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Antriebsanlage für Fahrzeuge, beispielsweise Schienenfahrzeuge, bestehend
aus mindestens einem Verbrennungsmotor, einem oder mehreren Luftverdichtern und
einer oder mehreren Entspannungsturbinen Der Antrieb von Fahrzeugen erfordert bekanntlich
mit abnehmender Fahrgeschwindigkeit eine stark ansteigende Zugkraft. Verbrennungsmotoren
können nur ein etwa gleichbleibendes Moment abgeben. Um diesen prinzipiellen Nachteil
auszugleichen, ist es nötig, einen Drehmomentwand zwischen dem Motor und--den riebrä
ern des Fahrzeugs vorzusehen. Als solche dienen z. B. Stufengetriebe, elektrische
oder hydraulische übertragungen.
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Auch thermisch-pneumatische Übertragungen sind schon vorgeschlagen
worden. Bei den bekannten Anlagen dieser Art treibt der Verbrennungsmotor einen
Luftverdichter an, der die gesamte vom Motor erzeugte Leistung aufnimmt. Die verdichtete
Luft wird hierauf in einer Turbine entspannt, deren Leistung durch bekannte Mittel,
z: $. Zahnräder, auf die Triebräder des Fahrzugs übertragen wird. Turbinen vermögen,
wie bekannt ist; bei abnehmender Drehzahl ein stark ansteigendes Drehmoment zu entwickeln
und sind daher für den Antrieb von Fahrzeugen gut geeignet. Der optimale Wirkungsgrad
von Turbinen ist jedoch an eine bestimmte Drehzahl gebunden, und die pneumatische
übertragung ist mit Verlusten behaftet. Diese Verluste sind um so größer, je mehr
die Drehzahl der Turbine von der optimalen Drehzahl abweicht.
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Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die erwähnten Mängel der thermisch-pneumatischen
übertragung zu verbessern, und betrifft eine bekannte
Antriebsanlage
für Fahrzeuge, bestehend zum mindesten aus einem Verbrennungsmotor, einem Luftverdichter
und einerEntspannungsturbine. Die erfindungsgemäße Anlage ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistung des oder der Verbrennungsmotoren, wie bei dieselhydraulischer oder
-elektrischer Kraftübertragung bekannt, mittels Differentials in zwei Teile verzweigt
wird, von denen der eine mittels mechanischer Untersetzungsgetriebe direkt auf dieTriebräder
des Fahrzeugs übertragen wird, während der andere Teil zuerst mittels Verdichter
und Turbinen einer thermisch-pneumatischen Umformung unterzogen und erst dann von
der Turbine auf die Triebräder übertragen wird. Im Gegensatz zu den bekannten Vorschlägen
mit thermisch-pneumatischer Übertragung wird also nur ein Teil der Motorenleistung
vom Verdichter aufgenommen, während der Rest direkt mechanisch auf die Triebräder
übertragen wird.
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Besonders vorteilhafte Anlagen ergeben sich, wenn man, wie an sich
bekannt, einen Teil der verdichteten Luft zurAufladung des oder der Motoren benutzt.
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Um den Wirkungsgrad der Übertragung zu verbessern, kann man gemäß
der Erfindung die Abgase des Verbrennungsmotors mit dem Teil der verdichteten Luft
vermischen, der nicht zur Rufladung des Motors herangezogen wird.
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Um die Leistung und den Wirkungsgrad der Übertragung zu verbessern.,
kann man, wie gleichfalls an sich bekannt, einen Teil der in den Abgasen der Turbine
enthaltenen fühlbaren Wärme mittels eines Wärmetauschers auf den Teil der verdichteten
Luft übertragen, der nicht zur Rufladung des Motors dient.
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Die Leistung der Turbine kann noch weiter gesteigert werden, wenn
man in ebenfalls an sich bekannter Weise die Temperatur des die Turbine durchströmenden
Gas-Luft-Gemisches oder eines Teils hiervon in einer Brennkammer durch Einspritzen
und Verbrennen von Brennstoff erhöht.
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Die erfindungsgemäße Leistungsverzweigung mittels eines Differentials
ist dadurch bemerkenswert, daß das Verhältnis der Drehmomente von ?Motor und Verdichter
konstant bleibt. Andererseits nimmt das Übersetzungsverhältnis zwischen Motor und
Verdichter mit abnehmender Fahrzeuggeschwindigkeit zu. Da drittens das vom Verdichter
aufgenommene Moment mit steigender Verdichterdrehzahl wesentlich zunimmt, ist bei
Verringerung der Fahrgeschwindigkeit eine Drückung der Motordrehzahl die unausbleibliche
Folge. Mit der gleichzeitig steigenden Verdichterdrehzahl steigt jedoch der Verdichtungsdruck
und damit die Rufladung des Motors. Infolge dieser Erscheinung kann etwa die volle
Motorleistung bei allen Fahrgeschwindigkeiten aufrechterhalten werden. Das Differential
bewirkt also bei abnehmender Fahrgeschwindigkeit automatisch ein Ansteigen der Rufladung
und damit eine Zunahme des vom Motor abgegebenen Drehmoments.
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Bei Antriebsanlagen für Fahrzeuge mit Brennkraftmaschine und hydrodynamischer
Kraftübertragung ist es bekannt, die Leistung der Brennkraftmaschine mittels eines
Differentialgetriebes in zwei Teile zu verzweigen, von denen der eine Teil mittels
mechanischer Untersetzungsgetriebe direkt auf die Treibräder des Fahrzeugs geleitet
wird, während der andere Teil zunächst durch das Strömungsgetriebe einer hydrodynamischen
Umformung unterzogen und erst dann von der Turbine des Strömungsgetriebes auf die
Treibräder des Fahrzeugs übertragen wird. Auch bei derartigen Anlagen tritt bei
absinkender Fahrgeschwindigkeit eine Drückung der Motordrehzahl auf, da auch hier
bei Ansteigen der Pumpendrehzahl das zum Antrieb der Pumpe erforderliche Drehmoment
stark zunimmt. In diesem Fall fehlt jedoch die Möglichkeit, den Motor bei fallender
Drehzahl stärker aufzuladen. Im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Übertragung ist
also bei hydraulischer Übertragung die Drückung der Motordrehzahl mit einem Verlust
an Motorleistung und damit auch mit einer Verringerung der an die Triebräder übertragenen
Leistung verbunden. Bei der hydraulischen Übertragung ist es also, im Gegensatz
zu der erfindungsgemäßen Anordnung, nicht möglich, in einem weiten Bereich der Fahrgeschwindigkeit
die volle Leistung des Motors auf die Triebräder zu übertragen. Das Gesagte gilt
sinngemäß für die bekannten Fahrzeugantriebsanlagen dieser Art, bei denen die hydrodynamische
Umformung durch eine Umformung mittels elektrischen Generators und Elektromotors
ersetzt ist, weil auch hier dieBrennkraftmaschine bei fallender Drehzahl nicht mit
einem Teil von für die Kraftübertragung benutzter Luft aufgeladen werden kann.
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Gegenüber den bekannten Übertragungsarten bieten Anlagen gemäß der
Erfindung folgende Vorteile: i. Der Verbrennungsmotor kann unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit
stets etwa die volle Leistung abgeben.
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z. Die Anlage kann bei entsprechender Auslegung ohne Verlust und selbst
mit einem Gewinn an Wirkungsgrad arbeiten; der Brennstoffverbrauch, bezogen auf
die Leistung an den Triebrädern, kann also sogar geringer werden als der spezifische
Verbrauch des Motors.
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3. Die an die Räder übertragene Leistung kann gleich groß oder sogar
größer werden als die Leistung des Motors.
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4. Anlagen gemäß der Erfindung passen sich automatisch an die verlangte
Fahrgeschwindigkeit an. Ein einziger Hebel genügt zur Regelung der an die Triebräder
abgegebenen Leistung.
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5. Alle bisher vorgeschlagenen hydraulischen oder elektrischen Übertragungen
benötigen Hilfseinrichtungen, wie Lüfter, Ölkühler usw., um die in Wärme verwandelten
Übertragungsverluste aus der Anlage abzuführen. Bei Anlagen gemäß der Erfindung
ist dies nicht erforderlich.
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6. Die Luft zur Rufladung des Motors wird bei Anlagen gemäß der Erfindung
von der übertragungsanlage geliefert. Besondere Aufladegebläse sind daher entbehrlich.
7.
Gewichte und Abmessungen von Anlagen gemäß der Erfindung sind weniger hoch, als
dies bei elektrischen oder hydraulischen übertragungen der Fall ist.
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Die Zeichnung zeigt, lediglich als Beispiel, in Abb. i das Schema
einer Anlage gemäß der Erfindung: Abb.2 stellt einen Schnitt gemäß der Linie a-a
der Abb. i dar; Abb. 3 bis 5 zeigen Diagramme über den Verlauf von Drehzahl, Drehmoment
und Leistung bei Anlagen gemäß der Erfindung.
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Gemäß dem in Abb. i dargestellten Schema treibt der Verbrennungsmotor
i ein Differentialgetriebe 2 mit Leistungsverzweigung an. Ein Teil der Motorleistung
wird vom Luftverdichter 3 aufgenommen, der andere Teil wird mittels der Zwischenwelle
6 auf die Räder des Fahrzeugs übertragen.
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Abb.2 zeigt einen Schnitt durch das Differential. Der Planetenträger
q., auf dem die Planetenräder 5 angebracht sind, wird vom Motor i angetrieben. Das
Sonnenrad 8 ist auf der Zwischenwelle6 befestigt; die Drehzahl dieses Rades ist
daher proportional der Fahrzeuggeschwindigkeit. Das Außenrad 9 besitzt zwei Verzahnungen,
eine Innenverzahnung io, die mit den Planetenrädern 5 im Eingriff ist, und eine
Außenverzahnung i i ; diese letztere ist mit dem Ritzel 12 im Eingriff, das auf
der Welle des Luftverdichters 3 sitzt.
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Wie aus Abb. i zu ersehen ist, gelangt ein Teil der vom Verdichter
gelieferten Luft gemäß Pfeil f1 zum Motor. Der Rest wird gemäß Pfeil f2 in einen
Wärmetauscher 13 gedrückt. Die Temperatur dieses Teils der Luft wird anschließend
in der Brennkammer 14 durch Einspritzen und Verbrennen von Brennstoff weiter erhöht.
Vor Eintritt in die Turbine 15 mischen sich diese Gase mit den Abgasen des Motors,
wie dies durch Pfeil f5 angedeutet ist. Die von der Turbine 15 entwickelte Leistung
wird mittels der Ritzel 16 und des Rades 17 auf der Zwischenwelle 6 auf die Triebräder
7 des Fahrzeugs übertragen. Die Abgase der Turbine geben, dem Pfeil f4 folgend,
in dem Wärmetauscher 13 einen Teil ihrer fühlbaren Wärme an die vom Verdichter 3
gelieferte Luft ab.
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Abb. 3 zeigt als Beispiel den Verlauf der Drehzahlen von Motor, Verdichter
und Turbine als Funktion der Fahrgeschwindigkeit. Wie ersichtlich, ist die Drehzahl
der Turbine der Fahrgeschwindigkeit genau proportional. Die Drehzahl des Verdichters
nimmt mit steigenderFahrgeschwindigkeit ab, die des Motors dagegen zu.
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Abb. q. zeigt in einem Beispiel den Verlauf der von Motor und Turbine
abgegebenen und der von Verdichter und Fahrzeug aufgenommenen Momente. Mit zunehmender
Drehzahl des Verdichters steigt sein Verdichtungsdruck an; das vomVerdichter absorbierteMoment
nimmt infolgedessen gleichfalls zu, und zwar rascher als die Verdichterdrehzahl.
Infolge der Wirkung des Differentials zwischen Motor und Verdichter bleibt das Verhältnis
des vom Motor gelieferten Drehmoments zu dem vom Verdichter aufgenommenen Moment
konstant; d. h. also, das Motordrehmoment nimmt bei abnehmender Fahrgeschwindigkeit
ebenfalls zu. Diese Zunahme wird ermöglicht durch den schon erwähnten Anstieg des
Verdichtungsdrucks des Kompressors und der damit zunehmenden Rufladung. Wie bekannt
ist, nimmt das von der Turbine gelieferte Moment bei abnehmender Turbinendrehzahl
ebenfalls zu. Einer Verminderung der Fahrgeschwindigkeit entspricht daher eine starke
Zunahme des auf die Räder übertragenenAbtriebsmoments und damit derZugkraft.
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In Weiterverfolgung des Beispiels zeigt Abb. 5 die Leistungen, wie
sie von Motor .und Turbine abgegeben und vom Verdichter und von den Fahrzeugrädern
aufgenommen werden. In Fahrt wird ein Teil der Motorleistung direkt auf die Triebräder
übertragen. Solange das Fahrzeug stillsteht, wird dagegen die gesamte Motorleistung
vom Verdichter aufgenommen. Mit steigender Fahrgeschwindigkeit nimmt der direkt
auf die Triebräder übertragene Anteil zu, während der vom Verdichter aufgenommene
Teil gleichzeitig abnimmt. Bei einer gewissen Fahrgeschwindigkeit h wird die auf
die Triebräder direkt übertragene Leistung ebenso groß wie die vom Verdichter aufgenommene.
Bei noch höheren Geschwindigkeiten wird der größere Teil der Leistung direkt übertragen.
Die von der Turbine abgegebene Leistung ist in einem weiten Bereich der Fahrgeschwindigkeit
größer als die vom Verdichter aufgenommene Leistung, da die Temperatur der` Gase
vor der Turbine infolge der Wärmezufuhr in den Wärmetauschern und in der Brennkammer
infolge der Zumischung der Abgase des Motors wesentlich höher ist als die Temperatur
der Luft beim Austritt aus dem Verdichter. Die gesamte auf die Triebräder übertragene
Leistung ergibt sich als Summe der Turbinenleistung und der vom Motor direkt auf
die Triebräder übertragenen Leistung. In dem schon erwähnten Bereich ist diese Leistung
größer als die Leistung des Dieselmotors.
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Die Ansprüche 2, q. und 5 gelten nur in-Verbindung mit Anspruch i
bzw. den vorhergehenden Ansprüchen.