DE69525454T2

DE69525454T2 - Motoreinlassluftgetriebener wechselstromgenerator

Info

Publication number: DE69525454T2
Application number: DE69525454T
Authority: DE
Inventors: O. Harvey; L. Perrin; E. Peterson; G. Voss
Original assignee: Nartron Corp
Current assignee: Nartron Corp
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2015-07-29
Also published as: WO1996004487A1; EP0770189A1; US5818117A; EP0770189A4; US5544484A; DE69525454D1; EP0770189B1

Description

Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieumwandlung für den Einsatz in einem Einlasssystem einer Brennkraftmaschine, das eine Steuerung des Luftflusses oder eine Drossel aufweist, und, weiter insbesondere, einen durch Einlassluft betriebenen Turbowechselstromgenerator (oder Turbogenerator), welcher auch eine Steuerung des Einlassluftflusses umfasst.

Hintergrund der Erfindung

Es ist nach dem Stand der Technik bekannt, einen durch Einlassluft betriebener Wechselstromgenerator (oder Generator) für und in Kombination mit Maschinen und ähnlichem vorzusehen. Es ist ebenfalls bekannt, einen solchen Generator in einem Verfahren zur Erzeugung von Elektrizität aus der Energie der Einlassluft einzusetzen, welche normalerweise durch Drosselung der Ansaugung zur Steuerung der Maschinenleistung verloren geht.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung sieht eine verbesserte Ausbildung eines Turbowechselstromgenerators und einer Einrichtung zur Luftflusssteuerung zum Einsatz und in Kombination mit einer Maschinenverbrennungsluftansaugung vor. Die Anwendung in anderen geeigneten Systemen mit adäquaten Massenfluss und Druck wird ebenfalls vorgestellt.
Das Turbogeneratorsystem ist bevorzugt an die Maschine so angepasst, dass, unter normalem gleichmäßigen Zustand beim Stadt- und Autobahnfahren, die gesamte Ansaugluft zur Maschine durch die Turbine zur Erzeugung elektrischer Leistung zusammengeführt wird, um Autozusatzgeräte zu betreiben und/oder die Batterie zu laden. Ein Einlasssteuerungsventil der Turbinendüsen steuert den Fluss durch vielfache Düseneingänge, um die Effizienz der Turbine zu erhalten, während es den Ansaugluftfluss der Maschine verändert, um die Leistung der Maschine zu steuern. Ein Turbinenbypass erlaubt zusätzlicher Luft an der Turbine vorbeizugelangen und mit geringer Drosselung zu der Maschinenansaugung zu fließen, wenn unter den Voraussetzungen einer großen Last, Beschleunigung oder hohen Geschwindigkeit zusätzliche Leistung benötigt wird.
Die Erfindung fasst eine Grundanordnung für einen Turbinenbypass ins Auge, welche als koaxiale Flusspfadkonstruktion bezeichnet wird. Eine andere Grundanordnung für den Turbinenbypass ist in EP 0609674 offenbart und wird als parallele Flusspfadkonstruktion bezeichnet. In beiden sind vielfache Turbinendüsen in einer bogenförmig beabstandeten und zueinander Seite an Seite liegend angeordnet, wobei sie einen Flusspfad bilden, der einen Kreisbogen beschreibt, der auf der Rotationsachse der angeschlossenen Turbine zentriert ist. Der Bypassfluss wird in der koaxialen Konstruktion durch eine bogenförmige Passage gelenkt, die ebenfalls auf der Turbinenachse zentriert ist und entweder nach außen oder nach innen zu den Turbinendüsen und den angeschlossenen Turbinenschaufeln angeordnet ist. In der parallelen Pfadkonstruktion ist die Bypasspassage auf einer Seite der Turbine und ihren Düsen angeordnet und ist seitlich von der Turbinenachse beabstandet. Der parallele Bypass sieht einen getrennten (parallelen) Flusspfad für die Ansaugluft vor, die nicht geometrisch parallel zur Turbinenachse zu verlaufen braucht.
Die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden vollständiger mit der folgenden, detaillierten Beschreibung der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen verständlich sein. Fig. 1 bis 40 sind bereits in EP 0609674 offenbart. Fig. 65-70 geben ein Anordnung mit einem parallelen Flusspfadbypass wieder.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt eine perspektivische Gesamtansicht einer V6- Maschine dar, in die Kraftstoff durch eine Öffnung einspritzbar ist. Diese weist eine radial aufgebaute, durch Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung auf;
Fig. 2 stellt eine perspektivische Gesamtansicht einer V6- Maschine dar, in die Kraftstoff durch eine Öffnung einspritzbar ist, welche eine axial ausgebildete, durch die Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung aufweist;
Fig. 3 bildet ein Blockdiagramm ab, welches schematisch die Verbindung einer durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung mit einer Maschine, in die Kraftstoff durch eine Öffnung einspritzbar ist, in einem Ladesystem für eine Fahrzeugbatterie darstellt;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, welches schematisch die Verbindung einer durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung mit einer Maschine, in die Kraftstoff durch eine Öffnung einspritzbar ist, darstellt, welche eine Wärmetauscher verwendet, um die Überschusswärme von den verschiedenen Komponenten, wie z. B. einem Auspuff, einem Katalysator oder einer Abgasanordnung, in einem Ladesystem für eine Fahrzeugbatterie zu verwenden;
Fig. 4a ist ein Blockdiagramm, welches schematisch die Verbindung einer durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung mit einer Maschine, in die Kraftstoff durch eine Öffnung einspritzbar ist, darstellt, die eine Abgasrückführungseinrichtung für ein Ladesystem einer Fahrzeugbatterie aufweist;
Fig. 5 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer durch radial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung, die einen darin angeordneten axialen Luftspalt-Wechselstromgenerator darstellt;
Fig. 6 ist eine Frontansicht der radialen Turbine gemäß Fig. 5;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines kombinierten Einlass- und Bypassreglers, das aus einem einteilig ausgebildeten Steuerventil zur Verwendung mit einer durch radial einströmende Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung besteht;
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht getrennter Einlass- und Bypassluftregler, die mit getrennten Steuerventile zur Verwendung in einer durch radial einströmende Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung ausgebildet sind;
Fig. 9 ist ein seitliches Schnittbild der durch radial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 5, die einen darin angeordneten axialen Luftspalt-Wechselstromgenerator darstellt und das kombinierte, einteilige Einlass- und Bypassluftventil aufweist. Diese ist in einer teilweise geöffneten Düsenöffnung und einem vollständig geschlossenen Bypass gleichsam im Leerlaufzustand einer Maschine abgebildet;
Fig. 10 stellt eine Frontansicht im Schnitt einer Turbinendüsenbypassmündung der durch radial einfließende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 9 dar;
Fig. 11 stellt eine Frontansicht im Schnitt der Turbinendüsen gemäß Fig. 9 dar, welche die Turbinendüsen und die Turbinenschaufeln abbildet;
Fig. 12 ist eine Seitenansicht im Schnitt der durch radial einfließende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 9, worin das Einlass- und Bypassluftsteuerungsventil um 90º gedreht worden ist und die eine um 50% geöffnete Düsenöffnung sowie einen vollständig geschlossenen Bypass darstellt;
Fig. 13 ist eine Frontansicht im Schnitt der Turbinendüsenbypassöffnung gemäß Fig. 12;
Fig. 14 ist eine Frontansicht im Schnitt der Turbinendüse gemäß Fig. 12, welche die Turbinendüsen und Turbinenschaufeln darstellt;
Fig. 15 ist eine Seitenansicht im Schnitt der durch radial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 9, worin das Ventil zur Steuerung der Einlass- und Bypassluft um 180º aus seiner Leerlaufposition gedreht wurde und die eine vollständige Düsenöffnung und den Bypass zu Beginn der Öffnung darstellt;
Fig. 16 stellt eine Frontansicht im Schnitt der Turbinendüsenbypassöffnung gemäß Fig. 15 dar;
Fig. 17 ist eine Frontansicht im Schnitt der Turbinendüse gemäß Fig. 15, welche die Turbinendüsen und Turbinenschaufeln abbildet;
Fig. 18 stellt die durch radial einströmende Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 9 dar, worin das Einlass- und Bypassluftsteuerungsventil um 270º aus seiner Leerlaufstellung gedreht worden ist. In dieser Abbildung ist eine um 50% geöffnete Düsensöffnung und eine vollständig geöffnete Bypassöffnung einer Maschine unter Volllast darstellt;
Fig. 19 ist eine Frontansicht der Turbinendüsenbypassöffnung gemäß Fig. 18;
Fig. 20 ist ein frontales Schnittbild der Turbinenöffnung gemäß Fig. 18, welche die Turbinendüsen und Turbinenschaufeln darstellt;
Fig. 21 ist ein seitliches Schnittbild einer durch radial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung, die einen radialen Luftspalt- Wechselstromgenerator aufweist. In dieser Abbildung ist ein Schrittmotor zur Betätigung des Ventils zur Steuerung der Einlass- und Bypassluft abgebildet;
Fig. 22 ist ein seitliches Schnittbild einer durch axial einströmender Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung, die gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 23 ist eine Frontansicht der durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 22, die einen Einlassluftregler abbildet, der aus einer beweglichen Steuerscheibe für die Düsenöffnung besteht;
Fig. 24 ist ein seitliches Schnittbild einer durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung, die mit einem integralen Bypass zum Umgehen der Turbine versehen ist und einen kombinierten Einlass- und Bypassluft-Regler aufweist, welcher durch eine bewegliche Öffnungssteuerscheibe für bestimmt wird. In der Abbildung sind eine teilweise geöffnete Düsenöffnung und eine vollständig geschlossene Bypassöffnung gleichsam im Leerlaufzustand einer Maschine abgebildet;
Fig. 25 ist ein frontales Schnittbild der Eingangsflächen der Turbinendüse der durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 24;
Fig. 26 ist ein frontales Schnittbild einer Ebene in Strömungsrichtung von einer Öffnungsplatte innerhalb der durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 24;
Fig. 27 ist ein seitliches Schnittbild einer durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 24, die eine um 50 Prozent geöffnete Düsenöffnung und eine vollständig geschlossene Bypassöffnung abbildet;
Fig. 28 ist ein frontales Schnittbild der Turbinendüseneingangsebene von der durch axiale Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 27;
Fig. 29 ist ein frontales Schnittbild durch eine Ebene in Strömungsrichtung kurz hinter der Öffnungsplatte durch eine mit axial einströmender Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 27;
Fig. 30 ist eine Seitenansicht im Schnitt der durch axial einströmender Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 24, die eine vollständig geöffnete Düsenöffnung und einen Bypass zu Beginn der Öffnung darstellt;
Fig. 31 ist ein frontales Schnittbild der Turbinendüseneingangsebene der durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 30;
Fig. 32 ist ein frontales Schnittbild der Ebene in Strömungsrichtung gerade oberhalb von der Öffnungsplatte der durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 30;
Fig. 33 ist ein seitliches Schnittbild der durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 24, die eine beispielsweise unter Volllast der Maschine um 50 Prozent geöffnete Düsenöffnung und einen vollständig geöffneten Bypass darstellt;
Fig. 34 ist ein frontales Schnittbild der Turbinendüseneingangsebene der durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 33;
Fig. 35 ist eine Frontansicht im Schnitt durch eine Ebene in Strömungsrichtung gerade oberhalb gelegen von der Öffnungsplatte der durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 33;
Fig. 36 ist eine Seitenansicht im Schnitt der durch axial einströmende Einlassluft angetriebene Wechselstromvorrichtung gemäß Fig. 24, die mit einem elektromechanischen Schrittmotorantrieb für den Betrieb der integralen Steuerungsscheibe für die Einlass- und Bypassluft versehen ist;
Fig. 37 ist eine weitere Frontansicht im Schnitt der axial einströmenden, durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromvorrichtung gemäß Fig. 24, welche den Strömungsverlauf der Luft durch das äußere Gehäuse darstellt;
Fig. 38 ist eine schematische Darstellung der Turbinendüse und der Turbinenschaufeln der durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 24, welche die Strömung der Luft durch die Düse und die Schaufeln darstellt;
Fig. 39 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer alternativen durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung, welche einen Drei- Phasen-Gleichrichter aufweist, der innerhalb des Gehäuses des Wechselstromgenerators angeordnet ist;
Fig. 40 ist ein frontales Schnittbild einer alternativen Düsenanordnung der durch axial einströmende Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung gemäß Fig. 39, die weitere Regelöffnungen innerhalb einer Düsenplatte aufweist;
Fig. 41 ist eine axiale Querschnittsansicht einer ersten Ausbildung der Erfindung mit einem äußeren koaxialen Bypassfluss und einem axialen Luftspalt- Wechselstromgenerator;
Fig. 42 ist eine Ansicht des Endes des Einganges der Ausbildung aus Fig. 41, die die Abdeckung zeigt;
Fig. 43 ist eine axiale Querschnittsansicht des Hauptgehäuses der Ausbildung aus Fig. 41;
Fig. 44 ist eine Ansicht des Einlassendes des Gehäuses aus Fig. 43;
Fig. 45 ist eine Ansicht des Einlassendes mit der Endkappe der Ausbildung aus Fig. 41;
Fig. 46 ist eine axiale Querschnittsansicht des Düsenbauteiles der Ausbildung aus Fig. 41;
Fig. 47 ist eine Ansicht des Auslassendes des Ventilbauteiles aus Fig. 46;
Fig. 48 ist eine Ansicht des abgerollten äußeren Umfanges der Düsen in dem Düsenbauteil aus Fig. 46 und 47;
Fig. 49 ist eine Endansicht des Stators der Ausbildung aus Fig. 41;
Fig. 50 ist eine axiale Querschnittsansicht des Rotors der Ausbildung aus Fig. 41;
Fig. 51 ist eine Ansicht des Einlassendes des Rotors aus Fig. 50;
Fig. 52 ist eine Ansicht des Auslassendes des Ventils zur Steuerung des Flusses von der Ausbildung aus Fig. 41;
Fig. 53 ist eine Seitenansicht der Antriebsbüchse der Ausbildung aus Fig. 41;
Fig. 54 ist eine Ansicht ist eine axiale Querschnittsansicht einer zweiten Ausbildung der Erfindung, die einen inneren koaxialen Bypassfluss und einen radialen Luftspalt - Wechselstromgenerator aufweist;
Fig. 55 ist eine Ansicht des Einlassendes der Ausbildung aus Fig. 54, die die Abdeckung zeigt;
Fig. 56 ist eine axiale Querschnittsansicht das Hauptgehäuses der Ausbildung aus Fig. 54;
Fig. 57 ist eine Ansicht des Auslassendes der Ausbildung aus Fig. 54;
Fig. 58 ist eine axiale Querschnittsansicht des Düsenbauteiles der Ausbildung aus Fig. 54;
Fig. 59 ist eine Ansicht des Auslassendes des Düsenbauteiles aus Fig. 54;
Fig. 60 ist eine Querschnittsansicht des Stators der Ausbildung aus Fig. 54;
Fig. 61 ist eine Seitenansicht des Rotors der Ausbildung aus Fig. 54;
Fig. 62 ist eine Ansicht des Auslassendes des Rotors der Ausbildung aus Fig. 61;
Fig. 63 ist eine Ansicht des Auslassendes des Ventils zur Flusssteuerung der Ausbildung aus Fig. 54;
Fig. 64 ist eine Seitenansicht der Antriebsbüchse der Ausbildung aus Fig. 54;
Fig. 65 ist eine axiale Querschnittsansicht eines Aufbaues, der einen Bypassfluss und einen radialen Luftspalt- Wechselstromgenerator aufweist:
Fig. 66 ist eine Ansicht des Einlassendes der Ausbildung aus Fig. 65, die Abdeckung zeigend;
Fig. 67 ist eine Ansicht des Einlassendes des Hauptgehäuses der Ausbildung aus Fig. 65;
Fig. 68 ist eine axiale Querschnittsansicht des Hauptgehäuses der Ausbildung aus Fig. 67;
Fig. 69 ist eine Ansicht des Einlassendes des Ventiles zur Flusssteuerung der Ausbildung aus Fig. 65;
Fig. 70 ist eine axiale Querschnittsansicht des Steuerungsventils aus Fig. 69;
Fig. 71 ist eine abgeflachte Zusatzansicht der ersten optionalen Düsenvariation;
Fig. 72 ist eine abgeflachte Zusatzansicht der zweiten optionalen Düsenvariation;
Fig. 73 ist eine abgeflachte Zusatzansicht der dritten optionalen Düsenvariation;
Fig. 74 ist eine Querschnittsansicht eines optionalen Ventilaufbaus zur Steuerung der Bypassleerlaufluft;
Fig. 75 ist eine Querschnittsansicht eines optionalen Kombinationleerlaufbypasses und eines Beipassventilsaufbaus zur Steuerung der Turbinenleistung;
Fig. 76 ist eine abgeflachte Zusatzansicht, die ein Ventil zur Steuerung der Leerlaufluft zeigt, das an der verborgenen Düse eines Düsenbauteiles ähnlich dem in Fig. 72 angreift; und
Fig. 77A und 77B weisen ein schematisches Diagramm einer elektronischen Schaltung eines Batterieladesystems und eines Turbinenreglers auf.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Unter Bezug auf die Fig. 1 bis 4a wird eine durch Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung 100, 100', 100", 100''' zur Verwendung in einer modernen Brennkraftmaschine 102 beschrieben, in die Kraftstoff durch eine Mündung einspritzbar ist. Die Wechselstromgeneratoranordnung 100, 100', 100", 103''' ersetzt eine herkömmliche, variabel einstellbare Luftansaugung oder einen Drosselkörper und bildet die Leistungssteuerung der Maschine 102. Wie im folgenden genauer beschrieben ist, weist die durch Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung 100, 100' 100", 100''' eine in der Luftansaugung angeordnete Turbine 104, 104' mit radialem oder axialem Aufbau auf und wird von ihr angetrieben. Die Turbinenanordnung 104, 104' wandelt die Änderung an kinetischer Energie in der Luftströmung durch die Leistungssteuerung der Maschine in Rotationsbewegung um, die einen elektrischen Stromerzeuger 106 oder einen Wechselstromgenerator antreibt, um elektrischen Strom zu erzeugen. Dieser Strom wird verwendet, um ein herkömmliches Ladesystem zu unterstützen, was im Folgenden näher beschrieben wird.
Wie in Fig. 1 abgebildet ist, weist die moderne V6-Maschine 102, in die Kraftstoff durch eine Mündung einspritzbar ist, eine Ansaugleitung 108 auf, die in Verbindung mit einem Luftfilter und einem Luftfiltergehäuse 110 steht, durch welche Einlass- oder Verbrennungsluft der Maschine zugeführt wird. Zwischen der Ansaugleitung 108 und dem Luftfilter 110 ist die durch Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung 100 angeordnet. Die Anordnung 100 weist eine Turbine 104 mit radialem Aufbau auf, die in den Fig. 5, 6 und 9 bis 21 abgebildet ist.
Gemäß Fig. 2 umfasst die moderne V6-Maschine 102, in die Kraftstoff durch eine Mündung einspritzbar ist, eine alternative Ausführungsform der durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung 100', 100", 103'''. Die Wechselstromgeneratoranordnung 100', 100", 100''' weist eine Turbine 104' mit axialem Aufbau auf. Wie die Wechselstromgeneratoranordnung 100 gemäß Fig. 1 ist die Wechselstromgeneratoranordnung 100', 100", 100''' an einer Ansaugleitung 108 angeordnet. In der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist ein unabhängiges Bypassventil 112 mit einer Schmetterlingskonstruktion ebenfalls an der Ansaugleitung 108 befestigt und überträgt unabhängig Verbrennungsluft in die Maschine 102. Das Bypassventil 112 ist parallel zu der Wechselstromgeneratoranordnung 100', 100''' geschaltet und wird eingesetzt, wenn die Wechselstromgeneratoranordnung 100, 100" keine unabhängigen Bypassmittel zum Umgehen der Turbinenanordnung 104, 104' durch Einlassluft aufweist. Das Bypassventil 112 kann durch die Wechselstromvorrichtung 100', 100" durch Verbindungselemente oder alternativ unabhängig gesteuert werden.
Das Blockdiagramm gemäß Fig. 3 stellt schematisch die Anordnung einer jeden der durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnungen 100, 100" innerhalb eines Batterieladesystems einer typischen Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug dar, in die Kraftstoff durch eine Mündung einspritzbar ist.
Mit weiterem Bezug auf die Fig. 3 und 4 strömt die Einlassluft der Umgebung, die durch die Strömung a dargestellt ist, durch den Luftfilter 110 ein und tritt aus als Strömung b aus. Strömung b tritt dann in die durch Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung 100, 100" ein und verläuft durch ein Kombinationsventil und eine Dreh-/Beschleunigungsdüse oder eine Turbinendüse 116 mit variablem Einlass, bevor es als Strömung c in die Turbine 104, 104' eintritt. Die Strömung c besteht aus Luft, die mit hoher, gerichteter Geschwindigkeit strömt. Die Strömung c tritt in die Turbine 104, 104' ein und wird in ungefähr axiale Richtung gelenkt. Die Austrittsströmung d der Turbine verlässt ordnungsgemäß die Turbine 104, 104' und die durch Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung 100, 100" und tritt in die Ansaugleitung 108 der Brennkraftmaschine 102 ein. Das Moment der Hochgeschwindigkeitsluft c wird durch die Turbine 104, 104' in Rotationsbewegung umgewandelt, die durch eine Welle an einen elektrischen Stromerzeuger oder eine Wechselstromgeneratorvorrichtung 106 weitergeleitet wird.
Der von der Wechselstromgeneratoranordnung 100, 100' erzeugte Wechselstrom tritt in einen Drei-Phasen-Gleichrichter 118 ein, in welchem der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird. Der aus dem Drei-Phasen-Gleichrichter 118 austretende Gleichstrom wird zu der Fahrzeugbatterie 120 mit dem Ziel geleitet, die Batterie zu laden und ebenfalls andere Zusatzgeräte innerhalb des Fahrzeuges zu versorgen. Der Abgasstrom 122 der Brennkraftmaschine 102 tritt aus als Strömung g. Ein in herkömmlicher Weise durch Riementrieb angetriebener Wechselstromgenerator 122 dient ferner dazu, die Batterie 120 zu laden und verschiedene Zusatzaggregate des Fahrzeuges zu versorgen.
Ein alternativer Pfad um die Turbinendüsen 116 mit variablem Einlass und um die Turbine 104 ist für Betriebszustände der Maschine vorgesehen, unter denen eine minimale Drosselung der Einlassluft wünschenswert ist, wie zum Beispiel dann, wenn die Maschine unter Volllast steht. Dieser alternative Pfad wird durch das Bypassventil 124 reguliert. Die gefilterte Einlassluft e wird in das Ventil 124 gelenkt und tritt als Fluss f aus, wo sie in Strömungsrichtung der Turbine 104, 104' in die Maschine 102 eintritt. Das Bypassventil 124 kann unabhängig oder integral mit dem Bypassventil 112 ausgebildet sein, welches, wie im folgenden beschrieben, in Fig. 2 dargestellt ist. Der Drei-Phasen-Gleichrichter 118 kann ebenfalls, wie im folgenden vollständiger beschrieben ist, unabhängig oder integral mit der durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung 100, 100', 100", 100''' ausgebildet sein.
In Fig. 4 wird rückgeführtes Abgas direkt ganz oder teilweise zur Einlassluft der Maschine hinzugesetzt. In dem Blockdiagramm gemäß Fig. 4a wurde ein Wärmetauscher 125 dem Ladesystem hinzugefügt, um die Wärme der Maschine von einer Vielzahl von Quellen, wie zum Beispiel Öl, Kühlmittel und Abgasen, zurückzugewinnen und diesen Wärmefluss in die Einlassluft der Maschine entweder vollständig oder zum Teil einzuspeisen. Diese heiße Luft dient zur Erhöhung der Ausgangsleistung der durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung, 100, 100', 100", 100'''.
Unter weiterem Bezug auf Fig. 1 und unter Bezug auf die Fig. 5 bis 20 weist die durch Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung 100 eine Turbine 104 mit radialem Aufbau auf und ist auf einem Gehäuse 126 montiert mit mehr Details dargestellt. Die Turbine 104 der Wechselstromgeneratoranordnung 100 umfasst einen steuerbaren Turbineneinlass oder ein Steuerventil 128, welches als ein drehbares Ventil ausgebildet ist. Die Turbine 104 umfasst darüber hinaus einen Bypass oder ein Steuerventil 130, welches als ein drehbares Ventil ausgebildet ist. Bei der Ausführungsform der dargestellten Wechselstromgeneratoranordnung 100 sind die Einlass- und Bypass- Luftsteuerungsventile mit einem kombinierten Turbineneinlass- und Bypass-Steuerungsventil 132 mit einteiligem Aufbau verbunden und in Fig. 7 abgebildet. Wie in Fig. 8 dargestellt, werden alternativ das Turbineneinlassluft - Steuerventil 128 und Bypassluft - Steuerventil 130 durch getrennte Ventile gebildet. Die Einlassluftströme sind durch die Pfeile b und c gekennzeichnet.
Unter Bezug auf die Fig. 5 und 6 weist die Wechselstromgeneratoranordnung 100 eine radiale Turbine auf, die einen axialen Luftspalt - Wechselstromgenerator antreibt. Die Turbineneinlassluft b tritt durch die Öffnung 138 in das Turbinensteuerungsventil 128 durch die Turbinedüse 140 ein und treibt die Turbinenschaufeln 142 an, die durch eine Turbinenscheibe 144 getragen werden. Die Einlassluft durchströmt die Anordnung von Turbinenschaufeln und tritt aus der durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung 100 aus. Die Turbinenscheibe 144 stellt zudem die bauliche Stütze für Magnete 146 des Wechselstromgenerators bereit. Die Anzahl der Magnete 146 wird in Übereinstimmung mit dem gewünschten Frequenzbereich der Ausgangswechselspannung der Einheit gewählt. Der Stator 148 enthält das erforderliche Eisen (backiron), die Isolierung und die Wicklungen, die zur Erzeugung von elektrischem Strom notwendig sind. Die Turbinenscheibe 144 wird getragen und positioniert durch eine stationäre Welle 150, die innerhalb des Gehäuses 126 und des Lagers 152 angeordnet ist.
Die Turbinenbypassluft e strömt durch die Öffnung 154 in das Turbinenbypass-Luftsteuerungsventil 132 ein und tritt in den Turbinenbypasskanal 164 als Fluss f ein, bevor sich dieser mit der Ausgangsluft d der Turbine vermengt und aus der Anordnung 100 austritt.
Das Bypass-Luftsteuerungsventil wird durch Radiallager 156 (torque-tube type bearings) getragen und ist konzentrisch um das Gehäuse 126 angebracht. Das Ventil 132 ist damit relativ zum Gehäuse 126 drehbar. Bei einer zweiteiligen Ausführung sind die Steuerventile 128 und 130 unabhängig voneinander relativ zueinander drehbar. Die Steuerung des Eintritts der Bypassluft für Ventil 132 ist durch den Hebel 158 vorgesehen, der an einen mechanischen oder elektromechanischen Regler angeschlossen werden kann, der weiter unten beschrieben wird. Die Zwischenräume zwischen dem Bypass-Luftsteuerungsventil 132 und dem Gehäuse 126 sind durch O-Ringe 160 abgedichtet. In dem Bypass- Steuerungsventil 132 sind Entlüftungslöcher 162 vorgesehen, um die innerhalb der Lager 156, die das Ventil tragen, auftretenden Druckunterschiede auszugleichen, die bewirken können, dass Schmierfett aus den Lagern austritt.
Der Betrieb der Wechselstromgeneratoranordnung 100 ist in den Fig. 9 bis 20 in vier ausgewählten Betriebspositionen des Bypass-Luftsteuerungsventils 132 dargestellt.
Wie aus den Fig. 9 bis 11 zu entnehmen ist, weist die Wechselstromgeneratoranordnung 100 eine radiale Turbine auf, die einen Luftspalt - Wechselstromgenerator antreibt. Hier ist die Anordnung in einer Leerlaufstellung der Maschine dargestellt, wobei die Bypassöffnung 164 verschlossen ist und nur die Turbinendüse 140 für die Strömung geöffnet ist. Die Turbinendüse 140, welche die Verbrennungsluft in die Ansaugleitung 108 weiterleitet, ist konstruktiv derart ausgebildet, um die Luftströmungsanforderungen im Leerlauf der Maschine 102 zu erfüllen. Die Strömung durch den Wechselstromgenerator 100 ist durch Pfeile dargestellt, von denen die Einlassluft mit b, die durch die Düse hindurchtretende Luft mit c und der Luftaustritt mit d gekennzeichnet sind.
Die Fig. 12 bis 14 stellen den Wechselstromgenerator 100 in einer teilweise geöffneten Drosselstellung dar, in welcher das kombinierte Einlass- und Bypass-Luftsteuerungsventil 132 im Uhrzeigersinn um 90º aus der Leerlaufposition gemäß Fig. 9 gedreht worden ist. In dieser Position ist die Turbineneinlassöffnung 138 in einer teilweisen Drosselstellung, wobei die Bypassöffnung 164 teilweise verschlossen ist und etwa 50 Prozent der gesamten Turbinendüsen 140 für die Strömung geöffnet sind.
In den Fig. 15 bis 17 wurde das Bypass-Luftsteuerungsventil 132 im Uhrzeigersinn um 180º aus der Leerlaufstellung gemäß Fig. 9 gedreht. In dieser Position gibt die Turbineneinlassöffnung 138 die Turbinendüsen vollständig frei und die Bypassöffnung 164 beginnt gerade geöffnet zu werden. Zusätzliche Einlassluft beginnt in die Wechselstromgeneratoranordnung 100 durch die Bypassöffnung 154 in den Bypasseinlass 164 einzutreten und ist durch die Strömungen e und f dargestellt.
Die Fig. 18 bis 20 stellen die volle Drosselstellung dar, in der das Bypass-Luftsteuerungsventil 132 im Uhrzeigersinn um 270º aus der Leerlaufposition gemäß Fig. 9 gedreht worden ist. In dieser Position ist die Turbineneinlassöffnung 138 zu etwa 50% und die Bypassöffnung 164 gemäß Fig. 9 ist vollständig geöffnet.
Die Fig. 21 stellt einen Wechselstromgenerator 100 dar, worin eine elektrisch angetriebene Vorrichtung 170 zur Betätigung eines Schrittmotors mit dem Einlass- und Bypass- Luftsteuerungsventil 132 verbunden ist. Der Aktuator des Schrittmotors ist in zwei Richtungen betätigbar und ist einsetzbar, um das Bypass-Luftsteuerungsventil 132 sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Auf diese Weise wird die Ansaugung der Verbrennungsluft in die Ansaugleitung 108 gesteuert.
In der in den Fig. 22 und 23 dargestellten alternativen Ausführungsform weist die durch Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung 100' eine axiale Turbine 104' zur Umwandlung der Einlassverbrennungsluft in eine Drehbewegung auf, welche den Wechselstromgenerator antreibt. Wie die Wechselstromgeneratoranordnung 100 ist der Wechselstromgenerator 100' an der Ansaugleitung 108 der Brennkraftmaschine 102 angeordnet, in die Kraftstoff durch eine Mündung einspritzbar ist.
In den Fig. 22 und 23 ist ferner dargestellt, dass die dort dargestellte durch Luft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung 100' nicht einen integralen Turbinenbypassaufbau aufweist. Deshalb ist, wie in Fig. 2 dargestellt ist, ein separater Bypass 112, der in paralleler Strömungsanordnung mit der Wechselstromgeneratoranordnung 100' angeordnet ist, ebenfalls auf der Ansaugleitung 108 angeordnet. Die Einlassluft b tritt durch die Einlassseite 174 der Anordnung ein und strömt durch die Turbineneinlassöffnung 176 in die Turbinen - Einlassluftsteuerungsplatte 178, bevor sie auf den Strömungspfad 180 der Turbinendüsen 218 trifft. Wie in Fig. 23 dargestellt, ist die Einlass- und Steuerungsplatte 178 der Turbine beweglich relativ zur Düsenanordnung 218. Die Bewegung der Turbinen - Einlassluft - Steuerungsplatte stellt die offene oder freigegebene Fläche der Düsenanordnung und der Strömung von Einlassluft in die Ansaugleitung 108 ein. Die Einlass- und Steuerungsplatte 178 der Turbine wird getragen von und dreht sich auf einer stationären Trägerwelle 182, welche gemeinsam mit Öffnungsstützlagern 184 mit der Düsenanordnung 218 verbunden ist. Die Öffnungsstützlager 184 sichern außerdem den ordnungsgemäßen Freiraum und die axiale Ausrichtung zwischen der bewegbaren Einlass- und Steuerungsplatte 178 der Turbine und der stationären Düsenanordnung 218 dar. Der O-Ring 186 begrenzt ungewollte Luftleckagen um die Turbineneinlassöffnung 176 in den Turbinendüsendurchgang 180. Die bewegbare Einlass- und Steuerungsplatte 178 der Turbine wird durch mechanische oder elektro-mechanische Verstellung in eine für den Betrieb der Maschine 102 ausgewählte Position mittels eines Kniehebels 188 bewegt.
Wie in Fig. 38 dargestellt, verlässt der Luftstrom den Düsendurchgang 180, strömt durch die Turbine 104' und tritt als Strömung d aus. Die Strömung d wird dann durch den konzentrischen Durchgang 190 geleitet, tritt aus der Wechselstromgeneratoranordnung 100' aus und tritt in die Ansaugleitung 108 der Maschine ein. Entlang des konzentrischen Durchganges 190 sind in periodischen Abständen Stützstreben 192 angeordnet, um das innere Gehäuse 194 im Verhältnis zu dem äußeren Stützgehäuse 196 abzustützen und um einen ausreichenden Abstand der Turbinenschaufeln 198 von dem äußeren Stützgehäuse 196 sicherzustellen.
Innerhalb des inneren Gehäuses 194 sind Lagerstützen 200 und ein Stator 202 des Wechselstromgenerators angeordnet. Eine Wechselstromgeneratorwelle 204 wird durch Lager 206 getragen und kann sich mit den Turbinenblättern 198 frei drehen. Die zur Erzeugung elektrischen Stroms notwendigen Permanentmagneten sind mittels herkömmlicher Mittel an der Welle 204 vorgesehen. Elektrischer Strom tritt aus der Anordnung 100' durch einen Kabelbaum 208 aus, der innerhalb geeignet gebohrter Löcher innerhalb des inneren und äußeren Gehäuses 194, 196 angeordnet ist.
Durchgänge 210 stellen sicher, dass keine entgegenwirkenden Druckgradienten auf die Lager 206 wirken, die das Schmierfett aus den Lagern treiben würde.
Die Fig. 24 bis 35 stellen eine weitere durch Einlassluft angetriebene Wechselstromgeneratoranordnung 102' mit dem axialen Turbinentyp dar, wonach die Wechselstromgeneratoranordnung eine integrale Bypassluftöffnung 212 aufweist, die in die Öffnungsplatte 178' integriert ist. Der Betrieb des Wechselstromgenerators 102' ist anhand von vier ausgewählten Betriebszuständen der kombinierten Einlass- und Bypassluftsteuerungsplatte oder Öffnungsplatte 178' dargestellt.
Die Fig. 24 bis 26 stellen einen weiteren Wechselstromgenerator 100" im Leerlauf der Maschine dar, bei welchem die Bypassöffnung 214 verschlossen ist und nur ein kleiner Abschnitt des Turbinendüsendurchgangs 180 für die Strömung offen ist. Die einströmende Luft b tritt durch die Einlassseite 174 der Anordnung 100 " ein und strömt durch die Turbineneinlassöffnung 176 in die mit Öffnungen versehene Turbinen-Einlassluft- Steuerungsplatte 178' und in die Turbinendüsenanordnung 218. Innerhalb der Turbinen-Einlassluft-Steuerungsplatte 178' ist die Bypassluftöffnung 212 vorgesehen. Der freigelegte Einlassluftströmungsbereich der Bypassluftöffnung 212 wird durch die relative Anordnung der beweglichen Turbinen-Einlassluft- Steuerungsplatte 178' und der stationären Bypassöffnung 214 bestimmt und gesteuert.
Die Fig. 27 bis 29 stellen den Generator 102' in einer teilweise geöffneten Drosselstellung dar, wobei die Turbinen- Einlassluft-Steuerungsplatte 178' im Verhältnis zu der stationären Düsenanordnung 218 um 90 Grad im Uhrzeigersinn gedreht worden ist, um einen größeren Abschnitt des Turbinendüsenströmungspfades 180 freizulegen. Diese Stellung ist um 90 Grad von der Leerlaufstellung gemäß Fig. 24 versetzt. In dieser Stellung ist die Düsenöffnung ungefähr zu 50% geöffnet, und die Bypassöffnung 214 ist verschlossen.
Die Fig. 30 bis 32 stellen ferner einen Generator 100" in einer teilweisen Drosselstellung dar. Hierbei ist die Turbinen- Einlassluft-Steuerungsplatte 178' um 180 Grad aus der Leerlaufstellung gemäß Fig. 24 gedreht worden, wobei der gesamte Eingangsbereich der Düsenanordnung freigelegt ist. In dieser Stellung beginnt die bewegbare Düsenbypassluftöffnung 212 die unterliegende stationäre Düsenbypassöffnung 214 in der Düsenanordnung 218 gerade freizulegen. Die Düsenbypassluft f, die durch die Bypassöffnung 214 strömt, vermengt sich mit der Abgasströmung der Turbine d innerhalb des Durchgangs 190 und tritt aus der Anordnung in die Ansaugleitung 108 der Maschine ein.
In den Fig. 33 bis 35 ist die Turbinen-Einlassluft- Steuerungsplatte 178' um 270 Grad, im Uhrzeigersinn aus der Leerlaufstellung gemäß Fig. 24 gedreht worden. In dieser vollständigen Drosselstellung gibt die Turbineneinlassöffnung 176 etwa 50% der Düsenöffnung frei und die Bypassluftöffnung 212 gibt die Bypassöffnung 214 der Düsenanordnung 216 vollständig frei. Die Düsenbypassluft f, welche durch die Bypassöffnung 214 strömt, vermengt sich mit der Ausgangsströmung der Turbine in dem Durchgang 190 und tritt aus der Anordnung in die Ansaugleitung 108 der Maschine ein. Die Bypassöffnung 214 ist größenmäßig derart ausgebildet, dass ihre ganze Querschnittsfläche größer ist als die gesamte Fläche des Turbinendüseneintritts. Fig. 33 stellt den Strömungspfad f durch das äußere Gehäuse 196 und den Bereich dar, in dem sich der Strom f mit dem Abgabestrom d der Turbine innerhalb des Durchgangs 190 vermengt.
Die Fig. 36 stellt den Generator 100" dar, wobei ein durch einen elektrischen Schrittmotor angetriebenes Stellglied 220 mit der kombinierten Einlass- und Bypassluftsteuerung oder Turbinen-Einlassluft-Steuerungsplatte 178' verbunden ist. Das durch einen Schrittmotor steuerbare Stellglied 220 ist in zwei Richtungen betätigbar, um die Turbinen-Einlassluft- Steuerungsplatte 178' sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn zu drehen, um die Verbrennungsluftansaugung in die Ansaugleitung 108 der Maschine zu steuern.
Fig. 39 stellt eine bevorzugte Ausführungsform einer axialen Turbine und einer axialen Luftspalt - Wechselstromgeneratoranordnung 100''' zur Anordnung innerhalb des Lufteinlasses der Maschine dar. Die Einlassluft b der Maschine tritt in die Anordnung durch den Einlass 228 ein. Eine Turbinendüse 230 lenkt die Luft in den richtigen Winkel für den Eintritt in die Turbinenanordnung um, die zum Teil durch eine Scheibe 232 und Schaufeldurchgänge 234 gebildet ist, und beschleunigt den Luftstrom. In Wirkverbindung mit einer Öffnungs- oder Regelungsplatte 236 bewirken die Drosselkabeleingänge zu Hebel 238, der mit der Öffnungsplatte verbunden ist, dass die Öffnungsplatte sich in einer Drehbewegung innerhalb des Gehäuses 240 bewegt. In Abhängigkeit von der Winkelstellung der Öffnungsplatte 236 werden einige oder alle der Einlassdüsen 230 der Turbine abgedeckt, was eine Steuerung des Luftstroms für die Maschine bewirkt und sicherstellt, dass die maximale kinetische Energie an die Turbinenscheibe und die Schaufeldurchgänge 232, 234 übertragen wird.
Die Turbinendüse 230 unter optimalen Winkel verlassend, tritt die Luft in die Turbinenschaufeldurchgänge 234 ein, wo das Moment der sich in den Turbinendurchgängen wendenden Luft ein Drehmoment auf die Scheibe 232 ausübt, die mit einer Welle 242 und darüber mit einem Rotar 244 mit Permanentmagneten verbunden ist. Die Welle wird durch Lager 246 getragen. Elektrische Leistung oder Strom wird in dem Stator 248 des Wechselstromgenerators erzeugt, während sich die Welle 242 dreht. Der Strom wird durch einen Gleichrichter 250 in Gleichstrom umgewandelt und aus dem Gehäuse 240 geführt. Die aus der Turbine austretende Luft wird durch die Wirksamkeit der Durchgangsgeometrie 252 weiter verwirbelt und tritt dann aus der Anordnung 100" aus.
Die Lager 246 können fettgeschmierte Kugellager aufweisen oder es kann wünschenswert sein, die Einheit an das Ölversorgungssystem der angeschlossenen Maschine anzuschließen. Das Öl kann in die Lager gespritzt werden, wobei die Lager die Form von entweder Kugel- oder Radiallagern aufweisen. Der Stator 248 kann zusätzliche Kühlung benötigen. Dieses kann durch den Wärmetransfer durch das Gehäuse 240 und dann zu Stützrippen 254 zur Energievernichtung der Abgasluft des Generators geschehen oder das Maschinenöl kann um den Stator 248 durch Gänge 256 geführt werden, um den notwendigen Wärmetransfer zu erreichen. Öl geschmierte Kugel- oder Radiallager erlauben schnellere Drehgeschwindigkeiten mit geringer Einbuße an Lagerlebensdauer. Höhere Drehgeschwindigkeiten ermöglichen es, die Turbine mit einem deutlich geringeren Durchmesser auszubilden.
Wenn schlechte Betriebsergebnisse entweder im Leerlauf oder unter Volllast als eine Folge von den innewohnenden Regelcharakteristika der Öffnungsplatte 236 auftreten, können kleine Lüftungsöffnungen 258 oder kleinere, aerodynamische Düsendurchgänge in die Düsen 230 eingearbeitet werden, um einen vorteilhafteren Maschinenleerlauf zu erreichen. Dieser Aufbau ist in Fig. 40 dargestellt. Alternativ kann ein herkömmliches Leerlaufluftsteuerungsventil, welches dem IAC Solenoid von General Motors ähnlich ist, zugefügt werden, um Leerlaufluft um die Düse 230 herumzuführen. Ein verbesserter Volllastbetrieb kann durch die Integration eines größeren als dem zuvor beschriebenen und in Fig. 2 dargestellten Bypass-Luftventils erreicht werden, welches durch ein Drosselkabel des Fahrzeuges geöffnet wird, wenn die Öffnungsplatte 236 alle Turbinendüsen 230 freilegt und mehr Ausgangsleistung von der Maschine 102 benötigt wird. Wie zuvor beschrieben, kann der Bypass als vollständig getrennte Ventilanordnung oder als integraler Bypass ausgebildet sein, der so abgestimmt ist, dass er öffnet, wenn die Mündung die volle Öffnung erreicht oder integral aber getrennt gesteuert sein.
Jeder der hier dargestellten, durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnungen 100, 100', 100", 100''' ist ein Dreiphasen-Permanentmagnet-Wechselstromgenerator zugeordnet. Diese Generatoren erzeugen typischerweise eine elektrische Ausgangsleistung, die, unter konstanter Last arbeitend, von der Drehgeschwindigkeit linear abhängig ist. Die Spannung ist auch als eine Funktion der elektrischen Last beeinflusst, während der durch Ansaugluft angetriebene Generator 100, 100', 100", 100''' mit einer konstanten Geschwindigkeit betrieben wird. Wenn der durch eine Turbine angetriebene Wechselstromgenerator an eine Fahrzeugbatterie angeschlossen wird, dienen die elektrischen Ladungen des Fahrzeugs in Verbindung mit der Batterie selbst dazu, die Geschwindigkeit der Turbine zu beanspruchen und zu steuern. Im Ergebnis werden die durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoren 100, 100', 100", 100''' immer bei einer Geschwindigkeit betrieben, welche die Fahrzeugbatterie auflädt und den herkömmlichen, durch die Maschine angetriebenen Generator entlastet.
Jeder der durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoren 100, 100', 100", 100''' arbeitet stets bei einer Geschwindigkeit, welche durch die Übertragungsspannung (bus voltage) des Fahrzeuges und der an der Turbine zur Verfügung stehenden Energie vorgegeben wird. Wenn an der Turbine keine Energie zur Verfügung steht, zum Beispiel bei voller Ausgangsleistung der Maschine mit minimalem Druckabfall an der Turbinendüse, so kann die Geschwindigkeit des Generators zusammen mit der Ausgangsspannung fallen. Unter diesen Umständen wird eine Entladung der Batterie in die Windungen des Generators durch die Gleichrichteranordnung verhindert.
Durch den Einsatz von durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoren 100, 100', 100", 100''' wird eine zusätzliche Kraftstoffwirtschaftlichkeit des Fahrzeuges realisiert, weil der Generator die Anforderungen an Ausgangsleistung eines herkömmlichen, von einer Maschine angetriebenen Wechselstromgenerators reduziert, dessen Effizienz typischerweise lediglich ungefähr 50 Prozent beträgt. Deshalb ist die Nettoverbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit nicht nur die durch den Wechselstromgenerator zurückgewonnene Leistung, sondern zusätzlich auch durch die 50 Prozent Ineffizienz, die verloren gegangen wären, wenn ein durch die Maschine angetriebener Wechselstromgenerator die benötigte Energie erzeugt hätte. Wenn fest steht, dass in einer bestimmten Fahrzeuganordnung die mögliche Gefahr eines Schadens aufgrund von Überladung oder hoher Spannungen entsteht, kann der Drei-Phasen-Gleichrichter durch einen ersetzt werden, der einen SCR-Brückengleichrichter aufweist, der es ermöglicht, die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators zu steuern durch die Verwendung von Techniken zur Modulation er Impulsbreite. Andere Alternativen zur Regelung der Ausgangsleistung umfassen die Verwendung von Techniken zur Modulation der Impulsbreite, um Gleichstromgerätespannung durch die Verwendung einer herkömmlichen Spannungsregelungsschaltung zu regeln.
Eine weitere Technik könnte umfassen, Zusatzladungen innerhalb des Fahrzeuges anzustellen, um zufriedenstellende Wechselstromgeneratorbelastungen zu erzeugen. Einige Belastungen, wie zum Beispiel ein Kühler/Kühlungsventilator eines Klimaanlagenkondensators könnten dann die Effizienz von anderen Fahrzeugsystemen erhöhen, wenn sie benutzt werden.
Noch eine andere Technik schließt mit ein, dass Luft um die Turbinendüse herum direkt in die Maschine geführt wird, um die Ausgangsleistung zu steuern.
Unter der Voraussetzung, dass Betriebsgeschwindigkeiten um oder unterhalb von 25.000 Umdrehungen pro Minute für eine zufriedenstellende Lebensdauer der Lager des Wechselstromgenerators gewünscht werden, wurde eine Studie unter Verwendung von herkömmlichen Betriebsdaten für die Maschine durchgeführt, um die optimale Konstruktion der Turbine zu ermitteln. Es wurde ermittelt, dass eine Turbine mit teilweiser Zuführungsweise die am zufriedenstellendste Konstruktion für die Verwendung in der offenbarten Vorrichtung darstellt. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht die Verwendung einer integralen Drosselplatte, um gleichzeitig Maschinenfluss und -Leistung mit dem standardmäßigen Gashebel des Fahrzeuges zu regeln, während eine Anzahl von für die Strömung der Turbine offenen Düsenöffnungen gesteuert werden.
Daneben hat der Einbau einer derartigen Vorrichtung auf die Einlassluft einer Brennkraftmaschine die Wirkung, dass die Lufttemperatur als Ergebnis der stattfindenden, nahezu isentropen Expansion über die Turbine und die Düse abfällt. Als Ergebnis kann an einem bestimmten Tag eine mit der durch Einlassluft angetriebenen Wechselstromgeneratoranordnung angetriebene Maschine aufgrund der geringeren Temperaturen der Einlassluft (d. h. höhere Luftdichte) mehr Leistung für die Maschine erbringen als eine Maschine, die mit einem herkömmlichen Drosselklappenventil ausgestattet ist.
Wie aus der Fig. 4 zu entnehmen ist, können die zuvor beschriebenen Turbinen- und Wechselstromvorrichtungen 100, 100', 100", 100''' eine gute Verwendung des rückgeführten Abgas und der Abgaswärme der Maschine machen, wenn der rückgeführte Anteil des Abgases in den Lufteinlass oder das Drosselsystem eingeführt wird. Durch die Einführung des rückgeführten Abgases zusammen mit der Verbrennungsluft steht zusätzliche Energie in der Form von Temperaturen zur Verfügung, um in elektrischen Strom verwandelt zu werden. Zudem ist durch die Einführung von rückgeführtem Abgas in den Einlass der Luftansaugung die Temperatur der in die Maschine einströmenden Ladeluft, welche der Wechselstromgeneratoranordnung entströmt, geringer als bei Systemen, in denen das rückgeführte Abgas in Strömungsrichtung des Einlass des Drosselsystems eingeführt wird. Eine ähnliche Wirkung findet statt, wenn die durch andere Überschussvorrichtungen erwärmte Luft in den Einlass der Luftansaugung eingeführt wird.
Die Energiegleichung, die sich auf die Änderung der isentropen Enthalpie bezieht, die für den Ausdehnungsprozess in der Turbine zur Verfügung steht, lautet:
ΔH = CP ºR (1 - 1/ER)(k-1)/k
Dabei sind:
H = Enthalpie, [J/kg](Btu/lb)
CP = spezifische Wärmeänderung, [J/kg] (Btu/lb R)
R = Einlasslufttemperatur R
ER = Expansionsverhältnis
k = Verhältnis der spezifischen Wärmen
Wie man sehen kann, besteht zwischen der absoluten Einlassluft und der spezifischen Arbeit ein Verhältnis in der ersten Potenz. Die Einführung von rückgeführtem Abgas oder anderweitig erwärmter Luft mit der Umgebungsluft hebt die Einlasslufttemperatur zu der Turbine an, was einen nahezu proportionalen Anstieg der für die Turbine zur Verfügung stehenden Energie nach sich zieht. Die zur Verfügung stehende Energie ist nur nahezu proportional, da die spezifische Wärme des Abgases geringfügig kleiner ist als die von Frischluft.
Fig. 41 und folgende zeigen drei Beispielsausbildungen der Erfindung, die entwickelt wurden, um besonders im Austausch von Drosselkörpern für die Ansaugleitungen von Brennkraftmaschinen eingesetzt zu werden, die eine Einlassmündung zur Kraftstoffeinspritzung getrennt von dem Drosselkörper aufweisen. Diese Ausbildungen haben alle einen Turbogenerator oder einen Turbowechselgenerator (TA) mit einer durch Ansaugluft angetriebenen Turbine eingebaut, die direkt einen Wechselstromgenerator antreibt, eine Luftstromkontrolle (Drossel) für die Turbine und einen Bypassdurchgang um die Turbine herum, die alle innerhalb eines Körpers eingeschlossen sind. Es ist offensichtlich, dass ebenfalls andere Anordnungen dieser signifikanten Merkmalen dieser Ausbildungen innerhalb des Bereiches der Erfindung gebildet werden können.
In Hinblick zunächst auf Fig. 41 bis 53 bezeichnen die Ziffern 300 generell eine axiale Öffnungsform des koaxialen Flusses einer Luftstromkontrollanordnung eines Wechselstromgenerators. Anordnung 300 weist einen Körper 302 auf, der vorteilhaft aus verschiedenen Bauteilen einschließlich eines Hauptgehäuses 304, einer Endkappe 306, eines Deckels 308 und eines Unterteils 310 aufgebaut ist. Innerhalb des Körpers sind ein Rotor 312, ein Stator 314, ein Düsenbauteil 316, ein Ventil 318 zur Flusssteuerung und ein Ventilbetätigungsmechanismus 320 befestigt. Der Mechanismus 320 weist eine Antriebsbuchse 322, eine Feder 324, einen Zahnbogen 326 und ein Gaspedalgestänge 328 auf.
Die Abdeckung 308 ist auf einem Einlassende des Hauptgehäuses 304 montiert und bildet einen Einlass 330, der mit einem nicht gezeigten äußeren Einlassschlauch verbindbar ist, und der eine Einlasemündung des Luftstromes bildet. Ein Vorsprung 332, der an den Einlass 330 angrenzt, trägt den Zahnbogen 326 und das verbindende Gaspedalgestänge 328. Ein Fach 334, das an den Einlass angrenzt, nimmt ein Ende einer Welle 336 auf, die einen Teil des Düsenbauteiles 316 bildet und sich entlang einer zentralen Achse 338 durch einen Einlassverteilerkanal 340 innerhalb des Hauptgehäuses 304 erstreckt.
Angrenzend an den Verteilerkanal 340, umfasst das Gehäuse 304 einen koaxialen äußeren Zylinder 342 und einen koaxialen inneren Zylinder 334, die auf der Achse 338 zentriert sind und die durch kreisförmig beabstandete Stützrippen 346 verbunden sind, um einen Ring von kreisförmig beabstandeten Flussdurchgängen mit einem zylindrischen Bypass 348 zu bilden. Ein Kabeldurchgang 350 durch die Zylinder unterbricht den Bypass 348 an einem Punkt. Eine Durchführungsdichtung 351 ist bevorzugt vorgesehen, um die Kabel zu schützen und Undichtigkeiten zu verhindern. Angrenzend an den Verteilerkanal 340, bilden die stromabwärts gelegenen Enden der Zylinder 342, 344 einen ebenen Ventilsitz 352.
Das Düsenbauteil 316 weist einen schalenförmigen Abschnitt 354 auf, der mit der Welle 336 verbunden ist, mit ihr koaxial verläuft und sie innerhalb des inneren Zylinders 344 des Gehäuses 304 aufnimmt. Eine Gruppe von fünf kreisförmig beabstandeten, genormt zusammenlaufenden Turbinendüsen 356 ist in dem Umkreis des schalenförmigen Abschnittes 354 angeordnet, wobei deren äußeren Seiten durch Schrumpfsitzanpassung mit dem inneren Zylinder 344 eingeschlossen sind. Der Stator 314, der einen stationären Eisenkern 360 mit einer Vielzahl von kreisförmig beabstandeten, elektrisch leitenden Spulen 362 aufweist, wird innerhalb des schalenförmigen Abschnittes 354 aufgenommen und gegen einen Sitz 364 gehalten, um seine Lage zu fixieren. Kabel 366, die mit den Spulen verbunden sind, laufen durch die Durchführungsdichtung 351 nach Außen.
Die Endabdeckung 306 ist zusammen mit dem Unterteil 310 am Auslassende des Gehäuses 304 befestigt. Lager 338, die in einem Fach der Endabdeckung 306 aufgenommen sind, sind drehbar auf der Achse 338 der Rotorwelle 370 des Rotors 312 angebracht. Auf der Welle 370 ist ein Turbinenrad 372 angebracht, das peripherische Schaufeln 374 aufweist, die radial zu den Düsen 356 ausgerichtet sind. Das Rad 372 trägt ebenfalls einen magnetischen Flussring 376 und eine Vielzahl von Dauermagneten 378 mit axialen Flächen, die durch einen schmalen Spalt von den Statorspulen 362 beabstandet sind. Die Endabdeckung 306 bildet ebenfalls einen äußeren Ring 380 aus Durchgängen, die mit dem Bypass 348 ausgerichtet sind, und einen inneren Ring 382 aus Diffusordurchgängen, die radial zu den Turbinenschaufeln 374 ausgerichtet sind. Beide Durchgangsringe sind mit einem Entleerungsdurchgang 384 verbunden, welcher als ein an der Endabdeckung angrenzender Kreisring beginnt und welcher einen zylindrischen Abschnitt bildet, der vorzugsweise Flussausrichter 386 an dem Ende, das an einen Flansch 388 angrenzt, oder andere geeignete Aufbauten aufweist.
Das Ventil 318 zur Flusskontrolle weist eine geschlitzte, kreisförmige Platte mit einem Steuerungsabschnitt, der gegen den Ventilsitz 352 des Gehäuses sitzt, und einen kreisförmigen Sitz 389 auf, der auf dem Wellenende des schalenartigen Abschnittes 354 des Düsenbauteiles aufgebaut ist. Durch das Ventil erstreckt sich ein kreisförmiger Schlitz 390 um weniger als einen Halbkreis und ist radial zu den Düsen 356 ausgerichtet. Der Schlitz 390 hat bevorzugt ein kegelförmig oder scharf zulaufendes Ende 391. Wenn es geschlossen ist, erstreckt sich eine kreisförmige Erstreckung 392 des Ventils 318 in einen kreisförmigen Abschnitt des Bypasses 348 hinein. Der innere Abschnitt der Erstreckung 392 ist konturiert, um eine veränderliche kreisförmige Flussfläche vorzusehen, wie sie aus dem Bypass 348 heraus entsteht. Inwendig weist das Ventil 318 Öffnungen 393 auf, um dem Bypass Luft zuzuführen.
Das Ventil 318 weist eine gerillte Nabe 394 auf, welche in Spiralnuten 395 auf einem Wellenabschnitt 396 der Antriebsbuchse 322 eingreift, auf welcher das Ventil befestigt ist. Die Buchse 322 ist auf der Welle 336 drehbar gelagert und weist ein Zahnwerk 397 auf, das durch den Zahnbogen 326 antreibend beaufschlagt wird. Der Abschnitt 326 ist mit einem Hebel 398 des Gaspedalgestänges 328 verbunden. Die Feder 324 sitzt auf einem Flansch der Antriebsbuchse 322, wobei sie an das Zahnradgetriebe 397 angrenzt und das Ventil 318 in eine Bypass-Schließrichtung gegen die Sitze 352 und 389 spannt.
Wenn auf einer Ansaugleitung befestigt, wird im Betrieb Luft durch den Einlass 330 in den Verteilerkanal 340 zugeführt, von welchem sie in Mengen, die durch das Ventil 318 bestimmt werden, durch die Turbinendüsen 356 und Schaufeln 374 oder durch den Turbinenbypass 348 strömt. Im Leerlauf ist der Bypass geschlossen und das Ventil 318 ist nahezu geschlossen so positioniert, dass nur ein spitzes Ende 391 des Luftsteuerungsschlitzes 390 mit eine der Düsen überdeckt, um einen begrenzten Leerlaufluftfluss hierdurch gegen die Turbinenschaufeln zuzulassen.
Wenn höhere Stufen an Maschinenleistungen für ein normales Stadtfahren oder eine Autobahndauergeschwindigkeit erforderlich sind, wird der Hebel 398 betätigt, um den Zahnbogen 326 zu schwenken und um die Antriebsmanschette innerhalb des Bereichs von bis zu einer halben Drehung zu drehen. Diese dreht das Ventil 318, welches durch die Vorspannung der Feder 324 gegen die Sitze 352, 359 gehalten wird, wobei der Schlitz 390 geöffnet wird, um einen angestiegenen Luftstromes durch ein fortschreitendes Anwachsen der Anzahl der Düsen 356 zuzulassen, bis der maximale Fluss durch alle Düsen erreicht ist. An diesem Punkt schlägt das Ventil 318 gegen einen Stopp 399 in dem Gehäuse 304 in, der eine weitere Drehung des Ventils verhindert. Ein schrittweises Öffnen der Ventile lässt zu, dass der Luftstrom mit einem Minimum an Drosselverlusten zu den Turbinenschaufeln befördert wird, so dass die Energie in den beschleunigten Gasen durch die Turbine absorbiert werden kann und durch den angeschlossenen Wechselstromgenerator in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dieser Prozess sieht die notwendige Steuerung des Luftstromes zu der Maschine vor, um ihre Ausgangsleistung zu steuern, wie sie von dem Betreiber durch Betätigung des Beschleunigungsgestänges gewählt wird.
Wenn zusätzliche Leistung für eine Beschleunigung, schwere Lasten oder ein Betrieb bei hoher Geschwindigkeit erforderlich ist und das Ventil 318 gegen den Stopp 399 anliegt, bewirkt eine weitere Drehung des Hebels 398, dass die Rillen 395 auf der Antriebsbuchse 322 das Ventil 318 axial gegen die Federspannung 324 bewegen. Dieses bewegt das Ventil aus seinem Sitz und lässt einen Luftstrom durch Öffnungen 353, außen an den Sitzen 389 und 352 vorbei und in den zylindrischen Bypass 348 hinein zu, welcher außerhalb der und koaxial mit dem Turbinenrad 352 und in Verbindung mit den Düsen 356 gelagert ist. Die Höhe des Bypassflusses wird durch die Kontur der ringförmigen Erstreckung 392 reguliert, wie sie außerhalb des Bypasses 348 durch Anheben des Ventils 318 entsteht. Sobald der Bypass weiter hin zur vollen Betriebslast der angeschlossenen Maschine geöffnet ist, ist die erreichbare Druckdifferenz durch die Turbinendüsen reduziert und die Erzeugung von elektrischer Energie durch einen Turbowechselgenerator begrenzt oder kann begrenzt sein, bis eine geringere Drosselklappeneinstellung gewählt wird.
In bezug nun auf die Fig. 54 bis 64 verweist Nummer 400 allgemein auf eine alternative Ausbildung einer radialen Öffnung zum koaxialen Fluss einer Luftstromsteuereinrichtung eines Turbowechselstromgenerators. Anordnung 400 weist einen Körper 402 auf, der vorteilhaft mit verschiedenen Bauteilen ausgestattet ist, die ein Hauptgehäuse 404, eine Endabdeckung 406, eine Abdeckung 408 und ein Unterteil 410 einschließen. Innerhalb des Körpers sind ein Rotor 412, ein Stator 414, ein Düsenbauteil 416, ein Stromsteuerventil 418 und ein Ventilbetätigungsmechanismus 420 montiert. Der Mechanismus 420 weist eine Antriebsbuchse 422, eine Feder 424, einen Zahnbogen 426 und ein Gaspedalgestänge 428 auf. Der Aufbau und die Arbeitsweise der Anordnung 400 sind ganz ähnlich zu denen der Anordnung 300; signifikante Unterschiede in der Ausbildung der radialen Öffnung des Wechselstromgenerators ergeben jedoch strukturale Unterschiede. Die folgende Beschreibung verweist auf Ähnlichkeiten und Unterschiede zu der Ausbildung der Anordnung 300.
Abdeckung 408 ist allgemein ähnlich mit einem Einlass 430, einem Vorsprung 432 und einem Fach 434 zur Aufnahme einer Welle 436 mit einer zentralen Achse 438, die sich durch einen Einlassverteilerkanal 440 erstreckt, wobei alles in der gleichen Beziehung wie in der vorhergehenden Ausbildung steht. Das Gehäuse 404 weist einen äußeren Zylinder 442 und einen inneren Zylinder 444 auf, die auf der Achse 438 zentriert sind, aber keine Durchgänge zwischen ihnen aufweisen. Statt dessen ist das Ventilbauteil 418 mit einer zusätzlichen äußeren Wand 445 vorgesehen, von welcher sich die Stützrippen 446 nach innen erstrecken, um teilweise einen Ring von kreisförmig beabstandeten Durchgängen zu bilden mit einem auf der Achse 438 zentrierten zylindrischen Bypass 448. Seitlich angeordnete Öffnungen durch die Wände 442, 444, 445 bilden einen Kabeldurchgang 450 und das stromaufwärts gelegene Ende des inneren Zylinders 444, der einen Ventilsitz 452 bildet. Wie zuvor, schließt das Düsenbauteil 416 einen schalenförmigen Abschnitt 454 ein, der mit der Welle 436 verbunden und koaxial zu ihr ist und der in dieser Ausbildung mit den Stützrippen 446 verbunden ist, um den koaxialen Bypass 448 zu bilden. Auf dem Umfang der äußeren Wand 445 des Düsenbauteils 416 sind fünf Turbinendüsen 456 ausgebildet, die ähnlich wie diese der vorhergehenden Ausbildung gebildet und angeordnet sind und die einfache, nicht gezeigte Leitschaufeln einschließen. Der Stator 414 weist einen stationären Eisenkern 460 mit einer Vielzahl von ringförmig beabstandeten elektrisch leitenden Spulen 462 auf, welche in diesem Fall in im wesentlichen zylindrischer Weise um den Rotor 414 angeordnet sind. Der Statorkern 460 ist innerhalb des schalenförmigen Abschnittes 454 durch Schrumpfung angepasst, um seile Lage zu fixieren. Kabel 466, die mit den Spulen verbunden und, laufen durch die Öffnung 450 hinaus.
Die zuvor, ist die Endabdeckung 406 zusammen mit dem Unterteil 410 an dem Auslassende des Gehäuses 404 befestigt. Lager 468 sind aufgenommen, das eine in einem Fach der Endabdeckung 406 und das andere in einem ähnlichen Fach in dem schalenförmigen Abschnitt 454 des Düsenbauteiles 416. Die Lager 468 halten eine Rotorwelle 470 des Rotors 412 zur Drehung um Achse 458. Ein Turbinenrad 472 das peripherische Schaufeln 474 aufweist, die radial zu den Düsen 456 ausgerichtet sind, ist auf einem Ende der Welle 470 befestigt. Das Rad 472 weist nach innen verschiedene Öffnungen 475 auf, die mit dem Bypass 448 in Verbindung stehen. Die Welle 470 trägt ebenfalls einen magnetischen Kern 476, eine Vielzahl von Dauermagneten 478 mit radialen Oberflächen befestigend, die mit einem schmalen Spalt von den Statorwicklungen 462 beabstandet sind. Die Endabdeckung 406 umfasst ebenfalls einen halben Ring 480 von Öffnungen, die in Verbindung mit den Bypassöffnungen 475 des Turbinenrades stehen. Ein ergänzender halber Ring aus Diffusor-Durchgängen ist in der Endabdeckung vorgesehen, die zu den Turbinendüsen 456 ausgerichtet sind. Beide halben Ringe sind, ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausbildung, mit einer Entleerungspassage 484 verbunden und schließen Flussausrichter 486 in einem Flansch 488 oder seiner Entsprechung mit ein.
Ungleich der vorhergehenden Ausbildung ist das Flusssteuerventil 418 im großen und ganzen schalenförmig mit einem flanschähnlichen Steuerabschnitt, der gegen den Ventilsitz 452 des Gehäuses und einen ringförmigen Ventilsitz 489 sitzt, der auf der Ventilaußenwand 445 gebildet wird. Wie in der vorgehenden Ausbildung ist ein bogenförmiger Schlitz 490 mit einem scharf zulaufenden Ende 491 in dem Ventil angeordnet. Eine kreisförmige Ausdehnung 492 des Ventils erstreckt sich innerhalb des Schlitzes 490, wenn er geschlossen ist, in einen kreisförmigen Einlassabschnitt des Bypasses 448 hinein. Der äußere Abschnitt der Ausdehnung ist konturiert, um eine veränderliche Bypassflussfläche vorzusehen.
Alles wie in der vorhergehenden Ausbildung, weist das Ventil 418 ebenfalls eine gerillte Nabe 494 auf, die in Spiralnuten auf einem Wellenabschnitt 496 der Buchse 422 eingreift, welche ein Ritzel 497 einschließt, das durch einen Zahnbogen 426 angetrieben wird, der mit einem Hebel 498 des Gaspedalgestänges 428 verbunden ist. Wie zuvor, spannt die Feder 427 das Ventil 418 in eine Bypassschließrichtung, und ein Stopp 499 auf dem Gehäuse 404 begrenzt die Drehung des Ventils.
Die Arbeitsweise der Steuereinrichtung 400 des Turbowechselstromgenerators ist ähnlich der Anordnung 300 mit dem einzigen funktionalen Unterschied, dass der konzentrische Bypassfluss innerhalb, anstatt wie zuvor außerhalb der Düsen durchläuft.
Nun in bezug auf Fig. 65 bis 70 verweist die Zahl 500 indes allgemein auf einen Aufbau mit einer radialen Öffnungsform des parallelen Flusses einer Luftstromsteuerungseinrichtung mit Turbowechselstromgenerator. Anordnung 500 weist einen Körper 502 auf, der, wie zuvor, aus verschiedenen Elementen besteht, die ein Hauptgehäuse 504, eine Endabdeckung 506, eine Abdeckung 508 und ein Unterteil 510 einschließen. Innerhalb des Körpers ist ein Rotor 512, ein Stator 514, ein Ventilbauteil 516, ein Flusssteuerungsventil 518 und ein Ventilbetätigungsmechanismus 520 befestigt. Der Mechanismus 520 weist ein Ritzel 522, einen Zahnbogen 526 und ein Gaspedalgestänge 528 auf. Der Aufbau und die Arbeitsweise der Anordnung 500 sind ganz ähnlich der der Anordnung 400; jedoch haben Unterschiede in dem axialen Bypass in dem Körper strukturelle Unterschiede zur Folge. Die folgende Beschreibung verweist auf Ähnlichkeiten und Unterschiede zu der Ausbildung der Anordnung 400.
Abdeckung 508 ist ein wenig ähnlich mit einem Einlass 530, einem Vorsprung 532 und einem Fach 534 zur Aufnahme der Welle 536 mit einer zentralen Achse 538, die sich durch einen Einlassverteilerkanal 540 erstreckt. Das Gehäuse 504 weist einen äußeren Zylinder 542 und einen inneren Zylinder 544 auf, die auf der Achse 538 zentriert sind, wobei aber wiederum keine Durchgänge zwischen ihnen existieren. Das Ventilbauteil 516 ist jedoch mit einer zusätzlichen äußeren Wand 545 vorgesehen, von welcher sich Stützrippen 546 nach innen erstrecken. Ungleich der vorhergehenden Ausbildungen sind dort keine koaxialen Bypassdurchgänge. Statt dessen ist der äußere Zylinder 542 an einem Ende entlang einer Seite mit einem Bypasszylinder 548 verbunden, der auf einer Achse 549 zentriert ist, die von und parallel zu der zentralen Achse 538 beabstandet ist. Seitlich angeordnete Öffnungen durch die Wände 542, 444 bilden eine nicht gezeigte Kabelmündung und das stromaufwärts gelegene Ende des inneren Zylinders 544 bildet einen Ventilsitz 552.
Wie zuvor schließt das Düsenbauteil 516 einen schalenförmigen Abschnitt 554 ein, der mit der Welle 456 verbunden ist und axial zu der Welle 456 ist und der in dieser Ausbildung mit den Stützrippen 546 verbunden ist. In der Peripherie der äußeren Wand 545 des Düsenbauteils 516 sind fünf Turbinendüsen 556 ausgebildet, die ähnlich denen der vorhergehenden Ausbildung gebildet und angeordnet sind und ähnliche, nicht gezeigte Leitschaufeln aufweisen. Der Stator 514 ist identisch zu dem der Ausbildung 400, wobei er einen stationären Eisenkern 560 mit Spulen S62 aufweist und durch Schrumpfung innerhalb des schalenförmigen Abschnittes 554 angepasst ist, um seine Position zu fixieren. Nicht gezeigte Kabel verbinden die Spule 562 und laufen durch die Kabeldurchgänge hinaus, die wie in den vorhergehenden Abbildungen nicht gezeigt sind.
Wie zuvor ist die Endabdeckung 506 zusammen mit dem Unterteil 510 am Auslassende des Gehäuses 504 befestigt. Eines der Lager 568 ist in einem Fach der Endabdeckung 506 und das andere in einem ähnlichen Fach in dem schalenförmigen Fach 454 des Düsenbauteils 516 aufgenommen. Die Lager 568 tragen eine Rotorwelle 570 des Rotors 512. Ähnlich wie der Rotor 412 der Ausbildung 400 aufgebaut und angeordnet, weist der Rotor 512 ein Turbinenrad 572 mit Schaufeln 574 und einer Welle auf, die einen magnetischen Kern 536 mit befestigten Dauermagneten 578 trägt, die mit einem schmalen Spalt von dem Statorboden 562 beabstandet sind. Es sind jedoch in Anbetracht des parallelen Bypasses 548 dort keine konzentrischen Bypassöffnungen in dem Rotor oder in der Endabdeckung 506 vorhanden. Ein halber Ring aus Diffusordurchgängen 582 sind in der vereinfachten Endabdeckung vorgesehen, die mit den Turbinendüsen 556 ausgerichtet sind. Die mit einem Entleerungsdurchgang 584 verbundenen Durchgänge in dem Unterteil 510 weisen einen Ausgang mit Flussausrichtern 586 auf, die in einem Flansch 588 oder in etwas dem Entsprechenden angeordnet sind. Der Ausgang und der Flansch 588 sind auf der parallelen Achse 549 in Ausrichtung mit dem Bypassdurchgang 548 zentriert.
Wie in der vorherigen Ausbildung 400 ist das Flusssteuerungsventil 518 generell schalenförmig, wobei es einen flanschförmigen Steuerungsabschnitt aufweist, der gegen den Ventilsitz 552 des Gehäuses sitzt, und einen ringförmigen Ventilsitz 589, der auf der Düsenaußenwand 545 ausgebildet ist. Ein bogenförmiger Schlitz 590 mit einem scharf zulaufenden Ende 591 ist, wie in den vorhergehenden Ausbildungen, in dem Ventil angeordnet. Ungleich der vorhergehenden Ausbildungen wird der Fluss durch den Bypass 548 durch ein Drosselventil (butterfly valve) 592 im Gehäuse gesteuert. Der Einlass 530 in der Abdeckung 508 und der Auslass im Flansch 588 sind bevorzugt nach dem Bypass 548 auf der Achse 549 ausgerichtet, um die Flussverluste während des Vollleistungsbetriebes der Maschine zu minimieren. Das Flusssteuerungsventil 518 wird zur Flusskontrolle durch ein integrales Ritzel 522 gedreht, welches durch einen Zahnbogen 526 angetrieben wird, der mit einem Hebel 598 des Gaspedalgestänges 528 verbunden ist.
Der Betrieb der Steuerungseinrichtung 500 des Turbowechselstromgeneratars ist nahezu gleich dem der Anordnungen 300 und 400. Er ist jedoch durch das Weglassen einer axialen Bewegung des Stromsteuerungsventils 518 vereinfacht, da es nicht den Bypassfluss steuert. Statt dessen wird das Drosselventil 592 durch ein äußeres Gestänge oder andere Mittel entsprechend gesteuert, um den Bypassfluss zu kontrollieren und dieselben Ergebnisse wie in dem Betrieb der vorhergehenden Ausbildungen liefern.
Während unterschiedliche Aspekte der drei Ausbildungen dargestellt und im Detail beschrieben worden sind, sollte es selbstverständlich sein, dass Variationen dieser Eigenschaften erzielt werden können, wenn es gewünscht ist. Zum Beispiel könnte ein axialer Luftspalt-Wechselstromgenerator wie in der ersten Ausbildung mit einem parallelen Bypasspfad wie in der dritten Ausbildung kombiniert werden. Zusätzlich sind verschiedene beschriebene oder optionale Eigenschaften der Anordnungen gleich oder zumindest ähnlich in der Bauart. Einige dieser gemeinsamen Eigenschaften werden nun beschrieben werden:
Eine gemeinsame Eigenschaft ist der in Fig. 48 dargestellte Düsenflusspfad, welcher allen Ausbildungen gemeinsam sein kann. In dieser Version sind alle fünf Düsen 356 zusammenlaufende Düsen derselben Größe, die ausgewählt sind, um eine hohe Umsetzungsrate zu erzielen, wenn der Betrieb vollständig geöffnet ist. Die Düsen sind durch Drehung des Steuerungsventils nacheinander geöffnet, so dass nicht mehr als eine der Düsen den Fluss hintereinander beschränkt hat. Auf diesem Wege wird die wirkungsvollste Energieumwandlung erzielt.
Fig. 71 bis 73 stellen drei optionale Variationen in den Düsen dar, welche in jeder der Turbowechselstromgeneratoren für die aus Fig. 48 ersetzt werden könnten, wenn es erwünscht ist. In Fig. 71 weist das Düsenbauteil 600 fünf Düsen auf, von welchen die letzten vier Düsen 356 ähnlich denen aus Fig. 48 sind. Jedoch eine Düse 602, welche zuerst durch das Steuerungsventil geöffnet wird oder welches kontinuierlich geöffnet ist, wird prinzipiell für die Leerlaufsteuerung verwendet. Sie ist schmaler ausgebildet, um den meisten Anforderungen des Leerlaufluftflusses der Maschine zu genügen und kann eine Geometrie annehmen, die für Überschallfluss geeignet ist. Diese erlaubt eine höhere Flussgeschwindigkeit für den Betrieb bei Leerlauf oder in Leerlaufnähe.
Fig. 72 stellt eine andere Variante dar, in welcher ein Düsenbauteil 604 fünf Düsen 356 und eine verborgene Ultraschalldüse 606 aufweist, welche separat versorgt und für den Leerlaufbetrieb gesteuert wird. Höhere Flussgeschwindigkeiten bei Leerlauf oder in Leerlaufnähe können ohne den Hochleistungsflussbereich zu vermindern erzielt werden. In Fig. 73 kombiniert ein anderes alternatives Düsenbauteil 608 vier große Düsen 356 und eine schmalere Düse 602 mit einer verborgenen Überschalldüse 606. Diese Kombination kann eine höhere Flussrate für die Erzeugung von Elektrizität bei geringer Maschinenleistung und Leerlaufeinstellungen mit größerer Umwandlung von normalen Drosselverlusten in nützliche elektrische Energie aufweisen.
Jedes geeignete Verfahren kann für die Positionierung des Flusssteuerventils und, wo es eingesetzt wird, für das separate Bypassventil genutzt werden Das Ritzel und der Zahnbogen stellen gegenwärtig eine Form dar, die ausgewählt wurde, weil sie zulässt, dass sich ein äußerer Hebel, der mit einem nicht gezeigten Gaspedalkabel verbunden ist, um die interne Drossel um 180º mit geringerer Drehung des Hebels dreht. Eine zusätzliche Drehung der Antriebsbüchse in der koaxialen Bypassausführung ist ebenfalls vorgesehen. Eine vollständige oder teilweise elektrische Steuerung durch einen Computer an Bord der Maschine kann ebenfalls vorgesehen sein.
In Fig. 74 ist ein Steuerungsventil 610 für die Bypassleerlaufluft gezeigt, das auf einem Gehäuse 612 einer koaxialen Bypassanordnung, ähnlich dem der 400er, aufgebaut ist. Ventil 610 schließt einen Ventilstöpsel 614 ein, der durch einen Aktuator 616 betätigt wird und der eine Leerlaufbypassöffnung schließt, durch welchen die Turbineneinlassluft um die Turbine herum vorbeigeführt werden kann. Eine Mikroprozessorsteuerung des Bypassventilstöpsels 614 könnte eine mechanische Einstellung einer Unterleerlaufgeschwindigkeit des Turbinenflusssteuerungsventils (z. B. 418) unterstützen, um eine Leerlaufgeschwindigkeitssteuerung mit aber einigen zusätzlichen Drosselverluste zu erhalten.
Ein ähnliches, aber größeres Ventil 610 könnte eingesetzt werden, um die Ausgangsleistung der Turbine zu steuern und eine Überlastung eines Systems zu verhindern. Der Mikroprozessor würde das Ventil variabel öffnen, wenn es durch die elektrischen Systembedingungen erforderlich ist, um während eines teilweisen Schließens des Turbinenflusssteuerventils konstante Maschinenbedingungen aufrechtzuerhalten. Dieses sieht ein elektronisch gesteuertes Verfahren einer mechanischen Regelung der Ausgangsleistung des Turbowechselstromgenerators vor.
Fig. 75 stellt eine Kombination des Leerlaufbypasses und des Bypassventils 616 zur Steuerung der Turbinenleistung dar. Ein Aktuator 618 treibt einen Ventilstöpsel 620 für Leerlaufluft an, welcher beweglich innerhalb eines Bypassventilstöpsels 622 gelagert ist, um den Leerlaufluftstrom durch den Bypassstöpsel 622 zu steuern. Eine Feder 624 hält den Bypassstöpsel 622 geschlossen, bis der Leerlaufstöpsel 620 gegen eine schwächere Leerlaufstöpselfeder 626 weit genug geöffnet ist, um den Bypassstöpsel 622 zu beaufschlagen, um seine Öffnung zu erzwingen.
Ein alternatives Verfahren zur Steuerung der Leerlaufluft wird in Fig. 76 dargestellt, wo ein Leerlaufluftventil 628 aufgebaut ist, um den Leerlaufluftschluss von dem Turbineneinlass (z. B. 440) zu einer verborgenen Überschalldüse 606 zu steuern. Mit diesem Aufbau wird die Leerlaufluft insgesamt in die Turbine geleitet, um eine maximale Leistungserzeugung beim Leerlauf zu erhalten.
Fig. 77A und 77B zeigen ein elektronisches Verfahren zum Integrieren einer Spannungsregelung eines Turbinenwechselstromgenerators und eines Maschinen getriebenen Wechselstromgenerators, um den Maschinen getriebenen Wechselstromgenerator in einen Ergänzungsmodus zu zwingen. Der Kreis des Batterieladesystems, einen elektronischen Reglers 630 einschließend, ist entworfen, um parallel mit den zuvor beschriebenen mechanischen Steuerungen zu arbeiten. Der Regler 630 ist angeschlossen, um Signale zu einem Fahrzeugmikroprozessor bereitzustellen, die mechanischen Steuerungen einzustellen und als ein Kurzzeitspannungsregler zu dienen. Der Regler steuert die Systemspannung in einem Fahrzeug mit sowohl einem Turbowechselstromgenerator (TA) mit Dauermagnet als auch einem Maschinen getriebenen Wechselstromgenerator mit veränderbarem Feld. Die Ausgangsspannung des TA wird durch Turbinengeschwindigkeit und Last bestimmt. Die Ausgangsspannung des Maschinen getriebenen Wechselstromgenerators wird durch Verändern des Stromes des Wechselstromgeneratorfeldes gesteuert. Die beiden Wechselstromgeneratoren werden zusammen eingesetzt, um einen stabilen, hocheffizienten Ausgang bei allen Fahrbedingungen des Fahrzeuges bereitzustellen.
Der Regler 630 steuert den TA bei einer eingestellten Spannung V1 so lange wie der TA in der Lage ist, genügende Leistung zu erzeugen, um die Systemspannung auf diesem Pegel zu halten. Falls die Leistung des TA unzureichend ist, wird die Systemspannung auf einen geringeren Pegel V2 abfallen, an welchem Punkt der Maschinen getriebene Wechselstromgenerator angesteuert sein wird, um die Spannung V2 aufrechtzuerhalten. Wenn der TA wieder fähig ist, die Systemspannung zu V1 anzuheben, wird die Ausgangsleistung von dem Maschinen getriebenen Wechselstromgenerator reduziert sein.
Die Ausgangsspannung von dem Turbinenregler 630 wird anfänglich durch Abfragen und Abführen der überschüssigen Leistung gesteuert, die durch den TA erzeugt wird. Der Regler begrenzt den DC- Ausgang auf einen eingestellten Pegel und stellt einen analogen Ausgang proportional zum Nebenschlussstrom bereit. Das analoge Ausgangssignal wird genutzt, um ein Bypassventil oder andere Mittel einzustellen, um den Luftstrom zur Turbine zu steuern, um so einen eingestellten durchschnittlichen Strompegel durch den Nebenschlussregler zu erhalten. Dies stellt ein schnell handelndes elektronisches Kurzzeiterfahren zur Spannungsregelung für den TA, welches in Verbindung mit und zur Unterstützung der mechanischen Bypassventilsteuerung arbeitet.
Die Ausgangsspannung des Maschinen getriebenen Wechselstromgenerators wird durch Veränderung des Erregerstromes des üblichen Fahrzeug - Wechselstromgenerators gesteuert. Der Regler 630 hat einen Überspannungs- und einen Übertemperaturschutz eingebaut und sieht ein digitales Zustandsausgangssignal vor, welches die Abschaltbedingung bei Übertemperatur anzeigt.
In bezug auf Fig. 77A und 77B, die das eine Leistungsversorgung darstellende Schaltungsdiagramm des Batterieladesystems zeigen, enthält Block 631 eine Schaltungsanordnung für einen Übergangsschutz, eine Filterung, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Referenzspannung und einen geschalteten Zündungseingang, um die Ruhestromentnahme zu vermindern, wenn die Zündung ausgeschaltet ist.
Block 632, eine Steuerungsschaltung, enthält einen Verstärker U1A, welcher die Spannungsdifferenz zwischen Vref und einer zur Batteriespannung proportionalen Spannung durch R1, R2 und R3 abfragt. Diese Fehlerspannung wird durch U1A verstärkt und dann auf die Gates von Q1-Q4 angewandt, welche den drain/source- Widerstand von Q1-Q4 steuert, wodurch die Batteriespannung durch Abführung jeglicher Überschussleistung gesteuert wird, welche verursachen würde, dass die Ausgangsspannung über einen eingestellten Pegel V1 steigt.
Block 633, eine Schaltung zur Strombegrenzung, schließt einen Verstärker U1B ein, der den Spannungsabfall über R5 abfragt, um einen übermäßigen Stromfluss durch die Transistoren zu vermeiden. Die Ströme durch Q1-Q4 werden vergleichbar sein, so dass ein Messen des Stromes durch eine der Vorrichtungen ein geringeres Abführen von Leistung in dem Abfragewiderstand R5 ergeben wird.
Block 634, eine Stromabfrageschaltung, verstärkt den Spannungsabfall über R5, um eine analoge Spannung proportional zum Strom durch Q4 bereitzustellen, welche proportional zum Leistungsverlust durch den Regler sein wird. Diese Spannung wird gebraucht, um eine Vorrichtung (z. B. ein Bypassventil) anzutreiben, welches den Luftstrom zur Turbine steuert. Dies lässt es zu, dass die Turbinenausgangsleistung auf den Wert gesteuert sein wird, der einen minimalen Stromfluss durch Q4 ergibt.
Block 635, eine Schaltung zum Abschalten bei Überhitzung, benutzt Verstärker U1D und NTC R14, um die Temperatur der Wärmesenke abzufragen und die Transistoren Q1-Q4 im Falle einer übermäßigen Wärmesenkentemperatur abzuschalten. Von diesem Block wird bei offenem Kollektor ebenfalls ein digitales Signal ein Ausgangssignal ausgehen. Dies kann genutzt werden, um eine Außer-Kontrolle-Regler-Bedingung zu quantisieren und/oder die Luftstromsteuerungseinrichtung anzuweisen, ein Minimum an Luftstrom zur Turbine zu liefern.
Block 636, eine Rückkopplungs-Divisions-Schaltung, benutzt R1, R2 und R3, um das Verhältnis zwischen V1, der Turbinenausgangsspannung, und V2, der Spannung des Maschinen getriebenen Wechselstromgenerators, einzustellen. C1 und C2 werden zum Zwecke der Rauschfilterung und zum Festlegen des Frequenzganges genutzt.
Block 637, eine Steuerungsschaltung für einen Maschinen getriebenen Wechselstromgenerator, weist U2A auf, welcher die Spannungsdifferenz zwischen Vref und der Spannung von Block 636 abfragt, welche proportional zur Batteriespannung ist. U2A verstärkt die Differenz und treibt Q5 an, um den Erregerstrom des Wechselstromgenerators und dadurch die Höhe der Ausgangsspannung V2 zu steuern. Somit ist ein elektronisches Verfahren zur Integration der Spannungsregelung des Turbowechselstromgenerators und des Maschinen getriebenen Wechselstromgenerators vorgesehen, um den Maschinen getriebenen Wechselstromgenerator in einen Ergänzungsmodus zu zwingen.
Block 638, eine Schaltung für den Maschinen getriebenen Wechselstromgenerator, besteht aus einem von einem Keilriemen angetriebenen Wechselstromgenerator und einer Gleichrichteranordnung, die genutzt wird, um den Wechselgeneratorausgang sowohl für die Batterie als auch für die Felderversorgungsleistung von AC zu DC umzuwandeln.
Block 639, ein Zündungsanzeige- und Batterieschaltkreis, stellt den Zündungsschalter, die Batterie und die Anzeige dar, welche Fehler im Ladesystem anzeigt.
Block 640, eine Schaltung für einen Turbinenwechselstromgenerator und einer Gleichrichteranordnung, besteht aus der TA und der Gleichrichteranordnung, welche die TA-Ausgangsspannung von AC zu DC umwandelt. Die Benutzung von BR1 zusätzlich zu BR2 stellt sicher, dass der Nebenschlussregler nur Leistung abführt, die durch den Turbinenwechselstromgenerator erzeugt wird und keine Leistung, die durch irgend eine andere Quelle erzeugt wird.
Einige Überlegungen hinsichtlich des Aufbaues und des Gebrauchs der beschriebenen Turbowechselstromgeneratorsysteme werden unten diskutiert.
Um die Masse bei einem Minimum zu halten, kann die Turbine aus Leichtmetall, wie Aluminium oder Magnesium, oder aus spritzgegossenem Kunststoff, gefertigt sein. Falls ein metallener Rotor erforderlich ist, können folgende Konstruktionen angewandt werden, um zu verhindern, dass im Fall einer reibenden Bewegung Metallsplitter gebildet werden und in die Maschine eindringen:
A. Das Gehäuse am äußeren Durchmesser der Turbine könnte verringert werden und der verringerte Abschnitt mit nicht-abrasivem, abschälbarem und verbrennbarem Material gefüllt werden. Im Falle einer geringfügigen Reibbewegung würde die Beschichtung weggeschält werden und die Maschine als Verbrennungsprodukt verlassen.
B. Ein ähnliches Verfahren könnte sein, einen Kunststoffring zu gießen, der in ein Profil oder einen ringförmigen Kanal angepasst sein könnte, an dem äußeren Durchmesser der Turbine angeordnet ist. Der Ring würde bemessen sein, um das richtige Spiel der Spitze von der Turbine über den Bereich der Betriebsbedingungen vorzusehen. Der kreisförmige Ring ist bevorzugt aus Kunststoff mit einem Ausdehnungskoeffizienten gegossen, der kompatibel mit der Turbine ist. Ein hochverformbares, amorphes Harz, wie z. B. ein Polyehterimid (GE plastics Ultern 4000) kann für diese Anwendung eingesetzt werden.
In den Fällen, wo ein Sensor für die Drosselposition benötigt wird, können Befestigungsmöglichkeiten über einen Gestängezapfen angeordnet sein. Diese Maßnahmen können Mittel sowohl zum Befestigen eines feststehenden Bauteiles als auch eines beweglichen Bauteiles des Sensors, umfassen.
Einige Einheiten werden Maßnahmen erfordern, um ein Instrumentarium für den Luftstrom hinzuzufügen. Alternativ ist es möglich, einen turbinenbetriebenen Wechselstromgenerator zum Erfassen des Massenstroms zu nutzen, da er Informationen über den Massenluftstrom als Funktion des elektrischen Ausganges, des Wirkungsgrades Turbine/ Wechselstromgenerator, des Druckabfalls über die Turbine/den Diffusor, der Einlasslufttemperatur und des Barometerdruckes erzeugen kann.
Unter Benutzung der isentropen Enthalpiegleichung, des Wirkungsgrades der Maschine (empirisch gemessen), des Barometerdruckes, der Einlasslufttemperatur und der Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators kann der Massenstromfluss unter Benutzung folgender Beziehung berechnet werden:
M = Es/(H · Me · ACF)
wobei:
M = Massenluftstrom
Es = Ausgangsenergie des Systems, Btu
H = Enthalpie, Btu/lb
Me = Wirkungsgrad des Turbinenwechselstromgenerators
ACF = Korrekturfaktor für die Luftdichte (ACF = Quadratwurzel 0,073/Pa)
Pa = Dichte der Umgebungsluft
Ein Nebenprodukt der Umwandlung der Energie zur elektrischen Leistung ist eine kältere Luftmasse, die an die Maschine geliefert wird. Wenn die Eingangsluft der Turbine nicht vorerhitzt ist, ist es möglich, dass sich stromabwärts der Turbine Eis bildet. Ein Vorerhitzen der Luft hilft nicht nur allein, ein Vereisen zu verhindern, sondern es bewirkt auch, dass das Potential an elektrischer Ausgangsleistung anwächst. Hitzequellen zum Vorheizen der Turbineneinlassluft beinhalten, ohne aber darauf begrenzt zu sein: Auspuffrohr, Auspuffgas, Kühleraustauschluft, Maschinenkühlung oder Hitzerückgewinnung durch mechanische oder Elektrische Vorrichtungen.
Obwohl die Erfindung in bezug auf verschiedene bestimmte Ausbildungen beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass zahlreiche Veränderungen innerhalb des Bereiches des beschriebenen erfindungsgemäßen Konzeptes gemacht werden können. In dieser Hinsicht ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungen begrenzt ist, sondern dass sie den vollen Umfang besitzt, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche definiert wird. Der Begriff Turbowechselstromgenerator, wie er in den Ansprüchen benutzt wird, soll Turbinen getriebene Generatoren einschließen, welche elektrische DC-Leistung erzeugen, so gut wie solche, die AC-Leistung bereitstellen.

Claims

1. Turbowechselstromgenerator und Einrichtung zur Luftstromkontrolle (300, 400) zur Befestigung auf eine Verbrennungsluftansaugung einer Brennkraftmaschine (102), mit:

Einem Gehäuse (302, 402), welches einen Einlass und einen Auslass aufweist und welches dazwischen einen Pfad für den Luftstrom genau vorgibt;

einem Ventilträger (316, 416) in dem Gehäuse (302, 402) und festlegend eine Vielzahl von Turbinendüsen (356, 456), die bogenförmig um und grundsätzlich parallel zu einer zentralen Achse angeordnet sind, wobei die Düsen Einlass- und Auslassenden aufweisen und einen Abschnitt des Luftstrompfades bilden;

einem Düsenventil (318, 418), welches einstellbar ist, um fortschreitend eine oder mehrere der Düsen (356, 456) zu begrenzen oder zu schließen, um den Luftstrom gegen Turbinenschaufeln (374, 474) durch die Düsen (356, 456) zu kontrollieren;

einem Rotor (312, 412), der zur Drehung um die zentrale Achse gelagert in dem Gehäuse (302, 402) eingebaut ist und antreibend mit einem elektrischen Generator verbunden ist und ein Turbinenrad mit den Schaufeln (374, 474) einschließt, die sich hieran axial anschließen und radial zu den Düsen (356, 456) ausgerichtet sind;

einem Bypassdurchgang (348, 448) in dem Gehäuse (302, 402), der den Einlass und Auslass getrennt von den Düsen (356, 456) miteinander verbindet;

einem Bypassventil im Bypassdurchgang (348, 448), das ausgelegt ist, den Luftstrom durch den Bypassdurchgang (348, 448) zu kontrollieren;

dadurch gekennzeichnet, dass der Bypassdurchgang (348, 448) einen ringförmigen Einlass aufweist, der im wesentlichen die Achse umgibt und auf dieser zentriert ist.

2. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenventil (318, 418), einstellbar ist, um eine oder mehrere der Düsen (356, 456) und den Einlass des Bypassdurchgangs zu begrenzen oder zu schließen, um den Luftstrom zu den Turbinenschaufeln (374, 474) und durch den Bypassdurchgang (348, 448) getrennt zu kontrollieren.

3. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil (318, 418) und das Düsenventil (318, 418) ein einzelnes Ventilteil aufweisen, das sich axial bewegt, um den Bypassstrom zu kontrollieren, und eine Drehoszillation um die Achse ausführt, um den Luftstrom zu den Turbinenschaufeln (374, 474) zu kontrollieren.

4. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenventil (318, 418) einen bogenförmigen Flusskontrolldurchgang aufweist, der in oder aus einer Übereinstimmung mit den Düsen (356, 456) drehbar ist.

5. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bogenförmige Durchgang an einem Ende eine reduzierte radiale Weite aufweist, mit der eine erste der Düsen (356, 456) übereinstimmt, um den Luftstrom im Leerlauf durch die erste Düse zu kontrollieren.

6. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende mit der reduzierten Weite sich im wesentlichen auf einen Punkt verjüngt.

7. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Düse eine reduzierte Größe aufweist.

8. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Düse und ein Ventil zur Kontrolle der Leerlaufluft, um den Luftstrom zur zusätzlichen Düse zur Kontrolle der Leerlaufgeschwindigkeit zu kontrollieren.

9. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch das Ventil zur Kontrolle der Leerlaufluft, das durch eine separate Öffnung für die Leerlaufluft versorgt ist, die nicht durch das Düsenventil (318, 418) kontrolliert ist.

10. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Düse gestaltet ist, um den Leerlaufluftfluss auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen.

11. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen profilierten Vorsprung an dem Ventil (318, 418), der sich in den ringförmigen Einlass hinein erstreckt, um die Größe der Bypassöffnung zu kontrollieren.

12. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator ein Wechselstromgenerator ist, der einen Stator mit elektrischer Wicklung und Magnete auf dem Rotor (312, 412) aufweist, die axial an dem Stator mit einem axialen Luftspalt zwischen ihnen angrenzen.

13. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator ein Wechselstromgenerator ist, der einen Stator mit elektrischer Wicklung und Magnete auf dem Rotor (312, 412) aufweist, die radial an dem Stator mit einem radialen Luftspalt zwischen diesen angrenzen.

14. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Plastikring, der die Turbinenschaufeln (374, 474) eng umgibt und der im Falle eines übermäßigen Wachstums des Außendurchmessers des Rotors (312, 412) mit den Schaufeln (374, 474) verbindbar ist, wobei der Ring aus einem Werkstoff geformt ist, der fähig ist, durch Angreifen an den Schaufelenden hemmend in die Rotation des Rotors (312, 412) einzugreifen, ohne einen signifikanten Schaden hieran zu verursachen.

15. Einrichtung (300, 400) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (312, 412) und die Schaufeln (374, 474) aus einem Kunststoff geformt sind und dass der Ringwerkstoff ein hochverformbares amorphes Harz beinhaltet.

16. Verfahren zur Regulierung der Ausgangsspannung eines Wechselstromgenerators mit einem Permanentmagneten, der antreibend mit einer Turbine verbunden ist, die durch Ansaugung von Verbrennungsluft angetrieben wird, die in wechselnden Geschwindigkeiten einer Brennkraftmaschine (102) zugeführt wird, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Vorsehen eines Bypassventiles zur Leistungskontrolle, das einsetzbar ist, um den Fluss durch den ringförmigen Einlass des Bypassdurchgangs (348, 448) um die Turbine herum zu kontrollieren;

Schließen des Bypassventiles zur Leistungskontrolle, um den Bypassfluss und die direkte Ansaugung der Luft durch die Turbine solange zu blockieren, wie die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators unter einer voreingestellten Grenze bleibt; und

Öffnen des Bypassventiles zur Leistungskontrolle, wenn die Ausgangsspannung die voreingestellte Grenze erreicht, wobei die Ventilöffnung ausreichend ist, um den Luftstrom durch die Turbine zu kontrollieren, die notwendig ist, um die maximale Turbinengeschwindigkeit zu begrenzen und dadurch die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators wesentlich innerhalb der voreingestellten Grenze zu halten.

17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

zeitweiliges Begrenzen der Überschussspannungsabgabe vom Wechselstromgenerator durch Verbindung des Ausganges mit einer Zusatzlast;

Messen des Stroms durch die Zusatzlast und des Vorsehen eines analogen Signales, das proportional zum Strom ist; und

Steuern der Öffnung des Bypassventils zur Leistungskontrolle im Verhältnis zum analogen Signal, um die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators zu reduzieren und den Strom durch die Zusatzlast zu begrenzen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlast eine Widerstandslast ist.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Bypassventil zur Leistungskontrolle eine Maschinenleistungskontrolle einsetzbar ist, um den Fluss zur Turbine zu begrenzen und um einen Primärturbinenbypass vorzusehen, um eine zusätzliche Maschinenleistung zu erhalten, wobei dieses Verfahren weiterhin beinhaltet: Begrenzen des Flusses durch die Leistungskontrolle im Verhältnis zur Öffnung des Leistungskontrollbypassventiles, um den Luftstrom zur Maschine im wesentlichen konstant zu einer durch die Leistungskontrolle bestimmten Leistungshöhe zu halten, die nicht in Bezug zur Öffnungsposition des Leistungskontrollbypassventils steht.