DE102010032433A1

DE102010032433A1 - Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, sowie Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010032433A1
Application number: DE201010032433
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 Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16), an welchem ein Hebelelement (18) drehbar gelagert ist, mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30), welcher über ein Pleuel (26) gelenkig mit dem Hebelelement (18) verbunden ist, und mit zumindest einer Stelleinrichtung (38), mittels welcher zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders das Hebelelement (18) relativ zu dem Hubzapfen (16) drehbar ist, wobei die Hubkolbenmaschine wenigstens eine, zumindest teilweise relativ zu dem Querhebel (18) beweglich angeordnete Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher zumindest ein Abstand (76) eines Bezugspunktes des Querhebels (18) zur Erfassungseinrichtung (50) erfassbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 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 über einen Hebel miteinander verbunden sind. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine Stelleinrichtung, mittels welcher die Position des Hebels und dadurch die operative Länge der Kurbelstange einstellbar ist.
Aus der EP 1 143 127 B1 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, welcher zumindest einen Zylinder aufweist. In dem Zylinder kann sich ein Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verschieben. Der Verbrennungsmotor umfasst ferner 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 an dem Kolben und andererseits an einer Hauptpleuelstange angelenkt ist, welche sich an einer Kurbelwelle dreht. Die Hauptpleuelstange ist dabei auch an einem Schwingarm angelenkt, der einen Schwinghebel bildet, welcher mit einer Einrichtung zur Regelung der Position des Schwingarms verbunden ist. Die Einrichtung steuert die Positionen 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 Schwinghebel bildenden Schwingarm angeordnet ist, umfasst.
Des Weiteren ist aus der DE 40 28 594 A1 eine Einrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine als bekannt zu entnehmen, welche ein Stellglied für das Verdichtungsverhältnis umfasst. Dabei kann das Verdichtungsverhältnis indirekt über einen Wegaufnehmer an dem Stellglied bestimmt werden.
Die bekannten Hubkolbenmaschinen weisen weiteres Potential auf, zumindest ein Verdichtungsverhältnis eines Zylinders der Hubkolbenmaschine präziser und bedarfsgerechter einzustellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hubkolbenmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welche ein präziseres und bedarfsgerechteres Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, umfasst eine Kurbelwelle mit zumindest einem Hubzapfen, an welchem ein Hebelelement drehbar gelagert ist. Ferner umfasst die Hubkolbenmaschine wenigstens einen in einem korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben, welcher über ein Pleuel gelenkig mit dem Hebelelement verbunden ist, sowie zumindest eine Stelleinrichtung, mittels welcher zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders das Hebelelement relativ zu dem Hubzapfen drehbar ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Hubkolbenmaschine wenigstens eine, zumindest teilweise relativ zu dem Querhebel beweglich angeordnete Erfassungseinrichtung umfasst, mittels welcher zumindest ein Abstand eines Bezugspunktes des Querhebels zur Erfassungseinrichtung erfassbar ist. Mit anderen Worten ist mittels der Erfassungseinrichtung eine Auslenkung des Querhebels während des Betriebes der Hubkolbenmaschine, das heißt bei rotierender Kurbelwelle, erfassbar, wodurch in Abhängigkeit von dem erfassten Abstand bzw. der erfassten Auslenkung das eingestellte Verdichtungsverhältnis sehr präzise ermittelbar ist. Diese Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses als Ist-Verdichtungsverhältnis ermöglicht in der Folge einen Vergleich des eingestellten Verdichtungsverhältnisses mit einem beispielsweise in einer Tabelle mit einem Kennfeld oder dergleichen in eine Regelungseinrichtung, insbesondere einem Steuergerät der Hubkolbenmaschine hinterlegten, Soll-Verdichtungsverhältnis. Weicht das ermittelte Ist-Verdichtungsverhältnis von dem gewünscht einzustellenden Soll-Verdichtungsverhältnis beispielsweise infolge eines Verschleißes der Hubkolbenmaschine, der Stelleinrichtung oder dergleichen ab, so können Nachregelungen oder Nachsteuerungen durchgeführt werden, um das Ist-Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen an das Soll-Verdichtungsverhältnis anzupassen.
Auf diese Art und Weise ermöglicht die Erfassung des Abstands eine sehr präzise und bedarfsgerechte Einstellung des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders, wodurch die Hubkolbenmaschine sehr präzise und bedarfsgerecht an einen vorliegenden Betriebspunkt angepasst werden kann. Daraus resultiert die Möglichkeit der Darstellung eines sehr effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen, insbesondere kraftstoffverbrauchsarmen, Betriebs der Hubkolbenmaschine.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Hubkolbenmaschine als Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein kann, wobei während eines Betriebes der Hubkolbenmaschine Verbrennungsvorgänge in dem Zylinder ablaufen. Ebenso möglich ist, dass die Hubkolbenmaschine eine anderweitige Ausführungsform aufweist, beispielsweise als Hubkolbenverdichter zur Verdichtung von Luft ausgebildet ist. In jeglicher Hinsicht ist es durch die Erfassung des Abstands möglich, den Zylinder effizient und effektiv an den vorliegenden Betriebspunkt anzupassen und die Hubkolbenmaschine effizient betreiben zu können.
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 zumindest eine Stelleinrichtung zugeordnet, mittels welcher das jeweilige Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders für sich zylinderindividuell und unabhängig von den anderen Zylindern eingestellt werden kann. Dadurch ist es ermöglicht, dass die Zylinder der Hubkolbenmaschine voneinander unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse aufweisen können und somit die Hubkolbenmaschine mit unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden kann. Selbstverständlich ist es ohne weiteres möglich, auch die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder derart einzustellen, dass sich die Verdichtungsverhältnisse zumindest im Wesentlichen gleichen. Die zylinderindividuelle Einstellbarkeit der Verdichtungsverhältnisse der Zylinder schafft eine sehr große Flexibilität, die einzelnen Zylinder bzw. deren Verdichtungsverhältnisse an den vorliegenden Betriebspunkt und gegebenenfalls in Abhängigkeit von dem Takt des Kolbens anzupassen, so dass jeder Zylinder für sich sehr effizient betrieben werden kann. Daraus resultiert eine sehr hohe Effizienz und Anpassungsfähigkeit der Hubkolbenmaschine insgesamt. Die jeweiligen Stelleinrichtungen erlauben dabei die präzise Ermittlung des jeweiligen Verdichtungsverhältnisses infolge der Erfassung des Abstands des jeweiligen Querhebels zu dem Bezugspunkt, so dass jedes der Verdichtungsverhältnisse bedarfsgerecht und präzise eingestellt werden kann und gegebenenfalls vorliegende Abweichungen durch Nachregelungen bzw. Nachsteuerungen kompensiert werden können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Erfassungseinrichtung an einem relativ zu dem Querhebel beweglichen Bauteil, insbesondere einem Gehäuse, der Hubkolbenmaschine angeordnet. Dies ermöglicht die besonders präzise Erfassung des Abstands, woraus eine besonders bedarfsgerechte und präzise Einstellbarkeit des Verdichtungsverhältnisses resultiert. Bei dem Gehäuse handelt es sich beispielsweise um ein Kurbelgehäuse, um ein Zylinderkurbelgehäuse oder dergleichen der Hubkolbenmaschine, wobei das Gehäuse beispielsweise die Stelleinrichtung zumindest bereichsweise umgibt.
Vorteilhafterweise ist das Bauteil, an welchem die Erfassungseinrichtung zumindest teilweise angeordnet ist, relativ zu dem Zylinder unbeweglich. So kann der Abstand zu dem Referenzpunkt sehr präzise ermittelt werden bzw. ein den Abstand sehr präzise charakterisierendes Signal erzeugt werden. Dies kommt der bedarfsgerechten und präzisen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses und dem effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine zugute.
In einer weiteren Ausführungsform ist mittels der Erfassungseinrichtung eine Hüllkurve des Querhebels erfassbar. Während des Betriebs der Hubkolbenmaschine bewegt sich der Querhebel und beschreibt mit seiner Außenkontur eine den Bewegungsbereich des Querhebels einhüllende Hüllkurve, welche mittels der Erfassungseinrichtung erfasst wird.
Anhand dieser Hüllkurve kann das zugehörige und eingestellte Verdichtungsverhältnis exakt identifiziert und ermittelt werden, wobei dies in der Folge genutzt werden kann, um ein gewünschtes Soll-Verdichtungsverhältnis einzustellen und etwaige vorliegende Abweichungen auszugleichen.
Vorteilhafterweise wird der erfasste Abstand in Bezug zu einer Drehstellung des Hubzapfens und damit in Bezug zu einer Drehstellung der Kurbelwelle, welche auch als Gradkurbelwinkel ([°KW]) bezeichnet wird, gesetzt. Dies ermöglicht die eindeutige und aussagekräftige Identifizierung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses und vermeidet mögliche Mehrdeutigkeiten. Mit anderen Worten kann durch die Erfassung des Abstands und dem in Bezug setzen zu der beispielsweise zu dem Zeitpunkt der Erfassung des Abstands vorliegenden Drehstellung eindeutig und exakt auf das eingestellte Verdichtungsverhältnis rückgeschlossen und etwaig vorliegende Abweichungen von dem Soll-Verdichtungsverhältnis ermittelt werden.
Eine besonders präzise Erfassung des Abstands bzw. eine Erzeugung eines den Abstand besonders präzise charakterisierende Signals ist möglich, wenn die Erfassungseinrichtung vorteilhafterweise als Wirbelstromsensor ausgebildet ist.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle mit zumindest einem Hubzapfen, an welchem ein Hebelelement drehbar gelagert ist, und mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben, welcher über ein Pleuel gelenkig mit dem Hebelelement verbunden ist, wobei das Hebelelement zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders mittels einer Stelleinrichtung relativ zu dem Hubzapfen gedreht wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Abhängigkeit von zumindest einem Abstand eines Bezugspunkts des Querhebels zu einer zumindest teilweise relativ zu dem Querhebel beweglich angeordneten Erfassungseinrichtung ermittelt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt anzusehen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die sehr genaue Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses und infolge dessen die Erfassung einer gegebenenfalls vorliegenden Abweichung des als Ist-Verdichtungsverhältnis eingestellten Verdichtungsverhältnisses von einem gewünscht einzustellenden Soll-Verdichtungsverhältnis. Der erfasste Abstand bzw. ein den Abstand charakterisierendes Signal kann genutzt werden, um das Ist-Verdichtungsverhältnis an das Soll-Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen anzupassen und somit die Hubkolbenmaschine sehr präzise und bedarfsgerecht an einen vorliegenden Betriebspunkt anzupassen. Dies ermöglicht einen effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen, insbesondere kraftstoffverbrauchsarmen, Betrieb der Hubkolbenmaschine.
Besonders präzise kann das Verdichtungsverhältnis ermittelt werden, wenn das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit einer Hüllkurve des Querhebels ermittelt wird, wobei dadurch der Abstand des Querhebels zu dem Bezugspunkt insbesondere kontinuierlich und sehr genau erfasst wird.
Um etwaige Mehrdeutigkeiten und Fehlschlüsse zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer mittels einer weiteren Erfassungseinrichtung erfassten Drehstellung des Querhebels relativ zu dem Hubzapfen ermittelt wird, wobei dann bevorzugt die Hubkolbenmaschine wenigstens eine weitere Erfassungseinrichtung umfasst, mittels welcher eine Drehstellung des Querhebels relativ zu dem Hubzapfen erfassbar ist.
Für die präzise, eindeutig und aussagekräftige Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses ist es weiterhin von Vorteil, wenn der erfasste Abstand in Bezug zu einer erfassten Drehstellung des Hubzapfens und damit zu einer erfassten Drehstellung der Kurbelwelle, welche auch als Gradkurbelwelle bezeichnet wird, gesetzt wird. So kann das eingestellte Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit mit dem Abstand und dem erfassten Gradkurbelwinkel eindeutig und sehr präzise ermittelt werden. Mit anderen Worten ist genau ein Verdichtungsverhältnis dem erfassten Abstand und der gegebenenfalls zum Zeitpunkt der Erfassung des Abstands erfassten Drehstellung des Hubzapfens bzw. der Kurbelwelle zu geordnet. Diese Zuordnung ist beispielsweise in einer Tabelle, einem Kennfeld, Kennwerten oder dergleichen hinterlegt und einer Regelungseinrichtung bzw. Steuerungseinrichtung der Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Steuergerät, abgespeichert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie 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; und
3 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß den vorhergehenden Figuren mit der zugehörigen Prinzipskizze zur Erfassung eines Abstands eines Bezugspunkts eines Querhebels des Kurbeltriebs von einer Erfassungseinrichtung.
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 zu 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. Verbunden ist der Kolben 30 mit 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 in dem Zylinder 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 der Kurbelwelle 16 auf und ab, was auch zu einer Bewegung des Querhebels 18 führt. Auch die Stelleinrichtung 38 führt diese Bewegung mit aus, in dem 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 Steuerkolbens 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 andere der Zylinder eingestellt werden kann. Diese zylinderindividuelle Einstellung der entsprechenden Verdichtungsverhältnisse ermöglicht eine sehr präzise und äußerst bedarfsgerechte Anpassung der Hubkolbenmaschine an einem vorliegenden Betriebspunkt, 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 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 der Hebel h₁ und h₂, des Pleuels 26 etc. auf das eingestellte Verdichtungsverhältnis rückzuschließen. 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 der Steuerstange 36 relativ zu einem Bezugspunkt und/oder dem Hub der Steuerstange 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 einem vorliegenden 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 Verdichtungsverhältnisses 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.
Wie anhand der 3 zu erkennen ist, schwingen bzw. schwenken das Gehäuse 41 sowie der Steuerkolben 36 bei einer Rotation der Kurbelwelle 12 während eines Betriebs der Hubkolbenmaschine um die Schwenkachse 42 gemäß einem Richtungspfeil 68.
Auch der Querhebel 18 bewegt sich mit der Kurbelwelle 12 mit und beschreibt mit seiner Außenkontur 70 eine Hüllkurve 72. Mit anderen Worten umhüllt die Hüllkurve 72 einen Bewegungsbereich des Querhebels 18, in welchem sich der Querhebel 18 bei einem eingestellten Verdichtungsverhältnis bei rotierender Kurbelwelle 12 bewegt.
Zur Erfassung der Hüllkurve 72 wird ein Abstand eines Bezugspunkts des Querhebels 18 zu einem Wirbelstromsensor 74 erfasst, wobei der Abstand mittels des Wirbelstromsensors 74 des Sensors 50 erfasst wird, welcher beispielsweise an einem die Stelleinrichtung umgebenden Gehäuse befestigt ist und einen weiteren Bezugspunkt darstellt. Auf diese Art und Weise wird eine Auslenkung des Querhebels bei einem eingestellten Verdichtungsverhältnis erfasst. Ein solcher, mittels des Wirbelstromsensors 74 erfasster Abstand des Querhebels 18 zu dem Wirbelstromsensor 74 als Bezugspunkt ist in der 3 durch einen Richtungspfeil 76 angedeutet.
Zusätzlich kann eine Erfassungseinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher eine Drehstellung des Hubzapfens 16 und damit der Kurbelwelle 12, wobei die Drehstellung auch als Gradkurbelwelle bezeichnet wird, erfasst wird, und wobei die erfasste Drehstellung des Hubzapfens 16 mit dem erfassten Abstand in Bezug gesetzt wird. Durch diese beiden erfassten Werte ist eine eindeutige und aussagekräftige Identifizierung des als Ist-Verdichtungsverhältnis eingestellten Verdichtungsverhältnisses ermöglicht und etwaige Mehrdeutigkeiten sind vermieden. In Abhängigkeit von diesen Signalen kann auch der Hub des Kolbens 30, welcher der Kolben 30 in dem Zylinder zurücklegt, kontinuierlich erfasst werden, was beispielsweise in Abhängigkeit von Winkelzusammenhängen des Querhebels 18, des Pleuels 26 oder dergleichen geschieht. Ebenso möglich ist, mittels des Wirbelstromsensors 74 zumindest eine maximale Auslenkung des Querhebels 18 zu erfassen, die somit eine maximale Endstellung in dem durch die Hüllkurve 72 beschriebenen Bewegungsbereich des Querhebels 18 charakterisiert. Dieser maximalen Aussenkung sowie gegebenenfalls der zugehörigen und zum Zeitpunkt der Erfassung der maximalen Auslenkung erfassten Drehstellung kann dann das aktuell eingestellte Verdichtungsverhältnis eindeutig zugeordnet werden. Das so sehr genau ermittelte, eingestellte Verdichtungsverhältnis kann als Ist-Verdichtungsverhältnis mit einem beispielsweise in der Regelungseinrichtung 56 hinterlegten Soll-Verdichtungsverhältnis verglichen werden, wobei anhand dieses Vergleichs eine etwaige Abweichung des Ist-Verdichtungsverhältnis von dem Soll-Verdichtungsverhältnis identifiziert werden und gegebenenfalls durch Nachregelungen bzw. Nachsteuerungen kompensiert werden kann.
Der Kurbeltrieb 10 mit der Stelleinrichtung 38 ermöglicht somit eine freie, zylinderindividuelle, kontinuierlich oder stufenweise geschaltete, geregelte oder gesteuerte sowie bedarfsgerechte sehr präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders und damit einen effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine.
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: Außenkontur
72: Hüllkurve
74: Wirbelstromsensor
76: Richtungspfeil
h₁: Hebel
h₂: Hebel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 1901263 [0002]
EP 1143127 B1 [0003]
DE 4028594 A1 [0004]

Claims

Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16), an welchem ein Hebelelement (18) drehbar gelagert ist, mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30), welcher über ein Pleuel (26) gelenkig mit dem Hebelelement (18) verbunden ist, und mit zumindest einer Stelleinrichtung (38), mittels welcher zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders das Hebelelement (18) relativ zu dem Hubzapfen (16) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenmaschine wenigstens eine, zumindest teilweise relativ zu dem Querhebel (18) beweglich angeordnete Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher zumindest ein Abstand (76) eines Bezugspunktes des Querhebels (18) zur Erfassungseinrichtung (50) erfassbar ist.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) an einem relativ zum Querhebel (18) beweglichen Bauteil, insbesondere einem Gehäuse, der Hubkolbenmaschine angeordnet ist.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil relativ zu dem Zylinder unbeweglich ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinrichtung (50) eine Hüllkurve (72) des Querhebels (18) erfassbar ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) als Wirbelstromsensor (74) ausgebildet ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenmaschine wenigstens eine weitere Erfassungseinrichtung umfasst, mittels welcher eine Drehstellung des Querhebels (18) relativ zu dem Hubzapfen (16) erfassbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16), an welchem ein Hebelelement (18) drehbar gelagert ist, und mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30), welcher über ein Pleuel (26) gelenkig mit dem Hebelelement (18) verbunden ist, bei welchem das Hebelelement (18) zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders mittels einer Stelleinrichtung (38) relativ zu dem Hubzapfen (16) gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Abhängigkeit von zumindest einem Abstand (76) eines Bezugspunktes des Querhebels (18) zu einer relativ zu dem Querhebel (18) beweglich angeordneten Erfassungseinrichtung (50) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit einer Hüllkurve (72) des Querhebels (18) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer mittels einer weiteren Erfassungseinrichtung erfassten Drehstellung des Querhebels (18) relativ zu dem Hubzapfen (16) ermittelt wird.