CH622315A5 - Device for controlling an internal combustion engine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern einer Verbrennungskraftmaschine.

Mechanische Ventilvorrichtungen mit Nockenantrieb werden schon lange gebraucht um Verbrennungskraftmaschinen zu steuern, weisen jedoch einige Mängel auf, die weiter unten beschrieben werden. Erstens sind diese Ventilvorrichtungen gross in den äussern Abmessungen und kompliziert in ihrer Konstruktion, so dass der taechanische Aufwand und die Geräuschentwicklung hoch sind und eine schnelle Umsteuerung der Maschine nicht erreicht werden kann. In einigen Maschinen wird ein einfacher Nocken oder ein Nockenschaft verwendet, um nicht nur eine Brennstoffpumpe anzutreiben, welche einen hohen Brennstoffinjektionsdruck in der Grössenordnung von 1000 kg/cm2 erzeugt,

sondern auch einen Brennstoffinjektionszeitsteuermecha-nismus und ein Injektionsmengensteuermechanismus. Der Nocken oder Nockenschaft wird dabei durch grosse Getriebe und Ketten angetrieben, so dass die Abgleichung (in der Grössenordnung von 10~2— IO-1 mm) des Zeit- und Mengen-steuermechanismus und der Maschinenleistung oder des Verbrennungsdruckes in einem Zylinder nur durch erfahrene Mechaniker ausgeführt werden kann. Weiterhin tendieren die justierten Teile dazu, infolge von Temperaturänderungen, Vibrationen, Abrieb, Abnützung und Ausdehnung während des Betriebes vom eingestellten Wert abzuweichen. Die Ventilzeitsteuerung ist im allgemeinen unabhängig von Veränderungen in Last oder Geschwindigkeit eingestellt und die Zeitsteuerung der Brennstoffventile kann nicht frei während des Betriebes verändert werden, so dass es sehr schwierig ist, immer einen optimalen Wirkungsgrad zu erhalten. Als Folge davon ist es schwierig mit den verschiedenen Maschinen die Probleme der Umweltverschmutzung zu lösen oder den NOx-Gehalt in den Auspuffgasen zu reduzieren.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obge-nannten Nachteile sowie andere Probleme der konventionellen Verbrennungskraftmaschinen zu vermeiden.

Die wird erfindungsgemäss erreicht durch ein durch elektrische Ein- und Aussignale angetriebenes Steuerventil,

eine Rechen-Steuereinheit, welche aufgrund eines elektrischen Signales, welches für die Bewegung der Kolben oder der Kurbelwelle der Maschine repräsentativ ist, die Öffnungs- und Schliessungszeiteinteilung des elektrisch angetriebenen Steuerventils berechnet und die Signale der berechneten Öffnungs- und Schliesszeiteinteilung zum elektrisch angetriebenen Steuerventil überträgt, einen hydraulischen Zylinder, der durch das elektrisch angetriebene Steuerventil gesteuert wird, um ein Ventil zu öffnen und zu schliessen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zur Steuerung einer Verbren-ungskraftmaschine gemäss der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Längsschnitt eines hydraulischen Steuerventils, welches in der Vorrichtung gemäss Fig. 1 gebraucht wird;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Rechen-Steuereinheit, welche im zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird;

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer andern Rechen-Steuereinheit, welche im zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird, und

Fig. 6 einen Längsschnitt eines hydraulischen Steuerventils, welches im zweiten Ausführungsbeispiel verwendet wird.

Im ersten Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 1 und 2 wird mit dem Bezugszeichen 1 eine Verbrennungskraftmaschine bezeichnet; 2 bezeichnet einen Messfühler für die Winkelgeschwindigkeit einer Kurbelwelle; 3 ist ein Wandler um die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle in eine Umlaufgeschwindigkeit umzuwandeln; 4 ist ein Generator, welcher die Instruktion für Vorwärts- oder Rückwärtsbetrieb liefert; 5 ist ein Parametergenerator zur Erzeugung eines Parameters, welcher in der Berechnung zur Bestimmung der Ventilzeitsteuerung verwendet wird; 6 eine Rechen-Steuereinheit; 7 ein Komparator; 8 ein Verstärker; 9 ein

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piezoraotorisch angetriebenes hydraulisches Steuerventil; 10 ein hydraulischer Zylinder und 11 ein Ventil.

In Fig. 2 ist das piezomotorisch angetriebene Steuerventil zur Steuerung des hydraulischen Zylinders 10 im Detail dargestellt. Es umfasst mehrschichtige piezoelektrische Messwandler (Stellglied für feine Bewegung) 12 und 12' von denen jeder aus einer Schichtung einer positiven Elektrode eines keramischen piezoelektrischen Elementes und einer negativen Elektrode besteht, die vertikal in der oben erwähnten Reihenfolge angeordnet sind, so dass beim An-und Abschalten einer Spannung über den MessWandlern 12 oder 12' dieselben in Richtung der Doppelpfeile expandiert oder kontrahiert werden.

Das Steuerventil 9 umfasst ein Gehäuse bestehend aus drei einzelnen Mantelteilen 13,19 und 20 und die mehrschichtigen piezoelektrischen Messwandler 12 und 12' sind im oberen Mantelteil 13 angeordnet und mit einem Deckel 14 verschlossen. Kolben 15 und 16 oder 15' und 16' sind in Kolbenführungen 17 und 17' unterhalb des Bodens der Messwandler 12 oder 12' in einer solchen Weise befestigt,

dass sie flüssigkeitsdicht vertikal gleiten können. Mit den Kolben 15 und 16 ist das obere Ende einer Ventilstange 18 oder 18' verbunden, wobei sich innerhalb der Ventilstangen ein Öldurchgang 27 erstreckt. Die Ventilstange 18 oder 18' erstreckt sich durch den mittleren Mantelteil 19 und endet im unteren Mantelteil 20. Ein Ventilköiper 21 oder 21 ', welcher zwischen dem mittleren Mantelteil 19 und der Ventilstange 18 oder 18' angeordnet ist, wird normalerweise durch eine Feder 22 oder 22' vorgespannt und nach unten gedrückt.

Ein öldurchgang 23 kommuniziert über eine Ölleitung 24 mit einer Druckquelle, währenddem ein Öldurchgang 23 '

über eine Ölleitung mit dem nicht dargestellten Tank kommuniziert und ein Öldurchgang 25 mit dem hydraulischen Zylinder 10 kommuniziert.

Im folgenden wird der Betrieb des ersten Ausführungsbeispieles beschrieben werden. Die Betriebsbedingung der Verbrennungskraftmaschine 1 wird durch die Bewegung der Kolben und der Rotation der Kurbelwelle bestimmt, welche ihrerseits durch den Messfühler 2 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses Signal wird durch den Konverter 3 in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches für die Umlaufgeschwindigkeit der Verbrennungskraftmaschine repräsentativ ist. Dieses Signal, ebenso wie die Signale vom Generator 4 für die Vorwärts- und Rückwärtsinstruktion und vom Parametergenerator 5 werden der Recheneinheit 6 zugeführt, welche eine Rechenoperation durchführt basierend auf der Umlaufgeschwindigkeit der Verbrennungskraftmaschine 1 der Vorwärts- oder Rückwärtsinstruktion und dem Parameter, der ein optimales Ventilzeitverhalten gewährleistet, d. h. die Winkel, bei denen die Einlass- und Auspuffventile geöffnet und geschlossen werden. Das Ausgangssignal der Recheneinheit 6 wird dem Komparator 7 zugeführt, wo dieses Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal vom Sensor 2 verglichen wird. Das Koinzidenzsignal vom Komparator 7 wird dem Verstärker 8 zugeführt und das verstärkte Signal wird zum piezomotorisch angetriebenen Steuerventil 9 übertragen.

Es wird nun angenommen, dass eine Spannung über dem Wandler oder Stellglied 12 angelegt wird, so dass das piezoelektrische Element expandiert und die Kolben 15 und 16 nach unten drückt. In diesem Fall bewirkt der Kolben 16,

dass das im Zwischenraum 26 befindliche Öl durch den Öldurchgang 27 in eine Kammer 28 fliesst, so dass der Ventilkörper 21 relativ zur Ventilstange 18 nach oben entgegen der Kraft der Feder 22 gedrückt wird. Dabei wird eine Ventilöffnung 29, welche durch die Ventilstange 18 und den Ventilkörper 21 definiert ist, geöffnet. Als Folge davon kommuniziert die Druckquelle über die Ölleitung 24, den Öldurchgang 23 und die Ventilöffnung 29 mit dem Öldurchgang 25 und weiter dem hydraulischen Zylinder 10.

Wenn die Spannung über dem Stellglied 12 abgeschaltet wird, und die Spannung über dem rechten Stellglied 12' angelegt wird, so drückt die Feder 22 den Ventilkörper 21 nach unten, währenddem das in einem Zwischenraum 26' befindliche Öl in eine Kammer 28' gedrückt wird, so dass die Ventilsitzbüchse 21 ' relativ zur Ventilstange 18 ' nach oben gleitet, währenddem eine Öffnung 29' geöffnet wird. Als Folge davon fliesst das Öl von der Kammer 30' durch einen Öldurchgang 31 in die Kammer 30 und zwingt dabei die Ventilsitzbüchse 21 zu einer Abwärtsbewegung. Das Öl in der Kammer 28 fliesst dabei durch die Ölleitung 27 in den Zwischenraum 26, so dass die Ventilstange 18 und die Kolben 15 und 16 gehoben werden und die Ventilöffnung 29 geschlossen wird. Wenn die Spannung alternativ über den Stellgliedern 12 und 12' angelegt wird, so funktioniert das Steuerventil als Dreipositionensteuerventil, welches seine Öffnung 29 und 29' mit einer sehr hohen Geschwindigkeit öffnet und schliesst.

Das zweite Ausführungsbeispiel wird anhand der Fig. 3-6 erläutert. In Fig. 3 ist mit dem Überweisungszeichen 41 die Verbrennungskraftmaschine bezeichnet; 42 ist ein Messfühler für die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle; 43 eine Recheneinheit; 44 ein piezomotorisch angetriebenes hydraulisches Steuerventil; 45 ein hydraulischer Zylinder, welcher durch das Steuerventil 44 angetrieben wird; und 16 ein Ventil, welches ein Brennstoffeinspritzventil, ein Einlassventil, ein Auspuffventil oder ein Anlassventil sein kann.

Die Rechen-Steuereinheit 43 ist detailliert in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Die Einheit gemäss Fig. 4 wird zur Steuerung eines Auspuffventiles, eines Einlassventiles oder eines Start-ventiles verwendet, währenddem die Einheit 43 gemäss Fig. 5 zur Steuerung eines Brennstoffeinspritzventiles verwendet wird.

Gemäss Fig. 4 wird das Ausgangssignal des Messführers 42 dem Konverter 47 zugeführt und in ein Signal umgewandelt, welches repräsentativ ist für die Umlaufgeschwindigkeit n der Maschine. Das Ausgangssignal vom Konverter 47 wird einem ersten und zweiten Rechner 48 und 49 zugeführt.

Jeder dieser Rechner rechnet aufgrund der Umlaufgeschwindigkeit n und einem Parameter, welcher ihr von einem Parametergenerator 50 zugeführt wird. Der Parameter wird in der Berechnung der Ventilzeitsteuerung verwendet; dabei kann der Kurbelwellenwinkel korrigiert werden, bei welchem das Ventil 46 geschlossen oder geöffnet wird.

Im speziellen führen die Rechner 48 und 49 die Operation (± an ± b)

aus, wobei ± a und ± b Parameter sind, welche vom Parametergenerator 50 erzeugt werden und n die Umlaufgeschwindigkeit ist. Der Parametergenerator 50 kann aus Zackenrad-Dekaden-Schaltern oder Potentiometern bestehen, so dass die Werte der Parameter a und b ebenso wie ihr Vorzeichen + oder — leicht je nach Bedarf geändert werden können.

Die Ausgangssignale der Rechner 48 und 49 werden ersten und zweiten Additionsschaltungen 51 und 52 zugeführt, welchen ebenfalls das Ausgangssignal eines Referenzventil-zeitsteuergenerators 53 zugeführt wird. Der Generator 53 repräsentiert ein Referenzventilzeitverhalten oder der Winkel, bei welchem das Ventil 46 geöffnet oder geschlossen wird. Dies bedeutet, dass das Ausgangssignal vom Generator 53 vom Typ des Ventils 46 sowie vom geöffneten oder geschlossenen Zustand abhängig ist. Die Additionsschaltung

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51 oder 52 addiert die Ausgangssignale von den Rechnern 48 oder 49 und dem Referenzzeitgenerator 53. Das Summensignal wird durch einen Begrenzer 54 oder 55 kontrolliert, so dass es einen vorbestimmten Wert nicht überschreiten kann.

Ein erster Komparator 56 erhält das Ausgangssignal y vom Sensor 42 und das Ausgangssignal a vom ersten Begrenzer 54 und überträgt diese Signale nur zu einem Verstärker, wenn y 5= a ist.

Der Verstärker betreibt das Steuerventil 44, welches das Ventil 46 öffnet. In der gleichen Weise erhält ein zweiter Komparator 57 das Ausgangssignal y vom Sensor 42 und das Ausgangssignal ß vom zweiten Begrenzer 55 und gibt ein Signal an den Verstärker 58 ab um das Steuerventil 44 zu betreiben, welches das Ventil 46 schliesst, wenn

Y ^ ß ist.

Die Rechen-Steuereinheit 43 gemäss Fig. 5 ist im Prinzip ähnlich derjenigen in Fig. 4 mit der Ausnahme, dass diese Einheit nur zur Steuerung des Brennstoffeinspritz-ventiles gebraucht wird. D. h. dass nur ein Rechner 48 vorgesehen ist und das Ausgangssignal eines Zentrifugalreglers 59, welches eine Einspritzmenge darstellt, wird dem Rechner 48 und einem zweiten Begrenzer 55 über einen konstanten Multiplikator 60 zugeführt. D. h. dass das Ausgangssignal vom Zentrifugalregler 59 durch den Multiplikator 60 mit k multipliziert wird, um einen Winkel der Kurbelwellenrotation zu bestimmen, bei welchem das Brennstoffeinspritzventil geöffnet bleiben muss. Im Gegensatz zu der Rechen-Steuereinheit gemäss Fig. 4 wird das Ausgangssignal vom Generator 53, welches für einen Ventilschliesswinkel repräsentativ ist, nicht der zweiten Additionseinheit 52 zugeführt, sondern nur das Ausgangssignal a vom Begrenzer 54.

Der Rechner 48 führt folgende Operation aus:

(±cn±dy±e)

wobei ± c, ± d und ± e vom Parametergenerator 50 abgeleitet werden, n ist die Rotationsgeschwindigkeit der Maschine und y das Injektionsmengensignal vom Zentrifugalregler 59.

In Fig. 6 ist das hydraulische Steuerventil 44 gemäss dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail dargestellt. Es umfasst ein Gehäuse mit den drei Teilummantelungen 62,70 und 84 und zwei Stellglieder 61 und 61 welche ähnlich konstruiert sind wie die Stellglieder 12 und 12' gemäss Fig. 2. Die Stellglieder 61 und 61' für Feinbewegung sind im oberen Mantelteil 62 angeordnet und mit Deckel 63 und 63' abgedeckt und werden in Richtung der Doppelpfeile expandiert oder kontrahiert, wenn Spannung angelegt wird. Die Deckel 63 und 63' sind entsprechend angepasst um die Wirkungen der Stellglieder 61 und 61' aufzufangen.

Ein Kolben 64 oder 64' mit grossem Durchmesser ist gleitbar in einem Zylinderblock 66 oder 66' befestigt, welcher wiederum im mittleren Mantelstück 70 befindlich ist und mit Distanzblöcken 65 und 65' sicher in Position gehalten wird. Das obere Ende des Kolbens 64 oder 64' mit grossem Durchmesser ist in Kontakt mit dem Boden des Stellgliedes 61 oder 61'. Ein weiterer Zylinderblock 67 oder 67' ist unter dem Zylinderblock 66 oder 66' eingebaut und definiert einen Zwischenraum 68 oder 68' in welchem Öl eingefangen wird. Ein Kolben 69 oder 69' mit kleinem

Durchmesser ist gleitbar in den Zylinderblock 67 oder 67' eingebaut und besitzt ein Einwegventil um einen Sickerverlust aus dem Zwischenraum 68 oder 68' zu verhindern. Das Rückschlagventil besteht aus einem Kugelventil 71 oder 71 ', welches durch eine Feder 72 oder 72' vorgespannt wird, wobei das obere Ende der Feder an einer Schraubenmutter 73 oder 73 ' befestigt ist, welche sich an einem Durchgang befindet, der mit dem Zwischenraum 68 oder 68' kommuniziert. Ein vertikaler Durchgang am oberen Ende des Einweg-ventiles kommuniziert mit einem horizontalen Öldurchgang 74 oder 74', welcher sich durch den Zylinderblock 67 oder 67' erstreckt, so dass wenn Öl aus dem Zwischenraum 68 wegsickern sollte, dieses von aussen her ersetzt werden könnte.

Das untere Ende des Kolbens 69 oder 69' mit kleinem Durchmesser erstreckt sich etwas über das untere Ende des Zylinderblockes 67 oder 67' hinaus und hat Kontakt mit dem oberen Ende eines Ventilkörpers 75, welcher gleitbar im unteren Ventilgehäuse 70 eingebaut ist.

Der Ventilkörper 75 oder 75 ' besteht aus einem oberen zylindrischen Teil, einem mittleren konischen Teil und einem unteren zylindrischen Teil. Der obere und untere zylindrische Teil sind in gleitbarem Kontakt mit der Zylinderwand und eine Sitzfläche 76 oder 76', welche im Querschnitt die Form eines Hakens aufweist, ist zwischen dem konischen und dem unteren zylindrischen Teil ausgebildet und in Kontakt mit dem Ventilsitz 80 oder 80' bringbar. Eine Feder 83 ist in einem Sackloch in dem unteren zylindrischen Teil des Ventü-körpers 75 oder 75' befindlich, so dass sich, wenn das Stellglied 61 und 61' ausgeschaltet wird, der Ventilhauptkörper 75 nach oben bewegen kann, wobei die Kontaktflächen 76 oder 76' fest gegen den Ventilsitz 80 oder 80' gepresst werden.

Um den Ventilhauptkörper 75 oder 75' sind Öldurch-gänge 77 oder 77' und 78 oder 78' ausgebildet; der Ventilsitzteil 79 oder 79' ist im oberen Öldurchgang 77 angeordnet, so dass der Ventilsitz 80 oder 80' am untern Ende in Kontakt mit der Sitzfläche 76 oder 76' des Ventühaupt-körpers 75 oder 75 ' gebracht werden kann. Der Öldurchgang 77 kommuniziert über einen Öldurchgang 88 mit einer Druckquelle, welche in der Fig. 6 nicht dargestellt ist, wogegen der Öldurchgang 78 über einen Öldurchgang 81 mit dem hydraulischen Zylinder 45 (siehe Fig. 3) kommuniziert. In derselben Weise kommuniziert der Öldurchgang 77' mit einem Öldurchgang 88', während der Öldurchgang 78' über den Öldurchgang 71 mit dem hydraulischen Zylinder 45 kommuniziert.

Ein kegelstumpfförmiges Führungsmittel 82 oder 82'

ist im mittleren Ventügehäuseteil 70 angeordnet um den unteren zylindrischen Teil des Ventilkörpers 75 oder 75' zu führen. Die untere Endfläche des unteren Gehäuseteils 84 ist etwas ausgespart um einen Zwischenraum 87 oder 87' zwischen dem unteren Gehäuseteil 84 und einer Grundplatte zu definieren. Der Zwischenraum 87 oder 87' kommuniziert über eine Bohrung 86 oder 86', welche sich im unteren Gehäuse 84 befindet und über eine Bohrung 85 oder 85', welche sich durch den Führungsteil 82 oder 82' erstreckt mit dem Öldurchgang 78 oder 78'. Somit drückt das Öl, welches sich unter Druck im Zwischenraum 87 oder 87' befindet, den Ventilführungsteil 82 oder 82' nach oben, so dass die Achse des Ventilkörpers 75 oder 75' genau beibehalten werden kann.

Im folgenden soll die Wirkungsweise der Vorrichtung beschrieben werden. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird die Winkellage der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 41 durch den Messführer 42 detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Ausgang des Messfühlers 42 wird

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der Rechen-Steuereinheit 43 zugeführt (Fig. 4 oder Fig. 5). Zuerst soll die Wirkungsweise der Rechen-Steuereinheit 43 gemäss Fig. 4 beschrieben werden. Das Ausgangssignal des Messfühlers 42 wird dem Konverter 47 zugeführt und in ein Signal umgewandelt, welches für die Umlaufgeschwindigkeit n der Maschine repräsentativ ist. Das Ausgangssignal des Konverters 47 wird dann der ersten und zweiten Recheneinheit 48 und 49 zugeführt, welcher auch die Ausgangssignale oder Parameter vom Parametergenerator 50 zugeleitet werden. Die erste und zweite Recheneinheit 48 und 49 führen die Operation (± a n ± b) aus und führen die Resultate zur ersten und zweiten Additionsschaltung 51 und 52. Die erste Additionsschaltung 51 addiert das Ausgangssignal von der ersten Recheneinheit 48 zum Ausgangssignal vom Referenzsignalgenerator 53, welcher den Öffnungswinkel des Ventiles bestimmt, währenddem die zweite Additionsschaltung 52 das Ausgangssignal von der zweiten Recheneinheit 49 zum Ausgangssignal vom Referenzgenerator 53 addiert, welcher den Schliessungswinkel des Ventils bestimmt. Diese Ventilöffnungs- und Schliesswinkel werden vorbestimmt je nach dem Typ des Steuerventils, welches verwendet wird. Die Ausgangssignale der ersten und zweiten Additionsschaltungen 51 und 52 werden dem ersten und zweiten Begrenzer 54 und 55 zugeführt, welche ihrerseits verhindern,

dass die Ausgangssignale der ersten und zweiten Additionsschaltung 51 und 52 einen bestimmten Wert überschreiten. Das Ausgangssignal a vom ersten Begrenzer 54 wird einem ersten Komparator 56 zugeleitet, wo es mit dem Ausgang y des Messfühlers 42 verglichen wird. Dieses Signal wird nur dem Verstärker 58 weitergeleitet, wenn y > a ist, so dass das verstärkte Ausgangssignal dem Steuerventil 44 zugeleitet wird um das Ventil 46 zu öffnen.

Das Ausgangssignal ß vom zweiten Begrenzer 55 wird einem zweiten Komparator 57 zugeführt, wo es mit dem Ausgangssignal des Messfühlers 42 verglichen wird und wird anschliessend dem Verstärker 58 als «aus»-Signal nur dann zugeleitet, wenn y = ß ist, so dass das verstärkte Signal dem Steuerventil 44 zugeleitet wird um das Ventil 46 zu schliessen.

Wenn das Ausgangssignal a vom ersten Komparator 56, welches das Ventil 46 öffnet, zum hydraulischen Steuerventil 44 geleitet wird, so wird eine Spannung über dem ersten Stellglied 61 angelegt, so dass sich dieses um eine zur angelegten Spannung proportionale Distanz nach unten ausdehnt. Dabei wird der Kolben 64 mit dem grossen Durchmesser nach unten bewegt und übt einen Druck auf das Öl im Zwischenraum 68 aus. Der Kolben 64 mit dem grossen Durchmesser seinerseits bewirkt, dass der Kolben 69 mit dem kleinen Durchmesser nach unten bewegt wird. Die Abwärtsbewegung des Kolbens 69 mit dem kleinen Durchmesser ist beträchtlich grösser als diejenige des Kolbens 64 mit dem grossen Durchmesser. Der Weg des kleinen Kolbens 69 ist gleich dem Weg des grossen Kolbens 64 multipliziert mit einem Quotienten aus effektiver Querschnittfläche des grossen Kolbens 64 und Querschnittsfläche des Kolbens 69, falls ein Ölsickerverlust vernachlässigbar ist.

Die Abwärtsbewegung des kleinen Kolbens 69 bewirkt eine Abwärtsbewegung des Ventilkörpers 85 entgegen der Feder 83, so dass die Kontaktfläche 76 des Ventilkörpers 85 vom Ventilsitz 75 wegrückt und ein Kommunizieren der Ölkammer oder Durchgänge 77 und 78 ermöglicht.

Als Folge davon fliesst Öl von der Druckquelle durch die Öldurchgänge 88, 77, 78 und 81 in den hydraulischen Zylinder 45 (siehe Fig. 3) um das Ventil 46 zu öffnen.

Als Folge des Ausgangssignals ß oder Ventilschliess-signales, welches vom zweiten Komparator 56 über den Verstärker 58 übertragen wird, wird die Spannung über dem ersten Stellglied 61 ausgeschaltet, während eine Spannung über dem zweiten Stellglied 61' angelegt wird. Der Ventilkörper 75 sowie der kleine und grosse Kolben 69 und 64 werden nach oben in ihre normalen Positionen unter dem Einfluss der Feder 83 bewegt und die Kontaktfläche 76 wird fest gegen den Ventilsitz 80 gedrückt um ein Kommunizieren zwischen den öldurchgängen 77 und 78 zu unterbrechen. Andererseits werden die Kolben 64' und 69' und der Ventilkörper 75 ' nach unten bewegt in der Weise wie oben beschrieben, so dass die Kontaktfläche 76' vom Ventilsitz 80' wegrückt und eine Kommunikation zwischen den Öldurchgängen 77' und 78' erfolgen kann.

Als Folge davon fliesst das Öl vom hydraulischen Zylinder 45 über die Öldurchgänge 81,78', 77' und 88' zum Tank zurück, so dass das Ventil 46 geschlossen wird.

Da der hydraulische Zylinder 45 durch das hydraulische Steuerventil 44 gesteuert wird, welches seinerseits durch die Stellglieder 61 und 61' gesteuert wird, so kann eine optimale Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine 41 unter allen Arbeitsbedingungen gewährleistet werden.

Manchmal ist es erforderlich, dass der Drehsinn der Verbrennungskraftmaschine umgekehrt wird. In diesem Falle wechseln gemäss dem Vorwärts- oder Rückwärtsinstruktions-generator (nicht dargestellt) der erste und zweite Rechner 48 und 49, der Generator 54 für das Ventilöffnungs- und Schliessreferenzsignal, ersten und zweiten Begrenzer 54 und 55 und die ersten und zweiten Komparatoren 56 und 57 ihr Ausgangsverhalten. D. h. der erste und zweite Rechner 48 und 49 wechseln die Polarität und das Vorzeichen des Ausgangssignales, der Generator 54 gibt andere Referenzsignale ab als im Fall des Vorwärtsbetriebes; die ersten und zweiten Begrenzer 54 und 55 wechseln ihre Schwellwerte; und die ersten und zweiten Komparatoren 56 und 57 ändern ihre Vergleichsbedingungen. Demzufolge kann mit nur einer einzigen Rechen-Steuereinheit ein optimales Ventilzeitverhalten auch im Rückwärtsbetrieb erreicht werden.

Im folgenden soll das Betriebsverhalten der Rechen-Steuereinheit 43 gemäss Fig. 5 beschrieben werden. Wie vorhergehend beschrieben wurde, wird diese Einheit zur Steuerung des Brennstoffeinspritzventils verwendet und zu diesem Zwecke wird das Ventilöffnungszeitverhalten gemäss dem Ausgangssignal des Rechners 48 bestimmt, wogegen das Ventilschliesszeitverhalten gemäss dem Einspritzmengensignal des Zentrifugalreglers 59 bestimmt wird. Im speziellen wird in der Einheit gemäss Fig. 5 das Ventilschliesszeitverhalten bestimmt, indem zum Ventilöffnungszeitverhalten eine Zeit proportional zu einer Injektionsmenge addiert wird. Die Ein- und Aussignale werden zum Steuerventil 44 übertragen wie oben mit Bezug auf Fig. 6 detailliert beschrieben wurde. Die Betriebsart der arithmetischen Steuereinheit 43 gemäss Fig. 5 ist im Prinzip ähnlich derjenigen, die oben mit Bezug auf Fig. 4 erläutert wurde.

Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele; es können verschiedenartige Modifikationen vorgenommen werden wie im folgenden beschrieben wird.

1) Im ersten Ausführungsbeispiel kann das Steuerventil des Typs gemäss Fig. 6 verwendet werden. In der gleichen Weise kann im zweiten Ausführungsbeispiel das Steuerventil des Typs gemäss Fig. 2 Verwendung finden.

2) In der Rechen-Steuereinheit des Typs gemäss Fig. 4 werden die Ventilöffnungs- und Schliesswinkelkorrekturen aus einer Gleichung ersten Grades erhalten, wobei die Variablen die Umlaufgeschwindigkeit der Maschine und die Einspritzmenge sind; es kann jedoch auch eine Gleichung zweiten Grades mit den gleichen Variablen oder irgend eine andere passende Gleichung verwendet werden.

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3 ) In der Rechen-Steuereinheit gemäss Fig. 4 kann anstelle der Recheneinheit des Parametergenerators und des Referenzsignalgenerators ein Funktionsgenerator verwendet werden, welcher eine passende mathematische Funktion der Variablen und der Ventilöffnungs- und Schliessungskorrekturen erzeugt. In der selben Weise kann der funktionelle Zusammenhang zwischen den Variablen und den Ventilöffnungs- und Schliessungskorrekturen in einem Speicher der Recheneinheit programmiert und gespeichert werden, so dass die Korrekturen aufgrund der detektierten Variablen erhalten werden können.

4) In der Rechen-Steuereinheit gemäss Fig. 4 können zusätzlich zur Umlaufgeschwindigkeit der Maschine und der Einspritzmenge die Last, die Einspritzrate, der Ein-lassluftdruck, die Einlasslufttemperatur usw. als Variablen verwendet werden.

5) In der Rechen-Steuereinheit gemäss Fig. 5 können entweder die Injektionsmengen oder Rate oder die Umlaufgeschwindigkeit eliminiert werden.

6) In der Rechen-Steuereinheit gemäss Fig. 5 können die Last, der Einlassluftdruck und die Einlasslufttemperatur usw. als Variablen verwendet werden.

7) In der Rechen-Steuereinheit gemäss Fig. 4 können die erste oder zweite Additionsschaltung oder der erste oder zweite Begrenzer weggelassen werden. Es können auch alle die erwähnten Schaltungen weggelassen werden.

8) In der selben Weise können in der Einheit gemäss Fig. 5 die erste und zweite Additionsschaltung und die ersten und zweiten Begrenzer weggelassen werden.

9) In der Rechen-Steuereinheit gemäss Fig. 4 können der Rechner 48, die Additionsschaltung 51, der Begrenzer 54 und der zweite Rechner 49, Additionsschaltung 52 und Begrenzer 55 in jeder passenden Reihenfolge verbunden werden.

10) In der Einheit gemäss Fig. 5 können die Recheneinheit 48, die Additionsschaltung 51, der Begrenzer 54, der Rechner 52 und der Begrenzer 55 in jeder passenden Weise verbunden werden.

11) Anstelle des Messfühlers 42 und des Konverters 41 kann jeder passende Tachometer wie z. B. ein Tachogenerator verwendet werden um die Umlaufgeschwindigkeit der Maschine zu bestimmen.

12) Der Begrenzer 55 in der Rechen-Steuereinheit gemäss Fig. 5 dient zur Steuerung einer maximalen Injektionsmenge, so dass er aus einem Potentiometer oder einem Zackenrad-dekadenschalter bestehen kann, mit welchem ein Operateur leicht einen eingestellten Wert verändern kann. Es könnte jedoch auch eine automatische Vorrichtung verwendet werden, welche einen eingestellten Wert gemäss einer vorbestimmten Funktion wie z. B. Kin2 + K2 verändert, wobei

Ki und K2 Konstanten sind und n die Umlaufgeschwindigkeit der Maschine ist.

13) Die Ventilöffnungs- und Schliesswinkel können bei Ausfall der Rechen-Steuereinheit auch manuell bestimmt s werden.

14) Anstelle der piezoelektrischen Wandler für Feinbewegung oder Stellglieder gemäss dem oben beschriebenen Typ können auch andere passende Vorrichtungen wie ein Schrittmotor oder ein solenoidbetätigtes Ventil verwendet

10 werden.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden:

I) Der Antriebsmechanismus mit Nockenwelle und der Ventilmechanismus, welche beide kompliziert in ihrer Kon-

1S struktion sind, können vermieden werden, so dass die Verbrennungskraftmaschine kompakt gebaut werden kann. Mechanische Verluste werden auf ein Minimum beschränkt und der Wirkungsgrad der Maschine kann erhöht werden.

II) Im Gegensatz zu konventionellen Verbrennungskraft-

20 maschinen ist kein erfahrener Mechaniker notwendig um

Maschinenleistung, Verbrennungsdruck, Auspuffgastemperatur, Zylindergleichgewicht usw. der Maschine einzustellen. Als Folge davon kann die Maschine mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden und eine Vielzahl von Neueinstellun-

25 gen kann beträchtlich reduziert werden.

III) Der Umdrehungssinn der Maschine kann leicht geändert werden.

IV) Das Ventilzeitverhalten kann automatisch und optimal entsprechend der Last der Umlaufgeschwindigkeit geändert

30 werden. In Verbrennungskraftmaschinen, wo eine Schmierflüssigkeit in die Zylinderbohrungen eingespritzt wird, kann das Injektions-«Timing» der Schmierflüssigkeit optimiert werden, so dass der Schmiermittelverbrauch beträchtlich reduziert werden kann. Zusätzlich kann das Luftverschmut-

35 zungsproblem wegen der Adhäsion von Kohlenstoff an den Zylinderwänden und der Verbrennung von Schmiermittel praktisch eliminiert werden.

V) Die Konstruktion ist sehr einfach, so dass Schäden infolge der Abnützung von Nocken, Zylinder, Brennstoff -

40 pumpen usw. verhindert werden können. Schäden an den Auspuffventilen können minimalisiert werden und die Geräuschentwicklung kann beträchtlich gesenkt werden.

VI) Da die Einlassauspuff- und Brennstoffeinspritzventile frei gesteuert werden können, kann die Temperatur des

45 Auspuffgases beträchtlich gesenkt werden. Die Verzögerung der Brennstoffeinspritzung kann verhindert werden, so dass die Funktion der Maschine bemerkenswert verbessert und das NOx-Emmissionsproblem auf einfache Weise gelöst werden kann.

B

5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

622 315

1. Vorrichtung zum Steuern einer Verbrennungskraftmaschine (1.41), gekennzeichnet durch ein durch elektrische Ein- und Aussignale angetriebenes Steuerventil (9,44),

eine Rechen-Steuereinheit (6,43), welche aufgrund eines elektrischen Signales, welches für die Bewegung der Kolben oder der Kurbelwelle der Maschine repräsentativ ist, die Öffnungs- und Schliessungszeiteinteilung des elektrisch angetriebenen Steuerventils (9,44) berechnet und die Signale der berechneten Öffnungs- und Schliesszeiteinteilung zum elektrisch angetriebenen Steuerventil (9,44) überträgt,

einen hydraulischen Zylinder (10,45), der durch das elektrisch angetriebene Steuerventil (9,44) gesteuert wird,

um ein Ventil (11,46) zu öffnen und zu schliessen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch angetriebene Steuerventil (9) durch mehrschichtige, piezoelektrische Steller (12,12) angetrieben wird.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch angetriebene Steuerventil (9) aus zwei Ventilteilen besteht, wobei jeder Ventilteil eine Kammer (26) unterhalb des Stellers, weiterhin eine Ventilstange (18) bestehend aus einem oberen Teil mit einem kleinen Durchmesser, welcher über einen Öldurchgang (27) mit der Kammer (26) kommuniziert, und einen unteren Teil mit einem grossen Durchmesser sowie einen Ventilkörper (21), welcher über der Ventilstange (18) gleitbar eingebaut ist und durch das in den Öldurchgang (27) gedrückte Öl nach aufwärts bewegbar ist, und einen Schlitz, welcher zwischen dem Ventilkörper (21) und der Ventilstange (18) geöffnet wird, wenn der Ventilkörper (21) nach oben bewegt wird, umfasst.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch angetriebene Steuerventil (44) aus zwei Ventilteilen besteht, wobei jeder Ventilteil eine Kammer (68, 68'), die unterhalb eines Kolbens (64, 64') mit grossem Durchmesser angeordnet ist, und in Kontakt mit dem unteren Ende des Stellers (61) steht und Öl auffängt, sowie einen Kolben (69,69') mit kleinem Durchmesser, welcher unterhalb des Kolbens (64, 64') mit grossem Durchmesser angeordnet ist, wobei der Kolben (69, 69') mit kleinem Durchmesser abwärts bewegbar ist, wenn Öl aus der Kammer (68, 68') gedrückt wird, und einen Ventilkörper (75,75') mit einem konischen Teil aufweist, wobei das obere Ende des Ventilkörpers in Kontakt mit dem Kolben (69, 69') mit kleinem Durchmesser steht und eine Sitzfläche (76,76') vorhanden ist, welche sich am unteren Teil des Ventilkörpers (75,75') befindet und mit einem passenden Ventilsitz (80) einen Zwischenraum begrenzt, wenn der Kolben (64, 64') mit kleinem Durchmesser und der Ventilkörper (75,75')

nach unten bewegt werden.