DE69305059T2

DE69305059T2 - Verfahren und vorrichtung zur optimierung der ladungswechselvorgänge

Info

Publication number: DE69305059T2
Application number: DE69305059T
Authority: DE
Inventors: John Clarke
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1992-06-01
Filing date: 1993-05-13
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2013-05-14
Also published as: BR9305491A; WO1993024739A1; EP0605684B1; JPH06509626A; DE69305059D1; CN1042849C; EP0605684A1; CN1080024A; US5216987A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf den gesteuerten Betrieb der Motorbetriebszustände. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein vorbestimmtes logisches Muster bzw. Logikmuster, wobei jeder Zyklus geeignet ist, um das vorbestimmte Logikmuster zu variieren und wobei das vorbestimmte Logikmuster steuerbar, sequentiell und modulierbar die Ventilzeitsteuerung steuern kann, um ein verbessertes optimiertes Ansaugsystem vorzusehen.

Technischer Hintergrund

Mit mechanischen Komponenten ist eine optimale Beatmung bzw. Ansaugung während des vollen Zyklusses des Motorbetriebs, wie beispielsweise hoher und niedriger Drehzahl und hoher und niedriger Lasten schwierig zu erreichen. Gegenwärtige Verfahren beeinträchtigen den Wirkungsgrad und die Leistung des Motors während des vollen Bereichs des Zyklusses, um einen Wirkungsgrad bzw. eine Wirksamkeit und Leistung in einem gegebenen Zyklus oder einem kleinen Bereich vorzusehen.
Ein Beispiel eines mechanischen Verfahrens, welches verwendet wird, um Resonanz in einem Einlaßsystem vorzusehen bzw. zu erzeugen, ist im US-Reexamination Certificate B1 3,796,048 offenbart, welches an Imre Annus u.a. am 31. Mai 1983 ausgegeben wurde. Die Reexamination offenbart einen überladenen bzw. kompressorgeladenen Verbrennungsmotor und einen Abgasturboüberlader bzw. -kompressor, der von Auslaß- bzw. Abgasen aus den Zylindern angetrieben wird, die in Gruppen aufgeteilt sind, so daß die Ansaughübe der Zylinder innerhalb einer gegebenen Gruppe sich nicht überlappen, und ein Resonanzeinleitungs- bzw. Resonanzerzeugungsrohrsystem, welches die Einlaßmittel in jedem Zylinder mit der Liefer- bzw. Aussstoßseite des Super-Laders bzw. Kompressors derart verbindet, um Zustände einer dynamischen Ladung im Einlaßrohrsystem zu erzeugen, um die Wirkung des Super-Laders bzw. Kompressors zu unterstützen.
Ein Beispiel einer Vorrichtung, die verwendet wird, um ein Einlaßventil zu betreiben, um den Brennstoffwirkungsgrad zu vergrößern, und um die Verschmutzung zu verringern, ist im US-Patent 4,841,923 offenbart, welches am 27. Juni 1989 an Josef Buchi ausgegeben wurde. In diesem Beispiel wird das Ventil elektromagnetisch betrieben. Funktionell wird die Ventilöffnung und (Öffnungs-)dauer durch eine selektive Entregung und Erregung der Ventilelektromagneten durchgeführt.
Ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung, die zum Betrieb eines Ventils verwendet wird, um die Einlaß- und Auslaßwirkungsgrade zu vergrößern, ist im US-Patent 5,050,543 offenbart, welches an Hideo Kawamura am 24. September 1991 ausgegeben wurde. In diesem Patent weist ein Steuersystem zur Steuerung von Einlaß- und Auslaßventilen elektromagnetische Betätigungsmittel auf, um elektromagnetisch die Einlaß- und Auslaßventile zu betätigen. Die elektromagnetischen Betätigungsmittel werden abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Motors gesteuert, so daß der Kurbelwellenwinkelbereich, während dem die Einlaß- und Auslaßventile offen sind, kleiner werden wird, wenn die Motordrehgeschwindigkeit niedriger ist und größer, wenn die Motordrehzahl bzw. -geschwindigkeit höher ist.
Die oben beschriebenen Vorrichtungen werden verwendet, um den Wirkungsgrad des Motorbetriebes zu vergrößern. Einige erfordern zusätzliche oder nicht herkömmliche Hardware bzw. Komponenten, wie beispielsweise keramische Ventile, magnetische Komponenten und speziell konstruierte Sammelleitungen und -rohre. Die Folge sind dabei gesteigerte Kosten für den Kunden und eine größere Wahrscheinlichkeit eines Versagens von Hardware bzw. Komponenten aufgrund der gestiegenen Anzahl von Komponenten. Versuche haben auch gezeigt, daß es magnetisch betriebenen Ventilkomponenten an Geschwindigkeit und Kraft mangelt, wenn Einschränkungen bezüglich der Größe in Betracht gezogen werden.
Es sei weiter auf EP-A-0 353 989 hingewiesen, die als eine Basis zur Erstellung der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche 1, 6 und 11 verwendet wurde.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der Erfindung ist ein Ansaugoptimierungssystem zur Verwendung in einem Motor geeignet. Der Motor weist einen Durchlaß auf, der mit einem Paar von Bohrungen in Verbindung steht und einen Kolben, der während des Betriebs des Motors beweglich innerhalb der jeweiligen Bohrungen positioniert ist, und zwar zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition. Die Bewegung bildet einen Einlaßhub. Das System weist weiter ein Paar von Ventilen auf, die betriebsmäßig zwischen dem Durchlaß und der jeweiligen Bohrung assoziiert sind. Die Ventile besitzen eine geschlossene Position und eine offene Position. Mittel zur unabhängigen Öffnung jedes der Ventile ansprechend auf den Empfang eines Steuersignals sind vorgesehen, und ein elektronisches Steuersystem ist mit den Öffnungsmitteln verbunden. Eine Ausgabe bzw. Ausgangsgröße aus dem elektronischen Steuersystem sendet die Steuersignale an die Öffnungsmittel in einem ersten vorbestimmten Logikmuster während des normalen Motorbetriebs, wobei zu dieser Zeit eines der Ventile in der im allgemeinen offenen Position während des Einlaßhubes ist. Ansaugsteuermittel sind mit dem elektronischen Steuersystem verbunden und bewirken bzw. erzeugen diskrete oder getrennte Steuersignale, die an die Öffnungsmittel in einem zweiten vorbestimmten Logikmuster ausgegeben werden sollen. Im zweiten vorbestimmten Logikmuster wird der Betrieb der Ventile derart variiert, daß eines der mit den jeweiligen Bohrungen assoziierten Ventile zum zyklischen Variieren des Öffnens des Einlaßventiles während des Einlaßhubes eine vorbestimmte Resonanz innerhalb des Durchlasses bewirkt, um eine Steigerung des Flusses bzw. der Strömung in die jeweilige Bohrung zu bewirken, und zwar während der Bewegung des Kolbens innerhalb der jeweiligen Bohrung aus der oberen Totpunktposition in die untere Totpunktposition.
Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung besitzt ein Motor einen Durchlaß, der mit einem Paar von Bohrungen in Verbindung steht, und einen Kolben, der während des Betriebs des Motors beweglich innerhalb der jeweiligen Bohrungen zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition positioniert ist. Die Bewegung bildet einen Einlaßhub. Der Motor weist weiter ein Paar von Ventilen auf, die betriebsmäßig mit dem Durchlaß und der jeweiligen Bohrung assoziiert sind. Die Ventile besitzen eine geschlossene Position und eine offene Position. Mittel zur unabhängigen Öffnung jedes der Ventile ansprechend auf den Empfang eines Steuersignals sind vorgesehen, und ein elektronisches Steuersystem ist mit den Öffnungsmitteln verbunden. Eine Ausgabe bzw. Ausgangsgröße aus dem Steuersystem sendet die Steuersignale an die Öffnungsmittel in einem ersten vorbestimmten Logikmuster während des normalen Motorbetriebs, wobei zu dieser Zeit eines der Ventile in der im allgemeinen offenen Position während des Einlaßhubes ist. Die Verbesserung bzw. Erfindung besteht aus Ansaugsteuermitteln, die mit dem elektronischen Steuersystem verbunden sind, welches bewirkt, daß diskrete bzw. getrennte Steuersignale an die Öffnungsmittel in einem zweiten vorbestimmten Logikmuster ausgegeben werden. Das zweite vorbestimmte Logikmuster variiert den Betrieb der Ventile derart, daß eines der mit der jeweiligen Bohrung assoziierten Ventile zyklisch die Öffnung des Einlaßventiles während des Einlaßhubes variiert, um eine vorbestimmte Resonanz innerhalb des Durchlasses zu bewirken, um einen Anstieg des Flusses in die jeweilige Bohrung zu bewirken, und zwar während der Bewegung des Kolbens innerhalb der jeweiligen Bohrung aus der oberen Totpunktposition in die untere Totpunktposition.
Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Optimierung der Ansaugung eines Motors offenbart. Der Motor besitzt einen Durchlaß, der mit einem Paar von Bohrungen in Verbindung steht, und einem Kolben, der während des Betriebs des Motors beweglich innerhalb der jeweiligen Bohrungen zwischen einer oberen Totpunktposition und einer unteren Totpunktposition positioniert ist, wodurch ein Einlaßhub gebildet wird. Der Motor weist weiter ein Paar von Ventilen auf, die betriebsmäßig mit dem Durchlaß assoziiert sind, und steuert die Verbindung zwischen dem Durchlaß und der jeweiligen Bohrung. Die Ventile besitzen eine geschlossene Position und eine offene Position. Die in dem Verfahren vorgesehenen Schritte weisen folgendes auf: Überwachen des Betriebszustandes des Motors, Ausgeben eines Steuersignals an die Öffnungsmittel während eines ersten vorbestimmten Logikmusters, bei dem der Motor in einen im allgemeinen normalen Betriebszustand ist, Ausgeben eines diskreten bzw. getrennten Steuersignals an die Öffnungsmittel während eines zweiten vorbestimmten Logikmusters, Varrieren des Betriebs der Ventile, die mit den jeweiligen Bohrungen assoziiert sind, und zyklisches Variieren der Öffnung des Einlaßventils während des Einlaßhubes.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Motors mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine Teilschnittansicht entlang der Linien 2-2 der Figur 1;
Figur 3 ist eine graphische Veranschaulichung eines Mechanismussystems des Standes der Technik mit einem abgestimmten (tuned) bzw. eingestellten Sammelleitungssystems, wobei die Motordrehzahl in Phase mit der dominanten Sammelleitungsresonanz ist, und wobei der Fluß in die Zylinder verbessert wird;
Figur 4 ist eine graphische Veranschaulichung eines mechanischen Systems mit einem eingestellten Sammelleitungssystem, bei dem die Motordrehzahl nicht in Phase mit der Sammelleitungsresonanz ist, so daß der Fluß nicht verbessert wird; und
Figur 5 ist eine graphische Veranschaulichung eines Motors mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, durch welches eine gesonderte Oszillation des Ventils eine Resonanz erzwingt.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 weist ein Verbrennungsmotor 10 mit herkömmlichen vier Zyklen mit Kompressions- bzw. Verdichtungs-, Expansions-, Auslaß- und Einlaßhüben ein Motoransaugoptimierungssystem 11 auf, welches zur Verwendung im Motor 10 geeignet ist. Der Motor 10 weist einen Block 12 und eine Vielzahl von Zylinderköpfen 14 auf, die starr an dem Block 12 angebracht sind. Ein einzelner Zylinderkopf 14 könnte verwendet werden, ohne die Idee der Erfindung zu verändern. Darüber hinaus könnten der Block 12 und der Zylinderkopf eine Integralkonstruktion sein. Jeder der Zylinderköpfe weist eine darauf definierte Verbrennungsfläche 16 auf. Eine Einlaßsammelleitung 18 ist an einer Montagestirnseite 20 jedes Zylinderkopfes 14 angebracht, und eine Auslaßsammelleitung 22 ist an einer Montageoberfläche 23 jedes Zylinderkopfes 14 angebracht.
Der Block 12 weist eine Oberseite 26 mit einer Vielzahl von bearbeiteten bzw. gebohrten Zylinderbohrungen 28 darin auf, von denen nur ein Paar gezeigt ist. Als eine Alternative könnte der Block 12 eine Vielzahl von nicht gezeigten ersetzbaren Zylinderhülsen bzw. -auskleidungen aufweisen, die in den Bohrungen 28 positioniert sind, ohne die Idee der Erfindung zu verändern. Eine Kurbelwelle 32 mit einer Vielzahl von Kröpfungen 34 darauf ist drehbar innerhalb des Blocks 12 in herkömmlicher Weise positioniert. Eine Vielzahl von Verbindungsstangen bzw. Pleuelstangen 36 ist drehbar an der Kurbelwelle 32 und an einer Vielzahl von Kolben 38 in herkömmlicher Weise angebracht. Jeder der Kolben 38 in dieser Anwendung ist eine einteilige Konstruktion. Die Kolben 38 könnten eine zusammengesetzte bzw. mehrteilige Konstruktion sein, ohne die Idee der Erfindung zu verändern. Jeder Kolben 38 ist innerhalb einer jeweiligen Bohrung 28 in herkömmlicher Weise positioniert. Die Drehung der Kurbelwelle 32 bewirkt, daß die einzelnen Kröpfungen 34 den Kolben 38 innerhalb der Bohrung 28 um einen vorbestimmten Abstand bewegen. Die Drehung der Kurbelwelle 32 bewirkt, daß der Kolben 38 sich zur Verbrennungsfläche bzw. Brennfläche 16 des Zylinderkopfes 14 hinbewegt, und eine weitere Drehung der Kurbelwellenkröpfung 34 bewirkt, daß sich der Kolben 38 weg von der Verbrennungsfläche 16 bewegt. Wenn die Kröpfungen 34 eine Spitze 42 der Drehung erreicht, ist der Kolben 38 in der oberen Totpunkt (TDC = top dead center)-position 44. Wenn darauffolgend die Kröpfungen 34 eine Position um 180 Grad von der Spitze 42 weg erreicht, ist der Kolben 38 in einer unteren Totpunkt (BDC = bottom dead center)-position 46. Jede Kombination der Kröpfung 34, der Verbindungsstange 32 und des Kolbens 38 folgt einem ähnlichen Weg.
Wie am besten in Figur 2 gezeigt, weist der Zylinderkopf 14 weiter ein oberes Deck- bzw. eine obere Fläche 60 auf, die von der Verbrennungsfläche 16 um einen vorbestimmten Abstand beabstandet ist. Eine Vielzahl von Ventilbohrungen 62 erstreckt sich axial zwischen dem oberen Deck bzw. der oberen Fläche 60 und der Verbrennungsfläche 16 und eine Vielzahl von Einspritzvorrichtungsbohrungen 63 erstreckt sich axial zwischen dem oberen Deck und der Verbrennungsfläche 16. Die Vielzahl von Ventilbohrungen 62 besitzt einen vergrößerten Teil 64, der sich von der Brennfläche 16 zum oberen Deck 60 um einen vorbestimmten Abstand hin erstreckt. Eine Vielzahl von Einlaßdurchlässen 68 ist innerhalb des Kopfes 14 positioniert und sie stehen jeweils mit einem der vergrößerten Teile 64 und der Montagefläche 20 in herkömmlicher Weise in Verbindung. Weiter sind innerhalb des Kopfes 14 eine Vielzahl von Auslaßdurchlässen 72 positioniert, die jeweils eine Verbindung zwischen einem der vergrößerten Teile 64 und der Montagestimseite 23 herstellen. Die Einlaßdurchlässe 68 sind in Strömungsmittelverbindung mit einem Einlaßsammelleitungsdurchlaß 73, der in der Einlaßsammelleitung 18 positioniert ist, und die Auslaßdurchlässe 72 sind in Strömungsmittelverbindung mit einem Auslaßsammelleitungsdurchlaß 74, der in der Auslaßsammelleitung 22 positioniert ist.
Eine Zylinderkopfanordnung 75 weist ein Paar von Ventilen 76 auf, die innerhalb der Vielzahl von Bohrungen 62 positioniert sind, und die entfernbar im Zylinderkopf 16 in herkömmlicher Weise angebracht sind. Jedes des Paares von Ventilen 76 wird in der montierten Position in dichtendem Kontakt mit dem Kopf 16 durch herkömmliche Federmittel 84 gehalten und definiert eine geschlossene Position 86. Zumindest eines des Paares von Ventilen 76 ist ein Einlaßventil 88 und das andere des Paares von Ventilen 76 ist ein Auslaßventil 90. Das Paar von Ventilen 76 könnte ein einziges Einlaß- und Auslaßventil 88, 90 oder eine Kombination von mehreren Einlaß- und Auslaßventilen 88, 90 aufweisen. Jedes des Paares von Ventilen 76 wird unabhängig in eine offene Position 92 durch Mittel 94 zur elektronischen Öffnung jedes der Ventile 76 bewegt. In der offenen Position ist das Volumen innerhalb der Bohrung 28 in Strömungsmittelverbindung mit zumindest einem der Einlaßdurchlässe 68 und dem Einlaßsammelleitungsdurchlaß 73 oder mit den Auslaßdurchlässen 72 und dem Auslaßsammelleitungsdurchlaß 74. Innerhalb jeder der Einspritzvorrichtungsbohrungen 63 ist eine Brennstoffeinspritzeinheit 96 von herkömmlicher Konstruktion positioniert. Die Brennstoffeinspritzeinheit 96 wird auch durch die Mittel 94 zur Öffnung geöffnet. Als eine Alternative könnte irgendein herkömmliches Brennstoffsystem verwendet werden.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Mittel 94 zur unabhängigen Öffnung jedes der Ventile 76 eine gleiche Anzahl von piezo-elektrischen Motoren 100 auf, von denen nur einer gezeigt ist, obwohl es irgendeine von irgendeiner Anzahl von Bauarten sein könnte, wie beispielsweise Spulen bzw. Elektromagneten oder Voice-Coils bzw. Lautsprechermagneten. Der piezo-elektrische Motor 100, der in der Technik wohlbekannt ist, dehnt sich linear aus, nachdem er eine elektrische Erregung durch eine vorbestimmte Energiemenge erhalten hat, und zieht sich zusammen, wenn die elektrische Erregung beendet wird. Vanationen des Ausmaßes der elektrischen Erregung werden eine ähnliche Variation der linearen Ausdehnung des Motors 100 bewirken. Beispielsweise wird eine vollständige elektrische Erregung eine größere lineare Distanz bewirken als eine halbe elektrische Erregung. Im obigen Beispiel ist das Verhältnis der bewegten Distanz ungefähr 2 zu 1. Der Motor 100 ist in einem Piezo-Gehäuse 102 aufgenommen. Benachbart zum Piezo-Gehäuse 102 ist ein Kolbengehäuse 104 mit einem gestuften Hohlraum 106, in dem ein Antriebskolben 108, ein Verstärkungskolben 110 und eine Strömungsmittelkammer 112 dazwischen positioniert sind.
Der piezo-elektrische Motor 100 kann eine hohe Kraft in linearer Richtung erzeugen, jedoch ist seine lineare Ausdehnung viel geringer als die lineare Verschiebung bzw. Versetzung, die erforderlich ist, um das Paar von Ventilen 76 aus der geschlossenen Postion 86 in die offene Postion 92 zu bewegen. Daher sind der Antriebskolben 108, der Verstärkungskolben 110 und die Strömungsmittelkammer 112 vorgesehen, um die Linearverschiebung des Motors 100 in eine Linearverschiebung in der folgenden Weise zu übertragen und zu verstärken. Der Verstärkungskolben 110 ist viel kleiner bemessen als der Antriebskolben 108, da das hydraulische Verstärkungsverhältnis der linearen Verschiebung des Antriebskolben 108 mit Bezug auf die Linearverschiebung des Verstärkungskolbens 110 umgekehrt proportional zum Oberflächenverhältnis des Antriebskolbens 108 zum Verstärkungskolben 110 ist. Somit wird eine kleine Linearverschiebung des Motors 10 vergrößert, um eine beträchtlich größere Linearverschiebung des Verstärkungskolbens 110 zu erzeugen.
Ein elektronisches Steuersystem 119 ist mit den Öffnungsmitteln 94 verbunden und leitet ein Steuersignal 120 davon an die Öffnungsmittel 94, um funktionell den Motor in einem ersten vorbestimmten Logikmuster zu steuern, bei dem eines des Paares von Ventilen 76 während des Auslaßhubes geöffnet wird. Während des normalen Betriebes des Motors 10 beispielsweise werden die Auslaßventile 90 in die offene Position 92 während des Expansionshubes bewegt, wenn der Kolben 28 sich dem unteren Totpunkt 46 nähert und bleiben in der offenen Position 92 während des Auslaßhubes, während sich der Kolben 28 vom unteren Totpunkt 46 zum oberen Totpunkt 44 bewegt.
Das Motoransaugoptimierungssystem 11 weist Ansaugsteuermittel 121 auf, um zu bewirken, daß die Steuersignale an die Öffnungsmittel 94 in einem zweiten vorbestimmten Logikmuster ausgegeben werden, welches anders als das erste vorbestimmte Logikmuster ist, wobei somit ein optimaler Ansaug- und Verbrennungsbetriebszustand gebildet wird.
Die Ansaug- und Verbrennungssteuermittel 121 weisen das elektronische Steuersystem 119, das modifizierte Steuersignal 120 und eine Vielzahl von Motorsensoren 123 auf, die Informationen bezüglich der Motorbetriebszustände des Motors 10 weiterleiten, wie beispielsweise Temperatur, Umdrehungen pro Minute, Belastung, Luft-Brennstoff- Mischung, usw., und zwar in herkömmlicher Weise, wie beispielsweise durch Drähte oder Radio- bzw. Funksignale an einen Mikroprozessor 124. Der Mikroprozessor 124 verwendet eine vorprogrammierte Logik, um die Daten zu verarbeiten, die von den Sensoren 123 geliefert werden, und gibt basierend auf den Ergebnissen der Analyse das Steuersignal 120 aus, um Strom an die verschiedenen piezoelektrischen Motoren 100 zu liefern. Die Motoren 100 werden unabhängig voneinander betätigt und somit werden die Einlaßventile 88, die Auslaßventile 90 und die Brennstoffeinspritzeinheiten 96 unabhängig gesteuert, um optimale Zeitsteuerereignisse der Ventilöffnung und Brennstoffeinspritzung für verschiedene Betriebszustände des Motors 10 zu erzeugen.
Die Ansaugsteuermittel 121 weisen, um zu bewirken, daß das Steuersignal 120 an die Öffnungsmittel 94 ausgegeben wird, weiter eine Vorrichtung 126 auf, die zwischen einer Aus-Position 128 und einer An-Position 130 beweglich ist. Die Vorrichtung 126 wird automatisch betätigt, wenn die von den Sensoren 123 aufgezeichneten bzw. überwachten Bedingungen in den Mikroprozessor eingespeist werden und von ihm derart interpretiert werden, daß sie die Betätigung bzw. den Einsatz des optimalen Ansaugbetriebszustands erfordern. Als eine Alternative könnte die Vorrichtung 126 manuell betätigt werden.
Wie in Figur 3 gezeigt, ist die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Motors 10, der in den dieser Darstellung eine Vier-Takt-Fünf-Zylinder-Konfiguration besitzt, in Phase mit der Resonanz innerhalb des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73. Während des Einlaßhubes bewegt sich der Kolben 38 von der oberen Totpunktposition 44 bei ungefähr 360 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 auf ungefähr 540 Grad des unteren Totpunktes 46. Wie durch die durchgezogene Linie veranschaulicht beginnt das Einlaßventil 88, sich bei ungefähr 360 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 zu öffnen und ist bei ungefähr 400 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 vollständig geöffnet. Das Einlaßventil 88 bleibt in der vollständig offenen Position bis ungefähr 540 Grad Winkel der Kurbelwelle 32, beginnt sich zu schließen und wird bei ungefähr 580 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 geschlossen. Die Druckresonanz des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 ist zyklisch, wie von den gestrichtelten Linien gezeigt. Beispielsweise erreicht der Druck des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 ein Maximum bei ungefähr 330 Grad Winkel der Kurbelwelle 32, sinkt auf ein Minimum bei ungefähr 520 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 und steigt wieder auf ein Maximum bei ungefähr 580 Grad Winkel der Kurbelwelle 32.
Wie in Figur 4 gezeigt, ist die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Motors 10, der in dieser Darstellung eine Vier-Takt-Sechs-Zylinder-Konfiguration besitzt, außer Phase mit der Resonanz innerhalb des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73. Während des Einlaßhubes bewegt sich der Kolben 38 vom oberen Totpunkt 44 bei ungefähr 360 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 auf ungefähr 540 Grad des unteren Totpunktes 46. Wie von der durchgezogenen Linie veranschaulicht, beginnt das Einlaßventil 88, sich bei ungefähr 360 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 zu öffnen und ist vollständig bei ungefähr 400 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 geöffnet. Das Einlaßventil 88 bleibt in der vollständig geöffneten Position bis ungefähr 540 Grad Winkel der Kurbelwelle 32, beginnt sich zu schließen und wird bei ungefähr 580 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 geschlossen. Die Druckresonanz des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 ist zyklisch, wie von den gestrichelten Linien gezeigt. Beispielsweise erreicht der Druck des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 ein Minimum bei ungefähr 400 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 und steigt auf ein Maximum bei ungefähr 450 Grad Winkel der Kurbelwelle 32. Nach Erreichen des Maximaldruckes sinkt die zyklische Resonanz wieder auf ein Minimum.
Wie in Figur 5 gezeigt, ist die Resonanz des Motors 10, der in dieser Darstellung eine Vier-Takt-Sechs-Zylinder- Konfiguration aufweist, innerhalb des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 zur Verwendung bei verschiedenen Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen des Motors 10 geeignet. Während des Einlaßhubes bewegt sich der Kolben 38 vom oberen Totpunkt 44 bei ungefähr 360 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 auf ungefähr 540 Grad des unteren Totpunktes 46. Wie durch die durchgezogene Linie veranschaulicht, beginnt das Einlaßventil 88, sich bei ungefähr 360 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 zu öffnen und ist vollständig bei ungefähr 400 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 geöffnet. Das Einlaßventil 88 bleibt in der vollständig geöffneten Position bis ungefähr 440 Grad Winkel der Kurbelwelle 32, beginnt sich zu schließen, erreicht jedoch nicht die geschlossene Position und bewegt sich bei ungefähr 480 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 zurück in die vollständig geöffnete Position bei ungefähr 520 Grad Winkel der Kurbelwelle 32. Das Einlaßventil 88 bleibt in der vollständig geöffneten Position bis ungefähr 540 Grad Winkel der Kurbelwelle 32, wobei zu dieser Zeit das Einlaßventil 88 in die geschlossene Position bei ungefähr 580 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 bewegt wird. Die Druckresonanz des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 ist zyklisch, wie von den gestrichelten Linien gezeigt wird. Beispielsweise erreicht der Druck des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 ein Maximum bei ungfähr 340 Grad Winkel der Kurbelwelle 32, sinkt auf ein Minimum bei ungefähr 395 Grad Winkel der Kurbelwelle 32 und steigt wieder zyklisch auf ein Maximum bei ungefähr 460 Grad Winkel der Kurbelwelle 32.

Industrielle Anwendbarkeit

Im Gebrauch verwendet der Motor die Öffnungsmittel 94, um als Einheit jedes der Ventile 76 unabhängig zu betätigen. Die Öffnungsmittel 94 gestatten die Freiheit, die Ventilzeitsteuerung der Ereignisse bzw. Betätigungen des Paars von Ventilen 76 unabhängig von der Drehposition der Kurbelwelle 32 zu verändern. Die Öffnungsmittel 90 besitzen die Fähigkeit, jedes Paar von Ventilen 76 unabhängig zu betätigen, und die Ventilzeitsteuerflexibilität gestattet eine bessere Modulation des optimierten Ansaugsystems 11. Im Betrieb werden beispielsweise die Ansaugsteuermittel 121 aktiviert, da die Sensoren 123 den geeigneten Betriebszustand überwachen bzw. aufzeichnen, wie beispielsweise niedrige Drehzahl und/oder niedrige Belastung. Eine Kombination von Variablen, wie beispielsweise Wassertemperatur, Abgastemperatur und/oder Menge des unverbrannten Brennstoffes innerhalb des Abgases werden überwacht, um den geeigneten Betriebszustand einzurichten bzw. zu erkennen.
Das Ziel ist es, die Ansaugung bzw. Beatmung zum Zylinder oder zur Bohrung 28 und zwischen ihnen zu verbessern, was wiederum die Vermischung des Brennstoffes und der Luft und die Brennstoffausnutzung bzw. -einsparung verbessert, und was Emissionen verringert. Funktionell wird in dieser Anwendung das Einlaßventil 88 zwischen der geschlossenen Position 86 und der offenen Position 92 im zweiten vorbestimmten Logikmuster bewegt. Jedes Öffnen des Ventils 88 während des Einlaßhubes des Kolbens 28 gestattet es, daß der Kolben 28 einen Luftschluck bzw. Luftstoß aus dem Einlaßsammelleitungsdurchlaß 73 aufnimmt. Das intermittierende Öffnen 92 und Schließen 86 des Ventils 88 gestattet es, daß der Kolben 28 Schlücke bzw. Stöße bei vorbestimmten Intervallen aufnimmt. Die vorbestimmten Schlücke bzw. Stöße bewirken, daß die Luft innerhalb des Durchlasses 73 in einer vorbestimmten Weise bzw. einem vorbestimmten Modus pulsiert. Das gesteuerte Öffnen 92 und Schließen 86 des Ventils 88 wird verwendet, um gesteuerte harmonische sympathische bzw. helfende Vibrationen oder Druckwellen zu erzeugen, die verwendet werden, um die Luftmenge zu steigern, die in die jeweilige Bohrung 28 eingeleitet wird. Das Ventil 88 wird beispielsweise zum geeigneten Intervall bzw. Zeitpunkt geöffnet, wenn die Druckwelle sich zum Ventil 88 hinbewegt. Die Folge der Öffnung steigert die Luftmenge, die vom Schluck- bzw. Ansaugstoß des Kolbens 28 genommen wird, und zwar aufgrund des Anstiegs der Geschwindigkeit und des Volumens der Luft, die aus dem Durchlaß 73 gezogen wird.
Mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 wird der Mechanismus des Standes der Technik, der verwendet wird, um das Ansaugen des Motors zu optimieren, mit dem Motoransaugoptimierungssystem 11, wie graphisch in Figur 5 gezeigt, verglichen werden. Die Anordnung der mechanischen Komponenten, die in den Figuren 3 und 4 gezeigt sind, haben eine im allgemeinen feste Beziehung. Die Nockenwelle öffnet das Einlaßventil relativ zum Kurbelwellenwinkel bei ungefähr der gleichen Beziehung bzw. Lage während des Einlaßhubes. Somit nimmt der Kolben einen Luftschluck- bzw. -stoß aus der Einlaßsammelleitung auf, und eine vorbestimmte Resonanz wird innerhalb des Sammelleitungssystems aufgebaut. Die Konstruktion des Sammelleitungssystems, wie in Figur 3 gezeigt, ist derart, daß bei einer gegebenen Drehzahl, ungefähr 750 Umdrehungen pro Minute, die Resonanz eine hohe Welle oder einen Druck im Sammelleitungssystem erzeugt, und zwar entsprechend dem Intervall, bei dem das Einlaßventil während des Einlaßhubes schließt. Beispielsweise ist die graphische Darstellung des Einlaßventiles durch die durchgezogene Linie gezeigt, und die graphische Darstellung des Einlaßsammelleitungsdruckes ist durch die gestrichelte Linie gezeigt. Wie durch das Kreuzen der gestrichelten und der durchgezogenen Linie veranschaulicht, wird während des Spitzendrukkes innerhalb der Einlaßsammelleitung und des Schließens des Einlaßventils eine bessere Ladung bzw. Einspeisung von Einlaßluft in der Bohrung 28 auftreten. Die Konstruktion bzw. Fähigkeit des Einlaßsystems, die präzise Resonanz abhängig von der Zeitbeziehung zwischen dem Ventilöffnen und -schließen, der Kolbenbeziehung bzw. -lage, den Vibrationen innerhalb des Einlaßsystems und der präzisen Konfiguration des mechanischen Systems. Wie in Figur 4 gezeigt, sieht, wenn die Drehzahl des Motors zunimmt, die Resonanz innerhalb der präzisen Konfiguration des mechanischen Systems nicht die richtige Beziehung vor, um die Einlaßluft in die Bohrung zu leiten bzw. zu laden. Wie beispielsweise in Figur 4 graphisch gezeigt ist, tritt das Überkreuzen der druchgezogenen Linie, des Einlaßventils 88, während des Schließens des Einlaßventils 88 und der gestrichelten Linie des Druckes innerhalb des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 in einem Intervall auf, in dem der Druck des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 anders als auf einem Maximum ist. Somit sieht die mechanische Struktur, wie sie in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist, keine Resonanz im Einlaßsammelleitungsdurchlaß 73 vor, die über den gesamten Drehzahlbereich des Motors 10 verwendbar ist. Wie graphisch in Figur 5 gezeigt, sind die Öffnungsmittel 94, die die Freiheit gestatten, die Zeitsteuerung der Ereignisse bzw. Vorgänge der Ventile 76 unabhängig von der Drehposition der Kurbelwelle 32 zu verändern, geeignet, um in wirkungsvoller Weise die Funktionen des Motoransaugsystems 11 zu verbessern. Beispielsweise ist die Resonanz innerhalb des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 verändert worden, um der Drehzahl des Motors 10 zu entsprechen. Dieses Phänomen wird durch Variieren der Anhebung des Einlaßventils 88 während des Einlaßhubes durchgeführt. Wenn die Anhebung des Einlaßventils 88 verringert wird, und der Kolben weiter Luft ansaugt bzw. einläßt, wird die Geschwindigkeit der Luft vergrößert. Wenn die Anhebung des Einlaßventils 88 vergrößert wird und der Kolben weiter Luft einläßt, wird die Geschwindigkeit der Luft verringert. Somit verändert die andauernde Veränderung der Anhebung des Ventils 88 die Resonanz in der Einlaßsammelleitung. Als eine Folge der Veränderung der Anhebung des Ventils 88 wird die Resonanz innerhalb des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 verändert, um wirksam eine Resonanz zu erzeugen, bei der das Einlaßventil 88 simultan mit dem maximalen Druckimpuls innerhalb des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 schließt. Das Ansaug- und Verbrennungssystem 11 des Motors 10, welches die Öffnungsmittel 94 verwendet, macht diese Anpassung bzw. diesen Einsatz möglich. Wie beispielsweise in Figur 5 gezeigt, erzeugt, obwohl die Drehzahl des Motors 10 außer Phase mit der mechanischen Geometrie der Sammelleitung ist, die erzeugte bzw. eingeleitete Resonanz, die durch das Variieren des Öffnens und des teilweisen Schließens des Einlaßventils 88 erzeugt wird, eine höhere Frequenz innerhalb des Einlaßdurchlasses 73. Das Öffnen und teilweise Schließen des Ventils 88 verstärkt die Resonanz derart, daß wenn das Einlaßventil 88 schließt, der Druck innerhalb des Einlaßsammelleitungsdurchlasses 73 auf oder nahe seiner Spitze ist, was eine bessere Ladung bzw. Füllung der Bohrung 28 mit Einlaßluft zur Folge hat. Die Öffnungsmittel 94 können programmiert werden, um dieses Phänomen bei allen Drehzahlen des Motors 10 zu simulieren bzw. zu erzeugen, was das Ansaugen und die Verbrennung des Motors 10 verbessert.
Die vorliegende Erfindung sieht ein wirkungsvolles und kosteneffektives Motoransaug- und Verbrennungsoptimierungssystem 11 ohne Hinzufügung von teuren Mechanismen vor. Das elektronische Steuersystem 119 kann verwendet werden, um die Öffnungsmittel 94 zu aktivieren, um das herkömmliche erste vorbestimmte Logikmuster zu variieren, und um ein zweites vorbestimmtes Logikmuster oder einen variierten Betriebsmodus vorzusehen, und zwar abhängig von der Arbeitsumgebung. Die individuelle Betätigung des Paares von Ventilen 76 macht es möglich, die Öffnungsposition 92 und die Schließposition 86 der Ventile 76 unabhängig vom Winkel der Kurbelwelle 32 zu steuern. Somit kann ein wirksameres, kosteneffektiveres Motoransaugoptimierungssystem 11 verwendet werden.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1) Ansaugoptimiersystem (11) zur Verwendung mit einem Motor (10) der folgendes aufweist: einen Durchlaß (73, 74) in Verbindung stehend mit einem Paar von Bohrungen (28), einen Kolben (38) der während des Betriebs des Motors (10) beweglich innerhalb der entsprechenden Bohrungen (28) positioniert ist und zwar zwischen einer oberen Totpunktposition (44) und einer unteren Totpunktposition (46) unter Bildung eines Ansaughubs, ein Paar von Einlaß- oder Ansaugventilen (76) betriebsmäßig assoziiert bzw. zugeordnet zwischen dem Durchlaß (73, 74) und der entsprechenden Bohrung (28) und die Verbindungen zwischen dem Durchlaß (73, 74) und der entsprechenden Bohrung (28) steuernd mit einer geschlossenen Position (86) und einer offenen Position (92), wobei das Ansaugoptimiersystem (11) folgendes aufweist:

Mittel (94) zum Öffnen jedes der Ventile (76) unabhängig ansprechend auf den Empfang eines Steuersignals (120);

ein elektronisches Steuersystem (119) verbunden mit den Öffnungsmitteln (94) und die Steuersignale (120) an die Öffnungsmittel (94) ausgebend in einem ersten vorbestimmten Logikmuster während normalen Betriebs des Motors (10), wobei eines der Ventile des Paares von Ventilen(76) sich während des Einlaß- oder Ansaughubs in der im allgemeinen offenen Position (92) befindet; und

Ansaugsteuermittel (121) verbunden mit dem elektronischen Steuersystem (119) um die Ausgabe von diskreten Steuersignalen (120) an die Öffnungsmittel (94) in einem zweiten vorbestimmten logischen Muster zu bewirken, um die Arbeitsweise oder den Betrieb der Ventile (76) zu verändern, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsveränderung der Ventile in den zweiten vorbestimmten logischen Mustern derart vorgesehen ist, daß das Öffnen eines der Einlaßventile (76) assoziiert mit den entsprechenden Bohrungen (28) zyklisch während des Einlaßhubes verändert wird, um in effektiver Weise eine vorbestimmte Resonanz innerhalb des Durchlasses (73, 74) zu bewirken, um einen Anstieg des Flusses oder der Strömung in der entsprechenden Bohrung (28) zu bewirken, und zwar während der Bewegung des Kolbens (38) innerhalb der entsprechenden Bohrung (28) zwischen der oberen Totpunktposition (46) und der unteren Totpunktposition (44).

2) Ansaugsystem (11) nach Anspruch 1 wobei das zweite vorbestimmte Logikmuster den Betrieb der Ventile (76) abhängig von der Betriebsart des Motors (10) verändert.

3) Ansaugsystem (11) nach Anspruch 2 wobei das erste vorbestimmte Logikmuster und die erwähnte Öffnungsposition (92) der Ventile (76) eine vorbestimmte Anhebung besitzen.

4) Ansaugsystem (11) nach Anspruch 3 wobei das zweite vorbestimmte Logikmuster und die Öffnungsposition des Ventils (76) eine vorbestimmte Anhebung vorsehen, die kleiner ist als die Anhebung des ersten vorbestimmten Logikmusters,

5) Ansaugsystem (11) nach einem der Ansprüche 1-4 wobei die Öffnungsmittel (94) einen piezoelektrischen Motor (100) aufweisen.

6) Motor (10) mit einem Durchlaß (73, 76) der in Verbindung steht mit einem Paar von Bohrungen (28), mit einem Kolben (38) der während des Betriebs des Motors (10) innerhalb der entsprechenden Bohrung (28) beweglich zwischen einer oberen Totpunktposition (44) und einer unteren Totpunktposition (46) den Einlaßhub bildend beweglich positioniert ist, mit einem Paar von Einlaßventilen (76) betriebsmäßig assoziiert zwischen dem Durchlaß (73, 74) und der entsprechenden Bohrung (28) und zwar mit einer geschlossenen Position (86) und einer offenen Position (92), wobei ferner folgendes vorgesehen ist:

Mittel (94) zum Öffnen jedes der Ventile (76) unabhängig ansprechend auf den Empfang eines Steuersignales (120), ein elektronisches Steuersystem (119) verbunden mit den Öffnungsmitteln (94) um die Steuersignale (120) an die Öffnungsmittel (94) in einem ersten vorbestimmten Logikmuster während des normalen Betriebs des Motors (10) abzugeben, wobei eines der Ventile des Paares von Ventilen (76) in der Öffnungsposition (92) während des Einlaßhubs ist,

Ansaugsteuermittel (121) verbunden mit dem elektronischen Steuersystem (119) zum Bewirken, daß diskrete Steuersignale (120) an die Öffnungsmittel (94) in einem zweiten vorbestimmten Logikmuster abgegeben werden und zwar den Betrieb der Ventile (76) verändernd, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Betriebs der Ventile in dem zweiten vorbestimmten Logikmuster derart vorgesehen ist, daß das Öffnen eines der Einlaßventile (76) assoziiert mit der entsprechenden Bohrung (28) zyklisch während des Einlaßhubs verändert wird, um eine vorbestimmte oder zuvor festgelegte Resonanz innerhalb des Durchlasses (73, 74) zu bewirken, um einen Anstieg des Flusses oder der Strömung in die entsprechende Bohrung (28) zu bewirken und zwar während der Bewegung des Kolbens (38) innerhalb der entsprechenden Bohrung (28) zwischen der oberen Totpunktposition (46) und der unteren Totpunktposition (44).

7) Motor (10) nach Anspruch 6 wobei das zweite vorbestimmte Logikmuster den Betrieb des Ventils (76) verändert und zwar abhängig von der Betriebsart des Motors (10).

8) Motor (10) nach Anspruch 7 wobei das erste vorbestimmte Logikmuster und die Öffnungsposition (92) eine vorbestimmte oder zuvor festgelegte Anhebung besitzen oder vorsehen.

9) Motor (10) nach Anspruch 7 wobei das zweite vorbestimmte Logikmuster und die Öffnungsposition (92) des Ventils (76) eine vorbestimmte Anhebung besitzen, die kleiner ist als die Anhebung des ersten vorbestimmten Logikmusters.

10) Motor (10) nach Anspruch 7-9 wobei die Öffnungsmittel (94) einen piezoelektrischen Motor (100) aufweisen.

11) Verfahren zum Optimieren des Ansaugens eines Motors (10) mit einem Durchlaß (73, 74) der in Verbindung steht mit einem Paar von Bohrungen (28), mit einem Kolben (38) der während des Betriebs des Motors (10) innerhalb entsprechender Bohrungen (28) beweglich positioniert ist und zwar zwischen einer oberen Totpunktposition (44) in einer unteren Totpunktposition (46) unter Bildung eines Einlaßhubes, mit einem Paar von Einlaßventilen (76) die betriebsmäßig assoziiert sind zwischen dem Durchlaß (73, 74) und der entsprechenden Bohrung (28) und eine geschlossene Position (86) und eine offene Position (92) aufweisen, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:

a) Überwachen des Betriebszustandes des Motors (10);

b) Ausgeben eines Steuersignals (120) an Öffnungsmittel (94) in einem ersten vorbestimmten Logikmuster unter Bedingungen bei den sich der Motor (10) in einer im allgemeinen normalen Betriebsart befindet;

c) Ausgeben eines diskreten Steuersignals (120) an die Öffnungsmittel (94) in einem zweiten vorbestimmten Logikmuster;

d) Verändern des Betriebs der Ventile (76) assoziiert mit den entsprechenden Bohrungen (28); gekennzeichnet durch

e) zyklisches Verändern der Öffnung eines der Einlaß ventile (76) während des Einlaßhubs.

12) Verfahren zum Optimieren des Ansaugens eines Motors (10) nach Anspruch 11 wobei der Schritt des Veränderns des Betriebs der Ventile (76) assoziiert mit den entsprechenden Bohrungen (28) das Verändern einer Anhebung der Einlaßventile (88) umfaßt.