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Anordnung für den Antrieb von Fahrzeugen durch Verbrennungsmotoren
unter Vermittlung einer elektrischen Kraftübertragung Bei dem Antrieb von Eisenbahnwagen,
Schiffen und anderen Fahrzeugen mittels Dieselmotoren oder anderer Veribrennungsmotoren,
von welchen die Kraft den Treibwellen durch eine elektrische Kraftübertragung zugeführt
wird, hat man verschiedentlich versucht, eine solche Regelung .der elektrischen
Kraftübertragung herbeizuführen, :daß die Leistung bei ihrem Vollastwert ohne besondere
Maßnahmen seitens des Führers des Fahrzeuges von selbst unverändert bleibt, unabhängig
vom Zugwiderstand.- Bei einer solchen. Anordnung würde die Antriebsmaschine am besten
ausgenutzt werden und der Führer würde auch von der stetigen Beobachtung der Maschinenbelastung
entlastet werden. Insbesondere bei Belastung des Verbrennungsmotors nahe an der
höchst zulässigen Leistungsgrenze ist die obenerwähnte Regelung unbedingt notwendig,
und besonders bei Dieselmotoren, weil diese über ein gewisses Maß hinaus nicht belastet
werden dürfen. Eine Überlastung solcher Motoren bringt nämlich eine schlechte Verbrennung
mit sich, und diese verursacht eine Überhitzung .der Zylinder und Kolben, wodurch
die Unterhaltungskosten erheblich erhöht werden.
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Trotz zahlreicherVersuche, eineLeistungsüberwachung wie die obenerwähnte
herbeizuführen, ist Boch bis jetzt keine zufriedenstellende Lösung gefunden worden.
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Dies beruht unter anderem darauf, daß die bisher bekannten Einrichtungen,
bei Gienen eine Änderung der Leistung eine Drehzahländerung herbeiführt, nicht in
der Lage sind, die zahlreichen Resonanzgebiete zu vermeiden, mit denen man bei der
Kupplung eines Generators mit einem Dieselmotor stets rechnen muß. Die Anordnung
nach der Erfindung dagegen arbeitet beim Regeln der Leistung nur mit einer oder
ein paar bestimmten Geschwindigkeiten, die man außerhalb der Resonanzgebiete verlegen
kann. Der aus Dieselmotor und Generator bestehende Maschinensatz muß also jede Teilleistung
bei
einer fast unveränderten Drehzahl hergeben können.
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Bei Teilleistungen, :die wenigstens 2o °j" unter der Vollast liegen,
ist keine tr'berlastunb ,des :Motors und deshalb auch kein Drücken der Drehzahl
zu befürchten. Deshalb braucht in diesem Bereich die Drehmomentkennlinie des Generators
nicht abzii. ; fallen, sondern es kann dabei mit gewöli:u-. licher Feldregelung
gearbeitet werden wie , bei der gebräuchlichen Leonardrebelung. Di;_ Maschine kann
dabei Selbst- oder Fremderregung haben. Bei voller Leistung dagegen muß die Drehmonientlennlinie
des Generators abfallen.
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Nach der Erfindung wird beim Überbang zu voller Leistung die Kennlinie
so geändert, claß sie stark abfällt. Dabei wird eine L'berlastung des Dieselmotors
durch eine Einrichtung verhindert, die mechanisch die größte je Arbeitstakt und
Zylinder eingespritzte Brennstoffmenge begrenzt. Durch .diese Einrichtung wird nach
dein Erreichen :der vollen Last die Brennstoffeinspritzung für jeden Zylinder auch
in dem Fall begrenzt, daß ein Zylinder z. B. nicht zündet oder undicht ist, so daß
die Leistung abfällt.
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Die Begrenzung kann durch einen verstellbaren Anschlag erreicht «-erden,
der von einem Flie"hkraftregler zur Wirkung gebracht wird. Dieser Anschlag braucht
nicht starr zu sein, sondern kann z. B. durch eine Feder nachgiebig sein.
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Die Erfindung wird unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert.
Abb. i -neigt die Wirl:unbsweise einer Anordnung, bei der die Kraftübertragung ein
bleichbleibendes Drehmoment hat, währeird die Ab b. 2 die Wirkungsweise der Anordnung
nach der E-rfindunb zeigt, bei der die Kraftübertragung ein mit fallender Drehzahl
abfallendes Drehmoment hat.
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In Abb. I gibt die Linie A-B das Drehmoment :des Dieselmotors
als Funktion seiner Drehzahl während der Zeit an, in welcher der Dieseknotor noch
nicht vollbelastet ist, d..li. ehe der Brennstoffregler den obererwähnten Anschlag
erreicht hat. Die Linie B-F dagegen zeigt das Moment nach Erreichen des erwähnten
Anschlages durch :den Regler. Auf der Abszissenaclise ist die Drehzahl n. des Dieselmotors
aufgetragen, und zwar ist ii,; die Leerlaufdrehzahl, wiilirend fa" die N ormaldreli7alil
bezeichnet. Die Ordi.natenachse kennzeichnet das Drehnioinent <1Td des Dieselmotors.
Der leer laufende Dieselmotor hat die Drehzahl ;to. Wenn der Motor allmählich mit
einem größeren Drehmoment belastet wird, sinkt dessen Drehzahl, und "der Brennstoffregler
wird dann geöffnet und läßt <lein Dieselmotor eine größere Brennstoffmenge zukommen.
Wenn also die elektrische Kraftübertragung ein Drehmoment ausübt, das kleiner als
das dem Punkt B entsprechende Drelunonient ist, wird der Dieselmotor finit einer
Drehzahl laufen, .die von dein Schnittlitni:lct zwischen der Drehinonientslinie
und der Linie <d-B bestimmt wird. Ist z. B. das Drehmoment der Kraftübertragung
gleich ,;Iran Abstand zwischen der taAchse und der '.i-inic a, so wird der Dieselmotor
niit clei-Drehzahl jti laufen. Ist nun die elektrische Kraftübertragung auf eine
gleichbleibende Leistung geregelt, so wird die ganze Anordnung ordnungsgemäß arbeiten.
unter der Voraussetzung, daß das Drehmoment wirklich unveränderlich und kleiner
als das Höchstmoinent des Dieselmotors bleibt. Um den Dieselmotor ausnutzen zu können,
ist es erwünscht, daß dieses gleichbleibende Moment sehr nahe an das flöchstnionient
des Dieselmotors herangerückt wird.. Hierbei besteht aber die Gefahr, daß das Drelinionient
der Kraftübertragung sich verändert, so dal.i es größer wird als das Höchstmoment
des Dieselmotors, oder es kann vorkommen, dail das Höchstmoment des Dieselmotors
erniedrigt wird, z. B. dadurch, daß die Zündung von eirein oder mehreren Zylindern
versagt, oder dadurch, (laß die I)rentistoffzufulir in irgendeiner Weise gehindert
wird. In diesen I# allen wird das Drehmoment des Dieselmotors verkleinert; es kann
dabei kleiner «erden als das belastende Moment der Kraft-Übertragung. Wird z. B.
nach Abb. i angenoinnien, dali das Drehmoment der Kraftübertragung von dein Wert
_> auf den Wert i plötzlich erhöht wird, also größer als <las Höchstmoment des
Dieselmotors wird. so kann. da die Linien E-B und i parallel verlaufen, kein Gleichgewicht
zwischen deni g#:-leisteten Moment des Dieselmotors und cleni belastenden Moment
der Kraftübertragung erreicht «-erden. Dies bedeutet finit anderen `'orten. daß
die Drehzahl des Dieselmotors schnell sinkt, bis er still steht.
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Eine solche Anordnung ist natürlich in dir Praxis nicht verwendbar.
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GemäFl der Erfindung wird es nun niög_ !ich, eine Begrenzung für die
Brennstoitztifulir zii benutzen in Kombination niit einer elektrischen Kraftübertragung,
und zwar dadurch, dall die elektrische Kraftübertragung eine mit abfallender Drehzahl
abfallende Drelimonientkennlinie erhält. Wie eine solche Kombination arbeitet, wird
durch Al-)b. 2 erläutert. Es ist angenommen, daß die Linie 3 die Monientkennlinie
der elektrischen Kraft-Übertragung in einem gegebenen I#alle lwdeutet. Das I1öchstmonient
des Dieselmotor: ist. vorli:r, durch "1ie Linie E-Il @xstimmt, und in dein Schnittpunkt
zwischen
den Linien 3 und E-B besteht Gleichgewicht zwischen Aden
beiden Momenten. Der- Dieselmotor läuft dabei mit der Drehzahl ns. Sinkt nun plötzlich
:das Drehmoment des Dieselinotors und nimmt einen- Wert an, der durch die gestrichelte
Linie gekennzeichnet ist, so wird die Drehzahl des Dieselmotors von ia, auf nsi
sinken. Dank der abfallenden Momentkennlinie der Kraftübertragung tritt aber eine
neue Gleichgewichtslage zwischen denn Moment des Motors und . dem Moment der Kraftübertragung
im Punkt 31 ein, d. i. im Schnittpunkt zwischen der Linie 3 und der gestrichelten
Linie. Je steiler die Momentkennlinie der Kraftübertragung mit fallender Drehzahl
des Dieselmotors abfällt, desto kleiner wird die Veränderung der Drehzahl des Dieselmotors,
die erforderlich ist, um die neue Gleichgewichtslage zu erreichen. Dieses ist ohne
weiteres aus der Linie 4. zu erkennen, welche die elektrische Kraftübertragung mit
einer anderen Drenmomentkennlinie zeigt. Hier wird :die Gleichgewichtslage bei einer
höheren Drehzahl des Dieselinotors erreicht. Eine derartige Änderung in .der Drehmomentkennlinie
der Kraftübertragung wird z. B. durch eine Veränderung der Erregung .des Gerferators
der Kraftübertragung herbeigeführt.
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Das oben Gesagte hat nur Bedeutung in .dem Fall, -daß die Belastung
des Wagens so groß ist, daß das Höchstmoment des Dieselinotors erreicht wird. Wenn
die Strecke flach läuft, muß ,das Drehmoment der Kraftübertragung niedriger sein,
damit die Geschwindigkeit des Zuges nicht zu groß wird. Eine solche Minderung des
Drehmomentes der Kraftübertragung wird durch eine rein elektrische Regelung derselben
erreicht. Die Linien 5 und 6 zeigen zwei in einer derartigen Weise erreichte Momentkennliniender
Kraftübertragung, wobei die Drehzahl des Dieselinotors durch, :die Schnittpunkte
mit der Linie A-B bestimmt ist.
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In dem Bereich zwischen Leerlauf und Höchstbelastung .des Diesellnoto.rs
ist es nicht notwendig, daß die l#Iomentkennlinie mit fallender Drehzahl abfällt,
sondern in :dieseln Bereich kann die Mome-ntkennlinie eine beliebige Neigung haben,
nur nicht dieselbe Neigung wie die Linie A-B. So kann z. B. die Momentkennlinie
.in diesem Bereich unabhängig von der Drehzahl sein, d. h. die Linien 5, 6 können
waagerecht verlaufen; aber am einfachsten ist es, wenn die Momentlcennlinie :dieselbe
Neigung hat wie die Linie 3. In Abb. 2 ist die Neigung so -e-W 'ihlt, @daß die Linien
5 und 6 die Linie A-B beinahe senkrecht schneiden.
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Die obenerwähnte Veränderung der Momentkennlinie kann natürlich außer
:durch eine bewußte Regelung in der elektrischen Kraftübertragung . auch durch Temperaturschwankungen
in :den Wicklungen der elektrischen Maschinen herbeigeführt werden. Eine Steigerung
der Temperatur der Feldwicklung des Generators wird also auch durch :die Linie d.
veranschaulicht. Hat z. B. die Kraftübertragung im kalten Zustand eine Momentkcnnlinie
gleich der Linie 3, so kann die Linie q. :die Mome:ntkennlinie im warmen Zustand
der Kraftübertragung :bedeuten. Wie ersichtlich, werden die Schwankungen in der
Drehzahl des Dieselmotors sehr geringfügig auch bei ziemlich großen Änderungen in
den Eigenschaften der elektrischen Kraftübertragung.
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Die obenerwähnteNachgiebigkeit derKraftübertragung kann, wie bereits
hingewiesen, durch verschiedene Mittel erreicht werden. In welcher Weise .diese
Nachgiebigkeit erreicht wird, ist für ,die Erfindung belanglos. .Nur muß die -Nachgiebigkeit
von den Regelbewegungen des Brennstoffreglers unabhängig sein, :denn die Veränderungen
im Drehmoment der Kraftübertragung müssen auch dann stattfinden können, wenn der
Brenn-Stoffregler :den obenerwähnten Anschlag erreicht hat. In der Praxis wird die
Nachgiebigkeit der Kraftübertragung dadurch erreicht, daß ein leer laufender Regelmotor
in Reihe mit der Feldwicklung des Generators eingeschaltet wird. Dieser Regelmotor
hat eine Feldwicklung, ;die von einer vom Dieselmotor angetriebenen Erregermaschine
gespeist wird. In Reihe mit dieser Feldwicklung liegt ein Stromsammler oder eine
andere unveränderliche Spannungsquelle. Die gegenwirkende elektromotorische Kraft,
die dieser Regelmotor im Erregerkreis des Generators der Kraftübertragung entwickelt,
wird hierdurch von der Drehzahl des Motors stark abhängig. Dieser Motor Trat auch
eine Feldwicklung, die von dem Hauptstrom des Generators durchflossen wird, und
zwar wirken die beiden Wicklungen irn Regelmotor einander entgegen. Diese an sich
:bekannte Anordnung kann natürlich auch durch einen gewöhnlichen Regler ersetzt
werden. Nur muß bei diesem Regler Vorkehrung getroffen werden, daß er von der Drehzahl
des Dieselmotors abhängig wird, aber trotzdem unabhängig bleibt von den Bewegungen
des . Brennstoffreglers.
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Wie oben erwähnt, braucht die l@Tomentkennlinie im Arbeitsbereich
zwischen den Drehzahlen no und itj nicht abfallend zu sein. Es genügt, wenn
:diese Kennlinie erst :dann abfallend wird, wenn das Moment des Dieselmotors den
Punkt B erreicht hat. Die Veränderung der Moanentkennlinie von z. B. einer gleichbleibenden
in eine abfallende kann
z. B. dadurch erreicht werden, daß der Brennstoffregler
mit einer Kontaktvorrichtung versehen ist, die, nachdem der Anschlag erreicht ist,
eine Spule im Regler einschaltet, welche die dbenerwähnte Abhängigkeit der Regelung
der Kraftübertragung von der Drehzahl des Dieselmotors in irgendeiner Weise sichert.
Diese Spule kann z. B. von einem vom Dieselmotor angetriebenen Tachometergenerator
gespeist werden.