DE19825411C1 - Umsteuerbare Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer umsteuerbaren Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Gaswechselventilen. DOLLAR A Um das Umsteuern zu erleichtern, wird vorgeschlagen, daß elektromagnetische Aktuatoren die Gaswechselventile betätigen und über ein Steuergerät in Abhängigkeit von einem Signal eines Fahrtrichtungsschalters einer Drehrichtungs- und Stillstandserkennung und einer zugehörigen Kolbenposition angesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine umsteuerbare Hubkolbenbrennkraftma­ schine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

In der Regel können Hubkolbenbrennkraftmaschinen nur in einer Drehrichtung betrieben werden. Ist es erforderlich, daß beim gleichen Anwendungsfall, z. B. bei Fahrzeugen, der Antrieb zwei Drehrichtungen haben muß, wird üblicherweise der Brennkraftma­ schine ein Getriebewendesatz nachgeschaltet, der mit Zugkraf­ tunterbrechung oder unter Last schaltbar ist.

Es sind ferner unter anderem aus der DE 26 34 916 C2 umsteuer­ bare Hubkolbenbrennkraftmaschinen bekannt, die in zwei Dreh­ richtungen betrieben werden können. Hierzu wird die Brennkraft­ maschine abgestellt und abgebremst sowie die Steuerzeiten der Gaswechselventile entsprechend der neuen Drehrichtung geändert, indem eine die Gaswechselventile betätigende Nockenwelle axial verstellt wird, so daß die für die neue Drehrichtung vorgesehe­ nen Nocken wirksam werden. Bei Brennkraftmaschinen mit Fremd­ zündung wird ebenfalls der Zündzeitpunkt der neuen Drehrichtung angepaßt. Solche umsteuerbaren Hubkolbenbrennkraftmaschinen werden vor allem bei Schiffen verwendet, insbesondere solchen mit langsamer laufenden Dieselmotoren, die ohne eine Getriebe­ untersetzung eine Schiffsschraube antreiben. Solche umsteuerba­ ren Einrichtungen haben sich bewährt, um Getriebe und Wendege­ triebe für ein hohes Drehmoment und eine hohe Leistung einzu­ sparen. Außerdem ist bei diesem Anwendungsfall eine ausreichen­ de Zeit zum Umsteuern der Drehrichtung vorhanden und die Hub­ kolbenbrennkraftmaschine kann durch Druckluft abgebremst und gestartet werden.

Die US 39 81 278 zeigt eine Einrichtung, die Hubkolbenbrenn­ kraftmaschinen während des Umsteuerns gegen Beschädigungen schützt. Hierfür werden in der Regel die Drehzahl und die Dreh­ richtung der Hubkolbenbrennkraftmaschine erfaßt.

Aus der US 5 036 802 ist ein Verfahren bekannt, die Drehrich­ tung einer Zweitaktbrennkraftmaschine mit Fremdzündung umzu­ steuern. Beim Umsteuern wird die Zündung unterbrochen, die Drehzahl der Kurbelwelle kontinuierlich verringert und dabei überwacht. Fällt die Drehzahl unter einen vorgegebenen Wert, aber bevor die Hubkolbenbrennkraftmaschine still steht, wird die Zündung wieder aktiviert, und zwar bei einem genügend gro­ ßen Zündwinkel vor dem oberen Totpunkt des zugehörigen Kolbens, so daß die erzeugten Kräfte groß genug sind, den Kolben in die entgegengesetzte Drehrichtung zu bewegen, bevor er den oberen Totpunkt erreicht. Ist die entgegengesetzte Drehrichtung er­ reicht, wird die Zündung auf einen normalen Wert gesetzt, der der neuen Drehrichtung entspricht. Eine solche Umsteuerung soll bei Schneemobilen angewendet werden, die relativ häufig ihre Fahrtrichtung ändern, wobei der Umsteuervorgang automatisch er­ folgt, wenn ein Schalter bedient wird, ohne daß die Hubkolben­ brennkraftmaschine angehalten zu werden braucht.

Die bekannten Umsteuervorrichtungen und Verfahren sind nicht geeignet für Landfahrzeuge mit ventilgesteuerten Hubkolben­ brennkraftmaschinen.

Elektromagnetische Aktuatoren zum Betätigen von Gaswechselven­ tilen sind allgemein bekannt, z. B. aus der DE 39 20 976 A1. Sie besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, einen Öffnungsmagne­ ten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zu einer Ventilachse verschiebbar angeordnet ist.

Der Anker wirkt direkt oder indirekt über einen Ankerstößel auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Feder­ mechanismus auf den Anker. Als Federmechanismus dienen meist zwei vorgespannte Druckfedern, von denen eine obere Ven­ tilfeder, die Öffnungsfeder, das Gaswechselventil in Öffnungs­ richtung und eine untere Ventilfeder, die Schließfeder, in Schließrichtung belasten. Bei nicht erregten Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage zwi­ schen den Magneten gehalten. Mit derartigen Aktuatoren können die Gaswechselventile individuell beliebig angesteuert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Umsteuerung von Hubkolbenbrennkraftmaschinen zu vereinfachen und so zu gestal­ ten, daß sie auch für Landfahrzeuge geeignet ist. Sie wird ge­ mäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Nach der Erfindung betätigen elektromagnetische Aktuatoren die Gaswechselventile und werden über ein Steuergerät in Abhängig­ keit von einem Signal einer Drehrichtungs- und Stillstandser­ kennung, einem Fahrtrichtungsschalter und einer Position eines zugehörigen Kolbens angesteuert. Dadurch können die Steuerzei­ ten der Gaswechselventile sehr schnell mit einfachen Mitteln auf die neue Drehrichtung eingestellt werden.

Das hierzu erforderliche Umsteuerverfahren wird zweckmäßiger­ weise von einem Steuergerät durchgeführt, das die erforderli­ chen Parameter über Sensoren erfaßt und zu entsprechenden Stellsignalen für die Aktuatoren, einen Anlasser und gegebenen­ falls eine Zündhilfe und einer Bremse verarbeitet. Nach dem Un­ terbrechen der Zugkraft mittels einer Kupplung wird die Kraft­ stoffzufuhr und gegebenenfalls die Fremdzündung unterbrochen. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine wird dann durch innere Rei­ bungskräfte abgebremst bis die Drehzahl unter einen Wert gefal­ len ist, bei dem die eigentliche Umsteuerung erfolgen und die Hubkolbenbrennkraftmaschine in die entgegengesetzte Drehrich­ tung gestartet werden kann. Um diesen Vorgang zu beschleunigen ist es zweckmäßig, zumindest eine zusätzliche Primärbremse an der Hubkolbenbrennkraftmaschine vorzusehen, z. B. in Form einer Reibungsbremse, eines Primärretarders, einer Abgasbremse oder dgl. Ähnliche Wirkungen lassen sich gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung auch dadurch erreichen, daß die Aktuatoren zum Abbremsen der Hubkolbenbrennkraftmaschine in einem Bremsmodus betrieben werden. Hierzu werden die Steuerzeiten der Gaswech­ selventile so geändert, daß die Komprimierungs- und Gaswechsel­ verluste der Hubkolbenbrennkraftmaschine möglichst groß sind.

Die Hubkolbenbrennkraftmaschine kann auch durch das Fahrzeug abgebremst werden, indem die Zugkraft erst unterbrochen wird, wenn die vorgegebene Drehzahl der Brennkraftmaschine unter­ schritten ist. Da aber die geringere Masse der Hubkolbenbrenn­ kraftmaschine schneller abzubremsen ist als die größere Masse des Fahrzeugs, kann die Zeitdifferenz für den Umsteuervorgang genutzt werden, so daß ohne Zeitverzug die Antriebsverbindung wieder hergestellt werden kann, sobald das Fahrzeug die zuläs­ sige Fahrgeschwindigkeit erreicht hat.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent­ halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Hubkolben­ brennkraftmaschine.

Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 besitzt einen Zylinderblock 3, in dem Zylinder 2 angeordnet sind. In diesem bewegen sich Kolben 4, die über Pleuelstangen 5 mit einer Kurbelwelle 6 ver­ bunden sind.

Die Zylinder 2 werden von einem Zylinderkopf 8 verschlossen, der je Zylinder mindestens zwei Gaswechselventile 19 und 20, ein Einlaßventil und ein Auslaßventil, enthält, die entspre­ chende Gaswechselkanäle 21 und 22 steuern. Die Gaswechselventi­ le 19, 20 werden von elektromagnetischen Aktuatoren 23 und 24 betätigt, die jeweils einen oberen Schließmagneten 25, 26 und einen unteren Öffnungsmagneten 27, 28 umfassen, die über einen zwischen ihnen angeordneten Anker 33, 34 auf die Gaswechselven­ tile 19, 20 wirken. Die Aktuatoren 23, 24 werden von Federsy­ stemen unterstützt, die jeweils aus einer Schließfeder 29, 30 und einer Öffnungsfeder 31, 32 bestehen und nach Art eines Fe­ der-Masseschwingers auf die Gaswechselventile 19, 20 wirken. Zwischen den Gaswechselventilen 19, 20 ist eine Zündhilfe in Form einer Zündkerze 35 angeordnet.

Die Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 kann durch Umsteuern in zwei Drehrichtungen 7 betrieben werden. Zu diesem Zweck ist ein Steuergerät 10 vorgesehen, das über eine Signalleitung 14 mit einer Drehrichtungs- und Stillstandserkennung 9, über eine Si­ gnalleitung 12 mit einem Fahrtrichtungsschalter 11 mit einer Position v für die Vorwärtsfahrt und einer Position r für die Rückwärtsfahrt, sowie über eine Signalleitung 15 mit einem nicht näher dargestellten Fahrgeschwindigkeitssensor verbunden ist. Weitere Sensoren, die für einen sicheren Ablauf der Um­ steuerung zweckmäßig sind, können an das Steuergerät 10 ange­ schlossen werden.

Das Steuergerät 10, das einen Mikroprozessor enthalten kann, verarbeitet die ihm zugeführten Signale anhand von Kenngrößen, Kennlinien, Kennfeldern zu Ausgangssignalen, die über zwei Si­ gnalleitungen 16, 17 die Aktuatoren 23, 24, über eine Signal­ leitung 18 gegebenenfalls die Zündhilfe und über eine Signal­ leitung 13 den Anlasser steuert. Für eine Bremse 36 ist eine weitere Signalleitung 37 vorgesehen. Ein nicht näher darge­ stelltes Kraftstoffzumeßorgan wird ebenfalls von dem Steuerge­ rät 10 angesteuert, daß zweckmäßigerweise Bestandteil einer Mo­ torelektronik ist.

Durch Betätigen des Fahrtrichtungschalters 11 unterbricht das Steuergerät 10 die Kraftstoffzufuhr zur Hubkolbenbrennkraftma­ schine 1 und die Zugkraft zum Fahrzeug zweckmäßigerweise mit­ tels einer Kupplung. Im Falle einer fremdgezündeten Hubkolben­ brennkraftmaschine 1 wird ebenfalls die Fremdzündung an der Zündkerze 35 unterbrochen. Unterschreitet die Drehzahl der Kur­ belwelle 6 eine vorgegebene Drehzahl, die von der Drehrich­ tungs- und Stillstandserkennung 9 an das Steuergerät 10 signa­ lisiert wird und von diesem als Stillstand definiert wird, wer­ den die Aktuatoren 23, 24 und die Zündkerze 35 im neuen Zyklus angesteuert und er Anlasser 38 startet die Hubkolbenbrennkraft­ maschine 1 in der neuen Drehrichtung. Anschließend wird die An­ triebsverbindung zwischen der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 und dem Fahrzeug wieder hergestellt. Fremdgezündete Hubkolbenbrenn­ kraftmaschinen lassen sich, auch ohne den Anlasser 38 zu betä­ tigen, in der neuen Drehrichtung starten, indem die Fremdzün­ dung unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl auf Frühzündung ein­ geschaltet wird.

Um den Vorgang zu beschleunigen, ist es zweckmäßig, die Hubkol­ benbrennkraftmaschine 1 durch eine zusätzliche Bremse 36 abzu­ bremsen. Die Bremse 36 kann als Primärretarder, Abgasbremse oder Reibungsbremse ausgebildet sein. Zusätzlich kann ein Gene­ rator bremsend auf die Hubkolbenbrennkraftmaschine wirken, wo­ bei die Bremskraft durch die Leistungsaufnahme des Generators geregelt werden kann. Anstelle der Bremse 36 oder in Verbindung mit dieser können die Aktuatoren 23, 24 in einem Bremsmodus be­ trieben werden. In diesem Modus werden die Gaswechselventile 19, 20 so angesteuert, daß die Brennkraftmaschine 1 möglichst große innere Verluste erzeugt, z. B. dadurch, daß die Einlaßven­ tile und die Auslaßventile erst sehr spät öffnen, so daß beim Einlaß der Kolben 4 ein relativ hohes Vakuum erzeugt und wäh­ rend des Auslaßhubs gegen einen hohen Kompressionsdruck arbei­ tet. Durch die erfindungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 ist es möglich, auf einen Wendesatz im Getriebe zu verzichten, wobei die Umschaltung von Vorwärts- auf Rückwärtsfahrt automa­ tisch abläuft. Mit der Umsteuerung ist es möglich, in allen Fahrstufen des Fahrzeugs vorwärts und rückwärts zu fahren. Es ist jedoch zweckmäßig, die Rückwärtsfahrt auf die Gänge zu be­ schränken, in denen ein sicheres Zurückfahren gewährleistet ist.

Claims (7)

1. Umsteuerbare Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Gaswechselven­ tilen, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Aktuato­ ren (23, 24) die Gaswechselventile (19, 20) betätigen und über ein Steuergerät (10) in Abhängigkeit von einem Signal eines Fahrtrichtungsschalters (11), einer Drehrichtungs- und Still­ standserkennung (9) und einer zugehörigen Kolbenposition ange­ steuert werden.

2. Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wechsel der Posi­ tion (v, r) des Fahrtrichtungsschalters (11) die Zugkraft, die Kraftstoffzufuhr und gegebenenfalls die Fremdzündung der Hub­ kolbenbrennkraftmaschine (1) unterbrochen und die Hubkolben­ brennkraftmaschine (1) abgebremst wird, daß sie in der neuen Drehrichtung (7) gestartet wird, wenn die Drehzahl einen vorge­ gebenen Wert unterschreitet, und daß sie bei Unterschreiten ei­ ner vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit mit einem Fahrzeugantrieb gekuppelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anlasser (38) die Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) startet, der in zwei Drehrichtungen (7) betrieben werden kann und in Abhän­ gigkeit eines Steuersignals des Steuergeräts (10) eingeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolbenbrennkraftmaschine in der neuen Drehrichtung gestartet wird, indem die Fremdzündung unterhalb einer vorgegebenen Dreh­ zahl auf Frühzündung eingeschaltet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine primärseitig angeordnete Bremse (36) und/oder ein Generator die Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) ab­ bremst.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Abbremsen der Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) die Aktuatoren (23, 24) in einem Bremsmodus betrieben werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Umsteuern in die Rückwärtsfahrt nur in vorge­ gebenen Gangstufen zugelassen wird.