konverter 5 ist in diesem Fall ein partiell mit destilliertem Wasser 20 gefüllter Hohlzylinder, in den der Wasserstoff über die Wasserstoffleitung 10 eingeleitet wird. Im Hohlzylinder ist am Ende der Wasserstoffleitung 10 ein perforiertes Verteilerrohr 19 ausgebildet, über das der Wasserstoff im destillierten Wasser 10 verteilt wird. Der Wasserstoff durchströmt den Hohlzylinder und passiert dabei den Ultraschall-Zerstäuber 21, der mit Hilfe einer Hohlstange 22 im Zentrum des Hohlzylinders befestigt ist. Die Stromversorgung des Ultraschall-Zerstäubers erfolgt über ein Kabel 23, das in der Hohlstange 22 angeordnet ist. Die Übertragung des Ultraschalls erfolgt über die Membran 24. Das Gemisch 25 aus Wasserstoff und Wassernebel strömt weiter zum Freikolben-Lineargenerator 1, wobei die Strömungsrichtung durch den Richtungspfeil 26 wiedergegeben ist.The 2 shows an enlarged section of a particularly advantageous embodiment of the converter 5 , the free piston linear generator 1 is connected upstream and is intended for the mixing of hydrogen with water mist. The converter 5 in this case is a partially distilled water 20th filled hollow cylinder into which the hydrogen via the hydrogen line 10 is initiated. In the hollow cylinder is at the end of the hydrogen line 10 a perforated manifold 19 educated about the hydrogen in the distilled water 10 is distributed. The hydrogen flows through the hollow cylinder and passes through the ultrasonic atomizer 21 using a hollow bar 22 is fixed in the center of the hollow cylinder. The ultrasonic atomizer is powered by a cable 23 that in the hollow rod 22 is arranged. The ultrasound is transmitted via the membrane 24 , The mixture 25th Hydrogen and water mist flow on to the free-piston linear generator 1 , the flow direction by the direction arrow 26 is reproduced.

Die 1 und 2 sind beispielhafte stark vereinfachte schematische Darstellungen für das erfindungsgemäße Antriebssystem bzw. eine Komponente des erfindungsgemäßen Antriebssystems. Die Abbildungen sind vor allem dafür gedacht, das Prinzip zu erläutern, und sind daher keinesfalls als Einschränkungen zu sehen. Es ist selbstverständlich, dass vergleichbare Vorrichtungen mit unterschiedlichen räumlichen Anordnungen der einzelnen Komponenten vom Schutzanspruch umfasst sind. So können prinzipiell auch andere Elektromotoren eingesetzt werden, wenn ein entsprechendes Platzangebot vorhanden ist, was letztendlich von der Tankgröße abhängt. Natürlich ist es auch möglich, konventionelle Elektromotoren 2 in Kombination mit Freikolben-Lineargeneratoren 1 einzusetzen.The 1 and 2 are exemplary highly simplified schematic representations for the drive system according to the invention or a component of the drive system according to the invention. The illustrations are primarily intended to explain the principle and are therefore in no way to be seen as limitations. It goes without saying that comparable devices with different spatial arrangements of the individual components are covered by the protection claim. In principle, other electric motors can also be used if there is sufficient space available, which ultimately depends on the tank size. Of course, it is also possible to use conventional electric motors 2 in combination with free piston linear generators 1 to use.

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 60205279 T2 [0018]DE 60205279 T2 [0018]
  • US 5172784 A [0019]US 5172784 A [0019]
  • DE 102010026886 A1 [0020, 0027]DE 102010026886 A1 [0020, 0027]

Claims (10)

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.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 for the Operation with hydrogen is designed, the at least one energy storage device (3) comprising at least one supercapacitor (3) and the at least one fuel tank (4) comprising a hydrogen tank (4). Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektromotor (2) ein Radnabenelektromotor (2) ist.Drive system after Claim 1 , characterized in that the at least one electric motor (2) is a wheel hub electric motor (2). Antriebsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem einen Konverter (5) als Vorrichtung zur Anreicherung des Wasserstoffs mit einem Wassernebel umfasst, wobei der Konverter (5) zwischen dem Wasserstofftank (4) und dem mindestens einen Freikolben-Lineargenerator (1) angeordnet ist und mit diesen in Wirkverbindung steht.Drive system after Claim 1 or 2 , characterized in that the drive system comprises a converter (5) as a device for enriching the hydrogen with a water mist, the converter (5) being arranged between the hydrogen tank (4) and the at least one free-piston linear generator (1) and with these is in operative connection. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (5) ein partiell mit destilliertem Wasser (20) gefüllter, einen Ultraschall-Zerstäuber (21) aufweisender Hohlzylinder ist, durch den der Wasserstoff auf dem Weg vom Wasserstofftank (4) zu dem mindestens einen Freikolben-Lineargenerator (1) geleitet wird, wobei der Wasserstoff mit einem Wassernebel angereichert wird.Drive system according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the converter (5) is a hollow cylinder partially filled with distilled water (20) and has an ultrasonic atomizer (21), through which the hydrogen on the way from the hydrogen tank (4) to the at least one free-piston linear generator (1) is passed, the hydrogen being enriched with a water mist. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (5) eine Venturi-Düse umfasst, über die der Wasserstoff auf dem Weg vom Wasserstofftank (4) zu dem mindestens einen Freikolben-Lineargenerator (1) mit einem Wassernebel angereichert wird.Drive system according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the converter (5) comprises a venturi nozzle, via which the hydrogen is enriched with a water mist on the way from the hydrogen tank (4) to the at least one free-piston linear generator (1). Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem einen Kühler (7) für den mindestens einen Freikolben-Lineargenerator umfasst.Drive system according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the drive system comprises a cooler (7) for the at least one free-piston linear generator. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Freikolben-Lineargenerator (1) über den mindestens einen Superkondensator (3) in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Elektromotor (2) steht.Drive system according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that the at least one free-piston linear generator (1) is operatively connected to the at least one electric motor (2) via the at least one supercapacitor (3). Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wasserstofftank (4) und dem mindestens einen Freikolben-Lineargenerator (1) Flammenrückschlagsicherungen (11) und Sicherheitsventile verbaut sind, wobei die Flammenrückschlagsicherungen (11) für das Verhindern einer Ausbreitung von unkontrolliertem Feuer in Richtung Wasserstofftank (4) vorgesehen sind.Drive system according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that flame check devices (11) and safety valves are installed between the hydrogen tank (4) and the at least one free piston linear generator (1), the flame check devices (11) for preventing the spread of uncontrolled fire in the direction of the hydrogen tank (4) are provided. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem mindestens einen Reservetank (9) für Benzin, Diesel oder Gas aufweist.Drive system according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the drive system has at least one reserve tank (9) for gasoline, diesel or gas. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Freikolben-Lineargenerator (1) elektronisch geregelt ist und neben Wasserstoff auch mit Diesel, Benzin oder Erdgas betreibbar ist.Drive system according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the at least one free-piston linear generator (1) is electronically controlled and, in addition to hydrogen, can also be operated with diesel, gasoline or natural gas.
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