DE102010032425A1

DE102010032425A1 - Stelleinrichtung für eine Hubkolbenmaschine, Hubkolbenmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010032425A1
Application number: DE201010032425
Authority: DE
Inventors: Marc Wodischek; Dipl.-Ing. Nowak Simone; Dipl.-Ing. Schmitfranz Bernd-Heinrich; Dipl.-Ing. Römheld Tilmann; Dipl.-Ing. Wagenplast Michael; Dipl.-Ing. Nowak Dieter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung (38) für eine Hubkolbenmaschine, mit wenigstens einem um eine Schwenkachse (42) zwischen zumindest zwei Drehstellungen schwenkbar an einer korrespondierenden Lagerstelle gehaltenen Stellteil (36), insbesondere einem Steuerkolben (36), mittels welchem ein Verdichtungsverhältnis wenigstens eines zu der Stelleinrichtung (38) korrespondierenden Zylinders der Hubkolbenmaschine variabel einstellbar ist, wobei die Stelleinrichtung (38) zumindest eine Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher zumindest eine der Drehstellungen des Stellteils (36) erfassbar ist, sowie eine Hubkolbenmaschine mit einer solchen Stelleinrichtung (38). Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für eine Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 6 angegebenen Art. Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
Die US 1 901 263 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kolben, einem Kurbelzapfen und einer zwei Teile umfassenden Kurbelstange, wobei die zwei Teile der Kurbelstange durch einen Hebel miteinander verbunden sind. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine Stelleinrichtung, mittels welcher die Position des Hebels und damit die operative Länge der Kurbelstange einstellbar ist.
Die EP 1 143 127 B1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, in dem sich ein Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verschieben kann. Der Verbrennungsmotor umfasst Mittel, um die Position des oberen Totpunkts zwischen vorbestimmten Grenzen variieren zu lassen, um gleichzeitig den Hub des Kolbens, die Position des unteren Totpunkts und korrelativ das Volumenverhältnis und den Motorhubraum in Abhängigkeit von den Verwendungsbedingungen des Motors variieren zu lassen. Diese Mittel umfassen eine Pleuelstange, die einerseits am Kolben und andererseits an einer Hauptpleuelstange angelenkt ist, die sich an einer Kurbelwelle dreht. Die Hauptpleuelstange ist auch an einem Schwingarm angelenkt, der einen Schwinghebel besitzt, welcher mit einer Einrichtung zur Regelung des Position des Schwingarms verbunden ist. Die Einrichtung steuert die Position des oberen und des unteren Totpunkts, wobei die Hauptpleuelstange einen kurzen Arm zwischen einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle und einer Achse der Pleuelstange und einen langen Arm, der mit dem kurzen Arm einen Winkel zwischen ungefähr 100° und 130° festlegt und zwischen dem Kurbelzapfen und einer Anlenkachse an dem den Schwingehebel bildenden Schwingarm angeordnet ist, umfasst.
Aus der US 6 857 401 B1 ist eine Erfassungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine als bekannt zu entnehmen, wobei die Verbrennungskraftmaschine eine Kurbelwelle und mindestens einen Kolben umfasst. Die Erfassungseinrichtung umfasst ein Pleuel, mittels welchem das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine einstellbar ist und mittels welchem der Kolben mit der Kurbelwelle verbunden ist. Das Pleuel weist dabei eine Mehrzahl von diskreten Zuständen zur Darstellung unterschiedlicher Verdichtungsverhältnisse auf. Ferner umfasst die Erfassungseinrichtung einen digitalen Ausgabesensor zur Erzeugung eines Signals, welches zu einem bestimmten Zustand des Pleuels korrespondiert. Der Sensor umfasst einen Hall-Sensor, welcher ein länger andauerndes Signal erzeugt, welches zu einem hohen Verdichtungsverhältnis korrespondiert, und welcher ein kürzer andauerndes Signal erzeugt, welches zu einem geringen Verdichtungsverhältnis korrespondiert.
Diese bekannten Hubkolbenmaschinen weisen Potential auf, das Verdichtungsverhältnis bedarfsgerechter und präziser einzustellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stelleinrichtung für eine Hubkolbenmaschine, eine solche Hubkolbenmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine bereitzustellen, die ein präziseres und bedarfsgerechteres Einstellen des Verbrennungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Stelleinrichtung für eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für eine Hubkolbenmaschine, mit wenigstens einem um eine Schwenkachse zwischen zumindest zwei Drehstellungen schwenkbar an einer korrespondierenden Lagerstelle gehaltenen Stellteil, insbesondere einem Steuerkolben, mittels welchem ein Verdichtungsverhältnis wenigstens eines zu der Stelleinrichtung korrespondierenden Zylinders der Hubkolbenmaschine variabel einstellbar ist. Die Stelleinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Stelleinrichtung zumindest eine Erfassungseinrichtung umfasst, mittels welcher zumindest eine der Drehstellungen des Stellteils erfassbar ist. Durch die Erfassung der Drehstellung bzw. durch eine Erzeugung eines die Drehstellung charakterisierenden Signals durch die Erfassungseinrichtung ist es möglich, in Abhängigkeit von der Drehstellung auf das mittels des Stellteils eingestellten, aktuell vorliegenden Verdichtungsverhältnis rückzuschließen und dieses sehr präzise zu ermitteln. Dadurch kann beispielsweise überprüft werden, ob das eingestellte Verdichtungsverhältnis als Ist-Verdichtungsverhältnis mit einem gewünschten einzustellenden Soll-Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen übereinstimmt. Ist dies der Fall, so ist das Verdichtungsverhältnis sehr präzise und bedarfsgerecht an einen aktuellen Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine angepasst und die Hubkolbenmaschine kann besonders effizient, emissions- und energieverbrauchsarm, insbesondere kraftstoffverbrauchsarm, betrieben werden.
Wird eine Abweichung des Ist-Verdichtungsverhältnisses von dem Soll-Verdichtungsverhältnis erfasst bzw. überschreitet eine solche Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert, so kann die Stelleinrichtung, insbesondere das Stellteil, gegebenenfalls nachjustiert werden, um das Soll-Verdichtungsverhältnis äußerst präzise und bedarfsgerecht einzustellen und an den Betriebspunkt anzupassen zur Realisierung eines sehr effizienten Betriebs der Hubkolbenmaschine.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei der Hubkolbenmaschine um eine Verbrennungskraftmaschine handeln kann, wobei während eines Betriebs der Hubkolbenmaschine in dem Zylinder Verbrennungsvorgänge anlaufen. Ebenso möglich ist, dass die Hubkolbenmaschine beispielsweise als anderweitige Hubkolbenmaschine, beispielsweise als Kolbenverdichter zur Verdichtung von Luft, ausgebildet ist oder eine anderweitige Ausführungsform aufweist. In jeglicher Hinsicht ist durch die Erfassung der Drehstellung des Stellteils das eingestellte Verdichtungsverhältnis sehr präzise zu ermitteln, wobei die Drehstellung bzw. das die Drehstellung charakterisierende Signal genutzt werden kann, um das Verdichtungsverhältnis selbst sehr präzise und sehr bedarfsgerecht einzustellen.
Der Steuerkolben umfasst beispielsweise einen Kolben und eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange, wobei der Kolben in einem durch ein Gehäuse der Stelleinrichtung gebildeten Zylinder verschiebbar geführt angeordnet ist. Der Steuerkolben ist beispielsweise derart betätigbar, dass der Zylinder mit einem Arbeitsmedium beaufschlagt wird und so den Kolben und über den Kolben die Kolbenstange translatorisch verschiebt. Vorteilhafterweise sind mittels der Erfassungseinrichtung beide, insbesondere alle, Drehstellungen des Stellteils erfassbar. Dies ermöglicht eine besonders präzise Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von den Drehstellungen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mittels der Erfassungseinrichtung eine Bewegung des Stellteils zwischen den Drehstellungen kontinuierlich erfassbar. Dies ermöglicht, etwaige Ungleichförmigkeiten bei der Bewegung zwischen den Drehstellungen zu erfassen, welche gegebenenfalls auch Fehlfunktionen, Störungen, Verschleiß oder dergleichen rückschließen lassen.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mittels der Erfassungseinrichtung zumindest eine als Endstellung eines Schwenkbereichs des Stellteils ausgebildete Stellung der beiden Stellungen erfassbar. Mit anderen Worten weist der Schwenkbereich, in dem das Stellteil um die Schwenkachse verschwenkbar ist, zumindest eine Endstellung, welche auch als Anschlag bezeichnet wird, auf, welche von der Erfassungseinrichtung erfassbar ist. Durch die Erfassung dieser Endstellung kann eine maximale und/oder minimale Auslenkung des Stellteils, d. h. ein maximales und/oder ein minimales Verschwenken dieser, erfasst und gegebenenfalls mit Tabellen, Kennfeldern oder dergleichen hinterlegten Stellungen, insbesondere Endstellungen verglichen werden. Auch dies ermöglicht die besonders präzise Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses sowie die Ermittlung einer etwaig vorliegenden und beispielsweise infolge eines Verschleiß der Stelleinrichtung bzw. der Hubkolbenmaschine auftretenden Abweichung des gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnisses von dem Ist-Verdichtungsverhältnis bzw. umgekehrt.
Der Schwenkbereich weist in der Regel zwei Endstellungen auf, zwischen welchen das Stellteil verschwenkbar ist, wobei die Endstellungen sich auf ein eingestelltes Verdichtungsverhältnis beziehen können. Mit anderen Worten können zwei jeweilige Endstellungen zweier unterschiedlicher Verdichtungsverhältnisse voneinander unterschiedlich sein. In jeglicher Hinsicht ist es vorteilhaft, wenn mittels der Erfassungseinrichtung beide Endstellungen eines Verdichtungsverhältnisses erfassbar sind. So kann überprüft werden, ob das Stellteil die Endstellungen erreicht oder gegebenenfalls das Erreichen zumindest einer dieser Endstellungen bei dem eingestellten Verdichtungsverhältnis nicht erfolgt. Dies deutet darauf hin, dass das Ist-Verdichtungsverhältnis nicht mit dem Soll-Verdichtungsverhältnis übereinstimmt. In der Folge können Nachregelungen bzw. Nachsteuerungen durchgeführt werden, wodurch das Ist-Verdichtungsverhältnis an das Soll-Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen angepasst wird und so die Hubkolbenmaschine besonders effizient, emissions- und energieverbrauchsarm betrieben werden kann. Mit anderen Worten kann so das Verdichtungsverhältnis besonders effizient und bedarfsgerecht eingestellt werden.
Zur präzisen Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses kann es vorteilhaft sein, die erfasste Drehstellung des Stellteils auf eine mittels einer weiteren Erfassungseinrichtung erfasste Drehstellung eines Hubzapfens einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine und damit auf eine Drehstellung der Kurbelwelle (Gradkurbelwinkel, [°KW]) selbst, welche auch als Gradkurbelwinkel bezeichnet wird, zu beziehen, wobei an dem Hubzapfen über einen Querhebel und über ein Pleuel ein Kolben gelenkig gelagert ist, welcher in dem Zylinder translatorisch bewegbar geführt angeordnet ist. Der Bezug auf den Gradkurbelwinkel ermöglicht die eindeutige Identifizierung des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von der erfassten Drehstellung des Stellteils. Etwaig mögliche Mehrdeutigkeiten sind dadurch vermieden. Dies führt zu einer aussagekräftigen und sehr präzisen Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses und in der Folge zur präzisen und bedarfsgerechten Einstellung desselbigen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Erfassungseinrichtung zumindest einen Hall-Sensor auf, welcher ein Geberteil, insbesondere einen Magneten und insbesondere einen Permanentmagneten, und einen korrespondierendes Erfassungsteil, insbesondere eine Erfassungsplatte, umfasst. Der Hall-Sensor ermöglicht die besonders genaue Erfassung der Drehstellung bzw. die Erzeugung eines sehr präzisen, die Drehstellung charakterisierenden Signals, welches zur gesteuerten oder geregelten, stufenweise oder kontinuierlichen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses genutzt werden kann.
Zur besonders präzisen Erfassung der Drehstellung des Stellteils weist die Erfassungseinrichtung mindestens einen zumindest im Wesentlichen konzentrisch zur Schwenkachse angeordneten Drehwinkelsensor auf, mittels welchem wenigstens eine der Drehstellungen erfassbar ist. Diese Ausführungsform birgt den Vorteil, dass die Drehstellung unter Realisierung eines sehr geringen Bauraumbedarfs der Erfassungseinrichtung und damit der Stelleinrichtung ermöglicht ist. Dies führt zur Vermeidung oder zur Lösung von Package-Problemen, insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum eines Kraftwagens.
Ist die Erfassungseinrichtung als optische und/oder als elektronische, insbesondere kapazitive, Erfassungseinrichtung ausgebildet, so ermöglicht dies einerseits die besonders präzise Erfassung der Drehstellung sowie andererseits die besonders zeitnahe Erfassung derselbigen, sodass das die Drehstellung charakterisierende Signal besonders schnell zur Verfügung steht und weiter verarbeitet werden kann. Dies ist insbesondere bei hohen Drehzahlen der Hubkolbenmaschine vorteilhaft, wodurch besonders schnell auf sich ändernde Betriebspunkte reagiert werden kann und das Verdichtungsverhältnis dementsprechend besonders schnell an sich verändernde Betriebspunkte angepasst werden kann. Dies führt zur Realisierung eines äußerst effizienten Betriebs der Hubkolbenmaschine mit einem nur geringen Energieverbrauch und geringen, insbesondere schädlichen, Emissionen.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit zumindest einem Zylinder, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, und mit wenigstens einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Stelleinrichtung, welche wenigstens ein um eine Schwenkachse zwischen zumindest zwei Drehstellungen schwenkbar an einer korrespondierenden Lagerstelle gehaltenes Stellteil, insbesondere einen Steuerkolben, umfasst, mittels welchem ein Verdichtungsverhältnis des Zylinders variabel einstellbar ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Stelleinrichtung zumindest eine Erfassungseinrichtung umfasst, mittels welcher zumindest eine der Drehstellungen des Stellteils erfassbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung und umgekehrt anzusehen. Die Erfassungseinrichtung ermöglicht eine sehr präzise Erfassung der Drehstellung bzw. eine Erzeugung eines die Drehstellung sehr präzise charakterisierenden Signals, wodurch – wie schon bezüglich des ersten Aspekts der Erfindung erläutert – dass aktuell mittels der Stelleinrichtung und des Stellteils eingestellte Verdichtungsverhältnis als Ist-Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von der Drehstellung bzw. dem die Drehstellung charakterisierenden Signal sehr genau ermittelt werden kann. Die Drehstellung bzw. das die Drehstellung charakterisierende Signal kann dann dazu genutzt werden, eine Abweichung des erfassten Verdichtungsverhältnisses als Ist-Verdichtungsverhältnis von einem gewünscht einzustellenden Soll-Verdichtungsverhältnis, wobei diese Abweichung beispielsweise aus einem Verschleiß der Hubkolbenmaschine bzw. der Stelleinrichtung resultiert, zu kompensieren und Nachsteuerungen bzw. Nachregelungen durchzuführen, um das Ist-Verdichtungsverhältnis an das Soll-Verdichtungsverhältnis anzupassen. Dadurch ist das Verdichtungsverhältnis sehr präzise und bedarfsgerecht einstellbar und an einen vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine anpassbar, wodurch die Hubkolbenmaschine effizient und damit emissions- und energieverbrauchsarm, insbesondere kraftstoffverbrauchsarm, betrieben werden kann.
Bevorzugt weist die Hubkolbenmaschine eine Mehrzahl, also wenigstens zwei, Zylinder auf, in welchen jeweils ein Kolben translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist. Dabei ist jedem der Zylinder jeweils wenigstens eine, insbesondere erfindungsgemäße Stelleinrichtung zugeordnet, mittels welcher das jeweilige Verdichtungsverhältnis der Zylinder zylinderindividuell eingestellt werden kann. Das bedeutet, dass einzelne Verdichtungsverhältnisse der Zylinder für sich und unabhängig voneinander eingestellt werden können. So ist es beispielsweise möglich, dass die Hubkolbenmaschine mit unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen der Zylinder betrieben wird, wobei sich also zumindest zwei Verdichtungsverhältnisse der Zylinder voneinander unterscheiden. Insbesondere ermöglicht es diese zylinderindividuelle Verstellung bzw. Einstellung der Verdichtungsverhältnisse durch dann hinreichend große Zeitfenster Gas- und- Massenkräfte in den Zylindern unabhängig voneinander für die oben geschilderte, passive Einstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse zu nutzen, also ohne Aufwendung zusätzlicher Energie zum Einstellen der Verdichtungsverhältnisse.
Ebenso ist es auch ohne Weiteres möglich, trotz der zylinderindividuellen Einstellbarkeit der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse auch mittels den Stelleinrichtungen zumindest im Wesentlichen gleiche Verdichtungsverhältnisse der Zylinder einzustellen. Dadurch ist eine sehr große Flexibilität geschaffen, die einzelnen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder der Hubkolbenmaschine jeweils für sich bedarfsgerecht an den aktuell vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine anzupassen, so dass jeder Zylinder für sich sehr effizient betrieben werden kann. Daraus resultiert ein äußerst effizienter Gesamtbetrieb der Hubkolbenmaschine.
Die jeweiligen Erfassungseinrichtungen der Stelleinrichtungen ermöglichen dabei für jeden Zylinder die sehr präzise Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses als Ist-Verdichtungsverhältnis und somit die Nutzung des ermittelten Verdichtungsverhältnisses für das Steuern oder Regeln des entsprechenden Verdichtungsverhältnisses. Wie bereits geschildert, kann so das etwaig von dem Soll-Verdichtungsverhältnis abweichende Ist-Verdichtungsverhältnis nachjustiert und zumindest im Wesentlichen an das gewünscht einzustellende Soll-Verdichtungsverhältnis angepasst werden.
Bei der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine ist das Stellteil beispielsweise als Steuerkolben ausgebildet, welcher einen Kolben und einen mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange umfasst. Der Kolben ist dabei beispielsweise in einem Gehäuse der Stelleinrichtung translatorisch bewegbar geführt aufgenommen und kann, wie bezüglich der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung geschildert, durch Beaufschlagung des Zylinders mit einem Arbeitsmedium bewegt werden. Zur Lagerung des Steuerkolbens ist dieser zumindest bereichsweise geführt in dem Zylinder aufgenommen, wobei der Zylinder durch ein Gehäuse der Stelleinrichtung ausgebildet ist, welches wiederum an einem Systemgehäuse der Hubkolbenmaschine, welches die Stelleinrichtung umgibt, um die Schwenkachse schwenkbar gelagert ist. Bei dem Systemgehäuse kann es sich beispielsweise um ein Kurbelgehäuse, um ein Zylinderkurbelgehäuse oder dergleichen der Hubkolbenmaschine handeln.
Der Steuerkolben ist beispielsweise als Hydraulikkolben ausgeführt und durch Beaufschlagung des Zylinders mit einem Hydraulikmedium, insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit, betätigbar und dadurch bewegbar oder durch Reaktionskräfte bewegbar und hydraulisch fixierbar. Eine Zufuhr oder eine Abfuhr des Hydraulikmediums in den Zylinder bzw. aus dem Zylinder heraus kann beispielsweise mittels eines Elektromagneten erfolgen, welcher besonders schnelle Schaltzeiten aufweist, oder durch ansteuerbare Rückschlagventile. Dies ermöglicht es, den Steuerkolben schnell zu betätigen und dadurch das Verdichtungsverhältnis in einem kurzen Zeitraum zu verstellen. Dadurch kann schnell auf sich ändernde Betriebspunkte der Hubkolbenmaschine reagiert werden.
Im Gegensatz zu solch einer aktiven Einstellung ist auch eine passive Einstellung möglich, bei welcher der Steuerkolben bewegt wird infolge von Gas- und Massenkräften der Hubkolbenmaschine, die beispielsweise über einen Kolben in dem Zylinder auf den Steuerkolben der Stelleinrichtung wirken. Der Steuerkolben der Stelleinrichtung wird durch das Hydraulikmedium und Ventileinrichtungen, beispielsweise Rückschlagventile, welche über anderweitige Steuerventile, beispielsweise einen Steuerschieber mit Steuerkanten, welche Leitungen für das Hydraulikmedium freigeben oder versperren, geschaltet werden, in einer gewünschten Bewegungsrichtung freigegeben und in der gewünschten Bewegungsrichtung entgegengesetzten Bewegungsrichtung blockiert bzw. ganz festgehalten. Es handelt sich dabei um eine Art hydraulischen Freilauf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann ohne und nur mit einem sehr geringen zusätzlichen Energieaufwand.
Ebenso ist es möglich, dass der Steuerkolben als Elektromagnet bzw. als Teil eines Elektromagneten ausgebildet und nach dem Wirkprinzip eines Elektromagneten betätigbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Steuerkolben als Pneumatikkolben ausgebildet, welcher durch Beaufschlagung des Zylinders mit Druckluft betätigbar ist. Auch bei dieser Ausführungsform kann eine Zufuhr oder eine Abfuhr von Druckluft in den Zylinder bzw. aus dem Zylinder heraus mittels eines Elektromagneten erfolgen, welcher die bereits geschilderten Vorteile aufweist.
Darüber hinaus ist es möglich, dass der Steuerkolben mittels eines Zahnrads, insbesondere eines Ritzels, betätigbar ist, wobei der Steuerkolben zumindest bereichsweise als Zahnstange mit einer Verzahnung ausgebildet ist, welche zumindest zum Betätigen des Steuerkolbens mit einer Verzahnung des Zahnrads insbesondere des Ritzels, zusammenwirkt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Steuerkolben mittels eines Nockens betätigbar ist, wobei der Steuerkolben zumindest bereichweise als Stange ausgebildet ist, welche mit dem Nocken zusammenwirkt.
Des Weiteren kann der Steuerkolben als Spindel ausgeführt und mittels eines Kugelgewindetriebs betätigbar sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst die Erfassungseinrichtung wenigstens ein Geberteil, insbesondere einen Magneten und insbesondere einen Permanentmagneten, sowie ein dazu korrespondierendes Erfassungsteil, insbesondere eine Erfassungsplatte, wobei das Geberteil an dem Stellteil und das Erfassungsteil an einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Kurbelgehäuse, einem Zylinderkurbelgehäuse, einem die Stelleinrichtung umgebenden Gehäuse oder dergleichen, zu welchem das Stellteil relativ um die Schwenkachse schwenkbar ist, angeordnet sind.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Geberteil an dem Gehäuse der Hubkolbenmaschine, zu welchem das Stellteil relativ um die Schwenkachse schwenkbar ist, und das Erfassungsteil an dem Stellteil angeordnet sind. Diese Ausführungsform ermöglicht die besonders präzise Erfassung der Drehstellung des Stellteils und infolgedessen die besonders bedarfsgerechte und präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses.
Vorteilhafterweise ist das Erfassungsteil und/oder insbesondere das Geberteil zumindest bereichsweise gebogen bzw. gekrümmt ausgebildet, wobei der Mittelpunkt der Krümmung vorteilhafterweise zumindest im Wesentlichen auf der Schwenkachse liegt. Dadurch sind Winkelfehler bei der Erfassung der Drehstellung des schwingenden bzw. um die Schwenkachse schwenkenden Stellteils zumindest reduziert oder gar vermieden, da die Krümmung des Geberteils oder des Erfassungsteils quasi zu Schwenkbewegungen des Stellteils korrespondiert. Mit anderen Worten beschreibt das Stellteil beim Schwenken ein Kreisbogensegment, welches zumindest im Wesentlichen der Krümmung entspricht. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Magnetfeld des als Magneten ausgebildeten Geberteils ebenso der Krümmung bzw. der Schwenkbewegung zumindest im Wesentlichen entspricht und das Magnetteil somit ebenfalls zumindest bereichsweise gebogen bzw. gekrümmt ausgebildet ist, wobei vorteilhafterweise der Mittelpunkt der Krümmung des Magnetfelds zumindest im Wesentlichen auf der Schwenkachse liegt.
Zur besonders präzisen Erfassung der Drehstellung des Stellteils umfasst die Erfassungseinrichtung einen Hall-Sensor, dem das Geberteil und das Erfassungsteil zugeordnet sind. Mit anderen Worten umfasst der Hall-Sensor das Geberteil und das Erfassungsteil und ermöglicht es somit, die Drehstellung bzw. Drehstellungen des Stellteils nach dem Wirkprinzip eines Hall-Sensors präzise zu erfassten und dadurch die besonders genaue und bedarfsgerechte Einstellung des Verdichtungsverhältnisses entsprechenden Zylinders zu ermöglichen.
Das Geberteil ist vorteilhafterweise zumindest teilweise mäanderförmig ausgebildet, wobei eine solche mäanderförmige Struktur auf einer korrespondierenden Platte angeordnet sein kann. Eine solche mäanderförmige Struktur ermöglicht eine besonders genaue und aussagekräftige Erfassung der Drehstellung, insbesondere aller Drehstellungen des Stellteils.
Ist die Erfassungseinrichtung als optische und/oder als elektronische, insbesondere kapazitive, Erfassungseinrichtung ausgebildet, so ermöglicht dies nicht nur die sehr genaue Erfassung der Drehstellung bzw. die Erzeugung eines die Drehstellung sehr präzise charakterisierenden Signals. Ebenso ist es dadurch ermöglicht, die Drehstellung in einem besonders kurzen Zeitraum zu erfassen und damit entsprechende Signale besonders schnell zu verarbeiten, um so besonders schnell auf sich ändernde Betriebspunkte der Hubkolbenmaschine reagieren zu können und dementsprechend das Verdichtungsverhältnis des Zylinders, insbesondere die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder der Hubkolbenmaschine, an sich ändernden Betriebspunkte anpassen zu können. Dies kommt dem effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine zugute.
Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, insbesondere einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine, bei welchem zumindest ein Verdichtungsverhältnis eines Zylinders der Hubkolbenmaschine mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung variabel eingestellt wird. Dabei wird ein um eine Schwenkachse zwischen zumindest zwei Drehstellungen schwenkbar an einer Lagerstelle gehaltenes Stellteil, insbesondere ein Steuerkolben, betätigt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das eingestellte Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von zumindest einer mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung erfassten Drehstellung der Drehstellungen des Stellteils ermittelt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten beiden Aspekte der Erfindung und umgekehrt anzusehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die sehr genaue Ermittlung des als Ist-Verdichtungsverhältnis eingestellten Verdichtungsverhältnisses des Zylinders in Abhängigkeit von der erfassten Drehstellung des Stellteils, wodurch das Ist-Verdichtungsverhältnis mit einem gewünschten und beispielsweise in einer Tabelle, Kennfeld oder dergleichen in einer Speichereinrichtung einer Regelungseinrichtung, insbesondere eines Steuergeräts, der Hubkolbenmaschine hinterlegten Soll-Verdichtungsverhältnis verglichen werden kann. Liegt gegebenenfalls eine Abweichung des Ist-Verdichtungsverhältnisses von dem Soll-Verdichtungsverhältnis vor, was beispielsweise infolge eines Verschleißes der Hubkolbenmaschine, der Stelleinrichtung oder dergleichen geschehen kann, so können Nachregelungen bzw. Nachsteuerungen durchgeführt werden, um das Ist-Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen an das gewünschte Soll-Verdichtungsverhältnis anzupassen. Diese freie, gesteuerte oder geregelte, stufenweise oder kontinuierliche Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht die Darstellung eines äußerst effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen, insbesondere kraftstoffverbrauchsarmen, Betriebs der Hubkolbenmaschine, da das Verdichtungsverhältnis zumindest nahezu stets, d. h. auch über eine hohe Lebensdauer, bei hohen Belastungen und gegebenenfalls bei Vorliegen eines Verschleißes der Hubkolbenmaschine, optimal, präzise und bedarfsgerecht eingestellt und an den aktuellen Betriebspunkt dieser Hubkolbenmaschine angepasst werden kann.
Bei dem Verfahren kann das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einem Vergleich der Drehgeschwindigkeit oder Drehbeschleunigung des Stellteils, insbesondere des Steuerkolbens, mit einer Rotation, beispielsweise einer Winkelstellung ([°KW], Gradkurbelwinkel) einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine ermittelt werden. Dadurch ist das Verdichtungsverhältnis besonders präzise zu ermitteln.
Wie bereits bezüglich des zweiten Aspekts der Erfindung geschildert und auch bei dem ersten Aspekt der Erfindung ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, bei Vorliegen einer Mehrzahl von Zylindern der Hubkolbenmaschine die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder zylinderindividuell für sich und unabhängig voneinander einzustellen und damit jeden Zylinder bzw. jedes Verdichtungsverhältnis für sich an den vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine optimal anzupassen. Dadurch kann jeder Zylinder bedarfsgerecht und präzise an den Betriebspunkt angepasst betrieben werden, woraus ein sehr effizienter Gesamtbetrieb der Hubkolbenmaschine resultiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genanten 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 Zeichnung zeigt in:
1 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht eines Kurbeltriebs für eine Hubkolbenmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern und den Zylindern zugeordneten Kolben, wobei mittels des Kurbeltriebs jeweilige Verdichtungsverhältnisse der Zylinder zylinderindividuell unabhängig voneinander einstellbar sind;
2 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht des Kurbeltriebs gemäß 1 mit einer Prinzipskizze zur Erfassung einer Stellung eines Steuerkolbens einer Stelleinrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, wobei anhand der erfassten Stellung des Steuerkolbens das eingestellte Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders ermittelt wird;
3 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß den vorhergehenden Figuren mit der zugehörigen Prinzipskizze zur Erfassung einer Drehstellung des Steuerkolbens der Stelleinrichtung, mittels welchem das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist;
4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß 2 mit der zugehörigen Prinzipskizze zur Erfassung einer Drehstellung des Steuerkolbens der Stelleinrichtung; und
5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß 4 mit der zugehörigen Prinzipskizze zur Erfassung einer Drehstellung des Steuerkolbens der Stelleinrichtung.
Die 1 zeigt einen Kurbeltrieb 10 für eine Hubkolbenmaschine eines Kraftwagens, wobei die Hubkolbenmaschine eine Mehrzahl von Zylindern umfasst. Der Übersicht wegen wird anhand der 1 der Kurbeltrieb 10 in Bezug auf einen dieser, zu dem Kurbeltrieb 10 korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine beschrieben. Es versteht sich, dass das zu dem Kurbeltrieb 10 und dem Zylinder Geschilderte analog auf die anderen, insbesondere alle anderen, Zylinder der Hubkolbenmaschine zutrifft.
Der Kurbeltrieb 10 umfasst eine Kurbelwelle 12, welche Hauptlagerstellen aufweist, über welche die Kurbelwelle 12 in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine gelagert ist.
Des Weiteren weist die Kurbelwelle 12 Kurbelwangen auf, von welchen eine solche Kurbelwange 14 in der 1 dargestellt ist. Darüber hinaus weist die Kurbelwelle 12 Hubzapfen auf, von welchen ein Hubzapfen 16 in der 1 dargestellt ist. Der Hubzapfen 16 korrespondiert dabei zu einem Zylinder der Hubkolbenmaschine. In gleicher Weise korrespondierenden auch die anderen Hubzapfen jeweils einem Zylinder der Hubkolbenmaschine.
Ferner umfasst der Kurbelbetrieb 10 einen Querhebel 18, welcher ein erstes Hebelelement 20 sowie ein zweites Hebelelement 22 umfasst, die miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschraubt, sind. Der Querhebel 18 ist dabei an dem Hubzapfen 16 relativ zu diesem um eine Drehachse 25 drehbar gelagert und führt Hubbewegungen bei einer Rotation der Kurbelwelle 12, beispielsweise während eines Betriebs der Hubkolbenmaschine, mit aus.
Der Querhebel 18 weist eine erste Lagerstelle 24 auf, an welcher ein Pleuel 26 des Kurbeltriebs 10 gelenkig gelagert ist. Dabei kann sich das Pleuel 26 um eine Drehachse 28 drehen. Wie der 1 zu entnehmen ist, ist die Drehachse 28 von der Drehachse 25 in radialer Richtung des Hubzapfens 16 um einen ersten Hebelarm h₁ beabstandet.
Der Kurbeltrieb 10 umfasst ebenso einen Kolben 30, welcher zu dem Zylinder, zu welchem der Hubzapfen 16 korrespondiert, korrespondiert und in welchem der Kolben 30 translatorisch bewegbar aufgenommen ist. Der Kolben 30 ist mit dem Pleuel 26 über eine weitere Lagerstelle 32 gelenkig verbunden. Befestigt ist der Kolben 30 an dem Pleuel 26 über einen Kolbenbolzen, der in dem Kolben 30 durch einen entsprechenden Sicherungsring in axialer Richtung des Kolbenbolzens gesichert ist. Wird der Kolben 30 infolge von Verbrennungsvorgängen in dem Zylinder translatorisch bewegt, so wird diese translatorische Bewegung über das Pleuel 26, den Querhebel 18 sowie den Hubzapfen 16 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 12 umgewandelt.
Der Querhebel 18 weist eine weitere Lagerstelle 34 auf, an welcher ein Steuerkolben 36 einer Stelleinrichtung 38 der Hubkolbenmaschine gelenkig gelagert und mit dem Querhebel 18 verbunden ist. Dabei kann sich der Steuerkolben 36 um eine Drehachse 40 der Lagerstelle 34 drehen. Die Drehachse 40 ist um einen weiteren Hebel h₂ in radialer Richtung des Hubzapfens 16 von der Drehachse 25 beabstandet. Es ist erkennbar, dass sich die Hebel h₁ und h₂ betragsmäßig voneinander unterscheiden. Der Hebel h₂ ist größer als der Hebel h₁. Ebenso möglich ist, dass die Hebel h₁ und h₂ betragsmäßig gleich sind, oder das der Hebel h₁ größer ist als der Hebel h₂. Zusätzlich zum Steuerkolben 36 umfasst die Stelleinrichtung 38 ein Gehäuse 41, durch welches ein Zylinder gebildet ist. In dem Zylinder ist der Steuerkolben 36 translatorisch bewegbar geführt gehalten. Durch Zufuhr oder Abfuhr eines Arbeitsmediums in den Zylinder, beispielsweise Druckluft, Hydraulikflüssigkeit oder dergleichen, kann der Steuerkolben 36 translatorisch gemäß einem Richtungspfeil 43 bewegt und bzgl. des Gehäuses 41 gemäß einem Richtungspfeil 44 ausgefahren oder gemäß einem Richtungspfeil 46 eingefahren werden. Im Gegensatz zu solch einer aktiven Einstellung ist auch eine passive Einstellung möglich, bei welcher der Steuerkolben 36 bewegt wird infolge von Gas- und Massenkräften der Hubkolbenmaschine, die über den Kolben 30 auf den Steuerkolben 36 wirken. Der Steuerkolben 36 wird durch das Arbeitsmedium und Ventileinrichtungen, beispielsweise Rückschlagventile, welche über anderweitige Steuerventile, beispielsweise einen Steuerschieber mit Steuerkanten, welche Leitungen für das Arbeitsmedium freigeben oder versperren, geschaltet werden, in einer gewünschten Bewegungsrichtung freigegeben und in der gewünschten Bewegungsrichtung entgegengesetzten Bewegungsrichtung blockiert bzw. ganz festgehalten. Es handelt sich dabei um eine Art hydraulischen Freilauf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann ohne und nur mit einem sehr geringen zusätzlichen Energieaufwand. Ebenso möglich ist, den Steuerkolben 36 mittels eines Elektromagneten zu betätigen.
Rotiert die Kurbelwelle 12, so bewegt sich der Hubzapfen 16 auf und ab, was auch zu einer Bewegung des Querhebels 18 führt. Auch die Stelleinrichtung 38 bewegt sich mit indem das Gehäuse 41 um eine Schwenkachse 42 schwenkbar an einem die Stelleinrichtung 38 umgebenden Gehäuse, beispielsweise an einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine, gelagert ist.
Wird der Steuerkolben 36 gemäß dem Richtungspfeil 43 translatorisch bewegt, so führt dies zu einer Drehung des Querhebels 18 relativ zu dem Hubzapfen 16 gemäß einem Richtungspfeil 48, wodurch das Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders eingestellt werden kann. Dabei wirkt die Verstellung des Stahlkolbens 36 über das Verhältnis der Hebel h₁ und h₂ im gleichen Maße, verstärkt oder reduziert. Mit anderen Worten führt die Verstellung des Steuerkolbens 36 zu einer Einstellung bzw. Verstellung des oberen Totpunkts des Kolbens 30 im Zylinder und damit zu einer Verstellung bzw. Einstellung des Kompressionsvolumens v_c des entsprechenden Zylinders. Die Verstellung des Steuerkolbens 36 wirkt sich auch auf den Hub und damit das Hubvolumen v_H des Kolbens 30 aus. Das Hubvolumen v_H reduziert sich bei steigendem Verdichtungsverhältnis, was im Sinne des Downsizing-Konzepts erwünscht ist. Daraus resultiert ein entsprechendes Verdichtungsverhältnis, welches auch als ε bezeichnet wird.
Wie bereits angedeutet, ist vorteilhafterweise jedem der Zylinder der Hubkolbenmaschine eine derartige Stelleinrichtung 38 zugeordnet, mittels welcher das Verdichtungsverhältnisses des entsprechenden Zylinders unabhängig von den anderen Zylindern eingestellt werden kann. Diese zylinderindividuelle Einstellung der entsprechenden Verdichtungsverhältnisse ermöglicht eine sehr präzise und äußerst bedarfsgerechte Anpassung der Hubkolbenmaschine an vorliegende Betriebspunkte, so dass die Hubkolbenmaschine sehr effizient, emissions- und energieverbrauchsarm, insbesondere kraftstoffverbrauchsarm, betrieben werden kann.
Zur präzisen und bedarfsgerechten Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ist es dabei wünschenswert, das eingestellte Verdichtungsverhältnis zu ermitteln und gegebenenfalls zu überprüfen. Dies ist beispielsweise möglich, in dem die Stellung des Steuerkolbens 36 relativ zu einem Bezugspunkt und/oder den bei der Bewegung des Steuerkolbens 36 zurückgelegten Weg, also den Hub des Steuerkolbens 36, zu erfassen, und davon ausgehend unter anderem auch in Abhängigkeit von den Hebeln h₁ und h₂, dem Pleuel 26 etc. auf das eingestellte Verdichtungsverhältnis rückzuschließen bzw. dieses zu ermitteln. Ein die Stellung bzw. den Hub des Steuerkolbens 36 charakterisierendes Signal kann dann zur Steuerung oder Regelung des Verdichtungsverhältnisses genutzt werden, um dieses variabel, kontinuierlich oder stufenweise einzustellen.
Dies ist anhand der Prinzipskizze in der 2 dargestellt. Ein in der 2 schematisch dargestellter Sensor 50 erfasst die Stellung des Steuerkolbens 36 bzw. einer Steuerstange dieses relativ zu einem Bezugspunkt und/oder den Hub des Steuerkolbens 36 bzw. ein die Stellung und/oder den Hub charakterisierendes Signal. Dieses Signal wird gemäß einem Richtungspfeil 52 an eine Positionsregelung 54 einer Regelungseinrichtung 56 übermittelt, wobei die Regelungseinrichtung 56 beispielsweise als Steuergerät der Hubkolbenmaschine ausgebildet ist. Die Regelungseinrichtung 56 umfasst weiterhin eine Verbrennungsregelung 58, mittels welcher die Verbrennungsvorgänge in den Zylindern der Hubkolbenmaschine gesteuert bzw. geregelt werden. Dazu berücksichtig die Verbrennungsregelung 58 unter anderem eine Rückmeldung 60 des eingestellten Ist-Verdichtungsverhältnisses, welches durch die Positionsregelung 54 anhand des vom Sensor 50 erfassten Signals und damit anhand der Stellung des Steuerkolbens 36 ermittelt wird. Zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses und zur Anpassung desselbigen an einen Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine übermittelt die Verbrennungsregelung 58 eine Vorgabe 62 eines Soll-Verdichtungsverhältnisses an die Positionsregelung 54, die das Soll-Verdichtungsverhältnis in eine einzustellende Stellung des Steuerkolbens 36 überführt. Dazu berücksichtigt die Positionsregelung 54 auch etwaige, anderweitige Systemgrößen 64 des Kurbelgetriebes 10 und der Hubkolbenmaschine.
Die ermittelte Stellung zur Einstellung des gewünschten Verdichtungsverhältnis bzw. ein die Stellung des Steuerkolbens 36 charakterisierendes Signal wird an eine Ansteuerung 65 für die Steuereinrichtung 38 übermittelt, welche entsprechende Steuersignale an einen Aktor 66 übermittelt, mittels welchem der Steuerkolben 36 bewegt und damit das Verdichtungsverhältnis eingestellt wird.
Bei einem Betrieb der Hubkolbenmaschine rotiert die Kurbelwelle 12. Daraus resultieren insbesondere auch Bewegungen des Querhebels 18 und insbesondere der mit dem Querhebel 18 gelenkig verbundenen Stelleinrichtung 38. Das Gehäuse 41 sowie der Steuerkolben 36 schwenken bzw. schwingen bei dem Betrieb der Hubkolbenmaschine um die Schwenkachse 42 gemäß einem Richtungspfeil 68 zwischen mehreren Drehstellungen. Zur Erfassung dieser Drehstellungen umfasst der Sensor eine Geberplatte 70, an welcher eine Mäanderstruktur 72 angeordnet ist. Die Geberplatte 70 mit Mäanderstruktur 72 wirkt mit einem Erfassungsteil 74 des Sensors 50 zusammen, so dass zumindest mehrere Drehstellung insbesondere Endstellungen eines Schwenkbereichs des Steuerkolben 36 erfasst werden. In Abhängigkeit von den erfassten Drehstellungen kann das eingestellte Verdichtungsverhältnis als Ist-Verdichtungsverhältnis ermittelt und gegebenenfalls mit einem gewünschten einzustellenden Soll-Verdichtungsverhältnis verglichen werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, die erfasste Drehstellung in Bezug zu einer erfassten Drehstellung des Hubzapfens 16 und damit einer Drehstellung der Kurbelwelle 12, welche auch als Gradkurbelwinkel ([°KW]) bezeichnet wird, zu setzen, um so in Abhängigkeit von der erfassten Drehstellung des Steuerkolbens 36 das eingestellte Ist-Verdichterverhältnis aussagekräftig und eindeutig beispielsweise anhand hinterlegter Kennfelder, Tabellen, Kennwerte, die beispielsweise in einer Speichereinrichtung der Regelungseinrichtung 56 abgespeichert sind, zu identifizieren.
Die Geberplatte 70 mit der Mäanderstruktur 72 ist dabei fest an dem Steuerkolben 36 gehalten, wobei das Erfassungsteil 74 an einem die Stelleinrichtung 38 umgebenden Gehäuse der Hubkolbenmaschine befestigt ist, wobei es sich beispielsweise um ein Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine handelt. Ebenso möglich ist, das Erfassungsteil 74 fest an dem Steuerkolben 36 anzuordnen und die Geberplatte 70 mit der Mäanderstruktur 72 fest an dem Gehäuse zu befestigen. Dabei wird beispielsweise eine Bewegung in Form des Schwingens bzw. Schwenkens des Steuerkolbens 36 kontinuierlich erfasst. Ebenso möglich ist, dass maximale Auslenkungen, also beidseitige Endanschläge eines Schwenkbereichs, in welchem der Steuerkolben 36 hin- und herschwenkt bzw. schwingt, erfasst werden, wobei diese Endstellungen charakteristisch für ein einziges eingestelltes Verdichtungsverhältnis sein können. Mit anderen Worten kann den erfassten, maximalen Endstellung des Steuerkolbens 36 ein zugehöriges Verdichtungsverhältnis eindeutig zugeordnet werden, wodurch in Abhängigkeit von den erfassten Drehstellungen das eingestellte Ist-Verdichtungsverhältnis präzise ermittelt werden kann.
Die 4 zeigt eine weitere Möglichkeit, zumindest eine Drehstellung des Steuerkolbens 36 zu erfassen. Dazu umfasst der Sensor 50 einen Drehwinkelsensor 76, welcher konzentrisch zur Schwenkachse 42 des Gehäuses 41 und des Steuerkolbens 36 angeordnet ist. Der Drehwinkelsensor 76 und die Stelleinrichtung 38 weisen dadurch einen nur sehr geringen Bauraumbedarf auf und ermöglichen gleichzeitig die sehr präzise Erfassung der Drehstellung des Steuerkolbens 36 und infolgedessen die präzise Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses, woraus eine bedarfsgerechte und präzise Einstellung eines gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnisses resultiert. Auch mittels des Drehwinkelsensors 76 kann die Bewegung des Steuerkolbens 36 kontinuierlich erfasst werden. Ebenso möglich ist, dass maximale Auslenkungen des Steuerkolbens 36, d. h. beidseitig Endstellung des Schwenkbereichs des Steuerkolbens, 36 erfasst und diesen Endstellungen des Verdichtungsverhältnisses zugeordnet werden können.
Die Drehstellung bzw. die Drehstellungen beim Schwenken des Steuerkolbens 36 um die Schwenkachse 42 gemäß dem Richtungspfeil 68 ist bei der Stelleinrichtung 36 gemäß 5 mittels einer optischen oder kapazitiven Erfassungseinrichtung möglich, indem zumindest ein Abstand des Steuerkolbens 36 bei dessen Schwenken relativ zu einem Erfassungsteil 74' des Sensors 50 von dem Erfassungsteil 74', erfasst wird. Ein solcher Abstand ist in der 5 schematisch durch einen Richtungspfeil 78 angedeutet. Auch die optische oder kapazitive Erfassung des Abstands des Steuerkolbens 36 zu dem Erfassungsteil 74', wobei das Erfassungsteil 74' einen relativ zu dem Steuerkolben 36 bewegbaren Bezugspunkt darstellt und beispielsweise an einem die Stelleinrichtung 38 umgebenden Gehäuse fest angeordnet ist, ermöglicht die präzise Erfassung zumindest einer Drehstellung insbesondere der Drehstellungen, des Steuerkolbens 36 und damit die präzise Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses. Die erfasste Drehstellung bzw. die erfassten Drehstellungen bzw. die diese Drehstellungen charakterisierenden Signale können genutzt werden, um gegebenenfalls Nachsteuerungen bzw. Nachregelungen durchzuführen und eine Abweichung des Ist-Verdichtungsverhältnisses von einem gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnis zu kompensieren und/oder aber ein gewünschtes Soll-Verdichtungsverhältnis einzustellen um dadurch beispielsweise auf sich ändernde Betriebspunkte der Hubkolbenmaschine zu reagieren und diese an den Betriebspunkt anzupassen und einen effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine zu realisieren.
Auch mittels des Sensors 50 bzw. des Erfassungsteils 74' gemäß 5 ist die Bewegung beim Schwenken des Steuerkolbens 36 kontinuierlich erfassbar. Alternativ oder zusätzlich können maximale Auslenkungen in Form der Endstellungen des Schwenkbereichs des Steuerkolbens 36 ermittelt werden, welche zu einem bestimmten Verdichtungsverhältnis korrespondieren, wodurch durch Zuordnung des Verdichtungsverhältnisses zu den erfassten Endstellungen das eingestellte Ist-Verdichtungsverhältnis ermittelt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Kurbeltrieb
12: Kurbelwelle
14: Kurbelwange
16: Hubzapfen
18: Querhebel
20: Hebelelement
22: Hebelelement
24: Lagerstelle
25: Drehachse
26: Pleuel
28: Drehachse
30: Kolben
32: Lagerstelle
34: Lagerstelle
36: Steuerkolben
38: Stelleinrichtung
40: Drehachse
41: Gehäuse
42: Schwenkachse
43: Richtungspfeil
44: Richtungspfeil
46: Richtungspfeil
48: Richtungspfeil
50: Sensor
52: Richtungspfeil
54: Positionsregelung
56: Regelungseinrichtung
58: Verbrennungsregelung
60: Rückmeldung
62: Vorgabe
64: Systemgrößen
65: Ansteuerung
66: Aktor
68: Richtungspfeil
70: Geberplatte
72: Mäanderstruktur
74, 74': Erfassungsteil
76: Drehwinkelsensor
78: Richtungspfeil
h₁: Hebel
h₂: Hebel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 1901263 [0002]
EP 1143127 B1 [0003]
US 6857401 B1 [0004]

Claims

Stelleinrichtung (38) für eine Hubkolbenmaschine, mit wenigstens einem um eine Schwenkachse (42) zwischen zumindest zwei Drehstellungen schwenkbar an einer korrespondierenden Lagerstelle gehaltenen Stellteil (36), insbesondere einem Steuerkolben (36), mittels welchem ein Verdichtungsverhältnis wenigstens eines zu der Stelleinrichtung (38) korrespondierenden Zylinders der Hubkolbenmaschine variabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38) zumindest eine Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher zumindest eine der Drehstellungen des Stellteils (36) erfassbar ist.
Stelleinrichtung (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinrichtung (50) eine Bewegung des Stellteils (36) zwischen den Stellungen kontinuierlich erfassbar ist.
Stelleinrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinrichtung (50) zumindest eine als eine Endstellung eines Schwenkbereichs des Stellteils (36) ausgebildete Stellung der beiden Stellungen erfassbar ist.
Stelleinrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) zumindest einen Hall-Sensor aufweist, welcher ein Geberteil (70), insbesondere einen Magneten, und ein korrespondierendes Erfassungsteil (74, 74'), insbesondere eine Erfassungsplatte, umfasst.
Stelleinrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) wenigstens einen zumindest im Wesentlichen konzentrisch zur Schwenkachse (42) angeordneten Drehwinkelsensor (76) umfasst.
Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit zumindest einem Zylinder, in welchem ein Kolben (30) translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, und mit wenigstens einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung (38), welche wenigstens ein um eine Schwenkachse (42) zwischen zumindest zwei Drehstellungen schwenkbar an einer korrespondierenden Lagerstelle gehaltenes Stellteil (36), insbesondere einen Steuerkolben (36), umfasst, mittels welchem ein Verdichtungsverhältnis des Zylinders variabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38) zumindest eine Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher zumindest eine der Drehstellung des Stellteils (36) erfassbar ist.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) wenigstens ein Geberteil (70), insbesondere einen Magneten, und ein korrespondierendes Erfassungsteil (74, 74'), insbesondere eine Erfassungsplatte, umfasst, wobei das Geberteil (70) an dem Stellteil (36) und das Erfassungsteil (74, 74') an einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine, zu welchem das Stellteil (36) relativ um die Schwenkachse (42) schwenkbar ist, angeordnet sind, oder wobei das Geberteil (70) an einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine, zu welchem das Stellteil (36) relativ um die Schwenkachse (42) schwenkbar ist, und das Erfassungsteil (74, 74') an dem Stellteil (36) angeordnet sind.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) zumindest einen Hall-Sensor umfasst, dem das Geberteil (70) und das Erfassungsteil (74, 74') zugeordnet sind.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) als optische und/oder als elektronische, insbesondere kapazitive, Erfassungseinrichtung ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem zumindest ein Verdichtungsverhältnis eines Zylinders der Hubkolbenmaschine mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung (38) variabel eingestellt wird, wobei ein an um eine Schwenkachse (42) zwischen zumindest zwei Drehstellungen schwenkbar an einer Lagerstelle gehaltenes Stellteil (36), insbesondere ein Steuerkolben (36), betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das eingestellte Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von zumindest einer mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung (50) erfassten Drehstellung der Drehstellungen des Stellteils (36) ermittelt wird.