DE246781C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Wählt man beim Antrieb von Fahrzeugen und Zügen mittels Wärmemotoren die mittel- oder unmittelbare mechanische Kraftübertragung, so laufen die Motoren, die für die größte notwendige Triebkraft bemessen werden müssen, nur bei Steigungen mit Vollast, bei Horizontalfahrt dagegen mit schwacher Belastung, und der durchschnittliche Wirkungsgrad ist daher gering. Dazu kommt noch die

ίο Schwierigkeit der Anlaufperiode, die nur durch sehr verwickelte mechanische Vorrichtungen umgangen' werden kann. Wird anderseits die thermische Energie elektrisch unter Vermittlung einer mit dem Wärmemotor gekuppelten Dynamo und eines auf die Räder arbeitenden Elektromotors an das Fahrzeug übertragen, so ergibt sich zwar eine sehr vorteilhafte Geschwindigkeitsregelung, aber die durch die mehrfache Energieumwandlung bedingten Verluste drücken von vornherein den Gesamtwirkungsgrad beträchtlich herab.

Man hat bereits versucht, den Antrieb durch Wärmemotoren dadurch günstig zu gestalten, daß die Möglichkeit vorgesehen wird, den Wärmemotor je nach Wunsch entweder unmittelbar mechanisch oder unter Zwischenschaltung einer elektrischen Maschine auf die Triebachse wirken zu lassen. Eine solche Anordnung trägt aber nicht den zahlreichen Be-Sonderheiten des Fahrbetriebes Rechnung. Findet nämlich mit Rücksicht auf eine vorteilhafte Abmessung des Wärmemotors und auf einen guten Wirkungsgrad der mechanischen Übertragung die mechanische Kupplung zwischen Wärmemotor und Fahrzeug bei der Höchstgeschwindigkeit statt, so wird in allen Fällen, wo diese Geschwindigkeit nicht erstrebt oder nicht erreicht wird, die mit schlech-. tem Nutzeffekt arbeitende elektrische Übersetzung vorhanden sein. Die Eigenart des Fahrbetriebes, z. B. des Straßenbahnbetriebes, mit dem häufigen Anfahren und dem vielfachen Fahren mit verminderter Geschwindigkeit bei Steigungen wie bei Horizontalfahrt bringt es mit sich, daß auf diese Weise der weitaus größte Teil des Betriebes an Zeit und Leistung mit der elektrischen Übersetzung bestritten und demnach der Gesamtwirkungsgrad sich kaum über den niedrigen Wert eines η u r mit elektrischer Übertragung arbeitenden Antriebes in bemerkenswertem Maße erheben wird. Wird anderseits die mechanische Kraftübertragung bereits bei einer weit unter dem Höchstwert liegenden Geschwindigkeit angewandt, so ergibt sich die Notwendigkeit, daß der Wärmemotor, z. B. beim Anlauf, bei einem kleinen Bruchteil der Höchstdrehzahl eine hohe (sich aus der mechanischen Energie für die Räder und der elektrischen für die Elektromotoren zusammensetzende) Leistung aufzubringen hat und demnach unverhältnismäßig groß zu bemessen ist. Wählt man endlich einen zwischen diesen beiden Grenzfällen liegenden Geschwindigkeitswert für die Herbeiführung der mechanischen Übertragung, so werden die Nachteile der vorwiegend elektrischen Übertragung und einer anormalen Bemessung des Wärmemotors in entsprechendem Maße gemeinsam auftreten.

Es läßt sich somit durch eine derartige Kombination der beiden Übertragungsarten ein Fortschritt gegenüber dem Betrieb mit der mechanischen oder elektrischen Kraftübermittlung allein kaum erzielen.

Gemäß der Erfindung werden günstigste Ver-. hältnisse für Anlauf, Fahrt und Geschwindigkeitsregelung beim Antrieb von Fahrzeugen und Zügen mittels Wärmemotoren dadurch erreicht, daß ein oder mehrere Wärmemotoren durch mechanische Übertragung mit oder ohne Übersetzung und ein oder mehrere Wärmemotoren durch elektrische Übertragung ihre Leistung an die Räder abgeben und die beiden Gruppen von Wärmemotoren in den einzelnen Betriebsfällen in geeigneter Weise zusammenwirken. Bei einer solchen Unterteilung der für den Betrieb vorgesehenen Wärmekraft stehen stets ein oder mehrere Wärmemotoren für die unmittelbare Kupplung in beliebigem, passendem Zeitpunkte bereit, und die Verwendung der elektrischen Übertragung kann . auf ein Mindestmaß von Zeit und Leistung herabgesetzt werden; anderseits ist durch die Möglichkeit eines vorteilhaften Zusammenarbeitens der mit mechanischer und mit elektrischer Übertragung wirkenden Wärmemotoren, insbesondere beim Anlauf, unter entsprechender Verteilung der notwendigen Triebkraft gewährleistet, daß die Wärmemotoren in den günstigsten Abmessungen gehalten werden können.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich unter Anwendung einer Pufferbatterie, welche zu Dynamo und Elektromotor des elektrischen Übertragungssystems parallel geschaltet wird. Um die bekannte Ausgleichswirkung der Batterie in möglichst ausgedehntem Maße zur weiteren Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades heranziehen zu können, kann gemäß der Erfindung die Geschwindigkeitsregelung der Elektromotoren in einen durch die bekannte Spannungsänderung der Dynamo und einen durch die bekannte Feldänderung der Elektromotoren beherrschten Bereich zerlegt werden. Auf diese Weise läßt sich die den Höchstwert der Motorenspannung voraussetzende Einschaltung der Batterie schon bei einer unter dem Höchstwert liegenden Geschwindigkeit vornehmen und somit die Pufferwirkung der Batterie besser ausnutzen.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Erfindung bei einem Eisenbahnfahrzeug schematisch dargestellt. Es bezeichnet ι das Gestell des Wagens, das auf den drei Achsen 2, 3 und 4 (Fig. 1) ruht. Die Achse 2 trägt die beiden Kröpfungen 10 und 11, an denen die Kurbelstangen 12 und 13 des Wärmemotors 9 angreifen. Die Kuppelstangen 5 und 7 verbinden die Räder der Treibachse 2 mit denen der Laufachse 3, so daß diese auch zu Treibrädern werden. Die Treibräder der Achse 4 sind mit denen der Achse 3 . durch Kuppelstangen 6 und 8 verbunden. Die Maschine ist demnach eine vollständig gekuppelte, und der Wärmemotor 9 wirkt, wenn er mit den Rädern der Achse 2 gekuppelt ist, mittels mechanischer Kraftübertragung auf alle Achsen des Wagens. Der mit elektrischer¹ Übersetzung arbeitende Wärmemotor 14 überträgt seine Leistung mittels der von ihm angetriebenen Dynamo 15 auf den an der Achse 4 angreifenden Elektromotor 18, der über die Leitungen 16, 17 und einen Anlasser 30 mit den Bürsten der Dynamo 15 verbunden ist. Das elektrische System wird durch die Pufferbatterie 24 unterstützt, welche auch die Erregung der elektrischen Maschinen besorgt. Das Vorhandensein einer Pufferungsvorrichtung ist aber für das Wesen der Erfindung nicht unbedingt erforderlich. .

Nach der Fig. 1 wird die Batterie 24 in Parallelschaltung zu der vom Wärmemotor 14 angetriebenen Dynamo 15 mittels des Schalters

23 verwendet. Unter der Voraussetzung, daß die Batterie 24 geladen und die Kompression des Wärniemotors 9 bei Stillstand automatisch oder von Hand ausgeschaltet und erst bei einer ausreichenden Geschwindigkeit gleichzeitig mit der Zündung wieder eingeschaltet wird, vollzieht sich das Anlaufen des Fahrzeuges bei der Anordnung nach Fig. 1 und 2 folgendermaßen:

Zunächst wird die Gruppe 14, 15 angelassen. Dies geschieht am besten mit Hilfe der Batterie

24 unter Schließung des Schalters 23, wobei die Dynamo 15 als Motor läuft und der Elektromotor 18 durch öffnen des Anlassers 30 abgeschaltet ist. Wenn der Wärmemotor 14 derart angekurbelt ist, wird die Batterie 24 wieder abgeschaltet, der Elektromotor 18 durch Schließen des Anlassers 30 und allmähliches Erhöhen der Spannung des Generators 15, welches mittels des Feldreglers 21 bewirkt wird, auf Touren gebracht und dadurch das Fahrzeug in Gang gesetzt. Hat die Geschwindigkeit des Wagens so weit zugenommen, daß sich der Wärmemotor 9 bei Kupplung mit den Rädern der Achse 2 mit einer Tourenzahl dreht, bei der er selbständig weiterlaufen kann, so wird seine Kompression und Zündung eingeschaltet, so daß er anspringt und jetzt Energie auf die Räder unmittelbar überträgt, no Von diesem Geschwindigkeitswert bis zur Erreichung der Vollgeschwindigkeit bewirken somit die Wärmemotoren 9 und 14 gemeinsam den Antrieb des Fahrzeuges.

Sobald die Dynamospannung 15 durch den Regler 21 auf die Höhe der Batteriespannung 24 gebracht ist, wird die Batterie 24 wieder eingeschaltet. Die weitere Geschwindigkeitsregelung vollzieht sich nunmehr durch Feldänderung beim Elektromotor 18 mit Hilfe des Regulators 22. Die Ausgleichswirkung der Batterie wird also bereits unterhalb der Höchstgeschwindig-

keit nutzbar gemacht. Soll die Batterie 24 dauernd an der Dynamo 15 liegen, so muß das Anlassen des Elektromotors 18 mittels des im Ankerstromkreis liegenden Reglers 30 erfolgen, was aber wirtschaftlich nicht so vorteilhaft wie das Anlassen mittels Spannungsregelung des Generators nach dem Prinzip Ward Leonard ist.

Während die Batterie 24 mit der Dynamo 15 parallel geschaltet ist und die von dem Wärmemotor 14 abgegebene Leistung nicht vollständig von dem Elektromotor 18 verbraucht wird, speichert sich der Überschuß in der Batterie 24 auf. Das gleiche ist der Fall, wenn der Motor 18 mit der nötigen Geschwindigkeit durch das Beharrungsvermögen des Fahrzeuges (beim Auslaufen des Fahrzeuges oder beim Bergabfahren) angetrieben wird (Nutzbremsung). Genügt anderseits die Dynamo 15 nicht zur Deckung des Energiebedarfs des Motors. 18, so gibt die Batterie 24 den erforderlichen Energiezuschuß.

Während der Fahrt auf horizontaler Bahn

reicht der Wärmemotor 9 allein zum Antrieb des Fahrzeuges aus, wobei er mit dem günstigsten Wirkungsgrad arbeitet. In diesem Falle können die Maschinen 14, 15 stillgestellt, oder es kann wenigstens während gewisser Zeit die Stromzufuhr zum Elektromotor 18 unterbrochen werden. Ist eine Steigung zu überwinden, so werden die Maschinen 14, 15 zur Unterstützung des Wärmemotors 9 mittels des Elektromotors 18 herangezogen. Auch wenn die beiden Antriebsaggregate gleichzeitig wirken, wird eine vorteilhafte Ausnutzung des Brennstoffes erzielt, da zunächst der Wärmemotor 9 direkt unter Vollbelastung die Räder antreibt und die Regulierung und der eventuelle Energiemehrbedarf durch das andere Aggregat erzeugt wird. Der Gesamtwirkungsgrad des Betriebes wird auf diese Weise ein sehr guter.

Bei der Ausführungsform der Erfindung nach

den Fig. 3 und 4 ist die Akkumulatorenbatterie 24 nicht der den. Elektromotor 18 speisenden Dynamo 15 parallel geschaltet, sondern mit

.45 einer besonderen, gleichfalls auf der Welle des Wärmemotors 14 sitzenden Dynamo 26, deren Spannung durch den Feldregler 27 eingestellt werden kann, dauernd verbunden. Die übrige Ausrüstung des Fahrzeuges ist die gleiche wie bei der Anordnung der Fig. 1 und 2. Das Anlassen des Fahrzeuges geschieht hier in der Weise, daß der Wärmemotor 14 zuerst mittels des der Batterie 24 entnommenen Stromes und der als Motor laufenden Dynamo 26 angekurbelt wird. Der Elektromotor 18 wird dann ■ durch Spannungserhöhung der Dynamo 15 mittels des Feldreglers 28 auf Touren gebracht, wobei der Motor 18 voll erregt ist. Eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit des Fahrzeuges kann durch Feldschwächung beim Elektromotor 18 durch den Regler 29 bewirkt werden.

Diese doppelte Geschwindigkeitsregelung ist hier ebenfalls vorteilhaft, obwohl sie nicht so wichtig ist wie bei der Schaltung nach Fig. 1, da die Batterie 24 bei Fig. 3' dauernd infolge Anordnung einer besonderen Pufferdynamo 26 eingeschaltet bleiben kann. Sobald das Fahrzeug genügende Geschwindigkeit hat, wird der Wärmemotor 9 in gleicher Weise wie bei der Anordnung der Fig. 1 und 2 in Gang gesetzt und der Betrieb mittels der Wärmemotoren 9 und 14 in geeignetem Zusammenarbeiten beider vollzogen, wobei die Batterie 24 mit Hilfe der bald als Generator, bald als Motor laufenden elektrischen Maschine 26 den Energieausgleich besorgt.

Das den Erfindungsgegenstand bildende Antriebssystem kann selbstverständlich auch auf Fahrzeuge mit einer größeren Anzahl von Triebachsen, als in den Beispielen der Fig. 1 bis 4 angenommen, sowie auch auf Lokomotiven mit mehreren Drehgestellen angewendet werden. In diesem Falle kann jede Achse motorischen Antrieb erhalten, indem ein oder mehrere zusätzliche Wärniemotoren unmittelbar auf eine oder mehrere Achsen wirken und die übrigen Achsen von einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben werden. Im allgemeinen ist es vorteilhaft, das gesamte Adhäsionsgewicht für den Antrieb durch Elektromotoren nutzbar zu machen, während dies für den Antrieb durch direkte Kupplung nicht in gleichem Maße von Bedeutung ist. Bei Fahrzeugen, deren Triebachsen nicht durch Kuppelstangen verbunden sind, ist es zweckmäßig, alle Triebachsen durch Elektromotoren anzutreiben und außerdem noch einige der elektrisch getriebenen Achsen mit den Wärmemotoren zu kuppeln.

Die in den Fig. 1 bis 4 für einen einzigen Elektromotor gezeigte Schaltung kann ebenso mit Vorteil bei Vorhandensein mehrerer Elektromotoren benutzt werden. Ferner können die Elektromotoren untereinander und mit der Dynamo mittels Regelwiderständen in bekannter Weise zu einer Reihenparallelschaltung vereinigt werden. Die Umkehrung der Fahrtrichtung läßt sich in einfacher Weise durch Umkehrung des Erreger- oder Ankerstromes des elektrischen Teiles erreichen, während der unmittelbar auf die Räder arbeitende Wärmemotor eine beliebige Vorrichtung zur Umsteuerung seiner Drehrichtung erhält:

Als Wärmemotor kann ebensogut ein Verbrennungs- oder Explosionsmotor wie eine Dampfmaschine oder Dampfturbine angewendet werden. Bei einer Dampflokomotive läßt sich die Erfindung in der Weise verwirklichen, daß eine für die Horizontalfahrt genügende, verhältnismäßig kleine Kolbendampfmaschine mit mechanischer Übertragung auf die Räder wirkt und eine zweite Dampfmaschine oder Dampfturbine auf der Lokomotive vorgesehen wird, welche

durch Antrieb einer Dynamo den Strom für die auf die einzelnen Wagen des Zuges verteilten Elektromotoren erzeugt.

Mit den dargestellten und angedeuteten Ausführungsbeispielen sind natürlich die Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung nicht erschöpft, welche alle Anordnungen umfaßt, bei denen die zum Betrieb von Fahrzeugen vorgesehene Wärmekraft in zwei voneinander unabhängig erzeugte Teile zerlegt und der eine Teil mittels elektrischer, ^: der andere mittels mechanischer Kraftübertragung zum Antrieb des Fahrzeuges verwendet ist, um durch passendes Zusammenarbeiten beider einen günstigen Gesamtwirkungsgrad zu erhalten.

Claims (2)

1. Patent- Ansprüche :

   i. Einrichtung zum Antrieb von Fahrzeugen und Zügen mittels Wärmemotoren und elektrischer Maschinen, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Wärmemotoren (9) lediglich durch mechanische Übertragung und außerdem ein oder mehrere Wärmemotoren (14) lediglich durch elektrische Übertragung mittels Dynamo (15) und Elektromotor (18) ihre Leistung an die Räder abgeben, zum Zweck, durch geeignetes Zusammenwirken der beiden Gruppen \Όη Wärmemotoren günstigste \^erhältnisse für Anlauf, Fahrt und für Geschwindigkeitsregelung bei bestem Wirkungsgrad der gesamten thermischen Leistung zu ermöglichen.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1 mit Unterstützung der elektrischen Übertragung durch Pufferbatterie, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Geschwindigkeitsregelung unter Abschaltung der Pufferbatterie (24) in an sich bekannter Weise durch Änderung der Dynamospannung und der andere Teil unter Einschaltung der Batterie im geeigneten Zeitpunkt in an sich bekannter Weise durch Änderung des Elektromotorfeldes bewirkt wird, zum Zweck, die Pufferbatterie bereits bei einer unter dem Höchstwert liegenden Geschwindigkeit benutzen zu können.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.