DE2915927A1

DE2915927A1 - Elektronisch gesteuerter verbrennungskolbenmotor

Info

Publication number: DE2915927A1
Application number: DE19792915927
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim 2150 Buxtehude Wendt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1979-04-20
Publication date: 1981-05-27
Also published as: DE2915927C2; EP0027123B1; ATE12423T1; US4480611A; EP0027123A1; WO1980002309A1

Description

17. April 1979 -

PATENTANMELDUNG

BEZEICHNUNG: Elektronisch gesteuerter Verbrennungskolbenmotor

ANMELDER: Hans Joachim Viendt,

Harburger Straße 63 2150- Buxtehude

COPY

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungskolbenmotor für ■ die Verbrennung verschiedener Kraftstoffarten, mit elektronisch steuerbaren Ein- und Auslaßventilen und einer elektronisch steuerbaren Einspritzvorrichtung.

Ein derartiger Verbrennungskolbenmotor ist bereits durch die DE-OS 26 12 961 und DE-OS 27 20 171 bekannt. Diese ■ O- vorbekannten elektronisch gesteuerten Verbrennungskolben-™ motoren arbeiten mit einem geschlossenen Hydraulikkreis, der funktional die bisher bei Kolbenmotoren üblichen Kurbelwellen ersetzt. Hierdurch wird der Einsatz einer weitgehend elektronischen Ablaufsteuerung unter dem Gesichtspunkt der Minimierung der eingesetzten Zylinderzahl und der teilweisen Rückgewinnung der Bremsenergie bei weitgehendem Ersatz eines Getriebes ermöglicht. Dieser be-,kannte Motor hat jedoch den Nachteil einer relativ aufwendigen Hydraulik, die vor allem beim Bau von Motoren φ kleiner Leistungen und großer Stückzahl wie z.B. Fahrzeugmotoren die Produktion durch die Verwendung von hydraulischen Komponenten verteuert. Ferner ist diesem Motor bei höheren Hub- oder Drehzahlen eine Grenze gesetzt, da der Wirkungsgrad mit höherer Flußgeschwindigkeit im Hydraulikfluid aufgrund der inneren Reibung abnimmt .

Ferner ist ein Verbrennungskolbenmotor bekannt geworden, bei dem der gesamte Nockenwellenmechanismus eines Vier-

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

takt-Ottomotors durch einen Mikroprozessor gesteuerten 'Ventilantrieb ersetzt worden ist. Bei diesem Verbrennungskolbenmotor besteht zwar der Vorteil einer elektronisch gesteuerten Ventilsteuerung, er besitzt jedoch immer noch den entscheidenden Nachteil, an eine aufwendige Kurbelwelle mit Mehrzylinderanordnung gebunden zu sein. Durch diesen Kurbelwellenkreis und der damit verbundenen Festlegungauf einen oberen und unteren Totpunkt ist eine veränderliche Kompression und die damit verbundene gemischte Betriebsweise Otto- oder Dieselbetrieb und somit Vielstofffähigkeit im gleichen Motor nicht möglich. Ferner bietet dieser bekannte Motor nicht die Möglichkeit des weitgehenden Entfallens des Getriebes und der Kupplung mit einem Bremsenergierückgewinnungsspeicher.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen elektronisch gesteuerten Verbrennungskolbenmotor zu schaffen, der aufgrund technologisch einfacher Gestaltung auch bei kleinen Leistungen wirtschaftlich zu produzieren ist und einen gegenüber bekannten gattungsgemfißen Verbrennungskolbenmotoren besseren Wirkungsgrad auch bei großem Hub und hohen Drehzahlen aufweist.

E-pfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch einen Verbrennungskolbenmotor mit mindestens einem Arbeitszylinder, an dem kopfseitig eine elektronisch steuerbares Einlaßventil und eine elektronisch steuerbare Zündeinrichtung angeordnet und in dem ein mit einer kompressionsdruckspeichernden Ein-

130 022/0003 .

ORIGINAL INSPECTED

richtung in Wirkverbindung stehender Kolben befindlich ist, dessen mit einer Halteeinrichtung feststellbare Kolbenstange mittels Kraftübertragungsmitteln mit einer Abtriebswelle verbunden ist, einem Temperaturgeber für die Zylindertemperatur und einem Kolbenstellungsgeber, und einer programmierbaren elektronischen Regel- und Steuereinrichtung mit Anzeigeeinheit, die mit dem Temperaturgeber, dem Kolbenstellungsgeber, über eine elektrische Leistungsschalteinrichtung mit der elektronisch steuerbaren Brennstoffeinlaßeinrichtung und dem elektronisch steuerbaren Einlaßventil in Wirkverbindung steht.

Weitere Merkmale der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Einbeziehung des elektromechanischen Arbeitskreises bewirkt Vorteile wie Minimierung der Zylinderzahl, variable Kompression, gemischter Diesel- oder Ottobetrieb, Wegfall der Kurbelwelle und der damit verbundenen mechanischen Ventilsteuerung, teilweise Rückgewinnung der Bremsenergie, weitgehender Wegfall eines Getriebes usw., wie es bereits vom elektronisch gesteuerten Verbrennungsmotor mit hydraulischem Arbeitskreis bekannt ist. Der nach einem besonderen Merkmal der Erfindung vorgesehene Ersatz der aufwendigen Kurbelwelle mit Pleuel, Pleuellagern durch eine einfache starr geführte Zahnstange mit Abtriebsritzeln erhöht die Lebensdauer des Verbrennungskolbenmotors

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

und. ermöglicht eine Vielzahl von räumlich unterschiedlichen Anordnungen der Arbeitszylinder;

Neben der Vielstoffähigkeit beim Einsatz von flüssigen Kraftstoffen ermöglicht der erfindungsgemäße Verbrennungskolbenmotor auch den Einsatz von gasförmigen Brennstoffen als Antriebsmittel.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ttfird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläuterte Es zeigt

Fig. 1 einen Arbeitszylinder des erfindungsgemäßen Verbrennungskolbenmotors mit zugehörigen elektromechanischen Einrichtungen in einer ¹ schematischen Seitenansicht,

Fig. 2 eine weitere Darstellung des Arbeitszylinders nach Fig. 1 im Ausschnitt mit Kraftübertragungseinrichtungen in einer schematischen Seitenansicht,

Fig. 3 einen Zweizylinder-Verbrennungskolbenmotor in einer Ansicht von unten im Schnitt,

Fig. ¹Ia einen Freilauf für die Abtriebswelle in einer Seitenansicht im Schnitt,

Fig. ¹Ib die Ausbildung des Schmiersystems für die Kolben/Zylinderanordnung,

Fig. 5 einen Schaltplan der elektrischen Einrichtung f

ORIGINAL INSPECTED

Pig. 6a den Schaltplan eines Kolbenstellungsgebers und eines Temperaturgebers,

Fig. 6b die Verbindung von Zündspule und Zündverstärker in einer schematischen Ansicht,

Fig. 7 ein Blockschaltbild der elektronischen Steuereinheit,

Fig. 8 das Schaltbild einer mehrstelligen Anzeigeeinheit ,

Fig. 9 das Schaltbild eines mit dem Kolbenstellungsgeber und Temperaturgeber verwendeten Analog-Digital-Wandlers,

Fig. 10 das Schaltbild eines der elektronischen

Steuereinheit zugeordneten Mikroprozessors,

Fig. 11 das Flußdiagramm des Motor-Startprogramms,

Fig. 12 das Flußdiagramm des Motor-Kompressionsprogramms ,

Fig. 13 das Flußdiagramm des Motor-Arbeitshubprogramms,

Fig. IM eine Ausbildung eines mechanischen Federspeichers zur Aufnahme von Bremsenergie in einer schematischen Ansicht.

In Fig. 1 ist der Aufbau des Verbrennungsteiles und der Elektromechanik des erfindungsgemäßen Verbrennungskolben-

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

motors schematisch am Beispiel eines Arbeitszylinders 1 mit Kolben 9 dargestellt. Hierbei ist die mechanisch sehr einfache Form eines direkt einspritzenden Verbrennunpskolbenmotors mit Gleichstromspülung (Fremdspülung) durch das Gebläse 31 durch das Einlaßventil 5 und den Auslaßschlitz Ik gewählt. Es ist jedoch für diesen Motor auch der Einsatz von Ein- und Auslaßventilen sowie der Einsatz einer Vergaseranlage anstelle der elektronischen Einspritzeinrichtung 6 möglich. Dennoch stellt der direkt einspritzende Verbrennungskolbenmotor mit Einlaßventil 5 und Auslaßschlitzen 2a eine mechanisch sehr einfache Form eines Verbrennungskolbenmotors 10 mit gutem Wirkungsgrad dar.

Der Verbrennungskolbenmotor 10 besteht aus einem oder mehreren Zylindern 1, la mit elektronisch steuerbaren Einlaßventilen 5» elektronischen Brennstoffeinlaßeinrichtungen H, elektronischen Zündeinrichtungen 6 und Temperaturgebern für die Zylinderwandungstemperatur. Der Zylinder 1 sitzt oberhalb der untere"h Stellung des in ihm befindlichen beweglichen Kolbens 9 freiliegende Auslaßschlitze 2a. Der Kolben 9 ist auf seiner Unterseite gegen eine auf der Zylinderunterseite 8 angeordnete Kompressionsfeder 17 abgestützt, die zur Aufnahme der für den Kompressionshub notwendigen Kompressionsenergie dient. Der mit dem Kolben 9 starr verbundene Kolbenschaft 12 ist beidseitig als Zahnstange 12a ausgebildet und wird zwischen Abtriebsritzeln lh geführt. Am unteren Endabschnitt des Kolbenschaftes 12 befindet sich das Joch 17 für den Hub-

130022/0003

ORlGlNAl

magneten 18. Dieser hat bei Einschaltung die Aufgabe, den Kolben 9 gegen den Druck der Kompressionsfeder 17 in der unteren Position zu halten. Ein Sperrmagnet 22 dient dazu, bei Abschaltung des Verbrennungskolbenmotors 10 den Kolben 9 ständig gegen den Druck der Kompressionsfeder 7 zu halten. Ferner ist in Fig. 1 schematisch das für die Fremdspülung eingesetzte elektromotorische Luftgebläse 31 und die elektrisch betriebene Einspritzpumpe kl dargestellt.

Wie in Fig. 2 abgebildet, stehen mit dew als Zahnstange 12a ausgebildeten Kolbenschaft 12 Zahnräder 23 in Verbindung, von denen eines mit dem elektrischen Motor/Generator 2k und das andere Zahnrad als Abtriebsritzel I^ mit der Abtriebswelle 15 verbunden ist.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch das Gehäuse eines Verbrennungskolbenmotors 10a mit zwei Zylindern 1, la dargestellt. Die Abtriebswelle 15 und die Antriebswelle k2 stehen mit den in den Arbeitszylindern 1, la befindlichen Kolben 9 in Wirkverbindung. Für jeden der beiden Arbeitszylinder 1, la ist je ein in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneter elektrischer Motor/Generator 2k vorgesehen, der aufgrund einer wechselweise arbeitenden, hier nicht näher dargestellten Leistungsschalterelektronik als Startermotor zur Bewegung des Kolbens 9 in die Kompressionsstellung oder als Generator beim Arbeitshub des Motors 10, 10a eingesetzt werden kann. Zwei auf der Abtriebswelle 15,

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

15a den jeweiligen Arbeitszylindern 1, la zugeordnete Freiläufe 16, l6a ermöglichen die Mitnahme der Antriebswelle 15, 15a bei eintretendem Arbeitshub und geben die Antriebswelle 15, 15a bei gegenläufiger Kompressionsbewegung frei.

Ein Beispiel eines mit der Antriebswelle 15, 15a in Wirkve.rbindung stehenden Freilaufes 16, löaist in Fig. ka. anhand eines mechanischen Klemmrollenfreilaufs ^3 dargestellt. Bei diesem Klemmrol.lenfreilauf ^3 sind die Klemmrollen M federgeführt zwischen der Abtriebswelle 15, 15a und dem Abtriebsaußenzylinder ¹J5 angeordnet.

Eine vorteilhafte Ausbildung des Druckölschmiersystems ist in Fig. JJb dargestellt, bei der seitlich in den Zylinderwänden 2 eingelassene ölschmiernuten kS in Verbindung mit einer Druckölleitung 27 stehen und eine in dem unteren Teil des Kolbens 9 ausgebildete Ringschmiernut 29 mit Drucköl versorgen.

In Fig. 5 ist der elektronische Teil des elektronisch gesteuerten Verbrennungskolbenmotors 10, 10a mit elektromechanischem Arbeitskreis dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem Schaltverstärker 32 für die Magnetwicklungen der Steuerventile 5 und Hubmagneten 5a, ¹Ia, 22a, 18, 30a der Zylinder 1, la, der von der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20 mit den. Betätigungsbefehlen für die betreffenden Steuerteile versorgt wird.

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

COPV

Ferner ist ein Leistungsschalter 25 vorhanden, der seine'rseitb die Umschaltung der elektrischen Motor/Generatoren 2k für Zylinder 1, la vom Generator auf Motorbetrieb und umgekehrt bewirkt. Der Leistungsschalter 25 schaltet weiterhin die Elektromotoren für das Gebläse 31» die ölpumpe 30 und die Einspritzpumpe ^l ein oder aus. Dies geschieht durch von der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20 herrührende Steuerbefehle. Die hier verwendeten Motor/ Generatoren 2M können beispielsweise Gleichstromaggregate sein, die entweder von einer gemeinsamen Starterbatterie kS betrieben werden oder aber diese aufladen. Die Motoren für das Gebläse.31, die ölpumpe 30 und die Einspritzpumpe ^l können ebenfalls als Gleichstrommotoren ausgeführt sein.

In Fig. 6 ist der Kolbenstellungsgeber ~?>k, der Temperaturgeber und die Zündeinrichtung 6 dargestellt. Der Kolbenstellungsgeber 3¹* und der Temperaturgeber 3 werden von einem Trägerfrequenz-Generator 35 mit Wechselspannung betrieben. Ihre Signale werden analog gemessen und über einen Analog-Digitalwandler 36 an die elektronische Regel- und Steuereinrichtung 20 weitergeleitet. Als Kolbenstellungsgeber 3¹I wird hierbei die Wicklung des Hubmagneten 18 im Rahmen einer induktiven Wechselstrommeßbrücke eingesetzt. Der Zündverstärker 6a empfängt von der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20 ausgehend die Zündimpulse, verstärkt diese, leitet sie über die Zündspule 6b an die Zündkerze 6c des jeweiligen Zylinders 1, la.

130022/0003

Die elektronische Regel- und Steuereinrichtung 20 kann aus einem Mikroprozessor 20a gebildet sein (Pig. 7)· Sie wird über einen' Startschalter 37 ein- oder ausgeschaltet und steuert alle für den Betrieb des Verbrennungskolbenniotors 10, löa wesentlichen Punktionen für die Arbeitszylinder 1, la. Ein Betriebsartenschalter 40 ermöglicht hierbei die Wahl verschiedener Beschleunigungsfunktionen sowie die Angabe über den eingesetzten Kraftstoff und die gewünschte Betriebsart, beispielsweise Otto- oder Dieselbetrieb. Der Mikroprozessor 20a steht hierbei mit einer Anzeigeeinheit 51 in Verbindung, die neben den Eingabedaten über die gewünschte Beschleunigung, Kraftstoffart und Diesel- oder Ottobetrieb, die vom Hub- oder Drehzahlgeber ^i9 vorgegebenen Solldreh- oder Sollhubzahlen anzeigt. Ferner werden zusätzliche Daten wie zeitlich verbrauchte Kraftstoffmenge und bei Einsatz des Verbrennungskolbenmotors 10 in Fahrzeugen erreichte Fahrgeschwindigkeit, Drehmoment, Motortemperatur und/oder öltemperatur durch öltemperaturgeber 50 zur Anzeige gebracht. Weitere Informationen wie z.B. Kraftstoffvorrat, Ölverbrauch bzw. ölvorrat und evt. Wartungsdaten können ebenfalls dargestellt werden. Ein Lagesensor kB informiert den Mikroprozessor 20a bei Pahrzeugeinsatz darüber, ob sich das Fahrzeug in horizontaler, Berg- oder Tallage befindet. Daraus resultierend wird es ermöglicht, ein optimales Anfahrmoment zu bestimmen. Der Zündverstärker 6a, der Leistungsschalter 25 und der Schaltverstärker 32 werden bei Betrieb mit den adressierten Steuersignalen des Mikro-

130022/0003 ~ . ORIGINAL INSPECTED

Prozessors 20a versorgt. Diese Einheiten'sind jeweils einem Arbeitszylinder 1, la zugeordnet.

In Fig. 8 ist als Beispiel ein Schaltbild für die mit dem Mikroprozessor 20a in Wirkverbindung stehende mehrstellige Anzeigeeinheit 51 dargestellt. Die von dem Mikroprozessor 20a stammenden adressierten Anzeigesignale werden hierbei von integrierten Dekoderbausteinen, z.B. vom Typ 9368 de- ^ kodiert und sog. Sieben-Segmentanzeigen, z.B. vom Typ mW HA IHj 3 zugeleitet. Die Anzeigeeinheit 51 arbeitet direkt am Datenbus des Mikroprozessors 20a. Ein hier nicht näher dargestellter Adressdekoder gibt bei richtiger Adressierung den Dateninhalt des Datenbuses des Mikroprozessors 20 an die Anzeigeeinheit 51 weiter. Mit der vorliegenden Anzeigeeinheit 51 können Wortlängen bis zu 16 Bit dargestellt werden. Die Eingänge der Anzeigeeinheit 51 bestehen aus invertierbaren Hexpuffern, die den Datenbus nicht / belasten. Die Ausgänge der Hexpuffer führen direkt auf die Binär-Hex-Dekoderbausteine des Typs 9368, die die Umsetzung des Digitalkods auf den Anzeigekode der nachgeschalteten Hexadezimal LED-Anzeigen vom Typ HA 1143 vornehmen. Somit kann der Dateninhalt des Datenbuses des Mikroprozessors 20a durch Sieben-Segmentziffernanzeigen dargestellt werden.

In Fig. 9 ist das Schaltbild eines der im Kolbenstellungsgeber 3*1 oder im Temperaturgeber 3 eingesetzten Analog-Digitalwandlers 36 dargestellt. Dieser Analog-Digitalwand-

130022/0003

ORIGINAL· INSPECTED

ler 36 ist vom Typ AD 363. Er besteht aus einem analogen Eingangsteil sowie aus dem Umsetzerteil. Sein digitales Ausgangssignal ist auf den Mikroprozessor 20a geschaltet. Die analogen Eingangssignale werden über die hoch- oder niederohmigen Eingänge auf den Multiplexer des Analog-Eingangsteils geschaltet. Dieser fragt die Signalpegel an den Eingängen ab und speichert die Werte im Zwischenspeicher oder gibt diese über die Schalteinheit an den nachgeschalteten Verstärker. Der Gleichstrom-Analogausgang des Verstärkers geht auf den eigentlichen AD-Konverter. Parallel hierzu gibt das Signal am Komparator, der die Vergleichsspannung für den Umsetzvorgang im AD-Wandler 36 liefert. Ausgehend vom Ausgang des AD-Konverters geht das digitalisierte Signal auf ein Register, von dem aus es für den Datenbus des Mikroprozessors 20a bereitgestellt werden kann.

Der innere Aufbau des in der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20 verwendeten Mikroprozessors 20a ist in Fig. 10 dargestellt. Der Mikroprozessor 20a ist vom Typ 8O8O. Er steht über einen Zweiweg-Datenbus 52 als Interface mit den nachgeschalteten Einheiten in Verbindung. Für die Adressierung ist ein Adreßbus 53 eingesetzt. Ein interner 8 Bit Datenbus 56 übernimmt den Datenverkehr zwischen den einzelnen Komponenten wie z.B. Registern 58 und Akkumulatoren 60, arithmetischer Rechnereinheit 59 usw. Der gesamte periphere Datenverkehr wird über den Zweiwege-Datenbus 52 abgewickelt. Der Datenbus

130022/0003

ORlGiNAL INSPECTED

wird zyklisch von der Zeit- und Steuereinheit 5Ί gesteuert und hängt über den Datenbus-Puffer 55 und Verriegelung am internen Datenbus 56 des Mikroprozessors 20a. Der zugehörige Adreßbus 53 wird für die periphere Adressierung vom Adreßpuffer 57 von der Zeit- und Steuereinheit 5^ über die Adreßverriegelung betrieben. Das Kernstück des Mikroprozessors 20a bildet die Zeit- und Steuereinheit 5^, die die arithmetische Logikeinheit 59, den dezimalen Abgleich 60, den Speicher und die Registeranordnung zyklisch steuert. Die intern abgespeicherte Befehlsstruktur des Mikroprozessors 20a ist in der Registeranordnung festgelegt und abgespeichert. Die arithmetische Logikeinheit 59 arbeitet über den Akkumulator 60 als Zwischenspeicher über den internen Datenbus 56 mit der Registeranordnung zusammen. Aus der Registeranordnung empfängt sie die Programmablaufstruktur und bearbeitet die vorliegenden Arbeitsbefehle.

Die in dem Mikroprozessor 20a abgespeicherten Programmabläufe sind in den Flußdiagrammen gemäß den Fig. 11 - 13 dargestellt. Der Programmablauf gliedert sich in die drei Teilprogramme Motor-Startprogramm, Motor-Kompressionsprogramm und Motor-Arbeitshubprogramm. Die Programme sind hierbei so aufgebaut, daß sie zyklisch nach den Eingabedaten und Vorgabewerten den Arbeitsablauf der Arbeitszylinder 1, la aufeinander abstimmen und Motorleistung sowie Hub- oder Drehzahl auf die gewünschten Solldaten hinsteuern.

130022/0003
ORIGINAL INSPECTED

COPY ■

Ein zur Aufnahme von Bremsenergie beim Einsatz des Verbrennungskolbenmotors 10, 10a im Fahrzeugbetrieb zu verwendender mechanischer Federspeicher 70 ist in Fig. 14 dargestellt. Dieser Federspeicher 70 steht über eine spezielle · Kupplungsanordnung mit der Antriebswelle k2 in Verbindung und wird beim Bremsvorgang zur Aufnahme von Bremsenergie über die' elektronische Regel- und Steuereinrichtung 20 einerseits oder zur Abgabe von Beschleunigungsenergie andererseits eingesetzt. Weiterhin ist es möglich, alternativ über eine hydraulische Kupplung den in der DE-OS 27 20 dargestellten hydraulischen Speicher für Bremsenergierückgewinnung in Verbindung mit dem Verbrennungskolbenmotor 10, 10a zu betreiben.

Im folgenden wird anhand einer Ablaufbeschreibung dargestellt, wie der elektronisch gesteuerte Verbrennungskolbenmotor 10, 10a mit elektromechanischen! Arbeitskreis innerhalb der verschiedenen Ablaufphasen arbeitet und mit Hilfe der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20 mit optimalem Wirkungsgrad koordiniert und gesteuert wird.

Im Speicher des Mikroprozessors 20a der elektronischen Regel-, und Steuereinrichtung 20 sind die vorgegebenen Betriebsdaten festgelegt. Diese Betriebsdaten bestehen aus den tabellarisch aufgespeicherten Werten für verschiedene Drehzahl-Drehmomentcharakteristiken und den zugehörigen Kraftstoffverbrauchsmengen. Diese Werte ent-

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

CGPY

-A-

sprechen mehreren vorgegebenen Kurven, die einerseits dem jeweils höchsten Leistungsverhalten, also somit dem höchsten Beschleunigungsverhalten entsprechen und daher die oberste Leistungs- und Kraftstoffverbrauchsgrenze darstellen. Andererseits entspricht die unterste Kurve einem mäßigen Beschleunigungsverhalten bei minimiertem Kraftstoffverbrauch. V/eitere Parameter für die Aufbereitung des Kraftstoffgemisches und die Sicherung der Anlaufzündwilligkeit sind die öl- und Zylinderwandtemperatur, die über die entsprechenden Sensoren der öltemperaturgeber 50 und Temperaturgeber 3 die Gemischbildung des kalten und des betriebswarmen Motors optimieren. Im Fahrzeugeinsatz informiert ein elektronischer Lagesensor ^8 über die notwendigen Mindestanfahrmomente bei Berg-, Taloder Horizontalfahrt. Ein Betriebsartenwahlschalter ^7 informiert den Mikroprozessor 20a über die Betriebsart Otto- oder Dieselbetrieb sowie über die Art des eingesetzten Kraftstoffes. Der Hub- oder Drehzahlgeber ^9 dient hierbei als Sollvorgabe für die im Betrieb zu erreichende Drehzahl. Er kann jedoch im Fahrzeugbetri°b auch als Fahrgeschwindigkeitsgeber eingesetzt werden.

Der elektronisch gesteuerte Verbrennungskolbenmotor 10, 10a ist durch die Möglichkeit, ohne Getriebe unter Last anzufahren, in der Lage auf die beim Kurbelwellenaggregat notwendige Leerlaufdrehzahl zu verzichten. Nach Einschalten des Startschalters 37 ist der Verbrennungskolbenmotor 10, 10a betriebsbereit geschaltet. Hierzu werden gemäß Startprogramm nach Fig. ll das Gebläse 31, die ölpumpe 30 und

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

291592?

- Al*

die Einspritzeinrichtung 6 eingeschaltet. Ferner wird der Sperrmagnet 22 und der Hubmagnet" 18 eingeschaltet und in Haltestellung gebracht. Sollte sich aus bestimmten Gründen z.B. nicht erfolgter vorhergehender Zündung der Kolben 9 nicht in der unteren Stellung befinden, wird er durch Einschalten des elektrischen Motoijfcenerators 2k und des Hubmagneten 18 in die untere Position gebracht. Nunmehr kann in dem Verbrennungskolbenmotor 10, 10a das Kompressionsprogramm gemäß Fig. 12 ablaufen.

Mit der Einschaltung des Ventilmagneten 5a wird das zugehörige Einsatzventil 5 geöffnet und der Zylinderraum wird mit Frischluft durchsoült. Aus den Vorgabewerten des Speichers des Mikroprozessors 20a wird ausgehend vom vorgegebenen Drehmoment sowie der Motortemperatur und der Ladeluftmenge, die aus Ladedruck und verfügbarem Zylindervolumen bestimmt wird, die notwendige Einspritzmenge ermittelt und der Einspritzzeitpunkt festgelegt. Aus der vorgegebenen Betriebsart - Otto- oder Dieselbetrieb wird der Einsatzzeitpunkt der Fremd- oder Eigenzündung ermittelt. Die hierdurch ermittelten Werte werden durch Speicherausgabe zur Verfügung gestellt. Durch Einschalten des Druckölventils 0 wird über die Druckölpumpe 30 die ölschmiernut 29 des Kolbens 9 mit Schmieröl versorgt. Mit dem Abschalten des Hubmagneten 18 und des Druckölventils 0 beginnt der eigentliche KompressionsVorgang. Dies geschieht dadurch, daß die in der Kompressionsfeder

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

gespeicherte Energie den Kolben 9 in die Kompressionsstellung bringt. Der Hubmagnet 18, der gleichzeitig mit seiner Wicklung als Kolbenstellungsgeber 3¹* in eine Wheatston'sche Wechselstrommeßbrücke geschaltet ist, dient hierbei als Kolbenstellungsmeßsensor. Dieser verändert seinen Wechselstromwiderstand in Abhängigkeit der von der Kolbenstellung abhängigen Luftspaltgröße zwischen Magnetkern und Joch und erzeugt somit eine veränderliche Wechselspannung. Zu jeder Kolbenstellung gehört eine entsprechende Höhe der Eingangs-VP wechselspannung am Verstärker und Analog-Digitalwandler 36 nach Fig. 6. Somit ist der Mikroprozessor 20a der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20 in der Lage, während des Kompressionsvorganges und des Arbeitshubes die Bewegung des Kolbens 9 im Zylinder 1, la zu erfassen. Es können hier jedoch auch andere Kolbenwegerfassungsverfahren wie z.B. Gleichstromwiderstandsmessung, magnetische, optische oder hochfrequente Abstandsmeßverfahren alternativ verwendet , werden.

Der Mikroprozessor 20a ist seinerseits nunmehr in der Lage, den richtigen Einspritzzeitpunkt und den optimalen Zündzeitpunkt entsprechend den Vorgabedaten zu bestimmen. Dies geschieht durch Einschalten und Abschalten des Einspritzventils 4a sowie der Zündeinrichtung 6 bei Fremdzündung. Ob der Verbrennungskolbenmotor 10, 10a gezündet hat und den Arbeitshub beginnt, erkennt die elektronische Regel- und Steuereinrichtung 20 an der Umkehrung des Bewegungsvorganges des Kolbens 9 für den Kolbenstellungs-

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

291592?

geber 3¹*. Sollte keine Zündung erreicht werden, so kann „der elektronische Motor/Generator 2k genriß Fig. 2 den Kolben 9 in die Startstellung zurückbringen, von wo aus ein erneuter Start- und Kompressionsvorgang erfolgen kann. Der Beginn des Arbeitshubes, gekennzeichnet durch die Umkehrung der Kolbenbewegung nach der Zündung, dient gleichzeitig für die Bestimmung des Startvorganges für den weiteren Zylinder la, dessen Arbeitshubbeginn wieder im Anschluß hieran das Arbeitshubprogramm für den ersten Zylinder aus-L löst. Auf diese Weise arbeiten beide Zylinder 1, la durch den Programmablauf des Mikroprozessors 20a der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20 miteinander auf die gleiche Abtriebswelle *J2. Es ist auch denkbar, zur Leistungssteigerung weitere Zylinder in diesem Programmablauf entweder parallel oder nacheinander zu verknüpfen. Als letzter Schritt des Arbeitshubprogramms ist das automatisch erfolgende Auslassen der heißen Abgase durch die Auslaßschlitze Ik vorgesehen.

Sollte im Fahrzeugeinsatz des elektronisch gesteuerten Verbrennungskolbenmotors 10, 10a der Bremsenergiespeicher 39 gemäß Fig. I^ eingesetzt werden, wird dieser durch eine spezielle Kupplung 71 mit der Antriebswelle k2 beim Bremsvorgang verbunden. Die elektronische Regel- und Steuereinrichtung 20 benötigt in diesem Falle ein Signal vom Bremspedal, welches die Einleitung des BremsVorganges mitteilt. Sie veranlaßt sodann das Einkuppeln des Federspeichers 70.

130Q22/QÖ83

ORIGINAL INSPECTED

Der Federspeicher 70 besitzt eine elektronische"Meßeinrichtung die der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20 angibt, wieviel Bremsenergie im Federspeicher 70 zur Verfügung steht. Im Falle der Beschleunigung wird der Federspeicher 70 sodann ebenfalls mit der Antriebswelle durch die Kupplung 71 und die elektronische Regel- und Steuereinrichtung- 20 verbunden, so daß die gespeicherte Energie an die Antriebswelle *J2 abgegeben werden kann. Der Federspeicher 70 besitzt eine elektromagnetisch betätigbare Sperre 72, so daß die gespeicherte Energie beliebig lange erhalten bleiben kann. Diese Sperre 72 wird von der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20 bei Bedarf freigegeben.

Die spezifische Wirkungsweise der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20 gemäß Fig. 7 und 10 in Verbindung mit dem Leistungsschalter 25 und dem Schaltverstärker 32 gemäß Fig. 5 ist wie folgt. Der in Fig. 10 dargestellte handelsübliche Mikroprozessor 20a ist eine Einheit _t die eine V/ortlänge von 8 Bit benutzt. Die Registeranordnung 58 stellt dabei den internen Speicher des Mikroprozessors 20a dar. Ein externer PROM-Speicher dient als Programmspeicher 61 des Mikroprozessors 20a. Die arithmetische Logikeinheit 59 ist der eigentliche Rechnerteil und die Zeit- und Steuereinheit 54 stellt die Zeitbasis und die Ablaufsteuerung dar. Der Zweirichtungs-Datenbus 53 sowie der Adreßbus 53 sind die Schnittstellen zu den peripheren

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

— 291592?

Einheiten wie z.B. Schaltverstärker 32, Leistungsschalter 25 und Programmspeicher 6l. über diesen Datenbus 53 werden alle Eingabedaten adressiert, abgefragt und in die Register 5.8 eingelesen. Die Analog/Digitalwandler 36 gemäß Fig. 6, 7, 9 und der Lagesensor 48 arbeiten direkt auf diesen Datenbus 53. Ferner werden von hier die Anzeigeeinheit 51 gemäß Fig. 7 und 8 sowie auch der Zündverstärker 6a gemäß Fig. 7 angesteuert. Die als Flußdiagramme in den Fig. 11, 12 und 13 dargestellten Ablaufprogramme werden mit Hilfe des mikroprozessoreigenen Mikroprogramms und der damit verbundenen Befehlsstruktur in den Programmspeicher 6l des Mikroprozessors 20a eingegeben und ermöglichen somit die direkte Umsetzung des Ablaufsteuerprogrammes für den elektronisch gesteuerten Verbrennungskolbenmotor 10, 10a in die zugehörigen Steuersignale der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung 20, wie in der Fig. 7 dargestellt. Der "Schaltverstärker 32 hat hierbei die Aufgabe, die_ von dem Mikroprozessor 20a über den Datenbus 56 herkommenden adressierten digitalen Steuerbefehle zu dekodieren und in entsprechende Glöichstromschaltsignale für die Magnetwicklungen 5a, 4a, 22a, 18, 30 der Zylindersteuerung umzusetzen. Der Leistungsschalter 25 nach Fig. 5 und 7 dient dazu, die von dem Mikroprozessor 2Qa über den Datenbus 56 ausgehenden adressierten Steuersignale ebenfalls zu dekodieren und in die Ein-, Aus- oder Umschaltsignale für die Motoren/Generatoren 24 und die Motoren für das Gebläse 31, die ölpumpe 30 und die Einspritzpumpe 33 umzusetzen. " ''

i ■ 130 022/0003; · '

I !

ORIGINAL· INSPECTED

Leerseite

Claims

Anmelder: ' l7. April 1979 "

Hans Joachim Wendt,
Buxtehude

P atent an s prü ehe:

1. Verbrennungskolbenmotor für die Verbrennung verschiedener Kraftstoffarten, mit elektronisch steuerbaren Ein- * \ und Auslaßventilen und einer elektronisch steuerbaren Einspritzvorrichtung, gekennzeichnet durch mindestens einen Arbeitszylinder (1, la), an dem kopfseitig eine elektronisch steuerbare Brennstoffeinlaßeinrichtung (Ό, ein elektronisch steuerbares Einlaßventil (5) und eine elektronisch steuerbare Zündeinrichtung (6) angeordnet und in dem ein mit einer kompressionsdruckspeichernden Einrichtung in Wirkverbindung stehender Kolben (9) befindlich ist, dessen mit einer Halteeinrichtung (11) feststellbare Kolbenstange (12) mittels Kraftübertragungsmitteln mit einer Abtriebsvielle· (15,15a) verbunden ist, einem Temperaturgeber (3) für die Zylindertemperatur

130022/0003

COPY Jf. ORIGINAL INSPECTED

und einem Kolbenstellungsgeber (3¹O, und einer programmierbaren elektronischen Regel- und Steuereinrichtung (20) •mit Anzeigeeinheit (5D, die mit dem Temperaturgeber (3), dem Kolbenstellungsgeber (3¹O, über eine elektrische Leistungsschalteinrichtung (21) mit der elektronisch steuerbaren Brennstoffeinlaßeinrichtung (¹J) und dem elektronisch steuerbaren Einlaßventil (5) in Wirkverbindung steht.

2. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Zylinderkopf (13) ein mit der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung (20) in Wirkverbindung stehendes elektronisch steuerbares Auslaßventil ausgebildet ist.

3. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Bereich des Arbeitszylinders (1, la) in der Zylinderwandung (2) mindestens ein Auslaßschli£z (2a) ausgebildet ist.

¹J. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (12) zahnstangenartig ausgebildet ist und mit Abtriebsritzeln (I¹J, I¹Ja) in Wirkverbindung steht, die mit der Abtriebswelle (15, 15a) verbunden sind.

5. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch ¹J, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Abtriebsritzel (I¹J, I¹Ja) eine Freilaufkupplung (16, l6a) zugeordnet ist, die mit der Ab-

13Ö022/0ÖÖ3

"copy original inspected

triebswelle (15» 15a) verbunden ist.

6. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß der dem Kolben (9) abgewandte Endabschnitt der Kolbenstange (12) mit dem Joch (17) eines Hubmagneten (18) verbindbar und mit einem mittels eines Sperrmagneten (19) betätigbaren Halteglieds (22) in Wirkverbindung bringbar ist.

7. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (9) mittels eines Abtriebsritzels (23) mit einem elektrischen Motor/Generator (2¹I) in Wirkverbindung steht.

8. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Motor/Generator (2¹O mittels eines Leistungsschalter (25) mit der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung (20) verbunden ist.

9. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß jede Freilaufkupplung (16, l6a) als Klemmrollenfreilauf ausgebildet ist.

10. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1-9» dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung (2) des Arbeitszylinders (1, la) unterhalb des Auslaßschlitzes (2a) Durchbrechungen (26) einer Druckölleitung (27) angeordnet sind, mittels derer an dem Kolbenmantel (28)

130022/0003

COPY If ORIGINAL INSPECTED

ausgebildete Schmiernuten (29) mit ΟΪ befüllbar sina.

11. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leistungsschalteinrichtung (21) aus einem mit den Magnetwicklungen (¹Ia, 5a) der Steuerventile (¹I, 5) und Hubmagneten (18) der Arbeitszylinder (1, la) verbundenen Schaltverstärker (32) und einem Leistungsschalter (25) zum Schalten

r elektromotorischer Antriebe des Motors/Generators (2¹O,

f/ß des Gebläses (3D, der ölpumpe (30) und der Einspritz

pumpe (33) besteht, die mit der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung (20) in Wirkverbindung stehen.

12. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung des Kolbenstellungs gebers (3¹I) der Wicklung des Magneten (18) eine induktive Wechselstrombrücke zugeordnet ist, die über einen Verstärker und einen Signalwandler mit der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung (20) verbunden ist.

13. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenstellungsgeber (3¹O und der Temperaturgeber (3) von einem Trägerfrequenzgenerator (35) mit Viechseispannung beaufschlagbar sind und deren Verstärker ausgangsseitig analog gemessene Signale über jeweils einen Analog/Digitalwandler (36) an die elektronische Regel- und Steuereinrichtung

130022/0003

ORIGINAL INSPECTED

(20) weiterleitbar sind. ' .

ik. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1 -13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Regel- und Steuereinrichtung (20) einen mittels eines Startschalters (37) ein- und ausschaltbaren Mikroprozessor (20a) aufweist.

15. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsritzel (38) des Verbrennungskolbenmotors (10, 10a) mittels einer von der elektronischen Regel- und Steuereinrichtung (20) betätigbaren Kupplung mit einem mechanischen^ hydraulischen oder pneumatischen Energiesoeicher (39) verbindbar ist.

16. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (39) als mechanischer Federspeicher (70) ausgebildet ist.

17. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher als mittels eines von dem Abtriebsritzel (38) betätigbaren Hydraulikmotors mit druckbeaufschlagtein hydraulischem Druckspeicher ausgebildet ist.

13 0 02 2/ 0 0(3 3°

ORIGINAL INSPECTED

18. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kompressionsdruckspeichernde Einrichtung als hydraulischer Speicher, pneumatischer Speicher oder Federspeicher ausgebildet ist.

19. Verbrennungskolbenmötor nach Anspruch l8, dadurch gekennzeichnet, daß als Federspeicher eine als Druckfeder ausgebildete Kompressionsfeder (7) verwendet wird, die zwischen dem Zylinderboden (8) und der Unterseite des Kolbens (9) angeordnet ist.

20. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Federspeicher eine Kompressionsfeder mit der Kolbenstange (12) verbunden ist.

21. Verbrennungskolbenmotor nach Anspruch 19 und 2o, dadurch gekennzeichnet, daß der Federspeicher als eine aus mehreren kompressionsenergiespeichernden Federn bestehende Kompressionsfederanordnung ausgebildet ist.

22. Verbrennungskolbenmötor nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinheit (51) mit dem Datenbus des Mikroprozessors (20a) in Wirkverbindung steht, dessen adressierte Anzeigesignale nach Dekodierung auf Segmentanzeigen abbildbar sind.

130022/00Ö3

^0RIGINAL INSPECTED