WO2004062949A2 - Vehicle with a nitrogen drive - Google Patents

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    • B60K3/00—Arrangement or mounting of steam or gaseous-pressure propulsion units
    • B60K3/02—Arrangement or mounting of steam or gaseous-pressure propulsion units of piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B17/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by use of uniflow principle
    • F01B17/02—Engines

Definitions

  • the invention relates to a vehicle with a drive device.
  • Vehicles in particular land vehicles with a wheel or chain drive are understood here, if they are usually operated with internal combustion engines and more recently also with electric motors.
  • Ner combustion engines have the disadvantage that a fuel is burned here and exhaust gases are generated.
  • the power to weight ratio of known electric drives is disadvantageous.
  • Known drives - also in combination as a so-called hybrid drive - therefore have the disadvantage that either exhaust gas is generated during driving or the vehicle has an unfavorable power-to-weight ratio.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a vehicle which does not release any exhaust gases with a favorable power-to-weight ratio.
  • a vehicle with a drive device comprising a tank for a liquefied gas, a nerdampferiens for evaporating the liquefied gas to a working gas and an expansion motor.
  • the working gas is not chemically changed in the entire process, in particular there is no combustion in any form. Therefore chemically largely inert gas can be used.
  • Nitrogen is preferably used as the working gas. A large part of nitrogen is contained in the natural composition of the ambient air, so that a release of nitrogen does not mean a significant change in the air composition even in comparatively small, enclosed spaces, i.e. no exhaust gases and, in particular, no pollutants are released in the classic sense.
  • Liquefied gas is a substance that is gaseous under normal ambient conditions and that has been brought into a liquid state of aggregation, for example by cooling or compression.
  • the evaporator unit is a means of supplying the liquefied gas by supplying heat evaporate. It is therefore a heat exchanger that can take heat from the environment or from a heat storage device. It can be, for example, an arrangement of several tubes or a plate-shaped evaporator. To increase the effective surface area, this can be provided with cooling fins or the like, comparable to a water cooler in the cooling circuit of a motor vehicle.
  • the liquefied gas and thus the working gas is preferably nitrogen.
  • Nitrogen is not flammable and can therefore be used without special safety precautions.
  • Liquefied nitrogen is also relatively cheap, available in large quantities, easy to store and easy to fill from a storage tank into the vehicle's tank.
  • the transfer can be carried out under ambient pressure, similar to water or petrol.
  • the expansion motor is preferably a piston machine.
  • the piston engine works according to the four-stroke principle, ie it is a four-stroke engine that includes one or more intake valves and one or more exhaust valves. Instead of a four-stroke engine, a two-stroke engine or a rotary piston engine or a sterling engine or the like can also be used here.
  • the drive device preferably comprises a regulating device for regulating the nitrogen flow.
  • the control device can be, for example, a shut-off valve that can be actuated via an accelerator pedal.
  • the problem mentioned at the outset is also solved by a method for generating mechanical energy, in which a liquid is evaporated, the gas resulting from evaporation being at a temperature below the ambient temperature and then an expansion of the working gas in a work space with the supply of heat from the surroundings.
  • the ambient temperature is the temperature inside a building or outside.
  • the working space includes, for example, a cylinder in which a working piston is movably arranged and is connected to a shaft, for example, via a crank mechanism. If, for example, nitrogen is vaporized, it has a temperature well below normal ambient temperatures at a pressure of a few bars.
  • Fig. 1 is a sketch of a vehicle according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a vehicle according to the invention.
  • the vehicle can be used in particular as a so-called go-kart, for example inside halls but also outdoors.
  • the vehicle according to the invention outlined with reference to FIG. 1 can also be used for other applications, for example as a transport vehicle in larger buildings for people and material transport, as a land vehicle, as a so-called golf caddy, this is a vehicle for transporting people and material on golf courses, and the like.
  • the vehicle 1 comprises a tank 2 for holding a liquefied gas, for example liquid nitrogen or liquefied air.
  • the tank 2 is designed in such a way that it withstands the gas pressure of liquefied air or nitrogen that occurs at normal ambient temperatures.
  • Line 3 leads to one
  • Control valve 4 a which is connected to an accelerator pedal 4.
  • the accelerator pedal 4 is pressed, for example, by a spring into a position in which the control valve 4a is completely closed. If the accelerator pedal 4 is depressed by a person, not shown in FIG. 1, as a driver, the control valve 4a can be opened more or less strongly so that the flow of the nitrogen into a further line 6 can be controlled.
  • Liquid nitrogen is first fed into an evaporator unit 5 via the further line 6. In the evaporator unit 5, the liquid nitrogen is evaporated by supplying heat. In the evaporator unit 5, the heat is supplied directly from the ambient air.
  • Another vaporizer unit 5c is connected to a water circuit 5b. Due to the comparatively high specific heat capacity of the
  • a comparatively high heat output can be drawn from the water cycle here at short notice.
  • the water cycle itself is heated from the environment.
  • a fluid can be used here which has a low freezing point with a high specific heat capacity, for example glycol, alcohol or mixtures thereof.
  • the nitrogen gas after flowing through the evaporator unit is fed via a gas line 7 to a reciprocating piston engine 8 as the working gas.
  • a working piston 11 moves in a known manner in a working space 9.
  • the reciprocating piston engine 8 is preferably a four-stroke engine, so there is a gas exchange via one or more intake valves and exhaust valves.
  • heat that is taken from the environment for example via ribs on the cylinder of the reciprocating piston engine or via a further heat exchanger circuit, is transferred to the working gas. So there is an expansion of the working gas with simultaneous heat transfer.
  • the reciprocating piston engine 8 is a so-called engine with external combustion, the heat being supplied directly from the environment without the combustion of a fuel. This is possible because the temperature level of the working gas is constantly below the ambient temperature.
  • a drive axle of the vehicle can be driven via a reduction and / or reversing gear or directly by the engine.
  • a reduction gear can also be a belt drive, for example.
  • the vehicle comprises steerable wheels, a brake system and a vehicle seat in a known manner.

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Abstract

The invention relates to a vehicle provided with a drive device comprising a tank for a liquefied gas, an evaporator unit for evaporating the liquefied gas to form a working gas, in addition to an expansion motor.

Description

Fahrzeug vehicle
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung.The invention relates to a vehicle with a drive device.
Fahrzeuge, darunter werden hier insbesondere Landfahrzeuge mit einem Rad- oder Kettenantrieb verstanden, wenn üblicherweise mit Verbrennungsmotoren und neuerdings auch mit Elektromotoren betrieben. Nerbrennungsmotoren haben den Nachteil, dass hier ein Kraftstoff verbrannt wird und somit Abgase entstehen. Beim Antrieb durch Elektromotoren entsteht zwar kein Abgas, das Leistungsgewicht bekannter Elektroantriebe ist jedoch ungünstig. Bekannte Antriebe -auch in Kombination als so genannter Hybridantrieb- haben demzufolge den Nachteil, dass entweder im Fahrbetrieb Abgas erzeugt wird oder das Fahrzeug ein ungünstiges Leistungsgewicht aufweist.Vehicles, in particular land vehicles with a wheel or chain drive are understood here, if they are usually operated with internal combustion engines and more recently also with electric motors. Ner combustion engines have the disadvantage that a fuel is burned here and exhaust gases are generated. Although there is no exhaust gas when driven by electric motors, the power to weight ratio of known electric drives is disadvantageous. Known drives - also in combination as a so-called hybrid drive - therefore have the disadvantage that either exhaust gas is generated during driving or the vehicle has an unfavorable power-to-weight ratio.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug anzugeben, das bei einem günstigen Leistungsgewicht keine Abgase freisetzt.The present invention is therefore based on the object of specifying a vehicle which does not release any exhaust gases with a favorable power-to-weight ratio.
Dieses Problem wird durch ein Fahrzeug nach Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist ein Fahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung vorgesehen, wobei die Antriebsvorrichtung einen Tank für ein verflüssigtes Gas, eine Nerdampfereinheit zum Verdampfen des verflüssigten Gases zu einem Arbeitsgas sowie einen Expansionsmotor umfasst. Das Arbeitsgas wird in dem gesamten Prozess chemisch nicht verändert, es findet insbesondere keine Verbrennung in irgendeiner Form statt. Daher kann chemisch weitgehend inertes Gas verwendet werden. Vorzugsweise wird als Arbeitsgas Stickstoff verwendet. Stickstoff ist zu einem großen Teil in der natürlichen Zusammensetzung der Umgebungsluft enthalten, so dass eine Freisetzung von Stickstoff auch in vergleichsweise kleinen, umschlossenen Räumen keine wesentliche Veränderung der Luftzusammensetzung bedeutet, es werden also keine Abgase und insbesondere keine Schadstoffe im klassischen Sinne freigesetzt. Unter verflüssigtem Gas wird ein Stoff erstanden, der unter üblichen Umgebungsbedingungen gasförmig ist und zum Beispiel durch Kühlung oder Kompression in einen flüssigen Aggregatzustand versetzt wurde. Die Verdampfereinheit ist ein Mittel, um durch Wärmezufuhr das verflüssigte Gas zu verdampfen. Es handelt sich also um einen Wärmetauscher, der Wärme aus der Umgebung oder einem Wärmespeicher entnehmen kann. Es kann sich hier beispielsweise um eine Anordnung mehrerer Röhren oder um einen plattenförmigen Verdampfer handeln. Zur Vergrößerung der wirksamen Oberfläche kann dieser mit Kühlrippen oder dergleichen versehen sein, vergleichbar einem Wasserkühler im Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges.This problem is solved by a vehicle according to claim 1. According to the invention, a vehicle with a drive device is provided, the drive device comprising a tank for a liquefied gas, a nerdampfereinheit for evaporating the liquefied gas to a working gas and an expansion motor. The working gas is not chemically changed in the entire process, in particular there is no combustion in any form. Therefore chemically largely inert gas can be used. Nitrogen is preferably used as the working gas. A large part of nitrogen is contained in the natural composition of the ambient air, so that a release of nitrogen does not mean a significant change in the air composition even in comparatively small, enclosed spaces, i.e. no exhaust gases and, in particular, no pollutants are released in the classic sense. Liquefied gas is a substance that is gaseous under normal ambient conditions and that has been brought into a liquid state of aggregation, for example by cooling or compression. The evaporator unit is a means of supplying the liquefied gas by supplying heat evaporate. It is therefore a heat exchanger that can take heat from the environment or from a heat storage device. It can be, for example, an arrangement of several tubes or a plate-shaped evaporator. To increase the effective surface area, this can be provided with cooling fins or the like, comparable to a water cooler in the cooling circuit of a motor vehicle.
Vorzugsweise ist das verflüssigte Gas und damit das Arbeitsgas Stickstoff. Stickstoff ist nicht brennbar und kann daher ohne besondere Sicherheitsvorkehrungen verwendet werden. Zudem ist verflüssigter Stickstoff relativ günstig, in großen Mengen verfügbar und leicht zu lagern sowie leicht aus einem Lagertank in den Tank des Fahrzeuges umzufüllen. Das Umfüllen kann, ähnlich wie bei Wasser oder Benzin, unter Umgebungsdruck erfolgen.The liquefied gas and thus the working gas is preferably nitrogen. Nitrogen is not flammable and can therefore be used without special safety precautions. Liquefied nitrogen is also relatively cheap, available in large quantities, easy to store and easy to fill from a storage tank into the vehicle's tank. The transfer can be carried out under ambient pressure, similar to water or petrol.
Der Expansionsmotor ist vorzugsweise eine Kolbenmaschine. Die Kolbenmaschine arbeitet dabei nach dem Viertaktprinzip, ist also ein Viertaktmotor der ein oder mehrere Einlassventile sowie ein oder mehrere Auslassventile umfasst. Statt eines Viertaktmotors kann hier auch ein Zweitaktmotor oder ein Kreiskolbenmotor oder ein Sterlingmotor oder dergleichen verwendet werden.The expansion motor is preferably a piston machine. The piston engine works according to the four-stroke principle, ie it is a four-stroke engine that includes one or more intake valves and one or more exhaust valves. Instead of a four-stroke engine, a two-stroke engine or a rotary piston engine or a sterling engine or the like can also be used here.
Die Antriebsvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Regeleinrichtung zur Regelung des Stickstoffdurchflusses. Die Regeleinrichtung kann beispielsweise ein Absperrventil sein, das über ein Fahrpedal betätigbar ist.The drive device preferably comprises a regulating device for regulating the nitrogen flow. The control device can be, for example, a shut-off valve that can be actuated via an accelerator pedal.
Das Eingangs genannte Problem wird auch durch ein Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie gelöst, bei dem eine Flüssigkeit verdampft wird, wobei das durch Verdampfen entstehende Gas eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur hat und anschließend eine Expansion des Arbeitsgases in einem Arbeitsraum unter Wärmezufuhr aus der Umgebung erfolgt. Die Umgebungstemperatur ist die in einem Raum eines Gebäudes oder die im Freien herrschende Temperatur. Der Arbeitsraum umfasst beispielsweise einen Zylinder, in dem ein Arbeitskolben beweglich angeordnet ist und z.B. über einen Kurbeltrieb mit einer Welle verbunden ist. Wird beispielsweise Stickstoff verdampft, so hat dieser bei einem Druck von einigen Bar eine Temperatur deutlich unterhalb üblicher Umgebungstemperaturen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachstehenden Beschreibung an Hand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:The problem mentioned at the outset is also solved by a method for generating mechanical energy, in which a liquid is evaporated, the gas resulting from evaporation being at a temperature below the ambient temperature and then an expansion of the working gas in a work space with the supply of heat from the surroundings. The ambient temperature is the temperature inside a building or outside. The working space includes, for example, a cylinder in which a working piston is movably arranged and is connected to a shaft, for example, via a crank mechanism. If, for example, nitrogen is vaporized, it has a temperature well below normal ambient temperatures at a pressure of a few bars. An embodiment of the invention is explained in more detail in the following description with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 eine Skizze eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges.Fig. 1 is a sketch of a vehicle according to the invention.
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges. Das Fahrzeug kann insbesondere als sogenanntes Gokart zum Beispiel innerhalb von Hallen aber auch im Freien verwendet werden. Prinzipiell ist das anhand der Figur 1 skizzierte erfindungsgemäße Fahrzeug aber auch für weitere Anwendungsfälle, beispielsweise als Transportfahrzeug in größeren Gebäuden für Personen und Materialtransport, als Flurforderfahrzeug, als sogenannter Golfcaddy, dies ist ein Fahrzeug zum Personen- und Materialtransport auf Golfplätzen, und dergleichen einsetzbar. Das Fahrzeug 1 umfasst einen Tank 2 zur Aufnahme eines verflüssigten Gases, beispielsweise von Flüssigstickstoff oder verflüssigter Luft. Der Tank 2 ist so ausgelegt, dass dieser dem bei üblichen Umgebungstemperaturen auftretenden Gasdruck verflüssigter Luft bzw. Stickstoff standhält. Die Leitung 3 führt zu einemFigure 1 shows a schematic diagram of a vehicle according to the invention. The vehicle can be used in particular as a so-called go-kart, for example inside halls but also outdoors. In principle, however, the vehicle according to the invention outlined with reference to FIG. 1 can also be used for other applications, for example as a transport vehicle in larger buildings for people and material transport, as a land vehicle, as a so-called golf caddy, this is a vehicle for transporting people and material on golf courses, and the like. The vehicle 1 comprises a tank 2 for holding a liquefied gas, for example liquid nitrogen or liquefied air. The tank 2 is designed in such a way that it withstands the gas pressure of liquefied air or nitrogen that occurs at normal ambient temperatures. Line 3 leads to one
Regelventil 4a, das mit einem Fahrpedal 4 verbunden ist. Das Fahrpedal 4 wird beispielsweise durch eine Feder in eine Stellung gedrückt, in der das Regelventil 4a vollständig geschlossen ist. Durch mehr oder minder starkes Durchtreten des Fahrpedal 4 durch eine in Fig. 1 nicht dargestellte Person als Fahrer kann das Regelventil 4a mehr oder minder stark geöffnet werden, so dass sich der Durchfluss des Stickstoffes in eine weitere Leitung 6 steuern lässt. Über die weitere Leitung 6 wird zunächst noch flüssiger Stickstoff in eine Verdampfereinheit 5 geleitet. In der Verdampfereinheit 5 wird der flüssige Stickstoff durch Wärmezufuhr verdampft. Die Wärmezufuhr erfolgt bei der Verdampfereinheit 5 unmittelbar aus der Umgebungsluft. Eine weitere Vedampfereinheit 5c ist mit einem Wasserkreislauf 5b verbunden. Durch die vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazität desControl valve 4 a, which is connected to an accelerator pedal 4. The accelerator pedal 4 is pressed, for example, by a spring into a position in which the control valve 4a is completely closed. If the accelerator pedal 4 is depressed by a person, not shown in FIG. 1, as a driver, the control valve 4a can be opened more or less strongly so that the flow of the nitrogen into a further line 6 can be controlled. Liquid nitrogen is first fed into an evaporator unit 5 via the further line 6. In the evaporator unit 5, the liquid nitrogen is evaporated by supplying heat. In the evaporator unit 5, the heat is supplied directly from the ambient air. Another vaporizer unit 5c is connected to a water circuit 5b. Due to the comparatively high specific heat capacity of the
Wasserkreislaufes kann hier kurzfristig eine vergleichsweise hohe Wärmeleistung entnommen werden. Der Wasserkreislauf selbst wird wiederum aus der Umgebung erhitzt. Statt Wasser kann hier ein Fluid verwendet werden, das bei hoher spezifischer Wärmekapazität einen niedrigen Gefrierpunkt besitzt, beispielsweise Glykol, Alkohol oder Mischungen daraus.A comparatively high heat output can be drawn from the water cycle here at short notice. The water cycle itself is heated from the environment. Instead of water a fluid can be used here which has a low freezing point with a high specific heat capacity, for example glycol, alcohol or mixtures thereof.
Der nach Durchströmen der Verdampfereinheit gasförmige Stickstoff wird über eine Gasleitung 7 einem Hubkolbenmotor 8 als Arbeitsgas zugeführt. Bei dem Hubkolbenmotor 8 bewegt sich ein Arbeitskolben 11 in bekannter Art und Weise in einem Arbeitsraum 9. Der Hubkolbenmotor 8 ist vorzugsweise ein Viertaktmotor, es erfolgt also ein Gaswechsel über ein oder mehrere Einlassventile sowie Auslassventile. Während des Arbeitstaktes wird Wärme, die aus der Umgebung entnommen wird, beispielsweise über Rippen an dem Zylinder des Hubkolbenmotors oder über einen weiteren Wärmetauscherkreislauf, auf das Arbeitsgas übertragen. Es erfolgt also eine Expansion des Arbeitsgases bei gleichzeitiger Wärmeübertragung. Da keine Verbrennung stattfindet handelt es sich bei dem Hubkolbenmotor 8 um einen so genannten Motor mit äußerer Verbrennung, wobei hier die Wärmezufuhr ohne Verbrennung eines Treibstoffes direkt aus der Umgebung erfolgt. Dies ist möglich, da das Temperaturniveau des Arbeitsgases ständig unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.The nitrogen gas after flowing through the evaporator unit is fed via a gas line 7 to a reciprocating piston engine 8 as the working gas. In the case of the reciprocating piston engine 8, a working piston 11 moves in a known manner in a working space 9. The reciprocating piston engine 8 is preferably a four-stroke engine, so there is a gas exchange via one or more intake valves and exhaust valves. During the work cycle, heat that is taken from the environment, for example via ribs on the cylinder of the reciprocating piston engine or via a further heat exchanger circuit, is transferred to the working gas. So there is an expansion of the working gas with simultaneous heat transfer. Since no combustion takes place, the reciprocating piston engine 8 is a so-called engine with external combustion, the heat being supplied directly from the environment without the combustion of a fuel. This is possible because the temperature level of the working gas is constantly below the ambient temperature.
Statt eines Einzylindermotors können auch Mehrzylindermotoren eingesetzt werden. Eine Antriebsachse des Fahrzeuges kann über ein Untersetzungs- und/oder Wendegetriebe oder direkt durch den Motor angetrieben werden. Ein Untersetzungsgetriebe kann beispielsweise auch ein Riemenantrieb sein. Das Fahrzeug umfasst in bekannter Art lenkbare Räder, eine Bremsanlage sowie einen Fahrzeugsitz. Instead of a single-cylinder engine, multi-cylinder engines can also be used. A drive axle of the vehicle can be driven via a reduction and / or reversing gear or directly by the engine. A reduction gear can also be a belt drive, for example. The vehicle comprises steerable wheels, a brake system and a vehicle seat in a known manner.

Claims

Patentansprüche claims
1. Fahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung einen Tank für ein verflüssigtes Gas, eine Verdampfereinheit zum Verdampfen des verflüssigten Gases zu einem Arbeitsgas sowie einen Expansionsmotor umfasst.1. Vehicle with a drive device, characterized in that the drive device comprises a tank for a liquefied gas, an evaporator unit for evaporating the liquefied gas into a working gas and an expansion motor.
2. Fahrzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte Gas Stickstoff ist.2. Vehicle according to the preceding claim, characterized in that the liquefied gas is nitrogen.
3. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsmotor eine Kolbenmaschine ist.3. Vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion motor is a piston engine.
4. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine ein Viertaktmotor ist.4. Vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the piston engine is a four-stroke engine.
5. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine Mittel zum Erwärmen des Arbeitsgases in einem Arbeitstakt umfasst.5. Vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the piston machine comprises means for heating the working gas in one working cycle.
6. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung eine Regeleinrichtung zur Regelung des Stickstoffdurchflusses umfasst.6. Vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the drive device comprises a control device for controlling the nitrogen flow.
7. Verfahren zur Erzeugung mechanischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit verdampft wird, wobei das durch Verdampfen entstehende Gas eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur hat und anschließende Expansion des Arbeitsgases in einem Arbeitsraum unter Wärmezufuhr aus der Umgebung. 7. A method for generating mechanical energy, characterized in that a liquid is evaporated, the gas resulting from evaporation having a temperature below the ambient temperature and subsequent expansion of the working gas in a work space with the supply of heat from the environment.
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