DE3620682C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für Fahrzeuge, bei dem jedem Abtrieb (Rad) des Fahrzeuges ein Asynchronmotor zugeordnet ist und die Asynchronmotoren von einem Drehstromgenerator gespeist werden.

Ein Antrieb dieser Art ist durch die DE-OS 21 01 981 bekannt. Bei einem derartigen Antrieb kommt es darauf an, daß selbst bei unterschiedlichen Drehzahlen die Asynchronmotoren annähernd gleiche Momente erzielen. Unterschiedliche Drehzahlen treten insbesondere bei Kurvenfahrt des Fahrzeuges auf. Bei dem bekannten Antrieb wird dies durch eine Steuereinrichtung erreicht, die in der Nähe des Kippschlupfes arbeitet und die Asynchronmotoren mit gleicher Ständerfrequenz speist.

Bei diesem bekannten Antrieb wird nicht für alle Belastungsfälle ein stabiler Betrieb erreicht, insbesondere dann, wenn die Lastanforderungen an die Asynchronmotoren sich schnell und oft ändern und zudem sich sehr stark im Wert unterscheiden. Außerdem wird zur Speisung des Drehstromgenerators ein Dieselmotor benötigt.

Wie die DE-PS 8 59 240 zeigt, sind insbesondere aus dem Flugzeugbau Druckgeneratoren bekannt, die mehrere Zylinder mit darin frei beweglichen Kolben aufweisen und über diese Gasturbinen steuern. Diese Antriebe arbeiten ohne Taktsteuerung und nicht wie die üblichen Fahrzeugmotoren mit Nockenwellensteuerung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der ohne Taktsteuerung eine optimale, individuelle Anpassung an die Lastanforderungen der Abtriebe (Räder) ermöglicht und in weiten Bereichen der Lastanforderungen sehr schnell reagiert und stets stabile Betriebszustände aufweist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß den Asynchronmotoren je Fahrzeugseite ein Drehstromgenerator zugeordnet ist, daß die Drehstromgeneratoren von einem Druckgenerator mit mehreren Zylindern mit Freikolben antreibbar sind, wobei die einen Ausgänge der Zylinder eine erste Gasturbine des ersten Drehstromgenerators und die anderen Ausgänge der Zylinder eine zweite Gasturbine des zweiten Drehstromgenerators beaufschlagen, daß ein Leitrechner Zustandsgrößen der Zylinder an mehreren Stellen erfaßt und mit Sollwerten vergleicht, daß der Leitrechner den Leistungsbedarf der Asynchronmotoren erfaßt und die Sollwerte für den Vergleich ableitet, daß der Leitrechner aufgrund der erfaßten Zustandsgrößen den Zylindern individuelle Steuerbefehle zuführt und die Steuerparameter entsprechend ändert und daß die Drehstromgeneratoren über Fliehkraftkupplungen oder Drehmoment- und/oder Strömungswandler antreibbar sind.

Dieser Antrieb verbindet in idealer Weise die taktlose Steuerung der sogenannten Freikolbenmotoren mit der optimalen Anpassung des Leistungsbedarfes für die Abtriebsmotoren, wobei ein Leitrechner die Möglichkeit der Vorgabe von Programmen eröffnet, um bestimmte Fahrphasen wie Anfahren, Anhalten, Beschleunigen usw. optimal zu automatisieren.

Die Steuerung läßt sich nach einer Ausgestaltung dadurch variieren, daß in dem Leitrechner für jeden Zylinder ein Mikroprozessor vorgesehen ist. Dadurch können den Zylindern besondere Funktionen zugeordnet werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Zylinder des Druckgenerators über impulsartig steuerbare Durchlässe auf die Gasturbinen einwirken, die bei der Repulsion der Kolben gespeist sind.

Dabei ist im Einzelnen vorgesehen, daß jede Seite der Zylinder eine Druckkammer, einen Regler und einen Hochdruckhahn aufweist, der den Durchlaß öffnet und sperrt, und daß der Zylinder vor dem Durchlaß als Brennkammer ausgebildet ist, die mit einer Zündeinrichtung, Kraftstoff-Einspritzdüsen sowie einer Flammsonde zur Kontrolle der Brennwerte versehen ist.

Der Lauf der Kolben in den Zylindern wird dadurch verbessert und die Lebensdauer des Druckgenerators erhöht, daß die Zylinder eine aus Keramik bestehende Laufbüchse für die Kolben aufweisen.

Der Leistungsbedarf der Asynchronmotoren wird vorzugsweise mittels einer Blindstromkontrolle erfaßt.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Antriebes,

Fig. 2 einen Zylinder des Druckgenerators mit den nachgeschalteten Gasturbinen,

Fig. 3a im Schnitt den Ausgang eines Zylinders mit einem Absperrorgan und

Fig. 3b die Ansicht in die Brennkammer des Zylinders.

In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Antriebes dargestellt. Den Einzelantrieben der Fahrzeugseiten a und b sind jeweils ein Asynchronmotor M_a und M_b zugeordnet. Über die Schnittstellen SC₂ sind diese Asynchronmotoren M_a und M_b mit jeweils einem Drehstromgenerator G_a und G_b verbunden, die über jeweils einen Strömungswandler W oder eine Fliehkraftkupplung F von einer Gasturbine TM_a bzw. TM_b angetrieben werden. Die Gasturbinen TM_a und TM_b sind an den Ausgängen des Druckgenerators DG angeschlossen, der aus mehreren Zylindern Z₁ bis Z_n besteht. In den Zylindern Z₁ bis Z_n sind die Freikolben K₁ bis K_n frei verstellbar.

Ein Leitrechner LR erfaßt laufend die Verdichtungsdrücke C₁, C₂ und C₃ entlang der Zylinder sowie die Druckänderungen. Außerdem erhält er Signale von Thyristoren Y, wie anhand der Fig. 2, 3a und 3b noch gezeigt wird. Der Leitrechner LR steuert die Ladeluft-Kontrolle LC, die mit einer Abgasturbine AT in Verbindung steht und auf die Eingänge EA der Gasturbinen TM_a und TMb wirkt.

An den Schnittstellen SC₂ ist jeweils eine Blindstromkontrolle BSC angeschaltet, über die der Leistungsbedarf der Asynchronmotoren M_a und M_b erfaßt und dem Leitrechner LR zugeführt wird.

Wie mit den Schnittstellen SC₁ und SC₃ angedeutet ist, kann der Leitrechner LR über eine Aufschaltung AUF und Umrichter U auf eine Bremseinrichtung BR der fahrzeugseitenindividuellen Antriebe einwirken. Über Monitore OR₁ und OR₂ können die Signale angezeigt werden.

Über weitere Aufschaltungen AUF steht der Leitrechner LR auch mit den Erregerwicklungen EW der Drehstromgeneratoren G_a und G_b in Verbindung.

Die Asynchronmotoren M_a und M_b können über einen Wandler W auch auf einen gemeinsamen Antrieb einwirken.

Die Kopplung zwischen den Gasturbinen TM_a und TM_b mit den Drehstromgeneratoren G_a und G_b erfolgt unabhängig von dem Leitrechner LR, wie die Fliehkraftkupplungen F und die Drehmoment- oder Strömungs-Wandler W zeigen. Die Schnittstellen SC₂ verbinden Regelstrecken der Drehstromgeneratoren G_a und G_b mit den Asynchronmotoren M_a und Mb, deren Leistungsbedarf durch die Blindstromkontrollen BSC erfaßt und dem Leitrechner LR zugeführt werden. Damit wird dem Leitrechner LR signalisiert, ob die Stromabgabe der Drehstromgeneratoren G_a und G_b ausreicht und ob die Asynchronmotoren über oder unter dem Normalschlupf laufen. Da sich der Läufer des Asynchronmotors entsprechend seiner Belastung auf eine Drehzahl einstellt, bei der das Abtriebsmoment gleich dem Belastungsmoment ist, und bereits im Leerlauf eine gewisse Belastung vorliegt, ergibt sich beim Asynchronmotor eine relative Abweichung von der synchronen Drehzahl des antreibenden Drehstromgenerators, der sogenannte Schlupf. Wird der Schlupf z. B. im Leerlauf, in der Halblast und der Vollast auf gestufte Normal-Schlupf-Werte bezogen, dann ergeben sich für den Leitrechner LR Regelmomente, die ihn zur Gegensteuerung veranlassen. Der Leitrechner LR wird daher bei Überschreitung der Normal-Schlupf-Werte über die Aufschaltungen AUF den Erregerwicklungen EW der Drehstromgeneratoren G_a und G_b stärkere Ströme zufließen lassen. Bei wesentlichen Abweichungen im Frequenzgang der Schnittstellen SC₂ bedient sich der Leitrechner LR über die Schnittstellen SC₁ und SC₃ der Monitoren OR₁ und OR₂.

Im umgekehrten Falle eines deutlichen Unterschlupfes der Asynchronmotoren M_a und M_b drehen diese durch, weil die normale Vortriebslast fehlt. Die Schnittstellen SC₂ melden über die Blindstromkontrollen BSC dem Leitrechner LR, daß die Leistung der Drehstromgeneratoren G_a und G_b zu hoch ist und daß infolge der ausbleibenden Blindstromreaktion der Asynchronmotoren M_a und M_b eine sofortige Impuls- oder Vollbremsung erforderlich ist. Die Asynchronmotoren M_a und M_b werden über die Schnittstelle SC₁, die Aufschaltung AUF und die Umrichter U gebremst, wie mit den Bremseinrichtungen BR angedeutet ist.

Der Leitrechner LR entscheidet ganzheitlich über alle Steuerfunktionen, die die Drehstromgeneratoren G_a und G_b und die Asynchronmotoren M_a und M_b betreffen und dies ohne mechanische Schaltstufen oder Schalthebel und ohne ein Zutun des Fahrzeuglenkers.

Die Arbeits- und Leistungssysteme werden anhand der Fig. 2 in ihrem Grundaufbau erläutert, wobei in vereinfachter Darstellung die Freikolbenarbeitsweise an einer Zylinderlaufbuchse gezeigt ist. Der Kolben K bewegt sich frei zwischen den beiden Brennkammerendpunkten Y_a und Y_b in einem Zylinder Z, der aus Keramik besteht und in den Brems- Beschleunigungszonen durch eingegossene Induktionswindungen oder Wanderfeldwicklungen verstärkt ist. In der Mitte der Laufbuchse C befinden sich Schlitze, die von Einlaß- und Auslaßleitungen jeweils umfänglich umschlossen sind. Durch diese Leitungen wird die Frischluft-Ladung L zugeführt und das Abgas EA abgeführt.

Hinter den Verdichtungszonen, d. h. Brennkammerwendpunkten Y_a und Y_b, die trichterförmig oder oval einengend ausgebildet sein können, befindet sich je ein Absperrorgan, wie es in Fig. 3a gezeigt ist.

Die Trichter mit einem Hochdruckhahn HD wirken als eine Art Auslaßdüse D auf die Gasturbinen TM_a bzw. TM_b. In der nachfolgenden Brennkammer sind Einbuchtungen für die Druckkammer P, für die Zündung X, für die Dieselkraftstoff-Einspritzung JDK für die Leichtkraftstoff-Einspritzung JLK und eine Thyristorsonde Y, wobei das hauptsächlich zum Starten benötigte Leichtbenzin oder Äthanol der der Zündeinrichtung X gegenüberliegenden Leichtkraftstoff-Einspritzung JLK zugeführt wird. Der über die Dieselkraftstoff-Einspritzung JDK zugeführte Kraftstoff erfährt vor der Druckkammer P eine Verwirbelung. Ferner ist eine Flammsonde FS eingeführt.

Die Thyristorsonde Y übernimmt mit der Druckkammer P die wichtige Aufgabe, den Durchlaß D des Hochdruckhahnes HD zu öffnen und wieder zu schließen. Dem Leitrechner LF ist jedoch absolute Priorität zugeordnet, er kann die Öffnungszeiten der Hochdruckhähne HD anders regeln als die Druckkammer P, so daß er die Haltezeiten der Kolben K in den Endpunkten des Zylinders manipuliert. Der Leitrechner LR kann daher verfügen, daß eine Zylinderseite (a oder b) den Thyristor Y nur kurz oder gar nicht schaltet. Der Repulsionsdruck verbleibt aber genügend hoch, um den frei beweglichen Kolben K auf die andere Endseite des Zylinders zu verstellen, um dort die Verdichtungsarbeit zu übernehmen. Auf diese Weise können die gesamten Gasturbinen TM_a und TM_b auf unterschiedliche Leistungen geregelt werden.

Die Thyristoren Y erfassen den Durchgang des Kolbens K rechnerisch aus den Druckwerten. Der Leitrechner LR kann verfügen, daß der Hochdruckhahn HD der abgehenden Seite teilweise geöffnet wird. Beim Rückweg des Kolbens K - nach seiner Haltezeit im Endpunkt des Zylinders - wird der Hochdruckhahn HD ganz geöffnet, bis dieser die Mitte des Zylinders erreicht. Frischluft aus der Ladeluftkontrolle LC (Fig. 1) spielt die Abgase EA direkt zu der Abgasturbine AT oder über den Durchlaß D. Beim Durchgang des Kolbens K durch die Mitte des Zylinders wird der Hochdruckhahn HD wieder geschlossen. Die Verdichtungsarbeit beginnt und das Spiel des Kolbens K beginnt aufs neue.

Claims (7)

1. Antrieb für Fahrzeuge, bei dem jedem Abtrieb (Rad) des Fahrzeuges ein Asynchronmotor zugeordnet ist und die Asynchronmotoren von einem Drehstromgenerator gespeist werden, dadurch gekennzeichnet,
daß den Asynchronmotoren (M) je Fahrzeugseite ein Drehstromgenerator (G_a, G_b) zugeordnet ist,
daß die Drehstromgeneratoren (G_a, G_b) von einem Druckgenerator (DG) mit mehreren Zylindern (Z₁ bis Z_n) mit Freikolben (K₁ bis K_n) antreibbar sind, wobei die einen Ausgänge der Zylinder (Z₁ bis Z_n) eine erste Gasturbine (TM_a) des ersten Drehstromgenerators (G) und die anderen Ausgänge der Zylinder (Z₁ bis Z_n) eine zweite Gasturbine (TM_b) des zweiten Drehstromgenerators (G) beaufschlagen,
daß ein Leitrechner (LR) Zustandsgrößen (C₁, C₂, C₃) der Zylinder (Z₁ bis Z_n) an mehreren Stellen erfaßt und mit Sollwerten vergleicht,
daß der Leitrechner (LR) den Leistungsbedarf der Asynchronmotoren (M) erfaßt und die Sollwerte für den Vergleich ableitet,
daß der Leitrechner (LR) aufgrund der erfaßten Zustandsgrößen (C₁, C₂, C₃) den Zylindern (Z₁ bis Z_n) individuelle Steuerbefehle zuführt und die Steuerparameter entsprechend ändert und
daß die Drehstromgeneratoren ( G_a, G_b ) über Fliehkraftkupplungen (F) oder Drehmoment- und/oder Strömungswandler (W) antreibbar sind.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Leitrechner (LR) für jeden Zylinder (Z₁ bis Z_n) ein Mikroprozessor vorgesehen ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (Z₁ bis Z_n) des Druckgenerators (DG) über impulsartig steuerbare Durchlässe (D) auf die Gasturbinen (TM_a, TM_b) einwirken, die bei der Repulsion der Kolben (K₁ bis K_n) gespeist sind.

4. Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Seite der Zylinder (Z₁ bis Z_n) eine Druckkammer (P), einen Regler (R) und einen Hochdruckhahn (HD) aufweist, der den Durchlaß (D) öffnet und sperrt.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (Z₁ bis Z_n) vor dem Durchlaß (D) als Brennkammer ausgebildet ist, die mit einer Zündeinrichtung (X), Kraftstoff-Einspritzdüsen (JDK, JLK) sowie einer Flammsonde (FS) zur Kontrolle der Brennwerte versehen ist.

6. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (Z₁ bis Z_n) eine aus Keramik bestehende Laufbüchse (C) für die Kolben (K₁ bis K_n) aufweisen.

7. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsbedarf der Asynchronmotoren (M_a, M_b) mittels einer Blindstromkontrolle (BSC) erfaßt wird.