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Kraftanlage Gegenstand der Erfindung ist eine Kraftanlage, bestehend
aus einer Brennkraftmaschine mit einem Hochdruckteil und einem Niederdruckteil,
der von den aus dem Hochdruckteil herrührenden Kraftgasen getrieben wird, wobei
sowohl der Hochdruckteil als auch der Niederdruckteil mechanische Energie an ein
Fahrzeug abgeben können.
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Es ist bereits eine aus einem Hoch- und einem Niederdruckteil bestehende
Brennkraftmaschinenanl.age bekanntgeworden, bei welcher nur die Leistung des Niederdruckteiles
auf das anzutreibende Fahrzeug zur Einwirkung kommt, während der Hochdruckteil keine
nutzbare mechanische Energie an das Fahrzeug abgibt.
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Außerdem ist eine Brennkraftmaschinenanlage bekannt, die aus einem
Hochdruckteil und einem von den Abgasen des -Hochdruckteiles gespeisten Niederdruckteil
besteht, bei welcher die vereinigte Leistung des Hoch-und Niederdruckteiles zum
Fahrzeugantrieb dienen kann.
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Das Neue gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Hochdruckteil
mit der in Bewegung zu setzenden Masse durch geeignete Vorrichtungen in der Weise
verbunden ist, daß er von der Masse abgekuppelt werden kann, so daß die Kraftleistung
allein des Niederdruckteiles auf die Masse zur Einwirkung gelangt, während der'
Hochdruckteil weiterhin als Erzeuger von Treibgas für den Niederdruckteil dient.
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Die KraftübertragungsanI,agd gemäß der Erfindung weist eine einzige
Hauptantriebsmaschine auf, die als B.rennkraftmaschine ausgebildet ist und aus einem
Hochdruckteil und einem Niederdruckteil besteht, wobei beide Maschinenteile unter
bestimmten Arbeitsbedingungen in geeigneter Weise miteinander verbunden sind und
jeder dieser Teile, und zwar entweder getrennt oder verbunden, in geeigneter Getriebeverbindung
mit der zu bewegenden Masse steht, beispielsweise der Endantriebsachse des Straßen-
oder Schienenfahrzeuges, an welchem die Erfindung angebracht ist und für welchen
Fall die Erfindung der Einfachheit halber beschrieben wird. Die verschiedenen Maschinenteile
sind hinsichtlich ihrer Leistung so aufeinander abgestimmt, daß in weiterer Ausbildung
der Erfindung während der Anlaßperiode und der Beschleunigung der Bewegung des Fahrzeuges
die Leistung des Niederdruckteiles, der mit in dem Hochdruckteil erzeugtem Kraftgas
gespeist wird,
allein .auf die Endtriebsachse übertragen wird, während
nach einer genügend hohen Beschleunigung der Masse die vereinigte Leistung des Hochdruckteiles
und des Niederdruckteiles auf die Endantriebsachse oder die Endatitriebsachsen des
Straßen- und Schienenfahrzeuges übertragen wird. Das den Gegenstand der Erfindung
bildende Übertragungssystem schaltet die Verwendung der Zwischengeneratoren zwischen
der Hauptantriebsmaschine und dem Endantrieb der Anlage aus, so daß Maschinenaggregate
entfallen, die nicht zu den krafterzeugenden Teilen der Hauptbrennkraftmaschine
gehören.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Niederdruckteil durch
ein Getriebe mit der einen Triebwelle der zu bewegenden Masse und der Hochdruckteil
durch eine Kupplung und einen Getriebesatz mit einer zweiten unabhängigen Triebwelle
der in Bewegung zu setzenden Massen verbunden.
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Hierdurch hat man eine einfache praktische Lösung der allgemeinen
Erfindungsanweisung. Außerdem brauchen die Trieb-. wellen nicht zu stark ausgebildet
zu sein, da von jeder Triebwelle nur ein Teil des Antriebsmomentes aufgenommen wird.
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Das den Gegenstand der Erfindung bildende Übertragungssystem besteht
aus einem Hochdruckteil., der aus einer Zwei-oder Viertaktbrennkraftmaschine besteht,
die einen Luftverdichter antreibt, um die notwendige vorverdichtete Spül- und Ladeluft
zu erzeugen, sowie aus einem Niederdruckteil, der aus einer Kolbenmaschine oder
in der bevorzugten Form aus einer Gasturbine besteht. Zur unmittelbaren Verbindung
des Hochdruckteiles mit dem Niederdruckteil der Maschine zu geeigneten Zeiten und
unter geeigneten Arbeitsbedingungen ist eine Kupplung zwischen den beiden Maschinenteilen
eingeschaltet. Diese Kupplung kann entweder selbsttätig oder nichtselbsttätig geschaltet
werden und hat die Aufgabe, die Triebwellen des Hoch- und Niederdruckteiles zu geeigrieten
Zeiten miteinander zu kuppeln. Der andere Verbindungsteil zwischen den beiden 1laschinenteilen
besteht aus geeigneten Leitungen und Steuerventilen, welche die Überleitung des
Strömungsmittels, d. h. einer %lischung aus teilweise entspannten Verbrenlungsgasen
und vorverdichteter Spülluft, aus lern Hochdruckteil der Maschinenanlage über nnen
geeigneten Sammler in den Nieder-Iruckteil der Maschinenanlage regeln. Der \Tiederdruckteil
ist mit dem Endantrieb durch :in geeignetes Getriebe verbunden, welches >ei einer
-,#.usfiihrungsform mit den Triebichsen des Rad- und Schienenfahrzeuges in Verbindung
steht. Bei der bevorzugten Aus-'ührungsform der Erfindung ist der Luftverdichten
unmittelbar in denAri>eitszvlindern des Hochdruckteiles eingebaut.
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Der Hochdruckteil und der Niederdruckteil können in irgendeiner beliebigen
Stellung zueinander und in bezug auf die F_ndantriebsachse oder -achsen angeordnet
sein. Die Kupplungseinrichtungen, welche zur Verbindung der Hauptwelle des Hochdruckteiles
und des Niederdruckteiles miteinander oder zur Verbindung der Hauptwelle des Hochdruckteiles
mit der Endantriebsachse verwendet werden, können geeignete mechanische, hydraulische,
elektrische oder sonstige Kupplungen sein. Die verschiedenen Bauteile sind in allen
Fällen so zueinander abgestimmt, dah die Gesamtmenge der vorverdichteten Spül- und
Ladeluft, die in den Verdichterzylindern verdichtet wird («-elch letztere aus einem
Stück mit den Hochdruckzylindern bestehen können), zu geeigneten Zeiten in das Innere
der Hochdruckarbeitszylinder eingeführt und ein Teil der vorverdichteten Spülluft,
dem teilweise entspannte Verbrennungsgase des Hochdruckteiles zugemischt sind, zu
geeigneten Zeiten in den Niederdruckteil über einen Sammler übergeleitet wird, um
in einer zweiten Entspannungsstufe weitere Arbeit zu leisten.
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Welches auch :die Form oder Anordnung der verschiedenen Einzelteile
und ihre Verbindung mit der Antriebsachse oder den -achsen des Rad- oder Schienenfahrzeuges,
auf welches die Erfindung angewendet wird, sind, das Arbeitsverfahren läuft in folgenden
Weise ab: Zu Beginn des Betriebes bleibt die Welle des Hochdruckteiles der Maschine
außer Eingriff mit der Welle des Niederdruckteiles und mit der Endantriebswelle
des Rad- oder Schienenfahrzeuges.
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Der Hochdruckmaschinenteil wird angelassen und arbeitet als selbständige
Maschineneinheit, welche den Verdichter zur Erzeugung der notwendigen Spül- und
Ladeluft und andere Hilfseinrichtungen treibt. Das aus dem Hochdruckteil ausgestoßene
Arbeitsmittel, welches aus einer Mischung aus teilweise entspannten Verbrennungsgasen
und vorverdichteter Spülluft (nachstehend wird das Gemisch mit Kraftgase bezeichnet)
besteht, wird in einem geeigneten Sammler gespeichert, der zwischen den Hochdruckteil
und den Niederdruckteil der Maschinenanlage eingeschaltet ist. Diese Kraftgase bilden
das Arbeitsmittel für den Betrieb des Niederdruckteiles der Kraftanlage.
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Sobald der Sammler mit Kraftgasen von genügendem Druck und genügender
Menge gefüllt ist, um die Masse, welche durch die Maschinenanlage in Bewegung gesetzt
werden soll, in Bewegung zu setzen, werden die Kraftgase
in den
Niederdruckteil der Maschinenanlage, beispielsweise die Gasturbine, eingeführt,
und die durch die letztere entwickelte Leistung wird auf den Endteil übertragen,
so daß dadurch das Straßen- und Schienenfahrzeug in Bewegung gesetzt wird.
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Sobald die Masse in Bewegung und das Straßen- oder Schienenfahrzeug
auf -eine ge-
nügende Geschwindigkeit durch 'die auf den Endantrieb allein
von dem Niederdruckteil oder von der Gasturbine ausgeübte Leistung beschleunigt
- ist, wird der Hochdruckteil ebenfalls eingeschaltet. Die Wellen des Hoch-und des
Niederdruckteiles können entweder miteinander gekuppelt werden, ioder die Welle
des Hochdruckteiles kann mit der Endantriebswelle gekuppelt werden, so daß von nun
an die Endantriebswelle oder die Welle des Straßen- oder Schienenfahrzeuges die
vereinigte Leistung sowohl der Hochdruckals auch der Niederdruckeinheit erhält.
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Ein wesentliches Kennzeichen der allgemeinen Arbeitsbedingungen des
Kraftübertragungssystems der vorliegenden Erfindung, besonders wenn es in Verbindung
mit Schienenfahrzeugen verwendet wird, besteht darin, daß die von dem Niederdruckteil
allein entwickelte Leistung auf den Endantrieb der Kraftanlage übertragen wird,
solange das Schienenfahrzeug sich in seinem Ruhebeharrungszustande (d. h. während
der Zeit, die zur Bewegung der Masse und zur Erzielung der ersten Beschleunigung
derselben nötig ist) befindet, wobei während dieses Zeitabschnittes die kleine Leistung
genügt, um diese Arbeiten durchzuführen, während die Hoch- und Niederdruckteile
der Maschinenanlage gleichzeitig ihre Leistung abgeben und beide an den Endantrieb
angekuppelt sind, sobald die Geschwindigkeit des Fahrzeuges größer als die , niedere
Anfangsgeschwindigkeit ist und wenn höhere Leistungen bis zur Höchstleistung am
Endantrieb, benötigt werden, -um die Masse weiter zu beschleunigen und sie in, den
höheren Geschwindigkeitsbereichen bis zur höchst erreichbaren Geschwindigkeit zu
bewegen.
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Die Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend
näher beschrieben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit anderen Ausführungsformens
mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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In den Zeichnungen ist Fig. i ein Querschnitt durch -eine Ausführungsform
der neuen Kraftanlage, Fig. z ein Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform
und Fig.3: ein Querschnitt durch eine. dritte Ausführungsform. Bei der in Fig. i
dargestellten Ausführungsform besteht der Hochdruckteil A der Anlage aus einer Zweizylinderbrennkraftmaschine,
deren zwei Arbeitszylinder B, und B., entsprechende Verdichterzylinder Il und I2
aufweisen. Innerhalb der vereinigten Arbeits-und VerdichterzylinderB,I1 und B212
liegen gleitbare Stufenkolben. P1 und P2, die an der Hauptwelle .11I des Hochdruckteiles
A angreifen.
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Der Niederdruckteil der Anlage besteht aus einer mehrstufigen Gasturbine
T.
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Eines der Verbindungsglieder zwischen dem Hochdruckteil A und dem
Niederdruckteil bildet die Leitung S, welche zur Überleitung der Kraftgase aus dem
Hochdruckteil in den Niederdruckteil dient.
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In geeigneter Lage zwischen dem Hochdruckteil A und dem Niederdruckteil
oder der Turbine T ist ein Sammler R eingeschaltet, der eine Ausgleichung der Zufuhr
der Kraftgase aus dem Hochdruckteil zu dem Niederdruckteil herbeiführt.
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An einer geeigneten Stelle der Verbindungsleitung S und vorzugsweise
an der Stelle, an der die Leitung S mit dem Sammler R in Verbindung steht, ist ein
Regelventil O vorgesehen, welches aus irgendeinem bekannten Regelorgan, beispielsweise
dem in Fig. i dargestellten Dreiwege'hähn, bestehen kann. Dieses Ventil regelt den
Durchfluß der Kraftgase aus dem Hochdruckteil zum Niederdruckteil ebenso wie von
dem Sammler R zu dem Niederdruckteil T.
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Die Kraftanlage ruht auf einem Schienen-oder Straßenfahrzeug, dessen
Antriebsrad E auf der Welle D sitzt. Die Welle D wird über ein Getriebe
Z von einer Zwischenantriebswelle 0, aus angetrieben.
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Der Niederdruckteil oder die Gasturbine T ist in geeigneter Weise,
beispielsweise durch ein mehrfaches Untersetzungsgetriebe oder durch ein einfaches
Untersetzungsgetriehe W, wie in Fig. i dargestellt, mit der Zwischenantriebswelle
O verbunden, die ihrerseits durch ein geeignetes Getriebe, wie das Kegelradgetriebe
Z, mit der Antriebsachse D des Schienen- oder Radfahrzeuges in Verbindung steht.
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Zwischen der Kurbelwelle U des Hochdruckteiles A und der- Zwischenantriebswelle
0 ist eine Kupplung C eingeschaltet, um zu geeigneter Zeit eine unmittelbare Verbindung
der beiden Wellen sll und 0 herstellen zu können. Diese Kupplungsverbindung kann
aus irgendeiner geeigneten Kupplung, einer mechanischen, hydraulischen, elektrischen,
magnetischen oder sonstigen Kupplung bestehen.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform besteht der Hoc@hdruckteiJ
A aus
einer Viertaktbrennkraftmaschine, deren Verdichterzylinder
I in dem Arbeitszylinder F liegt. Die Verdichtung der Spül- und Ladeluft im Verdichterzylinder
I erfolgt durch den gestuften Arbeitskolben P.
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Die Welle D des Triebrades des Schienen-oder Straßenfahrzeuges ist
durch ein Getriebe Z1 mit der Zwischenwelle 01 verbunden, und diese letztere
wird zu geeigneten Zeiten mittels der Kupplung C mit der Hauptwelle 11I des Hochdruckteiles
der Kraftanlage gekuppelt.
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Die Welle D des Triebrades des Schienen-oder Straßenfahrzeuges ist
durch ein Getriebe Z1 mit der Zwischenwelle 01 verbunden und diese letztere
wird zu geeigneten Zeiten mittels der Kupplung C mit der Hauptwelle 11 des Hochdruckteiles
der Kraftanlage gekuppelt.
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Die Triebradwelle D steht durch ein Getriebe Z2 auch mit der Zwischenwelle
02 in Verbindung, mit welcher die Hauptwelle des Niederdruckteiles der Maschine
oder die Gasturbine T durch ein Getriebe W verbunden ist.
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Zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil liegt die Verbindungsleitung
S, die in geeigneter Weise mit dem Sammler R und dem Steuerventil 0 in gleicher
Weise wie bei der Ausführung nach Fig. i vereinigt ist.
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Die in Fig.3 dargestellte Ausführungsform bezieht sich auf eine Anordnung
der bereits beschriebenen Bauelemente, bei welcher das mit der Erfindung ausgestattete
Straßen- oder Schienenfahrzeug eine Mehrzahl von Triebrädern mit Wellen Dl bzw.
D2 aufweist, die miteinander durch geeignete Getriebe oder durch eine Stange H verbunden
sind, wie dies aus der Zeichnung erkenntlich ist.
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Wie bei den vorhergehenden Ausführungen besteht der Hochdruckteil
aus einer Brennkraftmaschine A mit Arbeitszylinder B, welcher den Verdichterzylinder
I einschließt, in welchem die Spül- und Ladeluft durch den gestuften Arbeitskolben
P selbst vorverdichtet wird.
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Die Welle 11I des Hochdruckteiles A kann zur geeigneten Zeit mit der
Zwischenwelle 0,
mittels der Kupplung C verbunden werden, wobei diese Zwischenwelle
an das Triebrad Dl durch das Getriebe Z, angeschlossen ist.
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Die durch den Niederdruckteil oder die Turbine T entwickelte Leistung
wird durch das Getriebe W auf die Zwischenwelle 0., und von dieser durch das Getriebe
Z2 auf die Triebradwelle D2 übertragen.
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Die Überleitung der Kraftgase aus dem Hochdruckteil A in den Niederdruckteil
oder in die Turbine 7' erfolgt durch die Verbindungsleitung S zusammen mit dem Sammler
R und dem Steuerventil 0.
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Welches auch immer die jeweilige Ausbildung und die Anordnung der
verschiedenen Teile der Kraftübertragungsanlage ist, so spielt sich das Arbeitsverfahren
derselben in der folgenden Weise ab, wobei auf die Fig. i, z und 3 Bezug genommen
wird.
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Zu Beginn wird der Hochdruckteil A in Betrieb gesetzt und arbeitet
allein als eine selbständige Brennkraftmaschine, die vollständig von den anderen
Teilen des Übertragungssystems abgekuppelt ist. Diese Einheit erzeugt ihre eigene
Spül- und Ladeluft im Verdichterzylinder I, der unmittelbar an den Arbeitszylinder
B des Hochdruckteiles angeschlossen ist.
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Während dieses Anfangsabschnittes des Betriebes handelt es sich in
der Hauptsache darum, im Sammler R eine genügende Menge Kraftgas (d. h. teilweise
entspannte Verbrennungsgase vermischt mit vorverdichteter Spülluft) zu sammeln.
Diese Kraftgase können aus den Hochdruckzylindern B entweder unmittelbar oder unter
Steuerung durch das Regelventil O je nach Wunsch und den jeweiligen Erfordernissen
übergeleitet werden.
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Sobald der Sammler R mit Kraftgasen von genügendem Druck und genügender
Menge aufgefüllt ist und sobald die Masse anlaufen soll, d. h. das Straßen- oder
Schienenfahrzeug, an welchem das Übertragungssystem vorgesehen ist, sich in Bewegung
setzen soll, werden Kraftgase unter Steuerung durch das Regelventil O in den Niederdruckteil
oder in die Gasturbine T eingeführt, und die in diesem Teil entwickelte Leistung
wird durch das Getriebe W auf die Zwischenwelle 0 und dann durch das Getriebe Z
auf die Welle D der Triebachse des Rad- oder Schienenfahrzeuges übertragen, so daß
sich das Fahrzeug in Bewegung setzt.
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Sobald der anfängliche Bewegungswiderstand des Straßen- oder Schienenfahrzeuges
überwunden ist und die Bewegung desselben beginnt, wird das Regelventil O so betätigt,
daß die Menge des in den Niederdruckteil eingeführfen Kraftgases erhöht wird, um
die Leistung dieses Teiles zu vergrößern und infolgedessen eine weitere Beschleunigung
der Masse zu erhalten. Zu gleicher Zeit wird durch Beschleunigung des Hochdruckteiles
A die Erzeugung von Kraftgasen erhöht und damit auch die Leistung des Niederdruckteiles
oder der Turbine T.
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Sobald die Bewegung .des Schienen- oder Straßenfahrzeuges so weit
beschleunigt ist, daß eine unmittelbare mechanische Übertragung der Leistung des
Hochdruckteiles auf den Antrieb möglich ist, ohne daß die Maschine aussetzt oder
anhält, wird die
Kupplung C betätigt, so daß die Welle IIl des Hochdruckteiles
mit der Zwischenwelle 0 und demgemäß mit dem Antrieb Z in Verbindung steht. Von
diesem Zeitpunkt an wird die vereinigte Leistung sowohl des Hochdruckteiles A als
auch des Niederdruckteiles T auf die Triebachse D des Schienen-und
Radfahrzeuges übertragen, um dasselbe bis zu seiner höchst erreichbaren Geschwindigkeit
zu beschleunigen.
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Der Hochdruckteil kann entweder aus einer Zwei- oder Viertaktbrennkraftmaschine
bestehen, die eigene Verdichterzylinder aufweist, während der Niederdruckteil durch
eine einzelne Gasturbine oder mehrere Gasturbinen gebildet wird. Der zu jeder Gruppe
gehörende Endantrieb kann eine einzige Endantriebsachse oder eine Mehrzahl von Endantriebsachsen
sein. In letzterem Falle sind die Antriebsachsen vorzugsweise in geeigneter Weise
mechanisch miteinander verbunden. Hinsichtlich der Art der verwendeten Verbindungsglieder
zwischen den verschiedenen Maschinenteilen, d. h. zwischen dem Hiochdruckteil. und
dem Niederdruckteil, sowie den Endantrieben besteht keine Beschränkung, doch ist
es notwendig, eine .besondere Kupplungsart zum Kuppeln der Wellen des Hochdruckteiles
und des Niederdruckteiles oder der Wellen dieser Teile mit den Endantrieben zu verwenden,
um ein zufriedenstellendes Arbeiten der Kraftübertragungsanlage sicher zu erreichen.
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Der Hochdruckteil der Maschine kann aus in einer Reihe liegenden Zylindern
oder aus verschiedenen Zylindergruppen bestehen, die in V-Form oder in Sternform
oder in Kreuzform angeordnet sind, wobei die Hauptantriebswelle dieses Maschinenteiles
entweder waagerecht oder senkrecht liegt und irgendein beliebiges Verbindungsgetriehe
zwischen der Welle dieses Maschinenteiles und der Welle des Niederdruckteiles bzw.
der Endantriebsachsen vorgesehen sein kann.
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Die Einzelheiten der Ausbildung können gemäß den Erfordernissen der
jeweiligen Betriebsbedingungen geändert werden, wobei die Kradtübertragungsanlage
jedem Einzelfalle angepaßt werden kann und bekannte bauliche Ausführungen herangezogen
werden können, um die verschiedenen Bauelemente, die die vorliegende Kraftübertragungsanlage
ausmachen, miteinander zu verbinden und in Beziehung zu setzen, 'ohne daß dadurch
der Bereich der Erfindung verlassen wird.
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Während beispielsweise in manchen Fällen der Hochdruckteil mit Triebwellen
in Form der üblichen Kurbelwellen ausgestattet sein kann, können Taumelplatten oder
andere Einrichtungen in diesem Teil der Maschine verwendet werden, um die hin und
her gehende Bewegung der Arbeitskolben in eine Drehbewegung der Triebwelle umzuwandeln.
Der Niederdruckteil kann aus mehreren Einheiten zusammengesetzt sein und kann
je nach Wunsch aus umlaufenden Maschinen oder Turbinen oder aus Maschinen
mit hin und her gehenden Teilen bestehen.
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Der Hochdruckteil dieser Kräftübertragun.gsanlage kann entweder mit
Luft, Wasser oder anderen Mitteln gekühlt werden, wobei die Anordnung dieser Kühleinrichtung
auf den Hochdruckteil für sich begrenzt wird oder auch eine Kühlung des Niederdruckteiles
der Kraftübertragungsanlage erfolgen kann.