DE102006033062A1

DE102006033062A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines momentanen Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine im Betrieb

Info

Publication number: DE102006033062A1
Application number: DE200610033062
Authority: DE
Inventors: Karsten Dipl.-Ing. Wittek
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-17

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Ermittlung eines momentanen Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine im Betrieb vorgeschlagen, wobei die Hubkolbenmaschine ein veränderbares Kompressionsvolumen 18 und einen meßbaren Kurbelwinkel aufweist, wobei mittels eines relativ zu einem Sensor 7 sich bewegendes Bauteil eines Kolbentriebes 2 ein Signal erzeugt wird und mittels des Signals ein Triggerwinkel bestimmt wird, der in eine Berechnung des momentanen Verdichtungsverhältnisses mit einfließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines momentanen Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine im Betrieb, wobei die Hubkolbenmaschine ein veränderbares Kompressionsvolumen und einen meßbaren Kurbelwinkel aufweist.
Eine messtechnische Erfassung eines momentanen Verdichtungsverhältnisses bei einem Motorbetrieb kann entweder auf einem direktem Weg durch eine Messung einer Längenänderung oder auf einem indirektem Weg durch eine Messung beispielsweise eines Kompressionsdruckes bei einem bestimmten Kurbelwinkel, vorzugsweise vor einem Einsetzen einer Zündung erfolgen. Bei der direkten Messung beispielsweise einer momentanen Pleuellänge müssten ein oder mehrere Wegsensoren auf einem bewegten System angebracht werden. Ein Messsignal des Wegsensors müsste mittels einer Telemetrie an ein ruhendes System übertragen werden. Im Falle der Messung des Kompressionsdruckes bedarf es eines hochdynamisch auflösenden Drucksensors. Beide Möglichkeiten sind für einen mobilen Einsatz in einem Fahrzeug zwar geeignet, sind in ihrer Umsetzung momentan jedoch zu teuer und noch zu störanfällig.
Eine Hubkolbenmaschine in Gestalt einer Brennkraftmaschine mit einem kennfeldgesteuerten, variablen Verdichtungsverhältnis ist aus der DE 10 2004 031 288 A1 bekannt. Diese Druckschrift lehrt, das Verdichtungsverhältnis insbesondere durch eine Optimierungsstrategie einzustellen, mittels der Betriebsparameter wie eine gleichmäßige Verbrennung und ähnliches verbessert werden sollen.
Ausgestaltungen einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einem variablem Verdichtungsverhältnis werden in den Patentanmeldungen DE 102 55 299 A1 , DE 198 41 381 A1 und in der Patentschrift DE 37 35 914 C1 gelehrt. DE 102 55 299 A1 beschreibt ein Pleuel mit veränderbarer wirksamer Pleuellänge zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine. Hierbei wird mittels eines Exzenters an einem Pleuelauge ein Abstand von einer Kurbel zu einem am Pleuelauge befestigten Kolben verändert. Die DE 198 41 381 A1 beschreibt, einen Exzenter an einer Kurbel anzubringen, wobei der Exzenter einen Kurbelradius aufweist und damit ebenfalls das Verdichtungsverhältnis veränderbar macht. Des Weiteren geht eine Vorrichtung zum Verstellen eines im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine zur Änderung des Verdich tungsverhältnisses veränderbar angeordneten Nebenkolbens aus der DE 37 35 914 C1 hervor.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Aussage hinsichtlich eines momentan herrschenden Verdichtungsverhältnisses mit einem geringem Aufwand zu schaffen, die verläßlich ermittelbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zur automatischen Ermittlung eines momentanen Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine im Betrieb vorgeschlagen, wobei die Hubkolbenmaschine ein veränderbares Kompressionsvolumen und einen meßbaren Kurbelwinkel aufweist. Mittels eines relativ zu einem Sensor sich bewegenden Bauteils eines Kolbentriebes der Hubkolbenmaschine wird ein Signal erzeugt und mittels des Signals wird ein Triggerwinkel bestimmt. Der Triggerwinkel, der in Bezug zu einem Kurbelwinkel steht, fließt in eine Ermittlung, insbesondere Berechnung des momentanen Verdichtungsverhältnisses mit ein.
Die Hubkolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung weist zumindest einen Kolben, einen Pleuel und eine Kurbel auf. Vorzugsweise ist die Hubkolbenmaschine eine Kraft- oder Arbeitsmaschine. Bevorzugt ist sie aus einer Gruppe zumindest umfassend eine Pumpe, einen Verdichter oder eine Brennkraftmaschine ausgewählt.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist das Verdichtungsverhältnis definiert als der Quotient aus einem ersten Brennraumvolumen bei einer Kolbenstellung in einer unteren Totpunktlage UT zu einem zweiten Brennraumvolumen bei einer Kolbenstellung in einer oberen Totpunktlage OT. Das Kompressionsvolumen ist definiert als das Volumen oberhalb des Kolbens, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt OT befindet.
Das Verfahren ermöglicht, eine automatische Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses mit einem geringem Sensoraufwand durchzuführen, vorzugsweise ohne beispielsweise Sensoren im Verbrennungsraum anzubringen oder Sensoren auf beweglichen Teilen zu positionieren.
Vorgeschlagen wird, dass aufgrund von bekannten Geometrien auf unbekannte Werte geschlossen werden kann, so dass das aktuelle Verdichtungsverhältnis im Betrieb bestimmt werden kann. Hierzu sind verschiedene Möglichkeiten entwickelt worden, wobei im folgenden einige vorgestellt werden, ohne dass diese abschließend und beschränkend hinsichtlich ihrer jeweiligen Ausführung zu verstehen sind. Vielmehr sind einzelne Merkmale jeweiliger Ausführungen mit anderen Merkmalen anderer Ausführungen zu Weiterbildungen verknüpfbar.
In einer ersten Ausgestaltung wird das Kompressionsvolumen über zumindest eine kinematisch wirksame Länge ermittelt, wobei vorzugsweise nur eine der kinematisch wirksamen Längen veränderlich ist und Einfluss auf das Kompressionsvolumen hat. Die kinematisch wirksamen Längen eines Hubkolbentriebes sind beispielsweise ein Kurbelradius r, eine Pleuellänge l und ein Triggermarkenabstand a. Durch eine Änderung eines Kurbelradius r, eine Änderung einer Pleuellänge l und/oder eine Änderung eines Triggermarkenabstands a des Kolbens kann das Kompressionsvolumen verändert werden.
Der Kurbelradius r ist bestimmt als ein Maß zwischen einem Kurbelwellenlager und einem Hubzapfen, beispielsweise veränderbar durch einen Einsatz eines Exzenters oder auch eines Knickhebels. Die Pleuellänge l ist bestimmt als ein Maß zwischen einem Hubzapfenlager und einem Kolbenbolzenauge, daß beispielsweise über zumindest einen Exzenter veränderbar ist. Der Triggermarkenabstand a ist definiert als ein Abstand zwischen einer Kolbenbolzenlagermitte und vorzugsweise einer Unterkante eines Kolbenhemdes, wobei der Abstand vorzugsweise variabel ist. An Stelle der Unterkante des Kolbenhemdes kann auch eine definierte Stelle des Kolbens herangezogen werden. Diese ist beispielsweise über einen detektierbare Markierung ermittelbar.
In Folge einer Variation einer kinematisch wirksamen Länge ändert sich ein Kurbelwinkel, bei dem gemäß einer Weiterbildung eine Unterkante eines Kolbenhemdes einen Sensor überstreicht. Der Sensor befindet sich vorzugsweise in einem unteren Bereich eines Zylinderrohres, insbesondere mit einem Abstand h oberhalb der Kurbelwellenmitte. Überstreicht beispielsweise die Unterkante des Kolbenhemdes den Abstand h, so überschreitet ein Signal des Sensors einen Schwellwert, der dies anzeigt. Der Sensor gibt infolge dessen ein vorzugsweise digitales, insbesondere binäres Signal ab, welches den Kurbelwinkel zum Zeitpunkt der Signalabgabe als Triggerwinkel α definiert. Ebenso kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung ein analoges Signal vom Sensor abgegeben werden, welches vorzugsweise von einem Steuergerät auf einen Schwellwert hin ausgewertet wird.
Aufgrund dieses Triggerwinkels α kann ein Rückschluß auf die unbekannte kinematische wirksame Länge erfolgen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einem digitalen Signal ein Signal zu verstehen, bei dem eine Vielzahl von Bits einen diskreten Signalwert abbildet. Die Bits können seriell oder parallel vorzugsweise einem Steuergerät übermittelt werden. Ein binäres Signal ist im Sinne der Erfindung ein Signal, bei dem genau ein Bit den Signalwert abbildet. Unter einem analogen Signal ist im Sinne der Erfindung ein Signal zu verstehen, das kontinuierlich bzw. nicht wertediskret ist.
Beispielsweise wird der geometrische Istwert wie folgt ermittelt: Wenn das Kolbenhemd über den Sensor fährt, beziehungsweise wenn ein definierter, meßbarer Punkt am Kolben sich in einem Abstand h über der Kurbelwellenmitte befindet, wird der Kurbelwinkel detektiert und als Triggerwinkel α aufgenommen; aus der Beziehung zwischen Sensorauslösung und damit einer ermittelter Position des Kolbens und des Kurbelwinkels der Kurbelwelle als Triggerwinkel α zu diesem Zeitpunkt des Überfahrens wird aus den geometrischen Beziehungen das Verdichtungsverhältnis bestimmt. Der Kurbelwinkel der Kurbelwelle wird über einen der Kurbelwelle zugeordneten Sensor erfaßt und kann beispielsweise über einen Datenbus zur Verfügung gestellt bzw. abgegriffen werden.
Weiterhin kann aufgrund der kinematisch wirksamen Länge zumindest das Kompressionsvolumen und/oder das Hubvolumen des Kolbentriebes ermittelt werden. Unter Zuhilfenahme zusätzlicher geometrischer Zusammenhänge kann das Verdichtungsverhältnis ε bestimmt werden. Vorzugsweise werden zumindest zwei Verfahrensschritte zusammengefaßt, beispielsweise in einer zusammenfassenden Formel.
Ein möglicher Weg, über die geometrischen Verhältnisse eine genaue Bestimmung zu erzielen, wird im folgenden näher aufgezeigt. Es sind jedoch auch weitere Möglichkeiten vorhanden, die geometrischen Verhältnisse zu bestimmen. Insbesondere sind diese davon abhängig, welche kinematische Länge veränderbar ist.
Zum Zeitpunkt einer Signalauslösung, das heißt zum Beispiel, eine Triggermarke am Kolben befindet sich gerade auf gleicher Höhe über der Kurbelwelle wie der Sensor, ist die Lage aller Bauteile des Hubkolbentriebes eindeutig durch die beiden folgenden Gleichungen eindeutig bestimmt. Hierzu sei auch auf die nachfolgende 2 und die dazugehörige Erläuterung verwiesen. h = r·cosα + l·cosψ – a (Gl. 1) r·sinα = l·sinψ (Gl. 2)
Es bedeuten:

A_TW: Kurbelwinkel zum Zeitpunkt der Signalauslösung als Triggerwinklel bezeichnet, und
Ψ_TW: Schwenkwinkel zum Zeitpunkt der Signalauslösung.

In den Gleichungen (Gl. 1) und (Gl. 2) ist der Triggerwinkel α_TW zum Zeitpunkt der Signalauslösung bekannt. Unbekannt sind der Schwenkwinkel Ψ_TW, und zumindest eine der wirksamen kinematischen Längen: der Triggermarkenabstand a, der Kurbelwellenradius r oder die Pleuellänge l. Durch Lösung des aus Gl. 1 und Gl. 2 bestehenden Gleichungssystems können diese beiden Unbekannten ermittelt werden. Diese Unbekannten können beispielsweise mittels der Gleichungssysteme ermittelt werden, die in der Beschreibung der 7, 8 und 9 vorgestellt werden. Entsprechende Kennlinien und/oder Tabellen sind darüber ermittelbar.
In einer Ausführung wird zumindest eine Kennlinie und/oder eine Tabelle aus in Versuchen und/oder einer Simulation ermittelten Werten generiert. Die Kennlinie kann das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit vom Triggerwinkel beschreiben, vorzugsweise relativ zu dem maximal zu erreichenden Verdichtungsverhältnis. In einer weiteren Ausführung werden aus den kinematischen Zusammenhängen eine Vielzahl an Kennlinien und/oder Tabellen erzeugt, die in einem Steuergerät hinterlegt wird. In einer besonders bevorzugten Variante weist die Hubkolbenmaschine zumindest eine Kennlinie und/oder eine Tabelle auf, die das Verdichtungsverhältnis relativ zur maximalen Verdichtung in Abhängigkeit eines Triggerwinkels beschreibt. Diese Kennlinie weist vorzugsweise eine Extremstelle bei einem Triggerwinkel von einhundertachtzig Grad auf. Besonders bevorzugt ist eine Kennlinie, die zumindest in Teilbereichen stetig ist.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können vorzugsweise die aus der DE 10 2004 031 288 A1 hervorgehenden unterschiedlichen Möglichkeiten einer variablen Verdichtung bestimmt werden. Bezüglich der unterschiedlichen Möglichkeiten wird im Rahmen dieser Offenbarung auf diese Druckschrift verwiesen.
Gemäß eines weiteren Gedankens der Erfindung wird eine Hubkolbenmaschine vorgeschlagen, welche mindestens einen Zylinder, einen Kolben, ein Pleuel, eine Kurbel, eine Sensorelektronik und eine Signalauswerteelektronik aufweist. Ein Kompressionsvolumen in dem Zylinder der Hubkolbenmaschine wird durch eine geometrisch wirksame Länge bestimmt und ist durch mindestens eines der vorgenannten Bauteile veränderbar. Die Sensorelektronik der Hubkolbenmaschine weist mindestens einen Sensor und einen Kurbelwinkelsensor auf, wobei der Sensor derart angebracht ist, daß der Sensor von mindestens einem beweglichen Teil des Kolbentriebes erregbar ist und wobei der Kurbelwinkelsensor derart angebracht ist, daß der Kurbelwinkelsensor einen Kurbelwinkel erfaßt. Mindestens eine Datenleitung verbindet mindestens den Sensor und den Kurbelwinkelsensor mit der Signalauswerteelektronik.
Der Sensor wird vorzugsweise außerhalb des Verbrennungsraums angebracht. Dies hat den Vorteil, daß für das Verdichtungsverhältnis kein hochdynamisch auflösender, teurer Drucksensor verwendet werden muß. Weiterhin wird in einer Ausführung der Sensor als binärer Sensor ausgestaltet. Der Vorteil der binären Sensoren ist ebenfalls der geringe Preis und die einfache Verwendbarkeit der ermittelten Daten. Wird beispielsweise eine Schwellwerterkennung von der Signalauswerteelektronik vorgenommen, so können auch Sensoren verwendet werden, die ein analoges oder ein digitales Signal liefern.
Es ist besonders bevorzugt, daß der Sensor relativ zu dem beweglichen Teil der Hubkolbenmaschine ruhend angebracht ist, beispielsweise am Zylinder, insbesondere an einer Außenseite des Zylinders. Weiterhin kann der Sensor derart angebracht sein, daß der Kolben den Sensor bei jedem Hubzyklus zumindest einmal erregt. Dieser Punkt oder Bereich, als Triggermarke bezeichnet, kann auf einer beliebigen Höhenlage des Kolbens angebracht sein. Die Triggermarke kann zum Beispiel als eine in Umfangsrichtung verlaufende Kante ausgebildet sein oder im einfachsten Fall die Kolbenhemdunterkante sein. Die Erregung des Sensors kann zum Beispiel vor Erreichen des unteren Totpunktes erfolgen. Dabei kann der Sensor auf unterschiedlichen Höhenlagen über der Kurbelwellenmitte angebracht sein. Vorzugsweise wird der Sensor so tief wie möglich angebracht, um die Genauigkeit des Verfahrens zu maximieren. Die tiefst mögliche Einbauhöhe, mit h_min bezeichnet, hängt beispielsweise davon ab, welche der drei kinematisch wirksamen Längen variabel ist:
Kurbelradius r ist variabel hmin = l – rεmin – a, (Gl. 3a)r_εmin ist der Kurbelradius bei minimaler Verdichtung.
Pleuellänge l ist variabel hmin = lεmax – r – a, (Gl. 3b)l_εmax ist die Pleuellänge bei maximaler Verdichtung.
Triggermarkenabstand a ist variabel hmin = l – r – aεmax, (Gl. 3c)a_εmax ist der Abstand zwischen der Mitte des Kolbenbolzens und der Triggermarke bei maximaler Verdichtung.
Weiterhin läßt sich beispielsweise aus 2 entnehmen, daß l die Pleuellänge und r den dann jeweiligen Kurbelwellenradius wiedergibt. Diese Ausgestaltung hat Vorteile gegenüber einem Wegsensor auf einem bewegtem System, wie zum Beispiel einem Teil des Kurbeltriebes, insbesondere einem veränderbaren Teil. So wird in einer Ausgestaltung mit einem ruhenden Sensor keine aufwendige Telemetrie benötigt, was das Gesamtsystem kostengünstiger und robuster macht.
In einer Ausgestaltung ist der Sensor ein Näherungssensor. Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung als induktiver Sensor. Eine Variation als kapazitiver Sensor ist ebenfalls möglich. Auch kann für diesen Sensor eine Ausgestaltung als optischer Sensor erfolgen.
Eine weitere bevorzugte Ausführung ist ein Sensor ausgestaltet als Magnetometer, vorzugsweise als eine Hall-Sonde oder ein magnetoresistiver Sensor. Ein magnetoresistiver Sensor ist ein Dünnschichtsensor, der unter Einfluß eines Magnetfeldes seinen Widerstand ändert und mit meist als XMR-Sensor – X-magnetoresistiver-Sensor – bezeichnet wird.
Vorzugsweise weist der Sensor eine Integrationsstufe auf. Diese kann beispielsweise so ausgebildet sein, daß ein analoges Signal in ein binäres Signal umgewandelt wird und/oder daß ein Signal in ein digitales Signal gewandelt wird und/oder daß ein Signal an eine Schnittstelle angepaßt wird, vorzugsweise an eine serielle Schnittstelle.
Vorzugsweise gibt der Näherungssensor exakt zum Zeitpunkt des Überstreichens der Kolbenhemdunterkante ein digitales, insbesondere binäres Signal ab. Insbesondere kann das binäre Signal durch eine steigende oder fallende Flanke gekennzeichnet sein.
Geometrisch wird in einer Ausführung der Sensor so gestaltet, daß dieser in einem Querschnitt eine Ausnehmung aufweist. So kann der Sensor beispielsweise in einer Hufeisenform ausgebildet werden. Eine weitere Ausgestaltung des Sensors kann eine zylindrische Form, die eine zylindrische oder sonst wie geartete Ausnehmung aufweist. Besonders bevorzugt ist eine Gestaltung als Quader, der eine quaderförmige oder sonst wie gestaltete Ausnehmung aufweist. In einer weiteren Ausführung ist es vorgesehen, daß ein Element, welches der Kolben aufweist, in die Ausnehmung des Sensors eintaucht. Dieses Element ist vorzugsweise ein Kolbenhemd oder ein Markierungselement am Kolben. Eine dementsprechende geometrische Anpassung der Ausnehmung an das entsprechende Element ist in einer weiteren Variante vorgesehen. Insbesondere bei einer Ausführung des Sensors als Hall-Sonde kann eine Kolbenhemdunterkante beziehungsweise das entsprechende Markierungselement in die Ausnehmung eintauchen. Durch die insbesondere hufeisenförmige Ausgestaltung verlaufen die magnetischen Feldlinien vorzugsweise parallel, was zu einem sehr steilen Gradienten einer Hall-Spannung führt, wenn die Kolbenhemdunterkante beziehungsweise das entsprechende Markierungselement in die Ausnehmung eintaucht.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Signalauswerteelektronik ein Steuergerät auf, vorzugsweise ein Motorsteuergerät. Die Informationen vom Sensor werden in einer weiter bevorzugten Ausführung seriell zum Steuergerät übertragen, vorzugsweise mittels eines Datenbusses.
Eine bevorzugte Variation der Hubkolbenmaschine weist einen Sensor auf, welcher ein integrierter Sensor ist, vorzugsweise ein Magnetometer. In dieser Ausgestaltung überträgt der Sensor digitale, insbesondere binäre Signale mittels beispielsweise eines Datenbusses an ein Motorsteuergerät. Des Weiteren weist dieser Sensor eine Ausnehmung auf, wobei das Kolbenhemd während eines Betriebes der Hubkolbenmaschine in den offenen Querschnitt eintauchbar ist. Der integrierte Sensor ermöglicht es, ermittelte Daten ohne zusätzliche Elektronik von einem analogen Wert in einen digitalen Wert, insbesondere einen binären Wert, zu wandeln und diesen insbesondere in einen Datenbus einzuspeisen
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den nachfolgenden Zeichnungen hervor. Die dort dargestellten Weiterbildungen sind jedoch nicht beschränkend auszulegen. Vielmehr können die dort beschriebenen jeweiligen Merkmale einzeln oder mit anderen Merkmalen aus anderen Ausgestaltungen, insbesondere mit den oben schon beschriebenen Merkmalen, zu weiteren Ausgestaltungen kombiniert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung einer Hubkolbenmaschine,
2 eine beispielhafte schematische Darstellung eines Kolbentriebes zum Zeitpunkt einer Signalauslösung,
3 eine erste Sensoranordnung,
4 eine zweite Sensoranordnung mit einer Hallsonde
5 eine dritte Sensoranordnung mit einem optischen Sensor,
6 eine vierte Sensoranordnung mit einem induktivem Sensor,
7 ein Ablaufdiagramm für eine Ermittlung eines Verdichtungsverhältnisses,
8 eine erste Kennlinie, welche eine Relation eines Verdichtungsverhältnisses ε zu einem Triggerwinkel α bei einem variablen Kurbelradius r beschreibt,
9 eine zweite Kennlinie, welche eine Relation eines Verdichtungsverhältnisses ε zu einem Triggerwinkel α bei einer variablen Pleuellänge l beschreibt, und
10 eine dritte Kennlinie, welche eine Relation eines Verdichtungsverhältnisses ε zu einem Triggerwinkel α bei einem variablen Triggermarkenabstand a beschreibt.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zylinders 1 mit einem Kolbentrieb 2, wobei der Kolbentrieb 2 eine Kurbel 3, ein Pleuel 4 und einen Kolben 5 aufweist. Eine Sensorelektronik 6 weist einen Sensor 7 und einen Kurbelwinkelsensor 8 auf. Der Sensor 7 weist eine erste Sensorik 9 und eine erste Integrationsstufe 10 auf. Der Kurbelwinkelsensor 8 weist eine zweite Sensorik 11 und eine zweite Integrationsstufe 12 auf. Der Sensor 7 und der Kurbelwinkelsensor 8 sind über eine Datenleitung 13 mit einer Signalauswerteelektronik 14 verbunden. Der Kolben 5 ist innerhalb eines Hubraumes 15 mittels des Kolbentriebes 2 bewegbar. Eine Höhe des Hubraumes 15 ist durch einen Abstand von einem oberen Totpunkt 16 zu einem unteren Totpunkt 17 festgelegt und wird bestimmt durch eine Geometrie der Kurbel 3. Oberhalb des oberen Totpunktes 16 befindet sich ein Brennraumvolumen 18, der einem Kompressionsvolumen 18 entspricht, wenn bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 5 Ventile 19 geschlossen sind.
Anhand der Informationen des Sensors 7 und des Kurbelwinkelsensors 8 wird in der Signalauswerteelektronik, die ein Steuergerät 20 aufweist, ein Verdichtungsverhältnis berechnet. Für die Berechnung werden die geometrischen Zusammenhänge betrachtet, wie sie in 2 beschrieben sind. In den nachfolgenden Figuren werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wenn gleiche beziehungsweise gleichartige Bauteile damit bezeichnet werden können.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kolbentriebes 2, der eine Kurbel 3, einen Pleuel 4 und einen Kolben 5 aufweist, wobei der Kolben 5 ein Kolbenhemd 21 aufweist, das eine Höhe a aufweist, die im Folgenden Triggermarkenabstand genannt wird. Der Sensor 7 ist in einem festen Abstand h von einer Kurbelwellenmitte 22 angeordnet. Das Pleuel 4 weist eine Pleuellänge l und die Kurbel 3 einen Kurbelradius r auf. Bei einer Rotation der Kurbel 3 um einen Winkel α wird der Kolben 5 longitudinal verschoben, wobei das Pleuel 4 um einen Schwenkwinkel Ψ von einer Vertikallage ausschert. Die Länge h und die jeweils unveränderlichen Längen sind aus der Konstruktion bekannt. Der Winkel 23 wird als Triggerwinkel α bezeichnet, wenn das Kolbenhemd 21 den Sensor 7 erregt, was beispielsweise bei einer Kolbenhemdunterkantenhöhe von h über die Kurbelwellenmitte 22 erfolgt. Dieser Triggerwinkel wird mittels des Kurbelwinkelsensors 8 erfasst und ist somit auch bekannt. Rotiert die Kurbel 3 um die Kurbelwellenmitte 22, wird in bestimmten Winkellagen α der Kurbel 3 der Sensor 7 erregt. Eine hierdurch entstehende Flanke im Sensorsignal kann genutzt werden um einen Triggerwinkel, wie oben beschrieben zu ermitteln. Dabei ist es sowohl möglich, die steigende als auch die fallende Flanke im Signal des Sensors 7 zu verwenden.
Bei veränderlicher Pleuellänge l und bekanntem Kurbelradius r läßt sich der Schwenkwinkel Ψ mittels der Gleichung
errechnen. Die aktuelle Pleuellänge l ist dann
Bei einem veränderlichen Kurbelradius r und einer bekannter Pleuellänge l ist der Kurbelradius r durch die Gleichung
bestimmbar.
3 zeigt eine Anordnung eines Sensors 7 an einer Zylinderwand 24. Bewegt sich der Kolben 5 im Zylinder, so wird der Sensor 7 erregt. Bei dem dargestellten Sensor kann es sich beispielsweise um einen kapazitiven Sensor handeln.
4 zeigt eine Anordnung eines Sensors 7, wobei am Kolben 5 ein Sensorhilfselement 25 befestigt ist, wobei das Sensorhilfselement 25 in eine Hallsonde 26 eintauchbar ist, wobei die Hallsonde 26 eine offene Form 27 aufweist.
5 zeigt eine Anordnung eines Sensors 7 bei einem Kurbeltrieb, der als optischer Sensor ausgestaltet ist, wobei der Sensor 7 ein Photoemitter 28 und einen Photodetektor 29 aufweist. Das Kolbenhemd ist in die offene Form 27 des Sensors 7 eintauchbar und kann ein Signal auslösen, wenn ein Lichtstrom vom Photoemitter 28 zum Photodetektor 29 unterbrochen wird. Eine weitere Variante der Positionserkennung des Kolbens 5 ist eine Zwei-Wege-Lichtschranke, wobei der Photoemitter 28 und der Photodetektor 29 auf einer Seite des Kolbens 5 angeordnet sind. Eine Anwesenheit des Kolbens 5 wird mittels einer Lichtintensität ermittelt.
6 zeigt einen Sensor 7, der als induktiver Sensor ausgestaltet ist. Eine Positionsveränderung des Kolbens 5 bewirkt eine Veränderung des Magnetfeldes, welches der Sensor erzeugt. Der Sensor 7 kann wahlweise so ausgeführt werden, daß sich der Kolben dem Sensor nähert oder eintaucht. Auch kann eine Positionierung des Sensors 7 analog der Anordnung in 3 erfolgen.
7 zeigt einen Ablauf eines Programms in einem Steuergerät zur Ermittlung eines Verdichtungsverhältnisses, wobei

A: ein Sensorsignal eingelesen wird, welches beispielsweise vom Sensor 7 erzeugt wird.
B: Nach einer Detektion eines Triggersignales oder nachdem das Signal einen Schwellwert überschritten hat wird die Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses begonnen, wobei
C: zunächst der Kurbelwinkel α eingelesen wird.
D: Hiernach wird die aktuelle kinematisch wirksame Länge errechnet.
E: Danach wird das Kompressionsvolumen 18 und/oder das Hubvolumen ermittelt.
F: Im Folgenden wird anhand vorbekannter und ermittelter Daten das Verdichtungsverhältnis berechnet.

8 zeigt eine erste Kennlinie, die das Verdichtungsverhältnis ε in Abhängigkeit vom Triggerwinkel α beschreibt. Die variable kinematisch wirksame Größe ist in diesem Fall der Kurbelradius r. Die Größen h, l, a und α sind bekannt und die Größen r und ε sind unbekannt.
Infolge eines variablen Kurbelradius r ändert sich das Kompressionsvolumen V_c und das Hubvolumen V_H wie folgt: Vc = Vc,εmax + (rεmax – r)·AK (Gl. 7) Vh = 2·r·AK (Gl. 8)
Der Wert V_c,εmax gibt das Kompressionsvolumen V_c und der Wert r_εmax den Kurbelradius r jeweils bei maximalem Verdichtungsverhältnis wieder. A_K ist ein Wert für die Kolbenfläche.
Das Verdichtungsverhältnis hängt damit wie folgt vom Kurbelradius r ab:
Die unbekannten Größen ψ, r, ε können durch Lösung des aus (Gl. 1), (Gl. 2) und (Gl. 9) bestehenden Gleichungssystems bestimmt werden.
Die Kennlinie gibt den Zusammenhang von Triggerwinkel α mit dem Verdichtungsverhältnis ε in einer beispielhaften Ausgestaltung wieder, wobei der Triggermarkenabstand a 30 Millimeter, der Durchmesser des Kolbens D 81 Millimeter, die Pleuellänge l 144 Millimeter, die Höhe h des Sensors über dem Kurbelwellenmitte 71,5 Millimeter und die maximale Ausdehnung des Kurbelradius r_εmax 45 Millimeter betragen.
Die Kennlinie zeigt, daß bei einem Triggerwinkel α von 180° das Verdichtungsverhältnis ε minimal ist.
9 zeigt eine zweite Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen Triggerwinkel α und einem Verdichtungsverhältnis ε bei einer variabler Pleuellänge l wieder gibt. Somit sind in diesem Beispiel die Größen h, r, a und α bekannt und die Größen Ψ, l und ε unbekannt.
Infolge der variablen Pleuellänge l ändert sich das Kompressionsvolumen wie folgt: Vc = Vc,εmax + (lεmax – l)·AK (Gl. 10)
Das Verdichtungsverhältnis hängt damit wie folgt der Pleuellänge l ab:
Die unbekannten Größen ψ, l und ε können durch Lösung des aus (Gl. 1), (Gl. 2) und (Gl. 11) bestehenden Gleichungssystems bestimmt werden.
Wird das Verdichtungsverhältnis ε in Relation zum Triggerwinkel α aufgetragen, so erhält man eine Kennlinie gemäß 9. Die beispielhaft gezeigte Kennlinie ist bei einem Kurbelradius r von 43,4 Millimetern, einem Kolbendurchmesser D von 81 Millimetern, einer Kolbenhöhe a als Triggermarkenabstand von 30 Millimetern, einer Höhe h des Sensors über der Kurbelwellenmitte von 71,8 Millimetern und einer maximalen Pleuellänge l_εmax von 146 Millimetern ermittelt worden.
Gemäß der Kennlinie aus 9 ergibt sich ein maximales Verdichtungsverhältnis ε bei einem Triggerwinkel α von 180°.
10 zeigt eine dritte Kennlinie des Verdichtungsverhältnisses ε in Relation zum Triggerwinkel α bei variablem Triggermarkenabstand a.
Bekannt sind in diesem Beispiel die Größen h, r, l und α. Unbekannt sind hingegen die Größen Ψ, a und ε.
Infolge des variablen Triggermarkenabstands a ändert sich das Kompressionsvolumen folgendermaßen: Vc = Vc,εmax – (aεmax – a)·AK (Gl. 12)
Das Verdichtungsverhältnis hängt damit wie folgt von dem Triggermarkenabstand a ab:
Die unbekannten Größen ψ, a, ε können durch Lösung des aus (Gl. 1), (Gl. 2) und (Gl. 13) bestehenden Gleichungssystems bestimmt werden.
Die in 10 gezeigte Kennlinie gilt insbesondere für eine Pleuellänge l von 144 Millimetern, einen Kolbendurchmesser D von 81 Millimetern, einen Kurbelradius r von 43,2 Millimetern, einer Sensorhöhe h über der Kurbelwellenmitte von 70,8 Millimetern und eine maximale Triggermarkenabstand a_max von 30 Millimetern. Analog zu 9 ist in der Kennlinie der 10 ebenfalls das Maximum des Verdichtungsverhältnisses bei α = 180°.

Claims

Verfahren zur automatischen Ermittlung eines momentanen Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine im Betrieb, wobei die Hubkolbenmaschine ein veränderbares Kompressionsvolumen (18) und einen meßbaren Kurbelwinkel aufweist, wobei mittels eines relativ zu einem Sensor sich bewegenden Bauteils eines Kolbentriebes ein Signal erzeugt wird und mittels des Signals ein in einem Bezug zum Kurbelwinkel stehender Triggerwinkel (23) bestimmt wird, der in eine Ermittlung des momentanen Verdichtungsverhältnisses mit einfließt.
Verfahren zur Ermittlung eines Verdichtungsverhältnisses nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsvolumen (18) über die Ermittlung einer kinematisch wirksamen Länge bestimmt wird.
Verfahren zur Ermittlung eines Verdichtungsverhältnisses nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Schritte ausgeführt werden: a. Erfassen des Triggerwinkels (23); b. Ermitteln zumindest einer kinematisch wirksamen Länge; c. Ermitteln des Kompressionsvolumens (18) und/oder des Hubvolumens; d. Errechnen des Verdichtungsverhältnisses anhand vorbekannter und ermittelter Daten.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte b bis d in einem Schritt ausgeführt werden, beispielsweise mittels einer zusammenfassenden Formel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Kennlinie und/oder eine Tabelle ermittelt wird, wobei die Kennlinie und/oder die Tabelle das relative Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit vom Triggerwinkel (23) beschreibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Vielzahl von Kennlinien, ermittelt aus geometrischen und/oder insbesondere experimentell ermittelten Zusammenhängen, in einem Steuergerät (20) hinterlegt wird.
Hubkolbenmaschine, welche mindestens einen Zylinder (1), einen Kolben (5), ein Pleuel, eine Kurbel (3), eine Sensorelektronik und eine Signalauswerteelektronik (14) aufweist, wobei ein Kompressionsvolumen (18) durch zumindest eine kinematisch wirksame Länge (3) bestimmt und durch mindestens eines der vorgenannten Bauteile veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelektronik (6) mindestens einen Sensor (7) und einen Kurbelwinkelsensor (8) aufweist, wobei der Sensor (7) derart angebracht ist, daß der Sensor (7) von mindestens einem beweglichen Teil des Kolbentriebes erregbar ist und wobei der Kurbelwinkelsensor (8) derart angebracht ist, daß der Kurbelwinkelsensor (8) einen Kurbelwinkel erfaßt und wobei mindestens eine Datenleitung 13 mindestens den Sensor und den Kurbelwinkelsensor (8) mit der Signalauswerteelektronik (14) verbindet.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorsignal des Sensors (7) binär ist.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) relativ zu dem beweglichen Teil der Hubkolbenmaschine ruhend angebracht ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) ein induktiver Sensor ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) ein kapazitiver Sensor ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) ein optischer Sensor ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) ein Magnetometer ist, vorzugsweise eine Hall-Sonde oder ein XMR-Sensor.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) eine Integrationsstufe aufweist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) in einem Querschnitt eine Ausnehmung (27) aufweist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswerteelektronik (14) ein Steuergerät (20) aufweist, vorzugsweise ein Motorsteuergerät.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Informationen vom Sensor (7) zum Steuergerät (20) seriell übertragen werden, vorzugsweise mittels eines Datenbusses.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubkolbenmaschine zumindest eine Kennlinie und/oder eine Tabelle aufweist, die das Verdichtungsverhältnis relativ zu einer maximalen Verdichtung in Abhängigkeit eines Triggerwinkels (23) beschreibt.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) ein integrierter Sensor ist, vorzugsweise ein Magnetometer, wobei der Sensor (7) binäre Signale mittels eines Datenbusses an eine Signalauswerteelektronik (14) überträgt und wobei der Sensor (7) in einem Querschnitt eine Ausnehmung (27) aufweist und wobei ein Kolbenhemd während eines Betriebes der Hubkolbenmaschine in den offenen Querschnitt eintauchbar ist.