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Hydraulische Gaswechselsteuerungen haben den Vorteil, dass die zwischen den bewegten Teilen auftretenden Kräfte mittels einer Flüssigkeitssäule übertragen werden. Die Übertragungswege sind deshalb sehr einfach durch Rohre, Schläuche oder Bohrungen zu verwirklichen, die örtlich nahezu beliebig angeordnet und verlegt sein können. Diese Technologie ist im Motorenbau nicht neu. In der Schrift
DE4224988A1 wird eine nockengesteuerte hydraulische Betätigung von Ein- und Auslassventilen in konventionellen Verbrennungsmotoren gezeigt. Die Schrift
DE 10 2004 032 452 A1 zeigt einen Gegenkolbenmotor, dessen Gaswechsel mittels Schiebebüchsen erfolgt und darauf bezugnehmend beschreibt die Schrift
DE 10 2009 053 723 A1 die hydraulische Betätigung solcher Schiebebüchsen mit Hilfe einer Nockensteuerung, welche nicht nur einen bei Gegenkolbenmotoren üblichen Zweitaktbetrieb, sondern auch einen Viertaktbetrieb erlaubt. Der Hauptvorteil eines Gegenkolbenmotors liegt in der Effizienzverbesserung durch die Minderung der Wärmeverluste infolge der geringeren Oberflächen des Brennraums im Verhältnis zu seinem Volumen. Hinzu kommen bei dieser Konstruktion die Vorteile von Schiebebüchsen mit ihren großen Einlass- und Auslass-Querschnitten. Genutzt werden können hydraulisch betätigte Schiebebüchsen im Prinzip auch bei konventioneller Motorbauweise, welche nur eine Kurbelwelle aufweist. Hierbei wird einer der beiden Gegenkolben nur als Verschluss der zweiten gesteuerten Schiebebüchse benutzt, aber selbst nicht zur Leistungserzeugung bewegt, kann jedoch gegebenenfalls zusätzlich durch axiale Verschiebung das komprimierte Volumen ändern und somit für ein variables Verdichtungsverhältnis zur Verfügung stehen.
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Die Entwicklungen auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren erfordern indes nicht nur thermodynamische Verbesserungen, sondern insbesondere bei Anwendung mit stark wechselnden Leistungsanforderungen, beispielsweise bei Fahrzeugen mit relativ kurzzeitigem Volllastbetrieb, weitere Anstrengungen zur Minderung des Kraftstoffverbrauches. Ein Motor, der für eine hohe Leistung ausgelegt ist, aber im Normalbetrieb überwiegend nur mit einem Bruchteil dieser Leistung betrieben wird, ist damit für einen weiten Bereich seines Betriebes überdimensioniert. Als Nachteil resultieren daraus unnötig hohe Verluste an Gasarbeit, Reibung und Wärme. Eine bekannte Maßnahme zur Verringerung solcher Verluste im Teillastbetrieb ist das Abschalten von allen überflüssigen Zylindern, die für die bestehende Leistungsanforderung gerade nicht benötigt werden. Hierbei werden die deaktivierten Zylinder aber in der Regel nicht wirklich abgeschaltet, sondern nur deren Gaswechsel unterbunden. Bei einer weiteren bekannten Variante wird der Motor verkleinert und die nun fehlende Motorleistung für einen zeitweisen Bedarf aus einem externen Energiespeicher entnommen. Dieser wird entweder vom Motor selbst gespeist wird in der Zeit, in welcher die volle Leistung für den Antrieb nicht erforderlich ist, und/oder es wird bereits verbrauchte Energie wiedergewonnen und abgespeichert, beispielweise beim Bremsen oder bei Bergabfahrt. Praktische Beispiele hierfür sind KERS, Hybrid-Antrieb, Range Extender.
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Hier setzt nun die Erfindung ein, die sich die Aufgabe gestellt hat, weitere Vorteile für Verbrennungsmotoren – insbesondere im Teillastbereich – zu entwickeln unter Ausnutzung der technischen Freiheiten, die hydraulisch gesteuerte Gaswechselorgane bieten.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass anstelle einer Reduzierung der Zylinderzahl eine Reduzierung der Anzahl von Arbeitstakten vorgenommen wird. Dies erfordert eine Steuerung der zeitliche Abfolge der Druckverteilung aus einem Druckspeicher auf die hydraulischen Öffnungsmechanismen der Gaswechselorgane, was sowohl durch eine nockenlose rein mechanische Lösung erfolgen kann, als auch elektronisch gesteuert mit Hilfe von Magnetventilen. Aus dem Bereich der Kraftstoffeinspritzung ist eine ähnliche Technik unter dem Begriff Common Rail bekannt, bei welcher ein flüssiger Energieträger aus einem Druckbehälter mit Hilfe elektronisch angesteuerter Ventile auf die Einspritzdüsen eines Motors verteilt wird. Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung aber das Hydraulikmedium nicht verbraucht, sondern wieder in den Kreislauf zurückgeführt. Versuche haben gezeigt, dass es besonders einfach ist, als Hydraulikmedium das ohnehin im Motor vorhandene Schmieröl zu verwenden. Die oft unvermeidbaren geringfügigen Leckagen der bewegten Teile der Hydraulikkomponenten innerhalb des Motors erfordern deshalb keine aufwändigen Maßnahmen zur Abdichtung.
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Die Öffnungs- und Schließhübe der hydraulischen Gaswechselorgane sind bei der vorliegenden Erfindung nicht wie bei herkömmlichen Motoren von Nockenerhebungskurven abhängig, sondern lassen sich in ihrer Funktion prinzipiell verwirklichen wie Schaltungen von Hydraulik- oder Pneumatik-Zylindern, die über mechanische oder elektrische Ventile angesteuert sind. Wird der Kolben in solchen Zylindern mit Druck beaufschlagt, so führt er einen Hub aus. Der Rückhub kann mittels eines zweiten oder doppeltwirkenden Zylinders erfolgen, oder auch durch eine andere Kraft, beispielsweise einer Feder. Bei den in der nachfolgenden Bildbeschreibung gezeigten Ausführungsbeispielen bewirkt die Druckbeaufschlagung eines der hydraulischen Aktuatoren für die Gaswechselorgane dessen Öffnungshub und erreicht an einem gegebenen Anschlag seine Endlage für die Öffnung. Der Aktuator hält in dieser Stellung offen, solange der Druck ansteht. Wird der Aktuator druckentlastet, wird das entsprechende Gaswechselorgan durch Federkraft wieder geschlossen und erreicht beim Anschlag auf den Dichtsitz des Gaswechselorgans seine Endlage für das Schließen. Dadurch wird die Ansteuerung nur mit den zwei Schaltzuständen „Ein” und „Aus” sehr einfach.
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Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Mit ihr lassen sich nicht nur beliebige Steuerzeiten, sonder auch optimale Zeitquerschnitte der ein- und ausströmenden Gase erzielen. Der Öffnungs- und Schließverlauf ergibt eine trapezförmige Erhebungskurve, im Gegensatz zu herkömmlichen Ein- und Auslassventilen, die einen sinusförmigen Verlauf der Erhebung zeigen, deren als Zeitquerschnitt definierte integrierte Fläche wesentlich kleiner ist. Die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit der erfindungsgemäß nockenlosen Gaswechselsteuerung hängt nur von den bewegten Massen, vom Querschnitt und Widerstand in den Hydraulikwegen, der Federcharakteristik und vom Druck im Hydraulikmedium ab, der ebenfalls regelbar sein kann, z. B. in Abhängigkeit von der Drehzahl. Eine integrierte Endlagendämpfung ist ebenfalls realisierbar, sofern ein zu harter Aufprall an den Anschlägen vermieden werden muss.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, durch die frei wählbaren Gaswechselzyklen während des Motorlaufes die erforderliche Abfolge von Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausschieben im motorischen Kreisprozess zu verkürzen oder zu verlängern, beispielsweise einen Arbeitszyklus auf zwei oder vier Motorumdrehungen zu verteilen, also zwischen Zwei- und Viertaktverfahren hin und her zu schalten. Es ist auch möglich, diesem Ablauf noch weitere Takte einzufügen, die nicht zum eigentlichen motorischen Kreisprozess gehören. Das können Leertakte sein, die beispielsweise den zwei Umdrehungen eines Viertaktzyklus weitere Umdrehungen ohne Zündung hinzufügen und zwar mit oder ohne ein Öffnen der Gaswechselorgane. Je nach Steuerung kann man mit diesen Leertakten die Wirkung einer Zylinderabschaltung – im Gegensatz zu herkömmlicher Zylinderabschaltung bereits ab einem Zylinder – erzielen, oder die einer Gaspumpe. Die Pumparbeit der Leerhübe kann beispielsweise genutzt werden um Luft oder Abgase wieder dem Einlass zuzuführen oder in einen Druckbehälter zu pumpen, wo sie bei Bedarf zur Aufladung oder Abgasrückführung dient. Das Prinzip ermöglicht ein starkes Druckgefälles zwischen Auslass und Einlass und damit eine sehr hohe Abgasrückführungsrate. Es ist auch möglich, nur ausschließlich Pumphübe auszuführen, also ein 0-Takt-Verfahren ohne Arbeitshübe zu realisieren, um bei Bergabfahrt oder Bremsen möglichst viel Energie zurückzugewinnen und im Druckbehälter zu speichern, was auch mit der Funktion einer Motorbremse kombiniert werden kann, oder mit einer Turbo Compound Lösung. Da hier der Verbrennungsmotor selbst als Pumpe für die Füllung des Druckspeichers dient, kann sogar im befeuerten Betrieb das Abgas zum Druckaufbau im Druckspeicher beitragen, um möglichst viel Energie für den alleinigen zeitweisen Antrieb des Motors durch das gespeicherte unter Druck stehende Gas zur Verfügung zu haben.
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Die Umsetzung der erfindungsgemäßen Gaswechselsteuerung muss mit einer entsprechenden Steuerung der Kraftstoffeinbringung und Zündung einhergehen. Am einfachsten ist es bei Benzinmotoren, deren Zündkerze bei jeder Umdrehung einen Zündfunken abgibt, unschädlich bei Leerhüben und unabhängig davon ob es etwas zu zünden gibt. Bei elektronischer Steuerung kann die Zündung so programmiert werden, dass sie nur für den Arbeitshub aktiv ist. Bei Dieselmotoren ist eine Common Rail Lösung zweckmäßig. Hier gibt es bereits Steuergeräte für die Einspritzregelung, die leicht mit einem Steuergerät für den Gaswechsel kombiniert werden können. Aber auch eine rein mechanische Lösung ist durchaus möglich und in den nachfolgenden Bildbeschreibungen erläutert.
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Die Ausführungsbeispiele zeigen Lösungen, die praxisnahe sind und bereits an einem Prototyp-Dieselmotor realisiert wurden oder in dessen Weiterentwicklung noch umgesetzt werden sollen.
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Bildbeschreibungen
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1 zeigt den Querschnitt eines Einzylinder-Gegenkolbenmotors mit gesteuertem Gaswechsel durch Schiebebüchsen. Die beiden gegenüber liegenden Kurbelwellen 1 und 2 bewegen über die Pleuel 3 und 4 die Kolben 5 und 6. Diese laufen in Zylinderbüchsen, welche in den Gehäusehälften 7 und 8 verschiebbar gelagert sind. Die Schiebebüchse 21 – hier als Einlass-Schiebebüchse angenommen – ist im geöffneten Zustand gezeigt, wobei sie den Gasfluss zum Zylinder vom Ansaugrohr 25 über den Einlasskanal 23 freigibt, während die geschlossene Schiebebüchse 22 – hier als Auslass-Schiebebüchse angenommen – den Gasfluss aus dem Zylinder in den Auslasskanal 24 zum Auspuffrohr 26 unterbindet. Die beiden Kurbelwellen 1 und 2 sind durch ein Rädergetriebe 9 synchronisiert, dessen mittleres Rad mit halber Kurbelwellendrehzahl läuft und eine Verteilerwelle 11 antreibt, die in dem Verteilergehäuse 10 gelagert ist. Die auch von dieser Verteilerwelle angetriebenen Einspritzpumpen 30 führen den Kraftstoff einer oder mehreren Einspritzdüsen 31 zu.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem in 1 beschriebenen Querschnitt. Die beiden Kolben 5 und 6 stehen im oberen Totpunkt. Die Schiebebüchse 21 ist geöffnet, die Schiebebüchse 22 geschlossen. Die Steuerung der Schiebebüchsen erfolgt durch hydraulische Aktuatoren in Form von Kolben 19 und 20, welche im Kreis um die Schiebebüchsen herum angeordnet sind und an ihrem freien Ende einen Kragen aufweisen, der in eine Nut 27 bzw. 28 der jeweiligen Schiebebüchse eingreift. Diese hydraulischen Kolben sind federbelastet, so dass die Schiebebüchsen auf ihren Dichtsitz gedrückt werden, solange kein hydraulischer Druck auf die hydraulischen Kolben 19 und 20 ausgeübt wird. Das geschieht über die im Verteilergehäuse 10 gelagerte Verteilerwelle 11, die eine mit einem Druckbehäher verbundene Druckölbohrung 55 aufweist über die das Hydraulikmedium über einen Schlitz in der Verteilerhülse 12 auf die Bohrung 13 oder 14 im Verteilergehäuse 10 verteilt wird und von dort über die Leitung 15 oder 16, in die Bohrung 32 oder 33 in die jeweiligen Zylinderhälfte 7 oder 8 und den um den Zylinder herum verlaufenden ringförmigen Druckkanal 17 oder 18 bis hin zum Druckraum 34 oder 35 vor den hydraulischen Kolben 19 oder 20 geführt wird. Diese werden dann gegen die Federkraft der Federn 29 und 30 zurückgedrückt, nehmen so die Schiebebüchse mit und bewirken damit deren Öffnen, wie im Bild für die Schiebebüchse 21 dargestellt. Zum Schließen der Schiebebüchse nimmt das Hydraulikmedium den gleichen Weg zurück bis zur Verteilerwelle 11, wo über einen zweiten Verteilerschlitz das Hydraulikmedium in die Entlastungsbohrung 64 geführt wird, von wo es wieder in den Druckbehälter zurückgepumpt wird.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch das Verteilergehäuse 10, die Verteilerwelle 11 und die Verteilerhülse 12. Die Verteilerwelle weist hier 2 Nocken 44 und 45 auf die zueinander um 180 Grad versetzt sind und der Kraftstoffeinspritzung dienen. Sie betätigen je eine voneinander unabhängig regelbare Einspritzpumpe 30a und 30b. Im Viertaktbetrieb übernimmt nur eine der beiden Pumpen die Kraftstoff-Förderung, so dass eine Einspritzung pro Verteilerwellenumdrehung erfolgt, während bei Umschaltung in den Zweitaktbetrieb das zweite Einspritzelement um eine Kurbelwellenumdrehung versetzt zur Förderung hinzu geschaltet wird und auf diese Weise zweimal pro Verteilerwellenumdrehung eingespritzt wird. Wird die Einspritzung durch Common Rail realisiert, entfallen Nocken und Einspritzpumpen.
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Die Umschaltung der Gaswechsel-Steuerzeiten erfolgt mittels der auf der Verteilerwelle 11 längs verschiebbaren Verteilerhülse 12. Um deren Mitdrehen zu verhindern weist sie eine Nut auf, in die ein Führungsstift 14 eingreift. Die Verteilerhülse 12 hat längsversetzte Bohrungen oder Schlitze 49, 50, 51 und 52. Das unter Druck stehende Hydraulikmedium wird über eine Bohrung 48 im Verteilergehäuse 10 über die Bohrung 55 der sich drehenden Verteilerwelle den auf dem Umfang angebrachten Zu- und Abführungs-Verteilerschlitzen 62 und 63 zugeführt, von wo aus es je nach Abfolge der Steuerzeiten über die Öffnungen in der Verteilerhülse in die Bohrung 13 für die Betätigung der Einlass-Schiebebüchse, oder in die Bohrung 46 für die Betätigung der Auslass-Schiebebüchse gelangt. In diesem Bild ist die Stellung der Verteilerhülse 12 in ihrer rechten Endstellung für den Viertaktbetrieb dargestellt. Das unter Druck stehende Hydraulikmedium wird über einen durch die Länge der Schlitze 49 und 50 vorgegebenen Drehwinkel je nach Überschneidung mit der Rotationsstellung der Verteilerschlitze 62 und 63 auf die Bohrung 13 oder die Bohrung 46 verteilt, von wo es die Ein- oder Auslass-Schiebebüchsen öffnet. Zum Schließen nimmt es den gleichem Weg zurück bis zur Verteilerwelle, wo es schließlich über die Entlastungsbohrung 64 und die Anschlussbohrung 47 in den Kreislauf zurückgeführt wird.
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4 zeigt den gleichen Querschnitt wie 3, jedoch ist in diesem Bild die Stellung der Verteilerhülse 12 in ihrer linken Endstellung für den Zweitaktbetrieb dargestellt. Das unter Druck stehende Hydraulikmedium wird über einen durch die Schlitze 51 und 52 vorgegebenen Drehwinkel je nach Überschneidung mit der Rotationsstellung der Verteilerschlitze 53 und 54 auf die Bohrung 13 und die Bohrung 46 verteilt, von wo es wie vorbeschrieben die Ein- und Auslass-Schiebebüchsen betätigt und auf gleichem Wege bei entsprechender Schlitzüberdeckung auch wieder entlastet in die Bohrung 64.
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5 zeigt zur Verdeutlichung eine Draufsicht der Verteilerwelle 11 und der Verteilerbohrung 54, deren in Drehrichtung liegende Vorder- oder Hinterkante auch schräg ausgeführt sein kann. Das führt, je nach Schiebeposition der Verteilerhülse 12 zu unterschiedlicher Überschneidung mit deren Bohrung 52, so dass beispielsweise eine Variierung des Zeitpunktes von „Auslass-Öffnen” – ohne Änderung von „Auslass Schließt” – oder von „Einlass-Schließt” – ohne Änderung von „Einlass Öffnen” – auch bei laufendem Motor möglich ist und damit eine variable Steuerzeit erreicht wird.
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6 zeigt einen detaillierten Ausschnitt der Gehäusehälfte 7 im Bereich des Hydraulikkolbens 20, der hier in seiner drucklosen Endlage dargestellt ist, in welcher die Gaswechselorgane geschlossen sind. Wird das Druckmedium durch die Zulaufbohrung 33 in den Ringkanal 18 und in den Druckraum 35 gedrückt, wird auf den Hydraulikkolben 20 eine Kraft ausgeübt, welche diesen gegen die Kraft der sich auf den Flansch 41 abstützenden Feder 30 verschiebt und dabei mit seinem Kragen, der in eine Nut 28 der Schiebebüchse 22 eingreift, seinen Hub auf diese überträgt, bis der Hydraulikkolben seine Endlage mittels Anschlag am Flansch 41 erreicht hat. Wird der Druckraum 35 entlastet, schiebt die Feder 30 den Hydraulikkolben 20 wieder bis zum Anschlag der Schiebebüchse 22 auf ihrem Sitz zurück, wie in dieser Figur dargestellt.
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7 zeigt den gleichen Schnitt wie 6, jedoch ist hier der Hydraulikkolben 20 druckbeaufschlagt in seiner Endlage des Öffnungshubes dargestellt, in welcher er am Flansch 41 anschlägt.
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8 zeigt den gleichen Schnitt wie die beiden vorhergehenden Fig. in Vergrößerung, jedoch ist hier zusätzlich eine Endlagendämpfung des Hydraulikkolbens 20 vorgesehen, jeweils am Ende des durch hydraulische Kraft bewirkten Öffnungshubes oder des durch die Feder 30 bewirkten Schließhubes. Der mit dem Hydraulikkolben 20 fest verbundene Dämpfungskolben 37 ist mit zwei Rückschlagventilen 36 und 42 ausgerüstet und er weist einen Bereich mit Nuten 38 auf, der mit seiner Endkante 65 nicht ganz bis in den Druckraum 35 hineinreicht, so dass in einer kurzen Überschneidungszone keine direkte Verbindung zwischen Ringkanal 18 und Druckraum 35 hergestellt ist. Wird nun im Ringkanal 18 ein Druck aufgebaut, gelangt dieser über diese Nuten 38, das Rückschlagventil 37 und die Bohrung 40 in den Druckraum 35 und bewirkt so die Öffnungsbewegung des Hydraulikkolbens 20 und damit auch die der Schiebebüchse 22. Nach Überwindung der kurzen Überschneidungszone gelangt das Druckmedium jetzt auch auf direktem Wege mittels der Nuten 38 in den Druckraum und bewegt den Hydraulikkolben 20 bis zum Anschlag weiter. Durch das Überdruckventil 42 kann dabei kein Rückfluss stattfinden, solange im Ringkanal 18 noch Druck ansteht. Wird der Ringkanal 18 druckentlastet, beginnt der durch die Feder 30 initiierte Rückweg dieses Hydraulikkolbens 20 mitsamt der Schiebebüchse 22, wobei das Hydraulikmedium zurück in den Ringkanal 18 und über die Bohrung 33 wieder abgeführt wird. Kurz vor dem Anschlag der Schiebebüchse 22 auf ihrem Sitz verschließt der Dämpfungskolben mit seiner Nuten-Endkante 65 den Rückfluss des Hydraulikmediums und schließt dieses im Druckraum 35 ein, so dass ein Stopp der Schließbewegung eintritt. Die Aufsetzgeschwindigkeit der Schiebebüchse 22 wird nun ausschließlich bestimmt durch die Leckage auf der Strecke der Überschneidung und kann durch das Spiel des Dämpfungskolbens 37 oder durch eine Abflachung auf diesem beispielweise auf eine übliche Schließgeschwindigkeit von 0,4 m/s eingestellt werden.
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9 zeigt den gleichen Schnitt wie 8, jedoch ist hier der druckbeaufschlagte Hydraulikkolben 20 in seiner Endlage des Öffnungshubes angekommen, in welcher er am Flansch 41 anschlägt. Kurz vor diesem Anschlag wird die Hubgeschwindigkeit gebremst, weil die Verbindung zwischen Ringkanal 18 und Druckraum 35 mittels der Nuten-Endkante 66 unterbrochen wird, so dass kein weiterer Druckaufbau mehr erfolgen kann, welcher den Hydraulikkolben mit zu großer Geschwindigkeit gegen den Flansch 41 aufprallen lassen könnte. Auch hier richtet sich die weitere Hubgeschwindigkeit je nach Leckage in der Überschneidungsstrecke zwischen Endkante 66 und Rinkanal 18. Wird anschließend der Ringkanal 18 druckentlastet kann der Hydraulikkolben 20 wieder den Rückhub mit Hilfe der Feder 30 beginnen. In diesem Augenblick wird das Rückschlagventil 42 überdruckt und über die Bohrung 43 kann das Hydraulikmedium aus dem Druckraum 35 zurückfließen in den Ringkanal 18, solange, bis die Endkante 66 wieder in den Ringkanal 18 eintaucht und das Hydraulikmedium auf direktem Wege zurückfließen kann.
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10 zeigt in tabellarischer Form am Beispiel die bereits in 3 und 4 erläuterte Funktion der Verteilung des Druckes auf die zu bewegenden Schiebebüchsen für Auslass EX und Einlass IN in Abhängigkeit vom Drehwinkel der mit halber Drehzahl der Kurbelwelle laufenden Verteilerwelle 11 und in Abhängigkeit von der Schaltstellung Viertakt 4-S oder Zweitakt 2-S der Verteilerhülse 12. Für die verschiedenen Drehwinkel der Verteilerwelle 11 ist jeweils die Druckverteilung von der Zulaufbohrung 55 über die Verteilerschlitze zum Anschluss 13 für die Auslass-Schiebebüchse EX und zum Anschluss 14 für die Einlass-Schiebebüchse IN gezeigt. Die Tabelle sagt folgendes aus:
- a) In der Stellung Null Grad Drehwinkel der Verteilerwelle befänden sich hier angenommen die Kolben im oberen Totpunkt TDC. Im Viertaktbetrieb beginnt hier der erste Takt (Expansion) ebenso wie für den Zweitaktbetrieb (Expansion und Auslassen). Weder der Anschluss 13 für EX, noch der Anschluss 14 für IN ist in dieser Stellung mit Druck versorgt, sondern diese sind mit der Ablaufbohrung 64 verbunden und entlastet, so dass Einlass und Auslass geschlossen sind, unabhängig davon, ob der Viertakt- oder der Zweitaktbetrieb eingeschaltet ist.
- b) In der Stellung 90 Grad Drehwinkel der Verteilerwelle befinden sich nun die Kolben im unteren Totpunkt BDC. Ist der Viertaktbetrieb eingeschaltet, beginnt hier der 2. Takt (Ausschieben). Der Anschluss 13 wurde bereits etwa 60 Grad Kurbelwinkel vor BDC mit der Druck-Zulaufbohrung 55 verbunden und dadurch EX geöffnet, während IN weiterhin geschlossen ist. Ist der Zweitaktbetrieb eingeschaltet, beginnt hier ebenfalls der zweite Takt (Einlassen und Verdichten). In dieser Stellung ist EX bereits etwa 70 Grad Kurbelwinkel vor BDC geöffnet worden und bleibt noch etwa 30 Grad geöffnet, während IN gerade 10 Grad Kurbelwinkel vor BDC geöffnet hat und noch etwa 90 Grad geöffnet bleibt.
- c) In der Stellung 180 Grad Drehwinkel der Verteilerwelle befinden sich die Kolben wieder im oberen Totpunkt TDC. Ist der Viertaktbetrieb eingeschaltet, beginnt nun der dritte Takt (Ansaugen). EX wird gleich etwa 10 Grad Kurbelwinkel nach TDC schließen, während IN gerade 10 Grad Kurbelwinkel vor TDC geöffnet hat. Ist der Zweitaktbetrieb eingeschaltet, beginnt hier ein neuer Zyklus mit dem ersten Takt und für EX und IN gelten wieder die gleichen Bedingungen wie für a).
- d) In der Stellung 270 Grad Drehwinkel der Verteilerwelle befinden sich die Kolben wieder im unteren Totpunkt BDC. Ist der Viertaktbetrieb eingeschaltet, beginnt hier der vierte Takt (Verdichten). EX ist geschlossen, während IN etwa 30 Grad Kurbelwinkel nach BDC schließen wird. Ist der Zweitaktbetrieb eingeschaltet, gelten für EX und IN im zweiten Takt wieder die gleichen Bedingungen wie für b).
- e) In der Stellung 360 Grad Drehwinkel der Verteilerwelle, also nach einer Umdrehung dieser Welle, ist ein vollständiger Viertaktzyklus beendet oder zwei vollständige Zweitaktzyklen. Die weitere Zyklenfolge im Viertakt- wie im Zweitaktbetrieb für EX und IN beginnt wieder bei a).
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11 bis 13 zeigen die verschiedenen Schaltungen der Hydraulikkreisläufe welche die Schiebebüchsen ansteuern. Da es sich hier um ein Common-Rail ähnliches System handelt, sind im Prinzip in Verbindung mit einem entsprechenden Steuergerät beliebige Steuerzeiten für den Gaswechsel erreichbar. Das bedeutet, dass auch mehrfache Öffnungen pro Arbeitstakt möglich sind, wodurch beispielsweise auch eine In-Cylinder Abgasrückführung realisiert werden kann.
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11 zeigt schematisch den Aktuator für die Einlass-Schiebebüchse 21 und den Aktuator für die Auslass-Schiebebüchse 20. Sie werden angesteuert durch elektrische 2/3 Wegeventile V2 und V1, welche unabhängig voneinander von einer Steuerung betätigt werden können, hier dargestellt als Schalter S1 und S2. Die Ventile V2 und V1 sind an ein Druckgefäß „Rail” angeschlossen, welchem mittels der Druckpumpe P1 aus einem Tankbehälter „Tank” das Hydraulikmedium zugeführt wird. Die Druckpumpe P1 kann elektrisch oder direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben werden. In dieser Darstellung sind die Ventile V2 und V1 gesperrt, so dass kein Durchfluss zu den Aktuatoren 20 und 21 erfolgt und diese durch ihre Rückholfedern in Ruhestellung stehen. Sie sind druckentlastet, da sie mit einem Rücklauf in den Tankbehälter „Tank” über die offenen Wege in den Ventilen V2 und V1 verbunden sind.
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12 zeigt, dass V1 über den geschlossenen Schalter S1 umgeschaltet wurde, den Fluss aus dem Druckgefäß „Rail” zum Aktuator 20 freigegeben hat und dadurch dieser in seine Endstellung gefahren wurde.
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13 zeigt, dass V2 über den geschlossenen Schalter S2 umgeschaltet wurde, den Fluss aus dem Druckgefäß „Rail” zum Aktuator 21 freigegeben hat und dadurch dieser in seine Endstellung gefahren wurde, während Schalter S1 wieder geöffnet wurde und dadurch das Hydraulikmedium wieder über V1 zum Tank zurückfließen kann.
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14 zeigt ein Diagramm für verschiedene Betriebszustände des Motors, die alle mit den in 11 bis 13 gezeigten Schaltungen erreicht werden können, vorausgesetzt dass auch die Zündung, bzw. die Einspritzung entsprechend flexibel gesteuert werden kann, z. B. durch Common-Rail. Auf der Abszissenachse ist hier die Drehzahl dargestellt und auf der Ordinatenachse die Leistung. So kann beispielsweise ein Arbeitshub alle 2, oder alle 4, oder alle 6, oder alle 8 Takte erfolgen. Dargestellt sind hier die Volllast-Kurven beim Zweitaktverfahren 2-S, Viertaktverfahren 4-S, Sechstaktverfahren 6-S und Achttaktverfahren 8-S. Theoretisch können zwischen den Arbeitstakten beliebig viele weitere Leerzyklen erfolgen. Dies kann die Abschaltung von Zylindern bei nicht ständig erforderlicher Nennleistung ersetzen. Wahlweise kann während dieses Leerzyklus der Einlass- oder Auslass-Kanal verschlossen bleiben, oder auch beide gleichzeitig. Durch entsprechende Steuerung kann man so nicht nur die Luftreibarbeit vermindern, sondern wie bei einer Motorbremse auch erhöhen. Außerdem kann man während der Leerzyklen auch Gas in einen Druckspeicher pumpen und bei Bedarf wieder nutzen. Den dafür erforderlichen Leistungsbedarf bei nicht befeuertem Motor zeigen die Kurven 0-S für geschlossene Gaswechselorgane und 0-S-P im Pumpbetrieb.
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15 bis 18 zeigen verschiedene Varianten der mit den vorbeschriebenen Schaltungsmöglichkeiten erreichbaren Kombinationen der Gasströme in Verbindung mit einem Druckspeicher. Die Gaswege sind hier nur prinzipiell dargestellt, das Speichersystem ist außerdem zweckentsprechend mit hier nicht gezeigten üblichen Überdruckventilen und Sensoren für Druck und Temperatur ausgerüstet, welche die Steuerung entsprechend beeinflussen können.
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15 zeigt die Gasströme, wenn der Druckspeicher 60 verschlossen ist. Das Anschlussrohr 56 ist mit dem Auslasskanal des Motors verbunden und das Anschlussrohr 58 mit dem Einlasskanal. Das aus dem Zylinder ausgeschobene Gas strömt über das Rohr 56 und das Dreiwegeventil V3 in das Rohr 57 und von dort aus in das Auspuffsystem oder ins Freie. Die Frischluft strömt vom Ansaugluftfilter oder aus dem Freien in das Rohr 59 und über das Dreiwegeventil V4 und das Rohr 58 in den Einlasskanal des Motors. Das Rückschlagventil 61 ist geschlossen.
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16 zeigt die Darstellung einer Abgasrückführungs-Variante. Das vom Motor-Auslass kommende Gas wird über Rohr 56 und das teilweise geöffnete Ventil V3 sowohl über das Rohr 57 abgeführt, als auch in den Druckbehälter 60 geleitet und von dort über das teilweise geöffnete Ventil V4 der über Rohr 59 nach Rohr 58 einströmenden Luft beigemischt. Je nach Stellung der Ventile V3 und V4 kann ein beliebiger Beimischungsgrad von Null bis 100% erreicht werden und zwar im Gegensatz zu herkömmlichen Rückführungssystemen unabhängig vom Druckverhältnis zwischen Einlass- und Auslassseite. Das Rückschlagventil 61 öffnet so weit wie nötig.
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17 zeigt die Füllung des durch Ventil V4 verschlossenen Druckbehälters 60 mit dem vom Auslass kommenden Gas über Rohr 56 und das Ventil V3. Je nachdem ob der Motor gezündet oder angezündet (z. B. bei Bergabfahrt) läuft, befindet sich im Druckspeicher 60 Abgas oder Frischluft. Die Frischluft wird über Rohr 59, Ventil V4 und Rohr 58 vom Motor angesaugt. Befindet sich der Motor im Betriebszustand 6-Takt oder höherer Taktzahl, kann im Druckspeicher 60 auch im gezündeten Betrieb reine Frischluft angesammelt werden, indem durch eine mit dem Motor synchronisierte Taktung des Ventils V3 der Behälter 60 nur dann geöffnet wird, wenn ein Leer-Auslasshub erfolgt. Hierbei muss entweder durch die Rückschlagklappe 61 am Eingang des Druckspeichers, oder per Steuergerät und Timing der Auslassöffungszeit am Motor ein Druckabgleich stattfinden, um einen Rückfluss der Gase aus dem Druckspeicher zu vermeiden.
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18 zeigt die Nutzung des im Druckspeicher 60 gesammelten Gases, indem das Einströmrohr 59 mittels Ventil V4 verschlossen wird und der Weg über Rohr 58 in den Einlasskanal des Motors geöffnet wird. Dadurch ist auch das Rückschlagventil 61 geschlossen. Je nach Kapazität des Druckspeichers 60 kann damit der Motor zündungslos eine Zeitlang ohne eigene Leistungserzeugung betrieben werden und beispielsweise auch damit angelassen werden. Die aus dem Zylinder ausgestoßenen Gase fließen derweil auf normalem Weg über Rohr 56, Ventil V3 und Rohr 57 ab. Wurde nur saubere Luft im Druckspeicher 60 gesammelt, kann dieses in gleicher vorbeschriebener Weise auch der zeitweisen Leistungserhöhung durch Aufladung dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4224988 A1 [0001]
- DE 102004032452 A1 [0001]
- DE 102009053723 A1 [0001]
