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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der
DE 10 2014 012 846 A1 wird ein Antriebssystem für Fahrzeuge, insbesondere Luftfahrzeuge, bestehend aus einer Antriebsturbine und einem Wärmetauscher als Rekuperator beschrieben, in dem der Rekuperator in die Struktur der Flugzeugzelle integriert ist. Der Antrieb erfolgt über ein Getriebe und eine Transmission zu einer oder mehreren Luftschrauben und/oder Mantelschrauben oder über einen Generator, der von der Turbine angetrieben wird und dann elektrisch zu E-Maschinen als Antrieb der Luft- bzw. Mantelschrauben geleitet wird. Des Weiteren kann im Falle einer elektrischen Transmission zusätzlich eine Batterie vorgesehen sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Antriebssystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Luftfahrzeug, anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, umfasst eine hybride Antriebseinheit mit einer Wärmekraftmaschine, einem elektrischen Generator und wenigstens einer elektrischen Antriebseinheit, wenigstens eine Rotoreinheit, die mittels der wenigstens einen elektrischen Antriebseinheit antreibbar ist, wenigstens einen elektrischen Energiespeicher zur Energieversorgung der wenigstens einen elektrischen Antriebseinheit und ein Tragwerk mit mindestens zwei Tragflügeln, die an einem Rumpf des Fahrzeugs angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß ist die wenigstens eine Rotoreinheit derart ausgebildet, dass ein Anstellwinkel von Rotorblättern der wenigstens einen Rotoreinheit in Abhängigkeit einer vorgebbaren dynamischen Auftriebskraft des Fahrzeugs veränderbar ist. Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine in einem Betrieb der wenigstens einen Rotoreinheit vorhandene kinetische Energie, insbesondere Rotationsenergie, in Schubkraft umwandelbar ist und in elektrische Energie umwandelbar und dem wenigstens einen Energiespeicher zuführbar ist. Ferner sind die Tragflügel erfindungsgemäß relativ schwenkbar zum Rumpf des Fahrzeugs ausgebildet, wobei in Abhängigkeit einer Schwenkstellung der Tragflügel ein Verhältnis zwischen der dynamischen Auftriebskraft und einer Vortriebskraft des Fahrzeugs veränderbar ist.
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Das insbesondere als Luftfahrzeug ausgebildete Fahrzeug kann zur individuellen Personenbeförderung verwendet werden. Das für das Fahrzeug vorgesehene Antriebssystem erlaubt einen Rekuperationsbetrieb aus einer Umgebungsströmung, eine Autorotation der Rotoreinheit beim Ausfall der hybriden Antriebseinheit, eine Minimierung von Strömungsfeldern bei einem Start- und Landevorgang und eine zumindest kurzfristig drehzahlunabhängige erzeugbare Schubkraft für den Start- und Landevorgang. Letzteres ist insbesondere aufgrund des veränderbaren Anstellwinkels der Rotorblätter möglich, da hierdurch zumindest kurzzeitig vertikale Geschwindigkeiten z. B. beim Startvorgang des Fahrzeugs erreichbar sind, die signifikant höher sind als vertikale Geschwindigkeiten, die mit einer maximal mittels der elektrischen Antriebseinheit erzeugbaren Leistung möglich sind. Damit sind für das Antriebssystem drei Leistungsniveaus verfügbar. Ein erstes Leistungsniveau umfasst einen Reiseschub als Dauerleistung während eines Reiseflugs des Fahrzeugs, bei dem dieses im Wesentlichen horizontal nach vorn bewegt wird. Eine dafür erforderliche Vortriebskraft wird mittels der Rotoreinheit in horizontaler Schubrichtung erzeugt, wobei die wenigstens eine elektrische Antriebseinheit der Rotoreinheit mit Leistung aus der Wärmekraftmaschine und dem elektrischen Generator versorgt wird. Ein zweites Leistungsniveau umfasst eine Schubspitze als kurzzeitige Reserve für eine dynamische Auftriebskraft im Sekundenbereich, welche mittels der Rotoreinheit unter Nutzung zusätzlicher Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher erzeugbar ist. Ein drittes Leistungsniveau umfasst einen Maximalschub, der aufgrund der Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter, auch als Blattverstellung bezeichnet, möglich ist, wenn eine Drehzahl der Rotoreinheit mit einer maximal verfügbaren Systemleistung bei minimalem Leistungsbedarf der Rotorblätter auf Drehzahl gebracht wurde. Das dritte Leistungsniveau wird somit bei sehr hohen Drehzahlen mittels Veränderung des Anstellwinkels der Rotorblätter realisiert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 schematisch ein Blockschaltbild eines Antriebssystems für ein Fahrzeug.
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Die einzige 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Antriebssystems 1 für ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug, welches insbesondere ein Luftfahrzeug zur individuellen Personenbeförderung ist. Beispielsweise ist das Luftfahrzeug als ein autonom betreibbares Lufttaxi ausgebildet.
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Das Antriebssystem 1 umfasst eine hybride Antriebseinheit 2, eine Rotoreinheit 3, wenigstens einen elektrischen Energiespeicher 4 und ein Tragwerk 5.
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Die hybride Antriebseinheit 2 weist eine beispielsweise als Antriebsturbine ausgebildete Wärmekraftmaschine 2.1, einen elektrischen Generator 2.3 und eine elektrische Antriebseinheit 2.2 auf.
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Die Wärmekraftmaschine 2.1 treibt den Generator 2.3 mit mechanischer Energie an, welcher diese in elektrische Energie für das Luftfahrzeug insbesondere während eines Reiseflugs des Luftfahrzeugs umwandelt und der elektrischen Antriebseinheit 2.2 zur Verfügung stellt. Die elektrische Antriebseinheit 2.2 treibt die Rotoreinheit 3 an. Die Rotoreinheit 3 weist eine horizontale Schubachse auf, die eine Vortriebskraft erzeugt. D. h., die mechanische Energie am Ausgang der Wärmekraftmaschine 2.1 wird in eine Schubkraft für das Luftfahrzeug umgewandelt, die in Richtung eines Flugweges wirkt. Beispielsweise umfasst die Wärmekraftmaschine 2.1 eine Gasturbine mit einem integrierten oder gekoppelten Generator 2.3 und wandelt chemische Energie aus einem flüssigen Kraftstoff in elektrische Energie um. Der flüssige Kraftstoff dient der Wärmekraftmaschine 2.1 somit als chemischer Energiespeicher 2.1.1.
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Die elektrische Antriebseinheit 2.2 umfasst mindestens einen Elektromotor mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren zumindest kurzzeitigen Überlastfähigkeit und dient dem Antrieb der Rotoreinheit 3, mittels welcher insbesondere eine dynamische Auftriebskraft und/oder Vortreibskraft des Luftfahrzeugs für einen Startvorgang erzeugt wird. Die Schubkraft wirkt vertikal nach oben, so dass das Luftfahrzeug vom Boden aus vertikal nach oben bewegt wird. Die Rotoreinheit 3 umfasst mindestens einen Rotor, welcher eine Anzahl von Rotorblättern aufweist, die radial um eine Welle herum angeordnet sind. Die Rotoreinheit 3 ist auch als Propeller oder Luftschraube bekannt. Die Rotoreinheit 3 ist mit der elektrischen Antriebseinheit 2.2 gekoppelt, um aus einer Leistung der elektrischen Antriebseinheit 2.2 insbesondere eine bestimmte Auftriebs- und/oder gegebenenfalls eine Vortriebskraft für das Luftfahrzeug zu erzeugen. Insbesondere ist die Welle der Rotoreinheit 3 mit der elektrischen Antriebseinheit 2.2 gekoppelt und dreht sich mit einer entsprechend von der elektrischen Antriebseinheit 2.2 erzeugten Drehzahl. Zur Energieversorgung der elektrischen Antriebseinheit 2.1 ist der wenigstens eine elektrische Energiespeicher 4 vorgesehen, mit dem die elektrische Antriebseinheit 2.2 gekoppelt ist. Der elektrische Energiespeicher 4 umfasst insbesondere eine Mehrzahl elektrischer Batterien.
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Des Weiteren ist die Rotoreinheit 3 als ein sogenannter Verstellpropeller ausgebildet, bei dem ein Anstellwinkel der Rotorblätter an bestimmte Flugsituationen angepasst werden kann. Der Anstellwinkel ist ein aus der Aerodynamik bekannter Winkel zwischen einer Richtung eines anströmenden Fluids, z. B. Luft, und der Sehne eines Profils. Das Profil ist hierbei Teil eines Rotorblatts. Die Größe des Anstellwinkels bestimmt gemeinsam mit einer Anströmgeschwindigkeit die Größe der dynamischen Auftriebskraft für das Luftfahrzeug. D. h. beispielsweise: verdoppelt man den Anströmwinkel, so verdoppelt sich die dynamische Auftriebskraft. Allerdings gilt dieses Prinzip nur bis zum Erreichen des sogenannten kritischen Anströmwinkels.
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Aufgrund der Ausbildung der Rotoreinheit 3 als ein Verstellpropeller ist eine Entkopplung einer von der elektrischen Antriebseinheit 2.2 erzeugbaren Drehzahl bei gegebener Leistung von einer für einen Startvorgang erforderlichen, insbesondere zu erzeugenden Schubkraft für das Luftfahrzeug möglich. Damit kann ein Startvorgang des Luftfahrzeugs, bei welchem das Luftfahrzeug im Wesentlichen vertikal nach oben bewegt wird, nahezu ohne Luftaufwirbelungen erfolgen. D. h., der Anstellwinkel der Rotorblätter kann derart eingestellt werden, dass sich die Rotorblätter drehen, ohne im Wesentlichen umgebende Luft zu bewegen, insbesondere zu beschleunigen, wobei lediglich im Moment eines Abhebens des Luftfahrzeugs vom Boden eine Luftströmung am Boden erzeugt wird. Dies ist vor allem zur Auswahl einer Operationsfläche am Boden entscheidend.
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Des Weiteren kann aufgrund der Ausbildung der Rotoreinheit 3 als Verstellpropeller kurzfristig eine massive Startschubspitze für die dynamische Auftriebskraft erreicht werden, welche aus einer Rotationsenergie der Rotorblätter zur Startschuberzeugung durch Verstellung des Anstellwinkels auf einen Maximalschub erzeugt wird. Damit können für das Luftfahrzeug vertikale Geschwindigkeiten beim Startvorgang erreicht werden, die signifikant höher sind als Geschwindigkeiten, die mit einer maximal mittels der elektrischen Antriebseinheit 2.2 erzeugbaren Drehzahl und Leistung möglich sind. Damit kann das Luftfahrzeug verhältnismäßig schnell vom Boden abheben.
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Bewegt sich das Luftfahrzeug in horizontale Richtung, d. h. befindet sich das Luftfahrzeug im Reiseflug, ist die Abströmgeschwindigkeit der Rotorblätter optimal an eine Fluggeschwindigkeit des Luftfahrzeugs anpassbar, so dass ein maximal erreichbarer Vortriebswirkungsgrad des Luftfahrzeugs bei jeder Fluggeschwindigkeit erreicht wird.
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Für eine möglichst hohe Startschubleistung für den Startvorgang des Luftfahrzeugs in vertikale Richtung sind vergleichsweise große Flächen für die Rotorblätter erforderlich. Mittels derart großer Rotorblätter können zudem in Kombination mit dem anpassbaren Anstellwinkel optimale Vortriebswirkungsgrade während des Reiseflugs des Luftfahrzeugs erreicht werden.
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Ferner kann aufgrund der Ausbildung der Rotoreinheit 3 als Verstellpropeller eine optimale Rekuperation aus der Umgebungsströmung bei einem aerodynamischen Sinkflug des Luftfahrzeugs ermöglicht werden. Die Rekuperation über die Rotoreinheit 3 führt zu einer Verbesserung einer Energiebilanz und einer Gesamteffizienz des Antriebssystems 1, wobei die rekuperierte Energie in den elektrischen Energiespeicher 4 einspeisbar ist.
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Darüber hinaus ist aufgrund der Ausbildung der Rotoreinheit 3 als Verstellpropeller eine sogenannte Autorotationslandung möglich, wie es bei einem Hubschrauber bekannt ist. D. h., bei einem Ausfalls der hybriden Antriebseinheit 2 werden die Rotorblätter der Rotoreinheit 3 in eine Stellung gebracht, in welcher diese maximale Drehzahlen aus der Umgebungsströmung entnehmen, um anschließend eine während der Rotation der Rotoreinheit 3 gespeicherte Energie bei einem Landevorgang in eine dazu erforderlichen Bremsschub umzuwandeln.
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Der Einsatz einer hybriden Antriebseinheit 2 mit der elektrischen Antriebseinheit 2.2 und der Wärmekraftmaschine 2.1 ermöglicht Reichweiten und Flugzeiten, die einen wirtschaftlich effizienten und sicheren Einsatz des Luftfahrzeugs ermöglichen. Dies ist insbesondere deshalb möglich, da der für die Wärmekraftmaschine 2.1 vorgesehene, flüssige Kraftstoff in bekannter Weise eine sehr hohe Energiedichte aufweist und insbesondere während des Reiseflugs verbraucht wird. In Kombination mit der elektrischen Antriebseinheit 2.2 während des Start- und/oder Landevorgangs ist dabei zumindest lokal und temporär ein rein elektrischer und somit emissionsfreier Betrieb des Antriebssystems 1, insbesondere in einer emissionssensiblen Umgebung, möglich.
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Zwischen dem Startvorgang, bei dem das Luftfahrzeug vertikal nach oben bewegt wird, und dem Reiseflug, bei dem das Luftfahrzeug horizontal nach vorne bewegt wird, bestehen große Unterschiede hinsichtlich eines Energiebedarfs für das Antriebssystem 1. Daraus resultierend wird das Antriebssystem 1 während des Reiseflugs des Luftfahrzeugs auf Basis des flüssigen Kraftstoffes betrieben. Wird dabei ein kleiner Anteil des Kraftstoffs für ein Nachladen des elektrischen Energiespeichers 4 vorgehalten, ist das Antriebssystem 1 stets in der Lage, kurzzeitig eine maximal mögliche Leistung, z. B. für einen dynamischen Auftrieb, bereitzustellen. Ein Nachladen des elektrischen Energiespeichers 4 ist dabei nur temporär und gegebenenfalls situativ erforderlich, da ein Ladezustand des elektrischen Energiespeichers 4 während des Reiseflugs nahezu konstant gehalten werden kann.
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Das Antriebssystem 1 weist ferner das Tragwerk 5 auf, welches mindestens zwei schwenkbare Tragflügel 5.1, 5.2 mit flügelfesten Antrieben, z. B. Antriebspropeller, umfasst. Mittels der schwenkbaren Tragflügel 5.1, 5.2 kann das Verhältnis zwischen Vortriebskraft und Auftriebskraft verändert werden. Insbesondere kann zwischen einer Schubrichtung und einer Auftriebsrichtung, welche im Wesentlichen senkrecht zueinander sind, verstellt werden. Die Auftriebsrichtung ist dabei senkrecht zu einer Profilsehne des Luftfahrzeugs und die Schubrichtung verläuft parallel zur Profilsehne. Damit ist eine der Gewichtskraft des Luftfahrzeugs entgegen wirkende Schubkraft entweder durch den dynamischen Auftrieb an den Tragflügeln 5.1, 5.2 oder durch einen Schub in einer geschwenkten Flügellage erzeugbar.
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In jeder möglichen Schwenkstellung der Tragflügel 5.1, 5.2 ist somit eine resultierende Kraft ein Ergebnis aus Auftriebskräften bei der Profilumströmung des Tragwerks 5 und einer mittels der flügelfesten Antriebe erzeugten Schubkraft für die Vortriebskraft. Mittels der schwenkbaren Tragflügel 5.1, 5.2 kann für den Reiseflug des Luftfahrzeugs eine sogenannte Profilpolare, d. h. ein Verhältnis von Auftrieb und Widerstand des Luftfahrzeugs, sowohl für eine maximale Flugzeit als auch für eine maximale Reichweite optimal eingestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebssystem
- 2
- hybride Antriebseinheit
- 2.1
- Wärmekraftmaschine
- 2.1.1
- chemischer Energiespeicher
- 2.2
- elektrische Antriebseinheit
- 2.3
- Generator
- 3
- Rotoreinheit
- 4
- elektrischer Energiespeicher
- 5
- Tragwerk
- 5.1, 5.2
- Tragflügel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014012846 A1 [0002]
