DE2551157A1

DE2551157A1 - Vorrichtung zur erzeugung von elektrischer energie aus der durch auspuffgase einer brennkraftmaschine zurueckgewonnenen energie

Info

Publication number: DE2551157A1
Application number: DE19752551157
Authority: DE
Inventors: Jacques Gallois
Original assignee: Societe dEtudes de Machines Thermiques SEMT SA
Current assignee: Everllence France SAS
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-11-14
Publication date: 1976-07-01
Also published as: CS176149B2; FR2296295B1; GB1496374A; DE2551157B2; AU8561775A; DD122117A5; NO144935B; BR7507327A; FI752947A7; DK591175A; SU606558A3; PL108381B1; NO144935C; US4038558A; YU252475A; DK138709B; SE7513223L; CH598484A5; FR2296295A1; NL7514897A

Description

SOCIETE D¹ETUDES DE MACHINES THERMIQUES S.E.M.T., 2, Quai de Seine, 93202 SAINT DENIS, Frankreich.

Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der durch Auspuffgase einer Brennkraftmaschine zurückgewonnenen Energie.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der durch die Auspuffgase einer Brennkraftmaschine zurückgewonnenen Energie mit einem Untersetzungsgetriebe, welches zwischen dem Motor und einer Transmissionswelle angeordnet ist, sowie mit einem Turbogenerator, der durch die von den Auspuffgasen abgeleitete Energie angetrieben wird und dessen Turbine mit dem Untersetzungsgetriebe gekoppelt ist. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere aber nicht ausschließlich zur Ausrüstung bestimmter Schiffe dienen, deren zum Funktionieren der Bordausrüstung notwendige elektrische Leistung durch Energie erzeugt wird, die

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von den Auspuffgasen des zum Antrieb des Propellers dienenden Dieselmotors abgeleitet wird.

Auf bestimmten Schiffen wird die Bordelektrizität durch einen Turbogenerator erzeugt, dessen Turbine durch die Auspuffgase einer Brennkraftmaschine, die über ein geeignetes mechanisches Untersetzungsorgan den Propeller des Schiffes antreibt, angetrieben wird. Da die Menge an zurückgewonnener Energie meistens größer als der Strombedarf des Schiffes ist, wird die überschüssige Energie auf mechanischem Wege zu dem Untersetzungsgetriebe zurückgeleitet und somit dem Propeller zugeführt. Diese Kopplung zwischen der Turbine und dem Untersetzungsgetriebe setzt eine konstante Geschwindigkeit des Motors voraus, da der Turbogenerator seinerseits mit gleichbleibender Geschwindigkeit angetrieben werden soll, um eine regelmäßige Betriebsspannung zu erzeugen. Unter diesen Bedingungen muß das Schiff mit einem Propeller veränderbarer Steigung ausgerüstet sein, damit dessen Geschwindigkeit eingestellt werden kann.

Neben der relativen Empfindlichkeit dieser Propeller kann es unter bestimmten Bedingungen, z. B. bei hohem Seegang oder bei Sturm vorkommen, daß der Propeller momentan mehr oder weniger auftaucht, so daß an der Hauptwelle und demzufolge am Ausgang des Motors das Widerstandsmoment plötzlich verringert wird.

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Diese Veränderungen des Widerstandsmomentes rufen Geschwindigkeitsänderungen der Hauptwelle hervor, die zu plötzlich auftreten und zu groß sind, um durch eine Wiedereinstellung der Propellersteigung einwandfrei ausgeglichen zu werden. Selbstverständlich haben diese Abweichungen über das Untersetzungsgetriebe Auswirkungen auf die Turbine, so daß die Regelmäßigkeit der Drehzahl der Turbine in hohem Maße gefährdet wird, was zu Änderungen der Betriebsspannung des Turbogenerators führt, die sich für die elektrischen Bordeinrichtungen des Schiffes schädlich erweisen können. Dieses Problem wurde bis jetzt durch die Zwischenschaltung einer Ausrückkupplung in der meghanischen Transmission zwischen der Turbine und dem Untersetzungsgetriebe gelöst. Sobald plötzliche Geschwindigkeitsänderungen der Hauptwelle wegen der schlechten Fahrtbedingungen festgestellt werden, wird die Kupplung ausgerückt, und die Arbeitsweise der Turbine ist nicht mehr durch das Untersetzungsgetriebe gestört, so daß eine beinahe konstante Spannung zur Speisung der Bordeinrichtungen auch bei schlechten Fahrtbedingungen aufrechterhalten wird.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, die Arbeitsweise dieser Art von Vorrichtung zu verbessern und die oben erwähnten Nachteile zu beheben. Einer der Zwecke der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, den bisher notwendigen

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Einsatz eines Verstellpropellers zu vermeiden. Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung fällt die Ausrückkupplung ebenfalls weg, und die Geschwindigkeit des Turbogenerators kann unabhängig von der Geschwindigkeit des Untersetzungsgetriebes konstant gehalten werden, wobei das Untersetzungsgetriebe wie zuvor eine bestimmte Menge an überschüssiger Antriebsenergie, die von den Auspuffgasen des Motors abgeleitet wird, von der Turbine des Turbogenerators erhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Turbine mit dem Untersetzungsgetriebe über ein Umkehrgetriebe mit Geschwindigkeitsänderung gekoppelt ist, welches vorzugsweise in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Transmissionswelle arbeitet.

Vorzugsweise besteht das genannte Getriebe aus einer hydrostatischen Transmissionseinrichtung.

Wenn die Ausrückkupplung durch eine einfache hydrostatische Transmission ersetzt wird, werden gleichzeitig mehrere Nachteile der Vorrichtungen der schon bekannten Technik (Verstellpropeller, Betriebsschwierigkeiten bei schlechten Fahrtbedingungen) beseitigt, und man verfügt außerdem über zusätzliche günstige Möglichkeiten zum Betrieb des Schiffes, wie z. B. die Steuerung

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von Hilfseinrichtungen über den hydraulischen Kreis der hydrostatischen Transmissionseinrichtung, was noch in der Folge erläutert wird.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in welcher an Hand der beigefügten Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert wird.

Die Zeichnung zeigt einen Dieselmotor 11, dessen Kurbelwelle 12 mit einem Untersetzungsgetriebe 13 verbunden ist, dessen Ausgang die Transmissionswelle 14 eines Propellers 15 antreibt. Außerdem besitzt die Einrichtung einen Turbogenerator 16, der aus einer Turbine 17 und einem Wechselstromgenerator 18 besteht. Der Ausgang S des Wechselstromgenerators ist mit dem (nicht dargestellten) Speisestromkreis der Bordgeräte, wie z. B. Navigationsgeräte, Beleuchtungs- und Signalanlagen usw. verbunden. Der Eingang der Turbine 17 ist mit dem Ausgangskreislauf eines Kessels 20 verbunden, dessen Heizungskreislauf mit den Auspuffleitungen 19 des Motors 11 verbunden ist. Ein Schaltungsorgan 21, wie z. B. ein Dreiwegeschieber, ist in dem Kreislauf zwischen dem Kessel 20 und der Turbine 17 zwischengeschaltet. Das Schaltungsorgan 21 ist ferner mit dem Ausgang eines Betriebsmediumhilfsgenerators, wie z. B. eines unabhängigen Kessels 25 verbunden, welcher den Kessel 20 bei Ausfall desselben oder des

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Motors 11 ersetzt. Das Untersetzungsgetriebe 13 besitzt einen Hilfseingang 26, der so bemessen ist, daß er normalerweise einen bestimmten Teil der von den Auspuffgasen zurückgewonnenen Energie über den Kessel 20 und die Turbine 17 der Transmissionswelle 14 übertragen kann.

Gemäß der Erfindung ist dieser Hilfseingang 26 mit der Turbine 17 über eine hydrostatische Transmissionseinrichtung 27 verbunden, welche im wesentlichen aus einer Pumpe 28 mit veränderbarer Leistung besteht, die mit einem hydraulischen Empfängergerät 29, welches einen Motor bildet, über den Kreislauf 30 des Betriebsmediums verbunden ist.

Hydrostatische Transmissionseinrichtungen sind in der Technik bekannt. Sie sind im allgemeinen vorgesehen, um die Leistung eines primären Motors (in diesem Fall der Turbine 17), der mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit arbeitet, zu einem Empfängerorgan (in diesem Fall zum Untersetzungsgetriebe 13) zu übertragen, dessen Drehgeschwindigkeit in weitem Maße variieren kann. Sie bestehen im allgemeinen aus einer volumetrischen hydraulischen Pumpe mit veränderbarer Leistung, die durch den primären Motor angetrieben wird und über Leitungen (in diesem Fall den Kreislauf 30) mit einem hydraulischen, ebenfalls volumetrischen, mit dem Empfängergerät verbundenen Motor verbunden

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ist. Die Durchsatzmenge der Pumpe bestimmt die Drehgeschwindigkeit des Motors. Eine wohlbekannte Art von hydrostatischer Transmissionseinrichtung ist unter der Bezeichnung "THOMASSYSTEM" bekannt. Dieses System besitzt eine Mehrzylinderpumpe mit einer auf mechanischem Wege in Drehung versetzten Trommel. Die Antriebsachse der Pumpe endet in einer querliegenden Scheibe, auf welcher die Pleuelstangenanordnungen der Kolben, die sich innerhalb der Bohrungen der Trommel bewegen, angelenkt sind. Da die Trommel mit der genannten Scheibe einen bestimmten Winkel bildet, erhält man eine abwechselnde Bewegung der Kolben, wenn die Scheibe in Drehung versetzt wird. Die Leistung der Pumpe wird durch die Veränderung des Winkels zwischen der Scheibe und der Trommel eingestellt. Die Pumpe ist mit einem hydraulischen Motor verbunden, der den Empfänger bildet. Letzterer ist ähnlich wie die Pumpe, jedoch in einer einfacheren Ausführung aufgebaut, da dessen Hubraum konstant ist; deshalb besitzt er keinen Mechanismus, um den Winkel zwischen der Trommel und der Scheibe zu verändern.

Ein wesentlicher Vorteil einer derartigen hydrostatischen Transmiss ions einrichtung besteht in ihrer Umkehrbarkeit, die sich aus dem Einsatz einer Pumpe und eines Empfängers mit ähnlichem Aufbau ergibt.

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In dem vorliegenden Beispiel wird die Leistung der Pumpe 28 durch einen Servomechanismus 31 gesteuert, welcher in der Zeichnung mit unterbrochenen Linien gezeigt ist und auf die Veränderungen der Geschwindigkeit der Welle 14 anspricht. Dank einer derartigen Servoeinrichtung ist es nicht mehr notwendig, einen Propeller 15 mit veränderbarer Steigung zu verwenden. Es wird schließlich darauf hingewiesen, daß eine zusätzliche Druckmediumanzapfung 32 zwischen der Pumpe 28 und dem Motor vorgesehen ist. Diese Anzapfung ist mit einer HilfsSteuerung verbunden, die aus einem oder mehreren hydraulischen Motoren zur Ausladung der Waren oder für die Schiffslöschpumpen besteht. Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist sehr einfach und ergibt sich aus der vorangehenden Beschreibung.

Wenn der Motor 11 und der Kessel 20 normal arbeiten, befindet sich der Schieber 21 in der in der Zeichnung dargestellten Stellung. Die Turbine 17 des Turbogenerators wird demzufolge durch den Kessel 20, der durch die Auspuffgase des Motors 11 geheizt wird, angetrieben. Die überschüssige Leistung wird über die hydrostatische Transmissionseinrichtung 27 zu dem Eingang 26 des Untersetzungsgetriebes 13 geleitet. Da jedoch die Geschwindigkeit des Motors 29 von der Leistung der Pumpe 28 abhängt, welche ihrerseits von der Geschwindigkeit der Welle 14 abhängig ist, wird jede störende Zusammenwirkung zwischen dem Unter-

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Setzungsgetriebe 13 und der Turbine 17 verhindert. Wie schon erwähnt, ist es nicht mehr notwendig, den Motor 11 mit konstanter Geschwindigkeit arbeiten zu lassen und demzufolge einen Propeller mit veränderbarer Steigung zu verwenden, da die Drehgeschwindigkeit der Transmissionswelle 14 in ziemlich weiten Grenzen variieren kann.

Wenn der Motor 11 abgestellt ist, insbesondere wenn das Schiff am Kai angelegt ist, ist es möglich, durch die Umschaltung des Schiebers 21 den Hilfskessel 25 zur Erzeugung von dem an Bord notwendigen Strom zu verwenden, ohne daß eine getrennte Stromerzeugeranlage verwendet wird. In ähnlicher Weise kann bei einem Ausfall des Dieselmotors die nur durch diesen Hilfskessel 25 erzeugte Leistung über die Turbine 17, die hydrostatische Transmissionseinrichtung 27 und das Untersetzungsgetriebe 13 zu dem Propeller geleitet werden. Dadurch kann das Schiff zwar langsamer, aber doch fahren, so daß es manövrierfähig bleibt, was sich in solchen Fällen als sehr vorteilhaft erweist.

Dies ist nicht der einzige Vorteil, der sich aus dem Einsatz einer hydrostatischen Transmissionseinrichtung 27 ergibt, da unter anderen Umständen und insbesondere bei einem Ausfall des Kessels 20 oder des Kessels 25, das Schiff mit Strom versorgt werden kann, wenn man unmittelbar einen Teil der vom Motor 11

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gelieferten Leistung über die Anzapfung 26 verwendet, und zwar aus dem Grunde, daß das Transmissionsgetriebe 27 ein Umkehrgetriebe ist. Es ist ebenfalls möglich, im Hafen durch Auskuppeln des Motors 11 von der Transmissionswelle den hydraulischen Motor 29 als Pumpe einzusetzen und auf diese Weise die Hilfsgeräte mit der durch den Motor 11 erzeugten Energie zu speisen. Selbstverständlich ist dies nur dann möglich, wenn der Motor 29 vorher für diesen Einsatz entsprechend ausgelegt wurde.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1.|Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der ^-^ durch die Auspuffgase einer Brennkraftmaschine zurückgewonnenen Energie mit einem Untersetzungsgetriebe, welches
zwischen dem Motor und einer Transmissionswelle angeordnet ist, sowie mit einem Turbogenerator, der durch die von den Auspuffgasen abgeleitete Energie angetrieben wird und dessen Turbine mit dem Untersetzungsgetriebe gekoppelt ist_y
dadurch gek enn ζ e ichnet, daß die Turbine (17) mit dem Untersetzungsgetriebe (13) über ein Umkehrgetriebe (2 7) mit Geschwindigkeitsänderung gekoppelt ist, welches vorzugsweise in Abhängigkeit von den Geschwindigkeitsänderungen der Welle arbeitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Umkehrgetriebe (27) durch eine an sich bekannte hydrostatische Transmissionseinrichtung gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Anzapfung (32) des Druckmediums zwischen den zwei Stufen der Transmissionseinrichtung, die mit einer Steuerleitung für
Hilfsgeräte verbunden ist.

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4. Vorrichtung nach einem, der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen BetriebsmediumhiIfsgenerator (25) für die Turbine sowie Umschaltmittel (21) besitzt, um den Eingang der Turbine (17) entweder gegebenenfalls über einen Kessel (20) mit den Auspuffleitungen des Motors oder mit dem Ausgang des genannten Hilfsgenerators (25) zu verbinden.

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