DE102005020636B4 - Kompressionsimpulsverfahren zum Anlassen eines Freikolben-Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern - Google Patents

Kompressionsimpulsverfahren zum Anlassen eines Freikolben-Verbrennungsmotors mit mehreren Zylindern Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Anlassen eines Freikolben-Verbrennungsmotors (10), der einen ersten Zylinder (12), einen ersten Kolben (18), der bewegbar in dem ersten Zylinder (12) angeordnet ist und zusammen mit dem ersten Zylinder (12) einen ersten Verbrennungsraum ausbildet, einen zweiten Zylinder (14) und einen zweiten Kolben (20) aufweist, der bewegbar in dem zweiten Zylinder (14) angeordnet ist und zusammen mit dem zweiten Zylinder (14) einen zweiten Verbrennungsraum ausbildet, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
– Zuführen einer Luftladung in den ersten und den zweiten Verbrennungsraum,
– Periodisches Aufbringen einer Kraft auf den ersten und den zweiten Kolben (18, 20) bei geschlossenen Verbrennungsräumen, um die in den Verbrennungsräumen eingeschlossenen Luftladungen periodisch zu komprimieren, um den Druck der Luftladungen während aufeinanderfolgender Arbeitstakte bis zu einer vorgegebenen Größe periodisch zu erhöhen, und
– Erzeugen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Verbrennungsräumen durch Zuführen von Kraftstoff zu den Luftladungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Anlassen eines Freikolbenmotors.
  • Ein Freikolben-Verbrennungsmotor weist ein oder mehrere sich hin- und herbewegende Kolben auf, die in einem Verbrennungszylinder angeordnet sind. Allerdings ist keine Kurbelwelle vorhanden, die die Kolben gegenseitig verbindet und sie zum Hin- und Herbewegen veranlasst, sobald sie von einem Starter-Generator, wie in einem herkömmlichen Verbrennungsmotor, angetrieben werden. In einem Freikolbenmotor bewegt sich im normalen Betrieb jeder Kolben während eines Expansionshubs in seinem Zylinder in Erwiderung auf Kräfte, die durch Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder erzeugt werden. Der in dem einen Zylinder durch Verbrennung erzeugte Druck wird verwendet, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem anderen Zylinder zu verdichten. Bevor während des Anlassens eine Verbrennung erfolgt, wird ein Aktuatorsystem verwendet, um die Kraftstoff-Luft-Ladung zu verdichten, die dem Expansionshub folgt. Die Bewegung der Kolben wird von einem System gesteuert, das Kolbenpendelbewegung, Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und dessen Verbrennung synchronisiert. Kolbenverschiebung und Kolbengeschwindigkeit, Zylinderdruck und das Verdichtungsverhältnis werden von dem System überwacht und gesteuert, das Abweichungen von gewünschter synchronisierter Hin- und Herbewegung der Kolben periodisch nachregelt.
  • Während des Startens eines Freikolbenmotors werden die Kolben mittels eines Starter-Aktuator-Systems verdrängt, das einen hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Antrieb verwendet. Vorzugsweise wird elektrische Energie zum Antrieb der Kolben verwendet, sobald ein Motor gestartet wird, der hydraulische oder pneumatische Leistung erzeugt. Wenn ein mit Kompressionszündung arbeitender Freikolbenmotor gestartet wird, wird ein erhebliches Verdichtungsverhältnis der Kraftstoff-Luft-Ladung in einem Zylinder benötigt, um eine Verbrennung zu erzeugen. Wenn konventionelle Motorstarttechniken verwendet werden, wird speziell bei Kaltstartbedingungen ein großer Energiebetrag benötigt, um das Verdichtungsverhältnis zum Anlassen des Motors zu erzeugen.
  • 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.
  • Wenn die Kolben vollständig von einem Aktuator hin- und herbewegt werden, bevor eine Verbrennung während des Anlassens erfolgt, wird ein großer Energiebetrag zur Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Verbrennungsraum benötigt, insbesondere bei Kaltstart eines Kompressionszündungs-Freikolbenmotors bei kaltem Wetter. Eine Methode ist erforderlich, um zum Starten des Motors das Erfordernis einer großen, kapazitiven Energiequelle zu vermeiden.
  • Hierzu stellt die Erfindung ein Verfahren zum Anlassen eines Freikolben-Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 1 bereit. Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Ein Freikolbenmotor, auf den diese Erfindung angewandt werden kann, weist axial fluchtende Zylinder, ein inneres Paar von miteinander gekuppelten Kolben und ein äußeres Paar von miteinander gekuppelten Kolben auf. Der eine Kolben jedes Kolbenpaares bewegt sich in einem ersten Zylinder hin und her, wohingegen der andere Kolben dieses Kolbenpaares sich in einem zweiten Zylinder hin- und herbewegt. Jeder Zylinder ist mit Ansaugkanälen, durch die Luft in den Zylinder eintritt, Auslasskanälen, durch die Abgas den Zylinder verlässt, und einem Kraftstoffkanal, durch den üblicherweise durch Einspritzung Kraftstoff dem Zylinder zugeführt wird, versehen. Die Bewegung der Kolben in dem einen Zylinder, die dort 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 Art bewegen sich die Kolbenpaare in den Zylindern beiderseits entgegengesetzt hin und her, wobei sich das eine Kolbenpaar längslaufend in die eine Richtung bewegt, wohingegen sich das andere Paar in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Wenn eine Verbrennung in dem einen Zylinder erfolgt, kehren sich die Bewegungsrichtungen jedes Kolbenpaares um, wobei sie einen Kompressionshub in dem anderen Zylinder erzeugen.
  • Wenn der Motor abgestellt wird, können sich die Kolben an beliebiger Position im Zylinder befinden. Ein Freikolbenmotor hat üblicherweise keine Einlassventile oder Auslassventile, um die Strömung der Luft und des Abgases in und aus dem Zylinder zu steuern. Stattdessen wird der Zylinder durch einen Ansaugkanal von einem Turbolader, der von Motorabgasen angetrieben wird, mit einer unter Druck stehenden Luftladung versorgt. Wenn der Motor mit einem Kolben im Kompressionshub abgestellt wird, treten während der Abstelldauer unter dem Druck in dem Zylinder Verluste der Luftladung des Zylinders durch Undichtigkeit der Ansaug- und Auslasskanäle und quer über die Kolbenringe hin auf. Durch diese Ausströmung kann ein partielles Vakuum in dem Zylinder erzeugt werden.
  • Um zu vermeiden, auf große hydraulische oder pneumatische Drücke in dem Starter-Aktuator angewiesen zu sein, ist eine periodische Anlass-Strategie entwickelt worden. Die Kolben werden während des Anlassens mit einer stufenweise zunehmenden Verschiebung hin- und herbewegt, um einen hinreichenden Betrag von kinetischer Energie in den Kolben zu entwickeln, um eine Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Ladungen zu bewirken. Energie, die auf die Kolben von einem Starter-Aktuator aufgebracht wird, und Energie, die durch die Expansion der verdichteten Luftladung wiedererlangt wird, noch bevor eine Verbrennung erfolgt, wird kombiniert, um die kinetische Energie der sich hin- und herbewegenden Kolben zu erhöhen und um den Druck in dem Verbrennungsraum stetig zu erhöhen.
  • Das Verfahren zum Anlassen des Motors verwendet einen Aktuator, wie beispielsweise einen hydraulischen oder pneumatischen Pumpmotor oder einen elektrisch linearen Starter-Generator, um die Kolben zu einer Position zu bewegen, wo die Ansaugkanäle geöffnet sind. Dies gewährleistet, dass Luft in einem Zwischenraum 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, und um eine Luftladungsdruckkraft auf den Kolben während eines Expansionshubs aufzubringen. Die Kolben bewegen sich mit einer steigenden Verschiebung in Erwiderung auf die Aufbringung der Aktuator-Kraft und der Druckkräfte, die von der Luftfeder erzeugt werden, hin und her. Der Federanteil der Luftladungen erhöht sich, da der Druck der Luftladung sich mit der Kolbenverschiebung erhöht.
  • Die Aktuator-Kraft ist eine periodische Kraft, die vorzugsweise eine Frequenz hat, welche die Gleiche oder nahezu die Gleiche ist, wie die veränderliche Eigenfrequenz des Systems, welche die Masse der Kolben, andere Massen, die sich mit den Kolben hin- und herbewegen, und die variable Luftfeder, die kompressibele-expansible Luftladung in dem Verbrennungsraum beinhaltet. Wenn die Kolbenverschiebung eine ausreichende Größe erreicht, wird dem Zylinder bevorzugt durch Einspritzung Kraftstoff zugeführt. Von dem Aktuator werden das Vergrößern der Kolbenverschiebung und das Erhöhen des Drucks des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder fortgesetzt, bis eine unterstützende periodische Verbrennung dieses Gemisches einsetzt. Anstelle den Motor sofort mit Last zu beaufschlagen, nachdem eine Verbrennung in dem ersten Zylinder eintritt, erfolgt bevorzugt ein Zeitabschnitt der Verzögerung, bevor der Motor auf Volllast gebracht wird. Die von dem Aktuator erzeugte Kraft kann fortbestehen, um auf den Kolben aufgebracht oder von den Kolben entfernt zu werden, solange die Verbrennung in dem ersten Zylinder andauert. Während der Verzögerungsdauer wird Kraftstoff periodisch dem zweiten Zylinder zugeführt, während der Kolben sich im zweiten Zylinder hin- und herbewegt. Nachdem eine anhaltend periodische Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem zweiten Zylinder auftritt, kann der Motor auf Volllast gebracht werden.
  • Verschiedene Ziele und Vorteile der Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann bei der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform deutlich, wenn sie angesichts der beigefügten Zeichnungen gelesen werden.
  • 1 und 2 zeigen Querschnittsansichten entlang einer Längsebene durch einen Freikolbenmotor, welche die Position der Kolbenpaare und Verbrennungszylinder an entgegengesetzten Enden ihrer Verschiebung schematisch darstellen;
  • 3 zeigt ein Schaltbild eines Strömungssteuersystems, das einen Regler zum Betreiben der Strömungs-Pumpmotoren aufweist, die mit den Hubkolbenpaaren zum Anlassen des Motors verbunden sind;
  • 4A und 4B zeigen einen Querschnitt entlang einer Längsebene eines Motors und einer hydraulischen Motorpump-Anordnung;
  • 5 zeigt eine isometrische Ansicht eines Abschnitts der Außenfläche des Motors von 1; und
  • 6 zeigt ein partiell querverlaufendes Schnittbild des Motors aus 1 im Bereich einer Zündkerze oder eines Glühstifts.
  • Beginnend mit 1 und 2 weist ein Freikolbenmotor 10 einen ersten Zylinder 12 und einen mit dem ersten Zylinder axial fluchtenden zweiten Zylinder 14 auf, wobei die Zylinder in Zylinderlaufbuchsen 16, 17 angeordnet sind, die von einem Motorblock umgeben sind. Ein erstes Kolbenpaar, die inneren Kolben 18, 20, sind miteinander mittels einer Schubstange 22 gekuppelt. 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, sind miteinander mittels Zugstangen 28, 30 gekuppelt, und gegenseitig an den axialen Enden der Kolben 24, 26 mittels Brücken 32, 34 gesichert. 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-Ansaugkanälen 36, 37 und Auslasskanälen 38, 39 versehen. In 1 werden die Kanäle 37, 39 (s. 2) des Zylinders 12 von dem Kolben 18, 24 geschlossen, die nahe ihrer oberen Totpunktlage (TDC) angeordnet sind, und die Kanäle 36, 38 des Zylinders 14 sind von dem Kolben 18, 24 freigegeben, die nahe ihrer unteren Totpunktlage (BDC) angeordnet sind. In 2 werden die Kanäle 36, 38 des Zylinders 14 von dem Kolben 20, 26 geschlossen, die nahe ihrer oberen Totpunktlage angeordnet sind, und die Kanäle 37, 39 des Zylinders 12 sind durch Kolben 18, 24 freigegeben, die nahe ihrer unteren Totpunktlage angeordnet sind. Wenn sich die Kolben des einen der beiden Zylinder in der oberen Totpunktlage befinden, sind die Kolben des anderen Zylinders in oder nahe ihrer unteren Totpunktlage. An jedem Zylinder ist ein Kraftstoff-Kanal 40 ausgebildet, durch den während des Kompressionshubs Kraftstoff in den Zylinder, bevorzugt durch Einspritzung, zugeführt wird.
  • Die Verschiebungen der Kolbenpaare zwischen ihrer jeweiligen oberen Totpunktlage und unteren Totpunktlage, deren Hub-Endpunkte in 1 und 2 gezeigt sind, sind so aufeinander abgestimmt, dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, das in dem Zwischenraum zwischen den Kolben 18, 24 im Zylinder 12 und dem Raum zwischen Kolben 20, 26 im Zylinder 14 platziert ist, komprimiert wird. Eine Verbrennung von diesen Gemischen erfolgt innerhalb der Zylinder, bevorzugt sobald die Kolben sich leicht vorbei an der oberen Totpunktlage in Richtung zu der unteren Totpunktlage bewegt haben. Diese synchronisierte Hin- und Herbewegung der Kolbenpaare wird als „entgegengesetzte Kolben – entgegengesetzte Zylinder" (OPOC)-Pendelbewegung bezeichnet.
  • Die synchronisierte koordinierte Bewegung der Kolben wird von einer hydraulischen Schaltung gesteuert, die Fluid-Flüssigkeit-Motorpumpen aufweist, um Ventile und Anschlüsse zu kontrollieren, die in einem hydraulischen oder pneumatischen Block 43 enthalten sind, der axial zwischen den Zylinderlaufbuchsen 16, 17 angeordnet ist. Wie weiter aus 3 ersichtlich, weist der Regelkreis einen Niederdruckspeicher 41, einen Hochdruckspeicher 42, eine Motorpumpe 44, die steuerbar mit der Schubstange 22 verbunden ist, eine Motorpumpe 46, die steuerbar mit der Zugstange 28 verbunden ist, und eine Motorpumpe 48 auf, die steuerbar mit der Zugstange 30 verbunden ist. An der Schubstange 22 ist ein Kolben 50 ausgebildet, der in einem Zylinder 51 angeordnet, der in einem Block 43 ausgebildet ist. Die Pendelbewegung der Motorkolben 18, 20 veranlasst Kolben 50 der Motorpumpe 44 zum Hin- und Herbewegen. An den Zugstangen 28, 30 ist jeweils ein Kolben 52, 54 ausgebildet, die in Zylindern 55, 57 angeordnet sind, die entsprechend im Block 43 ausgebildet sind. Die Pendelbewegung der Motorkolben 24, 26 veranlasst die Kolben 52, 54 der Motorpumpen 46, 48 zum Hin- und Herbewegen.
  • Der Aktuator verbindet den Hochdruckspeicher 42 abwechselnd mit Aktuator-Motoren 44, 46, 48, um die Kolbenpaare 1820, 2426 in ihren jeweiligen Zylindern 12, 14 gegen den Druck zu verschieben, der in den Zylindern während des Kompressionshubs erzeugt wird. Vorzugsweise bringen die Aktuator-Motoren 44, 46, 48 Kraft an die Kolben auf, sobald die Kolben an oder nahe der unteren Totpunktlage sind, und die Motoren entfernen die Betätigungskraft bevor der Kolben die obere Totpunktlage erreicht. Der in jedem Zylinder während seines Kompressionshubs erzeugte Druck treibt die Kolben während des Expansionshubs von der oberen Totpunktlage weg. Die Vergrößerung der Kolbenverschiebung wird für jeden Kolbenverschiebetakt durch stufenweise Erhöhung des Druckbetrags erreicht, der von den Aktuator-Motoren während jedes Verschiebetakts aufgebracht wird, oder durch Erhöhung der Periodendauer, wenn Druck auf den Aktuator aufgebracht wird, oder durch eine Kombination dieser Vorgänge.
  • Wenn der Motor 10 läuft, wird durch die aufeinander abgestimmte Bewegung der Motorkolben Flüssigkeit aus dem Niederdruckspeicher 41 zu den Motorpumpen 44, 46, 48 gezogen, von denen eine hydraulische oder pneumatische Flüssigkeitsströmungsleistung erzeugt wird, die in den Hochdruckspeicher 42 gespeist wird. Die Motorpumpen 44, 46, 48 arbeiten als Motoren, die von dem unter Druck stehenden Fluid angetrieben werden, um den Motor zu starten, und arbeiten als Pumpen, um das Fluid in einen Hochdruckspeicher für ein dortiges zeitweiliges Speichern zu liefern oder um das Fluid direkt in Flüssigkeitsmotoren zu liefern, die an den Fahrzeugreifen angeordnet sind, welche die Reifen in Rotation entgegen einer Last antreiben.
  • Eine elektronische Steuerung 56 erzeugt ein in eine Hubmagnetspule oder in ein Relais gesendetes Betätigungssignal, welches, als Antwort auf das Betätigungssignal den Zustand eines Steuerventils 58 ändert. Wenn beispielsweise das hydraulische System wie ein Motor arbeitet, um die Motorkolben vorbereitend für das Starten des Motors zu bewegen, wird von der Steuerung 56 das Ventil 58 in einen ersten Zustand 60 gewechselt, in dem der Hochdruckspeicher 42 durch Ventil 58 mit der linken Seite von Zylinder 51 der Motorpumpe 44 durch Leitung 64 hindurch verbunden ist. Mit Ventil 58 in Zustand 60 ist die linke Seite der Zylinder 55, 57 der Motorpumpen 46, 48 durch die Leitungen 68, 70 und das Ventil 58 hindurch mit dem Niederdruckspeicher 41 verbunden. Diese Vorgänge bewirken, dass sich Kolben 50 nach rechts bewegt, um Fluid von der Motorpumpe 44 durch die Leitung 72 mit der rechten Seite des Zylinders 57 und durch Leitung 74 mit der rechten Seite des Zylinders 55 zu treiben. Auf diese Art wird im ersten Zustand 60 des Ventils 58 das Fluid-Steuerungs-System veranlasst, die inneren Motorkolben 18, 20 nach rechts, und die äußeren Motorkolben 24, 26 nach links in die in 2 gezeigte Position zu bewegen.
  • Wenn von dem Regler das 56 Ventil 58 in den zweiten Zustand 76 umschaltet, wird der Hochdruckspeicher 42 durch die Leitung 68 hindurch mit der linken Seite des Kolbens 57, und durch die Leitung 70 hindurch mit der linken Seite des Kolbens 55 der Motorpumpe 46 verbunden. Hierdurch werden die Motorkolben 24, 26 nach rechts getrieben. Wenn das Ventil 58 in dem zweiten Zustand ist, wird der Niederdruckspeicher 41 durch das Ventil 58 und die Leitung 64 hindurch mit der linken Seite des Zylinders 51 der Motorpumpe 44 verbunden. Da die Kolben 52, 54 sich nach rechts bewegen, wird Fluid aus den Zylindern 55, 57 durch die Leitungen 74, 72 entsprechend zur rechten Seite des Zylinders 51 gefördert. Hierdurch werden die Kolben 50, die Schubstange 22 und die Motorkolben 18, 20 veranlasst, sich nach links zu bewegen.
  • Wenn der Motor 10 gestartet wird und bevor Kraftstoff eingespritzt wird, werden die Kolben 18, 20 nach links bewegt und gleichzeitig werden die Kolben 24, 26 mittels des Aktuator-Systems nach rechts in die in 1 gezeigte Position bewegt, wie mit Bezug auf 3 beschrieben. Diese Kolbenverschiebung ist ausreichend, um den Kolben das Öffnen der Ansaugkanäle 36 in dem Zylinder 14 zu ermöglichen, die dadurch gewährleisten, dass Zylinder 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 mittels des Aktuator-Systems nach links in die in 2 gezeigte Position bewegt. Diese Verschiebung ist ausreichend, um den Kolben das Öffnen der Ansaugkanäle 37 in dem Zylinder 12 zu ermöglichen, die dadurch gewährleisten, dass der Zylinder 12 mit einer pneumatischen Ladung, vorzugsweise einer Luftladung, gefüllt wird.
  • Nachdem eine Luftladung jedem Zylinder zugeführt ist, bewegt der Aktuator die Kolben hin und her, von denen Kompressionshübe und Expansionshübe erzeugt werden, die zunehmende Kolbenverschiebung oder zunehmenden Kolbenhub, ansteigende Kolbengeschwindigkeit, zunehmenden Spitzendruck in dem Verbrennungsraum und zunehmendes Verdichtungsverhältnis der Luftladung haben, ohne aber der Kolbenverschiebung das Öffnen der Einlasskanäle 36, 37 zu erlauben. Periodische Kompression und Expansion der Luftladung in den Zylindern 12, 14 sind analog zu dem Effekt einer in jedem Zylinder angeordneten Druckfeder. Kompression der pneumatischen Ladung in einem Zylinder stellt sich der Beschleunigung der Kolbenmasse in Richtung zu der oberen Totpunktlage in diesem Zylinder entgegen. Expansion der pneumatischen Ladung in einem Zylinder hilft bei der Beschleunigung der Kolbenmassen in Richtung zu der unteren Totpunktlage in diesem Zylinder. Wenn die Ladung in einem Zylinder verdichtet worden ist, wird die Ladung in dem anderen Zylinder expandiert. Folglich werden kontinuierlich Druckkräfte entwickelt, die den Kolben in jedem Zylinder helfen sich wechselweise in Richtung zu der oberen Totpunktlage und der unteren Totpunktlage in der richtigen Phasenbeziehung zu bewegen.
  • Für einen Neustart eines heißen oder warmen Motors wird angenommen, dass nur ein oder zwei Takte aus Kompressionshüben oder Expansionshüben benötigt werden, nachdem die Luftladung zu den Zylindern zugeführt wird und bevor nachfolgende Motoranlass-Schritte ausgeführt werden. Für einen Kaltstart eines Motors wird angenommen, dass ungefähr zehn solcher Takte benötigt werden, nachdem die Luftladung zugeführt wird und bevor zusätzliche Motoranlass-Schritte ausgeführt werden.
  • Ferner wird ein Kraftstoffvolumen jeder Luftladung während einer ersten Reihe von Takten beigefügt, solange das Anlassen des Motor mit Funkenzündung verursacht wird.
  • Drosselklappen 128 werden verwendet, um einen Luft-Durchfluss in den Zylinder durch die Einlasskanäle 36, 37 während einer ersten Reihe von Anlasstakten festzulegen. Kraftstoff wird dem Zylinder durch Kraftstoffkanäle 40 zugeführt, so dass ein stöchiometrisches Gemisch aus Kraftstoff und Luft oder ein Gemisch, das näherungsweise stöchiometrisch ist, in den Zylindern vorhanden ist. Entweder Zündkerze 104 oder Glühstift 106 erzeugen eine Zündung. Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Zylindern 12, 14 erfolgt bei der korrekten Phasenbeziehung zu dem Spitzendruck. Nachdem der Motor unter Funkenzündung zu laufen begonnen hat, hört der Aktuator auf, die Kolben anzutreiben, und der Motor funktioniert unabhängig vom Starter-Aktuator. Von der Motor-Steuerung werden die Einspritzdüsen 100, 102 veranlasst, Kraftstoff in einer angemessenen Kraftstoffmenge durch Kraftstoff-Kanäle 40 in den zwischen den Kolben in jedem Zylinder 12, 14 angeordneten Verbrennungsraum wiederholend einzuspritzen.
  • Der Spitzendruck in jedem Zylinder wird von Drucksensoren 96, 98 überwacht. Der Regler 56 bestimmt, ob der Spitzendruck während der Funkenzündung auftritt, wenn die Kolben in der oberen Totpunktlage in dem Verbrennungszylinder, oder innerhalb einer vorbestimmten Dauer oder eines Abstands hinter der oberen Totpunktlage sind. Die Dauer ist vorzugsweise etwa 0.25 ms hinter der oberen Totpunktlage, oder einer Verzögerung vergleichbar mit 2° hinter der oberen Totpunktlage für einen Zwei-Takt, Kurbelwellen-Verbrennungsmotor, der mit einem vergleichbaren Kraftstoff, wie beispielsweise Benzin, versorgt wird. Der Regler 56 gleicht den Funkenzündungstakt ab, bis der Spitzendruck in einem zulässigen Phasenbereich erfolgt.
  • Wenn Zündung zu einer zulässigen Phasenbeziehung zu dem Spitzendruck erfolgt, beginnt eine zweite Reihe von Motoranlasstakten. Bei diesen Motortakten wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis in den Zylindern reduziert, indem die Drosselklappen 128 zur Erhöhung des Luftdurchflusses verwendet werden, oder indem beides, die Drosselklappen und Einspritzdüsen, verwendet werden, um den Luftdurchfluss zu erhöhen und den Kraftstoffdurchfluss zu verringern. Das Funkenzündungssystem wird von dem Motorregler 56 abgeschaltet. Danach arbeitet der Motor bevorzugt mit einer gleichmäßigen Kraftstoff-Luft-Ladung und die Verbrennung erfolgt durch Kompressionszündung. Nachdem der Motor gestartet ist und unter Programmsteuerung weiterläuft, kann eine externe Belastung an den Motor angesetzt werden.
  • Ein Motorregler veranlasst eine Einspritzdüse 100 dazu, eine entsprechende Menge Kraftstoff in einen Zylinder 12 zwischen Kolben 18, 25 durch den Kraftstoffkanal 40 einzuspritzen. Nachdem der Motor gestartet ist, läuft er unter einer Programmsteuerung mit Kraftstoffeinspritzung, die durch eine Motorsteuerung aktiv geregelt wird, weiter.
  • Die Aktuatorkraft ist eine periodische Kraft, die bevorzugt eine Frequenz hat, die die gleiche oder nahezu die gleiche ist wie die veränderliche Eigenfrequenz des sich hin- und herbewegenden Systems, das die Kolbenmasse, andere Massen, die mit den Kolben verbunden sind und sich mit den Kolben hin- und herbewegen, und die veränderliche Luftfeder, die komprimierbare-expandierbare Luftladung in dem Verbrennungsraum, enthält. Wenn die Kolbenverschiebung eine ausreichende Größe erreicht, wird Kraftstoff dem Zylinder vorzugsweise durch Einspritzung zugeführt. Der Aktuator setzt die Erhöhung der Kolbenverschiebung und des Drucks des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder fort, bis eine anhaltende periodische Verbrennung des Gemisches eintritt. Anstatt den Motor, nachdem die Verbrennung in dem ersten Zylinder einsetzt, sofort mit Last zu beaufschlagen, erfolgt ein Verzögerungsabschnitt bevor der Motor mit voller Last beaufschlagt wird. Die mittels des Aktuators erzeugten Kräfte können an den Kolben aufgebracht oder von den Kolben abgebaut werden, solange die Verbrennung in dem ersten Zylinder anhält und bevor fortwährende Verbrennung in dem zweiten Zylinder einsetzt. Zu dem Verzögerungsabschnitt wird Kraftstoff periodisch einem zweiten Zylinder zugeführt, während sich die Kolben in dem zweiten Zylinder hin- und herbewegen, Nachdem eine anhaltende periodische Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem zweiten Zylinder einsetzt, kann der Motor mit voller Last beaufschlagt werden. Nachdem der Motor gestartet ist, läuft er unter einer Programmsteuerung mit Kraftstoffeinspritzung, die von einer Motorsteuerung aktiv geregelt wird, weiter.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Anlassen eines Freikolben-Verbrennungsmotors (10), der einen ersten Zylinder (12), einen ersten Kolben (18), der bewegbar in dem ersten Zylinder (12) angeordnet ist und zusammen mit dem ersten Zylinder (12) einen ersten Verbrennungsraum ausbildet, einen zweiten Zylinder (14) und einen zweiten Kolben (20) aufweist, der bewegbar in dem zweiten Zylinder (14) angeordnet ist und zusammen mit dem zweiten Zylinder (14) einen zweiten Verbrennungsraum ausbildet, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Zuführen einer Luftladung in den ersten und den zweiten Verbrennungsraum, – Periodisches Aufbringen einer Kraft auf den ersten und den zweiten Kolben (18, 20) bei geschlossenen Verbrennungsräumen, um die in den Verbrennungsräumen eingeschlossenen Luftladungen periodisch zu komprimieren, um den Druck der Luftladungen während aufeinanderfolgender Arbeitstakte bis zu einer vorgegebenen Größe periodisch zu erhöhen, und – Erzeugen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Verbrennungsräumen durch Zuführen von Kraftstoff zu den Luftladungen.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: – periodisches Zuführen von Luft und Kraftstoff in den ersten Zylinder, um wiederholt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem ersten Zylinder zu bilden; – Herbeiführen einer periodischen Verbrennung des Gemisches in dem ersten Zylinder; – Verzögerungsapplikation wenigstens eines Anteils einer externen Last auf den Motor; – periodisches Zuführen von Luft und Kraftstoff in den zweiten Zylinder, um wiederholt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem zweiten Zylinder zu bilden; und – Herbeiführen einer periodischen Verbrennung des Gemisches in dem zweiten Zylinder.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Verfahren ferner aufweist: – Abbrechen des Verzögerungsschritts, wenn die Verbrennung in dem ersten und dem zweiten Zylindern für einen vorgegebenen Zeitraum aufrechterhalten bleibt.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: – Bestimmen eines ersten Betrags eines periodischen Maximaldrucks in dem ersten Zylinder, bei dem eine Kompressionsverbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem ersten Zylinder einsetzen wird; und – Vergrößern einer periodischen Verschiebung der Kolben, so dass der erste Betrag des Drucks in dem ersten Zylinder erzeugt wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Ablaufschritt des periodischen Zuführens von Kraftstoff in den ersten Zylinder ferner aufweist: – periodisch wiederholt Einspritzen von Kraftstoff, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem ersten Zylinder zu bilden.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Ablaufschritt der periodischen Verbrennung des Gemisches in dem ersten Zylinder ferner aufweist: – Verwenden einer Verbrennungszündung, um eine periodische Verbrennung des Gemisches in dem ersten Zylinder auszulösen.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Ablaufschritt des Erzeugens der periodischen Verbrennung des Gemisches in dem ersten Zylinder ferner aufweist: – Verwenden einer Funkenzündung, um eine periodische Verbrennung des Gemisches in dem ersten Zylinder auszulösen.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Ablaufschritt des Herbeiführens einer periodischen Verbrennung des Gemisches in dem ersten Zylinder ferner aufweist: – Verwendung einer Funkenzündung, um eine periodische Verbrennung des Gemisches in dem ersten Zylinder auszulösen; und – Verwendung einer Verbrennungszündung, um eine periodische Verbrennung des Gemisches in dem ersten Zylinder auszulösen, nachdem die Verbrennung des Gemisches in dem ersten Zylinder durch Funkenzündung ausgelöst wurde.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Ablaufschritt des Herbeiführens einer periodischen Verbrennung des Gemisches in dem zweiten Zylinder ferner aufweist: – Verwendung einer Funkenzündung, um eine periodische Verbrennung des Gemisches in dem zweiten Zylinder auszulösen; und – Verwendung einer Verbrennungszündung, um eine periodische Verbrennung des Gemisches in dem zweiten Zylinder auszulösen, nachdem die Verbrennung des Gemisches in dem zweiten Zylinder durch Funkenzündung ausgelöst wurde.
  10. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zum periodischen Aufbringen einer Kraft auf den ersten und den zweiten Kolben (18, 20) ein Aktuator verwendet wird.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der Ablaufschritt der Verwendung des Aktuators weiter aufweist: – Bereitstellung einer Energiequelle, beispielsweise einer elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Energiequelle, um den Aktuator anzutreiben, der die Kolben verschiebt und hin- und herbewegt.
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