DE2612961A1

DE2612961A1 - Elektronisch gesteuerter verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2612961A1
Application number: DE19762612961
Authority: DE
Inventors: Hans J Wendt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-26
Filing date: 1976-03-26
Publication date: 1977-10-06
Also published as: DE2612961C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor für einen großen Drehzahlbereich mit stark wechselnden Drehzahlen und plötzlichen Belastungsschwankungen, in dem verschiedene Kraftstoffarten verbrannt werden können.

Die bisher bekannten Verbrennungsmotoren, die üblicherweise als Otto-, Diesel- oder Rotationskolbenmotoren ausgebildet sind, haben den Nachteil, dass ihre Drehzahl bzw. Hubzahl nur in bestimmten Grenzen regelbar ist. Um Drehzahl und Drehmoment wenigstens in Teilbereichen regelbar anpassen zu können, ist oft ein aufwendiges Getriebe notwendig. Ferner ist für den Startvorgang ein Hilfsantrieb als Anlasser oder Starter erforderlich. Der

709840/0230

•r·

hiermit verbundene Leerlauf des Motors erfordert den Verbrauch von Treibstoff bei oft schlechten Verbrennungswirkungsgraden. Der eingeschränkte Regelbereich von Leerlaufdrehzahl bis zulässiger maximaler Drehzahl stellt für viele Antriebsarten eine nicht unerhebliche Einschränkung dar. Ferner ist durch die mechanische Zwangsführung des im Zylinder angeordneten Kolbens und der durch Nockenwelle oder Stößel erforderlichen Ventilsteuerungen ein erheblicher mechanischer Aufwand notwendig, der einen entsprechenden Verschleiß bedingt. Der Otto-Motor erbringt zwar in Bezug auf das Gewicht und den umbauten Raum eine relativ hohe Leistung, bedarf aber einer ständig wirksamen Fremdzündanlage.Demgegenüber besteht beim Dieselmotor gegenüber dem Ottomotor zwar der Vorteil, unter Wegfall einer Fremdzündung verschiedene Kraftstoffarten verbrennen zu können, es bleibt jedoch auch hier der Nachteil des oben angeführten beschränkten Drehzahlregelbereiches und des damit verbundenen Leerlaufes erhalten. Auch beim Dieselmotor ist der hohe mechanische Aufwand der Ventilsteuerung und der Zwangsführung des Kolbens durch die Kurbelwelle vorhanden. Ein weiterer allgemeiner Nachteil der Kolbenmotoren besteht darin, dass durch die Anordnung der Kurbelwelle und die Zugrundelegung des Zwei- oder Viertaktverfahrens eine konstruktive Ausbildung auf bestimmte Grundformen wie z.B. V-, Stern-, Reihen- oder Boxermotor notwendig ist.

709840/0230

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der die oben beschriebenen Nachteile vermeidet, für verschiedene Kraftstoffe geeignet und nach dem Otto- oder Dieselverfahren betrieben werden kann.

Erfindungsgemäss erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Antriebseinrichtung, die aus einem elektronisch steuerbaren Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder mit Kolben und mit im Zylinderkopf angeordneten elektronisch steuerbaren Ein- und Auslaßventilen und einer elektronisch steuerbaren Einspritzvorrichtung, einer elektronischen Steuereinrichtung und einem geschlossenen Hydraulikkreis mit mindestens einem hydraulischen Motor besteht, der von dem Kolben druckbeaufschlagt ist. In der Vorlaufleitung des Hydraulikkreises ist zwischen dem hydraulischen Motor und dem Zylinder ein vom Vordruck betätigbares einstellbares Ventil und in der Rücklaufleitung des Hydraulikkreises zwischen dem hydraulischen Motor und dem Zylinder ein Hydraulikspeicher und ein Steuerventil angeordnet.

Nach einem weiteren Merkmal sind das Steuerventil und das Ein- und Auslaßventil von dem Leistungsschalterteil der Steuereinrichtung und die Einspritzvorrichtung von dem Einspritzmengenregler der Steuereinrichtung betätigbar. Der Steuerteil der Steuereinrichtung ist von einer externen Steuergröße beaufschlagbar und mit dem an dem Fluidraum

709840/0230

des Zylinders angeordneten Druckgeber verbunden.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Kompressionsdruck in Abhängigkeit von dem Druck in dem Hydraulikspeieher einstellbar. Ferner kann in dem Zylinderkopf eine ein- und abschaltbare elektronisch steuerbare mit einer Zündanlage verbundene Zündvorrichtung angeordnet sein.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen einzylindrischen nach dem Dieselverfahren arbeitenden elektronisch gesteuerten Verbrennungsmotor mit einer Steuereinrichtung und einem Hydraulikkreis in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2 ein Diagramm über die zylinderdruckabhängigen Steuerimpulse der Steuereinrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen einzylindrischen nach dem Ottoverfahren arbeitenden elektronisch gesteuerten Verbrennungsmotor mit einer Steuereinrichtung und einem Hydraulikkreis in einer schematischen Darstellung.

Die Antriebseinrichtung Io gemäss Fig. 1 besteht aus einem

709840/0230

elektronisch gesteuerten Verbrennungsmotor 9, dem geschlossenen Hydraulikkreis 8 und einer elektronischen Steuereinrichtung 4o. Der elektronisch gesteuerte Verbrennungsmotor 9 weist einen Zylinder 11 auf. Der hydraulische Motor 26 des Hydraulikkreises 8 ist mittels Vor- und Rücklaufleitungen 24,28 mit dem Zylinder 11 verbunden. Um den Zylinderkopf 16 des Zylinders 11 ist ein Einlaßstutzen 17 mit Einlaßventil 18, durch das unter Druck stehende Spül- und Ladeluft in den Brennraum geführt wird, und ein Auslaßstutzen 19 mit einem Auslaßventil 2o zum Ableiten der heißen Abgase sowie eineEinspritzvorrichtung 21 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum 13 angeordnet. Für die Bereitstellung der notwendigen unter Druck stehenden Spülluft kann ein besonders elektrisch oder hydraulisch oder auch durch Fremdenergie angetriebenes Gebläse eingesetzt werden.

In dem Zylinder 11 befindet sich ein Kolben 12, der mit seiner Unterseite auf einem hydraulischen Fluid 23 wie Öl od.dgl. abgestützt ist. Der Fluidraum 14 des Zylinders 11 ist mittels einer Vor- und Rücklaufleitung 24,28 mit dem hydraulischen Motor 26 verbunden, der eine Antriebswelle 27 zur Leistungsabgabe aufweist.

In der Vorlaufleitung 24 befindet sich im Bereich des unteren Zylinderausganges ein einstellbares druckpunktabhängiges

7098^0/0230

Ventil 25. In der Rücklaufleitung 28 ist in Strömungsrichtung des Fluides 23 ein Hydraulikspeicher 29 und in der Nähe des unteren Zylinderausganges ein elektrohydraulisches Steuerventil 32 angeordnet. Das Fluid 23 zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf von dem Fluidraum 14 über das Ventil 25 zu dem hydraulischen Motor 26 und von dort über das Steuerventil 32 wieder in den Fluidraum 14 zurück. An der Wandung des Fluidraumes 14 des Zylinders 11 befindet sich ein Druckgeber 22, der mit dem Steuerteil 41 der Steuereinrichtung 4o verbunden ist. Der Hydraulikspeicher 29 dient zur Erhaltung des Kompressionsdrucks, wozu ein Kolben 3o lageveränderbar unter der Vorspannung einer Feder 31 a der Einstellvorrichtung 31 gehalten ist.

Im Folgenden wird der Betriebsablauf der Antriebseinrichtung beschrieben:

Startstellung zum Beginn eines Kompressionshubes: Der Kolben 12 befindet sich bei Startstellung zum Beginn eines Kompressionshubes am unteren Ende des Zylinders Das druckpunktabhängige Ventil 25 ist geschlossen. Das elektrohydraulische Steuerventil 32 ist ebenfalls geschlossen. Weiterhin ist die Einpsritzvorrichtung 21 gesperrt. Ein- und Auslaßventile 18,2o sind geöffnet, so daß ungehindert unter Druck stehende Spül- und Ladeluft den Brennraum 13 durchspült.

709840/0230

Kompres si on shub:

Ein- und Auslaßventil 18,2ο werden durch Einwirkung des Steuerteils 41 über den Leistungschalterteil 42 geschlossen. Die vom Einspritzmengenregler 43 festgestellte Kraftstoffmenge wird in den Brennraum 13 durch die Einspritzvorrichtung 21 eingebracht. Anschliessend wird das elektrohydraulisch^ Steuerventil 32 geöffnet. Nunmehr strömt unter Druck stehendes Fluid 23 in den Fluidraum 14 unterhalb des Kolbens 12 ein. Der Kolben 12 fährt in die Kompressionsstellung. Der in dieser Stellung vorhandene Druck entspricht dabei dem für die Selbstzündung notwendigen Kompressionsdruck.

Arbeitshub:

Die nach Selbstzündung des Kraftstoffgemisches im Brennraum 13 auftretende Druckspitze wird über den Kolben 12 auf das Fluid 23 übertragen und veranlasst den mit dem Fluid 23 in Verbindung stehenden Druckgeber 22,ein Signal an das Steuerteil 41 zu geben . Dieses schaltet das Öffnungssignal für das elektrohydraulische Steuerventil 32 ab, das sich unter der auftretenden Druckspitze in dem Fluid 23 selbsttätig schliesst. Da durch den nunmehr an Kolben 12 und Fluid 23 anstehenden hohen Arbeitsdruck der Druckpunkt zur selbsttätigen Schliessung des druckpunktabhängigen Ventils 25 überschritten wird, öffnet dieses und das Fluid 23 strömt unter Abwärtsbewegung des Kolbens 12 in den Hydraulikmotor 26. Dieser wandelt den anstehenden Druck in eine Umdrehung mit

709840/0230

entsprechendem Drehmoment um. Dieser Vorgang dauert solange an, bis der Arbeitsdruck durch Abwärtsbewegung des Kolbens 12 unter den Druckpunkt des selbsttätig schliessenden druckpunktabhängigen Ventils 25 abgesunken ist. Hierbei strömt das aus dem Hydraulikmotor 26 austretende Fluid 23 in den Hydraulikspeicher 29 und treibt dessen Arbeitskolben 3o gegen eine Feder 31a, so dass Restenergie für den nächsten Kompressionsvorgang gespeichert wird. Ist das druckpunktabhängige Ventil 25 geschlossen, wenn der Druck am Druckgeber 22 unter den entsprechenden Druck gesunken ist, so wird vom Steuerteil 41 über den Leistungsschalterteil 42 das Auslaßventil 2o geöffnet und das Abgas kann aus dem Brennraum 13 entweichen bis es auf den Außendruck entspannt ist. Durch die Durchspülung des Brennraumes 13 mit unter Druck stehender Frischluft beim Startvorgang wird das Restgas durch Frischluft ersetzt und ein neuer Kompressionshub kann von der Steuereinrichtung 4o über das Steuerventil 3 2 eingeleitet werden.

Der Betriebsablauf der erfindungsgemässen Antriebseinrichtung Io ist in dem Diagramm gemäss Fig. 2 dargestellt, das anhand der folgenden Tabelle erläutert wird.

709840/0230

	Bemerkung	(18)	Ventil	Uo)	(21)	261	2961
Zeit	Spül- U.Ladezeit	auf	auf	zu
^fci	Kompressionszeit	zu	zu	auf	(25)	(32)
^fc2	Zeit für Zündung	zu	zu	zu	zu	zu
*3	Arbeitshubzeit	zu	zu	zu	zu	auf
*4	Abgas-Auslaß-Zeit	zu	auf	zu	zu	zu
*5			auf	zu
			zu	zu

Die erfindungsgemässe Antriebseinrichtung Io kann auch nach dem Otto-Verfahren betrieben werden. Hierzu ist im Zylinderkopf 16 eine Zündvorrichtung 36 angeordnet, die mittels einer elektronischen Zündanlage 44 betätigt wird (Fig.3). Die Zündanlage 44 erhält ihre Zündimpulse von dem Steuerteil 41 der Steuereinrichtung 4o. Mittels eines Schalters 45 kann die elektronische Zündanlage 44 und damit auch die elektronische Zündvorrichtung 36 wahlweise abhängig von den vorhandenen Betriebsbedingungen ein- oder abgeschaltet werden.

Die noch in dem unter Druck befindlichen Abgas vorhandene Restenergie kann z.B. zur Erzeugung von elektrischer Hilfsenergie genutzt werden. Hierzu kann eine Abgasturbine 5o in der an den Abgasstutzen 19 angeschlossenen Abgasleitung angeordnet werden (Fig .1). In Verbindung mit einem elektrischen Generator 53 kann die Abgasturbine 5o z.B. die für den Betrieb

709840/0230

der Steuereinrichtung 4o notwendige Hilfsenergie erzeugen. Andernfalls muss diese elektrische Hilfsenergie Fremdquellen oder aber einem mitgekoppelten Elektrogenerator mit Pufferbatterien entnommen werden.

Durch die vollkommene Trennung von Spül- und Ladevorgang einerseits und der Gemischaufbereitung andererseits ist gewährleistet, dass kein Kraftstoff beim Lade- und Spülvorgang verlorengeht. Da das vom Hydraulikmotor 26 abgegebene Drehmoment abhängig vom Arbeitsdruck in dem Fluid 23 ist, kann die Charakteristik des Einspritzmengenreglers 43 so ausgelegt werden, dass das Kraftstoff/Luftgemisch dem gewünschten abzugebenden Drehmoment entspricht. Das Steuerteil 41 der Steuereinrichtung 4o kann aus einer fest verdrahteten Schaltung oder aber aus einem Mikroprozessor bestehen. Das Steuerteil 41 erfasst hierbei die vorgegebene Steuergröße X, wie z.B. Hubzahl und verarbeitet die vom Druckgeber 22 vorgegebenen Drucksignale. Der zeitliche Ablauf der Ventilsteuerung und des Einspritzvorganges kann hierbei einem festen Folgeschema vorgegeben sein. Infolge des zeitlichen Druckabfalles am Druckgeber 22 beim Arbeitshub kann das Steuerteil 41 durch Vergleich vorprogrammierter Soll-Druckabfallkurven prüfen, ob der Druckabfall den vorgegebenen Soll-Druckabfallkurven entspricht und entsprechende Kraftstoffmengen dem Einspritzmengenregler 43 vorgeben. Wird die Antriebseinrichtung Io als Fahrzeugantrieb benutzt, so können Geschwindigkeit, Drehmoment oder Drehzahl als Steuergröße X dienen.

709840/0230

Mehrzylinderanordnungen sind in beliebiger gerader oder ungerader Zahl möglich, wobei die Abstimmung der Arbeitsabläufe von Start, Kompressionshub und Arbeitshub in der Reihenfolge vom Bezugszylinder aus durch das Steuerteil 41 koordiniert werden. Der Hydraulikmotor 26 kann dann nicht nur in eine periodisch unterbrochene Drehbewegung versetzt, sondern kontinuierlich von 0 auf die gewünschte Nenndrehzahl gebracht werden.

Der für die Kühlung des elektronisch gesteuerten Verbrennungsmotors 9 notwendige Abwärmetransport kann über das Fluid 23 selber vorgenommen werden. Getriebe, Kurbelwelle, mechanische Steuervorrichtungen für die Ein- und Auslaßventile entfallen bei diesem Verbrennungsmotor. Der mechanische Verschleiß wird reduziert. Da bei den Kolben keine Kippbewegung auftritt, wird auch dessen Standzeit erhöht. Es ist ferner möglich, durch entsprechende Dimensionierung des Zylinders 11 dem elektronisch gesteuerten Verbrennungsmotor 9 die Charakteristik eines Langhubers oder Langsamläufers zu geben. Das gerade bei einem Betrieb nach dem Otto-Verfahren gefürchtete Klopfen kann durch entsprechende Einstellung des Kompressxonsdruckes leicht verhindert werden. Es ist ferner möglich, Kraftstoffe unterschiedlicher Qualität zu verbrennen.

- Patentansprüche -

70 9 8 40/0230

Claims

Patentansprüche

1.)Verbrennungsmotor für einen großen Drehzahlbereich mit stark wechselnden Drehzahlen und plötzlichen Belastungsschwankungen, in dem verschiedene Kraftstoffarten verbrannt werden können, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung (lo), bestehend aus einem elektronisch steuerbaren Verbrennungsmotor (9) mit mindestens einem Zylinder (11), in dem ein Kolben (12) axial verschieblich angeordnet ist, und mit in mindestens einem Zylinderkopf (16) angeordneten elektronisch steuerbaren Ein- und Auslaßventilen (18,2o) und einer elektronisch steuerbaren Einspritzvorrichtung (21), einer elektronischen Steuereinrichtung (4o) und einem geschlossenen Hydraulikkreis (8) mit einem hydraulischen Motor (26), der von dem Kolben (12) druckbelastet ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorlaufleitung (24) des Hydraulikkreises (8) zwischen dem hydraulischen Motor (26) und dem Zylinder (11) ein vom Vordruck betätigbares einstellbares Ventil (25) und in der Rücklaufleitung (28) des Hydraulikkreises (8) zwischen dem hydraulischen Motor (26) und dem Zylinder (11) ein Hydraulikspeicher (29) und ein Steuerventil (32) angeordnet ist.

709840/0230
ORIGINAL INSPECTED

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (32) und Ein - und Auslaßventil (18,2o) von dem Leistungsschalterteil (42) der Steuereinrichtung (4o) betätigbar sind.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung (21) von dem Einspritzmengenregler (43) der Steuereinrichtung (4o) betätigbar ist.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerteil (41) mit einer externen Steuergröße (X) beaufschlagbar und mit dem an dem mit dem Fluid (23) gefüllten Fluidraum (14) des Zylinders (11) angeordneten Druckgebers (22) verbunden ist.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass der Kompressionsdruck durch Einstellung des Druckes in dem'Hydraulikspeicher (29) einstellbar ist.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zylinderkopf (16) eine Zündvorrichtung (36) angeordnet ist , die mittels einer mit dem Steuerteil (41) der Steuereinrichtung (4o) in Wirkverbindung stehenden ein- und Abschaltbaren elektronischen Zündanlage (44) betätigbar ist.

709840/0230

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der an den Auslaßstutzen (19) angeschlossenen Abgasleitung (51) eine Abgasturbine (5o) angeordnet ist, dessen Abtriebswelle mit einem Generator (53) zur Erzeugung von elektrischer Hilfsenergie verbunden ist.

70984 0/0230