DE102010019756A1

DE102010019756A1 - Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010019756A1
Application number: DE201010019756
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Nowak Dieter; Dipl.-Ing. Römheld Tilmann; Dipl.-Ing. Wagenplast Michael
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2011-11-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, bei welchem mittels wenigstens einer Stelleinrichtung (24) zumindest ein Verdichtungsverhältnis eines Zylinders der Hubkolbenmaschine variabel eingestellt wird, wobei bei einer Deaktivierung der sich mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Betrieb befindenden Hubkolbenmaschine ein demgegenüber unterschiedliches Verdichtungsverhältnis eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die DE 102 58 872 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis, wobei ein Starten des Verbrennungsmotors mit einem Verdichtungsverhältnis erfolgt, dass gegenüber Verdichtungsverhältnissen im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors verringert ist.
Das bekannte Verfahren weist weiteres Potential auf, verbesserte Startbedingungen für den Start des Verbrennungsmotors bereitzustellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis bereitzustellen, welches einen verbesserten Start der Hubkolbenmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, bei welchem zumindest ein Verdichtungsverhältnis eines Zylinders der Hubkolbenmaschine variabel eingestellt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer Deaktivierung der sich mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis des Zylinders im Betrieb befindenden Hubkolbenmaschine ein demgegenüber unterschiedliches Versichtungsverhältnis eingestellt wird. Dies bedeutet, dass das Verdichtungsverhältnis des Zylinders gegenüber dem Verdichtungsverhältnis, bei dem Betrieb der Hubkolbenmaschine eingestellt ist, verändert wird. Wird die Hubkolbenmaschine im Anschluss an die Deaktivierung, auch nach einem längeren Zeitraum, wieder aktiviert, das heißt in Betrieb versetzt, so liegen zumindest nahezu verzögerungsfrei sehr gute, durch die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses bei der Deaktivierung der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellte Startbedingungen bei der Aktivierung der Hubkolbenmaschine vor, wodurch die Hubkolbenmaschine sehr gut zu starten ist. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch spätestens bei einer erneuten Aktivierung der Verbrennungskraftmaschine ein Verdichtungsverhältnis eingestellt werden, welches sich von dem Verdichtungsverhältnis unterscheidet, welches bei noch aktivierter Verbrennungskraftmaschine eingestellt ist bzw. war.
Das Verfahren ermöglicht insbesondere ein sehr gutes Geräuschverhalten (NVH-Verhalten, noise vibration harshness) bei der Aktivierung, da beispielsweise harte Kontakte, bei welchem ein metallisches Bauteil auf ein anderweitiges metallisches Bauteil trifft, vermieden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung wird bei der Deaktivierung der Verbrennungskraftmaschine und/oder spätestens bei einer erneuten Aktivierung dieser das Verdichtungsverhältnis des Zylinders im Vergleich zu dem Verdichtungsverhältnis des Zylinders bei sich in Betrieb befindender Verbrennungskraftmaschine verringert. Ein geringes Verdichtungsverhältnis erfordert eine geringe Startenergie, wodurch die Verbrennungskraftmaschine insbesondere bei einem Kaltstart sehr gut zu starten beziehungsweise zu aktivieren ist. Dies ist beispielsweise bei einer von einem Fahrer des Kraftwagens unbeabsichtigten Deaktivierung und/oder in einem Fehlerfall der Fall, zum Beispiel bei einem Abwürgen der Verbrennungskraftmaschine. Auch kann dies bei einem Stopp-/Start-Betriebszustand beim endgültigen Deaktivieren durchgeführt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Hubkolbenmaschine eingestellt. Befindet sich die Hubkolbenmaschine beispielsweise in dem Stopp-/Start-Betriebszustand, in welchem die Hubkolbenmaschine zur Einsparung von Kraftstoff und von CO₂-Emissionen automatisch deaktiviert und aktiviert wird, was insbesondere in Verkehrssituationen bei einer Stadtfahrt den Kraftstoffverbrauch deutlich absenkt, so folgt auf die Deaktivierung der Verbrennungskraftmaschine in der Regel eine nur sehr kurze Zeitdauer, über welche die Hubkolbenmaschine deaktiviert ist und an welche sich eine Aktivierung der Hubkolbenmaschine anschließt. Dies bedeutet, dass die Hubkolbenmaschine bei einer auf diese Deaktivierung in dem Stopp-/Start-Betriebszustand folgenden Aktivierung noch warm ist, das heißt eine hohe Temperatur aufweist. In diesem Falle kann zur Darstellung sehr guter, insbesondere thermodynamisch vorteilhafter, Startbedingungen ein höheres Verdichtungsverhältnis des Zylinders eingestellt werden als es bei einem Kaltstart eingestellt wird, bei welchem die Hubkolbenmaschine eine im Vergleich dazu geringere Temperatur aufweist.
Durch eine solche Einstellung des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einem Betriebszustand und/oder in Abhängigkeit von einer Temperatur der Hubkolbenmaschine kann Energie und insbesondere Kraftstoff zum Start sowie zum Betrieb der Hubkolbenmaschine wie auch Abgas- und Lärmemissionen eingespart werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren birgt insbesondere den Vorteil, dass die bereitgestellten, sehr guten Startbedingungen für die Hubkolbenmaschine zumindest nahezu verzögerungsfrei bei einer zeitlich auf die Deaktivierung folgenden Aktivierung der Hubkolbenmaschine vorliegen und nicht erst insbesondere notfalls bei der Aktivierung der Hubkolbenmaschine eingestellt werden müssen. Eine solche Einstellung des Verdichtungsverhältnisses erst bei der Aktivierung der Verbrennungskraftmaschine würde bedeuten, dass über einen nicht unerheblichen Zeitraum weniger gute Startbedingungen durch das über diesen Zeitraum nicht ideale Verdichtungsverhältnis vorliegen, was eine weniger effiziente Aktivierung der Verbrennungskraftmaschine bedeuten würde als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur eingestellt. Dadurch kann berücksichtigt werden, wie schnell die Hubkolbenmaschine nach ihrer Deaktivierung abkühlt und/oder wie kalt sie nach der Deaktivierung über einen langen Zeitraum sein wird. Somit kann das Verdichtungsverhältnis zur Darstellung sehr guter Startbedingungen schon bei der Deaktivierung der Hubkolbenmaschine eingestellt werden, um eine effiziente und sehr gute Aktivierung der Hubkolbenmaschine verzögerungsfrei darzustellen. So kann beispielsweise im Winter ein geringeres Verdichtungsverhältnis eingestellt werden als im Sommer, in welchem die Außentemperatur in der Regel höher ist als im Winter.
Des Weiteren ist äußerst vorteilhaft, wenn das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einem Speicherzustand einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Batterie, eingestellt wird. Wie bereits ausgeführt, erfordert eine Aktivierung der Hubkolbenmaschine mit einem hohen Verdichtungsverhältnis eine höhere Startenergie, als es bei einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis der Fall ist. Zur Reduzierung eines Stromverbrauchs beziehungsweise eines Verbrauchs eines Speicherinhalts der Energiespeichereinrichtung wird der Speicherzustand der Energiespeichereinrichtung berücksichtigt und das Verdichtungsverhältnis und damit die Startbedingungen für die Hubkolbenmaschine daran angepasst.
In jeglicher Hinsicht ist ein Neu- beziehungsweise ein Wiederstart der Hubkolbenmaschine durch das erfindungsgemäße Verfahren begünstigt. Ebenso ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren einen Direktstart der Hubkolbenmaschine aus ihrem deaktivierten Zustand heraus, bei welchem eine separate Starteinrichtung, wie beispielsweise ein Starter, nicht genutzt wird, um die Hubkolbenmaschine zu starten. Dies reduziert einen Energiebedarf, was einem niedrigen Kraftstoffverbrauch zuträglich ist.
Ist der Speicherzustand der Energiespeichereinrichtung beispielsweise gering, so wird ein geringes Verdichtungsverhältnis eingestellt, um eine weitere Verringerung des Speicherzustands einzuschränken.
Die Hubkolbenmaschine weist beispielsweise eine Mehrzahl von Zylindern auf, wobei den jeweiligen Zylindern jeweils eine Stelleinrichtung zur Einstellung des jeweiligen Verdichtungsverhältnisses der Zylinder zugeordnet ist. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder unabhängig voneinander eingestellt werden, wobei beispielsweise voneinander unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse der einzelnen Zylinder eingestellt werden zur Schaffung optimaler Startbedingungen für die Hubkolbenmaschine.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht eines Kurbeltriebs einer Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle mit vier Hubzapfen, an welchen jeweils ein mit einem korrespondierenden Pleuel verbundenes Hebelelement gelagert ist, wobei jedem der Hebelelemente jeweils eine hydraulisch betätigbare und eine translatorische Bewegung ausführbare Stelleinrichtung zugeordnet ist, mittels welcher das jeweilige Hebelelement zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen einstellbar ist;
2 eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht eines mit einem Pleuel und einer zugeordneten Stelleinrichtung verbundenen Hebelelements gemäß 1;
3 eine weitere perspektivische Ansicht des mit dem Pleuel und der Stelleinrichtung verbundenen Hebelelements gemäß 2;
4 eine teilweise geschnittene Draufsicht des mit dem Pleuel und der Stelleinrichtung verbundenen Hebelelements gemäß den 2 und 3;
5 eine Schnittansicht einer Stelleinrichtung gemäß den vorhergehenden Figuren; und
6 fünf Längsschnittansichten der Stelleinrichtung gemäß 5 in voneinander unterschiedlichen Stellungen zur Darstellung unterschiedlicher Drehstellungen des Hebelelements und damit zur Darstellung unterschiedlicher Verdichtungsverhältnisse der Hubkolbenmaschine.
Die 1 zeigt einen Kurbeltrieb 10 einer Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle 12. Die Kurbelwelle 12 weist vier Hubzapfen 14 auf, an welchem jeweils ein Hebelelement 16 gelagert ist, wobei sich also die Hebelelemente 16 relativ zu den jeweiligen Hubzapfen 14 um diese drehen können. Die Hebelelemente 16 sind jeweils mit einem Pleuel 18 gelenkig verbunden und als Querhebel ausgebildet, welche quer zur Rotationsachse der Kurbelwelle 12 verlaufen. Die Pleuel 18 weisen wiederum jeweils ein Pleuelauge 22 auf, über welche das jeweilige Pleuel 22 mit einem in einem Zylinder der Hubkolbenmaschine verschieblich angeordneten Kolben der Hubkolbenmaschine verbindbar ist. Wie bekannt ist, führen die Kolben der Hubkolbenmaschine infolge von Gasexpansionen durch Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder translatorische Bewegungen durch, die über die Pleuel 18 und die Hebelelemente 16 auf die Hubzapfen 14 und weiter auf die Kurbelwelle 12 übertragen und in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 12 umgewandelt werden, wodurch sich also die Kurbelwelle 12 gemäß einem Richtungspfeil 20 um ihre Rotationsachse dreht.
Wie der 1 zu entnehmen ist, legen dabei die Kolben und damit die Pleuel 22 stets den gleichen Hub, also die gleiche translatorische Aufwärts- und Abwärtsbewegung aus. Zur Darstellung eines einstellbaren Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine ist jedem Hebelelement 16 eine Stelleinrichtung 24 zugeordnet, welche gelenkig mit dem jeweiligen Hebelelement 16 verbunden ist. Mittels der Stelleinrichtungen 24 sind die Hebelelemente 16 zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 um diesen drehbar. Dies bewirkt eine Einstellung eines Endvolumens, welches auch als Kompressionsvolumen bezeichnet wird, in dem jeweiligen Zylinder im oberen Totpunkt des jeweiligen Kolbens, da die Drehstellung der Hebelelemente 16 relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 die translatorische Position des unteren und oberen Totpunkts des Kolbens im Zylinder beeinflusst. Eine Vergrößerung des Kompressionsvolumens führt zu einer Verkleinerung des Verdichtungsverhältnisses und/oder umgekehrt. Zur Einstellung der Hebelelement 16 und damit des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine führen die Stelleinrichtungen 24 eine translatorische Bewegung aus, die eine Drehung des jeweiligen Hebelelements 16 relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 um diesen bewirkt.
Der Übersicht wegen ist die Funktion der Stelleinrichtungen 24 anhand einer Stelleinrichtung 24 erläutert, welche in den folgenden Figuren dargestellt ist. Die 2 bis 5 zeigen die Stelleinrichtung 24, die einen einen Arbeitsraum 26 aufweisenden Hydraulikzylinder 28 umfasst. In dem Hydraulikzylinder 28 beziehungsweise dessen Arbeitsraum 26 ist ein verschiebbarer Kolben 30 angeordnet, welcher fest mit einer Schubstange 32 verbunden ist. Der Kolben 30 unterteilt den Arbeitsraum 28 in eine erste, in der 2 obere Steuerkammer 34 und eine in der 2 untere, zweite Steuerkammer 36, wobei die Steuerkammern 34 und 36 ein jeweiliges Volumen aufweisen, welche mit einem Arbeitsmedium in Form von Schmieröl der Hubkolbenmaschine beaufschlagbar sind. In der 2 befindet sich der Kolben 30 und damit die Schubstange 32 in einer ersten Endstellung, in welcher das Volumen der Steuerkammer 34 minimal und das Volumen der Steuerkammer 36 maximal ist. In diesem Falle ist das Volumen der Steuerkammer 36 mit dem Schmieröl gefüllt, während die Steuerkammer 34 zumindest nahezu kein Schmieröl beinhaltet.
In dieser in der 2 gezeigten Stellung des Kolbens 30 und damit der Stelleinrichtung 24 nimmt das Hebelelement 16 eine erste Drehstellung relativ zu dem Hubzapfen 14 ein, in welchem ein geringes Verdichtungsverhältnis von beispielsweise ε = 7 vorliegt. Soll das Verdichtungsverhältnis erhöht werden, so muss der Kolben 30 und damit die Stelleinrichtung 24 von der in der 2 gezeigten ersten Endstellung herausbewegt und der Kolben 30 in Richtung einer Fläche 38 bewegt werden. Dies bedeutet also, dass das Volumen der Steuerkammer 36 verkleinert und das Volumen der Steuerkammer 34 vergrößert werden muss. Hierzu muss das Schmieröl aus der Steuerkammer 36 abgeführt und Schmieröl in die Steuerkammer 34 eingeleitet werden.
Um entsprechende und gewünschte Mengen von Schmieröl der jeweiligen Steuerkammer 34 und 36 zuzuteilen, sind Kanäle 40, 42, 44 und 46 vorgesehen, durch welche das Schmieröl fließen kann. Die Kanäle 40, 42 und 44 sind dabei durch entsprechende Steuerkanten 48, 50 und 52 eines bereichsweise in der Schubstange 32 aufgenommenen Steuerkolbens 54 freigebbar und verschließbar.
Zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses geben nun die entsprechenden Steuerkanten 48, 50 und 52 die Kanäle 40 und 42 frei, woraufhin das Schmieröl über den Kanal 40 aus dem Steuerraum 36 hinaus und über den Kanal 42 in den Steuerraum 34 hineinfließen kann. Zudem kann weiteres Schmieröl über den Kanal 46 in den Steuerraum 34 einfließen, welchem Schmieröl über eine Welle 62 zuführbar ist. Der Kanal 46 ist dabei mit einer Schmierölversorgung der Hubkolbenmaschine verbunden und gewährleistet die Versorgung der Stelleinrichtung 24 mit ausreichend Arbeitsmedium in Form des Schmieröls. Entsprechende Steuerventile in Form von Rückschlagventilen 56, 58 und 60 verhindern dabei einen unerwünschten Fluss von Schmieröl.
Die Stelleinrichtung 24 lässt insbesondere durch ein Einsatz der Rückschlagventile 56, 58 und 60 zusätzliche Einrichtungen zur Druckförderungen des Schmiermittels, also Pumpen, obsolet werden oder ermöglicht zumindest eine geringe Dimensionierung einer solchen Einrichtung bezüglich ihrer Dimensionen und Leistung, da die Stelleinrichtung 24 quasi selbstständig infolge von an der Schubstange 32 anliegenden Wechselkräften das Schmieröl in die beziehungsweise aus den Steuerkammern 34 und 36 fördert und zwar entsprechend der durch die Steuerkanten 48, 50 und 52 freigegebenen beziehungsweise verschlossenen Kanäle 40, 42 und 44. Die genannten Wechselkräfte resultieren dabei aus aus der genannten Verbrennung resultierenden Druck- und Gaskräften im Zylinder sowie aus Massenkräften, die über den Kolben, das Pleuel 18 und das Hebelelement 16 auf die Schubstange 32 und damit auf den Kolben 30 übertragen werden, der somit das Schmieröl in die oder aus den entsprechenden Steuerkammern 34 und/oder 36 pumpt. Handelt es sich hierbei nicht um einen Gleichlaufzylinder, muss das dem Querschnitt der Schubstange 32 bzw. dem Verstellweg dieser entsprechende Differenzvolumen über das Rückschlagventil 60 nachgesaugt werden.
Dies bedeutet einen äußerst niedrigen Energiebedarf zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, was den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen der Hubkolbenmaschine in einem geringen Rahmen hält.
Dadurch, dass die Stelleinrichtung 24 eine translatorische Bewegung ausführt, birgt sie weiter den Vorteil, dass sie einen nur geringen Bauraumbedarf aufweist bei gleichzeitiger Realisierung einer sehr präzisen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, wodurch die Hubkolbenmaschine sehr präzise an unterschiedliche Betriebspunkte angepasst werden kann und somit einen sehr effizienten Betrieb ermöglicht.
Wie in Zusammenschau mit 1 deutlich wird, weisen der Kurbeltrieb 10 und damit die Hubkolbenmaschine weiterhin den Vorteil auf, dass die Hebelelemente 16 unabhängig voneinander durch die Stelleinrichtungen 24 einstellbar sind, wodurch auch das Verdichtungsverhältnis der einzelnen Zylinder selektiv einstellbar ist.
Damit die Stelleinrichtung 24 Bewegungen des Hebelelements 16 sowie Bewegungen der Hubkolbenmaschine mit ausführen und gegebenenfalls ausgleichen kann, ist sie schwenkbar um die drehfest an einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine abgestützte Welle 62 gehalten und somit schwenkbar und mittelbar am Kurbelgehäuse abgestützt. Die Welle 62 ist unter anderem durch Befestigungselemente 80 festgelegt.
Die 3 verdeutlicht die Betätigung des Steuerkolbens 54 zur Einstellung des Hebelelements 16 und damit zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses. Zur Betätigung des Steuerkolbens 54 umfasst die Stelleinrichtung 24 einen Stift 64, welcher die drehfest am Kurbelgehäuse festgelegte Welle 62 durchdringt und mit einem im Wesentlichen U-förmigen Betätigungselement 66 verbunden ist. Der die Welle 62 über eine entsprechende Bohrung durchdringenden Stift 64 und das im Wesentlichen U-förmige Betätigungselement 66 sind einstückig miteinander ausgebildet und mittels eines nicht dargestellten Aktuators magnetisch translatorisch in Bewegungsrichtung der Schubstange 32 bewegbar. Wird das Betätigungselement 66 über den Stift 64 in Richtung der Schubstange 32 bewegt, so drückt das Betätigungselement 66 den Steuerkolben 54 entgegen einer Federkraft eines einerseits am Steuerkolben 54 und andererseits an der Schubstange 32 abgestützten Federelements 68 in die entsprechende Richtung, woraus eine Relativbewegung des Steuerkolbens 54 zur Schubstange 32 resultiert. Dadurch geben die Steuerkanten 48, 50 und 52 die Kanäle 40, 42 und 44 frei, wodurch das Schmieröl auf die ausgeführte Art und Weise in die Steuerkammern 34 und/oder 36 hinein oder hinaus fließen kann.
Aus diesem Fluss des Schmieröls resultiert eine Volumenvergrößerung beziehungsweise eine Volumenverkleinerung der Steuerkammern 34 und 36, woraus wiederum eine Relativbewegung des Kolbens 30 und damit der Schubstange 32 zu dem Steuerkolben 54 resultiert. Diese Relativbewegung geschieht solange, bis die Kanäle 40, 42 und 44 die entsprechenden Steuerkanten 48, 50 und 52 des Steuerkolbens 54 überfahren und wiederum verschlossen werden, wodurch der Fluss des Schmieröl gestoppt ist und der Kolben 30 und damit die Schubstange 32 und damit wiederum das Hebelelement 16 eine vorgegebene Position einnehmen, wodurch ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine eingestellt ist.
Eine umgekehrte Betätigung des Steuerkolbens 54 erfolgt beispielsweise dadurch, dass das Betätigungselement 66 und der Stift 64 kraftlos geschaltet werden, wodurch das Federelement 68 den Steuerkolben 54 in Richtung des Betätigungselements 66 drücken kann, woraufhin sich das Betätigungselement 66 und der Stift 64 von der Schubstange 32 wegbewegen. In diesem Falle geben die Steuerkanten 48, 50 und 52 die Kanäle 40, 42 und 44 frei und die Schubstange 32 bewegt sich analog in die andere Richtung.
Hieraus wird deutlich, dass zur Einstellung des Hebelelements 16 und damit des Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine lediglich eine Vorgabe einer Soll-Position des Steuerkolbens 54 über eine Vorgabe einer Soll-Position des Betätigungselements 66 und des Stifts 64 geschehen muss und sich die Stelleinrichtung 24 dann selbstständig einstellt, bis der Fluss des Schmieröls unterbrochen ist. Eine zusätzliche Betätigung des Steuerkolbens 54 zum Beenden der Einstellung der Stelleinrichtung 24 ist nicht vonnöten. Des Weiteren bedeutet dies, dass etwaige Leckagen infolge von Verschleiß, wie er über eine sehr hohe Lebensdauer hinweg vorkommen kann, quasi selbstständig durch die Stelleinrichtung 24 ausgeglichen wird. Es ist lediglich eine Anpassung der Vorgabe der Soll-Position des Steuerkolbens 54 beziehungsweise des Betätigungselements 66 und des Stifts 64 vonnöten. Diese Anpassung kann gegebenenfalls über einen einfachen Abgleich von vorgegebenen Soll-Werten mit mittels Erfassungseinrichtungen erfassten Ist-Werten erfolgen. Dies gewährleistet eine sehr präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses auch über eine sehr hohe Lebensdauer der Hubkolbenmaschine hinweg und damit die Darstellung eines sehr effizienten und kraftstoffverbrauchsarmen Betriebs derselbigen.
Wie der 3 weiterhin zu entnehmen ist, sind das Betätigungselements 66 und der Steuerkolben 54 nicht fest miteinander verbunden sondern wirken über eine bogenförmige Fläche 70 des Betätigungselements 66 zusammen. Der Mittelpunkt der bogenförmigen Fläche liegt dabei zumindest im Wesentlichen auf der Schwenkachse der Stelleinrichtung 24, die mit der Mittelsymmetrieachse der Welle 62 zusammenfällt. Die bogenförmige Fläche 70 gewährleistet einen im Wesentlichen konstanten Hub und damit eine im Wesentlichen konstante Bewegung des Steuerkolbens 54 auch bei einer Bewegung beziehungsweise bei einem Verschwenken der Verstelleinrichtung 24 um ihre Schwenkachse, wobei der Steuerkolben 54 diese Schwenkbewegung mit ausführt während das Betätigungselement 66 wie beschrieben drehfest ist. Zur Verbesserung der Kontaktbedingungen zwischen dem Steuerkolben 54 und der bogenförmigen Fläche 70 weist der Steuerkolben 54 einen abgerundeten Kopf auf, der an der bogenförmigen Fläche 70 anliegt und reibungsarm an ihr entlang gleiten kann. Zur Darstellung der ausgeführten Relativbewegung des Zylinders 28 und damit des Steuerkolbens 54 zu dem Betätigungselement 66 weist der Zylinder 28 einen Schlitz 72 auf, in welchem das Betätigungselement 66 angeordnet ist.
Zur Darstellung einer einfachen und kostengünstigen Montage umfasst der Zylinder 28 drei Teile 74, 76 und 78, wobei der Teil 74 mit dem Teil 76 verbunden ist. Der Teil 78 ist ebenso mit dem Teil 76 verbunden und ist bereichsweise in dem Teil 76 aufgenommen und begrenzt einerseits den Arbeitsraum 26.
Die 6 zeigt die Verstelleinrichtung 24 in fünf voneinander unterschiedlichen Stellungen zur Darstellung von fünf voneinander unterschiedlichen Drehstellungen des Hebelelements 16 relativ zu dem jeweiligen Hubzapfen 14 und zur Darstellung von fünf voneinander unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen der Hubkolbenmaschine. Gemäß Darstellung A befindet sich die Verstelleinrichtung 24 in der in den 1 bis 5 gezeigten oberen Endstellungen, in welcher dass geringste Verdichtungsverhältnis vorliegt, welches beispielsweise ε =7 beträgt. Eine zu der in der 6 gezeigten Anordnung umgekehrte Anordnung der Verstelleinrichtung 24, das heißt eine Anordnung dieser über Kopf, ist ebenso möglich, wobei sich das Geschilderte entsprechend umkehrt.
Gemäß Darstellung B befindet sich im Vergleich zu Darstellung A in der Steuerkammer 34 eine größere Menge von Schmieröl, während sich in der Steuerkammer 36 eine geringer Menge von Schmieröl befindet. Dementsprechend hat sich der Kolben 30 und damit die Schubstange 32 von der Welle 62 wegbewegt. Durch diese Bewegung verkleinert sich das Kompressionsvolumen im entsprechenden Zylinder der Hubkolbenmaschine, da die Schubstange 32 das Hebelelement 16 in eine andere Drehstellung relativ zu dem Hubzapfen 14 drückt, wobei diese Drehbewegung über das Pleuel 18 in eine translatorische Bewegung des Kolbens im Zylinder umgesetzt wird. Gemäß Darstellung C ist ein Verdichtungsverhältnis von ε = 9,5 eingestellt. Im Vergleich dazu beträgt das Verdichtungsverhältnis bei der gemäß Darstellung D gezeigten Einstellung der Verstelleinrichtung 24 wieder etwas weniger, während das Verdichtungsverhältnis in der gemäß Darstellung E gezeigten Stellung der Verstelleinrichtung 24 ε = 14 beträgt. Es ist zu erkennen, dass nun besonders viel Schmieröl in der Steuerkammer 34 aufgenommen ist, während die Steuerkammer 36 nahezu kein Schmieröl mehr beinhaltet. Der Übersicht wegen sind in der 6 die übrigen Bezugszeichen weggelassen, wobei das zu der Verstelleinrichtung 24 gemäß den vorhergehenden Figuren Ausgeführte analog auf die Verstelleinrichtung 24 gemäß 6 zutrifft.
Die Stelleinrichtungen 24 ermöglichen auch eine Einstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder bei einer Deaktivierung der Hubkolbenmaschine, wobei sich die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse bei der Deaktivierung der Hubkolbenmaschine von den jeweiligen Verdichtungsverhältnissen der Zylinder bei sich in Betrieb befindender Hubkolbenmaschine unterscheiden. Dies schafft die Möglichkeit, sehr gute Startbedingungen für die Hubkolbenmaschine bei einer sich an die Deaktivierung der Hubkolbenmaschine anschließenden Aktivierung derselbigen darzustellen.
Herrscht bei der Deaktivierung der Hubkolbenmaschine beispielsweise eine sehr niedrige Außentemperatur, so ist davon auszugehen, dass sich die Hubkolbenmaschine nach ihrer Deaktivierung aus einem betriebswarmen Zustand heraus stark abkühlen wird. Um eine erneute Aktivierung zu vereinfachen und beispielsweise einen Ladezustand einer Batterie der Hubkolbenmaschine zu schonen und einen Stromverbrauch für einen Starter für die Hubkolbenmaschine gering zu halten, werden die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder mittels der Stelleinrichtungen 24 reduziert, um somit eine benötigte Energie für die Aktivierung gering zu halten. Der Starter benötigt dann zum Anlassen der Hubkolbenmaschine eine nur geringe Energie und damit einen nur geringen Strom, den die Batterie bereitstellen muss.
Befindet sich die Hubkolbenmaschine in einem Stopp-/Start-Betrieb, in welchem die zur Einsparung von Kraftstoff und von CO₂-Emissionen automatisch deaktiviert und aktiviert wird, so folgt auf die Deaktivierung der betriebswarmen Hubkolbenmaschine eine Aktivierung der Hubkolbenmaschine, bei welcher sie noch betriebswarm ist. In diesem Falle wird eine im Vergleich zu einem Kaltstart der Hubkolbenmaschine geringere Startenergie benötigt, wodurch die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder zwar gegenüber den jeweiligen Verdichtungsverhältnissen bei sich in Betrieb befindender Hubkolbenmaschine verringert gegenüber einem Kaltstart der Hubkolbenmaschine jedoch höher mittels den Stelleinrichtungen 24 eingestellt werden können. Ist die Hubkolbenmaschine noch betriebswarm, so weist der Starter einen nur geringen Energie- und damit einen nur geringen Strombedarf auf, der von der Batterie bereitgestellt werden muss.
Diese Einstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder bei der Deaktivierung der Hubkolbenmaschine birgt den Vorteil, dass die so bereitgestellten, sehr guten Startbedingungen bei der Aktivierung beziehungsweise einem Wiederstart in dem Stopp-/Start-Betriebszustand der Hubkolbenmaschine verzögerungsfrei vorliegen, da sie bereits bei der Deaktivierung eingestellt wurden.
Bezugszeichenliste

10: Kurbeltrieb
12: Kurbelwelle
14: Hubzapfen
16: Hebelelement
18: Pleuel
20: Richtungspfeil
22: Pleuelauge
24: Stelleinrichtung
26: Arbeitsraum
28: Zylinder
30: Kolben
32: Schubstange
34: Steuerraum
36: Steuerraum
38: Fläche
40: Kanal
42: Kanal
44: Kanal
46: Kanal
48: Steuerkante
50: Steuerkante
52: Steuerkante
54: Steuerkolben
56: Rückschlagventil
58: Rückschlagventil
60: Rückschlagventil
62: Welle
64: Stift
66: Betätigungselement
68: Federelement
70: bogenförmige Fläche
72: Schlitz
74: Teil
76: Teil
78: Teil
80: Befestigungselement
A: Darstellung
B: Darstellung
C: Darstellung
D: Darstellung
E: Darstellung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10258872 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, bei welchem mittels wenigstens einer Stelleinrichtung (24) zumindest ein Verdichtungsverhältnis eines Zylinders der Hubkolbenmaschine variabel eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Deaktivierung der sich mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Betrieb befindenden Hubkolbenmaschine ein demgegenüber unterschiedliches Verdichtungsverhältnis eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Hubkolbenmaschine eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Temperatur der Hubkolbenmaschine eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gegenüber dem Verdichtungsverhältnis der sich in Betrieb befindlichen Hubkolbenmaschine verringertes Verdichtungsverhältnis eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einem Speicherzustand einer Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Batterie, eingestellt wird.