DE102007040361A1

DE102007040361A1 - Freikolbenmotor mit variabler Verdichtung

Info

Publication number: DE102007040361A1
Application number: DE200710040361
Authority: DE
Inventors: Willem Muller
Original assignee: MULLER KATHERINA
Current assignee: MULLER KATHERINA
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2009-03-05

Abstract

Freikolbenmotoren erzeugen höchsteffizient hydraulische Energie, aber deren Anwendung ist aber dermaßen aufwendig, daß per saldo kein deutlicher Mehrwert gegeüber altbewährten Arbeits- und Fahrantrieben erkennbar ist. Dieser Mehrwert ließe sich allerdings aus dem einzigartigen Umstand ziehen, dass Freikolbenmotoren, nachdem die Einspritz- und Verdichtungsparameter einmal eingestellt sind, im Wesentlichen ohne weitere Motorsteuerung auskommen. Somit stünde deren ungenützte Variabilität für kraftstoffspezifische Optimierungen zur Verfügung und ist der Freikolbenmotor potentiell ein Mehrstoffmotor. Diesbezügliche Steuerungen des Einspritzsystems sind bekannt. Die Erfindung zeigt, wie auch die Verdichtung kraftstoffspezifisch optimiert werden kann, mit dem Kompressionsdruck, der Kompressionszeit und eventuell auch dem Kompressionshub als Variablen.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft Arbeitsmaschinen und Kraftfahrzeuge mit hydrostatischem Arbeits- und/oder Fahrantrieb.
II. Hintergrund
Das Arbeitsmedium dieser Antriebe – gewöhnlich Öl – wird traditionell auf Druck gebracht, indem ein Verbrennungsmotor chemische Energie (Kraftstoff) in mechanische Energie (Kurbelwelle) umsetzt, die von einer Ölpumpe in hydraulische Energie (Drucköl) verwandelt wird. Für den Antrieb von Arbeitszylindern geht es bislang nicht ohne diesen Umweg. Hydrostatische Fahrantriebe aber sind dadurch gegenüber mechanischen von vornherein im Nachteil; die Mehrverluste durch Hydromotoren kommen noch dazu.
Diese Nachteile könnten von einem Freikolbenmotor anstelle von Kurbelmotor und Hydraulikpumpe kompensiert werden, vor allem wenn er mit Puls-Pause-Modulation arbeitet, wie zum Beispiel in der EP 0613521 B1 (Innas) beschrieben. Der Motorkolben ist rückseitig mit einem Hydraulikkolben verbunden, der im Kompressionstakt das Gasgemisch verdichtet und im Expansionstakt Öl auf Druck pumpt: Chemische Energie wird direkt in hydraulische umgesetzt. Dabei zieht der eine Takt zieht nicht sofort den nächsten nach sich, sondern ist jeder Takt ein Einzelvorgang, da der Kolben jeweils im Unteren Totpunkt stehen bleibt, solange der Druck im Hochdruckspeicher nicht unter ein Grenzniveau sinkt und sich ein Ventil öffnet, wodurch der Motorkolben mit Öl aus einem Kompressionsspeicher zum nächsten Kompressionstakt beaufschlagt wird. Die Taktfrequenz wird also nicht über die Einspritzung, sondern über die Kompression geregelt; nicht die Pulsen, sondern die Pausen dazwischen sind variabel.
Der Motor arbeitet besonders effizient, wenn der Kompressionsspeicher nicht direkt vom Hydraulikkolben, sondern vom Hochdruckspeicher aufgeladen wird. Ein Steuerventil zwischen beiden Speichern und eventuell noch eins zwischen Kompressionsspeicher und Tank, halten den Kompressionsdruck konstant auf einem Niveau, das soweit unter dem Grenzniveau liegt, dass es für Hochdruckschwankungen infolge der Ölentnahme durch Verbraucher praktisch unempfindlich ist. Diese Ventilanordnung verhindert auch, dass sogenannte misfirings auf folgende Takte durchwirken, indem sie die Kräftebalance bei der Kompression verstören, was dann wieder über die Einspritzung korrigiert werden müsste. Da Kolbenbewegung wie Kraftstoffverbrennung somit bei jedem Takt und über den ganzen Regelbereich identisch ablaufen, sind sie leicht nach Verbrauch und Emissionen zu optimieren; ein diesbezügliches Motormanagement erübrigt sich. Ferner sind zwei (oder mehr) Zylinderkolben problemlos synchronisierbar, womit das Leistungshandicap einkolbiger Freikolbenmotoren behoben wäre.
Gegenüber den Vorteilen bei der Erzeugung stehen allerdings Nachteile bei der Verwendung der Energie. Die Pufferwirkung des Hochdruckspeichers steht einer schnellen Reaktion auf Änderungen im Volumenstrombedarf im Wege, und mit konstantem Betriebsdruck ist schwer, dem unterschiedlichen und sich fortwährend ändernden Druckbedarf verschiedener Verbraucher gerecht zu werden, weshalb die WO 9731185 /Innas Hydrotransformatoren zwischen Motor und Antrieb vorschlägt. Ferner müssen die Leckverluste kompensiert und der Druck im Niederdruckspeicher beim Aus- und Einfahren von Arbeitszylindern auf Niveau gehalten werden, zum Beispiel durch eine Ventilanordnung in Kombination mit Pumpe und Ölreservoir. Inklusive Randapparatur kommt das Ganze aber dermaßen aufwendig und teuer, daß sich trotz graduell besseren Ergebnissen die Frage stellt, ob man nicht besser beim Kurbelwellemotor plus Verstellpumpe bleiben sollte. Somit ist das Problem des bekannten Freikolbenmotors, dass er zwar sehr vorteilhaft, aber nicht vorteilhaft genug ist.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung löst dieses Problem wie in dem Anspruch beschrieben. Die Grundgedanke ist, dass der einzigartige Verzicht auf Motorsteuerung noch kein Mehrwert ist, sondern dass dieser in der Nutzung der Steuerungsvariablen zu finden ist.
Optimierung der innermotorischen Prozesse durch einmalige Festlegung der Einspritz- und Kompressionsparameter impliziert einen bestimmten Kraftstoff, mit Kenmerken und Eigenschaften, bei denen genau diese Festlegung zu optimalen Ergebnissen führt. Wenn aber die Optimierung kraftstoffspezifisch definiert wird, ist der Freikolbenmotor mittels Steuerung der Einspritz- und Kompressionsvariablen mit unterschiedlichen Kraftstoffen optimal zu betreiben – als gezündeter Motor mit Benzin und zum Beispiel Ethanol, als Selbstzünder mit Dieselöl und naturbelassenen Pflanzenölen. Die folgende Beschreibung der Erfindung bezieht sich auf Selbstzünder, trifft mutatis mutandis aber auch auf gezündete Motoren zu. Der Anspruch gilt unverkürzt für beide Kategorien.
Soweit bekannt sind pflanzenöltaugliche Motoren sind im Grunde Dieselmotoren, die Pflanzenöle so aufbereiten, dass sie im Einspritzsystem verwendbar sind. Sie unterscheiden sich danach, ob sie das Pflanzenöl vorheizen oder ultrasonisch behandeln, wobei letztere Methode ohne Anpassungen von Düsen und Einspritzmanagement auskommt und deutlich besser aber auch deutlich teuerer ist. Vollständige Ver brennung für alle Kraftstoffoptionen bieten dennoch beide nicht. Verbrauch und Emissionen hangen stark vom Verdichtungsverhältnis ab, das bei beiden auf nur einen Kraftstoff – Dieselöl – abgestimmt und nur geringfügig über das Einspritzsteuerung zu beeinflussen ist. Dieselöl und Pflanzenöle divergieren jedoch erheblich in Zündtemperatur und Zundwilligkeit, weshalb kraftstoffspezifische Verdichtung, neben dito Einspritzung, Voraussetzung für kraftstoffspezifische Optimierung ist.
Die Erfindung nun betrifft die kraftstoffbezogene Steuerung der Verdichtung, mit dem Kompressionsdruck und dem Kompressionsdauer als Variablen. Sie wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1. eine schematische, auf die Erfindung beschränkte, Darstellung eines erfindungsgemäßen Motors;
2. den Kompressionshub als fakultative dritte Steuervariabele.
Die erfindungsgemäße Motoren sind sowohl nach der EP 061325 B1 (Innas) wie der EP 1232335 B1 (Bosch-Rexroth) realisierbar. 1. zeigt letztere Variante. Der Kompressionsspeicher (1) ist über Steuerventil (2) mit dem Hochdruckspeicher (3) und über Steuerventil (4) mit dem Niederdruckspeicher (5) verbunden. Ein Sensor (6) informiert dem (nicht dargestellten) Rechner über den Druck im Kompressionsspeicher. Wenn dieser Druck unter ein von der Art und Zusammensetzung des verwendeten Kraftstoffs abhängiges Niveau absinkt, öffnet der Rechner Ventil (2) und wird der Kompressionsspeicher über den Hochdruckspeicher aufgeladen. Bei Überschreiten dieses Niveaus öffnet er Ventil (4), damit der Überdruck zum Niederdruckspeicher hin abgebaut wird. Diese Ventilanordnung diente in der EP 1232335 B1 der Einhaltung eines vorbestimmten Druckniveaus und benötigte somit keine rechnergestützte Steuerung auf der Basis eines Drucksensors.
Gemäß der Erfindung jedoch kann der Kompressionsdruck kraftstoffspezifisch zwischen Hoch- und Niederdruck sowohl angepasst als konstant gehalten werden. Wird entweder einen oder einen anderen Kraftstoff verwendet, genügt dem Rechner ein manuelle Eingabe über dessen Art. Bei Kraftstoffmischungen (in der Praxis Dieselöl mit einem Pflanzenöl) muß zudem zum Beispiel ein Viskositätssensor ((7) ihm über die Zusammensetzung informieren.
Wenn der Druck im Hochdruckspeicher unter Grenzniveau sinkt, löst der Rechner durch Aufsteuerung des Umschaltventils (8) den nächsten Kompressionstakt aus, und wird der Hydraulikkolben (9) mit Kompressionsöl beaufschlagt. EP 1232335 unterscheidet sich von EP 061325 durch eine Ventilanordnung zwischen Umschlagventil und Hydraulikkolben. Ihre großkantige Steuerkolben (10) wird zum Start des Kompressionstaktes mit dem Ausgangsdruck am Umschlagventil beaufschlagt, wodurch der Hydraulikkolben zum Oberen Totpunkt hin beschleunigt wird. Da auch der Dauer dieser Beaufschlagung sich steuern lässt, ist die Kombination aus Druck und Zeit der zugeführten Kompressionsenergie kraftstoffspezifisch optimierbar.
2. zeigt, wie der Steuerkolben (10) nach einer Strecke D auf einen Anschlag (11) aufläuft, der so gewählt wurde, daß der sich weiterhin in Kompressionsrichtung bewegende Hydraulikkolben gegen den anwachsenden Kompressionsdruck des Frischgases im Verbrennungsraum genau am Oberen Totpunkt zum Stehen kommt. Die EP 1232335 beschreibt die Möglichkeit eines über die Motorsteuerung verstellbaren Anschlags, der Druckschwankungen im Hochdruckspeicher ausgleicht um das Verdichtungsverhältnis konstant zu halten. Da dies im erfindungsgemäßen Motor bereits vom Ventilpaar (2, 4) gewährleistet ist, wäre der verstellbare Anschlag hier eine zusätzliche Möglichkeit, um den Hydraulikkolben mit kraftstoffspezifisch optimierter Geschwindigkeit zum kraftstoffspezifisch optimierten Oberen Totpunkt zu führen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0613521 B1 [0003]
- WO 9731185 [0005]
- EP 061325 B1 [0012]
- EP 1232335 B1 [0012, 0012]
- EP 1232335 [0014, 0015]
- EP 061325 [0014]

Claims

Freikolbenmotor mit kraftstoffspezifisch gesteuertem Einspritzsystem, mit einem Motorkolben (12) und einem mit diesem zusammenwirkenden Hydraulikkolben (9), der über ein Umschlagventil (8) mit dem Druck in einem Kompressionsspeicher (1) beaufschlagbar ist, der über ein Steuerventil (2) von einem Hochdruckspeicher (3) aufgeladen wird, wenn der Druck im Kompressionsspeicher unter ein bestimmtes Niveau absinkt, und über ein Steuerventil (4) Druck zu einem Niederdruckspeicher (5) hin abbaut, wenn der Druck im Kompressionsspeicher dieses bestimmte Niveau überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rechner von einem Sensor durchgehend über den Druck im Kompressionsspeicher informiert wird und, abhängig von der Beschaffenheit des verwendeten Kraftstoffs, über die Ventile (2, 4) den Kompressionsdruck und über den Umschlagventil (8) die Kompressionszeit steuert.