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Die Erfindung betrifft eine Abgas-Ausleitungseinrichtung eines U-Boots zur Erhöhung der Leistung seiner Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere seiner aufgeladenen Dieselmotoren, in Schnorchelfahrt und Verwendungen der Vorrichtung.
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Die Einleitung der von Verbrennungskraftmaschinen erzeugten Abgase in das Wasser, welches das U-Boot umgibt, ist bekannt und wird prinzipiell in dem Fachbuch von Ulrich Gabler; Unterseebootbau; 3. Aufl., Bernard + Graefe-Verlag, Koblenz 1987, Seiten 72–77, beschrieben.
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Aus der
DE 26 58 484 C2 ist ferner eine Lenzvorrichtung bekannt, die durch eine Unterdruckerzeugung wirkt.
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Weiterhin ist aus der
DE 33 21 782 C2 eine Abgasanlage bekannt, die in der Schwimmwasserlinie eines Wasserfahrzeugs angeordnet ist.
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Die
DE 41 04 389 A1 offenbart einen thermodynamischen Unterwasserantrieb, über den zwar Abgase unter Wasser ausgeführt werden können, der aber ohne die Herstellung eines Unterdruckeffekts arbeitet und als Schubrohr ausgebildet ist.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Abgas-Ausleitungseinrichtung anzugeben, mit der eine Verminderung des Abgasgegendrucks des U-Bootes bei Schnorchelfahrt erzielt werden kann. Bei einem Ausstoß der Abgase Unterwasser, d. h. gegen den anstehenden hydrostatischen Druck, erfolgt dann keine Verminderung der Motorleistung. Eine möglichst hohe Motorleistung bei Schnorchelfahrt ist erforderlich, um die Ladezeit der Batterien des U-Boots während der Schnorchelfahrt zu verkürzen. Wenn die Ladung der Batterien nicht mit der höchst möglichen, zur Verfügung stehenden, Generatorleistung erfolgt, erhöht sich die Zeit des U-Boots in Schnorchelfahrt, d. h. die Zeit in der es detektierbar ist. Das Verhältnis der Unterwasserfahrzeit zur Schnorchelfahrzeit wird als ”Indiskretion Rate” bezeichnet und ist soweit wie möglich zu verringern.
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Die Aufgabe wird durch eine Abgas-Ausleitungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Mittels der Bewegung des U-Bootes durch das umgebende Wasser kann über die strömungstechnischen Maßnahmen in zumindest einem Bereich am U-Boot ein verminderter Wasserdruck geschaffen und die Abgase in diesen Bereich eingeleitet werden. Dadurch, dass am U-Boot ein Bereich verminderten Wasserdrucks geschaffen wird und die Abgase in diesen Bereich eingeleitet werden, können die mit dem Unterwasser erhöhten Gegendruck des Abgassystems entstehenden Nachteile gelöst werden. Verbrennungskraftmaschinen sind in Bezug auf ihren Wirkungsgrad erheblich von dem Gegendruck des Abgassystems abhängig. Durch eine Reduzierung dieses Gegendrucks über die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es überaus vorteilhaft möglich, ohne sonstige Maßnahmen den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschinen bei konventionellen U-Boot-Dieselmotoren zu erhöhen. Beim Übergang zu einem größeren U-Boot-Typ kann so vorteilhaft der gleiche Dieselmotor-Typ mit gesteigerter Leistung verwendet werden. Es kann sogar eine Gasturbine verwendet werden, wenn am Abgasstutzen annähernd Atmosphärendruck erreicht wird.
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Über die erfindungsgemäße Teilstromentnahme aus dem das U-Boot umgebenden Wasser ist der Bereich verminderten Wasserdrucks am U-Boot sehr vorteilhaft ohne den Einsatz von Fremdenergie realisierbar. So ergibt sich eine besonders einfache Ausbildung einer Einrichtung, mit deren Hilfe die Leistung von Verbrennungskraftmaschinen bei Schnorchelfahrt erhöht werden kann.
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Da die mechanisch betätigten Strömungsleitelemente eine, vorzugsweise eckige, trichterförmige Vorrichtung bilden, deren größerer Querschnitt in Fahrtrichtung vorn angeordnet ist, ergibt sich eine einfache Einrichtung zur Teilstromentnahme aus dem das U-Boot umgebenden Wasser, die zu einer beschleunigten und damit im Druck abgesenkten Strömung in einem Bereich am U-Boot führt. Es ist dabei vorgesehen, dass die trichterförmige Vorrichtung aus der Oberfläche des U-Boots mechanisch oder hydraulisch heraus schwenkbar ausgebildet ist. So ergibt sich für die normale Unterwasserfahrt kein erhöhter Wasserwiderstand am U-Boot. Sowohl bei normaler Überwasserfahrt als auch bei normaler Unterwasserfahrt bleiben die trichterförmigen Vorrichtungen eingeschwenkt und das Fahrverhalten des U-Boots wird nicht beeinflusst.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass die trichterförmige Vorrichtung mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgebildet ist. Eine mehrteilige, insbesondere zweiteilige Ausbildung erlaubt es, die trichterförmige Vorrichtung symmetrisch zur Mitte des U-Boots bzw. zur Mitte des U-Boot-Turms anzuordnen. So ergibt sich bei Schnorchelfahrt, dass die Kräfte, die sich aus dem Ausschwenken der trichterförmigen Vorrichtung ergeben, sich gegenseitig aufheben. Natürlich kann die trichterförmige Vorrichtung auch einteilig ausgebildet sein, z. B. wenn sie an der Oberseite des U-Boots etwa direkt über den Dieselmotoren angeordnet wird. Auch dann entstehen keine Kräfte, die das U-Boot um die Längsachse drehen würden. Dies gilt auch, wenn die trichterförmige Vorrichtung zwei Einzeltrichter aufweist, die jeweils an den beiden Seiten des U-Boot-Turms angeordnet sind. Diese Anordnung an den beiden Seiten des U-Boot-Turms, insbesondere ganz oben, führt zu einer besonders guten zweiteiligen Ausbildung des Bereichs verminderten Drucks, so dass sogar mit einem Unterdruckgebiet im Bereich des Abgasaustritts gearbeitet werden kann. Der hydrostatische Druck an der Turmoberkante ist geringer als der mit der Düse und dem Wasserstrahl erreichbare Unterdruck, so dass sich eine Abgasabführung ergibt, die zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine führt. Dies ist besonders vorteilhaft, da so Treibstoff gespart werden kann und z. B. mit den gleichen Dieselmotoren Unterwasser eine größere Generatorleistung erreicht werden kann.
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Generell, aber insbesondere um den vorstehend beschriebenen positiven Effekt zu erreichen, ist vorgesehen, dass die trichterförmige Vorrichtung eine Düse an der Wasseraustrittsseite aufweist, aus der das Teilstromwasser als Wasserstrahl mit wesentlich gegenüber der Bootsgeschwindigkeit erhöhter Geschwindigkeit austritt. Je höher der Wasserstrahl beschleunigt wird, desto größer ist der Unterdruck, der von dem Wasserstrahl erzeugt wird. Entsprechend vorteilhaft ist die Wirkung auf den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass hinter der engsten Stelle der trichterförmigen Vorrichtung eine Gasmischkammer angeordnet ist, in die die Abgasleitung der Verbrennungskraftmaschine einmündet. Die Gasmischkammer, die als einfaches, koaxial durchströmtes Abgas-Düsensegment ausgebildet sein kann, arbeitet trotz einfachen Aufbaus sehr effektiv. Spezielle Gasleitelemente brauchen nicht vorgesehen werden. Es genügt eine einfache, ggf. tangentiale, Einleitung der Abgase in das koaxial durchströmte Abgasdüsensegment, um eine gute Wirkung und die vorgesehene feine Verteilung der Abgase im abströmenden Wasser zu erreichen.
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Es ist dabei vorgesehen, dass der Querschnitt des erzeugten Wasserstrahls eckig, insbesondere rechteckig ist. Ein rechteckiger Wasserstrahl ist aufgrund der rechteckigen Einströmöffnung des z. B. aus dem U-Boot-Turm ausschwenkenden seitlichen Trichterblechs besonders einfach und ohne größere Strömungsverluste und damit geringer Geräuschbildung zu realisieren.
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In anderer Ausführung ist vorgesehen, dass der Querschnitt des Wasserstrahls rund ist. So ergibt sich ein besonders guter Mitnahmeeffekt bei einfacher tangentialer Einströmung der Abgase in die Gasmischkammer. Der Strömungswiderstand in der trichterförmigen Vorrichtung ist jedoch etwas höher. Von besonderem Vorteil ist, dass in dem runden Wasserstrahl eine einfache Teleskop-Rohr-Vorrichtung angeordnet werden kann, bei der die ausfahrbaren Teleskoprohre den Querschnitt und damit die Geschwindigkeit des Wasserstrahls unabhängig von der Ausschwenkstellung der trichterförmigen Vorrichtung regeln können. So ist eine zusätzliche Regelmöglichkeit für den Abgasaustrag gegeben, besonders vorteilhaft für kleine Bootsgeschwindigkeiten.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Erhöhung der Leistung von Verbrennungskraftmaschinen von U-Booten in Schnorchelfahrt einen Regler zur Regelung des verminderten Wasserdrucks im Austrittsbereich der Abgase, also des Abgasgegendrucks, aufweist. So ist eine sehr vorteilhafte Optimierung der Arbeitsweise der Verbrennungskraftmaschine möglich. Unterschiede in der Fahrtgeschwindigkeit des U-Boots können so vorteilhaft ausgeglichen werden.
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Zur Regelung des Abgasgegendrucks ist dabei vorteilhaft vorgesehen, dass der Regler eine Wirkverbindung zu den mechanischen oder hydraulischen Betätigungselementen der trichterförmigen Vorrichtung aufweist. So ist eine einfache Regelung der Höhe des Drucks an der Abgasaustrittstelle der Abgase aus dem Boot möglich. Es ist dabei vorgesehen, dass die Einrichtung Drucksensoren aufweist, insbesondere in der Abgasleitung. So ist eine sichere Funktionsüberwachung des Abgassystems möglich und der hinter den Abgasturboladern vorhandene Druck kann überwacht und mit Hilfe der Regelung des Wasserstrahls und von Stellungssensoren für die Strömungsleitelemente, kann eine optimierte Regelung des Abgassystems erreicht werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Regler im Datenaustausch mit dem Abgaskontrollsystem (Klappensystem) des Dieselmotors und der Steuerung des Dieselmotors arbeitend ausgebildet ist. Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Regler die U-Boot-Geschwindigkeit und die Propellerdrehzahl berücksichtigend ausgebildet ist. So ergibt sich eine komplette Kontrolle des Abgassystems, bei der auch der Fahrzustand des U-Boots und die jeweilige Relativgeschwindigkeit des Bootes durch das Wasser berücksichtigt wird.
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Die Verwendung des vorstehend geschilderten Betriebsverfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung führt sehr vorteilhaft dazu, dass die Ladezeit der Batterien eines U-Boots bei Schnorchelbetrieb nicht unbeträchtlich verkürzt werden kann, z. B. um 40%. Durch die Erfindung wird das taktische Verhalten des U-Boots durch eine verringerte ”Indiskretion Rate” und verbesserter Abgasmischung im Seewasser ein für Schnorchel-U-Boote ganz wesentlicher Vorteil erreicht.
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen weitere, auch erfindungswesentliche, Einzelheiten ebenso wie aus den Unteransprüchen, entnommen werden können.
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Im einzelnen zeigen:
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1 den Stand der Technik, wie er sich aus dem Buch von Gabler ergibt;
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2 einen horizontalen Schnitt durch einen U-Boot-Turm mit seitlich angeordneten Gasmischkammern in Prinzipdarstellung;
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3 des Regelprinzip gemäß der Erfindung und
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4 der Einfluss der Erfindung auf die Ladung der Batterien des U-Boots.
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In 1, Stand der Technik, bezeichnet 1 einen Dieselgenerator auf einem doppelelastischen Fundament 2. Mit 3 ist der Ansaugfilter und mit 4 der Abgaskühler mit Schalldämpfer bezeichnet. 5 bezeichnet die Abgasleitung und 6 innere bzw. äußere Abgasklappen. Anstelle der beiden gezeichneten Abgasklappen kann gemäß dem Stand der Technik (unveröffentlicht) auch nur eine Abgasklappe vorgesehen werden.
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Zur Ansaugung der Verbrennungsluft zum Dieselmotor 1 dient der Luftmast 9 (Schnorchel) mit einem Kopfventil 7 und einer Wasserkontakteinrichtung, die dem Öffnen und Schließen des Luftventils 7 dient. Im Luftmast 9 sind je eine innere und eine äußere Luftklappe 10 vorgesehen, auch hier zur Sicherheit in doppelter Ausführung. 11 bezeichnet eine Überwachungstafel für das Zuluft- und Abluftsystem. Unter dem Luftmast ist noch ein Wassersammeltank 12 vorgesehen, dem ein Wasserkontakt 8 ebenso wie am Kopf des Luftmastes 9 zugeordnet ist.
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Mit 13 ist der Motorenraum bezeichnet, der durch ein Schott 15 vom Bootsinneren abgeschottet ist. Das Schott 15 ist innerhalb des Druckkörpers des U-Boots 14 als Schalldämmschott angeordnet. Gemäß dem Stand der Technik kann die Abgasleitung aus der inneren/äußeren Abgasklappe 6 sowohl in das Oberteil des U-Boot-Turms führen als auch in einen gesonderten Abgasmast am Luftmast 9 nach oben geführt sein. In beiden Fällen ist ein Unterwasseraustritt der Abgase vorgesehen und es ergibt sich ein erhöhter Gegendruck mit seinen negativen Folgen für den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschinen im U-Boot.
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In 2 bezeichnet 18 Strömungspfeile, die die Anströmung des U-Boot-Turms 16 symbolisieren sollen. Eine Anströmung des U-Boot-Turms 16 ist stets vorhanden, wenn sich das U-Boot unter Wasser befindet. Die trichterförmigen Vorrichtungen 17 seitlich am Turm 16, vorn ggf. durch ein grobmaschiges Gitter 22 abgeschlossen, werden daher auf jeden Fall angeströmt und ergeben eine Ausströmung 25 in ihrem hinteren Ende im Anschluss an die Abgaseinleitungen 24. Die Abgaseinleitungen 24 sind mit nicht näher bezeichneten Abgasmischkammern verbunden oder die Abgaseinleitungen 24 sind in den Abgasmischkammern integriert. Durch Pfeile 20 ist die Beweglichkeit der trichterförmigen Einrichtungen 17 symbolisiert, diese wird über Stellelemente 19 bewirkt. Für die normalen Fahrzustände eines U-Boots sind die trichterförmigen Einrichtungen 17 in den Turm eingeklappt. Dies ist durch die Linie 21 angedeutet. Im Inneren des U-Boot-Turms befindet sich der Ausstiegsschacht und die nicht dargestellten Ausfahrgeräte 23, an deren Außenseiten die trichterförmigen Einrichtungen 17 vorbeigeführt werden. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Abgasleitungen zu den Abgaseinführungsstellen 24 nicht gezeichnet. Wie sich aus der schematischen Darstellung ergibt, ist das erfindungsgemäße System in Bezug auf seine Einrichtungen außen am Boot von bestechender Einfachheit und gleichzeitig hoher Wirksamkeit.
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In 3 bezeichnet 26 eine Regeleinheit für die erfindungsgemäße Einrichtung, die auf die trichterförmige Vorrichtung zum Wassereinlass zum Abgasaustritt 28 wirkt. Die Regeleinheit 26 regelt sowohl die Stellung der trichterförmigen Vorrichtung 27 (die Verstellbarkeit ist symbolisch angedeutet) als auch ggf. den Querschnitt in der Abgasmischkammer am Abgasaustritt 28 und die ggf. dort angeordneten Stellelemente, z. B. eine teleskopartig auseinander schiebbare Rohrvorrichtung, mit der der Querschnitt des gebildeten Wasserstrahls leicht und sicher eingestellt werden kann. So ist hier eine Regelbarkeit des Wasserstrahls vorhanden, die unabhängig von der Stellung der trichterförmigen Vorrichtung 27 ist. In Folge kann auch ein Gebiet hohen verminderten Drucks, ggf. sogar eines Unterdrucks, bei geringen Bootsgeschwindigkeiten durch das Wasser erreicht werden. Mit 29 und 30 sind zwei Dieselgeneratorsätze bezeichnet, wie sie normalerweise in modernen U-Booten vorhanden sind. An die Dieselgeneratorsätze schließen sich abgasseitig Abgasventilklappen 31, 32 an, mit denen die Abgasleitungen schocksicher absperrbar sind. Diese entsprechen den Absperrventilklappen, wie sie üblicherweise in einem U-Boot vorhanden sind. Der Regeleinheit 26 werden sowohl Signale aufgegeben, die den Abgasdruck betreffen, als auch die Stellung der trichterförmigen Vorrichtung und der zusätzlichen Gasmischkammer-Wasserstrahlregelungseinheit. Weiterhin werden Signale für die Geschwindigkeit des U-Boots und die Umdrehungen des Propellermotors aufgegeben. Von der Regeleinheit wird sowohl eine Verbindung zu den Verbrennungskraftmaschinen als auch zur Kontrolleinheit für die Abgase des Bootes hergestellt. So kann sichergestellt werden, dass beim Übergang von verschiedenen Fahrzuständen jeweils die Stellung der Abgasklappen, der Abgasweichen und die dem Abgasaustrag angepasste Fahrtgeschwindigkeit des U-Boots eingestellt wird. Die Regeleinheit wirkt also nicht nur mit dem Abgassystem zusammen.
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In 4 ist der Einfluss der Erfindung auf die Ladung der U-Boots-Batterien dargestellt. Wie sich zeigt und durch die Schraffierung für gleiche Batterie-Energieinhalte verdeutlich wird, wird die Batterieladekennlinie aufgrund der größeren Ladeenergie wesentlich früher erreicht. Der Zeitgewinn ist eingezeichnet. Insgesamt ergibt sich bei Benutzung der Erfindung in der ersten Ladestufe eine um ca. 40% verminderte Ladezeit pro Schnorchelfahrt, d. h. die ”Indiskretion Rate” und damit die Gefahr der Entdeckung des U-Boots wird erheblich verringert. Die Gefahr der Entdeckung des U-Boots wird auch durch die feinere Verteilung der Abgase im Wasser verringert; desgleichen durch den Wegfall der typischen Austrittsgeräusche der Abgase unter Wasser aus den bisher verwendeten Abgassystemen. Die Abgasgeräusche gehen bei Verwendung der Einrichtung gemäß der Erfindung in das allgemeine Fahrtgeräusch des U-Boots durch das Wasser (Rauschen) nicht identifizierbar ein. Insgesamt ergibt sich also eine erhebliche Verbesserung in Bezug auf die Detektierbarkeit von herkömmlichen, nicht nuklearen U-Booten.
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Typische Einzelheiten der Batterieladung ergeben sich aus dem folgenden Beispiel:
Die z. Zt. in U-Boote häufig eingebauten ”Piller”-Generatoren haben im Regler folgende Begrenzungen bzw. Regelungen:
- – Strombegrenzer (z. B. eingestellt: max. Stromwert = 3.000 A, da die Generatorenschalter max. 3.000 A Schaltleistung haben)
- – Spannungsbegrenzer (2,45 V × Teilbatteriezellenanzahl, eingestellt auf die Anzahl der Batteriezellen pro Teilbatterie), (2,45 ist die max. Zellenspannung bei Bleizellen und Ende der 2. Ladestufe).
Leistungsregler, der die Generatorenleistung und damit die Dieselmotorenleistung auf ein Maximum, unter Berücksichtigung der o. g. ”U” und ”i” Begrenzung einhält. Die Batteriekennlinie ergibt sich physikalisch durch den Kapazitätsstand (z. B. 15–30% Batterierestkapazität), der Säuretemperatur, dem Alter und der Säuredichte.
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Der Ladevorgang der Batterieladung läuft wie folgt ab:
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1. Ladestufe:
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- – Der Dieselmotor wird kurz nach dem Start hoch belastet, bis die eingestellte Generatorstrombegrenzung erreicht wird. Der Batterieladevorgang läuft.
- – Die Batteriespannung steigt bis zum Ende der 1. Ladestufe, die Zellenspannung erreicht 2,45 V.
Der Dieselmotor würde, wenn die max. Generatorstrombegrenzung angesprochen hat, Ende der 1. Ladestufe die max. Leistung erreichen, da die Batteriespannung stetig steigt. Wenn die Strombegrenzung nicht angesprochen hat, die Strombegrenzung kann die Generatorschalterkapazität sein (nicht die Batterie), wird gleich zu Beginn der 1. Ladestufe die volle Dieselmotorleistung benötigt.
In der 1. Ladestufe können auch mehrere Teilbatterien parallel geschaltet werden, so dass eine Stromteilung pro Teilbatterie erfolgt.
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Die U-Boote fahren in der Regel oft nur die 1. Ladestufe, um im Einsatzgebiet die Schnorchelzeit kurz zu halten (Ortungsgefahr).
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2. Ladestufe:
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- – In der 2. Ladestufe wird die Generatorspannung konstant gehalten.
- – Die Zellenspannung von 2,45 V ist erreicht, der Ladestrom fällt, die Ladeleistung erreicht den Kennpunkt der Batteriekennlinie.
- – Die Generatorspannung von 2,45 V × Anzahl der Teilbatteriezellen wird im Generatorregler konstant gehalten, der Ladestrom fällt entsprechend der Batterieladekenn-linie, die Aggregatleistung nimmt stetig ab.
- – Das Ende der 2. Ladestufe ist bei ca. 250–300 A erreicht.
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Der Generatorregler hält in der 3. Ladestufe den eingestellten min. Ladestrom konstant.
