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Dokumentenidentifikation DE102005023178A1 15.12.2005
Titel Kompressionsimpulsverfahren zum Anlassen eines Freikolben-Verbrennungsmotors
Anmelder Ford Global Technologies, LLC, Dearborn, Mich., US
Erfinder Yanmin, Wang, Troy, US;
Liu, Jing Ping, Rochester Hills, US;
Peng, Lixin, Rochester Hills, US
Vertreter Viering, Jentschura & Partner, 80538 München
DE-Anmeldedatum 19.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005023178
Offenlegungstag 15.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.12.2005
IPC-Hauptklasse F02N 17/00
Zusammenfassung Kompressionsimpulsverfahren zum Anlassen eines Freikolben-Verbrennungsmotors mit einem Aktuator, wie beispielsweise einem hydraulischen oder pneumatischen Pumpmotor oder einem elektrisch linearen Starter-Generator, um die Kolben zu einer Position zu bewegen, bei der die Einlassöffnungen freigegeben sind. Hierdurch wird gewährleistet, dass Luft in dem Zylinder in einem Raum gegenwärtig ist, in dem Kraftstoff zugeführt und eine Verbrennung eintreten wird. Diese Strategie verdichtet mit einem Minimum an Aktuator-Leistung diese Luft zu einem Zustand, bei dem der Druck und die Temperatur den Zündbedingungen entsprechen. Die Luft speichert kinetische Energie der sich bewegenden Kolben, die teilweise die Luftfeder des gegenüberliegenden Zylinders und teilweise den Aktuator darstellt. Die taktweise erfolgende Ansammlung dieser gespeicherten Energie beschleunigt die Kolbenbewegung, erhöht die Kolbenverschiebung und steigert das Verdichtungsverhältnis. Der Zylinderdruck und die Zylindertemperatur steigen hierbei taktweise, bis die Kraftstoff-Zündbedingungen erfüllt sind. Die Aktuatorkraft ist eine periodische Kraft, die vorzugsweise die Frequenz hat, die die gleiche oder nahezu die gleiche wie die Eigenfrequenz des Systems ist, das die Massenträgheit der Kolben und andere Massen, die sich mit den Kolben hin- und herbewegen, der variablen Federkraft, die durch die kompressible Luftfeder in dem Verbrennungsraum dargestellt wird, beinhaltet. Wenn die Kolbenverschiebung eine ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft das Anlassen eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung die stetige Erhöhung der Kolbenverschiebung und folglich die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses bei Anwendung und Erhöhung einer periodischen Kraft auf einen Kolben, der sich entgegen einer komprimierbaren Luftladung während des Startens eines Freikolbenmotors hin- und herbewegt.

Ein Freikolben-Verbrennungsmotor weist ein oder mehrere sich hin- und herbewegende Kolben auf, die in einem Verbrennungszylinder angeordnet sind. Die Kolben sind allerdings nicht durch eine Kurbelwelle miteinander verbunden. Stattdessen bewegt sich jeder Kolben in Erwiderung zu Kräften, die durch Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Verbrennungszylinders erzeugt werden. Der in einem Zylinder durch Verbrennung erzeugte Druck kann verwendet werden, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem anderen Zylinder zu verdichten. Oder aber ein Aktuator-System kann verwendet werden, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch, das dem Expansionshub folgt, zu verdichten. Das Aktuator-System kann ferner zum Hin- und Herbewegen des Kolbens während des Startens verwendet werden, bevor die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder erfolgt.

Da ein Freikolbenmotor keine Welle hat, die die Kolben zum Koordinieren ihrer Hin- und Herbewegung in den Zylindern verbindet, und die die Kolben mit der Last verbindet, wird die Bewegung der Kolben von einem Steuer-System geregelt, das die Kolbenverschiebung, die Kompression des Kraftstoff-Luft-Gemischs und dessen Verbrennung synchronisiert. Die Kolben-Hin-und-Her-Bewegung und die Kolbengeschwindigkeit werden von einem Aktuator-System überwacht und gesteuert, das Abweichungen von gewünschter koordinierter Kolbenbewegung periodisch nachregelt.

Während des Startens eines Freikolbenmotors werden die Kolben mittels eines Starter-Aktuator-Systems verdrängt, das vorzugsweise einen hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Antrieb verwendet. Vorzugsweise wird elektrische Energie zum Antrieb der Kolben verwendet, sobald der Motor gestartet wird, der hydraulische oder pneumatische Leistung erzeugt. Während der Motor gestartet wird, hat die Ansaugluft eine niedrige Temperatur, wobei aber ein großes Verdichtungsverhältnis der Kraftstoff-Luft-Ladung in dem Verbrennungszylinder benötigt wird, um eine Verbrennung auszulösen. Daher wird bei Verwendung konventioneller Motorstarttechniken ein großer Energiebetrag benötigt, um das für den Start des Motors benötigte Verdichtungsverhältnis, hauptsächlich bei Kaltstartbedingungen, zu erzeugen.

Wenn die Motorkolben vollständig von einem Aktuator angetrieben werden, wird ein großer Energiebetrag benötigt, um das Gemisch von Kraftstoff und Luft in dem Verbrennungsraum zu komprimieren, insbesondere in einem Motor mit Kompressionszündung, der ein hohes Verdichtungsverhältnis für Selbstzündung benötigt. Ein Verfahren wird zum Starten des Motors benötigt, das den Bedarf einer großen kapazitiven Energiequelle vermeidet.

Ein Freikolbenmotor, auf den diese Erfindung angewandt werden kann, weist axial fluchtende Zylinder, ein inneres Paar miteinander gekuppelter Kolben und ein äußeres Paar miteinander gekuppelter Kolben auf. Der eine Kolben jedes Kolbenpaares bewegt sich in einem ersten Zylinder hin und her, wohingegen der andere Kolben dieses Kolbenpaares sich in einem zweiten Zylinder hin- und herbewegt. Jeder Zylinder ist mit Einlassöffnungen, durch die Luft in den Zylinder eintritt, Auslassöffnungen, durch die Abgas den Zylinder verlässt, und einer Kraftstofföffnung, durch die, üblicherweise mittels Einspritzung, Kraftstoff dem Zylinder zugeführt wird, versehen. Die Bewegung der Kolben in dem einen Zylinder, die dort durch Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verursacht wird, zwingt die Kolben in dem anderen Zylinder dazu, ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem zweiten Zylinder zu verdichten und eine Verbrennung dieses Gemisches auszulösen. Auf diese Art bewegen sich die Kolbenpaare in den Zylindern beiderseits entgegengesetzt hin und her, wobei sich das eine Kolbenpaar längslaufend in die eine Richtung bewegt, wohingegen sich das andere Paar in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Wenn die Verbrennung in dem einen Zylinder erfolgt, kehrt sich die Bewegungsrichtung jedes Kolbenpaares um, bis die Verbrennung in dem anderen Zylinder erfolgt.

Wenn ein Motor abgestellt wird, kann sich der Kolben an beliebiger Position in dem Zylinder befinden. Ein Freikolbenmotor hat üblicherweise keine Einlassventile oder Auslassventile, um die Strömung der Luft und des Abgases in und aus dem Zylinder zu steuern. Stattdessen wird üblicherweise die Eintrittsluft durch einen Turbolader, der von dem Motorabgas angetrieben wird, oder durch einen Verdichtungsmechanismus, der durch einen Kolben direkt angetrieben wird, unter Druck gesetzt. Wenn der Motor mit einem Kolben im Kompressionshub abgestellt wird, treten während der Abstelldauer aufgrund des Drucks in dem Zylinder Verluste der Luftladung des Zylinders durch die Einlass- und Auslassöffnungen und quer über die Kolbenringe hin auf. Durch diese Ausströmung kann ein partielles Vakuum in dem Zylinder erzeugt werden, wenn der Kolben mit der Expansionshubbewegung beginnt.

Um zu vermeiden, auf große hydraulische oder pneumatische Drücke in dem Starter-Aktuator angewiesen zu sein, ist eine periodische Anlass-Strategie entwickelt worden. Die Kolben werden während des Anlassens mit einer stufenweise zunehmenden Verschiebung (oder mit einem stufenweise zunehmenden Verdichtungsverhältnis) hin- und herbewegt, um einen hinreichenden Betrag von kinetischer Energie in den Kolben zu entwickeln, um eine Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Ladung zu bewirken. Energie, die an den Kolben in jedem Zylinder von einem Starter-Aktuator aufgebracht wird, und Energie, die durch die Expansion der verdichteten Luftladung in dem anderen Zylinder wiedererlangt wird, noch bevor eine Verbrennung erfolgt, wird kombiniert, um die kinetische Energie der sich hin- und herbewegenden Kolben zu erhöhen und um den Druck in dem Verbrennungsraum stetig zu erhöhen. Während des Prozesses wird ein Teil der Kompressionsenergie auf die verdichtete Luft übertragen und die Energie wird Takt für Takt erhöht.

Das Verfahren zum Anlassen des Motors verwendet einen Aktuator, wie beispielsweise einen hydraulischen oder pneumatischen Pumpmotor oder einen elektrisch linearen Starter-Generator, um die Kolben zu einer Position zu bewegen, bei der die Einlassöffnungen geöffnet sind. Dies gewährleistet, dass Luft in einem Raum innerhalb eines Zylinders vorhanden ist, zu dem Kraftstoff geführt wird und in dem eine Verbrennung erfolgen wird. Dieser Luftraum arbeitet während des Anlassvorgangs wie eine Luftfeder, um kinetische Energie des Kolbens durch Verdichtung der Luftladung während eines Kompressionshubs zu speichern und um eine Kraft auf den Kolben während eines Expansionshubs aufzubringen. Die Kolben bewegen sich in Erwiderung auf die Aufbringung der Aktuator-Kraft, die entgegen der Luftladung oder der Luftfeder wirkt. Die Aktuator-Kraft ist eine periodische Kraft, die bevorzugt eine Frequenz hat, welche die Gleiche oder nahezu die Gleiche ist, wie die Eigenfrequenz des Systems, das die Trägheit der Kolben und andere Massen, die sich mit den Kolben hin- und herbewegen, und die variable Feder, die durch die kompressible Luftfeder in dem Verbrennungsraum dargestellt ist, beinhaltet. Wenn die Kolbenverschiebung (oder das Kompressionsverhältnis) einen ausreichenden Betrag erreicht, wird der Luftladung Kraftstoff zugeführt, und zwar bevorzugt durch Einspritzung. von dem Aktuator werden Vergrößerungen der Kolbenverschiebung und Erhöhungen des Kompressionsdrucks des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder fortgesetzt, bis eine Verbrennung dieses Gemisches in dem ersten Zylinder einsetzt. Kraftstoff wird dann einem zweiten Zylinder zugeführt, solange eine periodische Verschiebung der Kolben andauert und eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem zweiten Zylinder erfolgt.

Verschiedene Ziele und Vorteile der Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann bei der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform deutlich werden, wenn sie angesichts der beigefügten Zeichnungen gelesen werden.

1 und 2 zeigen Querschnittsansichten entlang einer Längsebene durch einen Freikolbenmotor, welche die Position der Kolbenpaare und Verbrennungszylinder an entgegengesetzten Enden ihrer Verschiebung schematisch darstellen;

3 zeigt ein Schaltbild eines Fluidsteuersystems, das einen Regler zum Betreiben der Fluid-Pumpmotoren aufweist, die mit den Hubkolbenpaaren zum Anlassen des Motors verbunden sind;

4 zeigt einen Querschnitt eines Freikolbenmotors, der einen einzelnen Kolben, der sich in jedem Zylinder hin- und herbewegt, und einen Aktuator zum Anlassen des Motors hat; und

5 zeigt ein Diagramm, das die Variation des Zylinderdrucks und der Kolbenverschiebung über der Zeit unter Verwendung des Verfahrens dieser Erfindung zum Anlassen des Motors darstellt.

Beginnend mit 1 und 2 weist ein Freikolbenmotor 10 einen ersten Zylinder 12 und einen mit dem ersten Zylinder axial fluchtenden zweiten Zylinder 14 auf, wobei die Zylinder in Zylinderlaufbuchsen 16, 17 angeordnet sind. Ein erstes Kolbenpaar, die inneren Kolben 18, 20, sind miteinander mittels einer Schubstange 22 gekuppelt. Ein erster Kolben 18 des ersten Kolbenpaares bewegt sich innerhalb des ersten Zylinders 12 hin und her und der zweite Kolben 20 des ersten Kolbenpaares bewegt sich innerhalb des zweiten Zylinders 14 hin und her. Ein zweites Kolbenpaar, die äußeren Kolben 24, 26, sind miteinander mittels Zugstangen 28, 30 gekuppelt, und gegenseitig an den axialen Enden der Kolben 24, 26 mittels Brücken 32, 34 gesichert. Ein erster Kolben des zweiten oder äußeren Kolbenpaares bewegt sich innerhalb des ersten Zylinders 12 hin und her und ein zweiter Kolben 26 des äußeren Kolbenpaares bewegt sich innerhalb des zweiten Zylinders 14 hin und her. Jeder Zylinder 12, 14 ist mit Luft-Einlassöffnungen 36, 37 und Auslassöffnungen 38, 39 versehen. In 1 werden die Öffnungen 37, 39 des Zylinders 12 von den Kolben 18, 24 geschlossen, die nahe ihrer oberen Totpunktlage (TDC) angeordnet sind, und die Öffnungen 36, 38 des Zylinders 14 sind von den Kolben 18, 24 freigegeben, die nahe ihrer unteren Totpunktlage (BDC) angeordnet sind. In 2 werden die Öffnungen 36, 38 des Zylinders 14 durch die Kolben 20, 26 geschlossen, die nahe ihrer oberen Totpunktlage angeordnet sind, und die Öffnungen 37, 39 des Zylinders 12 sind durch die Kolben 18, 24 freigegeben, die nahe ihrer unteren Totpunktlage angeordnet sind. Wenn sich die Kolben des einen der beiden Zylinder in der oberen Totpunktlage befinden, sind die Kolben des anderen Zylinders in oder nahe ihrer unteren Totpunktlage. An jedem Zylinder ist eine Kraftstoff-Öffnung 40 ausgebildet, durch die dem Zylinder während des Kompressionshubs Kraftstoff, bevorzugt durch Einspritzung, zugeführt wird.

Die Verschiebung der Kolbenpaare zwischen ihrer jeweiligen oberen Totpunktlage und unteren Totpunktlage, deren Hub-Endpunkte in 1 und 2 gezeigt sind, sind so aufeinander abgestimmt, dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, das in dem Zwischenraum zwischen den Kolben 18, 24 im Zylinder 12 und dem Raum zwischen den Kolben 20, 26 im Zylinder 14 platziert ist, komprimiert wird, so dass eine Verbrennung von diesen Gemischen innerhalb der Zylinder erfolgt, bevorzugt sobald die Kolben sich leicht vorbei an der oberen Totpunktlage TDC in Richtung zu der unteren Totpunktlage BDC bewegt haben. Diese synchronisierte Hin- und Herbewegung der Kolbenpaare wird als „entgegengesetzte Kolben – entgegengesetzte Zylinder" (OPOC)-Hin-und-Her-Bewegung bezeichnet.

Die synchronisierte koordinierte Bewegung der Kolben wird von einer hydraulischen Schaltung gesteuert, die Flüssigkeits-Motorpumpen aufweist, um Ventile und Anschlüsse zu steuern, die in einem hydraulischen oder pneumatischen Block 43 enthalten sind, der axial zwischen den Zylinderlaufbuchsen 16, 17 angeordnet ist. Wie weiter aus 3 ersichtlich, weist der Regelkreis einen Niederdruckspeicher 41, einen Hochdruckspeicher 42, eine Motorpumpe 44, die antreibend mit der Schubstange 22 verbunden ist, eine Motorpumpe 46, die antreibend mit der Zugstange 28 verbunden ist, und eine Motorpumpe 48 auf, die antreibend mit der Zugstange 30 verbunden ist. An der Schubstange 22 ist ein Kolben 50 ausgebildet, der in einem Zylinder 51 angeordnet ist, der in einem Block 43 ausgebildet ist. Die Hin- und Herbewegung der Motorkolben 18, 20 veranlasst Kolben 50 der Motorpumpe 44 zum Hin- und Herbewegen. An den Zugstangen 28, 30 sind jeweils Kolben 52, 54 ausgebildet, die in Zylindern 55, 57 angeordnet sind, die vorzugsweise in einem Block 43 ausgebildet sind. Die Hin- und Herbewegung der Motorkolben 24, 26 veranlasst Kolben 52, 54 der Motorpumpen 46, 48 zum Hin- und Herbewegen.

Wenn der Motor 10 läuft, wird durch die aufeinander abgestimmte Bewegung der Motorkolben Flüssigkeit aus dem Niederdruckspeicher 41 zu den Motorpumpen 44, 46, 48 gezogen, von denen eine hydraulische oder pneumatische Flüssigkeitsströmungsleistung erzeugt wird, die in den Hochdruckspeicher 42 gespeist wird. Die Motorpumpen 44, 46, 48 arbeiten als Motoren, die von dem unter Druck stehenden Fluid angetrieben werden, um den Motor zu Starten, und arbeiten als Pumpen, um das Fluid in einen Hochdruckspeicher für ein dortiges zeitweiliges Speichern zu liefern oder um das Fluid direkt an Flüssigkeitsmotoren zu liefern, die an den Fahrzeugreifen angeordnet sind, welche die Reifen in Rotation entgegen einer Last antreiben.

Eine elektronische Steuervorrichtung 56 erzeugt ein in eine Hubmagnetspule oder in ein Relais gesendetes Betätigungssignal, welches, als Antwort auf das Betätigungssignal, den Zustand eines Steuerventils 58 ändert. Wenn beispielsweise das hydraulische System wie ein Motor arbeitet, um die Motorkolben vorbereitend für das Starten des Motors zu bewegen oder solange der Motor gestartet wird, wird von der Steuervorrichtung 56 das Ventil 58 zwischen einem ersten Zustand 60 gewechselt, in dem der Hochdruckspeicher 42 durch das Ventil 58 mit der linken Seite von dem Zylinder 51 der Motorpumpe 44 durch die Leitung 64 verbunden ist. Mit dem Ventil 58 in dem Zustand 60 ist die linke Seite der Zylinder 55, 57 der Motorpumpen 46, 48 durch die Leitungen 68, 70 und das Ventil 58 mit dem Niederdruckspeicher 4l verbunden. Diese Vorgänge bewirken, das sich der Kolben 50 nach rechts bewegt, um Fluid von der Motorpumpe 44 durch die Leitung 72 mit der rechten Seite des Zylinders 57 und durch Leitung 74 mit der rechten Seite des Zylinders 55 zu treiben. Auf diese Art veranlasst der erste Zustand 60 des Ventils 58 das Fluid-Steuerungs-System, die inneren Motorkolben 18, 20 nach rechts und die äußeren Motorkolben 24, 26 nach links in die in 2 gezeigte Position zu bewegen.

Wenn von dem Regler 56 das Ventil 58 in den zweiten Zustand 76 umschaltet, wird der Hochdruckspeicher 42 durch die Leitung 68 hindurch mit der linken Seite des Kolbens 57 und durch die Leitung 70 mit der linken Seite des Kolbens 55 der Motorpumpe 46 verbunden. Hierdurch werden die Motorkolben 24, 26 nach rechts getrieben. Wenn das Ventil 58 in dem zweiten Zustand 76 ist, wird der Niederdruckspeicher 41 durch das Ventil 58 und die Leitung 64 hindurch mit der linken Seite des Zylinders 51 der Motorpumpe 44 verbunden. Da die Kolben 52, 54 sich nach rechts bewegen, wird Fluid aus den Zylindern 55, 57 durch die Leitungen 74, 72 entsprechend zur rechten Seite des Zylinders 51 gefördert. Hierdurch werden der Kolben 50, die Schubstange 22 und die Motorkolben 18, 20 veranlasst sich nach links zu bewegen.

Um den Motor 10 zu starten, bevor Kraftstoff eingespritzt wird, werden die Kolben 18, 20 nach links bewegt und die Kolben 24, 26 werden mittels des Aktuator-Systems nach rechts in die in 1 gezeigte Position bewegt, wie mit Bezug zu 3 beschrieben. Dies veranlasst die Kolben dazu, die Einlassöffnungen 36 in dem Zylinder 14 zu öffnen, wodurch sichergestellt ist, dass der Zylinder 14 mit einer pneumatischen Ladung gefüllt ist. Als nächstes werden die Kolben 18, 20 nach rechts und die Kolben 24, 26 mittels des Aktuator-Systems nach links in die in 2 gezeigte Position bewegt. Dies veranlasst die Kolben, die Einlassöffnungen 37 im Zylinder 12 zu öffnen, wodurch sichergestellt ist, dass der Zylinder 12 mit einer pneumatischen Ladung gefüllt ist.

Nachdem die Kolben mit einer pneumatischen Ladung gefüllt sind, bewegt das Aktuator-System die Kolben mit ständig zunehmender Verschiebung oder Länge des Hubs in jedem Takt hin und her. Der Aktuator verbindet den Hochdruckspeicher 42 abwechselnd mit den Aktuator-Motoren 44, 46, 48, um die Kolbenpaare 1820, 2426 in ihren jeweiligen Zylindern 12, 14 zu verdrängen. Vorzugsweise bringen die Aktuator-Motoren 44, 46, 48 Kraft auf die Kolben auf, sobald die Kolben an oder nahe der unteren Totpunktlage sind, und die Motoren entfernen die Aktuatorkraft, bevor der Kolben die obere Totpunktlage erreicht. Der in jedem Zylinder während seines Kompressionshubs erzeugte Druck treibt die Kolben während des Expansionshubs von der oberen Totpunktlage weg. Die Erhöhung der Kolbenverschiebung wird für jeden Kolbenverschiebungstakt durch stufenweise Erhöhung des Druckbetrags erreicht, der durch die Aktuator-Motoren während jedes Verschiebungstakts aufgebracht wird, oder durch Erhöhung der Periodendauer, wenn Druck zu dem Aktuator aufgebracht wird, oder durch eine Kombination dieser Vorgänge.

Die periodische Kompression und Expansion der pneumatischen Ladung in den Zylindern 12, 14 ist analog zu dem Effekt einer in jedem Zylinder angeordneten Druckfeder. Die Kompression der pneumatischen Ladung in einem Zylinder stellt sich der Beschleunigung der Kolbenmassen in Richtung zu der oberen Totpunktlage in diesem Zylinder entgegen; Die Expansion der pneumatischen Ladung in einem Zylinder hilft bei der Beschleunigung der Kolbenmassen in Richtung zu der unteren Totpunktlage in diesem Zylinder. Wenn die Ladung in einem Zylinder verdichtet worden ist, wird die Ladung in dem anderen Zylinder expandiert. Folglich werden kontinuierlich Druckkräfte entwickelt, die den Kolben in jedem Zylinder helfen sich wechselweise in Richtung zu der oberen Totpunktlage und unteren Totpunktlage in der richtigen Phasenbeziehung zu bewegen.

Die Kolben 18, 24 bewegen sich aufgrund der im Zylinder 14 stattfindenden Verbrennung rasch im Zylinder 12. Eine Motorsteuervorrichtung löst eine Einspritzdüse aus, um eine angemessene Menge an Kraftstoff in den Zylinder 12 zwischen die Kolben 18, 24 durch die Kraftstofföffnung 40 einzuspritzen, um dadurch den Motor zu starten. Nachdem der Motor startet, läuft er unter einer programmierten Steuerung mit Kraftstoffeinspritzung, die aktiv durch die Motorsteuerung geregelt wird, weiter.

4 zeigt einen Freikolbenmotor 90, der ein Gehäuse 92, einen Kolben 94, der sich in einem Verbrennungszylinder 96 hin- und herbewegt, einen Kompressionszylinder 98 und eine Last 100, die durch einen Schaft 102 an dem Kolben befestigt ist, aufweist. Luft dringt durch die Luft-Einlassöffnungen 112 in den Zylinder ein und das Abgas verlässt durch Abgasöffnungen 104 den Zylinder. Luft wird durch die Ansaugöffnungen 112 in den Verbrennungszylinder 96 befördert, wenn sich der Kolben 90 seiner unteren Totpunktlage nähert. Da sich der Kolben 90 in Richtung zu seiner oberen Totpunktlage bewegt, wird Kraftstoff in den Verbrennungszylinder 96 durch eine Tätigkeit der Einspritzdüse unter Kontrolle von einem Kraftstoff-Steuerungs-System 110 eingespritzt.

Der Kolben 94 wird für eine wechselseitige lineare Verschiebung in dem Verbrennungszylinder 96 unterstützt. Ein Motor-Anlass-System für die Betätigung der Kolben weist einen Aktuator-Kolbenkopf 108 auf, der an dem Schaft 102 angebracht ist, der im Zylinder 98 für eine Bewegung zusammen mit dem Kolben 94 angeordnet ist. Fluid-Öffnungen 114 und 116 befördern unter Druck stehendes Fluid in den Zylinder 98 von gegenüberliegenden Seiten des Kolbenkopfes 108 hinein. Eine Druckkraft, die durch das unter Druck stehende Fluid im Zylinder 98 entwickelt wird, bewirkt, dass der Kolbenkopf 108 und der Kolben 94 sich in Richtung zu der oberen Totpunktlage während des Kompressionshubs bewegen. Das unter Druck stehende Fluid, das in den Zylinder 98 durch die Fluid-Öffnung 116 hindurch eintritt, bewirkt, dass der Kolbenboden 108 und der Kolben 94 sich in Richtung zu der unteren Totpunktlage bewegen, wenn der Motor gestartet wird oder falls der Motor fehlzündet.

Zum Anlassen des Motors 90 nachdem ein Zündschalter eingeschaltet und bevor Kraftstoff eingespritzt wird, wird der Kolben 94 mittels des Aktuator-Systems in Richtung zu der unteren Totpunktlage bewegt, um die Einlassöffnungen 102 genügend zu öffnen, um zu gewährleisten, dass der Zylinder 96 mit einer pneumatischen Ladung gefüllt wird. Dann veranlasst das Aktuator-System den Kolben 94 zum Hin- und Herbewegen in dem Zylinder 96 mit ständig steigender Verschiebungsamplitude in jedem Verschiebungstakt. Die Steigerung der Kolbenverschiebung wird durch das fortschreitende Erhöhen des Drucks, der am Kolbenkopf 108 während jedes Verschiebetaktes aufgebracht wird, oder durch das Erhöhen der Periodenlänge, wenn der Druck am Kolbenkopf 108 aufgebracht wird, oder durch das wechselseitiges Aufbringen des Drucks an beiden Seiten des Kolbenkopf 108, oder durch eine Kombination dieser Abläufe bewältigt. Die periodische Kompression und Expansion der pneumatischen Ladung ist analog zum Speichern und Freigeben von Energie in einer Druckfeder, die sich der Beschleunigung der Kolbenmasse in Richtung zu der oberen Totpunktlage entgegenstellt und die gespeicherte Federenergie freigibt, um die Kolbenmasse in Richtung zu der unteren Totpunktlage zu beschleunigen. Das Aktuator-System stellt eine Kraft bereit, die die Kolbenmasse in Richtung zu der oberen Totpunktlage beschleunigt.

Nachdem der Kopf des Kolbens 94 eine vorgegebene Position in dem Verbrennungszylinder während dieses Hin- und Herbewegungs-Takt-Vorgangs erreicht, oder wenn ein vorgegebenes Verdichtungsverhältnis in dem Zylinder 96 erreicht wird, oder wenn Druck in dem Kompressionszylinder 96 eine vorgegebene Größe erreicht, wird Kraftstoff in den Zylinder 96 mit einem entsprechenden Volumen eingespritzt, um eine Verbrennung zu bewirken und den Motor 90 zu starten.

5 zeigt die Variation des Drucks 121, 122 über der Zeit in jedem der Zylinder 12, 14, und die jeweilige Verschiebung 126, 128 der Kolbenpaare 1820, 2426, während der Motor 10 mit dem Verfahren dieser Erfindung gestartet wird. Der maximale Zylinderdruck und die maximale Kolbenverschiebung steigen mit jedem Arbeitstakt. Die Kolbengeschwindigkeit steigt ebenfalls mit jedem Arbeitstakt, wie durch die stetige Abnahme der Länge der Kolbenperiode zwischen aufeinanderfolgenden Arbeitstakte zu sehen ist. Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder erfolgt bei 120.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Anlassen eines Freikolben-Verbrennungsmotors, der einen Verbrennungszylinder, einen Kolben, der in dem Zylinder angeordnet ist, eine Einlassöffnung, durch die Luft in den Zylinder eintritt und die mittels der Kolbenbewegung innerhalb des Zylinders geschlossen und freigegeben wird, und einen Aktuator zum Verschieben des Kolbens in dem Zylinder aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

    – Verwenden des Aktuators, um den Kolben ausreichend zu verschieben, um die Einlassöffnung zu öffnen und eine Luftladung dem Zylinder zuzuführen;

    – Verwenden des Aktuators, um eine periodische Kraft auf den Kolben aufzubringen und um periodisch den Druck der Luftladung zu erhöhen;

    – Erzeugen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder durch Zuführen von Kraftstoff zu der Luftladung.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens eines Kraftstoff-Luft-Gemisches ferner aufweist:

    – Ermitteln, auf Basis von mindestens dem Druck der Luftladung, eines Volumens des Kraftstoffes, das zu einer Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, das das Volumen des Kraftstoffs enthält, führt; und

    – Zuführen des Volumens des Kraftstoffs zu der Luftladung.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner aufweist:

    – Ermitteln eines Größenwertes der Kolbenverschiebung, bei welcher eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, nachdem Kraftstoff der Luftladung zugeführt wird; und

    – Verwenden des Aktuators, um eine periodische Kraft auf den Kolben aufzubringen und um periodisch die Verschiebung des Kolbens auf den Wert der Kolbenverschiebung zu erhöhen.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner aufweist:

    – Ermitteln eines Größenwertes des Luftladungsdrucks, bei dem eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, nachdem Kraftstoff der Luftladung zugeführt wird; und

    – Verwenden des Aktuators, um eine periodische Kraft auf den Kolben aufzubringen und um periodisch den Druck der Luftladung auf den wert des Luftladungsdrucks zu erhöhen.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner aufweist:

    – Ermitteln eines Größenwertes eines Luftladungs-Verdichtungsverhältnisses, bei dem eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, nachdem Kraftstoff der Luftladung zugeführt wird; und

    – Verwenden des Aktuators, um eine periodische Kraft auf den Kolben aufzubringen und um periodisch das Verdichtungsverhältnis der Luftladung auf den Wert des Luftladungs-Verdichtungsverhältnisses zu erhöhen.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner aufweist:

    – Ermitteln eines Größenwertes einer Kolbengeschwindigkeit, bei der eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, nachdem Kraftstoff der Luftladung zugeführt wird; und

    – Verwenden des Aktuators, um eine periodische Kraft auf den Kolben aufzubringen und um periodisch die Kolbengeschwindigkeit auf den Wert der Kolbengeschwindigkeit zu erhöhen.
  7. Verfahren zum Anlassen eines Freikolben-Verbrennungsmotors, das ein erstes Paar gegenseitig verbundener Kolben, ein zweites Paar gegenseitig verbundener Kolben, wobei sich ein erster Kolben von jedem Kolbenpaar in einem ersten Zylinder bewegt und wobei sich ein zweiter Kolben von jedem Kolbenpaar in einem zweiten Zylinder bewegt, wobei jeder Zylinder eine Einlassöffnung hat, durch die Luft in den Zylinder eintritt und die durch die Bewegung des Kolbens in dem Zylinder geschlossen und geöffnet wird, und einen Aktuator zum Verschieben der Kolben aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

    – Zuführen einer Luftladung in einen Raum zwischen den Kolben in jedem Zylinder;

    – Verwenden des Aktuators, um eine periodische Kraft auf einen Kolben aufzubringen, um die Kolben hin- und herzubewegen und um periodisch den Druck der Luftladungen zu erhöhen; und

    – Erzeugen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder durch Zuführen von Kraftstoff zu einer Luftladung.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner aufweist:

    – Fortsetzen der Verwendung des Aktuators, um den Druck in dem Raum zu erhöhen, bis eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches eintritt;

    – Wiederholt periodisches Zuführen von Kraftstoff in den Raum, bis eine wiederholende Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches aufrechterhalten wird; und

    – Beenden des Gebrauchs des Aktuators, um die Kolben hin- und herzubewegen.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Schritt des Zuführens einer Luftladung ferner aufweist:

    – Verwenden des Aktuators, um die Kolben genügend zu verschieben, um die Verbindung zwischen den Einlassöffnungen und dem Raum zu öffnen.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Schritt des Erzeugens eines Kraftstoff-Luft-Gemisches ferner aufweist:

    – Ermitteln eines Volumens des Kraftstoffes, das zu einer Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, das das Volumen des Kraftstoffs enthält, führt, auf Basis mindestens des Druckes der Luftladung; und

    – Zuführen des Volumens des Kraftstoffs zu der Luftladung.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner aufweist:

    – Ermitteln eines Größenwertes der Kolbenverschiebung, bei dem eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, nachdem Kraftstoff der Luftladung zugeführt wird; und

    – Verwenden des Aktuators, um eine periodische Kraft auf einen Kolben aufzubringen und um periodisch die Verschiebung des Kolbens auf den Wert der Kolbenverschiebung zu erhöhen.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner aufweist:

    – Ermitteln eines Größenwertes des Luftladungsdrucks, bei dem eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, nachdem Kraftstoff der Luftladung zugeführt wird; und

    – Verwenden des Aktuators, um eine periodische Kraft auf einen Kolben aufzubringen und um periodisch den Druck der Luftladung auf den Wert des Luftladungsdrucks zu erhöhen.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner aufweist:

    – Ermitteln eines Größenwertes eines Luftladungs-Verdichtungsverhältnisses, bei dem eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, nachdem Kraftstoff der Luftladung zugeführt wird; und

    – Verwenden des Aktuators, um eine periodische Kraft auf einen Kolben aufzubringen und um periodisch das Verdichtungsverhältnis der Luftladung auf den Wert des Luftladungs-Verdichtungsverhältnisses zu erhöhen.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 7, das ferner aufweist:

    – Ermitteln eines Größenwertes einer Kolbengeschwindigkeit, bei der eine Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, nachdem Kraftstoff einer Luftladung zugeführt wird; und

    – Benutzen des Aktuators, um eine periodische Kraft auf einen Kolben aufzubringen und um periodisch die Kolbengeschwindigkeit auf den Wert der Kolbengeschwindigkeit zu erhöhen.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Schritt des Verwendens des Aktuators, um eine periodische Kraft auf einen Kolben aufzubringen, ferner aufweist:

    – Ermitteln einer Periodenlänge der Kolbenverschiebung; und

    – Benutzen des Aktuators, um eine Kraft auf den Kolben aufzubringen, die eine Periode hat, die im Wesentlichen gleich zu der festgelegten Periode der Kolbenverschiebung ist.
  16. Verfahren zum Anlassen eines Freikolben-Verbrennungsmotor, das die Schritte aufweist:

    – Bereitstellung eines ersten Paars gegenseitig verbundener Kolben, eines zweiten Paars gegenseitig verbundener Kolben, wobei sich ein erster Kolben von jedem Kolbenpaar in einem ersten Zylinder bewegt und sich ein zweiter Kolben von jedem Kolbenpaar in einem zweiten Zylinder bewegt, wobei jeder Zylinder eine Einlassöffnung hat, durch die Luft in den Zylinder eintritt, und eines Aktuators zum Verschieben der Kolben;

    – Öffnen der Einlassöffnungen, um eine Luftladung einem Raum zwischen den Kolben in jedem Zylinder zuzuführen;

    – Schließen des Raumes zwischen den Kolben in jedem Zylinder während des Anlassens des Motors;

    – Aufbringen einer periodischen Kraft auf den Kolben, um die Kolben hin- und herzubewegen und um periodisch den Druck in dem Raum zu erhöhen;

    – Periodisches Benutzen des Drucks in dem Zwischenraum, um die Hin- und Herbewegung der Kolben zu unterstützen und sich dieser entgegenzustellen; und

    – Periodisches Zuführen von Kraftstoff in den Raum, der von einer Luftladung eingenommen wird, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, das ferner aufweist:

    – Fortsetzen der Hin- und Herbewegung eines Kolbens, um den Druck in dem Raum zu erhöhen, bis eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches eintritt.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 16, das ferner aufweist:

    – Fortsetzen der Hin- und Herbewegung eines Kolbens, um den Druck in dem Raum zu erhöhen, bis eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches eintritt; und

    – wiederholendes periodisches Zuführen von Kraftstoff in den Raum, bis eine wiederholende Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches aufrechterhalten wird.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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