DE102009024773A1 - Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') für ein Fahrzeug (60) mit zumindest einem Elektromotor zum Bereitstellen von Antriebsenergie für das Fahrzeug (60), mit zumindest einer elektrischen Maschine (20, 20') zum Bereitstellen von elektrischer Energie für den wenigstens einen Elektromotor und mit zumindest einer mit einem Abgas eines Brenners (22, 22') beaufschlagbaren Gasturbine (12, 12', 14, 14'), mittels welcher mechanische Energie zum Antreiben der elektrischen Maschine (22, 22') bereitstellbar ist, wobei die elektrische Maschine (22, 22') auch als Antriebseinheit betreibbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug bereitzustellen, welche ein geringes Gewicht aufweist.
  • 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.
  • 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.
  • Umgekehrt ist bei gleichbleibender Dimensionierung der genannten Komponenten der Antriebseinrichtung durch die Reduzierung des Gewichts des Fahrzeugs eine höhere Reichweite ermöglicht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Zeichnungen zeigen in:
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zudem ist eine Zwischenkühlung von durch den Niederdruck-Verdichter verdichteter Luft auf 70°C vorgesehen.
  • 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%.
  • Zudem ist die vorgewärmte und der Brennkammer zuführbare Luft durch die zweistufige Verdichtung der Strömungsmaschine verdichtbar.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 6 zeigt eine Prinzipübersicht einer Antriebseinrichtung 10'' in Form eines mobilen Kraftwerks, welches in einem Kleinfahrzeug 60 einsetzbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (11)

  1. Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') für ein Fahrzeug (60) mit zumindest einem Elektromotor zum Bereitstellen von Antriebsenergie für das Fahrzeug (60), mit zumindest einer elektrischen Maschine (20, 20') zum Bereitstellen von elektrischer Energie für den wenigstens einen Elektromotor und mit zumindest einer mit einem Abgas eines Brenners (22, 22') beaufschlagbaren Gasturbine (12, 12', 14, 14'), mittels welcher mechanische Energie zum Antreiben der elektrischen Maschine (22, 22') bereitstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (22, 22') auch als Antriebseinheit betreibbar ist.
  2. Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (22, 22') als Anlasser für die Gasturbine (12, 12', 14, 14') betreibbar ist.
  3. Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (22, 22') über eine Kupplungseinrichtung der Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') als Anfahrhilfe für das Fahrzeug (60) betreibbar ist.
  4. Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Elektromotor als Radnabenmotor ausgebildet ist.
  5. Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radnabenmotor über die Kupplungseinrichtung direkt von der elektrischen Maschine (22, 22') antreibbar ist.
  6. Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (22, 22') mit einer Welle der Gasturbine (12, 12', 14, 14') gekoppelt ist.
  7. Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Welle der Gasturbine (12, 12', 14, 14') ein Verdichter (18, 18') angeordnet ist, mittels welchem der Brenner (22, 22') mit verdichteter Luft beaufschlagbar ist.
  8. Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') nach einem Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (22, 22') auf der Welle der Gasturbine (12, 12', 14, 14') zwischen der Gasturbine (12, 12', 14, 14') und dem Verdichter (18, 18') angeordnet ist.
  9. Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Welle einer ersten Gasturbine (12, 12', 14, 14') ein Niederdruck-Verdichter (18, 18') und auf einer Welle einer zweiten Gasturbine ein stromab des Niederdruck-Verdichters angeordneter Hochdruck-Verdichter angeordnet ist.
  10. Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') einen Wärmetauscher (24, 24') zum Erwärmen von dem Brenner (22, 22') zuführbarer Luft umfasst.
  11. Fahrzeug (60) mit einer Antriebseinrichtung (10, 10', 10'') nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107405989A (zh) * 2015-03-12 2017-11-28 博格华纳公司 用于还具有辅助开放式布雷顿循环动力辅助和增程器的车辆的高速牵引电机
IT202100014978A1 (it) * 2021-06-09 2022-12-09 Eng For Sustainable Development E S D Srl Gruppo turbogas e gruppo motore per veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico

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