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Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen der Ladeluft für eine
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innere Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Kühlen der Ladeluft für eine innere Brennkraftmaschine.
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Turbolader bzw. Turbogebläse für Diesel- und Otto-Motoren sind bekannt
und dienen dazu, die Motorleistung zu erhöhen.
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Andererseits ist es bekannt, daß, wenn durch ein Abgas-Turbogebläse
mehr komprimierende Luft in die Motorzylinder hereingepreßt wird, die Luft sich
stark erwärmt, was einmal mit der Verdichtung der Luft als solchen und auf die Hitze
der Abgase zurückgeht.
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Es ist zwar bekannt, daß wenn es gelingt, die Temperatur der in den
Motor eintretenden Verbrennungsluft wesentlich zu verringern, die Dichte der Luft
erhöht und deshalb mehr KraStstoff eingeführt, z. B. eingespritzt werden kann und
eine höhere Leistung erzielt wird. Dies ist als "Interkthlung"-bekannt;hierfür hat
man vorgeschlagen, die Luft dadurch zu kühlen, daß sie durch Wärmetauscher in Rohr-
bzw.Plattenform durchgeblasen wird, wobei der Wärmetauscher durch Luft oder Wasser
gekühlt ist. Andererseits hat sich gezeigt daß durch diese Arbeitsweise die Lufttemperatur
nur mäßig verrlngert werden kann Ferner ist ein Verfahren bekannt, die Temperatur
der zur Verbrennung benötigten Luft zu verringern und die Leistung dadurch zu erhöhen,
daß Wasser in die Luft eingespritzt wird, während gleichzeitig die Brennatoffzugabe
erhöht wird. Das Verfahren
ist aber nicht allgerin üblich bzw. anwendbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe au grunde bei mit Turbolader arbeitenden
Brennkraftmaschinen pro Zeiteinheit eine größere Kraftstoffmenge wirksam zuzuführen
und entsprechend die Motorleistung relativ zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruches
1 bew. durch das Kennseichen des ersten Verfahrensanspruches gelöst.
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Durch diese maßnahmen wird in dem Kühlaggregat in einfacher wöise
und mit verringertem Aufwand, die Ladeluft wirksamer als bisher gekühlt und somit
die Voraussetzung geschaffen,den Verbrennungszylindern des Motors mehr Brennstoff
als bisher susur fUhren.
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Eine Ausführungsform-der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert.
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Es zeigen Fig0 1 eine Stirnansicht auf die Maschine Fig0 2 einen Schnitt
nach Linie A-A dersFig. 1 Fig0 3, im Schnitt, eine vergrößerte Ansicht gemäß Linie
B-B der Fig. 1 Fig0 4 eine Ansicht von der Stirnseite auf den thermisch arbeitenden
Regenerator im Zuge der Herßtellung3 wobei dieser ein Teil des Schnittes gemäß Linie
C-C der Fig. 3 ist Fig 5 eine vergrößerte Ansicht eines Bruchstückes des Regenerators,
mit. Darstellung seiner streifenförmigen Bauteile Fig0 6 eine teilweise Ansicht,
welche die fertige Umfangs fläche des Regeneratorbauteils zeigt Die Figuren zeigen
ein Gehäuse C, bestehend aus einem Paar von parallel zueinander angeorcineten Stirnplatten
1 und 2, die durch eine Anzahl von Büchsen 3 getrennt und mit Hilfe von Bolzen 4
und Muttern 5 befestigt sind. Die Stirnplatten 1 und 2 sind mit zueinander fluchtenden
zentralen oeffnungen 8 versehen, um eine nicht dargestellte Welle aufzunehmen. Zwischen
diesen öffnungen 8 ist eine selbstschmierende Lagerschale, die in Form eines Rohrstutzens
ausgeführt sein kann vorhanden und dient zur Abstützung eines Rotors. Der Rotor
besteht aus dem Generator 6, in Form einer Scheibe, die von einem Ringkranz 9 umgeben
ist0 Der Ringkranz ist mit am Umfang angeordneten Zähnen 9a bestückt. In Fig. 1
ist ein Teil der ersten Stirnplatte 1 ausgeschnitten, um ein Ritzel 10 zu zeigen9
das vom Motorgetriebe angetrieben ist und in die Zähne 9a eingreift und somit den
Rotor bzw. Regenerator mit einer relativ niedrigen Umfangsgeschwindigkeit anzutreiben,
die etwa bei 10 » 25 Umdrehungen pro Minute liegt.
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Der thermisch arbeitende scheibenförmige Regenerator 6 kann
aus
keramiscIiem Werkstoff, aber auch aus einem anderen nachfolgend anhand der Fig.
4, 5 und 6 beschriebenen Werkstoff bestehen, vorzugsweise aus rostfreiem Metall,
z. B. rostfreiem Stahl oder einer Aluminiumlegierung. Folglich weist die Scheibe
des Regenerators einen zentralen Rohrkern 11 auf, um welchen herum ein paar von
aus Metall bestehenden Streifen 12, 13 aufgewickelt sind, jeweils von der Dicke
von o,o51 mm oder o,o76 mm. Der erste Streifen~12 ist glatt, während der zweite
Streifen ein Wellenstreifen 13 ist, dessen Wellen bzw. Sicken rechtwinklig zur Längsachse
stehen.
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Die Streifen sind eng auf den Rohrkern 11 aufgewickelt, wobei auf
den ebenen Streifen 12 eine Spannung aufgebracht wird. Das Auickeln wird fortgesetzt
bis der erforderliche radiale Durchmesser der Regeneratorscheibe erreicht wird.
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Dai n wird der Wellenstreifen 13 abgeschnitten, wonach das Aufwickeln
mit dem ebenen Streifen nur solange fortgesetzt wird, bis die radiale Abmessung
der Scheibe ein Maß erreicht, das es noch gestattet, die Scheibe in den Ringkranz
9 einzuschieben. Daim wird die Scheibe des Regenerators 6, iusbesondere durcii Löten
zu einer festen Einheit verbunden und danach werdeii ihre freien axialen Enden so
überlappt, daß sie flach und parallel zueinander sind. Die Scheibe des Regenerators
6 wird dann auf die ringförmige Lagerschale 7 zwischen den Stirnplatten 1 und 2
montiert und mit den als Abstandsteile dienenden Büchsen 3 an Ort und Stelle gehalten.
Es gibt eine relativ kleine Toleranz zwischen den Stirnplatten 1 und 2 sowie den
beiden Stirnflächen der Scheibe des Regenerators 6.
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Wie anschaulich aus Fig. 1 erkennbar, ist die erste Stirnplatte 1
mit zwei identisch großen Einlaßöffnungen 14 und 15 und einem größeren Haupteinlaß
16 versehen. Entsprechende Einlässe sind in gleicher Weise in der zweiten Stirnplatte
2 vorgesehen.
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Der erste Einlaß 14 ist mit einem Turbolader in Verbindung und wird
von diesem mit komplimierter, relativ heißer Luft
gespeist, unter
Einlaß liefert diese Luft in den rotierenden scheibenförmigen thermischen Regenerator
6. Dem Haupteinlaß 16 wird in erster Arbeitsstufe Kühl luft zugeführt. Diese wird
durch einen Lüfter oder durch einen Druckkolben (Verdichterkolben) Verdichterstößel
odgl.
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aufgrund der Motorrotation erzeugt bzw. abgenoniinen und vom, Haupteinlaß
16 weiter dem scheibenförmigen Regenerator 6 zugeführt Diese Luft befindet sich
auf relativ niedrigem Druck Der zweite Einlaß 15 ist mit einer Zuführstelle verbunden,
die eine Mischung aus Wasser und Methanol abgibt, so daß diese Mischung dem scheibenförmigen
Regenerator 6 zugeführt wird, Die in entsprechender Weise erforderlichen unG-verschiedenen
Rohrleitungen sind an die Stirnplatten 1 bzw. 2 angeschweißt bzw. einstückig mit
diesen Platten gegossen, und in den Rohrleitungen fließen jeweils urlterm schiedliche
Fluidsßd. h. Gase, Gasdamprgemische oder Dämpfe/Flüssigkeitsnebel. Der erforderliche
Auslaß 17 ist in Fig. 2 gezeigt, durch welchen die Mischung aus Druckluft und Wasser
zuzüglich Methanol bei niedriger Temperatur dem Motor zugeführt wird.
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Es ist recht wichtig, ein evtl. Lecken entweder von Druckluft oder
Wasser-Methanolmischung soweit wie möglich auo dem Wert Null zu reduzieren. Dies
wird durch die mechanische Bearbeitung, nämlich das Einarbeiten von Nuten-Vertiefungen
in die nach einwärts gerichteten Stirnflächen der Stirnplatten 1 und 2 erreicht
und ferner durch Dichtelemente 18, die in diese Nuten odgl. eingesetzt sind und
die vorzugsweise einen omegaförmigen Querschnitt aufweisen wie in der GB-Patentanmeldung
Nr. 7900 153 des gleichen Anmelders angegeben sind. Diese Dichtelemente sind mit
Antifriktionswerkstoff beschichtet, an den Stellen, wo sie gegen die Stirnflächen
des Regenerators 6 reiben. Die Dichtelemente haben einen leicht federnden Paßsitz
zwischen den Stirnplatten 1,2 und der Scheibe des Regenerators 6, wobei die Last
auf den Dichtelementen ferner durch die Eigenelastizität ihres Werkstoffes noch
erhöht wird. Es hat sich gezeigt, daß es vorteilhaft, in anderen Fällen notwendig
ist eine Dichtung am Auslaß-
ende des Haupteinlasses 16 anzubringen,
da ein freier Luftdurchfluß zugelassen wird.
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Es ist, vgl. Fig. 3, ein einfacher pneumatischer Ablaß-bzw. Drucküberschußventil,
als Ventil 20 dargestellt, und an die Stirnplatte 2 befestigt sowie gegenüber dem
Einlaß 15 für Wasser/X¢thanolmischung, vorhanden. Dieses Ventil ist erforderlich,
weil im anderen Falle die Wasser/ Methanolmischung nicht in der Lage wäre hinreichend
tief in den thermischen Regenerator einzudringen, weil in der Regeneratorscheibe
ein durch Druckluft verursachter Widerstand zu groß sein kann. Folglich muß die
Luft abgeführt werden, um zu gestatten, daß die Wasser/Methanolmischung die Scheibe
des Regenerators zu füllen vermag. Die Vorspannung einer Feder 21 für das Ventil
ist einstellbar, um jeder einzelnen Betriebsbedingung oder der vorbestimmten Größe
der Aufladung/Füllung zu entsprechen.
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Aus Fig. 6 ist erkennbar, daß die Täler und die Kämme der Wellen (Sicken)
gewählt bzw. entsprechend verformt werden, um den jeweiligen Reynoldschen Zahl oder
einem mittleren hydraulischen Durchmesser/Messer zu entsprechen. Ferner kann die
axiale Länge der Scheibe des Regenerators 6 in vorbestimmter Weise geändert werden,
um der jeweiligen Anwendung zu entsprechen. Wenn ferner die Scheibenform des thermischen
Regenerators durch Aufwickeln von Streifen erfolgt, ist es im Einzelfall vorteilhaft,
eine große Anzahl von Punktschweißstellen anzubringen, um zu verhindern, daß das
scheibenförmige Bauteil sich bei der nachfolgenden Montage odgl. aufwickelt (löst)
Je nach Einzelfall kann die Form oder die Größe eines oder mehrerer Einlässe auf
die Betriebsbedingungen des jeweiligen Motors angebracht werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann Methanol oder ein äquivalenter,leicht
zu verdampfender Brennstoff in entsprechender Weise mit Wasser gemischt werden,
in einem Verhältnis, um entsprechender PS-Ausgangsleistung zu gengen.-
Wird
im Einzelfall in vorteilhafter Weise Methanol verwendet9 fällt der Nebenvorteil
ab, das Wasser nicht gefrieren kann Die Betriebsdaten des Motors sind durch das
relative Verhältnis von Wasser zu Methanol bestimmt, ferner durch den Druck9 bei
welchem das Gemisch dem scheibenförmigen Regenerator 6 zugeführt wird und durch
die Drehzahl der Regeneratorscheibe, im Verhältnis zur Motordrehzahl. Es ist nützlich,
das Wasser-Methanolgewichtsverhältnis mit 60;40 vorzusehen