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Freikolbenbrennkraftmaschine mit Gas als Brennstoff
Bei Maschinen mit freiliegenden Kolben ist der Hub nicht mechanisch begrenzt. Es muss deshalb dafür gesorgt werden, dass durch Zuführung zu grosser Brennstoffmenge der Hub der Kolben nicht unzu- lässig hoch wird und unter Umständen die Kolben zum Anschlagen an die Zylinderdeckel kommen. Bei
Verwendung flüssigen Brennstoffs lässt sich die einzuspritzende Menge durch Abmessung und Einstellung der
Brennstoffpumpe genau dosieren.
Bei der Anwendung gasförmiger Brennstoffe ist es bekannt, Gas in bestimmter Menge der Ladeluft vor dem Eintritt in den Motorzylinder beizumischen. Beim Zweitaktverfahren, das für Freikolbenmaschinen ausschliesslich in Frage kommt, hat dies jedoch den Nachteil, dass beim Spülen und Laden des Zylinders mit Gemisch es sich nur schwer vermeiden lässt, dass ein Teil des Gemisches durch dieAuspuffschlitze ent- weicht und so nicht ausgenutzt wird.
Weiterhin ist es bekannt, in den Motorzylinder während seines Verdichtungshubes über ein zwangs- läufig gesteuertes Ventil aus einer unter einem bestimmten Druck stehenden Leitung eine bestimmte Gasmenge einzublasen. Da die Menge ausser vom Druck und dem Ventilquerschnitt von der Zeit abhängt, in der das Ventil offensteht, kann es vorkommen, dass durch Änderung des Hubes der Kolben, des Druckes im Verdichterzylinder oder der Frequenz die zum Einblasen zur Verfügung stehende Zeit sich trotz Einhaltung des gleichen Kolbenweges für das Einblasen ändert und dem Motorzylinder unter Umständen eine unzulässig hohe Brennstoffmenge zugeführt wird.
Es ist auch bekannt, bei gasbetriebenen Motoren mit Kurbelwelle vor dem Motorzylinder einen Behälter anzuordnen, der während des Füllens mit Gas vom Motorzylinder abgesperrt wird. Dieser Behälter dient zum Ausgleich von Druckschwankungen und besitzt ein entsprechend grosses Volumen, z. B. das Mehrfache des Hubvolumen des Motorzylinders.
Es bestünde auch die Möglichkeit, ähnlich wie bei Maschinen mit Pumpe für flüssigen Brennstoff an der Maschine eine Gaspumpe vorzusehen, die das Brenngas ansaugt und mit bestimmtem Druck dem Motorzylinder zuführt. Abgesehen davon, dass die angesaugte und geförderte Gasmenge durch Hubänderung der Kolben verändert wird, verlangen solche Pumpen bei niedrigem zur Verfügung stehendem Gasdruck oder bei geringem Heizwert des Brenngases sehr grosse Abmessungen, erhöhen das Triebwerksgewicht und vergrössern die Abmessungen der Maschine.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln dem Motorzylinder eine genau dosierte Gasmenge zuzuführen und diese Menge bei gewünschter Leistungsänderung zu regeln.
Die Erfindung geht aus von einer Freikolben-Brennkraftmaschine mit Gas als Brennstoff, bei der das Gas dem Motorzylinder nach Abschluss der Spül-und Auspuffschlitze aus einem Zwischenbehälter zugeführt wird, dessen Füllen in der Zeit erfolgt, in der die Verbindung zum Motorzylinder geschlossen ist und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenbehälter so bemessen ist, dass sein Inhalt an Brenngas der dem Motorzylinder für einen Arbeitshub zuzuführenden Gasmenge entspricht. Die Füllung und Entleerung des Zwischenbehälters erfolgt mittels eines vom Triebwerk zwangsläufig gesteuerten Ventiles, wobei das Ventil so ausgebildet ist, dass es in zum Motorzylinder offenem Zustand die Zufuhr des Gases von der Leitung zum Behälter absperrt und in zum Motorzylinder hin geschlossenem Zustand die Zufuhr des Gases zum Behälter öffnet.
Damit kann niemals mehr als die im Speicherbehälter vorhandene genau dosierte Gasmenge in den Motorzylinder gelangen.
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Die Regelung der zuzuführenden Gasmenge kann auf verschiedene Weise erfolgen. Steht ein genügend hoher Druck des Brenngases zur Verfügung, so kann erfindungsgemäss die Regelung der Gasmenge dadurch erfolgen, dass ein vom Reglerimpuls, z. B. vom Förderdruck oder Ansaugdruck oderFülldruck des Samm- lers bei Verdichtern usw. beeinflusstes, in der Zuleitung zum Gasbehälter angeordnetes Druckreduzier- ventil den Druck des dem Gasbehälter zugeführten Gases ändert. Damit ändert sich dann, da das Volu- men des Gasbehälters konstant ist, die dem Motorzylinder zugeführte Gasmenge nach dem Fülldruck des
Behälters.
Die Regelung kann aber auch in der Weise erfolgen, dass der während des Einblasens im Motorzylinder ansteigende Verdichtungsdruck zur Veränderung der Gasmenge herangezogen wird, wobei der Fülldruck des Behälters immer gleich bleibt. Der Behälter kann sich auch bei schnellster Entladung höchstens nur bis zu dem Druck entleeren, der im Motorzylinder gerade als Kompressionsdruck besteht.
Verwendet man zum
Antrieb des oben erwähnten zwangsläufig gesteuerten Ventils eine normale Brennstoffpumpe, deren Men- genregelung zugleich den Beginn der Brennstoffeinspritzung verändert, so erfolgt bei Einstellung der Pumpe auf grosse Menge das Öffnen des Ventils schon zu einem Zeitpunkt, zu dem der Kompressionsdruck im
Motorzylinder noch niedrig ist, bei Einstellung der Pumpe auf kleine Menge erfolgt das Öffnen des Ventils später zu einem Zeitpunkt, zu dem der Kompressionsdruck höher liegt, so dass dann der Gasbehälter sich nur bis zu diesem Druck entleeren kann. Der Pumpenkolben muss hiezu mit einer obenliegenden schrägen
Steuerkante versehen sein. Das Schliessen des Ventils erfolgt durch Federdruck, wenn die Pumpe in übli- cher Weise durch Rückströmen der Druckflüssigkeit entlastet wird.
Da sich hiebei der wirksame Pumpenhub und damit dieöffnungszeit das Ventils verkürzt, muss derVentilquerschnitt nach dem kleinsten benutzten
Pumpenhub bzw. der Öffnungszeit bemessen werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung, u. zw. zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Freikolben-Brennkraftmaschine und Fig. 2 einen Schnitt des am Motorzylinder vorgesehenen Gasbehälters und der Ventilsteuereinrichtung.
Am Motorzylinder l mit dem Kühlmantel 2 ist ein Gasbehälter 3 angesetzt. In einer Büchse 4 arbei- tst der Ventilkörper 5, der mit kolbenförmigen Ansätzen 6 und 7 versehen ist. Die Feder 8 zieht das Ventil auf seinen Sitz. Durch eine Bohrung 9 strömt Brenngas über eine Ringnut 9a des Ventilkörpers 5 und über mehrere Bohrungen 10 in denGasbehälter 3, wenn der Ventilkörper 5 nach dem Motorzylinder hin geschlossen ist. Im Gasbehälter 3 ist zur Betätigung des Ventilkörpers ein Zylinder 11 mit einem darin verschiebbaren Plungerkolben 12 eingebaut. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Freikolbenbrennkraftmaschine ein Kupplungsgetriebe 20 zur Synchronisation der beiden Triebwerksseiten auf.
Dieses Getriebe schwingt um einen Punkt, an dem eine Welle 21 vorgesehen ist, die einen Nocken 13 aufweist, welcher im Betrieb oszillierend bewegt wird. Dieser Nocken 13 betätigt den Kolben 15 einer Hydraullkeinrichtung 14, die nach Art einer üblichen Brennstoffpumpe ausgebildet ist. Der Zylinder 22 der Einrichtung 14 ist über eine Leitung 16 mit dem Zylinder 11 des Steuerventils verbunden. Die Hydraulikeinrichtung 14 (Fig. 2) weist einen Vorratsbehälter 23 für das Hydraulikmittel, z. B. Öl, auf. Die In diesem Behälter 23 stehende Flüssigkeit umgibt den Zylinder 22. Der Zylinder weist zwei radiale Bohrungen 24 und 17 auf, die mit einer abgeschrägten Steuerkante 25 bzw. einer Ringnut 26 des Kolbens 15 zusammenwirken. Die Ringnut 26 steht über eine Axialbohrung 27 mit der oberen Kolbenfläche in Verbindung.
Soll aus dem Gasbehälter 3 dem Motorzylinder Brenngas zugeführt werden, wird durch den Nocken 13 der Kolben 15 angehoben. Bevor die Steuerkante 25 die Öffnung 24 erreicht, wird das Hydraulikmittel durch die Bohrung 24 in den Behälter 23 gefördert, nach Absperrung dieser Bohrung 24 wird in dem Zylinder 22 ein Druck aufgebaut, der sich über die Leitung 16 nach dem Zylinder 11 in den Gasbehälter 3 fortpflanzt und über den Kolben 12 den Ventilkörper 5 verschiebt und von seinem Sitz abhebt. Der kolbenförmige Ansatz 6 schliesst die Zufuhr von Brenngas zum Motorzylinder noch so lange ab, bis der kolbenförmige Ansatz 7 die Bohrung 9 verschlossen hat, so dass erst bei weiterem Hub Brenngas In den Motorzylinder strömt.
Sobald die Ringnut 26 mit der Bohrung 17 zur Deckung kommt, wird die Leitung 16 über die Bohrung 27, die Ringnut 26 und die Bohrung 17 entlastet und der Ventilkörper 5 wird durch die Vemilfeder 8 in die Schliessstellung gezogen.
Soll die Brenngasmenge bei konstantem Druck in der Gaszuführungsleitung 18 geregelt werden, wird die hydraulische Steuereinrichtung 14 mit einem Regler zum Verdrehen des Pumpenkolbens 15 versehen. Hiedurch kann der Zeitpunkt des Beginns der Betätigung des Ventils 5 früher oder später gelegt werden, weil die schräge Steuerfläche 25 entsprechend ihrer Stellung die Öffnung 24 früher oder später schliesst, so dass das Einblasen gegen niedrigeren oder höheren Kompressionsdruck im Motorzylinder erfolgt und der Gasbehälter sich infolgedessen mehr oder weniger entleert.