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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf Brennstoffeinspritzvorrichtungen und Gasaustauschventile
für Motoren
und insbesondere auf einen Zwei-Takt-Motor mit einem elektrisch
gesteuerten Mono-Ventil, welches mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung
integriert ist.
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Technischer
Hintergrund
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Ingenieure suchen dauernd nach Wegen
zur Verbesserung des Wirkungsgrades und der Leistung von Zwei-Takt-Motoren.
Verschiedene miteinander in Konflikt stehende Anforderungen an manche
Motoren haben unerwünschte
Raumeinschränkungen
bezüglich
des (der) Einlass- oder Auslassventile) mit sich gebracht genauso
wie das Vorsehen eines geeigneten Brennstoffeinspritzsystems. Im
Fall von Zwei-Takt-Motoren sieht eine ideale Spülkonfiguration einen "Durchfluss" oder einen "Uni-Fluss" vor, und zwar durch
Zugabe von Auslass- oder Einlassventilen in dem Kopf. Jedoch verursacht
das Hinzufügen des
Ventilstrangs in heutigen Zwei-Takt-Dieselmotoren zwei Probleme:
(1) gesteigerte Herstellungs- und Instandhaltungskosten; und (2)
einen Kompromiss zwischen der Lage des Ventils zum Atmen und der optimalen
Lage der Einspritzvorrichtung für
die Verbrennung.
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Zusätzlich zu den oben dargelegten
Problemen haben Diesel-Zwei-Takt-Freikolbenmotoren spezielle
Einschränkungen,
die eine Verbesserung benötigen.
Im allgemeinen kann die Leistungsdichte eines Freikolbenmotors gesteigert
werden durch Reduzierung der Motorgrösse in zwei Arten: (1) ein
kürzerer
Hub mit einer proportional gesteigerten Frequenz; und (2) ein reduzierter
Kolbendurchmesser mit einer gesteigerten Frequenz (begleitet durch
eine gesteigerte mittlere Kolbengeschwindigkeit). Die primäre Einschränkung für letzteres
ist der Einlassluftfluss oder die Spülung. Die leistungsdichten
Einschränkungen
des Freikolbenmotors könnten
deutlich überwunden
werden durch Vorsehen von Uni-Fluss- bzw. Uni-Flow-Spülvorteilen,
um höhere mittlere
Kolbengeschwindigkeiten zu gestatten.
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Bei vielen Motoren sind sowohl das
(die) Gasaustauschventil(e) als auch das Brennstoffeinspritzsystem
in ihrem Betrieb mit der Kolbenposition innerhalb des Motors gekoppelt.
Die Ingenieure haben erkannt, dass der Verbrennungswirkungsgrad und
die Gesamtmotorleistung verbessert werden kann durch Entkoppelung
des Betriebs des Brennstoffeinspritzsystems von der Position des
Kolbens im Motor. In dieser Hinsicht hat Caterpillar Inc. Peoria,
Illinois beträchtlichen
Erfolg gehabt, in dem hydraulisch betätigte, elektronisch gesteuerte
Brennstoffeinspritzvorrichtungen in Motoren vorgesehen wurden. Diese
Brennstoffeinspritzsysteme gestatten es einem Motorcomputer, eine
berechnete Brennstoffmenge, oft in einer vorbestimmten Art und Weise,
in den Brennraum zu einem Zeitpunkt einzuspritzen, der auf abgefühlten Betriebszuständen und
anderen Parametern basiert.
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Teilweise wegen der Verbesserungen,
die durch das Vorsehen von hydraulisch betätigten, elektronisch gesteuerten
Brennstoffeinspritzvorrichtungen beobachtet wurden, vermuten die
Ingenieure, dass weitere Verbesserungen der Leistung und des Wirkungsgrades
ebenfalls durch Entkoppelung von mindestens einem der Gasaustauschventile
von der Kolbenposition in einem Zwei-Takt-Motor erreicht werden
können.
Anders gesagt ist es auch wünschenswert,
dass mindestens eines der Auslass- oder Einlassventile elektronisch
gesteuert wird, um die Auslass- und Einlassteile des Motorzyklus
in unabhängigerer
und wirkungsvollerer Weise für
einen gegebenen Betriebszustand zu steuern.
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Die vorliegende Erfindung ist darauf
gerichtet, eines oder mehrere der obigen und andere Probleme zu überwinden,
genauso wie den Wirkungsgrad und die Leistung von Zwei-Takt-Motoren
im allgemeinen zu verbessern.
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US 2 280 386 A bezieht sich auf ein kombiniertes
Motorzylinderventil und eine Brennstoffeinspritzvorrichtung. Die
Ventilspindel erstreckt sich in einen stationären Brennstoffpumpzylinder,
und es gibt eine Leitung durch die Ventilspindel vom Pumpendruckraum
zum Einspritzventil, welches in dem Ventil kopf eingebaut ist, und
zur Einspritzdüse,
die sich durch deren Mitte erstreckt.
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US 2 179 278 A bezieht sich auf Dieselmotoren
und insbesondere auf einen Leistungszylinder, weiter auf einen Zylinderkopf
dafür,
in dem ein mittig angeordneter Anschluss ist, auf ein Ventil für den erwähnten Anschluss
mit einer Ausnehmung in der Stirnseite davon, wobei der innerste
Teil des Ventils in einer Ebene benachbart zur Innenfläche des
Zylinderkopfes ist, weiter auf Mittel zur Einspritzung von Brennstoff
durch das Ventil in die Ausnehmung, auf einen Kolben, der in dem
Zylinder betreibbar bzw. bewegbar ist, der eine Ausnehmung in seinem
Oberteil hat, wobei die Ausnehmungen einen Auslass besitzen, der
im wesentlichen von gleicher Fläche
bzw. von gleichem Querschnitt ist und wobei diese geeignet sind,
um miteinander zusammen zu arbeiten, um eine Vorbrennkammer zu bilden,
wenn der Kolben am Oberteil seines Hubes ist, und eine ringförmige Hauptbrennkammer,
die in der Wand des Zylinders und dem ringförmigen Teil des Oberteils des
Zylinders um die Ausnehmung im letzteren herum ausgebildet ist,
wobei die Verbindung zwischen den Kammern durch Material eingeschränkt ist,
wenn der Kolben auf dem oberen Todpunkt ist.
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US 4 809 655 A offenbart, dass ein Einlassventil
und eine Einspritzdüse
für einen
Dieselmotor mit einer Direkteinspritzung miteinander derart kombiniert
sind, dass sie eine einzige Einheit bilden. Der Brennstoff wird
für eine
direkte Einspritzung in der Mitte des Brennraums in dem Zylinderkopf
zerstäubt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist ein
Motor nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
können
aus den abhängigen
Ansprüchen gewonnen
werden.
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Weitere Details der vorliegenden
Erfindung werden aus einem Studium der folgenden Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Kombination mit den beigefügten
Figuren offensichtlicher.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine teilweise schematische Ansicht eines Motors und eines Brennstoffeinspritzsystems
gemäss
eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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2a–d zeigen
grafisch verschiedene Parameter, die die Kolbenposition, die Gasventilgliedposition
bzw. die Elektromagnetposition gegenüber der Zeit für einen
Zwei-Takt-Motor gemäss
eines beispielhaften Aspektes der vorliegenden Erfindung aufweist.
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3 ist
eine teilweise schematische geschnittene Seitenansicht eines Motors
und eines Brennstoffeinspritzsystems gemäss der vorliegenden Erfindung
während
eines Leistungsteils eines Motorzyklus.
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4 ist
eine schematische Ansicht ähnlich der 3, ausser dass sie den Kolben
an dem unteren Todpunkt zeigt, wenn dieser im Spülteil des Motorzyklus ist.
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5 ist
eine schematische Ansicht ähnlich der 3 und 4, die den Motor in dem Kompressions-
bzw. Verdichtungsteil des Motorzyklus zeigt.
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6 ist
eine schematische Ansicht ähnlich der 3–5,
ausser dass sie den Motor und das Brennstoffeinspritzsystem im Einspritzteil
des Motorzyklus zeigt.
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7 ist
eine diagrammartige teilweise schematische Ansicht eines Zwei-Takt-Freikolbenmotors
gemäss
eines anderen Ausführungsbeispiels der
vorliegenden Erfindung.
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Bester Weg zur Ausführung der
Erfindung
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Mit Bezug auf 1 weist ein Motor 10 ein integriertes
Brennstoffeinspritz- und
Zylinderventil 12 (integrierte Brennstoffeinspritz- und
Zylinderventilvorrichtung), das in einem Motorgehäuse 11 montiert ist.
In diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel
ist der Motor 10 als ein Zwei-Takt-Dieselmotor geeignet. Das
Motorgehäuse 11 definiert
einen zylindrisch geformten hohlen Kolbenhohlraum 14, der
von einem Einlassgasdurchlassweg 17 durch einen Ventilsitz 19 getrennt
ist. Eine Vielzahl von Auslassgasdurchlasswegen 16 öffnet sich
in dem hohlen Kolbenzylinder 14 an einer Vielzahl von Positionen,
die um die Mittellinie 5 herum verteilt sind. Wie in einem
herkömmlichen
Motor ist ein Kolben 15 in einem hohlen Kolbenhohlraum 14 positioniert
und ist durch eine (nicht gezeigte) Kurbelwelle zwischen einer unteren
Todpunktposition und einer oberen Todpunktposition bewegbar, wie
gezeigt. Die Auslassgasdurchlasswege 16 sind normalerweise
zur Brennkammer hin blockiert, die durch einen hohlen Kolbenhohlraum
im Kolben 15 gebildet wird, sie sind jedoch zu diesen offen,
wenn der Kolben 15 an seiner unteren Todpunktposition ist.
Die integrierte Brennstoffeinspritzvorrichtung und das Zylinderventil 12,
der hohle Kolbenzylinder 14 und der Kolben 15 haben
alle eine gemeinsame Mittellinie 5.
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Das integrierte Brennstoffeinspritz-
und Zylinderventil 12 verwendet eine hydraulische Betätigungsvorrichtung 46,
die vorzugsweise durch einen einzigen Elektromagneten 48 aktiviert
wird, um die Brennstoffeinspritzvorrichtung 45 zu steuern
und mit Leistung zu versorgen, genauso wie für die Bewegung des Mono-Gasventilgliedes 51.
Somit ist die hydraulische Betätigungsvorrichtung 46 sowohl
mit der Brennstoffeinspritzvorrichtung 45 als auch mit
dem Gasventil 51 gekoppelt. Das Mono-Gasventilglied 51 ist
ein Teil des Einspritzvorrichtungskörpers 50 und wird
durch die hydraulische Betätigungsvorrichtung 46 mit
Bezug auf einen restlichen Teil des Einspritzvorrichtungskörpers 50 bewegt,
um den hohlen Zylinderhohlraum 14 zum Einlassgasdurchlassweg 17 über dem
Ventilsitz 19 zu öffnen
und zu schliessen. Der hohle Kolbenhohlraum 14, der Kolben 15 und das
Gasventilglied 51 definieren die Brennkammer. Brennstoff
wird zu der integrierten Brennstoffeinspritzvorrichtung und dem
Zylinderventil 12 an einem Brennstoffeinlass 37 geliefert,
und Betätigungsströmungsmittel
mit geliefert, und Betätigungsströmungsmittel
mit relativ hohem Druck, wie beispielsweise Motorschmieröl, wird
zu der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 46 beim
Betätigungsströmungsmitteleinlass 27 geliefert.
Der Elektromagnet 48 ist an einem Steuerventil 61 (3) innerhalb des integrierten
Brennstoffeinspritz- und Zylinderventils 12 angebracht
und dies sind die Mittel, durch welche der Betätigungsströmungsmitteleinlass 27 geöffnet und geschlossen
wird. Wiederum wird die Aktivierung des Elektromagneten 48 durch
ein herkömmliches
elektronisches Steuermodul 40 über eine Kommunikationsleitung 42 gesteuert.
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Der Betätigungsströmungsmitteleinlass 27 empfängt Betätigungsströmungsmittel
mit relativ hohem Druck über
dem Versorgungsdurchlass 25, der mit einer Hochdruckpumpe 24 verbunden
ist. Eine Zirkulationspumpe 22 mit relativ niedrigem Druck zieht
Niederdruckbetätigungsströmungsmittel
von dem Reservoir 20 in den Zirkulationsdurchlass 21 und
auf die Hochdruckpumpe 24 über den Betätigungsströmungsmittelversorgungsdurchlass 23.
Das elektronische Steuermodul 40 steuert die Grösse des Betätigungsströmungsmitteldruckes
durch Steuerung der Hochdruckpumpe 24 über die Kommunikations- bzw.
Verbindungsleitung 41. Durch Steuerung des Druckes des
Betätigungsströmungsmittels
wird ein zusätzliches
Steuerungselement über
das integrierte Brennstoffeinspritz- und Zylinderventil 12 erreicht.
Nach der Ausführung
der Arbeit innerhalb der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 46 wird
das Betätigungsströmungsmittel
zum Reservoir 20 über einen
Betätigungsströmungsmittelrückleitungsdurchlass 26 zurückgeleitet.
Der Fachmann wird erkennen, dass irgend ein geeignetes Strömungsmittel
verwendet werden könnte,
um die hydraulische Betätigungsvorrichtung 46 mit
Leistung zu versorgen, welches Schmieröl, Brennstoffströmungsmittel,
Kühlströmungsmittel
usw. mit einschliesst jedoch nicht darauf eingeschränkt ist.
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Brennstoff wird zu der Brennstoffeinspritzvorrichtung 45 über einen
Brennstoffversorgungsdurchlass 35 geliefert, der an einem
Ende mit dem Brennstoffeinlass 37 verbunden ist, und der
an seinem anderen Ende mit einer Brennstoffzirkulationspumpe 34 verbunden
ist. Die Brennstoffzirkulations pumpe 34 zieht Brennstoff
vom Brennstofftank 30 entlang des Brennstoffzirkulationsdurchlasses 31 durch
Brennstoffilter 32 und schliesslich in die Pumpe 34 über den
Brennstoftversorgungsdurchlass 33. Irgendwelcher Brennstoff,
der während
des regulären Betriebszyklus
des integrierten Brennstoffeinspritzsteuerventils 12 nicht
verwendet wird, wird zum Brennstofftank 30 über den
Brennstoffrückleitungsdurchlass 36 zurückzirkuliert.
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Mit Bezug auf 3 weist das sich nach innen öffnende
Ventilsystem einen Ventilteil 86 des Gasventilgliedes 51 auf,
der in dem hohlen Kolbenhohlraum 14 positioniert ist. Während der
Verbrennungs- und Einspritzereignisse wird die Ventilkontaktfläche 85 im
Kontakt mit dem Ventilsitz 19 gehalten, um den Brennraum
von dem Einlassgasdurchlassweg 17 zu isolieren. Ebenfalls
wie bei einem herkömmlichen
Ventilsystem dient der Kompressions- bzw. Verdichtungs- und Verbrennungsdruck,
der auf die Verschlussdruckfläche 84 des
Gasventilgliedes 51 wirkt, dazu, dieses während der
Verdichtungs- und Verbrennungsereignisse geschlossen zu halten. Das
Gasventilglied 51 ist normalerweise zu einer geschlossenen
Position hin vorgespannt, wie in 3 gezeigt,
und zwar durch ein Strömungsmittel
mit niedrigerem Druck, der auf eine Gasventilrückstellschulter 59 wirkt,
die innerhalb der Gasventilvorspannkammer 53 positioniert
ist.
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Die restlichen Teile der inneren
Struktur des integrierten Brennstoffeinspritzund Steuerventils 12 sind
im wesentlichen ähnlich
wie bei den hydraulisch betätigten,
elektronisch gesteuerten Brennstoffeinspritzvorrichtungen der Bauart,
die von Caterpillar Inc., Peoria, Illinois hergestellt wird, und
die im Detail in zahlreichen herausgegebenen Patenten beschrieben
wurde. Trotzdem weist der Einspritzvorrichtungskörper 50 eine Betätigungsströmungsmitteleinlassleitung
60 auf, die sich an einem Ende zum Betätigungsströmungsmitteleinlass 27 öffnet, der
in 1 gezeigt ist. Ein
elektromagnetbetätigtes
Steuerventil 61 ist zwischen der Betätigungsströmungsmitteleinlassleitung 60 und
dem Betätigungsströmungsmittelhohlraum 65 positioniert.
Das elektromagnetbetätigte Steuerventil 61 ist
an dem Elektromagneten 48 angebracht und wird von diesem
bewegt. Wenn der Elektromagnet aktiviert wird, bewegt sich das Steuerventil 61 zu
einer ersten Position, in der die Betätigungsströmungsmitteleinlassleitung 60 zum
Betätigungsströmungsmittelhohlraum 65 über dem
Verbindungsdurchlass 63 offen ist. Das Steuerventil 61 ist
normalerweise zu einer zweiten Position über irgend welche herkömmlichen
Mittel vorgespannt, wie beispielsweise durch eine (nicht gezeigte)
Feder, so dass der Betätigungsströmungsmittelhohlraum 65 mit
dem Ablaufdurchlass 62 über
Verbindungsdurchlässe 63 und 64 verbunden
ist. Wiederum mit Rückbezug
auf 1 ist der Ablaufdurchlass 62 an
der Aussenfläche
des Einspritzvorrichtungskörpers 50 mit
dem Betätigungsströmungsmittelrückleitungsdurchlass 26 verbunden.
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Ein Verstärkerkolben 66 ist
in dem Betätigungsströmungsmittelhohlraum 65 positioniert
und ist bewegbar zwischen einer zurückgezogenen Position, wie in 3 gezeigt, und einer vorgeschobenen Position,
wie in 4 gezeigt. Der
Verstärkerkolben 66 weist
eine obere hydraulische Oberfläche 67 auf, auf
die ein Strömungsmitteldruck
wirkt, der innerhalb des Betätigungsströmungsmittelhohlraums 65 vorhanden
ist. Das Betätigungsströmungsmittelsteuerventil 61 zusammen
mit dem Betätigungsströmungsmittelhohlraum 65 und
dem Verstärkerkolben 66 genauso
wie die assoziierten Durchlasswege bilden die hydraulische Betätigungsvorrichtung 46 gemäss der vorliegenden
Erfindung.
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Das Gasventilglied 51 weist
eine Stösselbohrung 70 auf,
in der sich ein Stössel 68 zwischen einer
vorgeschobenen Position und einer zurückgezogenen Position hin und
her bewegt. Der Stössel 68 ist
mit der Unterseite des Verstärkerkolbens 66 so verbunden,
dass beide zu ihren jeweiligen zurückgezogenen Positionen durch
eine Rückstellfeder 69 vorgespannt
sind. Der untere Teil der Stösselbohrung 70 ist
eine Öffnungsdruckfläche 54 für das Gasventilglied 51.
Die Öffnungsdruckfläche 54 ist
in Beziehung zur Verschlussdruckfläche 84 so bemessen,
dass das Gasventilglied 51 sich zu seiner offenen Position bewegen
wird, wie in 4 gezeigt,
wenn der Brennstoffdruck, der auf die Öffnungsdruckfläche 54 wirkt, ausreicht,
um irgend eine Gegenkraft zu überwinden, die
aus dem Gasdruck resultiert, der auf die Verschlussdruckfläche 84 innerhalb
des hohlen Kolbenhohlraums 14 wirkt. Diese zwei Druckflächen sind
so bemessen, dass sich das Gasventilglied 51 nur in seine
offene Position bewegen kann, wenn der Druck innerhalb des hohlen
Kolbenhohlraums 14 auf seinem relativ niedrigen Gasaustauschdruck
ist. Wenn der Druck innerhalb des hohlen Kolbenhohlraums auf seinem
relativ hohen Kompressionsdruck oder auf dem noch höheren Verbrennungsdruck
ist, sind die Druckflächen 54 und 84 so
bemessen, dass das Gasventilglied 51 sich nicht in seine
offene Position bewegen kann. Wie zuvor bemerkt, ist das Gasventilglied 51 zu
seiner geschlossenen Position nur durch den relativ niedrigen Druck
vorgespannt, der in dem Ablaufdurchlass 62 vorhanden ist,
der mit der Gasventilvorspannkammer 53 über einen Vorspannverbindungsdurchlass 71 verbunden
ist. Es ist wichtig zu bemerken, dass die Laufdistanz des Kolbens 66 von seiner
zurückgezogenen
Position zu seiner vorgeschobenen Position derart ist, dass dieser
in Kontakt mit dem unteren Anschlag ist, wenn das Gasventilglied 51 in
seiner offenen Position ist. Diese Laufdistanz verhindert irgendeine
weitere Bewegung des Verstärkerkolbens 66,
so dass kein Brennstoff in den hohlen Kolbenzylinder 14 eingespritzt
wird, wenn das Gasventilglied 51 in seiner offenen Position
ist.
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Wenn der Gasdruck innerhalb des hohlen Kolbenhohlraums 14,
der auf die Verschlussdruckfläche 84 wirkt,
ausreicht, um das Gasventilglied 51 geschlossen zu halten,
verhalten sich die restlichen Teile des integrierten Brennstoffeinspritz-
und Steuerventils 12 im wesentlichen wie eine hydraulisch
betätigte
Brennstoffeinspritzvorrichtung. Insbesondere definieren der Stössel 68,
die Stösselbohrung 70 und die Öffnungsdruckfläche 54 alle
eine Brennstoffdruckkammer 75, die mit einer Düsenkammer 76 über einen
Düsenversorgungsdurchlass 77 verbunden
ist. Wiederum ist die Düsenkammer 76 zum
Düsenauslass 80 offen,
der sich direkt in dem hohlen Kolbenzylinder 14 öffnet. Es
ist wichtig zu bemerken, dass der Düsenauslass 80 vorzugsweise
an der ungefähren
Mitte des Ventilteils 86 und des hohlen Kolbenhohlraums 14 positioniert
ist, um die Verbrennung zu optimieren.
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Ein Nadelventilglied 55 ist
innerhalb des Gasventilgliedes 51 positioniert und ist
bewegbar zwischen einer Einspritzposition, in der die Düsenkammer 76 zum
Düsenauslass 80 hin
offen ist, und einer blockierten Position, in der die Düsenkammer 76 zum
Düsenauslass 80 hin
abgeblockt ist. Vorzugsweise bewegen sich das Nadelventilglied 55,
das Gasventilglied 51 und der Kolben 15 alle entlang
einer gemeinsamen Mittellinie 5. Das Nadelventilglied 55 ist
normalennreise zu seiner blockierten Position durch eine Nadelrückstellfeder 79 vorgespannt,
er kann sich jedoch zu seiner Einspritzposition bewegen, wenn der
Brennstoffdruck, der auf die hydraulische Hubfläche 56 wirkt, einen
ausreichenden Ventilöffnungsdruck
erreicht, um die Nadelrückstellfeder 79 zu überwinden.
Wie bei einer herkömmlichen Brennstoffeinspritzvorrichtung
ist der Ventilöffnungsdruck
zwischen einem relativ niedrigen Brennstoffversorgungsdruck und
einem relativ hohen Einspritzdruck. Es ist wichtig zu bemerken,
dass die Grösse des
Brennstoffdruckes, die nötig
ist, um das Gasventilglied 51 in seine offene Position
zu bewegen, beträchtlich
niedriger ist als der Ventilöffnungsdruck, der
nötig ist,
um das Nadelventilglied 55 in seiner Einspritzposition
zu heben. Somit sind die Öffnungsdruckfläche 54,
die Verschlussdruckfläche 84 und
die hydraulische Hubfläche 56 alle
relativ zueinander bemessen, und entsprechende Laufdistanzen der
Komponenten sind derart definiert, dass: (1) Brennstoff nicht in
den hohlen Zylinderhohlraum 14 eingespritzt wird, wenn
das Gasventilglied 51 in seiner offenen Position ist; dass
(2) nur entweder das Gasventilglied 51 oder das Nadelventilglied 55 bewegt
werden, wenn die hydraulische Betätigungsvorrichtung 46 aktiviert
ist; dass (3) das Gasventilglied 51 geschlossen bleibt,
wenn der Druck in dem hohlen Zylinderhohlraum 14 relativ
hoch während
der Kompression und der Verbrennung ist; und dass (4) das Nadelventilglied 55 in
seiner Einspritzposition nur dann angehoben werden kann, wenn das
Gasventilglied 51 in seiner geschlossenen Position durch
den hohen Druck innerhalb des hohlen Kolbenhohlraums 14 gehalten wird.
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Mit Bezug auf 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung in Form eines Zwei-Takt-Freikolbenmotors 110 veranschaulicht.
Viele der Merkmale des Motors 110 sind jenen Merkmalen ähnlich,
die schon mit Bezug auf den Kurbelwellenmotor besprochen wurden.
Diese Merkmale weisen das integrierte Brennstoffeinspritz- und Zylinderventil 12 auf,
genauso wie die Brennstoffzirkulationssysteme, und identische Bezugs
zeichen werden verwendet, um diese Merkmale zu identifizieren. Es
wird Bezug auf die frühere
Beschreibung für
eine Besprechung dieser identischen Merkmale genommen.
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Der Freikolbenmotor 110 weist
ein Motorgehäuse 113 auf,
welches einen hohlen Kolbenhohlraum 114 definiert, innerhalb
dem ein Kolben 115 positioniert ist, um sich zwischen einer
unteren Position, wie gezeigt, und einer oberen Position zu bewegen. Das
Motorgehäuse 113 definiert
einen Einlassgasdurchlassweg 117, der sich in dem hohlen
Kolbenhohlraum 114 öffnet,
wenn der Kolben 115 an seiner unteren Position ist, wie
gezeigt, wird jedoch zum Brennraum abgeblockt, wenn der Kolben 115 sich
zu seiner oberen Position bewegt. Obwohl dies in dieser Ansicht
nicht sichtbar ist, gibt es vorzugsweise mehrere Einlassgasdurchlasswege,
die um die gemeinsame Mittellinie 105 verteilt sind. Das
Motorgehäuse 113 weist
auch einen Auslassgasdurchlassweg 116 auf, der abwechselnd
zum hohlen Kolbenhohlraum 114 durch das Gasventilglied 51 geöffnet und
geschlossen wird. Bei jeder Hin- und Herbewegung des Kolbens 115 wird
frische Luft in den Frischlufthohlraum 125 gezogen, und
zwar über
das Einweg-Ventil 135 und durch den Lufteinlassdurchlass 139.
Diese Luft wird innerhalb des Frischlufthohlraums 125 komprimiert,
wenn der Kolben 115 sich zu seiner unteren Position bewegt.
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An dem Kolben 115 ist ein
Arbeitsstössel 111 angebracht,
der einen vergrösserten
Teil 112 aufweist. Wenn sich der Kolben 115 von
seiner oberen Position zu seiner unteren Position bewegt, wie gezeigt,
wird ein Strömungsmittel,
wie beispielsweise Schmieröl,
innerhalb der Pumpenkammer 118 komprimiert und in den Hochdruck-Akkumulator 120 über das
Einwegventil 121 gedrückt.
Ein Teil des Hochdruckströmungsmittels
in dem Akkumulator 120 wird zu der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 46 über den
Betätigungsströmungsmittelversorgungsdurchlass 123 geliefert.
Ein anderer Teil des Hochdruckströmungsmittels in dem Akkumulator 120 wird
zu der Hochdruckleitung 122 geliefert, wo es Arbeit mit einem
gewissen Teil der (nicht gezeigten) Maschinerie ausführt.
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Das elektronische Steuermodul 40 steuert nicht
nur die Aktivierung des integrierten Brennstoffeinspritz- und Zylinderventils 12,
sondern steuert die Einleitung der Bewegung des Kolbens 115 durch Steuerung
des Kompressions- bzw. Verdichtungsstarterventils 153 über eine
herkömmliche
Kommunikationsleitung 142. Wenn das Kompressionsstarterventil 153 angewiesen
wird, sich zu öffnen,
fliesst Strömungsmittel
mit mittlerem Druck von dem Kompressionsdruckakkumulator 150,
um auf den vergrösserten
Teil 112 des Arbeitsstössels 111 zu
wirken. Dies beginnt, den Arbeitsstössel 111 und den Kolben 115 nach
links zu bewegen, bis sich der vergrösserte Teil 112 über die
offene Leitung 151 bewegt, um den Fluss des Strömungsmittels
mit mittlerem Druck von dem Kompressionsdruckakkumulator 150 zu
steigern. Der Strömungsmitteldruck
innerhalb des Druckakkumulators 150 ist vorzugsweise hoch genug,
um den Kolben 115 in seine obere Position zu drücken, um
die frische Luft für
ein darauf folgendes Verbrennungsereignis zu komprimieren. Wenn
der Kolben 115 sich nach rechts bewegt, wird ein Teil des Strömungsmittels
in den Kompressionsakkumulator 150 durch eine offene Leitung 151 zurückgeleitet,
genauso wie über
ein Einweg-Ventil 152. Irgendwelche Strömungsmitteldruckverluste in
den Druckakkumulator 150 können in einer in der Technik
bekannten Weise aufgefangen bzw. nachgefüllt werden, wie beispielsweise
durch eine (nicht gezeigte) Pumpe oder eine Strömungsmittelverbindung zwischen
dem Akkumulator 150 und dem Hochdruck-Akkumulator 120.
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Bei jeder Hin- und Herbewegung des
Kolbens 115 und des Arbeitsstössels 111 wird Strömungsmittel
erneut in die Arbeitskammer 118 von einem Niederdruckakkumulator 130 über das
Einweg-Ventil 131 zurückgeliefert.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Mit Bezug auf die 2–6 wird der Betrieb der Motoren 10 und 110 im
allgemeinen für
einen Zwei-Takt-Dieselmotor veranschaulicht. Die vertikal gestrichelten
Linien der 2a–d veranschaulichen wo
die Aufnahmedarstellungen der 3–7 während des Motorzyklus aufgenommen
sind. 3 zeigt den Motor,
wo der Kolben 15 sich während
des Leistungsteils des Motorzyklus zu seiner unteren Todpunktposition
bewegt. Wenn der Kolben weiter seine Abwärtsbewegung zu seiner unteren
Todpunktposition fortsetzt, werden die Auslassdurchlasswege 16 geöffnet, und
der restliche Druck innerhalb des Brennraums wird abgelassen, und
eine wesentliche Menge von verbrannten Gasen entweicht durch den
Auslassdurchlassweg 16. Im Fall des in 7 gezeigten Freikolbenmotors öffnet sich
das Mono-Ventil zuerst, weil in diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel der
Auslassdurchlass 116 durch das Mono-Ventil 51 geöffnet und
geschlossen wird und nicht durch den Kolben wie im ersten Ausführungsbeispiel.
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Wenn der Kolben 15 seine
Bewegung fortsetzt und seine untere Todpunktposition erreicht, wird der
Elektromagnet 48 erregt, und das Mono-Ventil 51 wird
zu seiner offenen Position bewegt, um den Einlassdurchlass 17 zum
Brennraum zu öffnen.
Während
dieses Spülteils
des Motorzyklus wird Frischluft in den hohlen Kolbenhohlraum in
einer einzigen Flussrichtung (uniflow) geleitet, so dass die restlichen
verbrannten Abgase durch den Auslassdurchlass 16 ausgestossen
werden. Im Fall des Freikolbenmotors 110 der 7 wird die komprimierte Frischluft
in dem Frischlufthohlraum 125 in den hohlen Kolbenhohlraum 114 abgelassen,
um irgendwelche restlichen Abgase über das Mono-Ventil 151 in den
Auslassdurchlassweg 116 zu drücken, um den Hohlraum 115 mit
frischer Luft für
den nächsten
Verdichtungs/Verbrennungszyklus zu füllen. Der Spülluftfluss
ist von oben nach unten in dem in den 1–3 und 3–6 veranschaulichten Ausführungsbeispiel,
während
der Spülluftfluss
von unten nach oben in dem in 7 gezeigten
Freikolbenmotor ist. Der Grund ist, dass die Einlass- und Auslassdurchlasswege
in den zwei Beispielen umgekehrt sind. Dies veranschaulicht, dass
das Mono-Ventil
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um entweder einen
Einlassgasdurchlassweg zu öffnen
und zu schliessen, wie bei dem ers ten Motor 10 oder als Auslassgasdurchlassweg
in dem Freikolbenmotor 110, der in 7 gezeigt ist.
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Mit Bezug auf 5 bewegt sich der Kolben in dem Verdichtungsteil
des Motorzyklus nach oben, nach dem die Spülung vollendet wurde. Diese
Bewegung schliesst den Auslassdurchlass 16. Zur gleichen
Zeit wird der Elektromagnet entregt, um das Mono-Ventil 51 zu
schliessen. Somit wird während dieses
Teils des Motorzyklus der Brennraum innerhalb des hohlen Kolbenhohlraums 14,
oder 114 im Fall des Motors 110, geschlossen,
und Druck baut sich auf, was schliesslich zu dem Einspritzereignis führt, welches
in 6 veranschaulicht
ist.
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Wenn der Kolben auf oder nahe seiner
oberen Todpunktposition ist, wie in 6 gezeigt,
wird der Elektromagnet wiederum erregt, um das Einspritzereignis
einzuleiten. Weil der Druck innerhalb des Brennraums relativ hoch
ist, ist der hohe Druck, der auf die Verschlussdruckfläche 84 wirkt,
ebenfalls hoch, und somit kann sich das Mono-Ventil 51 nicht in
seine offene Position bewegen. Statt dessen bewirkt die Abwärtsbewegung
des Kolbens 66, dass sich Brennstoffdruck innerhalb der
Brennstoffdruckkammer 75 aufbaut. Schliesslich erreicht
dieser Brennstoffdruck einen Ventilöffnungsdruck, der ausreicht,
um das Nadelventilglied 55 gegen die Wirkung der Rückstellfeder 79 anzuheben,
was bewirkt, dass das Brennstoffeinspritzereignis beginnt.
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Dieses Brennstoffeinspritzereignis
wird beendet durch Entregung des Elektromagneten, um das Steuerventil 61 zu
schliessen, so dass der Betätigungsströmungsmitteldruck
auf der Oberseite 67 des Verstärkerkolbens 66 entlastet
wird. Wenn der Strömungsmitteldruck
in dem Betätigungsströmungsmittelhohlraum 65 entlastet
wird, fällt
der Brennstoffdruck innerhalb der Brennstoffdruckkammer 75 schliesslich
unter einen Ventilöffnungsdruck. Dies
hat zur Folge, dass sich das Nadelventilglied 55 zurück zu seiner
blockierten Position unter der Wirkung der Vorspannfeder 79 bewegt,
um das Einspritzereignis zu beenden.
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Während
des abwärts
gerichteten Leistungshubes des Kolbens 15 werden der Verstärkerkolben 66 und
der Stössel 68 zu
ihren jeweiligen zurückgezogenen
Positionen unter der Wirkung der Rückstellfeder 69 zurückgestellt.
Dies stellt das integrierte Brennstoffeinspritz- und Mono-Ventil 12 für den nächsten Spülteil des
Motorzyklus zurück.
Wenn der Leistungshub nahezu vollendet ist und ein darauf folgender
Spülteil
des Motorzyklus beginnt, wird der Elektromagnet wieder erregt, und
das Hochdruckbetätigungsströmungsmittel
fliesst in den Betätigungsströmungsmittelhohlraum 65,
um wiederum auf den Verstärkerkolben 66 zu
wirken. Dies setzt wiederum Brennstoff in der Brennstoffdruckkammer 75 unter Druck.
Weil jedoch der Druck innerhalb des Brennraums niedriger ist, kann
sich das Mono-Ventil 51 zu seiner offenen Position bewegen,
da der Druck, der auf die Öffnungsdruckfläche 54 wirkt,
grösser
ist, als die restliche Druckkraft, die auf die Verschlussdruckfläche 84 innerhalb
des Brennraums wirkt. Somit bewegt sich das Mono-Ventil 51 zu
seiner offenen Position, und der nächste Spülteil des Motorzyklus beginnt.
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Das integrierte Brennstoffeinspritz-
und Mono-Zylinderventil der vorliegenden Erfindung spricht verschiedene
hauptsächliche
Probleme an, die bei Konstruktionen von Zwei-Takt-Motoren existieren. Zuerst
werden in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sowohl das Mono-Ventil als auch die Brennstoffeinspritzvorrichtung
elektronisch gesteuert, so dass die Betätigung von beiden Untersystemen
unabhängig
von der Kolbenposition erreicht werden kann. Dies ermöglicht,
dass der Betrieb des Motors für
verschiedene Betriebszustände
und andere Umweltfaktoren optimiert werden kann. Zusätzlich kann
durch Ausnutzung von Druckbedingungen, die in dem hohlen Kolbenzylinder
vorhanden sind, das Mono-Ventil und die Brennstoffeinspritzvorrichtung
unabhängig voneinander
betätigt
werden, da ihre jeweiligen Betätigungsvorgänge während unterschiedlicher
Teile des Motorbetriebszyklus auftreten. Die Konstruktion des Mono-Ventils
eliminiert auch die in Konflikt stehenden räumlichen Anforderungen der
Untersysteme der Brennstoffeinspritzvorrichtung und der Ventile.
Anders gesagt gestattet dies, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung
an einer optimalen zentralen Stelle in der Brennkammer gelegen ist,
und zwar ohne dass ein Kompromiss bezüglich der Anordnungen der Einlässe und
des Ventils nötig
sind, die für die
Motorbeatmung nötig
sind. Das Mono-Ventil sieht auch einen relativ grossen Flussquerschnitt
vor und eliminiert somit die Notwendigkeit für Kolbenventiltaschen und andere
Kompromisse in der Brennkammer eines druckgezündeten Dieselmotors. Der Fachmann
wird erkennen, dass einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung
immer noch beibehalten werden könnten,
wenn eine herkömmliche
Nockenbetätigungsvorrichtung
für die
bevorzugte hydraulische Betätigungsvorrichtung
eingesetzt würde,
die in den Zeichnungen veranschaulicht ist.
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Das Vorsehen des Mono-Ventils in
einem Kompressions- bzw. druckgezündeten Zwei-Takt-Motor sieht
auch eine ideale Spülkonfiguration
vor, in dem ein Durchfluss oder ein Uni-Fluss bzw. Fluss in einer
Richtung durch Hinzufügen
von entweder dem Auslass- oder dem Einlassdurchlassweg in dem Kopf
erzeugt wird. Zusätzlich
sorgt die Integration des Mono-Ventils in einer Brennstoffeinspritzvorrichtung
für die
Vorteile einer Uni-Flow-Spülung
bzw. Spülung
in einer Richtung bei niedrigeren Herstellungskosten und einer geringeren
Teilezahl als gegenwärtige
Zwei-Takt-Uni-Flow-Konstruktionen erreichen können, und zwar ohne einen Kompromiss bezüglich der
Lage des Ventils und der Einspritzvorrichtung. In dem Fall eines
Zwei-Takt-Freikolbenmotors
kann die Leistungsdichte durch Anwendung eines Mono-Ventils gesteigert
werden, da die Uni-Flow-Konstruktion die Anwendung eines kürzeren Kolbenhubes
möglich
macht genauso wie eines verringerten Kolbendurchmessers, und zwar
ohne eine Abnahme der Leistungsausgabe aus dem Motor. Zusätzlich können beide
dieser Vorteile bei geringeren Kosten als bei gegenwärtigen Konstruktionen erreicht
werden. Insbesondere gestattet das Ventil und der Kopf, dass ein
voller Umfang für
eine Anschlusswirkung bzw. Anschlussanordnung mit einziger Funktion
(Auslass oder Einlass) verfügbar
ist, was somit die Hublänge
verringert, die erforderlich ist, um einen ordnungsgemässen Anschlussflussquerschnitt
zu erreichen. Zusätzlich
gestattet die verbesserte Uni-Flow-Spülung höhere mittlere Kolbengeschwindigkeiten.
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Der Fachmann wird die zahlreichen
Modifikationen und alternativen Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung erkennen, die im Hinblick auf die vorangegangene Beschreibung
offensichtlich werden. Beispielsweise könnte die vorliegende Erfindung
entweder bei einem Zwei-Takt-Freikolbenmotor oder bei einem Kurbelwellenmotor
verwendet werden. Zusätzlich
könnte
das System für
ein nockenbetätigtes
System modifiziert werden, wie früher besprochen, oder die vorliegende
Erfindung könnte
in einem oder in mehreren Ventilen in einem Motorsystem mit mehreren
Ventilen vorgesehen werden. Entsprechend soll die obige Beschreibung
nur als veranschaulichend gesehen werden und ist zum Zwecke der
Belehrung des Fachmanns über
den besten Weg zur Ausführung
der Erfindung vorgesehen. Die Details der Struktur können wesentlich
variiert werden ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er
in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist.