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Einrichtung zur Leistungsregelung von Brennkraftmaschinen mit Ladegebläse,
insbesondere von Flugmotoren Die Erfindung bezieht sich a'uf eine weitere Verbesserung
und Ausgestaltung von Einrichtungen zur Leistungsregelung von Brennkraftmaschinen
mit Ladegebläse, insbesondere von Flugmotoren, bei welcher der mit der Leistungsklappe
(Gasdrossel) in der Einlaßleitung .der Maschine verbundene Leistungshebel (Gashebel)
gleichzeitig die Grundeinstellung einer den Ladedruck regelnden Membrandose (Ladedruckregler)
in der Weise verändert, daß beim Bewegen des Leistungshebels von Leerlauf auf Vollast
zunächst nur .die Leistungsklappe geöffnet und erst in einer zweiten Stufe der Bewegung
des Leistungshebels gleichzeitig auch die Grundeinstellung des Ladedruckreglers
verändert wird.
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Die Erfindung besteht darin, daß das vom Leistungshebel zu einer hinter
dem Gebläse angeordneten Leistungsklappe führende Gestänge durch eine Schleppsteuerung
od. dgl. mit dem auf eine vor dem Gebläse angeordnete zweite Klappe (Reglerklappe)
wirkenden Ladedruckregler verbunden ist, derart, daß die Drehzahl des Ladegebläses
in an sich bekannter Weise unabhängig von der Maschinendrehzahl, beispielsweise
durch ein mechanisches Getriebe oder eine hydraulische Kupplung, geregelt werden
kann und daß bleichzeitig der Leistungshebel mittelbar oder unmittelbar auch mit
der Vorrichtung zum Regeln der Gebläsedrehz.ahl in der Weise verbunden ist, daß
bei gedrosselter Leistung der Maschine die Gebläsedrehzahl zusätzlich herabgesetzt
wird.
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Durch die Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß der Lader grundsätzlich
nur mit der für die augenblickliche Betriebsweise notwendigen 'kleinsten
Drehzahl
umläuft: Dadurch wird .der Lader mechanisch geschont, die Lufttemperatur bleibt
niedrig, es kann höher verdichtet werden, der Leistungsbedarf des Laders bleibt
klein, und der Brennstoffverbrauch bleibt dadurch ebenfalls gering. Die, wirtschaftlichste
Laderdrehzahl bleibt nicht nur für Vollgas, sondern auch für alle Teillasten am
Boden und in der Höhe erhalten.
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Die Anpassung der Gebläs:edrehzahl an den gewünschten Ladedruck kann
einmal unter Benutzung .der Vorrichtung nach dem Patent 689 657 erfolgen, bei welcher
die in der Ladeleitung der Maschine befindliche Drosselklappe durch eine Schleppsteuerung
mit der Vorrichtung zum Regeln der Gebläsedrehzahl verbunden ist. Oder man kann
auch, wenn die Drehzahl des Ladegebläses durch eine Membrandose in Abhängigkeit
von dem äußeren Luftdruck gesteuert wird, die Nullpunkteinstellung .dieser Membrandose
verstellen, indem man sie in geeigneter Weise mit dem Leistungshebel verbindet.
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Eine weitere Vervollkommnung der Erfindung besteht darin, .daß bei
Flugmotoren mit einer Vorrichtung zum Verändern der Luftschraubensteigung während
des Betriebes der Leistungshebel auch mit dieser Vorrichtung in der Weise verbunden
wird, daß bei Einstellung .des Leistungshebels auf volle Leistung die Maschine ihre
höchstzulässige Drehzahl erreicht, bei Zurücknahme des Leistungshebels dagegen in
einem gewissen, für den Betriebszustand der Maschine günstigen Umfang eine Erniedrigung
der Luftschraubendrehzahl und damit auch der Maschinendrehzähl eintritt.
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Bei vollkommener Benutzung der Erfindung werden also, wenn. der Leistungshebel
z. B. auf 70 o/oLeistung zurückgenommen wird, nicht nur durch den Ladedruckregler
ein entsprechend niedrigererLadedruck eingestellt, sondern gleichzeitig auch die
Drehzahl .des Ladegebläses und die Drehzahl der Kraftmaschine zusätzlich 'herabgesetzt.
Dadurch werden sowohl beträchtliche Ersparnisse an B,etriebsstöff als auch eine
erhöhte Betriebssicherheit der Maschine erreicht.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise in Anwendung auf
einen Flugmotor dargestellt. Die Zeichnung zeigt in schematisierter Darstellungsweise
einen. in ein Tragflächenprofil io einsgebauten Boxermotor ri mit waagerecht angeordneten
Zylindern-z2. Ein Ladegebläse-i3 fördert die Verbrennungsluft bzw. das Gasgemisch
durch .die Einlaßleitung 14 mit entsprechendem Druck in die einzelnen Zylinder hinein.
Das Gebläse wird vom Motor über ein Kegelradpaar 15, 16 und eine hydraulische Kupplung
17 mit veränderlicherDrehzahl angetrieben.
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- Die Drehzahländerung des Gebläses wird durch eine barometrische
Höhendose 18 in Abhängigkeit von der Flughöhe bzw. dem äußeren Luftdruck auf folgende
Weise geregelt: Am unteren Ende des Motors befindet sich eine über ein Kegelradpaar
16, i9 angetriebene Zahnradpumpe 2o -zur Erzeugung von Drucköl, welches dein. Schmiermittelkreislauf
des Motors entnommen wird. Die Pumpe besitzt drei unabhängig voneinander arbeitende
Abteilungen, denen das Öl aus dem im Motor befindlichen Vorrat durch Leitungen 21
getrennt zufließt. Die obere Abteilung der Pumpe, deren Fördermenge ;gerade für
die Mindestfüllung der Kupplung 17 ausreicht, drückt das Öl unmittelbar durch die
ständig geöffnete Leitung 22 und die Hohlwelle 23 in die Kupplung. Die mittlere
Pumpenabteilung fördert das Öl durch eine Leitung 2q. über ein Steuerorgan 25 ebenfalls
in die Kupplung. Die von beiden Pumpenabteilungen bei geöffnetem Steuerorgan 25
zusammen geförderte Ölmenge ergibt die volle Füllung und damit die größte Übertragungsfähigkeit
der Kupplung, bei welcher sich ein Drehzahlverhältnis von nahezu i : i zwischen
der treibenden Welle 23 und der getriebenen Welle z6 der Kupplung einstellt. Die
Entleerung ,der Kupplung . erfolgt durch eine Leitung 27, durch die das Öl in den
Schmiermittelvorrat des Motors zurückfließt. Das Steuerorgan 25 besteht im wesentlichen
aus einem mit einer Einschnürung versehenen Kolben, .der von der Höhendose 18 in
.der Weise bewegt wird, daß er dem durch die Leitung 24 geförderten Drucköl den
Weg zur Kupplung 17 freigibt, wenn sich die Höhendose beim Sinken des äußeren Luftdrucks
ausdehnt, und daß er dem Öl den Weg durch die Leitung 2¢ mehr oder ,veniger versperrt,
wenn sich die Höhendose bei steigendem äußeren Luftdruck zusammenzieht. Im letzteren
Fall wird die Leitung 24 durch ein selbsttätiges Überdruckventil 28 kurzgeschlossen,
indem das von der mittleren Abteilung der Pumpe 2o geförderte Öl durch eine Nebenleitung
29 unmittelbar in den Schmiermittelvorrat des Motors zurückfließt. Die Wirkung der
selbsttätigen Steuerung durch die Höhendose 18 und das Steuerorgan a5 ist zunächst
die, daß bei fallendem äußerem Luftdruck die Füllung der hydraulischen Kupplung
17 und damit die Drehzahl des Gebläses 13 erhöht wird und daß bei steigendem äußerem
Luftdruck die Füllung der Kupplung und dementsprechend die Gebläsedrehzahl herabgesetzt
wird. Diese Drehzahländerungen des Gebläses ergeben wiederum eine Anpassung des
relativen Ladeüberdrucks an den jeweiligen äußeren Luftdruck und damit in gewissem
Grade ein gleichbleibendes Füllungsgewicht der Motorzylinder, wodurch letzten Endes
eine annähernd gleichbleibende Motorleistung bei wechselnder Luftdichte bzw. Flughöhe
erreicht wird.
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Voraussetzung hierfür -ist allerdings"daß die von der Luftschraube
aufgenommene Leistung auch bei wechselnderLuftdichte .die gleiche bleibt. Zu diesem
Zweck ist- die Luftschraube mit einstellbaren Blättern 30 versehen, deren
Steigung während des Betriebes durch Verdrehen der Blätter in der Nabe 31 geändert
werden kann. Das Verändern der Schraubensteigung .erfolgt durch einen in der Nabe
angeordneten, durch Drucköl bewegten Kolben 32, dessen geradlinige Bewegung durch
Übertragungsglieder 33 bis 36 in eine drehende Bewegung der Schraubenblätter umgewandelt
wird. Die Stummel 43, mit denen sich die Schraubenblätter in der Nabe 3' drehen,
sind gegenüber der Druckmittellinie der
Blätter in Richtung auf
.die Blattvorderkante hin versetzt angeordnet, so daß die auf die Schraubenblätter
wirkenden Luftkräfte die Steigung der Schraubenblätter durch Verdrehen :derselben
in der Nabe 3 t zu verringern trachten. Diese Reaktionskräfte werden :durch das
Gestänge 33 bis 36 auf den Kolben 32 übertragen. Ihnen wirkt der in dem Raum 37
herrschende (Öldruck entgegen.
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Zum Erzeugen dieses Öldrucks dient die untere Abteilung der Ölpumpe
2o, deren Druckraum über die Leitung 38, den dicht auf die Schraubenwelle 39 aufgesetzten,
feststehenden Hohlring 4o und die Winkelbohrung 41 in der Schraubenwelle mit dem
Raum 37 in der Nabe 31 in Verbindung steht. Das von der Pumpe 2o aus dem
Schmiermittelvorrat des Motors entnommene Öl fließt aus dem Raum 37 durch eine entsprechend
gedrosselte Bohrung 42 der Schraubenwelle 39 wieder in den Schmiermittelkreislauf
zurück. Der Drosselwiderstand dieser Bohrung wird von Hause aus so bemessen, daß
der von der Pumpe in dem Raum 37 erzeugte Öldruck gerade genügt, um den von den
Schraubenblättern über das Gestänge 33 bis 36 auf den Kolben 32 übertragenen Reaktionskräften
das Gleichgewicht zu halten, wenn der Motor bei Vollasteinstellung und bei normaler
Luftdichte in Erdbodennähe mit seiner vorgeschriebenen Betriebsdrehzahl arbeitet.
Sobald die Luftdichte, z. B. beim Erreichen größerer Flughöhen, sinkt, werden dadurch
auch die von den Luftschraubenblättern ausgeübten Reaktionskräfte geringer, und
der zumindest unverminderte Öldruck im Raum 37 bewegt infolgedessen den Kolben 32
soweit in die Nabe 3 r hinein, bis die dadurch bewirkte Vergrößerung der Luftschraubensteigun;g
wieder Reaktionskräfte der Schraubenblätter hervorruft, die dem Öldruck bei der
gleichen Drehzahl wie vorher das Gleichgewicht halten können. Die Verstellvorrichtung
für die Luftschraube paßt also die Steigung der Schraubenblätter der jeweiligen
Luftdichte selbsttätig an, so daß .die Luftschraube unter der Voraussetzung gleicherDrehzahl
bei allen praktisch vorkommenden Luftdichten die gleiche Leistungsaufnahme hat.
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Zum willkürlichen Regeln der Maschinenleistung dient zunächst die
Leistungsklappe 45 in der Einlaßleitung 14, die über den Hebel 46 und die Betätigungsstange
47 mit dem Pilotenleistungshebel 4c8- im Führerstand des Flugzeuges verbunden ist.
Hierbei erfolgt die Verbindung zwischen dem Hebel 46 und derStange 47 nicht unmittelbar
und zwangsläufig, sondern unter Vermittlung einer auf der Stange 47 gleitenden Büchse
49, an die der Hebel 46 aasgelenkt ist und die durch eine Feder 5o für gewöhnlich
gegen einen auf der Stange 47 angeordneten Stellring 51 gedrückt wird. Wird
der Pilotenleistungshebel von der Leerlauf stellung 48' in die Vollaststellung 48
geschwenkt, so bewegt sich die Betätigungsstange 47 in Richtung des Pfeiles 52 und
nimmt dabei unter der Wirkung der Feder 5o die Leistungsklappe 45 in die in der
Zeichnung dargestellte Offenstellung mit. In dieser Stellung stößt der Hebel 46
gegen einen festen Anschlag 53, so daß die Stellung der Leistungsklappe beim Weiterbewegen
der Stange 47 in Pfeilrichtung unverändert bleibt und sich lediglich .die Stange
gegen die Wirkung der Feder 5o in der Büchse 49 verschiebt. Die Bedeutung dieser
sogenannten Schleppsteueruri.g der Leistungsklappe wird später erkennbar werden.
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In der Saugleitung 55 des Gebläses 13 ist eine zuleite Drosselklappe
56, die sogenännte Reglerklapp-e, angeordnet, .die den Ladedruck des Gebläses regelt.
Sie wird von einer Membrandose 57, dem sogenannten Ladedruckregler, über einGestänge
5.8, 59 in der Weise gesteuert, daß sie beim Sinken des äußeren Luftdrucks .durch
die Ausdehnung der Membrandose weiter geöffnet, bei steigendem Luftdruck dagegen
mehr oder weniger geschlossen wird. Dadurch wird der hinter dem Gebläse in der Einlaßleitung
14 herrschende Ladedruck entsprechend beeinflußt. Die Nullpunkteinstellung der Reglerdose
57 erfolgt von Hause aus so, daß die Reglerklappe 56 bei normalem Luftdruck in -Erdbodennähe
noch nicht ganz geöffnet ist, der Ladedruck in diesem Fall also noch unterhalb desjenigen
für Vollast liegt. Wenn z. B. der Ladedruck für Volllastbetrieb 1,2 ata beträgt,
so wird durch die Reglerdose 57 zunächst nur ein solcher von o,8 ata eingestellt.
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Die Nullpunkteinstellung der Reglerdose 57 kann nun während des Betriebes
dadurch verändert werden, daß -das innere Ende der Reglerdose, welches für gewöhnlich
durch eine Feder 6o gegen den Anschlag an der ihr zugekehrten Wand eines Gehäuses
61 gezogen wird, .durch eine in dieser Wand 6i geführte Stange 6:i gegen - die Wirkung
dieser Feder verschoben wird, so daß sich dann die Reglerklappe 56 bei dem gleichen
äußeren Luftdruck weiter "öffnet als vorher. Diese Nullpunktveränderung der Reglerdose
erfolgt durch einen um einen festen Punkt schwenkbaren, doppelarmigen Hebel
63, an dessen einem Arm in einem Längsschlitz die Stange 62 angelenkt ist,
während der zweite Arm mit einer Büchse 64 gelenkig verbunden ist, die auf der zum
Pilotenleistungshebel 48 führenden Stange 47 gleitet und durch einen Stellring 65
in gewissen Grenzen bei -der Längsverschiebung der Stange von dieser gegen .die
Wirkung der Feder 6o mitgenommen wird.
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Es 'handelt sich also auch hier um eine Schleppsteuerung ähnlich wie
vorher bei der Steuerung der Leistungsklappe 4.5.
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Beide Schleppsteuerungen wirken nun in der Weise zusammen, daß beim
Bewegen des Pilotenleistungsbebels aus der Leerlaufstellung 48' in die Vollaststellung48
zunächst nur dieLeistungsklappe 45 bis zu einem gewissen Grade geöffnet wird, bis
der Leistungshebel in die Stellung 48' gelangt ist: Erst von hier ab wird die auf
der Stange 47 gleitende- Büchse 64 von dem Stellring65 mitgenommen und die Nullpunkteinstellung
:der Reglerdosc 57 dadurch so weit verändert, däß, wenn der Leistungshebel die Lage
48 erreicht hat; der vorher auf o,8 ata eingestellte Ladedruck allmählich auf r,2-ata
angewachsen ist. Wird jetzt der Leistungshebel 48 weiter bis in die Stellung q.8"'
bewegt und die Stange dadurch noch weiter in-Richtung-des
Pfeiles
52 verschoben, so bleibt die Leistungsklappe 45 in ganz geöffneter Stellung stehen,
da der Anschlag 53 eine weitere Bewegung des Hebels 46 verhindert, und es wird nunmehr
nur noch die Büchse 64 ,durch den Stellring 65 weiter mitgenommen, so .daß die Reglerklappe
56 jetzt vollkommen geöffnet und ein Ladedruck von beispielsweise 1,4 ata eingestellt
wird. Diese Einstellung ist nur für kurzzeitige Überlastung des Motors bestimmt,
beispielsweise beim Start des Flugzeuges. Es sind also drei verschiedene Einstellbereiche
des Motors vorhanden. In dem ersten Bereich 48'-48", dem Drosselbereich, wird die
Leistung des Motors nur durch die Leistungsklappe 45 geregelt. In dem zweiten Bereich
48"-q.8, dem Reiseleistungs- bzw. Vollastbereich, erfolgt die Leistungsregelung
des Motors durch die Leistungsklappe 45 und die Reglerklappe 56 gemeinsam, während
im letzten Bereich 48--48"', ,dem Startleistungsbereich, die Motorleistung nur noch
durch die Stellung der Reglerklappe 56 bestimmt wird.
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Wie vorher beschrieben, wird der Schlupf der hydraulischen Kupplung
17 und ,damit die Drehzahl des Gebläses 13 sowie der von diesem erzeugte Ladedruck
ferner durch eine Höhendose 18 in Abhängigkeit von dem äußeren Luft-druck gesteuert.
Das innere Ende dieser Höhendose, durch dessen Lage der Nullpunkt derselben bestimmt
wird, ist nun durch ein Übertragungsgestänge 66 bis 69 mit einerVerlängerung 70
des Hebels 46,der Leistungsklappe in der Weise verbunden, daß, wenn die Leistungsklappe
innerhalb des Vollast- bzw. Reiseleistungsbereiches mehr oder weniger geschlossen
wird, gleichzeitig damit auch die Drehzahl des Gebläses zusätzlich herabgesetzt
wird, indem sich die ganze Höhendose mitsamt dem Steuerkolben 25 nach innen bewegt
und .dadurch den Ölzufluß zur Kupplung 17 entsprechend .drosselt. Man braucht also
in diesem Fall, um die Maschinenleistung um ein bestimmtes Maß zu vermindern, die
Leistungsklappe 45 nicht so weit zu schließen, wie »dies ohne die zusätzliche Regeleinrichtung
notwendig wäre. Der durch ,das Abdrosseln der Ladeluft entstehende Leistungsverlust
ist infolgedessen geringer, wodurch an Betriebsstoff gespart wird, und die im Gebläse
herrschende Temperatur wird herabgesetzt, was im Verein mit der niedrigeren Drehzahl
des Gebläses die Betriebssicherheit der Laderanlage erhöht.
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Schließlich ist auch die weiter oben beschriebene Vorrichtung zum
selbsttätigen Anpassen der Luftschraubensteigung .an die Luftdichte mit einer zusätzlichen
Einrichtung zum willkürlichen Verstellen .der Luftschraubensteigung versehen. Diese
Einrichtung besteht im wesentlichen aus einer von der Druckleitung 38 der unteren
Abteilung der ö1-pumpe 2o abzweigenden Kurzschlußleitung 7z, 72, welche die Druckseite
der Pumpe über ein Absperrorgan 73 unmittelbar mit dem Schmiermittelvorrat des Motors
verbindet. Durch Heben und Senken der Nadel 74 dieses Absperrorgans läßt sich der
Widerstand innerhalb der Kurzschlußleitung und damit der Öldruck in dem Raum 37
der Luftschraubenn:abe regeln. Die Nadel 75 steht über eine Stange 75 und einen
doppelarmigen Hebel 76 mit dem kurzen Schenkel .des Winkelhebels 68 in Verbindung,
der, wie bereits erwähnt, :durch die Stange 69 und den Hebel 70 in Übereinstimmung
mit der Leistungsklappe 45 bewegt wird. Infolgedessen wird beim Schließen der Leistungsklappe
.die Nadel 74 gesenkt und dadurch der Widerstand in der Kurzschlußleitung
71,
72 erhöht bzw. diese Leitung ganz abgesperrt. Die Folge davon ist ein
Anwachsen des Öldrucks in der Leitung 38 und dem Raum 37, so daß der Kolben 32 weiter
in die Nabe 31 hineinbewegt und die Luftschraubensteigung vergrößert wird.
Wenn der Leistungshebel also aus ,der Vollaststellung 48 zurückgenommen und .die
Leistungsklappe 45 dadurch mehr oder weniger geschlossen wird, so tritt gleichzeitig
damit auch eine zusätzliche Herabsetzung der Drehzahl des Motors ein zu dem Zweck,
einen für Dauerbetrieb günstigeren Betriebszustand des Motors herzustellen und insbesondere
in einen Drehzahlbereich hineinzugelangen, in dem der Motor am wirtschaftlichsten
arbeitet.
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Indem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die zusätzlichen Einrichtungen
zum Herabsetzen der Gebläse- und der Luftschraubendrehzahi in Übereinstimmung mit
der Bewegung<der Leistungsklappe 45 gesteuert. Statt dessen kann natürlich ihre
Steuerung auch unmittelbar, beispielsweise durch die Stange 47, in Abhängigkeit
von der Bewegung .des Leistungshebels 48 erfolgen, ohne daß die Schleppsteuerung49,
5o, 51 der Leistungsklappe dazwischen liegt, so daß sich dann der Einflußbereich
der zusätzlichen Einrichtungen bis in den Überlastungsbereich 48-48" des Leistungshebels
hinein erstreckt. Auch können zwischen den Leistungshebel und die zusätzlichen Einrichtungen
jeweils besondere Schlepp- bzw. Kurvensteuerungen eingeschaltet werden, um statt
des linearen Bewegungszusammenhangs zwischen dem Leistungshebel und den zusätzlichen
Einrichtungen ein nach anderen mathematischen Funktionen fortschreitendes Wirken
dieser Einrichtungen zu erzielen 'und insbesondere ihre Wirksamkeit auf einzelne
Teilbereiche der Bewegung des Leistungshebels zusammenzudrängen.
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Es versteht sich von selbst, .daß der Leistungshebel 48 außerdem auch
in bekannter Weise mit den Einrichtungen zum Regeln der Brennstoffzufuhr -zum Motor
verbunden ist. Die Einzelheiten dieser bekannten Einrichtungen sind wegen der besseren
Übersichtlichkeit .der Zeichnung in dieser nicht mit dargestellt. Die Verbindung
des Leistungsnebels mit,den Regelorganen für die Brennstoffzufuhr erfolgt dabei
zweckmäßig so, daß sich in dem Reiseleistungsbereich 48-48" eine besonders wirtschaftliche
Brennstoffverbrauchskurve ergibt.