<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
Die Erfindung bezieht sich auf Viertaktverbrennungskraftmaschinen jener Art, bei der für die Verdichtung des brennbaren Gases und der Verbrennungsluft bzw. des Sauerstoffes besondere Zylinder vorgesehen sind, in denen die beiden Ladebestandteile bis zum Selbstzündungsdruek verdichtet werden, worauf die Verbindung der beiden Zylinder und damit die Zündung erfolgt.
Bei der Maschine nach der Erfindung wird als brennbares Gas Wasserstoff verwendet, das bereits unter Druck in den einen Zylinder eingeführt wird. Als zweiter Ladebestandteil wird entweder Luft verwendet, die in den andern Zylinder gesaugt wird, oder Sauerstoff der ebenso wie der Wasserstoff unter Druck in den letztgenannten Zylinder gelangt. Die Verdichtung erfolgt auf einen weit höheren Druck (40 Atm. und mehr) als jenen, dem die Zündllngstemperatur entspricht. Sodann erfolgen die Verbindung der beiden Zylinder, die Zündung und Arbeitsleistung wie bei den bekannten Maschinen.
Durch die höhere Verdichtung sowie durch die Einführung des Wasserstoffes und gegebenenfalls auch des Sauerstoffes unter Druck in die zugehörigen Zylinder wird die Leistung der Maschine im Verhältnis zum Brenn. stoffverbrauch wesentlich erhöht und der Raumbedarf der Maschine verringert. Dabei bleiben die Vorteile einer sicheren Vermeidung von Frühzündungen und der Fortfall einer besonderen Zündvorrichtung erhalten.
Die Maschine wird vorzugsweise mit mehreren Zwillingszylinderpaaren ausgeführt, die mit Anlasszylindern zusammenarbeiten und mit einer Steuerung für den Einlass und Auslass versehen sind.
In der Zeichnung ist eine solehe Maschine beispielsweise schematisch veranschaulicht.
Fig. 1 ist ein lotrechter axialer Schnitt durch die Zylinder nach der Linie A-B in Fig. 3, Fig. 2 ein lotrechter Querschnitt nach der Linie C-D in Fig. 1. Fig. 4 ein lotrechter Querschnitt nach der Linie E-F in Fig. 1 und Fig. 3 ein schematischer Grundriss, aus dem die Anordnung der Zylinder und Steuerorgane ersichtlich ist.
Die dargestellte Maschine besitzt wie üblich ein Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle 2 drehbar gelagert ist ; diese wird durch Kolbenstangen 3 und Kolben 4 betätigt, die in aus dem Gussstück 5 ausgebohrten Zylindern beweglich sind. Bei dem gewählten Beispiel besitzt die Maschine zwei Zwillingszylindergruppen, die durch zwei Anlasszylinder voneinander getrennt sind. Die Zylinder jeder Kraftgruppe sind mit 6 und 7 bezeichnet, wobei die Zylinder 6 zur Verdichtung des Wasserstoffes, die Zylinder 7 zur Verdichtung der zur Verbrennung nötigen Luft dienen. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besitzen die Kolben eine Länge, die nahezu der Hublänge gleich ist, so dass sie mit einer grossen Anzahl Dichtungsringen 8 zur Verhinderung des Entweichens von Gas trotz des hohen Verdichtungsdrnckps versehen werden können.
Zwischen den beiden Zwillingszylindergruppen ss, 7 befinden sich zwei Anlasszylinder 9 mit je einem Kolben 10. Diese Zylinder sind durch Kanäle 11 (in Fig. 3 strichliert angedeutet), die im Deckelboden des Gussstückes 5 angebracht sind, mit dem Gehäusen 12, 13 verbunden, die zur Aufnahme der Steuerorgane dienen, die den Einlass und Auspuff des zum Anlassen
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
die durch einen Kolbenschieber 15 gesteuert werden. Jeder Zylinder 6 steht anderseits seitlich durch Kanäle 16, 17 mit den durch einen Deckel 21 abgeschlossenen Räumen 19, 20 in Verbindung, in denen sich Kolbenschieber 22 (Fig. 3) zum Einlassen des Brenngases und Auspuffen der Verbrennungsrückstände aus diesen Zylindern befinden.
Die Zylinder 7 stehen
EMI2.2
denen sich Kolbenschieber 27 für den Einlass des Zündgases einerseits und für den Auspuff der Verbrennungsrückstände aus den Zylindern 7 anderseits befinden. Die Räume 19 der Zylinder 6 stehen durch Stutzen 28 (Fig. 3) mit der Wasserstoffgaszuführung und die Kammern 2 () durch Kanäle 29 mit einem gemeinsamen Auspuffkanal 30 (Fig. 3) in Verbindung. Die den Zylindern 7 entsprechenden Räume 25 stehen in ähnlicher Weise mit einem Einlassstutzen 31 für den andern Ladebestandteil, im vorliegenden Fall atmosphärische Luft, und die Räume 26 durch Kanäle 29 mit dem gemeinsamen Auspuffkanal 30 (Fig. 2,3) in Verbindung.
Die einzelnen bei dem gewählten Beispiel durch Kolbenschieber gebildeten Steuerorgane können in irgendwelcher Weise betätigt werden. Im vorliegenden Falle ist auf jeder Seite der Maschinenmittellinie eine Steuerwelle 32 (Fig. 2) angeordnet, die ihre Bewegung mittels eines Zahnradgetriebes 33,34, 35, 36 von der Kurbelwelle 2 erhält. Eine der beiden Steuerwellen 32 betätigt mittels Nocken 37 alle Einlasskolbenschieber, die zu diesem Zweck durch Federn 38 mit ihren Spindeln 39 und Rollen 40 auf die entsprechenden Nocken gedrückt werden. Die andere Steuerwelle 32 betätigt mittels Nocken 41 alle Auspuffkolbenschieber und mittels Nocken 42 (Fig. 4) die Kolbenschieber 15, die die Verbindung zwischen den Zylindern 6, 7 desselben Zwillingszylinderpaares über die Kanäle 14 herstellen.
Zu diesem Zweck wirken die Nocken 42 auf Stangen 43, welche die bei 45 auf den Zylinderköpfen schwingbar gelagerten, an den Kolbenschiebern 15 angreifenden Kipphebel 44 betätigen.
Bei normalem Betrieb arbeitet die Maschine wie folgt :
Wenn angenommen wird, dass die in den Räumen 19 angeordneten Kolbenschieber 22 sowie die in den Räumen 25 angeordneten Kolbenschieber 27 die Verbindung zwischen den Zylindern 6,7 und den Einlassstutzen 28, 31 in dem Augenblicke hergestellt haben, in dem die Kolben 4 der Zylinder 6, 7 sich am oberen Ende ihres Hubes (nach einem Auspuffhub) befinden, dann wird bei der folgenden Abwärtsbewegung der Kolben 4 in diesen Zylindern Luft durch den Stutzen 31 hindurch in den Zylinder 7 gesaugt, während Wasserstoff durch den Stutzen 28 hindurch in den Zylinder 6 strömt (Fig.
3). Die Zylinder 6, 7 werden demnach mit einer dem ganzen Ladungsinhalt entsprechenden Menge Gas und Luft gefüllt, und bei der nächsten Aufwärtsbewegung der Kolben in den Zylindern 6, 7 werden nach dem Schliessen der durch die Kolbenschieber 22, 27 gesteuerten Kanäle Luft und Gas (Wasserstoff) in den Zylindern bis auf 40 Atm. oder mehr verdichtet, wenn die Kolben wieder am oberen Hubende angelangt sind.
In diesem Augenblick werden die Kolbenschieber 15 durch den Kipphebel 44 bewegt, so dass die Verbindung zwischen den Kanälen 14 (siehe Stellung in Fig. 1) hergestellt wird, wodurch ein inniges Mischen der stark verdichteten Luft mit dem stark verdichteten Gas in den am oberen Ende der Zylinder vorgesehenen Verdichtungsräumen hervorgerufen wird. Das Gemisch entzündet sich unter der Wirkung der Verdichtungswärme von selbst, brennt gleichzeitig in beiden Zylindern 6, 7 und übt seine Expansionskraft auf die Kolben beider Zylinder aus, die dann ihren Arbeitshub ausführen.
Nachdem dieser Hub beendigt ist und die Kolbenschieber 15 die Kanäle 14 geschlossen haben, machen die in den Räumen 20 befindlichen Kolbenschieber 22 sowie die in den Räumen 26 befindliche Kolbenschieber 27 den Durchgang für die Verbrennungsgase frei, die bei der folgenden Aufwärtsbewegung der Kolben durch die Stutzen 27 in den gemeinsamen Auspuffkanal 30 auspuffen.
Bei einer derartigen Kraftmaschine ohne irgendwelche Zündvorrichtung muss naturgemäss der Anfangsarbeitshub beim Anlassen der Maschine durch ein Hilfsorgan erzeugt werden. Dieses Hilfsorgan wird im vorliegendem Fall durch die beiden zwischen den im Viertakt arbeitenden Zwillingszylinderpaaren 6, 7 angeordneten Anlasszylinder 9 (Fig. 1 und 3) gebildet. Das Anlassen kann ohne Schwierigkeit bewirkt werden, vorausgesetzt, dass die Antriebskurbeln der Kolben 10 der Anlasszylinder in einer geeigneten Stellung mit Bezug auf jene der Kolben 4 der Zwillingszylindergruppen 6, 7 eingestellt sind, so dass an jedem Kolbenhubende der Maschine stets einer der beiden Anlasskolben 10 sich am oberen Hubende befindet.
Da der dem in der Anlassstellung befindlichen Kolben entsprechende Einlasskolbenschieber des Gehäuses 12 in diesem Augenblick den Kanal 11 freigibt, genügt es, von Hand aus einen Hahn zu öffnen, um gespanntes Wasserstoffgas in den Zylinder 9 einzulassen und den genannten Anlasskolben vorwärts zu treiben, wodurch die Anfangsansaugung und Verdichtung in den Zwillingszylinder 6,7 erzielt wird.
Zu diesem Zweck stehen die Gehäuse 12, die die mit den Anlass-
<Desc/Clms Page number 3>
zylindern 9 zusammen arbeitenden Kolbenschieber enthalten (Fig. 3), durch Kanäle 4. 5 mit einem Gehäuse 46 in Verbindung, das bei 47 an die Wasserstoffgasleitung angeschlossen ist. Die Gehäuse/3 der den Auspuff des Gases aus den Anlasszylindern 9 steuernden Kolbenschieber sind unmittelbar durch Kanäle 48 mit dem gemeinsamen Auspuffkanal 30 verbunden.
Wenn bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Maschine mit Wasserstoff und Luft betrieben wird, besitzen die als Luftverdichter wirkenden Zylinder 7 einen grösseren Durchmesser als die Gaszylinder 6. Der Durchmesser der Zylinder 7 richtet sich jedoch danach, ob Luft oder Sauerstoff verwendet und welche Leistung der Maschine gefordert wird. Wenn reiner Sauerstoff zur Verwendung kommt, kann der Durchmesser des den Sauerstoff verdichtenden Zylinders natürlich bedeutend verringert werden und gleich jenem der Wasserstoffgaszylinder 6 sein.
Da die Maschine stets den für die Selbstzündung des Gemisches erforderlichen Verdichtungsgrad erzielen muss, wird die Veränderung der Maschinenleistung zweckmässig dadurch bewirkt, dass entweder mehrere Zwillingszylinderpaare nacheinander und abwechselnd in Betrieb gesetzt werden oder der Druck des Wasserstoffgases von seinem Eintritt in die Zylinder geändert wird.
<Desc / Clms Page number 1>
EMI1.1
The invention relates to four-stroke internal combustion engines of the type in which special cylinders are provided for the compression of the combustible gas and the combustion air or oxygen, in which the two charge components are compressed to the self-ignition pressure, whereupon the connection of the two cylinders and thus the ignition he follows.
In the machine according to the invention, hydrogen is used as the combustible gas, which is already introduced into one cylinder under pressure. As a second charge component, either air is used, which is sucked into the other cylinder, or oxygen, which, like hydrogen, enters the last-named cylinder under pressure. The compression takes place to a much higher pressure (40 atm. And more) than that to which the ignition temperature corresponds. Then the connection of the two cylinders, the ignition and work performance take place as with the known machines.
Due to the higher compression and the introduction of hydrogen and possibly also oxygen under pressure into the associated cylinder, the performance of the machine is in relation to the combustion. Material consumption increases significantly and the space required by the machine is reduced. The advantages of reliable avoidance of pre-ignition and the elimination of a special ignition device are retained.
The machine is preferably designed with several pairs of twin cylinders, which work together with starting cylinders and are provided with a control for the inlet and outlet.
Such a machine is illustrated schematically in the drawing, for example.
1 is a vertical axial section through the cylinders along the line AB in FIG. 3, FIG. 2 is a vertical cross section along the line CD in FIG. 1. FIG. 4 is a vertical cross section along the line EF in FIGS 3 is a schematic plan view from which the arrangement of the cylinders and control elements can be seen.
The machine shown has, as usual, a crankcase in which a crankshaft 2 is rotatably mounted; this is actuated by piston rods 3 and pistons 4, which are movable in cylinders drilled out of the casting 5. In the example chosen, the machine has two groups of twin cylinders which are separated from one another by two starting cylinders. The cylinders of each power group are denoted by 6 and 7, the cylinders 6 being used to compress the hydrogen and the cylinders 7 to compressing the air required for combustion. As can be seen from the drawing, the pistons have a length which is almost equal to the stroke length, so that they can be provided with a large number of sealing rings 8 to prevent gas from escaping despite the high compression pressure.
Between the two twin cylinder groups ss, 7 there are two starting cylinders 9, each with a piston 10. These cylinders are connected to the housings 12, 13 by channels 11 (indicated by dashed lines in Fig. 3) which are attached in the cover base of the casting 5, which are used to accommodate the control organs that control the inlet and exhaust of the engine
<Desc / Clms Page number 2>
EMI2.1
which are controlled by a piston valve 15. On the other hand, each cylinder 6 communicates laterally through channels 16, 17 with the spaces 19, 20 closed by a cover 21, in which there are piston valves 22 (FIG. 3) for admitting the fuel gas and exhausting the combustion residues from these cylinders.
The cylinders 7 are standing
EMI2.2
which are piston valves 27 for the inlet of the ignition gas on the one hand and for the exhaust of the combustion residues from the cylinders 7 on the other. The spaces 19 of the cylinders 6 are connected to the hydrogen gas supply through nozzles 28 (FIG. 3) and the chambers 2 () through channels 29 with a common exhaust channel 30 (FIG. 3). The spaces 25 corresponding to the cylinders 7 are similarly connected to an inlet connection 31 for the other loading component, in the present case atmospheric air, and the spaces 26 through ducts 29 to the common exhaust duct 30 (FIGS. 2, 3).
The individual control members formed by piston valves in the example chosen can be operated in any way. In the present case, a control shaft 32 (FIG. 2), which receives its movement from the crankshaft 2 by means of a gear mechanism 33, 34, 35, 36, is arranged on each side of the machine center line. One of the two control shafts 32 actuates all inlet piston slides by means of cams 37, which for this purpose are pressed by springs 38 with their spindles 39 and rollers 40 onto the corresponding cams. The other control shaft 32 actuates all exhaust piston slides by means of cams 41 and the piston slides 15 by means of cams 42 (FIG. 4), which establish the connection between the cylinders 6, 7 of the same twin cylinder pair via the channels 14.
For this purpose, the cams 42 act on rods 43 which actuate the rocker arms 44 which are pivotably mounted on the cylinder heads at 45 and which engage the piston slides 15.
In normal operation, the machine works as follows:
If it is assumed that the piston valves 22 arranged in the spaces 19 and the piston valves 27 arranged in the spaces 25 have established the connection between the cylinders 6, 7 and the inlet ports 28, 31 at the moment when the pistons 4 of the cylinders 6 , 7 are at the upper end of their stroke (after an exhaust stroke), then during the subsequent downward movement of the piston 4 in these cylinders, air is sucked through the nozzle 31 into the cylinder 7, while hydrogen is drawn through the nozzle 28 into the cylinder 6 flows (Fig.
3). The cylinders 6, 7 are accordingly filled with an amount of gas and air corresponding to the entire charge content, and during the next upward movement of the pistons in the cylinders 6, 7, after the channels controlled by the piston slide 22, 27 are closed, air and gas (hydrogen ) in the cylinders up to 40 atm. or more compressed when the pistons have reached the top of their stroke again.
At this moment the piston slides 15 are moved by the rocker arm 44, so that the connection between the channels 14 (see position in Fig. 1) is established, whereby an intimate mixing of the highly compressed air with the highly compressed gas in the one at the upper end the cylinder provided compression spaces is caused. The mixture ignites by itself under the effect of the compression heat, burns simultaneously in both cylinders 6, 7 and exerts its expansion force on the pistons of both cylinders, which then carry out their working stroke.
After this stroke has ended and the piston valves 15 have closed the channels 14, the piston valves 22 located in the spaces 20 and the piston valves 27 located in the spaces 26 free the passage for the combustion gases, which during the subsequent upward movement of the pistons through the nozzle 27 exhaust into the common exhaust duct 30.
In such an engine without any ignition device, the initial working stroke must naturally be generated by an auxiliary element when the engine is started. In the present case, this auxiliary member is formed by the two starting cylinders 9 (FIGS. 1 and 3) arranged between the twin cylinder pairs 6, 7 operating in four-stroke cycles. Starting can be effected without difficulty, provided that the drive cranks of the pistons 10 of the starting cylinders are set in a suitable position with respect to those of the pistons 4 of the twin cylinder groups 6, 7, so that at each piston stroke end of the machine there is always one of the two starting pistons 10 is at the top of the stroke.
Since the inlet piston valve of the housing 12 corresponding to the piston in the starting position releases the channel 11 at this moment, it is sufficient to open a cock by hand to let the pressurized hydrogen gas into the cylinder 9 and to drive the said starting piston forward, whereby the Initial suction and compression in the twin cylinder 6.7 is achieved.
For this purpose, the housings 12, which are connected to the starting
<Desc / Clms Page number 3>
cylinders 9 containing piston valves working together (Fig. 3), through channels 4.5 with a housing 46 in connection which is connected at 47 to the hydrogen gas line. The housings / 3 of the piston valves controlling the exhaust of the gas from the starting cylinders 9 are directly connected to the common exhaust duct 30 through ducts 48.
If, in the illustrated embodiment, the machine is operated with hydrogen and air, the cylinders 7 acting as air compressors have a larger diameter than the gas cylinders 6. The diameter of the cylinders 7, however, depends on whether air or oxygen is used and what performance of the machine is required becomes. When pure oxygen is used, the diameter of the cylinder compressing the oxygen can of course be significantly reduced and be the same as that of the hydrogen gas cylinders 6.
Since the machine always has to achieve the degree of compression required for auto-ignition of the mixture, the change in machine performance is expediently brought about by either putting several pairs of twin cylinders into operation one after the other or alternately or changing the pressure of the hydrogen gas as it enters the cylinder.