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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft die
Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Servogeräts für einen
Aktuator, der eine Kraft auf einen Kolben aufbringt, der sich in
einem Zylinder eines Freikolbenmotors hin und her bewegt.
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Ein
Freikolben-Verbrennungsmotor weist ein oder mehrere Hubkolben auf,
die in einem Verbrennungszylinder angeordnet sind. Allerdings gibt
es keine Kurbelwelle, die die Kolben gegenseitig verbindet und sie
zum hin und her bewegen veranlasst, wenn sie durch einen Starter-Generator
angetrieben werden, wie in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor.
In einem Freikolbenmotor im ordnungsgemäßen Betrieb bewegt sich jeder
Kolben während
eines Expansionshubs in seinem Zylinder in Erwiderung zu Kräften, die
durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder
erzeugt werden. Druck, der durch Verbrennung in einem Zylinder erzeugt
wird, wird verwendet, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem anderen
Zylinder zu verdichten. Bevor eine Verbrennung während des Anlassens erfolgt,
wird ein Auslösesystem
verwendet, um die Kraftstoff-Luft-Ladung zu verdichten, die dem
Expansionshub folgt. Die Kolbenbewegung wird von einem System gesteuert,
das Kolbenpendelbewegung, Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
und seine Verbrennung abgleicht. Kolbenverlagerung und Kolbengeschwindigkeit,
Zylinderdruck und das Verdichtungsverhältnis werden von dem System überwacht
und gesteuert, das Abweichungen von der gewünschten synchronischen Hin-
und Herbewegung der Kolben periodisch korrigiert.
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Während des
Startens eines Freikolbenmotors werden die Kolben von einem Starter-Aktuator-System verschoben,
das einen hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Antrieb
verwendet. Vorzugsweise wird elektrische Energie verwendet, um die
Kolben anzutreiben, wenn ein Motor gestartet wird, der elektrische
Leistung abgibt, und hydraulische oder pneumatische Energie wird
verwendet, um die Kolben anzutreiben, wenn ein Motor gestartet wird,
der hydraulische bzw. pneumatische Leistung abgibt. Wenn ein Freikolbenmotor
angelassen wird, der mit Kompressionszündung arbeitet, wird ein erhebliches
Verdichtungsverhältnis
der Kraftstoff-Luft-Ladung in einem Zylinder benötigt, um eine Verbrennung zu
erzeugen.
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Wenn
die Kolben gänzlich
von einem Aktuator hin und her bewegt werden, bevor eine Verbrennung während Anlassens
des Motors erfolgt, wird ein großer Betrag an Energie benötigt, um
das Gemisch aus Kraftstoff und Luft in dem Verbrennungsraum zu verdichten,
insbesondere während
kalten Startens eines Kompressionszündungs-Freikolbenmotors bei
kaltem Wetter. Eine Methode ist erforderlich, um die Notwendigkeit
einer großen
kapazitiven Energiequelle zu vermeiden, um den Motor zu starten.
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Die
EP 0 481 690 A2 beschreibt
ein Verfahren zum Starten eines Freikolben-Verbrennungsmotors, bei dem
die Hydraulikzylinder-Räume
einer doppeltwirkenden Kolben-Zylinderanordnung
alternierend mit Druck beaufschlagt werden, wobei die Richtungsänderung
der Freikolbeneinheit unmittelbar erfolgt, nachdem der Motorkolben
den oberen Totpunkt in dem entsprechenden Zylinder erreicht hat.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bereit. Weitere
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Ein
Freikolbenmotor, auf den diese Erfindung angewandt werden kann,
weist axial ausgerichtete Zylinder und ein Paar gegenseitig verbundene
Kolben auf, wobei jeder Kolben sich in einem Zylinder hin und her bewegt.
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Eine
Gestaltung des Motors weist ein inneres Paar gegenseitig verbundener
Kolben und ein äußeres Paar
gegenseitig verbundener Kolben auf. Ein Kolben jedes Kolbenpaares
bewegt sich in einem ersten Zylinder hin und her, und der andere
Kolben jedes Kolbenpaares bewegt sich in einem zweiten Zylinder
hin und her. Jeder Zylinder ist mit Einlassöffnungen, durch die Luft in
den Zylinder eintritt, Auslassöffnungen,
durch die Abgas den Zylinder verlässt, und einer Kraftstofföffnung,
durch welche Kraftstoff, üblicherweise
durch Einspritzung, in den Zylinder geführt wird, ausgebildet. Die
Bewegung der Kolben in einem Zylinder, die hierbei durch Verbrennung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches
verursacht wird, zwingt die Kolben in dem anderen Zylinder dazu, ein
Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem zweiten Zylinder zu verdichten und
eine Verbrennung dieses Gemisches auszulösen. Auf diese Weise bewegen
sich die Kolbenpaare in den Zylindern beiderseits entgegengesetzt
hin und her, wobei sich ein Kolbenpaar längslaufend in eine Richtung
bewegt, während
sich die Kolben des anderen Paars in die entgegengesetzte Richtung
bewegen. Wenn eine Verbrennung in einem Zylinder erfolgt, kehren
sich die Bewegungsrichtungen jedes Kolbenpaares um und erzeugen
einen Kompressionshub in dem anderen Zylinder.
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Wenn
der Motor abgestellt wird, können
sich die Kolben an beliebiger Position im Zylinder befinden. Ein
Freikolbenmotor hat gewöhnlich
keine Einlassventile oder Auslassventile, um die Strömung der
Luft und des Abgases in und aus dem Zylinder zu steuern. Stattdessen
liefert ein Turbolader, der durch Motorabgase angetrieben wird,
eine unter Druck stehende Luftladung zu dem Zylinder durch eine
Einlassöffnung.
Wenn der Motor mit einem Kolben im Kompressionshub abgestellt wird,
wird während
der Abstelldauer durch den Druck in den Zylindern Ausströmung der
Luftladung aus dem Zylinder durch die Ansaug- und die Auslassöffnungen und quer durch die
Kolbenringe erfolgen. Diese Ausströmung kann ein partielles Vakuum
in dem Zylinder erzeugen. Wenn der Motor ohne ein ausreichendes
Luftvolumen in jedem Zylinder neu gestartet wird, kann ein Kolben
mit dem Zylinderkopf oder mit einem anderen Kolben im selben Zylinder
zusammenstoßen,
da die Luftfeder einen unzureichenden Widerstand gegenüber der
Kolbenverdrängung
aufweist.
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Um
zu vermeiden, auf große
hydraulische oder pneumatische Drücke in dem Starter-Aktuator
angewiesen zu sein, ist eine zyklische Starter-Strategie entwickelt
worden. Die Kolben werden während
des Anlassens mit einer stufenweise zunehmenden Verdrängung hin
und her bewegt, um eine ausreichende Stärke der kinetischen Energie
in den Kolben zu entwickeln, um eine Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Ladungen
zu bewirken. Energie, die auf die Kolben durch einen Starter-Aktuator
aufgebracht ist, und Energie, die durch die Expansion der verdichteten
Luftladung wieder erlangt wird, bevor die Verbrennung erfolgt, kombinieren,
um die kinetische Energie der sich hin und her bewegenden Kolben
zu erhöhen
und um den Druck in dem Verbrennungsraum stetig zu erhöhen. Wenn
der Motor ohne ein ausreichendes Luftvolumen in jedem Zylinder neu
gestartet wird, kann ein Kolben mit dem Zylinderkopf oder einem
anderen Kolben in dem selben Zylinder zusammenstoßen, da
die Rückstellkraft,
die durch die verdichtete Luftladung erzeugt wird, unzureichend
ist, um die Kolbenverdrängung
zu begrenzen.
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Das
Verfahren zum Starten des Motors verwendet einen Aktuator, wie zum
Beispiel einen hydraulischen oder pneumatischen Pumpmotor oder einen
elektrisch linearen Starter-Generator,
um die Kolben zu einer Position zu bewegen, wo die Einlassöffnungen
geöffnet
sind. Dies gewährleistet,
dass Luft in einem Raum innerhalb der Zylinder vorhanden ist, der
während
eines Abschnitts des Anlassvorgangs begrenzt ist. Dieser Luftraum
arbeitet während
des Anlassvorgangs wie eine Luftfeder, um kinetische Energie des
Kolbens durch Verdichtung der Luftladung während eines Kompressionshubs
zu speichern, um an dem Kolben eine Luftladungsdruckkraft während eines
Kompressionshubs anzubringen. Die Kolben bewegen sich mit einer
steigenden Verdrängung
in Erwiderung zu der Aufbringung der Aktuator-Kraft und der Druckkräfte, die
durch die Luftkraft und der komprimierten Luftladung in dem Verbrennungsraum
erzeugt werden, hin und her. Der Federanteil der Luftladungen erhöht sich
wie der Druck der Luftladung sich mit der Kolbenverdrängung erhöht.
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Die
Aktuator-Kraft ist vorzugsweise eine periodische Kraft, die eine
Frequenz hat, die die Gleiche oder nahezu die Gleiche ist, wie die
variable Eigenfrequenz des Systems, welche die Masse der Kolben,
andere Massen, die sich mit den Kolben hin- und her bewegen, und die variable Luftfeder
aufweist. Wenn die Kolbenverdrängung
eine ausreichende Größe erreicht,
wird Kraftstoff dem Zylinder zugeführt, vorzugsweise durch Einspritzung.
Der Aktuator macht weiter, um die Kolbenverdrängung und den Druck des Kraftstoff-Luft-Gemisches
in dem Zylinder zu erhöhen,
bis eine unterstützende
zyklische Verbrennung dieses Gemisches einsetzt. Anstelle den Motor
sofort mit Last zu beaufschlagen, nachdem eine Verbrennung in dem
ersten Zylinder eintritt, erfolgt vorzugsweise ein Zeitraum der
Verzögerung,
bevor der Motor auf Volllast geschaltet wird. Die Kraft, die durch
einen Aktuator erzeugt wird, kann fortbestehen, um auf die Kolben
aufgebracht oder von den Kolben abgezogen zu werden, solange die
Verbrennung in dem ersten Zylinder andauert. Während der Verzögerungsdauer
wird Kraftstoff zyklisch einem zweiten Zylinder zugeführt, während der
Kolben sich im zweiten Zylinder hin und her bewegt. Nachdem eine
fortwährende
zyklische Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem zweiten
Zylinder erfolgt, kann er Motor auf Volllast geschaltet werden.
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Diese
Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Servogerätes für einen
Aktuator, der eine Kraft auf einen Kolben aufbringt, der sich in
einem Zylinder eines Freikolbenmotors hin und her bewegt. Das Servogerät hat einen
ersten Zustand, bei dem eine Energiequelle mit dem Aktuator verbunden
ist, um die Aktuator-Kraft zu erzeugen. Das Verfahren weist die
Bestimmung der Länge
einer Antwortperiode der Aktuator-Kraft auf, um eine gewünschte Stärke zu erreichen,
nachdem ein Steuersignal an dem Servogerät angelegt wird. Die Periodendauer
für den
Kolben, um eine gewünschte
Position zu erreichen, an der die Aktuator-Kraft eine gewünschte Stärke erreichen
wird, wird ermittelt. Das Servogerät wird auf den ersten Zustand
umgeschaltet, wenn die Dauer des Kolbens, um sich von seiner gegenwärtigen Position
zu der gewünschten
Position zu bewegen, die Dauer der Antwortperiode erreicht.
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Verschiedene
Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden dem Fachmann von der
folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform deutlich werden,
wenn sie angesichts der beigefügten Zeichnungen
studiert werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 und 2 zeigen
Querschnittsansichten an einer längslaufenden
Ebene durch einen Freikolbenmotor, welche die Position der Kolbenpaare
und Verbrennungszylinder an entgegengesetzten Enden ihrer Verdrängung schematisch
darstellen;
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3 zeigt
ein Schaltbild eines Strömungsreglers,
das einen Regler zum Betreiben der Strömungs-Pumpmotoren aufweist,
der mit den Hubkolbenpaaren zum Starten des Motors verbunden ist;
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4 zeigt einen Querschnitt entlang einer
längslaufenden
Ebene eines Motors und einer hydraulischen Motorpump-Anordnung;
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5 zeigt
eine isometrische Ansicht eines Abschnitts der Außenfläche des
Motors von 1;
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6 zeigt
einen partiellen Querschnitt des Motors aus 1 an einem
Bereich einer Zündkerze
oder einer Glühkerze;
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7 zeigt
ein Phasendiagramm, das die Änderung
der Geschwindigkeit der Kolbenpaare im Vergleich zu der Position
der Kolbenpaare relativ zum oberen Totpunkt und unteren Totpunkt
darstellt;
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8 zeigt
ein Diagramm, das die Änderung
der Laufzeit mit der Kolbengeschwindigkeit darstellt; und
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9 zeigt
ein Diagramm, das die Änderung
der Spitzen-Aktuator-Spannung,
die an dem Servoventils angelegt ist, im Vergleich zu einer Differenz
zwischen Kolbengeschwindigkeit und einer Bezugskolbengeschwindigkeit
darstellt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Zuerst
bezugnehmend auf 1 und 2 weist
ein Freikolbenmotor 10 einen ersten Zylinder 12 und einen
zweiten Zylinder 14 auf, der axial zu dem ersten Zylinder
ausgerichtet ist, wobei die Zylinder in Zylindermänteln oder
Motorblöcken 16, 17 angeordnet
sind. Ein erstes Kolbenpaar, die inneren Kolben 18, 20,
sind gegenseitig durch eine Schubstange 22 verbunden. Ein
erster Kolben 18 des ersten Kolbenpaares bewegt sich innerhalb
des ersten Zylinders 12 hin und her, und der zweite Kolben 20 des
ersten Kolbenpaares bewegt sich innerhalb des zweiten Zylinders 14 hin
und her. Ein zweites Kolbenpaar, die äußeren Kolben 24, 26,
ist gegenseitig durch Zugstangen 28, 30 verbunden,
die gegenseitig an den axialen Enden der Kolben 24, 26 durch
Brücken 32, 34 gesichert
sind. Ein erster Kolben des zweiten oder äußeren Kolbenpaares bewegt sich
innerhalb des ersten Zylinders 12 hin und her, und ein
zweiter Kolben 26 des äußeren Kolbenpaares
bewegt sich innerhalb des zweiten Zylinders 14 hin und
her. Jeder Zylinder 12, 14 ist mit Luft-Einlassöffnungen 36, 37 und
Auslassöffnungen 38, 39 ausgebildet.
In 1 sind die Öffnungen 37, 39 des
Zylinders 12 durch Kolben 18, 24 geschlossen,
die nahe ihrer oberen Totpunktlage (TDC) angeordnet sind, und die Öffnungen 36, 38 des
Zylinders 14 sind durch Kolben 18, 24 geöffnet, die
nahe ihrer unteren Totpunktlage (BDC) angeordnet sind. In 2 sind
die Kanäle 36, 38 des
Zylinders 14 durch Kolben 20, 26 geschlossen,
die nahe ihrer oberen Totpunktlage angeordnet sind, und die Öffnungen 37, 39 des
Zylinders 12 sind durch Kolben 18, 24 geöffnet, die nahe
ihrer unteren Totpunktlage angeordnet sind. Wenn sich die Kolben
eines Zylinders in der oberen Totpunktlage befinden, sind die Kolben
des anderen Zylinders in oder nahe ihrer unteren Totpunktlage. Jeder
Zylinder ist mit einem Kraftstoff-Kanal 40 ausgebildet,
durch den Kraftstoff in den Zylinder während des Kompressionshubs,
vorzugsweise durch Einspritzung, zugeführt wird.
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Die
Verdrängung
der Kolbenpaare zwischen ihrer jeweiligen oberen Totpunktlage und
unteren Totpunktlage, deren Extrema der Bewegung in 1 und 2 gezeigt
sind, wird so aufeinander abgestimmt, dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch,
das in dem Raum zwischen Kolben 18, 24 im Zylinder 12 und
zwischen Kolben 20, 26 im Zylinder 14 platziert
ist, komprimiert wird, so dass eine Verbrennung von diesen Gemischen
innerhalb der Zylinder erfolgt, wenn die Kolben sich leicht vorbei
an der oberen Totpunktlage zu der unteren Totpunktlage bewegt haben.
Diese synchronisierte Hin- und Herbewegung der Kolbenpaare wird
als „entgegengesetzte
Kolben – entgegengesetzte
Zylinder" – (OPOC)
Hin- und Herbewegung bezeichnet.
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Die
synchronisierte, koordinierte Bewegung der Kolben wird durch eine
hydraulische Schaltung gesteuert, die Flüssigkeits-Motorpumpen, Rückschlag-Ventile und Leitungen
aufweist, die in einem hydraulischen oder pneumatischen Block 43 enthalten
sind, der axial zwischen den Zylinderbuchsen 16, 17 angeordnet
ist. Als nächstes
auf 3 bezugnehmend, hat die Steuerschaltung einen
Niederdruckspeicher 41, einen Hochdruckspeicher 42,
eine Motorpumpe 44, die steuerbar mit einer Schubstange 22 verbunden
ist, eine Motorpumpe 46, die steuerbar mit einer Zugstange 28 verbunden
ist, und eine Motorpumpe 48, die steuerbar mit einer Zugstange 30 verbunden
ist. Die Schubstange 22 ist mit einem Kolben 50 gestaltet,
der in einem Zylinder 51 angeordnet ist, der in einem Block 43 ausgebildet
ist. Die Hin- und Herbewegung der Motorkolben 18, 20 veranlasst
den Kolben 50 der Motorpumpe 44, sich hin und
her zubewegen. Zugstangen 28, 30 sind jeweils mit
Kolben 52, 54 gestaltet, die in Zylindern 55, 57 angeordnet sind,
die jeweils im Block 43 ausgebildet sind. Die Hin- und
Herbewegung der Motorkolben 24, 26 veranlasst
die Kolben 52, 54 der Motorpumpen 46, 48,
sich hin und her zubewegen.
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Wenn
der Motor 10 läuft,
zieht die aufeinander abgestimmte Bewegung der Motorkolben Flüssigkeit von
dem Niederdruckspeicher 41 zu den Motorpumpen 44, 46, 48,
die eine hydraulische oder pneumatische Ausgabefluidströmung erzeugen,
die zu dem Hochdruckspeicher 42 gespeist wird. Die Motorpumpen 44, 46, 48 arbeiten
als Motoren, die durch das unter Druck stehende Fluid angetrieben
werden, um den Motor zu Starten, und arbeiten als Pumpen, um das
Fluid zu einem Hochdruckspeicher für ein zeitweiliges Speichern
dort zu liefern oder um das Fluid direkt zu Flüssigkeitsmotoren zu liefern,
die an den Fahrzeugreifen angeordnet sind, welche die Reifen in
Rotation gegenüber
einer Last antreiben.
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Eine
elektronische Steuervorrichtung 56 erzeugt ein Betätigungssignal
in Form einer positiven und negativen Spannung, die zu einem Servogerät geleitet
wird, das den Zustand eines Steuerventils 58 in Erwiderung
auf den auslösenden
Wert ändert.
Bevorzugt ist das Ventil 58 ein schnellschaltendes Hochflussrate-Elektromagnet-Servoventil,
wie das kommerziell erhältliche
von Moog Inc., von East Aurora, N.Y. mit der Teilnummer 35-196-4000-I-4PC-2-VIT.
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Wenn
das hydraulische System als Motor arbeitet, um die Motorkolben vorbereitend
für das
Starten des Motors zu bewegen, oder während der Motor gestartet wird,
schaltet die Steuervorrichtung 56 wiederholend zyklisch
das Ventil 58 zwischen einem ersten Zustand 60 und
einem zweiten Zustand 76. Der erste Zustand verbindet den
Speicher 42 durch das Ventil 58 mit der linken
Seite des Zylinders 51 der Motorpumpe 44 durch
die Leitung 64. Mit dem Ventil 58 im Zustand 60 wird
die linke Seite der Zylinder 55, 57 der Motorpumpen 46, 48 durch
die Leitungen 68, 70 und das Ventil 58 mit
dem Niederdruckspeicher 41 verbunden. Diese Vorgänge bewirken,
dass sich der Kolben 50 nach rechts bewegt, um Fluid von
der Motorpumpe 44 durch die Leitung 72 mit der
rechten Seite des Zylinders 57 und durch die Leitung 74 mit
der rechten Seite des Zylinders 55 zu treiben. Auf diese
Art veranlasst der erste Zustand 60 des Ventils 58 das
Fluid-Steuerungs-System, die inneren Motorkolben 18, 20 nach
rechts und die äußeren Motorkolben 24, 26 nach
links zu den in 2 gezeigten Positionen dieser
Kolben zu bewegen.
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Wenn
die Steuervorrichtung 56 das Ventil 58 auf den
zweiten Zustand 76 schaltet, wird der Hochdruckspeicher 42 durch
die Leitung 68 mit der linken Seite des Kolbens 57 der
Motorpumpe 48 und durch die Leitung 70 mit der
linken Seite des Kolbens 55 der Motorpumpe 46 verbunden.
Dies treibt die Motorkolben 24, 26 nach rechts.
Wenn das Ventil 58 im zweiten Zustand ist, wird der Niederdruckspeicher 41 durch
das Ventil 58 und die Leitung 64 mit der linken
Seite des Zylinders 51 der Motorpumpe 44 verbunden.
Weil die Kolben 52, 54 sich nach rechts bewegen,
wird Fluid von den Zylindern 55, 57 durch jeweilige
Leitungen 74, 72 zur rechten Seite des Zylinders 51 gefördert. Dies
veranlasst den Kolben 50, die Schubstange 22 und
die inneren Motorkolben 18, 20 sich nach links
zu bewegen und die äußeren Motorkolben 24, 26 sich
nach rechts zu bewegen, zu den in 1 gezeigten
Positionen dieser Kolben.
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Wenn
der Motor 10 gestartet und bevor Kraftstoff eingespritzt
wird, werden die Kolben 18, 20 nach links bewegt,
und gleichzeitig werden die Kolben 24, 26 nach
rechts durch das Aktuator-System in Richtung der in 1 gezeigten
Position bewegt. Diese Kolbenverlagerung ist ausreichend, um den
Kolben das Öffnen der
Einlassöffnungen 36 in
den Zylinder 14 zu ermöglichen,
die wourch gewährleistet
ist, dass Zylinder der 14 mit einer pneumatischen Ladung,
vorzugsweise einer Luftladung, gefüllt wird. Als nächstes werden
die Kolben 18, 20 nach rechts bewegt und gleichzeitig
werden die Kolben 24, 26 nach links von dem Aktuator-System
in Richtung zu der in 2 gezeigten Position bewegt.
Diese Kolbenverlagerung ist ausreichend, um den Kolben das Öffnen der
Einlassöffnungen 37 in
Zylinder 12 zu ermöglichen,
wodurch gewährleistet
wird, dass der Zylinder 12 mit einer pneumatischen Ladung,
vorzugsweise einer Luftladung, gefüllt wird.
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Nachdem
eine Luftladung jedem Zylinder zugeführt ist, bewegt das Aktuator-System
die Kolben in Zyklen hin und her, die aufeinanderfolgende Kompressionshübe und Expansionshübe aufweisen,
ohne den Einlassöffnungen 36, 37 ein Öffnen zu
erlauben. Während
dieser Hübe
erhöht
sich Kolbenverlagerung, die Länge des
Kolbenhubs, die Kolbengeschwindigkeit, der Spitzenkompressionsdruck
in den Zylindern und das Kompressionsverhältnis der Luftladung. Der Aktuator
verbindet den Hochdruckspeicher 42 wechselweise mit den Aktuatormotoren 44, 46, 48,
um die Kolbenpaare 18–20, 24,–26 in
ihren jeweiligen Zylindern 12, 14 zu verschieben.
Der Druck, der in jedem Zylinder während des Kompressionshubs
erzeugt wird, treibt die Kolben in jedem Zylinder von der oberen
Totpunktlage während
eines Expansionshubs weg. Die Vergrößerung der Kolbenverlagerung
während
aufeinanderfolgender Arbeitstakte wird durch fortschreitende Erhöhung der
Stärke der
Energie erfüllt,
die dem System durch die Aktuatormotoren während jedes Verdrängungszyklus
zugeführt wird,
oder durch Verlängerung
der Periode, während
welcher Aktuatorkraft den Kolben aufgeprägt wird, oder durch Änderung
der Frequenz der periodischen Aktuatorkraft näher hin zu der Frequenz des
Systems, oder durch Kombinationen dieser Vorgänge.
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Zyklische
Kompression und Expansion der Luftladung in den Zylindern 12, 14 sind
analog zu dem Effekt einer Druckfeder, die in jedem Zylinder angeordnet
ist. Kompression der pneumatischen Ladung in einem Zylinder stellt
sich der Beschleunigung der Kolbenmasse in Richtung der oberen Totpunktlage
in diesem Zylinder entgegen. Expansion der pneumatischen Ladung
in einem Zylinder hilft bei der Beschleunigung der Kolbenmasse in
Richtung der unteren Totpunktlage in diesem Zylinder. Da die Ladung
in einem Zylinder verdichtet worden ist, wird die Ladung in dem
anderen Zylinder expandiert. Daher werden kontinuierlich Druckkräfte erzeugt,
die den Kolben in jedem Zylinder helfen sich wechselweise in Richtung
der oberen Totpunktlage und der unteren Totpunktlage in der richtigen
Phasenbeziehung zu bewegen.
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7 zeigt
ein Diagramm, das die Änderung
der Kolbenposition und der Kolbengeschwindigkeit während eines
Motor-Arbeitstaktes zeigt. Der Abstand zwischen den zwei Motorkolben
in dem gleichen Zylinder ist sum = si + so, wobei si und so jeweils
der Abstand des inneren Kolbens 18 und des äußeren Kolbens 24 von
einer Bezugsposition ist. Positionssensoren erzeugen Signale als
Eingansgröße der Steuervorrichtung 56, die
die momentane Position dieser Kolben relativ zu der Bezugsposition
darstellen. In gleicher Weise ist vel = vi + vo die relative Geschwindigkeit
zwischen den Motorkolben in dem gleichen Zylinder, wobei vi und
vo jeweils die Drehzahl des inneren Kolbens 18 und des äußeren Kolben 24 ist.
Die Steuervorrichtung 56 tastet periodisch die Signale
ab, die durch die Positionssensoren erzeugt werden, und bestimmt
die Kolbengeschwindigkeiten aus der Information der Kolbenposition.
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Sobald
die Kolben 18, 24 sich in Richtung zueinander
bewegen, ist die Geschwindigkeit vel > 0, die durch den Abschnitt in 7 dargestellt
ist, der oberhalb der horizontalen Achse, der Kolbenpositionsachse, angeordnet
ist. Sobald die Kolben in einem Zylinder sich voneinander weg bewegen,
ist die Geschwindigkeit vel < 0,
was durch den Abschnitt in 7 dargestellt
ist, der unterhalb der horizontalen Achse angeordnet ist. Die relative
Position (sum) der Kolben 18, 24 ist durch beidseitigen
Kolbenkontakt, d.h. die Kolben stoßen zusammen (sum = 0), und
durch Kolbenendanschläge
begrenzt, was den maximalen Abstand bestimmt, auf den die Kolben
sich voneinander weg bewegen können
(sum = smax). Anstelle einer Überprüfung des
Kompressionsverhältnisses
oder des Kolbenhubs an der oberen Totpunktlage wird die Kolbengeschwindigkeit
gesteuert, da sie genauer gemessen werden kann.
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Die
Dauer der Kolben, um einen vollen Arbeitstakt der Verdrängung zu
vervollständigen,
d.h. eine Schleife um die Ellipse von 7 herum,
beträgt
ca. 18 ms., wobei die Dauer von der Masse, die mit den Kolben oszilliert,
und der Steifheit der Luftfeder in den Zylindern 12 und 14 abhängig ist.
Die Betriebsfrequenz des Motors 10 verändert sich um nicht mehr als
ca. 20% aufgrund der bevorzugten Auslenkung im Eigenfrequenz-Modus des Masse-Feder-Systems.
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Die Kolbenpaare unterliegen
zwei Quellen der
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Energieeinbringung:
Energie, die durch den Aktuator eingebracht wird, die prinzipiell
während
des Startens des Motors, wenn der hydraulische Aktuator-Motor/Pumpen
als Motor arbeitet, eingebracht wird, und die Energie, die durch
die Verbrennung des Kraftstoffs abgegeben wird. Nach Starten des
Motors wird der Aktuator allmählich
durch die Steuervorrichtung abgeschaltet; danach hält Energie,
die durch die Verbrennung des Kraftstoffs frei wird, den Motor unabhängig von
dem Aktuator am Laufen. Verbrennungsenergie wird dann zu hydraulischer
Energie umgewandelt und der Aktuator wird vom Betrieb als ein Motor
zu einem Betrieb als Pumpe umgeschaltet. Der hydraulische Aktuator
kann durch eine elektromagnetische Maschine, wie zum Beispiel einen
linearen Starter-Generator, oder durch eine pneumatische Motor/Pumpe
ersetzt werden.
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Die
Steuerung des Ventils 58 wird als nächstes mit Bezug auf das Phasendiagramm
in 7 erklärt. Idealerweise
würde sich
der Zustand des Ventils 58 augenblicklich ändern, wenn
die Kolben an der oberen Totpunkt- und der unteren Totpunktlage
sind, d.h. den Extrema der Kolbenbewegung, an denen die Kolbengeschwindigkeit
Null ist (vel = 0). In 7 erfolgt der obere Totpunkt
für Kolben 20–26 und
der unterer Totpunkt für
die Kolben 18–24 bei 80 und
der untere Totpunkt für
die Kolben 20–26 und
der oberer Totpunkt für
die Kolben 18–24 erfolgen
bei 82. Das Ventil 58, das einen elektromagnetischen
Aktuator, ein Kolbenventil, einen Federmechanismus und einige hydraulische
Strömungspassagen
aufweist, hat eine Antwortzeit, die von dem Ventilaufbau und der
angelegten Spannung abhängig
ist. Die Dauer, die für
das Ventil 58 benötigt
wird, um auf ein Betätigungssignal
von +4 Volt oder –4
Volt zu reagieren, beträgt
näherungsweise
5 ms. Folglich ist es erforderlich, das Ventil 58 in beide
Richtungen (+4 V oder –4
V) zu betreiben, bevor die Kolben ihre maximale und minimale Position
(bei vel = 0) erreichen, so dass der maximal effektive Volumenstrom
durch das Ventil 58 (oder genereller, die effektive Energieeinbringung)
beginnt, wenn sich die Kolben an der unteren Totpunkt- und der oberen
Totpunktlage 80, 82 befinden. In 7 ist
das Betätigungssignal
an das Ventil 58 an den Umschaltpunkten 84, 86 angelegt.
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Der
Umschaltpunkt für
jeden aktuellen Arbeitstakt ist in Zeit durch Verwendung von Information
optimiert, die von einem vorherigen Arbeitstakt eingeholt wird,
welche Information elektronisch aufgezeichnet wird und zugänglich für die Steuervorrichtung 56 ist.
Die Zeitdauer der Prüf-Verzögerungs-Zeiten wird in 7 durch
die Pfeile 88 und 90 dargestellt. Wenn die Zeitdauer,
die zum bewegen der Kolben von Punkt 92 zu 94 oder
von 96 zu 98 während
des vorherigen Arbeitstaktes benötigt
wird, 7 ms beträgt,
dann sollte die Betätigungsspannung
um 2 ms zu Punkt 92 verzögert werden, bevor die Spannung
an das Ventil 58 bei 84 angelegt wird. Deshalb
wird der Zustand des Ventils 58 am Punkt 84 5
ms vor der oberen Totpunktlage 80 umgeschaltet.
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Das
Ventil 58 bleibt durch die Betätigungsspannung betätigt nachdem
die Kolben ihre maximalen/minimalen Positionen 80, 82 erreichen,
bis die Kolben Punkte 94 und 96 erreichen oder
wie durch die abgeschätzte
Kolbengeschwindigkeit bestimmt wurde. Zum Beispiel kann Punkt 94 nach
etwa 1 ms auftreten, nachdem die Kolben Punkt 80 erreichen,
und Punkt 96 kann etwa 1 ms, nachdem die Kolben Punkt 82 erreichen erfolgen.
wenn eine passable Verbrennung in den Zylindern 12, 14 auftritt,
erzeugt sie eine hohe Kolbengeschwindigkeit (Vx) ungefähr 1 ms
nach dem oberen Totpunkt bei 94 und das Ventil 58 ist
für eine
kürzere
Dauer betätigt,
als wenn die Verbrennung vor Punkt 80 erfolgte. Wenn die
Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylindern zu früh erfolgt,
tritt der Spitzendruck in den Zylindern ungefähr nach 400 μsec auf,
bevor die Kolben die obere Totpunktlage erreichen. Frühzeitige
Verbrennung bremst die Kolben auf ihrem Weg zu dem oberen Totpunkt
ab und das Ventil 58 muss für eine längere Periode nach dem oberen
Totpunkt betätigt bleiben,
d.h. für
5 ms, als wenn die Verbrennung erfolgt, wenn die Kolben am oberen
Totpunkt sind.
-
Nachdem
der Motor gestartet ist und läuft,
gibt es verschiedene Wege, den Zeitraum zu minimieren, während welcher
das Ventil 58 betätigt
ist:
- 1. Lege maximale Spannungsamplitude (+4
oder –4
Volt) mit zwischengelagerten Nullspannungsamplituden an. Dies könnte in
dem folgenden Schaltmuster resultieren: +4, 0, –4, 0, +4, 0, –4 ... Volt.
Es wurde demonstriert, dass eine gute Verbrennung eintritt, wenn
keine Spannung am Ventil 58 während der Dauer angelegt wird,
die durch die Pfeile 100 und 102 dargestellt ist.
- 2. Reduziere die Spannungsamplitude, die an das Ventil 58 angelegt
ist, da eine geringere Spannung einen geringeren Strom, eine geringere
Verlagerung des Ventilkolbens und ein geringeres Volumen der Fluidströmung durch
das Ventil 58 erzeugt. Dies könnte in dem folgenden Schaltmuster
resultieren: –4,
+4, –4,
+3, –2.5,
+2, –2,
+1, 0 Volt. Niedrigere Betätigungsspannung
wird mit maximaler Kolbengeschwindigkeit in Beziehung gebracht,
welche ein Maß des
Verdichtungsverhältnisses
ist.
- 3. Eine Kombination von Methoden 1 und 2.
-
Nach
Ablauf der Zeitdauer, während
welcher Spannung an das Ventil
56 angelegt wird, um die
Kolben zu der Position von
2 zu bewegen,
d.h. um ihre Bewegung zu dem oberen Totpunkt in dem Zylinder
14 zu steuern,
wird das Ventil in Vorbereitung zur Bewegung des Kolbens zu der
Position in
1, dem oberen Totpunkt in Zylinder
12,
ausgeschaltet. Vx ist die linear approximierte Kolbengeschwindigkeit
1 ms. nach dem oberen Totpunkt. Die Länge der Zeitdauer, während welcher
eine Betätigungsspannung
an das Ventil
56 (Laufzeit) angelegt wird, wird mit Bezug
auf zwei Faktoren abgeglichen: Vx_Null_Laufzeit und einen Laufzeit-Faktor.
Die Kolbengeschwindigkeit, bei welcher keine Betätigungsspannung angelegt wird,
ist Vx_Null_Laufzeit = 18 ms.
8 veranschaulicht
die Änderung
der Laufzeit mit Vx. Die Laufzeit des Betätigungsspannungs-Impulses wird durch
den folgenden Algorithmus bestimmt: Prüfe Verbrennung
| Bestimme
Kolbengeschwindigkeit Vx | (linear
approximierte Geschwindigkeit 1 ms nach oberem Totpunkt) |
| Berechne
Dur1 = 5 – Vx·5/18 | ms |
| Falls
Verbrennung früh
ist | (erzeuge
frühen
Verbrennungsdetektor) |
| {Laufzeit
= 5ms} | (maximale
Unterstützung
für 5ms) |
| andernfalls | |
| {Laufzeit
= Dur1 + vorherige Durl} | (ein
Durl von jedem Zylinder) |
| Laufzeit
= Laufzeit·MF | |
-
Prüfe Laufzeit
-
Wenn
Laufzeit ausgelaufen ist, schalte das Ventil 58 aus.
-
Die
Stärke
der Betätigungsspannung,
die an dem Ventil 56 während
eines aktuellen Motortakts angelegt wird, wird mit Bezug auf einen
Faktor MF bestimmt. Der Wert von MF ist 1.0, wenn die maximale Absolutgeschwindigkeit
des Kolbens kleiner als eine Bezugsgeschwindigkeit (V_edge) ist,
und wird von 1.0 linear mit der Kolbengeschwindigkeit kleiner, wenn
die maximale Absolutkolbengeschwindigkeit größer als V_edge ist. Wenn die
Kolbengeschwindigkeit um mehr als 5.5 m/s schneller als V_edge ist,
dann ist die Betätigungsspannung,
die an das Ventil 58 angelegt wird, Null. Der Vorgabewert
von V_edge ist 14.5 m/s. Wenn Vel-V_edge = 0.0 m/s, dann ist MF
= 1,0. 9 zeigt die Änderung
von MF mit der Änderung
zwischen der Kolbengeschwindigkeit und V_edge.
-
Die
Steuerung der Betätigungsspannungsverzögerung ist
durch folgenden Algorithmus ausgeführt: Entscheide
Verzögerung
| Verzögerung =
5ms – | vorheriger
Zeit von 96 zu 98 (5 ms ist die |
| | Antwortzeit
des Ventils von |
| | 0 – 4 Volt) |
| Verzögerung =
Verzögerung·MF | (Maximum
2.5ms) |
-
Prüfe
Verzögerung
-
Wenn
Verzögerung
ausläuft
{schalte
Ventil 58 EIN (+4 Volt oder –4 Volt)}
-
Eine
Kraftstoffsteuervorrichtung steuert die gewünschte absolute maximale Kolbengeschwindigkeit durch
Regeln der gewünschten
Kraftstoffmasse, die pro Arbeitstakt eingespritzt wird. Die Kraftstoffmasse
besteht aus zwei Anteilen: einer konstanten Last oder (HP) hochdruckabhängigem Anteil
und einem gesteuerten Maximalgeschwindigkeitsanteil. Die Kraftstoffsteuervorrichtung
ist ein PID-Regler, der Übersättigen verhindert, wenn
eine der Sättigungsgrenzen
erreicht ist. Der Kraftstoff-Regler arbeitet parallel zu der Ventilsteuervorrichung 56 und
alle Steuerungsmechanismen erfolgen simultan.
-
In Übereinstimmung
mit den Bestimmungen der Patentgesetze wurde das Prinzip und Verfahren
des Betriebs dieser Erfindung in seiner bevorzugten Ausführungsform
erklärt
und dargestellt. Dennoch sollte verstanden werden, dass diese Erfindung
praktiziert werden kann, anders als speziell beschrieben und dargestellt,
ohne vom Gedanken und Anwendungsbereich abzurücken.