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Einrichtung zum Steuern der einen Zwischenkühler für vorverdichtete
Luft zur Ladung einer Brennkraftmaschine durchströmenden Kühlluftmenge durch Klappen
o. dgl. Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Steuern der einen Zwischenkühler
für vorverdichtete Luft zur Ladung einer Brennkraftmaschine .durchströmenden Kühlluftmenge
durch Klappen.
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bei gewissen Luftverhältnissen bewirkt die zu starke Kühlung der vorverdichteten
Ladung, welche' ganz. oder zum großen Teil aus Luft von hohem Feuchtigkeitsgehalt
besteht, die Bildung von Eis oder Reif im Innern des Kühlers. Die Folge davon ist,
daß der der Ladung im Innern des Kühlers gebotene Durchtrittsquerschn@tt verringert
wird und ein hoher Druckverlust zwischen dem Verdichter und der Brennkraftimaschine
auftritt, so daß die Leistung der letzteren abnimmt. Der Zweck der vorliegenden
Erfindung besteht darin, den genannten Nachteil zu vermeiden. . Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß eine auf den Druckunterschied vor und hinter dem Kühler ansprechende
Steuervorrichtung, vorgesehen ist, welche die Reglungsmittel für die Menge der durch
den Kühler strömenden Kühlluft beeinflußt. Hierbei arbeitet die in Abhängigkeit
von dem genannten Druckunterschied wirkende Steuervorrichtung in der Weise, daß
sie die Menge der durch den Kühler strömenden Kühlluft verringert, wenn der Druckunterschied
vor und hinter dem Kühler infolge des Auftretens einer Vereisung zunimmt. Im umgekehrten
Fall wird die Kühlluftmenge vergrößert.
Der Erfindungsgegenstand
kommt vorzugsweise, wenn auch nicht ausschließlich, bei Brennkraftmaschinen in Frage,
die zum Antrieb eines Luftfahrzeuges dienen.
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Die Fig. i bis 3 der Zeichnungen veranschaulichen drei Ausführungsbeispiele
Erfindung, wobei die Fig. i und z schaubildlich die gesamte": Brennkraftmaschine
andeuten und die Steuervorrichtung gemäß der Erfindung teils im Schnitt, teils in
Ansicht darstellen, während Fig.3 nur eine Ausführungsform der Steuervorrichtung
gemäß der Erfindung zeigt. Was zuerst die Brennkraftmaschine anbelangt, bei der
der Erfindungsgegenstand angewendet wird, so kann diese an sich in beliebiger Weise
ausgebildet sein. Es ist nur dafür zu sorgen, daß die Menge der Kühlluft, welche
durch den Kühler, der zwischen dem Vorverdichter und der Brennkraftmaschine angeordnet
ist, hindurchströmt, regelbar ist.
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In der Zeichnung ist die Brennkraftmaschine mit i bezeichnet. Diese
Brennkraftmaschine gehört beispielsweise zu derjenigen Bauart, bei welcher die Zylinder
1/-förmig angeordnet sind. Zur Ladung der Brennkraftmaschine dient ein Vorverdichterz,
der beispielsweise aus einem Fliehkraftverdichter besteht und von der Welle der
Brennkraftmaschine i angetrieben wird. Die von dem Vorverdichter gelieferte Luft
wird in einem Kühler 3 gekühlt, der von einer Umkleidung 4. umgeben ist. Die Verkleidung
4 weist Reglungsmittel auf, mit deren Hilfe die Eintritts- oder die Austrittsöffnungen
oder besser noch die Ein- und Austrittsöffnungen der Kühlluft gleichzeitig regelbar
sind. Zu der genannten Reglung dienen beispielsweise Klappen 5, 6, mit deren Hilfe
die durch den Kühler strömende Kühlluftmenge veränderlich ist. Zur Reglung,der Ein-
und Austrittsöffnungen für die Kühlluft ist erfindungsgemäß eine selbsttätige Steuervorrichtung
vorgesehen, die auf den Druckunterschied vor und hinter dem Kühler 3 anspricht und
die Klappen 5 und 6 bewegt. Wenn die Differenz der Drücke vor und hinter dem Kühler
3 infolge von Eisbildungen im Kühler zunimmt, werden die Klappen 5 und 6 derart
verstellt, daß der Durchtritt von Kühlluft verringert wird. Im umgekehrten Fall
wird der Kühlluftdurchtritt vergrößert.
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Jedesmal also, wenn die Eisbildung in dem Kühler 3 beginnt, wird die
Kühlfähigkeit desselben wegen der teilweisen Schließung der Klappen 5 und 6 verringert.
Infolgedessen bewirkt die durch das Innere der vereisten Leitungen des Kühlers strömende
vorverdichtete warme Luft o. dgl. das Aufschmelzen des Eises, das der Grund für
die Verringerung des Durchtrittsquerschnittes der genannten Leitungen gewesen ist.
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Die Steuervorrichtung zur Bewegung der Klappen 5 und 6 muß verschieden
ausgebildet 'werden, je nachdem ob die Brennkraft-'=schine i mit unveränderlicher
oder mit veränderlicher Drehzahl laufen soll. In dem "erstgenannten Fall kann allein
die Vereisung des Kühlers 3 Änderungen in dem Unterschied zwischen den Drücken p1
und p2 hervorrufen, die in der von dem Vorverdichter zu der Brennkraftmaschine führenden
Leitung und vor und hinter dem Kühler herrschen. In dem zweitgenannten Fall
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doch hängt die genannte Druckdifferenz, welche im nachstehenden mit p
bezeichnet wird, gleichzeitig auch noch von der Gangart der Brennkraftmaschine ah
und ist daher auch in Abhängigkeit von dieser Gangart unabhängig von der etwaigen
Vereisung des Kühlers 3 veränderlich.
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In dem erstgenannten Fall kann die selbsttätige Steuervorrichtung,
welche die Klappen 5, 6 bewegt, derart ausgebildet sein, daß sie lediglich unter
der Wirkung der Differenz p = p1 - p2 steht. Dabei ist die Steuervorrichtung
derart durchgebildet, daß die Menge der Kühlluft, die durch den Kühler 3 strömt,
verringert wird, wenn der Wert p zunimmt.
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In dem zweitgenannten Fall muß dagegen dafür gesorgt werden, daß die
Störwirkung ausgeschaltet wird, welche diejenigen Veränderungen von p, die auf Änderungen
der Gangart der Brennkraftmaschine beruhen, in der selbsttätigen Steuervorrichtung
für die Kühlluftmenge des Kühlers 3 hervorrufen würden, wenn die Steuervorrichtung
lediglich der Einwirkung der Größe p ausgesetzt wäre. Um dieses Ziel zu erreichen,
wird auf die selbsttätige Steuervorrichtung ein Quotient p, zur Wirkung gebracht,
in welchem p den Druckunterschied bezeichnet, der in der Leitung der Ladeluft oder
des Ladegemisches vor und hinter dem Kühler 3 herrscht, während p' gleich dem Unterschied
zwischen zwei Drücken p3 und p4 ist, die in der gleichen Leitung an zwei solchen
Stellen herrschen, an denen keine Vereisungsgefahr besteht, und zwischen denen ein
natürlicher oder künstlich hervorgerufener Druckabfall vorhanden ist.
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Wenn die Luftmenge, die durch die Leitung zwischen dem Vorverdichter
und der Brennkraftmaschine hindurchströmt, mit Q bezeichnet wird, so gelten für
p und p' die folgenden Gleichungen: p A . Q2@ p' - B#Q2.
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In diesen Gleichungen stellen A und B Parameter dar, welche den Durchtrittsquerschnitt
in
den betrachteten Leitungsabschnitten kennzeichnen. Aus den beiden Gleichungen ist
ersichtlich, daß das Verhältnis
unabhängig von der Luftmenge 0 und somit ebenfalls unabhängig von der Gangart der
Brennkraftmaschine i ist. Da ferner nur derjenige Teil der Leitung, in dem der Druckabfall
p herrscht, vereisen kann, bringt die Eisbildung in dein Kühler 3 eine Veränderung
von A mit sich, während der Wert B
unverändert bleibt. Infolgedessen
können Veränderungen des Quotienten als ein eindeutiges Anzeichen für die Entwicklung
der Vereisung in dem Kühler angesehen werden, während die Veränderungen dieses Quotienten
keineswegs auf irgendwelchen Änderungen der Gangart des Motors i beruhen können.
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An sich könnte man die Differenz p oder den Quotienten p, unmittelbar
auf die selbsttätige Steuervorrichtung der Klappen 5 oder 6 einwirken lassen. Es
ist jedoch zweckmäßig, die genannten Drücke zur Steuerung einer Hilfskraft zu benutzen,
die beispielsweise durch den Öldruck der Brennkraftmaschine i geliefert wird. Dieser
Oldruck wirkt auf den beweglichen Teil einer Hilfsmaschine, deren Steuerglied unter
dem Einfluß des jeweils gewählten Steuerdruckes steht.
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Was nun die selbsttätige Steuervorrichtung selbst anbelangt, so kann
diese unter Berücksichtigung der vorstehenden Darlegungen auf zahlreiche Weise ausgebildet
werden. Im nachstehenden sind einige Ausführungsbeispiele für diese Steuervorrichtung
näher beschrieben.
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Die in Fig. i dargestellte Steuervorrichtung ist in dem Falle anwendbar,
in dem die Gangart der Brennkraftmaschine i im wesentlichen unveränderlich ist.
In diesem Fall besteht 'der bewegliche Teil der zu der Steuervorrichtung gehörenden
Hilfsmaschine aus einem Kolben 8, der in einem Zylinder 7 verstellbar ist. Der Kolben
8 ist mit den Klappen 5 und 6 durch ein geeignetes Getriebe verbunden. Diese Verbindung
wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i dadurch geschaffen, daß die Stange
i des Kolbens 8 an einer der Ecken eines Gelenkparallelogramms io angreift. Die
der genannten Ecke gegenüberliegende Ecke dieses Parallelogramms ist in einer festen
Achse i i angelenkt, während die beiden restlichen Ecken mit Stangen i2 und
13 zusammenwirken, die die Klappen 5 und 6 bewegen.
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Der Druck des Öls der Brennkraftmaschine wird unter dem Einfluß der
Steuervorrichtung der Hilfsmaschine entweder abwechselnd der einen oder der anderen
Seite des Kolbens 8 zugeführt, oder er wirkt nur mit einer der beiden Kolbenseiten
zusammen, während die andere Kolbenseite unter der Wirkung einer Rückführfeder 14
steht. Die Steuerung der Hilfsmaschine weist einen Zylinder 15 und einen
Kolben 16 auf, welcher vorzugsweise unter der Wirkung zweier Federn 17 steht. Auf
die beiden Seiten des Kolbens 16 wirken die Drücke p1 und p2 ein. Von diesen Drücken
ist der erstere, der durch eine Leitung 18 zugeführt wird, beispielsweise der in
der Leitung i9 herrschende Druck, welcher den Verdichter 2 mit dem Kühler g verbindet,
während der an zweiter Stelle genannte, durch eine Leitung 2o zugeführte Druck derjenige
Druck ist, der in der Einiaßleitung 21 der Brennkraftmaschine herrscht.
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Der Kolben 16 bewegt ein Steuerglied, beispielsweise einen Steuerschieber
22. Dieses Steuerglied ist derart ausgebildet, daß es bei einer Zunahme des Druckunterschiedes
p#,-p. die Druckwirkung des Drucköls von dem Kolben 8 absperrt. Hierbei ist vorausgesetzt,
daß die Absperrung der Druckwirkung die Schließung der Klappen 5 und 6 bewirkt,
wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Das als Steuerschieber ausgebildete Steuerglied
22 wird von der Kolbenstange des Kolbens 16 getragen. Bei denjenigen Stellungen
.des Kolbens 16, die dem Nichtvorhandensein einer Vereisung entsprechen, ist die
Speiseleitung 23 des Zylinders 7 mit einer Leitung 24 in Verbindung, welche das
Drucköl heranführt. Bei den anderen Stellungen des Kolbens 16, die also einer Vereisung
entsprechen, steht die Leitung 23 mit einer Auslaßleitung 25 in Verbindung, welche
zu dem Gehäuse der Brennkraftmaschine i führt.
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Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Steuereinrichtung,
die für eine Brennkraftmaschine mit Vorverdichtung und unveränderlicher Drehzahl
in Frage kommt, dürfte aus den obigen Ausführungen mit genügender Klarheit hervorgehen,
so daß ein besonderes Eingehen hierauf unnötig ist.
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Die in Fig.2 dargestellte zweite Ausführungsform der Erfindung kommt
für eine Brennkraftmaschine in Frage, die mit verschiedenen Gangarten laufen kann.
Bei dieser Ausführungsform wirkt der Quotient
auf die Steuerung der Hilfsmaschine ein, wobei vorausgesetzt ist, daß die Bauart
derselben, welche die Klappen 5 und 6 beeinflußt, der vorstehend beschriebenen Bauart
entspricht.
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Gemäß Fig. 2 wird der Steuerschieber 22 durch einen Hebel
26 verstellt, der um eine feste Achse 27 drehbar ist. An dem Hebel greifen
beiderseits seiner festen Achse 27 die
Stangen 28 und 28' zweier
Kolben a9 und 29' gelenkig an, welche in Zylindern 30 und 30'
arbeiten.
Auf die beiden Seiten des Kolbens z9 wirken die Drücke p1 und p2 ein, von denen
oben die Rede gewesen ist. Auf die beiden Seiten des Kolbens 29' wirken die Drücke
p3 und p4 ein, von denen ersterer durch eine Leitung 3 r und letzterer durch eine
Leitung 32 zugeführt werden. Die beiden Drücke p3 und p4 sind Stellen entnommen,
die beispielsweise vor dem Kühler 3 zu beiden Seiten einer Meßöffnung 33 liegen.
Das Ganze ist derart ausgebildet, daß eine Vergrößerung des Druckunterschiedes p1
- p2 beim Gleichbleiben aller übrigen Verhältnisse eine Verstellung des Schiebers
22 in demjenigen Sinne hervorruft, welcher eine Verringerung der Kühlluftmenge zur
Folge hat.
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Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Einrichtung ist die
folgende. Es sei zuerst angenommen, daß die Gangart der Brennkraftmaschine unverändert
bleibt. Wenn dann eine Vereisung des Kühlers 3 auftritt, so hat dieser eine Vergrößerung
von p zur Folge. Die weitere Folge ist die, daß sich die Kräfte der Kolben z9 und
29' nicht mehr die Waage halten. Der Kolben 29 steigt an, und der Schieber 22 wird
in einem solchen Sinne verschoben, daß der bewegliche Teil der Hilfsmaschine das
Schließen der Klappen 5 und 6 bewirkt. Wenn die Gangart der Brennkraftmaschine r
verändert wird, so hat dies verhältnisgleiche Änderungen der Größen p und p' zur
Folge, so daß das Gleichgewicht des Hebels a6 nicht beeinflußt wird. Die beschriebene
selbsttätige Einrichtung spricht also wohl auf eine Vereisung an; ist aber gegenüber
Veränderungen der Gangart der Brennkraftmaschine z unempfindlich.
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Bei einer weiteren, einfacheren Ausführungsform der Erfindung werden
nur die an drei Stellen herrschenden Drücke zur Steuerung benutzt, wobei naturgemäß
diese drei Stellen der den Verdichter mit der Brennkraftmaschine verbindenden Leitung
derart gewählt werden müssen, däß die an diesen Stellen herrschenden Drücke untereinander
um Beträge verschieden sind, die den Größen p und p' entsprechen. Die Größe p stellt
in diesem,Fall den Unterschied derDrücke pl-p2, d. h. der beiden ersten Drücke,
dar, und p' ist gleich der Differenz p2 - p3 des mittleren Drucks und des letzten
Drucks. Die Stellen, an denen die genannten Drücke der Leitung der dem Motor zuströmenden
Ladung entnommen werden, müssen also derart gewählt werden, daß die eine der beiden
Größen p oder p', z. B. p', den Druckverlust in einem Teil des Kühlers darstellt,
welcher der Vereisung ausgesetzt _ist, während die andere Größe p den Druckverlust
in einem solchen Teil der Leitung der Brennkraftmaschinenladung darstellt, in dem
keine Vereisung stattfindet, so daß lediglich die Vereisung Veränderungen des Quotienten
hervorrufen kann. Die zuletzt genannte
Ausführungsform der Erfindung hat unter anderem den Vorteil der leichteren Bildung
des Quotienten , da letzterer nur noch auf drei Drücken
beruht.
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Zur Bildung der in Rede stehenden Drücke kann die Ausführungsform
nach Fig. 3 Anwendung finden. Bei dieser Ausführungsform ist ein nach außen dicht
abgeschlossener Behälter 34 vorgesehen, in welchem der mittlere Druck p2 herrscht.
In diesem Behälter sind zwei Kapseln 35 und 36 angeordnet, in deren Innerem die
Drücke p1 und p3 herrschen. Die Kapseln, welche durch die auf sie wirkenden Drücke
veränderbar sind, sind untereinander durch einen Hebel 37 verbunden, der in seiner
Mitte um eine Achse 38 schwenkbar ist. Die Schwingbewegungen des Hebels entsprechen
den auf einer Vereisung beruhenden Veränderungen des Wertes
. Denn die Kräfte, welche auf jedes der beiden Hebelenden wirken, entsprechen den
Druckunterschieden p1 - p2 und p2 - p3, von denen oben die Rede gewesen ist.
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Selbstverständlich bestehen zahlreiche Möglichkeiten für die.Ausführung
der in Rede stehenden Steuervorrichtungen. Diese Ausführungsformen können sich vor
allem durch die Wahl der Stellen, an denen die Drücke p1, p= und p" entnommen werden,
sowie durch die Anordnung derjenigen Glieder unterscheiden, welche unter der Wirkung
der Schwingungen des Hebels 37 die Menge der Kfihlluft.abändern.
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Eine abgeänderte Ausführungsform der genannten .Art ist beispielshalber
in Fig. 3 veranschaulicht, gemäß der angenommen ist, daß der Kühler 3 ein Kühler
mit Wärmeaustauschrippen ist. Der Kühler 3 besitzt also vor allem zwei nebeneinanderliegende
Räume 39 und 4.a, von denen der eine von der zu kühlenden Ladung, beispielsweise
Luft, die von dem Verdichter z herkommt, durchströmt v@ird, während der andere Raum
von der Kühlluft durchströmt wird, deren Menge beispielsweise durch eine Klappe
5 regelbar ist. Die beiden Räumen benachbarte Wand dient als Träger für die Wärmeaustauschrippen
41, die beispielsweise zwei Gruppen bilden und in die beiden Räume hinein vorspringen.
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Bei der in Rede stehenden Ausführungsform.-werden die Drücke p, und
p3 vor und
hinter dem Kühler 3 entnommen,- während der Druck p,
an einer solchen Stelle des Kühlers 'entnommen wird, an der in der Leitung der Brennkraftmaschinenladung
keine Eisbildung mehr auftritt. Beispielsweise wird der Druck p2 an einer Stelle
entnommen, die zwischen den beiden Gruppen der Wärmeaustauschrippen.4i gelegen ist.
Die Drehachse 38 des Hobels 37 ist über eine Stange 42 und Hebel 43 und 4.3'
an die Klappe 5 angeschlossen.
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Wie auch immer die jeweils gewählte Ausführungsform der Erfindung
im einzelnen beschaffen sei, die Anwendung der Erfindung hat immer unter anderem
den großen Vorteil, daß dadurch ein Absinken des Wirkungsgrades, das auf einer Vereisung
der Innenwandung des Kühlers der vorverdichteten Ladung der Brennkraftmaschine beruht,
mit Sicherheit vermieden wird.
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Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß im vorstehenden nur Ausführungsbeispiele
beschrieben sind, auf welche die Erfindung weder hinsichtlich ihrer Anwendungsarten
noch hinsichtlich ihrer Ausführungsformen beschränkt ist. Es sind vielmehr zahlreiche
Abänderungen möglich, ohne daß dadurch der Bereich der Erfindung verlassen wird.
So kann die selbsttätige Steuervorrichtung, welche unter der Wirkung des Druckunterscliiedes
p.,-pi steht, auch andersgeartete Reglungsmittel für die Menge der Kühlluft als
die oben beschriebenen Reglungsmittel beeinflussen. So kann beispielsweise eine
parallel zu dem Kühler liegende Nebenleitung vorgesehen sein, durch welche wenigstens
ein Teil der Kühlluft veranlaßt werden kann, den Kühler zu' umgehen. Auch kann eine
Einrichtung vorgesehen sein, durch die die Art der Strömung der Kühlluft und somit
die Wirksamkeit des Kühlers verändert werden können.