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Die Erfindung betrifft eine Generatoreinheit, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit mindestens einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie und mit einer mehrstufigen Verdichtereinheit, die mindestens zwei in Reihe geschaltete Verdichter umfasst und der eine mindestens eine Turbine aufweisende Turbineneinheit nachgeschaltet ist, wobei zwischen der Verdichtereinheit und der Turbineneinheit eine Brennkammer angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Generatoreinheiten der eingangs genannten Art sind bekannt. Im Gegensatz zu den bekannteren Generatoreinheiten, die einen Hubkolbenmotor zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments für einen Generator vorsehen, zeichnen sich die oben genannten Generatoreinheiten dadurch aus, dass sie eine kontinuierliche Verbrennung und reine Rotationsbewegungen ermöglicht. Das Prinzip beruht im Wesentlichen auf dem einer Gasturbine beziehungsweise eines Wellentriebwerks, bei welcher Ladeluft in eine Verdichtereinheit strömt, von dieser verdichtet in eine Brennkammer gefördert wird, wo Brennstoff eingespritzt und das Gemisch gezündet wird, welches durch die Verbrennung expandiert und aus der Brennkammer in eine Turbineneinheit strömt, in der es durch Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie die Turbine antreibt. An einer entsprechenden Stelle ist der Generator mit der Turbineneinheit derart verbunden, dass er durch die Turbine zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben wird.
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Eine entsprechendes Wellentriebwerk ist beispielsweise aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2008 008 567 U1 bekannt, welche ein kompaktes Energiepaket für Landfahrzeuge und Wasserfahrzeuge beschreibt, das im Wesentlichen aus der Kombination einer Gasturbine mit einem Generator besteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Generatoreinheit zeichnet sich durch eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Brennstoff zwischen den Verdichtern der Verdichtereinheit aus. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der Brennstoff nicht wie üblich in die Brennkammer, sondern stromaufwärts der Brennkammer zwischen den Verdichtern eingespritzt wird. Beide Verdichter arbeiten im Auslegungspunkt mit optimalen Wirkunsgraden. Durch das Einspritzen des Brennstoffs zwischen den beiden Verdichtern erfolgt die Gemischbildung bereits vor beziehungsweise stromaufwärts der Brennkammer. Infolge der Verdampfungsenthalpie wird die Ladeluft gekühlt, sodass der stromabwärts liegende Verdichter einerseits thermisch entlastet wird und andererseits in einem günstigeren Wirkungsgrad arbeitet. Durch die Einspritzung zwischen den beiden Verdichtern ergibt sich weiterhin für die Gemischbildung eine vorteilhaft lange Homogenisierungszeit bis zur Entzündung beziehungsweise Entflammung in der Brennkammer.
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Zweckmäßigerweise weist die Einspritzeinrichtung zumindest ein Einspritzventil auf, das zwischen den beiden Verdichtern angeordnet ist. Wobei hier das Einspritzventil nicht direkt in dem Strömungskanal zwischen den beiden Verdichtern angeordnet sein muss, sondern vorzugsweise zumindest im Wesentlichen derart außerhalb des Strömungskanals angeordnet liegt, dass die Ladeluft frei durch den Strömungskanal strömen kann. Zweckmäßigerweise ist dem Einspritzventil ein Fördersystem für den Brennstoff zugeordnet, welches den Brennstoff aus einem entsprechenden Tank zu dem Einspritzventil fördert und mit einem hohen Druck beaufschlagt, um eine möglichst günstige Zerstäubung des Brennstoffs und damit eine besonders günstige Gemischbildung zu gewährleisten.
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Vorteilhafterweise ist der Generator mit einer Abtriebswelle der Turbine wirkverbunden. Der Generator entnimmt somit dem System stromabwärts der Brennkammer die Energie, wobei die mechanische Rotationsenergie der Turbine zum Antrieb des Generators genutzt wird. Im Vergleich zu bekannten Einrichtungen, bei denen ein üblicher Hubkolbenmotor als Energiequelle dient, hat die bevorzugte Generatoreinheit den Vorteil einer verbesserten Akustik aufgrund der rein rotatorisch arbeitenden Generatoreinheit. Um die Leistung der Generatoreinheit zu erhöhen, sind vorteilhafterweise mehrere Generatoren vorgesehen, die mit der Abtriebswelle der Turbine wirkverbunden sind.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Generatoreinheit ist vorgesehen, dass die Abtriebswelle der Turbine mit einer Antriebswelle von einem der Verdichter wirkverbunden, insbesondere drehfest verbunden ist. Die Turbine treibt somit die entsprechenden Verdichter direkt mechanisch an. Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Verdichtern und der Turbine um Radial-Strömungsmaschinen, also um eine Radialturbine und um Radialverdichter, sodass insbesondere die Abtriebswelle und die Antriebswelle nicht im Strömungskanal zwischen den Verdichtern liegen. Bevorzugt sind die Abtriebswelle der Turbine und die Antriebswelle des Verdichters einstückig miteinander als gemeinsame Welle ausgebildet und liegen vorteilhafterweise zumindest bereichsweise frei zugänglich zwischen der Turbine und dem Verdichter. Dadurch kann die Rotationsenergie der Turbine an der gemeinsamen Welle einfach abgegriffen und dem Generator zugeführt werden.
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Zweckmäßigerweise weist die Turbineneinheit wenigstens eine weitere Turbine auf, deren Abtriebswelle mit einer Antriebswelle des verbleibenden Verdichters wirkverbunden, insbesondere drehfest verbunden, ist. Insgesamt sind somit wenigstens zwei Verdichter und zwei Turbinen vorgesehen, wobei jeweils eine Turbine einen der Verdichter antreibt.
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Zweckmäßigerweise ist die mit dem Generator wirkverbundene Abtriebswelle beziehungsweise Antriebswelle mit dem stromaufwärts liegenden Verdichter, also mit dem Niederdruckverdichter wirkverbunden. Der Niederdruckverdichter arbeitet auf einem für den Generator günstigeren – kleineren – Drehzahlniveau.
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Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die jeweils miteinander Wirkverbundenen Verdichter und Turbinen von jeweils einem Abgasturbolader gebildet sind.
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Letztendlich entspricht dadurch die Generatoreinheit zwei Abgasturboladern, deren Verdichter und Turbinen jeweils in Reihe geschaltet sind und dazwischen eine Brennkammer vorgesehen ist, in welcher brennfähiges Gemisch entflammt wird. Durch das Verwenden beziehungsweise Vorsehen von Abgasturboladern lässt sich die Generatoreinheit besonders einfach und kostengünstig herstellen, da auf bekannte Teile beziehungsweise Komponenten zurückgegriffen werden kann. So wird bevorzugt der Niederdruckverdichter von einem Abgasturbolader aus dem Nutzfahrzeugbereich gebildet, während der stromabwärts liegende Verdichter, also der Hochdruckverdichter, von einem Abgasturbolader aus dem Personenkraftwagenbereich gebildet wird. Die Kennfelder beider Abgasturbolader sind zweckmäßigerweise aufeinander abgestimmt, um einen maximalen Gesamtwirkungsgrad zu erhalten. Eine große Leistungsspreizung ist bei der vorteilhaften Generatoreinheit nicht erforderlich.
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Vorteilhafterweise ist der Brennkammer wenigstens eine Zündhilfe, die bevorzugt als Glühkerze ausgebildet ist, zugeordnet. Die Glühkerze ist zumindest beim Start des Systems beziehungsweise der Generatoreinheit aktiviert und gewährleistet die Erst-Entflammung. In Verbindung mit der kontinuierlichen Verbrennung können hierbei alle brennbaren Kraftstoffe als Brennstoff verwendet werden. Bypassventile, sogenannte Waste-Gates, sind nicht erforderlich, wodurch Kosten- und Wirkungsgradnachteile erspart bleiben.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass der Generator über ein Planetenradgetriebe mit der Abtriebswelle der Turbine beziehungsweise mit der gemeinsamen Welle wirkverbunden ist. Das Planetenradgetriebe kann eine Übersetzung von bis zu 10:1 aufweisen, sodass die Drehzahl der Turbine um das Zehnfache reduziert wird. Hierdurch können dann einer oder mehrere Generatoren angetrieben werden. Zweckmäßigerweise ist das Planetenradgetriebe ein kostengünstiges Reibradgetriebe auf Basis einfacher Wälzlagerbauelemente. Alternativ oder zusätzlich dazu ist der Generator gegebenenfalls mitsamt dem Planetenradgetriebe in das Gehäuse des jeweiligen Abgasturboladers integriert, sodass der jeweilige Abgasturbolader eine besonders kompakte und einfach zu handhabende Einheit bildet.
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Alternativ zu der beschriebenen kompakten Ausbildung ist vorgesehen, dass der Generator über ein Endloszugmittel, insbesondere über einen Riementrieb, mit der Abtriebswelle beziehungsweise der gemeinsamen Welle der Niederdruckturbine wirkverbunden ist. Mittels des Endloszugmittels können auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise mehrere Generatoren gleichzeitig angetrieben und somit die Leistung der Generatoreinheit erhöht werden.
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Schließlich ist vorgesehen, dass die Generatoreinheit als sogenannter Range-Extender (Reichweiten-Erhöher) ausgebildet ist beziehungsweise verwendet wird. Derartige Range-Extender, kurz REX, dienen insbesondere zur Reichweitenerhöhung von rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder auch von Fahrzeugen mit einer Hybridantriebsvorrichtung, die sowohl ein oder mehrere elektrische Antriebsaggregate als auch ein Verbrennungskraftaggregat aufweisen. Die vorteilhafte Generatoreinheit, wie sie obenstehend beschrieben wurde, bietet insbesondere in Bezug auf die Akustik Vorteile, da hier der Kontrast zwischen dem reinen und dadurch sehr leisen elektrischen Betrieb eines Kraftfahrzeugs und dem aktivierten beziehungsweise laufenden Range-Extender beziehungsweise der aktivierten beziehungsweise laufenden Generatoreinheit besonders gering ausfällt. Wie oben bereits ausgeführt, bietet die Generatoreinheit aufgrund der rein rotatorischen Arbeitsweise einen besonders ruhigen und leisen Betrieb.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Generatoreinheit,
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2 einen mit Generatoren wirkverbundenen Abgasturbolader der Generatoreinheit und
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3 eine vorteilhafte Ausführungsform einer Turbine eines Abgasturboladers der Generatoreinheit in einer Explosionsdarstellung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine vorteilhafte Generatoreinheit 1, die als Range-Extender 2 für ein hier nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug dient. Die Generatoreinheit 1 weist eine Verdichtereinheit 3 auf, die zwei in Reihe geschaltete Verdichter 4, 5 umfasst. Weiterhin weist die Generatoreinheit 1 eine Turbineneinheit 6 auf, welche zwei in Reihe geschaltete Turbinen 7, 8 umfasst. Zwischen der Verdichtereinheit 3 und der Turbineneinheit 6 ist eine Brennkammer 9 angeordnet, die eine Glühkerze 10 aufweist. Der Verdichter 5 und die Turbine 7 sind über eine gemeinsame Welle 11 miteinander verbunden, die eine Abtriebswelle 12 der Turbine 7 und eine Antriebswelle 13 des Verdichters 5 bildet. Durch die einstückige Ausbildung der Antriebswelle 13 mit der Abtriebswelle 12 sind die Rotationsteile des Verdichters 5 drehfest mit den Rotationsteilen der Turbine 7 verbunden, sodass der Verdichter 5 durch die Turbine 7 antreibbar ist. Entsprechend sind der Verdichter 4 und die Turbine 8 über eine gemeinsame Welle 14 miteinander verbunden, die eine Abtriebswelle 15 der Turbine 8 und eine Antriebswelle 16 des Verdichters 4 bildet. Über die Welle 14 sind entsprechend die Rotationsteile von Verdichter 4 und Turbine 8 miteinander drehfest verbunden, sodass der Verdichter 4 durch die Turbine 8 angetrieben werden kann. Vorliegend bilden der Verdichter 4 und die Turbine 8 eine Niederdruckstufe und der Verdichter 5 und die Turbine 7 eine Hochdruckstufe der Generatoreinheit 1, wobei zumindest der Verdichter 4 einen Niederdruckverdichter 17 und der Verdichter 5 einen Hochdruckverdichter 18 bilden.
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Zwischen dem Niederdruckverdichter 17 und dem Hochdruckverdichter 18 ist eine Einspritzeinrichtung 19 zum Einspritzen von Brennstoffvorgesehen. Dazu weist die Einspritzeinrichtung 19 ein Einspritzventil 20 auf, das zumindest im Wesentlichen außerhalb des den Verdichter 4 und Verdichter 5 verbindenden Strömungskanals derart angeordnet ist, dass bei Betätigen des Einspritzventils 20 Brennstoff dem durch den Strömungskanal strömenden Medium beigemischt wird, ohne dass das Einspritzventil 20 einen Strömungswiderstand für die Ladeluft bildet. Zweckmäßigerweise ist der Einspritzeinrichtung 19 ein hier nicht näher dargstelltes Fördersystem für den Brennstoff zugeordnet, welches einen ausreichenden Einspritzdruck gewährleistet. Das Einspritzventil 20 ist zweckmäßigerweise zum kontinuierlichen Einspritzen einer einstellbaren Kraftstoffmenge ausgebildet.
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Weiterhin weist die Generatoreinheit 1 einen Generator 21 zur Erzeugung elektrischer Energie auf, der mit der Welle 14 und damit mit der Abtriebswelle 15 der Turbine 8 wirkverbunden ist. Die Rotationsenergie der Turbine 8 beziehungsweise der rotierenden Teile der Turbine 8 wird somit auf den Generator 21 übertragen, der in Abhängigkeit von der Drehzahl der Turbine 8 elektrische Energie erzeugt. Dem Generator 21 ist dabei in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Energiespeicher 22 zugeordnet, der die elektrische Energie speichert und bei Bedarf zur Verfügung stellt.
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Im Betrieb der Generatoreinheit 1 wird der von dem Niederdruckverdichter 17 kommenden Ladeluft mittels der Einspritzeinrichtung 19 Brennstoff zugefügt. Anschließend wird das Gemisch durch den Hochdruckverdichter 18 weiter komprimiert und der Brennkammer 9 zugeführt, in der eine kontinuierliche Verbrennung des Gemischs stattfindet. Stromabwärts der Brennkammer 9 wird das durch die Verbrennung erzeugte Abgas durch die Turbine 7 und anschließend durch die Turbine 8 geführt. Die dabei in den Turbinen 7 und 8 aus der thermischen Energie erzeugte mechanische Energie wird zum Antrieb des Verdichters 5 beziehungsweise 4 über die Welle 11 beziehungsweise 14 genutzt. Durch die vorteilhafte Einspritzung des Brennstoffs zwischen den Verdichtern 4 und 5 wird die Ladeluft infolge der Verdampfungsenthalpie gekühlt, sodass einerseits der Hochdruckverdichter 18 thermisch entlastet wird und andererseits in einem günstigeren Wirkungsgrad arbeitet. Darüber hinaus entsteht ein besonders homogenes Gemisch, da zur Gemischbildung eine verhältnismäßig lange Homogenisierungszeit bis zur Entflammung in der Brennkammer 9 zur Verfügung steht.
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Bevorzugt ist zur Vermeidung von Flammenrückschlag, insbesondere während der Startphase des Systems, mindestens ein Flammschutzgitter zwischen dem Hochdruckverdichter 18 und der Brennkammer 9, insbesondere am Brennkammereintritt, angeordnet. Durch Einstellen der kontinuierlich eingespritzten Brennstoffmenge erfolgt die Leistungsregelung der Generatoreinheit 1. Durch die vorteilhafte Anordnung beziehungsweise Verbindung des Generators 21 mit der Welle 14, erfolgt der Leistungsabgriff für den Generator auf einem für den Generator günstigeren, weil kleineren, Drehzahlniveau. Vorteilhafterweise arbeitet das Brennverfahren im Homogen-Mager-Betrieb mit Luftzahlen von circa 2,5, sodass Stickoxide auch ohne teure Abgasnachbehandlungseinrichtungen unter einem Grenzwert von 20 mg/Normkubikmeter bleiben.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Turbine 7 und der Verdichter 5 von einem ersten Abgasturbolader 23 und die Turbine 8 und der Verdichter 4 von einem zweiten Abgasturbolader 24 gebildet. Hierdurch kann die Generatoreinheit 1 besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden, da auf bekannte und vorhandene Komponenten zurückgegriffen werden kann. Der Abgasturbolader 23 ist dabei als Hochdruckabgasturbolader 25 und der Abgasturbolader 24 als Niederdruckabgasturbolader 26 ausgebildet. Die Kennfelder der beiden Abgasturbolader 23 und 24 sind derart aufeinander abgestimmt, dass ein maximaler Gesamt-Wirkungsgrad erreicht wird. Da eine große Leistungsspreizung bei der Generatoreinheit 1 als Range-Extender 2 nicht erforderlich ist, kann hierbei eine optimale Abstimmung erfolgen.
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Die 2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung den Abgasturbolader 24, wobei links im Bild die Turbine 8 und rechts im Bild der Verdichter 4 dargestellt ist. Die Turbine 8 und der Verdichter 4 weisen jeweils ein Gehäuse 27, 28 auf, in welchem die jeweils rotierenden Teile gelagert sind. Da die Ausbildung von Abgasturboladern im Allgemeinen bekannt ist, soll hier nicht näher darauf eingegangen werden. Als Besonderheit des Abgasturboladers 24 ist hierbei anzusehen, dass in dem Gehäuse 27 und 28 jeweils ein Planetenradgetriebe 29 beziehungsweise 28 vorgesehen ist, welches die Drehzahl der Turbine reduziert (Planetenradgetriebe 29), sodass die Welle 14 mit einer reduzierten Drehzahl angetrieben wird. Die zwischen den Gehäusen 27 und 28 freiliegende Welle 14 weist ein Antriebsrad 31 für einen ein Endloszugmittel 32 bildenden Riementrieb 33 auf. Über den Riementrieb 33 werden in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Generatoren 21 angetrieben. Durch die vorteilhafte Drehzahlreduzierung durch das Planetenradgetriebe 29 können die Generatoren 21 kostengünstig ausgeführt sein. Die Planetenradgetriebe 29 und 30 sind zweckmäßigerweise als kostengünstige Reibradgetriebe auf Basis einfacher Wälzlagerbauteile ausgebildet. Diese eignen sich hervorragend für Anwendungen mit hoher Drehgleichförmigkeit, wie sie bei der vorliegenden Generatoreinheit 1 vorzufinden sind.
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In einer alternativen Ausbildung kann ein Generator 21 auch direkt in dem Gehäuse 27 der Turbine 8 ausgebildet beziehungsweise integriert sein.
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Die 3 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung die Turbine 8 der Generatoreinheit 1. Neben dem mehrteilig ausgebildeten Gehäuse 27 weist die Turbine 8 ein Turbinenrad 34 auf, welches drehfest mit dem Sonnenrad des Planetenradgetriebes 29 verbunden ist. Das Antriebsrad 31, das als Riemenscheibe ausgebildet ist, ist außerhalb des Gehäuses 27 angeordnet und drehfest mit dem Steg oder dem Hohlrad des Planetenradgetriebes 29 verbunden.
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In einer hier nicht dargestellten Weiterbildung ist zur Lambdaregelung eine Lambda-Sonde stromabwärts der Turbineneinheit 6 vorgesehen. Eine Temperaturüberwachung der Turbineneintrittstemperatur kann modellbasiert, beispielsweise auf Basis der gemessenen Luftmasse, der eingespritzten Brennstoffmasse und des gemessenen Brennkammerdrucks, oder mittels eines entsprechend angeordneten Temperatursensors erfolgen.
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Während die Drehzahl des Niederdruckabgasturboladers 26 über den Generator 21, beispielsweise per Frequenzmessung, erfasst werden kann, kann die Drehzahl des Hochdruckabgasturboladers 25 modelliert, beispielsweise auf Basis der geförderten Luftmasse oder Messwerten von Drucksensoren stromaufwärts und stromabwärts des Hochdruck-Abgasturboladers 25, oder mittels eines Drehzahlgebers erfasst werden. Im Höhenbetrieb können dadurch beide Abgasturbolader 23, 24 vor Überdrehung beziehungsweise Überdrehzahl geschützt werden.
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Aufgrund der bereits vorteilhaften Akustik der kontinuierlich arbeitenden Generatoreinheit 1 kann ein optionaler, stromabwärts der Turbineneinheit 6 vorgesehener Schalldämpfer 34 einfach, kompakt und kostengünstig hergestellt werden.
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Die erzielbare Akustik der Generatoreinheit 1 passt sehr viel besser zu einem ebenfalls rein rotatorisch arbeitenden elektrischen Fahrzeugantrieb, als ein Hubkolbentriebwerk mit freien Massenkräften, freien Massenmomenten und gegebenenfalls kritischen Drehungleichförmigkeiten. Die als Range-Extender 2 verwendete Generatoreinheit 1 bietet somit eine besonders angenehme Möglichkeit zur Reichweitenerhöhung von zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202008008567 U1 [0003]
