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Die
Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug, mit wenigstens
einem Elektromotor zum Bereitstellen von Antriebsenergie für das Fahrzeug
und mit einem Generator zum Bereitstellen von elektrischer Energie
für den
wenigstens einen Elektromotor. Des Weiteren betrifft die Erfindung
ein Fahrzeug mit einer solchen Antriebseinrichtung sowie ein Verfahren
zum Betreiben eines Fahrzeugs.
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Im
Hinblick auf die Verringerung von Emissionen, insbesondere Kohlendioxidemissionen,
durch Fahrzeuge werden zunehmend Entwicklungen vorangetrieben, Antriebseinrichtungen
für Fahrzeuge
in größeren Stückzahlen
zu schaffen, bei welchen Elektromotoren die Antriebsenergie für das Fahrzeug
bereitstellen. Da eine alleinige Abhängigkeit der Fahrfähigkeit
eines solches Elektrofahrzeugs von in einem Energiespeicher gespeicherter
elektrischer Energie bei bestimmten Fahranwendungen als problematisch angesehen
wird, weisen derartige Fahrzeuge Hilfsantriebe zum Antreiben eines
Generators auf. Der mittels des Hilfsantriebs angetriebene Generator kann
dann elektrische Energie für
den Elektromotor bereitstellen, wenn keine Energie aus dem Energiespeicher
entnommen werden soll oder kann.
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Aus
dem Stand der Technik ist es hierbei bekannt, Kolbenmaschinen, etwa
Ottomotoren oder Dieselhubkolbenmaschinen, für den Antrieb des Generators
einzusetzen. Als nachteilig bei einem derartigen Hilfsantrieb zum
Betreiben des Generators ist der Umstand anzusehen, dass mit der
Kolbenmaschine nur schwer Drehzahlen von mehr als 10.000 Umdrehungen
pro Minute realisierbar sind, welche eine wünschenswert hohe Drehzahl des
Generators ermöglichen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Antriebseinrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher besonders hohe
Drehzahlen des Generators erreichbar sind.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des
Patenanspruchs 1, durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patenanspruchs
11 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
18 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung
sind in den jeweils abhängigen
Patenansprüchen
angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung
für ein
Fahrzeug, mit wenigstens einem Elektromotor zum Bereitstellen von
Antriebsenergie für
das Fahrzeug und mit einem Generator zum Bereitstellen von elektrischer
Energie für
den wenigstens einen Elektromotor ist wenigstens eine mit Abgas
eines Brenners beaufschlagbare Gasturbine vorgesehen, mittels welcher
mechanische Energie zum Antreiben des Generators bereitstellbar
ist. Dadurch, dass die Gasturbine sehr hohe Drehzahlen erreichen
kann, wenn sie mit Abgas des Brenners beaufschlagt wird, sind sehr
hohe Drehzahlen des Generators realisierbar. Solche hohen Drehzahlen
des Generators sind vorteilhaft, um eine hohe Stromleistung des
Generators zu erreichen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Verwendung
einer Kolbenmaschine zum Antreiben des Generators nur mit hohem
Aufwand und hoher Geräuschentwicklung
Drehzahlen von mehr als 10.000 Umdrehungen pro Minute erreichbar sind.
Beim Verwenden der Kolbenmaschine muss nämlich zum Erreichen großer Umfangsgeschwindigkeiten
des Generators der Generator vergleichsweise groß dimensioniert werden, oder
es muss ein zusätzliches
Getriebe eingesetzt werden.
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Durch
die vorliegend beschriebene wenigstens eine mit Abgas des Brenners
beaufschlagbare Gasturbine ist hingegen ein bedeutend geringerer Bauraumbedarf
und ein niedrigeres Gewicht des die Gasturbine und den Generator
umfassenden Hilfsantriebs erreichbar.
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Da
ein Fahrzeug mit elektrischem Antrieb in der Regel bereits einen
vergleichsweise schwergewichtigen Energiespeicher aufweist, ist
es vorteilhaft, dass die Antriebseinrichtung, welche die Gasturbine als
mechanische Energie für
den Generator bereitstellende Komponente des Hilfsantriebs umfasst,
lediglich ein vergleichsweise geringes zusätzliches Gewicht mit sich bringt.
Der Hilfsantrieb verringert also den Fahrradius bzw. den Fahrwirkungsgrad
des Fahrzeugs nur unwesentlich.
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Eine
solche Antriebseinrichtung mit der wenigstens einen mit Abgas des
Brenners beaufschlagbaren Gasturbine kann zum Erhöhen der
Reichweite des Fahrzeugs mittels des schnell drehenden Generators
sowohl für
die Anwendung in einem Personenkraftwagen als auch in einem Lastkraftwagen
zum Einsatz kommen.
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Soll
die Gasturbine lediglich im Rahmen eines Notantriebes zum Einsatz
kommen, so kann ein niedrigerer thermischer Wirkungsgrad geduldet
werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn gleichzeitig ein besonders
geringes Gewicht des Notantriebs, etwa ein Gewicht von weniger als
30 kg, realisiert wird. Insbesondere bei einem Mittelklasse-Personenkraftwagen
ist das Unterschreiten eines Gewichts von 30 kg vorteilhaft.
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Liegt
demgegenüber
das Hauptaugenmerk der den Generator antreibenden Gasturbine auf
einer Vergrößerung des
Fahrradius des Fahrzeugs, so kann ein Gewicht von beispielsweise
weniger als 60 kg für
eine Baueinheit, welche die wenigstens eine Gasturbine und den Generator
umfasst, akzeptiert werden. Ein solcher, immer noch vergleichsweise leichter
Hilfsantrieb ermöglicht
dann in vorteilhafter Weise einen thermischer Wirkungsgrad von 30%
und mehr.
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Der
den Generator und der wenigstens eine Gasturbine umfassende Hilfsantrieb
zeichnet sich zudem durch eine vergleichsweise geringe Geräuschentwicklung
beim Betreiben der Gasturbine und des Generators aus.
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Von
Vorteil ist es, wenn der Generator auf einer Welle der wenigstens
einen Gasturbine angeordnet ist. Durch Verzicht auf ein Übersetzungsgetriebe oder
eine dergleichen aufwendige Kopplung der wenigstens einen Gasturbine
mit dem Generator sind ein besonders geringer Bauraumbedarf und
ein niedriges Gewicht des mit hohen Drehzahlen betreibbaren Generators
erreichbar. Dies ist für
die Anordnung im Fahrzeug vorteilhaft, insbesondere hinsichtlich des
Energiebedarfs zum Bewegen des damit insgesamt leichteren Fahrzeugs.
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Wenn
auf einer Welle der wenigstens einen Gasturbine ein Verdichter angeordnet
ist, mittels welchem der Brenner mit verdichteter Zuluft beaufschlagbar
ist, so ist die Leistung der wenigstens einen Gasturbine zu erhöhen und
gleichzeitig eine besonders hoch drehende Gasturbine realisierbar.
Der Verdichter kann insbesondere dazu ausgelegt sein, ein Druckverhältnis von
4 bis 5 zu erreichen, wodurch ein thermischer Wirkungsgrad von ca.
15% einer die Gasturbine und den Verdichter umfassenden Strömungsmaschine
erreichbar ist. Das Druckverhältnis des
Verdichters ist hierbei das Verhältnis
des Drucks der verdichteten Zuluft zum Druck der unverdichteter Zuluft.
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Eine
solche Strömungsmaschine
kann nach Art eines Abgasturboladers aufbaut sein, wobei die Gasturbine
insbesondere ein besonders einfach zu realisierendes einflutiges
Spiralgehäuse
aufweisen kann. Die Wandung des Spiralgehäuses ist bevorzugt auf eine
Minimierung des Gewichts der Strömungsmaschine
hin ausgelegt, also vergleichsweise dünn, wobei eine Berstsicherheit
des Spiralgehäuses,
etwa im Fall eines Schaufelbruchs oder eines derartigen Schadens,
gewährleistet
bleibt.
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Hierbei
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Generator auf einer
den Verdichter tragenden Seite der Welle angeordnet ist. Dadurch
ist eine Temperaturbelastung des Generators durch das heiße, die
Gasturbine durchströmende
Abgas verringert.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Antriebseinrichtung
einen Luftvorwärmer zum
Erwärmen
von dem Brenner zuführbarer
Zuluft umfasst. Durch die Luftvorwärmung ist ein höherer thermischer
Wirkungsgrad der wenigstens einen Gasturbine erreichbar. Bevorzugt
dient hierbei das Abgas des Brenners zum Beaufschlagen des Luftvorwärmers mit
thermischer Energie. Durch Einsatz des Luftvorwärmers ist bei einem Druckverhältnis des
Verdichters von bis zu 5 ein thermischer Wirkungsgrad der Strömungsmaschine,
je nach Turbineneintrittstemperatur von deutlich über 20%
erreichbar.
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Zum
Regeln der Gasturbine ist gemäß einer weiteren
vorteilhaften Ausführungsform
eine Einrichtung zum Verändern
eines Abgasmassenstroms durch die wenigstens eine Gasturbine vorgesehen. Durch
das Verändern
des Abgasmassenstroms kann besonders einfach die Leistung der Gasturbine
verändern
werden. Dadurch ist die Stromleistung des Generators einfach an
den Bedarf des Fahrzeugs anpassbar. Insbesondere kann die Einrichtung
zum Verringern des Abgasmassenstroms ausgelegt sein, um die Leistung
der Gasturbine zu drosseln.
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Eine
derartige Einrichtung kann eine stromabwärts der wenigstens einen Gasturbine
angeordnete Regelklappe umfassen. Eine solche Regelklappe dient
dann zum Einstellen des durchsatzbestimmenden Strömungsquerschnitts
des die Gasturbine aufweisenden Abgasstrangs. Ergänzend oder
alternativ kann eine variable, einem Turbinenrad der wenigstens
einen Gasturbine vorgeschaltete Leitvorrichtung vorgesehen sein.
Eine solche verstellbare Leitvorrichtung, etwa ein verschiebbares
Leitgitter oder zum Verändern
des Eintrittsquerschnitts verdrehbare Leitschaufeln, können gleichfalls
wirksam eingesetzt werden, um den Durchsatz des Abgases durch die
Gasturbine einzustellen.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die wenigstens eine
Gasturbine ein keramisches Turbinenrad aufweist. Während ein
Turbinenrad aus einem nicht-keramischen
Hochtemperaturwerkstoff bis zu einer Gastemperatur von etwa 1.050°C einsetzbar
ist, sind mit einem keramischen Turbinenrad, etwa auf der Basis
von Siliziumnitrit, Gastemperaturen von bis zu 1.250°C festigkeitsmäßig ohne
zusätzliche
Kühlverfahren
beherrschbar. Derartige, besonders hohe Abgastemperaturen ermöglichen
einen besonders hohen thermischen Wirkungsgrad der Gasturbine. Darüber hinaus
ist ein derartiges keramisches Turbinenrad leichter als ein Turbinenrad
aus einem metallischen Werkstoff, so dass zum Lagern des Rotors
des Generators aufgrund der geringen Masse in vorteilhafter Weise
ein Kugellager eingesetzt werden kann. Dies bringt Vorteile hinsichtlich
der Lebensdauer mit sich.
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Eine
weitere, merkliche Anhebung des thermischen Wirkungsgrades ist erreichbar,
wenn auf einer Welle einer ersten Gasturbine ein Niederdruck-Verdichter
und auf einer Welle einer zweiten Gasturbine ein stromabwärts des
Niederdruck-Verdichters angeordneter Hochdruck-Verdichter angeordnet
ist. Mittels einer solchen zweistufigen Gasturbinenanordnung sind
Druckverhältnisse
von 10 bis 20 erreichbar. Hierbei können der Niederdruck-Verdichter
und der Hochdruck-Verdichter jeweils zum Erreichen von Druckverhältnissen
von 4 bis 5 ausgelegt sein. Zum Realisieren eines geringen Bauraumbedarfs
kann insbesondere auf den Luftvorwärmer verzichtet werden, wobei
dennoch bei einem verdichterseitigen Druckverhältnis von 10 bis 20 ein hoher
thermischer Wirkungsgrad der Gasturbinenanordnung erreichbar ist.
Mit einer solchen zweistufigen Gasturbinenanordnung mit Niederdruck-Verdichter
und Hochdruck-Verdichter
kann ein thermischer Wirkungsgrad von über 30% erreicht werden. Dadurch sind
Stromleistungen im Bereich von 10 kW bis 80 kW bei geringem Bauraumbedarf
möglich.
Trotz des Vorsehens der zwei hochdrehenden Strömungsmaschinen ist der Bauraumbedarf
für eine
solche zweistufige Verdichtung vergleichsweise gering.
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Wenn
der Generator auf der den Niederdruck-Verdichter tragenden Welle
angeordnet ist, so kann durch diese Anordnung dafür Sorge
getragen werden, dass die Drehzahl des Generators 100.000 Umdrehungen
pro Minute nicht überschreitet
und somit technisch einfach beherrschbar bleibt.
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Ergänzend oder
alternativ kann der Generator auf der Welle des Hochdruck-Verdichters
angeordnet sein, wobei auch hier das Anordnen auf der den Verdichter
tragenden Seite der Welle aufgrund der niedrigeren Temperaturbelastung
des Generators vorteilhaft ist. Ein solcher, auf der Welle des Hochdruck-Verdichters
angeordneter Generator kann dann mit Drehzahlen von bis zu 130.000
Umdrehungen pro Minute betrieben werden, so dass ein besonders geringes
Gewicht und ein besonders geringer Platzbedarf des Generators realisierbar
ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn lediglich ein
besonders wenig Gewicht mit sich bringender und wenig Bauraum beanspruchender
Generator vorgesehen ist.
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Von
Vorteil ist es hierbei, wenn stromabwärts des Niederdruck-Verdichters
ein dem Hochdruck-Verdichter vorgeschalteter Zwischenkühler angeordnet
ist. Eine solche Zwischenkühlung
der Zuluft zwischen Niederdruck-Verdichter und Hochdruck-Verdichter
ermöglicht
eine weitere Erhöhung des
thermischen Wirkungsgrades der Gasturbinenanordnung.
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Die
Erfindung betrifft des Weiteren ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung,
wobei wenigstens ein Wärmetauscher,
insbesondere wenigstens ein Heizungswärmetauscher zum Heizen eines
Innenraums des Fahrzeugs vorgesehen ist, welcher mit Abwärme der
Antriebseinrichtung beaufschlagbar ist. Dadurch kann die Antriebseinrichtung
gleichzeitig zum Heizen des Innenraums bzw. für eine Temperaturkonditionierung
des Innenraums genutzt werden. Bei dem Innenraum kann es sich insbesondere
um einen Fahrgastraum handeln, so dass die Heizwärme des wenigstens einen Heizungswärmetauschers
dem Komfort von Fahrzeuginsassen zugute kommt. Der wenigstens eine
Wärmetauscher
kann insbesondere den Luftvorwärmer
zum Erwärmen
von dem Brenner zuführbarer
Zuluft umfassen. Hierbei ist dann derjenige Innenraum des Fahrzeugs
mittels des Wärmetauschers
beheizbar, in welchem eine Zuluftleitung zu dem Brenner verläuft.
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Durch
das Nutzen der Abwärme
der Antriebseinrichtung zum Heizen des Innenraums kann auf einen
Einsatz von elektrischer Energie zum Heizen des Innenraums verzichtet
werden. Die Gasturbine kann somit zum Antreiben des Generators und
ergänzend
oder weitgehend alternativ auch zum Heizen des Innenraums eingesetzt
werden.
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Insbesondere
durch Vorsehen der Einrichtung zum Verringern des Abgasmassenstroms
durch die Gasturbine kann der thermische Wirkungsgrad der Gasturbine
gezielt herabgesetzt und so die Heizleistung des wenigstens einen
Wärmetauschers
erhöht
werden. In Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur kann also zum Erhöhen des Komforts von Fahrzeuginsassen
zumindest vorübergehen
ein geringerer thermischer Wirkungsgrad der wenigstens einen Gasturbine
eingestellt werden.
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Bevorzugt
ist der wenigstens eine Wärmetauscher,
insbesondere Heizungswärmetauscher,
mit einem Kühlmedium
beaufschlagbar, auf welches Wärme
aus der Zuluft für
den Brenner und/oder Wärme
aus dem Abgas der wenigstens einen Gasturbine übertragbar ist. Insbesondere
beim Vorsehen des Zwischenkühlers
zwischen dem Niederdruck-Verdichter und dem Hochdruck-Verdichter
ist es sinnvoll, die beim Zwischenkühlen abgegebene Wärme auf das
Kühlmedium
des Heizungswärmetauschers
zu übertragen.
Des Weiteren stellt das Abgas der wenigstens einen Gasturbine eine
Wärmequelle
dar, welche insbesondere zum Erhöhen
des Komforts von Fahrzeuginsassen auf das Kühlmedium eines Heizungswärmetauschers übertragbar
ist.
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Um
die Heizleistung des wenigstens einen Wärmetauschers, insbesondere
Heizungswärmetauschers,
an den Wärmebedarf
des Innenraums, insbesondere des Fahrgastraums, anzupassen, ist
vorteilhaft ein Kontrollelement zum Einstellen eines Kühlmedienstroms
durch den wenigstens einen Wärmetauscher
vorgesehen. Hierbei kann eine Heizungsregelung zum Einsatz kommen.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, den wenigstens einen Heizungswärmetauscher
in ein Karosseriebauteil zu integrieren. Dadurch ist im günstigsten
Fall kein über
den Platzbedarf des Karosseriebauteils hinausgehender Bauraum vorzusehen, um
den wenigstens einen Wärmetauscher,
insbesondere Heizungswärmetauscher,
zu realisieren. In analoger Weise kann der Luftvorwärmer zum
Erwärmen von
dem Brenner der Antriebseinrichtung zuführbarer Zuluft platzsparend
in ein Karosseriebauteil integriert sein. Vorstellbar ist es ebenso,
ein und denselben Wärmetauscher
alternativ zum Heizen des Innenraums oder zum Vorwärmen der
dem Brenner zuführbaren
Zuluft vorzusehen. Auch kann ein und derselbe Wärmetauscher gleichzeitig zum
Heizen des Innenraums und zum Vorwärmen der Zuluft eingesetzt
werden.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich hierbei erwiesen, den Heizungswärmetauscher
in ein Karosseriebauteil eines Fahrzeugsbodens zu integrieren. Dies
ermöglicht
einen besonders verlustfreien Wärmeübergang
von dem Heizungswärmetauscher
in den Innenraum, insbesondere Fahrgastraum, des Fahrzeugs.
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Zum
einfachen Einstellen oder Regeln der Heizleistung des wenigstens
einen Heizungswärmetauschers
können
Mittel zum Verändern
der thermischen Isolationswirkung einer thermischen Isolierung des
wenigstens einen Heizungswärmetauschers
vorgesehen sein.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn in dem mittels wenigstens
eines Wärmetauschers,
insbesondere Heizungswärmetauschers,
beheizbaren Innenraum des Fahrzeugs ein Energiespeicher angeordnet
ist. So kann der Energiespeicher mittels des Wärmetauschers auf eine Betriebstemperatur
gebracht werden, welche ein Liefern von Strom mit einem guten Wirkungsgrad
ermöglicht. Das
Liefern des Stroms mit gutem Wirkungsgrad kann infolge des Inbetriebnehmens
der Gasturbine besonders rasch erfolgen.
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Schließlich hat
es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Energiespeicher einen
Anschluss zum Anschließen
einer externen Ladestromquelle aufweist. Dadurch kann bei einem
Ausfall des Generators und/oder der Gasturbine der Energiespeicher
dennoch geladen werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betreiben eines Fahrzeugs, bei welchem durch einen Generator
elektrische Energie für
wenigstens einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs bereitgestellt
wird, wird der Generator mittels wenigstens einer Gasturbine angetrieben,
welche mit Abgas eines Brenners beaufschlagt wird. Beim Antreiben
des Generators mittels der wenigstens einen Gasturbine werden besonders
hohe Drehzahlen des Generators erreicht.
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Die
für die
erfindungsgemäße Antriebseinrichtung
und für
das erfindungsgemäße Fahrzeug beschriebenen
bevorzugten Ausführungsformen
und Vorteile gelten auch für
das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben eines Fahrzeugs.
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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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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen,
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der
Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen
Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer Antriebseinrichtung für
ein Fahrzeug, bei welcher ein Generator auf einer Welle einer Gasturbine
angeordnet ist, welche mit Abgas eines Brenners beaufschlagbar ist;
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2 Diagramme
zum Veranschaulichen von Wirkungsgraden und spezifischen Leistungen von
mit Abgas eines Brenners beaufschlagten Gasturbinen, wobei dem Brenner
mittels eines Verdichters verdichtete Zuluft zugeführt wird,
in Abhängigkeit vom
Druckverhältnis
des Verdichters;
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3 eine
zweite Ausführungsform
einer Antriebseinrichtung für
ein Fahrzeug mit einer zweistufigen Gasturbinenanordnung;
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4 eine
weitere Ausführungsform
einer Antriebseinrichtung für
ein Fahrzeug mit zweistufiger Gasturbinenanordnung; und
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5 ein
Fahrzeug in einer Außenansicht, wobei
die Anordnung von Komponenten der Antriebseinrichtung in dem Fahrzeug
schematisch veranschaulicht ist.
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1 zeigt
schematisch Komponenten einer Antriebseinrichtung 10 für ein Fahrzeug 12,
etwa einen in 5 beispielhaft gezeigten Personenkraftwagen,
wobei ein Generator 14 elektrische Energie für einen
Elektromotor 16 bereitstellt. Der Elektromotor 16 dient
zum Antreiben des Fahrzeugs 12. In 1 ist lediglich
ein elektrisch mit dem Generator 14 gekoppelter Elektromotor 16 beispielhaft
gezeigt, jedoch können
in dem Fahrzeug 12 auch mehrere Elektromotoren 16,
etwa in Form von Radnabenmotoren, vorgesehen sein.
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Zum
Antreiben des Generators 14 weist die Antriebseinrichtung 10 eine
Gasturbine 18 auf, welche in einem Abgasstrang 20 eines
Brenners 22 angeordnet ist. Um ein besonders emissionsarmes Fahrzeug 12 bereitzustellen,
kann der Brenner 22 mit einem Brenngas betrieben werden.
Das den Brenner 22 verlassende Abgas strömt über einen
Spiralkanal in die Gasturbine 18 ein und treibt ein Turbinenrad 24 an.
Vorliegend ist der Spiralkanal in einem zweiflutigen Turbinengehäuse bereitgestellt,
jedoch kann insbesondere ein besonders einfaches einflutiges Turbinengehäuse zum
Einsatz kommen.
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Das
Turbinenrad 24 ist mit einer Welle 26 der Gasturbine 18 drehfest
verbunden. Auf der Welle 26 ist ein Verdichterrad 28 eines
Verdichters 30 angeordnet. Der Verdichter 30 verdichtet
die dem Brenner 22 zugeführte Zuluft. Auf Seiten des
Verdichters 30 der Welle 26 ist der Generator 14 angeordnet.
Zum Lagern des Rotors des Generators 14 ist als Lagerung 32 ein
Kugellager vorgesehen. Damit das Kugellager keinen zu hohen mechanischen
Belastungen ausgesetzt ist, ist das Turbinenrad 24 der
Gasturbine 18 aus einem keramischen Material gefertigt und
somit vergleichsweise leicht. Bei Ausführungsformen, bei welchen das
keramische Turbinenrad 24 zum Einsatz kommt, können Gastemperaturen
von bis zu 1.250°C
im Abgas des Brenners 22 genutzt werden, ohne dass eine
zu große
Materialbeanspruchung besteht.
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Der
Generator 14 kann bei einer Drehzahl von 100.000 Umdrehungen
pro Minute eine Leistung von 20 kW generieren und weist einen Anschluss 34 zum
Entnehmen elektrischer Leistung auf.
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Bei
der Ausführungsform
der Antriebseinrichtung gemäß 1 durchströmt die den
Verdichter 30 verlassende, verdichtete Zuluft einen zu
dem Brenner 22 führenden
Zuluftstrang 36, welcher durch einen Luftvorwärmer 38 geführt ist.
Der Abgasstrang 22 ist ebenfalls durch den als Wärmetauscher
fungierenden Luftvorwärmer 38 geführt, so
dass Wärme aus
dem Abgas der Gasturbine 18 zum Vorwärmen der verdichteten Zuluft
herangezogen wird.
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2 zeigt
in einem ersten Diagramm 40 Scharen von Isothermen 42,
welche eine Abhängigkeit
der spezifischen Leistung 44 und des Wirkungsgrads 46 (auf
jeweiligen Ordinaten aufgetragen) vom Druckverhältnis 48 des Verdichters 30 veranschaulichen.
Hieraus geht hervor, dass mit zunehmender Temperatur des Abgases,
welches die Gasturbine 18 durchströmt, eine gesteigerte spezifische
Leistung 44 und ein gesteigerter Wirkungsgrad 46 einhergehen.
Während
das Diagramm 40 diese Zusammenhänge bei einem Verzicht auf
den Luftvorwärmer 38 (vgl. 1)
zeigt, beschreibt ein weiteres in 2 gezeigtes
Diagramm 50 diese Zusammenhänge bei Einsatz des Luftvorwärmers 38.
Hieraus geht hervor, dass bei gleichem Druckverhältnis 48 des Verdichters 30 durch
Einsatz des Luftvorwärmers 38 eine
höhere
spezifische Leistung 44 und ein höherer Wirkungsgrad 46 erreichbar
sind. Das Druckverhältnis 48 des
Verdichters 30 ist hierbei das Verhältnis des Drucks der verdichteten
Zuluft zum Druck der unverdichteter Zuluft.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform der Antriebseinrichtung 10 kann
bei einem Druckverhältnis
des Verdichters 30 von fünf durch den Einsatz des Luftvorwärmers 38 der
thermische Wirkungsgrad der Gasturbine 18 von 15% auf über 20%
angehoben werden.
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Soll
die Antriebseinrichtung 10 gemäß 1 jedoch
lediglich als Notstromaggregat in dem Fahrzeug 12 Verwendung
finden, so kann unter Verzicht auf den Luftvorwärmer 38 bei einem
Wirkungsgrad von dann etwa 15% die den Generator 14 antreibende
Strömungsmaschine
besonders einfach und platzsparend ausgebildet sein, wobei der vergleichsweise
niedrige thermische Wirkungsgrad zugunsten des geringen Bauraumbedarfs
und des geringen Gewichts akzeptabel ist.
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Zum
Regeln des Massenstroms des Abgases durch die Gasturbine 18 ist
bei der Ausführungsform
der Antriebseinrichtung 10 gemäß 1 eine Regelklappe 52 stromabwärts der
Gasturbine 18 in dem Abgasstrang 20 angeordnet.
Diese Regelklappe 52 bildet die Stellgröße für den durchsatzbestimmenden
Strömungsquerschnitt
und kann so die Leistung der Gasturbine 18 und damit die
Leistung des Generators 14 beeinflussen.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der Antriebseinrichtung 10 ist eine zweistufige Gasturbinenanordnung
vorgesehen (vgl. 3). Auf der Welle 26 der
ersten Gasturbine 18 ist der Verdichter 30 angeordnet,
welcher bei der zweistufigen Gasturbinenanordnung als Niederdruck-Verdichter
ausgebildet ist. Auf Seiten dieses Niederdruck-Verdichters 30 ist
auf der Welle 26 der Generator 14 angeordnet. Dem
Niederdruck-Verdichter 30 ist ein Hochdruck-Verdichter 54 nachgeschaltet,
mittels welchem die den Zuluftstrang 36 durchströmende, verdichtete Zuluft
vor dem Erreichen des Brenners 22 weiter verdichtet wird.
Der Hochdruck-Verdichter 54 ist über eine Welle 56 mit
einer zweiten Gasturbine 58 gekoppelt, welche stromaufwärts der
ersten Gasturbine 18 dem Brenner 22 nachgeschaltet
in dem Abgasstrang 20 angeordnet ist.
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Durch
das zweistufige Verdichten der Zuluft ist ein Druckverhältnis von
verdichteter Zuluft zu unverdichteter Zuluft von zehn bis zwanzig
erreichbar, welches mit einem erhöhten thermischen Wirkungsgrad
der die Gasturbinen 18, 58 umfassenden Gasturbinenanordnung
einhergeht. Wenn sowohl der Niederdruck-Verdichter 30 als
auch der Hochdruck-Verdichter 54 die Zuluft um den Faktor
vier bis fünf
verdichten, so ist ein Druckverhältnis
von 20 erreichbar.
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Da
das den Brenner 22 verlassende Abgas bereits an der dem
Brenner 22 nachgeschalteten Gasturbine 58 teilentspannt
wird, läuft
die Welle 26 der stromabwärts angeordneten Gasturbine 18 bei geometrisch
angepassten vergrößerten Strömungsquerschnitten
mit einer geringeren Drehzahl als die Welle 56. Dadurch
ist sichergestellt, dass bei dem auf eine Drehzahl von bis zu 100.000
Umdrehungen pro Minute ausgelegten Generator 14 keine zu
hohe Drehzahl auftritt.
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Zum
weiteren Erhöhen
des thermischen Wirkungsgrads der zweistufigen Gasturbinenanordnung gemäß 3 ist
zwischen dem Niederdruck-Verdichter 30 und dem Hochdruck-Verdichter 54 ein
Zwischenkühler 60 angeordnet.
Ein den Zwischenkühler 60 durchströmendes Kühlmedium
wird über
eine Kühlmittelleitung 62 einem
Wärmetauscher 64 zugeführt (vgl. 5).
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Hier
kann die aus der Zwischenkühlung
der verdichteten Zuluft stammende Wärme zum Beheizen eines Fahrgastraums 66 und/oder
zum Beheizen eines Aggregateraums 68 des Fahrzeugs 12 genutzt werden.
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Bei
einer weiteren, in 4 gezeigten Ausführungsform
der Antriebseinrichtung 10 ist ebenfalls eine zweistufige
Gasturbinenanordnung vorgesehen, welche die Gasturbinen 18, 58 umfasst
sowie den Niederdruck-Verdichter 30 und den diesem nachgeschalteten
Hochdruck-Verdichter 54.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist jedoch der Generator 14 für maximale Drehzahlen von bis
zu 130.000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt und entsprechend gewichts-
und bauraumsparender ausgelegt als der Generator 14 der
in 3 gezeigten Ausführungsform. Der besonders hochdrehende
Generator 14 ist bei der Ausführungsform gemäß 4 auf
der Welle 56 angeordnet, welche durch die Gasturbine 58 angetrieben
wird und auf welcher auch der Hochdruck-Verdichter 54 angeordnet
ist. Trotz des Verzichts auf die Zwischenkühlung zwischen den beiden Verdichterstufen
ist bei der Gasturbinenanordnung der Antriebseinrichtung 10 gemäß 4 ein thermischer
Wirkungsgrad von mehr als 30% erreichbar.
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Die
in 5 schematisch gezeigte Antriebseinrichtung 10,
welche in dem in einer Außenansicht gezeigten
Fahrzeug 12 angeordnet ist, entspricht im Wesentlichen
der mit Bezug auf 3 beschriebenen Ausführungsform.
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Entsprechend
ist zwischen dem Niederdruck-Verdichter 30 und dem Hochdruck-Verdichter 54 der
Zwischenkühler 60 vorgesehen.
Des Weiteren ist der Generator 14 auf Seiten des Niederdruck-Verdichters 30 auf
der Welle 26 angeordnet, welche auch das Turbinenrad 24 der
Gasturbine 18 trägt.
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Zusätzlich zu
der Regelklappe 52 ist jedoch bei der Ausführungsform
gemäß 5 zum
Verändern
des Abgasmassenstroms durch die Gasturbinen 18, 58 ein
verstellbares Leitgitter 70 vorgesehen. Das Leitgitter 70 ist
stromaufwärts
des Turbinenrads 24 in der Gasturbine 18 angeordnet.
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Durch
Verstellen des Leitgitters 70 können die Druckverhältnisse
der Verdichter 30, 54 gezielt so verstellt werden,
dass der thermische Wirkungsgrad der Gasturbinen 18, 58 sinkt
und somit stromabwärts der
Gasturbine 18 wärmeenergiereicheres
Abgas zur Verfügung
steht. Dieses Abgas kann dann falls gewünscht zum Beaufschlagen von
Heizungswärmetauschern 64, 72 genutzt
werden. Ergänzend
oder alternativ wird die Abwärme
des Abgases der Gasturbine 18 in dem Luftvorwärmer 38 genutzt.
Die Wärmetauscher 64, 72, 38 sind
in Karosseriebauteile des Fahrzeugs 12 integriert.
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Zum
Beheizen des Fahrgastraums 66 ist eine Anordnung der Heizungswärmetauscher 64, 72 im
Fahrzeugboden vorteilhaft. Zumindest einer der Heizungswärmetauscher 64, 72 kann
jedoch wie in 5 schematisch angedeutet ergänzend oder
alternativ so angeordnet sein, dass der Aggregateraum 68 über Wärme aus
der Zuluft für
den Brenner 22 und/oder über Wärme aus dem Abgas der Gasturbinen 58, 18 beheizbar
ist.
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In
dem Aggregateraum 68 des Fahrzeugs 12 ist ein
Energiespeicher 74 angeordnet, welcher über den Anschluss 34 mit
dem Generator 14 elektrisch verbunden ist. Aus dem Energiespeicher 74 beziehen
Elektromotoren 16 zum Antreiben des Fahrzeugs 12 ihre
elektrische Energie. Als Elektromotoren 16 können, wie
in 5 schematisch angedeutet, Radnabenmotoren zum
Einsatz kommen und/oder es kann ein Achsantrieb verwirklicht sein. Beim
Abbremsen des Fahrzeugs 12 ist mittels des Elektromotors 16 Bremsenergie
rückgewinnbar.
Diese Bremsenergie kann als elektrische Energie in den Energiespeicher 74 eingespeist
werden.
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Eine
Regelungseinrichtung 76 regelt das Beaufschlagen der Elektromotoren 16 mit
elektrischer Energie, etwa in Abhängigkeit von der Stellung eines Gaspedals 78.
Der Energiespeicher weist einen Anschluss 80 zum Anschließen einer
externen Ladestromquelle auf.
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In
alternativen Ausführungsformen
des Fahrzeugs 12, bei welchem es sich alternativ zu dem
beispielhaft gezeigten Personenkraftwagen auch um ein Nutzfahrzeug
handeln kann, kann der zum Antreiben des Fahrzeugs 12 vorgesehene
Elektromotor 16 auch direkt mit der von dem Generator 14 bereitgestellten
elektrischen Energie beaufschlagt werden.
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Bei
der in 5 gezeigten Ausführungsform der Antriebseinrichtung 10 dient
die Gasturbine 58 lediglich zum Bereitstellen des besonders
hohen, wirkungsgradgünstigen
Druckverhältnisses
mittels des Hochdruck-Verdichters 54. Alternativ kann jedoch auch
diese Gasturbine 58 mit einem weiteren Generator gekoppelt
sein, insbesondere durch Anordnen des weiteren Generators auf der
Welle 56.
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Der
Luftvorwärmer 38 kann
auch mit Wärme aus
der verdichteten Zuluft für
den Brenner 22 beaufschlagt werden, also über die
Kühlmittelleitung 62 mit Abwärme der
Antriebseinrichtung versorgt werden. Zum Einsparen von Bauraum kann
in alternativen Ausführungsformen
des Fahrzeugs 12 der Luftvorwärmer 38 entfallen.
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In
der Ausführungsform
gemäß 5 ist eine
weitere Regelungseinrichtung 82 vorgesehen, mittels welcher
der dem Brenner 22 zugeführte Brennstoffstrom regelbar
ist. Die Regelungseinrichtung 82 ermöglicht darüber hinaus ein Ansteuern der Regelklappe 52 und/oder
des Leitgitters 70, sowie des Generators 14. Die
Regelungseinrichtungen 76, 82 sind vorliegend
zum Austauschen von Informationen gekoppelt. In alternativen Ausführungsformen können die
Funktionen der Regelungseinrichtungen 76, 82 in
einer einzigen Regelungseinrichtung realisiert sein.
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Je
nachdem welche Stromleistung der Generator 14 zur Verfügung stellen
soll, kann, insbesondere durch Verändern der Stellung der Regelklappe 52 und/oder
Verstellen des Leitgitters 70 eine unterschiedlich große Heizleistung
erreicht werden, indem der thermische Wirkungsgrad der Gasturbinen 18, 52 gezielt
verringert wird.
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Insbesondere
das Vorsehen der zweistufigen Gasturbinenanordnung ermöglicht das
Anordnen von Gasturbinen 18, 52 unterschiedlicher
Größen und
unterschiedlicher Leistungen in Modulbauweise in einem Baukastensystem.
Dadurch sind günstige
Voraussetzungen für
eine kostengünstige Serienrealisierung
der Antriebseinrichtung 10 in dem Fahrzeug 12 gegeben.