DE877381C

DE877381C - Aircraft engine, in particular elevator engine with exhaust gas turbocharger

Info

Publication number: DE877381C
Application number: DED6791D
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr-Ing Speiser
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1942-03-01
Filing date: 1942-03-01
Publication date: 1953-05-21

Description

Flugzeugtriebwerk, insbesondere Höhentriebwerk mit Abgasturbolader Die Erfindung bezieht sich auf ein Flug zeubtriebwerk, insbesondere ,auf ein Höhentriebwerk, mit Abgasturbolader.Aircraft engine, in particular elevator engine with exhaust gas turbocharger The invention relates to an aircraft engine, in particular, to an elevator engine, with exhaust gas turbocharger.

Es ist bekannt, bei Zweit.aktbrennkraftmaschinen mit einer Abgasturbine und einem Spül- und Ladegebläse, bei denen das Gebläse außer durch die Abgasturbine auch mechanisch von der Maschinenwelle ,aus angetrieben werden kann, sowohl mvischen der Maschinenwelle und dem Laufrad des Gebläses als auch zwischen einer Gebläsestufe und den fest mit der Abgasturbine gekuppelten weiteren Gebläsestufe eine Freilaufvorrichtung anzuordnen, wobei beide Freilaufvorrichtungen so .ausgebildet sind, daß sie ein Voreilen der Gebläsewelle gegenüber der Maschinenwelle bzw. der Turbinenwelle ermöglichen.It is known for two-stroke internal combustion engines with an exhaust gas turbine and a purge and charge fan, in which the fan is used except through the exhaust gas turbine can also be driven mechanically by the machine shaft, both mixing the machine shaft and the impeller of the fan as well as between a fan stage and the further blower stage, which is permanently coupled to the exhaust gas turbine, is a free-wheeling device to be arranged, with both freewheel devices so .ausbild that they a Allow the fan shaft to lead in relation to the machine shaft or the turbine shaft.

Man hat diese Anordnung für Zweitaktmotoren deswegen vorgeschlagen, weil dort bei kleiner Belastung und insbesondere beim Anlassen der Maschine die erzeugten Abgasmengen nicht ausreichen würden, um die für das Zweitaktverfahren notwendige Spülluftme be zu erzeugen. Dier mechanische Antrieb des Gebläses hat also dort den Zweck, bei sehr niedrigen Teillasten den geivünschten Ablauf des Arbeitsverfahrens sicher zu stellen.This arrangement has been proposed for two-stroke engines because because there with low loads and especially when starting the machine the The quantities of exhaust gas generated would not be sufficient for the two-stroke process to generate the necessary purge air. The mechanical drive of the fan has So there the purpose, at very low partial loads, the desired sequence of the work process to make sure.

Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, den Flugmotor mit dem Abgasturbolader mittels zweier Überholkupplungen und zweier Getriebe so, zu verbinden, daß oder Lader einerseits beim Betrieb am Erdboden. Moder in Bodennähe in einem bestimmten Übersetzungsverhältnis zur Motorwelle von dieser aus angetrieben wird, während :der Abgasdruck auf einen bestimmten Wert begrenzt und die überschüssige Ab:glasmenge ins Freie geblasen wird, und daß andererseits in sehr großen Höhen die Abgasturbine ihre üb.erschußleistung an den Motor abgibt, wobei wieder ein bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen Motor und Abgasturbine- besteht. In einem dazwischenliegenden Höhenheneich, in dem die Abgasturbine frei umläuft, besteht Gleichgewicht zwischen der Turbinen- und .der Lederleistung. Hierbei wird ,der Gasstaudruck ,auf den gleichen Wert wie im unteren Höhenbereich g ehalten.It has also already been proposed to use the aircraft engine Exhaust gas turbocharger by means of two Overrunning clutches and two gears so, to connect that or loader on the one hand when operating on the ground. Moder near the ground driven in a certain gear ratio to the motor shaft from this is while: the exhaust pressure is limited to a certain value and the excess From: amount of glass is blown into the open, and that on the other hand at very great heights the exhaust gas turbine delivers its surplus power to the engine, again with a certain There is a speed ratio between the engine and the exhaust gas turbine. In an in-between Altitude level, in which the exhaust gas turbine rotates freely, there is a balance between the turbine and leather performance. Here, the gas pressure is the same Value as in the lower altitude range.

Der genannte Bereich erstreckt sich von der Höhe, in welcher das Gasgefälle ausreicht, am den Antrieb des Abgasturboladers allein zu übernehmen, so :daß die in dem mechanischen Antrieb angeordnete überholkupplung entlastet wird, bis zu -der Höhe, in welcher der Abgasturbolader infolge seiner inzwischen gesteigerten Drehzahl über die zweite Überholkupplung wieder mit dem Motor gekuppelt wird.. Diese Anordnung erstrebt im Gegensatz zu der eingangs beschriebenen seine günstige Gestaltung der Betriebsverhältni;s!se bei unveränderter Last in verschiedenen Flughöhen, also bei gegenüber der ersten Anordnung neuartigen Betriebszuständen.Said area extends from the height at which the gas gradient is sufficient to take over the drive of the exhaust gas turbocharger alone, so that the in the mechanical drive arranged overrunning clutch is relieved up to -the Height at which the exhaust gas turbocharger due to its meanwhile increased speed is coupled again with the engine via the second overrunning clutch .. This arrangement seeks in contrast to the initially described its favorable design of the Operating conditions with unchanged load at different altitudes, i.e. at new operating states compared to the first arrangement.

Die vorliegende Erfindung verfolgt den Zweck, die Betriebsverhältnisse bei unveränderter Last in verschiedenen Höhen weiter zu verbessern und außerdem die Manövrierfähigkeit des Triebwerks ingbesondexe beim Übergang von kleiner ,auf große Leistung günstiger zu gestalten: Die Erfindung besteht darin, daß dem Ladegebläse in an sich bekannter Weise eine Einrichtung zur verlustarmen Regelung seiner Förderhölhe vorgeschaltet ist, beispielsweise eine im mechanischen Teil des Gebläseantriehes angeordrnerte Flüssigkeitsregelkupplung oder eine auf der Eintrittsseite des Gebläses angeordrnäte Dralldrossel, und daß der Gasdruck vor der Abgasturbine nach aber, hin auf ein, Wert begrenzt ist, der dem durch: die Einrichtung zur verlustarmen Regelung der Förderhöhe erzielten größeren Höhenbereich des mechanischen Gebläseantrieb@es entspricht..The present invention aims to improve the operating conditions to be further improved with unchanged load at different heights and moreover the maneuverability of the engine ingbesondexe when going from small to make great performance cheaper: The invention consists in the fact that the charge blower in a manner known per se a device for low-loss regulation of its delivery amount is connected upstream, for example one in the mechanical part of the blower drive arranged fluid control coupling or one on the inlet side of the fan arranged swirl throttle, and that the gas pressure before the exhaust gas turbine after but, is limited to a value that is due to: the facility for low-loss Control of the delivery head achieved a greater height range of the mechanical fan drive @ es is equivalent to..

'Durch' die Anwendung einer derartigen Regeleinrichtung ist es möglich, bei gleicher I-,löchsttemperatur der verdichteten Ladeluft am Boden, dem Ladegebläse eine größere Normalförderhöhe zu geben; d.h. bei Verwendung des gleichen Ladegebläses die Getriebeübersetzung so zu wählen, daß sich, auf mechanischem Wege höhere Laderdrehzablen erzielen lassen. Infolgedessen kann beim Übergang von kleiner auf große Motorlast, wobei der Lader in entsprechendem Maße zu beschleunigen, ist, ein größerer Anteil der zu überwindenden Drehzahldifferenz z. B. durch Füllen der hydraulischen Regelkupplung mit großer Beschleunigung überbrückt werden, so daß eine kleinere Drehzahldifferenz für die Beschleunigung durch den Gasantrieb übrigbleibt. Die Anwendung einer der genannten Regeleinrichtungen beseitigt also weitgehend einen der wesentlichsten Nachteile des Abgasturboladers, nämlich seine schlechte Beschleunigrungsfähigkeit.'By' using such a control device, it is possible to with the same I-, hole temperature of the compressed charge air on the ground, the charge fan to give a higher normal head; i.e. using the same charge blower to choose the gear ratio in such a way that higher loader speeds can be achieved mechanically can be achieved. As a result, when changing from a small to a large engine load, Accelerating the loader accordingly is a larger proportion the speed difference to be overcome z. B. by filling the hydraulic control clutch be bridged with great acceleration, so that a smaller speed difference remains for the acceleration by the gas drive. Applying one of the so largely eliminates one of the most essential controls Disadvantages of the exhaust gas turbocharger, namely its poor ability to accelerate.

Eine weitere vorteilhafte Wirkung der Anwendung von Regeleinrichtungen der ,genannten Art ergibt sich in dem vorliegenden Zusammenhang aus folgernden Tatsachen: Der für die Erzerugung eines bestimmten Ladedrucks mit einem gegebenen Abgasturbolader erforderliche Gassta udruck ist bekanntlich von der Flughöhe abhängig, und zwar liegt er am Boden meist etwa in der Gegend des Ladedrucks, sinkt in .mittleren Höhen meist unter den Bodendruck Und steigt in größeren Höhen sehr rasch wieder an. Da, im Bereich des mechanischen Antriebs des Laders der Gassta!udruck aus Gründen der Einfachheit der Regelgeräte für unveränderte Last unverändert gehalten werden ruß, liegt also in dem durch die Regeleinrichtung ermöglichten größeren Höhenhereich für den mechanischen Antrieb ein großer Vorteil insofern, als in ,diesem ganzen Höhenbereich der Gasstaudruck niedriger eingestellt werden kann, als wenn die Regeleinrichtung nicht vorhanden wäre; denn in der größeren Höh .e,. in welcher die Antriebswirkung vom Motor her aufhört, .genügt nach -dem oben Gesagten, ein niedrigerer Gasstaudruck, um die volle Aufladeleistung aufzubringen. Dies äußert sich infolge der verbesserten Spülung in vergrößerter Motorleistung und geringeren Auslaßventilbeanspruchungen. Die durch die Anordnung der Regeleinrichtung im vorliegenden Fall bewirkten Vorteils gehen also weit über die Vorteile dieser Regeleinrichtungen bei den bekannten rein mechanischen Lederantrieben hinaus.Another beneficial effect of using control devices of the type mentioned results in the present context from the following facts: The one for generating a certain boost pressure with a given exhaust gas turbocharger The required gas pressure is known to depend on the flight altitude If it is on the ground, it is usually around the area of the boost pressure, and it sinks at medium heights mostly below ground pressure and rises again very quickly at higher altitudes. There, in the area of the mechanical drive of the supercharger the gas pressure for reasons of Simplicity of the control devices for unchanged load are kept unchanged soot, is therefore in the greater height range made possible by the control device a great advantage for the mechanical drive insofar as in, this whole Height range of the gas back pressure can be set lower than if the control device would not exist; because in the greater height .e ,. in which the driving effect stops from the engine, according to the above, a lower gas pressure is sufficient, to provide the full charging power. This manifests itself as a result of the improved Flushing in increased engine power and lower exhaust valve loads. The advantages brought about by the arrangement of the control device in the present case go well beyond the advantages of these control devices in the known purely mechanical leather drives.

In der Zeichnung veranschaulicht Abb. r die durch; die Erfindung ermöglichte Senkung des Gegendrucks gegenüber dem oben beschriebenen bekannten Höhentriebwerk. Hier sind die verschiedenen Drücke für unveränderte Last über der Flughöhe aufgetragen. Es bedeuten p, den unveränderlichean Ladedruck, p, :den bei gegebenem Abgasturholader zur Erzielung des Ladedrucks ps erforderlichen Gasstaudruck, der den ,oben beschriebenen Verlauf zeigt. Hl ist die Höhe, bis zu welcher bei dem oben beschriebenen bekannten Höhentriebwerk durch den mechanischen Antrieb der Lader der Ladedruck pr aufrechterhalten werden kann. p,' ist daher der für alle Höhen unveränderlich einzustellende Gasstaudruck. Durch Anordnung - der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung ist unter Aufrechterhaltung der gleichen Saugrohrtemperatur am Boden die Höhe, bis zu .der mit dem mechanischen Antrieb -der Ladedruck p, ,aufrechterhalten werden kann, auf H2 vergrößert. Im Bereich des mechanischen Antriebs, d. h. zwischen o km und H2, beträgt der einzustellende Gasstaudruck daher nur p-,". In dem über H2 liegenden Höhenbereich, in welchem der Abgasturbolader frei beweglich ist, kann ,entweder unter Beibehaltung des Gasstaudrucks p,' in bekannter Weise auf konstante Druckdifferenz zwischen Gasdruck und Ladedruck weitergeregelt werden, oder es wird jeweils der zur Erzeugung des Ladedrucks p, unbedingt erforderliche Mindestdruck p. eingestellt. In :ersterem Fall entspricht dann der schraffierte Bereich der durch die Erfindung im Vergleich zu dem bekannten Laderantrieb ermöglichten Senkung des Gegendrucks in der Abgasleitung.In the drawing, Fig. R illustrates the through; the invention made it possible Reduction of the back pressure compared to the known altitude engine described above. Here the different pressures for unchanged load are plotted against the flight altitude. It means p, the unchangeable boost pressure, p,: that for a given exhaust turbo charger the gas pressure required to achieve the boost pressure ps, which is the one described above Course shows. Hl is the height up to which in the known one described above Elevated engine maintained by the mechanical drive of the supercharger of the boost pressure pr can be. p, 'is therefore the gas pressure that can be set unchangeably for all heights. By arranging - the control device according to the invention is under maintenance the same intake manifold temperature on the ground, up to .that with the mechanical Drive - the boost pressure p,, can be maintained, increased to H2. In the area the mechanical drive, d. H. between o km and H2 is the one to be set Gas back pressure therefore only p- ". In the altitude range above H2 in which the The exhaust gas turbocharger can move freely, either while maintaining of the gas back pressure p, 'in a known manner to a constant pressure difference between the gas pressure and boost pressure can be further regulated, or the one used to generate the Boost pressure p, absolutely necessary minimum pressure p. set. In: the former In this case, the hatched area then corresponds to the comparison made by the invention to the known charger drive made it possible to lower the back pressure in the exhaust pipe.

Die, Abb.2 zeigt ein. praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung. Von der Kurbelwelle 3 der Brennkraftmä.schine aus wird über die ins Schnelle übersetzenden Rädervorgelege 4, 5 'und 6, 7 der Primärteil 8 einer Flüssigkeitsregelkupplung .angetrieben, deren Sekundärteil g über ein ins Langsame übersetzendes Stimradpaar i o, i i und über eine innerhalb des Rades i i angeordnete Freilaufvorrichtung bzw. Überholkupplung 12 die La.ufradwelle 13 der Hochdruckstufe 14 des La.degebläses :antreibt. Infolge der Anordnung der Regelkupplung :auf einer Zwischenwelle 29",29b, welche eine höhere Drehzahl besitzt als die Gebläsewelle 13, kann die Regelkupplung in ihren Abmessungen besonders klein gehalten werden.The, Fig.2 shows a. practical embodiment of the invention in a schematic representation. From the crankshaft 3 of the internal combustion engine becomes the primary part via the gear reduction 4, 5 'and 6, 7, which translate into high speed 8 of a fluid control clutch .driven, the secondary part of which g via an ins Slow translating spike wheel pair i o, i i and one inside wheel i i arranged freewheel device or overrunning clutch 12 the La.ufradwelle 13 of the High pressure stage 14 of the La.degebläses: drives. As a result of the arrangement of the regulating clutch : on an intermediate shaft 29 ", 29b, which has a higher speed than the fan shaft 13, the control clutch can be kept particularly small in terms of its dimensions.

Die Freila,ufvorrichtung 12 ist so, ausgebildet, daß sie der Welle 13 ein Voreilen ;gegenüber dem Stirnrad i i gestattet, jedoch sofort den Kraftschluß zwischen diesen beiden Teilen herstellt, sobald sich das Rad i i schneller drehen will als die Welle 13. Durch die Anordnung des Freilaufs :auf der Sekundärseite der Regelkupplung wird eine unerwünschte Steigerung der Drehzahl der Kupplung nach dem Lösen des Freilaufs vermieden.The Freila, ufvorrichtung 12 is so designed that it the shaft 13 a lead; compared to the spur gear i i permitted, but the frictional connection immediately between these two parts as soon as the wheel i i turns faster wants than the shaft 13. By the arrangement of the freewheel: on the secondary side the variable speed clutch causes an undesirable increase in the speed of the clutch the loosening of the freewheel avoided.

Die Welle i3 steht über das Rädervorgelege 15, 16, 17 mit der Laufradwelle 18 der Niederdruckstufe ig des Ladegebläses in kraftschlüssiger Verbindung. Des große Kegelrad 16 des Vorgeleges ist auf der Zwischenwelle 2o befestigt, die mit der gleichachsigen Laufradwelle 21 der Abgasturbine 22 durch eine Freilaufvorrichtung bzw. Ü berholkupplung 23 so verbunden ist, daß sie gegenüber der Laufrad@welle 21 voreilen kann, jedoch sofort von der Laufradivelle 21 mitgenommen wird, sobald diese sich schneller drehen will als die Zwischenwelle 2o. Die Aufgabe des Freilaufs 23 besteht im vorliegenden Fall hauptsächlich darin, eine hemmendeWirkung der Turbine a,uf die Ladegebläse bei starker Beschleunigung der letzteren zu vermeiden.The shaft i3 is connected to the impeller shaft via the gear reduction 15, 16, 17 18 of the low-pressure stage ig of the charge blower in a force-fit connection. Of large bevel gear 16 of the countershaft is attached to the intermediate shaft 2o, which with the coaxial impeller shaft 21 of the exhaust gas turbine 22 by a freewheel device or overrunning clutch 23 is connected in such a way that it is opposite to the impeller shaft 21 can lead, but is immediately taken by the impeller level 21 as soon as this wants to rotate faster than the intermediate shaft 2o. The task of freewheeling 23 consists in the present case mainly in a dragging effect of the turbine a, uf to avoid the supercharger when the latter accelerates rapidly.

Die bei 3o in die Niederdruckstufe ig des G:ebläs:es eintretende Verbrennungsluft wird, nachdem sie dort vorverdichtet ist, entsprechend dem unterbrochenen Linienzug 2q. der Hochdruckstufe 14 zugeleitet, vorn wo, .aus sie auf dem Wege 25 mit .dem gewünschten Ladedruck der Brennkraftmasehine zuströmt. Die auf dem Wege 26 :aus der Brennkraftm@aschine abströmenden Abgase werden, soweit zur Aufrechterhaltung :des gewünschten Ladedrucks erforderlich, durch die Turbine 22 geleitet, der überschüssige Teil der Abgase jedoch über ein Ventil 28 durch eine Rückstoßdüse 27 in :an sich bekannter Weise ins Freie abgeblasen. Anstatt durch dös Einfügen einer Regelkupplung in den maschinenseitigen GebläseantrIeb können die Vorteile der Erfindung jauch in gleichem Maße unter Wegfall der Regelkupplung durch eine sogenannte Dralldrossel erzielt werden, die an der Eintrittseiteeines jeden Ladegebläses angeordnet wird und deren Aufbau und Wirkung aus der schematischen Darstellung in Abb. 3 hervorgeht.The combustion air entering the low pressure stage ig of the G: ebläs: es at 3o is, after it has been pre-compressed there, according to the broken line 2q. the high pressure stage 14 fed to the front where, .aus it on the way 25 with .dem desired boost pressure of the internal combustion engine flows. The one on path 26: out The exhaust gases flowing off the internal combustion engine are, as far as possible, to maintain : the desired boost pressure required, passed through the turbine 22, the excess Part of the exhaust gases, however, via a valve 28 through a recoil nozzle 27 in: per se blown off into the open as is known. Instead of inserting a variable speed clutch The advantages of the invention can also be used in the machine-side fan drive to the same extent with the omission of the regulating clutch by a so-called swirl throttle which is placed at the inlet side of each charge blower and their structure and effect can be seen in the schematic representation in Fig. 3.

In Abb. 3 bedeutet 31 das Laufrad des jeweiligen Ladegebläses mit den Schaufeln 32, .die in dem Gehäuse 33 =laufen. In dem Eintrittstutzen 34 des Gehäuses sind radiale Leitschaufeln 35 mit Hilfe von Zapfen 36 um ihre Längsachse drehbar angeordnet. Sämtliche Leitschaufeln können mittels eines drehbaren Zahnkranzes 37 über an jeder Schaufelachse befestigte Ritzel38 gleichzeitig so eingestellt werden, d@a.ß sie der durch den Stutzen 34. einströmenden Luft einen mehr oder weniger großen Drall in der Drehrichtung des Laufrades 31 des Ladegebläs s erteilen. Hierdurch wird einerseits der Lufteintritt in das Laufrad gedrosselt, andererseits .aber leistungsmäßig eine unterstützende. Wirkung ;auf .das Laufrad ausgeübt, so da.ß die Drosselung der Ladeluft mit weniger Energieverlust und dementsprechend auch mit wesentlich geringerer Temperaturerhöhung der Lufterfolgt :als bei einer ;gewöhnlichen Drosselklappe. Die Dr.alldross:el wirkt daher weitgehend in dem gleichen Sinn wie die Regelkupplung, indem sie eine verlustarme Regelung des Ladedrucks ohne unerwünschte Nebenwirkungen auf die Temperatur der Ladeluft ermöglicht.In Fig. 3, 31 denotes the impeller of the respective charge blower the blades 32, which run in the housing 33 =. In the inlet port 34 of the Housing are radial guide vanes 35 with the help of pins 36 around their longitudinal axis rotatably arranged. All guide vanes can by means of a rotatable ring gear 37 can be adjusted simultaneously via pinions38 attached to each blade axis so that d@a.ß the air flowing in through the nozzle 34. a more or less large Give a twist in the direction of rotation of the impeller 31 of the loading blower. Through this On the one hand, the air inlet into the impeller is throttled, on the other hand, but in terms of performance a supportive one. Effect; exerted on the impeller, so that the throttling the charge air with less energy loss and, accordingly, with significantly The temperature of the air increases less than with an ordinary throttle valve. The Dr.alldross: el therefore works largely in the same way as the variable speed clutch, by providing a low-loss regulation of the boost pressure without undesirable side effects on the temperature of the charge air allows.

Claims

PATENT CLAIMS: 1.Aircraft engine, in particular elevator engine, with exhaust gas turbocharger, in which the charging fan can be driven mechanically from the machine shaft as well as by the exhaust gas turbine and in which there is one between the machine shaft and the fan shaft as well as between the turbine shaft and the fan shaft Freilaufvorrichtun.g (12,23): is arranged, which enables the fan shaft to advance in relation to the machine shaft or in relation to the turbine shaft, characterized in that the charging fan is connected in a known manner; a device for low-loss control of its delivery height is connected upstream, for example a fluid control clutch (8, 9) arranged in the mechanical part of the fan drive or a swirl throttle (35) arranged on the inlet side of the fan, and that the gas pressure upstream of the exhaust gas turbine is limited to a value (r), ') is, which by the device for low-loss regulation of the Förderhö he achieved greater height range of the mechanical fan drive corresponds.

2. Aircraft engine according to claim i, characterized in that the between the Brennkraftmäschirne and the charging fan provided Freewheel device (i2) is arranged between the control clutch (8, 9) and the charging fan (14, 19).

3. Aircraft engine according to claims i and 2, characterized in that the control clutch (8, 9) is arranged over an intermediate shaft (29a, 29a) which has a higher speed than the fan shaft (13 or 1 8). Cited publications: German Patent Specifications No. 435 928, 649 56o; Swiss patent specification No. 108 786.