DD157571A5

DD157571A5 - Verfahren und vorrichtung zur leistungserzeugung mittels aufgeladener brennkraftmaschine

Info

Publication number: DD157571A5
Application number: DD81228496A
Authority: DD
Inventors: Remi Curtil
Original assignee: Semt
Priority date: 1980-03-21
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1982-11-17
Also published as: NO156764B; KR830005461A; DE3173791D1; FI810800L; ES8202097A1; CS247059B2; EP0038232A3; YU74081A; DK123181A; BR8101578A; PL230231A1; EP0038232A2; YU42561B; KR840002482B1; US4404805A; FI66237B; DK154103B; SU1111690A3; EP0038232B1; PL136992B1

Abstract

Die Erfindung bezweckt die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Leistungserzeugung mittels einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei eine Erweiterung des nutzbaren Betriebsbereiches des Motors bis in den Bereich der hohen Drehmomente hin bei geringen Geschwindigkeiten erreicht werden soll und gleichzeitig die Moeglichkeit der Annaeherung des Nennarbeitspunktes des Luftkompressors an seiner Pumpenwirkungsgrenze bei Hochleistungsbereichen gegeben ist. Als Loesung ist nunmehr vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor durch einen Luftturbokompressor aufgeladen wird und dessen Auspuffgase durch eine Zweigleitung in die zur Beschickung der Turbine dienende Auspuffgasleitung eine abgeleitete Druckluftmenge verdraengen. Diese abgeleitete Druckluftmenge wird mit Hilfe eines Waermeaustauschers erwaermt, welcher in der Zweigleitung eingebaut ist und durch die Auspuffgase der Turbine durchstroemt ist, wobei die erwaermte abgeleitete Druckluftmenge in das stromaufwaerts liegende Ende des Auspuffsammelrohres des Motors eingespritzt wird. Die vorliegende Erfindung wird auf aufgeladene Dieselmotoren mit niedrigem Verdichtungsdruck sowie auf sogenannten Verbundmotoren angewandt.

Description

Berlin, den 10» 6„ 81 AP F 02 B/228 496/0 59 020 27

Verfahren und Vorrichtung zur Leistungserzeugung mittels auf· gelajener Brennkraftmaschine «_^__________>_^____^_ _

Anwendungsgebiet.

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung von Energie durch eine Erzeugungsanlaget bestehend aus: einem volumetrischen Verbrennungsmotorsystem mit insbesondere alternierenden Kolben, wie z« B* aber nicht ausschließlich einem Dieselmotor, einer Aufladeluftkompressoreinrichtung und einer als Turboantriebsmaschine ausgebildeten Vorrichtung, die in der Folge Abgasturbine genannt wird, wobei zwischen diesen drei Einrichtungen bzw« Vorrichtungen mechanische und/oder pneumatische Koppelelemente vorgesehen sind» Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine neue Anlage zur Erzeugung von Leistung zur Durchführung des genannten Verfahrens und betrifft die verschiedenen Anwendungen und Verwendungen, die sich aus dem Einsatz des Verfahrens oder dieser Anlage ergeben, sowie die verschiedenen Vorrichtungen, Ausrüstungen und Einrichtungen, die mit derartigen Anlagen versehen sind«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zum derzeitigen Stand der Technik, wie das insbesondere in dem französischen Patent Nr. 7 512 744 beschrieben ist, gehört eine Anlage zur Erzeugung von Leistung durch eine-Brennkraftmaschine mit wechselweise in eine geradlinige Verschiebungsbewegung versetzte* Kolben sowie mit spontaner Zündung durch Verdichtung, wie insbesondere einen Viertakt-Dieselmotor mit geringem volumetrischen Verhältnis bzw»

Cl / Γι ,Γ* /p

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Verdichtungsdruck«. Dieser Motor wird über einen Luft turbo» kompressor mit einem oder mehreren Turbinenstufen und/oder Verdichtungsstufen aufgeladen",» wobei die Endkühlung der Luft stromabwärts des Verdichters vorgesehen ist _e während zwischen den aufeinanderfolgenden Verdichtungsstufen gegebenenfalls eine Zwischenkühlung der Luft vorgesehen ist_o In diesem Fall erhält die Turbine die Auspuffgase des Motors, um über eine mechanische Kupplungswelle den Antrieb des Kompressors zu bewirken« Zwischen aer Ansaugseite und der Auspuff seife des Motors ist eine Zweigleitung vorgesehen·, die während des Betriebs des Motors im allgemeinen dauernd offen ist und dazu dient., die durch den Motor nicht aufgesaugte Luft von dem Verdichter aus zu der Turfaino hin zu leiten, •wobei diese Luft dann stromaufwärts des Einganges der Turbine mit den Auspuffgasen, die von der AuspuffSammelleitung des-Motors herrühren* vereinigt wird> um zusätzlich zu der durch die Auspuffgase abgegebenen Wärme Energie zu liefern© Diese Energiezufuhr wird -beim Betrieb -dee Motors mit gerin^ ger Leistung durch Luftauf wärmung erzielt., und zwar durch •die/Rückgewinnung der Wonne'''durch Wärmeaustausch zwischen mindestens dem größten Teil und vorzugsweise der Gesamtmenge des aus aer Turbine auslaufenden Gasstromes einerseits und mindestens äer Fraktion imö. vorzugsweise ö.er Gesaratmenge des Luftstfomes andererseits _f. welches aus dem Kompressor in Richtuno des Motors und üor genannten aboeleiteten Leitunq hin geleitet, wird« So ist.In der Verdrähgungsleiturig des Kompressors-ein Wärmeaustauscher .vorgesehen.^ während der Luftendkühler in die Fließstrec'ce der Luff._ff; welche, aus dem Wärmeaustauscher ausströmt und zu der Einlaßleitung des Motors hin fließt / zwischengeschaltet ist_a

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Diese Zweigleitung ist daher mit dem Motor und dem Luftendkühler, welcher durch Zwangsströmung von entweder atmosphärischer Luft oder Wasser oder noch durch Zwangsströmung des Kühlmittels des Motors abgekühlt wird, parallel geschaltet. Der Wärmeaustauscher, z* ß« ein Plattenwärmetauscher oder Röhrenwärmetauscher, umfaßt in diesem Fall voneinander getrennte Kreisläufe, so daß die jeweils Wärme abgebenden und erwärmten Ströme miteinander nicht vermischt werden«

Die genannte Zweigleitung umfaßt automatisch betätigte Drosselelemente mit fortschreitend veränderlichem freiem Durchflußquerschnitt, um zwischen dem Ausgang des Kompressors und dem Eingang der Turbine einen Druckunterschied zu erzeugen, welcher praktisch ausschließlich von dem in der Zweigleitung herrschenden Druck abhängt« Die aus dem Wärmeaustauscher auslaufenden Gase v/erden nach außen abgeführt· Bei hoher Leistung reicht die durch die Auspuffgase des Motors gelieferte Energie aus, um die Turbine anzutreiben« Wenn der Motor seinen Nennbetriebspunkt erreicht hat, funktioniert der Turbokompressor in Übereinstimmung mit letzterem, so daß der Kompressor dann zusätzlich zu der durch den Motor aufgenommenen Lu.ftmenge einen Luftstrom liefert, der dazu bestimmt ist, zwischen dem Ausgang des Kompressors und dem Eingang der Turbine den genannten Druckunterschied aufrechtzuerhalten sowie durch Umwälzung die heißen Bestandteile des Motors abzukühlen«

Diese bekannte Anlage umfaßt außerdem eine Hilfsverbrennungs-

kammer, die stromaufwärts-der Turbine angeordnet ist und mit der Luft, die durch die Zweigleitung strömt, sowie gegebenenfalls mit den Auspuffgasen des Motors beschickt wird.

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damit bei jedem beliebigen Betriebsbereich des Motors und insbesondere auch wenn letzterer abgestellt XSt₅, die Turbokompressorgruppe autonom und unabhängig betrieben wird*

Eine derartige bekannte Anlage ist mit folgenden Nachteilen behaftet?

- aufwendige Energ±evenvendung>.da die Energiezufuhr zu der Turbine durch Rückgewinnung der Wärme der aus letzterer ausströmenden Gase nur zum Teil der abgeleiteten Druckluftmenge erteilt wird, da deren anderes Teil mit der Auf" ladedruckluftf die nach Durchströmung durch den Luftkühler zu der Einlaßleitung des Motors strömt, vermischt wird;

- hoher Energieverbrauch der Hilfsverbrennungskatnmer* vvel-' ' ehe zusätzlich Brennstoff verbrennt ι '

- komplizierter Aufbau der Regelvorrichtung der hauptsächlichen Bestandteiles wie z«, B«, der Verbrennungskammer, die zwischen dem Auspuffsammeirohr des Motors, und dem Gaseingang der Turbine eingebaut ist und die abgeleitete Drucklüftmenge erhält _t sowie des Ventiles» welches in der Zweigleitung als Drosselelement angeordnet·ist, wobei in Verbindung mit einer geringeren Betriebszuverlässig™

·. .lceit die Gesamtkosten der Anlage wesentlich erhöht werden.

Ziel der Erfindung ist, eine höhere Leistung bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen zu erreichen«'

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Mit der Erfindung soll eine Erweiterung des nutzbaren Betriebsbereiches des Motors bis in den Bereich der hohen Drehmomente hin bei geringen Geschwindigkeiten erreicht und gleichzeitig die Möglichkeit einer Annäherung des Nennarbeitspunktes des Luftkompressors an seine Pumpenwirkungsgrenze bei den Hochleistungsbereichen gegeben werden.

Zu diesem Zweck bringt die vorliegende Erfindung, wie bei der schon bekannten Anlage, ein Verfahren zum Einsatz, welches darin besteht, von der durch die Kompressoreinrichtung insgesamt verdrängten Druckluftmenge eine gewisse Menge der zwischen der Kompressoreinrichtung und dem volumetrischen Motorsystem komprimierten Luft abzuleiten und anzuzapfen und zwischen dem Gasauslaß der Arbeitszylinder des volumetrischen Motorsystems und. einer dem Gasauslaß der Turbokompressoreinrichtung vorgeschalteten Stelle diese abgenommene Druckluftmenge mit den Auspuffgasen des Motorsystems zu vereinigen sowie über diese abgeleitete Druckluftmenge den Auspuffgasen zusätzlich Energie zu liefern, wobei diese Energie von der abgegebenen Energie der in dem volumetrischen Motorsystem verbrannten Gase zurückgewonnen wird*

Zur Lösung des gestellten technischen Problems sieht die vorliegende Erfindung eine Verbesserung des genannten Verfahrens vor, bei welcher nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung diese Energiezufuhr zumindest dem größten Teil der abgeleiteten Druckluftmenge unmittelbar und ausschließlich geliefert wird«

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Der Klarheit der folgenden Beschreibung halber werden nun für die obenerwähnten Vorrichtungen und Einrichtungen folgende Erläuterungen gegeben?

- das volumetrische Hotorsystem umfaßt mindestens einen Verbrennungsmotor;

~ die Kompressoreinrichtung umfaßt mindestens einen Kompressor,·

- die'Turbomotoreinrichtung_f welche die Turboantriebsmaschine bildet, umfaßt mindestens eine Auspuffgasturbine;

·« man versteht dann, daß» diese Vorrichtungen jeweils mehrere

Brennkraftmaschinen, Kompressoren oder Turbinen umfassen können* . . .... .. ... .·. · ._: . .,_; .. .. . . .

Gemäß der vorliegenden Erfindung vereinigt sich _t wie in bekannten Anordnung_s die abgeleitete .Drückluftmenge mit den Auspuffgasen des vqlufiietrischen 'Motorsystems stromaufwärts des .Einganges des Turbomotors / jedoch kann erfindungsgemäß diese abgeleitete öruckluftmenge, die von mindestens einem Kompressor der Kompressoreinrichtung herrührt und welcher jeweils die genannte Energiezufuhr erteilt worden ist', zu den Auspuffgasen von mindestens einem Verbrennungsmotor des ,volu'metrischen.-FiOtbrsystems zugesetzt· werden _f und zwar in' ·· • einem Punkt von. mindestens einer· Auspuffgasleitung.mit· geschlossener Strömung oder von mindestens einer Sammelleitung des genannten Motors j bei welchem der augenblickliche Höchst* druck ausreichend gering ist-_f um die Umkehrung'der Strömungs»

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richtung des Gasstromes zu verhindern, und vorzugsweise in einem Punkt, bei welchem der Druck möglichst konstant ist»

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und wie in der schon bekannten Anlage, bringt die vorliegende Erfindung eine Energiezufuhr zum Einsatz, die durch diejenige Wärme gebildet ist, die durch Wärmeaustausch zwischen mindestens dem größten Teil des aus der Turbomotoreinrichtung ausfließenden Gasstromes und dem größten Teil des aus der Kompressoreinrichtung auslaufenden Druckluft-Stromes aus den Ausgangsgasen der Turbomotoreinrichtung ent~ nommen wird, Vorteilhäfterweise findet dieser Wärmeaustausch mit mindestens dem größten Teil der abgeleiteten Druckluftmenge statt«

Im Grunde gen.ommen weist die vorliegende Erfindung den wesentlichen Vorteil auf, daß je näher der ungünstige Betriebsbereich (hohe Drehmomente bei geringer Geschwindigkeit) liegt, wobei dann der Druck der durch die Turbomotor- und Kompressoreinrichtungen gelieferten Luft zu gering ist oder sogar fehlt« desto höher die Temperatur der Gase am Ausgang der Turbomotoreinrichtung ist, und demzufolge desto größer das Potential der von den Auspuffgasen zurückgewinnbaren Energiemenge ist. Dank der vorliegenden Erfindung kann der Aufbau der gesamten Anlage sowie ihrer Regelvorrichtung wesentlich vereinfacht werden, so daß vorteilhafterweise Kosten erspart werden können«

In konkreter Ausgestaltung der Erfindung ist in.diesem Zusammenhang zunächst verfahrensgemäß vorgesehen, daß die Zufuhr von Energie zu der genannten abgeleiteten Druckluftmenge in Form von Energie durch Wärme und Mas.se durch unmittel-

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bare Mischung mindestens des größten Teiles der abgeleiteten Druckluftmenge mit mindestens einem Teil der aus der Tür·» bomotoreinrichtung ausströmenden Gase? insbesondere durch Saug™ und Druckwirkung in aer Weise erfolgt, daß das genannte Gas durch die genannte Druckluft« welche In Form von mindestens einem Luftstrahl vorliegt, angesaugt und mitgenommen wird*

Wird die komprimierte Aufladeluft des volumetrischen Motorsystems abgekühlt, ist es vorteilhaft« daß die abgeleitete Druckluftmenge vor ihrer Kühlung · abgezapft wird«,

In diesem Zusammenhang ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß mindestens ein Teil der abgeleiteten Druckluftmenge, welchem zusätzliche Energie zugeführt worden ist oder nicht, unter einem gegebenenfalls Wahlweise veränderbaren Winkel in eine Spirale_f welche zwischen mindestens einem. '"Auspuffs'ammelrohr' des volumetrischen Motorsystems und mindestens einer Turbine der Turbomotoreinrichtung eine unmittelbare Verbindung herstellt, im wesentlichen an dem Be·» rührungspunkt der Einiaßbahn der Auspuffgase in! die"Spirale · hinein mit dem Anfang'ihrer gebogenen Fließbahn in derselben eingespritzt wird, damit durch Flüssigkeitsströmungsvvirkung eine Ableitung der genannten Fließbahn hervorgerufen wird₆

1st das Verfahren für ein durch eine einstufige oder mehrstufige Turbpkompre.ssoreinrichtung aufgeladenes volumetri-, sches Motorsystem, deren Luftkompressor durch die Turbomotor- einrichtung mechanisch unmittelbar angetrieben wird, vorgesehen,, wird erfindungsgemäß irn Falle eines volumetrischen Motors mit mindestens einer Reihe von vier bis zehn Zylin-

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dern, welcher je Zylinderreihe durch einen Luftkompressor aufgeladen wird und je Zylinderreihe ein modulares Auspuff« sammelrohr mit Impulsümforraer umfaßt, die genannte vorgewärmte abgeleitete Druckluftmenge in die Auspuffgase des Motors bei ihrem geringsten augenblicklichen Niederdruckniveau eingespritzt*

Im Falle eines Luftkompressors mit mindestens-zwei Stufen wird in diesem Zusammenhang vorteilhafterweise die genannte abgeleitete Druckluftmenge durch Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil der Gase, welche aus der letzten, eine Niederdruck-Turbine bildenden Turbinenstufe ausströmen, erwärm t«

Bei einem durch eine mehrstufige Turbokompressoreinrichtung aufgeladenen volumetrischen Motorsystem, deren Luftkompressor durch die Turbomotoreinrichtung mechanisch unmittelbar angetrieben wird, ist es zweckmäßig, daß im Falle eines volumetrischen Motors mit mindestens einer Reihe von z_e B« sechs Zylindern, welcher je Reihe durch einen zweistufigen Luftkompressor aufgeladen wird, dessen erste Turbinenstufe, die die Hochdruck-Turbine bildet, durch zwei jeweils zwei getrennten Gruppen von je drei Zylindern gemeinsame Auspuffsammeirohre gleichlaufend beschickt wird, die genannte Druckluftmenge durch mindestens einem Teil der Gase, welche aus der letzten die Niederdruck-Turbine bildenden Turbinenstufe ausströmen, erwärmt und in die aus der ersten, die Hochdruck-Turbine bildenden Turbinenstufe ausströmenden Gase eingespritzt wird.

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Bei einstellbarer abgeleiteter Druckluftmenge ist es günstig_; wenn diese abgeleitete Druckluftmenge einerseits beim Starten des volumetrische!! Motorsystems und andererseits dann abgestellt bzw* unterbrochen wird, wenn der Druck öer Auspuffgase stärker als derjenige aer genannten abgeleiteten Druckluftmenge ist und schließlich beim Betrieb dieses Motors das Leistungsniveau ausreicht, damit seitens der Turbi» ne und des Luftkompressors jeweils zufriedenstellende Ausbeuten erhalten werden« -

Vorzugsweise wird jede Umkehrung der Strömungsrichtung eier abgeleiteten Druckluftmenge automatisch verhindert«

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls zur Durchführung des genannten Verfahrens auf eine Leistungserzeugungsanlage bzw, -einrichtung, die sich aus folgenden Elementen .••zusamm-ense.tzti. either Zweigleitung,.welche die · Druckluftverdrängungsleitung der Kompressoreinrichtung mit der Auspuffgasleitung des volumetrische!! Motorsystems stromabwärts der Arbeitszylinder verbindet _f sowie aus einer Vor·™ richtung j welche, einerseits eine Rückgewinnung der.Energie aus den verbrannten Gasen des volumetrischen Motorsystems und andererseits die Übergabe der zurückgewonnenen Energie an ein Teil des Druckluftstromes ermöglicht, wobei diese Vorrichtung eine DruckluftdurchfluBstrecke umfaßte Diese Leistungserzeugungsanlage ist hauptsächlich dadurch gekenn· zeichnet·ρ daß die genannte Energierückgeviinnungs- und Übertragungsvorrichtung durch ihre Druckluftdurchflußstrecke ausschließlich in die Zweigleitung mündete

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In dieser Vorrichtung mündet die Zweigleitung in an sich bekannter Weise stromabwärts der Auspuffgasleitung des volumetrischen Motorsystems in einen Punkt vor dem Eingang der Turbomotoreinrichtung, wobei jedoch die Zweigleitung, die an ihrem stromaufwärts liegenden Ende mit der Verdrängungsleitung von mindestens einem Kompressor verbunden ist, mit ihrem stromabwärts liegenden Ende an die Auspuffgasleitung von mindestens einem Motor des volumetrischen Motorsystems angeschlossen ist, und zwar an einen Punkt mindestens einer Auspuffgasleitung oder AuspuffSammelleitung dieses Motors, bei welchem der augenblickliche Höchstdruck geringer als einem aktuellen vorbestimmten Grenzwert ist»

In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung umfaßt letztere, sowie an sich bekannt, eine Wärmeaustauschereinrichtung zur Aufwärmung der komprimierten Luft, die einerseits durch mindestens das größte Teil des aus der Turbomotoreinrichtung ausströmenden Gasstromes und andererseits durch einen Teil der aus dem Kompressor auslaufenden Druckluftströmung durchströmt ist, wobei jedoch diese Wärmeaustauschereinrichtung mindestens einen Wärmeaustauscher umfaßt, welcher durch seine Druckluftdurchflußstrecke ausschließlich in der Zweigleitung zwischengeschaltef ist.

Es wird darauf hingewiesen, daß die abgenommene Druckluftströmungsmenge_e insbesondere bei hohem Drehmoment und.geringer Drehgeschwindigkeit eines Verbrennungsmotors, umso mehr notwendig ist, als die'eigene Gasleistung dieses Verbrennungsmotors im Verhältnis zu der Nennleistung der Turbine und des Kompressors nicht ausreichend groß bzw. zu gering ist«

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In weiterer konkreter. Ausgestaltung der erfindungsgemäSen Vorrichtung ist vorgesehen_e daß sie zur Rückgewinnung und Übergabe von Energie aus mindestens einem Ejektor besteht, dessen Saugleitung fur das mitgenommene Mittel vorzugsweise von einer Gasauslaßleitung aer Turbine abgeleitet ist«

Bei einem Kühler für die Aufladedruckluft des volumetrischen Motorsystems„ welcher in aer Verdrängungsleitung der Kompressoreinrichtung angeordnet ist, ist es vorteilhaft-_t wann die Zweigleitung stromaufwärts des Endkühlers an die Verdrängungsleitung angeschlossen ist_e

Zweckmäßig ist weiterhin_t wenn die Zweigleitung oder eine getrennte oder unabhängige weitere Zweigleitung durch ihr stromaufwärts liegendes Ende an die Spirale zur unmittelbaren Verbindung von mindestens einem Auspuffsammeirohr des volumetrische^ Motorsystems mit mindestens einer Turbine der Türbomotoreinrichturig im wesentlichen in Höhe des Verbindungspunktes des geradlinigen Einganges der Spirale mit dem angrenzenden Ende ihrer krummlinigen Durchflußstrecke gegebenenfalls- einstellbar oder: winkelmäßig-· orientierbar angeschlossen ist» ' "· . ·. " ·" '

Vorteilhaft ist darüber hinaus auch, wenn, die abgeleitete Zweigleitung durch ihr stromabwärts liegendes Ende mit dem stromaufwärts liegenden Ende des Auspuffsammelrohres verbunden ist ,5 .....

Im Falle eines zweistufigen'Turbinen-Luftkomprcssor-Aggregates ist zweckmäßigerweise die Durchflußstrecke für das erwärmende Mittel des genannten Ejektor« durch mindestens

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ein Teil der aus der letzten, die Niederdruck-Turbine bildenden Turbinenstufe ausströmenden Gase durchströmt»

Erfindungsgemäß ist ebenfalls, daß im Falle .eines volumetrischen Motorsystems mit mindestens einer Reihe von mindestens sechs Zylindern, welches je Zylinderreihe durch ein zweistufiges Turbinen-Luftkompressor-Aggregat aufgeladen wird, dessen erste Turbinenstufe, die eine Hochdruck-Turbine bildet, zwei voneinander getrennte Gaseinlässe besitzt, die mit zwei jeweils unterschiedlichen Gruppen von je drei Zylindern gemeinsamen Impulsauspuffsammelrohren verbunden sind, die genannte Durchflußstrecke für das erwärmende Medium des Ejektors in eine Gasauslaßleitung der letzten, die Niederdruck-Turbine bildenden Turbinenstufe in Reihe geschaltet ist, während das stromabwärts liegende Ende der Druckluft-Zweigleitung an die Gasleitung, welche die zwei aufeinanderfolgenden, jeweils eine Hochdruck-Turbine und eine Niederdruck-Turbine bildenden Turbinenstufen verbindet, angeschlossen ist» .

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, deren Druckluftzvveigleitung mit einem Ventil versehen ist, ist es vorteilhaft, wenn ein Rückschlagventil, welches vorzugsweise stromaufwärts des genannten Ventiles in die Zweigleitung eingebaut ist, vorgesehen ist.

Im Sinne der Erfindung ist weiterhin, daß die Anwendung der •Vorrichtung auf einen sogenannten Verbundleistungsgenerator, der einen Gasgenerator bildet, dessen Auflade-Luftkompressor mit der Welle des Motors mechanisch unmittelbar

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gekuppelt ist, um mindestens ein großes Teil der Nutzleistung aufzunehmen, welche zu der Turbine,, die von der Einheit von Motor und Kompressor mechanisch getrennt oder mit. letzterer durch einen vorzugsweise hydraulischen Drehmomentwandler verbunden ist, zurückgeführt ist«

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert vverden_e In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig_e 2i

eine schematische Übersichtdarstellung zur funk« tionsrnäßigen Erläuterung der Erfindung in ihren hauptsächlichen Betriebsfällen j

eine Gesamtübersicht einer erfindungsgemäßen Leistungserzeugungseinrichtung zur Erläuterung des Grundsatzes derselben; ··" ·'.

Fig« 4

eine Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung im Falle einer, zweistufigen Aufladegruppe"', und eines Verbrennungsmotors mit einem Auspuffsammeirohr mit modularem Impulsumformer;

eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Falle einer zweistufigen Aufladegruppe und eines .Verbrennungsmotors mit Impuls« sammelrohren; ' . . ' "

FIg₆ 5ί eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Verbrennungsmotor mit einem Auspuffsammeirohr» dessen modularer Impulsumformer mit

ρ 9

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dem Wärmeaustauscher- integriert ist;

Fig« 6i eine Ausführungsform der vorliegenden Erfin-

dung, bei welcher die abgeleitete Druckluft-

· strömungsmenge erwärmt wird und zur Kühlung

: von mindestens einem heißen Auspuffventil des

^: Verbrennungsmotors dient;

Fig« 7: eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die abgeleitete Druckluftströmungsmenge durch Mischung mit einem Teil der aus mindestens einer Auspuffgasturbine auslaufenden Gase in mindestens einer Strahldüse oder dergleichen eine Zugabe an Energie durch Wärme und Masse erfährt;

Fig. 8

bis 10: Einzelheiten einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher die abgeleitete Druckluftströmungsmenge in die Eingangsvolute mindestens einer Auspuffgasturbine eingespritzt wird, wobei die Fig« 8 eine äuße-. . re Seitenansicht der Spirale, Fig„ 9 einen Teilquerschnitt gemäß der Linie IX-IX der Fig« 8 und Fig. 10 einen Teilschnitt durch die flach sind.

flachgelegene über 360 abgewickelte Spirale

In den verschiedenen Figuren sind gleiche oder ähnliche Bestandteile und Elemente mit den gleichen Bezugszeichen be-

£ / K L· M ρ ι«

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. - 16 zeichnet«

Die Fig«. 1 zeigt ein schematisches Betriebsschema, in welchem die verschiedenen in aer Folge beschriebenen Fälle zusammengefaßt sind 5 wobei die jeweiligen betreffenden Gaskreisläufe bzw« Gasförderleitungen nur angedeutet sind* Die kontinuierlichen voll ausgezogenen Linien entsprechen den dauernden bzw_c bevorzugt eingesetzten Gasströmen, während die unterbrochenen gestrichelten Linien bzw« Strichpunktlinien den gemäß anderen Ausführungsformen aer Erfindung eingesetzten Gasströmen entsprechen,. Der vorgesehene Aufladeluftkompressor ist ein einstufiger oder mehrstufiger Verdichter _f wobei in letztgenanntem Fall z_o B* zwei Stufen, und zwar eine Niederdruckstufe C und eine Hochdruckstufe C in der Weise .vorgesehen sind,,daß die Niederdruckstufe C

/ gegebenenfalls über· ein··en Kühler in die. Hochdruckstufe- G". ·..·.' verdrängte Der Hauptdruckluf tstrora _t der aus dem Kompressor ausfließt j strömt durch einen Luftkühler R und dringt über

. das Einlaßsammol rohr des Verbrennungsmotors H in letzteren

' hinein _e wo er als Zündstoff · für den Brennstoff dient „. dessen Verbrennung in den verschiedenen Arbeitszylindern des Motors heiße verbrannte Gase GB hervorruf ti, Diese verbrannten Gase GB erwärmen durch unmittelbare Berührung verschiedene Bestandteile des Motors s wie z._o B₄, dessen Auspuff ventile S₈ die dabei umspült werden, wenn die verbrannten Gase GB aus .den Zylindern ausströmen und in Form von Auspuffgasen in " mindestens einem Auspuffsamnvelrohr GE aufgefangen werden« Diese &z\se verlassen über letzteres den Motor H₁ der in der Zeichnung durch ein Rechteck aus unterbrochenen Linien begrenzt ist a und werden dann mindestens einer Turbine züge-

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führt, welche in bestimmten Fällen, aber nicht zwangsweise, zum Antrieb eines Luftkompressors eingesetzt ist« Diese Turbine ist entweder eine einstufige Turbine oder eine mehrstufige Turbine mit z» B« zwei Stufen, und zwar eine Hoch- druckstufe T¹, die durch einen Kreis aus unterbrochenen Linien angedeutet ist* und einer Niederdruckstufe T bzw, Niederdruckturbine«,

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die abgeleitete Druckluftmenge A, die am Ausgang des Verdichters stromaufwärts des Luftkühlers R abgenommen wird, durch einen Wärmeaustauscher E geleitet und durch die Gase GE, die aus der Turbine ausströmen, durch den Wärmeaustauscher E fließen und dann in die Außenluft entweichen, erwärmt» Diese erwärmte abgenommene Druckluftmenge A' wird dann in das Auspuffsammelrohr CE eingespritzt und mischt sich mit den zur Beschickung der Turbine dienenden Auspuffgasen, Gemäß einer Ausführungsvariante kann der Wärmeaustauscher E durch einen Ejektor ersetzt werden, welcher durch ein Teil der aus der Turbine ausströmenden Gase GE durchströmt ist, w.obei diese Gase sich in der Turbine mit der Druckluft vermischen, um ein gasförmiges heißes Gemisch zu bilden, welches in das Auspuffsammeirohr CE eingespritzt wird«

Gemäß einer anderen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird die abgeleitete Druckluftmenge A stromabwärts des Luftkühlers R abgenommen und dann über eine Leitung A₁ durch mindestens ein heißes Auspuffventil S des Motors geleitet, um auf diese Weise abgekühlt zu werden. Dieser Druckluftstrom kühlt dabei selbstverständlich dieses Ventil und der erwärmte Luftstrom wird in das Auspuffsammeirohr CE einges'pritzt.

11 b 4 a b

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Gemäß noch einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die stromaufwärts des Luftkühlers R abgenommene Druckluftmenge dadurch erwärmt_s daß sie über eine Leitung ί\ um das· heiße Auspuffsammelrohr CE herum geleitet wird, wobei dieser erwärmte Gasstrom dann in das Auspuffsemmelrohr hinein gespritzt wird*

Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die mit einer zweistufigen Turbine (Stufen T und T') eingesetzt werden kann_f ist die stromaufwärts des Luftkühlers R abgenommene Druckluftmenge A durch den Wärmeaustauscher E geleitet und dort durch die aus der Niederdruckstufe T der Turbine ausströmenden Gase erwärmt, wobei dieser erwärmte Luftstrom dann über eine Leitung A-, stromaufwärts des Einganges der Niederdruckstufe T der Turbine mit den aus der Hochdruckstufe T⁵ auslaufenden Gasen vermischt wird«,

..Riese .verschiedenen Aus.f ührur.gsf.ormen der Erfindung werden nun einzeln beschrieben.* In den folgenden Figuren sind die verschiedenen Vorrichtungen, die zum Gegenstand der Erfindung nicht gehören und sich für die Klarstellung der Erfindung, nicht notwendig .erweisen., -'nicht dargestellte "

Bei dem Ausführungsbeispiel der FiIg₄, 2 ist ein volumetrisches Verbrennungsmotorsystem, wie z« B_e ein Dieselmotor, nachstehend als Motor 1 bezeichnet_f mit mindestens einer Reihe von Zylindern 2_t die z_e B_e sechs Zylinder umfaßt, ge~ zeigt«·; Dieser Motor. .1 kann-.selbstverständlich. mehrere :Zy·»'.. linderreihen_f Z₄ B„ zwei Zylinderreihen aufweisen, die dann in Form eines V angeordnet sind_f wobei in diesem Fall je Zylinderreihe eine Aufladegruppe vorgesehen ist» Dedo Zylinderreihe dieses Motors 1 umfaßt ein Luft-Einlaßsammei rohr

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und mindestens ein Auspuffsammeirohr 4 für die verbrannten Gase« Im Falle einer Reihe mit vier bis zehn Zylindern ist dieses Auspuff sarnmelrohr als einziges vorgesehen sowie ein sogenanntes modulares Sammelrohr mit Impulsumformer, welches aus mehreren identischen Abschnitten mit über die gesamte Länge des Sammelrohres gleichförmigem freiem Durchlaßquerschnitt zusammengesetzt ist. Ein solches Sammelrohr ist z. B₀ in der in der DDR am 17, Danuar 197S unter oer Nr. AP F Ol N/203 263 eingereichten Patentanmeldung sowie in deren erster Zusatzanmeldung, Nr, AP F Ol N/223 700 vom 3« September 1980, beschrieben. Dieses Auspuffsammeirohr 4 ist mit dem Auspuffgasauslaß des Zylinderkopfes des Motors unmittelbar starr verbundene

Die Nutzleistung dieses Motors 1 wird über seine Welle 5, die zum Antrieb eines die Last des.Motors bildenden Verbrauchergerätes 6 dient, aufgenommen«

Der Motor 1, welcher das volumetrische Motorsystem oder ein Bestandteil desselben bildet, wird über eine Turbokompressoreinrichtung mit einer oder mehreren Stufen aufgeladen, deren Luftkompressoreinrichtung über die Turbomotoreinrichtung unmittelbar mechanisch angetrieben wird» Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Luftkompressoreinrichtung einen Luftkompressor 7, während die Turbomotoreinrichtung eine Turbine 8 aufweist, die über eine Zwischenwelle 9 mit. dem Luftkompressor 7 unmittelbar mechanisch verbunden ist* Die Auslaßöffnung des Luftkompressors 7 ist über eine Verdrängungsleitung 10 durch einen Endkühler 11, welcher zur Kühlung, der Aufladeluft dient und dessen Durchflußstrecke für das heiße abzukühlende Mittel mit der genannten Ver-

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drangungsleitung 10 parallel geschaltet ist_s mit dem Einlaßssmmelrohr 3 des Motors 1 verbunden* Die Gaseinlaßöff~ nung der Turbine 8. ist über eine Leitung 12 mit der Auslaßöffnung _/ des Auspuffsammelrohres 4 des Motors 1 verbunden« Die abgenommene üruckluftmenge wird in diesem- Fall stromaufwärts des Endkühlers 11 rn.it Hilfe einer Zweigleitung abgenommen j welche über ihr stromaufwärts liegendes Ende vor dem Endkühler 11 an die Verdrängungsleitung 10 angeschlossen ist und durch ihr stromabwärts liegendes Ende mit dem stromaufwärts liegenden Ende des Auspuffsammelrohres verbunden ist-, damit die erwärmte abgenommene Druckluftmenge an dem Punkt dieses Auspuffsammelrohres A, an welchem der augenblickliche Niederdruck der Auspuffgase seinen geringsten Wert aufweist, in letzteres eingespritzt vvird. Diese Stelle zum Wieder-in-Umlauf-bringen der Druckluft am stromaufwärts liegenden Ende des Auspuffsammeirohres 4 ist besonders vorteilhaft.* da der erste Zylinder des Motors 1 • gegebenenfalls-Mittel' bzw'e - Druckluft auf saugen kann'*' ' ''

Ein Wärmeaustauscher 14 ist einerseits über seine Durchflußstrecke, für das kalte öder erwärmte Mittel mit der Drucklu'f.t«-Zweigleitung ^;13 und andererseits über seine · Durchflußstrecke für das vvärmeabgebende Mittel mit der Gasauslaßleitung .15 oer Turbine 8 parallel geschaltete Am Ausgang des Wärmeaustauschers 14 mündet die Gasauslaßleitung 15 in die Atmosphäre, vorzugsweise nach Durchströrnung durch einen Schalldämpfer hindurch«. . . _; ·.

Die abgenommene bzw» abgezweigte Druckluftmenge ist vorzugsweise wahlweise einstellbar, um insbesondere beim Starten des voiuinetrischen Motorsystems abgestellt zu werden, wenn letzteres mit einem ausreichenden Leistungsniveau arbeitet

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und wenn demzufolge die Turbomotoreinrichtung -und Kompressoreinrichtung jeweils eine zufriedenstellende Ausbeute aufweisen» Zu diesem Zweck ist die Zweigleitung 13 mit einem Ventil 16 oder dergleichen versehen, welches entweder stufenlos arbeitet oder einstellbare üffnungs- und Schließstellungen aufweist, damit, wenn die Drehgeschwindigkeit des Motors 1 abnimmt, der Durchsatz der abgeleiteten Druckluftmenge sich zweckmäßig erhöhte Dieses Ventil 16 muß über ein bestimmtes Leistungsniveau hinaus geschlossen werden und z. B, in Abhängigkeit von dem augenblicklichen Wert des Verdrängungsdruckes des Verdichters oder des Lufteinlasses des Motors 1 gesteuert werden, da am Ausgang des Verdichters der Druck der Druckluft innerhalb eines ziemlich weiten Drehgeschwindigkeitsbereiches des Motors der Leistung desselben mindestens annähernd proportional ist«

Um jede Umkehrung der Strömungsrichtung der abgeleiteten Druckluftmenge in der Zweigleitung 13 zu vermeiden, muß der Druck der Auspuffgase in dem Auspuffsammelrohr.4 geringer als der Druck der Druckluft in der Zweigleitung 13 sein« Um eine solche Umkehrung der Gasströmung automatisch zu verhindern, ist vorzugsweise stromaufwärts des Ventiles 16 in der Zweigleitung 13 ein Rückschlagventil 17 vorgesehen* Wenn das Ventil 16 stufenlos.arbeitet, muß es beim Starten des Motores 1, d« h* wenn der Druck der Einlaßluft Null ist, geschlossen werden« Das Ventil 16 ist ebenfalls geschlossen, wenn der Druck der Gase in dem Auspuffsammeirohr 4 höher als der Druck der Druckluft in der Zweigleitung 13 ist, und zwar insbesondere wenn kein Rückschlagventil 17 vorgesehen ist.

Der Wärmeaustauscher 14 ist ein Austauscher mit Wickelrohrbündeln oder mit Platten, d. h« ein Plattenaustauscher oder

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ein Wärmeaustauscher mit wärmeleitenden Rohrleitungen, wobei es sich entweder um einen drehenden Wärmeaustauscher_f welcher Z₀ Β« durch eine sich drehende Welle über eine entsprechende Kupplung in Drehung versetzt wird oder um einen feststehenden Austauscher handeln kanru

Die vorliegende Erfindung kann in vorteilhafter Weise auf einen sogenannten Verbundleistungserzeuger angewandt werden_t welcher im allgemeinen aus einem Verbrennungsmotor mit Kolben, mindestens einem Luftkompressor und mindestens einer Gasturbine besteht, wobei zwischen mindestens zwei dieser drei Bestandteile mechanische Kupplungselemente vorgesehen sind, während zwischen mindestens dem Motor und der Turbine und dem Verdichter und dem Motor sowie gegebenenfalls dem Kompressor und der Turbine Gasverbindungsleitungen angeordnet sind« Die mechanische Ausgangsnutzleistung wird auf diese.Weise entweder von der Motorwelle oder von der Welle der . Turbine.:. oder noch/gleichzeitig. .;von.. beiden -Wellen abgenommen _t. wobei in letztgenanntem Fall die jeweils gewonnenen Nutzleistungen in umgekehrtem Verhältnis zueinander stehen * Bei dem vorliegenden Fall eines sogenannten Verbundmotors als ' Gaserzeuger ist. der Luftkompressor 7 über eine Kupplung 18, die durch.eine diskontinuierliche Strichpunktlinie in Fig_e angedeutet ist., mit der Welle 5 des Motors 1 unmittelbar mechanisch verbunden_f wobei dieser Motor 1 dann das Ver™. brauchergerät 6 nicht antreibt« während die Turbine 8 von der Einheit von Motor 1 und Luftkompressor 7 mechanisch ge-.'trennt ist", d_e h_CPdaE sie" mit "dem Kompressor nicht mehr '' verbunden ist_e In diesem Fall nimmt der Luftkompressor 7 die gesarate Nutzleistung des Motors l_e die mittels durch den Luftkompressor 7 verdrängte Druckluft sowie über die Auspuffgase des Motors 1 zu der Turbine 8 übertrogen wird und

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dann als einziges Leistungsübertragungselemen.t dient und demzufolge über eine Äusgangswelle 19 gegebenenfalls nach Zwischenschaltung eines Vorgeleges das Verbrauchergerät 6* antreibt, auf.

Um dies zu verhindern, kann in vorteilhafter Weise ein Teil der Nutzleistung des Motors 1 über einen vorzugsweise hydraulischen Drehmomentwandler 20, welcher die mechanische Kupplung zwischen dem Motor 1 und dem Verdichter bzw» Luftkompressor 7 mit dem mechanischen Übertragungselement zwischen der Turbine und dem Verbrauchergerät verbindet, abgenommen werden.. So kann z» B. die Anwendung auf einen Verbundmotor mit z« B* der Ausführungsform der Fig. 2 kombiniert werden, sofern zwischen dem Luftkompressor 7 und der Turbine 8 auf der Welle 9 eine lösbare oder auskuppelbare Verbindung in Form einer Kupplung 21 vorgesehen ist.

Es wird darauf hingewiesen, daß, wenn die Turbine 8 die gesamte Nutzleistung liefert, der Verbrennungsmotor gegebenenfalls durch einen Motor mit freien Kolben gebildet werden kann»

Bei den Ausführungsformen der Fig» 3 und 4 wird die Aufladung des Motors 1 jeweils durch eine zweistufige Turbokompressoreinrichtung gesichert« Dies.e Turbokompressoreinrichtung besteht einerseits aus einem Hochdruckturbokompressor, der durch einen über eine Zwischenwelle 9 durch eine Hochdruck-Turbine 8 unmittelbar mechanisch angetriebenen Hochdruck-Kompressor 7 gebildet .ist, sowie andererseits aus einem Niederdruckturbokompressor, der durch einen über eine Zwischenwelle 9' durch eine Niederdruck-Turbine 8' unmittelbar mit mechanisch angetriebenen Niederdruck-Luftkompressor 7' gebildet ist. Die erste Verdichtungsstufe bzw, der Nieder-

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druck-Luftkompressor 7" verdrängt durch einen Zwischenluft~ kühler Ii* die Druckluft bzw_e Preßluft in die zweite Ver~ dichtungsstufe bzw» in den Hochdruck-Luftkompressor 7_e der seinerseits dann diese auf einen hohen Druck komprimierte Luft zu den EinlaBsämmelrohr 3 des Motors 1 hin verdrängt« Die erste Turbinenstufe„ die die Hochdruck-Turbine 8 bildet_f erhält die Auspuffgase des M_otors 1 und leitet letztere danach in die zweite Turbinenstufe, welche die Niederdruck-Turbine 8' bildete

Die abgeleitete Druckluftmenge wird durch Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil der aus oer Niederdruck-Turbine auslaufenden Gase erwärmt«, Zu diesem Zweck ist die Durchflußstrecke des wärmeleitenden Mediums des Wärmeaustauschers 14, welcher in der Zweigleitung 13 oder 313' zwischengeschaltet ist, mit der Gasauslaßleitung 15 der letzten Turbinen« stufe d, h_e der Niederdruck-Turbine 8¹ in Reihe geschaltet«

Die Ausführungsvariante der Fig₀ 3 unterscheidet sich von der Ausführungsfonn der Fig_f 2 nur dadurch-, daß eine zweistufige Turbpkompr.essorgeblaseeinricjh.tung vorgesehen , ist,-. die die vorgenannte- besondere Anordnung des Wärmeaustauschers enthält« · "·'" ·

Bei der Ausführungsvariante der Fig« 4 liegt gegenüber der Ausführungsform der Fig_c 3 der Unterschied darin, daß jede Zylinderreihe des Motors 1, die .z„ B₀ sechs Zylinder 2.enthält/zwei impulsauspuf f samrnel'rohre 4a j '4b besitzt, welche' jeweils einer Gruppe von je drei Zylindern gemeinsam sind, wobei diese Impulsauspuffsammelrohre 4a; 4b über zwei getrennte Gaseinlässe die erste Turbinenstufe bzw, die Hoch™

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druck-Turbine 8 parallel mit Gas beschicken« Es ist in diesem Fall vorteilhaft, daß die abgeleitete erwärmte Luftmenge wegen der Auspuffgashochdruckstöße, die in diesen Sammelrohren erscheinen, in Richtung auf letztere nicht wieder in Umlauf gebracht wird, und daß diese Luftmenge vielmehr zwischen beiden Turbinenstufen mit den Gasen, die aus der ersten Turbinenstufe bzw, der Hochdruck-Turbine 3 ausströmen, also stromaufwärts des Einganges der zweiten Turbinenstufe bzw. der Niederdruck-Turbine 8' vermischt wird. Zu diesem Zweck ist stromabwärts des Ausganges des Wärmeaustauschers 14 die Zweigleitung 13' durch ihr stromabwärts liegendes Ende an eine Gasleitung 22 angeschlossen, welche die zwei aufeinanderfolgend angeordneten Turbinen 8 und 8' mit ihren unterschiedlichen Druckstufen verbindet.

Bei allen vorgenannten Ausführungsbeispielen ist das Ventil 16 vorzugsweise zusammen mit dem zugehörigen Rückschlagventil 17 vorteilhaft stromabwärts des Wärmeaustauschers 14 in der Zweigleitung 13 oder 13* angeordnet, um die Verschmutzung der Druckluftdurchflußstrecke dieses Wärmeaustauschers 14 durch die Auspuffgase des Motors 1 zu verhindern, wenn das genannte Ventil geschlossen ist.

Bei der Ausführungsform der Fig. 5 ist die abgeleitete Druckluftmenge durch diejenige Wärme erwärmt, welche aus zumindest einem Teil der ausströmenden Auspuffgase des volumetrischen Motorsystems entnommen wird. Die Wärmeaustauschereinrichtung umfaßt in diesem Fall mindestens einen Wärmeaustauscher 14', welcher jeweils durch seine Durchflußstrecke für das wärmeabgebende Mittel an mindestens ein Auspuffsammeirohr 4 am Ausgang des volumetrischen Motorsystems sowie

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durch seine Durchflußstrecke für die Druckluft an die genannte Zweigleitung 13 angeschlossen ist» Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Energiezufuhr zu der abgeleiteten Druckluftmenge in Form von Wärme, die durch mindestens ein Auspuffsammeirohr A_e welches ein heißes Bestandteil des Motors 1 bildet, dieser abgeleiteten Druckluf tmenge abgegeben wird,, Das heiße Bestandteil des Motors

wird dann gleichzeitig durch diesen Druckluftumlauf abgekühlte Der Wärmeaustauscher 14' wird dann um mindestens einen Abschnitt des Auspuffsammeirohres 4 herum angeordnet, wobei letzteres dann einen Bestandteil des Wärmeaustauschers 14' und insbesondere seine Durchflußstrecke für das erwärmende Mittel darstellt« Die Durchflußstrecke für das erwärmte Mittel , d« h_ö für die abgeleitete Druckluft dieses Wärmeaustauschers 14* besteht dann z_e 8« aus einem kreisförmigen rohrförmigen Gefäß, welches usn das Auspuffsammelrohr 4 herum angeordnet ist« Um. einen wirksamen Wärmeaustausch, .zu erzielen j,..wird .,der .Umlauf-· der, jeweils ervyärmenden, und erwärmten Mittel in diesem Wärmeaustauscher 14' im Gegenstrom durchgeführt, so daB die Zweigleitung 13 durch ihr stromabwärts'liegendes Ende in das stromaufwärts liegende Ende "-des. Wärmeaustauschers 14'.. (d, h« dem stromabwärts.lie-. genden Ende des Auspuffsammeirohres 4 zugewandt) mündet, während der Wärmeaustauscher 14^s durch sein stromabwärts liegendes Ende mit dem. entgegengesetzten bzw* stromaufwärts liegenden Ende 23 des Auspuffsammeirohres 4 in Verbindung steht«

Diese.Ausführungsform nach. Fig« 5 ist tatsächlich nur während der Betriebsperiode der Brennkraftmaschine 1 im'Übergangsleistungsbereich von Vorteile

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Bei den jeweiligen Aus.führungsformen nach Fig. 6 erfolgt die Energiezufuhr ausschließlich zu der abgeleiteten Druckluftmenge in Form von Wärme, die durch mindestens ein heißes z* B« bewegliches Organ des volumetrischen Motorsystems dieser üruckluftmenge abgegeben wird, so daß dieses heiße Organ gleichzeitig durch die Zirkulation dieser Druckluft abgekühlt wird* Zu diesem Zweck umfaßt dieses bewegliche heiße Organ eine Druckluftdurchflußstrecke mit eingeschlossener Strömung, die mit der Zweigleitung 13 in Reihe geschaltet ist« Es ist dann vorteilhaft, daß die abgeleitete Druckluftmenge erst nach Abkühlung der komprimierten Aufladeluft entnommen wird, d., h» , daß die Zweigleitung 13 durch ihr stromaufwärts liegendes Ende abwärts des Endkühlers Ii angeschlossen wird«

Bei der Ausführungsform der Fig* 6 wird die notwendige Wärme von mindestens einem heißen Auspuffventil 24 des volumetrischen Motorsystems bzw, des Motors 1 zurückgewonnen. Durch dieses Auspuffventil 24 verläuft mindestens eine Durchflußstrecke 25 für die abkühlende Druckluft, welche mit der Zweigleitung 13 in Reihe geschaltet ist, wobei die Zweigleitung 13 durch ihr stromabwärts liegendes Ende vorzugsweise bis zum Auspuffsammeirohr 4 reicht.

Bei der Ausführungsform nach Fig, 7 erfolgt die Zufuhr von Energie zu der abgeleiteten Druckluftmenge in Form von Energie durch Wärme und Masse durch unmittelbare Mischung von mindestens dem größten Teil der genannten abgeleiteten Druckluftmenge mit mindestens einem Teil des aus der Turbo« motoreinrichtung austretenden Gasstromes, insbesondere durch Saugwirkung, wobei das genannte Gas durch die komprimierte

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Luft, welche in Form eines Luf ts'trahles vorliegt, mitgenommen wird» Zu diesem Zweck ist mindestens ein Ejektor 2.7 vorgesehen _t dessen Durchflußstrecke für das mitnehmende Medium 27a mit der Druckluftzweigleitung 13 in Reihe angeschlossen ist und dessen Medium-Saugleitung .27b vorzugsweise durch eine von oer Gasauslaßleitung 15 der Turbine 8 abgeleitete Gasauslaßleitung 15-' verbunden ist_e Am Ausgang des Ejektors 27 wird das Gas-Druckluft-Gemisch durch die Zweigleitung 13 vorzugsweise zu dem Auepuffsammelrohr 4 des Motors 1 zugeleitet.

Bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen ist eine Turbine mit axialer Strömung eingesetzt, deren Gaseinlaßgehäuse über einen Diffusor, insbesondere im Falle eines modularen Auspuffsammeirohrs mit Impulsumformer, mit der Auspuffgaszufuhrleitung verbunden ist« Zu einer besseren Verwertung der kinetischen Energie der Gase ist es jedoch vorteilhaft, ^:' '· die^:;hohe'Strömungsgeschwindigkeit aer Gase stromabwärts des Sammelrohres zu behalten und dabei keinen Diffusor vorzusehen, wobei in .solchem Fall der Ausgang des Auspuff sam-• · rnel.röhr.es bzw« der AuspuffgaszufuhrleitUng über eine Spirale 28 oder dergleichen mit'dem Eingang der Turbine verbunden ist« Der Gasströmungsquerschnitt der Spirale 28 nimmt von dem Eingang 28a der Spirale 28 bis zum Rad 8a der Turbine 8 fortschreitend ab, wie es die Fig«, 8 bis '10 zeigen* Demzufolge entfällt zwangsweise der Verteiler dieser Tur-. . bine_f so daß, die genannte Spirale 28 die Steuerfunktion übernimmt, während das Auspuffsammeirohr 4 die Beschleunigungsfunktion sichert« Eine derartige Spirale ist z« B_e in öer in der DDR am 17« Oanuar 1978 unter der Nummer AP F Ol N/203 262 eingereichten Patentanmeldung beschrieben«

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In diesem letzten Ausführungsbeispiel erfolgt .die Verbindung zwischen dem Ausgang des Auspuffsammeirohres 4 und der Turbine 8 mit axialer Strömung über ein Eintrittsgehäuse in Form der Spirale 28 zum Einlaß der Gase in die Turbine 8 hinein ohne Düse, wobei dieses Gehäuse auf dem Turbinenmantel so angeordnet ist, daß es das Rad 8a mit Schaufeln 8d der Turbine 8 überdeckt. Wie schon erwähnt ist die Spirale 28 so gestaltet, daß ihr Durchlaßquerschnitt für die Gase sich fortschreitend verringert, so daß die Angriffsgeschwindigkeit des Turbinenrades 8a über den gesamten Umfang dieses Rades konstant ist. Bei der Ausführungsform nach Fig« S bis 10 wird mindestens ein Teil der abgeleiteten Druckluftmehge, die die genannte Energiezufuhr erhalten hat bzw« erwärmt worden ist oder nicht, unter einem gegebenenfalls veränderbaren Anströmwinkel <& in die Spirale 28, welche mindestens ein Auspuffsammeirohr 4 des volumetrischen fiotorsystems 1 mit der Turbine 8 der Turbomotoreinrichtung unmittelbar verbindet, eingespritzt, und zwar in einem Anschlußpunkt, welcher die Strömungsbahn der Auspuffgase in die Spirale 28 hinein sowie den Anfang ihrer kreisförmigen Strömungsstrecke in derselben berührt, um durch die Wirkung der Strömung eine Ableitung der genannten Strömungsbahn zu bewirken und dabei das Angriffsgeschwindigkeitsdreieck der Beschaufelung des Turbinenrades 8a unter einem wahlweise angepaßten Anströmwinkel cC in vorteilhafter Weise zu beeinflußen , wobei dieser WinkelOC in Abhängigkeit von dem jeweils derzeitigen Betriebspunkt der Turbine eingestellt wird« So kann man auf diese Weise die heiße Luft noch wirksamer wieder in Umlauf bringen.· Zu diesem Zweck ist. die Zweigleitung 13 "oder eine ähnliche Zweigleitung für nicht vorgewärmte Druckluft durch ihr stromabwärts liegendes Ende gegebenenfalls in winkel-

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mäßig einstellbarer bzw«, orientierbsrer Weise an die Spirale 28 angeschlossen j welche ein Auspuffsammelrohr 4 des M_otors 1 mit mindestens einer Turbine 8 im wesentlichen in Höhe des Berührungspunktes des geradlinigen Einganges 28a aer Spirale 28 mit dem angrenzenden Ende der gebogenen kreisförmigen Durchflußleitung innerhalb der Spirale 28 unmittelbar verbindet* Dieser Anschluß wird z₄ B« mit Hilfe einer rohrförmigen Leitung 29 oder dergleichen durchgeführt, welche mit einer Gelenkverbindung 30 an der Spirale 28 verbunden ist β

Gemäß der dargestellten Ausführungsvariante kann die in die Spirale 28 eingespritzte abgeleitete Druckluftmenge keine vorherige Energiezufuhr (z_t B* durch Erwärmung) erhalten haben, d« h*,daß sie von dem Kompressor aus unmittelbar in die Spirale hinein ohne Durchströmung durch jedes Wärmerückgewinnungsgerät hindurch gelangen kann«

Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist diese nicht vorgewärmte abgeleitete Druckluftmenge durch eine zweite Strömungsmenge gebildet₅ die von der mit der " Energiezufuhr, versehenen abgeleiteten Druckluftmenge der. .. vorangehenden Ausführungsbeispiele nach Fig» I bis 7 abhängig ist«, Diese Ausführungsvariante kann dann in Verbindung mit der vorgewärmten abgeleiteten Druckluftmenge eingesetzt werden, so daß in diesem Fall zwei abgeleitete Druckluftströme zur Verfugung stehen, von welchen der eine vorgewärmt und der- andere- nicht 'Vorgewärmt ist«, Dieser zweite ' abgeleitete nicht, erwärmte Luftstrom wird dann über eine weitere von der Zweigleitung 13 unabhängige Zweigleitung zu der Spirale 28 zugeführt«

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Diese Lösung kann in vorteilhafter Weise mit allen vorangehend beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen eingesetzt werden«

Außerdem sind die Grundsätze der Erfindung, die bei der Ausf ührungsf orrn der Erfindung nach Fig« 8 bis 10 mit einer Turbine mit axialer Strömung erläutert worden sind, auf Turbinen mit äußerer Beaufschlagung anwendbar, um das Geschvvindigkeitsdreieck in vorteilhafter Weise zu beeinflussen«

Claims

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Erfindunasanspruch

Ι« Verfahren zur Leistungserzeugung mittels einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei zur Erzeugung von Energie ein Leistungsgenerator vorgesehen ist, welcher aus einem volumetrischen Verbrennungsmotorsystem mit Kolben, einer Auf ladeluf tkornpressoreinric.htung und einer Abgasturbine besteht, wobei zwischen diesen Vorrichtungen bzw_e Einrichtungen mechanische und/oder pneumatische Koppelelemente vorgesehen sind, von der durch die Kompressoreinrichtung insgesamt verdrängten Druckluftmenge eine gewisse Menge der zwischen der Korapressoreinrichtung und dem volumetrischen Motorsystem komprimierten Luft abgezapft wird und zwischen dem Gasauslaß der. Arbeitszylinder des volumetrischen Motorsystems und einer dem Gasauslaß der Turbokompressoreinrichtung vorgeschalteten Stelle diese abgenommene Druckluftmenge mit den Auspuffgasen des Motor-• systems vereinigt wird,' um über diese abgeleitete Drückluftmenge den Auspuffgasen zusätzlich E_nergie zu liefern, wobei diese Energie von der abgegebenen Energie der in

.dem volumetrischen Motorsystem' verbrannten Gase zurückgewonnen wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Zufuhr von 'Energie zu der genannten abgeleiteten Druckluftmenge in Form von Energie durch Wärme und Masse durch unmittelbare Mischung mindestens des größten Teiles der abgeleiteten Druckluftmenge mit mindestens einem Teil der aus der Türboeinrich.tung ausströmenden Gase, insbesondere durch Saug- 'und Druckwirkung in der Weise erfolgt, daß das genannte Gas durch die genannte Druckluft, Welche in Form von mindestens einem Luftstrahl vorliegt, angesaugt und mitge-• riommen wird,- "

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2. Verfahren nach Punkt 1, bei welchem die komprimierte Aufladeluft des volumetrischen Motorsystems abgekühlt wird, gekennzeichnet dadurch, daß die abgeleitete Druckluftmenge vor ihrer Kühlung abgezapft wird»

3« Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein Teil der abgeleiteten Druckluftmenge,

welchem zusätzliche Energie zugeführt worden ist. oder nicht, unter einem gegebenenfalls wahlweise veränderbaren Winkel (aC ) in eine Spirale (28), welche zwischen mindestens einem Auspuffsammeirohr (4) des volumetrischen Motorsystems und mindestens einer Turbine (8) der TurbomotoreinrichtUng eine unmittelbare Verbindung herstellt, im wesentlichen an dem Berührungspunkt der Einlaßbahn der Auspuffgase in die Spirale (28) hinein mit dem Anfang ihrer gebogenen FlieSbahn in derselben eingespritzt wird, damit durch Flüssigkeitsströmungswirkung eine Ableitung der genannten Fließbahn hervorgerufen wird«

4e Verfahren nach Punkt 1 oder 2 für ein durch eine einstufige oder mehrstufige Turbokompressoreinrichtung aufgeladenes volumetrisches Motorsystem, deren Luftkompressor durch die Turbomotoreinrichtung mechanisch unmittelbar •angetrieben wird, gekennzeichnet dadurch, daß im Falle eines volumetrischen Motores (1) mit mindestens einer Reihe von vier bis zehn Zylindern (2), welcher je Zylinderreihe durch einen Luftkompressor (7) aufgeladen wird und je Zylinderreihe ein modulares Auspuffsammeirohr (4a; 4b) mit impulsumformer wimfaßt, die genannte vorgewärmte abgeleitete Druckluftmenge in die Auspuffgase des Motors (1) bei ihrem geringsten augenblicklichen Nieder-•druckniveau eingespritzt wird.

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5» Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß im Falle eines Luftkompressors (7) mit mindestens zwei Stufen die genannte abgeleitete Druckluftmenge durch Wärmeaustausch mit mindestens einem Teil der Gase, welche aus der letzten, eine Niederdruck-Turbine (S') bildenden Turbinenstufe ausströmen, erwärmt wird«

6* Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Punkte 1 bis 5 für ein durch eine mehrstufige Turbokompressoreinrichtung aufgeladenes volumetrisches Motorsystem, deren Luftkompressor durch die Turbomotoreinrichtung mechanisch unmittelbar angetrieben wird, gekennzeichnet dadurch, daS im Falle eines volumetrischen Motors (1) mit mindestens einer Reihe von ζ« Β» sechs Zylindern (2) welcher je Reihe durch einen zweistufigen Luftkompressor (7) aufgeladen wird/ dessen erste Turbinenstufe, die die Hochdruck-Turbine (8) bildet, durch zwei jeweils 'zwei-getrennten Gruppen von'je drei Zylindern gemeinsame Auspuffsammeirohre (4) gleichlaufend beschickt wird, die genannte Druckluftmenge durch mindestens einen Teil der Gase, welche aus der letzten die Niederdruck-Turbine " (8') bildenden Turbinenstufe ausströmen, erwärmt und in die aus der ersten_s die Hochdruck-Turbine (8) bildenden Turbinenstufe ausströmenden Gase eingespritzt wird*

Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Punkte 1 bis 6 mit einstellbarer abgeleiteter, Druckluftmenge, gekennzeichnet dadurch, daß diese abgeleitete Druckluftmenge einerseits beim Starren des volumetrischen Motorsystems und andererseits dann abgestellt bzw« unter- brochen wird,-wenn der Druck der Auspuffgase stärker als

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derjenige der genannten abgeleiteten Druckluftmenge ist und schließlich beim Betrieb dieses Motors das Leistungs-.niveau ausreicht, damit seitens der Turbine (8) und des Luftkompressors (7) jeweils zufriedenstellende Ausbeuten erhalten werden,

8» Verfahren nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß jede Umkehrung der Strömungsrichtung der abgeleiteten Druckluftmenge vorzugsweise automatisch verhindert wird«

9. Vorrichtung zur Erzeugung von· Energie zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangehenden Punkte 1 bis 8, bestehend aus einer Zweigleitung, welche . die Druckluftverdrängungsleitung der Kompressoreinrichtung mit der Auspuffgasleitung des volumetrischen Motorsystems stromabwärts des Auslaßes dieser Gase aus den Arbeitszylindern verbindet, sowie einer Vorrichtung, welche einerseits eine Rückgewinnung der Energie aus den verbrannten Gasen des volumetrischen Motorsystems und andererseits die Übergabe der zurückgewonnenen Energie an ein Teil des Druckluftstromes ermöglicht, wobei diese· Vorrichtung eine Druckluftdurchflußstrecke umfaßt und durch letztere ausschließlich in die genannte Zweigleitung mündet, gekennzeichnet dadurch, daß die Vorrichtung zur Rückgewinnung und Übergabe von Energie aus mindestens einem Ejektor (27) besteht, dessen Saugleitung (27b) für das mitgenommene Mittel vorzugsweise von 'einer Gasauslaßleitung (15) der Turbine (8) abgeleitet ist,

10« Vorrichtung nach Punkt 9 zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 2 mit einem Kühler für die Aufladedruckluft

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des volumetTischen Motorsystems _f welcher in der Verdrängungsleitung der Kompressoreinrichtung angeordnet ist „ gekennzeichnet dadurch, daß die Zweigleitung (13; 13^s) stromaufwärts des Endkühlers (11) an die Verdrängungsleitung (10) angeschlossen ist«

.11«, Vorrichtung nach P_unkt 9 oder 10 zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Zweigleitung (13; 13') oder eine getrennte oder unabhängige weitere Zweigleitung durch ihr. stromaufwärts liegendes Ende an die Spirale (28) zur unmittelbaren Verbindung von mindestens einem Auspuffsammeirohr (4) des volumetTischen Motorsystems mit mindestens einer Turbine (8) der Turbomotoreinrichtung im wesentlichen in Höhe des Verbindungspunktes des geradlinigen Einganges (28a) der Spirale (28) mit dem angrenzenden Ende ihrer krummlinigen Durchflußstrecke gegebenenfalls einstellbar oder winkelmäßig orientierbar, angeschlossen ist*

12« Vorrichtung nach mindestens einem der Punkte .9 bis 11 zur Durchführung 'des Verfahrens nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die abgeleitete-Zweigleitung (13) durch ihr stromabwärts liegendes Ende mit dem stromaufwärts liegenden Ende des Auspuffsammeirohres (4) verbunden ist«, ·

13» Vorrichtung nach mindestens einem, der Punkte 9 bis 12 zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß'im Falle eines zweistufigen Turbinen (8; 8')-Luftkompressor (7; 7')«Aggregates die

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Durchflußstrecke für das erwärmende Mittel des genannten Ejektors (27) durch mindestens ein Teil der aus der letzten, die Niederdruck-Turbine (8') bildenden Turbinenstufe ausströmenden Gase durchströmt ist.

14» Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Punkte 9 bis 13 zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt '6, gekennzeichnet dadurch, daß im Falle eines volumetrischen Mötorsystems mit mindestens einer Reihe von mindestens sechs Zylindern (2), welches je Zylinderreihe durch ein zweistufiges Turbinen (8; 8')-Luftkompressor (7; 7')-Aggregat aufgeladen wird, dessen erste Turbinenstufe, die eine Hochdruck-Turbine (7) bildet, zwei voneinander getrennte Gaseinlässe besitzt, die mit zwei jeweils unterschiedlichen Gruppen von je drei Zylindern (2) gemeinsamen Impulsauspuff sammelrohren (4a; 4b) verbunden sind, die genannte Durchflußstrecke für das erwärmende Medium des Ejektors (27) in eine Gasauslaßleitung (15) der letzten, die Niederdruck-Turbine (7¹) bildenden Turbinenstufe in Reihe geschaltet ist, während das stromabwärts liegende Ende der Druckluft-Zweigleitung (13*) an die Gasleitung (22), welche die zwei aufeinanderfolgenden, jeweils eine Hochdruck-Turbine. (8) und eine Niederdruck-Turbine (8¹) bildenden Turbinenstufen· verbindet, angeschlossen ist,

15« Vorrichtung nach einem der Punkte 9 bis 14 zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 8, deren Druckluft-Zweigleitung mit einem Ventil versehen ist, gekennzeichnet dadurch, daß ein Rückschlagventil (17), welches vorzugsweise stromaufwärts des genannten Ventiles (16) in die Zweigleitung (13; 13') eingebaut ist, vor-

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10« 6, 81

AP F 02 B/228 496/0

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-' 38 vorgesehen ist«

16_{J Vorrichtung nach mindestens einem der Punkte 9, 10 und 15, gekennzeichnet, dadurch, daß ihre Anwendung auf einen sogenannten Verbindleistungsgenerator, der einen Gasgenerator Bildet,, dessen Auflade-Luftkompressor (7) mit der Welle (5) des Motors (i) mechanisch unmittelbar gekuppelt ist, um mindestens ein großes Teil der Nutzleistung aufzunehmen, welche zu der Turbine (8), die von der Einheit von Motor (1) und Kompressor (7) mechanisch getrennt oder mit letzterer durch einen vorzugsweise hydraulischen Drehmomentwandler (20) verbunden ist, zurückgeführt ist«,

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