Verfahren zum Betriebe von Flugmotoren mit Abgasturboladern, die nicht mechanisches mit dem Motor gekuppelt sind, sowie Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens. Während bekanntlich die Drehzahl eines Abgasturboladers, das heisst einer aus Abgas- turbine und Gebläse bestehenden Gruppe, zur Aufladung einer Brennkraftmaschine, kurz Motor genannt,
im stationären Betrieb leicht dem Luftbedarf des Motors angepasst werden kann, trifft dies während Last- oder Drehzahländerungen nicht ohne weiteres zu. Wenn insbesondere die Leistung des Motors erhöht werden soll, so kann dies nur nach Massgabe des durch das sich beschleunigende Gebläse geförderten erhöhten Luftgewichtes erfolgen.
Für Motoren, bei denen der Brenn stoff in einem festen Verhältnis zum Luft gewicht steht, wie z. B. bei Ottomotoren, trifft dies besonders zu. Aber auch für andere Motoren trifft dies zu, wie z. B. Ein spritzmotoren, bei denen sich ein ungünsti- ger Luftüberschuss einstellt oder die Spülung verschlechtert wird.
Da eine Drehzahlerhöhung des Turbola- ders erfahrungsgemäss ganz wesentlich mehr Zeit beansprucht als z. B. die Erhöung der Drehzahl des Motors, so wird die Manövrier fähigkeit eines Flugzeuges durch die Abgas- turbo-Aufla.dung verschlechtert.
Es ist daher schon vorgeschlagen wor den, dem Abgasturbolader einen vom Motor angetriebenen Lader nachzuschalten, was aber den Nachteil hat, dass der Lader für ein Druckverhältnis gebaut sein muss, das für den Motor einen fühlbaren Leistungsverlust bedeutet. " Anderseits können heute Abgasturbo lader mit so hohem Wirkungsgrad gebaut werden, dass nicht die ganze, in den Abgasen des Motors enthaltene Energie für den An trieb der Turbine benötigt wird.
Es sind denn auch schon Vorschläge zur Ausnutzung der Überschussenergiebekanntgeworden. Dar- unter sind auch solche, die vorsehen, einen Teil oder die gesamte Überschussenergie dazu zu verwenden, den Läufer des Laders bei Lasterhöhung rascher zu beschleunigen. Bei spielsweise wurde vorgeschlagen, einen Teil der Ladeluft mit den Abgasen gemischt oder getrennt durch die Turbine zu schicken.
Die sem Verfahren haftet jedoch der Nachteil an, dass der Läufer des Abgasturboladers erst beschleunigt wird, wenn er das der neuen Motorleistung entsprechende Luftgewicht schon abgeben sollte.
Erfindungsgemäss wird dieser Nachteil dadurch behoben, dass der Abgasturbolader im Beharrungszustand des Motors mit einer höheren als der durch den verlangten Lade druck und die vom Motor geschluckte Luft menge bestimmten Solldrehzahl betrieben wird.
Die Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens besteht in. einem derart bemesse- nen, an einem Flugmotor vorgesehenen Ab gasturbolader, dass er im Beharrungszustand des Motors mit einer höheren als der durch den verlangten Ladedruck und die vom Mo- tor geschluckte Luftmenge bestimmten Soll drehzahl dreht.
Lösungen, die ermöglichen, den Lader mit einer höheren Drehzahl als der Solldreh zahl drehen zu lassen, sind beispielsweise die folgenden: 1. Das Gebläse wird grösser bemessen als für die Luftmenge, die der Motor im Behar- rungszustand schluckt. Die Differenz wird abgeblasen. Hierzu dient eine ins Freie füh rende Leitung, aus der die Luft entgegen der Flugrichtung austritt.
Diese Umgehungs- leitung wird geschlossen, sobald ein Mehr bedarf an Luft eintritt, also ein grösseres Luftgewicht verlangt wird. Wird ein mecha nisch betriebener Lader ausser dem Abgas- turbolader vorgesehen, so kann dessen Druck- verhältnis herabgesetzt werden. Ist eine Rückstossdüse vorgesehen (siehe z. B. franz.
Patentschrift - Nr. 864544), so wird die abgeblasene Luft mit Vorteil vor dieser ein geführt. Dadurch wird erreicht, dass bei ge schlossener Luftumgehungsleitung der Ge gendruck nach dem Motor sinkt (raschere Leistungssteigerung, besonders beim gespül ten Motor). Die Luft kann auch als Kühl luft für die Turbine verwendet werden.
2. Das Gebläse ,ist nur für die vom Motor geschluckte Luftmenge bemessen; der zu hohe Druck, der sich im Beharrungs zustand des Motors bei der erhöhten Lader drehzahl einstellt, wird: . a) am Austritt aus dem Gebläse durch Drosseln herabgesetzt, b) am Eintritt- in das Gebläse durch Saugdrosselung oder durch Vorrotation, im Umlaufsinn des Laders, herabgesetzt.
3. Selbstverständlich können diese beiden Lösungen gleichzeitig angewendet werden, indem das Gebläse ein grösseres Luftgewicht bei grösserem Druckverhältnis fördert.
Da die Gebläse, im Diagramm gesehen, auf verschiedenen Betriebslinien fördern intissen, ist es von Vorteil, die hier angeführ ten Lösungen vorzugsweise mit verstellbaren Diffusoren anzuwenden. Auf diese Weise wird ermöglicht, die Lader mit nahezu kon- stantem Wirkungsgrad drehen zu lassen, trotz verschiedener Betriebslinien.
An Hand der Zeichnung sei das Verfall ren nach der Erfindung in seinen verschiede nen: Lösungen zusammen mit den schema- tisch dargestellten beispielsweisen Einrich tungen zur Ausübung des Verfahrens näher erläutert.
Die Fig. 1 bis 3 dienen zur Erklärung der Betriebsweise gemäss der Lösung 1 des Verfahrens: In Fig. 1 ist 1 ein Motor beliebiger Zylin- derzahl, 3 eine Abgasturboladerwelle, 4 eine Abgasturbine, 5 ein von ihr angetriebenes Gebläse, 8 eine Umgehungsleitung für Luft, 9 ein Drosselorgan darin, 10 eine Umge- hungsleitung für Gas.
Der Reguliervorgang gemäss oben be schriebener Lösung 1 spielt sich beispiels weise folgendermassen ab: Der Flugmotor nach dem Ottoprinzip, beispielsweise mit Ver gaser, muss bei höherer Drehzahl und höhe rer Leistung mehr Luftgewicht schlucken, welches vom Lader zu liefern ist.
In dem Moment, wo das grössere Luftgewicht benö tigt wird, ist der Lader jedoch noch nicht im- stande, dieses zu liefern, so dass eine vorüber gehende Drucksenkung in der Leitung zwi schen Lader und Motor entsteht. Diese Drucksenkung wirkt auf das Drosselorgan 9 und schliesst diese Drossel in der Umgehungs leitung 8 der Luft.
Dadurch kann - weniger Luft hinter dem Lader austreten, wodurch ein erhöhtes Luftgewicht dem Motor zuge führt wird, wie verlangt.
Im gleichen Sinne kann diese vorüber gehende Drucksenkung dazu benützt werden, im Fall der oben beschriebenen Lösung. 2 r ein Drosselorgan in der Druck- oder Saug leitung des Laders zu betätigen.
In Fig. 2 ist ausser dem Abgasturbolader noch ein mechanisch getriebener Lader 2 vorgesehen, der beliebigen Typs sein kann, sowie eine Rückstossdüse 6 mit Gassammler 7 dazu in beliebiger Zahl.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Druckvolumen- kurven des Abgastürbogebläses. Die<B>-</B> Abszis- sen. geben das Luftgewicht und die Ordina ten den Laderenddruck an.
Beispiel Lösung 1: Die Drehzahl des Mo tors 1 wird plötzlich erhöht; der Ladedruck wird durch einen Regler, der die durch die Umgehungsleitung 10 abströmende Gas menge beherrscht (in den Figuren nicht dar gestellt), konstant gehalten.
In Fig. 3 ist A' der Betriebspunkt des Motors vor Beginn des Reguliervorganges, G' ist das vom Motor geschluckte Luftge wicht, welches der Lader liefern müsste, wenn keine Umgehungsleitung 8 vorhanden wäre, a' die zu diesem Zustand gehörende Solldrehzahl des Abgangsturboladers.
<I>A",</I> d', G" gelten. analog nach Beendi gung des Reguliervorganges. Wird durch die Umgehungsleitung 8 ein Luftgewicht (G-G') abgeblasen, so stellt sich anstatt der Dreh zahl a' eine höhere Drehzahl<I>a</I> des Gebläses gemäss seiner Charakteristik ein. Diese kann kleiner, gleich oder grösser als die Drehzahl a" sein, je nach dem Betrag, um den die Leistung oder die Drehzahl des Motors er höht wird.
Beispiel Lösung 2a: Die Drehzahl des Motors 1 wird plötzlich erhöht, der Lade druck wird durch einen Regler, der auf ein Drosselorgan 11 gemäss Fig. 5 wirkt, konstant gehalten.
In Fig. 4 ist A' der Betriebspunkt des Motors vor -Beginn des Reguliervorganges, P' ist der Ladedruck vor dem Motor, er wäre gleich dem Laderenddruck, wenn nicht das Drosselorgan 11 zwischen Lader und Motor gemäss Fig. 5 den Laderenddruck von P auf P heruntersetzen würde. Der Lader ist aber für diesen Laderenddruck P ausgelegt. a' ist die Solldrehzahl, die dem Zustand P ent sprechen würde.
Es soll aber auf der höheren Drehzahl a des Laders gefahren werden, wes halb der Druck P auf den Wert P durch das Drosselorgan 11 gemäss Fig. 5 zu brin- gen ist.
<I>A"</I> und a" gelten sinngemäss nach Been digung des Reguliervorganges.
In Fig. 6 tritt an Stelle des Drosselorga- nes 11" der Fig. 5 ein Drosselorgan 12 am Eintritt des Laders, welches auch gemäss Fig. 7 durch ein Leitgitter für Vorrotation der Luft im Umlaufssinn des Laders ersetzt werden kann. In beiden Fällen ist Lösung 2b durchführbar.
Process for operating aircraft engines with exhaust gas turbochargers that are not mechanically coupled to the engine, as well as the device for carrying out this process. While it is well known that the speed of an exhaust gas turbocharger, i.e. a group consisting of exhaust gas turbine and fan, for charging an internal combustion engine, or motor for short,
can easily be adapted to the air requirement of the engine in stationary operation, this does not simply apply during load or speed changes. If, in particular, the power of the motor is to be increased, this can only be done in accordance with the increased air weight promoted by the accelerating fan.
For engines in which the fuel is weight in a fixed ratio to the air, such. B. in gasoline engines, this is particularly true. But this also applies to other engines, such as B. Injection engines in which there is an unfavorable excess of air or the purging is impaired.
Since experience has shown that increasing the speed of the turbocharger takes considerably more time than z. B. the increase in the engine speed, the maneuverability of an aircraft is worsened by the exhaust turbo-Aufla.dung.
It has therefore already been proposed to connect a supercharger driven by the engine downstream of the exhaust gas turbocharger, but this has the disadvantage that the supercharger must be built for a pressure ratio that means a noticeable loss of power for the engine. "On the other hand, exhaust gas turbochargers can now be built with such a high degree of efficiency that not all of the energy contained in the engine's exhaust gases is required to drive the turbine.
Proposals for utilizing the excess energy have already become known. This also includes those that provide for some or all of the excess energy to be used to accelerate the rotor of the charger more quickly when the load increases. For example, it has been proposed to send part of the charge air mixed with the exhaust gases or separately through the turbine.
However, this method has the disadvantage that the runner of the exhaust gas turbocharger is only accelerated when it should already deliver the air weight corresponding to the new engine output.
According to the invention, this disadvantage is remedied in that the exhaust gas turbocharger is operated in the steady state of the engine at a higher setpoint speed than that determined by the required loading pressure and the amount of air swallowed by the engine.
The device for carrying out this method consists in an exhaust gas turbocharger of such a size, provided on an aircraft engine, that when the engine is in the steady state it rotates at a set speed higher than that determined by the required boost pressure and the amount of air swallowed by the engine.
Solutions that enable the supercharger to rotate at a higher speed than the target speed are, for example, the following: 1. The fan is dimensioned larger than for the amount of air that the engine swallows in the steady state. The difference is blown off. A pipe leading to the open air is used for this purpose, from which the air exits against the direction of flight.
This bypass line is closed as soon as there is a need for more air, i.e. a greater air weight is required. If a mechanically operated charger is provided in addition to the exhaust gas turbocharger, its pressure ratio can be reduced. If a recoil nozzle is provided (see e.g. French
Patent specification - No. 864544), the blown air is advantageously guided in front of this one. This ensures that when the air bypass line is closed, the back pressure downstream of the engine drops (faster increase in performance, especially when the engine is flushed). The air can also be used as cooling air for the turbine.
2. The fan is only designed for the amount of air swallowed by the motor; the excessively high pressure that occurs when the engine is stationary at the increased charger speed is:. a) reduced at the outlet from the fan by throttling, b) at the inlet into the fan by suction throttling or by pre-rotation, in the direction of rotation of the loader, reduced.
3. Of course, these two solutions can be used at the same time, in that the fan conveys a greater weight of air at a greater pressure ratio.
Since the fans, as seen in the diagram, intissen promote on different operating lines, it is advantageous to use the solutions listed here preferably with adjustable diffusers. In this way it is possible to let the superchargers rotate with almost constant efficiency, despite different operating lines.
With the aid of the drawing, the various types of decay according to the invention will be explained in greater detail: Solutions together with the schematically illustrated exemplary devices for performing the method.
1 to 3 serve to explain the mode of operation according to solution 1 of the method: In FIG. 1, 1 is an engine of any number of cylinders, 3 is an exhaust gas turbocharger shaft, 4 is an exhaust gas turbine, 5 is a fan driven by it, 8 is a bypass line for Air, 9 a throttle device in it, 10 a bypass line for gas.
The regulation process according to the above-described solution 1 takes place, for example, as follows: The aircraft engine based on the Otto principle, for example with a carburetor, has to swallow more air weight at a higher speed and higher output, which is to be supplied by the charger.
At the moment when the greater air weight is required, the charger is not yet able to deliver it, so that a temporary pressure drop occurs in the line between the charger and the engine. This pressure reduction acts on the throttle member 9 and closes this throttle in the bypass line 8 of the air.
As a result, less air can escape behind the charger, which leads to increased air weight to the engine, as required.
In the same way, this temporary pressure reduction can be used in the case of the solution described above. 2 r to operate a throttle in the pressure or suction line of the loader.
In Fig. 2, in addition to the exhaust gas turbocharger, a mechanically driven charger 2 is provided, which can be of any type, as well as a recoil nozzle 6 with gas collector 7 for this purpose in any number.
FIGS. 3 and 4 show pressure volume curves of the exhaust gas door blower. The <B> - </B> abscisses. indicate the air weight and the ordinates indicate the loader end pressure.
Example solution 1: The speed of the Mo sector 1 is suddenly increased; the boost pressure is kept constant by a regulator that controls the amount of gas flowing out through the bypass line 10 (not shown in the figures).
In Fig. 3, A 'is the operating point of the engine before the start of the regulating process, G' is the weight of Luftge swallowed by the engine, which the charger would have to deliver if there were no bypass line 8, a 'the target speed of the outlet turbocharger belonging to this state.
<I> A ", </I> d ', G" apply. analogously after the end of the regulation process. If a weight of air (G-G ') is blown off through the bypass line 8, instead of the speed a' a higher speed <I> a </I> of the fan is set according to its characteristics. This can be less, equal to or greater than the speed a ", depending on the amount by which the power or the speed of the motor it is increased.
Example solution 2a: The speed of the engine 1 is suddenly increased, the loading pressure is kept constant by a controller which acts on a throttle element 11 according to FIG.
In Fig. 4, A 'is the operating point of the engine before the start of the regulation process, P' is the boost pressure upstream of the engine, it would be equal to the loader end pressure, if the throttle element 11 between the loader and engine according to FIG P would decrease. However, the charger is designed for this end-of-load pressure P. a 'is the target speed that would correspond to state P.
However, it should be driven at the higher speed a of the supercharger, which is why the pressure P is to be brought to the value P by the throttle element 11 according to FIG.
<I> A "</I> and a" apply mutatis mutandis after the adjustment process has been completed.
In FIG. 6, instead of the throttle element 11 ″ of FIG. 5, a throttle element 12 occurs at the inlet of the supercharger, which can also be replaced according to FIG Solution 2b feasible.