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Technisches Gebiet
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Hier werden Verfahren und Vorrichtungen zur Steuerung des Öffnens und Schließens von Verbrennungszylindereinlassventilen von Dual-Brennstoff-Verbrennungsmotoren offenbart.
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Hintergrund
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Eine Technologie, die gestattet, dass Dieselmotoren in erster Linie mit verflüssigtem Erdgas (LNG = liquefied natural gas) laufen, kann einen wirtschaftlichen Weg zum Verschieben des Brennstoffverbrauches von Diesel auf flüssiges Erdgas bieten. Eine solche Verschiebung könnte Treibhausgasemissionen verringern, weil das Verbrennen von flüssigem Erdgas weniger Kohlendioxid pro Energieeinheit emittiert als Diesel. Eine Verschiebung von Diesel auf flüssiges Erdgas kann Kosten einsparen, da flüssiges Erdgas pro Energieeinheit billiger ist als Diesel. Dual-Brennstoffmotoren, die sowohl Diesel als auch flüssiges Erdgas verbrennen, haben Vorteile, da ein Bediener auf Diesel zurückschalten kann, wenn kein flüssiges Erdgas verfügbar ist, oder wenn der Preis von Erdgas ansteigt.
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Dieselmotoren können mit relativ kleinen Modifikationen umgewandelt werden, um in erster Linie mit flüssigem Erdgas zu laufen. In einem Dieselmotor wird die Luft-Brennstoff-Mischung nicht mit einem Funken gezündet, wie bei Benzinmotoren, sondern durch Komprimieren der Luft, bis die Luft-Brennstoff-Mischung heiß genug wird, um zu verbrennen. Eine Verdichtungszündung, wie der Vorgang genannt wird, funktioniert nicht gut mit flüssigem Erdgas alleine, da es zu schwierig ist, genau zu steuern, wann die Verbrennung auftritt. Als eine Folge kann das flüssige Erdgas detonieren und den Motor beschädigen. In einem Dual-Brennstoffmotor wird dieses Problem gelöst, indem eine kleine Menge Diesel in die Zylinder mit dem flüssigen Erdgas eingespritzt wird, um eine Verbrennung auszulösen. Daher verbrennen Dieselmotoren, die umgewandelt wurden, um flüssiges Erdgas zu verbrennen, auch kleine Mengen an Diesel.
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Dieselmotoren sind typischerweise Vier-Takt-Motoren, die mit einem Diesel-Zyklus arbeiten. In einem idealen Diesel-Zyklus wird von einem konstanten Druck während der Verbrennung ausgegangen. Im Gegensatz dazu wird in einem „Otto-Zyklus” während der Verbrennung von einem konstanten Volumen ausgegangen. Während eines Otto-Zyklus vollendet der Kolben vier getrennte Hübe, um einen einzigen thermodynamischen Zyklus zu vollenden. Ein Hub bezieht sich auf den vollen Weg des Kolbens entlang des Zylinders in irgendeiner Richtung. Die vier Takte sind (i) Einlass, (ii) Verdichtung, (iii) Leistung und (iv) Auslass. Der Einlasshub des Kolbens beginnt oben im Zylinder, wobei das Einlassventil (die Einlassventile) offen ist (sind) und das Auslassventil (die Auslassventile) geschlossen ist (sind). Der Kolben geht von oben nach unten im Zylinder herunter, wenn Luft in den Zylinder eingeleitet wird. Während des Verdichtungshubes sind sowohl die Einlassventile als auch die Auslassventile geschlossen, und der Kolben kehrt zum oberen Punkt des Zylinders zurück, wobei die Luft komprimiert wird. Zum Beginn des Leistungshubes wird Dieselbrennstoff in den Zylinder eingespritzt, und der Kolben ist nahe am oberen Teil des Zylinders, und die komprimierte heiße Luft zündet den Dieselbrennstoff mit der Wärme, die durch das Komprimieren der Luft erzeugt wurde. Der aus der Verbrennung resultierende Druck drückt den Kolben zurück nach unten im Zylinder, um den Leistungshub zu vollenden. Schließlich kehrt der Kolben während des Auslasshubes wieder zum oberen Teil des Zylinders zurück, wobei das Auslassventile (die Auslassventile) offen ist (sind), um die verbrauchten Abgase aus dem Zylinder auszustoßen.
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Ein Miller-Zyklus ist eine Variation des Otto-Zyklus. Während eines traditionellen Miller-Zyklus bleibt das Einlassventil für einen Teil des Verdichtungshubes offen. Folglich wird der Verdichtungshub in zwei getrennte Teile oder Stufen unterteilt: den Anfangsteil, wenn das Einlassventil (die Einlassventile) offen bleiben, und den Endteil, wenn das Einlassventil (die Einlassventile) geschlossen bleiben. Um dem Leistungsverlust entgegen zu wirken, der aus dem kürzeren Verdichtungshub und dem verringerten Verdichtungsverhältnis resultiert, sind Miller-Motoren mit einem Kompressor ausgerüstet. Unter Druck gesetzte Luft vom Kompressor läuft durch einen Zwischenkühler, der die Lufttemperatur der Luft verringert, sie dichter macht und wobei so mehr Luft in das gleiche Volumen während des Einlasshubes passt. Während eines Miller-Einlasshubes läuft eine Ladung von kalter komprimierter Luft in den Zylinder, wobei das Einlassventil (die Einlassventile) offen ist (sind), wobei der Zylinder mit mehr Luft gefüllt wird als in einem Einlasshub eines Otto-Zyklus. Wenn der Verdichtungshub beginnt, wobei das Einlassventil (die Einlassventile) offen ist (sind), hält die Ausgabe des Kompressors den Zylinder unter Druck bis das Einlassventil (die Einlassventile) schließt (schließen), wodurch die Menge an Luft begrenzt wird, die aus dem Zylinder und in die Einlasssammelleitung gedrückt wird. Weiterhin fordert das Komprimieren der Luft gegen den Druck aus dem Kompressor weniger Energie als das Komprimieren der Luftmischung in einem geschlossenen Zylinder, wodurch Pumpverluste im Vergleich zu einem herkömmlichen Otto-Motor verringert werden.
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Das Verdichtungsverhältnis eines Otto-Zyklus ist höher als jenes eines Miller-Zyklus, weil ein Otto-Zyklus einen längeren effektiven Verdichtungshub hat als ein Miller-Zyklus. Während ein hohes Verdichtungsverhältnis für einen Diesel-Zyklus erwünscht ist, kann die Verwendung eines Otto-Zyklus und eines hohen Verdichtungsverhältnisses mit flüssigem Erdgas Klopfen zur Folge haben. Für flüssiges Erdgas wird ein niedrigeres effektives Verdichtungsverhältnis bevorzugt als für Diesel, was einen maximalen Gasaustausch gestatten wird. Als eine Folge wird für Diesel ein Otto-Zyklus bevorzugt, und für flüssiges Erdgas wird ein Miller-Zyklus bevorzugt. Jedoch müssen Dual-Brennstoffmotoren fähig sein, von der Verbrennung von Diesel auf die Verbrennung von flüssigem Erdgas umzuschalten und umgekehrt. Dual-Brennstoffmotoren müssen beispielsweise eventuell zurück auf die Verbrennung von Diesel schalten, wenn der Vorrat von flüssigem Erdgas erschöpft ist, wobei zu einem Otto-Zyklus oder einem Diesel-Zyklus zurückgekehrt wird. Weiterhin kann es einfacher sein, einen Motor zu starten, der mit Diesel läuft. Um zwischen einem Otto-Zyklus und einem Miller-Zyklus umzuschalten, oder um das Verdichtungsverhältnis zu verändern, muss die Zeitsteuerung der Einlassventile verändert werden. Somit muss für Dual-Brennstoffmotoren der Zeitpunkt des Schließens des Einlassventils variiert werden, um das Verdichtungsverhältnis zu verändern oder um zwischen einem Otto-Zyklus und einem Miller-Zyklus oder einer Variation davon umzuschalten.
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Daher besteht eine Notwendigkeit zum Steuern des Schließens der Einlassventile eines Verbrennungsmotors, um zu ermöglichen, dass der Motor mit Diesel alleine in einem Diesel-Zyklus oder in einem Otto-Zyklus läuft, oder mit Diesel in Kombination mit flüssigem Erdgas in einem Miller-Zyklus oder einem Miller-artigen Zyklus läuft.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem Aspekt wird ein Betätigungssystem für ein Einlassventil eines Verbrennungsmotors offenbart. Das System kann einen Hydraulikkreislauf aufweisen, der einen Hauptzylinder, ein Steuerventil, einen Akkumulator, ein erstes Einweg-Ventil und einen Nebenzylinder aufweisen kann. Der Nebenzylinder kann einen Nebenkolben aufweisen, und der Nebenkolben kann mit dem Einlassventil gekoppelt sein. Das Steuerventil kann stromaufwärts des Akkumulators angeordnet sein, um den Fluss vom Hydraulikkreislauf zum Akkumulator zu steuern. Das erste Einweg-Ventil kann stromabwärts des Akkumulators angeordnet sein, um einen Fluss vom Akkumulator zum Hydraulikkreislauf zuzulassen und um einen Fluss vom Hydraulikkreislauf zum Akkumulator ohne Durchlauf durch das Steuerventil zu verhindern. Weiterhin kann das Steuerventil eine offene Position haben, die eine Verbindung zwischen dem Hydraulikkreislauf und dem Akkumulator vorsieht, und eine geschlossene Position, um eine Verbindung zwischen dem Hydraulikkreislauf und dem Akkumulator zu verhindern. Optional kann ein zweites Einweg-Ventil stromaufwärts des Hydraulikkreislaufs vorgesehen sein, um einen Fluss von der Strömungsmittelversorgung zum Hydraulikkreislauf zu gestatten, und um einen Fluss zurück zur Strömungsmittelversorgung zu verhindern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verbrennungsmotor offenbart. Der offenbarte Motor kann einen Hydraulikkreislauf aufweisen, der einen Hauptzylinder, ein Steuerventil, einen Akkumulator, ein erstes Einweg-Ventil und einen Nebenzylinder aufweisen kann. Der Nebenzylinder kann einen Nebenkolben aufnehmen. Der Nebenkolben kann mit einem Einlassventil gekoppelt sein. Der Hauptzylinder kann einen Hauptkolben aufnehmen, und der Hauptkolben kann mit einer sich drehenden Nocke in Eingriff stehen. Das Steuerventil kann stromaufwärts des Akkumulators angeordnet sein, und das erste Einweg-Ventil kann stromabwärts des Akkumulators angeordnet sein. Das Steuerventil kann eine offene Position haben, die eine Verbindung zwischen dem Hydraulikkreislauf und dem Akkumulator vorsehen kann. Das Steuerventil kann auch eine geschlossene Position haben, die eine Verbindung zwischen dem Hydraulikkreislauf und dem Akkumulator verhindert. Das erste Einweg-Ventil kann einen Fluss vom Akkumulator zum Hydraulikkreislauf gestatten; das erste Einweg-Ventil kann auch einen Fluss vom Hydraulikkreislauf zum Akkumulator, ohne dass der Fluss durch das Steuerventil läuft, verhindern. Weiterhin arbeitet der Motor als ein Otto-Zyklus-Motor mit einem ersten Verdichtungsverhältnis, wenn das Steuerventil geschlossen ist, und der Motor arbeitet mit einem zweiten Verdichtungsverhältnis, welches geringer ist als das erste Verdichtungsverhältnis, wenn das Steuerventil offen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses eines Dual-Brennstoff-Verbrennungsmotors offenbart. Das offenbarte Verfahren kann aufweisen, einen Hydraulikkreislauf vorzusehen, der einen Hauptzylinder, ein Steuerventil, einen Akkumulator, ein erstes Einweg-Ventil und einen Nebenzylinder aufweisen kann. Der Nebenzylinder kann einen Nebenkolben aufnehmen, und der Nebenkolben kann mit dem Einlassventil gekoppelt sein. Das Steuerventil kann stromaufwärts des Akkumulators angeordnet sein, um einen Fluss vom Hydraulikkreislauf zum Akkumulator zu steuern. Das erste Einweg-Ventil kann stromabwärts des Akkumulators angeordnet sein, um einen Fluss vom Akkumulator zum Hydraulikkreislauf zu gestatten, und um einen Fluss vom Hydraulikkreislauf zum Akkumulator, ohne dass der Fluss durch das Steuerventil läuft, zu verhindern. Das Verfahren kann aufweisen, das Steuerventil zu schließen, um eine Verbindung zwischen dem Hydraulikkreislauf und dem Akkumulator zu verhindern, was zur Folge hat, dass der Motor mit einem ersten Verdichfungsverhältnis arbeitet. Das Verfahren kann weiter aufweisen, das Steuerventil zu öffnen, um eine Verbindung vom Hydraulikkreislauf zum Akkumulator vorzusehen, und um den Motor mit einem zweiten Verdichtungsverhältnis zu betreiben, welches geringer ist als das erste Verdichtungsverhältnis.
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Die Merkmale, Funktionen und Vorteile, die besprochen wurden, können unabhängig in verschiedenen Ausführungsbeispielen erreicht werden oder können mit noch anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden, wobei weitere Details davon mit Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die Zeichnungen zu erkennen sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein vollständigeres Verständnis des offenbarten Verfahren und Vorrichtungen sollte Bezug auf das Ausführungsbeispiel genommen werden, welches genauer in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist.
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1 ist eine schematische Darstellung eines offenbarten Betätigungssystems für ein Einlassventil eines Verbrennungsmotors, wobei das Steuerventil in seiner normalerweise geschlossenen Position ist, wodurch der Akkumulator vom Hydraulikkreislauf isoliert ist und ermöglicht wird, dass der Motor als ein Otto-Zyklus-Motor arbeitet.
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2 ist eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Betätigungssystems, wobei jedoch das Steuerventil in einer offenen Position ist, wodurch eine Verbindung zwischen dem Hydraulikkreislauf und dem Akkumulator vorgesehen wird, was zur Folge hat, dass der Nebenkolben und das Einlassventil zum Ende des Einlasshubes hin in eine geschlossene Position zurückkehren, was ein verringertes Verdichtungsverhältnis im Vergleich dazu zur Folge hat, wenn das Steuerventil in einer geschlossenen Position ist, wie es in 1 gezeigt ist.
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3 ist eine schematische und geschnittene Ansicht des Nebenzylinders, des Nebenkolbens und einer Dämpfungsplatte zum Beginn eines Einlassventilöffnungsereignisses, wie beispielsweise eines Einlasshubes.
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4 ist eine schematische und geschnittene Ansicht des Nebenzylinders, des Nebenkolbens und der Dämpfungsplatte, die in 4 gezeigt sind, die jedoch weiter den Fluss durch die gestuften radialen Einspeisungslöcher in dem Nebenzylinder veranschaulicht, nachdem der Kolben die radialen Einspeisungslöcher freimacht.
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5 ist eines schematische und geschnittene Ansicht des Nebenzylinders, des Nebenkolbens und der Dämpfungsplatte, die in den 3–4 gezeigt sind, jedoch zum Beginn eines Ventilschließereignisses, wenn der Nebenkolben sich in dem Nebenzylinder nach oben zu einer aufgesetzten Position bewegt, wobei der größte Teil des Flusses aus dem Nebenzylinder durch die radialen Einspeisungslöcher austritt.
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6 ist eine weitere schematische und geschnittene Ansicht des Nebenzylinders, des Nebenkolbens und der Dämpfungsplatte, wenn die Dämpfungsplatte den Fluss dämpft, in dem gestattet wird, dass das Strömungsmittel nur durch das mittige Loch in der Dämpfungsplatte fließt, wenn die Dämpfungsplatte in der aufgesetzten Position ist.
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7 ist eine perspektivische Ansicht der in den 3–6 gezeigten Dämpfungsplatte.
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8 veranschaulicht graphisch die Ventilposition während eines Einlasshubes eines Otto-Zyklus-Motors und während drei alternativen Zyklen, wobei die Einlassventile vor dem Ende des Einlasshubes geschlossen werden, wodurch verringerte Verdichtungsverhältnisse vorgesehen werden.
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Es sei bemerkt, dass die Zeichnungen nicht notwendiger Weise im Maßstab sind, und dass die offenbarten Ausführungsbeispiele manchmal schematisch und in Teilansichten veranschaulicht sind. In gewissen Fällen sind Details, die für ein Verständnis der offenbarten Verfahren und Vorrichtungen nicht notwendig sind oder die andere Details schwierig wahrnehmbar machen, weggelassen worden. Es sei bemerkt, dass diese Offenbarung natürlich nicht auf die speziellen hier offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht einen Teil eines Motors 10, der einen Block 11 oder eine andere geeignete Struktur zum Aufnehmen des Hydraulikkreislaufs 12 aufweisen kann. Der Hydraulikkreislauf 12 kann einen Hauptzylinder 13, ein Steuerventil 14, einen Akkumulator 15, ein erstes Einweg-Ventil 16, einen Nebenzylinder 17 und eine Strömungsmittelversorgung 18 und ein zweites Einweg-Ventil 21 aufweisen. Der Hauptzylinder 13 kann einen Hauptkolben 22 aufnehmen. Der Ausdruck Hauptzylinder bzw. Master-Zylinder 13 soll einen zylindrischen Aufnahmeraum für den Master- bzw. Hauptkolben 22 abdecken. Der Hauptzylinder 13 kann in Form einer Bohrung vorgesehen sein, wie in den 1–2 gezeigt, oder der Hauptzylinder 13 kann eine (nicht gezeigte) getrennte Komponente sein. In ähnlicher Weise kann der Slave- bzw. Nebenzylinder 17 einen Slave- bzw. Nebenkolben 23 aufnehmen. Der Nebenzylinder 17 kann in Form einer Bohrung vorliegen, wie in den 1–2 gezeigt, oder er kann eine getrennte Komponente sein, wie in den 3–6 veranschaulicht und unten beschrieben.
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Wieder mit Bezug auf 1 wird der Betrieb des Hydraulikkreislaufs 12 mit dem Steuerventil 14 in seiner normalen geschlossenen Position beschrieben. Am Anfang kann das Steuerventil 14 einen Elektromagnet 24 aufweisen, der mit einer Steuervorrichtung 25 verbunden sein kann, die ein Motorsteuermodul oder eine getrennte Steuervorrichtung sein kann. In dem in den 1–2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Steuerventil 14 ein Zwei-Positionen-Steuerventil. Jedoch können andere Ventile, wie beispielsweise Drei-Positionen-Steuerventile, verwendet werden, wie dem Fachmann offensichtlich sein wird. Weiterhin kann das Steuerventil 14 auch ein normalerweise offenes Steuerventil sein, und zwar im Gegensatz zu einem normalerweise geschlossenen Steuerventil. Kurz gesagt, das Einsetzen von unterschiedlichen Steuerventilen für das normalerweise geschlossene Zwei-Positionen-Steuerventil, wie es in den 1–2 gezeigt ist, wird dem Fachmann offensichtlich sein.
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Der Hauptkolben 22 wird durch einen Nockenansatz 26 gesteuert, der dem Hauptkolben 22 eine oszillierende Bewegung aufprägt. Wenn der Hauptkolben 22 sich zum oberen Teil 27 des Hauptzylinders 13 bewegt, pumpt er Strömungsmittel in den Durchlassweg 28, was Strömungsmittel aus dem Durchlassweg 28 in den Nebenzylinder 17 drückt. Der Druck im Nebenzylinder 17 drückt den Nebenkolben 23 nach unten. Der Nebenkolben 23 ist mit einem oder mehreren Einlassventilen 29 durch eine Brücke 30 in Verbindung, die eine hydraulische Spieleinstellvorrichtung 31 aufweisen kann. Das erste Einweg-Ventil 16 verhindert, dass das Strömungsmittel im Durchlassweg 28 über den Durchlassweg 32 in den Akkumulator 15 wandert. Ein Fluss in den Akkumulator 15 durch das Steuerventil 14 wird unten in Verbindung mit 2 besprochen. In ähnlicher Weise verhindert das zweite Einweg-Ventil 21, dass Strömungsmittel im Durchlassweg 28 durch den Durchlassweg 33 in die Strömungsmittelversorgung 18 wandert. Strömungsmittel läuft von dem Durchlassweg 28 in den Nebenzylinder 17 durch die Dämpfungsplatte 34, die genauer unten in Verbindung mit den 3–8 besprochen wird.
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Immer noch mit Bezugnahme auf 1 arbeitet der Motor 10, wenn das Steuerventil 14 in seiner normalerweise geschlossenen Position ist, gemäß einem Otto-Zyklus mit einem großen Verdichtungsverhältnis, was ideal für Dieselbrennstoff ist. Während eines Ventilschließereignisses, wobei das Steuerventil 14 geschlossen ist (Otto-Zyklus), wird eine Drehung des Nockenansatzes 26 eine Bewegung des Hauptkolbens 22 weg vom oberen Teil 27 des Hauptzylinders 13 zur Folge haben, was Strömungsmittel aus dem Durchlassweg 28 in den Hauptzylinder 13 und Strömungsmittel vom Nebenzylinder 17 in den Durchlassweg 28 zieht. Wenn wiederum das Steuerventil 14 in seiner geschlossenen Position ist, wandert Strömungsmittel nicht in den Durchlassweg 35 oder in den Akkumulator 15. Stattdessen bewegt sich der Nebenkolben 23 zum oberen Teil 36 des Nebenzylinders 17 oder zur Dämpfungsplatte 34, um die Einlassventile 29 zu schließen. Während eines Ventilöffnungsereignisses, wobei das Steuerventil 14 in seiner geschlossenen Position ist, wird der Nockenansatz 26 den Hauptkolben 22 zum oberen Teil 27 des Hauptzylinders 13 bewegen, was Strömungsmittel in den Durchlassweg 28 und Strömungsmittel aus dem Durchlassweg 28 in den Nebenzylinder 17 pumpt. Der gesteigerte Druck im Nebenzylinder 17 treibt den Nebenkolben 23 weg vom oberen Teil 36 des Nebenzylinders 17, wodurch die Einlassventile 29 geöffnet werden.
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Um den Betrieb des Motors 10 von einem Otto-Zyklus auf einen anderen Zyklus umzuschalten, wie beispielsweise auf einen Miller-Zyklus oder einen ähnlichen Zyklus, oder um das Verdichtungsverhältnis zu verringern, kann das Steuerventil 14 durch die Steuervorrichtung 25 in seine offene Position verschoben werden, wie in 2 gezeigt. Mit Bezug auf 2 kann das Verdichtungsverhältnis des Motors 10 verringert werden, um den Motor 10 mit flüssigem Erdgas bzw. LNG und einer kleinen Menge an Diesel zu betreiben, was eine weitergehende Ersetzung durch Gas gestattet. Gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung ist ein Mittel zum Verringern des Verdichtungsverhältnisses des Motors 10, das Verringern des effektiven Einlasshubes und des Verdichtungshubes des Motors 10, indem die Einlassventile 29 vor dem Ende des Einlasshubes geschlossen werden und die Einlassventile über den Verdichtungshub in einer geschlossenen Position gehalten werden. Dies wird unten in Verbindung mit den 2 und 8 erklärt.
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In 2 hat die Steuervorrichtung 25 während eines mittleren Teils des Einlasshubes ein Signal an den Elektromagneten 24 gesendet, um das Steuerventil 14 zu öffnen. Der Kolben 22 bewegt sich zum oberen Teil 27 des Hauptzylinders 13, was zur Folge hat, dass sich Strömungsmittel vom Hauptzylinder in den Durchlassweg 28 bewegt, genauso wie in den Durchlassweg 37, der zum Steuerventil 14 führt. Wenn das Strömungsmittel Druck im Nebenzylinder 17 aufbaut, werden der Nebenkolben 23 und die Einlassventile 29 nach unten gedrückt. Wenn es wünschenswert ist, die Einlassventile zu schließen, sendet die Steuervorrichtung 25 ein Signal, welches das Steuerventil 14 öffnet. Das Strömungsmittel verlässt dann den Nebenzylinder 17 und läuft durch das Steuerventil 14 zum Zylinder 38 des Akkumulators 15, um die Einlassventile 29 früher zu schließen. Der Akkumulator 15 kann unter Druck gesetzt werden, da er einen Kolben 39 aufweisen kann, der zu einem oberen Teil 41 des Zylinders 38 durch ein Vorspannelement 42 vorgespannt ist. Somit kann Strömungsmittel auch vom Hauptzylinder 13 durch den Durchlassweg 28 zum Nebenzylinder 17 vorangehen. Der Druck im Nebenzylinder 17 bewirkt, dass der Nebenkolben 23 sich weg vom oberen Teil 36 des Nebenzylinders 17 bewegt, wodurch bewirkt wird, dass die Einlassventile 29 sich während des Beginns eines Einlasshubes öffnen. Trotz der Anwesenheit des Akkumulators 15 und der offenen Position des Steuerventils 14 ist der Beginn des Einlasshubes während des in 2 veranschaulichten thermodynamischen Zyklus ungefähr der Gleiche wie der Beginn des Einlasshubes für den Otto-Zyklus, der in 1 veranschaulicht ist. Jedoch gibt es einen bestimmten Unterschied zwischen den Enden der Einlasshübe des Otto-Zyklus der 1 und des thermodynamischen Zyklus der 2.
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Während der ersten Hälfte des Einlasshubes bewegt sich der Hauptkolben 22 zum oberen Teil 27 des Hauptzylinders 13. Während der zweiten Hälfte des Einlasshubes bewegt sich der Hauptkolben 22 weg vom oberen Teil 27 des Hauptzylinders 13, und Strömungsmittel wird aus dem Nebenzylinder 17 in den Durchlassweg 37 durch das Steuerventil 14, durch den Durchlassweg 35 und in den Akkumulator 15 gepumpt. Weil es weniger Druck im Akkumulator 15 gibt als im Nebenzylinder 17, fließt Strömungsmittel vom Nebenzylinder 17 in den Durchlassweg 28 und vom Durchlassweg 28 in den Durchlassweg 37 und zum Akkumulator 15. Als eine Folge wird Strömungsmittel aus dem Nebenzylinder 17 vor dem Ende des Einlasshubes herausbewegt. Durch Vorsehen des zusätzlichen verfügbaren Volumens des Akkumulatorzylinders 38 wird Strömungsmittel aus dem Nebenzylinder 17 und durch die Dämpfungsplatte 34 vor dem Ende des Einlasshubes gezogen. Wenn das Steuerventil 14 in einer offenen Position ist und zusammen mit dem zusätzlichen Volumen, welches durch den Akkumulatorzylinder 38 geliefert wird, wird somit Strömungsmittel im Nebenzylinder 17 eher herausgezogen bzw. evakuiert, und der Nebenkolben 23 wird sich eher zum oberen Teil 36 des Nebenzylinders 17 bewegen, wodurch ein früheres Schließen der Einlassventile 29 vor dem Ende des Einlasshubes folgt.
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Um irgendwelche Luft oder Schmutz abzuleiten, die in dem System eingeschlossen sind, kann der Akkumulatorkolben 39 mit einer Ableitungszumessöffnung 43 ausgerüstet sein, und das geschlossene distale bzw. entfernte Ende 44 des Akkumulatorzylinders 38 kann in ähnlicher Weise mit einer Ablasszumessöffnung 45 ausgerüstet sein. Wenn somit ein Druck in dem Hydraulikkreislauf 12 eine vorbestimmte Schwelle erreicht, kann Strömungsmittel durch die Ablasszumessöffnung 43 wandern, um den Druck im Akkumulatorzylinder zu verringern, und irgendeine Rückdruck kann auch durch die Zumessöffnung 45 abgelassen werden. Anstatt eine Ablasszumessöffnung 43 im Akkumulatorkolben 39 vorzusehen und eine zusätzliche Ablasszumessöffnung 45 durch das geschlossene distale Ende 44 des Akkumulatorzylinders vorzusehen, kann in ähnlicher Weise eine Ablasszumessöffnung 46 in einem Durchlassweg vorgesehen sein, wie beispielsweise im Durchlassweg 32, wie in den 1 und 2 gezeigt.
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Der Betrieb des Nebenkolbens 23, des Nebenzylinders 17 und der Dämpfungsplatte 34 wird nun in Verbindung mit den 3–6 besprochen. Nun mit Bezug auf 3 ist der Nebenkolben 23 zum Beginn eines Hubes gezeigt, wie beispielsweise zum Beginn eines Einlasshubes. Strömungsmittel wird in den Nebenzylinder 17 durch die oberen Einspeisungslöcher 47 hereingedrückt, wie durch die Pfeile 48 angezeigt. Strömungsmittel wird über die Dämpfungsplatte 34 geleitet, die, wie in 7 gezeigt ist, ein mittleres Loch 51 und Umfangsschlitze 52 oder (nicht gezeigte) Löcher aufweist. Unter Druck gesetztes Strömungsmittel drückt dann den Nebenkolben 23 in Richtung des Pfeils 53, wodurch der Beginn eines Ventilöffnungsereignisses markiert wird, wie beispielsweise eines Einlasshubes. Nun mit Bezug auf 4 wird zusätzliches Strömungsmittel in den Nebenzylinder 17 durch die radialen Einspeisungslöcher 54 gezogen, wie durch die Pfeile 55 angezeigt, wenn der Kolben sich weiter in der Richtung des Pfeils 53 bewegt. Die radialen Einspeisungslöcher 54 können gestuft sein, wie in den 3–4 gezeigt, so dass sie nicht gleichzeitig durch den Nebenkolben 23 abgedeckt oder bedeckt werden. Stattdessen vermeidet das stufenweise Anordnen der Positionen der radialen Einspeisungslöcher 54 Druckspitzen, die damit assoziiert sind, dass Strömungsmittel durch alle radialen Einspeisungslöcher 54 in den Nebenzylinder 17 hinein oder aus diesem heraus strömt.
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In den 3–4 ist ebenfalls die Position der Dämpfungsplatte 34 während eines Ventilöffnungsereignisses gezeigt, wie beispielsweise während eines Einlasshubes. Insbesondere kann die Dämpfungsplatte 34 auf einem Haltestift 60 oder einem (nicht gezeigten) Haltering ruhen. Dadurch, dass sie auf dem Haltestift 60 ruht, bewegt sich die Dämpfungsplatte 34 weg von der Hohlraumwand 56, die, wie unten in Verbindung mit den 5–6 gezeigt, den Fluss durch die Umfangsschlitze 52 blockiert. Der Haltestift 60 hält die Dämpfungsplatte 34 in dem Hohlraum 63 während der Ventilöffnungsereignisse. Während der Ventilschließereig nisse ist die Dämpfungsplatte 34 gegen die Hohlraumwand 56 vorgespannt, was den Fluss durch die Umfangsschlitze 52 blockiert. Das Blockieren des Flusses durch die Schlitze 52 dämpft den Fluss durch die Dämpfungsplatte 34 während der Ventilschließereignisse.
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Mit Bezug auf 5 ist der Nebenkolben 23 gezeigt, wie er sich einem Ventilschließereignis annähert. Der Nebenkolben 23 bewegt sich in Richtung des Pfeils 57 oder zum oberen Teil 36 des Nebenzylinders 17 hin. Wenn der Nebenkolben 23 sich in Richtung des Pfeils 57 bewegt, wird Strömungsmittel aus den Nebenzylinder 17 durch die radialen Einspeisungslöcher 54 ausgestoßen, wie durch die Pfeile 58 angezeigt, und nach außen durch die oberen Einspeisungslöcher 47, wie durch die Pfeile 59 angezeigt. Weiterhin ist die Dämpfungsplatte 34 gegen die Hohlraumwand 56 nach oben verschoben worden, was einen Fluss durch die Umfangsschlitze 52 der Dämpfungsplatte 34 blockiert. Während eines Ventilschließereignisses wird somit ein Fluss aus dem Nebenzylinder 17 durch die Dämpfungsplatte 34 gedämpft, weil Strömungsmittel nur durch das mittlere Loch 51 der Dämpfungsplatte 34 fließen kann, wie durch den Pfeil 61 angezeigt. Ein Fluss durch die Umfangsschlitze 52 der Dämpfungsplatte 34 wird durch die Hohlraumwand 56 blockiert, wenn die Dämpfungsplatte 34 in der aufgesetzten Position ist, wie in den 5 und 6 gezeigt. Wenn somit der Nebenkolben 23 sich dem oberen Teil 36 des Nebenzylinders 17 annähert und die radialen Einspeisungslöcher 54 abdeckt (siehe 6) ist die einzige Austrittsroute für Strömungsmittel, welches im Nebenzylinder 17 zurückbleibt, durch das mittlere Loch 51 der Dämpfungsplatte 34. Daher wird die Bewegung des Nebenkolbens 23 zum oberen Teil 36 des Nebenzylinders 17 gedämpft oder verlangsamt gerade bevor das Ventil schließt, was Verschleiß und Abnutzung an den Einlassventilen 29 verringert (1 und 2).
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8 veranschaulicht graphisch die Dämpfung, die von der Dämpfungsplatte 34 vorgesehen wird. Die Y-Achse 70 stellt den Ventilhub dar, und die X-Achse 71 stellt den Kurbelwellenwinkel dar. Die durchgezogenen Linie 72 stellt den Einlasshub eines Otto-Zyklus dar. Insbesondere stellt die Linie 72 das Öffnen und das Schließens der Einlassventile 29 vom Beginn des Einlasshubes, wie durch die gestrichelte Linie 73 (Ventilhub gleich null) dargestellt, bis zum Ende des Einlasshubes dar, wie es durch die gestrichelte Linie 74 (Ventilhub ist gleich null) dargestellt wird. Somit öffnen sich in einem Otto-Zyklus, wie durch die Linie 72 in 8 dargestellt, die Ventile 29 am Beginn des Einlasshubes und bleiben bis zum Ende des Einlasshubes offen.
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Die drei Linien 75, 76, 77 der 8 stellen Miller-Zyklen oder Miller-artige thermodynamische Zyklen dar. Wie in 8 veranschaulicht, schließen die Einlassventile 29 früher für den Zyklus, der durch die Linie 75 dargestellt wird als für den Otto-Zyklus, der durch die Linie 72 dargestellt wird. Weiterhin schließen die von den Linien 76 und 77 dargestellten Zyklen die Einlassventile 29 noch früher als der von der Linie 75 dargestellte Zyklus. Weil die Einlassventile 29 schließen, bevor der Einlasshub vollendet ist, und weil die Einlassventile 29 während des Verdichtungshubes geschlossen bleiben, ist das Verdichtungsverhältnis für den durch die Linie 77 dargestellten Zyklus von den vier in 8 gezeigten Zyklen am kleinsten, während das Verdichtungsverhältnis für den durch die Linie 72 dargestellten Otto-Zyklus am größten ist.
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Weiterhin kann ein Schaden an den Einlassventilen 29 durch Verwendung der Dämpfungsplatte 34 vermieden werden, die das Schließen des Ventils verlangsamt und geringfügig den Ventilschließvorgang verlängert, wie durch die abgeflachten Teile 81, 82, 83 der Linien 75 bzw. 76 bzw. 77 angezeigt. Trotz den früheren Ventilschließvorgängen dämpft somit die Dämpfungsplatte 34 den Fluss aus dem Nebenzylinder 17, so dass die Ventilschließereignisse nicht die Einlassventile 29 beschädigen.
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Entsprechend kann ein Motor 10 umgeschaltet werden, um mit einer maximalen Menge von flüssigem Erdgas zu laufen, indem der Hydraulikkreislauf 12 eingebaut wird, wie er in den 1 und 2 gezeigt ist, und indem das Steuerventil 14 gemäß den oben besprochenen Prinzipien betrieben wird.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Ein Hydraulikkreislauf 12, der leicht zu einem herkömmlichen Dieselmotor 10 hinzugefügt werden kann, wird offenbart, wobei er es dem Motor ermöglicht, von einem Diesel-Zyklus, einem Otto-Zyklus oder einem Diesel verbrennenden Motor 10 auf einen Miller-Zyklus oder Miller-artigen Zyklus umgeschaltet zu werden, und zwar für eine maximale Ersetzung bzw. einen maximalen Betrieb mit flüssigem Erdgas. Der Hydraulikkreislauf 12 weist ein Steuerventil 14 auf, welches, wenn es verschlossen ist, ermöglicht, dass der Motor 10 wie ein Otto-Zyklus-Motor arbeitet. Wenn es offen ist, sieht das Steuerventil 14 eine Verbindung zu einem Akkumulator 15 vor, was dabei hilft, den Nebenzylinder 17 zu evakuieren, wenn der Nebenkolben 23 den oberen Teil 36 des Nebenzylinders 17 erreicht. Dieser Vorgang hat ein frühes Schließen der Einlassventile 29 während eines Endteils des Einlasshubes zur Folge. Die Einlassventile 29 bleiben während des Verdichtungshubes geschlossen. Weil der Einlasshub verkürzt wird, wird auch der effektive Verdichtungshub verkürzt, wodurch das Verdichtungsverhältnis der Motors 10 verringert wird. Das Verringern des Verdichtungsverhältnisses des Motors 10 gestattet eine maximale Ersetzung bzw. einen maximalen Einsatz von flüssigem Erdgas. Eine Betätigung des Steuerventils 14 kann durch eine Steuervorrichtung 25 ausgeführt werden, die eine getrennte alleinstehende Steuervorrichtung sein kann oder eine Funktion der Motorsteuereinheit.
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Ein offenbartes Verfahren zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses eines Dual-Brennstoff-Verbrennungsmotors kann aufweisen, den oben beschriebenen Hydraulikkreislauf 12 vorzusehen. Das Verfahren kann weiter aufweisen, das Steuerventil 14 zu schließen, um eine Verbindung zwischen dem Hydraulikkreislauf und der Betätigungsvorrichtung 15 zu verhindern, um dadurch den Motor 10 mit einem ersten Verdichtungsverhältnis zu betreiben. Das Verfahren kann weiter aufweisen, das Steuerventil 14 zu öffnen, um eine Verbindung zwischen dem Hydraulikkreislauf 12 und dem Akkumulator 15 vorzusehen und den Motor 10 mit einem zweiten Verdichtungsverhältnis zu betreiben, welches geringer ist als das erste Verdichtungsverhältnis.
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Während nur gewisse Ausführungsbeispiele dargestellt worden sind, werden dem Fachmann aus der obigen Beschreibung alternative Ausführungsbeispiele und verschiedene Modifikationen offensichtlich sein. Diese und andere Alternativen werden als äquivalente Ausführungen angesehen und als innerhalb des Kerns und Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
