DE3339866A1 - Increase in the complex efficiency of vehicles - Google Patents

Increase in the complex efficiency of vehicles

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Abstract

With a hybrid drive arrangement comprising combustion engine, fan, heat exchanger and boundary layer blow-out device some of the waste heat energy, 2/3 of which has hitherto been lost, is converted into pressurised gas energy, which in the boundary layer control device serves for the reduction of aerodynamic resistance and in aircraft also for increasing the lift. The assignment of a pressurised gas reservoir briefly, for example when starting, can considerably enhance the effect of the lift-increasing and resistance-reducing blow-out device. A light expansion motor, which can possibly be provided and is insertable between pressure gas reservoir and blow-out arrangement, can also multiply the power of the means of propulsion such as drive wheels or air and water screws. <IMAGE>

Description

Verfahren zur ErhöhunQdes Komplexwirkungsirades von FahrzeugenMethod for increasing the complex effect wheel of vehicles

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen eines Fahrzeugantriebssystems mit Rad- und/oder Propeller- bzw. Schuhantrieb.The invention relates to methods and devices of a vehicle drive system with wheel and / or propeller or shoe drive.

Der Zweck der Erfindung ist Kraftstoffeinsparung sowie Leistungssteigerung des ganzen Fahrzeugs.The purpose of the invention is to save fuel and increase performance of the whole vehicle.

Als Komplexwirkungsgrad sei hier die Effektivitat von Antriebssystem plus dem Fahr- bzw. Flugverhalten eines Fahrzeugs verstanden.The efficiency of the drive system is the complex efficiency here plus the driving and flight behavior of a vehicle.

Durch die Erfindung sollen die bisherigen Verluste und tJ'iderstunde verringert werden, die sieil besonders bei kritischen Antrieben, wie für Flugzeuge, aber auch bei schnellen Autos oder großflächigen LK negativ bemerkbar machen.The invention is intended to reduce the previous losses and tJ'iderstunde which can be reduced, especially in the case of critical drives, such as for aircraft, but also have a negative impact on fast cars or large trucks.

Der Stand der Technik wird durch ein Sankey-Diagramm charakterisiert, siehe Fig. 2: Wie man sieht, gehen mehr als 60 % der Treibstoffenergie als Abwärme verloren, während der Fahrzeugwiderstand bei einem Auto gut 40% des Wellendrehmoments ausmacht, der bei einem Flugzeug auf über 90,mg ansteigt.The state of the art is characterized by a Sankey diagram, see Fig. 2: As you can see, more than 60% of the fuel energy is used as waste heat lost, while the vehicle resistance in a car is a good 40% of the shaft torque that increases to over 90 mg in an airplane.

Hier ist bei einem aerodynamisch gut durchgebildeten Flugzeug der induzierte Widerstand dominierend, weil - will man eine Nutzlast mitnehmen - die Tragflächen entsprechend angestellt werden müssen, um den notwendigen Auftrieb zu ergeben.This is the case for an aerodynamically well-designed aircraft induced drag dominates because - if you want to take a payload with you - the Wings must be hired accordingly to get the necessary lift result.

Das Problem des Komplexwirkungsgrades ist - zumindest als Aufgabe - von U. Hütter im "Flugsport2 (1935) S. 487-8 angesprochen worden, und zwar sowohl von der Frage der Energiespeicher her, wie auch der Grenzschichtbeeinflussung.The problem of complex efficiency is - at least as a task - has been addressed by U. Hütter in "Flugsport2 (1935) pp. 487-8, both from the question of energy storage, as well as the boundary layer influence.

Eine Druckluftstarthilfe wird in den OLS 2350079 und 2250253 beansprucht, wobei Druckluft die Luftschraubendüsen beaufschlagt.A compressed air starting aid is claimed in OLS 2350079 and 2250253, whereby compressed air is applied to the air screw nozzles.

Bei diesen und ähnlichen Vorschlägen ist aber an eine weitergehende Nutzung der Abluft offensichtlich nidt gedacht.With these and similar proposals, however, one has to go further Use of the exhaust air obviously not intended.

Zum anderen ist eine ganze Reihe von Grenzschichtbeeinflussungsverfahren angemeldet worden, so das DBP 3043567. Hier wird aber bewußt ein rel. geringer Luftstrom senkrecht zur umströmten Tragflächenoberfläche ausgeblasen, um hemmende Wirbelblasen abzutreiben. Die Treibluft wird dabei durch Staudruck gewonnen.On the other hand, there is a whole series of boundary layer influencing processes has been registered, according to DBP 3043567. Here, however, a rel. low airflow Blown out perpendicular to the flow around the wing surface to avoid obstructive vortex bubbles to abort. The propellant air is obtained through dynamic pressure.

Trotz dieser einfachen und passiven Treibgasgewinnung soll der Gesamtwiderstand bereits um 20 % geringer geworden sein.Despite this simple and passive production of propellant gas, the total resistance should have already decreased by 20%.

Bei den derzeit üblichen Fahrzeugantrieben muß dieser so ausgelegt sein, daß dieser zum Starten, Steigen und Überholen eine rel. wenig gebrauchte Spitzenleistung abgeben kann, tJährend im größten Teil der Motor gedrosselt benutzt wird, wie im Stadtverkehr oder im Reiseflug. Deswegen müssen die Antriebsmotore stark überdimensioniert sein, woraus sich ein großes Motorgewicht ergibt, das wiederum schwerere Fahrzeuge bedingt. Schwerere Fahrzeuge haben infolgedessen einen grösseren Treibstoffverbrauch und damit eine größere Umweltbelastungg und sei es "nur" die abgegebene Wärme, die bei den heute üblichen Motoren zu rund 75 % des Treibstoffenergieinhalts als Kühluärme und zum Auspuff hinaus gehen.In the case of the currently common vehicle drives, this must be designed in this way be that this is a rel. little used peak performance while the engine is used throttled for the most part, as in City traffic or cruising. Therefore the drive motors have to be oversized which results in a large engine weight, which in turn means heavier vehicles conditional. As a result, heavier vehicles consume more fuel and thus a greater environmental impact, even if it is "only" the heat given off that With today's engines, around 75% of the fuel energy content is used as cooling heat and go out the exhaust.

Besonders gravierend sind diese Fragen bei Flugzeugantrieben, hier sind die Folgeerscheinungen eines rel. hohen Antriebsgewichts von bestenfalls 1,5 kg/PS, ein dadurch bedingtes höheres Fluggewicht, damit höherer Treibstoffverbrauch bis hin zu größeren Flugplätzen und - nicht zu vergessen - höherem Lärm-Pegel.These questions are particularly serious with aircraft engines, here are the consequences of a rel. high drive weight of at best 1.5 kg / PS, a resulting higher flight weight and therefore higher fuel consumption up to larger airfields and - not to forget - higher noise levels.

In Fahrzeugen die Abwärme der Verbrennungsmotore so auszunutzen wie bei einem Stationären Betrieb im Verbundbetrieb, verbietet sich durch die nötigen Zusatzmaseen. Ein Schritt in diese Richtung sind die Abgasturbolader, wobei zwar eine Leistungssteigerung der Motore, aber kaum eine Gewichtseinsparung erzielt wird.To use the waste heat of the combustion engines in vehicles like In the case of stationary operation in interconnected operation, it is prohibited by the necessary Additional meadows. The exhaust gas turbochargers are a step in this direction, although an increase in engine performance, but hardly any weight savings.

Die Grenzschichtbeeinflussungsverfahren an Fahrzeugen dagegen krankten bisher daran, daß die Bereitstellung der zu einer größeren effektiven Wirkung notwendigen Treibgasmengen rel.The boundary layer influencing processes on vehicles, on the other hand, became ill so far from the fact that the provision of the necessary to a greater effective effect Propellant gas quantities rel.

große und schwere Zusatzaggregate erforderten, also den Nutzeffekt wieder infrage stellten.large and heavy additional units required, so the efficiency questioned again.

Andererseits haben sich die bisherigen Treibgas-Starthilfen, wie vorgehend ausgeführt, nicht bewährt, vor allem, weil die gespeicherte Druckenergie p . v zu gering war, was auf die damalige Unvollkommenheit der L)ruckspeicher in 8ezug auf Druckfestigkeit, bzw. damals nicht bekannter Verfahren wie der drucklosen Tiefkalt-Flüssiggasspeicherung zurückführbar ist.On the other hand, the previous propellant gas starting aids, as before executed, not proven, mainly because the stored pressure energy p. v to was low, which was due to the imperfection of the L) back memories at the time Pressure resistance, or processes not known at the time, such as pressureless cryogenic liquefied gas storage is traceable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrzeugantrieb zu schaffen, der mit der Berücksichtigung der Fahr- bzw. Flugeigenschaften Treibstoff spart und deren Leistungen verbessert.The invention is based on the object of a vehicle drive create that with the consideration of the driving and flight characteristics fuel saves and improves their performance.

Besonderer Wert wird dabei darauf gelegt, daß neben einer mittleren Dauerleistung rel. kurzzeitige Spitzenleistungen zur Verfügung stehen, so zum ctarten, Steigen oder Überholen.Particular emphasis is placed on the fact that in addition to a medium Continuous output rel. short-term peak performances are available, so to start, Climbing or overtaking.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abwärme des sog. Grundlastmotors zum Aufheizen von Treibgas dient, das in einer Grenzschichtausblasung zur Verringerung des Fahrzeugwiderstandes und gegebenenfalls der Erhöhung des Auftriebs benutzt wird.According to the invention, this object is achieved in that the waste heat The so-called base load engine is used to heat propellant gas, which is blown in a boundary layer to reduce the vehicle resistance and, if necessary, to increase the lift is used.

Als Treibgaserzeuger kann das Kühlgebläse des Verbrennungsmotors dienen; aber auch Verdichter aller Art bis zu Freikolbenverdichtern und muskelkraftbetätigten Gebläsen sind brauchbar.The cooling fan of the internal combustion engine can serve as a propellant gas generator; but also compressors of all kinds up to free-piston compressors and muscle-powered ones Fans are useful.

Mit zusätzlichen Treibgasspeichern, insbesondere von Oruckluft oder Kohlensäure, läßt sich die Wirkung der Ausblasvorrichtungen vervielfachen. Extrem leichte Treibgasspeicher sind als Hochdruckspeicher, die mit hochfesten Fasern, wie Kevlar oder KFK verstärkt sind,möglich. Auch sehr leicht sind quasi drucklose Tiefkalt-Flüssiggasspeicher.With additional propellant gas stores, especially of compressed air or Carbonic acid, the effect of the blow-out devices can be multiplied. Extreme light propellant gas storage tanks are used as high-pressure storage tanks made with high-strength fibers, such as Kevlar or KFK are reinforced, possible. Quasi pressureless are also very light Cryogenic liquefied gas storage.

Bei der Speicher-Anordnung ist auch die Nachschaltung eines Uruckgas-Expansionsmotors möglich, mit dem die Antriebsräder oder Luftschrauben zusätzlich angetrieben werden können.The storage arrangement also includes a downstream gas expansion motor possible, with which the drive wheels or propellers are additionally driven can.

Weiter kann ein am Grundlast-Verbrennungsmotor ankoppelbarer Klein-Hochdruckerzeuger zum Nachladen der Treibluftspeicher dienen, die ansonsten an entsprechenden"Tankstellen" aufzuladen sind.A small high-pressure generator that can be coupled to the base-load internal combustion engine can also be used serve to reload the propellant air reservoir, which is otherwise at corresponding "filling stations" are to be charged.

Mit der beanspruchten Anordnung wird ein erheblicher Teil der bisher ungenutzten thermischen Verluste des Verbrennungsnotors zur Yiderstandsverringerung des Fahrzeugwiderstands umfunktioniert werden, wodurch erheblich an Treibstoff gespart und außerdem bei einem Flugzeug die Flugeigenschaften wie Auftrieb, Geschwindigkeit wie auch die Flugstabilität, so zB. die Sicherheit gegen Strömungsabriß erhöht werden, Die Leistungserhöhung wird hier nicht durch Einleiten zusätzlicher Kräfte erreicht, sondern durch die Verringerung des Widerstandes, der letztlich die nötige Antriebsleistung bestimmt.With the claimed arrangement, a significant part of the hitherto unused thermal losses of the combustion engine to reduce resistance the vehicle resistance can be converted, which saves a lot of fuel and also the flight characteristics of an airplane such as lift, speed as well as flight stability, for example. the safety against stall can be increased, The increase in performance is not achieved here by introducing additional forces, but by reducing the resistance, which ultimately provides the necessary drive power certainly.

Effektiv wirkt sich eine Grenzschichtbeeinflussung durch Absaugen oder Ausblasen wie eine Vergrößerung der Flügelstreckung; aus; siehe Fig.4. Die Auswirkungen des beanspruchten Systems auf die Energiebilanz eines Flugzeugs sind im Sankey-Diagramm Fig. 3 dargestellt.A boundary layer influencing by suction works effectively or blowing out such as an increase in wing extension; the end; see Fig. 4. the Effects of the claimed system on the energy balance of an aircraft shown in the Sankey diagram in FIG. 3.

Hypothetisches Beispiel eines UL-Flugzeugantriebs: Bei 5 PS Leistung des Verbrennungsmotors, derhmit Gewicht und Treibstoffverbrauch des Flugzeugs bestimmt, erhält man durch die Grenzschichtabblasung eine ühlicherweise 10 PS entsprechende Reiseflugleistung, die durch die Speicherzuschaltung auf vergleichbare 20 PS Startleistung gebracht werden kann.Hypothetical example of a UL aircraft drive: At 5 HP the internal combustion engine, which is determined by the weight and fuel consumption of the aircraft, the boundary layer blow-off usually produces an equivalent of 10 PS Cruising performance, which by switching on the memory to a comparable 20 HP take-off performance can be brought.

Es zeigen:Fig. 1 das Schema eines beanspruchten Antriebsystems Fig. 2 ein Sankey-Diagramm eines üblichen Antriebs Fig. 3 das Sankey-Oiagramm, schematisch, eines beanspruchten Antriebssystems und Fig.4 das Polardiagramm eines Tragflügels mit Grenzschichtbeeinflussung und deren Auswirkung auf Widerstand und Auftrieb.They show: Fig. 1 the scheme of a claimed drive system Fig. 2 shows a Sankey diagram of a conventional drive; FIG. 3 shows the Sankey diagram, schematically, of a claimed propulsion system and FIG. 4 the polar diagram of a wing with boundary layer influence and their effect on drag and buoyancy.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt, das aber vielfältig variiert werden kann' Als Grundlastantrieb ist ein Verbrennungsmotor (1) vorgesehen, an dem als Treiblufterzeuger ein Gebläse (2) angeflanscht ist das als Saugzugkhlgebläse für die Zylinder arbeitet. Die abgesaugte angewärmte Luft wird vom Gebläse (2) durch die Treibgasleitung (3)durch den Wärmetauscher (4) gedrückt, dort weiter aufgeheizt, dh. die Luft erhält nach der Formel p v = m R ein höheres thermisches Energieniveau und ein größeres Volumen und fließt dann den Grenzschichtausblasdüsen(5) zu.An embodiment of the invention is shown in Fig. 1, the but it can be varied in many ways' The base load drive is an internal combustion engine (1) is provided, to which a fan (2) is flanged as a propellant air generator works as an induced draft fan for the cylinders. The sucked off heated air is pressed by the blower (2) through the propellant gas line (3) through the heat exchanger (4), further heated there, ie. the air receives a higher value according to the formula p v = m R thermal energy level and a larger volume and then flows through the boundary layer blow-off nozzles (5) to.

Zur Leistungssteigerung der letzteren (5) kann vom Treibgasspeicher (6) in die Treibgasleitung(3) Zusatz-Druckgas eingspeist werden, das ebenfalls vorgewärmt, mit in die Ausblasdüsen(5) einfließt. Das hohe Druckniveau eines Uruckgasspeichers (6)kann auch um Antreiben eines Expansionsmotors(7) für einen zusätzlichenRad- oder Propellerantrieb dienen.To increase the performance of the latter (5), the propellant gas storage (6) additional compressed gas is fed into the propellant gas line (3), which is also preheated, flows into the blow-off nozzles (5). The high pressure level of a pressure gas reservoir (6) can also be used to drive an expansion motor (7) for an additional wheel or Serve propeller drive.

Durch die hohe Effektivität einer für diesen Zweck besonders geeigneten Grenzschicht-Ausblasanordnung nach DBP 3210498, dh. einer laminarisiert-alternierend-pulsierenden, kann auch mittels eines muskelkraft-betätigten Gebläses nebst Druckspeicher das Problem des Muskelkraftflugs besser gelöst werden.Due to the high effectiveness of a particularly suitable for this purpose Boundary layer blowout arrangement according to DBP 3210498, ie. a laminarized-alternating-pulsating, can also be done by means of a muscle-powered fan and pressure accumulator Problem of muscle power flight can be better solved.

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Claims (9)

ERHÖHUNG DES KOMPLEXLJIRKUNGSGRAOES VON FAHRZEUGEN patentansprUche Verfahren zur Erhöhung des Komplexwirkungsgrades von mit Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme des Motors zum Aufheizen von Treioluft bzw. Treibgas dient die zur Verringerung des Fahrzeugwiderstandes und gegebenenfalls zur Erhöhung des AuFtriebs Verwendung findet.INCREASING THE COMPLEXITY OF VEHICLES patent claims Process for increasing the complex efficiency of internal combustion engines Vehicles, characterized in that the waste heat from the engine is used to heat up Treioluft or propellant gas is used to reduce vehicle resistance and possibly used to increase the lift. 2. Vorrichtung zum Fahrzeugantrieb gemaß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibgaserzeuger das Kühlgebläse des Uerbrennungsn ors dient, wobei das Gebläse mit einem Wärmetauscher verbunden wurde, der um den Auspufflangeordnet ist, und daß die Treibgasleitungen in Grenzschichtdüsen münden. 2. Device for vehicle propulsion according to claim 1, characterized in that that the cooling fan of the combustion engine serves as a propellant gas generator Fan has been connected to a heat exchanger placed around the exhaust pipe, and that the propellant gas lines open into boundary layer nozzles. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibgaserzeuger ein Freikolbenkompressor dient. 3. Apparatus according to claim 2, characterized in that as Propellant gas generator a free piston compressor is used. 4. Vorrichtung gemaß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daP ein muskelkraftbetätigtes Gebläse der Treibgaserzeuger ist. 4. Apparatus according to claim 2, characterized in that daP a The muscle-powered blower is the propellant gas generator. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Treibgasspeicher vorgesehen ist. 5. Device according to claims 1 and 2, characterized in that that a propellant gas reservoir is also provided. 6. Treibgasspeicher gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Tiefkalt-Flüssiggasspeicher konzipiert ist. 6. propellant gas storage device according to claim 5, characterized in that this is designed as a cryogenic liquefied gas storage facility. 7. Treibgasspeicher gemaß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im oder am Fahrzeug vorhandene Hohlräume, wie Rohrholme, als Druckspeicher ausgelegt werden, die durch hochfeste Faserwerkstoffe aus Kevlar oder KFK verstärkt sind. 7. propellant gas storage according to claim 5, characterized in that in or on the vehicle existing cavities, such as tubular spars, designed as pressure accumulators that are reinforced by high-strength fiber materials made of Kevlar or KFK. a. Vorrichtung gemäa den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Treibgasspeicher und Wärmetauscher ein Expansionsmotor angeordnet ist, der gegebenenfalls Antriebsräder oder Luftschrauben zusätzlich antreiben kann. a. Device according to claims 2 and 5, characterized in that that an expansion motor is arranged between the propellant gas reservoir and the heat exchanger, which can also drive drive wheels or propellers if necessary. 9. Vorrichtung yemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbrennungsmotor ein Klein-Hochdruckerzeuger zum Aufladen eines Treibluftspeichers ankoppelbar ist. 9. The device yemäß claim 5, characterized in that the Combustion engine a small high-pressure generator for charging a propellant air reservoir can be coupled.
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