DE2554953A1 - Antriebseinheit fuer fahrzeuge - Google Patents

Antriebseinheit fuer fahrzeuge

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DE2554953A1
DE2554953A1 DE19752554953 DE2554953A DE2554953A1 DE 2554953 A1 DE2554953 A1 DE 2554953A1 DE 19752554953 DE19752554953 DE 19752554953 DE 2554953 A DE2554953 A DE 2554953A DE 2554953 A1 DE2554953 A1 DE 2554953A1
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air
turbine
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compressor
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Description

  • Antriebseinheit für Fahrzeuge
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinheit für die primäre aber nicht ausschließliche Anwendung bei Automobilen sowie auf ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Antriebsanlage.
  • Verbrennungsmotoren werden fast ausschließlich als Primärantrieb für Straßenfahrzeuge verwendet. Im allgemeinen wird die Leistung des Motors derart bemessen, daß eine ausreichende Beschleunigung gewährleistet ist, da die für diesen Zweck erforderliche Leistung in fast allen Fällen wesentlich größer sein muß als für die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Fahrgeschwindigkeit. Außerdem ist bei Steigungen zusätzliche Leistung nötig, wenn die hohe Geschwindigkeit beibehalten werden soll.
  • Unglücklicherweise eignen sich die konventionellen Verbreiinungsmotoren von ihrer Charakteristik her nicht besonders gut für diese Anwendung. Das von einem derartigen Motor gelieferte Drehmoment bleibt nämlich über den normalen Arbeitsgeschwindigkeitsbereich ziemlich konstant dies hat zur Folge, daß über einen weiten Bereich von Geschwindigkeiten die Ausgangsleistung etwa proportional zur Geschwindigkeit ist und das verfügbare Drehmoment bei sehr niedriger Geschwindigkeit sehr rasch auf Null abfällt. Aus diesem Grund muß, wenn ein Fahrzeug aus dem Stand beschleunigt wert n soll, eine Art Rutschkupplung benutzt werden, um die Ausgangsleistung des Motors auf die Räder des Fahrzeugs zu übertragen, und selbst dann ist dessen volle Ausgangsleistung auch nicht annähernd verfügbar, so lange dieser nicht bis in den oberen Geschwindigkeitsbereich beschleunigt hat.
  • Dieses Problem wird zu einem gewissen Maß durch die Verwendung von Wechselgetrieben gemildert. Je besser diese jedoch geeignet sind, das Beste aus der Kennlinie des Motors zu machen, umso mehr neigen sie zu hohen Energieverlusten. Außerdem brauchen herkömmliche Verbrennungsmotoren unter Beschleunigungsbedingungen, wenn sie zufriedenstellend arbeiten sollen, ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, das fetter ist als es dem stochiometrischen Verhältnis (1 : 1) entspricht. Dieser Kraftstoffüberschuß verursacht Luftverschmutzungsprobleme, die nur dadurch beseitigt werden könnan, daß die Leistungsfähigkeit der Maschine durch eine Verringerung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses abgeaenkt wird oder dadurch, daß das Abgas des Motors in irgendeiner Weise behandelt wird.
  • In den US-Patentschriften 507,032 und 2,090,214 wird vorgeschlagen, einen Verbrennungsmotor zum Antrieb eines Kompressors zu verwenden, der wiederum einen Preßluftmotor antreibt. Verwendet man einen Behälter für die komprimierte Luft, kann die Kennlinie des Preßluftmotors ausgenutzt werden, um unterschiedliche Leistungsanforderungen auszugleichen, wobei der Verbrennungsmotor unter wesentlich gleichmäßigeren Bedingungen arbeiten kann. Es ist dabei von Nachteil, daß der Wirkungsgrad eines derartigen Systems in bezug auf die Kraftstoffausnutzung sehr gering ist, da nur ein minimaler Teil des Energieinhalts des Kraftstoffs in kinetische Ene bie durch den Verbrennungsmotor umgeformt wird und ein weiterer sehr großer Teil dieses ohnehin geringen Anteils in dem Übertragungssystem für die komprimierte Luft verloren geht.
  • Es ist des weiteren bekannt (US-PS 722,116 und 1,013,528) eine Preßlufthilfseinrichtung zu verwenden, welche Luft in einen Behälter liefert, um sie für verschiedene Hilfszwecke oder für den Betrieb eines Preßluftmotors zur Vergrößerung der Ausgangsleistung einer Verbrennungsmaschine beim Start oder bei zusätzlicher Beschleunigung auszunutzen. In beiden Fällen arbeitet der Kompressor auch als Preßluftmotor und kann aus diesem Grund beide Funktionen nicht gleichzeitig ausführen.
  • Ferner muß bei jeder Geschwindigkeit die Ausgangsleistung des Preßluftmotors, wenn er mit Luft eines vorgegebenen Drucks betrieben wird, kleiner sein als die Eingangsleistung, die notwendig ist, um die Luft auf diesen Druck zu bringen. Diese wiederum muß kleiner sein als die Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors, d.h. aber, daß die Ausgangsleistung nur durch einen Bruchteil der Leistung der Verbrennungsmaschine vergrössert werden kann.
  • Bei allen diesen Ausführungen ist der Wirkungsgrad gering, da Kolbenpreßluftmotoren nur Luft geringer Temperatur verarbeiten können und demzufolge auch ihr thermischer Wirkungsgrad gering ist. Obgleich in der US-PS 722,116 offenbart ist, die Luft, bevor sie dem Luftmotor zugeführt wird, anzuwärmen, geschieht dies lediglich dazu, um zu verhindern, daß Kondenswasser in der anschließenden Expansionsphase gefriert. Jeder Gewinn im thermischen Wirkungsbereich wird jedoch mehr als ausgeglichen durch die Wärmeverluste beim Kühlen der komprimierten Luft bevor sie in den Behälter gebracht wird.
  • In dem US-Patent 1,813,543 wird vorgeschlagen, eine Gasturbine zu benützen, die mittels erhitzter Luft betrieben wird. Die Luft wird in einem Wärmetauscher durch das Abgas eines direkt wirkenden Freikolben-Kompressors aufgeheizt, dessen Ausgang die Luft für die Turbine liefert Das System ist aus diesem Grund mit den vorgenannten Systemen vergleichbar. Es hat auch die gleichen Nachteile, obwohl der Wirkungsgrad durch die Verwendung einer Turbine etwas größer sein dürfte, da diese Luft mit einer wesentlich höheren Temperatur verarbeiten kann als ein Kolben-Preßluftmotor.
  • Es wurden zwar zahlreiche Versuche unternommen, Gasturbinen bei Automobilen einzusetzen, eine weit verbreitete Anwendung ergab sich jedoch nicht, vor allem wegen der ungewöhnlichen Charakteristik der Gasturbinen und auch deshalb weil die Vorteile der Gasturbine gegenüber denen konventioneller Verbrennungsmotoren nicht ausreichend sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine Antriebseinheit, die insbesondere für Kraftfahrzeuge verwendbar ist, zu schaffen, deren Brennstoffverbrauch erheblich geringer ist als bei bekannten Antrieben. Des weiteren soll mit geringem Bauaufwand erreicht werden, daß außer der Brennstofferspalnis vor allem im Stadtverkehr auch weniger Abgase pro gefahrenen Kilometer ausgestoßen werden als bisher, so daß die Luftverschmutzung gering zu halten ist.
  • Sach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß ein Merbrennungsmotor mit einer Heißluftturbine, deren Kurzzeitleistung erheblich über der der Verbrennungsmaschine liegt, kombiniert wird, so daß eine Antriebseinheit entsteht, die viele Vorteile beider Maschinentypen vereinigt und die wirtschaftlicher als konventionelle Verbrennungsmotoren in derselben Anordnung betrieben werden kann und die außerdem geringe Abgasprobleme aufwirft. Ein begc lszter Bruchteil der Ausgangsleistung eines Verbrennungsmotors wird hierbei entweder direkt oder indirekt für den Betrieb eines Kompressors benützt, was z.B. mittels eines Elektromotors, der von einer Batterie gesteuert wird, die wiederum von einem an den Motor gekoppelten Generator geladen wird, bewerkstelligt werden kann, oder durch Energierückgewinnung beim Bremsen des Fahrzeugs unter Verwendung eines Kompressors. Die maximale Leistung des Verbrennungsmotors braucht nur so groß zu sein, daß das Fahrzeug, in welches er eingebaut ist, die geforderte Maximalgeschwindigkeit erreicht, während die Turbine eine erheblich größere Maximalleistung hat, die ausreicht, ím die gewünschte Beschleunigung zu gewährleisten. Der Ausgang des Kompressors beschickt einen Behälter, dessen Kapazität groß genug ist, um die Turbine mindestens so lange mit Luft zu versorgen, als das Fahrzeug unter normalen Fahrbedingungen be.chleunigt wird.
  • Um den Wirkungsgrad zu verbessern und um die notwendige Kapazität des Behälters zu verringern, wird die Luft, bevor sie vom Behälter zur Turbine gelangt, durch einen Wärmetauscher geschickt.
  • Dieser Wärmetauscher wird vom Abgas des Motors beheizt und hat vorzugsweise ein wesentliches thermisches Speichervermögen.
  • Die Turbine wird während der Beschleunigung des Fahrzeugs eingeschaltet und liefert bei stärkerer Beschleunigung den Großteil der Leistung. Ihre Ausgangsleistung kann so lange aufrecht erhalten werden, als Luft im Reservoir ist.
  • Die konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit sowie das Verfahren zu deren Betrieb ist im einzelnen den Patentansprüchen zu entnehmen, die auch vorteilhafte Ausgestaltungen offenbaren.
  • Die Zeichnung zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Antriebseinheit, wie sie in einem Motorfahrzeug Anwendung findet-. Es sind jedoch nur wesentliche Teile des Fahrzeugs gezeigt; da die Bestandteile im einzelnen benannt sind, wurden sie nicht im Detail dargestellt.
  • Die Energie zum Betrieb eines Fahrzeuges, von dem neben dem Antriebs- und Ubertragungssystem nur die Hinterachse und die Hinterräder 18 gezeigt sind, wird in einem Verbrennungsmotor 10 erzeugt. Die Ausgangsleistung des Motors 10 ist so bemessen, daß das Fahrzeug mit der gewünschten maximalei, Geschwindigkeit angetrieben wird. So kann beispielsweise ein Motor mit einer Maximalleistung von 18,5 kW einen stromlinienförmigen Wagen von 800 kg Gewicht inklusive Fahrer mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit von über 130 km/h vorwärts bewegen, was ausreichend über der zulässigen Maximalgeschwindigkeit liegt, die in einer zunehmendei, Anzahl von Ländern vorgeschrieben ist.
  • Nach dem heutigen Stand der Technik kann eine solche Motorleistung mittels eines Einzylindermotors von 250 bis 350 ccm Hubraum erreicht werden. Abgesehen von seiner geringen Größe und seinem geringen Gewicht bietet ein derartiger Einzylindermotor eine Anzahl weiterer Vorteile. Bei Einzylindermotoren sind keine Kompromisse notwendig, die aus der Verwendung weiterer Zylinder resultieren. Dies betrifft insbesondere die Ventilanordnung und die Anordnung der Ein- und Auslaßkanäle. Außerdem können solche Dinge wie Schichtladung, mehrere Zündkerzen, automatisch auf Resonanz abgestimmte Einlaßkanäle, um die Luftladung im Zylinder zu erhöhen und Ventile oder Drehschieber verwendet werden, welche die Benutzung von Treibstoff mit niedriger Oktanzahl erlauben, sowie eine effiziente Verbrennung insbesondere in einem Zylinder mit einem relativ kleinen Durchmesser (76 mm oder weniger im beschriebenen Beispiel) gewährleiten.
  • Außerdem ist es möglich, einen Einzylindermotor zufriedenstellend über seinen ganzen Geschwqndigkt-itsbereich mit einem Treibstoff/Luft-Mischungsverhältnis zu betrieben, welches wesentlich unter dem stochiometrischen liegt. Das Gemisch wird von einem Einlaßsystem 11, wie schematisch dargestellt, geliefert.
  • Selbstverständlich kann auch eine direkte oder indirekte Treibstoffeinspritzung benutzt werden, was vorzuziehen ist, da auf diese Weise eine genauere Steurung der Gemischstärke möglich ist. Das Mischungsverhältnis wird einerseits so gewählt, daß die Verunreinigungen im Abgas des Motors minimisiert sind, andererseits soll eine Abgasmischung erreicht werden, in welcher durch chemische Reaktion ein weiterer Abbau der Verunreinigungen erfolgt. Benutzt man z.B. näherungsweise 13% Luftüberschuß im Gemisch (abhängig von der Auslegung des Motors) und Benzin als Treibstoff, ist die CO und Kohlenwasserstoff-Emission niedrig und das vorhandene CO reagiert im Auspuffsystem chemisch mit dem NO. Derartige Mischungsverhältnisse sind im allgemeinen in einem Mehrzylindermotor nicht angebracht, da die verschiedenen Zylinder ungleich arbeiten, was durch magere Mischungen verschlinmert wird und einen außerordentlich rauhen Lauf verursacht, der gleichermaßen die Arbeitsweise und die Lebensdauer eines Motors schädlich beeinflußt.
  • Ein Motor, der wie beschrieben mit einer mageren Mischung betrieben wird, kann keine ausreichende Beschleunigung liefern.
  • In einem konventionellen Motor wird die Mischung zum Zwecke der Beschleunigung angereichert und selbst dann kann ein so kleiner Motor nur eine sehr mäßige Beschleunigungsfähigkeit haben.
  • Geinä der Erfindung wird aber daß Drehmoment für die Benchleunigung von einer Heißluftturbine 30 geliefert, die eine Ausgangsleitung hat, die größer als die des Motors 10 ist, normalerweise um den Faktor 2 und vorzugsweise um den Faktor 4 bis 6. Eine deartige Turbine hat einen Drehmomentverlauf mit einem Maximum bei der Drehzahl "0*, t der mit steigender Drehzahl fällt. Dies ergänzt in idealer Weise die Kennlinie des Verbrennungsmotors, da sie Drehmoment zur Beschleunigung des Faarzeugs.liefert und selbst zur Unterstützung der Beschleunigung des Motors dienen kann bei solchen Geschwindigkeiten, bei denen der Verbrennungsmotor hierzu am wenigsten in der Lage ist.
  • Die Turbine 30 kann beispielsweise eine einstufige oder zweistufige Axial- oder Radialturbine sein. Für den angestrebten Einsatz im Verhältnis zum Motor 10 wird der mittlere Turbinenraddurchmesser etwa 10 cm, die Umlaufgeschwindigkeit bis zu 400 m/sec betragen, wenn die Turbine mit Luft von etwa 8,5 bar angetrieben wird. Da die Turbine 30 typischerweise ein Enthalpiegefälle von 120 kcal/kg Luft verarbeiten muß, hat eine zweistufige Turbine einen besseren Wirkungsgrad.
  • Die Turbine 30 ist mit dem Abtrieb, z.B. einem Differenzialgetriebe 16, über ein Getriebe 46 verbunden, welches den Geschwindigkeitsbereich der Turbine an den des Fahrzeugs anpaßt.
  • Des weiteren ist eine Überholkupplung 47 vorgesehen, welche die Turbine 30 automatisch an den Abtrieb koppelt, wenn dieser Luft zugeführt wird und sio sonst abkuppelt.
  • Es ist selbstverständlich, daß auch andere Methoden verwendet werden können, um den Abtrieb der Turbine in den Kraftfluß des Fahrzeugs einzuleiten, vorausgesetzt, daß diese eine weiche Zuführung der Turbinenleistung zu der des Motors erlauben, wenn die Turbine mit Luft" betrieben wird.
  • Der Motor 10 ist mit dem Differenzial 16 mittels seiner Kurkelwelle 12, welche das übliche Schwungrad 13 trägt, einer Kupplung 14 und einem Schaltgetriebe 15 verbunden. Letzteres kann im allgemeinen weniger aufwendig sein als ea normalerweise notwendig ist, da es nicht mehr nötig ist, die Motorcharakteristik an die Geschwindigkeit des Fahrzeugs so anzupassen, daß eine optimale Beschleunigung möglich ist. Es ist lediglich notwendig, die Geschwindigkeit des Motors 10 an die des Fahrzeugs so anzupassen, daß dieser ein gleichmäßiges Drehmoment auf die Räder liefern kann, um die gewünschte Geschwindigkeit aufrecht zu erhalten.
  • Die Luftversorgung der Turbine 30 erfolgt mittels eines Kolbenkompressors 34, der so dargestellt ist, daß er über einen Motor 35 angetrieben wird, der aus der Akkumulatorbatterie 36 oder einem Generator 37 und einem Gleichrichter 42 des Fahrzeugs, d.h. jedoch indirekt vom Motor, betrieben wird, und zwar über die Kurbelwelle 12, die den Generator 37 antreibt.
  • Außerdem ist eine Steuereinheit 40 vorgesehen, die den Motor 35 in bekannter Weise so steuert, daß er nur dann läuft, wenn dies notwendig ist, um den gewünschten Druck, z.B. 80 bar, in einem Vorratskessel 25, der die Luft vom Kompressor 34 zngeführt bekommt, aufrecht zu erhalten. Ein Rückschlagventil 43 verhindert den Verlust von Luft aus dem Kessel 25 für den Fall, daß der Kompressor 34 nicht läuft.
  • In einer Alternativanordnung wird, wie es strichpunktiert eingezeichnet ist, der Kompressor 34 direkt z.B. mittels eines Keilriemenantriebs von der Kurbelwelle 12 des Motors 10 angetrieben. In diesem Fall müssen Mittel vorhanden sein, den Kompressor 34 abzukuppeln oder seine Last durch Öffnen eines Auslaßventils zur Atmosphäre wegzunehmen, wenn der notwendige Druck im Kessel 25 erreicht ist.
  • Die notwendige Leistung des Kompresars 34 sollte nur ein kleiner Teil der Leistung des Motors 10 sein. Sie beträgt etwa 2,25 XW im beschriebenen Beispiel. Wegen des hohen Drucks, der hier verwendet wird, ist ein zwei- oder dreistufiger Kompressor vorzuziehen, weIcher im Mittel etwa 4 g Luft/sec in den Kessel 25 bis hinauf zu einem Druck von 80 bar liefern kann. Der Kessel 25 hat typischerweis ein Volumen von etwa 20 1 und ist wärmeisoliert. Die Luft, die der Kompressor 34 liefert, hat wahrscheinlich eine Temperatur von ca. 2000C. Aus Gründen des Wirkungsgrades ist es wünschenswert, daß diese Wärmeenergie nicht verlorengeht. Falls erforderlich, liefert der Kessel 25 Luft zur Turbine mittels eines Steuerventils 27 und eines Wärmetauschers 23.
  • Der Wärmetauscher23 wird von den Abgasen aus dem AuslaBventil 21 des Motors 10 beschickt. Die Luft des Kessels 25 wird durch einen Durchlaß 24 und die Abgase durch einen Durchlaß 22 im Gegenstromprinzip geführt. Der Wärmetauscher 23 ist hiebei schematisch dargestellt. In der Praxis wird der Durchlaß 24 vorzugsweise aus einer Anzahl von angen, schmalen Metallröhren bestehen, welche durch eine Kammer führen, die durch den Durchlaß 22 gebildet wird, wobei die Gesamtstruktur ein wesentliches Wärmespeichervermögen hat.
  • Der Zweck des Wärmetauschers 23 ist es, die Luft in den Röhren auf eine sehr hohe Temperatur, z.B. 900°C, zu erhitzen, bevor sie der Turbine 30 zugeführt wird. Unter diesen Bedingungen ist die durchgesetzte Luftmasse um ein Vielfaches größer als der maximale Ausstoß von Abgasen, der normalerweise nicht gleichzeitig mit dem maximalen Luftfluß auftritt. Im vorschlagsgemäßen Antriebssystem können z.B. 160 Röhren mit einem Innendurchmesser von etwa 2 mm und einer Länge von 700 mm und einem Gesamtgewischt (um die notwendige thermische Trägheit zu erreichen) von etwa 10 bis 12 kg verwendet werden1 wobei der Außendurchmesser des Wärmetauschers 23 etwa 80 mm beträgt. Ein solcher Wärmetauscher hat einen Luftinhalt von etwa 0,1 g und ist vernachlässigbar im Vergleich zum Luftdurchfluß, der etwa 150 g/sec erreichen kann. Der Wärmetauscher 23 sollte isoliert 8ein, um Wärmeverluste zu vermeiden Eine andere Anbringungsmöglichkeit für das oder die Luftregelventile ist die Position 32. Die Pos. 27 ist jedoch vorzuziehen, da hier das Ventil nur mit Gasen von 2000C statt 900°C beaufschlagt wird. Das Ventil 27 reduziert den Druck der Luft im Kessel 25 auf einen gleichmaDigen Druck von z.B. 8,5 bar. Ausserdem kann mit ihm der Luftstrom abgeschaltet oder aber progressiv einer zunehmenden Anzahl von Turbinendüsen 31 zugeführt werden, falls der Turbine 30 ein größeres Drehmoment abverlangt wird.
  • Vorzugsweise könne fünf bis neun Düsen vorhanden sein und das Ventil 27 kann so arbeiten, daß es sukzessiv die Einlaßöffnungen freigibt und so die Luft zu verschiedenen Gruppen von Röhren im Wärmetauscher 22 und anschließend zu verschiedenen Düsen der Turbine leitet. Das Ventil 27 wird derart gesteuert, daß es nur dann öffnet, wenn eine Beschleunigung gefordert wird, und zwar abhängig von der Beschleunigung.
  • Es gibt eine Reihe von bekannten Methoden, die für diesen Zweck eingesetzt werden können. So kann z.B. die Stellung des Gaspedals, welches das Drosselventil des Motors 10 steuert, mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs verglichen werden, um ein Steueraignal zu erzeugen; und/oder es kann der Unterdruck im Einlaßsystem des Motors 10 gemessen werden, um festzustellen, ob und in welchem Maße eine Beschleunigung gefordert wird.
  • Zahllose Techniken wurden im Zusammenhang mit Vergaser- und Kraftstoffeinspritzsystemen entwickelt, um Beschleunigungsanforderungen abzufühlen und zu messen und dementsprechend die Ventile zu steuern. Es ist selbstverstärldlich, daß derartige Techniken direkt auf die vorliegende Erfindung angewendet werden können.
  • In dem beschriebenen Ausführungsheispiel ist der Inhalt des Kessels 25 ausreichend, um die Turbine 30 bei maximalem Luftfluß 8 sec und bei niedrigerem Luftfluß entsprechend länger au betreiben. Die maximale Beschleunigung wird selten gefordert werden. Das Drehmoment, das dann zur Verfügung steht, ist ausreichend, um einen 80Q kg schweren Wagen vom Stand auf einer trockenen Straße auf 100 km/h in etwa 7 Sekunden zu beschleunigen. Aus diesen Gründen sind genügend Beschleunigungsreserven vorhanden. Ist das Reservoir entleert, kann es durch den Kompressor 3 in etwa fünf Minuten wied~r gefüllt werden, eine vollständige Entleerung wird jedoch selten auftreten.
  • Ein rascheres Auffüllen kann durch einen zusätzlichen Kompressor 48 erfolgen, der während der Bremsperioden eingeschaltet wird, um Energie beim Abbremsen des Fahrzeugs zurückzugewinnen und um diese für die Kompression zusätzlicher Luft für das Reservoir 25 zu nutzen. Das Einschalten dieses Hilfskompressors 48 kann mit ähnlichen Mitteln wie schon in bezug auf das Ventil 27 beschreiben erreicht werden, die jedoch im umgekehrten Sinn arbeiten. Eine derartige Anordnung vermeidet die unnötige Entleerung des Luftvorrats im Reservoir 25 bei Start-Stop-Fahrbedingungen, wie z.B. im Stadt rkehr, und bietet auch ein Maß an regenerativem Bremsen, was den sehr geringen Bremseffekt des Motors 10 verglichen mit dem eines konventionellen größeren Motor ausgleicht. Obgleich der Hilfskompressor 48 mit dem Getriebe 15 verbunden dargestellt ist, kann er auch mit den Rädern des Fahrzeugs auf eine passende Weise verbunden werden, vorzugsweise so, daß Energie von allen vier Rädern her übertragen wird.
  • Das Getriebe 15 oder die Kupplung 14 kann vorzugsweise mit einer Freilaufeinrichtung versehen sein, um zu verhindern, daß der Motor 10 während des Bremsens überdreht wird. Auf diese Weise wird vermieden, daß der Motor unter Bedingungen arbeiten mun, die fast unvermeidlich zu unvollständiger Verbrennung und verstärktem Ausstoß von Verunreinigungen führt.
  • Der Vorratsbehälter 25 und der Wärmetauscher 23 sind, wie schon erwShnt, wSrmeisoliert, und mit genügend Isolation sollte es möglich sein, diese Teile von einem zum anderen Tag warm zu halten. Es kann*jedoch wünschenswert sein, eine elektrische Heizeinrichtung, die mit einer externen Quelle verbunden werden kann, vorzusehen, um den Kaltstart des Fahrzeugs zu erleichtem.
  • Obwohl der Gesamtwirkungsgrad einer Heißluftturbine theoretisch beträchtlich geringer ist als der eines konventionellen Verbrennungsmotors, erlaubt doch ihre ausschließliche Verwendung für Beschleunigungszwecke einen extrem wirtschaftlichen Betrieb des Motors 10. zusätzlich wird über die Luftversorgung der Turbine 30 ein Teil der Wärmeenergie, die üblicherweise über den Auspuff des Motors verlo<.ngeht und, falls ein Hilfaxompressor 48 vorgesehen ist, ein Teil der sonst beim Bremsen verlorenen Energie wiedergewonnen. Mit einem Fahrzeug, das mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ausgestattet ist und die Abmessungen des beschriebenen Ausführungsbeispiels hat, sollte es möglich sein, den niedrigen Kraftstoffverbrauch von nur 3 Liter pro 100 km bei gemäßigter Fahrweise über größere Entfernungen zu erreichen.
  • In hügeligem Gelände kann sich der hier beschriebene Antrieb bei anhaltenden Steigungen und vernünftigen Geschwindigkeiten als nicht ausreichend bezüglich seiner Leistung erweisen. Für derartige Bedingungen kann eine Hilfsmaschine eingesetzt werden, die nur bei Bedarf eingeschaltet wird. Dies ist bei der vorliegenden Erfindung ausführbar, da ein derartiger Zusatzmotor nur für anhaltende Leistungsforderungen gebraucht wird und die unvermeidliche Verzögerung beim Start dieses Motors ist daher unwesentlich. Der Zusatzmotor ist vorzugsweise ein Einzylindermotor ähnlich dem Motor 10. Er ist an den Kraftfluß des Fahrzeugs mit Hilfe eines Differenzialgetriebes gekoppelt. Diese Anordnung vermeidet eine rauhe Fahrweise, die durch Unregelmäßigkeiten in dem von den Motoren gelieferten Ausgangsdrehmoment hervorgerufen wird. Außerdem bleiben so die Vorteila der Benutzung von Einzylindermotoren erhalten.
  • Wird die Erfindung auf größerenFahrzeugen, wie z.B. Lastkraftwagen, angewendet, können unabhängige Motoren eingesetzt werden, die verschiedene Räder oder Radpaare antreiben, wobei diese Motoren jeweils so gestartet werden, daß die gewünschte Steigfähigkeit der zusätzliche Zugkraft gewährleistet werden.
  • L e e r s e i t e

Claims (18)

  1. Patentansprüche: 1. Antriebseinheit für Fahrzeuge, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: einem Verbrennungsmotor (10), einem Luftkompressor (34) mit einem Leistungsbedarf, der wesentlich geringer ist als die Maximalleistung des Motors (10), einer Heißluftturbine (30) mit einer maximalen Ausgangsleistung, die wesentlich größer als die maximale Ausgangsleistung des Motors (10) ist, Getrieben (16), die die Abtriebsleistung des Motors (10) und der Turbine (30) auf einer gemeinsamen Abtriebswelle summieren, einem Luftbehälter (25), dem die Luft von dem Kompressor (34) zugeführt wird, Hilfsmitteln, um Leistung vom Motor (10) zum Kompressor (34) zu übertragen, Ventilsystemen (27 bzw. 32) zwischen dem Behälter (25) und der Turbine (30), um Luft von einem zum anderen zu leiten, Hilfsmitteln, um die Ventilsysteme (27 bzw. 32) abhängig von einer Beschleunigungsanforderung durch die Last zu öffnen, und einem Wärmetauscher (23), der verschiedene thermisch verbundene Durchlässe (22, 24) hat, welche zwischen dem Behälter (25) und der Turbine (30) und zwischen dem Motor (10) und dem Auspuffsystem des Fahrzeugs derart angeordnet sind, daß Wärme aus dem Abgas des Motors (10) zurückgewonnen und an die Luft, die vom Behälter (25) zur Turbine (30) strömt, übertragen wird.
  2. 2. Antriebseinhehit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) mit Hilfsmitteln ausgestattet ist, welche ein Kraftstoff/Luft-Gemisch mit vorherbestimmtem Luft/Kraftstoff-Verhältnis liefern, das größer ist als es dem stochiometrischen Verhältnis entspricht.
  3. 3. Antriebseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit Hilfsmitteln ausgestattet ist, Ui. ein Benzin-Luft-Gemisch mit annähernd 13% Luftüberschuß zu liefern.
  4. 4. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Motor (35), vorzugsweise einem Elektromotor, in Triebverbindung mit einem Kompressor steht, einer Batterie (36) und einem Generator (37), der vom Motor (10) angetrieben wird, sowie mit Steuereinrichtungen (40) ausgestattet ist, die auf den Druck in einem Behälter (25) reagieren, um den Motor (35) uiit seiner Versorgung zu verbinden.
  5. 5. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine überholkupplung (47) zwischen dew Turbine und dem Abtrieb eingeschaltet ist.
  6. 6. Antriebseinheit X ch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilsysteme (27) zwischen dem Behälter (25) und dem Wärmetauscher (23) angeordnet sind.
  7. 7. Antriebseinheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (34) und der behälter (25) derart ausgelegt sind, daß der Behälter (25) Luft mit einem sehr viel höheren Druck speichert als für den Betrieb der Turbine (30) notwendig ist.
  8. 8. Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilsystem (32) derart angeordnet ißt, daß es Luft progressiv zu einer Anzahl von Düsen (31), die der Turbine (30) zugeordnet sind, liefert und den Druck der Luft auf den für den Betrieb der Turbine (30) notwendigen reduziert.
  9. 9. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wänmetaus».ler t23) eine erhebliche thermische Speicherkapazität hat.
  10. 10. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (23) wärmeisoliert ist.
  11. 11. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Ausgangsleistung der Turbine (30) mindestens die doppelte der des Motors (0) ist.
  12. 12. Antriebseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Leistung der Turbine (30) vier- bis sechsmal so groß wie die des Motors (10) ist.
  13. 13. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) ein Einzylindermotor ist.
  14. 14. Ein Motorfahrzeug mit Verbrennungsmotor, der ein Einlaßsystem und ein Auspuffsystem, Antriebsräder, ein Abtriebssystem, das den Motor mit den Antriebsrädern verbindet ulld ein Schaltgetriebe mit Endabtrieb umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heißluftturbine (30) mit einer maximalen Leistung, die erheblich größer Als die des Motors (10) ist, Übertragungsmittel (16), um die Turbine (30) mit dem Abtrieb zu verbinden, ein Behälter (25) für komprimierte Luft, Hilfsmittel, um die Beschleunigungsanforderungen an das Fahrzeug zu erfassen, ein Wärmetauscher (23), der zwischen dem Behälter (25) und der Turbine (30) eingeschaltet ist, um Wärme aus dem Auspuffsystem zurückzugewinnen und diese auf die Luft aus dem BehAlter (23) zu übertragen und ein Kompressor (34), der Luft in den Behälter (25) liefert, vorgesehen sind.
  15. 15. Motorfahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Behälters (25) so groß bemessen ist, daß genügend Luft für die Turbine (30) unter normalen Beschleunigungsbedingungen des ihrzeugs zur Verfügung steht.
  16. 16. Motorfahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug ein elektrisches System (36, 37, 40, 42) umfaßt und der Kompressor (34) aus dem elektrischen System des Fahrzeugs betrieben wird. -
  17. 17. Motorfahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfskompressor (48), der mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden ist, vorgesehen ist, um kinetische Energie beim Bremsen des Fahrzeugs zurückzugewinnen.
  18. 18. Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, der eine Last a..treibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleiner Teil der Ausgangsleistung des Motors (10) dazu benutzt wird, einen Luftkompressor (34) anzutreiben, die vom Kompressor (34) komprimierte Luft gespeichert und Beschleunigungsan-Lorderungen durch die Last dadurch entsprochen wird, daß die gespeicherte Luft durch einen Wärmetauscher (23), der die aus den Abgasen des Motors (10) zurückgewonnene Wärme speichert, einer luftbetriebenen Turbine (30) zugeführt wird, die mit der Last in trieblicher Verbindung steht und eine maximale Ausgangs leistung größer als die des Motors (10) hat.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2500883A1 (fr) * 1981-02-27 1982-09-03 Wurmfeld Charles Moteur a gaz destine a utiliser l'energie thermique solaire emmagasinee dans un fluide atmospherique, ses applications notamment a une installation de production d'energie et a un vehicule
WO2012062591A2 (de) 2010-11-11 2012-05-18 Avl List Gmbh Antriebseinheit für ein fahrzeug

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WO2012062899A2 (de) 2010-11-11 2012-05-18 Avl List Gmbh Fahrzeug, insbesondere rennfahrzeug
WO2012062899A3 (de) * 2010-11-11 2012-08-16 Avl List Gmbh Fahrzeug, insbesondere rennfahrzeug
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