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Die
Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Im
Rahmen der aktuellen CO2-Diskussion steht
das Konzept des Elektrofahrzeugs zunehmend im Brennpunkt für eine zukünftige Realisierung
in größeren Stückzahlen.
Da eine alleinige Abhängigkeit
einer Fahrfähigkeit
des Elektrofahrzeugs von einer in einer Batterie gespeicherten elektrischen
Energie bei bestimmten Fahranwendungen als sehr riskant anzusehen
ist, sind unterschiedlichste, redundante Hilfsantriebe bzw. mobile
Stromerzeuger für
einen Elektroantrieb des Elektrofahrzeugs auf ihre Brauchbarkeit
hin zu überprüfen.
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Bei
Kleinfahrzeugen mit einer Masse von deutlich unterhalb 1000 kg stellt
ein Zusatzgewicht durch elektrische Speicher, Elektromotoren und
redundante Stromerzeuger bezogen auf ein Fahrzeuggesamtgewicht einen
besonders großen
Anteil dar. Daher ist neben einer Gewichtsoptimierung von Batterien
oder anderen elektrischen Speichern in Zukunft auch eine Entwicklung
von mobilen Stromerzeugern auf niedrigste Leistungsgewichte hin
anzustreben.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinrichtung
für ein
Fahrzeug bereitzustellen, welche ein geringes Gewicht aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Eine
Antriebseinrichtung für
ein Fahrzeug mit zumindest einem Elektromotor zum Bereitstellen von
Antriebsenergie für
das Fahrzeug, mit zumindest einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen
von elektrischer Energie für
den wenigstens einen Elektromotor und mit zumindest einer mit einem
Abgas eines Brenners beaufschlagbaren Gasturbine, mittels welcher
mechanische Energie zum Antreiben der elektrischen Maschine bereitstellbar
ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch
aus, dass die elektrische Maschine auch als Antriebseinheit betreibbar
ist. Diese zumindest kurzfristige Betreibbarkeit der elektrischen
Maschine auch als Antriebseinheit ermöglicht einen Entfall von zusätzlich benötigten Antriebseinheiten,
was ein Gewicht der Antriebseinrichtung und damit ein Gesamtgewicht
des Fahrzeugs gering hält. Das
geringe Gewicht des Fahrzeugs ist dabei insofern äußerst vorteilbehaftet,
als dadurch ein nur geringer Energieaufwand vonnöten ist, um das Fahrzeug zu
beschleunigen bzw. fortzubewegen. Dieser geringere Energieaufwand
wiederum resultiert in einer Möglichkeit,
bei gleichbleibender Reichweite des Fahrzeugs zumindest eine Batterie
zur Speicherung von elektrischer Energie als auch den Elektromotor und
weitere Komponenten der Antriebseinrichtung geringer zu dimensionieren,
sowohl was deren Gewicht als auch deren Maße angeht.
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Umgekehrt
ist bei gleichbleibender Dimensionierung der genannten Komponenten
der Antriebseinrichtung durch die Reduzierung des Gewichts des Fahrzeugs
eine höhere
Reichweite ermöglicht.
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Gleichzeitig
sind bei der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung
durch die hochdrehende Gasturbine und die an einen Rotor der Gasturbine
beispielsweise starr gekoppelte, hochdrehende elektrische Maschine,
welche in einem Generatorbetrieb als Generator zum Bereitstellen
von elektrischer Energie für den
wenigstens einen Elektromotor betreibbar ist, ohne Zwischengetriebe
zwischen der Gasturbine und der elektrischen Maschine sehr günstige Voraussetzungen
hinsichtlich eines sehr niedrigen Leistungsgewichts für eine anspruchsvolle
Anwendung der Antriebseinrichtung in einem Kleinfahrzeug geschaffen. Die
erfindungsgemäße Antriebseinrichtung
kann dabei als Gasturbinenanwendung als mobiles und leichtes Kraftwerk
zur Stromerzeugung in Kleinfahrzeugen angewendet werden.
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Aber
auch ein Einsatz der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung in
einem Rahmen von größeren Elektrofahrzeugen
mit einer Masse von über 1000
kg ist ohne Weiteres ebenso möglich.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine als
Anlasser für
die Gasturbine betreibbar ist. Wie bereits erwähnt, können dadurch zusätzliche
Anlasservorrichtungen entfallen, welche das Gewicht des Fahrzeugs
mit der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung
unerwünschterweise
erhöhen
würden.
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Ist
die elektrische Maschine über
eine Kupplungseinrichtung der Antriebseinrichtung als Anfahrhilfe
für das
Fahrzeug betreibbar, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch ein
zusätzliches
Drehmoment zum Anfahren des Fahrzeugs bereitstellbar ist, wodurch
eine etwas schwächere
Leistungsauslegung des Elektromotors in Kauf genommen werden kann, wobei
damit eine weitere Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs ermöglicht ist.
Diese geringere Leistung bzw. ein geringeres Drehmoment des Elektromotors ist
durch die elektrische Maschine als Anfahrhilfe kompensierbar ebenso
wie ein etwaiger, subjektiver Eindruck einer Leistungsschwäche gerade
bei einer Anfahrphase des Fahrzeugs. Gerade bei einer solchen Anfahrphase
kann somit durch die elektrische Maschine als Anfahrhilfe eine hohe
Leistung und ein hohes Drehmoment bereitgestellt werden, während bei
einer Konstantfahrt das Fahrzeug mit dem in seiner Leistung geringer
dimensionierten und damit auch verbrauchsgünstigen Elektromotor in Bewegung
haltbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine
mit einer Antriebswelle der Antriebseinrichtung zum Antreiben des
Fahrzeugs oder mit einer entsprechenden Achse des Fahrzeugs gekoppelt
ist.
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Eine
Realisierung einer Maximierung eines thermischen Wirkungsgrads der
Antriebseinrichtung, welche also eine Form eines Gasturbinen-Kraftwerks aufweist,
ist dadurch ermöglicht,
dass bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die
Antriebseinrichtung einen Wärmetauscher
zum Erwärmen
von dem Brenner zuführbarer
Luft umfasst. Eine Verwirklichung hoher Luftvorwärmungswirkungsgrade erlaubt
eine Auslegung einer elektrischen Speicherkapazität einer
Batterie oder eines anderen elektrischen Speichers der Antriebseinrichtung
und somit einer Masse derselbigen auf geringere, notwendige Werte
hin, womit eine weitere Gewichts- und eine Kostenreduzierung einhergeht.
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Besagte
Kleinfahrzeuge, in deren Rahmen die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung
besonders vorteilhaft einsetzbar ist, sind über eine Fahrzeugmasse von
beispielsweise M < 1000
kg, M < 800 kg
und/oder M < 500
kg zu spezifizieren. Wie bereits angedeutet, arbeitet die elektrische
Maschine dabei vorwiegend als elektrischer Generator zum Bereitstellen
von elektrischer Energie für
den wenigstens einen Elektromotor, wobei die elektrische Energie vorteilhafterweise
auch in eine Batterie bzw. in einen Akkumulator oder in einen anderen
elektrischen Speicher der Antriebseinrichtung einspeisbar und damit
zwischenspeicherbar ist.
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Ist
der zumindest eine Elektromotor als Radnabenmotor ausgebildet, und
ist der Radnabenmotor über
die Kupplungseinrichtung direkt von der elektrischen Maschine antreibbar,
so bedeutet dies, dass also die von der elektrischen Maschine bereitgestellte
elektrische Energie ohne besagte Zwischenspeicherung in der Batterie
bzw. in dem Akku direkt zu dem Elektromotor bzw. dem Radnabenmotor
leitbar ist. Dies bedeutet eine weitere Möglichkeit einer Bereitstellung
besagter Anfahrhilfe des Fahrzeugs.
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Die
oben beschriebene Kopplung der hochdrehenden Gasturbine mit der
hochdrehenden elektrischen Maschine bedeutet also eine einfache
Drehzahlgleichheit zwischen dem Rotor der Gasturbine und einem Rotor
der elektrischen Maschine ohne zusätzliches Getriebe. Nenndrehzahlen
der gekoppelten Rotoren befinden sich je nach Fahrzeug in den Bereichen
N > 80000 1/min, N > 100000 1/min, N > 120000 1/min, N > 140000 1/min und N < 180000 1/min. Je
kleiner eine Nennleistungsforderung der hochdrehenden elektrischen
Maschine als Generator ist und je höher eine Gewichtsreduktionsforderung an
die Gasturbine mit der elektrischen Maschine als Generator ist,
desto größere Nenndrehzahlen
der Rotoren unter Berücksichtigung
von Grenzen einer Rotordynamik, Lagerung und der elektrischen Maschine
sind bei einer Entwicklung anzustreben.
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Für die Elektrofahrzeuge
der betrachteten Fahrzeugmassen sind in einer Einstiegsphase elektrische
Leistungen der elektrischen Maschine als Generator von PG > 5 KW, PG > 8 KW, PG > 12 KW, PG > 20 KW und PG < 40 KW relevant.
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Weitere
Steigerungen einer Effizienz der Antriebseinrichtung und damit weitere
Möglichkeiten
zur Reduzierung des Gewichts der Antriebseinrichtung sind dadurch
erreichbar, dass auf einer Welle der Gasturbine ein Verdichter angeordnet
ist, mittels welchem der Brenner mit verdichteter Luft beaufschlagbar
ist. Dies ist vorteilhafterweise die gleiche Welle, die auch ein
Laufrad der hochdrehenden Gasturbine trägt. Eine so gebildete hochdrehende
Strömungsmaschine
umfasst also beispielsweise einen Radialverdichter und die Gasturbine
als Radialturbine, nichtsdestotrotz kann sie jedoch auch lediglich
nur die Radialturbine umfassen, wobei also kein Radialverdichter
vorgesehen ist.
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Zur
Reduzierung eines benötigten
Bauraums der Antriebseinrichtung ist vorteilhafterweise vorgesehen,
dass die elektrische Maschine auf einer Welle der Gasturbine zwischen
der Gasturbine und dem Verdichter angeordnet ist. Zur Einstellung
eines die Gasturbine durchströmenden
Luftstroms bzw. Massenstroms, da die die Gasturbine durchströmende Luft
auch mit Abgas des Brenners beaufschlagt sein kann, und damit zur
Einstellung einer Leistungsabgabe der Gasturbine ist dabei ein Regelorgan
in Form einer Drosselklappe vorgesehen.
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Die
genannte Strömungsmaschine
kann in Form eines Abgasturboladers einer Verbrennungskraftmaschine
vorliegen. Des Weiteren ist vorteilhafterweise der Brenner und gegebenenfalls
seine Peripherie für
eine Vielstofffähigkeit
hinsichtlich einsetzbarer, insbesondere flüssiger, Brennstoffe konzipiert.
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Die
Gasturbine wird bei einer dominierenden Gewichtseinsparforderung
vorwiegend ohne Luftvorwärmung
vor dem Brenner, also ohne besagten Wärmetauscher, gestaltet, wobei
sich dann ein thermischer Wirkungsgrad der Gasturbine mit niederen Werten
um 10% bis 15% je nach Turbineneintrittstemperatur einstellt. Besagter
Luftvorwärmung
vor dem Brenner kommt hinsichtlich einer Steigerungsfähigkeit
des thermischen Wirkungsgrads der Gasturbine eine sehr große Bedeutung
zu. Eine Anhebung des thermischen Wirkungsgrads geht jedoch mit
einem zusätzlichen
Platzbedarf und einem Mehrgewicht des dafür notwendigen Wärmetauschers,
welcher vor dem Brenner angeordnet ist, einher. Allerdings können bereits
einfache und kostengünstige Wärmetauscher
mit Wirkungsgraden von weniger als 40% bei Anwendungen, bei welchen
eine Optimierung des thermischen Wirkungsgrads nicht notwendigerweise
im Mittelpunkt steht, einen brauchbaren Kompromiss darstellen.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Fahrzeug, insbesondere
einem Elektrofahrzeug, mit einer Antriebseinrichtung nach einer
Ausführungsform
oder nach einer Kombination der beschriebenen Ausführungsformen,
welches also somit ein mobiles Gasturbinenkraftwerk aufweist, ist
bei einer Karosserie des Fahrzeugs insbesondere in einem Fahrzeugbodenbereich
ein integraler Wärmetauscherbereich
vorgesehen, womit Bauraum für
voluminöse
Strömungselemente
wie eben einen genannten Wärmetauscher geschaffen
ist. Dies löst
das beschriebene Problem des zusätzlichen
Platzbedarfs sowie Package-Probleme.
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Steht
eine Verstärkung
von spezifischen Leistungen bei einer Potentialsteigerung des thermischen
Wirkungsgrads der Antriebseinrichtung zusätzlich neben einer Nutzung
der hohen Drehzahlen der Rotoren im Vordergrund, so ist die Turbineneintrittstemperatur
ein gewichtiger Parameter. Werkstoffgrenzen für ungekühlte metallische Werkstoffe liegen bekanntermaßen bei
ca. 1050°C.
Zur Erreichung höherer
Temperaturen kann daher vorgesehen sein, ein Turbinenrad einzusetzen,
welches im Wesentlichen aus einem Keramikwerkstoff ausgebildet ist.
Dies erlaubt ungekühlte
Turbineneintrittstemperaturen von merklich über 1250°C, womit eine deutliche Steigerung
des thermischen Wirkungsgrads der Gasturbine realisierbar ist. Dies
wirkt sich äußerst positiv
auf ein effektives Gesamtverhalten der Antriebseinrichtung bei einem
Fahrzeug mit elektrischem Antrieb aus.
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Die
beschriebene einstufige Verdichtung durch den Verdichter, welcher
beispielsweise als Radialverdichter ausgebildet ist, reicht im Allgemeinen für ein Druckverhältnis von
bis zu ca. 4,5 aus, wobei sich das Druckverhältnis auf ein Nenndruckverhältnis einer
Verdichterseite der besagten Strömungsmaschine
mit einem Verdichter und einer Gasturbine bezieht. Darüber liegende
Druckverhältnisse
sind derart realisierbar, dass bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung auf einer Welle einer ersten Gasturbine ein Niederdruck-Verdichter
und auf einer Welle einer zweiten Gasturbine ein stromab des Niederdruck-Verdichters
angeordneter Hochdruck-Verdichter angeordnet ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine
gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
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Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
schematische Ansicht einer Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug mit einer elektrischen
Maschine zum Bereitstellen von elektrischer Energie für einen
Elektromotor und mit einer Strömungsmaschine,
welche eine mit einem Abgas eines Brenners beaufschlagbare Gasturbine
umfasst, mittels welcher mechanische Energie zum Antreiben der elektrischen
Maschine bereitstellbar ist, wobei die Strömungsmaschine auch einen Verdichter
umfasst, mittels welchem dem Brenner zuführbare Luft verdichtbar ist,
und wobei ein Wärmetauscher
zum Vorwärmen
der dem Brenner zuführbaren
Luft vorgesehen ist;
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2 eine
Längsschnittansicht
einer Antriebseinrichtung für
ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von
elektrischer Energie für
einen Elektromotor und mit einer Strömungsmaschine, welche eine
Gasturbine umfasst, mittels welcher mechanische Energie zum Antreiben der
elektrischen Maschine bereitstellbar ist und welche als Varioturbine
ausgebildet ist, wobei die Strömungsmaschine
auch einen Verdichter umfasst, und wobei die elektrische Maschine
zwischen dem Verdichter und der Gasturbine angeordnet ist, sowie
einer zu der elektrischen Maschine korrespondierende Leistungselektronik;
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3 ein
Diagramm mit unterschiedlichen Verläufen eines thermischen Wirkungsgrads
einer Strömungsmaschine,
welche im Rahmen einer Antriebseinrichtung gemäß den vorhergehenden Figuren
einsetzbar ist, über
einem Gesamtdruckverhältnis
einer Verdichterseite der Strömungsmaschine
bei einer Variation eines Vorwärmungswirkungsgrads
einer dem Brenner der Antriebseinrichtung zuführbaren Luft und bei einer
Turbineneintrittstemperatur von 850°C;
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4 ein
Diagramm mit unterschiedlichen Verläufen eines thermischen Wirkungsgrads
einer Strömungsmaschine,
welche im Rahmen einer Antriebseinrichtung gemäß den vorhergehenden Figuren
einsetzbar ist, über
einem Gesamtdruckverhältnis
einer Verdichterseite der Strömungsmaschine
bei einer Variation eines Vorwärmungswirkungsgrads
einer dem Brenner der Antriebseinrichtung zuführbaren Luft und bei einer
Turbineneintrittstemperatur von 1050°C;
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5 ein
Diagramm mit unterschiedlichen Verläufen eines thermischen Wirkungsgrads
einer Strömungsmaschine,
welche im Rahmen einer Antriebseinrichtung gemäß den vorhergehenden Figuren
einsetzbar ist, über
einem Gesamtdruckverhältnis
einer Verdichterseite der Strömungsmaschine
bei einer Variation eines Vorwärmungswirkungsgrads einer
dem Brenner der Antriebseinrichtung zuführbaren Luft und bei einer
Turbineneintrittstemperatur von 1250°C; und
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6 eine
Seitenansicht eines Kleinwagens mit einer schematischen Darstellung
einer Antriebseinrichtung für
den Kleinwagen mit einem Elektromotor zum Bereitstellen von Antriebsenergie
für den Kleinwagen,
mit einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von elektrischer
Energie für
den Elektromotor bzw. zum Einspeisen in eine Batterie der Antriebseinrichtung
und mit einer Strömungsmaschine, welche
eine mit einem Abgas eines Brenners beaufschlagbare Gasturbine umfasst,
mittels welcher mechanische Energie zum Antreiben der elektrischen Maschine
bereitstellbar ist, wobei die Gasturbine eine Turbine in Form einer
Varioturbine ist, und wobei die Strömungsmaschine einen Verdichter
umfasst, mittels welchem eine dem Brenner zuführbare Luft verdichtbar ist.
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Während 1, 2 und 6 Möglichkeiten
aufzeigen, eine effiziente Antriebseinrichtung für ein Elektrofahrzeug mit einem
Elektromotor darzustellen, welche eine geringes spezifisches Gewicht und
eine hohe Reichweite aufweist, zeigen 3 bis 5 einen
Einfluss einer Eintrittstemperatur einer Gasturbine einer zweistufigen
Strömungsmaschine einer
Antriebseinrichtung gemäß 1, 2 und 6 sowie
einen Einfluss einer Vorwärmung
einer einem Brenner der Antriebseinrichtung zuführbaren Luft auf einen thermischem
Wirkungsgrad der Strömungsmaschine.
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1 zeigt
eine Antriebseinrichtung 10 für ein Fahrzeug mit einer hochdrehenden
Strömungsmaschine 12,
welche eine Gasturbine 14, eine Lagerung 16 sowie
einen Verdichter 18 umfasst. Die Strömungsmaschine 12 stellt
praktisch einen Abgasturbolader dar, wobei die Strömungsmaschine 12 direkt mit
einer elektrischen Maschine 20 ohne Zwischengetriebe gekoppelt
und für
hohe Drehzahlen von bis zu 100000 1/min vorgesehen ist. Eine Nennleistung der
elektrischen Maschine beträgt
dabei ca. 20 KW. Der Verdichter 18 der Strömungsmaschine 12 verdichtet
eine Luft vor einer Brennkammer 22, durch welche die Luft
mit einem Abgas der Brennkammer 22 beaufschlagbar ist,
wodurch die Luft mit einer höheren
Energie zum Betreiben der Gasturbine 14 der Strömungsmaschine 12 versehen
ist.
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Durch
einen Luftvorwärmer
in Form eines Wärmetauschers 24 stromauf
der Brennkammer 22 ist die der Brennkammer 22 zuführbare Luft
auf ein höheres Temperatur-Niveau
bringbar, und zwar derart, dass ein Wärmeübergang von einer aus der Gasturbine 14 ausströmenden Luft
bzw. einem Luft-Abgas-Gemisch an eine kältere, der Brennkammer 22 zuführbaren
Luft geschieht. Dies wirkt sich positiv auf einen thermischen Wirkungsgrad
der Strömungsmaschine 12 aus.
Zudem kann die Brennkammer 22 zusammen mit ihrer Peripherie
für eine
Vielstofffähigkeit
hinsichtlich flüssiger
Brennstoffe konzipiert sein. Eine Leistung und der thermische Wirkungsgrad
der Strömungsmaschine 12 ist über eine
Durchsatzregelung mittels einer Drosselklappe 26 und einer
Brennstoffzumessung in der Brennkammer 22 einstellbar.
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Des
Weiteren ist die elektrische Maschine 20 als Antriebseinheit
einsetzbar und kann in einer Anfahrphase eines Fahrzeugs mit der
Antriebseinrichtung 10 als Anlasser für die Strömungsmaschine 12 fungieren.
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2 zeigt
eine alternative Ausführungsform
einer Antriebseinrichtung 10',
welche eine Strömungsmaschine 12' mit einer Gasturbine 14' in Form einer
Varioturbine und einen Verdichter 18' umfasst. Ein elektrische Maschine 20' ist dabei zwischen
der Gasturbine 14' und
dem Verdichter 18' angeordnet und
in die Lagerung 16' integriert,
was eine sehr platzsparende Ausführung
der Antriebseinrichtung 10' bedeutet.
Eine Durchsatzregelung wird hierbei sehr wirkungsgradgünstig über ein
variables Leitgitter als Drallerzeuger vor einem Turbinenrad 15 der Gasturbine 14' durchgeführt. Des
Weiteren ist eine Leistungselektronik 28 der Antriebseinrichtung 10' gezeigt. Die
Antriebseinrichtungen 10 und 10' stellen somit kleine und mobile
Kraftwerke dar.
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Ein
Potential von thermischen Wirkungsgraden unterschiedlichster thermodynamischer
Auslegungen von Strömungsmaschinen,
beispielsweise der Strömungsmaschinen 12 und 12' der vorhergehenden
Figuren, lässt
sich aus Diagrammen 30 der 3, 40 der 4 und 50 der 5 entnehmen, wobei
gleiche Bezugszeichen in 3 bis 5 gleiche
Elemente bezeichnen. Die Diagramme 30, 40 und 50 unterscheiden
sich lediglich dahingehend, dass im Diagramm 30 eine Turbineneintrittstemperatur
der Gasturbine 850°C
beträgt.
Diese Turbineneintrittstemperatur beträgt im Diagramm 40 1050°C und im
Diagramm 50 1250°C.
Die Strömungsmaschine ist
dabei als zweistufige Strömungsmaschine
mit einem Niederdruck-Verdichter und einem stromab des Niederdruck-Verdichters
angeordneten Hochdruck-Verdichter und einer jeweils korrespondierenden
Gasturbine ausgebildet, wobei eine elektrische Maschine einer Antriebseinrichtung,
welche besagte Strömungsmaschine
umfasst und welche beispielsweise die Form der Antriebseinrichtung 10 bzw. 10' der 1 bzw. 2 aufweist,
an eine Niederdruckstufe der zweistufigen Strömungsmaschine gekoppelt ist.
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Zudem
ist eine Zwischenkühlung
von durch den Niederdruck-Verdichter verdichteter Luft auf 70°C vorgesehen.
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Einer
Turbinenseite der Strömungsmaschine ist
eine mit einem Abgas einer Brennkammer beaufschlagbare Luft zuführbar, wodurch
die besagte Turbineneintrittstemperatur darstellbar ist. Zudem erfolgt stromauf
der Brennkammer eine Luftvorwärmung
mit einem unterschiedlichen Wirkungsgrad gemäß Linienparametern 32, 34, 36, 38 und 42 des
jeweiligen Diagramms 30, 40 und 50. Der
Linienparameter 32 bezieht sich dabei auf den Wirkungsgrad
der Luftvorwärmung
in Höhe
von 0%, was also bedeutet, dass keine Luftvorwärmung vorgesehen ist. Der Linienparameter 34 bezieht
sich auf den Wirkungsgrad der Luftvorwärmung in Höhe von 20%, der Linienparameter 36 bezieht
sich auf den Wirkungsgrad der Luftvorwärmung in Höhe von 40%, der Linienparameter 38 bezieht
sich auf den Wirkungsgrad der Luftvorwärmung in Höhe von 60% und der Linienparameter 42 bezieht
sich auf den Wirkungsgrad der Luftvorwärmung in Höhe von 80%.
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Zudem
ist die vorgewärmte
und der Brennkammer zuführbare
Luft durch die zweistufige Verdichtung der Strömungsmaschine verdichtbar.
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Hauptauslegungsparameter
ist ein Nenndruckverhältnis
einer Verdichterseite der Strömungsmaschine,
welches auch als Gesamtdruckverhältnis zu
beziffern ist und auf der Abszisse 44 des jeweiligen Diagramms
aufgetragen ist. Betrachtet wird dabei ein Nenndruckverhältnis zwischen
4 und 16. Auf einer Ordinate 46 des jeweiligen Diagramms 30, 40 und 50 ist
ein thermischer Wirkungsgrad der zweistufigen Strömungsmaschine
aufgetragen, wobei im Diagramm 30 ein Bereich zwischen
0,02 und 0,24, im Diagramm 40 ein Bereich zwischen 0,08
und 0,32 und im Diagramm 50 ein Bereich zwischen 0,12 und 0,36
dargestellt ist.
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Bis
zu einem Nenndruckverhältnis
von ca. 4,5 ist eine einstufige Verdichtung durch einen einstufigen
Radialverdichter ausreichend. Höhere
Nenndruckverhältnisse
sind vorteilhafterweise durch besagte Strömungsmaschine und damit durch
eine zweistufige Verdichtung durch einen Niederdruck-Verdichter
und einen stromab des Niederdruck-Verdichters angeordneten Hochdruck-Verdichter
zu realisieren, wobei besagte elektrische Maschine aufgrund einer
geringeren Gastemperaturbelastung an der Niederdruckstufe adaptiert
wird. In diesem speziellen Fall wäre eine Hochdruckstufe, welche
mit dem Hochdruck-Verdichter korrespondiert, ein Freiläufer, der
für ein
hohes Druckniveau sorgt, bei welchem dann eine Wärmezufuhr über die Brennkammer erfolgt.
In den Diagrammen 30, 40 und 50 beträgt ein Wirkungsgrad
des Verdichters und der Gasturbine der zweistufigen Strömungsmaschine
jeweils 0,75, also 75%. Ein kombinierter Wirkungsgrad aus dem Wirkungsgrad
der Gasturbine und dem des korrespondierenden Verdichters ergibt
sich aus einem Produkt der Einzelwirkungsgrade, was also im vorliegenden
Fall einen Wirkungsgrad von 0,75 × 0,75 = 0,5625, also 56,25%
ergibt.
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Ein
Druckverlust durch die Brennkammer beträgt stets 3% eines Verdichteraustrittsdrucks.
Wie den Diagrammen 40 und 50 mit der Turbineneintrittstemperatur
von 1050°C
bzw. 1250°C
zu entnehmen ist, liegen die thermischen Wirkungsgrade bei einer Luftvorwärmung von
80% gemäß dem Linienparameter 42 mit
30% in einem Bereich nahe eines Kolbenmotors, welcher zusammen mit
der elektrischen Maschine aufgrund niedriger Drehzahlen gewichtsmäßig der
Strömungsmaschine
deutlich unterlegen ist.
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6 zeigt
eine Prinzipübersicht
einer Antriebseinrichtung 10'' in Form eines
mobilen Kraftwerks, welches in einem Kleinfahrzeug 60 einsetzbar ist.
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In 2 und 6 bezeichnen
gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Die Antriebseinrichtung 10'' umfasst dabei die in Zusammenhang
mit 2 bereits erläuterte
Antriebseinrichtung 10' mit der
Strömungsmaschine 12' mit der Gasturbine 14' in Form der
Varioturbine, mit dem Verdichter 18' und mit der zwischen der Gasturbine 14' und dem Verdichter 18' angeordneten
elektrischen Maschine 20' sowie mit
der Leistungselektronik 28.
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Der
Verdichter 18' verdichtet
ihm zugeführte Luft,
welche durch einen Wärmetauscher 24' auf ein höheres Temperaturniveau
gebracht wird, wonach die Luft stromab durch eine Brennkammer 22' mit einem Abgas
der Brennkammer beaufschlagt wird. Eine Temperaturerhöhung der
Luft durch die Brennkammer 22' erfolgt dabei durch eine Verbrennung von
Kraftstoff, welcher der Brennkammer 22' gemäß einem Richtungspfeil 62 zugeführt wird.
Stromab der Brennkammer 22' strömt die auf
eine Turbineneintrittstemperatur eingestellte Luft durch die Gasturbine 14' der Strömungsmaschine 12', wonach sie
von einer Abgasnachbehandlungsanlage 64 von Emissionen
infolge der Verbrennung in der Brennkammer 22' gereinigt wird.
Bevor sie schließlich
an die Umwelt abgegeben wird, durchströmt sie den Wärmetauscher 24', in welchem
ein Wärmeübergang
von der heißen
Luft bzw. des Abgases an die kältere
verdichtete Luft stattfindet zur Realisierung der besagten Luftvorwärmung. Eine
Regelung der Brennkammer 22' erfolgt
dabei mittels einer Brennkammer-Regelungseinrichtung 68, welche
mit einer Regelungseinrichtung 70 zur Regelung der gesamten
Antriebseinrichtung 10'' kommuniziert.
Die Brennkammer-Regelungseinrichtung 68 führt dabei
auch eine Durchsatz-Regelung der Strömungsmaschine 12' der Antriebseinrichtung 10'' durch.
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Angetrieben
wird das Kleinfahrzeug 60 über in Rädern 74 und 76 des
Kleinfahrzeugs 60 integrierte Radnabenmotoren, die ihre
elektrische Energie aus einer Batterie 78 der Antriebseinrichtung 10'' beziehen. Die Batterie wird dabei
wiederum über
entsprechende Leitungen 66 und die Leistungselektronik 28 der
elektrischen Maschine 20' von
von der elektrischen Maschine 20' generierter elektrischer Energie
gespeist. Anstelle der Batterie 78 kann auch ein anderweitiger
elektrischer Speicher zum Einsatz kommen.
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Über ein
Fahrpedal 72 wird eine Leistungsanforderung eines Fahrers
des Kleinfahrzeugs 60 in die Regelungseinrichtung 70 und
damit in die gesamte Antriebseinrichtung 10'' eingespeist.
Im Falle, dass die Batterie 78 bzw. der elektrische Speicher
eine Antriebsenergie ohne Beitrag der elektrischen Maschine 20' in einem Generatorbetrieb
liefern kann und in der Brennkammer 22' keine Verbrennung erfolgen soll,
wird die Antriebsenergie nur über
eine geregelte Nutzung der durch die Batterie 78 gespeicherten elektrischen
Energie bereitgestellt. Will man eine um Wirkungsgrade geminderte
fossile Energie der Brennkammer 22' für einen Energietransfer von
der elektrischen Maschine 22' in
Form eines Generators direkt zu besagten Radnabenmotoren lenken,
so ist vorteilhafterweise eine elektrische Kupplung zwischen der
elektrischen Maschine 22' und
den Radnabenmotoren vorgesehen. Dies ist insbesondere dann vorteilbehaftet,
wenn der thermische Wirkungsgrad der Strömungsmaschine 12' auf einen hohen
Wirkungsgradbetriebspunkt eingeregelt werden kann. Eine Differenz
zwischen einer durch die elektrische Maschine 20' im Generatorbetrieb
generierten elektrischen Energie und der geringeren Antriebsenergie ist über eine
Regelung der Strömungsmaschine 12' durch die Regelungseinrichtung 70 in
Kombination mit der Brennkammer-Regelungseinrichtung 68 weitestgehend
zu minimieren und zu einem Laden der Batterie 78 zu verwenden,
was über
ein elektrisches Energiemanagement der Leistungselektronik 28 mit der
besagten Regelungseinrichtung 70 und der besagten Brennkammer-Regelungseinrichtung 68 darstellbar
ist.
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Eine
Realisierung der Antriebseinrichtung 10'' in
Form eines mobilen Kraftwerks kann je nach Anforderung ein reines,
sehr leichtes Notfallaggregat zur Stromerzeugung oder gegebenenfalls
ein vollwertiges Kraftwerk mit relativ hohen thermischen Wirkungsgraden
betreffen, was in diesem Fall eine elektrische Zufuhr von außen über zumindest
einen Stecker 80, welcher als Plug-In zu bezeichnen ist,
obsolet werden lässt
und diesen Stecker 80 eher als eine Zusatzfunktion erscheinen
lässt.
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Ein
weiterer Schritt zur Effizienzsteigerung der Antriebseinrichtung 10'' ist dadurch erreicht, dass besagte
Radnabenmotoren auch zur Rückgewinnung
von Bremsenergie nutzbar sind, wodurch ebenfalls die Batterie 78 aufgeladen
werden kann.