AT518694B1 - Hubkolbenmaschine sowie Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine - Google Patents

Hubkolbenmaschine sowie Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine (1) mit variablem Verdichtungsverhältnis, wenigstens einen Zylinder (2a, 2b, 2c, 2d) mit einem Kolben (3) und einem in der Länge anpassbaren Pleuel (4), welches mit dem Kolben (3) und einer Kurbelwelle (5) der Hubkolbenmaschine (1) verbunden ist. Die Hubkolbenmaschine (1) weist des Weiteren einen ersten Sensor (6) auf, welcher an einer zugeordneten Messstelle (10) in einer Zylinderwand (7) des wenigstens einen Zylinders (2a, 2b, 2c, 2d) angeordnet und eingerichtet ist, eine Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd (8) des Kolbens (3) und der Zylinderwand (7) zu erfassen. Dar über hinaus weist die Hubkolbenmaschine (1) einen zweiten Sensor (9) auf, der an einer zugeordneten Messstelle (11) in der Zylinderwand (7) angeordnet ist, wobei der erste Sensor (6) in der Weise angeordnet ist, um die Relativbewegung im Bereich eines oberen Totpunkts (OT) des Kolbens (3) zu erfassen und der zweite Sensor (9) in der Weise angeordnet ist, um die Relativbewegung im Bereich eines unteren Totpunkts (UT) des Kol bens (3) zu erfassen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren (100) zur Diagnose und/oder Steuerung einer derartigen Hubkolbenmaschine (1), insbesondere mit variablem Verdichtungsverhältnis, und ein dazu geeignetes System.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, welche wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und einem in der Länge anpassbaren Pleuel, welches mit dem Kolben und einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine verbunden ist, aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren und ein System zur Diagnose und/oder Steuerung einer solchen Hubkolbenmaschine.
[0002] Aus dem Stand der Technik sind Hubkolbenmaschinen mit variablen Verdichtungsverhältnissen bekannt, wobei als Verdichtungsverhältnis ε, vorliegend insbesondere in fachlicher Weise ein Verhältnis der Summe von (Kolben)Volumen VH und Kompressions- bzw. Restvolumen VK zu dem Kompressions- bzw. Restvolumen VK verstanden wird ε = Vll+Vk.
vk [0003] Hierdurch kann eine Funktionalität der Hubkolbenmaschine verbessert, insbesondere an unterschiedliche Lastbereiche adaptiert werden.
[0004] Im Stand der Technik sind verschiedenste Systeme zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses in Hubkolbenmaschinen bekannt, beispielsweise aus der WO 2015/055582 A2, der AT 512334 A1 oder der DE 10 2012 020999 A1.
[0005] Bei Hubkolbenmaschinen solcher Art, insbesondere bei Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen, mit variablem Verdichtungsverhältnis ist eine Diagnose und/oder Steuerung vorteilhaft, um die Kolbenposition, insbesondere in Bezug auf verschiedene Kurbelwellenwinkel und/oder das momentan eingestellte Verdichtungsverhältnis, zu bestimmen und einstellen zu können.
[0006] Die Druckschrift DE 20 2009 015 316 U1 betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Kolbens in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Lichtquelle, einem zwischen Lichtquelle und Verbrennungsraum vorgesehenen Lichtleiter und einem Lichtdetektor für vom Kolbenboden reflektierte Lichtstrahlen, wobei für den in die Verbrennungskraftmaschine einzuleitenden Lichtstrahl und für den vom Kolbenboden reflektierten und dem Lichtdetektor zuzuführenden Lichtstrahl gesonderte Lichtleiter vorgesehen sind, wobei die Lichtleiter an einen Bildleiter anschließen, der mit seiner Hauptabstrahlrichtung in Richtung des Kolbenbodens weisend in einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt ist.
[0007] Die Druckschrift DE 10 2009 013 323 A1 betrifft ein Verfahren zur automatischen Ermittlung eines momentanen Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine im Betrieb, die ein veränderbares Kompressionsvolumen aufweist, mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Kolben geführt ist, der über einen Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden ist, wobei der Pleuel an einer Kurbel der Kurbelwelle angelenkt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte vorsieht: a) Auslösen eines Signals in einem Zeitpunkt, bei dem sich der Kolben ungefähr im Bereich des unteren Totpunktes befindet, wobei die Kurbelwelle eine definierte Drehposition einnimmt, b) synchrones Erfassen der Position des Kolbens durch einen Messsensor und c) Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses anhand vorbekannter und ermittelter Daten.
[0008] Die Druckschrift WO 2016/016187 A1 betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer OnBoard-Diagnose bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis im oberen Totpunkt (OT), vorzugsweise durch Einstellung der effektiven Länge eines Pleuels, wobei die On-Board-Diagnose genutzt wird, um das Verdichtungsverhältnis eines Zylinders zu überprüfen.
[0009] Weitere derartige Lösungen zeigen die DE 10 2005 024 046 A1, DE 10 2006 033 062 A1, DE 10 2005 054 627 A1, EP 2 194 244 A1 und DE 20 2012 100 653 U1.
[0010] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hubkolbenmaschine bzw. deren Betrieb zu verbessern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Kolbenposition /24
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Patentamt und/oder das Verdichtungsverhältnis besser bestimmen und/oder einstellen zu können.
[0011] Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenmaschine und ein Verfahren bzw. System gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Lehre der Ansprüche wird ausdrücklich zu einem Teil der Beschreibung gemacht.
[0012] In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Hubkolbenmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und einem in der Länge anpassbaren Pleuel, welches mit dem Kolben und einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine verbunden ist, auf. Vorzugsweise weist die Hubkolbenmaschine des Weiteren einen ersten Sensor auf, welcher an einer zugeordneten Messstelle in einer Zylinderwand des wenigstens einen Zylinders angeordnet und eingerichtet ist, eine Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd des Kolbens und der Zylinderwand zu erfassen. Des Weiteren weist die Hubkolbenmaschine einen zweiten Sensor auf, der an einer zugeordneten Messstelle in der Zylinderwand angeordnet ist, wobei der erste Sensor in der Weise angeordnet ist, um die Relativbewegung in Bezug eines oberen Totpunkts (OT) des Kolbens zu erfassen und der zweite Sensor in der Weise angeordnet ist, um die Relativbewegung im Bereich eines unteren Totpunkts (UT) des Kolbens zu erfassen. Das Vorsehen von zwei Sensoren jeweils im oberen und unteren Bereich des Kolbens ermöglicht es, eine mögliche Elastizität in einer Verstellvorrichtung für ein variables Verdichtungsverhältnis, zum Beispiel eine Elastizität eines hydraulisch verstellbaren Pleuels, festzustellen.
[0013] Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zur Diagnose und/oder Steuerung oder einer Hubkolbenmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis welche wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und einem in der Länge anpassbaren Pleuel aufweist, welches mit dem Kolben und einer Kurbelwelle verbunden ist, die folgenden Arbeitsschritte auf:
[0014] - Ermitteln eines Bewegungs-Parameters des Kolbens der Hubkolbenmaschine mittels einer Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd des Kolbens und einer Zylinderwand;
[0015] - Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters und eines KolbengeschwindigkeitsParameters auf Basis des Bewegungs-Parameters; und [0016] - Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des KolbenpositionsParameters und des Kolbengeschwindigkeits-Parameters.
[0017] Nach einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein System zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis welche wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und einem in der Länge anpassbaren Pleuel aufweist, welches mit dem Kolben und einer Kurbelwelle verbunden ist, zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:
[0018] - Mittel zum Ermitteln eines Bewegungs-Parameters wenigstens eines Kolbens der
Hubkolbenmaschine mittels einer Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd des Kolbens und einer Zylinderwand; und [0019] - Mittel zum Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters und eines Kolbengeschwindigkeits-Parameters auf Basis des Bewegungs-Parameters.
[0020] Die Erfindung basiert insbesondere auf dem Ansatz, dass aus einer Bewegung des Kolbens, welche über die Feststellung verschiedener Kolbenpositionen ermittelt werden kann, beziehungsweise einer oder mehrerer Positionen des Kolbens selbst und weiterer Informationen, wie beispielsweise der Kolbengeschwindigkeit und/oder des jeweils vorliegenden Kurbelwellenwinkels, ein Verdichtungsverhältnis einer Hubkolbenmaschine berechnet werden kann. Des Weiteren beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass aus einer Bewegung des Kolbenhemds gegenüber der Zylinderwand, welche mit einem Sensor in der Zylinderwand festgestellt werden kann, eine Position des Kolbens zu einem oder mehreren Zeitpunkten festgestellt und/oder hergeleitet bzw. berechnet werden kann.
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Patentamt [0021] Die Hubkolbenmaschine ist in einer Ausführung eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere ein aufgeladener oder nicht aufgeladener Zwei- oder Viertakt-, insbesondere Otto- oder Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens.
[0022] In einer Ausführung ist das Verdichtungsverhältnis eines oder mehrerer, insbesondere aller Zylinder der Hubkolbenmaschine, insbesondere individuell oder einheitlich, insbesondere gemeinsam, verstellbar, insbesondere reversibel zwischen einem minimalen und einem maximalen Verdichtungsverhältnis. Um das Verdichtungsverhältnis zu verändern, kann insbesondere die Länge des Pleuels angepasst werden.
[0023] Die Erfindung nutzt dabei aus, dass ein Kolbenhemd des Kolbens verschiedene Orte der Zylinderwand je nach Pleuellänge zu verschiedenen Zeitpunkten und/oder verschieden lange überstreicht bzw. überfährt. Der Abstand des Kolbenhemds von der Zylinderwand bzw. das Vorhandensein des Kolbenhemds an bestimmten Stellen der Zylinderwand, kann jedoch durch eine Reihe von aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren zuverlässig bestimmt werden.
[0024] Eine Zylinderwand im Sinne der Erfindung ist die seitliche Begrenzung des Zylinders, mit der ein Kolben zusammenwirkt, um einen Arbeitsraum, insbesondere Brennraum, einer Hubkolbenmaschine zu begrenzen.
[0025] Ein Kolben im Sinne der Erfindung ist dabei jenes bewegliche Bauteil der Hubkolbenmaschine, das zusammen mit dem umgebenden Gehäuse, insbesondere mit der Zylinderwand und einem Zylinderkopf, einen abgeschlossenen Hohlraum bildet, dessen Volumen sich durch die Bewegung des Kolbens verändert. Insbesondere weist ein Kolben einen Kolbenboden auf, welcher mit dem einen Arbeitsraum in Kontakt steht, ein Kolbenhemd, welches sich entlang der Zylinderwand erstreckt, und einen Kolbenbolzen mit seiner Lagerung, der den Kolben mit dem Pleuel verbindet.
[0026] Ein Induktivsensor im Sinne der Erfindung ist ein Sensor, welcher nach dem Induktionsprinzip arbeitet. Hierfür ist insbesondere eine Spule (Wicklung), ein Magnet, ein konstantes oder veränderliches Magnetfeld und ggf. eine Bewegung erforderlich.
[0027] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine weist der Kolben ein elektrisch leitfähiges und/oder ferromagnetisches Material auf und der erste Sensor und/oder der zweite Sensor ist ein Induktivsensor, insbesondere ein Wirbelstromsensor, oder ein optischer Sensor.
[0028] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine sind/ist der erste Sensor und/oder der zweite Sensor in der Weise angeordnet, dass das Kolbenhemd diesen während der Relativbewegung vollständig überfährt. Wird der Sensor in der Zylinderwand während der Bewegung des Kolbens komplett von diesem überfahren, lassen sich die obere und/oder Kante des Kolbens, das heißt, das jeweilige obere und/oder untere Ende des Kolbenhemds sehr zuverlässig bestimmen.
[0029] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine weist diese ein variables Verdichtungsverhältnis auf und der erste Sensor ist in der Weise angeordnet, dass das Kolbenhemd diesen nur bei wenigstens im Wesentlichen maximalem Verdichtungsverhältnis vollständig überfährt und/oder der zweite Sensor ist in der Weise angeordnet, dass das Kolbenhemd diesen nur bei im Wesentlichen minimalem Verdichtungsverhältnis vollständig überfährt. Durch diese Anordnung lassen sich die jeweiligen maximalen Auslenkungen des Kolbens sehr zuverlässig bestimmen, da, wenn diese erreicht sind, nur dann der jeweilige Sensor im oberen Totpunkt oder im unteren Totpunkt nicht von dem Kolbenhemd bedeckt wird.
[0030] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine sind/ist der erste Sensor und/oder der zweite Sensor in der Weise angeordnet, dass Kolbenringe des Kolbens den ersten Sensor und/oder den zweiten Sensor bei der Relativbewegung nicht überfahren.
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Patentamt [0031] Die im Vorhergehenden, in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend für den zweiten und dritten Aspekt der Erfindung und umgekehrt.
[0032] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters ein Ermitteln eines ersten minimalen Werts des Bewegungs-Parameters und eines zweiten maximalen Werts (UOk) des Bewegungs-Parameters der Bewegung des Kobens umfasst. Vor einer Bestimmung des minimalen und maximalen Werts wird der Bewegungs-Parameter vorzugweise gefiltert, um Störungen, welche beispielsweise durch die Kolbenringe eingebracht werden, aus dem Parameterverlauf zu entfernen. Der maximal Wert und der minimale Wert stellen dann vorzugsweise absolute Minima bzw. Maxima in Bezug auf den Bewegungs-Parameter dar, welcher an einem Sensor durch die Bewegung des Kolbens erzeugt wird.
[0033] In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren folgende Arbeitsschritte auf:
[0034] - Erfassen eines Drehpositions-Parameters einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine; und [0035] - Ermitteln eines Kurbelwellenwinkel-Parameters auf Basis des DrehpositionsParameters.
[0036] Ein Drehpositions-Parameter im Sinne dieser vorteilhaften Ausführungsform wird vorzugsweise mit einem Inkrementalgeber an der Kurbelwelle bestimmt.
[0037] Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
[0038] - Mittel zum Erfassen eines Drehpositions-Parameters einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine; und [0039] - Mittel zum Ermitteln eines Kurbelwellenwinkel-Parameters auf Basis des Drehpositions-Parameters.
[0040] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren folgenden Arbeitsschritt auf:
[0041] - Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des KolbenpositionsParameters und des Kurbelwellenwinkel-Parameters.
[0042] Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
[0043] - Mittel zum Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des Kolbenpositions-Parameters und/oder des Kolbengeschwindigkeits-Parameters, oder [0044] - Mittel zum Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des Kolbenpositions-Parameters und des Kurbelwellenwinkel-Parameters.
[0045] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Ermitteln des Kolbenpositions-Parameters ein Ermitteln eines ersten Werts des Bewegungs-Parameters an einem oberen Totpunkt und/oder zweiten Werts des BewegungsParameters an einem unteren Totpunkt der Bewegung des Kolbens, wobei das Verfahren des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweist:
[0046] - Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des ersten Werts und/oder des zweiten Werts und des Kolbenpositions-Parameters.
[0047] Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
[0048] - Mittel zum Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des ersten
Werts und/oder des zweiten Werts und des Kolbenpositions-Parameters.
[0049] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren die folgenden Arbeitsschritte auf:
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Patentamt [0050] - Ermitteln eines Wertes eines Verdichtungsverhältnisses auf Basis des ersten
Wertes des oberen Totpunkts und/oder des ersten Wertes des unteren Totpunkts.
[0051] Aus den Werten des oberen Totpunkts und den Werten des unteren Totpunkts ergibt sich in unmittelbarer Weise das anliegende Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine. Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
[0052] - Mittel zum Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des ersten
Werts und/oder des zweiten Werts und des Kolbenpositions-Parameters.
[0053] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters des Weiteren folgende Arbeitsschritte auf:
[0054] - Verstellen eines Soll-Verdichtungsverhältnisses wenigstens eines ersten Zylinders der Hubkolbenmaschine von einem ersten, insbesondere extremalen, Wert auf einen zweiten, insbesondere extremalen, Wert;
[0055] - Ermitteln eines ersten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder eines ersten Werts des Kurbelwellenwinkel-Parameters für den ersten Wert des SollVerdichtungsverhältnisses; und [0056] - Ermitteln eines zweiten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder eines zweiten Werts des Kurbelwellenwinkel-Parameters für den zweiten Wert des SollVerdichtungs-verhältnisses, [0057] wobei das Ermitteln eines Werts des Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des ersten und zweiten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder des KurbelwellenwinkelParameters erfolgt.
[0058] Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
[0059] - Mittel zum Verstellen eines Soll-Verdichtungsverhältnisses wenigstens eines ersten Zylinders der Hubkolbenmaschine von einem ersten, insbesondere extremalen, Wert auf einen zweiten, insbesondere extremalen, Wert;
[0060] - Mittel zum Ermitteln eines ersten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder eines ersten Werts des Kurbelwellenwinkel-Parameters für den ersten Wert des Soll-Verdichtungsverhältnisses; und [0061] - Mittel zum Ermitteln eines zweiten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder eines zweiten Werts des Kurbelwellenwinkel-Parameters für den zweiten Wert des Soll-Verdichtungsverhältnisses.
[0062] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Verstellen eines Soll-Verdichtungsverhältnisses den Arbeitsschritt auf:
[0063] - Verändern einer Soll-Länge eines Pleuels des wenigstens einen ersten Zylinders der Hubkolbenmaschine.
[0064] Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
[0065] - Mittel zum Verändern einer Soll-Länge eines Pleuels des wenigstens einen ersten
Zylinders der Hubkolbenmaschine.
[0066] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren folgende Arbeitsschritte auf:
[0067] - Erfassen eines induktiven und/oder optischen Signals, welches durch die Relativbewegung zwischen dem Kolbenhemd des Kolbens und der Zylinderwand beeinflusstwird; und [0068] - Ermitteln des Bewegungs-Parameters auf Basis des induktiven und/oder optischen
Signals.
[0069] Insbesondere induktive und/oder optische Signale eignen sich besonders gut, um die
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Patentamt
Relativbewegung des Kolbenhemds gegenüber der Zylinderwand zu bestimmen. Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
[0070] - Mittel zum Erfassen eines induktiven und/oder optischen Signals, welches durch die Relativbewegung zwischen dem Kolbenhemd des Kolbens und der Zylinderwand beeinflusst wird; und [0071] - Mittel zum Ermitteln des Bewegungs-Parameters auf Basis des induktiven und/oder optischen Signals.
[0072] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt ein Wert des Bewegungs-Parameters vom, insbesondere kürzesten, Abstand des Kolbenhemds zu einer Messstelle oder einer Geschwindigkeit der Relativbewegung ab.
[0073] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Bewegungs-Parameter eine elektrische Spannung, welche durch das induktive und/oder optische Signal erzeugt wird.
[0074] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das induktive und/oder optische Signal insbesondere mittels des unteren Endes und/oder des oberen Endes des Kolbenhemds beeinflusst.
[0075] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt der Geschwindigkeits-Parameter zusätzlich einen Abstand des Kolbens von der Zylinderwand zu einem jeweiligen Messzeitpunkt. Wird die Geschwindigkeit des Kolbens über eine Induktion in dem induktiven Sensor durch eine Kolbenbewegung festgestellt, so sollte gleichzeitig die Form des Kolbenhemds und der Abstand des Kolbenhemds von der Zylinderwand berücksichtigt werden, um exakt die Geschwindigkeitswerte berechnen zu können.
[0076] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kolbenpositions-Parameter durch Auswertung eines Verlaufs des Bewegungs-Parameters in Abhängigkeit von der Zeit, insbesondere durch Auswertung von Flanken des Verlaufs, ermittelt. Ein solcher Verlauf lässt insbesondere erkennen, zu welchem Zeitpunkt und wie oft ein Kolbenhemd sich über den Sensor bewegt hat.
[0077] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erfasste induktive und/oder optische Signal gefiltert und der Bewegungs-Parameter auf Basis des gefilterten induktiven und/oder optischen Signals ermittelt.
[0078] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Bewegungs-Parameter ausschließlich für wenigstens einen vorgegebenen Kurbelwinkelbereich ermittelt.
[0079] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der wenigstens eine vorgegebene Kurbelwinkelbereich einen oberen und/oder unteren Totpunkt wenigstens eines, insbesondere des ersten, Zylinders der Hubkolbenmaschine auf und/oder erstreckt sich über wenigstens 2° und/oder über höchstens 135°. Zusätzlich oder alternativ erstreckt sich ein bzw. der vorgegebene Kurbelwellenwinkelbereich in einer Ausführung, insbesondere jeweils, über wenigstens 2°, insbesondere über wenigstens 5°, insbesondere über wenigstens 10°, und/oder höchstens 135°, insbesondere höchstens 90°, insbesondere höchstens 45°.
[0080] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Bewegungs-Parameter auf Basis wenigstens eines Mittel- und/oder Extremal-Werts ermittelt.
[0081] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Signal, insbesondere ein Diagnose- und/oder Steuersignal auf Basis des BewegungsParameters ausgegeben, insbesondere falls der Bewegungs-Parameter eine vorgegebene Bedingung erfüllt, insbesondere einen vorgegebenen oberen Grenzwert über- und/oder unteren Grenzwert unterschreitet und/oder außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. Hierdurch
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Patentamt kann vorteilhaft auf eine Detektion eines fehlerhaften Verdichtungsverhältnisses reagiert werden.
[0082] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden/wird der erste und/oder zweite Bewegungs-Parameter auf Basis bzw. in Abhängigkeit von wenigstens einer Differenz zwischen zwei Mittel- und/oder Extremal-, insbesondere Maximalund/oder Minimal-Werten, der Bewegung ermittelt und kann diese insbesondere angeben.
[0083] Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen im Stande ist, so dass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere eine Hubkolbenmaschine steuern und/oder überwachen kann.
[0084] Unter einem Steuern wird vorliegend insbesondere auch die Ausgabe von Steuersignalen auf Basis eines Vergleichs mit erfassten Ist-Werten, das heißt ein Regeln, verstanden.
[0085] In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Arbeitsschritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das System bzw. sein Mittel.
[0086] Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Hierzu zeigen, wenigstens teilweise schematisiert:
[0087] Figur 1 [0088] Figur 2 einen ersten Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Hubkolbenmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
einen vergrößerten Ausschnitt des Bereichs um einen Kolben des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nach Figur 1;
[0089] Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt um einen Zylinder eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine;
[0090] Figur 4 einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich um Sensoren einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nach Figur 1 und 2;
[0091] Figur 5 ein Diagramm eines Verlaufs eines Ausgangsparameters eines oberen Sensors des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nach den Figuren 1 und 2;
[0092] Figur 6 ein Diagramm eines Verlaufs eines Ausgangsparameters eines unteren Sensors des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nach den Figuren 1 und 2;
[0093] Figur 7 ein Diagramm eines Verlaufs eines Ausgangsparameters eines oberen Sensors des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nach Figur 3;
[0094] Figur 8 ein Diagramm einer Auswertung des Ausgangsparameters nach Figur 7; und [0095] Figur 9 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
[0096] Figur 1 zeigt einen Teil eines Kraftfahrzeugs mit einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1
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Patentamt mit einem variablen Verdichtungsverhältnis und einem System zur Diagnose der Hubkolbenmaschine 1 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
[0097] Die Hubkolbenmaschine 1 weist in an sich bekannter Weise eine Kurbelwelle 5 und mehrere Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d auf, in denen Kolben abwechselnd ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichten (vgl. Zylinder 2a), durch Verbrennung des Gemisches angetrieben werden (vgl. Zylinder 2b), Luft oder Gemisch ansaugen (vgl. Zylinder 2c) und ausstoßen (vgl. Zylinder 2d) und hierzu über Pleuel 4 mit der Kurbelwelle 5 gekoppelt sind.
[0098] Die Länge der Pleuel 4 und damit das Verdichtungsverhältnis der Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d bzw. der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 ist durch eine Motor-ECU 15 verstellbar, wie in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet.
[0099] Die ECU 15 erfasst mittels eines Triggerrads 14 eine Drehposition der Kurbelwelle 5 als Drehpositions-Parameter und ermittelt hieraus insbesondere Werte eines KurbelwellenwinkelParameters y, beispielsweise yi,i, y2,-i, Υ3,ι, Υ4,ι· [00100] Figur 2 zeigt einen der Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 nach Fig. 1 im oberen Totpunkt OT, bei welchem sich der Kolben 3 in der nächstmöglichen Stellung am Zylinderkopf befindet. Der Brennraum (nicht dargestellt) am Zylinderkopf wird hierbei durch die Oberseite des Kolbens 3 sowie durch die Zylinderwände 7 nach unten hin begrenzt. Das Kolbenhemd 8 dient zur Führung des Kolbens 3 in dem Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d und wirkt mit der Zylinderwand 7, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel zylinderförmig ist, zusammen. Im Bereich des Kolbenhemds 8 sind auch Dichtungsringe angeordnet, welche einen verbleibenden Spalt zwischen Kolbenhemd 8 und der Zylinderwand 7 abdichten.
[00101] In die Zylinderwand 7 sind, insbesondere senkrecht zur Hauptachse des Zylinders 2a, 2b, 2c, 2d, Öffnungen bzw. Messstellen 10, 11 eingebracht. Mittels dieser Öffnungen 10, 11 kann wenigstens ein Sensor, im gezeigten Ausführungsbeispiel ein erster Sensor 6 und einer zweiter Sensor 9, feststellen, ob sich das Kolbenhemd 8 auf Höhe des ersten Sensors 6 und/oder des zweiten Sensors 9 befindet und vorzugsweise auch, ob sich der Kolben 3 in der Nähe dieser Sensoren 6, 9 befindet.
[00102] Bei den Sensoren 6, 9 handelt es sich dazu vorzugsweise um induktive Sensoren, insbesondere Wirbelstromsensoren, in deren magnetischen Feld der Kolben 3, welcher ein elektrisch leitfähiges und/oder ferromagnetisches Material aufweist oder aus einem solchen besteht, je nach Abstand von den Sensoren 6, 9 eine Änderung hervorruft.
[00103] In Fig. 2 ist die untere Kante 12 des Kolbenhemds 8 mit einem Abstand d1 von dem oberen, ersten Sensor 6 beabstandet. Vorzugsweise wird das magnetische Feld des ersten Wirbelstromsensors 6 hierbei nicht mehr durch den Kolben 3 beeinflusst.
[00104] Die sich durch eine Bewegung des Kolbens 3 ergebende Veränderung des Felds der Sensoren 6, 9 kann beispielsweise als Spannungssignal U ausgegeben werden. Ein solches Spannungssignal kann in der Folge als Bewegungs-Parameter im Sinne der Erfindung verwendet werden.
[00105] Bewegt sich der Kolben 3 bei einer Drehung der Kurbelwelle 5 durch Einwirkung des Pleuels 4 in die Position des sogenannten unteren Totpunkts, der maximal entfernten Position des Kolbens 3 vom Zylinderkopf (nicht dargestellt), so wäre in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Kolben 3 bzw. die obere Kante 13 des Kolbens 3 von dem zweiten Wirbelstromsensor 9 beziehungsweise der dazugehörigen Öffnung 11 in der Zylinderwand 7 ebenfalls mit einem Abstand d2 beabstandet. Auch in dieser Position hat der Kolben 3 vorzugsweise keinen Einfluss mehr auf das Feld des zweiten Wirbelstromsensors 9.
[00106] Figur 3 zeigt ein weiteres, zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine 1. Der Kolben 3 ist hierbei sowohl im oberen Totpunkt OT als auch als Kolben 3‘ im unteren Totpunkt UT dargestellt. Fig. 3 zeigt zusätzlich den Zylinderkopf 16, welcher mit dem Kolben 3 einen Brennraum 17 abschließt.
[00107] Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist in dem hier gezeigten Aus
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Patentamt führungsbeispiel der erste Wirbelstromsensor 6 so angeordnet, dass die untere Kante 12 des Kolbens 3 im oberen Totpunkt OT gerade nicht mehr den ersten Wirbelstromsensor 6 bzw. die dazugehörige Öffnung in der Zylinderwand 7 bedeckt.
[00108] Des Weiteren ist im Unterschied zur Fig. 2 der untere Wirbelstromsensor 9 in der Weise angeordnet, dass er beziehungsweise die dazugehörige Öffnung in der Kolbenwand 7 von dem Kolben 3‘ im unteren Totpunkt bedeckt wird.
[00109] Figur 4 zeigt beispielhaft, wie der erste Wirbelstromsensor 6 und der zweite Wirbelstromsensor 9 in einem Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d angeordnet sind. Insbesondere sind die Sensoren 6, 9 gegenüber dem Innenraum des Zylinders zur Zylinderwand 7 hin sowie gegenüber einem Kühlkanal mit Dichtungen abgedichtet.
[00110] Ein erfindungsgemäßes System zur Diagnose und/oder Steuerung einer HubkolbenBrennkraftmaschine 1 wird vorzugsweise durch den ersten Wirbelstromsensor 6 sowie, insofern vorhanden, durch den zweiten Wirbelstromsensor 9 und eine Steuerungs- bzw. Auswerteinheit 15 gebildet. Weiter vorzugsweise weist ein solches System auch eine Vorrichtung 14 zur Bestimmung des Kurbelwellenwinkels γ auf, insbesondere ein Geberrad/Triggerrad oder einen Inkrementalgeber.
[00111] Ein solches System eignet sich ganz allgemein zur Bestimmung der Kolbenpositionen. So kann einerseits festgestellt werden, ob sich der Kolben 3 im Bereich des ersten Wirbelstromsensors 6 und/oder des zweiten Wirbelstromsensors 9 befindet (UMk) oder ob dieser sich außerhalb des Bereichs der Wirbelstromsensoren 6, 9 befindet (Uok)· Weist das Feld des ersten Wirbelstromsensors 6 und/oder des zweiten Wirbelstromsensors 9 des Weiteren eine Kugelcharakteristik auf, so kann der Kolben 3 auch in einem gewissen Abstand dmax noch von dem jeweiligen Wirbelstromsensor 6, 9 wahrgenommen werden, wobei die Signalstärke vom Abstand d abhängt, insbesondere proportional zum Abstand ist. Zusätzlich kann die Kolbenposition in jenen Stellungen des Kolbens 3, in welchen keine der Wirbelstromsensoren 6, 9 den Kolben 3 erfassen kann, über eine Bestimmung eines Kolbenpositions-Parameters UMk, Uok und eines Kolbengeschwindigkeits-Parameters Ü sowie eine nachfolgende Interpolation auf der Grundlage der Geschwindigkeit Ü erfolgen. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit aus dem Vorbeifahren der oberen Kante 12 und der unteren Kante 13 an den Wirbelstromsensoren 6, 9 bestimmt werden. Des Weiteren ist eine Bestimmung der Geschwindigkeit Ü über eine Stärke des durch den Kolben 3 an den Wirbelstromsensoren 6, 9 induzierten beziehungsweise geänderten Feldes ermittelbar.
[00112] Darüber hinaus ist das Kolbenhemd 8 vorzugsweise nicht vollständig parallel zu der Zylinderwand 7, sondern weist über seinen Verlauf jeweils verschiedene Abstände von der Zylinderwand 7 auf. Je nach Abstand zwischen einem die Wirbelstromsensoren 6, 9 bedeckenden Abschnitt des Kolbenhemds 8 und den Wirbelstromsensoren 6, 9 wird das Feld der Wirbelstromsensoren 6, 9 unterschiedlich stark beeinflusst. Auch durch diese Werte der Beeinflussung des jeweiligen Feldes lässt sich eine Aussage über die Kolbenposition machen, weil sich die Kolbenposition in einem entsprechenden Wert des Kolbenpositions-Parameters UMk, Uok niederschlägt.
[00113] Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren 100 und das erfindungsgemäße System jedoch auch für, eine sogenannte On-Board-Diagnostik oder eine Steuerung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 mit variablem Verdichtungsverhältnis ε. Mit dem erfindungsgemäßen System und Verfahren kann dabei auf das jeweils vorliegende Verdichtungsverhältnisse ε geschlossen werden.
[00114] Das variable Verdichtungsverhältnis kann insbesondere durch eine Veränderung der Pleuellänge erreicht werden, wobei in Bezug auf die Ausführungsbeispiele vereinfachend zwischen ausgefahrenem Pleuel (Index a) und eingefahrenem Pleuel (Index e) differenziert wird.
[00115] Der Kolbenpositions-Parameter ist zur vereinfachten Darstellung im Rahmen der vorliegenden Beschreibung als digitaler Wert dargestellt mit den Werten UMk, das heißt mit Kolben auf Höhe eines jeweiligen Wirbelstromsensors 6, 9 oder UOK, das heißt ohne Kolben auf Höhe
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Patentamt des Wirbelstromsensors 6, 9. Wie sich aus der vorhergehenden Beschreibung und auch aus den nachfolgend gezeigten Diagrammen mit Verläufen des Bewegungs-Parameters U des Kolbens 3 zeigen, können aber auch weitere Werte des Kolbenpositions-Parameters in Abhängigkeit des Bewegungs-Parameters U definiert werden, welche dann jeweils einer bestimmten Position des Kolbens 3 zugeordnet werden können.
[00116] Figur 5 zeigt ein Diagramm mit Verläufen von Spannungssignalen Ua und Ue, welche einen Bewegungs-Parameter des Kolbens 3 einer Hubkolbenmaschine 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 darstellen.
[00117] Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Diagramme der Figuren 5 bis 8 sowie anhand des Flussdiagramms der Fig. 9 erläutert.
[00118] Zunächst wird ein induktives oder gegebenenfalls auch optisches Signal, welches durch die Relativbewegung zwischen dem Kolbenhemd 8 des Kolbens 3 und der Zylinderwand 7 ausgelöst oder beeinflusst wird, erfasst. Dieses Signal wird insbesondere numerisch gefiltert und ein Bewegungs-Parameter U daraus ermittelt 101. Ein Bewegungs-Parameter für einen Pleuel 4 im ausgefahrenen Zustand ist mit den Figuren 5 und 6 mit Ua bezeichnet, ein Bewegungs-Parameter für einen Pleuel im eingefahrenen Zustand ist hierbei mit Ue bezeichnet.
[00119] Der auf dem von dem ersten Wirbelstromsensor 6 und/oder dem zweiten Wirbelstromsensor 9 erzeugten Signal basierende Bewegungs-Parameter U, welcher in dem Diagramm durch eine Spannung angegeben wird, nimmt hierbei mit zunehmenden Abstand d des Kolbens 3 von dem jeweiligen Sensor 9 zu. Der niedrigste Spannungswert des BewegungsParameters wird mithin erzeugt, wenn der Kolben 3 sich in der Position befindet, in der das Kolbenhemd 8 dem jeweiligen Sensor 6, 9 am nächsten ist.
[00120] Die in Fig. 5 gezeigten Verläufe der Bewegungs-Parameter Ua, Ue geben jeweils aus den realen Messsignalen abgeleiteten Parameter wieder. Die den beiden Verläufen Ua, Ue jeweils zugeordneten eckigen Verläufe geben einen theoretischen idealen Verlauf des Bewegungs-Parameters, jeweils im ausgefahrenen und eingefahrenen Zustand, an. Entsprechend gibt Uok den Wert des Bewegungs-Parameters an, wenn sich der Kolben 3 nicht im Bereich des ersten Wirbelstromsensors 6 befindet und UOK,reai den entsprechenden real aus dem Messsignal abgeleiteten Wert des Bewegungs-Parameters. Entsprechend gibt der Bewegungs-ParameterWert Umk bzw. UMK,reai den theoretischen bzw. realen Bewegungs-Parameter-Wert an, wenn sich der Kolben im Bereich des ersten Wirbelstromsensors 6 befindet. An den BewegungsParametern Ua, Ue lässt sich erkennen, dass der Kolben 3 bei einem Kurbelwellenwinkel y von etwa 250° in den Bereich dmax des ersten Wirbelstromsensors 6 eintritt und der BewegungsParameter daher den Wert UOK,reai verlässt. Die darauffolgenden Zacken einem Kurbelwellenwinkel y von etwa 270° repräsentieren Signalstörungen, welche durch die Kolbenringe am oberen Ende des Kolbens 3 verursacht werden. Der naheste Abstand d zwischen dem Kolbenhemd 8 und dem ersten Wirbelstromsensor 6 ist bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa γ = 310° zu verzeichnen, wodurch sich der Bewegungs-Parameter-Wert UMK,reai ergänzt. Kurz danach überstreicht die untere Kante 12 des Kolbenhemds 8 den ersten Sensor 6 und der Bewegungs-Parameter Ua steigt wieder auf den Wert UOK,reai an, d.h., das Kolbenhemd 8 befindet sich nicht mehr im Bereich dmax des ersten Wirbelstromsensors 6. Bei einem Kurbelwellenwinkel von y = 360° erreicht der Kolben 3 die Stellung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Danach wandert der Kolben 3 wieder nach unten und überstreicht zunächst mit der unteren Kante 12 des Kolbenhemds 8 den ersten Sensor 6, worauf der Bewegungs-Parameter Ua wiederum auf UMK,reai fällt und dann spiegelsymmetrisch zu der vorher beschriebenen Aufwärtsbewegung des Kolbens 3 ein Ansteigen des Bewegungs-Parameter-Wert Ua aufweist bis erneut die Kolbenkeilringe eine Störung des Messsignals einleiten und dann die obere Kante 13 der Kolbenflanke 8 erneut den oberen Sensor 6 überstreicht, woraufhin der Bewegungs-Parameter-Wert bei UOK,reai verbleibt.
[00121] Ein Verlauf mit einer entsprechenden Charakteristik ergibt sich ebenfalls für den Bewegungs-Parameter Ue bei eingefahrenem Pleuel.
[00122] Wie sich aus Fig. 5 ergibt, sind bei dem Bewegungs-Parameter Ue die jeweiligen Zeit
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Patentamt punkte insbesondere in Bezug auf den Kurbelwellenwinkel γ, an der das Kolbenhemd 8 den ersten Wirbelstromsensor 6 überstreicht, verschieden von den Werten bei dem BewegungsParameter Ua. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass bei verkürztem Pleuel und bei aufsteigender Bewegung des Kolbens 3 der erste Sensor 6 erst später erreicht wird, bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 3 dann entsprechend jedoch früher erreicht wird. Die entsprechenden Werte UOK, UMk werden als Kolbenpositions-Parameter bewertet, d.h., als charakteristische Werte zur Bestimmung der Kolbenposition in Bezug auf die Sensoren 6, 9 sowie die absolute Kolbenposition 102.
[00123] Die charakteristischen Werte eines Kurbelwellenwinkel-Parameters 103-2, welcher insbesondere aus der Drehposition der Kurbelwelle abgeleitet ist 103-1, sind jeweils auf der Ordinate der Fig. 5 eingezeichnet.
[00124] Insbesondere ist γΧτ2 jeweils jener Kurbelwellenwinkel-Parameter-Wert, bei welchem die untere Kante 12 des Kolbenhemds 8 den ersten Wirbelstromsensor 6 in der Aufwärtsbewegung des Kolbens 3 überstreicht und yx,3 ist jeweils jener Kurbelwellenwinkel-Parameter-Wert, bei welcher die untere Kante 12 des Kolbenhemds 8 den oberen Sensor 6 erneut bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 3 überstreicht. Aus diesen beiden Kurbelwellenwinkel-ParameterWerten lässt sich jeweils im ausgefahrenen Zustand und im eingefahrenen Zustand ein Verdichtungsverhältnis-Parameter-Wert öa und δΘ ermitteln 104b.
[00125] Alternativ zum Kurbelwellenwinkel γ lässt sich der jeweilige VerdichtungsverhältnisParameter mittels des Kolbenpositions-Parameters U und eines daraus abgeleiteten Kolbengeschwindigkeits-Parameters ύ ermitteln 104a. Hierbei wird ausgenutzt, dass bei bekannter Länge des Kolbenhemds 8 und einer bekannten Geschwindigkeit des Kolbens 3 bei der Aufund Abwärtsbewegung sowie der Zeitdauer zwischen einem ersten Überstreichen des ersten Wirbelstromsensors 6 während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 3 und einem zweiten Überstreichen des ersten Wirbelstromsensors 6 während einer Abwärtsbewegung des Kolbens 3 bestimmt werden kann, wie weit sich der Kolben 3 nach oben zum Zylinderkopf hin bewegt hat.
[00126] Das Diagramm nach Fig. 6 zeigt den Verlauf eines Bewegungs-Parameters für ein ausgestrecktes Pleuel Ua und ein eingezogenes Pleuel Ue an zwei unteren, zweiten Wirbelstromsensor 9 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2.
[00127] Der Kolbenpositions-Parameter und dessen Parameter-Werte sowie der Kurbelwellenwinkel-Parameter lassen sich entsprechend zu Fig. 5 bestimmen. Da sich der Kolben 3 bei eingezogenem Pleuel 4 bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 3 weiter von dem zweiten Sensor 9 entfernt als bei ausgefahrenem Pleuel 4, ist der Verdichtungsverhältnis-Parameter-Wert δθ größer als der entsprechende Verdichtungsverhältnis-Parameter öa bei ausgefahrenem Pleuel
4.
[00128] Fig. 7 stellt den Verlauf des Bewegungs-Parameters U am oberen, ersten Wirbelstromsensor 6 des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen HubkolbenBrennkraftmaschine 1 gemäß der Fig. 3 dar. Wiederum gibt der Verlauf des BewegungsParameters U, wie in Fig. 5, die Veränderung eines Feldsignals am oberen, ersten Wirbelstromsensor 6 an. Auch in Fig. 7 fällt der Bewegungs-Parameter-Wert abrupt ab, auch hier zeigen sich danach die charakteristischen Störsignale der Kolbenringe während der Kolben 3 den ersten Wirbelstromsensor 6 überfährt. Danach fällt der Bewegungs-Parameter U und erreicht den Kolbenpositions-Parameter-Wert UMK,reai, welcher angibt, dass das Kolbenhemd 8 den ersten Wirbelstromsensor 6 vollständig abdeckt. Bei einem Kurbelwellenwinkel ya,2 von etwa 340° steigt der Bewegungs-Parameter U an, was signalisiert, dass der Kolben 3 bzw. das Kolbenhemd 8 den oberen Wirbelstromsensor 6 vollkommen überfahren hat.
[00129] Im Gegensatz zum Verlauf des Bewegungs-Sensor-Parameters Ua, Ue in Fig. 5 steigt der Bewegungs-Parameter U in Fig. 7 aber nicht bis zu seinem Ausgangswert UOK,reai, welcher einer Kolbenposition zuzuordnen ist, in welcher das Kolbenhemd 8 den ersten Wirbelstromsensor 6 nicht bedeckt und der erste Wirbelstromsensor 6 den Kolben 3 nicht mehr erfasst (d.h. d > dmax), an. Stattdessen verbleibt der Bewegungs-Parameter U unterhalb des
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Positions-Parameter-Werts UOK,reai· Dies bedeutet, dass das Feld des oberen Wirbelstromsensors 6 noch durch den Kolben 3 beeinflusst wird. Dies hängt damit zusammen, dass der obere Wirbelstromsensor, wie in Fig. 3 gezeigt, im oberen Totpunkt OT des Kolbens 3 wesentlich näher an der unteren Kante 12 des Kolbenhemds 8 angeordnet ist, als dies beispielsweise in dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 der Fall ist (d.h. d < dmax).
[00130] Der Spannungswert am Punkt P bei einem Kurbelwellenwinkel γ von etwa 360° hängt vom Abstand d der unteren Kante 12 des Kolbenhemds 8 von dem ersten Wirbelstromsensor 6 ab, und ist insbesondere proportional zu diesem. Der Punkt P bzw. dessen Spannungswert UOT gibt daher einen Abstand d der unteren Kante 12 des Kolbenhemds 8 von dem ersten Wirbelstromsensor 6 an. Aus der Stellung des Punkts P lässt sich daher die Kolbenposition ableiten. Dieser ist daher ebenfalls ein Kolbenpositions-Parameter im Sinne der Erfindung.
[00131] Aus dem jeweiligen Wert UOT dieses Kolbenpositions-Parameters wird vorzugsweise ein Verdichtungsverhältnis-Parameter ermittelt 104c. Hierfür wird der Wert UOt von dem Wert Uok oder UMk des Kolbenpositions-Parameters subtrahiert, so dass vorzugsweise sich die Werte des Verdichtungsverhältnis-Parameters AUj oder AU2 ergeben. Aus dem Betrag der Werte ALb und AU2 kann unmittelbar auf das Verdichtungsverhältnis einer HubkolbenBrennkraftmaschine 1 geschlossen werden.
[00132] Dies ist in dem Diagramm der Fig. 8 dargestellt. Dort ist der Verlauf des Verdichtungsverhältnis-Parameters ALb über eine Anzahl thermodynamischer Zyklen einer HubkolbenBrennkraftmaschine 1 aufgetragen. Erreicht AUi einen relativ hohen Wert von etwa 3 Volt, so bedeutet dies, dass die untere Kante 12 des Kolbens 3 relativ weit von dem oberen Wirbelstromsensor 6 entfernt ist, das Pleuel daher ausgefahren ist und ein relatives Verdichtungsverhältnis ε in dem jeweiligen Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d erreicht. In diesem Bereich ist der Verdichtungsverhältnis-Parameter in Fig. 8 daher mit AUi,a bezeichnet. Entsprechend sind auch die Zylinderdrücke zu verschiedenen Kurbelwellenwinkeln γ relativ hoch und der Druck des Steuerdrucks Psteueroei, welcher das ausfahrbare Pleuel 4 steuert, ist niedrig. Ab circa n = 120 thermodynamischen Zyklen verändert der Druck des Steuerdrucks Psteueroei seinen Wert und steigt an. Entsprechend fährt das Pleuel 4 ein und der aus den Kolbenpositions-Parametern ermittelte Verdichtungsverhältnis-Parameter AUt sinkt ab. Daher ist der Verdichtungs-Parameter in diesem Bereich mit AUi,e bezeichnet. Über den jeweiligen Wert des VerdichtungsverhältnisParameters und/oder die Veränderung des Zylinderdrucks Pzyi kann anhand dieses Diagramms festgestellt werden, ob sich das Verdichtungsverhältnis in die gewünschte Richtung und insbesondere auf dem gewünschten Wert durch eine Veränderung des Steuerdrucks Psteueroei geführt hat.
[00133] Anhand des jeweiligen Verdichtungsverhältnis-Parameters AUn AU2 kann zumindest qualitativ ermittelt werden, wie sich das Verdichtungsverhältnis in den Kolben 2a, 2b, 2c, 2d einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 verändert hat. Ist der Zusammenhang zwischen dem jeweiligen Verdichtungsverhältnis-Parameter AUi, AU2 und dem Verdichtungsverhältnis ε durch eine Zuordnungsvorschrift, insbesondere durch eine Funktion oder durch ein Feld, definiert oder in einem Datenspeicher hinterlegt, so kann in einem weiteren Arbeitsschritt 105 auch der genaue Wert eines Verdichtungsverhältnisses ε auf Basis des jeweiligen VerdichtungsverhältnisParameters Δ, A1; AU2 ermittelt werden.
[00134] Zur Funktionsprüfung bzw. Diagnose der Veränderlichkeit des Verdichtungsverhältnisses ε einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 kann das Verfahren auch vorsehen, dass eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ε aktiv einzuleiten, um mittels der jeweiligen Verdichtungsverhältnis-Parameter δ, AUn AU2 zu verschiedenen Zeitpunkten festzustellen, ob eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses stattgefunden hat.
[00135] Hierfür wird vorzugsweise ein Soll-Verdichtungsverhältnis wenigstens eines ersten Zylinders 2a, 2b, 2c, 2d der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 von einem ersten, insbesondere extremalen, Wert ε3 auf einen zweiten, insbesondere extremalen, Wert sa 104 eingestellt. Danach wird ein erster Wert UOt,i, Uutj des Bewegungs-Parameters U an einem oberen Totpunkt OT und/oder einem unteren Totpunkt UT und/oder des Kurbelwellenwinkel-Parameters yu, y2,-i,
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Patentamt y3.i, Y4,i für den ersten Wert des Soll-Verdichtungsverhältnisses ca und eines zweiten Werts Uot,2, Uut,2 des Bewegungs-Parameters U an einem oberen Totpunkt OT und/oder einem unteren Totpunkt UT oder des Kurbelwellenwinkel-Parameters γ1τ2, γ2,2, Y3,2, Y4,2 für den zweiten Wert des Soll-Verdichtungsverhältnisses εΘ.
[00136] Das Ermitteln eines Wertes eines relativen Verdichtungsverhältnis-Parameters 104c erfolgt dann auf Basis des ersten und des zweiten Wertes des Kolbenpositions-Parameters U.
[00137] Vorzugsweise prüft die Steuervorrichtung 15 bzw. das Verfahren 100, ob der jeweils erhaltene Wert des Verdichtungsverhältnis-Parameters δ, AU1; AU2 außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, insbesondere einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet, der bei einer Bestimmung des Verdichtungsverhältnisses zwischen maximalem und minimalem Wert liegen sollte 106. Ist dies nicht der Fall bzw. liegt der Verdichtungsverhältnis-Parameter-Wert innerhalb des vorgegebenen Bereichs (Arbeitsschritt 106:“N“), kehrt die Steuerung 15 bzw. ist das Verfahren 100 erneut zu Arbeitsschritt 101 erneut zurück, um das Verfahren 100 erneut durchzuführen. Andernfalls bzw. bei einer zu geringen Abweichung zwischen dem Verdichtungsverhältnis-Parameter-Wert δ, AU1; AU2 für ein maximales und ein minimales SollVerdichtungsverhältnis bzw. deren Differenzen (Arbeitsschritt 106:“Y“) gibt die Steuerung 15 in einem Schritt 107 ein entsprechendes Diagnosesignal aus, das die Funktion der HubkolbenBrennkraftmaschine 1 in einer unzureichenden Weise anzeigt und kehrt dann zu Schritt 101 zurück.
[00138] Obwohl in der vorliegenden Beschreibung Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass es sich bei diesen Ausführungsbeispielen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendung und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere im Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen in diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
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BEZUGSZEICHENLISTE
1 Hubkolbenmaschine
2a, 2b, 2c, 2d Zylinder
3 Kolben
4 Pleuel
5 Kurbelwelle
6 erster Sensor
7 Zylinderwand
8 Kolbenhemd
9 zweiter Sensor
10, 11 Messstelle / Öffnung
12 untere Kante
13 obere Kante
14 Drehwinkel-Geber
15 Steuergerät
U Bewegungs-Parameter
Umk, Uok, P Kolbenpositions-Parameter
Ü Kolbengeschwindigkeits-Parameter
Y Kurbelwellenwinkel-Parameter
Yl, Y2, Y3, Y4 charakteristischer Wert des Kurbelwellenwinkel-Parameters
£e, £ Verdichtungsverhältnis
δ, AU1; AU2 Verdichtungsverhältnis-Parameter
d Abstand
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Claims (22)

1. Hubkolbenmaschine (1) mit variablem Verdichtungsverhältnis, welche aufweist:
wenigstens einen Zylinder (2a, 2b, 2c, 2d) mit einem Kolben (3) und einem in der Länge anpassbaren Pleuel (4), welches mit dem Kolben (3) und einer Kurbelwelle (5) der Hubkolbenmaschine (1) verbunden ist, und einen ersten Sensor (6), welcher an einer zugeordneten Messstelle (10) in einer Zylinderwand (7) des wenigstens einen Zylinders (2a, 2b, 2c, 2d) angeordnet und eingerichtet ist, eine Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd (8) des Kolbens und der Zylinderwand (7) zu erfassen;
dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenmaschine (1) einen zweiten Sensor (9) aufweist, der an einer zugeordneten Messstelle (11) in der Zylinderwand (7) angeordnet ist, wobei der erste Sensor (6) in der Weise angeordnet ist, um die Relativbewegung im Bereich eines oberen Totpunkts (OT) des Kolbens (3) zu erfassen und der zweite Sensor (9) in der Weise angeordnet ist, um die Relativbewegung im Bereich eines unteren Totpunkts (UT) des Kolbens (3) zu erfassen.
2. Hubkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1, wobei der Kolben (3) ein elektrisch leitfähiges und/oder ferromagnetisches Material aufweist und wobei der erste Sensor (6) und/oder der zweite Sensor (9) ein Induktivsensor, insbesondere ein Wirbelstromsensor, oder ein optischer Sensor ist.
3. Hubkolbenmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Sensor (6) und/oder der zweite Sensor (9) in der Weise angeordnet ist, dass das Kolbenhemd (8) diesen bei der Relativbewegung vollständig überfährt.
4. Hubkolbenmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit variablem Verdichtungsverhältnis, wobei der erste Sensor (6) und/oder der zweite Sensor (9) in der Weise angeordnet ist bzw. sind, dass das Kolbenhemd (8) diesen nur bei wenigstens im Wesentlichen maximalem Verdichtungsverhältnis vollständig überfährt.
5. Hubkolbenmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Sensor (6) und/oder der zweite Sensor (9) in der Weise angeordnet ist, dass Kolbenringe des Kolbens (4) die Sensoren (6) bei der Relativbewegung nicht überfahren.
6. Verfahren (100) zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine (1) mit variablem Verdichtungsverhältnis, welche wenigstens einen Zylinder (2a, 2b, 2c, 2d) mit einem Kolben (3) und einem in der Länge anpassbaren Pleuel (4) aufweist, wobei das Pleuel mit dem Kolben (3) und einer Kurbelwelle (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) folgende Arbeitsschritte aufweist:
- Ermitteln (101) eines Bewegungs-Parameters (U) des Kolbens (3) der Hubkolbenmaschine (1) mittels einer Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd (8) des Kolbens (3) und einer Zylinderwand (7);
- Ermitteln (102) eines Kolbenpositions-Parameters (Umk, UOk, UOt, Uut) und eines Kolbengeschwindigkeits-Parameters (Ü) auf Basis des Bewegungs-Parameters (U), wobei das Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters (102) ein Ermitteln eines ersten minimalen Werts (Umk) des Bewegungs-Parameters (U) und eines zweiten maximalen Werts (UOk) des Bewegungs-Parameters (U) umfasst; und
- Ermitteln (104a) eines Verdichtungsverhältnis-Parameters (δ) auf Basis des Kolbenpositions-Parameters (Umk, UOk, Uot, Uut) und des Kolbengeschwindigkeits-Parameters (Ü).
7. Verfahren (100) nach Anspruch 6, des Weiteren folgende Arbeitsschritte aufweisend: Erfassen (103-1) eines Drehpositions-Parameters der Kurbelwelle (5); und Ermitteln (1032) eines Kurbelwellenwinkel-Parameters (y) auf Basis des Drehpositions-Parameters.
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8. Verfahren (100) nach Anspruch 7, des Weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend: Ermitteln (104b) eines Verdichtungsverhältnis-Parameters (δ) auf Basis des Kolbenpositions-Parameters (Umk, UOk) und des Kurbelwellenwinkel-Parameters (γ).
9. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Ermitteln des Kolbenpositions-Parameters (102) ein Ermitteln eines ersten Werts (UOt) des Bewegungs-Parameters (U) an einem oberen Totpunkt (OT) und/oder zweiten Werts (Uut) des BewegungsParameters (U) an einem unteren Totpunkt (UT) der Bewegung des Kolbens (3) umfasst; und wobei das Verfahren (100) des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweist:
Ermitteln (104c) eines Verdichtungsverhältnis-Parameters (AUn AU2) auf Basis des ersten Werts (Uot) und/oder des zweiten Werts (Uut) und des Kolbenpositions-Parameters (Umk, Uok, P).
10. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, des Weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend:
Ermitteln (105) eines Werts eines Verdichtungsverhältnisses (ε) auf Basis des Verdichtungsverhältnis-Parameters (δ; AUn AU2).
11. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Ermitteln des Kolbenpositions-Parameters (102) des Weiteren folgende Arbeitsschritte aufweist:
- Verstellen (102-1) eines Soll-Verdichtungsverhältnisses wenigstens eines ersten Zylinders (2a, 2b, 2c, 2d) der Hubkolbenmaschine (1) von einem ersten, insbesondere extremalen, Wert (ca) auf einen zweiten, insbesondere extremalen, Wert (εΘ);
- Ermitteln (102-2) eines ersten Werts des Kolbenpositions-Parameters (UMK,i, UOk,i, Uot,i, Uut,i) und/oder eines ersten Werts (γ1τ1; γ2,ι; γ3,ι; γ4,ι) des KurbelwellenwinkelParameters (γ) für den ersten Wert des Soll-Verdichtungsverhältnisses (sa); und
- Ermitteln (102-3) eines zweiten Werts des Kolbenpositions-Parameters (Umk,2, UOk,2, Uot,2, Uut,2) und/oder eines zweiten Werts (γ1τ2; γ2,2; y3,2; γ4,2) des KurbelwellenwinkelParameters (γ) für den zweiten Wert des Soll-Verdichtungsverhältnisses (εθ), und wobei das Ermitteln (104a, 104b, 104c) eines Werts des VerdichtungsverhältnisParameters (δ; AUi; AU2) auf Basis des ersten und zweiten Werts des KolbenpositionsParameters und/oder des Kurbelwellenwinkel-Parameters erfolgt.
12. Verfahren (100) nach Anspruch 11, wobei das Verstellen eines Soll-Verdichtungsverhältnisses (sa, εθ) durch Verändern einer Soll-Länge des Pleuels (4) des wenigstens einen ersten Zylinders (2a, 2b, 2c, 2d) der Hubkolbenmaschine (1) erfolgt.
13. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei das Ermitteln des Bewegungsparameters (101) des weiteren folgende Arbeitsschritte aufweist:
- Erfassen eines induktiven und/oder optischen Signals, welches durch die Relativbewegung zwischen dem Kolbenhemd (8) des Kolbens (3) und der Zylinderwand (7) beeinflusst wird; und
- Ermitteln des Bewegungs-Parameters (U) auf Basis des induktiven und/oder optischen Signals.
14. Verfahren (100) einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei ein Wert des BewegungsParameters (U) vom, insbesondere kürzesten, Abstand (d) des Kolbenhemds (8) zu einer Messstelle (10, 11) und/oder von einer Geschwindigkeit der Relativbewegung abhängt.
15. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei der Bewegungs-Parameter (U) eine elektrische Spannung ist, welche durch das induktive und/oder optische Signal erzeugt wird.
16. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei das induktive und/oder optische Signal mittels eines unteren Endes (12) und/oder eines oberen Endes (13) des Kolbenhemds (8) beeinflusst wird.
17. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 16, wobei der GeschwindigkeitsParameter (t/) zusätzlich einen Abstand des Kolbenhemds (8) von der Zylinderwand (7) zu einem jeweiligen Messzeitpunkt berücksichtigt.
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18. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 17, wobei Werte des KolbenpositionsParameters (UMk, UOk) und/oder Werte des Kurbelwellenwinkel-Parameters durch Auswertung eines Verlaufs des Bewegungs-Parameters (U), insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit oder dem Kurbelwellenwinkel, vorzugsweise durch Auswertung von Flanken des Verlaufs, ermittelt wird.
19. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 18, wobei der Bewegungs-Parameter (U) ausschließlich für wenigstens einen vorgegebenen Kurbelwinkelbereich (δΘ, 6a) ermittelt wird.
20. Verfahren (100) nach Anspruch 12, wobei der wenigstens eine vorgegebene Kurbelwinkelbereich (δθ, δ3) einen oberen und/oder unteren Totpunkt (OT, UT) wenigstens eines, insbesondere des ersten, Zylinders (2a, 2b, 2c, 2d) der Hubkolbenmaschine (1) aufweist und/oder sich über wenigstens 2° und/oder höchstens 135° erstreckt.
21. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 20, des Weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend:
Ausgeben (107) eines Signals, insbesondere ein Diagnose- und/oder Steuersignal auf Basis des Bewegungs-Parameters (U), des Kolbenpositions-Parameters (UMk, Uok), des Kolbengeschwindigkeits-Parameters (Ü), des Verdichtungsverhältnis-Parameters (δ; AUi; AU2) und/oder des Verdichtungsverhältnisses (ε), insbesondere falls der jeweilige Parameter eine vorgegebene Bedingung erfüllt.
22. System zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine (1) mit variablem Verdichtungsverhältnis, welche wenigstens einen Zylinder (2a, 2b, 2c, 2d) mit einem Kolben (3) und einem in der Länge anpassbaren Pleuel (4) aufweist, welches mit dem Kolben (3) und einer Kurbelwelle (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 21 eingerichtet ist und/oder aufweist:
- Mittel zum Ermitteln eines Bewegungs-Parameters (U) wenigstens eines Kolbens (3) der Hubkolbenmaschine (1) mittels einer Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd (8) des Kolbens (3) und einer Zylinderwand (7); und
- Mittel zum Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters (UMk, Uok, Uot, Uut) und eines Kolbengeschwindigkeits-Parameters (ύ) auf Basis des Bewegungs-Parameters (U), wobei das Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters (102) ein Ermitteln eines ersten minimalen Werts (UMk) des Bewegungs-Parameters (U) und eines zweiten maximalen Werts (Uok) des Bewegungs-Parameters (U) umfasst.
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