DE10138605A1

DE10138605A1 - Kraftübertragungssystem für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE10138605A1
Application number: DE10138605A
Authority: DE
Inventors: Josef Anton Mesner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2003-03-06

Abstract

Gegenwärtige Kraftübertragungssysteme bei Landfahrzeugen haben den Nachteil, dass Motorenergie auf dem Kraftübertragungsweg verloren geht. Das neue Kraftübertragungssystem soll es ermöglichen, im Kraftweg Energie aus der Abwärme des Motors zu gewinnen. DOLLAR A Bei dem neuen Kraftübertragungssystem treibt der Motor (1) direkt oder über ein Zwischengetriebe (2) einen Verdichter (3) an, dieser komprimiert Umgebungsluft. Die komprimierte Luft wird nachfolgend an der Abwärme und/oder den Abgasen des Motors überhitzt. Wird die komprimierte Luft mit den Abgasen überhitzt, so geschieht dies in einem Wärmetauscher (4). Nun können im Weg der komprimierten und überhitzten Luft Wassereinspritzdüsen (5) angeordnet sein, die bedarfsorientiert kurzzeitig Wasser in die heiße Luft spritzten. Anschließend wird die Luft über einen Verteiler (6) auf die angetriebenen Räder verteilt. Jedes angetriebene Rad (12) wird über eine Kardanwelle (11) und ein Zwischengetriebe (10) von einer Luftturbine (9) angetrieben, die mit der komprimierten und überhitzten Luft beaufschlagt wird. Vor der Luftturbine befindet sich eine Drosselklappe (8) und vor dieser ein Bypassventil (7), durch das die komprimierte und überhitzte Luft direkt in den Abströmkanal (13) aus der Turbine geleitet werden kann. DOLLAR A Das Kraftübertragungssystem ist auf alle Arten von Landkraftfahrzeugen anwendbar. Ferner kann es auch bei Seefahrzeugen insbesondere Katamaranen angewendet werden.

Description

Bei gegenwärtigen Kraftfahrzeugen wird die Motorleistung durch ein Schalt- oder Automatikgetriebe, Kardanwellen und gegebenfalls ein Hinterachsgetriebe, auf die angetriebenen Räder geleitet.
Der Nachteil des gegenwärtigen Systems liegt darin, das diese Art der Kraftübertragung Motorenergie kostet, des weiteren ist die Kraftverteilung auf die Räder wenig regelbar und das Gewicht dieser Art der Kraftübertragung ist sehr gross.
Diese Erfindung soll es ermöglichen im Kraftweg Energie zugewinnen, Gewicht einzusparen und die Kraftverteilung auf die angetriebenen Räder sehr frei zu gewährleisten.
Fig. 1 zeigt eine mögliche Anordnung der für den Kraftfluss notwendigen Komponenten im Kraftfahrzeug. Als Beispiel ist hier ein Allrad PKW dargestellt.
Der Motor (1) (Kolbenmotor, Elektromotor, Gasturbine) treibt über ein Zwischengetriebe (2) einen Verdichter (3) an. Der Verdichter ist ein oder mehrstufig und verfügt im Idealfall über Schaufelverstellung. Die im Verdichter komprimierte Umgebungsluft wird anschliessend an der Abwärme und/oder den Abgasen des Motors überhitzt dies ist in Fig. 1 durch einen Wärmetauscher (4) dargestellt. Nach dem Wärmetauscher sind eventuell Wassereinspritzdüsen (5) angeordnet, die bedarfsorientiert kurzzeitig Wasser in das komprimierte und überhitzte Gas spritzten. Nun wird die komprimierte Luft in einem Verteiler (6) auf die angetriebenen Räder (12) verteilt. Jedes Rad (12) wird über eine Kardanwelle (11) und ein Zwischengetriebe (10) von einer Luftturbine (9) angetrieben. Vor jeder Luftturbine befindet sich eine steuerbare Drossel (8) und vor dieser ein steuerbares Bypassventil (7). Das Bypassventil ermöglicht es die komprimiert Luft direkt in den Abströmkanal (13) zu leiten.

Erklärung des Funktionsprinzips

Das Funktionsprinzip wird anhand des in Fig. 1 gezeichneten Schemas für einen Allrad PKW erklärt. Es wird angenommen, das der Verdichter in diesem Fahrzeuge einstufig ist weshalb in der Erkärung von einem Bläser gesprochen wird. Es wird desweiteren angenommen, dass die Drosseln als Drosselklappen ausgeführt sind.
Wie bereits erwähnt verfügt der Bläser im Idealfall über Schaufelverstellung, das Funktionsprinzip wird hauptsächlich für diesen Fall erklärt.
Das Motormanagement, welches nich Bestandteil der Erfindung ist, ist bestebt die Bläserdrehzahl weitgehend konstant zu halten, das Bläserdruckverhälnis und der Bläserdurchsatz und damit Last und Geschwindigkeit des Fahrzeuges werden in erster Linie durch den Abstellwinkel der Bläserschaufeln gesteuert und erst in zweiter Linie durch die Drehzahl des Bläsers. Durch diese Massnahme wird das Ansprechverhalten wesentlich verbessert. Nachdem die Luft im Bläser komprimiert wurde gelangt sie anschliessend in den Wärmetauscher zur Überhitzung, der Grad der Überhitzung muss vom Motormanagement berücksichtigt werden. Durch den Wärmetauscher wird die Kraftübertragung in einen Gasturbinenprozess umgewandelt, dieses hat zur Folge das die Kraftübertragung vom Motor auf den Reifen keine Energie kostet, sondern das in der Kraftübertragung Energie aus der Abwärme des Motors gewonnen wird. Durch diese Massnahme werden folglich die Verluste in der Kraftübertragung auf weniger als Null gesenkt, oder umgekehrt: es steigt der Wirkungsgrad und die Leistung des gesamten Fahrzeuges.
Nach dem Wärmetauscher können Wassereinspritzdüsen angeordnet sein die bedarftsorientiert kurzzeitig Wasser in die komprimierte und überhitzte Luft spritzen. Diese Massnahme ist insbesondere für Fahrzeuge mit starren Bläserschaufeln interessant. Bei diesen Fahrzeugen wird die Last und Geschwindigkeit des Fahrzeuges von der Drehzahl des Bläsers und speziell bei niedriger Last und Geschwindigkeit von den Drosselklappen vor den Turbinen bestimmt. Werden nun, bei, gegen den Luftstrom geneigten Drosselklappen diese plötzlich geöffnet (plötzliche Vollbeschleunigung aus niedriger Geschwindigkeit) so bricht der Bläserdruck schlagartig zusammen. Um dieses zusammenbrechen des Druckes zu verhindern, wird kurzzeitig Wasser, welches sofort verdampft in die komprimierte und überhitzte Luft gespritzt, Konsequenz ist, das dass verdampfende Wasser das entstandene Volumendefizit ausgleicht.
Anschliessend durchströmt die Luft den Verteiler durch den sie auf die angetriebenen Räder verteilt wird. Bevor die Luft letztendlich seine Energie in den Luftturbinen abgibt, passiert sie die Bypassventile und die Drosselklappen, beide werden vom Motormanagement gesteuert. Die Bypassventile können einerseits geöffnet werden um ein Pumpen des Verdichters verhindern, sie sollen jedoch insbesondere eine plötzlich Lastwegnahme von den Turbinen, z. B. im Rahmen einer Vollbremsung, ermöglichen.
Auf eine Funktion der Drosselklappen wurde bereits mit der Erklärung zu den Wassereinspritzdüsen hingewiesen, sie sind aber auch für Fahrzeuge mit Schaufelverstellung des Bläsers sinnvoll, da durch sie die Energiezufuhr auf die Räder steuerbar wird, was mehrere Vorteile mit sich bringt.
Die Turbinen von Allrad PKWs und anderen Fahrzeugen die mehrachsig angetrieben werden, können so gross ausgelegt werden, dass ein Pumpen des Bläsers unmöglich wird, dies hat zur Folge, dass alle Turbinen zusammen nie ein höheres Turbinendruckgefälle bei höherem Durchsatz erreichen. Um dennoch ein hohes Turbinendruckverhältnis bei hohem Durchsatz für die Turbinen einer Achse zu ermöglichen, werden die Turbinen der anderen Achse durch die Drosselklappen weggeschaltet. Um beim Beispiel des Allrad PKW zu bleiben: dieser beschleunigt voll aus niedriger Geschwindigkeit auf beiden Achen, bei höherer Geschwindigkeit wird er aber nur von einer Achse angetrieben.
Ferner lässt sich durch die Drosseln vor den Turbinen eine Art Servolenkung realisieren, die Art der Ansteuerung der Drosseln durch das Lenkrad ist nicht bestandteil der Erfindung.
Schliesslich gibt die Luft seine Energie an die Luftturbinen ab. Die in den Luftturbinen erzeugte Drehleistung wird jeweils über ein untersetzend wirkendes Zwischengetriebe und eine Kardanwelle auf die angetriebenen Räder geleitet. Das Fahrzeug fährt nun vorwärts.
Die Rückwärtsfahrt kann auf mehrere Arten gewährleistet werden.
Eine Möglichkeit besteht darin die Zwischengetriebe mindestens einer antreibenden Achse als Umschaltgetriebe für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt auszulegen.
Als weitere Möglichkeit können die Turbinen mindestens einer angetriebenen Achse mit Elektromotoren gekoppelt sein, deren Hauptdrehrichtung gegen die Turbinendrehrichtung gerichtet ist. Diese werden nur bei Rückwärtsfahrt eingeschaltet und können wenn sie nicht aktiv sind von den Turbinen entkoppelt werden. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, separate Turbinen für die Rückwärtsfahrt mit den Zwischengetrieben mindestens einer Achse zu koppeln. Bei Rückwärtsfahrt werden die Hauptantriebsturbinen weggeschaltet und die Rückwärtsfahrtturbinen aufgeschaltet.
Nach dem Verlassen der Turbinen wird die Luft durch einen Abströmkanal wieder ins Freie geleitet. In diesem Abströmkanal können auch die Motorabgase mit der abströmenden Luft vermischt werden.

Claims

1. Kraftübertragung beim Landfahrzeug vom Motor zum angetriebenen Reifen dadurch gekennzeichnet, dass der Motor direkt oder über ein Zwischengetriebe einen Verdichter antreibt, der Umgebungsluft komprimiert. Die verdichtete Luft wird anschliessend an der Abwärme und/ oder den Abgasen des Motors überhitzt. Diese komprimierte und überhitzte Luft wird dann auf mehrere Turbinen verteilt, die die angetriebenen Räder jeweils einzeln über ein Zwischen- untersetzungsgetriebe und eine Kardanwelle antreiben. Der Kraftfluss vom Motor zu den Turbinen erfolgt in der Reihenfolge: Motor, (Zwischengetriebe), Verdichter, Überhitzer, Turbinen. Der Kraftfluss von der Turbine zum Reifen erfolgt in der Reihenfolge: Turbine, Zwischenuntersetzungsgetriebe, Kardanwelle, Reifen.

2. Überhitzung der komprimierten Luft im Kraftübertragungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die komprimierte Luft mit den Abgasen in einem Wärmetauscher überhitzt werden.

3. Anordnung von Wassereinspritzdüsen, im Kraftübertragungssystem für Landfahrzeuge nach Abspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie bedarfsorientiert Wasser in die kompriemierte und überhitzte Luft zwischen dem Wärmetauscher und den Turbinen spritzen können.

4. Anordnung von variabel steuerbaren Bypassventilen im durch Anspruch 1 gekennzeichneten Kraftübertragungssystem, dadurch gekennzeichnet, das jeweils ein Bypassventil vor jeweils einer Turbine angeordnet ist, das es ermöglicht, die verdichtete und überhitze Luft direkt in den Abströmkanal der Tubine zu leiten.

5. Anordnung von variabel steuerbaren Drosseln im durch Anspruch 1 gekennzeichneten Kraftübertragungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Drossel vor jeweils einer Turbine angeordendet ist, und die Steuerung der Energiezufuhr auf die jeweilige Turbine ermöglicht.

6. Ausführung der Zwischenuntersetzungsgetriebe im durch Anspruch 1 gekennzeichneten Kraftübertragungssystem dadurch gekennzeichnet, dass sie als Umschaltgetriebe ausgefürht sind, die Vorwärts- und Rückwärtsfahrt ermöglichen.

7. Anordnung von Elektromotoren im nach Anspruch 1 gekennzeichneten Kraftübertragungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer Antriebsachse je ein Elektromotor mit je einer Turbine auf der dem Zwischengetriebe gegenüberliegenden Seite der Turbine zuschaltbar gekoppelt ist. Die Hauptdrehrichtung des Elektromotores ist der Drehrichtung der Turbine entgegengerichtet, wodurch Rückwärtsfahrt ermöglicht wird.

8. Anordnung von Nebenturbinen im durch Anspruch 1 gekennzeichneten Kraftübertragungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass die diese Nebenturbinen mit dem Zwischengetriebe gekoppelt sind und zwar so, dass sie Rückwärtsfahrt ermöglichen.

9. Durchmischung der Motorabgase mit der Abluft der Luftturbinen im nach Anspruch 1 gekennzeichneten Kraftübertragungssystem dadurch gekennzeichnet, dass die Motorabgase nach den Luftturbinen mit der aus den Luftturbinen strömenden Abluft durchmischt wird.