DE112010004067T5 - Hydraulische Brennkraftmaschinen - Google Patents

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    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
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    • F01B11/004—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type in which the movement in the two directions is obtained by two single acting piston motors, each acting in one direction
    • F01B11/006—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type in which the movement in the two directions is obtained by two single acting piston motors, each acting in one direction one single acting piston motor being always under the influence of the fluid under pressure

Abstract

Hydraulische Brennkraftmaschinen mit wenigstens einem Verbrennungskolben, der nicht mit einer Kurbelwelle oder einem anderen Verbrennungskolben mechanisch verbunden ist, sondern stattdessen auf Hydraulikstößel über ein Ventilelement einwirkt, das elektronisch gesteuert wird, um die typische Kolbenposition und -geschwindigkeit während eines Ansaughubs, eines Kompressionshubs, eines Verbrennungs- oder Arbeitshubs und eines Ausstoßhubs zu steuern. Eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung und elektronisch gesteuerte Motorventile ermöglichen große Flexibilität bei den Arbeitszyklen, die verwendet werden können, wobei die Maschine Hydraulikfluid zu einem Hochdruckspeicher für den Einsatz in Hydraulikmotoren oder anderen Hydraulikgeräten pumpt. Ausführungsformen, die Hochdrucklufteinspritzung anwenden, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten, werden ebenfalls offenbart.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der U.S. Provisional Patent Application No. 61/250,784 vom 12. Oktober 2009, der U.S. Provisional Patent Application No. 61/298,479 vom 26. Januar 2010, der U.S. Provisional Patent Application No. 61/300,403 vom 1. Februar 2010 und der U.S. Provisional Patent Application No. 61/320,943 vom 5. April 2010.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Freikolbenmotoren und deren Antriebsstränge.
  • 2. Stand der Technik
  • Brennkraftmaschinen sind nützliche Vorrichtungen zur Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie durch Verbrennung. Typische Brennkraftmaschinen wandeln die Energie in petrochemischen Kraftstoffen, wie zum Beispiel Benzin oder Diesel, durch Nutzung des Druckes, der bei der eingeschlossenen Verbrennung erzeugt wird, in rotierende mechanische Energie um, um einen Kolben bei Expansion der Verbrennungsgase nach unten zu treiben und um die Bewegung mittels einer Kurbelwelle in eine Drehbewegung zu übertragen. Jedoch führt die Verwendung des Kolben- und Kurbelwellenmechanismus zahlreiche Einschränkungen beim Motorbetrieb ein, die die Menge der nutzbaren mechanischen Energie, die dem Verbrennungsprozess entnommen werden kann, einschränken.
  • Freikolbenmotoren sind lineare, „kurbellose” Brennkraftmaschinen, bei denen die Kolbenbewegung nicht von einer Kurbelwelle, sondern durch die Wechselwirkung der Kräfte von den Brennkammergasen, einer Rückprallvorrichtung und einer Lastvorrichtung gesteuert wird. Hydraulische Freikolbenmotoren kuppeln bzw. verbinden den Verbrennungskolben mit einem Hydraulikzylinder, der sowohl als Last- als auch als Rückprallvorrichtung mit Hilfe eines Hydrauliksteuersystems agiert. Dies ermöglicht der Vorrichtung eine operative Flexibilität. Während Ausgestaltungen von hydraulischen Freikolbenmaschinen im Stand der Technik eine gute operative Flexibilität erreicht haben, ist es wünschenswert, einen hydraulischen Freikolbenmotor mit noch größerer operativer Flexibilität und Energieeffizienz bereitzustellen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung von einem Zylinder eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt schematisch ein Freikolbenpositionserfassungssystem, das bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
  • 3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen allgemeinen Umsetzung der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt ein Blockschaltbild für ein exemplarisches Fahrzeugantriebssystem, welches die vorliegende Erfindung verwendet.
  • 5 zeigt einen Vier-Takt-Arbeitszyklus eines Freikolbenmotors gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Freikolbenmotors/Antriebsstranges gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung eines noch weiteren beispielhaften Freikolbenmotors/Antriebsstranges gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 8 zeigt den elektrischen Motor-Generator aus 4 in einer mehr als physikalischen Umsetzung.
  • 9 zeigt einen Querschnitt eines Motors, der die vorliegende Erfindung verkörpert.
  • 10 ist eine bildliche Ansicht eines Verbrennungszylinders und einer Hydraulikanordnung, die die Erfindung verkörpern.
  • 11 ist eine bildliche Ansicht der Vorrichtung aus 10, bei welcher der Verbrennungszylinder entfernt ist, um den Verbrennungskolben darzustellen.
  • 12 ist eine Draufsicht auf den Verbrennungskolben und die Hydraulikkolben der Vorrichtung aus 10.
  • 13 zeigt eine Schnittansicht der Vorrichtung aus 10 entlang der Linie 13-13.
  • 14 ist eine bildliche Ansicht eines weiteren Verbrennungszylinders und einer Hydraulikanordnung, welche die Erfindung verkörpert.
  • 15 ist eine Schnittansicht der Vorrichtung aus 14 entlang der Linie 15-15.
  • 16 ist eine Draufsicht auf den Verbrennungskolben und die Hydraulikkolben der Vorrichtung aus 14.
  • 17 zeigt ein schematisches Diagramm der Ventile und des Steuerungssystems, welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
  • 18 zeigte eine schematische Darstellung der Ventile und des Steuerungssystems, die mit einem Antriebsstrang gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
  • 19 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines beispielhaften Steuerungssystems für einen Mehrzylindermotor gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Hierin offenbart ist eine Hydraulikbrennkraftmaschine vom Freikolben-Typ mit vollvariabel elektronisch gesteuerter hydraulischer Ventilbetätigung, elektronisch gesteuerter Hochdruck-Kraftstoffeinspritzung und einem damit verwendbaren Antriebsstrang. In der folgenden Beschreibung beinhaltet die Offenbarung bestimmter Aspekte der Erfindung in Bezug auf eine Ausführungsform allgemein die Möglichkeit der Verwendung dieser Aspekte ebenso in anderen Ausführungsformen.
  • Ein Zylinder eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 1 dargestellt. Die zwei wichtigsten Baugruppen des Motors umfassen die Zylinderkopfanordnung und die Kolben-/Stößel-Anordnung mit hydraulischen Ventilen. Sie sind relativ unabhängig voneinander und werden separat beschrieben.
  • In dieser Ausführungsform enthält die Zylinderkopfanordnung elektronisch gesteuerte Hochdruck-Einspritzdüsen 44, die Einspritzdüsen vom Druckerhöher-Typ verwenden, und ein Hydraulikventil-Betätigungssystem 46 vom allgemeinen Typ, der in dem U.S. Patent No. 6,739,293 offenbart ist.
  • Die Kolben-/Stößel-Anordnung ersetzt die Kolben-/Pleuel-/Kurbelwellen-Anordnung eines herkömmlichen Motors und wandelt die chemische Energie, die während der Verbrennung freigesetzt wird, in hydraulische Energie um. Diese Umwandlung funktioniert durch effektives Pumpen von Hydraulikflüssigkeit von dem Niederdruck-Behälter in die Hochdruck-Akkumulatoren bzw. -Speicher mit genau zeitlich festgelegtem Öffnen und Schließen von elektrisch betätigten Hydrauliksteuerventilen.
  • Die Kolben-/Stößel-Anordnung kann wie folgt beschrieben werden. Ein Kolben 20 weist eine untere Stirnfläche mit Hydraulikstößeln 22 auf. Es gibt eine Reihe von Stößeln für jeden Kolben, wenigstens drei, und möglicherweise mehr, wie zum Beispiel sechs gleichmäßig um einen siebten Zentrumsstößel 24 verteilt (siehe 12). Die Kopfenden der Stößel werden durch die Unterfläche des Kolbens 20 nach unten gedrückt (beachte, dass Begriffe wie oben, unten, oberhalb, unterhalb etc. zur Vereinfachung in einem relativen Sinn und nicht in einem absoluten Sinn verwendet werden und nicht für einen einschränkenden Sinne verwendet werden). An der Unterseite der Stößel sind Hydraulikvolumen angeordnet. Durch elektrisch betätigte Drei-Wege-Hydraulikventile 26, 28 und 30, hierin als Ventilstößel bezeichnet, ist jedes dieser Volumina entweder mit einer Niederdruck-(LP)-Schiene 32, wenn der Ventilstößel in der geschlossenen Position angeordnet ist, oder mit einer Hochdruck-(HP)-Schiene 34, wenn der Ventilstößel in der geöffneten Position angeordnet ist, verbunden. Die Stößelvolumina können jeweils auch mit der LP-Schiene durch Rückschlagventile 36 verbunden sein, um die Strömungsfläche von der LP-Schiene zu dem Stößelhydraulikvolumen ohne Erhöhung des Steuerventil-Strömungsquerschnitts und der Steuerventilgröße zu erhöhen.
  • Die Rückführung des Kolbens 20 und der Stößel 22 und 24 zu der unteren Position während des Ansaughubs wird durch eine hydraulische Rückführungsanordnung erreicht, die in 1 dargestellt ist. Die hydraulische Rückführung ist der Grund, warum der Zentrumsstößel mit dem Kolben verbunden ist. Wenigstens ein Stößel, vorzugsweise der Zentrumsstößel 24, muss in der Lage sein, den Kolben zu ziehen, um ihn während des Ansaughubs nach unten zu bewegen. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Unterseite des Zentrumstößels im Durchmesser größer als der obere Abschnitt und ist in dieser Ausführungsform zu jeder Zeit mit der Hochdruck-Schiene verbunden. Dies stellt für den Zentrumsstößel eine nach unten gerichtete Kraft, wenn die Unterseite des Zentrumstößels mit der Niederdruck-Schiene zur Rückführung des Kolbens 20 verbunden ist, wie beispielsweise bei einem Ansaughub, aber auch eine nach oben gerichtete Kraft bereit, wenn die Unterseite des Kolbens 20 mit der Hochdruckschiene durch Ventil 26 verbunden ist, was beispielsweise während eines Kompressionshubs oder während eines Arbeitstaktes angewandt werden kann. Auch kann als eine Alternative der Bereich oberhalb des vergrößerten Endes 38 des Zentrumstößels 24 mit einem Steuerventil, verbunden sein, um steuerbar mit der Hochdruck-Schiene oder der Niederdruck-Schiene verbunden zu sein. Es ist zu beachten, dass in jedem Fall für alle Stößel der Druck der Niederdruck-Schiene hoch genug sein sollte, um das entsprechende Hydraulikvolumen aufzufüllen, wenn die Stößel sich von den entsprechenden Hydraulikfluid-Einlassöffnungen für die jeweiligen Stößel wegbewegen.
  • Die Verwendung mehrere Stößel für jeden Motorzylinder ermöglicht eine Zuordnung bzw. einen Ausgleich der Druckkraft auf der Oberseite der Kolben mit der hydraulischen Druckkraft an der Unterseite der Stößel während eines gesamten Motortakts, wodurch eine gesteuerte Kolben-/Stößel-Geschwindigkeit an jedem Punkt des Arbeitstakts ermöglicht wird, welches wiederum einen hohen Nutzungsgrad der chemisch zu hydraulischen Energieumsetzung ermöglicht. Ein Drucksensor 25 kann in der Brennkammer vorgesehen sein, um eine Eingangsgröße einer Steuervorrichtung bereitzustellen, welche die Kolben-/Stößel-Geschwindigkeit, falls gewünscht, durch Überwachung der Positionen des hydraulischen Steuerventils und der Kolbenposition, der Kolbenposition über der Zeit und der Kolbengeschwindigkeit und -beschleunigung handhabt, wodurch alle notwendigen Informationen bereitgestellt werden.
  • Wenn sechs Stößel 22 zusätzlich zu dem Zentrumsstößel 24 verwendet werden, können zwei diametral gegenüberliegende Stößel von einem Ventil, beispielsweise Ventil 26, und die anderen vier von Ventil 30 gesteuert werden. Wenn der Zentrumsstößel 38 die gleiche Nettogröße wie die anderen sechs Stößel aufweist, dann können beispielsweise während eines Arbeitstaktes zum Pumpen von Hydraulikflüssigkeit zu der Hochdruck-Schiene (und einem Hochdruck-Akkumulator) sieben Stößel, dann sechs (alle außer dem Zentrumsstößel 24), dann fünf (vier plus dem Zentrumsstößel 24), dann vier (die vier Stößel, die von einem der Ventile gesteuert werden), dann drei (die zwei Stößel, die von einem der Ventile gesteuert werden plus dem Zentrumsstößel), etc. verwendet werden, wodurch eine binäre Progression zur Anpassung der gewünschten Kolbenkraft bereitgestellt wird, um eine exzellente Kontrolle über Kolbenposition und -geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt zu haben.
  • Alternativ kann jeder Stößel sein eigenes Steuerventil aufweisen, obgleich in einer solchen Ausführungsform die Steuerventile für diametral gegenüberliegende Stößel gemeinsam betrieben werden würden, um ein Drehmoment in dem Kolben um eine Horizontalachse zu vermeiden. Dementsprechend kann als eine weitere Alternative jedes Ventil gegenüberliegende Paare von Stößeln steuern. Auch machen es solche Ausführungsformen einfacher, die vorstehend beschriebene binäre Progression zu erzielen, wenn der Ventilwechsel zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses reduziert wird. Offenkundig sollten vorzugsweise elektronisch gesteuerte, elektronisch betätigte Hochgeschwindigkeitsventile, auch vorzugsweise zweistufige Steuerventile, verwendet werden, um die erforderlichen Strömungsquerschnitte bereitzustellen.
  • Bei dem Motor vom Typ, der in 1 gezeigt ist, würden typischerweise mehrere Zylinder verwendet, wobei jeder Zylinder der gleiche wie der in 1 gezeigte ist. Bei einem solchen Motor wird vorzugsweise wie gezeigt eine Kompressionszündung verwendet, obgleich eine Funkenzündung alternativ, falls gewünscht, oder als zusätzliche Fähigkeit bei einem eine Kompressionszündung aufweisenden Motor mit oder ohne direkter Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer verwendet werden kann, um einen Betrieb für eine noch breitere Palette von Kraftstoffen zu ermöglichen. Konventionelle Vier-Takt-Zyklen können verwendet werden, obgleich ein Zwei-Takt-Zyklus ebenso möglich ist. In dieser Beziehung ist zu beachten, dass der Motor mit voller Leistung betrieben werden kann und innerhalb eines Takts gestoppt und später mit voller Leistung auch innerhalb eines Takts gestartet werden kann.
  • Bei einem Freikolbenmotor existieren per Definition keine vordefinierte Position oder Bewegung des Kolbens und insbesondere Kolbengeschwindigkeiten und Kolbenextrempositionen, wie es für einen Kolben bei einem Motor mit Kurbelwelle gilt. Dementsprechend ist es wichtig, die Position und Geschwindigkeit eines Freikolbens in einem Freikolbenmotor zu kennen, so dass Geschwindigkeits-Extrema vermieden und Kolbenextrempositionen vorgegeben oder zumindest gesteuert werden können. Entsprechend zeigt 2 schematisch ein Freikolben-Positionserfassungssystem, das für diesen Zweck verwendet werden kann. Insbesondere pumpt der Freikolben 20 bei einer Abwärtsbewegung eines Arbeitshubs Hydraulikfluid mit Hilfe einer variablen Anzahl von Hydraulikkolben, um die Hochdruckschiene und -speicher zu befüllen, wie oben beschrieben wurde, um die Geschwindigkeit des Freikolbens 20 zu steuern. Der Zentrumshydraulikkolben 24 stellt auf der anderen Seite ein Freikolbenrückführvermögen sowie ein Ansaughubvermögen wie vorstehend beschrieben dar.
  • Zur Kolbenpositionserfassung wird jedoch ein magnetischer Stahlstößel 40 zusammen mit einer Spule 42, die mit einem relativ hochfrequenten AC-Signal erregt wird, verwendet. Die Impedanz der Spule wird mit der Position des magnetischen Stößels 40 variieren. Während die Veränderung der Impedanz mit der Stößelposition und/oder die Schaltung zum Erfassen der Impedanz nicht linear sein kann, kann eine Kalibrierungskurve ohne weiteres angewandt werden, um das Ausgangssignal mit der Kolbenposition zu linearisieren. In dieser Hinsicht, da die Freikolbenmaschine prozessorgesteuert ist, kann die Kalibrierung einfach in der digitalen Domäne durch Umwandeln des nichtlinearen Signals in ein digitales Signal mittels eines Analog-Digital-Wandlers durchgeführt werden und dann mittels einer Nachschlagetabelle linearisiert werden, um die wahre Kolbenposition in digitaler Form zur Verwendung durch die Freikolbenmaschinensteuerung bereitzustellen. Offenkundig ist 2 ein schematisches Diagramm, obgleich es die Prinzipien des Freikolbenpositionssensors darstellt.
  • Bezugnehmend nun auf 3, ist eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen allgemeinen Implementierung der vorliegenden Erfindung zu sehen. Bei dieser Implementierung ist eine Sechszylindermaschine gezeigt, bei der zwei zentrale Zylinder zur Kompression COMP dienen und die beiden Zylinder an jedem Ende der Maschine als Verbrennungszylinder COMB genutzt werden. Das Abgas EXH der Verbrennungszylinder treibt einen Turbolader TURBO an, bevor es in die Atmosphäre ATM abgegeben wird. Der Turbolader in dieser Ausführungsform bringt die Ansaugluft INT auf einen Druck von etwa 4 bar, wobei die aufgeladene Luft an die Einlassventile sämtlicher sechs Zylinder geliefert wird. Zum Starten des Motors bzw. der Maschine und immer wenn auch eine Erhöhung des Ladedrucks des Turboladers erforderlich oder von Vorteil ist, kann eine hydraulische Unterstützung durch einen Hydraulikmotor, der durch ein Steuerventil, das mit einer Quelle für Hydraulikfluid unter dem Druck Ps verbunden ist, gesteuert ist, bereitgestellt werden. Im Falle der beiden Kompressionszylinder COMP können in der Regel zwei Einlassventile und zwei Auslassventile pro Zylinder vorgesehen sein, die als Eingangsventile verwendet werden, wobei ein Rückschlagventil C. V. in jedem der Kompressionszylinder COMP zum Ablassen von Druckluft aus dem Kompressionszylinder COMP durch eine Luftschiene zu einem Luftbehälter bei einem Druck von etwa 200 bar vorgesehen ist.
  • Alternativ kann ein positiv betätigtes Ventil verwendet werden. Der Druck in dem Luftbehälter kann durch Steuerung der Kompressionskolbenposition gesteuert bzw. reguliert bzw. eingestellt werden, an welcher die Einlassventile der Kompressionszylinder COMP geschlossen sind, was natürlich auch das Volumen der Luft mit hohem Druck, die von dem Luftbehälter geliefert wird, reguliert. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Kompressionszylinder COMP immer in einem Zweitakt-Kompressions-Modus arbeiten, obgleich die Verbrennungszylinder COMP in einem Zweitakt-, Viertakt Sechstakt-Zyklus oder einem anderen Modus betrieben werden.
  • Die Luft aus dem Luftbehälter wird in jede der Brennkammern durch ein Ventil eingespeist, welches in der bevorzugten Ausführungsform auch durch eine elektronische Steuerung hydraulisch gesteuert und natürlich zeitlich reguliert und dimensioniert und dergleichen wird, um die gewünschte Menge bereitzustellen und zum richtigen Zeitpunkt die Luft in die Brennkammer einzubringen. In diesem Zusammenhang muss offenkundig im Zeitpunkt der Einspritzung bzw. Einbringung der Luft der Druck in dem Luftbehälter größer sein als der Druck in der Brennkammer, obgleich dies in der bevorzugten Ausführungsform leicht durch tatsächliches Überwachen des Drucks in der Brennkammer, als eigentlicher Druck und auch als Anzeichen sowohl einer Zündung als auch der Temperatur in der Brennkammer, erreicht wird. Es ist zu beachten, dass in 3 ein einzelnes Ventil zum Einspritzen von Luft aus dem Luftbehälter schematisch dargestellt ist, wobei mehrere Ventile verwendet werden können.
  • Vorzugsweise wird der Druck in dem Luftbehälter durch die Steuerung der Einlassventile auf dem Kompressionszylinder COMP gesteuert, um einen höheren Druck als in der Brennkammer COMB während der Lufteinbringung bereitzustellen, der aber nicht viel höher ist, um nicht unnötige Energie zu verschwenden. In dieser Hinsicht kann der höchste Druck, der in dem Luftbehälter erreichbar wird, ohne weiteres für die Kompressionszylinder COMP gesteuert werden, der durch das Design des Zylinderkopfes anders als und insbesondere größer als das Kompressionsverhältnis für den Verbrennungszylinder COMB sein kann. Der tatsächliche Druck in dem Luftbehälter sowie die Menge der dem Luftbehälter zugeführten Luft ist ohne weiteres durch Steuerung der Einlassventile zu den Kompressionszylindern steuerbar. Es ist zu beachten, dass im Allgemeinen die Luft in dem Luftbehälter aufgrund ihrer im wesentlichen adiabatischen Kompression heiß wird, obgleich im Allgemeinen nicht viel von der Energie verloren geht, da normalerweise die Hochdruckluft zur Einbringung verwendet wird, bevor die Wärme verloren geht.
  • Mit Bezug auf 4 ist ein Blockschaltbild für ein beispielhaftes Fahrzeugversorgungssystem zu sehen, welches die vorliegende Erfindung verwendet. Dieses Diagramm sowie der Vier-Takt-Betriebszyklus aus 5 sind für einen Freikolbenmotor, der auch beispielhaft einen der Betriebszyklen, die in dem U.S. Patent No. 6,415,749 , den U.S. Patentanmeldungen No. 2007/0245982, 2008/0264393 und 2009/0183699 und der U.S. Patentanmeldung No. 12/256,296 beschrieben sind, deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird, verwenden kann und der eine Vielzahl von Brennstoffen nutzen kann, einschließlich aber nicht beschränkt auf Diesel-, Biodiesel- und Ammoniak-Kraftstoffe mit Kompressionszündung. Ein weiterer Kraftstoff von Interesse ist Ethanol. Obgleich Ethanol Kohlenstoff basiert ist, wird es aus Mais oder anderen Pflanzen gewonnen und als solches stammt der Kohlenstoff in Ethanol vom Kohlendioxid, den die Pflanze absorbiert, womit Ethanol als Kraftstoff im wesentlichen Kohlenstoffneutral ist. Eigentlich können auch gasförmige Kraftstoffe verwendet werden, die entweder in den Ansaugkrümmer des Motors oder sogar direkt in die Brennkammer durch ein für diesen Zweck vorgesehenes Ventil eingeführt werden.
  • Der Motor in 4, der ähnlich zu dem ist, der in 3 gezeigt ist, verwendet zwei Verbrennungszylinder und einem Kompressionszylinder und kann mit dem Arbeitszyklus arbeiten, der in 5 dargestellt ist. Die beiden Verbrennungszylinder arbeiten jeweils in einem Vier-Takt-Zyklus, wobei der Kompressionszylinder in einem Zwei-Takt-Zyklus arbeitet. In jedem der Verbrennungszylinder und in dem Kompressionszylinder kann ein Kolbenpositionssensor verwendet werden, wie zuvor beschrieben wurde, obgleich andere Typen von Sensoren auch verwendet werden können, wie zum Beispiel Hall-Effekt-Sensoren, falls gewünscht. Der verwendete Kolbenpositionssensor kann ein linearer Sensor oder ein nichtlinearer Sensor sein, wie beispielsweise Sensoren, die entwickelt sind, um eine erhöhte Empfindlichkeit in der Nähe der oberen Totpunkt- und der unteren Totpunkt-Kolbenpositionen zu haben, da eine höhere Genauigkeit bei diesen Bewegungsgrenzen von Vorteil sein könnte. (Die Ausdrücke ”oberer Totpunkt” und ”unterer Totpunkt”, die von der Nomenklatur von Kolbenmaschinen vom Typ einer normalen Kurbelwelle übernommen wurden, entsprechen bei einem Freikolbenmotor vom beschriebenen Typ einfach der oberen oder obersten Position des Kolbens und der unteren oder untersten Position des Kolbens während des Betriebs, die sich tatsächlich von Zyklus zu Zyklus ändern kann.)
  • Der Luftbehälter ist ein Hochdruckluftbehälter, der einen Puffer für den Kompressionszylinderabtrieb bereitstellt, um Luft zur Einbringung zu gegebener Zeit zuzuführen (ein Beispiel, das beschrieben wird). Da die Verbrennungszylinder mittels eines beispielhaften Viertakt-Zyklus in dieser Beschreibung (siehe 5) arbeiten, umfassen die Verbrennungszylinder einen Einlass- bzw. Ansaughub, einen Kompressions- bzw. Verdichtungshub, einen Leistungs- bzw. Arbeitshub und einen Ausstoß- bzw. Abführungshub, wobei die Kraftstoffeinspritzung in dem beispielhaften Zyklus für den gesamten einzuspritzenden Kraftstoff für den folgenden Leistungs- bzw. Arbeitshub während des Ansaughubs oder früher in dem Kompressionshub erfolgt. Die Einspritzung während des Ansaughubs gewährleistet eine gute Kraftstoff-Luft-Mischung und kann sogar während des Lufteinlasses für eine optimale Mischung erfolgen, dem das Öffnen des Auslassventil oder der Ventile für einige EGR (Exhaust Gas Recirculation-Abgasrückführung) nachgeschaltet sein kann. Es ist zu beachten, dass die Menge an Luft, die während des Ansaughubs angesaugt wird, absichtlich limitiert ist, so dass bei Zündung das fette Kraftstoffgemisch in der Brennkammer keine Temperaturen erreichen wird, bei welchen NOx gebildet wird, wobei im Extremfall keine Luft angesaugt wird, aber eine Zündung am Ende des folgenden Verdichtungshubs mit verbliebener injizierter Luft aus dem vorherigen Arbeitshub erfolgt.
  • Die Lufteinbringung, die während des Arbeitshubs nach der Zündung erfolgt, erfolgt an der oder nahe der oberen Totpunkt-Position. Die Menge an Luft, die nach der Zündung eingebracht ist, kann aufgrund des Zweitakt-Betriebs der Kompressionszylinder im Vergleich zu dem Viertakt-Betrieb der Verbrennungszylinder im Wesentlichen gleich oder sogar größer sein als die Luft, die während des Ansaughubs angesaugt wurde. Dies setzt natürlich voraus, dass der Kompressionszylinder und die Verbrennungszylinder bei der gleichen Frequenz arbeiten, was keine Einschränkung der Erfindung ist, weil dies ein Freikolbenmotor ist, wenn der Kompressionszylinder bei einer Frequenz arbeitet, die sich von der Betriebsfrequenz der Verbrennungszylinder unterscheidet, wobei aus diesem Grund, wenn, wie im Leerlauf des Fahrzeugs, kein Strom benötigt wird, alle Zylinder solange gestoppt werden können, bis der Strom wieder benötigt wird.
  • In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass die Kolben mit Kolbengeschwindigkeiten arbeiten, die im Allgemeinen dem Betrieb eines Motors vom Kurbelwellentyp entsprechen, der zum Beispiel bei 2400 Umdrehungen pro Minute läuft, die aber in Wirklichkeit an einigen Kolbenpositionen anhalten können, wie zum Beispiel an der oberen Totpunkt-Position für den Kompressionszylinder und für den Verbrennungszylinder an der oberen Totpunkt-Position nach einem Auslasshub und vor dem nächsten Ansaughub. Weil somit die Kolbengeschwindigkeiten ähnlich zu einem Motor vom Kurbelwellentyp, der mit 2400 RPM arbeitet, sein können, wird das Anhalten während des Betriebs den Kolben in dem Freikolbenmotor ermöglichen, bei einer niedrigeren Frequenz, im Wesentlichen bis hin zum Stillstand, zu arbeiten.
  • Es ist auch zu beachten, dass, obwohl der Kompressionszylinder und die Verbrennungszylinder mit unabhängigen Frequenzen arbeiten können, die Geschwindigkeitsprofile für die Zylinder nicht von den Beschränkungen einer Kurbelwelle bestimmt werden und entsprechend für den besten Wirkungsgrad abgestimmt werden können. In dieser Hinsicht können die Verbrennungszylinder ein anderes Kolbengeschwindigkeitsprofil für verschiedene Hübe verwenden, wobei tatsächlich der Ansaug-, Kompressions-Arbeits- und Auslasshub voneinander verschieden und selbstverständlich verschieden von den Kolbengeschwindigkeitsprofilen sein können, die für den Kompressionszylinder verwendet werden.
  • Kraftstoff für die Verbrennungszylinder wird durch ein Kraftstoffsystem, dass nicht im Detail in 4 gezeigt ist, zur Einbringung bereitgestellt, wie zum Beispiel mittels einer Einspritzdüse vom Typ eines Druckerhöhers auf jedem Verbrennungszylinder. Die Verbrennungszylinder stellen ein Hochdruckhydraulikfluid durch das steuerbare Absperrventil zu dem Haupthochdruckspeicher bereit. Freikolbenhydraulikdruck wird einer Niederdruckleitung von einer Saugpumpe bereitgestellt, und ein Hochdruckhydraulikfluid, das benötigt wird, wird von einem Hochdruck-Akkumulator oder einer Hochdruck-Leitung bereitgestellt. Ein elektrisch betätigtes Druckbegrenzungsventil kann den Ausgang der Saugpumpe mit dem Niederdruck-Reservoir bzw. dem Niederdruck-Behälter verbinden, wenn ein Volumenstrom (Druck) ansonsten überhöht wäre, wobei ein optionales Rückschlagventil 70 den Druck in der Niederdruckleitung hält, wenn die Saugpumpe nicht in Betrieb ist.
  • Hochdruckhydraulikfluid wird auch dem Pumpen-Motor-Antrieb bereitgestellt, der in der gezeigten Ausführungsform die Räder des Fahrzeugs durch ein Untersetzungsgetriebe und optional durch ein gewöhnliches Differential antreibt. Alternativ kann ein separater Pumpen-Motor-Antrieb für jedes Antriebsrad verwendet werden, oder alternativ für alle Räder des Fahrzeugs entweder entsprechende Universalgelenkkupplungen oder ein Pumpen-Motor-Antrieb an jedem Rad.
  • Nicht alle Ventilelemente, insbesondere für den Kompressionszylinder und die drei Verbrennungszylinder, sind in 4 gezeigt. Hochdruckhydraulikfluid kann auch durch den Pumpen-Motor-Generator zum Antrieb des elektrischen Motor-Generators geleitet werden, um den Akku aufzuladen, wobei der Niederdruckhydraulikfluidausgang des Antriebs-Pumpen-Motors und des Generator-Pumpen-Motors an die Niederdruckleitung zurückgeführt ist. Im normalen Betrieb, wenn kein Hochdruckhydraulikfluid in dem Haupthochdruckspeicher oder dem Anlasser-Hochdruck-Akkumulator gespeichert wird, ist der Fluidstrom durch den Niederdruckhydraulikfluidausgang des Antriebs-Pumpen-Motors und des Generator-Pumpen-Motors, der zu der Niederdruckleitung zurückgeführt wird, gleich dem, der zum Nachfüllen der Hydraulikkolben der Verbrennungszylinder benötigt wird, so dass die Saugpumpe nicht sehr aktiv ist. Ein Niederdruck-Akkumulator könnte gegebenenfalls eingebaut werden, falls gewünscht, um das Pulsieren in der Niederdruckleitung, das von allen drei Kolben verursacht wird, zu absorbieren.
  • Der Antriebs-Pumpen-Motor, der die Räder des Fahrzeugs antreibt, ist vorzugsweise reversibel, d. h. er kann als ein bidirektionaler Motor sowie eine bidirektionale Pumpe dienen, um regeneratives Bremsen beim Pumpen von Hydraulikfluid in den Haupt-Hochdruckspeicher beim Bremsen bereitzustellen. Der Antriebs-Pumpen-Motor, der die Räder antreibt, ist vorzugsweise ein einstellbarer Pumpenmotor, der beispielsweise durch Modulation der Druckhydraulikfluidzufuhr (zwischen hohem und niedrigem Druck) erlangt wird, wobei der Niederdruck-Ausgang des Antriebs-Pumpen-Motors mit seinem Eingang zwischen Pulsen von Hochdruckhydraulikfluid mit seinem Eingang verbunden ist.
  • In einem Modus kann der Akku den elektrischen Motor-Generator mit Energie versorgen, um den Generator-Motor entweder zum Antreiben der Räder des Fahrzeugs durch den Antriebs-Pumpen-Motor oder zum Aufladen des Hochdruckspeicher-Anlassers zum Starten der Freikolbenmaschine zu drehen, falls und wenn der Haupthochdruckspeicher selbst nicht unter Druck gesetzt ist. Daher ist der Haupthochdruckspeicher-Anlasser ein relativ kleiner Speicher bzw. Akkumulator, der durch den Akku bzw. Akkusatz, wie beschrieben, mit einem ausreichenden Druck zum Zweck des Motoranlassens unter Druck gesetzt werden kann oder der einfach ausreichend Druck und Volumen vom Hochdruckhydraulikfluid zu Startzwecken speichern kann. Natürlich kann in Abhängigkeit von der Größe des Akkus, des elektrischen Motor-Generators und des Generator-Pumpen-Motors das System als ein Hybrid betrieben werden, wobei der Freikolbenmotor den Akkus auflädt und das Fahrzeug, wenn erforderlich, antreibt.
  • Beim Vier-Takt-Zyklus, der in 5 dargestellt ist, ist die Kraftstoffeinspritzung gezeigt, die an dem oder in Nähe des unteren Totpunkts um den Start des Kompressionshubs herum eintritt, wobei die Kompressionszündung nahe dem oberen Totpunkt eintritt. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird der gesamte Brennstoff an oder nahe dem unteren Totpunkt zu Beginn des Kompressions- bzw. Verdichtungshubs oder während des Ansaughubs eingespritzt, wobei die heißen Abgase im Zylinder verbleiben und den Kraftstoff in einen gasförmigen Zustand bringen und mit diesem vor der Zündung mit oder ohne EGR mischen. Zum Zeitpunkt der Zündung wird die Menge an Sauerstoff in dem jeweiligen Verbrennungszylinder eingeschränkt, so dass der Druckanstieg und, was noch wichtiger ist, der Temperaturanstieg begrenzt sind, wobei die Temperatur unterhalb der Temperatur, bei der NOx gebildet wird, gehalten wird.
  • Nach dem Zünden und hinter dem oberen Totpunkt wird Luft eingebracht, wie zuvor erläutert, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten und den gesamten eingespritzten Kraftstoff zu verbrauchen, um eine Ausgangsleistung für jeden Verbrennungszylinder zu erzielen, die sich dem von zwei Zylindern einer herkömmlichen Kolbenmaschine vom Kurbelwellentyp nähert. In diesem Zusammenhang ist einer der Vorteile einer solchen Freikolbenmaschine der, dass an oder nahe dem oberen Totpunkt eine Kolbenbewegung nicht durch die Verbindungsstange und Kurbel einer Kurbelwelle, die mit der Achse des Kolbens fluchted, beschränkt ist, und daher ist der Kolben bereit, in der oberen Totpunktposition und während der Kolbenbewegung zu der unteren Totpunktposition eine Ausgangsleistung bereitzustellen.
  • Natürlich kann jeder andere Betriebszyklus auch mit den Freikolbenmotoren der vorliegenden Erfindung genutzt werden, einschließlich, aber nicht auf diese beschränkt, die in den oben erwähnten Patenten und Anmeldungen genannt sind. In dieser Hinsicht stellen Motoren, die gemäß der vorliegenden Patente und Anmeldungen genutzt werden, eine hohe Flexibilität bereit, wobei die Flexibilität tatsächlich von den Freikolbenmotoren der vorliegenden Erfindung mit elektronisch gesteuerter Kraftstoffeinspritzung und Hydraulikventilbetätigung, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, verbessert wird, weil im Wesentlichen alle Betriebsparameter einer solchen Freikolbenmaschine für die höchste Wirtschaftlichkeit variiert werden können.
  • Auch durch Bereitstellung eines im Wesentlichen direkten Hydraulikantriebs zum Antrieb der Antriebsräder des Fahrzeugs, wird ein Entfernen des Fahrzeuggetriebes (oder mit einem Getriebe mit stark reduzierter Komplexität) und die Fähigkeit, den Motor in einem Moment im regenerativen Betrieb effektiv zu starten und zu stoppen, eine sehr hohe Effizienz für das gesamte Antriebssystem liefern. Selbstverständlich können andere Funktionen oder Betriebsweisen auch leicht berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Verwendung eines längeren effektiven Leistungs-(Expansions)-Hubs statt des wirksamen Kompressionshubs. In jedem Fall ermöglicht die Leistungsfähigkeit der Freikolbenmaschine, mit Kolbengeschwindigkeiten, Kompressionsverhältnissen und dergleichen für den besten Wirkungsgrad mit der Fähigkeit zu agieren, um zwischen den Zyklen stehenzubleiben, was einen Betrieb der Freikolbenmaschine mit den effizientesten Betriebsparametern ermöglicht, die unabhängig davon sind, was ansonsten die Drehung einer Kurbelwelle ist, und unabhängig von der dann benötigten Leistung sind.
  • Weitere schematische Darstellungen von beispielhaften physikalischen Konfigurationen von Freikolbenmotoren und Fahrzeugantriebssträngen in Übereinstimmung mit der Erfindung werden nun gezeigt und beschrieben. Diese Konfigurationen sind sowohl für neue Fahrzeuge als auch für die Nachrüstung bestehender Fahrzeuge bestimmt. In beiden Fällen wird angenommen, dass die praktischste Einführung dieser neuen Technologie durch Verwendung ebenso bereits vorhandener Technologie praktikabel ist, während die Merkmale und Vorteile der neuen Technologie erhalten bleiben. In diesem Zusammenhang ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, der erhalten bleibt, die vollständige Entkopplung der Betriebsfrequenz der Verbrennungszylinder von der Drehzahl des Hydraulikmotors, der den mechanischen Antrieb (oder im Leerlauf oder während der Energiespeicherung während des regenerativen Bremsens) bereitstellt.
  • Bezugnehmend nun auf 6 ist eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Freikolbenmaschinensystems zu sehen. In dieser Ausführungsform sind alle Motorzylinder Verbrennungszylinder. Der Hydraulikmotor für die Bereitstellung mechanischer Energie in dieser Ausführungsform verwendet eine Kurbelwelle 50 einer konventionellen Kolbenmaschine, wobei eine Verbindungsstange bzw. ein Pleuel 52 die Kolben 54 mit der Kurbelwelle 50 in herkömmlicher Weise verbindet. Die Kolben 54 können gemäß der vorliegenden Erfindung Motorkolben oder spezieller Ersatz für die vorliegenden Motorkolben sein, wie es in Abhängigkeit von der herkömmlichen Kolbenkonstruktion gewünscht oder erforderlich ist.
  • Hydraulikkolben 56 oberhalb der Kolben 54 werden von Hochdruckhydraulikfluid in einem Akkumulator 58 in einer numerischen Kombination durch Ventile 60 betrieben, um mechanische Kraft bereitzustellen, die für die Leistung der Kurbelwelle erforderlich ist. Die Ventile 60 können 2-Stufen-Ventile sein, wobei die erste Stufe elektronisch (elektrisch) steuerbar ist zu jeder hydraulischen Steuerung eines größeren Ventils zur Regulierung von Hochdruckhydraulikfluid aus dem Speicher 58 zu den Kolben 56 oder zu einem belüfteten oder Niederdruck-Reservoir, wie es die mechanische Leistung erfordert. Die größeren Ventile sind hydraulisch mittels des Hochdrucks aus einer Leitung gesteuert, die mit dem Hochdruck-Akkumulator verbunden ist. Dieses Hochdruckhydraulikfluid wird auch für eine hydraulische Ventilbetätigung und für eine Kraftstoffeinspritzsteuerung durch ein elektronisch gesteuertes Ventil 72 oberhalb der Verbrennungszylinder 20 verwendet, die wiederum betrieben werden oder Hydraulikzylinder 22 durch 2-stufige elektrisch gesteuerte Hydraulikventile 74 betreiben, wobei das größere Ventil, welches ebenso von einem kleineren elektronisch gesteuerten Ventil gesteuert wird, das Niederdruckhydraulikfluid aus Leitung 62 verwendet.
  • Daher kann in der Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, ein Steuerventil/Verteiler 76 mit dem Block einer herkömmlichen Kolbenmotorblockanordnung mit der Freikolbenhydraulikmotoranordnung darüber befestigt werden. Der Freikolbenmotor kann bei einem herkömmlichen Selbstzündungszyklus mit Diesel, Biodiesel oder anderen konventionellen oder unkonventionellen Kompressionszündungskraftstoff betrieben werden. Ein Kraftstoff, der bei einem solchen Motor von Interesse ist, ist Ammoniak (NH3) als ein Kohlenstofffreier Kraftstoff. Die vorliegende Erfindung, die in Zyklen arbeitet, die keine Ventile, die geöffnet werden müssen, oder Kraftstoffeinspritzung, die in der oberen Totpunktkolbenposition erfolgt, benötigt, erlaubt eine Kolbenbewegung bei sehr hohen Kompressionsverhältnissen aufgrund einer vorherigen Einbringung von Kraftstoff, was eine Kompressionszündung von Ammoniak für eine sehr effiziente Energieumwandlung in hydraulische Energie ermöglicht. Bei dem gezeigten Motor sind alle Zylinder gleich, obwohl dies keine Einschränkung der vorliegenden Ausführungsform ist.
  • Die schematische Darstellung in 6 lässt die Gesamtanordnung relativ hoch erscheinen. Da jedoch die Höhe von herkömmlichen Motoren durch Überkopfventile und Ventilantriebssysteme durch sorgfältiges Bündeln der in 6 gezeigten Anordnung gegeben ist, kann das Freikolbenmaschinensystem von 6 eine Gesamthöhe aufweisen, die sich der einer herkömmlichen Brennkraftmaschine nähert. Ein solcher Motor kann einen konventionellen oder sogar derzeit bestehenden Motorblock mit einem Umbau auf einen Freikolbenmotor, der im Wesentlichen ein angeschraubter Umbau ist, verwenden. Als Nachrüstung kann man die Kupplung durch eine Getriebewelle, die direkt an das Ende der Kurbelwelle befestigt ist, ersetzen oder alternativ die Kupplung belassen, aber das Kupplungspedal entfernen, wobei ein Freikolbenmotor, wie in 6 gezeigt, Energie bis auf null Kurbelwellendrehzahl bereitstellen oder rückgewinnen kann, so dass keine Kupplung benötigt wird, wie allgemein keine Gangschaltung auch für den Rückwärtsgang erforderlich ist, und wobei die Kurbelwelle hydraulisch in jede Richtung bei ordnungsgemäßer Steuerung der Hydraulikventilelemente, die den Hydraulikdruck über die Hydraulikmotorstößel steuern, angetrieben werden kann.
  • Wenn tatsächlich die Bauhöhe des Motors ein Problem ist, kann die vorliegende Erfindung wie in 7 gezeigt gebündelt werden, wobei drei Zylinder eines Sechszylindermotors als Freikolbenverbrennungszylinder zum Erzeugen hydraulischer Energie verwendet werden, und wobei drei Zylinder als Hydraulikmotor verwendet werden, um die hydraulische Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln, um die Räder eines Fahrzeugs zu drehen oder diese über ein festes Reduziergetriebe oder zwei oder mehr Schaltgetriebe oder ein hinteres Ende und ein Antriebszubehör zu drehen. Wie zuvor ist die Betriebsgeschwindigkeit des Freikolbenmotorabschnitts vollständig von der Betriebsgeschwindigkeit des Hydraulikmotorabschnitts entkoppelt, von denen jeder bis zum Stillstand betreibbar ist, wobei der Hydraulikmotorabschnitt in der Lage ist, kinetische Energie des Fahrzeugs zurückzugewinnen, wenn er für die Energierückgewinnung beim ”Bremsen” verwendet wird.
  • 8 zeigt den elektrischen Motor-Generator aus 4 in einer physikalischeren Realisierung. 8 zeigt auch die Aufnahme eines Luftspeicherbehälters und wenigstens eines zusätzlichen elektronisch gesteuerten Ventils 51 in jedem der Verbrennungszylinder, das den Betrieb von einem der Verbrennungszylinder als ein Luftkompressor zum Speichern von Druckluft in dem Luftbehälter als auch die Verwendung von Lufteinbringung in jeden Zylinder erlaubt, der als ein Verbrennungszylinder verwendet wird, um die Verbrennung über eine größere Bewegung des Freikolbens während seines Krafthubs aufrechtzuerhalten. Dies ermöglicht die Verwendung einiger Zylinder als Kompressionszylinder und einiger anderer Zylinder als Verbrennungszylinder zu einem beliebigen Zeitpunkt mit Betriebszyklen, wie sie in den vorstehenden Patenten und Patentanmeldungen beschrieben sind. Wenn die Höhe des Motors nach wie vor ein Problem ist, kann ein Motor vom Typ, wie der in 8 gezeigt ist, eng zusammengepackt bzw. gebündelt werden, wie es in 7 gezeigt ist.
  • Daher ist in den Ausführungsformen der 3, 4 und 8 eine Luftverdichtung zur Einbringung in die Brennkammer eines Zylinders vorgesehen, während in den Ausführungsformen der 6 und 7 keine Lufteinbringung vorgesehen ist, so dass mehrere herkömmliche Betriebszyklen verwendet werden.
  • 9 zeigt eine Schnittansicht einer Brennkraftmaschine, die die Erfindung verkörpert. Diese Figur zeigt, wie die Reservoirs und Akkumulatoren für das Hydraulikfluid in die anderen Motorenstrukturen eingearbeitet werden können.
  • 10 zeigt eine bildliche Ansicht eines Teils einer Brennkraftmaschine 100, die die Erfindung verkörpert. Der Motor bzw. die Maschine 100 weist einen Verbrennungszylinderblock 104 mit einem Verbrennungskolben 102 auf, der innerhalb eines Verbrennungszylinders in dem Zylinderblock gleitet. Ein vollständiger Motor würde einen Zylinderkopf aufweisen, der mit dem oberen Ende des Verbrennungszylinderblocks 104 verbunden ist, um Einlass- und Auslassventile und gegebenenfalls solche Teile wie eine Kraftstoffeinspritzung und/oder eine Zündkerze bereitzustellen. In diesem Zusammenhang können der Injektor 44 in 1 als auch die Injektoren, die in den anderen Figuren gezeigt sind, als schematische Darstellungen von Zündkerzen für die Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches angesehen werden. Während Kompressionszündung wegen der größeren Effizienz, die mit dem höheren Kompressionsverhältnis in Verbindung gebracht wird, bevorzugt ist, könnte Funkenzündung, falls gewünscht, verwendet werden. Beispielsweise ist es für einen Kraftstoff wie Ammoniak normalerweise schwierig, eine Kompressionszündung zu erzielen, außer wenn ein Motor der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wo erzielbare Kompressionsverhältnisse sehr hoch und steuerbar sein können, wobei Funkenzündung etwas schwierig bei herkömmlichen Kompressionsverhältnissen von Motoren vom Kurbelwellentyp wegen des engen Bereichs des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses ist, die sich funkenentzünden. Jedoch können unter Verwendung der vorliegenden Erfindung höhere Kompressionsverhältnisse als bei herkömmlichen Kurbelwellenmotoren verwendet werden, was die Kraftstoff-Luft-Verhältnisse ausweitet, die sich bei den höheren Kompressionstemperaturen funkenentzünden (d. h. Reduzierung der Wärmefreisetzung, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten), wodurch die Verwendung von Betriebszyklen, wie sie in 5 gezeigt sind, ermöglicht wird, wobei die höheren Kompressionsverhältnisse, die erhältlich sind, die Einbringung oder Vergasung von Ammoniak ermöglichen, um ein sehr brennstoffreiches Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Brennkammer auszubilden, das ausreichend nahe an der Kompressionszündtemperatur ist, um mit einer Zündkerze gezündet zu werden, wobei Luft während des Krafthubs eingebracht wird, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten, bis das gesamte Ammoniak in der anfangs sehr brennstoffreichen Ladung verbraucht ist.
  • Eine Hydraulikstößelblock 106 ist mit dem Verbrennungszylinderblock 104 verbunden. Der Hydraulikstößelblock 106 umfasst eine Vielzahl von Hydraulikstößeln, die mit dem Verbrennungskolben 102 verbunden sind, wie weiter unten beschrieben ist. Eine Vielzahl von Hydrauliksteuerventilen 110, 112, 120, 122 ist mit den Hydraulikstößeln verbunden, wie weiter unten beschrieben ist.
  • 11 zeigt eine bildliche Ansicht eines Teils der Brennkraftmaschine 100, wobei der Verbrennungszylinderblock weggelassen ist, um zusätzliche Einzelheiten des Motors zu zeigen. In der gezeigten Ausführungsform ist der Verbrennungskolben 102 mit sechs Hydraulikstößeln 201, 202, 203, 204, 205, 206 verbunden. Die sechs Hydraulikstößel gleiten in sechs entsprechenden Hydraulikzylindern 211, 212, 213, 214, 215, 216 des Hydraulikstößelblocks 106. Der Verbrennungskolben 102 gleitet innerhalb des Verbrennungszylinders entlang einer Mittelachse 200, die die Symmetrieachse für den Verbrennungszylinder ist.
  • 12 ist eine Draufsicht, die den Verbrennungskolben 102 und die sechs Hydraulikzylinder 211–216 zeigt. Es ist ersichtlich, dass die Hydraulikzylinder paarweise 211–212, 213–214, 215–216 angeordnet sind. Jedes Paar von Hydraulikzylindern ist auf einem Durchmesser des Verbrennungszylinders angeordnet, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, die durch die Mittelachse 200 des Verbrennungszylinders verlaufen. Jeder Hydraulikzylinder eines Paars weist im Wesentlichen den gleichen Durchmesser auf und liegt im gleichen Abstand von der Mittelachse 200. Dies ermöglicht es dem Verbrennungskolben 102, durch zwei Hydraulikstößel in einem der Paare von Hydraulikstößeln gestützt zu werden, ohne dass dadurch ein Drehmoment auf den Verbrennungskolben 102 erzeugt wird.
  • 13 ist eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine 100, die es erlaubt, weitere Details der Maschine zu sehen. In der gezeigten Ausführungsform umfassen die Hydrauliksteuerventile ein elektrisch betriebenes Steuerventil 120, 122, dass ein 3-Wege-Ventil 110, 112 vom Spulentyp steuert. In der gezeigten Ausführungsform teilen drei Hydraulikregelventile einen gemeinsamen Körper. Die Steuerventile in einer Ausführungsform sind Steuerventile des allgemeinen Typs, der in dem US-Patent No. 5,640,987 gezeigt ist, obgleich nicht selbsthaltende und federrücklaufende Ventile, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise Schieberventile verwendet werden können, wenn es gewünscht ist.
  • Wie in dem rechtsseitig geschnitten Ventil zu sehen ist, verbindet die Spule 432 das untere Ende des Hydraulikzylinders 405 entweder mit einer einzelnen Verbindung 434 oder einem Paar von Verbindungen 436, 438. Eine der Verbindungen ist mit einer Hochdruck-Hydraulikleitung verbunden und die andere ist mit einem Niederdruck-Hydraulikspeicher verbunden. Es ist bezeichnend, dass jedes der Hydraulikventile unabhängig von den übrigen Hydraulikventilen gesteuert wird. Dies bietet erhebliche Flexibilität bei dem Betrieb des Motors.
  • Wie bereits erwähnt verbindet jedes Zweistufenventil steuerbar das Ende eines jeweiligen Hydraulikzylinders mit der Hochdruck-Hydraulikleitung oder der Niederdruck-Hydraulikleitung. Schieberventile haben bestimmte Vorteile in dieser Anwendung, indem sie nur eine geringe Bewegung der Spule benötigen, um einen maximalen Durchflussquerschnitt bereitzustellen. Außerdem können Schieberventile gestaltet sein, um so zu sagen vor oder nach dem Ausschalten zu brechen. Das heißt, Drei-Wege-Schieberventile können konzipiert sein, um die Strömung von Anschluss A nach Anschluss B abzusperren, bevor ein Strömungspfad von Anschluss A zu Anschluss C geöffnet wird. In einem System wie der vorliegenden Erfindung kann dies ziemlich lästig sein, dass eine momentane Hydrauliksperre resultieren würde, was erhebliche Energieverluste bewirkt. Auf der anderen Seite stellt das öffnen ein öffnen eines Strömungswegs von Anschluss A zu Anschluss C vor dem Schließen des Durchflusses von Anschluss A nach Anschluss B einen momentanen direkten Strömungsweg von der Hochdruck-Hydraulikleitung zu der Niederdruck-Hydraulikleitung bereit, wodurch möglicherweise auch ein erheblicher Energieverlust bewirkt wird. In der vorliegenden Erfindung werden diese Effekte teilweise durch die Geschwindigkeit der Ventile, zum Teil durch die Kompressibilität des Hydraulikfluids und vor allem durch die Gestaltung des Zweit-Stufen-Schieberventils, um mit dem effizientesten Kompromiss zwischen diesen zwei Überlegungen zu agieren, minimiert.
  • Die beiden Stößel 205, 206, die im Schnitt gezeigt sind, weisen einen vergrößerten unteren Teil auf, der ein oberes Hydraulikvolumen 415, 416 erzeugt, das unter Druck gesetzt werden kann, um den Verbrennungskolben 102 in Richtung des unteren Totpunkts anzutreiben. Das obere Hydraulikvolumen 415, 416 kann kontinuierlich mit der Hochdruckzuführleitung verbunden sein, denn die größere aktive Fläche des unteren Hydraulikvolumens 405, 406 wird eine nach oben gerichtete Kraft erzeugen, wenn Hochdruck mit dem unteren Hydraulikvolumen verbunden ist.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Hydraulikstößel 205, 206 mit dem Verbrennungskolben 102 über eine Verbindung verbunden sind, die ein geringes Spiel bietet. Dieses Spiel bietet Platz für kleine Ausrichtungsfehler zwischen dem Verbrennungskolben 102 und den Hydraulikzylindern 211–216.
  • 14 zeigt eine bildliche Ansicht eines Teils einer Brennkraftmaschine 500 für ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Motor 500 umfasst einen Verbrennungszylinderblock 504 mit einem Verbrennungskolben 502, der innerhalb eines Verbrennungszylinders in dem Zylinderblock gleitet. Ein vollständiger Motor würde einen Zylinderkopf aufweisen, der mit dem oberen Ende des Verbrennungszylinderblocks 504 verbunden ist, um Einlass- und Auslassventile und gegebenenfalls Teile wie eine Kraftstoffeinspritzung und/oder eine Zündkerze bereitzustellen.
  • Ein Hydraulikstößelblock 506 ist mit dem Verbrennungszylinderblock 504 verbunden. Der Hydraulikstößelblock 506 umfasst eine Vielzahl von Hydraulikstößeln, die mit dem Verbrennungskolben 502 verbunden sind, wie weiter unten beschrieben ist. Eine Vielzahl von Hydrauliksteuerventilen 510, 512, 514, 520, 522, 524 ist mit den Hydraulikstößeln verbunden, wie weiter unten beschrieben ist.
  • 15 ist eine Schnittansicht der Brennkraftmaschine 500, die es ermöglicht, weitere Details der Maschine zu sehen. In dieser Ausführungsform gibt es einen zusätzlichen Hydraulikstößel 607, der in einem einzelnen Hydraulikzylinder 617 entlang der Mittelachse 600 des Verbrennungszylinders gleitet. Zusätzliche Hydraulikregelventile 512, 522 sind vorgesehen, um diesen zusätzlichen Hydraulikzylinder mit Hochdruck- und Niederdruck-Hydraulikleitungen zu verbinden. Kräfte zwischen dem Verbrennungskolben 502 und den einzelnen Hydraulikstößeln 607 können aufgebracht sein, ohne dass ein Drehmoment auf den Verbrennungskolben erzeugt wird, da der einzelne Hydraulikstößel 607 entlang der Mittelachse 600 des Verbrennungszylinders angeordnet ist. In anderer Hinsicht ist diese Ausführungsform wie die oben beschriebene Ausführungsform.
  • Der einzelne Hydraulikzylinder 617 ist in seinem unteren Abschnitt vergrößert. Das untere Ende 624 des Hydraulikstößels ist in ähnlicher Weise vergrößert. Dadurch entstehen zwei gegenüberliegende Hydrauliksteuerflächen, so dass der einzelne Hydraulikstößel 607 entweder den Verbrennungskolben 502 schieben oder ziehen kann. Hochdruck-Hydraulikfluid kann in den Hydraulikzylinder 626 unterhalb des Hydraulikstößels eingeführt werden, um den Verbrennungskolben 502 in einer Richtung nach oben zu schieben oder um einer Abwärtsbewegung des Verbrennungskolbens während eines Verbrennungszyklus standzuhalten. Hochdruck-Hydraulikfluid kann in den Hydraulikzylinder 622 oberhalb des vergrößerten Abschnitts 624 des Hydraulikstößels eingebracht werden, um den Verbrennungskolben 502 während eines Ansaugtaktes in einer Richtung nach unten zu ziehen.
  • In einigen Ausführungsformen wird das Hochdruck-Hydraulikfluid kontinuierlich dem Hydraulikzylinder 622 oberhalb des vergrößerten Abschnitts des Hydraulikstößels zugeführt. Der Hydraulikstößel 607 wird den Verbrennungskolben 502 in eine Richtung nach unten ziehen, wenn Niederdruck-Hydraulikfluid in den Hydraulikzylinder 626 unterhalb des Hydraulikstößels eingebracht ist, weil das Hochdruck-Hydraulikfluid, das auf den oberen Abschnitt des Hydraulikstößels einwirkt, eine größere Kraft in Richtung nach unten erzeugt als das Niederdruck-Hydraulikfluid, das auf den unteren Abschnitt des Hydraulikstößels in der Richtung nach oben einwirkt. Daher gibt es eine nach unten gerichtete Kraft. Wenn Hochdruck-Hydraulikfluid sowohl dem oberen als auch dem unteren Abschnitt des Hydraulikstößels zugeführt wird, gibt es aufgrund der größeren Fläche auf dem unteren Abschnitt des Hydraulikstößels eine resultierende Kraft in Richtung nach oben. Bei anderen Ausführungsformen werden zwei Drei-Wege-Ventile eingesetzt, um sowohl den oberen als auch den unteren Abschnitt des Hydraulikstößels zwischen Hochdruck- und Niederdruck-Hydraulikfluid umzuschalten.
  • 16 ist eine Draufsicht, die den Verbrennungskolben 502 und die sieben Hydraulikzylinder 611–617 zeigt. Es ist ersichtlich, dass sechs der Hydraulikzylinder in Paaren 611–612, 613–614, 615–616 angeordnet sind. Jedes Paar von Hydraulikzylindern ist auf einem Durchmesser des Verbrennungszylinders angeordnet, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, die durch die Mittelachse 600 des Verbrennungszylinders führen. Jeder Hydraulikzylinder in einem Paar hat im Wesentlichen den gleichen Durchmesser und ist im gleichen Abstand von der Mittelachse 600 angeordnet. Dies ermöglicht es dem Verbrennungskolben 502, durch zwei Hydraulikstößel in einem der Paare von Hydraulikzylindern gestützt zu werden, ohne ein Drehmoment auf den Verbrennungskolben 502 zu erzeugen. Der Verbrennungskolben 502 kann auch von dem einzigen zentral angeordneten Hydraulikstößel 617 gestützt werden, ohne ein Drehmoment auf den Verbrennungskolben 502 zu erzeugen, wie oben beschrieben ist.
  • 17 ist eine schematische Ansicht der Hydraulikstößel 611–617, ihrer zugehörigen elektrisch betätigten Hydrauliksteuerventile 711–717 und einer elektronischen Steuerung 736, die die elektrischen Signale 701–707 erzeugt, die die Steuerventile betätigt. Jedes der Hydrauliksteuerventile 711–717 ist ein Drei-Wege-Ventil. Ein erster Anschluss ist mit einer Hochdruck-Hydraulikfluidzuleitung 730 verbunden. Ein zweiter Anschluss ist mit einer Niederdruck-Hydraulikfluidzuleitung 732 verbunden. Ein dritter Anschluss ist mit einem Hydraulikvolumen unterhalb jedes der Hydraulikstößel 611–617 verbunden, um entweder Niedrig- oder Hochdruck-Hydraulikfluid entsprechend der elektrischen Signale 701–707, die von der elektronischen Steuerung 736 erzeugt werden, zu liefern.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass jedes der Hydrauliksteuerventile 711–717 unabhängig von den anderen Steuerventilen gesteuert wird, welches eine beträchtliche Flexibilität im Betrieb des Motors darstellt. Die Menge an Energie, die zur Druckbeaufschlagung des Hydraulikfluids während des Expansionshubs des Verbrennungskolbens umgewandelt wird, ist nicht durch die mechanische Anordnung einer Kurbelwelle und eines Pleuel oder durch eine mechanische Kopplung der Bewegung des Verbrennungskolbens mit einem anderen Kolben des Motors beschränkt.
  • Die elektronische Steuerung 736 empfängt elektrische Eingangssignale von einem oder von mehreren Sensoren 734, die Informationen über Motorbedingungen, wie zum Beispiel Verbrennungskolbenposition, Zylinderdruck und dergleichen bereitstellen. Die elektronische Steuerung empfängt auch andere Eingangssignale in Bezug auf Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel Druck des Druckspeichers 738. Die elektronische Steuerung 736 kann die Eingangssignale in einer Vielzahl von Möglichkeiten nutzen, um die elektrischen Signale 701–707 zu erzeugen, die den Betrieb des Verbrennungskolbens steuern.
  • Ein oder mehrere Hydraulikkolben 617 erhalten Hochdruck-Hydraulikfluid in einem oberen Hydraulikvolumen, um eine nach unten gerichtete Kraft auf den Verbrennungskolben zu erzeugen. Dadurch kann der Verbrennungskolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt für einen Ansaughub bewegt werden. In der Ausführungsform, die dargestellt ist, wird ein Hochdruck-Hydraulikfluid dem oberen Hydraulikvolumen kontinuierlich zugeführt. Die obere Steuerfläche des Hydraulikstößels 617 weist eine kleinere Fläche als die untere Steuerfläche auf. Das Umschalten des geringeren Hydraulikvolumens von Nieder- auf Hochdruck-Hydraulikfluid erzeugt eine nach oben gerichtete Kraft. In anderen Ausführungsformen wird ein zusätzliches Drei-Wege-Steuerventil verwendet, um das obere Hydraulik-Volumen von Nieder- auf Hochdruck-Hydraulikfluid umzuschalten.
  • 18 ist eine schematische Ansicht der Hydraulikstößel 56 und ihrer zugehörigen elektrisch betätigten Hydrauliksteuerventile 60, die mit dem Stromwandler zur Umwandlung von hydraulischer Leistung in mechanische Leistung, wie in 6 gezeigt, verwendet werden können. Es ist ersichtlich, dass diese fast identisch mit der oben beschriebenen Anordnung zur Steuerung der Erzeugung von oben beschriebener Hydraulikleistung ist.
  • Eine elektronische Steuerung 836 erzeugt die elektrischen Signale 801–806, die die Steuerventile 60 betätigen. Die elektronische Steuerung 836 empfängt elektrische Eingangssignale von einem oder von mehreren Sensoren 834, die Informationen über die Spannungsumformer-Bedingungen, wie zum Beispiel Antriebskolbenposition, Abtriebsdrehzahl und dergleichen, bereitstellen. Die elektronische Steuerung empfängt auch andere Eingangssignale bezüglich der Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel Leistungseinstellungen 838 (z. B. Gaspedalposition). Die elektronische Steuerung 836 kann die Eingangssignale in jeder einer Vielzahl von Möglichkeiten verwenden, um die elektrischen Signale 801–806 zu erzeugen, die den Betrieb des Verbrennungskolbens steuern. Die elektronische Steuerung 836 des Spanungswandlers kann die gleiche wie die elektronische Steuerung 736 für die Verbrennungskolbensteuerung oder eine separate Vorrichtung sein. Aufgrund der großen Anzahl von elektrischen Signalen, die mit genauen Timing-Anforderungen erzeugt werden müssen, können die Steuerungen 736, 836 eine Vielzahl von Prozessoren verwenden, um die notwendige Menge an Rechenleistung bereitzustellen, um den Motor mit der nötigen Präzision und Flexibilität zu steuern.
  • 19 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm einer Hauptsteuerung für einen Mehrzylinder-Motor gemäß der vorliegenden Erfindung, unabhängig davon, ob der Motor zweckbestimmte Kompressionszylinder zur Lufteinblasung aufweist und unabhängig von dem Motor-Betriebszyklus oder den Zyklen, die verwendet werden, obgleich wenn Funkenzündung verwendet wird, sollte dann der Ausdruck Kraftstoffinjektoren in Zündkerzen geändert werden. Wie in 19 gezeigt ist, überwacht in diesem Ausführungsbeispiel eine Hauptsteuerung die Kolbenposition jedes Kolbens in dem Motor sowie den Druck des Hochdruckspeichers und der Luftdruckleitung oder den Druck des Luftbehälters (3), wenn Luftkompression und -injektion verwendet werden, und liefert Steuersignale an das Motorventilbetätigungskolbensystem, zu den Kraftstoffinjektoren (oder Zündkerzen, falls verwendet), und zu den Ventilstößelsteuerungen aus 17. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass die Ventilstößelsteuerungen aus 17 unabhängig von der Hauptsteuerung agieren, einmal initiiert, obgleich die Hauptsteuerung Betriebsparameter der Ventilstößelsteuerungen bereitstellen kann, falls gewünscht. In dieser Hinsicht ist die Menge der Untergruppen der verwendeten Systemsteuerung, wo diese Untergruppen auftreten, eine Frage der Konstruktionswahl und nicht Teil der vorliegenden Erfindung, obgleich einige Untergruppen, wie oben beschriebene, vorteilhaft zur Fehlerbehebung sein können und die Kosten für eine Ersatzsteuerung reduzieren, wenn in Wirklichkeit etwas versagt. Somit werden die Worte Steuerung und elektronische Steuerung, wie sie hierin und in den folgenden Ansprüche verwendet werden, in einem sehr allgemeinen Sinn verwendet und beinhalten alle Untergruppen der Steuerung eines Motors und Antriebsstranges der vorliegenden Erfindung, die typischerweise aber nicht notwendigerweise eine Prozessorsteuerung mit Wertetabellen mit iterativen Steuerungskorrekturen basierend auf den jüngsten Wertentwicklungen der Vergangenheit verwenden. Die Überwachung des Hochdruckspeicherdruckes und des Luftleitungsdruckes oder Luftbehälterdruckes (3), sofern Luftverdichtung und Lufteinbringung verwendet wird, dient der Steuerung des Motorbetriebs, wie es erforderlich ist, um den optimalen Druck des Hochdruckspeichers und der Luftleitung oder des Luftbehälters aufrechtzuerhalten. Es ist zu beachten, dass die Luftkompressionskolben unabhängig von jedem anderen Kolben, Verbrennungs- oder Luftkompressionskolben, betrieben werden können.
  • Es wurde zuvor festgestellt, dass die Kolben mit Kolbengeschwindigkeiten agieren, die in etwa die der Betätigung eines Motors vom Kurbelwellentyp entsprechen, der zum Beispiel mit 2400 Umdrehungen pro Minute läuft, der aber in Wirklichkeit bei bestimmten Kolbenstellung für eine bestimmte Zeit stehenbleibt, die je nach der entsprechenden Hochdruck-Hydraulikfluidfördermenge, die dann benötigt wird, erforderlich ist. In diesem Zusammenhang können im Gegensatz zu einer Kurbelwellenmotor die Kolbenbewegungsprofile und -geschwindigkeiten voll und ganz gesteuert werden, und sie können für jeweils einen Kompressionshub, einen Verbrennungs- oder Arbeitshub und Abführ- bzw. Auslasshub und einen Ansaughub für einen Viertakt-Betrieb (Zweitakt-Betrieb ist auch möglich), falls gewünscht, unterschiedlich sein, unabhängig von der Bewegung eines beliebigen Verbrennungskolbens oder Kompressionskolbens, falls verwendet. Auch kann alles jeweils für den aktuellen Bedarf des Motors angepasst werden. Beispielsweise kann der Verlust an Wärme bei Verdichtung bzw. Kompression und Verbrennung an den Zylinderwänden in herkömmlichen Maschinen im Leerlauf oder bei langsamer Drehung der Motoren wesentlich sein. Bei Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Verdichtung und Verbrennung oder die Arbeitshübe absichtlich schneller vorgenommen werden (höhere Kolbengeschwindigkeiten) als der Ansaug- und Ausstoßhub (es sei denn, dass zum Beispiel volle Leistung erforderlich ist), um den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen. Insbesondere können die Kompressions- und Arbeitshübe so gewählt werden, um den erhöhten thermischen Wirkungsgrad mit dem reduzierten hydraulischen Wirkungsgrad bei höheren Kolbengeschwindigkeiten auszugleichen, damit ein maximaler Effizienzbetriebspunkt für den Motor mit Unterbrechungen zwischen den Zyklen, wie benötigt, bereitgestellt ist. Zum Starten des Motors kann es zweckmäßig sein, die Verbrennungskolbengeschwindigkeit für den Kompressionshub unabhängig von Effizienzüberlegungen zu maximieren, um den maximalen Temperaturanstieg durch die Kompression zu gewährleisten, auch wenn Ansaugluftheizungen verwendet werden. In dieser Hinsicht ist es die Betriebsgeschwindigkeit der Steuerungsventile, die eingesetzt werden, sowie die Fähigkeit zur Steuerung aller Aspekte der Motoren der vorliegenden Erfindung sowohl für das Timing als auch für die Menge, die die extreme Flexibilität in Betriebszyklen und Kraftstoffen, die verwendet werden können, und trotzdem einen höchst effizienten Betrieb bietet. In dieser Hinsicht werden typischerweise die Motorsteuerungen, wie beispielsweise die Hauptsteuerung aus 19 und/oder die Stößelventilsteuerung aus 17, die Kolbenposition und Kolbengeschwindigkeit zu Kontrollzwecken und außerdem Hydrauliksteuerventileinstellungen und die Kolbenbeschleunigung überwacht, um den Start der Verbrennung und das Verhältnis und die Menge des Druckanstiegs in der Brennkammer zu erfassen, und von Zyklus zu Zyklus inkrementelle oder iterative Anpassungen vornehmen, um die Zündung exakt dann zu erhalten, wenn es gewünscht ist, und um die Leistung von jedem Verbrennungszylinder durch Ausgleichen des Kraftstoffeinspritzbetriebs und des Motorventilbetriebs auszugleichen, wenn nötig.
  • Somit weist die vorliegende Erfindung hat eine Reihe von Aspekten auf, wobei die Aspekte allein oder in verschiedenen Kombinationen oder Unterkombinationen, wie gewünscht, ausgeführt werden können. Während bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart und hierin zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht zum Zwecke der Beschränkung beschrieben wurden, ist es für Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, dass verschiedene Änderungen der Gestalt und im Detail vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6739293 [0026]
    • US 6415749 [0040]
    • US 5640987 [0068]

Claims (39)

  1. Brennkraftmaschine, aufweisend: einen Verbrennungskolben in einem Verbrennungszylinder, der eine Brennkammer oberhalb des Verbrennungskolbens definiert, wobei die Brennkammer elektronisch gesteuerte Einlass- und Auslassventile aufweist, wobei der Verbrennungskolben nicht mit einem anderen Verbrennungskolben oder Luftkompressionskolben mechanisch verbunden ist; einen Verbrennungskolben-Positionssensor; eine Vielzahl von Hydraulikstößeln unterhalb des Verbrennungskolbens jeweils in einem jeweiligen Hydraulikzylinder, wobei die Hydraulikzylinder mit einem elektronisch gesteuerten Hydraulikzylinderventilelement zur steuerbaren Verbindung jedes Hydraulikzylinders mit einem Hochdruck-Hydrauliksystem oder einem Niederdruck-Hydrauliksystem verbunden sind; und eine Steuerung, wobei die Steuerung das elektronisch gesteuerte Hydraulikzylinderventilelement und die elektronisch gesteuerten Einlass- und Auslassventile steuert, um sowohl die Aufwärts- als auch die Abwärtsbewegung des Verbrennungskolbens in dem Verbrennungszylinder in Erwiderung auf eine Ausgangsgröße des Verbrennungskolben-Positionssensors zu steuern.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die eingerichtet ist, um Kraftstoff in die Brennkammer steuerbar einzuspritzen, wobei die Steuerung auch die elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung steuert.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Stößel an diametral gegenüberliegenden Positionen um eine Längsachse des Verbrennungszylinders herum angeordnet sind, und wobei das Ventilelement, wie durch die Steuerung gesteuert, Paare von diametral gegenüberliegenden Hydraulikzylindern mit dem Hochdruck-Hydrauliksystem oder einem Niederdruck-Hydrauliksystem gleichzeitig verbindet.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Hydraulikstößeln einen Zentrumsstößel aufweist, der entlang einer Längsachse des Verbrennungszylinders angeordnet ist, wobei der Zentrumsstößel mit dem Verbrennungskolben verbunden ist und ein vergrößertes unteres Ende aufweist, über dem eine hydraulische Kraft ausgeübt werden kann, um den Verbrennungskolben nach unten zu ziehen.
  5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei jeder Verbrennungszylinder ein elektronisch gesteuertes Ventil zum Einspritzen von Luft mit hohem Druck aus einer Hochdruckluftschiene in die Brennkammer aufweist, und ferner aufweisend: einen Luftkompressionskolben in einem Luftkompressionszylinder, der eine Luftkompressionskammer oberhalb des Luftkompressionskolbens definiert, wobei die Luftkompressionskammer ein Einlassventil und ein Ventil zum Liefern von Hochdruckluft an die Hochdruckluftschiene umfasst, wobei der Luftkompressionskolben nicht mit einem anderen Verbrennungskolben oder Luftkompressionskolben mechanisch verbunden ist; einen Luftkompressionskolben-Positionssensor; eine Vielzahl von hydraulischen Stößeln unterhalb des Luftkompressionskolbens jeweils in einem entsprechenden Hydraulikzylinder, wobei die Hydraulikzylinder mit einem elektronisch gesteuerten Ventilelement zur steuerbaren Verbindung jedes Hydraulikzylinders mit dem Hochdruck-Hydrauliksystem oder dem Niederdruck-Hydrauliksystem verbunden sind; und wobei die Steuerung das elektronisch gesteuerte Hydraulikzylinderventilelement und die elektronisch gesteuerten Einlass- und Auslassventile steuert, um sowohl die Aufwärts- als auch die Abwärtsbewegung des Verbrennungskolbens in dem Verbrennungszylinder, um sowohl die Aufwärts- als auch die Abwärtsbewegung des Luftkompressionskolbens in dem Luftkompressionszylinder in Erwiderung auf eine Ausgangsgröße des Luftkompressionskolben-Positionssensors und um auch das elektronisch gesteuerte Ventil zum Einspritzen von Luft mit hohem Druck aus der Druckluftschiene in die Brennkammer zu steuern.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, ferner aufweisend eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die eingerichtet ist, um Kraftstoff in die Brennkammer steuerbar einzuspritzen, wobei die Steuerung auch die elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung steuert.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, wobei die Steuerung bewirkt, dass der Verbrennungskolben nacheinander einen Ansaughub, einen Kompressionshub, einen Arbeitshub und einen Auslasshub für den Verbrennungskolben und nacheinander Ansaug- und Kompressionshübe für den Luftkompressionskolben durchführt.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei die Steuerung bewirkt, dass die elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung Kraftstoff in die Brennkammer während des Ansaughubs oder zu Beginn des Kompressionshubs und Luft aus der Luftschiene, aber nicht Kraftstoff in die Brennkammer während des Arbeitshubs nach Kompressionszündung des Kraftstoffes einspritzt, um eine Verbrennung aufrechtzuerhalten, bis der gesamte Kraftstoff dann in der Brennkammer verbraucht ist.
  9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei alle Zylinder einen Aufbau sowohl wie der Verbrennungszylinder als auch wie der Luftkompressionszylinder aufweisen, und wobei jeder Zylinder von der Steuerung als ein Luftkompressionszylinder zu einem Zeitpunkt und als ein Verbrennungszylinder zu einem anderen Zeitpunkt betrieben werden kann.
  10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei ein Zylinder immer als ein Luftkompressionszylinder betrieben wird und der andere Zylinder immer als Verbrennungszylinder betrieben wird.
  11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, ferner aufweisend: einen Abtriebskolben in einem Abtriebszylinder, der mit einer Kurbelwelle über ein Pleuel unterhalb des Abtriebskolbens verbunden ist; eine Vielzahl von Abtriebshydraulikstößeln oberhalb, die auf den Abtriebskolben einwirken, die jeweils in einem jeweiligen Abtriebshydraulikzylinder angeordnet sind, wobei die Abtriebshydraulikzylinder mit elektronisch gesteuerten Hydraulikzylinderventilelementen zum steuerbaren Verbinden jedes Abtriebshydraulikzylinders mit einem Hochdruck-Hydrauliksystem oder einem Niederdruck-Hydrauliksystem verbunden sind, um die Kurbelwelle in Drehung zu versetzen; wobei die Steuerung auch die elektronisch gesteuerten Abtriebshydraulikzylinderventilelemente in Erwiderung auf eine Leistungseinstellung steuert.
  12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, wobei die Steuerung den Verbrennungskolben in Erwiderung des Druckes in dem Hochdruck-Hydrauliksystem steuert.
  13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Abtriebskolben in einem Abtriebszylinder, der mit einer Kurbelwelle über ein Pleuel unterhalb des Abtriebskolbens verbunden ist; eine Vielzahl von Abtriebshydraulikstößeln oberhalb, die auf den Abtriebskolben einwirken, die jeweils in einem jeweiligen Abtriebshydraulikzylinder angeordnet sind, wobei die Abtriebshydraulikzylinder mit elektronisch gesteuerten Hydraulikzylinderventilelementen zum steuerbaren Verbinden jedes Abtriebshydraulikzylinders mit einem Hochdruck-Hydrauliksystem oder einem Niederdruck-Hydrauliksystem verbunden sind, um die Kurbelwelle in Drehung zu versetzen; wobei die Steuerung auch die elektronisch gesteuerten Abtriebshydraulikzylinderventilelemente in Erwiderung auf eine Leistungseinstellung steuert.
  14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, wobei die Steuerung den Verbrennungskolben in Erwiderung des Druckes in dem Hochdruck-Hydrauliksystem steuert.
  15. Brennkraftmaschine, aufweisend: einen Verbrennungszylinder; einen Verbrennungskolben in dem Verbrennungszylinder, der eine Brennkammer oberhalb einer ersten Fläche des Verbrennungskolbens definiert, wobei die Bewegung des Verbrennungskolbens nicht mechanisch gebunden ist, um sich gleichzeitig mit einem anderen Verbrennungs- oder Kompressionskolben in der Brennkraftmaschine zu bewegen; wenigstens ein Paar von ersten Hydraulikzylindern, wobei die ersten Hydraulikzylinder von jedem Paar von ersten Hydraulikzylindern auf gegenüberliegenden Seiten eines Durchmessers des Verbrennungszylinders äquidistant von einer Längsachse des Verbrennungszylinders angeordnet sind; eine Vielzahl von ersten Hydraulikstößeln, wobei jeder der Vielzahl von ersten Hydraulikstößeln innerhalb eines von den ersten Hydraulikzylindern und in Bezug auf eine zweite Fläche des Verbrennungskolben angeordnet ist, um sich mit dem Verbrennungskolben hin und her zu bewegen; und wenigstens ein elektrisch betätigtes erstes Hydraulikfluid-Steuerventil, das mit wenigstens einem der ersten Hydraulikzylinder verbunden ist, um wahlweise jedes Paar von ersten Hydraulikzylindern mit einer Hochdruck-Hydraulikleitung oder einer Niederdruck-Hydraulikleitung zu verbinden.
  16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, ferner aufweisend mindestens zwei elektrisch betätigte erste Hydraulikfluidsteuerventile, wobei jedes erste Hydraulikfluidsteuerventil mit genau einem Hydraulikzylinder verbunden ist.
  17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, ferner aufweisend: wenigstens zwei elektrisch betätigte erste Hydraulikfluidsteuerventile, die mit Hydraulikzylindern verbunden sind; einen Zentrumshydraulikzylinder, der fluchtend zu der Mittelachse des Verbrennungszylinders ausgerichtet ist; und einen Zentrumshydraulikstößel, der mit der zweiten Fläche des Verbrennungskolbens verbunden ist und in dem Zentrumshydraulikzylinder angeordnet ist; wobei eines der elektrisch betätigten ersten Hydraulikfluidsteuerventile mit dem Zentrumshydraulikzylinder verbunden ist, um wahlweise den Zentrumshydraulikzylinder mit einer Hochdruck-Hydraulikleitung unabhängig von dem ersten Hydraulikzylinder zu verbinden.
  18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, wobei der Zentrumshydraulikstößel zwei gegenüberliegende Hydrauliksteuerflächen bereitstellt, die es dem Zentrumshydraulikstößel ermöglichen, den Verbrennungskolben entlang der Mittelachse zu schieben und zu ziehen.
  19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, ferner aufweisend einen Verbrennungskolben-Positionssensor, um die Position des Verbrennungskolbens innerhalb des Verbrennungszylinders zu erfassen, und eine Steuerung, die mit dem Positionssensor und dem wenigstens einen elektrisch betätigten ersten Hydraulikfluidsteuerventil verbunden ist, um wahlweise elektrische Signale den ersten Hydraulikfluidsteuerventilen in Erwiderung auf den Sensor bereitzustellen und dadurch die ersten Hydraulikzylinder mit der Hochdruck-Hydraulikleitung zu verbinden und eine variable und reversible Kraft auf den Verbrennungskolben bereitzustellen, und um eine elektronische Steuerung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung und den Einlass- und Auslassventilen bereitzustellen.
  20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, die eine Vielzahl von Brennkraftmaschinen aufweist, die einen Mehrzylindermotor bilden.
  21. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, ferner aufweisend: eine Luftschiene; wenigstens einen Kompressionszylinder mit einem Kompressionskolben in dem Kompressionszylinder, der eine Kompressionskammer oberhalb einer ersten Fläche des Kompressionskolbens definiert; ein elektronisch gesteuertes Einlassventil, das mit der Kompressionskammer verbunden ist; wenigstens ein Paar von zweiten Hydraulikzylindern, wobei die zweiten Hydraulikzylinder von jedem Paar der zweiten Hydraulikzylinder auf gegenüberliegenden Seiten eines Durchmessers des Kompressionszylinders äquidistant von einer Mittelachse des Kompressionszylinders angeordnet sind; eine Vielzahl von zweiten Hydraulikstößeln, wobei die Vielzahl von zweiten Hydraulikstößeln innerhalb eines der zweiten Hydraulikzylinder und in Bezug auf eine zweite Fläche des Kompressionskolbens angeordnet sind, um zu bewirken, dass der Kompressionskolben sich hin und her bewegt; und wenigstens eine elektrisch betätigtes zweites Hydraulikfluidsteuerventil, das mit den zweiten Hydraulikzylindern verbunden ist, um wahlweise jedes Paar von zweiten Hydraulikzylindern mit einer Hochdruck-Hydraulikleitung oder einer Niederdruck-Hydraulikleitung zu verbinden; wobei jeder Verbrennungszylinder ein elektronisch gesteuertes Lufteinspritzventil aufweist, um Luft, die durch den Kompressionszylinder komprimiert ist, in jeden Verbrennungszylinder einzuspritzen.
  22. Brennkraftmaschine nach 15, ferner für jeden Verbrennungszylinder aufweisend: eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die eingerichtet ist, um Kraftstoff in den Brennraum einzuspritzen; elektronisch gesteuerte Einlass- und Auslassventile, die mit der Brennkammer verbunden sind.
  23. Brennkraftmaschine nach 15, ferner aufweisend: einen Antriebszylinder; einen Antriebskolben, der innerhalb des Antriebszylinders entlang einer Mittelachse des Antriebszylinders gleitet; eine Kurbelwelle, die mit einer ersten Seite des Antriebskolbens durch eine Verbindungsstange verbunden ist; wenigstens ein Paar von dritten Hydraulikzylindern, wobei die dritten Hydraulikzylinder von jedem Paar der dritten Hydraulikzylinder auf gegenüberliegenden Seiten eines Durchmessers des Antriebszylinders äquidistant von einer Mittelachse des Antriebszylinders angeordnet sind; eine Vielzahl von dritten Hydraulikstößeln, wobei jeder der Vielzahl von dritten Hydraulikstößel innerhalb eines der dritten Hydraulikzylinder angeordnet ist, um gegen eine zweite Seite des Antriebskolbens gegenüberliegend zu der ersten Seite zu drücken; und wenigstens ein elektrisch betätigtes drittes Hydraulikfluidsteuerventil, das mit den dritten Hydraulikzylindern verbunden ist, um wahlweise jedes Paar der dritten Hydraulikzylinder mit einer Hochdruck-Hydraulikleitung oder einer Niederdruck-Hydraulikleitung zu verbinden, wobei die zweite Vielzahl von Hydraulikstößeln den Antriebskolben bewegt und bewirkt, dass sich die Kurbelwelle dreht.
  24. Brennkraftmaschine, aufweisend: einen Verbrennungszylinder; einen Verbrennungskolben in dem Verbrennungszylinder, der eine Brennkammer oberhalb einer ersten Fläche des Verbrennungskolbens definiert, wobei die Bewegung des Verbrennungskolbens nicht mechanisch gebunden ist, um sich gleichzeitig mit einem anderen Verbrennungs- oder Kompressionskolben in der Brennkraftmaschine zu bewegen; wenigstens ein Paar von ersten Hydraulikzylindern, wobei die ersten Hydraulikzylinder von jedem Paar von ersten Hydraulikzylindern auf gegenüberliegenden Seiten eines Durchmessers des Verbrennungszylinders äquidistant von einer Längsachse des Verbrennungszylinders angeordnet sind; eine Vielzahl von ersten Hydraulikstößeln, wobei jeder der Vielzahl von ersten Hydraulikstößeln innerhalb eines von den ersten Hydraulikzylindern und in Bezug auf eine zweite Fläche des Verbrennungskolben angeordnet ist, um sich mit dem Verbrennungskolben hin und her zu bewegen; wenigstens zwei elektrisch betätigte erste Hydraulikfluid-Steuerventile, die mit wenigstens einem der ersten Hydraulikzylinder verbunden sind, um wahlweise jedes Paar von ersten Hydraulikzylindern mit einer Hochdruck-Hydraulikleitung oder einer Niederdruck-Hydraulikleitung zu verbinden; einen Zentrumshydraulikzylinder, der fluchtend zu der Mittelachse des Verbrennungszylinders ausgerichtet ist; und einen Zentrumshydraulikstößel, der mit der zweiten Fläche des Verbrennungskolbens verbunden ist und in dem Zentrumshydraulikzylinder angeordnet ist, wobei der Zentrumshydraulikstößel zwei gegenüberliegende Hydrauliksteuerflächen bereitstellt, die es dem Hydraulikstößel ermöglichen, den Verbrennungskolben entlang der Mittelachse zu drücken und zu ziehen; wobei eines der elektrisch betätigten ersten Hydraulikfluidsteuerventile mit dem Zentrumshydraulikzylinder verbunden ist, um wahlweise den Zentrumshydraulikzylinder mit einer Hochdruck-Hydraulikleitung unabhängig von dem ersten Hydraulikzylinder zu verbinden; einen Verbrennungskolben-Positionssensor, um die Position des Verbrennungskolbens innerhalb des Verbrennungszylinders zu erfassen; eine Steuerung, die mit dem Positionssensor und dem wenigstens einen elektrisch betätigten ersten Hydraulikfluidsteuerventil verbunden ist, um wahlweise elektrische Signale den ersten Hydraulikfluidsteuerventilen in Erwiderung auf den Sensor bereitzustellen und dadurch die ersten Hydraulikzylinder mit der Hochdruck-Hydraulikleitung zu verbinden und eine variable und reversible Kraft auf den Verbrennungskolben bereitzustellen, und um eine elektronische Steuerung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung und der Einlass- und Auslassventile bereitzustellen; eine Luftschiene; wenigstens einen Kompressionszylinder mit einem Kompressionskolben im Kompressionszylinder, der eine Kompressionskammer oberhalb einer ersten Fläche des Kompressionskolbens definiert; ein elektronisch gesteuertes Einlassventil, das mit der Kompressionskammer verbunden ist; wenigstens ein Paar von zweiten Hydraulikzylindern, wobei die zweiten Hydraulikzylinder von jedem Paar der zweiten Hydraulikzylinder auf gegenüberliegenden Seiten eines Durchmessers des Kompressionszylinders äquidistant von einer Mittelachse des Kompressionszylinders angeordnet sind; eine Vielzahl von zweiten Hydraulikstößeln, wobei die Vielzahl von zweiten Hydraulikstößeln innerhalb eines der zweiten Hydraulikzylinder und in Bezug auf eine zweite Fläche des Kompressionskolbens angeordnet sind, um zu bewirken, dass der Kompressionskolben sich hin und her bewegt; und wenigstens ein elektrisch betätigtes zweites Hydraulikfluidsteuerventil, das mit den zweiten Hydraulikzylindern verbunden ist, um wahlweise jedes Paar von zweiten Hydraulikzylindern mit einer Hochdruck-Hydraulikleitung oder einer Niederdruck-Hydraulikleitung zu verbinden; wobei jeder Verbrennungszylinder ein elektronisch gesteuertes Lufteinspritzventil aufweist, um Luft, die durch den Kompressionszylinder komprimiert ist, in jeden Verbrennungszylinder einzuspritzen.
  25. Brennkraftmaschine nach Anspruch 24, ferner aufweisend: eine elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die eingerichtet ist, um Kraftstoff in den Brennraum einzuspritzen; elektronisch gesteuerte Einlass- und Auslassventile, die mit der Brennkammer verbunden sind.
  26. Brennkraftmaschine nach Anspruch 24, ferner aufweisend: einen Antriebszylinder; einen Antriebskolben, der innerhalb des Antriebszylinders entlang einer Mittelachse des Antriebszylinders gleitet; eine Kurbelwelle, die mit einer ersten Seite des Antriebskolbens durch eine Verbindungsstange verbunden ist; wenigstens ein Paar von dritten Hydraulikzylindern, wobei die dritten Hydraulikzylinder von jedem Paar der dritten Hydraulikzylinder auf gegenüberliegenden Seiten eines Durchmessers des Antriebszylinders äquidistant von einer Mittelachse des Antriebszylinders angeordnet sind; eine Vielzahl von dritten Hydraulikstößeln, wobei jeder der Vielzahl von dritten Hydraulikstößel innerhalb eines der dritten Hydraulikzylinder angeordnet ist, um gegen eine zweite Seite des Antriebskolbens gegenüberliegend zu der ersten Seite zu drücken; und wenigstens ein elektrisch betätigtes drittes Hydraulikfluidsteuerventil, das mit den dritten Hydraulikzylindern verbunden ist, um wahlweise jedes Paar der dritten Hydraulikzylinder mit einer Hochdruck-Hydraulikleitung oder einer Niederdruck-Hydraulikleitung zu verbinden, wobei die zweite Vielzahl von Hydraulikstößeln den Antriebskolben bewegt und bewirkt, dass sich die Kurbelwelle dreht.
  27. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, aufweisend: Bereitstellen eines Verbrennungszylinders mit einem Verbrennungskolben in dem Verbrennungszylinder, der eine Brennkammer oberhalb einer ersten Fläche des Verbrennungskolbens definiert, wobei die Bewegung des Verbrennungskolbens nicht mechanisch gebunden ist, um sich gleichzeitig mit einem anderen Verbrennungs- oder Kompressionskolben in der Brennkraftmaschine zu bewegen; selektives Betreiben wenigstens eines elektrisch betätigten ersten Hydraulikfluid-Steuerventils, um wahlweise Hochdruck- oder Niederdruck-Hydraulikfluid wenigstens einem Paar von ersten Hydraulikzylindern bereitzustellen, das auf eine zweite Fläche des Verbrennungszylinders einwirkt, um den Verbrennungskolben zu veranlassen, den Inhalt der Brennkammer in einem Kompressionshub zu verdichten, wobei jedes Paar von ersten Hydraulikzylindern einen ersten Hydraulikstößel aufweist, wobei jedes Paar von ersten Hydraulikzylindern im Wesentlichen im Durchmesser gleich ist und auf einem Durchmesser des Verbrennungszylinders angeordnet ist, der gleichmäßig und gegenüberliegend beabstandet von einem Zentrum des Verbrennungszylinders ist, und wobei jedes der Vielzahl der ersten Hydraulikfluidsteuerventile mit wenigstens einem der ersten Hydraulikzylinder verbunden ist, um wahlweise die ersten Hydraulikzylinder in diametral gegenüberliegenden Paaren der Hochdruck-Hydraulikleitung unabhängig von den übrigen ersten Hydraulikzylinder zu verbinden; der Brennkammer Brennstoff und Luft wenigstens zu dem Zeitpunkt bereitstellen, zu dem der Inhalt der Brennkammer komprimiert und zum Zünden bereit ist; und selektives Betreiben der Vielzahl der ersten Hydraulikfluidsteuerventile, um Hochdruck-Hydraulikfluid von diametral gegenüberliegenden Paaren der Vielzahl von ersten Hydraulikzylindern aufzunehmen, die mit dem Verbrennungskolben während eines Arbeitstaktes, welcher der Zündung des Kraftstoffes folgt, verbunden sind; wobei die Vielzahl von elektrisch betätigten ersten Hydraulikfluidsteuerventilen betrieben wird, um die Verbrennungskolbengeschwindigkeit und Grenzen der Bewegung während des Kompressions- und Arbeitshubs zu steuern.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, ferner aufweisend ein Zuführen von Hochdruck-Hydraulikfluid zu einer oberen Fläche eines Hydraulikzylinders, um einen Hydraulikstößel, der mit dem Verbrennungskolben verbunden ist, zu veranlassen, den Verbrennungskolben in Richtung einer unteren Totpunktposition zu bewegen.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, ferner aufweisend ein selektives Betreiben einer der Vielzahl von elektrisch betätigten ersten Hydraulikfluidsteuerventilen, um Hochdruck-Hydraulikfluid der oberen Fläche eines Zentrumshydraulikzylinders, der entlang der Mittelachse des Verbrennungszylinders angeordnet ist, bereitzustellen.
  30. Verfahren nach Anspruch 29, ferner aufweisend ein selektives Betreiben einer der Vielzahl von elektrisch betätigten ersten Hydraulikfluidsteuerventilen, um Hochdruck-Hydraulikfluid einer unteren Fläche von wenigstens einem der Hydraulikzylinder zuzuführen, um zu bewirken, dass der Verbrennungskolben einen Verdichtungshub ausführt.
  31. Verfahren nach Anspruch 27, ferner aufweisend ein selektives Betreiben der Vielzahl von elektrisch betätigten ersten Hydraulikfluidregelventilen in Reaktion auf einen Sensor, der mit dem Verbrennungszylinder gekoppelt ist, um eine Betriebsbedingung des Verbrennungszylinders zu erfassen.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Sensor die Position des Verbrennungskolbens erfasst.
  33. Verfahren nach Anspruch 27, ferner aufweisend ein Einbringen von Kraftstoff in die Brennkammer zu Beginn oder vor dem Kompressionshub.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei nur Luft und kein Kraftstoff in den Verbrennungszylinder während der Verbrennung in dem Arbeitshub eingespritzt wird.
  35. Verfahren nach Anspruch 27, ferner aufweisend ein Einspritzen von Luft in den Verbrennungszylinder während der Verbrennung in dem Arbeitshub.
  36. Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Brennstoff Ammoniak ist.
  37. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Brennstoff Ammoniak ist.
  38. Verfahren nach Anspruch 27, ferner aufweisend: selektives Betreiben einer Vielzahl von elektrisch betätigten zweiten Hydraulikfluidsteuerventilen, um ein Hochdruck-Hydraulikfluid einer Vielzahl von zweiten Hydraulikzylindern bereitzustellen, wobei jedes Paar der zweiten Hydraulikzylinder im Wesentlichen im Durchmesser gleich ist und auf einem Durchmesser eines Antriebszylinders angeordnet ist, der gleich und gegenüberliegend von einem Zentrum des Antriebszylinders beabstandet ist, wobei jeder zweite Hydraulikzylinder einen zweiten Hydraulikstößel aufweist, der angeordnet ist, um gegen eine erste Seite eines Antriebskolbens innerhalb des Antriebszylinder zu drücken, wobei der zweite Hydraulikstößel den Antriebskolben veranlasst, eine Kurbelwelle zu drehen, die mit einer zweiten Seite des Antriebskolbens gegenüberliegend der ersten Seite durch eine Verbindungsstange verbunden ist, und wobei jedes der Vielzahl von zweiten Hydraulikfluidsteuerventilen mit einem der Vielzahl von zweiten Hydraulikzylindern verbunden ist, um wahlweise die zweiten Hydraulikzylinder mit der Hochdruck-Hydraulikleitung unabhängig von den verbleibenden zweiten Hydraulikzylindern zu verbinden.
  39. Verfahren nach Anspruch 38, ferner aufweisend ein Verbinden der Kurbelwelle, um die Räder eines Fahrzeugs zu drehen.
DE112010004067.2T 2009-10-12 2010-10-12 Hydraulische Brennkraftmaschinen Active DE112010004067B4 (de)

Applications Claiming Priority (11)

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US61/250,784 2009-10-12
US29847910P 2010-01-26 2010-01-26
US61/298,479 2010-01-26
US30040310P 2010-02-01 2010-02-01
US61/300,403 2010-02-01
US32094310P 2010-04-05 2010-04-05
US61/320,943 2010-04-05
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