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Hydraulische Kraftübertragungsanlage mit Abwärmeverwertung für Verbrennungskraftmaschinen
Beim Arbeitsprozeß der Verbrennungskraftinaschinen sowohl bei den Otto- und Dieselmotoren
als auch bei den Gasturbinen geht#der -Irößte Teil der durch den Kraftstoff zugeführten
Wärmeenergie durch die Kühlung und die Abgase verloren. Es ist bekannt, 'zur besseren
Ausnutzung des Kraftstoffes die bei der Kühlung von VerbrennungskraftmaschinenanfallendeWärmez.B.
zu Heizungszwecken außerhalb des Betriebsbereiches der Verbrennungskraftmaschine
auszunutzen. Dies wird vielfach bei sehr 'großen (stationären) Maschinen durchgeführt.
Wenn dieses Verfahren bei kleineren Maschinen, z. B. bei Fahrzeugen, angewandt wird,
geschieht dies weniger zur besseren Ausnutzung des Kraftstoffes, sondern vielmehr
deshalb, weil das Kühlmittel oder die Abgase einen einfach auszunutzenden Wärmespender
darstellen. Dieses Verfahren der Ausnutzung der überschüssigen Wärme hat den Nachteil,
daß es keinen Einfluß auf den effektiven Wirkungsgrad, d. h. auf das Verhältnis
von zugeführter Kraftstoffenergie zu abgegebener mechanischer Maschinenleistung
hat.
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Es ist auch bekannt, die in den Auspuffgasen von Otto- und Dieselmotoren
in Form von Druck und Wärme enthaltene Energie in Abgasturbinen zum Antrieb von
Hilfsmaschinen, wie Ladern usw., auszunutzen.
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Eine weitere Möglichkeit der Verwertung der in den Auspuffgasen enthaltenen
thermodynamischen Energie besteht in der Anwendung von Schubdüsen, in welchen die
Auspuffgase unter Ausdehnung eine Beschleunigung erfahren und dadurch einen Reaktionsdruck
in den zu Lavaldüsen ausgebildeten Auspuff stutzen erzeugen.
Diese
Einrichtung ist mit einigem Erfolg nur bei schnell bewegten Fahrzeugen oder Flugzeugen
anzuwenden. Auch in diesem Fall ist die Erhöhung des Wirkungsgrades nur gering.
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Die Abgaswärme wurde auch schon zur Aufheizung der Luft von pneumatischen
Kraftübertragungsanlagen oder zur Heizung des Kessels einer getrennt arbeitenden
Dampfmaschine herangezogen. Der effektive Wirkungsgrad solcher Anlagen ist besser
als bei den vorgenannten, sie haben jedoch den Nachteil, daß sie sehr umfangreiche
Dimensionen haben, was sie von vielen Verwendun,gsgebieten ausschließt.
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Vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Kraftübertragungsanlage
für Brennkraftmaschinen, mit Hilfe derer die bei der Kühlung der Verbrennungskraftinaschinen
anfallende Wärme und die Wärme der Abgase abgeführt und in mechanische Arbeit umgewandelt
wird.
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Es sind zwar hydraulische Kraftübertragungsanlagen für Verbrennungskraftmaschinen1bekanntgeworden,
bei welchen die mechanische Leistung der Verbrennungskraftmaschine einer Hochdruck.-pumpe
zugeführt wird, die dann diese Leistung in -einen Flüssigkeitsstrom verwandelt,
der dann in einer geeigneten Kraft- oder Arbeitsmaschine, z. B. eine in umgekehrtem
Sinne arbeitende, krafta,bg,ebende'Pumpe, wieder in mechanische Leistung zurückgeführt
wird. Diese Art der Kraftübertragung wird meist dort angewandt, wo eine bequeme
und stufenlose übersetzungsregulierung erwünscht ist.
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Zur stufenlosen übersetzungsregulierung sind ferner Strömungsgetriebe
und -Strömungskupplungen bekanntgeworden, bei welchen Pumpe und Turbine in einem
Gehäuse unmittelbar nebeneinander untergebracht sind und die kinetische Energie
bzw.Massenträgheit der Flüssigkeit ausgenutzt wird.
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Keine dieser hydraulischen Kraftübertragungsanlagen wird jedoch dazu
benutzt, die Überflüssige Wärme derVerbrennungskraftmaschine (Kühlungs-und Auspuffwärme)
abzuführen, um daraus Arbeit zu gewinnen, wie es dievorliegendeErfindungvorsieht.
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Um dies zu erreichen, sieht die Erfindung folgenden Aufbau vor: Eine
von einer Verbrennungskraftmaschine, z. B. Otto- oder Dieselmotor oder Gasturbine,
angetriebene Pumpe fördert eine kraftübertragende Flüssigkeit, welche zum Teil aus
leichtsiedenden Stoffen besteht. Nach der Pumpe wird die Flüssigkeit so um die Zylinder
des Motors oder Brennkammer der Gasturbine geleitet, daß die Kühlungswärme von der
Flüssigkeit aufgenommen wird. Danach- wird die Flüssigkeit durch einen oder mehrere
Wärmetauscher geleitet, wo diese durch die Auspuffgase noch mehr aufgeheizt wird.
Diese erwärmte Flüssigkeit wird nun einer hydraulischen Kraftmaschine (im umgekehrten
Sinne arbeitende Pumpe) zugeleitet. In dieser Kraftmaschine, deren Zylinder bzw.
Kammern nur zu einem kleinen Teil mit Flüssigkeit gefüllt werden, hat der vorgenannte
leichtsiedende Stoff der Flüssigkeit Gelegenheit, zu verdampfen und sich auszudehnen.
Bei dieser Verdampfung und Ausdehnung, welche ja mit einer Abkühlung verbunden ist,
wird ein Teil der früher aufgenommenen Wärme in mechanische Wärme umgewandelt.
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Die Rückführung der Dämpfe in den flüssigen Zustand erfolgt entweder
durch Aufwand äußerer Kompressionsarbeit in der erstgenannten Flüssigkeitspumpe
oder durch Kondensation in einem Kühler zwischen Kraftmaschine und Pumpe.
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Wird die gesamte Effektivleistung einer Verbrennungskraftmaschine,
z. B. Dieselmotor, durch eine Flüssigkeit übertragen und diese Flüssigkeit zur Wärmeabfuhr
in der oben beschriebenen Weise benutzt, so ist infolge der großen umzuwälzenden
Flüssigkeitsmenge die Temperaturerhöhung nur gering. Es errechnet sich eine Temperaturdifferenz
zwischen den angenommenen Meßpunkten: vor Kühlmanteleintritt bis nach Auspuffwärmetauscheraustritt
bei einem Betriebdruck, von 50 atÜ für 01
als kraftübertragendeFlüssigkeit
von nur etwa -,'C.
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Um nun eine größere Temperaturdifferenz erreichen zu können, damit
sich die Verdampfung und die Kondensation besser beherrschen läßtund ein höherer
Wirkungsgrad erzielt werden kann, muß die Flüssigkeitsnienge im geheizten kraftübertragenden
Flüssigkeitskreislauf möglichst klein gehalten werden. Dies kann erreicht werden,
wenn die Drücke im Flüssigkeitskreislauf extrem hoch gehalten werden. Wo das aus
betrieblichen Gründen nicht möglich ist, wird vorgeschlagen, denFlüssigkeitskreislauf
zu teilen und nur einen Teil der kraftübertragenden Flüssigkeit aufzuheizen.
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Bei Verbrennungskraftmaschinen mit bekanntem hydraulischem Hochdruckgetriebe
kann dieser ge-
teilte Kreislauf dadurch erreicht werden, daß die Flüssigkeit
für den vorgeschlagenen geheizten Flüssigkeitskreislauf der Pumpe des obengenannten
Hochdruckgetriebes entnommen wird (.ßbb. 3).
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Wird Vorliegende E rfindung bei Verbrennungskraftmaschinen
mit mechanischerKraftübertragungg, z. B. Wechselgetriebe, wie bei Fahrzeugen, oder
direkter Wellenkupplung, wie bei Propeller oder ,Generatorantrieb, angewandt, so
hat die Verbrennungskraftmaschine zusätzlich eine Pumpe anzutreiben, welche die
kraftübertragende Flüssigkeit für den geheizten Kreislauf fördert (Abb. 4).
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Wie oben erwähnt, wird erfindungsgemäß der kraftübertragenden Flüssigkeit
ein leichtsiedender Stoff beigemischt. Als Beispiel einer solchen Flüssigkeitsmischung
wird ein Gemenge- von etwa 50 % Mineralhydrauliköl und etwa 50 1/o
Benzol vorgeschlagen. Das Mineralöl hat als ein Gemisch von verschiedenen Kohlenwasserstoffen
einen Siedebereich bei i ata von 300 bis 400' C. Das Benzol hat bei
gleichem Druck einen Siedepunkt von So' C.
Im praktischen Betrieb vorliegender
Kraftübertragungsanla#gen, wo die Verdampfung unter höheren Drücken vor sich geht,
liegen auch die Siedepunkte entsprechend höher.
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In der Abb. i sind Kurven eingetragen, welche den Druck- und Temperaturverlauf
im Zylinder bzw. der Kammer der hydraulischen Kraftmaschine wiedergeben. Die ausgezogenen
Linien zeigen den
Druck-, die gestrichelten Linien den Temperaturverlauf
in ALbhängigkeit der Volumenvergrößerung im Arbeitszylinder. Im Punkt
0 beginnt die Füllung des Zylinders oder der Kammer der Kraftmaschine und
gleichzeitig die hydraulische Volldruckarbeit des Kolbens bzw. hügels bis zum Punkt
A. Die eben genannte hydraulische Volldruckarbeit ist diejenige Arbeit, die
der Kolben bzw. Flügel der Kraftmaschine unter unmittelbarer Einwirkung des statischen
Flüssigkeitsdruckes leistet, und muß von der Flüssigkeitspumpe, welche von der Verbrennungskraftmaschine
angetrieben wird, aufgebracht werden. Bis dahin hat sich weder der Einfluß der aufgenommenen
Wärme noch das Vorhandensein eines verdampfbaren Stoffes merklich fühlbar ausgewirkt.
Im Punkt A der Kurve in i wird die Zufuhr der kraftübertragenden Flüssigkeit
abgesperrt, wodurch der Druck im Zylinder bzw. in der Kammer der hydraulischen Kraftinaschine
bei weiterer Bewegung des Kolbens bzw. Flügels plötzlich so weit absinkt, bis der
zur jeweils herrschenden Temperatur gehörende Siededruck des leichtsiedenden Stoffes,
z. B. Benzol, erreicht ist. Dieser Zeitpunkt ist in der Kurve mit B bezeichnet.
Im Punkt B setzt die Verdampfung des leichtsiedenden Stoffes ein. Der entstehende
Dampf wird als Bläschen in der übrigen Flüssigkeit in Erscheinung treten. Da nun
durch' die fortschreitende Verdampfung die Temperatur der kraftübertragenden Flüssigkeit
laufend sinkt, muß auch der Druck stetig abnehmen, weil zur jeweils niedrigen Temperatur
auch ein niedrigerer Siededruck gehört. Die Kurve fällt deshalb von Beginn der Verdampfung
im Punkt B bis zum Schluß derselben, welcher bei C erreicht ist, ab.
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Während dieser Verdampfung wird der Arbeitswert der äußeren Verdampfungswärme
auf den Kolben bzw. Flügel der Kraftmaschine abgegeben.
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Da im Punkt C der Druckkurve der ganze im Zylinder bzw. in
der Kammer eirIgeschlossene leichtsiedende Stoff, z. B. Benzol, verdampft ist, beginnt
dort die arbeitverrichtende polytropische Expansion des entstandenen Dampfes, wobei
diesem während der Abkühlung durch die Expansion durch die ihn umgebende Flüssigkeit
noch Wärme zugeführt wird, so daß die Polytrope zwischen Adiabate und Isotherme
verläuft.
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Die Punkte der zur oben beschriebenen Druckkurve gehörenden Temperaturkurve
sind mit b, c
und d bezeichnet.
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Das Maß der Abkühlung bei der Expansion ist somit bei jeder Zylinder-
oder Kammerfüllung der livdratilisclien l#ra'ftmascliiiie gleich. Dies setzt
je-
doch nicht voraus, daß deshalb auch die Wärmezufuhr bei der Aufheizung
der kraftübertragenden Flüssigkeit in der Verbrennungskraftmaschine die gleiche
wäre, da sich die Betriebsverhältnisse mit der Belastung ändern. Um eine größere
oder kleinere Abkühlung während der Verdampfung und Expansion pro Zylinder- oder
Kammerfüllung zu erreichen, kann der Zylinder oder die Kammer mehr oder weniger
gefüllf werden, wodurch mehr oder weniger des leichtsiedenden Stoffes mit eingefüllt
wird. Wird mehr Flüssigkeit in den Zylinder oder in die Kammer der hydraulischen
Kraftmaschine gefüllt, was eine Verlängerung der Strecke 0-A
(Abb. i) ergibt,
so wird, weil damit auch mehr des leiclitsiedenden Stoffes mit eingefüllt wird,
mehr Dampf erzeugt und somit auch mehr Wärme verbraucht. Das umgekehrte tritt ein,
wenn weniger Hydraulikflüssigkeit eingefüllt wird.
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Mit Hilfe von Steuerorganen, welche die Füllung der Zylinder bzw.
Kammern der Hydraulikkraftinaschine steuern, kann die Abkühlung reguliert werden.
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Um bei kleineren Anlagen, z. B. Fahrzeugantriebe, komplizierte Regelorgane
zur Einhaltung der gewünschten Betriebstemperatur, z. B. bei verschiedenen Leistungen
der Verbrennungskraftmaschine, zu vermeiden, wird die Beimischung eines verdampfbaren
Stoffes vorgeschlagen, welcher bei konstantem Druck keinen eindeutigen Siedepunkt
hat, z. B. Benzin, welches im Gegensatz züi dein obengenannten Benzol bei einem
Druck von i ata einen Siedebereich zwischen 30 und 200' C hat (Abb.
2). Dies bedeutet, daß bei gleicher Füllung des Zylinders bzw. Kammer der hydraulischen
Kraftmaschine beim Erreichen einer höheren Betriebstemperatur mehr aus der kraftübertragenden
Flüssigkeit ausdampft als bei niedriger Temperatur, was seinerseits einen größeren
Verbrauch an Verdampfungswärme zur Folge hat.
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Weisen die leichtsiedenden Stoffe bei konstantem Druck eine Siedekurve
etwa wie Abb. 2 auf, so werden die Druck- und Temperaturkurven (Abb. i) bei höherer
Eintrittstemperatur der kraftübertragenden Flüssigkeit in die hydraulische Kraftmaschine
zwischen den Punkten 0, A, B', C und D' bzw. b', c'
und d verlaufen.
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Die Abb. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der erfindungsmäßig
geheizte Flüssigkeitskreislauf vom Kreislauf eines bekannten hydraulischen Getriebes
abgezweigt ist und mit diesem die hydraulische Druckpumpe gemeinsam hat. Die Verbrennungskraftmaschine
g treibt die FlüssigkeitsdruCkpumpe h an. Während der weitaus größte Teil
der von der Druckpumpe h geförderten kraftübertragenden Flüssigkeit über die Leitung
i zur hydraulischen Kraftmaschine k fließt und somit fast äie gesamte von
der Verbrennungskraftniaschine abgegebene mechanische Leistung überträgt, fließt
nur ein kleiner Teil, z. B. .3 bis 101/o, zum geheizten Zweig. Dieser kleiner--
Teil der Flüssigkeit wird zunächst in den Kühlmantel 1
der Verbreni1ungskraftmaschine
g geleitet. Dort nimmt die Flüssigkeit die abzuführende Kühlungswärine auf.
Anschließend wird die Flüssigkeit in den Wärmetauscher m geleitet, wo ihr von den
Auspuffgasen noch mehr Wärme vermittelt wird. Diese aufgewärmte Flüssigkeit gelangt
dann in die hydraulische Kraftmaschine n. In dieser Kraftmaschine verlaufen die
Drücke und Temperaturen in der nach Abb. i beschriebenen Weise. In der Kraftmaschine
wird die früher aufgenommene Wärme zum Teil in Arbeit umgesetzt. Die aus der Kraftmaschine
it austretende, infolge der Dampfblasen
schaumige Flüssigkeit wird
in den Kühler geleitet, wo der Dampf kondensiert wird, so daß der Druckpumpe it
schaumfreie Flüssigkeit zuläuft.
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Um :die Verdampfungstemperatur der kraft:Übertragenden Flüssigkeit
und die Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine besser aufeinander -abstimmen
zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Flüssigkeitskreislaufgeschlossen
zu gestalten, damit der Enddruck D (Abb. i) nach der Expansion in jeder beliebigen
Höhe gehalten werden kann. Durch Änderung der Druckhöhe ändert sich auch die Verdampfungstemperatur
und damit die Zvlinder- bzw. Brennkammertemperatur der Verb#ennungskraf tmaschine.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Abb. 4 wiedergegeben. Bei
diesem Ausführungsbeispiel wird die effektive Leistung der Verbrennungskraftmaschine
g im wesentlichen auf mechanische Weise zum Verbraucher übertragen, und nur
ein sehr kleiner Teil der Leistung der Verbrennungskraftmaschine wird von der Hydraulikpumpe
h auf-. genommen. In diesem Fall wird die gesamte von der Pumpe h geförderte Flüssigkeit
geheizt und der Kraftmaschine zugeführt.