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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine pneumatische Ventilsteuerung für mit Gas betreibbare Brennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind variable Ventiltriebe für Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen zur Steuerung des Ladungswechsels bekannt. Variable Ventiltriebe können sowohl für die Betätigung von Einlassventilen, als auch für Auslassventile Verwendung finden. Mit einem variablen Ventiltrieb erfolgt eine Anpassung des Ladungswechsels und dementsprechend eine Anpassung der Ladung im Brennraum an die jeweilige Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine, so dass der Verbrennungsvorgang gezielt beeinflusst werden kann. Dies kann durch die unabhängige Variation der Öffnungs- und Schließzeitpunkte in Bezug auf den Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine sowie durch eine Veränderung der Öffnungscharakteristik der Gaswechselventile ermöglicht werden. Die Betätigung der Gaswechselventile durch die variablen Ventiltriebe kann dabei mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch erfolgen.
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Die Patentschrift
DE 1 159 690 B offenbart eine spezielle Ausführung eines hydraulisch oder pneumatisch betätigbaren, variablen Ventiltriebs. Die Ventilbetätigung des variablen Ventiltriebs umfasst einen Kreislauf mit einem Druckerzeuger und einem Abströmbehälter. Die Ansteuerung der Ventilbetätigung erfolgt mittels Drehschiebern, welche den Zufluss und den Abfluss eines Steuermediums zu einem mit dem jeweiligen Gaswechselventil wirkverbundenen Arbeitskolben steuern.
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Für die Realisierung der Ventilbetätigung ist ein zusätzlicher Kreislauf mit zusätzlichen Steuerelementen, einem Druckerzeuger sowie einem Abströmbehälter notwendig. Die Leistung zum Betrieb der Ventilbetätigung muss an Bord des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
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Aus der Patentschrift
DE 44 07 585 C2 ist ein variabler Ventiltrieb mit hydraulischer Betätigung der Gaswechselventile bekannt, wobei unter Druck stehender Kraftstoff als Hydraulikflüssigkeit verwendet wird. Die Betätigung der Gaswechselventile erfolgt mit unter Druck in einem Hochdruckspeicher eines Common-Rail-Einspritzsystems gespeichertem Kraftstoff. Durch ein Hintereinanderschalten von Auslassventil und Einlassventil kann eine Mehrfachnutzung des Kraftstoffs erfolgen, indem eine Menge Kraftstoff zur Betätigung des Auslassventils und anschließend zur Betätigung der Einlassventile verwendet wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
EP 2 063 075 A1 ist bekannt, den Energieverbrauch eines fluidbetriebenen Ventiltriebs durch eine Rekuperation zu reduzieren. Mittels Fluid aus einer Druckhochstufe wird ein Gaswechselventil beschleunigt und anschließend unter Rückgewinnung von Energie abgebremst, wobei das Fluid dann auf einer dafür zusätzlich vorgesehenen Druckzwischenstufe gespeichert wird. Für das Aufladen des Fluides zum Beschleunigen des Gaswechselventils muss das Fluid dann nur mittels einer Hochdruckpumpe von der Druckzwischenstufe auf die Druckhochstufe gefördert werden, wodurch gegenüber der Förderung aus dem Reservoir Energie gespart werden kann.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 034 242 A1 ist eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine und zur Betätigung eines Gaswechselventils der Brennkraftmaschine bekannt. Zur Einsparung von Bauteilen und damit von Kosten und Bauraum wird eine gleichzeitige Beaufschlagung eines Einspritzventils und eines Gaswechselventils durch eine Förderpumpe vorgeschlagen, wobei durch die Verwendung von Kraftstoff zur Steuerung des Gaswechselventils auf ein zusätzliches Medium verzichtet werden kann.
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Für die Betätigung der Gaswechselventile mit unter Druck gespeichertem, flüssigem Kraftstoff muss die Fördermenge erhöht werden. Dies führt dazu, dass die Kraftstoffförderpumpe größer dimensioniert werden muss. Weiterhin muss an Bord des Kraftfahrzeugs zusätzlich Leistung zum Betrieb der Förderpumpe bereitgestellt werden, um die erhöhte Fördermenge bereitzustellen. Weiterhin kann es notwendig sein, zusätzliche Kühlleistung für den Kraftstoffkreislauf bereitzustellen, da mit einer Erwärmung des Kraftstoffs unter Verwendung als Hydraulikflüssigkeit zu rechnen ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte pneumatische Ventilsteuerung bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch die pneumatische Ventilsteuerung nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine erfindungsgemäß vorteilhafte pneumatische Ventilsteuerung bereit. Die pneumatische Ventilsteuerung ist für mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschinen geeignet und steht mit der Kraftstoffversorgungsvorrichtung der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung. Dies betrifft insbesondere Brennkraftmaschinen für mobile und/oder stationäre Anwendungen, bei denen der gasförmige Kraftstoff in Form von komprimiertem Gas innerhalb eines Druckspeichers oder in Form von verflüssigtem Gas innerhalb eines Druckspeichers oder Kältespeichers gespeichert ist. Alternativ kann der Kraftstoff, insbesondere das komprimierte beziehungsweise verflüssigte Gas auch über ein Leitungssystem eines Energieversorgungsnetzes für stationäre Anwendungen der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden. Damit der gespeicherte Kraftstoff für die mit gasförmigem Kraftstoff betreibbare Brennkraftmaschine nutzbar ist, wird der gespeicherte Kraftstoff aufbereitet. Dazu muss der in Form von komprimiertem Gas gespeicherte Kraftstoff mittels Druckminderer oder verschiedener Expandereinrichtungen auf einen für den Betrieb der Brennkraftmaschine geeigneten Druck gebracht werden. Der in Form von verflüssigtem Gas gespeicherte Kraftstoff muss mittels verschiedener Heiz- oder Verdampfervorrichtungen zu einem gasförmigen Kraftstoff und mittels Druckminderer oder verschiedener Expandereinrichtungen auf einen für den Betrieb der Brennkraftmaschine geeigneten Druck aufbereitet werden. Die Heiz- oder Verdampfervorrichtungen können in vorteilhafter Weise unter Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine betrieben werden.
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Eine Ventilbetätigung der pneumatischen Ventilsteuerung wird in erfindungsgemäß vorteilhafter Weise als Druckminderer für den aufzubereitenden gasförmigen Kraftstoff verwendet und ist mit der Kraftstoffversorgungsvorrichtung wirkverbunden. Mittels der pneumatischen Ventilsteuerung wird Kraftstoff aus der Kraftstoffversorgungsvorrichtung entnommen und über ein Kraftstoffleitungssystem wenigstens einer Kraftstoffeinblasvorrichtung zugeführt, wobei die Druckenergie des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffspeicher teilweise für die Ventilbetätigung von Gaswechselventilen genutzt wird. Dazu ist wenigstens eine Ventilbetätigung mit dem Kraftstoffspeicher und/oder der Kraftstoffeinblasvorrichtung fluidverbunden. Für Kraftstoffe, welche in Form von verflüssigtem Gas innerhalb eines Druckspeichers oder Kältespeichers gespeichert sind, sind zwischen Kraftstoffspeicher und Ventilbetätigung Heiz- oder Verdampfervorrichtungen vorgesehen. Weiterhin sind zwischen Kraftstoffspeicher und Ventilbetätigung Stellelemente vorgesehen, um eine reproduzierbare und betriebssichere Ansteuerung der Ventilbetätigung zu gewährleisten. Dabei werden insbesondere Strom-, Druck,- Wege- und/oder Sperrventile, beispielsweise Druckregelventile und Wegeventile verwendet. Weiterhin können zwischen Kraftstoffspeicher und Ventilbetätigung weitere Heizvorrichtungen und/oder Verdichtungsvorrichtungen vorgesehen sein, mittels derer der Gasdruck des gasförmigen Kraftstoffs für die Ventilbetätigung erhöht werden kann. Die weiteren Heizvorrichtungen zur Gasdruckerhöhung können in vorteilhafter Weise unter Nutzung von Abwärme der Brennkraftmaschine betrieben werden. Als Verdichtungsvorrichtung kann beispielsweise ein Kompressor verwendet werden, welcher in vorteilhafter Weise mittels Abwärme der Brennkraftmaschine betrieben wird. Alternativ können elektrisch oder mechanisch angetriebene Verdichter eingesetzt werden.
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Der gasförmige Kraftstoff ist der Ventilbetätigung zur Druckminderung zuführbar, um somit den gasförmigen Kraftstoff auf einen für den Betrieb der Brennkraftmaschine geeigneten Druck aufzubereiten. Die Druckminderung erfolgt dabei über einen mit dem jeweiligen Gaswechselventil wirkverbundenen Arbeitszylinder, wobei der Arbeitszylinder als Expander wirkt. Der Arbeitszylinder kann als einfachwirkender, federbelasteter oder doppeltwirkender Arbeitszylinder ausgeführt sein. Dem Arbeitszylinder wird über eine Gaszuführung gasförmiger Kraftstoff zugeführt und nach der Expansion mit einem reduzierten Gasdruck über eine Gasabführung wieder aus dem Arbeitszylinder abgeführt. Der dem Arbeitszylinder zugeführte gasförmige Kraftstoff expandiert bei Minderung des Gasdrucks bis zum Kräftegleichgewicht zwischen Gaskraft des gasförmigen Kraftstoffs und entgegenwirkender Federkraft im Arbeitszylinder. Durch die Expansion wird der Arbeitszylinder betätigt, wobei das mit dem Arbeitszylinder wirkverbundene Gaswechselventil geöffnet wird. Das Gaswechselventil wird geschlossen, indem der gasförmige Kraftstoff wieder aus dem Arbeitszylinder entweichen kann. Bei einem doppeltwirkenden Arbeitszylinder wird das Gaswechselventil durch die Expansion des gasförmigen Kraftstoffs entsprechend einem doppeltwirkenden Arbeitszylinders auch geschlossen.
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Durch eine Einstellung des Zeitpunktes und/oder des Gasstroms der Gaszuführung beziehungsweise Gasabführung lassen sich die Steuerzeiten und der Hubverlauf der Gaswechselventile beeinflussen. Im Bereich der Gaszuführung und/oder Gasabführung des jeweiligen Arbeitszylinders können einstellbare Drosselstellen vorgesehen sein. Für eine Mehrfachnutzung ist der gasförmige Kraftstoff aus einem Arbeitszylinder einem weiteren Arbeitszylinder zuführbar und kann mit einem weiter reduzierten Gasdruck wieder aus dem weiteren Arbeitszylinder abgeführt werden. Diese kaskadierte Druckminderung kann weitergeführt werden, bis der für den Betrieb der Brennkraftmaschine geeignete Gasdruck des gasförmigen Kraftstoffs erreicht ist.
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Der gasförmige Kraftstoff ist nach der Ventilbetätigung direkt der Kraftstoffeinblasvorrichtung zum Betrieb der Brennkraftmaschine zuführbar oder in einem Zwischenspeicher speicherbar. Die Ventilbetätigung ist dementsprechend mit der Kraftstoffeinblasvorrichtung und/oder mit dem Zwischenspeicher verbunden. Dabei entspricht der für den Betrieb der Brennkraftmaschine geeignete Gasdruck des aufbereiteten gasförmigen Kraftstoffs wenigstens dem erforderlichen Einblasdruck der Kraftstoffeinblasvorrichtung, liegt aber in vorteilhafter Weise über dem erforderlichen Einblasdruck der Kraftstoffeinblasvorrichtung. Für Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen kann ein gemeinsamer Zwischenspeicher vorgesehen sein.
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Es ergibt sich eine erfindungsgemäß vorteilhafte pneumatische Ventilsteuerung, welche mit einer Kraftstoffversorgungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine wirkverbunden ist und über ein Kraftstoffleitungssystem Kraftstoff aus der Kraftstoffversorgungsvorrichtung entnehmbar und wenigstens einer Kraftstoffeinblasvorrichtung zuführbar ist. Über das Kraftstoffleitungssystem ist gasförmiger Kraftstoff zur Druckminderung einem Arbeitszylinder einer Ventilbetätigung zuführbar. Durch die Expansion des gasförmigen Kraftstoffs im Arbeitszylinder wird ein mit dem Arbeitszylinder wirkverbundenes Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine betätigt. Im Kraftstoffleitungssystem ist ein Kraftstoffspeicher vorgesehen, der als Druckspeicher für gasförmigen Kraftstoff oder als Druck- und/oder Kältespeicher für verflüssigten Kraftstoff ausgeführt ist. Ist der Kraftstoffspeicher als Druck- und/oder Kältespeicher für verflüssigten Kraftstoff ausgeführt, wird zwischen Druck- und/oder Kältespeicher und Arbeitszylinder eine Heiz- oder Verdampfervorrichtung vorgesehen, mittels derer der verflüssigte Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher zu einem gasförmigen Kraftstoff aufbereitbar ist. Der gasförmige Kraftstoff aus dem Arbeitszylinder ist über das Kraftstoffleitungssystem einem Zwischenspeicher und/oder einer Kraftstoffeinblasvorrichtung und/oder einem weiteren Arbeitszylinder zuführbar. Der Zwischenspeicher im Kraftstoffleitungssystem ist in vorteilhafter Weise zwischen einem ersten Arbeitszylinder und einem zweiten Arbeitszylinder angeordnet, und dient zur Zwischenspeicherung des gasförmigen Kraftstoffs aus dem ersten Arbeitszylinder, bis dieser dem zweiten Arbeitszylinder zugeführt werden kann. In vorteilhafter Weise sind der erste Arbeitszylinder mit einem Auslassventil und der zweite Arbeitszylinder mit einem Einlassventil der Brennkraftmaschine wirkverbunden. Dem jeweiligen Arbeitszylinder ist wenigstens ein Wegeventil zugeordnet, wobei mittels des Wegeventils gasförmiger Kraftstoff dem Arbeitszylinder zu- und/oder abführbar ist. Dem jeweiligen Arbeitszylinder ist wenigstens eine einstellbare Drosselstelle zugeordnet, wobei mittels der einstellbaren Drosselstelle gasförmiger Kraftstoff dem Arbeitszylinder gedrosselt zu- und/oder abführbar ist.
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Die pneumatische Ventilsteuerung umfasst in vorteilhafter Weise weiterhin ein Steuergerät sowie mit dem Steuergerät signalverbundene Druck- und Temperatursensoren in dem Kraftstoffversorgungssystem, mittels welchen das Wegeventil und/oder die einstellbare Drosselstelle in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ansteuerbar sind.
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Mittels der erfindungsgemäßen pneumatischen Ventilsteuerung muss von der Brennkraftmaschine keine Leistung zur Ventilbetätigung bereitgestellt werden, wodurch sich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine steigern lässt. Mittels der pneumatischen Ventilsteuerung wird eine Ventilsteuerung bereitgestellt, welche über vergleichbare Freiheitsgrade wie variable Ventiltriebe verfügt.
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Ausführungsbeispiel pneumatische Ventilsteuerung
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung einer erfindungsgemäßen pneumatischen Ventilsteuerung 1 dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
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1: eine schematische Darstellung der variablen Ventilsteuerung 1.
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Die erfindungsgemäße Ausführung der pneumatischen Ventilsteuerung 1 umfasst wenigstens eine Ventilbetätigung 2, 3 und einen Kraftstoffspeicher 4, in welchem gasförmiger Kraftstoff gespeichert ist. Jeder Ventilbetätigung 2, 3 ist über eine Zu- und Abführleitung 5, 6 ein Wegeventil 7, 8 zugeordnet, um die Ventilbetätigungen 2, 3 anzusteuern. Eine erste Kraftstoffleitung 9 verbindet den Kraftstoffspeicher 4 mit einem ersten Wegeventil 7. Das erste Wegeventil 7 ist als Dreiwegeventil mit drei Schaltstellungen ausgeführt, wobei in einer ersten Schaltstellung alle Wege verschlossen sind, in einer zweiten Schaltstellung der Kraftstoffspeicher 4 über die erste Kraftstoffleitung 9 und eine erste Zu- und Abführleitung 5 mit der ersten Ventilbetätigung 2 fluidverbunden ist und in einer dritten Schaltstellung die erste Ventilbetätigung 2 über die erste Zu- und Abführleitung 5 und eine zweite Kraftstoffleitung 10 mit einem ersten Zwischenspeicher 11 fluidverbunden ist. Dementsprechend verbindet die zweite Kraftstoffleitung 10 das erste Wegeventil 7 mit dem ersten Zwischenspeicher 11. Der erste Zwischenspeicher 11 ist wiederum über eine dritte Kraftstoffleitung 12 mit einem zweiten Wegeventil 8 verbunden. Das zweite Wegeventil 8 ist als Dreiwegeventil mit drei Schaltstellungen ausgeführt, wobei in einer ersten Schaltstellung alle Wege verschlossen sind, in einer zweiten Schaltstellung der erste Zwischenspeicher 11 über die dritte Kraftstoffleitung 12 und einer zweiten Zu- und Abführleitung 6 mit der zweiten Ventilbetätigung 3 fluidverbunden ist und in einer dritten Schaltstellung die zweite Ventilbetätigung 3 über die zweite Zu- und Abführleitung 6 und einer vierten Kraftstoffleitung 13 mit einem zweiten Zwischenspeicher 14 fluidverbunden ist. Der zweite Zwischenspeicher 14 ist wiederum über eine fünfte Kraftstoffleitung 15 mit einer Kraftstoffeinblasvorrichtung 16 verbunden. Die Ventilbetätigungen 2, 3 sind als federbelastete einfachwirkende Arbeitszylinder ausgeführt, so dass das jeweils wirkverbundene Gaswechselventil geschlossen gehalten wird. Wird das jeweilige Wegeventil 7, 8 von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung gebracht, kann der gasförmige Kraftstoff in den federbelasteten Arbeitszylinder der jeweiligen Ventilbetätigung 2, 3 einströmen. Der gasförmige Kraftstoff expandiert bei Minderung des Gasdrucks des gasförmigen Kraftstoffs im Arbeitszylinder und der entgegenwirkenden Federkraft, wobei das Gaswechselventil geöffnet wird. Das Gaswechselventil wird geschlossen, indem der gasförmige Kraftstoff unter Betätigung der Wegeventile 7, 8 in die dritte Schaltstellung in den nachgeschalteten Zwischenspeicher 11, 14 entweichen kann. In der ersten Kraftstoffleitung 9 ist ein Druckregelventil 17 vorgesehen, um während der Entleerung des Kraftstoffspeichers 4 gleichbleibende Bedingungen für die Ventilbetätigungen 2, 3 zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- pneumatische Ventilsteuerung
- 2
- erste Ventilbetätigung
- 3
- zweite Ventilbetätigung
- 4
- Kraftstoffspeicher
- 5
- erste Zu- und Abführleitung
- 6
- zweite Zu- und Abführleitung
- 7
- erstes Wegeventil
- 8
- zweites Wegeventil
- 9
- erste Kraftstoffleitung
- 10
- zweite Kraftstoffleitung
- 11
- erster Zwischenspeicher
- 12
- dritte Kraftstoffleitung
- 13
- vierte Kraftstoffleitung
- 14
- zweiter Zwischenspeicher
- 15
- fünfte Kraftstoffleitung
- 16
- Kraftstoffeinblasvorrichtung
- 17
- Druckregler
