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DE102012105138A1 - Drive system for motor car i.e. racing car, has shaft and independent shaft with electric machine and another electric machine e.g. electromotor, mechanically coupled, where independent shaft is connected to axles of motor car - Google Patents

Drive system for motor car i.e. racing car, has shaft and independent shaft with electric machine and another electric machine e.g. electromotor, mechanically coupled, where independent shaft is connected to axles of motor car Download PDF

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DE102012105138A1
DE102012105138A1 DE201210105138 DE102012105138A DE102012105138A1 DE 102012105138 A1 DE102012105138 A1 DE 102012105138A1 DE 201210105138 DE201210105138 DE 201210105138 DE 102012105138 A DE102012105138 A DE 102012105138A DE 102012105138 A1 DE102012105138 A1 DE 102012105138A1
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DE
Germany
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shaft
electric machine
turbine
drive system
motor vehicle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE201210105138
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German (de)
Inventor
Martin Füchtner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Publication date
Application filed by Dr Ing HCF Porsche AG filed Critical Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

The system (1) has a shaft turbine (10) located on a shaft (17) and an utilizable turbine (20) arranged on an independent shaft (22). An exhaust gas jet discharged by the shaft turbine is directed to an inlet of the utilizable turbine. The shaft and the independent shaft with an electric machine (18) and another electric machine (40) e.g. electromotor, are mechanically coupled. The latter machine is electrically connected with the former machine. The independent shaft is connected to axles (50) of a motor car. The shaft turbine and the former machine are operated as a flywheel. An independent claim is also included for a method for providing a drive system for a motor car.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines entsprechenden Antriebssystems und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Antriebssystems. The present invention relates to a drive system for a motor vehicle and a method for providing a corresponding drive system and a method for operating such a drive system.

Für ein Kraftfahrzeug gibt es verschiedene Antriebssysteme, mit welchen das Kraftfahrzeug betrieben werden kann. In der Regel wird ein Kraftfahrzeug von einem Motor angetrieben, wobei es sich bei dem Motor um einen Elektromotor oder einen Verbrennungsmotor handeln kann. Zwischenzeitlich sich immer mehr durchsetzend sind auch sogenannte Hybridantriebe, bei denen ein Elektromotor und ein Verbrennungsmotor in geeigneter Weise gekoppelt sind und sich im Antrieb des Kraftfahrzeugs ergänzen. Bei dem Hybridantrieb handelt es sich um ein alternatives Antriebskonzept, dass aus einer Kombination aus konventionellen Antriebskomponenten mit Verbrennungsmotor sowie einem mehr oder weniger großen Anteil elektrischer Antriebskomponenten besteht. Ferner ist ein reiner Elektroantrieb denkbar, wobei die Energie zumeist aus mitgeführten Energiespeichern, die zuvor ausreichend betankt und aufgeladen wurden, bezogen wird. For a motor vehicle, there are various drive systems with which the motor vehicle can be operated. In general, a motor vehicle is driven by a motor, wherein the motor may be an electric motor or an internal combustion engine. In the meantime, so-called hybrid drives, in which an electric motor and an internal combustion engine are coupled in a suitable manner and complement each other in the drive of the motor vehicle, are becoming more and more prevalent. The hybrid drive is an alternative drive concept, which consists of a combination of conventional drive components with internal combustion engine and a more or less large proportion of electrical drive components. Furthermore, a pure electric drive is conceivable, wherein the energy is usually obtained from entrained energy stores, which were previously sufficiently fueled and charged.

Aus der US 7,188,475 B2 sind zweiwellige Gasturbinenmotoren bekannt, die eine Gasgenerator- und eine Nutzturbinenwelle umfassen. Gemäß dieser Druckschrift werden zweiwellige Gasturbinenmotoren oft zum Antrieb verschiedener Lastdrehzahlen, wie beispielsweise in einem elektrischen Generator oder einem Propeller eines Flugmotors eingesetzt. Dabei muss die Gasturbine bzw. der Gasturbinenmotor so ausgestaltet sein, dass er schwankenden Geschwindigkeiten und Temperaturbedingungen Stand hält, wobei derartige schwankende Geschwindigkeiten und Temperaturbedingungen durch plötzliche Änderungen der Last am Generator oder Propeller auftreten können. Gemäß der genannten Druckschrift wird ein vergleichsweise kleiner Motor bzw. Generator der Gasgeneratorwelle des Gasturbinenmotors hinzugefügt, so dass die Kompressorgeschwindigkeit und der Luftdurchsatz schnell angepasst werden können, um den externen Lastwechsel ausgleichen zu können. From the US 7,188,475 B2 Two-shaft gas turbine engines are known, comprising a gas generator and a turbine shaft. According to this document, two-shaft gas turbine engines are often used to drive various load speeds, such as in an electric generator or a propeller of an aircraft engine. In doing so, the gas turbine engine must be designed to withstand fluctuating speeds and temperature conditions, and such fluctuating speeds and temperature conditions may occur due to sudden changes in the load on the generator or propeller. According to the cited document, a comparatively small motor or generator is added to the gas generator shaft of the gas turbine engine, so that the compressor speed and the air flow rate can be adapted quickly in order to be able to compensate for the external load change.

Vor dem Hintergrund des Standes der Technik war es nunmehr eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zu den bekannten Antriebssystemen alternatives Antriebssystem bereitzustellen, mit dessen Hilfe möglichst effizient und energiesparend ein Antrieb eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Rennfahrzeugs, realisierbar ist. Against the background of the prior art, it was now an object of the present invention to provide an alternative to the known drive systems propulsion system, with the help of the most efficient and energy-efficient driving a motor vehicle, especially a racing car, can be realized.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Antriebssystem mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines derartigen Antriebssystems mit den Merkmalen von Patentanspruch 9 und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Antriebssystems mit den Merkmalen von Patentanspruch 10 bereitgestellt. Weitere Ausgestaltungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen ausgeführt. To achieve this object, a drive system with the features of claim 1 and a method for providing such a drive system with the features of claim 9 and a method for operating such a drive system with the features of claim 10 is provided. Further embodiments are embodied in the corresponding subclaims.

Erfindungsgemäß wird ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer auf einer ersten Welle angeordneten Wellenturbine und einer auf einer zweiten, von der ersten unabhängigen Welle angeordneten Nutzturbine bereitgestellt. Dabei ist ein von der Wellenturbine ausgestoßener Abgasstrahl auf einen Einlass der Nutzturbine gerichtet. Die erste Welle ist ferner mit einer ersten Elektromaschine und die zweite Welle mit einer zweiten, mit der ersten Elektromaschine elektrisch verbundenen Elektromaschine mechanisch gekoppelt. Die zweite Welle ist ferner an mindestens einer Achse des Kraftfahrzeugs angebunden. Über die mindestens eine Achse ist die zweite Welle in der Regel mit mindestens einem Rad des Kraftfahrzeugs gekoppelt. According to the invention, a drive system for a motor vehicle is provided with a shaft turbine arranged on a first shaft and a power turbine arranged on a second useful turbine arranged by the first independent shaft. In this case, an exhaust jet emitted by the shaft turbine is directed to an inlet of the utility turbine. The first shaft is further mechanically coupled to a first electric machine and the second shaft to a second electric machine electrically connected to the first electric machine. The second shaft is further connected to at least one axis of the motor vehicle. As a rule, the second shaft is coupled to at least one wheel of the motor vehicle via the at least one axle.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems weist die zweite Welle ein mechanisches Getriebe auf, über welches die zweite Welle an die mindestens eine Achse angebunden und über welches die zweite Welle die mindestens eine Achse antreiben kann. In an embodiment of the drive system according to the invention, the second shaft has a mechanical transmission, via which the second shaft is connected to the at least one axle and via which the second shaft can drive the at least one axle.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems sind die erste und die zweite Elektromaschine wahlweise, insbesondere in Wechselbeziehung zueinander als Generator und als Elektromotor zu betreiben. Das bedeutet, dass sowohl die erste Elektromaschine auf der ersten Welle, im Folgenden auch Antriebswelle genannt, als auch die zweite Elektromaschine auf der zweiten Welle, im Folgenden auch Abtriebswelle genannt, jeweils sowohl als Generator wie auch als Elektromotor betrieben werden können. Durch die elektrische Verbindung zwischen erster Elektromaschine und zweiter Elektromaschine ist es realisierbar, dass für den Fall, dass die erste Elektromaschine als Generator fungiert, der dabei erzeugte Strom an die zweite Elektromaschine geleitet werden kann, die dann die Funktion eines Motors zum Antrieb der mindestens einen Achse einnehmen kann. Es ist jedoch auch umgekehrt denkbar, dass, wie beispielsweise bei einem Abbremsvorgang, die zweite Elektromaschine als Generator fungiert und der dabei erzeugte elektrische Strom an die erste Elektromaschine übertragen wird, die dann als Motor zum Antrieb der Wellenturbine fungieren kann. In a further embodiment of the drive system according to the invention, the first and the second electric machine are optional, in particular to operate in correlation with each other as a generator and as an electric motor. This means that both the first electric machine on the first shaft, also referred to below as the drive shaft, and the second electric machine on the second shaft, also referred to below as the output shaft, can each be operated both as a generator and as an electric motor. Due to the electrical connection between the first electric machine and the second electric machine, it can be realized that in the event that the first electric machine acts as a generator, the electricity generated thereby can be passed to the second electric machine, which then performs the function of a motor for driving the at least one Axis can take. However, it is also conceivable vice versa that, such as in a braking operation, the second electric machine acts as a generator and the electric current generated is transmitted to the first electric machine, which can then act as a motor for driving the shaft turbine.

Das bedeutet, dass gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems von der ersten Elektromaschine erzeugter Strom zumindest zum Teil zur zweiten, dann als Motor fungieren Elektromaschine zu leiten ist und umgekehrt, d. h. dass von der zweiten Elektromaschine erzeugter Strom zumindest zum Teil zur ersten, dann als Motor fungieren Elektromaschinen zu leiten ist. This means that, according to a further embodiment of the drive system according to the invention, current generated by the first electric machine is to be conducted at least in part to the second electric motor, which then functions as the motor, and vice versa, ie that generated by the second electric machine power is at least partially to the first, then acting as a motor electric machines to be directed.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems ist die Wellenturbine zur Speicherung von kinetischer Energie als Schwungrad zu betreiben. Dabei wird die kinetische Energie in Form von Rotationsenergie gespeichert. Aufgrund der großen Masse, der sogenannten Schwungmasse der Wellenturbine kann hierbei viel kinetische Energie gespeichert werden, die bei Bedarf dann wiederum in elektrische Energie umgewandelt werden kann. In a further embodiment of the drive system according to the invention, the shaft turbine for storing kinetic energy to operate as a flywheel. The kinetic energy is stored in the form of rotational energy. Due to the large mass, the so-called flywheel of the shaft turbine this much kinetic energy can be stored, which in turn can then be converted into electrical energy as needed.

Die Wellenturbine und die Nutzturbine umfassen jeweils eine ein- oder mehrstufige Turbineneinheit mit axialer oder radialer Bauart. Eine Wellenturbine, auch als Wellentriebwerk bezeichnet, ist eine Gasturbine, bei welcher eine durch die Turbineneinheit erzeugte Leistung auf eine Abtriebswelle, hier zweite Welle, übertragen wird, die dann zum Antrieb, wie hier der mindestens einen Achse, auf welcher in der Regel mindestens ein Rad des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, verwendet wird. Die Gasturbine, im weiteren Sinne, ist eine Verbrennungskraftmaschine bestehend aus einer Turbineneinheit mit einem vorgeschalteten Verdichter und mindestens einer dazwischengeschalteten Brennkammer. Das Wirkungsprinzip der Gasturbine besteht darin, dass dem System zugeführte Luft über eine Beschaufelung einer oder mehrerer Verdichterstufen komprimiert wird, diese anschließend in der Brennkammer mit einem gasförmig oder flüssigen Treibstoff gemischt, gezündet und verbrannt wird. Das dabei entstehende Heißgas als Mischung aus Verbrennungsgas und Luft wird im nachfolgenden Turbinenteil bzw. der Turbineneinheit entspannt, wobei sich thermische in mechanische Energie umwandelt und zunächst den Verdichter antreibt, wobei der verbleibende Anteil bei der Wellenturbine zum Antrieb einer weiteren Einheit verwendet wird. Im vorliegenden Fall wird der der Wellenturbine entströmende heiße Gasstrom auf den Einlass der Nutzturbine als zweiter Turbine auf der zweiten Welle gerichtet. Zwischen Nutzturbine und Wellenturbine kann dabei in Ausgestaltung ein Zwischenüberhitzer und/oder ein Aggregat zur Eindüsung von Wasser angeordnet sein, welche bzw. welches mit dem heißen Gasstrom aus der Wellenturbine gespeist wird. Das daraus austretende Heißgas wird dann in der Nutzturbine entspannt, wobei dort dann die thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt und zum Antrieb der mindestens einen Achse eingesetzt wird. The shaft turbine and the power turbine each comprise a single or multi-stage turbine unit with axial or radial design. A shaft turbine, also referred to as a shaft engine, is a gas turbine in which a power generated by the turbine unit is transmitted to an output shaft, here second shaft, which then to drive, as here the at least one axis on which usually at least one Wheel of the motor vehicle is arranged is used. The gas turbine, in a broader sense, is an internal combustion engine consisting of a turbine unit with an upstream compressor and at least one combustion chamber connected in between. The principle of operation of the gas turbine is that the system supplied air is compressed via a blading of one or more compressor stages, this is then mixed in the combustion chamber with a gaseous or liquid fuel, ignited and burned. The resulting hot gas as a mixture of combustion gas and air is expanded in the following turbine part or the turbine unit, with thermal converts to mechanical energy and first drives the compressor, the remaining portion is used in the shaft turbine to drive another unit. In the present case, the hot gas stream flowing out of the shaft turbine is directed onto the inlet of the useful turbine as a second turbine on the second shaft. Between the turbine and shaft turbine can be arranged in an embodiment, a reheater and / or an aggregate for the injection of water, which is fed with the hot gas flow from the shaft turbine. The resulting hot gas is then expanded in the power turbine, where then the thermal energy is converted into mechanical energy and used to drive the at least one axis.

Das bedeutet, dass in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems die Wellenturbine neben der vorgesehenen Turbineneinheit mindestens einen der Turbineneinheit vorgelagerten ein- oder mehrstufigen Verdichter mit axialer oder radialer Bauart und mindestens eine ebenfalls der Turbineneinheit vorgelagerte Brennkammer mit mindestens einer Kraftstoffzuleitung umfasst. Ferner kann zwischen Wellenturbine und Nutzturbine mindestens ein Zwischenüberhitzer und/oder ein Aggregat zur Wassereindüsung angeordnet sein. This means that in a further embodiment of the drive system according to the invention, the shaft turbine in addition to the proposed turbine unit comprises at least one upstream of the turbine unit single or multi-stage compressor with axial or radial design and at least one also the turbine unit upstream combustion chamber with at least one fuel supply. Furthermore, at least one reheater and / or an aggregate for injecting water can be arranged between the shaft turbine and the utility turbine.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems ist das Getriebe ein automatisches Getriebe und zwischen Nutzturbine und zweiter Elektromaschine oder zwischen zweiter Elektromaschine und der mindestens einen mit der zweiten Welle gekoppelten Achse anzuordnen. In a further embodiment of the drive system according to the invention, the transmission is an automatic transmission and to arrange between the power turbine and the second electric machine or between the second electric machine and the at least one axis coupled to the second shaft.

Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Struktur, nämlich, dass ein zweiwelliges System vorgesehen ist, wobei auf einer ersten Welle eine Wellenturbine mit Elektromaschine und auf einer zweiten Welle eine Nutzturbine mit weiterer Elektromaschine angeordnet ist, ist es möglich, dass die Drehzahl der Elektromaschine auf der zweiten Welle, d. h. auf der Abtriebswelle entsprechend der Drehzahl von Rad bzw. Achse innerhalb eines weiten Bereichs variabel ist. Durch die beliebige Austauschbarkeit mechanischer und elektrischer Leistungen zwischen den beiden voneinander getrennten Wellen, d. h. zwischen erster Welle und zweiter, von der ersten unabhängigen Welle sind zwei verschiedene Drehzahlen der Wellen realisierbar. Ferner ist anzumerken, dass die Wellenturbine, welche auf der ersten Welle angeordnet ist, als Schwungmasse genutzt werden kann und dadurch zur mechanischen Speicherung von Energie einsetzbar ist. Ein Betrieb der zweiten Elektromaschine auf der zweiten Welle nicht nur als Generator, sondern auch als Motor, macht eine ergänzende Antriebsmöglichkeit beim Antrieb des Kraftfahrzeugs effizient möglich. On the basis of the structure provided according to the invention, namely that a two-shaft system is provided, wherein a shaft turbine with electric machine is arranged on a first shaft and a power turbine with further electric machine is arranged on a second shaft, it is possible for the rotational speed of the electric machine to be on the second shaft , d. H. is variable on the output shaft according to the rotational speed of the wheel or axle within a wide range. Due to the arbitrary interchangeability of mechanical and electrical power between the two separate waves, d. H. between the first wave and second, from the first independent wave two different speeds of the waves can be realized. It should also be noted that the shaft turbine, which is arranged on the first shaft, can be used as a flywheel and thus can be used for the mechanical storage of energy. An operation of the second electric machine on the second shaft not only as a generator, but also as a motor makes a complementary drive option when driving the motor vehicle efficiently possible.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einer ersten Welle eine Wellenturbine und auf einer zweiten, von der ersten unabhängigen Welle eine Nutzturbine angeordnet. Dabei wird ein von der Wellenturbine ausgestoßener Abgasstrahl auf einen Einlass der Nutzturbine gerichtet. Ferner werden die erste Welle mit einer ersten Elektromaschine und die zweite Welle mit einer zweiten, mit der ersten Elektromaschine elektrisch verbundenen Elektromaschine mechanisch gekoppelt. Die zweite Welle wird an mindestens eine Achse des Kraftfahrzeugs angebunden. Furthermore, the present invention relates to a method for providing a drive system for a motor vehicle. In the method according to the invention, a wave turbine is arranged on a first shaft and a power turbine is arranged on a second, of the first independent shaft. In this case, an exhaust jet emitted by the shaft turbine is directed to an inlet of the utility turbine. Furthermore, the first shaft is mechanically coupled to a first electric machine and the second shaft to a second electric machine electrically connected to the first electric machine. The second shaft is connected to at least one axle of the motor vehicle.

Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Antriebssystems bereitgestellt. Dabei wird beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs nicht benötigte Rotationsenergie der Wellenturbine mittels der ersten Elektromaschine in elektrische Energie in Form von elektrischem Strom umgewandelt und der erzeugte elektrische Strom zur zweiten Elektromaschine geleitet. Die zweite Elektromaschine wird mittels des elektrischen Stroms sodann als Motor betrieben und treibt somit mindestens eine Achse des Kraftfahrzeugs an. Dadurch kann die zweite Elektromaschine, die auf der Abtriebswelle angeordnet ist, die mindestens eine Achse des Kraftfahrzeugs zusätzlich zur Wellenturbine mit antreiben. Die erste Elektromaschine fungiert in diesem Fall, d. h. beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs, als Generator. Furthermore, a method for operating a drive system according to the invention is provided. In this case, during acceleration of the motor vehicle unnecessary rotational energy of the shaft turbine is converted by means of the first electric machine into electrical energy in the form of electric current and passed the generated electric power to the second electric machine. The second Electric machine is then operated by means of the electric current then as a motor and thus drives at least one axis of the motor vehicle. Thereby, the second electric machine, which is arranged on the output shaft, which drive at least one axis of the motor vehicle in addition to the shaft turbine with. The first electric machine functions as a generator in this case, that is, during acceleration of the motor vehicle.

Gemäß weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs die zweite Elektromaschine als Generator betrieben und der dabei erzeugte elektrische Strom wird zur ersten Elektromaschine geleitet, die mittels des elektrischen Stroms als Motor betrieben wird und dabei die Wellenturbine zur Speicherung von kinetischer Energie zusätzlich in Rotation versetzt. Das bedeutet, dass beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs die Elektromaschine auf der Abtriebswelle, d. h. die zweite Elektromaschine als Generator betrieben wird, um das Kraftfahrzeug abzubremsen. Dabei wird elektrischer Strom erzeugt. Der elektrische Strom wird dann zur Elektromaschine auf der Antriebswelle geleitet, die als Motor betrieben wird und dadurch die Wellenturbine in Rotation versetzen kann, wodurch kinetische Energie in Form von Rotationsenergie gespeichert werden kann. According to a further embodiment of the method according to the invention, the second electric machine is operated as a generator during braking of the motor vehicle and the electric current generated is passed to the first electric machine, which is operated by the electric current as a motor and thereby the shaft turbine for storing kinetic energy in addition to rotation added. This means that when braking the motor vehicle, the electric machine on the output shaft, d. H. the second electric machine is operated as a generator to decelerate the motor vehicle. Electricity is generated. The electric current is then passed to the electric machine on the drive shaft, which is operated as a motor and thereby can set the shaft turbine in rotation, whereby kinetic energy can be stored in the form of rotational energy.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems wie voranstehend beschrieben und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines derartigen Antriebssystems in einem Rennfahrzeug. Furthermore, the present invention relates to a use of a drive system according to the invention as described above and / or a method according to the invention for operating such a drive system in a racing vehicle.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a drive system according to the invention.

2 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems. 2 shows a schematic representation of another embodiment of a drive system according to the invention.

1 zeigt eine Ausführungsform eines Antriebssystems, wie es erfindungsgemäß für ein Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Das Antriebssystem 1 umfasst eine Wellenturbine 10 und eine Nutzturbine 20. Die Wellenturbine 10 umfasst eine Turbineneinheit 11. Die Turbineneinheit 11 kann dabei eine axiale oder radiale Baustruktur aufweisen und ein- oder mehrstufig ausgebildet sein. Ferner umfasst die Wellenturbine 10 im hier dargestellten Beispiel zwei Brennkammern 12, die jeweils mit einer entsprechenden Kraftstoffzuleitung 13 versehen sind. Die Brennkammern 12 sind der Turbineneinheit 11 vorgelagert. Den Brennkammern 12 vorgelagert wiederum ist ein Verdichter 14. Der Verdichter 14 kann ebenfalls eine axiale oder radiale Baustruktur aufweisen und dabei ein- oder mehrstufig ausgebildet sein. Zwischen Verdichter 14, Brennkammern 12 und Turbineneinheit 11 sind jeweilige Gaskanäle 15 vorgesehen, die ein im Verdichter 14 komprimiertes Gas zunächst zu den Brennkammern 12 leiten, wo das Gas mit über Kraftstoffzuleitung 13 eingeführtem Kraftstoff gezündet und verbrannt wird und dann wiederum über einen jeweiligen Gaskanal 15 zur Turboeinheit 11 weitergeleitet wird. Die Gaszufuhr zum Verdichter 14 erfolgt über die Gaszuleitung 16. Die Wellenturbine 10 ist auf einer ersten Welle 17, im Folgenden auch Antriebswelle 17 genannt, gelagert. Über die Antriebswelle 17 ist die Wellenturbine 10 mechanisch mit einer ersten Elektromaschine 18 gekoppelt. 1 shows an embodiment of a drive system, as provided according to the invention for a motor vehicle. The drive system 1 includes a shaft turbine 10 and a power turbine 20 , The shaft turbine 10 includes a turbine unit 11 , The turbine unit 11 can have an axial or radial structure and be formed in one or more stages. Furthermore, the shaft turbine includes 10 in the example shown here two combustion chambers 12 , each with a corresponding fuel supply line 13 are provided. The combustion chambers 12 are the turbine unit 11 upstream. The combustion chambers 12 upstream in turn is a compressor 14 , The compressor 14 may also have an axial or radial structure and be formed in one or more stages. Between compressors 14 , Combustion chambers 12 and turbine unit 11 are respective gas channels 15 provided, the one in the compressor 14 compressed gas first to the combustion chambers 12 direct where the gas with over fuel supply line 13 introduced fuel is ignited and burned and then in turn via a respective gas channel 15 to the turbo unit 11 is forwarded. The gas supply to the compressor 14 via the gas supply line 16 , The shaft turbine 10 is on a first wave 17 , hereinafter also drive shaft 17 called, stored. About the drive shaft 17 is the shaft turbine 10 mechanically with a first electric machine 18 coupled.

Die Nutzturbine 20 umfasst eine Turbineneinheit 21, die ähnlich zur Turbineneinheit 11 axial oder radial aufgebaut sein kann und ein- oder mehrstufig ausgebildet sein kann. Die Nutzturbine 20 ist auf einer zweiten Welle 22, im Folgenden auch Abtriebswelle genannt, gelagert. Auf der zweiten Welle 22 sind neben der Nutzturbine 20 ein automatisches Getriebe 30 sowie eine zweite Elektromaschine 40 gelagert. Ferner ist mit der Abtriebswelle 22 ein Achsgetriebe bzw. Abtrieb 50 zu einem Rad realisiert. Es kann sich dabei auch um ein integriertes Getriebe handeln, ggf. auch um eine Verbindung zu einem Allradsystem. Ferner ist an der Nutzturbine 20 eine Abgasleitung 23 vorgesehen, um Abgas vom System wegzuführen. The power turbine 20 includes a turbine unit 21 similar to the turbine unit 11 may be constructed axially or radially and may be formed in one or more stages. The power turbine 20 is on a second wave 22 , also referred to below as the output shaft, stored. On the second wave 22 are next to the power turbine 20 an automatic transmission 30 and a second electric machine 40 stored. Furthermore, with the output shaft 22 an axle drive or output 50 realized to a wheel. It may also be an integrated transmission, possibly also a connection to an all-wheel drive system. Further, on the power turbine 20 an exhaust pipe 23 provided to exhaust gas from the system.

Ferner umfasst das hier dargestellte erfindungsgemäße Antriebssystem einen Rekuperator 80. Der Rekuperator 80 kann optional vorgesehen sein und dient dazu, Wärme von dem aus der Turbineneinheit 21 abgeführten Gas zur Vorwärmung von dem Verdichter 14 über die Gasleitung 16 zuzuführendem Gas zu nutzen. In der Gaszuführung 16 kann ferner optional eine Wassereindüsung 16.1 vorgesehen sein. Furthermore, the drive system according to the invention shown here comprises a recuperator 80 , The recuperator 80 can be optionally provided and serves to heat from the turbine unit 21 discharged gas to preheat the compressor 14 over the gas line 16 to use supplied gas. In the gas supply 16 can also optionally a water injection 16.1 be provided.

Zwischen Wellenturbine 10 und Nutzturbine 20 sind in der hier gezeigten Ausführungsform zwei Zwischenüberhitzer 60 und/oder Aggregate zur Wassereindüsung angeordnet, welche über weitere Gaskanäle 61 die Turbineneinheit 11 mit der Turbineneinheit 21 verbinden. Eine mechanische Verbindung über eine gemeinsame Welle ist erfindungsgemäß nicht vorgesehen. Vielmehr sind die Wellenturbine und die Nutzturbine auf zwei voneinander unabhängigen Wellen 17 bzw. 22 gelagert. Dabei ist es möglich, dass die Wellenturbine 10 und die Nutzturbine 20 mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden. Die Elektromaschine 18 ist mit der Elektromaschine 40 über eine elektrische Verbindung 70 verbunden. Between shaft turbine 10 and utility turbine 20 are in the embodiment shown here, two reheaters 60 and / or aggregates arranged for water injection, which via other gas channels 61 the turbine unit 11 with the turbine unit 21 connect. A mechanical connection via a common shaft is not provided according to the invention. Rather, the shaft turbine and the power turbine on two independent waves 17 respectively. 22 stored. That's it possible that the shaft turbine 10 and the power turbine 20 be operated at different speeds. The electric machine 18 is with the electric machine 40 via an electrical connection 70 connected.

Das dargestellte Antriebssystem 1 wird nun folgendermaßen betrieben:
Bei einem Beschleunigungsvorgang des Kraftfahrzeugs wird nicht benötigte Rotationsenergie der Wellenturbine 10 mittels der Elektromaschine 18 auf der Antriebswelle 17 in elektrische Energie umgewandelt, d. h. es findet eine Rekuperation statt. Indem die Elektromaschine 18 als Generator betrieben wird, erzeugt sie elektrischen Strom, der zur Elektromaschine 40 auf der Abtriebswelle 22 über die elektrische Verbindung 70 geleitet wird. Die elektrische Maschine 40 auf der Abtriebswelle 22 wird nunmehr als Motor betrieben, um zusätzlich zur Wellenturbine 10 die Achse 50 des Kraftfahrzeugs mit anzutreiben. The illustrated drive system 1 is now operated as follows:
In an acceleration process of the motor vehicle is not required rotational energy of the shaft turbine 10 by means of the electric machine 18 on the drive shaft 17 converted into electrical energy, ie there is a recuperation. By the electric machine 18 is operated as a generator, it generates electrical power to the electric machine 40 on the output shaft 22 over the electrical connection 70 is directed. The electric machine 40 on the output shaft 22 is now operated as a motor, in addition to the shaft turbine 10 the axis 50 of the motor vehicle to drive.

Bei einem Abbremsvorgang des Kraftfahrzeugs wird demgegenüber die Elektromaschine 40 auf der Abtriebswelle 22 als Generator betrieben, um das Kraftfahrzeug abzubremsen und so elektrischen Strom zu erzeugen. Der elektrische Strom wird dabei über die Leitung 70 zur Elektromaschine 18 auf der Antriebswelle 17 geleitet. Indem diese Elektromaschine 18 nunmehr als Motor betrieben wird, versetzt die Elektromaschine 18 die Wellenturbine 10 zusätzlich in Rotation, wodurch kinetische Energie gespeichert werden kann. Dabei wird die Wellenturbine bzw. die Turbineneinheit 11 als Teil der Wellenturbine 10 als Schwungrad bzw. Schwungmasse verwendet, wodurch kinetische Energie gespeichert werden kann, die bei Bedarf wiederum der Elektromaschine 18 zur Herstellung von elektrischer Energie in Form von elektrischem Strom zur Verfügung gestellt werden kann. In a braking operation of the motor vehicle, on the other hand, the electric machine 40 on the output shaft 22 operated as a generator to decelerate the motor vehicle and so to generate electricity. The electric current is thereby over the line 70 to the electric machine 18 on the drive shaft 17 directed. By this electric machine 18 now operated as a motor, offset the electric machine 18 the shaft turbine 10 additionally in rotation, whereby kinetic energy can be stored. In this case, the shaft turbine or the turbine unit 11 as part of the shaft turbine 10 used as flywheel or flywheel, whereby kinetic energy can be stored, in turn, if necessary, the electric machine 18 for the production of electrical energy in the form of electric power can be provided.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Antriebssystem entspricht einer Art Mischhybrid, in welchem mechanische und elektrische Leistung beliebig zwischen den beiden voneinander getrennten Wellen 17 und 22 austauschbar sind, wodurch zwei verschiedene Drehzahlen der Wellen 17 und 22 realisierbar sind. Mischhybrid bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass der Antrieb des Kraftfahrzeugs gleichzeitig sowohl mechanisch wie auch mittels eines Elektromotors realisiert werden kann. The inventively provided drive system corresponds to a kind of hybrid hybrid, in which mechanical and electrical power arbitrarily between the two separate waves 17 and 22 are interchangeable, creating two different speeds of the waves 17 and 22 are feasible. Mixed hybrid in the context of the present invention means that the drive of the motor vehicle can be realized simultaneously both mechanically and by means of an electric motor.

2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsystems. Gegenüber der in 1 beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems ist in der hier dargestellten Ausführungsform das automatische Getriebe 30' der Elektromaschine 40' auf der Abtriebswelle 22' nachgeschaltet, d. h. das automatische Getriebe 30' befindet sich hier zwischen Elektromaschine 40' und Achsgetriebe bzw. Abtrieb 50' zu einem Rad des Kraftfahrzeugs. Bei dem automatischen Getriebe 30 aus 1 bzw. 30' aus 2 kann es sich jeweils um ein automatisches Getriebe mit oder ohne Primärübersetzung handeln. 2 shows a further embodiment of a drive system according to the invention. Opposite the in 1 described embodiment of the drive system according to the invention is in the embodiment shown here, the automatic transmission 30 ' the electric machine 40 ' on the output shaft 22 ' downstream, ie the automatic transmission 30 ' is located here between electric machine 40 ' and axle gear or output 50 ' to a wheel of the motor vehicle. In the automatic transmission 30 out 1 respectively. 30 ' out 2 each may be an automatic transmission with or without primary ratio.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7188475 B2 [0003] US 7188475 B2 [0003]

Claims (11)

Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer auf einer ersten Welle (17, 17') angeordneten Wellenturbine (10, 10') und einer auf einer zweiten von der ersten unabhängigen Welle (22, 22') angeordneten Nutzturbine (20, 20'), wobei ein von der Wellenturbine (10, 10') ausgestoßener Abgasstrahl auf einen Einlass der Nutzturbine (20, 20') gerichtet ist, und wobei die erste Welle (17, 17') mit einer ersten Elektromaschine (18, 18') und die zweite Welle (22, 22') mit einer zweiten mit der ersten Elektromaschine elektrisch verbundenen Elektromaschine (40, 40') mechanisch gekoppelt sind und die zweite Welle (22, 22') an mindestens eine Achse (50, 50') des Kraftfahrzeugs angebunden ist. Drive system for a motor vehicle with one on a first shaft ( 17 . 17 ' ) arranged shaft turbine ( 10 . 10 ' ) and one on a second from the first independent wave ( 22 . 22 ' ) arranged Nutz turbine ( 20 . 20 ' ), one of the shaft turbine ( 10 . 10 ' ) discharged exhaust jet to an inlet of the power turbine ( 20 . 20 ' ), and wherein the first wave ( 17 . 17 ' ) with a first electric machine ( 18 . 18 ' ) and the second wave ( 22 . 22 ' ) with a second electric machine electrically connected to the first electric machine ( 40 . 40 ' ) are mechanically coupled and the second wave ( 22 . 22 ' ) to at least one axis ( 50 . 50 ' ) of the motor vehicle is connected. Antriebssystem nach Anspruch 1, bei dem die zweite Welle (22, 22') ein mechanisches Getriebe (30, 30') aufweist, über welches die zweite Welle (22, 22') an die mindestens eine Achse (50, 50') angebunden ist und diese antreiben kann. Drive system according to Claim 1, in which the second shaft ( 22 . 22 ' ) a mechanical transmission ( 30 . 30 ' ) over which the second shaft ( 22 . 22 ') to the at least one axis ( 50 . 50 ' ) is connected and can drive these. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste (18, 18') und die zweite Elektromaschine (40, 40') wahlweise, insbesondere in Wechselbeziehung zueinander als Generator und als Elektromotor zu betreiben sind. Drive system according to Claim 1 or 2, in which the first ( 18 . 18 ' ) and the second electric machine ( 40 . 40 ' ) optionally, in particular in correlation with each other to operate as a generator and as an electric motor. Antriebssystem nach Anspruch 3, bei dem von der ersten Elektromaschine (18, 18') erzeugter Strom zumindest zum Teil zur zweiten dann als Motor fungierenden Elektromaschine (40, 40') zu leiten ist und umgekehrt. Drive system according to Claim 3, in which, of the first electric machine ( 18 . 18 ' ) generated electricity at least in part to the second then acting as a motor electric machine ( 40 . 40 ' ) and vice versa. Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Wellenturbine (10, 10') und die erste Elektromaschine (18, 18') zur Speicherung von kinetischer Energie als Schwungrad zu betreiben ist. Drive system according to one of the preceding claims, in which the shaft turbine ( 10 . 10 ' ) and the first electric machine ( 18 . 18 ' ) is to operate as a flywheel for storing kinetic energy. Antriebssystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Wellenturbine (10, 10') und die Nutzturbine (20, 20') jeweils eine ein- oder mehrstufige Turbineneinheit mit axialer oder radialer Bauart umfassen. Drive system according to one of the preceding claims, in which the shaft turbine ( 10 . 10 ' ) and the power turbine ( 20 . 20 ' ) each comprise a single or multi-stage turbine unit with axial or radial design. Antriebssystem nach Anspruch 6, bei dem die Wellenturbine (10, 10') ferner, der Turbineneinheit vorgelagert, mindestens einen ein- oder mehrstufigen Verdichter (14, 14') mit axialer oder radialer Bauart und mindestens eine Brennkammer (12, 12') mit mindestens einer Kraftstoffzuleitung (13, 13') umfasst, und bei dem vorzugsweise zwischen Wellenturbine (10, 10') und Nutzturbine (20, 20') mindestens ein Zwischenüberhitzer (60, 60') und/oder ein Aggregat zur Eindüsung von Wasser angeordnet ist. Drive system according to Claim 6, in which the shaft turbine ( 10 . 10 ' ), upstream of the turbine unit, at least one single or multi-stage compressor ( 14 . 14 ') of axial or radial design and at least one combustion chamber ( 12 . 12 ' ) with at least one fuel supply line ( 13 . 13 ' ), and in which preferably between shaft turbine ( 10 . 10 ' ) and power turbine ( 20 . 20 ' ) at least one reheater ( 60 . 60 ' ) and / or an aggregate for the injection of water is arranged. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Getriebe (30, 30') ein automatisches Getriebe ist und zwischen Nutzturbine (20, 20') und zweiter Elektromaschine (40, 40') oder zwischen zweiter Elektromaschine (40, 40') und einem auf der Achse angeordneten Rad anzuordnen ist. Drive system according to one of Claims 2 to 7, in which the transmission ( 30 . 30 ' ) is an automatic transmission and between power turbine ( 20 . 20 ' ) and second electric machine ( 40 . 40 ' ) or between the second electric machine ( 40 . 40 ') and a wheel arranged on the axle is to be arranged. Verfahren zum Bereitstellen eines Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, bei dem auf einer ersten Welle eine Wellenturbine und auf einer zweiten von der ersten unabhängigen Welle eine Nutzturbine angeordnet wird, wobei ein von der Wellenturbine ausgestoßener Abgasstrahl auf einen Einlass der Nutzturbine gerichtet wird, und wobei die erste Welle mit einer ersten Elektromaschine und die zweite Welle mit einer zweiten mit der ersten Elektromaschine elektrisch verbundenen Elektromaschine mechanisch gekoppelt werden und die zweite Welle an mindestens eine Achse des Kraftfahrzeugs angebunden wird. A method for providing a drive system for a motor vehicle, wherein a shaft turbine is arranged on a first shaft and a power turbine on a second of the first independent shaft, wherein an exhaust jet emitted from the shaft turbine is directed to an inlet of the power turbine, and wherein the first Shaft with a first electric machine and the second shaft are mechanically coupled to a second electric machine electrically connected to the first electric machine and the second shaft is connected to at least one axis of the motor vehicle. Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs nicht benötigte Rotationsenergie der Wellenturbine mittels der ersten Elektromaschine in elektrische Energie in Form von Strom umgewandelt und der erzeugte elektrische Strom zur zweiten Elektromaschine geleitet wird, die mittels des elektrischen Stroms als Motor betrieben wird und somit die mindestens eine Achse des Kraftfahrzeugs antreibt. A method of operating a drive system according to any one of claims 1 to 8, wherein not required during acceleration of the motor vehicle rotational energy of the shaft turbine by means of the first electric machine into electrical energy in the form of electricity and the generated electric current is passed to the second electric machine, which by means of electric current is operated as a motor and thus drives the at least one axis of the motor vehicle. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs die zweite Elektromaschine als Generator betrieben wird und der dabei erzeugte elektrische Strom zur ersten Elektromaschine geleitet wird, die mittels des elektrischen Stroms als Motor betrieben wird und dabei die Wellenturbine zur Speicherung von kinetischer Energie zusätzlich in Rotation versetzt. The method of claim 10, wherein when braking the motor vehicle, the second electric machine is operated as a generator and the electric current generated is passed to the first electric machine, which is operated by means of the electric current as a motor and thereby the shaft turbine for storing kinetic energy in addition Rotation offset.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3525874A (en) * 1968-04-22 1970-08-25 William W Toy Turbine and electric powered vehicle
US7188475B2 (en) 2003-12-18 2007-03-13 Honeywell International, Inc. Starting and controlling speed of a two spool gas turbine engine

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