DE2410683B2 - Aufladeeinrichtung fuer einen verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit einer Welle, die an einem Ende den Rotor einer Gasturbine und am anderen Ende den Rotor eines Zentrifugalluftverdichters trägt, mit einem Paar Lagern, in denen die Welle in einem Gehäuse drehbar angebracht ist, das am Fahrzeug zu befestigen ist und an einem axialen Ende einen Turbinendüsenring und einen Turbinenauslaßring aufweist, die mit dem Rotor der Turbine zusammenwirken, und am anderen axialen Ende ein axial angeordnetes Verdichtereinlaßteil und ein radial angeordnetes Verdichterauslaßteil aufweist, die mit dem Rotor des Verdichters zusammenwirken, wobei der Turbinendüsenring mit der Auslaßleitung des Motors und der Verdichterauslaßteil mit der Einlaßleitung des Motors ίο verbunden sind und der Motor dadurch aufgeladen wird. Schwer gepanzerte Militärfahrzeuge haben für Geländebewegung normalerweise einen Dieselmotor hoher Leistung, dessen zur Verfugung stehende Ausgangsleistung durch Aufladen erheblich vergrößert wird. Ein solches Aufladen wird normalerweise mit einer Hilfsvorrichtung bewerkstelligt, die einen Turbinenrotor und einen Verdichterrotor aufweist, die auf einer gemeinsamen Welle angebracht sind, wobei die Abgase des Motors in der Turbine expandieren und auf diese Weise den Rotor des Verdichters antreiben und die Umgebungsluft verdichten, die in die Einlaßleitung des Motors abgegeben wird. Aus vielen, hier nicht erheblichen Gründen liefert ein solcher Motor nur dann in verläßlicher Weise genügend Leistung für die erforderliche Zugkraft für das Fahrzeug, wenn er relativ häufig überholt wird. Beispielsweise ist bei einigen schwei en Tankfahrzeugen nur eine Motorbetriebsdauer von 300 Stunden zulässig, bis wieder eine Motorüberholung bzw. Wartung erforderlich ist. jeder Betrieb des Motors, der nicht unmittelbar für die Bewegung des Fahrzeugs erforderlich ist, ist daher in bezug auf die Kampfbereitschaft des Fahrzeugs sehr kostbar.

Bei schweren Tankfahrzeugen ist der Betrieb des Motors jedoch normalerweise auch aus anderen Gründen als der Bewegung des Fahrzeugs erforderlich. weil die elektrischen, durch die elektrische Stromversorgung des Tanks auferlegten Forderungen dies bedingen. Diese elektrischen Notwendigkeilen haben ihren Grund in den komplizierten Kommunikations- und Waffensystemen in dem Tank. Weil auf vorhandenen Fahrzeugen ständig mehr komplizierte Systeme zusätzlich angebracht werden, nähern sich die elektrischen Energieerfordernisse dem Erzeugungsvermögen für elektrische Energie des Fahrzeugs, das durch die Größe des Motors und des Generators begrenzt ist, und übersteigen e< bisweilen.

Um eine genügende Energiereserve sicherzustellen ist das Fahrzeug mit einer Reihe von Speicherbatterier ausgerüstet. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, daß ein Tank für eine gegebene Zeitdauei unter Gefechtsbedingung steht, wobei sein Motor in Leerlauf läuft und alle seine Systeme voll mit Energi< versorgt sind. Es kann jedoch ein Punkt erreicht werden an dem die Batterien nicht langer in der Lage sind, di< Systeme mit voller Leistung zu versorgen; in einen solchen Fall ist es notwendig, den Motor anlaufen zi lassen und die Batterien erneut zu laden, wenn da Fahrzeug in einem für taktische Operationen bereitei Zustand bleiben soll. Das Anlaufen und der Betrieb de Motors unter diesen Bedingungen ist aus zwei Gründe] nicht wünschenswert: Zuerst wird, wie oben beschrie ben, Motorlebensdauer geopfert und die Zeitdauer de Gefechtsverwendung des Fahrzeuges nimmt entspre chend ab; und des weiteren kann aus taktische Gründen der Lärm des Motorbetriebs unter Gefechts bedingungen unerwünscht sein.

Eine wesentliche Erhöhung des elektrischen Le stungsvermögens des Generatorsystems vorhandene

Fahrzeuge wurde bisher unter hohen Kosten dadurch erreicht, daß die Konstruktion des Generators verbessert wurde; die letzte Grenze für die Leistungserzeugung wird aber schließlich durch die zulässige Größe des Generators und die Stärke der mechanischen Kupplung zwischen dem Motor und dem Generator festgelegt. Trotz solcher Verbesserungen im Aufbau des Generators gibt es viele Fahrzeuge, bei denen ein Betrieb der elektrischen Bordausrüstung unter voller Leistung nur bei laufendem Motor und gleichartiger Verwendung der Batterieleistungsreserve durchgeführt werden kann.

Ein weiterer Weg zur Erhöhung der Leistung der Stromversorgungsanlage von Panzerfahrzeugen ist aus der DT-AS 15 78 340 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, zusätzlich zu einem vom Hauptmotor für den Fahrzeugantrieb betriebenen Generator, der Batterien speist, einen weiteren, von einem Hilfsmotor gespeisten Generator zu verwenden, der die Stromversorgung bei ausgeschaltetem Hauptmotor mit übernimmt. Beide Motoren gemäß der DT-AS 15 78 340 sind wassergekühlte Kolbenmotor, die zwar ein gemeinsames Kühlsystem verwenden, aber dennoch den Platzbedarf für die Energieversorgung des Panzers merklich erhöhen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das elektrische Energieerzeugungsvermögen eines mit einem aufgeladenen Verbrennungsmotor ausgerüsteten Fahrzeugs zu erhöhen, ohne daß dadurch der Platzbedarf der für die Stromversorgung vorgesehenen Einrichtungen vergrößert oder ein stärkerer Motor erforderlich wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Aufladeeinrichtung der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß gelöst durch einen Generator zum Erzeugen elektrischer Energie bei Drehung der Welle, der in das Gehäuse integriert ist und einen an der Welle zwischen den Lagern angebrachten Rotor und einen im Gehäuse mit dem Rotor zusammenwirkend angebrachten Stator aufweist.

Weil dieser Generator in die Aufladeeinrichtung des Fahrzeugs integriert ist, ist innerhalb des Fahrzeugs kein zusätzlicher Platz erforderlich, so daß die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung sich ideal zum nachträglichen Einbau in vorhandene Fahrzeuge eignet. Mit einem leistungsfähigen, in der Aufladeeinrichtung enthaltenen Generator kann das elektrische Energieerzeugungsvermögen um etwa 20 % vergrößert werden.

Die Aufladeeinrichtung ist weiter vorteilhafterweise gekennzeichnet durch eine Hilfsverbrennungskammer, deren Ausgang wahlweise mit dem Turbinendüsenring verbindbar ist, um dem Rotor der Turbine Verbrennungsgase zuzuführen, wenn der Motor im Leerlauf läuft, ein Eingangsventil zum wahlweisen Verbinden des Auslasses des Verdichters entweder mit dem Eingang der Hilfsverbrennungskammer, wenn der Motor im Leerlauf läuft, oder mit der Einlaßleitung des Motors, wenn der Motor läuft, und einen Hilfskompressor zur Zufuhr von komprimierter Anlaßluft zum Eingang der Hilfsverbrennungskammer, bis der Hauptverdichter eine genügende Luftmenge zum Aufrechterhalten des Betriebs der Turbine erzeugt.

Mit dieser Ausbildung können die Batterien des Fahrzeugs nachgeladen werden, ohne dessen Hauptmotor, also den Verbrennungsmotor, zu verwenden.

Vorteilhafterweise ist ein Ausgangsventil zum wahlweisen Verbinden des Turbinendüsenrings mit der des Motors oder dem Ausgang der Hilfsverbrennungskammer vorgesehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Aufladeeinrichtung ist das weiter oben genannte Eingangsventi! derart gebaut und angeordnet, daß es den Auslaß des Hilfskompressors nur mit dem Eingang der Hilfsver brennungskammer verbindet, bis es in eine Stellung geschaltet ist, in der der Auslaß des Hauptverdichters mit dem Eingang der Hilfsverbrennungskammer verbunden ist

Zum Antrieb des Hilfskompressors kann ein Elektromotor vorgesehen sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemaiischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs mit einer Aufladeeinrichtung,

F i g. 2 eine Weiterbildung der Aufladeeinrichtung gemäß Fig. 1, die eine Stromversorgung unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs ermöglicht und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine herkömmliche Aufladevorrichtung, in die ein elektrischer Generator integriert ist.

Gemäß Fig. 1 ist eine Aufladeeinrichtung 10 in ein Fahrzeug Π mit einem Verbrennungsmotor 12 eingebaut. Das Fahrzeug 11 kann ein Tank oder ein anderes schweres Fahrzeug sein, das mit einem aufgeladenen Dieselmotor mit einer Einlaßleiitung 13 und einer Auslaßleilung 14 ausgerüstet ist. Wenn aus einer Treibstoffleitung 15 1 reibstoff in die nicht dargestellten Zylinder des Motors 12 eingespritzt wird, wird das Fahrzeug in herkömmlicher Weise über ein mit dem Motor verbundenes Getriebe angetrieben.

Mit dem Motor 12 ist weiter über eine direkte Wellenverbindung 16 mechanisch ein elektrischer Hauptgenerator 17 gekuppelt, der Teil des elektrischen Systems mit den Batterien (nicht dargestellt) ist. Die Bemessung des Motors und des Generators ist ebenso wie das maximale, vom Motor 12! über die Wellenverbindung 16 auf den Hauptgenerator 17 übertragbare, maximale Drehmoment festgelegt. Wenn die Wellenverbindung 16 ihr maximal zulässiges Drehmoment überträgt, kann eine Vergrößerung des Stromerzeugungsvermögens nur durch Ersatz des vorhandenen Hauptgenerators 17 durch einen wirksameren erreicht werden. Damit läßt sich zwar das Stromerzeugungsvermögen vergrößern, dies jedoch nur unter erheblicher Kostensteigerung.

Tatsächlich benötigt wird eine zusätzliche Stromerzeugungsquelle, die keinen weiteren Platz im Fahrzeug benötigt; eine solche zusätzliche Quelle ist die Aufladevorrichtung 10 mit einem in das Gehäuse 19 integrierten Generator 18 (vgl. F i g. 3).

Diese Aufladevorrichtung 10 (siehe auch F i g. 3) weist eine Welle 20 auf, die an ihrem einen axialen Ende einen Rotor 21 einer Gasturbine und an ihrem anderen axialen Ende einen zentrifugalen Luftverdichter 22 trägt, und enthält weiter ein Paar Lager 231, 24 zur Lagerung der Welle 20 im zentralen Bereich 26 des Gehäuses. Beiderseits des zentralen Bereiches 26 des Gehäuses befinden sich Endbereiche 27 und 28. Der Endbereich 28 weist eine Grundplatte 25 auf, mit der das Gehäuse 19 am Fahrgestell des Fahrzeugs 11 befestigt ist, und hat ein stromaufwärtiges Ende, das einen Turbinendüsenring 29 bildet, und ein stromabwärtiges Ende, das einen Turbinenauslaßring 30 bildet. Eleide Ringe 29 und 30 arbeiten mit dem Rotor 21 der Gasturbine zusammen.

Eine Leitung 31 verbindet die Auslaßleitung 14 des Motors 12 mit dem Turbinendüsenring 29. Eine Leitung 32 verbindet den Auslaßring 30 mit einem Schalldämpfer 50.

Der zentrale Bereich 26 des Gehäuses 19 ist ein einstückiges Gußteil mit einer zentralen Nabe 33. Diese Nabe 33 enthält eine axiale Bohrung 34 und ist an jedem axialen Ende mit einem Flansch versehen. Jeder dieser Flansche paßt mit einem entsprechenden Flansch an jedem Endbereich 27 und 28 des Gehäuses zusammen und ist gegen diesen abgedichtet. Im Boden des zentralen Bereiches 26 unter der Nabe 33 ist ein ölsumpf 35 ausgebildet, der das durch die Lager 23 und 24, die sich innerhalb der axialen Bohrung 34 befinden, umlaufende Schmieröl sammelt. Der zentrale Bereich 26 bildet weiter eine Halterung für einen Stator 38 des Generators 18, der mit einem Rotor 39 des Generators 18 zusammenwirkt. Dieser Rotor 39 ist starr mit der Welle 20 zwischen den Lage rn 23 und 24 verbunden und dreht sich zusammen mit dieser Welle 20. Zwischen dem Lager 23 und dem Rotor 22 der Aufladevorrichtung bzw. des Kompressors ist an der Welle 20 eine Stufe ausgebildet, an der ein Drucklager 40 angebracht ist, dessen stationäre Laufringe sich am zentralen Bereich 26 abstützen. Ein ölspritzschild 41 verhindert, daß öl nach außen zum Rotor 22 des Verdichters gerät. Zwischen den Lagern 23 und 24 und dem Rotor 39 des Generators sind an der Mabe 33 öldichtungen 42 angeordnet, die mit der Welle 20 zusammenwirken, um den Lagern 23 und 24 zugeführtes Schmieröl vom Generator 18 fernzuhalten. Schließlich ist im zentralen Bereich 26 neben der vergrößerten Nabe der Welle, dort wo die Welle in den Rotor 21 der Turbine einmündet, eine Dichtung 43 angeordnet, die verhindert, daß Auspuffgase in den Olsimpf 35 gelangen.

Das stromaufwärtige Ende des Endbereiches 27 bildet ein radial angeordnetes Verdichterauslaßteil 45. Das stromabwärtige Ende bildet ein axial angeordnetes Verdichtereiniaßteil 46. Beide Teile 45 und 46 wirken mit dem Rotor 22 des Verdichters zusammen. Das Verdichterauslaßteil 45 ist über eine Leitung 47 mit der Einlaßleitung 13 des Motors 12 verbunden. Das Verdichtereinlaßteil 46 ist über einen Luftfilter 48 (vgl. F i g. 1) mit der Umgebungsluft verbunden.

Im Betrieb expandieren die Auspuffgase des Motors 12 im Rotor 21 der Turbine, treiben die Welle 20 an und drehen den Rotor 22 des Verdichters, der komprimierte Luft durch die Leitung 47 in die Einlaßleitung 13 des Motors zwingt wodurch die Ausgangsleitung des Motors erheblich erhöht wird. Gleichzeitig addiert sich die vom Generator 18 abgegebene elektrische Leistung zur Ausgangsleistung des Hauptgenerators 17.

Da die Aufladevorrichtung 10 ein Standardbauteil ist, braucht nur der zentrale Bereich 26 des Gehäuses verändert zu werden, um den Generator 18 aufzunehmen. Dies ist in einfacher Weise beim nachträglichen Einbau möglich. Der Generator 18 benötigt somit keinen zusätzlichen Raum, so daß in ein Fahrzeug zusätzlich elektrische Systeme eingebaut werden können, für die genügend elektrische Leistung zur Verfügung steht

Um unabhängig vom Betrieb des Motors 12 elektrische Leistung zu erzeugen, kann das in Fig.2 dargestellte System 60 verwendet werden. Dieses System 60 weist die Aufladevorrichtung gemäß den F i g. 1 und 3 zusammen mit einer Hilfsverbrennungskammer 51, einem Eingangsventil 52 und einer Startvorrichtung 53 auf, wobei diese Teile so angeordnet sind, daß der Rotor 21 der Aufladevorrichtung sowohl von den Auspuffgasen des Motors 12 als auch vom Auslaß de; Hilfsverbrennungskammer 51 betrieben werden kann. Die Hilfsverbrennungskammer 51 ist vorzugsweise se gebaut, daß sie den gleichen Treibstoff, wie er für den Motor 12 verwendet wird, verbrennt. Die Hilfsverbrennungskammer 51 ist über ein Ventil 54 wahlweise mit der Leitung 31 verbindbar, die zum Düsenring 29 der Turbine führt, um bei Leerlauf des Motors dem Rotor 21 Verbrennungsgase zuzuführen. Eine Drehung des Ventils 54 um 90° in jeder Richtung, ausgehend von der in Fig. 2 dargestellten Stellung, trennt somit dio Ausiaßleitung 14 von der Leitung 31 und verbindet cen Auslaß der Hilfsverbrennungskammer 5t mit der in die Turbine führenden Leitung 31.

Das Eingangsventil 52 in der Auslaßleitung 47 des Verdichters hat eine erste Stellung, in der der Auslaß des Verdichters mit dem Einlaß der Hilfsverbrennungskammer 51 verbunden ist. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Kompressor 55 von einem E ektromotor 56 der Startvorrichtung 53 angetrieben; dei Auslaß des Kompressors 55 ist mit dem Einlaß der Hill'sverbrennungskammer 51 verbunden, wenn das Eingangsventil 52 in seiner ersten Stellung gemäß Fig 2 ist. Wenn das Eingangsventil 52 in seine zweite Stellung gedreht wird, wird der Auslaß des Kompressors 55 vom Einlaß der Hilfsverbrennungskammer 51 getrennt.

Das System IK) wird in Betrieb gesetzt, wenn ohne Betrieb des Motors 12 elektrische Energie erzeugt werdensoll:

Zunächst bleust das Eingangsventil 52 in der Stellung gemäß F i g. 2, das Ventil 54 wird um 90° aus seiner Stellung gemäC Fig.2 gedreht. Zusätzlich kann die Leitung 47 durch Drehung eines Ventils 57 belüftet werden. Der Elektromotor 56 der Startvorrichtung 53 wird betätigt, v/odurch dem Einlaß der Hilfsverbrennungskammer 51 komprimierte Luft zugeführt und der der Hilfsverbrennungskammer über 15' zugefuhrle Treibstoff verbrennt und Verbrennungsgase erzeugt, die über das Ventil 54 in die Turbine mit dem Rotor 21 gelangen. Die Gase expandieren innerhalb der Turbine, drehen diese und erhöhen allmählich die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 20. Dieser Vorgang hält an, bis der Auslaß des Kompressors bzw. Luftverdichters 22 einen Zustand erreicht bei dem er den Betrieb der Turbine mit dem Rotor 21 aufrechterhält. Wenn dieser Zustand erreicht ist wird das Belüften des Auslasses des Verdichters 22 über das Ventil 57 beendet, das Ventil 52 wird in seine zweite Stellung gedreht, in der der Ausgang des Kompressors 55 vom Einlaß der Hflfsverbrennungskaminer 51 getrennt wird, während der Auslaß des. Verdichters 22 gleichzeitig mit dem Einlaß der Hilfsverbrennungskammer 51 verbunden wird. Zu diesem Zeitpunkt kann der Betrieb des Elektromotors 56 unterbrochen werden und die Turbine mit dem Rotor 21 und der Verdichter 22 arbeiter zusammen mit der Hilfsverbrennungskammer 51 als ein von einer Gasturbine betriebener elektrischer Generator, solange der Hilfsverbrennungskammer 51 Treibstoff zugeführt wird Auf diese Art steht der Ausgang des Generaton» 18 der Aufladevorrichtung 10 zum Laden der Fahi-zeugbatterien zur Verfugung, während der Motor 12 in Leerlaufstellung bleibt Das für die Startvorrichtung 53 und die Hilfsverbrennungskammei 51 benötigte Volumen ist relativ klein, erhöht aber die Anpassungsfähigkeit des Fahrzeugbetriebs in einet bisher nicht möglichen Weise.

Die mit den Bezugszeichen 52,54 und 57 beschriebene Ventilanordnung ist nur ein Beispiel für eine mögliche Anordnung, die den Betrieb der Aufladevorrichtung 10 mit dem Betrieb des Systems 60 verbindet; es können auch andere mit den Leistungsquellen für das Anlaufen der Gasturbine verbundene Ventilanordnungen verwendet werden. Zusätzlich könnte die Aufladevorrichtung 10 zusammen mit dem System 60 von einem Fahrzeug getrennt verwendet werden. Die Aufladeeinrichtung 10, die normalerweise im Lageibestand für einen ganzen Park von Fahrzeugen einhalten ist und auf diese Weise vom Fahrzeug getrennt zur Verfugung steht, könnte mit einem getrennten System 60 zusammengebaut werden, um ein tragbares, elektrisches l-.nergieversoigungssystem zu schaffen, das von einem Fahrzeug unabhängig ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

!»9532/257

Claims (5)

24 IO 683 Patentansprüche:

1. Aufladeeinrichtung für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit einer Welle, die an einem Ende den Rotor einer Gasturbine und am anderen Ende den Rotor eines Zentrifugalluftverdichters trägt, mit einem Paar Lagern, in denen die Welle in einem Gehäuse drehbar angebracht ist, das am Fahrzeug zu befestigen ist und an einem axialen Ende einen Turbinendüsenring und einen Turbinenauslaßring aufweist, die mit dem Rotor der Turbine zusammenwirken, und am anderen axialen Ende ein axial angeordnetes Verdichtereinlaßteil und ein radial angeordnetes Verdichterauslaßteil aufweist, die mit dem Rotor des Verdichters zusammenwirken, wobei der Turbinendüsenring mit der Auslaßleitung des Motors und der Verdichterauslaßteil mit der Einlaßleitung des Motors verbunden sind, und der Motor dadurch aufgeladen wird, gekennzeichnet durch einen Generator (38, 39) zum Erzeugen elektrischer Energie bei Drehung der Welle (20), der in das Gehäuse (19) integriert ist und einen an der Welle (20) zwischen den Lagern (23,24) angebrachten Rotor (39) und einen im Gehäuse (19) mit dem Rotor (39) zusammenwirkend angebrachten Stator (38) aufweist.

2. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hilfsverbrennungskammer (51), deren Ausgang wahlweise mit dem Turbinendüsenring (29) verbindbar ist, um dem Rotor (21) der Turbine Verbrennungsgas^ zuzuführen, wenn der Motor (12) im Leerlauf läuft, ein Eingangsventil (52) zum wahlweisen Verbinden des Auslasses des Verdichters (22) entweder mit dem Eingang der Hilfsverbrennungskammer (51), wenn der Motor (12) im Leerlauf läuft, oder mit der Einlaßleitung (13) des Motors, wenn der Motor (12) 'äuft, und einen Hilfskompressor (55) zur Zufuhr von komprimierter Anlaßluft zum Eingang der Hilfsverbrennungskammer (51), bis der Hauptverdichter (22) eine genügende Luftmenge zum Aufrechterhalten des Betriebs der Turbine erzeugt.

3. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Ausgangsventil (54) zum wahlweisen Verbinden des Turbinendüsenrings (29) mit der Auslaßleitung (14) des Motors (12) oder dem Ausgang der Hilfsverbrennungskammer (51).

4. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsventil (52) derart gebaut und angeordnet ist, daß es den Auslaß des Hilfskompressors (55) nur mit dem Eingang der Hilfsverbrennungskammer (51) verbindet, bis es in eine Stellung geschaltet ist, in der der Auslaß des Hauptverdichters (22) mit dem Eingang der Hilfsverbrennungskammer (31) verbunden ist.

5. Aufladeeinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Elektromotor (56) zum Antrieb des Hilfskompressors (55).