DE2612961C2

DE2612961C2 - Freikolbenbrennkraftmaschine mit Mitteln zur Leistungsregelung

Info

Publication number: DE2612961C2
Application number: DE2612961A
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Dipl.-Ing. 2150 Buxtehude Wendt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-26
Filing date: 1976-03-26
Publication date: 1984-07-19
Also published as: DE2612961A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenbrennkraftmaschine mit Mitteln zur Leistungsregelung, mit im Zylinderkopf angeordneten Ein- und. Auslaßventilen sowie einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, mit einem vom Freikolben belasteten geschlossenen Hydraulikkreis, der den Zylinder der Freikolbenbrennkraftmaschine auf der dem Brennraum abgewandten Seite des Freikolbens mitumfaßt und der in seinem Vorlauf mindestens einen hydraulischen Motor aufweist, ferner mit den Vor- und Rücklauf des Fluids im Hydraulikkreis steuernden Ventilen und mit einem Druckgeber im Hydraulikkreis.

Eine gattunj^gemäße Freikolbenbrennkraftmaschine ist durch die US-PS 28 72 778 bekannt geworden. Diese bekannte Brennkraftmaschine erfordert mindestens drei Zylinder, wobei die Kolben ohne festen oberen Totpunkt frei beweglich sind und die Ein- und Auslaßventilsteuerung vollhydraulisch erfolgt. Bei dieser Brennkraftmaschine besteht der Nachteil, daß die Ventilsteuerung nur für eine konstruktiv vorbestimmte Betriebsart optimiert ausgelegt werden kann. Abweichungen von diesem Betriebszustand führen daher zu Wirkungsgradverlusten. Für Brennkraftmaschinen mit Kurbelwellen ist es durch die DE-OS 23 43 905 ferner bekannt geworden, Einlaß-, Auslaß- und Einspritzventile sowie die Zündeinrichtung digital elektronisch zu steuern. Als Regelgröße wird bei dieser Vorrichtung die jeweilige Stellung der Kurbelwelle benutzt. Hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit ist diese bekannte Vorrichtung somit auf Kurbelwellen- Brennkraftmaschinen beschenkt, wobei eine feste Abhängigkeit zwischen dem Arbeitsprozeß und den Leistungsparametern besteht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Freikolbenbrennkraftmaschine so auszubilden, daß eine Entkopplung des Arbeitsprozesses und der sich gegenseitig bedingenden Leistungsparameter wie Drehzahl und Drehmoment möglich ist, um eine flexible Betriebsweise zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß zur Leistungsregelung eine elektronische, die Ein- und Auslaßventile sowie die Brennstoffeinspritzvorrichtung betätigende Steuervorrichtung vorgesehen !§ ist, daß zwischen dem hydraulischen Motor und dem im Rücklauf des Hydraulikkreises befindlichen Steuer-

IM ventil ein Hydraulikspeicher vorgesehen ist, daß dieses Steuerventil von der elektronischen Steuervorrichtung

pt ansteuerbar ist derart, daß seine Offnungstellung nur dem Verdichtungstakt zugeordnet ist und es bei abgeschal-

;Jf so tetem Signal von der elektronischen Steuervorrichtung selbsttätig schließt, daß der Druckgeber im Zylinder f| angeordnet ist und der von ihm erfaßte zeitliche Druckverlauf im Hydraulikkreis der elektronischen Steuervor-

j|| richtung zur Leistungsregelung zugeführt wird.

|| Somit ist durch die vollkommene Trennung von Spül- und Ladevorgang einerseits und der Gemischaufberei-

U tung andererseits gewährleistet, daß kein Brennstoff beim Lade- und Spülvorgang verlorengeht.

H' 55 Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Kompressionsdruck durch Einstellung des Druckes im $ Fluidspeicher einstellbar sein. In weiterer Ausgestaltung ist die Zündvorrichtung mittels einer in der elektroni-

Il sehen Steuervorrichtung enthaltenen, an- und abschaltbaren elektronischen Zündanlage betätigbar.

<(; In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

|ί;ι Fig. 1 eine einzylindrische, nach dem Dieselverfahren arbeitende elektronisch gesteuerte Freikolbenbrenn-

;V, «j kraftmaschine mit einer Steuereinrichtung und einem Hydraulikkreis in einer schematischen Darstellung,
i;. Fig.2 ein Diagramm über die zylinderdruckabhängigen Steuerimpulse der Steuereinrichtung nach Fig, I,

Fig.3 eine einzylindrische, nach dem Ottoverfahren arbeitende elektronisch gesteuerte Freikolbenbrenn- ■ '<". kraftmaschine mit einer Steuereinrichtung und einem Hydraulikkreis in einer schematischen Darstellung.

Die Antriebseinrichtung 10 gemäß Fig. I besteht aus einer elektronisch gesteuerten Freikolbenbrennkraft- : 65 maschine 9, dem geschlossenen Hydraulikkreis 8 und einer elektronischen Steuervorrichtung 40. Die Freikolbenbrennkraftmaschine 9 weist einen Zylinder 11 auf. Der hydraulische Motor 26 mit Antriebswelle 27 zur Leistungsabgabe des Hydraulikkreises 8 ist mittels Vor- und Rücklaufleitungen 24, 28 mit dem Fluidraum 14 des Zylinders 11 verbunden. An dem Zylinderkopf 16 des Zylinders 11 ist ein Einlaßstutzen 17 mit Einlaßventil 18,

$ durch das unter Druck stehende Spül- und Ladeluft in den Brennraum 13 geführt wird, und ein Auslaßstutzen 19 fi mit einem Auslaßventil 20 zum Ableiten der heißen Abgase sowie eine Einspritzvorrichtung 21 zum Einsprit- % zen von Brennstoff in den Brennraum 13 angeordnet. Für die Bereitstellung der notwendigen unter Druck ie stehenden Spülluft kann ein besonderes elektrisch,.hydraulisch oder auch durch Fremdenergie angetriebenes > Gebläse eingesetzt werden.

[5 In dem Zylinder 11 befindet sich ein Freikolben 12, der mit seiner Unterseite auf dem hydraulischen Fluid 23

% wie Öl od. dgl. abgestützt ist. In der Vorlaufleitung 24 befindet sich im Bereich des unteren Zylinderausganges % ein einstellbares druckpunktabhängiges Ventil 25. In der Rücklaufleitung 28 sind in Strömungsrichtung des % Fluids 23 ein Hydraulikspeicher 29 und in der Nähe des unteren Zylinderausganges ein elektrohydraulisches ι= 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, t' der mit dem Steuerteil 41 der Steuereinrichtung 4Ö verbunden ist Der Hydraulikspeicher 29 dient zur Erhaltung ν des Kompressionsdrucks, wozu ein Arbeitskolben 30 lageveränderbar unter der Vorspannung einer Feder 31a ν der Einstellvorrichtung 31 gehalten ist.

Im folgenden wird der Betriebsablauf der Antriebseinrichtung beschrieben:

.■'■: Bei Startstellung zum Beginn eines Kompressionshubes befindet sich der Kolben 12 am unteren Ende des

Zylinders 11. Das druckpunktabhängige Ventil 25 ist geschlossen. Das elektrohydraulische Steuerventil 32 ist ~-:^:. ebenfalls geschlossen. Weiterhin ist die Einspritzvorrichtung 21 gesperrt. Die Ein- und Auslaßventile 18,20 sind ■:' geöffnet, so daß ungehindert unter Druck stehende Spül- und Ladeluft den Brennraum 13 durchspült.

Zur Ausführung des Kompressionshubes werden die Ein- und Auslaßventile 18, 20 durch rfnwirknng des Z' Steuerteils 41 über den Leistungsschaiierteil 42 geschlossen. Die vorn Einspritzrnengenreg!er-;3 festgestellte Brennstoffmenge wird in den Brennraum 13 durch die Brennstoffeinspritzvorrichtung 21 eingebracht. Anschließend wird das elektrohydraulische 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.

Die nach Selbstzündung des Kraftstoffgemisches im Brennraum 13 auftretende Druckspitze wird über den Kolben 12 auf das Fluid 2*3 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 dann 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 hydraulischen Motor 26. Dieser wandelt den anstehenden Druck in eine Umdrehung mit entsprechendem Drehmoment um. Dieser Vorgang dauert so lange an, bis der Arbeitsdruck durch Abwärtsbewegung des Kolbens 12 unter den Druckpunkt des selbsttätig schließenden druckpunkt- abhängigen Ventils 25 abgesunken ist. Hierbei strömt das aus dem hydraulischen Motor26 austretende Fluid 23 in den Hydraulikspeicher 29 und treibt dessen Arbeitskolben 30 gegen die 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 Steuertet! 41 über den I -eistungsschaJterteil 42 das Auslaßventil 20 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 Frischlu/t ersetzt und ein neuer Kompressionshub kann von der Steuervorrichtung 40 über das Steuerventil 32 eingeleitet werden.

Der Betriebsablauf der beschriebenen Antriebseinrichtung 10 ist in dem Diagramm gemäß Fi g. 2 dargestellt, das anhand der folgenden Tabelle erläutert wird.

Die Antriebseinrichtung 10 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 (Fi g. 3). Die Zündanlage 44 erhält ihre Zündimpulse von dem Steuerteil 41 der Steuervorrichtung 40. 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 50 in der an den Auslaßstutzen 19 angeschlossenen Abgasleitung 51 abgeordnet werden (Fig. 1). In Verbindung mit einem elektrischen Generator 53 kann die Abgasturbine 50 z. B. die für den Betrieb der Steuervorrichtung 40 notwendige Hilfsenergie erzeugen. Andernfalls muß diese elektrische Hilfsenergie Fremdquellen oder aber einem mitgekoppelten Elektrogenerator mit Pufferbatterien entnommen werden.

Zeit	Bemerkung	Ventil	(20)	(21)	(25)	(32)
		(18)	auf	zu	zu	zu
ti	Spüi- und Ladezeit	auf	zu	auf	zu	auf
I₂	Komoressionszeit	zu	zu	zu	zu	zu
t₃	Zeit für Zündung	zu	zu	zu	auf	zu
U	Arbeitshubzeit	zu	auf	zu	zu	zu
t₅	Abgas-Auslaß-Zeit	zu

Durch die vollkommene Trennung von Spül- und Ladevorgang einerseits und der Gemischaufbereitung andererseits ist gewährleistet, daß kein Brennstoff beim Lade- und Spülvorgang verlorengeht. Da das vom hydraulischen Motor 26 abgegebene Drehmoment abhängig vom Arbeitsdruck in dem Fluid 23 ist, kann die Charakteristik des Einspritzmengenreglers 43 so ausgelegt werden, daß das Brennstoff/Luftgemisch dem gewünschten abzugebenden Drehmoment entspricht. Das Steuerteii 41 der Steuervorrichtung 40 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

ίο Steuerteil 41 durch Vergleich vorprogrammierter Soll-Druckabfallkurven prüfen, ob der Druckabfall den vorgegebenen Soll-Druckabfallkurven entspricht, und entsprechende Brennstoffmengen dem Einspritzmengenregler 43 vorgeben. Wird die Antriebseinrichtung 10 als Fahrzeugantrieb benutzt, so können Geschwindigkeit, Drehmoment oder Drehzahl als Steuergröße X dienen.
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 hydraulische Motor 26 kann dann nicht nur in eine periodisch unterbrochene Drehbewegung versetzt, sondern kontinuierlich von null auf die gewünschte Nenndrehzahl gebracht werden.

Der für die Kühlung der elektronisch gesteuerten Freikolbenbrennkraftmaschine 9 notwendige Abwärrrictransport kann über das Fluid 23 selber vorgenommen werden. Der mechanische Verschleiß wird wegen Fortfalls mechanischer Steuervorrichtungen Tür die Ein- und Auslaßventile reduziert. Da bei dem Kolben keine Kippbewegung auftritt, wird auch dessen Standzeit erhöht. Es ist ferner möglich, durch entsprechende Dimensionierung des Zylinders 11 der elektronisch gesteuerten Freikolbenbrennkraftmaschine 9 die Charakteristik eines Langhubers oder Langsamläufers zu geben. Das gerade bei einem Betrieb nach dem Otto-Verfahren

2< gefiirchtete Klopfen kann durch entsprechende Einstellung des Kompressionsdruckes auch bei Verbrennung von Brennstoffen unterschiedlicher Qualität leicht verhindert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Freikolbenbrennkraftmaschine mit Mitteln zur Leistungsregelung, mit im Zylinderkopf angeordneten Ein- und Auslaßventilen sowie einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, mit einem vom Freikolben belasteten geschlossenen Hydraulikkreis, der den Zylinder der Freikolbenbrennkraftmaschine auf der dem Brennraum abgewandten Seite des Freikolbens mitumfaßt und der in seinem Vorlauf mindestens einen hydraulischen Motor aufweist, ferner mit den Vor- und Rücklauf des Fluids im Hydraulikkreis steuernden Ventilen und mit einem Druckgeber im Hydraulikkreis, dadurch gekennzeichnet, daß zur Leistungsregelung eine elektronische, die Ein- und Auslaßventile (18, 20) sowie die Brennstoffeinspritzvorrichtung (21) betätigende

ίο Steuervorrichtung (40) vorgesehen ist, daß zwischen dem hydraulischen Motor (26) und dem im Rücklauf

des Hydraulikkreises befindlichen Steuerventil (32) ein Hydraulikspeicher (29) vorgesehen ist, daß dieses Steuerventil (32) von der elektronischen Steuervorrichtung (40) ansteuerbar ist derart, daß seine Öffnungsstellung nur dem Verdichtungstakt zugeordnet ist und es bei abgeschaltetem Signal von der elektronischen Steuervorrichtung (40) selbsttätig schließt, daß der Druckgeber (22) im Zylinder angeordnet ist und der von ihm erfaßte zeitliche Druckverlauf im Hydraulikkreis der elektronischen Steuervorrichtung (40) zur Leistungsregelung zugeführt wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsdruck durch Einstellung des Druckes im Hydraulikspeicher (29) einstellbar ist

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, mit im Zylinderkopf angeordneter Zündvorricntung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (36) mittels einer in der elektronischen Steuervorrichtung (4Qj enthaltenen an- und abschaltbaren elektronischen Zündanlage (44) betätigbar ist