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Einrichtung zur verbesserten Ausnutzung der Energie der Abgase an
Brennkraftmaschinen zum Vortrieb von Luftfahrzeugen Zur Ausnutzung der Energie der
Abgase von Brennkraftmaschinen zum Vortrieb von Luftfahrzeugen durch Rückstoß sind
zwei Arten von Einrichtungen bekannt: der Sammelauspuff und der Einzelfreiauspuff.
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Beim Sammelauspuff münden die Abgasstutzen der einzelnen Brennkraftmaschinenzylinder
in einem Sammelraum, aus dem die Abgase bei annähernd konstantem Innendruck nach
außen expandieren; es tritt dabei eine von dem Druckverlauf während der Ausströmperiode
des betreffenden, dem Sammelraum angeschlossenen Zylinders unabhängige, praktisch
gleichmäßige Kraftwirkung (Rückstoß) ein.
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Derartige Rückstoßeinrichtungen haben den Nachteil, daß die Brennkraftmaschine
ihre Abgase dauernd gegen den sich im Sammelraum ausbildenden konstanten Gegendruck
ausstoßen muß. Bei Viertaktmaschinen erhöht sich die beim Ausstoßen der verbrannten
Ladung aus dem-Zylinder an den Kolben abzugebende Leistung; bei Zweitaktmaschinen
muß der Ladedruck entsprechend dem Gegendruck im Sammelraum und damit die Leistungsabgabe
an den Lader
vergrößert «-erden. Ein weiterer Nachteil dieser Einrichtungen
liegt in den unvermeidlichen Wirbelverlusten, die dadurch entstehen, daß beim Auspuffen
eines Zylinders in den Sammelraum die benachbarten Stutzen vorübergehend rückwärts
mit aufgefüllt werden.
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Der Freieinzelauspuff ist bei Maschinen bekannt, in welchen die gesamte
in den Brenngasen enthaltene Energie in Rückstoß umgewandelt, ewandelt, d. h. keine
Leistung anderweitig, beispielsweise an einen Propeller, abgegeben werden soll.
Die Brenngase der Brennkraftmaschine treten direkt aus jedem Zylinder über entgegen
der Flugrichtung gerichtete Düsen ins Freie aus. Ein mit einem derartigen Triebwerk
ausgerüstetes Fahrzeug wird durch eine Reihe durch die Anzahl der Zylinder oder
BrennkamTnern bedingter und zeitlich aufeinanderfol#-ender Stöße vorwärts getrieben.
Es tritt daher in diesem Falle eine von dem Druckverlauf während der Ausströmperiode
des betreffenden Zylinders abhängige stoßweise Kraftwirkung (Rückstoß) ein.
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Eine solche Anlage hat zwar den Vorteil, daß ihr Aufbau wesentlich
einfacher ist als eine nach dem ersten Verfahren arbeitende Rückstoßanlage, ihr
haftet aber der Nachteil an, daß der dynamische Wirkungsgrad mit zunehmendem Innendruck
im Zylinder schlechter wird. Während nämlich bei einem gegebenen konstanten Innendruck
und Außendruck beim kontinuierlichen Ausströmen von Gasen ein bestimmter, diesem
Druckgefälle entsprechender Wirkungsgrad erreicht wird, tritt beim stoßweisen Ausströmen
der Gase lediglich bei einem bestimmten Zustand ein Bestwert des Wirkungsgrades
auf, wogegen vor und nach diesem Zustand der Wirkungsgrad stark absinkt. Dazu kommt
erschwerend hinzu, daß sich eine Düse, insbesondere eine Laval-Düse, wohl für einen
bestimmten Innen- und Außenzustand richtig bauen läßt, daß jedoch gerade bei diesen
Düsen bei Änderung der Druckverhältnisse rasch eine Verschlechterung des gesamten
Wirkungsgrades eintritt. Ein weiterer Nachteil dieser Art der Rückstoßgewinnung
besteht darin, daß die Auslaßventile der Kolbenbrennkraftmaschine mit sehr großer
Geschwindigkeit umströmt werden. Dadurch wird ein wesentlicher Teil der Energie
durch Wirbelung vernichtet, der um so größer wird, je größer die Umströmgeschwindigkeit
der Auslaßventile und ihrer zur Steuerung notwendigen Teile, Führungen usw. ist.
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Auf die letztgenannte Art der Rückstoßgewinnung bezieht sich die vorliegende
Erfindung; sie hat sich die Aufgabe gestellt, eine Rückstoßeinrichtung mit Einzelfreiauspuff
so zu verbessern, daß die angeführten Nachteile vermieden «-erden.
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Gemäß der Erfindung soll diese Aufgabe in einer Einrichtung zur verbesserten
Ausnutzung der Energie der Abgase von Brennkraftmaschinen zum Vortrieb von Luftfahrzeugen,
bei welchen die Abgase der einzelnen Zylinder entgegengesetzt der Bewegungsrichtung
des Fahrzeuges über je einen besonderen Kanal ins Freie austreten und dabei unter
Erzeugung von Rückstoßleistung mittels je einer Düse auf den Außendruck entspannt
werden, dadurch gelöst «-erden, daß der kleinste Düsendurchtrittsquerschnitt fn
im Verhältnis zum Abgaskanalaustrittsquerschnitt f" so bemessen ist, daß beim Übertritt
der Brenngase aus dem Zylinder in den Abgaskanal in diesem Kanal eine- solche kurzzeitige
Druckerhöhung eintritt, daß das während des Ausströmvorganges in den Abgasen zur
Verfügung stehende Arbeitsgefälle in der Weise unterteilt wird, daß während des
größten Teiles des Ausströmvorganges beim Durchströmen des Ventils der kleinere
und in der Düse der größere Gefälleanteil zur Beschleunigung der Abgasmassen verwertet
wird. Dabei ist es vorteilhaft, daß das Verhältnis fn : t:t in den Grenzen
von o,3 bis o,9 liegt. Unter Abgaskanal ist der gesamte Raum zwischen der Auslaßöffnung
des Zylinders (Auslaßventil) und der Düse zu verstehen.
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Für Flugzeuge, die mit Unterschallgeschwindigkeit fliegen und deren
Trieb«-erksmotoren mit einer Abgasrückstoßeinrichtung nach der Erfindung versehen
sind, wird vorgeschlagen, daß die Düse, in der Strömungsrichtung gesehen, eine stetige
Verjüngung aufweist und an ihrem Austrittsende den kleinsten Durchtrittsquerschnitt
besitzt, wenn der Druck pl im Abgaskanal während der Ausströmperiode solche Werte
durchläuft, daß sein zugehöriger kritischer Druck p, (bei welchem sich die kritische
Ausströmgeschwindigkeit ergeben würde) während des größten Teiles der Ausströmperiode
kleiner ist als der Außendruck p2.
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Sollte einmal die Geschwindigkeit von Luftfahrzeugen die Schallgeschwindigkeit
erreichen oder übersteigen, so wird empfohlen, daß die Düse, in der Strömungsrichtung
gesehen, zunächst eine stetige Verjüngung und unmittelbar daran anschließend eine
stetige Erweiterung aufweist, wenn der Druck pi im Abgaskanal während des Ausströmvorganges
solche Werte durchläuft, daß sein zugehöriger kritischer Druck pzk während des größten
Teiles der Ausströmperiode größer ist als der Außendruck p2.
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Bei einer Brennkraftmaschine zum Vortrieb eines Luftfahrzeuges mit
in Reihen angeordneten Arbeitszylindern und einer erfindungsmäßigen Abgasrückstoßeinrichtung
wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die an die Zylinderauslässe
angeschlossenen, in je eine nach rückwärts gerichtete Düse endenden Abgaskanäle
rohrkrümmerförmig ausgebildet sind und mindestens in dem in der Flugrichtung
oder
annähernd in dieser Richtung sich erstreckenden- Teil eine an sich bekannte flache
Querschnittsform aufweisen, wobei ihre Breitseiten in geringem Abstand nebeneinander,
ihre Düsenmündungen jedoch in verschiedenen, senkrecht zur Flugrichtung stehenden
Ebenen liegen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die rohrkrümmerförmigen Abgaskanäle
auf beiden Seiten der Symmetrieebene der Maschine angeordnet sind und daß die Austrittsrichtung
der an die Abgaskanäle angeschlossenen Düsen mit der Flugrichtung einen spitzen
Winkel bildet und daß die Ausströmöffnungen, in der Flugrichtung gesehen, hintereinanderliegen.
Zwecks Verminderung des Stirnwiderstandes der Abgasrückstoßeinrichtung wird noch
empfohlen, daß die Abgaskanäle und die Ausströmdüsen von einer windschnittigen Verkleidung
umhüllt sind, welche in der Nähe der Düsenmündungen Öffnungen zum Durchtritt der
Abgase aufweist.
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Durch die Erfindung ist eine Abgasrückstoßeinrichtung geschaffen,
die die Vorteile bekannter Bauarten in sich vereinigt, ohne jedoch deren Nachteile
zu besitzen. Die aus dem Brennkraftmaschinenzylinder austretenden Abgase umströmen
die zur Steuerung des Auslasses dienenden Glieder infolge der Druckerhöhung in dem
Abgaskanal mit geringer Geschwindigkeit, so daß die durch Wirbelung hervorgerufenen
unvermeidbaren Strömungsverluste gering sind. Durch die besondere Art der in dem
Abgaskanal hervorgerufenen kurzzeitigen Druckerhöhung wird eine gleichmäßigere Verteilung
der Ausströmgeschwindigkeit erzielt, welche eine Verbesserung des dynamischen Wirkungsgrades
mit sich bringt. Die Nutzleistung der Brennkraftmaschine wird infolge der erfindungsgemäßen
kurzzeitigen Druckerhöhung nur unwesentlich verkleinert, da diese lediglich während
eines zeitlich begrenzten Teiles der Ausströmperiode des betreffenden Zylinders
auftritt. Eine Abgasrückstoßanlage nach der Erfindung zeichnet sich daher durch
geringe Verluste aus und ermöglicht dadurch einen bisher unerreichten Gesamtwirkungsgrad.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht.
Es zeigt Abb. z einen Mittellängsschnitt durch den Zylinder eines Flugzeugmotors
mit einer Abgasrückstoßeinrichtung nach der Erfindung, Abb.2 ein Diagramm: die Motorleistung,
die Abgasrückstoßleistung und die Gesamtvortriebsleistung in Abhängigkeit von dem
Verhältnis fD : fA, Abb. 3 eine Einrichtung nach Abb. i in wesenhafter Darstellung,
Abb. 3 a den Verlauf des Abgasdruckes bei einer Einrichtung nach Abb. 3, Abb. q.
eine andere Form einer Ausströmdüse für eine Einrichtung nach Abb. i, Abb. 5 eine
Einrichtung nach Abb. i in wesenhafter Darstellung mit einer Düse nach Abb. q.,
Abb. 5 a den Verlauf des Abgasdruckes bei einer Einrichtung nach Abb. 5, Abb. 7
und 8 Stirnansicht und Grundriß einer Brennkraftmaschine in V-Form mit Einrichtungen
nach Abb. i wesenhaft dargestellt und Abb. g eine andere Ausführungsform.
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In Abb. i, die wesenhaft einen Schnitt durch den Zylinder i einer
Brennkraftmaschine zeigt, bezeichnet 2 den Zylinderkopf, 3 den Kolben und q. das
Pleuel. Der Verbrennungsraum 5 wird durch das Auslaßventil6 verschlossen, an das
sich der Abgaskanal 7, für welchen ein gleichbleibender Querschnitt f.,1
angenommen wird, anschließt. Der Abgaskanal 7 läuft in eine sich stetig verjüngende
Düse 8 aus, deren Ausströmöffnung fD entgegen der durch den Pfeil a
bezeichneten
Fahrtrichtung gerichtet ist.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist wie folgt: Nach dem Öffnen
des Auslaßventils 6 strömen die Brenngase aus dem Brennraum 5 in den Abgaskanal
7 über. Durch die an den Abgaskanal 7 sich anschließende Düse 8 wird der Austritt
der Verbrennungsgase aus dem Abgaskanal ? ins Freie gedrosselt und eine Druckerhöhung
im Abgaskanal 7 hervorgerufen. Diese Druckerhöhung bewirkt einerseits zwar eine
Erschwerung des Übertrittes der Abgase aus dem Arbeitszylinder in den Abgaskanal
? und somit eine Verkleinerung der an der Kurbelwelle der Maschine zur Verfügung
stehenden Leistung, andererseits aber gleichzeitig eine Vergrößerung der Ausströmgeschwindigkeit
der Abgase am Düsenende und somit eine Erhöhung des Rückstoßes.
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Die Größe der Austrittsgeschwindigkeit der Abgase am Düsenende und
damit auch die Größe der Rückstoßkraft ist bei einer Einrichtung gemäß Abb. i abhängig
von dem Verjüngungsverhältnis der Düse, d. h. von dem Wert des Verhältnisses
der Querschnitte fD der engsten Stelle am Düsenende und ft des Abgaskanals 7 am
Düseneintritt.
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In Abb.2 ist für eine bestimmte Fluggeschwindigkeit die Abhängigkeit
der Vortriebsleistung einer Maschine mit einer Einrichtung nach Abb. i von dem Verjüngungsverhältnis
in Diagrammform dargestellt. Dabei sind als Abszissenwerte die Werte des Verjüngungsverhältnisses
und als Ordinatenwerte die Leistung N aufgetragen. Die Kurve I der Abb. 2 gibt dabei
die an der Kurbelwelle des Motors zur Verfügung stehende Leistung Nm
an, die
Kurve II die Rückstoßleistung N, Die Kurve III stellt die Gesamtleistung N, also
die. Summe N" t @ N, dar. Aus der Abb. 2 ist
ersichtlich, daß die
Kurbel«-ellenleistung 1"", um so kleiner wird, je kleiner der Wert
ist. Dies ist, wie bereits erwähnt, auf die Drosselung der Abgasabfuhr aus dem Zylinder
zurückzuführen. Umgekehrt ist es jedoch mit der Rückstoßleistung N,.. Diese steigt
mit fallendem Verjüngungsverhältnis
an, und zwar erfolgt bei dem in Abb. 2 veranschaulichten Fall das Zunehmen von X,.
in dem Bereich zwischen
und
rascher als das Abnehmen von X,, in dem gleichen Bereich. Die Folg e davon ist,
daß die Gesamtleistung V = N", - 1",. mit kleiner werdendem
ansteigt, bis sie etwa bei dem Wert
einen Höchstwert erreicht hat. Es ist demnach bei einer Einrichtung nach Abb. i
zweckmäßig, eine Düse zu verwenden, deren Verjüngungsverhältnis zwischen 0,3 und
o,9 liegt.
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Die Ausgestaltung der Düse 8 gemäß Abb. i gilt insbesondere für den
Fall, daß der Außendruck, d. h. der Druck in dem Raum, in dem die Abgase ausströmen
(Atmosphäre), während des überwiegenden Teiles des Ausströmungsvorganges größer
ist als der durch den Druck und die Geschwindigkeit im Abgaskanal ? bestimmte kritische
Druck, bei dem kritische Geschwindigkeit erreicht wird.
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In Abb. 3 ist die Einrichtung nach Abb. i schematisch dargestellt,
während Abb. 3 a den Druckverlauf bei einer solchen Einrichtung kurz nach Beginn
der Ausströmung, also bei hohem Druck im Arbeitszylinder, in Diagrammform veranschaulicht.
Es bedeutet 15 den Arbeitszylinder einer Brennkraftmaschine, 16 Zylinderauslaß,
17 den an diesen angeschlossenen Abgaskanal und iS die am Ausströmende dieses Kanals
vorgesehene Düse. Im Zylinder 15 herrscht der Druck p1 (Abb. 3a).* Beim Offnen der
Zylinderauslässe 16 erfolgt das Ausströmen des Zylinderinhalts; dabei fällt der
Druck p1 im Bereich der Auslässe 16 auf den Wert f,, (kritischer Druck) ab, und
zwar wird dieser Druck im engsten Querschnitt erreicht. Bei der hinter dem engsten
Querschnitt folgenden Erweiterung des Durchströmquerschnittes bis auf den Wert fg
(Querschnitt des Abgaskanals i7) tritt ein Druckabfall von P,, bis auf p, (Innendruck
im Abgaskanal 17) ein, der im Bereich des Abgaskanals 17 angenähert konstant
bleibt. In der anschließenden Düse 1S erfolgt dann ein weiteres Absinken des Druckes,
bis auf den Außendruck p., der größer ist als der dem Druck p, und der Geschwindigkeit
im Kanal zugehörige kritische Druck Ist der Außendruck während eines überwiegenden
Teiles des Ausströmvorganges kleiner als der durch den Druck und die Geschwindigkeit
im Abgaskanal 7 bestimmte kritische Druck, bei dem Schallgeschwindigkeit erreicht
wird, und die Geschwindigkeit, mit welcher die Abgase den Abgaskana17 (nach Abb.
i) durchströmen, unterkritisch, so wird an Stelle der Düse 8 in Abb. i bzw. iS in
Abb. 3 zweckmäßig eine Düse 2o gemäß Abb. 4 verwendet. Diese Dilse 2o besitzt, in
der Strömungsrichtung gesehen, zunächst eine stetige Verjüngung (Teil 21) dergestalt,
daß ihr Querschnitt an der Eintrittsstelle, welcher gleich dem Querschnitt f_, des
Abgaskanals 7 ist, allmählich bis auf den Wert fD an der Stelle C abnimmt. Der in
der Strömungsrichtung hinter der Stelle C liegende Teil 22 der Düse 20 weist eine
stetige Erweiterung auf.
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Eine Einrichtung mit einer in dieser Weise ausgestalteten Düse ist
in Abb. 5 schematisch dargestellt; den Druckverlauf kurz nach dem Öffnen der Auslässe
(also bei roch hohem Innendruck im Zylinder) zeigt Abb. 5a. Dieser Druckverlauf
bis zur Düse ist ähnlich demjenigen nach Abb. 3a; in der Düse erfolgt dann die Entspannung
der Gase auf den Außendruck wobei an der engsten Stelle C der kritische Druck f
" herrscht.
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Die Abb. 7 und S zeigen die Stirnansicht und den Grundriß eines Flugzeugmotors
mit zwei in V-Form angeordneten Zylinderreihen und mit einer Einrichtung der vorstehend
beschriebenen Art. Die an die Auslässe der Arbeitszylinder 3o" bis 3of und 31Q bis
31f angeschlossenen und an ihren Enden je eine Ausströmdüse 32" bis 32f bzw.
33" bis 33f tragenden Abgaskanäle 34. bis 34f und 35. bis 35f sind
so gekrümmt, daß der Austritt der Abgase ins Freie entgegengesetzt zur Flugrichtung
(Pfeil b) erfolgt. Sie sind als Hohlkörper mit über die ganze Länge gleichem oder
annähernd gleichem Durchtrittsquerschnitt ausgebildet, wobei die kreisrunde Querschnittsform
am Abgaskanaleintritt allmählich in eine stark abgeflachte Form (am Abgaskanalende),
die an sich bei Abgasleitungen von Brennkraftmaschinen bekannt ist, übergeht. Eine
in ähnlicher Weise abgeflachte Form «-eisen auch die Düsen auf. Die Anordnung ist
dabei so getroffen, daß die abgeflachten Seiten der auf einem Teil ihrer Länge in
geringem Abstand nebeneinander verlaufenden Stutzen einander zugewendet und die
Ausströmenden der Düsen hintereinander und nebeneinander gestaffelt sind, also in
verschiedenen, senkrecht zurFlugrichtung stehenden Ebenen liegen. Hierdurch wird
eine geringe Erstreckung der Einrichtung quer zur Flugrichtung erreicht, die im
Interesse eines geringen Luftwiderstandes erwünscht ist.
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Abb.9 zeigt eine besonders günstige Gestaltung des Grundrisses einer
Maschine ähnlich derjenigen nach Abb. S. Hiernach sind die
Abgaskanäle
36" bis 36f und 37" bis. 37f so gekrümmt, daß die Austrittsrichtung der Abgase (Pfeil
C in Abb. 9) einen spitzen Winkel a mit der Flugrichtung (Pfeil d) bildet. Bei dieser
Anordnung wird zwar nur die Komponente der Rückstoßkraft, die mit der Flugrichtung
übereinstimmt, für den Vortrieb ausgenutzt. Diese Komponente ist jedoch bei kleinem
Winkel a nur wenig kleiner als der gesamte Rückstoß, und der Verlust ist daher nur
unbedeutend. Gleichzeitig wird aber hierbei der Vorteil erreicht, daß die Ausströmenden
der Düsen, in Flugrichtung gesehen, hintereinanderliegen können, so daß der Luftwiderstand
der Einrichtung infolge weiterer Verminderung ihrer Erstreckung quer zur Flugrichtung
noch mehr herabgesetzt wird. Bei den Einrichtungen nach Abb. 7 bis 9 ist es zweckmäßig,
zur weiteren Herabsetzung des Luftwiderstandes eine windschnittige Verkleidung (4o
in Abb. 9), wie sie an sich bei in den Fahrwind hineinragenden Teilen bekannt ist,
vorzusehen, die mit einem Längsschlitz (41) zum Durchtritt der Abgasstrahlen versehen
sein muß. Damit unzulässig hohe Temperaturen der Abgasstutzen 34" bis 34f,
35, bis 35f, 36. bis 36f, 37a bis 37f und der Ausströmdüsen
32. bis 32f, 31, bis 3J" vermieden werden, wird an der Vorderseite
dieser Verkleidung eine Öffnung 42 zum Eintritt von Kühlluft vorgesehen. Diese Luft
tritt, nachdem sie beinn Vorbeistreichen an den heißen Abgasstutzen und Düsen von
diesen Wärme aufgenommen hat, zusammen mit den Abgasen durch die Schlitze 41 wieder
ins Freie.