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Verfahren zur Arbeitsübertragung tüittels Verdichters und Luftentspannungsmaschine
Es sind Verfahren zur Übertragung von Arbeit mittels eines Verdichters und einer
Luftentspannungsmaschine bekannt, bei denen die Spannung der Arbeitsluft nahezu
unverändert gehalten und die Abluft der Luftentspannungsrnaschine vom Verdichter
wieder angesaugt wird.
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Gemäß der Erfindung wird bei nach diesem Verfahren arbeitenden Anlagen
der Druck des entspannten Kraftmittels im wesentlichen auf einem Wert gehalten,
der gleich ist demjenigen, bei welchem das Differential der bei der Verdichtung
einer Raumeinheit des entspannten Kraftmittels aufgespeicherten Energie in bezug
auf den Druck des entspannten Kraftmittels gleich Null ist, wodurch die von dem
Kraftmittel während der Verdichtung je Raumeinheit aufgenommene Energie ein Höchstwert
ist.
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Unter Kraftmittel ist hierbei Gas, Dampf, Luft oder eine zusammendrückbare
Flüssigkeit zu verstehen, vorzugsweise kommt Luft in Frage.
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Versuch und Rechnung haben gezeigt, 'daß bei Innehaltung der vorstehend
angegebenen Werte die Größe des Verdichters auf einen im Verhältnis zu der Leistung
der Übertragung sehr kleinen Wert verringert werden kann, die mechanischen Verluste
einen Kleinstwert betragen, die bei hohen Druckverhältnissen entstehenden thermodynamischen
Verluste infolge der hohen Temperaturen sehr verringert werden und schließlich eine
hohe Gleichmäßigkeit der Leistung erzielt wird.
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Außerdem wird erreicht, daß die den Verdichter antreibende Maschine
immer mit hohem Drehmoment arbeitet und niemals hohe Leerlaufdrehzahlen aufnimmt.
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An Hand der beiliegenden Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert
werden.
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Fig. i stellt ein Druckraumschaubild (pv-Schaubild) des bekannten
Kolbenverdichters dar.
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Fig. a zeigt in schaubildlicher Darstellung die Arbeitsweise eines
Luftverdichters bei gleichbleibendem Anfangsrauminhalt und Enddruck, jedoch bei
Veränderung des Anfangsdruckes, und Fig.3 stellt schematisch die Anwendung einer
erfindungsgemäßen Übertragungsanlage bei einem Fahrzeug dar.
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Beispielsweise habe der Zylinder eines Kolbenverdichters 165o cm3
Fassungsvermögen. Der Luftansaugedruck betrage i,o5 kg/cm2, der Enddruck
52,5 kg/cm2. Kurve io der Fig. i zeigt, wie der Druck im Zylinder bei der
Verdichtung steigt, und weiter, wie der Rauminhalt sich bei einem Druck von
52,5 kg/cm2
vermindert hat. Die geleistete Arbeit ist nun
verhältig der im Schaubild gebildeten Arbeitsfläche, die einerseits durch die Kurve
io, durch
| die waagerechte Drucklinie bei 405 kg/c: |
| und durck"jenkrechte Achse (v - o) |
| grenzt r3° d,,," ""4", .,. |
| Bei @#Iispi"bermiscdheVerdichtung lautet die` |
| Gleicu,äig der Kurve' |
| P , v .-.R . T. |
| Bei h, diebatischei'' Verdichtung . lautet -die |
| Gleichun .r,",@° u"' |
P . V, = Constant. (z) Kurve i i der Fig. i entspricht der Kurve i o, jedoch
ist der Anfangsdruck P1 höher gewählt, und die geleistete Arbeit wird jetzt durch
eine Fläche dargestellt, die durch die Drucklinie P, = 1
7,5 kg/cm2, V = o,
P
., _ 52;5 kg/cm? und die Kurve i 1 begrenzt wird. Kurve 12 ist eine zeichnerische
Dar-Stellung der Gleichung (2) bei gleichem Rauminhalt und Druck wie Kurve i i.
Cie Gleichung (3) ist das bekannte Gasgesetz. Die spezifische Wärme bei gleichbleibendem
Druck C, dividiert durch die spezifische Wärme bei gleichbleibendem Rauminhalt C,,
stellt stets eine Konstante dar. Die Konstante -ist in diesen Ausführungen mit y
bezeichnet und beträgt für Luft =,¢.
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Um die Gleichung für die geleistete Verdichtungsärbeit bei gleichbleibender
Temperatur aufzustellen; geht man wie folgt vor: Arbeit (bei gleichbleibender Temperatur)
= A = f pdv.
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Setzt man bei diesem Integral die Grenzen P1 und P2 ein, so erhält
man folgende Gleichung:
Die Formel für die Arbeit bei adiäbatischer Verdichtung wird wie folgt abgeleitet:
Wenii der Anfangsrauminhalt Vi und der Enddruck P2 gleichbleibend gehalten werden,
jedoch verschiedene Anfangsdrücke P1 gewählt werden, so vergrößert sich die vom
Verdichter geleistete Arbeit, ebenso wie P1 anwächst, jedoch nur bis zu einem bestimmten
Werte. Die Arbeitsleistung fällt jedoch über diesen Wert hinaus, wenn sich P1 zu
sehr dem Enddruck P2 nähert: Dies ist schaubildlich beispielsweise in Fig. a dargestellt,
wo als Anfangsrauminhalt 165o cms angenommen sind. Der Enddruck P2 soll
522,5 kg/cm2 betragen. Die Arbeitsleistung A wird entsprechend den verschiedenen
Werten von P1 aufgezeichnet: Die Kurve q. (Fug, 2) entspricht der Gleichung (4.)
und die Kurve 6 der Gleichung (5). Beide Kurven haben ihre Höchstwerte ungefähr
bei demselben Verdichtungsverhältnis. Die Höchstwerte werden durch Differentiation
der Gleichungen (q.) und (5) erhalten, und zwar ergibt sich unter Gleichhaltung
des Druckes P2 folgende Ableitung
Wenn man die Ableitung
setzt, so erhält man den Höchstwert für die Arbeit A, und zwar erhält man diesen
Wert, wenn
ist.
Durch Differentiation der Gleichung (5) urfiter Gleichhaltung
des Druckes P2 erhält man folgende Formelentwicklung:
Diese Gleichung gleich Null gesetzt, ergibt den Höchstwert für die Arbeit A, wenn
Für- Luft beträgt a@ = 1,.4 und somit für die höchste Arbeitsleistung.
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Aus der Fig. a geht deutlich hervor, daß bei bestimmtem - Enddruck
P2 durch geeignetes Auswählen des Anfangsdruckes P1 ein größerer Wirkungsgrad erreicht
werden kann. Z. B. würde der Verdichter, dessen Schaubild in Fig. i dargestellt
ist, weniger als 69 mkg je Hub verbrauchen, wenn die Verdichtung von atmosphärischem
Druck bis auf 52,5 kg/crn2, wie in Kurve io dargestellt, durchgeführt werden
würde, jedoch mehr als 310,5 mkg je Hub bei einer Verdichtung von einem Anfangsdruck
17,5 kg/cm2 aus bis auf denselben Enddruck.
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Aus den vorstehenden Darlegungen ergibt sich, daß bei Innehaltung
der erfindungsgemäßen Vorschriften tatsächlich die von dem Kraftmittel während der
Verdichtung aufgenommene Energie den Höchstwert erreicht.
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Fig.3 erläutert als Beispiel die Anwendung der erfindungsgemäßen Übertragungsart
bei einem Kraftfahrzeug.
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In Fig. 3 ist ioi eine Brennkraftmaschine mit einem Kühler 102, einem
Vergaser 103
und dem Auspuffrohr 104. Die Maschine wird in der üblichen Weise
angelassen und treibt einen Niederdruckluftverdichter 1o5 an. Dieser.saugt Luft
mit Atmosphärendruck durch einen Reiniger 1o6 und eine Rohrverbindung
107 an, verdichtet sie und drückt sie durch die Rohrleitung, wie in der Fig.
3 angedeutet ist, in den Behälter P1. Zu gleicher Zeit saugt der Hochdruckverdichter
1o8 Luft aus der Niederdruckleitung bzw. dem Behälter P1 an, verdichtet sie und
drückt sie in .den Behälter P2. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis der
Druck im Behälter P2 zu dem beabsichtigten Endwert angestiegen ist, also hier z.
B. bis 52,5 kg/cm2. Wenn in dem Behälter P2 dieser Druck erreicht ist, schließt
die Membran zog, auf welche dieser Druck einwirkt, die Brennstoffzuführung
103. In, gleicher Weise wird auch die Zufuhr durch das Ventil no unterbrochen.
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In diesem Zustand leistet die Maschine wenig oder gar keine Arbeit,
und die Drücke werden unverändert gehalten. Wenn der Druck in der -Niederdruckleitung
einen bestimmten Wert erreicht, z. B. 17,5 kg@cm2, schließt die Membran i
i i die Ansaugleitung 1o7, und es wird dem Niederdruckverdichter keine Luft mehr
zugeführt, bevor nicht der Verdichteranlage Luft entnommen ist. Sobald aber der
Druck in der Niederdruckleitung zu hoch steigt, bläst das Sicherheitsventil 112
ab. In derselben Weise arbeitet das Sicherheitsventil 113, das die Luft aus dem
Behälter P2 zurück nach P1 gehen läßt, wenn der Druck im Hochdrucksammelbehälter
P2 zu hoch gestiegen ist.
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Die hochverdichtete Luft aus dem Behälter P2 gelangt dann durch das
Rohr 114 und das Steuerventil 115 zu der Arbeitsmaschine 116, in welcher die Luft
entspannt wird und nach geleisteter Arbeit durch das Rohr 117 zurück in den Behälter
P,, gelangt. Auf diese Weise bewegt sich die Luft in der ganzen Anlage stets im
Kreislauf.
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Die Maschine i 16 arbeitet als Dampf- oder Druckluftmaschine. Die
Ventilsteuerung 118, die mittels des Lenkers i i9 . betätigt wird, regelt die Ein-
und Auslaßventile.
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Die ganze Anlage arbeitet bis auf das Ventil 115 und. die Rückleitung
117 selbsttätig. Die Geschwindigkeitsregelung des Fahrzeugs erfolgt mittels des
Ventils 115 und der Ventilsteuerung 1i9. Diese Organe werden in der gleichen Weise
wie die Dampfmaschine betätigt.
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Vorteilhaft werden der Verdichter und der Behälter P1 an der Vorderseite
des Fahrzeugs angebracht, wodurch der Behälter selbsttätig gekühlt und der zu verdichtende
Luftrauminhalt verringert wird. Die hochverdichtete Luft dagegen kann durch einen
Wärmea-ustauscher i 2o, der in dem Auspuffrohr vorgesehen ist, geführt werden, um
durch Ausnutzung der Wärme der Abgase eine Ausdehnung der Luft bzw. eine Verringerung
ihrer
Dichte zu bewirken. Das Rohr 114 und die Maschine 116 können außerdem wärmeisoliert
sein.
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Die vorstehende Beschreibung betrifft die normale Betriebsweise der
Anlage, bei welcher also das Fahrzeug mittels der Druckluftkraftübertragung vorwärts
bewegt wird. Die Anlage kann jedoch auch durch bestimmte Betätigung der Regelvorrichtungen
als Bremse benutzt werden, um das Fahrzeug zum Stillstand zu bringen. Hierzu wird
das Ventil 115 geschlossen und die Ventilsteuerung i ig umgelegt auf Rückwärtsgang,
so daß der Motor 116, der jetzt durch die Bewegung des.Fahrzeugs angetrieben wird,
als Verdichter arbeitet, Luft aus dem Tank P1 entnimmt und diese in den Tank P2
drückt. Da normalerweise das Drosselventil 115 während der Bremsung des Fahrzeugs
geschlossen ist, so muß :ein Rückschlagventil 125 und eine Leitung 124 zur Umgehung
des Ventils 115 vorgesehen sein, damit Luft nur in einer Richtung vom Motor 116
zum Tank P2 strömen kann. Die Verdichtung setzt sich fort, bis ein höherer Druck
im Tank P2 erreicht ist, z. B. 84 kg je cm'. Dann entweicht Luft durch Ventil
113
in den Tank P1. Bei dieser Betriebsweise, die nur beim Bremsen vorkommt,
wird die Energie des Fahrzeugs teilweise benutzt, um den Luftdruck im Tank P2 zu
erhöhen, so daß die Energie-in--diesem-Aüsmät3"- später wieder nutzbar gemacht werden
kann, .um das Fahrzeug zu beschleunigen. Dadurch kann die Anlage auch so wirken,
daß beim Bremsen des Fahrzeugs tatsächlich Energie gespeichert wird.