-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Verbrennungsmotor mit Kompressorfunktion, umfassend
Einlass- und Auslassventile
für jeden
Zylinder, ein Krafteinspritzsystem mit einem Unitinjektor und einem
elektrisch betätigten Überlaufventil
für jeden
Zylinder, einem zusätzlichen
Ausstoßventil
an mindestens einem Zylinder, wobei das Ventil ein Scheibenventil
mit einer Ventilscheibe und einer in einer Bohrung angeordneten
und mit einer Federeinrichtung, welche das Scheibenventil zu einer
geschlossenen Position vorspannt, zusammenwirkenden Spindel ist,
und eine hydraulische Kolben-Zylindervorrichtung, mittels der das
Scheibenventil geöffnet
werden kann.
-
Es ist vorbekannt, einen oder mehrere
Zylinder in Dieselmotoren als Kompressorzylinder durch Ausstatten
jedes Zylinders mit einem zusätzlichen Auslassventil
und Ausstatten des Motoreinspritzsystems mit Vorrichtungen, durch
welche die Kraftstoffzufuhr zu den Motorzylindern, die als Kompressorzylinder
arbeiten, abgetrennt werden kann, zu verwenden. Eine derartige Kompressoranordnung
kann unter anderem dazu ausgelegt sein, den herkömmlichen Motoreinheit-Luftkompressor, der
normalerweise das Fahrzeugdruckluftsystem versorgt, zu ergänzen, wenn
dessen Kapazität
aus irgendeinem Grund nicht ausreichend ist, oder sie kann als einzige Druckluftquelle
für das
Fahrzeug arbeiten.
-
WO-A-92 09 792 beschreibt einen Verbrennungsmotor
der eingangs beschriebenen Art. Das zusätzliche Auslassventil wird
hydraulisch mit der Luft einer Hydraulikpumpe mit Steuerventilen
betätigt.
Wenn der Motorzylinder mit dem zusätzlichen Auslassventil als
Kompressor arbeiten soll, wird das Ventil in die offene Position
gesetzt und die Kraftstoffzufuhr über den zugehörigen Unitinjektor
wird durch Offenhalten seines Überlaufventils
abgetrennt. Das Auslassventil wird konstant offengehalten, solange die Kompressorfunktion
aufrechterhalten werden soll, und ein erneutes Eintreten von Luft über das
zusätzliche
Auslassventil wird während
des Einlasshubes mittels eines Rückschlagventils
verhindert, das in dem Auslasskanal angeordnet ist.
-
Eine Anordnung dieser Art arbeitet
zufriedenstellend, wenn der Motor als Kompressor bei niedriger Last
arbeiten soll, beispielsweise während Motorbremsens
beim Bergabfahren. Falls eine zusätzliche Luftzufuhr erforderlich
ist, selbst wenn der Motor belastet wird, entstehen allerdings verschiedene
Probleme. Die Vibrationen, die entstehen, wenn ein Motorzylinder
vollständig
entkoppelt ist, können derart
groß sein,
dass insbesondere das Fahrzeuggetriebe einem unannehmbaren Verschleiß unterworfen
sein wird, was dessen Nutzlebensdauer auf weniger als die Hälfte der
normalen Nutzlebensdauer vermindert. Falls der Motor turboaufgeladen
ist, wird nicht nur ein Sechstel der normalen Leistung (in einem
Sechszylindermotor mit einem entkoppelten Zylinder) verloren, sondern
bis zur Hälfte
der Leistung kann infolge des Verlustes des Ladeluftdrucks verloren
werden, der auftritt, wenn der Gasstrom zu der Turbine des Turbokompressors
vermindert ist. Ein zusätzliches
Problem besteht darin, dass der hohe Luftdruck in dem Zylinder in
Kombination mit der Begrenzung des Rückschlagventils sehr hohe Temperaturen
in dem Rückschlagventil
erzeugt, was hohe Anforderungen an dessen Design stellt, um dessen Funktion
und Nutzlebensdauer annehmbar zu machen.
-
Es ist allgemein Zweck der vorliegenden
Erfindung, einen Verbrennungsmotor der eingangs beschriebenen Art
bereitzustellen, in welchem die Kompressorfunktion genutzt werden
kann, selbst wenn der Motor belastet ist, ohne dass Probleme mit
Vibrationen und starken Leistungsverlusten entstehen.
-
Dies wird gemäß der Erfindung durch die Tatsache
erzielt, dass der Kolben der Kolben-Zylindervorrichtung dem Druck
in einer Pumpenkammer unterworfen ist, die mit dem Kraftstoffeinspritzsystem kommuniziert
und die zu einer Pumpeneinrichtung gehört, die durch ein Nockenelement
angetrieben ist, das eine Nockenkurve besitzt, die einen Pumpenhub in
der Pumpeneinrichtung initiiert, bevor die Nockeneinrichtung, welche
die Pumpeneinrichtung antreibt, in dem Unitinjektor einen Pumpenhub
initiiert, und dass die Ventileinrichtung ein Regelventil aufweist, das
in seiner geschlossenen Position die Kommunikation der Pumpenkammer
der ersten genannten Pumpeneinrichtung mit dem Kraftstoffeinspritzsystem
blockiert, so dass während
des Pumpenhubes eingeschlossene Kraftstoffvolumen eine Verschiebung
des Kolbens der Kolbenzylindervorrichtung mit einer verknüpften Verschiebung
des Scheibenventils zu seiner offenen Position erzeugt.
-
Durch Verwenden des Kraftstoffs anstelle des
Motoröls
als Hydraulikmedium und Steuern des Kraftstoffs auf selbe. Weise
wie das Einspritzsystem kann eine sehr schnelle Betätigung und
Aufheben der Kompressorfunktion erzielt werden. Somit kann das Regelventil
ein elektrisch betätigtes Überlaufventil
desselben Typs wie das Unitinjektor-Überlaufventil sein und kann
ebenso durch dieselbe Steuereinheit gesteuert werden, welche die
Kraftstoffeinspritzung steuert. Die schnelle Betätigung und das schnelle Aufheben
der Kompressorfunktion, d. h. das Öffnen und Schließen des
zusätzlichen
Auslassventils, kann beliebig bestimmt werden, wie es durch die
Software in dem Motor-gesteuerten Computer gewünscht wird, auf selbe Weise
wie die Kraftstoffeinspritzung bestimmt wird. Diese Schnelligkeit
bedeutet, dass die Kompressorfunktion nicht während jedes Zyklus während der
Leistungsabnahme von dem Motor betätigt sein muss; nur in bestimmten
Abständen,
beispielsweise jedem fünften
Zyklus. Dies wiederum vermindert die Motorvibrationen und erlaubt
es, dass der Ladedruck hochgehalten wird, wodurch Leistungsverluste
minimiert werden. Falls beispielsweise ein Motorzylinder in einem
Sechszylindermotor in jedem fünften
Zyklus als Kompressor arbeitet, werden die Verluste 20% von etwas
weniger als 16%, oder etwa 3,5% sein. Dieser Verlust kann leicht
durch eine etwas erhöhte
Kraftstoffmenge ausgeglichen werden. Schließlich stellt die schnelle Steuerung
(innerhalb von Millisekunden) des zusätzlichen Auslassventils eine
vollständige
Kraftsteuerung/Zeitsteuerung des Ventils bereit, so dass das Rückschlagventil und
die hiermit verbundenen Probleme beseitigt werden können.
-
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher unter
Bezugnahme auf in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Beispiele
beschrieben, wobei 1 schematisch
einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Abschnitts
eines Motors gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, 2 zeigt
einen entsprechenden Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform
eines Abschnitts eines Motors gemäß der Erfindung, und 3 zeigt ein Nockenprofil
eines Nockenelements, das mit dem Unitinjektor zusammenwirkt.
-
1 in 1 bezeichnet einen Abschnitt eines Zylinderblocks
und 2 bezeichnet einen Zylinderkopf. Teile wie Einlass-
und Auslassleitungen mit zugehörigen
Ventilen und anderen Bauteilen, die sich nicht direkt auf die Erfindung
beziehen, wurden zum Zwecke der Vereinfachung weggelassen. Der Motor
ist ein Direkteinspritz-Dieselmotor und besitzt einen Kolben 3 in
einem Zylinder 4. Er besitzt ein Einspritzsystem mit einem
sogenannten Unitinjektor 5 an sich bekannter Art und umfasst
einen Pumpenabschnitt 6 mit einem Pumpenkolben 8 in
einer Pumpenkammer 7 und einen Injektorabschnitt 9 mit
einer Ventilnadel 10, die durch den Kraftstoffdruck gesteuert
ist. Die Pumpenkammer 7 kommuniziert über ein Überlaufventil 11 mit
einem Kraftstoffkanal 12 auf der Niederdruckseite des Kraftstoffsystems,
zu welchem Kraftstoff über eine
Zufuhrpumpe (nicht gezeigt) zugeführt wird.
-
Das Überlaufventil 11 besitzt
ein durch einen Elektromagneten betätigtes Ventilelement 13 und wird
auf an sich bekannte Weise durch den Motorssteuercomputer (nicht
gezeigt), gesteuert. Mit Hilfe des Überlaufventils 11 werden
die Einspritzzeit und die Kraftstoffmenge bestimmt. Der Pumpenhub
des Einspritzpumpenkolbens 8 wird mit Hilfe eines Kipphebels 14 und
eines mit diesem zusammenwirkenden Nockenelements 15 an
einer Nockenwelle 16 erzielt. Eine Rückstellfeder 17 stellt
den Pumpenkolben 8 in eine Startposition zurück, wenn
der Nockenstößel 18 an
dem Kipphebel 14 den Basiskreis des Nockenelements erreicht
(siehe 3). In der in 1 gezeigten Position ist
das Überlaufventil
geschlossen, was bedeutet, dass ein von der Pumpenkammer 7 kommender
Kanal 19 von einem Kanal 20 zu der Niederdruckseite
des Kraftstoffsystems abgetrennt ist. Wenn ein bestimmter Druck
(ca. 300 Bar) während
des Hubes der Pumpe 8 erreicht worden ist, öffnet die
Kraftstoffnadel 10 die Kraftstoffdüse und die Einspritzung beginnt
und wird aufrechterhalten, bis das Überlaufventil 11 öffnet, wodurch
der Kanal 19 mit dem Kanal 20 auf der Niederdruckseite 12 verbunden
wird, und die Einspritzung wird gestoppt, selbst wenn der Pumpenhub
nicht abgeschlossen worden ist.
-
Der gezeigte Zylinder besitzt ein
zusätzliches
Auslassventil 21 zusätzlich
zu einem nicht gezeigten Auslassventil. Das Ventil 21 besitzt
eine Spindel 22 in einer Bohrung 23 und eine Ventilscheibe 24, die
in einem Sitz 25 in einem breiteren Abschnitt 26 der
Bohrung 23 ruht. Von dem breiteren Abschnitt 26 tritt
ein Kanal 27 aus dem Zylinderkopf in eine Leitung 28a aus,
die sich in einen Drucktank 28b öffnet.
-
Die Ventilscheibe 24 ist
gegen ihren Sitz 25 durch eine Schraubenfeder 29 gedrückt, die
zwischen einer Schulter 30 in dem Zylinderkopf 2 und
einer Platte 31 eingespannt ist, die fest mit der Spindel 22 verbunden
ist.
-
Eine dem Pumpenabschnitt 6 des
Injektors 5 entsprechende Pumpenvorrichtung 32 ist
in dem Zylinderkopf 2 auf einer Seite des Injektors 5 angeordnet.
Die Pumpenvorrichtung 32 besitzt einen Pumpenkolben 34,
der in einer Pumpenkammer 33 vorgesehen ist. Die Kolbenbewegung
wird mit demselben Kipphebel 14 und Nockenelement 15 wie
zum Betreiben des Kolbens 8 in dem Injektor 5 erzielt.
Ein Betätigungskolben 35 in
einer Zylinderkammer 36 besitzt ein Ende 37, das
an dem Ende der Ventilspindel 22 anliegt, und sein gegenüberliegendes
Ende 38 steht in die Pumpenkammer 33 hervor, die über einen
Kanal 39, ein Steuerventil 40 und Kanäle 41 und 42 mit der
Niederdruckseite 12 des Kraftstoffsystems verbunden werden
kann. Das Ventil 40 ist von derselben Art wie das Überlaufventil 11 und
besitzt somit ein Ventilelement 43, das elektromagnetisch
betätigt wird,
bevorzugt durch den Steuercomputer (nicht gezeigt) des Motors, ebenso
das Überlaufventil 11.
In der in 1 gezeigten
Position des Ventilelements 43 ist das Ventil geschlossen
und die Pumpenkammer 33 ist somit von der Niederdruckseite 12 des Kraftstoffsystems
abgetrennt, wo der Druck normalerweise etwa 4 Bar beträgt. Die
Kraft der Rückstellfeder 29 ist
somit derart ausgelegt, dass sie das Auslassventil 21 geschlossen
hält, wenn
es diesen Druck in der Pumpenkammer gibt. Wenn das Ventil 40 geschlossen
ist, wird es einen ansteigenden Druck in der Pumpenkammer 33 während des
Hubes des Pumpenkolbens 34 geben, wodurch eine Kraft gegen den
Betätigungskolben 35 erzeugt
wird, welche die Kraft der Rückstellfeder 29 überwindet,
so das sich das Auslassventil 21 öffnet.
-
Die Pumpenbewegungen sowohl des Unitinjektors 5 als
auch der Pumpenvorrichtung 32 werden mit Hilfe des Nockenelements 15 erzielt,
dessen Nockenprofil am deutlichsten in 3 gezeigt ist. Durch lediglich Herunterschleifen
des Basiskreises "a" eines "herkömmlichen" Nockens in einem
Kraftstoffeinspritzsystem mit Unitinjektors wird ein kleiner Basiskreis "b" erzielt, der es möglich macht, eine zusätzliche
Nockenkurve "c" für den Hub
des Pumpenkolbens 34 des Auslassventils 21 zu
bilden, vor der herkömmlichen
Nockenkurve "d" für den Hub
des Pumpenkolbens 8 des Unitinjektors 5. Die Nockenkurven sind
derart in Bezug zueinander angeordnet, dass das zusätzliche
Auslassventil nach dem anfänglichen Abschnitt
des Kolbenverdichtungshubes geöffnet wird.
In 3 bezeichnet α den Nockenwinkel
für den
Hub des Auslassventils 21, und β bezeichnet den Nockenwinkel
für den
Hub des Injektors 5. Während eines
Motorbetriebes werden die Kolben 8 bzw. 34 des
Unitinjektors bzw. des Auslassventils einen Hub pro Arbeitszyklus
ausführen.
Das Öffnen
und Schließen
des Auslassventils 21 wird nur mit Hilfe des Ventils 40 reguliert,
das durch die Motorsteuereinheit gesteuert wird. Somit kann das
Auslassventil 21 so schnell wie die Kraftstoffeinspritzung
gesteuert werden, d. h. innerhalb von Millisekunden. In einer praktischen
Ausführungsform
kann der Hub zum Öffnen des
Auslassventils 4 mm betragen, das mit den Hub einer Kraftstoffeinspritzpumpe
von ca. 17 mm verglichen werden muss. Die schnelle Steuerung des
Auslassventils ermöglicht
es abhängig
von den Betriebsbedingungen (geringe Belastung oder hohe Belastung)
mit Hilfe der Motorsteuereinheit das Auslassventil während jedes
Arbeitszyklus oder in einem ausgewählten Intervall, beispielsweise
jeden fünften Arbeitszyklus
zu öffnen
und zu schließen.
Es ist zumindest theoretisch möglich,
nur einen anfänglichen Abschnitt
des Kompressionshubes zum Luftpumpen zu verwenden und dann die verbleibende
Luft nach dem Endabschnitt des Kompressionshubes zu zünden und
somit den Motorleistungsverlust weiter zu vermindern, falls dies
erforderlich sein sollte.
-
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist
die Steuerung des Auslassventils 21 im Prinzip unabhängig von
der Einstellung des Überlaufventils 11 des
Unitinjektors, obwohl es selbstverständlich in der Praxis so ist,
dass falls der gesamte Kompressionshub zum Luftpumpen verwendet
werden soll, das Überlaufventil 11 offen
sein muss, um Kraftstoffeinspritzung zu verhindern.
-
2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines Motors gemäß der Erfindung.
Teile mit direkten Gegenstücken
in 1 wurden mit demselben
Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet,
und nur die strukturellen und funktionellen Unterschiede zwischen
den zwei Ausführungsformen
werden hier beschrieben.
-
In der Ausführungsform in 2 gibt es keine getrennte Pumpenanordnung 32 für das Auslassventil 21.
Stattdessen erstreckt sich der Betätigungskolben 35 des
Auslassventils 21 in eine Kammer 50, die über einen
Kanal 51 mit der Pumpenkammer 7 des Pumpenabschnitts 6 des
Unitinjektors kommuniziert, der hier sowohl zum Pumpen von Kraftstoff
als auch zum Öffnen
des Auslassventils 21 verwendet wird. Die Öffnungs-
und Schließfunktion
ist dieselbe wie oben beschrieben. Der Unterschied liegt in der strukturellen
Vereinfachung, d. h. der Beseitigung einer zusätzlichen Pumpe und der Integration
der zwei Pumpenfunktionen in die Kraftstoffpumpe 6. Dies
erfordert, dass das Überlaufventil
des Unitinjektors 5 bei der Steuerung des Auslassventils 21 beteiligt
ist, da das Überlaufventil
geschlossen sein muss, damit hohe Drucke anfänglich in der Pumpenkammer 7 und somit
auch in der Kammer 50 erzeugt werden. Die Kolbenflächen sind
derart ausgewählt,
dass wenn der Druck zu Beginn des Pumpenhubes ca. 150 Bar (d. h.
etwa die Hälfte
des Injektoröffnungsdrucks
von etwa 300 Bar) erreicht, das Auslassventil 21 öffnen wird.
Der Pumpenkolben 8 besitzt hier ebenso eine Ventilfunktion
aufgrund der Tatsache, dass wenn er den Auslass durch den Kanal 51 bedeckt,
er die Verbindung zwischen der Pumpenkammer 7 und der Kammer 50 des
Betätigungskolbens 35 abtrennt. Das Überlaufventil 11 kann
nun geöffnet
werden, um eine Kraftstoffeinspritzung zu verhindern, ohne hierdurch
den Druck in der Kammer 50 zu vermindern. Das nachfolgende
Schließen
des Auslassventils nach einem vollständigen Kompressionshubs wird
lediglich durch Öffnen
des Steuerventils 40 und Verbinden der Kammer 50 mit
der Niederdruckseite des Kraftstoffsystems durchgeführt.
-
Die Erfindung stellt mit einer einfachen
und überwiegend
bereits existierenden Einrichtung eine zuvor unerreichte Geschwindigkeit
und Genauigkeit beim Öffnen
und Schließen
eines zusätzlichen
Auslassventils während
eines Kompressorbetriebes eines Dieselmotors bereit.