DE2716942A1

DE2716942A1 - Vorrichtung zur steuerung des betriebs einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2716942A1
Application number: DE19772716942
Authority: DE
Inventors: Hyogo Aioi; Kazuhiko Hashimoto; Masaaki Hirose; Soichiro Kenmochi; Junichi Sekiguchi; Takashi Seya; Yoshiyuki Takemoto; Keisuke Yano
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1976-04-16
Filing date: 1977-04-16
Publication date: 1977-10-27
Also published as: FR2348369A1; IT1075326B; DK162277A; CH622315A5; FR2348369B1; GB1569638A

Description

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Ishikawajima-Harima Jukogyo Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan

. Vorrichtung zur Steuerung des Betriebs einer Brennkraftmaschine

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Beschreibung

Zur Steuerung von Brennkraftmaschinen sind nockengetriebene mechanische Ventileinrichtungen bekannt, die jedoch verschiedene Nachteile aufweisen. So ist zunächst der Nockenantrieb und der Ventilaufbau in der Konstruktion vergleichsweise groß und kompliziert, wodurch mechanische Verluste groß sind, mehr Lärm erzeugt wird und eine schnelle Umkehrung der Maschine nicht erzielt werden kann. Bei vielen Maschinen wird eine gemeinsame Nockenwelle nicht nur zum Antrieb einer Brennstoffpumpe zur Erzeugung eines hohen Einspritzdruckes des Brennstoffes in der Größenordnung von etwa 1000 kg/cm eingesetzt, sondern auch als Steuerorgan für die Zeitabstimmung der Einspritzung und die Einspritzmenge. Die Nockenwelle wird ihrerseits durch ein großvolumiges Getriebe mit Steuerketten angetrieben, so daß die Einstellungen in der Größenordnung von Zehnteln bis Hundertsteln Millimetern für die Zeitsteuerung und die Mengensteuerung sowie die Steuerung der Leistung und des Verbrennungsdruckes nur durch außerordentlich hochqualifiziertes Fachpersonal durchgeführt werden kann. Darüberhinaus neigen die eingestellten Teile zu Abweichungen infolge von Temperaturschwankungen, Vibrationen, Abrieb und Verschleiß und infolge von Längungen während des Betriebes. Die Zeitsteuerung der Ventile ist im allgemeinen unabhängig von Änderungen der Belastung oder der Geschwindigkeit festgelegt, so daß die Zeitsteuerung der Brennstoffventile während des Betriebs nicht frei geändert werden kann und es daher außerordentlich schwierig ist, in jedem Fall optimalen Wirkungsgrad der Maschine zu erzielen. Als Folge hiervon ist es auch schwierig, die Umweltverschmutzung mit solchen Maschinen zu reduzieren und den Gehalt an Stickoxyden im Abgas zu vermindern.

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Mit der vorliegenden Erfindung sollen diese Probleme durch Einsatz von schnellansprechenden Richtungssteuerungs-Ventilen mit piezoelektrischen Wandlern anstelle der üblichen mechanischen Ventilmechanismen vermieden werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den Ansprüchen.
Es zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung für den Betrieb einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein hydraulisches Steuerventil in der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Rechensteuereinheit zur Verwendung bei der zweiten Ausführungsform,

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer anderen Rechensteuereinheit für die zweite Ausführungsform und

Fig. 6 einen Schnitt durch ein hydraulisches Steuerventil für die zweite Ausführungsform.

In den Fig. 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, wobei mit dem Bezugszeichen 1 eine Brennkraftmaschine, mit 2 ein Fühler für die Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit, mit 3 ein Umwandler zur Umwandlung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle in Drehgeschwindigkeit, mit 4 ein Befehlsgenerator für Vorwärtsfahrt oder Rückwärtsfahrt, mit 5 ein Parametergenerator zur Erzeugung · von Parametern für die Rechnung zur Ermittlung der Zeitsteuerung der Ventile, mit 6 eine Recheneinheit, mit 7 ein

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Vergleicher, mit d ein Verstärker, mit 9 ein piezoelektrisch angetriebenes hydraulisches Steuerventil, mit 10 ein Hydraulikzylinder und mit 11 ein Ventil bezeichnet sind.

In Fig. 2 ist mit weiteren Einzelheiten das piezoelektrisch angetriebene Steuerventil zur Steuerung des Hydraulikzylinders 10 veranschaulicht. Das Steuerventil weist geschichtete piezoelektrische Wandler 12 und 12· auf, die als Feinantriebe für kleinste Bewegungen dienen und jeweils aus einer positiven Elektrodenscheibe, einer Piezoelementscheibe aus Keramikmaterial und einer negativen Elektrodenscheibe bestehen, die in der angegebenen Reihenfolge vertikal übereinandergeschichtet sind, so daß bei Anlegen und Abschalten von Spannung an den Wandlern 12 und 12· eine Expansion oder Kontraktion der Wandler in Richtung der Fig. 2 eingezeichneten Doppelpfeile erfolgt.

Das Steuerventil 9 weist ein Gehäuse auf, welches aus drei geteilten Gehäuseteilen 13, 19 und 20 besteht. Die piezoelektrischen Wandler 12 und 12' sind im oberen Gehäuseteil angeordnet, der mit einem Deckel 14 abgeschlossen ist. XoI-ben 15 und 16 oder 15* und 16' sind in Kolbenführungen 17 oder 17' unterhalb des Bodens der Wandler 12 und 12' so angeordnet, daß sie vertikal gleitbeweglich, jedoch flüssigkeitsdicht geführt sind. An den Kolben 15 und 16 ist das obere Ende einer Kolbenstange 18 oder 18· mit einem ölkanal 27 angeschlossen, der sich koaxial durch die Kolbenstange erstreckt. Die Kolbenstange 18 oder 18· erstreckt sich durch den mittleren Gehäuseteil 19 und endet im unteren Gehäuseteil 20. Eine Dichtsitz-Hülse 21 oder 21·, die zvischen dem mittleren Gehäuseteil 19 und die Kolbenstange 18 oder 18* eingesetzt ist, ist durch eine Vorspannfeder 22 oder 22' normalerweise in der Zeichnung nach unten belastet.

Ein Ölkanal 2 3 ist über eine Ölleitung 24 mit einer Druck-

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welle verbunden, während ein Ölkanal 23' über eine Ölleitung mit einem nicht näher dargestellten Vorratsspeicher oder Vorratstank verbunden ist, und eine Ölleitung oder ein Öleinlaß 25 ist mit dem Hydraulikzylinder 10 verbunden.

Zur Beschreibung der Arbeitsweise wird zunächst nochmals auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 1 werden über die Bewegung der Kolben und damit die Drehung der Kurbelwelle erfaßt, die über den Fühler 2 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses Signal wird im Umwandler 3 in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle entspricht. Dieses Signal wird zusammen mit den Signalen aus dem Befehlsgenerator 4 für Vorwärtslauf oder Rückwärtslauf und dem Parametergenerator 5 der Recheneinheit 6 zugeführt, welche eine Rechenoperation auf der Grundlage der Drehgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine 1, dem Vorwärtsoder Rückwärtsbefehl und dem zugeführten Parameter zur Bestimmung der optimalen Zeitsteuerung der Ventile durchführt, also zur Bestimmung der Winkelstellungen der Kurbelwelle, an denen die Einlaß- und Auslaßventile geöffnet und geschlossen werden. Das Ausgangssignal der Recheneinheit 6 wird einem Vergleicher 7 zugeführt, wo dieses Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal aus dem Vergleicher 2 verglichen wird. Das Koinzidenzsignal aus dem Vergleicher 7 wird dem Verstärker 8 zugeführt, der das verstärkte Signal dem piezoelektrisch angetriebenen Steuerventil 9 zuführt.

Wenn nun angenommen wird, daß am Wandler 12 des Steuerventiles 9 Spannung liegt, so daß das piezoelektrische Element expandiert, so werden die Kolben 15 und 16 nach unten gedrückt. Der Kolben 16 drückt Öl aus einem Raum 26 über den Ölkanal 27 in eine Kammer 28, so daß die Dichtsitz-Hülse 21. relativ zur Kolbenstange 18 gegen die Kraft der Vorspannfeder 22 nach oben geschoben wird und als Folge hiervon

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eine Ventilöffnung 29 zwischen der Kolbenstange 1b und der Dichtsitz-Hülse 21 geöffnet wird. Als Folge hiervon wird die Druckquelle über die Ölleitung 24, den Ölkanal 23 und die Ventilöffnung 29 mit dem Ölkanal oder der Ölöffnung 25 in Verbindung gesetzt, und damit an den Hydraulikzylinder 10 angeschlossen.

Wenn die an dem Wandler 12 liegende Spannung entfernt wird, während Spannung an den rechten Wandler 12¹ angelegt wird, so drückt die Vorspannfeder 22 die Dichtsitz-Hülse 21 nach unten, während Öl in einem Raum 26* in eine Kammer 28· gedrückt wird, so daß die Dichtsitz-Hülse 21' relativ zur Kolbenstange 18' nach oben gedrückt wird, wodurch eine Ventilöffnung 29* geöffnet wird. Als Folge hiervon wird Öl in der Kammer 30' durch einenÖlkanal 31 in die Kammer 30 gedrückt, so daß die Dichtsitz-Hülse 21 nach unten gedrückt wird. Das Öl in der Kammer 28 wird in den Ölkanal 27 und von dort in den Raum 26 gepreßt, so daß die Kolbenstange 18 und die Kolben 15 und 16 angehoben sind und die Ventilöffnung 29 geschlossen ist. Wenn die Spannung alternierend an die Wandler 12 und 12' angelegt wird, so arbeitet das Steuerventil 9 als Dreistellungs-Ventil, welches seine Ventilöffnungen 29 und 29' mit sehr hoher Geschwindigkeit öffnet und schließt.

In Fig. 3, welche eine zweite Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, ist mit Bezugszeichen 41 eine Brennkraftmaschine, mit 42 ein Fühler oder Tachometer für die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, mit 43 eine Recheneinheit, mit 44 ein piezoelektrisch angetriebenes hydraulisches Steuerventil, mit 45 ein durch das Steuerventil 44 betätigter Hydraulikzylinder und mit 46 ein Ventil bezeichnet, welches ein Brennstoffeinspritzventil, eiri Einlaßventil, ein Auslaßventil oder ein Starterventil wie eine Starterklappe sein kann.

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Die Recheneinheit 42 ist in den Fig. 4 und 5 mit weiteren Einzelheiten veranschaulicht. Die Recheneinheit gemäß Fig. dient zur Steuerung eines Auslaßventiles, eines Einlaßventiles oder einer Starterklappe, während die Recheneinheit gemäß Fig. 5 zur Steuerung eines Brennstoffeinspritzventiles dient.

Wie zunächst aus Fig. 4 ersichtlich ist, wird das Ausgangssignal aus dem Fühler 42 einem Umwandler 47 zugeführt, welcher das Signal in ein anderes Signal umwandelt, welches der Drehgeschwindigkeit η der Maschine entspricht. Das Ausgangssignal aus dem Umwandler 47 wird ersten und zweiten Recheneinheiten 48 und 49 zugeführt, die je auf der Grundlage der Drehgeschwindigkeit η und eines aus einem Parametergenerator 50 zugeführten Parameters rechnet und hierbei einen Korrekturwert für den Kurbelwellen-winkel ermittelt, bei dem das Ventil 46 (vgl. Fig. 3) geöffnet oder geschlossen wird.

Im einzelnen vollziehen die Recheneinheiten 48 und 49 die Rechnung

wobei + a + b vom Parametergenerator 50 erzeugte Parameter und η die Drehgeschwindigkeit bedeuten. Der Parametergenerator 50 kann aus Drehschaltern (daisy switches) oder Potentiometern bestehen, so daß die Werte der Parameter a und b ebenso wie ihr jeweiliges Vorzeichen den Bedürfnissen entsprechend leicht geändert werden können.

Die Ausgangssignale der Recheneinheiten 48 und 49 werden einer ersten und einer zweiten Additionsvorrichtung 51 und 52 zugeführt, an denen auch das Ausgangssignal aus einem Vergleichs-Ventilsteuerungs-Generator 53 liegt, welches eine Referenzzeitsteuerung oder einen Referenz-· oder Vergleichswinkel repräsentiert, an dem das Ventil 46 geöffnet oder geschlossen wird. Daher wird das Ausgangssignal aus

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dem Generator 53 in Abhängigkeit vom Typ des Ventils 46 und in Abhängigkeit von der Öffnung oder Schließung des Ventils 46 vorbestimmt. Die Addiervorrichtungen 51 und 52 addieren die Ausgangssignale aus den Recheneinheiten 48 und 49 und dem Vergleichs-Ventilsteuerungs-Generator 53_t wobei die so gebildete Summe durch einen Begrenzer 54 oder 55 geprüft wird, damit sie nicht einen vorbestimmten Wert übersteigt.

Ein erster Vergi.eicher 56 erhält ein Aus gangs signal ^ aus dem Fühler 42 und das Ausgangssignal OU aus dem ersten Begrenzer 54 und legt das Ausgangssignal dann und nur dann an einen Verstärker an, wenn die Bedingung C* t o£ erfüllt ist, wobei das Ausgangssignal dann das Steuerventil 45 zum öffnen des Ventils 46 antreibt. In entsprechender Weise erhält ein zweiter Vergleicher 57 das Ausgangssignal t^ aus dem Fühler 42 und das Aus gangs signal A aus dem zweiten Begrenzer 55 und gibt das Signal an den Verstärker 58 zum Antrieb des Steuerventils 44 zum Schließen des Ventils 46 dann und nur dann weiter, wenn die Bedingung J> £ A erfüllt ist.

Die Rechensteuereinheit 43 gemäß Fig. 5 ist derjenigen gemäß Fig. 4 ähnlich, mit Ausnahme des Umstandes, daß diese Einheit ausschließlich zur Steuerung des Brennstoffeinspritzventiles dient. Dabei ist lediglich eine Recheneinheit 48 vorgesehen und wird ein Ausgangssignal eines Reglers 49, welches der Einspritzmenge analog ist, an die Recheneinheit 48 und an den zweiten Begrenzer 55 über einen Konstanten-Multiplikator 60 gelegt. Dadurch wird der Ausgang aus dem Regler 59 durch die Konstante k des Multiplikators 60 zur Bestimmung eines Kurbelwellendrehwinkels multipliziert, über den das Einspritzventil offengehalten werden muß. Im Gegensatz zur Rechensteuereinheit gemäß Fig. 4 wird das Ausgangssignal des Generators 53, welches einem Vergleichswinkel für das Schließen des Ventils ent-

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spricht, nicht an die zweite Addiervorrichtung 52 gelegt, sondern wird lediglich der Ausgang Od des Begrenzers 54 hieran gelegt.

Die Recheneinheit 48 führt die Rechenoperation

(+cn+dy+e)

aus, wobei + c, + d und + e aus dem Parametergenerator 50 gewonnen werden, η die Drehgeschwindigkeit der Maschine und y das Steuersignal für die Einspritzmenge aus dem Regler ist.

In Fig. 6 ist im einzelnen das hydraulische Steuerventil veranschaulicht, welches bei der zweiten Ausführungsform verwendet wird. Es besitzt ein Gehäuse aus drei geteilten Gehäuseteilen 62, 70 und 84 und zwei Wandlern 61 und 61· als Feinantriebe, die im Aufbau den Wandlern 12 und 12* gemäß Fig. 2 im wesentlichen entsprechen. Die Wandler 61 und 61 · sind im oberen Gehäuseteil 62 vorgesehen, der mit Deckeln 63 und 63' abgedeckt ist, und werden durch die angelegte Spannung in Richtung der eingezeichneten Doppelpfeile ausgedehnt oder zusammengezogen. Die Deckel 63 und 63' dienen zur Aufnahme der Reaktionskräfte für die wandler 61 und 61·.

Ein Kolben 64 oder 64* großen Durchmessers ist gleitbeweglich in einem Zylinderblock 66 oder 66· eingesetzt, der seinerseits wieder im mittleren Gehäuseteil 70 sitzt und durch ein Distanzstück 65 oder 65* lagegesichert ist. Der Kolben oder 64* großen Durchmessers liegt mit seinem oberen Ende an dem Boden der Wandler 61 oder 61' an. Ein weiterer Zylinderblock 67 oder 67' ist unterhalb des Zylinderblocks oder 66' eingesetzt und begrenzt einen Raum 68 oder 68', in dem Öl eingeschlossen ist. Ein Kolben 69 oder 69' geringen Durchmessers ist gleitbeweglich in den Zylinderblock 67 oder 67' eingesetzt und weist ein Rückschlagventil zur Vermeidung

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einer Leck strömung von Öl aus dem Raum 68 oder 68' auf. Das Rückschlagventil ist als Kugelventil 71 oder 71' ausgebildet, welches durch eine Schließfeder 72 oder 72* belastet ist, deren oberes Ende an einer Mutter gelagert ist, die einen Durchtrittskanal zur Verbindung mit dem Raum 68 oder 68' aufweist. Ein Vertikalkanal am unteren Ende des Rückschlagventiles steht mit einem horizontalen Ölkanal 74 oder 74' in Verbindung, der sich durch den Zylinderblock oder 67' erstreckt, so daß etwaige Leckmengen von Öl aus dem Raum 68 von außen her ersetzt werden können.

Das untere Ende des Kolbens 69 oder 69' geringeren Durchmessers ist bis geringfügig unterhalb des unteren Endes des Zylinderblocks 67 oder 67* verlängert und liegt an dem oberen Ende eines Schaftteiles 75 an, welcher gleitbeweglich im unteren Gehäuseteil 70 gelagert ist.

Der Schaftteil 75 oder 75' besteht aus einem oberen zylindrischen Abschnitt, einem sich verjüngenden, im Beispielsfall umgekehrt kegelstumpfförmigen Mittelabschnitt und einem unteren Zylinderabschnitt. Die oberen und unteren zylindrischen Abschnitte gleiten an der Zylindervand, und eine Dichtfläche 76 oder 76· mit hakenförmigem Querschnitt ist zwischen dem sich verjüngenden Mittelabschnitt und dem unteren zylindrischen Abschnitt zur Zusammenarbeit mit einem Dichtsitz 80 oder 80' ausgebildet. Eine Vorspannfeder 83 oder 83' ist in eine Sackbohrung in dem unteren zylindrischen Abschnitt des Schaftteiles 75 oder 75* eingesetzt, so daß bei unbetätigtem Wandler 61 oder 61· der Schaftteil oder Ventilkörper 75 oder 75' ncch oben gedrückt wird und auf diese Weise die Dichtfläche 76 oder 76· satt gegen den Dichtsitz 80 oder 80· angepreßt wird.

Am Umfang des Schaftteiles 75 oder 75* sind Ölkanäle 77 oder 77' und 78 oder 78* angebracht, und das Dichtglied 79 oder 79' ist derart im oberen Ölkanal 77 oder 77' angeordnet, daß

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der Dichtsitz 80 oder 80· am unteren Ende an der Dichtfläche 76 oder 76· des Schaftteiles oder Schließkörpers 75 oder 75* anliegen kann. Der Ölkanal 77 steht über einen Ölkanal 88 mit einer nicht näher dargestellten Druckquelle in Verbindung, während der Ölkanal 78 über einen Ölkanal 81 mit dem Hydraulikzylinder 45 (vgl. Fig. 3) in Verbindung steht. In entsprechender Weise steht der ölkanal 77* mit einem Ölkanal 88· in Verbindung, während der Ölkanal 78· über einen Ölkanal 71 mit dem Hydraulikzylinder 45 in Verbindung steht.

Eine kegelstumpfförmige Führung 82 oder 82* ist in dem mittleren Gehäuseteil 70 eingesetzt, um den unteren zylindrischen Abschnitt des Schaftteiles 75 oder 75* zu führen. Die untere Stirnfläche des unteren Gehäuseteiles 84 ist mit Ausnehmungen versehen, welche einen Raum 87 oder 87' zwischen dem unteren Gehäuse 84 und einer Bodenplatte begrenzen. Der Raum 87 oder 87· steht über eine Öffnung 86 oder 86· in dem unteren Gehäuseteil 84 und einer öffnung 85 oder 85' in der Ventilführung 82 oder 82· mit dem ölkanal 78 oder 78· in Verbindung. Daher drückt öl unter Druck im Raum 87 oder 87* die Ventilführung 82 oder 82' nach oben, so daß die Achse des Schaftteiles 75 oder 75* sauber gehalten werden kann.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise sei zunächst auf Fig. 3 Bezug genommen. Die Winkelstellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 41 wird über den Fühler 42 erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Der Ausgang des Fühlers 42 wird der Rechensteuereinheit 43 der in den Fig. 4 oder 5 veranschaulichten Art zugeführt. Zunächst möge die Arbeitsweise der Rechensteuereinheit 43 gemäß Fig. 4 erläutert werden. Der Ausgang des Fühlers 42 wird dem Umwandler 47 zugeführt und in ein Signal umgewandelt, welches der Drehgeschwindigkeit η der Maschine entspricht. Das Ausgangssignal des Um-

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wandlers 47 wird sodann der ersten und der zweiten Recheneinheit 4ö und 49 zugeführt, die ebenfalls die Ausgänge oder Parameter aus dem Parametergenerator 50 erhält. Die beiden Recheneinheiten 48 und 49 führen die Rechenoperation

(+ a η + b ) aus und legen diesen Ausgang an die beiden Additionsvorrichtungen 51 und 52.

Die erste Additionsvorrichtung 51 addiert den Ausgang aus der ersten Recheneinheit 48 zum Ausgang aus dem Bezugssignalgenerator 53» dessen Signal einem Bezugs- oder Vergleichsöffnungswinkel des Ventils entspricht, während die zweite Addiervorrichtung 52 den Ausgang der zweiten Recheneinheit zum Ausgang aus einem Referenzsignalgenerator 63 addiert, dessen Signal dem Bezugsschließwinkel des Ventils entspricht. Diese Bezugswinkel für die Öffnungs- und Schließbewegung des Ventils werden je nach der Art des zu steuernden Ventils vorbestimmt.

Die Ausgänge aus der ersten und der zweiten Addiervorrichtung 51 und 52 werden sodann an den ersten und den zweiten Begrenzer 54 bzw. 55 gelegt, wodurch vermieden wird, daß die Ausgänge der beiden Addiervorrichtungen 51 und 52 einen vorbestimmten Wert überschreiten. Der Ausgang OC aus dem ersten Begrenzer 54 wird an den ersten Vergleicher 56 gelegt und mit dem Ausgang t* aus dem Fühler 42 verglichen, wobei ein Durchlaß des Signals zum Verstärker 58 nur dann erfolgt, wenn die Beziehung t>^ 06 erfüllt ist, so daß das verstärkte Ausgangssignal dem Steuerventil 44 zum öffnen des Ventils 46 zugeführt wird.

Der Ausgang β aus dem zweiten Begrenzer 55 wird dem zweiten Vergleicher 57 zugeführt und dort mit dem Ausgang t* aus dem Fühler 42 verglichen, wobei ein Durchlaß zum Verstärker als Abstel lungs signal nur dann erfolgt, veiui γ" ^ /b erfüllt ist, so daß das verstärkte Ausgangssignal dem Steuerventil

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zum Schließen des Ventils 46 zugeführt wird.

Wenn das Ausgangssignal Oi aus dem ersten Vergleicher 56 zur Öffnung des Ventiles 46 dem hydraulischen Steuerventil 44 zugeführt wird, so wird an den ersten Wandler 61 eine Spannung angelegt, so daß dieser sich nach unten über einen der angelegten Spannung proportionalen Weg ausdehnt und so den Kolben 64 mit großem Durchmesser nach unten bewegt, wobei auf das Öl im Raum 68 Druck ausgeübt wird. Sodann ruft der Kolben 64 großen Durchmessers seinerseits eine Abwärtsbewegung des Kolbens 69 kleinen Durchmessers hervor. Die Abwärtsbewegung oder der Hub des Kolbens 69 kleinen Durchmessers ist erheblich größer als derjenige des Kolbens 64 großen Durchmessers, da der Hub des Kolbens 69 der Hublänge des Kolbens 64 großen Durchmessers multipliziert mit einem Quotienten aus der Wirkfläche des Kolbens 64 und der Wirkfläche des Kolbens 69 entspricht, wenn Leckverluste des Öles vernachlässigbar sind. Der Abwärtshub des Kolbens 69 kleinen Durchmessers führt zu einer Abwärtsbewegung des Ventilkörpers 85 gegen die Kraft der Feder 83, so daß die Dichtfläche 76 des Ventilkörpers 85 in Abstand vom Dichtsitz ÖO gelangt, so daß eine Strömungsverbindung zwischen dem Öl in den Kammern 77 und 78 hergestellt wird.

Als Folge hiervon strömt Arbeitsöl unter Druck aus der Druckquelle über die Ölkanäle 88, 77, 78 und 81 in den Hydraulikzylinder 45 (vgl. Fig. 3), um so das Ventil 46 zu öffnen.

Beim Auftreten des Ausgangsägnales β als Ventilschließsignal aus dem zweiten Vergleicher 56 durch den Verstärker 58 wird die an den ersten Wandler 61 angelegte Spannung entfernt, während eine Spannung an den zweiten Wandler 61· angelegt wird. Der Schaftteil oder Ventilkörper·75 und die Kolben 69 und 64 werden unter der Kraft der Feder 83 in ihre Anfangsstellung nach oben zurückbewegt, und die Dichtfläche wird fest an den Dichtsitz 80 angedrückt, um die Verbindung

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zwischen den Ölkanälen 77 und 78 zu unterbrechen. Andererseits werden die beiden entsprechenden Kolben 64' und 69' und der Schaftteil oder Ventilkörper 75' in der erläuterten Weise nach unten gedrückt, so daß die Dichtfläche 76* in Abstand von dem Dichtsitz 80' gelangt und eine Verbindung zwischen den Ölkanälen 77' und 78* hergestellt vird. Als Folge hiervon strömt das Arbeitsöl vom Hydraulikzylinder über die Ölkanäle 81 , 78', 77' und 88· zum Öltank oder ölsumpf zurück, so daß das Ventil 46 geschlossen wird.

Da der Hydraulikzylinder 45 durch das hydraulische Steuerventil 44 gesteuert wird, welches seinerseits über die Wandler 61 und 61· gesteuert wird, kann bei jeglicher Betriebsbedingung eine optimale Verbrennung in der Brennkraftmaschine 41 gewährleistet werden.

Zuweilen muß die Drehrichtung der Brennkraftmaschine umgekehrt werden. In diesem Fall wechseln die beiden Recheneinheiten 48 und 49, der Bezugssignalgenerator 54 für das Öffnungs- und Schließsignal, die beiden Begrenzer 54 und und die beiden Vergleicher 56 und 57 sämtlich ihre Ausgangswerte in Abhängigkeit von einem Signal des nicht näher dargestellten Befehlsgenerators für Vorwärts- und Rückwärtslauf. Im einzelnen wechseln die Recheneinheiten 48 und 49 das Vorzeichen ihres Ausganges, erzeugt der Generator 54 Ausgangssignale, die anders als im Falle des Vorwärtslaufes sind, ändern die beiden Begrenzer 54 und 55 ihre Schwellenwerte und ändern die beiden Vergleicher 56 und 57 ihre Vergleichsbedingungen. Auf diese Weise kann mit nur einer Rechensteuereinheit eine optimale Ventilzeitsteuerung selbst dann erzielt werden, wenn die Drehrichtung des Motors umgekehrt ist.

Nunmehr soll die Arbeitsweise der Rechensteuereinheit 43 der in Fig. 5 veranschaulichten Art näher erläutert werden. Wie bereits weiter oben ausgeführt ist, dient diese Steuerein-

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heit zur Steuerung eines Brennstoffeinspritzventiles, und wird hierzu die Ventilöffnungszeit in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Recheneinheit 48 bestimmt, während die Ventilschließzeit in Abhängigkeit von einem Einspritzmengensignal aus dem Regler 59 gesteuert wird. Im einzelnen wird bei der Einheit gemäß Fig. 5 die Ventilschließzeit dadurch bestimmt, daß zur VentilÖffnungszeit eine der Einspritzmenge proportionale Zeit zuaddiert wird. Die An- und Aus-Signale werden durch das Steuerventil 44 in der im Zusammenhang mit Fig. 6 weiter oben näher erläuterten Weise geleitet, und die Arbeitsweise der Rechensteuereinheit 43 gemäß Fig. 5 ist ansonsten im wesentlichen ähnlich derjenigen der Rechensteuereinheit gemäß Fig. 4, so daß sich insoweit eine weitere Beschreibung erübrigt.

Es liegt auf der Hand, daß die Erfindung nicht auf die erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiele begrenzt ist, sondern vielmehr vielfache Abwandlungen und Abänderungen hiervon möglich sind.

So kann bei der ersten Ausführungsform ein Steuerventil der in Fig. 6 veranschaulichten Bauart verwendet werden. Umgekehrt kann ebenso bei der zweiten Ausführungsform ein Steuerventil der aus Fig. 2 ersichtlichen Art verwendet werden.

Bei der Rechensteuereinheit gemäß Fig. 4 werden die Korrekturen für die Öffnungs- und Schließwinkel des Ventils aus einer Gleichung erster Ordnung erzielt, deren Variable die Drehgeschwindigkeit der Maschine und die Einspritzmenge sind, jedoch kann auch eine Gleichung zweiten Grades mit denselben Variablen oder irgendeine andere geeignete Gleichung verwendet werden.

Bei der Rechensteuereinheit gemäß Fig. 4 kann anstelle der Recheneinheiten, des Parametergenerators und des Bezugssignalgenerators ein Funktionsgenerator verwendet werden, der eine geeignete mathematische Funktion zwischen den Variablen

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und den Korrekturen für die Öffnung und Schließung des Ventils erzeugt. In entsprechender Weise kann der funktioneile Zusammenhang zwischen den Variablen und den Korrekturen für das Öffnen und Schließen des Ventils auch vorprogrammiert und in einem Speicher der Recheneinheit gespeichert werden, so daß die Korrekturwerte unmittelbar in Abhängigkeit von den erfühlten Variablen erhalten werden können.

Bei der Rechensteuereinheit gemäß Fig. 4 können zusätzlich zur Drehgeschwindigkeit der Maschine und zur Einspritzmenge die Belastung, die Einspritzgeschwindigkeit, der Ansaugluftdruck, die Ansauglufttemperatur usw. als Variable verwendet werden.

Bei der Rechensteuereinheit gemäß Fig. 5 können entweder die Einspritzmenge oder Einspritzgeschwindigkeit oder die Drehgeschwindigkeit eliminiert werden.

In der Rechensteuereinheit gemäß Fig. 5 können die Last, der Ansaugluftdruck und die Ansauglufttemperatur usw. als Variable verwendet werden.

Bei der Rechensteuereinheit gemäß Fig. 4 kann entweder die erste oder zweite Addiervorrichtung oder der erste oder der zweite Begrenzer weggelassen werden. Alternativ können auch alle diese Einheiten weggelassen werden.

Ähnlich können bei der Einheit gemäß Fig. 5 entweder eine der Addiervorrichtungen oder einer der Begrenzer oder jeweils beide Einrichtungen weggelassen werden.

Bei der Rechensteuereinheit gemäß Fig. 4 kann die Recheneinheit 48, die Addiervorrichtung 51 und der Begrenzer 54 sowie die zweite Recheneinheit 49, die Addiervorrichtung 52 und der Begrenzer 55 in irgendeiner geeigneten Reihenfolge ge-

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schaltet werden.

Bei der Einheit gemäß Fig. 5 können die Recheneinheit 48, die Addiervorrichtung 51 und der Begrenzer 54 sowie die Recheneinheit 52 und der Begrenzer 55 in einer geeigneten Weise geschaltet werden.

Anstelle des Fühlers 42 und des Umwandlers 41 kann irgendein geeignetes Tachometer wie ein Tachogenerator zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit der Maschine verwendet werden.

Der Begrenzer 55 der Rechensteuereinheit gemäß Fig. 5 dient zur Steuerung einer maximalen Einspritzmenge, so daß er aus einem Potenziometer oder Drehschalter bestehen kann, durch welche eine Bedienungsperson den Schwellenwert auf einfache Weise einstellen kann. Alternativ kann der Begrenzer 55 automatisch arbeiten und von einer solchen Bauart sein, mit der der Einstellwert aufgrund einer vorbestimmten Funktion

wie beispielsweise K₁ η + K₂ eingestellt werden kann, wobei K₁ und K„ Konstanten sind und η die Drehgeschwindigkeit der Maschine ist.

Die Öffnungs- und Schließwinkel für die Ventile bzw. deren Zeitsteuerung kann von Hand bestimmt werden.

Anstelle der piezoelektrischen Wandler als Feinantriebe können auch geeignete andere Einrichtungen wie Schrittmotore, solenoidbetätigte Ventile oder dgl. verwendet werden.

Die Erfindung weist eine ganze Reihe von wesentlichen Vorteilen auf.

Der Antrieb der Nockenwelle und die Venti!anordnungen, die beide in der Konstruktion kompliziert sind, können völlig entfallen, so daß die Brennkraftmaschine kompakt gebaut wer-

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den kann und mechanische Verluste minimiert und so der Maschinenwirkungsgrad und die Maschinenleistung gesteigert verden können.

Im Gegensatz zu üblichen Brennkraftmaschinen ist kein hochgeschultes Fachpersonal für die Maschineneinstellungen vie Maschinenleistung, Verbrennungsdruck, Zylinder-Auslaßgleichgewicht, Abgastemperatur usw. erforderlich. Als Folge hiervon kann die Maschine mit optimalem Wirkungsgrad betrieben verden und kann die Anzahl der Neueinstellungen oder Nachstellungen erheblich reduziert verden.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann veiterhin in ihrer Drehrichtung einfach umgekehrt verden.

Die Ventilsteuerung kann automatisch und optimal in Abhängigkeit von der Last oder der Drehgeschvindigkeit geändert oder eingestellt verden. Bei Brennkraftmaschinen mit Schmiermittel- bzv. Öleinspritzung in die Zylinderbohrungen kann die Zeitsteuerung der Öleinspritzung optimiert verden, so daß der Schmiermittelverbrauch erheblich reduziert vird. DarUberhinaus verden Probleme im Zusammenhang mit der Umweltverschmutzung durch Adhäsion von Kohlenstoff an den Zylindervänden und Verbrennung von Schmiermittel im vesentlichen beseitigt.

Die Konstruktion ist extrem einfach und Beschädigungen sowie Abrieb und Verschleiß von Nocken, Rollen, Brennstoffpumpen usv. sind vermieden. DarUberhinaus können Beschädigungen der Auslaßventüe minimiert verden und kann die Geräuschentwicklung vesentlich unterdrückt verden.

Da die Einlaß-Auslaß- und Einspritzventile frei· gesteuert werden können, kann die Abgastemperatur wesentlich abgesenkt werden. DarUberhinaus kann eine verzögerte Einspritzung vermieden werden, so daß die Maschinenleistung vesentlich verbessert verden kann und der Aus fet· μ <wi S t odc OJfMdtn einfach herabgedrückt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

M .JVorrichtung zur Steuerung des Betriebes einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch ein hydraulisches Steuerventil (9; 44), welches durch elektrische An-Ab-Signale steuerbar ist, durch eine Rechensteuereinheit zur Berechnung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte eines hydraulischen Richtungs-Steuerventil es auf der Grundlage von elektrischen Signalen, die der Bewegung der Kolben oder der Kurbelwelle der Maschine entsprechen, und zur Übermittlung der so berechneten Steuersignale für die Ventilöffnungs- und -schließzeitpunkte an das hydraulische Steuerventil (9; 44), und durch einen Hydraulikzylinder (10; 45), der unter Steuerung durch das hydraulische Steuerventil (9; 44) ein Ventil wie ein Einlaß-,Auslaß-,Einspritz- oder Startventil öffnet und schließt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Steuerventil (9; 44) durch beschichtete piezoelektrische Wandler (12, 12'; 61, 61·) angetrieben ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Steuerventil (9) aus zwei Ventilabschnitten besteht, von denen jeder einen Raum (26, 26·) unterhalb des Feinantriebs oder Wandlers (12, 12'), eine Kolbenstange (18, 18·), die aus einem oberen Abschnitt kleinen Durchmessers mit einem mit dem Raum (26) in Verbindung stehenden Ölkanal (27, 27') und einen unteren Abschnitt größeren Durchmessers besitzt, eine Ventilsitzhülse (21, 21·), die gleitbeweglich über der Ventil- oder KoI-' benstange (18, 18·) sitzt und durch in den Ölkanal (27, 27') eingedrücktes Öl nach oben bewegbar ist, und eine Öffnung

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aufweist, die bei der Bewegung der Dichtsitzhülse (21, 21') nach oben zwischen der Ventilsitzhülse und der Ventil- oder Kolbenstange (18, 18·) eröffenbar ist.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Steuerventil (44) aus zwei Ventilabschnitten besteht, die jeweils unterhalb eines Kolbens (64, 64') großen Durchmessers, der am unteren Ende des Feinantriebes oder Wandlers (61, 61·) anliegt, einen ölerfüllten Raum (68, 68'), einen unterhalb des Kolbens (64, 64') großen Durchmessers angeordneten und beim Herauspressen von öl aus dem Raum (68, 68·) nach unten beweglichen Kolben (69, 69') kleinen Durchmessers und ein Schaftteil oder einen Ventilkörper (75, 75') aufweisen, der verjüngt ausgebildet ist und mit seinem oberen Ende an dem Kolben (69, 69') kleinen Durchmessers anliegt, wobei eine Dichtfläche (76, 76·) am unteren Abschnitt des Ventilkörpers (75» 75') ausgebildet ist und im Abstand von einem zugeordneten Dichtsitz (80, 80') liegt, wenn der Kolben (69, 69') kleinen Durchmessers und damit der Ventilkörper (75» 75') nach unten bewegt sind.

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