Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, dass Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge auch mit Elektromotoren angetrieben werden. Alle mit Elektromotoren angetriebenen Land-, Was- ser- und Luftfahrzeuge werden dabei aus Batteriepaketen mit der benötigten elektrischen Energie versorgt.

Bis heute ist es noch nicht möglich, diese Fahrzeuge mit zufriedenstellender Reichweite zur Verfügung zu stellen, da die am Markt verfügbaren Batteriepakete nur eine begrenzte Speicherkapazität haben. Selbst wenn bei diesen Fahr- zeugen in allen noch vertretbaren Bereichen in der Karosserie Batterien verbaut werden, liegt die Reichweite dieser Fahrzeuge nur zwischen 60 und 500 Kilometern.

Um eine breite Nutzung derartiger Fahrzeuge zu ermöglichen, müsste ein entsprechend dichtmaschiges Strom-Tankstellen-Netz aufgebaut werden. Dies ist jedoch aktuell nicht vorhanden. Der Aufbau eines solchen Netzes würde noch Jahre dauern.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt für den Einsatz von Fahrzeugen, die mit elektrischen Antrieben betrieben werden, ist der Umstand, dass die Ladezeiten zum Wiederaufladen der Batteriepakete mehrere Stunden betragen, wobei die Aufladezeiten typischerweise im Bereich zwischen vier und acht Stunden liegen. Diese langen Auflagezeiten schränken die Verfügbarkeit von Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben weiter ein. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der die Verfügbarkeit von Verbrauchern, insbesondere von Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben erhöht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der unabhängigen der Ansprü- che vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Erhöhung der Reichweite eines mit einem elektrischen Antrieb angetriebenen Fahrzeugs. Der elektrische Antrieb wird von einem Batteriepaket mit Strom versorgt. Es ist ein Druckluft- Speicher vorgesehen, wobei mittels aus diesem ausgeleiteter Druckluft wenigstens ein Turbinenrad einer Turbine in eine Rotationsbewegung versetzbar ist. Das Turbinenrad ist auf einer Antriebswelle eines Generators gelagert, so dass durch die Rotationsbewegung des Turbinenrads der Generator angetrieben ist und Strom erzeugt. Mit diesem wird das Batteriepaket aufgeladen. Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, bei einem mit einem elektrischen Antrieb angetriebenen Fahrzeug neben einem Batteriepaket einen Druckluftspeicher als zusätzlichen Energiespeicher bereit zu stellen.

Während das Batteriepaket direkt elektrischen Strom für den elektrischen Antrieb liefert, wird im Druckluftspeicher Druckluft gespeichert, die nicht direkt für die Energieversorgung des elektrischen Antriebs genutzt werden kann. Vielmehr wird zur Erzeugung von elektrischem Strom Druckluft aus dem Druckluftspeicher auf ein freilaufendes Turbinenrad einer Turbine geleitet. Durch das damit in Drehbewegung versetzte Turbinenrad wird eine Antriebswelle eines Generators angetrieben. Der damit erzeugte Strom kann dann zur Aufladung des Batteriepakets während der Fahrt des Fahrzeugs verwendet werden. Dadurch wird die Reichweite, die mit dem Fahrzeug erzielt werden kann, signifikant erhöht. Zudem können unerwünscht lange Standzeiten des Fahrzeugs zum Aufladen des Batteriepakets vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden.

Durch einen mit Druckluft befüllten Druckluftspeicher kann somit die Reichweite und damit auch die Verfügbarkeit eines Fahrzeugs mit einem elektri- sehen Antrieb signifikant erhöht werden.

Besonders vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Kompressor auf, mittels dessen der Druckluftspeicher mit Druckluft nachfüllbar ist, wobei dem Kompressor Abluft am Ausgang des Turbinenrads sowie Frischluft zuführbar ist. Mit dem Kompressor wird eine fortlaufende Nachfüllung des Druckluftspeichers erhalten, wodurch ein weitgehend geschlossenes System erhalten wird, in welchem vorteilhaft auch Abluft des Turbinenrads, die immer noch leicht verdichtet ist, dem Kompressor zugeführt wird. Durch Rückführung dieser Abluft zum Kompressor wird die dort noch enthaltene Energie genutzt, um den Druckluftspeicher neu mit Druckluft aufzuladen, wodurch die Energieeffizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter erhöht wird.

Die Effizienz dieses Systems kann weiterhin dadurch noch verbessert werden, dass die Abluft am Ausgang des Turbinenrads als Kühlmittel dem Generator zuführbar ist. Erst nach der Kühlung des Generators mit der Abluft wird diese dem Kompressor zugeführt. Damit wird die Abluft doppelt genutzt.

Besonders vorteilhaft ist der Kompressor mittels eines Elektromotors angetrieben, wobei der Elektromotor von dem Batteriepaket mit Strom versorgt wird.

Auch mit dieser Anordnung wird ein weitgehend geschlossenes System erhal- ten, da der Elektromotor keine externe Energiequelle benötigt. Vielmehr wird der Elektromotor wie auch der elektrische Antrieb vom Antrieb des Fahrzeugs mit dem Batteriepaket mit Strom versorgt.

Der Betrieb der Vorrichtung wird bevorzugt mit einer Steuerung gesteuert und kontrolliert, wobei mit der Steuerung insbesondere auch die erfindungsgemäße Vorrichtung gestartet werden kann. Als zusätzliche Einheit zum Starten der Vorrichtung kann auch ein Anlasser vorgesehen sein. Schließlich kann eine bevorzugt von der Steuerung gesteuerte Bremse vorgesehen sein, mit der die erfindungsgemäße Vorrichtung abgebremst oder bei Bedarf auch gestoppt werden kann. Die Bremse kann elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch arbeiten. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird dem Turbinenrad Druckluft über ein elektronisch gesteuertes Ventil an einer Einspritzdüse zugeführt.

Das elektronische Ventil bildet ein weiteres wesentliches Steuerungsmittel für die erfindungsgemäße Vorrichtung, welches bevorzugt von der Steuerung ge- steuert wird.

So ist mittels des elektronischen Ventils der Volumenstrom der Druckluft steuerbar, wodurch die Drehzahl des Generators vorgebbar ist. Weiter ist die Abluft am Ausgang des Turbinenrads als Kühlmittel dem Generator zuführbar. Besonders vorteilhaft ist dem Generator ein Getriebe vorgeordnet. Mittels des Getriebes kann die Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezielt erweitert werden. Das Getriebe ist dabei auf der Antriebswelle des Generators angeordnet. Beispielsweise kann eine geteilte Antriebswelle eingesetzt werden, so dass das Getriebe zwischen Teilen der Antriebswelle angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft dadurch erweitert sein, dass diese mehrere, jeweils in einem Turbinengehäuse integrierte Turbinenräder aufweist, wobei alle Turbinenräder auf der Antriebswelle des Generators gelagert sind. Wesentlich hierbei ist, dass die Turbinengehäuse seitlich durch Trennwände oder dergleichen getrennt sind, damit bei dem Turbinenrad kein seitlicher Luftaustritt erfolgt. Durch ein Vorsehen mehrerer Turbinenräder kann die Turbinenleistung zum Antrieb des Generators wesentlich erhöht werden.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Gehäuse mit Schalldämmung integriert.

Dadurch kann eine unerwünschte Geräuschentwicklung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung verhindert werden.

Zusätzlich können mit der Steuerung gezielt Gegenschallwellen erzeugt werden, beispielsweise durch Piezo-Aktoren, wodurch es möglich ist, Geräusche gegeneinander aufzuheben.

Prinzipiell kann auch durch den Einbau einer zusätzlichen Elektronik in der Steuerung die Fahrgeschwindigkeit erfasst werden, um abhängig hiervon am Fahrzeug eingebaute Lautsprecher zu aktivieren, um gewünschte Motorgeräusche zu erzeugen und auszugeben. Dies kann zum Einen aus Sicherheitsgründen erfolgen, damit die Fahrzeuge noch bemerkt werden, zum Anderen aus Gründen des Fahrspaßes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet bevorzugt eine modulare Einheit, deren Abmessungen und Komponenten an die jeweilige Applikation anpassbar sind. So kann durch das Aneinanderreihen einer geeigneten Anzahl von Turbinenrädern die Leistung der Vorrichtung vorgegeben werden. Auch ist der Generator vorteilhaft austauschbar und kann so an die jeweilige Applikation an- gepasst werden, vorteilhaft derart, dass jeweils der effektivste Generator eingesetzt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird zur Reichweitenerhöhung eines mit einem elektrischen Antrieb betriebenen Fahrzeugs wie folgt betrieben: Zu einem frei wählbaren Zeitpunkt erfolgt das Starten des Kompressors mit dem Elektromotor mit dem Anlasser an der Steuerung. Dabei wird der Strom aus den voll aufgeladenen Batterien verwendet.

Durch die Steuerung wird auch das elektronisch gesteuerte Ventil für die Einspritzdüse an der Druckluftleitung von den Drucklufttanks gesteuert und geregelt. Dadurch strömt Druckluft durch die Einspritzdüse in das Turbinengehäuse und versetzt dadurch das Turbinenrad in eine Rotationsbewegung, wodurch über die Antriebswelle der Generator ebenfalls in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Nun erzeugt der Generator Strom. Damit wird zunächst der volle Ladezustand der Batterien aufrecht erhalten, bevor Strom an angeschlossene Verbraucher oder an das öffentliche Stromnetz abgegeben wird.

Die eiskalte, noch leicht unter Druck stehende Abluft aus dem Turbinengehäuse wird zur Kühlung durch den Generator abgeleitet. Dann wird die Abluft zum Kompressor weitergeleitet und mit zusätzlich angesaugter Luft wieder im Kompressor verdichtet.

Durch die Steuerung wird auch das elektronisch gesteuerte Ventil für die Einspritzdüse geschlossen und die Vorrichtung ausgeschaltet.

Die Steuerung kann generell auch mit dem Startknopf oder dem Zünd- schloss des jeweiligen Fahrzeugs kombiniert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge eingesetzt werden. Auch eine Verwendung in Arbeitsgeräten und Maschinen ist möglich. Dort kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Erzeugung von Druckluft oder Pressluft eingesetzt werden. Gemäß einer vorteilhaften Verwendung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als Mittel zur Stromerzeugung eingesetzt. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Ersatz von Blockheizkraftwerken in Gebäuden eingesetzt werden. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 : Seitenansicht einer ersten Seite einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 2: Seitenansicht einer zweiten Seite der Vorrichtung gemäß Figur

1.

Figur 3: Seitenansicht gemäß Figur 1 mit einem teilweise aufgeschnittenen Turbinengehäuse.

Figur 4: Komplettdarstellung der Vorrichtung gemäß Figur 1. Figur 5: Außenansicht eines Schallschutzgehäuses der Vorrichtung gemäß Figur 1.

Figur 6: Anordnung gemäß Figur 5 bei ausschnittweise geöffnetem

Schallschutzgehäuse.

Die Figuren 1 bis 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, welche allgemein zur Stromerzeugung und besonders vorteilhaft zur Erhöhung der Reichweite eines mit einem elektrischen Antrieb angetriebenen Fahrzeugs eingesetzt werden kann. Die Figuren zeigen eine im wesentlichen quaderförmige Ausbildung der Vorrichtung 1. Bei Einbau in einem Fahrzeug ist die Geometrie der Vorrichtung 1 an den im Fahrzeug zur Verfü- gung stehenden Einbauraum angepasst.

Wie die Figuren 5 und 6 zeigen ist die Vorrichtung 1 in einem Schallschutzgehäuse 27, das heißt einem Gehäuse mit Schalldämmung integriert, wobei in einer Wand des Schallschutzgehäuses 27 Lüftungsklappen 28 vorgesehen sind. In einer Seitenwand 29 des Schallschutzgehäuses 27 befinden sich ein Mano- meter 26 und Anschlüsse 21 für eine elektronische Steuerung für die Vorrichtung 1.

Die Vorrichtung 1 umfasst als Energiespeicher ein Batteriepaket, bestehend aus Batterien 16 und einem Druckluftspeicher 25 in Form eines Tanks zur Speiche- rung von Druckluft. Aus dem Tank wird Druckluft über eine Druckluftleitung 1 1 einem elektronisch gesteuerten Ventil 10 für eine Einspritzdüse 2 zugeführt.

Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 ein Turbinengehäuse 4 mit einem Deckel 5. Im Turbinengehäuse 4 befindet sich ein freilaufendes Turbinenrad 6, beispielsweise ein Peltonrad. Das freilaufende Turbinenrad 6 ist auf einer Antriebswelle 7 eines Generators 3 gelagert. Die Antriebswelle 7 ist in Antriebswellenlagern 8 drehbar gelagert. Auf der Antriebswelle 7 ist dem Generator 3 ein Getriebe 15 vorgelagert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst weiterhin einen Kompressor 22, dem ein Kompressor-Getriebe 12 vorgelagert ist. Dem Kompressor 22 ist ein Elektromotor 23 zugeordnet. Vom Kompressor 22 führen Druckluftleitungen 9 zum Druckluftspeicher 25. Weiter führt eine Abluftleitung 13 zum Kompressor 22. Schließlich ist eine Abluftleitung 14 zur Kühlung des Generators 3 vorgesehen.

Als elektrisches Leitungssystem sind Stromzuleitungen 17 zu Batterien 16, Stromzuleitungen 18 zu einem Verbraucher, insbesondere dem elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs, Stromzuleitungen 19 zum elektronischen Ventil 10 der Einspritzdüse 2 und Stromzuleitungen 20 zur Steuerung vorgesehen.

Das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 läuft wie folgt ab: Als Energiequellen der Vorrichtung 1 sind immer vorgefüllte Druckluftspeicher 25 und voll aufgeladene Batterien 16 erforderlich. Die Stromversorgung aller elektrischen Komponenten der Vorrichtung 1 erfolgt durch die Batterien 16, insbesondere das elektronisch gesteuerte Ventil 10 mit der Einspritzdüse 2, sowie des Elektromotors 23 des Kompressors 22.

Der Start der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 erfolgt über die Steuerung, die den Elektromotor 23 ansteuert, welcher den benötigten Strom aus den zuvor aufgeladenen Batterien 16 bezieht. Der Elektromotor 23 treibt über das Kompressor-Getriebe 12 den Kompressor 22 an. Die im Kompressor 22 verdichtete Druckluft gelangt über die Druckluftleitung 9 zusätzlich in den zuvor gefüllten Druckluftspeicher 25 und über die Druckluftleitung 1 1 bis zum elektronisch gesteuerten Ventil 10 an der Einspritzdüse 2.

Jetzt wird das elektronisch gesteuerte Ventil 10 an der Einspritzdüse 2 geöffnet und es strömt geregelt komprimierte Druckluft aus den gefüllten Druckluftspeichern 25 durch die Druckluftleitung 1 1 durch die Einspritzdüse 2 in das Turbinengehäuse 4 auf das Turbinenrad 6. Dadurch wird das Turbinenrad 6 in eine Drehbewegung versetzt.

Da das freilaufende Turbinenrad 6 im Turbinengehäuse 4 auf der Antriebswelle 7 des Generators 3 gelagert ist, wird die Antriebswelle 7 in eine Rotationsbewegung versetzt, wodurch der Generator 3 angetrieben wird und Strom erzeugt. Die Antriebswelle 7, gelagert in den Antriebswellenlagern 8, ist entwe- der direkt mit der Welle des Generators 3 verbunden oder dort angeflanscht. Zur Erhöhung der Leistung ist ein Getriebe 15 an der Antriebswelle 7 gelagert. Der im Generator 3 erzeugte Strom wird über die Stromleitungen 17 zu den Batterien 16 geleitet und hält sie dadurch immer in voll aufgeladenem Zustand. Die Leistung des Generators 3 ist so ausgelegt, dass der erzeugte Strom auch für den Batterieblock des Elektrofahrzeugs ausreicht und diese über die Stromleitung 18 versorgt.

Ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit Generator 3 als Ersatz für Blockheizkraftwerke vorgesehen, kann auf den Einsatz von Batterien verzichtet werden. Der Elektromotor 23 für den Kompressor 22 kann dann direkt aus dem öffentlichen Stromnetz versorgt werden. Eine Entnahmestelle für den eigenen Verbrauch kann dann an der Stromleitung 18 vor der Einleitung des Stromüberschusses in das öffentliche Stromnetz eingebaut werden.

Die im Turbinenrad 6 ausgestoßene Druckluft hat nur noch eine Temperatur von 0 bis -15° C und immer noch einen Druck von wenigen Bar. Daher kann sie auch zur Kühlung des Generators 3 verwendet werden und verhindert eine zusätzliche Erwärmung der Umwelt. Die entspannte, kalte und noch immer unter Druck stehende Druckluft wird hierzu vom Turbinengehäuse 4 über eine Abluftleitung 14 zur Kühlung durch den Generator 3 und weiter über die Abluftleitung 13 zum Kompressor 22 geleitet. Damit wird die Abluft des Turbinenrads 6 doppelt genutzt, nämlich zuerst zur Kühlung des Generators 3 und anschließend als Zufuhrluft für den Kompressor 22, um neue Druckluft zu erzeugen, die dann im Druckluftspeicher 25 gespeichert wird. Durch die noch leicht verdichtete Druckluft und die zusätzlich angesaugte Frischluft erhöht sich die Leistung des Kompressors 22 zusätzlich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann für einen Rechts- oder Linkslauf des Turbinenrads 6 eingerichtet werden. Die Position der Druckluftleitung 1 1 am Turbinengehäuse 4 regelt die Laufrichtung des Turbinenrads 6 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.

Durch Ausschalten der elektronischen Steuerung wird das elektronisch gesteuerte Ventil 10 an der Einspritzdüse 2 geschlossen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 läuft dann bis zum Stillstand aus. Bezugszeichenliste

(1 ) Vorrichtung

(2) Einspritzdüse

(3) Generator

(4) Turbinengehäuse

(5) Deckel

(6) Turbinenrad

(7) Antriebswelle

(8) Antriebswellenlager

(9) Druckluftleitung

(10) Ventil

(1 1) Druckluftleitung

(12) Kompressor-Getriebe

( 13) Abluftleitung

(14) Abluftleitung

(15) Getriebe

(16) Batterie

(17) Stromleitung

( 18) Stromleitung

(19) Stromleitung

(20) Stromleitung

(21) Anschluss

(22) Kompressor

(23) Elektromotor

(25) Druckluftspeicher

(26) Manometer

(27) Schallschutzgehäuse

(28) Lüftungsklappe

(29) Seitenwand