DE102010032434A1

DE102010032434A1 - Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010032434A1
Application number: DE201010032434
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
Also published as: WO2012013261A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem ein Verdichtungsverhältnis zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung (38) eingestellt wird, wobei zumindest ein Bauteil (36) der Stelleinrichtung (38) mittels einer Überprüfungseinrichtung der Hubkolbenmaschine auf eine vorgegebene Funktionsfähigkeit des Bauteils (36) der Stelleinrichtung (38) überprüft wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die DE 199 55 50 A1 offenbart ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Vorrichtung zur variablen Einstellung der Zylinderverdichtung bei einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, wobei jeweils vor und nach einer Ansteuerung der Vorrichtung zur Veränderung der Zylinderverdichtung ein Motorbetriebsparameter, der auf eine Veränderung der Zylinderverdichtung reagiert, ermittelt wird und dass beide Werte des Motorbetriebsparameters miteinander verglichen werden, um festzustellen, ob eine Veränderung des Motorbetriebsparameters eingetreten ist. Dabei stellt eine Veränderung des Motorbetriebsparameters ein Indiz für eine korrekte Funktion der Vorrichtung zur variablen Einstellung der Zylinderverdichtung dar.
Aus der WO 01/34948 A1 ist ein Verfahren zum Steuern der Zylinderverdichtung während der Startphase einer Brennkraftmaschine bekannt, welche mit einer Einrichtung zur Änderung der Verdichtungsdruckes ausgestattet ist. Vor dem Einschalten eines Starters der Brennkraftmaschine werden ein oder mehrere Kriterien für ein erschwertes Starten der Maschine geprüft, wobei, wenn mindestens eine Kriterium für ein erschwertes Starten erfüllt ist, die Zylinderverdichtung in zumindest einem Zylinders solange auf einem vorgegebenen Minimum reduziert wird, bis die Motordrehzahl bis zu einer definierten Schwelle hochgefahren worden ist, und wobei dann die Zylinderverdichtung erhöht wird.
Aus der EP 1 431 559 A2 ist eine Lufteinlasssteuerungseinrichtung für einen Motor mit einem Mechanismus zur variablen Einstellung einer Menge an Einlassluft bekannt, welche eine Menge an frischer Luft steuert, welche in den Motor einströmt. Ferner ist ein Mechanismus zur variablen Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses vorgesehen, welcher ein Verdichtungsverhältnis des Motors variabel steuert. Ferner sind Sensoren vorgesehen, welche einen Betriebspunkt des Motors sowie das Verdichtungsverhältnis erfassen. Eine Steuerungseinrichtung, welche elektronisch mit den Sensoren, dem Mechanismus zur variablen Steuerung der Menge an Einlassluft und dem Mechanismus zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses verbunden ist, steuert den Mechanismus zur variablen Einstellung der Menge an Einlassluft in Abhängigkeit von dem Verdichtungsverhältnis sowie dem Betriebszustand des Motors.
Aus der DE 38 25 369 C1 ist eine Einrichtung zum Steuern des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine als bekannt zu entnehmen, welche einen Mechanismus zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine umfasst, wobei das Verdichtungsverhältnis mindestens zwischen einer ersten höheren und einer zweiten niedrigeren Stufe, entsprechend den Maschinenbetriebszuständen, einstellbar ist. Die Einrichtung umfasst ferner eine Verdichtungsverhältnismesseinrichtung zum Bestimmen des aktuellen Verdichtungsverhältnisses, sowie eine Sensorfehlererkennungseinrichtung zum Feststellen einer Fehlfunktion der Verdichtungsverhältnismesseinrichtung. Darüber hinaus ist eine Schutzeinrichtung zum Ändern und Festhalten des Verdichtungsverhältnisses auf der niedrigen Stufe vorgesehen, wenn die Sensorfehlererkennungseinrichtung eine Fehlfunktion des Verdichtungsverhältnisses feststellt.
Die DE 10 2004 031 288 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Kennfeld gesteuerten, variablen Verdichtungsverhältnis mit zumindest einer Lasterkennung, einer Lastanforderungserkennung mit einem Stellglied zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses und mit einer Motorsteuerung, die in Verbindung mit einem Zweitsignalgenerator, insbesondere einem Zweitaktgenerator steht, wobei die Motorsteuerung für die Ermittlung des festzustellenden variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Bereich der Brennkraftmaschine Signalleitungen aufweist zur Erfassung von zumindest einem Teil der Brennkraftmaschine und mit einem in die Motorsteuerung integrierten Vergleicher, der aus den über die Signalleitungen übertragenen Signalen betreffend zumindest die Last im Abgleich mit zumindest Werten aus einem vorgebbaren Kennfeld ein optimiertes Verdichtungsverhältnis ermittelt.
Die bekannten Hubkolbenmaschinen sowie Stelleinrichtungen weisen weiteres Potential auf, ihre Funktionserfüllung zu verbessern.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welches eine verbesserte Funktionserfüllung 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.
Bei einem solchen Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, wird ein Verdichtungsverhältnis zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar geführt und aufgenommen ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung eingestellt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest ein Bauteil der Stelleinrichtung mittels einer Überprüfungseinrichtung der Hubkolbenmaschine auf eine vorgegebenen Funktionsfähigkeit des Bauteils der Stelleinrichtung überprüft wird. Durch die Überprüfung des Bauteils auf dessen Funktionsfähigkeit kann die Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung insgesamt direkt überprüft und insbesondere eine Abweichung von einer gewünschten Soll-Funktionsfähigkeit ermittelt werden. In der Folge können dann entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden, um eine unerwünschte Fehlfunktion zu korrigieren oder zu kompensieren, woraus eine sehr gute Funktionserfüllung und insbesondere Funktionserfüllungssicherheit der Stelleinrichtung resultiert. Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein die Hubkolbenmaschine oder die Stelleinrichtung schädigender Betrieb oder ein Betrieb der Hubkolbenmaschine mit unerwünscht hohen Emissionen und einem unerwünscht hohen Energieverbrauch, insbesondere Kraftstoffverbrauch, infolge der Fehlfunktion der Stelleinrichtung vermieden wird.
Die direkte Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Bauteils und damit die direkte Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung ermöglicht auch eine besonders schnelle und zeitnahe Erfassung einer etwaig auftretenden Fehlfunktion, woraus die Möglichkeit resultiert, schnell auf diese Fehlfunktion mit entsprechenden Gegenmaßnahmen reagieren zu können. Dies kommt der Funktionserfüllung der Stelleinrichtung sowie der gesamten Hubkolbenmaschine um ein Weiteres zugute.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird mittels der Überprüfungseinrichtung eine eingestellte und mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung erfasste Ist-Stellung des Bauteils mit einer einzustellenden Soll-Stellung des Bauteils verglichen. Zur Einstellung eines gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnisses wird die Stelleinrichtung bzw. das Bauteil beispielsweise in Form eines Steuerkolbens in dessen Stellung verstellt und beispielsweise relativ zu einer Führung der Stelleinrichtung, einem Gehäuse der Stelleinrichtung, einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Kurbelgehäuse oder dergleichen, bewegt. Um nun ein gewünschtes Soll-Verdichtungsverhältnis einzustellen, muss das Bauteil die Soll-Stellung zumindest im Wesentlichen einnehmen. Weicht die erfasste Ist-Stellung des Bauteils von der Soll-Stellung ab, wobei diese Soll-Stellung beispielsweise in einer Tabelle, in einem Kennfeld oder dergleichen in einer Regelungs- oder Steuerungseinrichtung der Hubkolbenmaschine hinterlegt ist, so deutet dies auch unmittelbar auf eine negativ beeinträchtigte Funktionsfähigkeit des Bauteils und damit der Stelleinrichtung hin. Sodann können geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um einen schädigenden und/oder einen unerwünschten Betriebszustand mit unerwünscht hohen Emissionen oder einem unerwünscht hohen Energieverbrauch der Hubkolbenmaschine zu vermeiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung der Stelleinrichtung wenigstens eine Stellung des Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt erfasst, so dass beispielsweise in Abhängigkeit von der erfassten Stellung das eingestellte Verdichtungsverhältnis ermittelt werden kann. Dabei wird die Erfassungseinrichtung der Stelleinrichtung mittels einer weiteren Überprüfungseinrichtung der Hubkolbenmaschine auf eine vorgegebenen Funktionsfähigkeit der Erfassungseinrichtung überprüft. Mit anderen Worten kann im Rahmen der Erfindung somit sowohl eine Überprüfung eines Aktors der Stelleinrichtung als auch zusätzlich eine Überprüfung eines Sensors der Stelleinrichtung zur Erfassung der Stellung des Bauteils auf die Funktionsfähigkeit überprüft werden. Wird die Erfassungseinrichtung überprüft, so stellt dies eine Plausibilisierung von der Erfassungseinrichtung erzeugten und übermittelten Signalen dar, die anhand der Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Erfassungseinrichtung auf ihre Aussagekraft hin überprüft werden können. Ermittelt die Erfassungseinrichtung beispielsweise ein Signal, welches die Stellung des Bauteils charakterisiert, ergibt jedoch die Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Erfassungseinrichtung, dass die Erfassungseinrichtung selbst eine Fehlfunktion aufweist, so ist davon auszugehen, dass das die Stellung des Bauteils charakterisierende Signal nicht korrekt ist. Dies ermöglicht die Darstellung einer besonders hohen Funktionserfüllung der Stelleinrichtung sowie der Hubkolbenmaschine, da dann trotz des Vorliegens eines erfassten bzw. erzeugten Signals der Erfassungseinrichtung eine Fehlfunktion der Erfassungseinrichtung und damit der Stelleinrichtung identifiziert und entsprechende geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Dadurch ist mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit eine gegebenenfalls weitere Bewegung der Stelleinrichtung oder der Hubkolbenmaschine sowie ein unerwünschter Betriebszustand mit unerwünscht hohen Emissionen und einem unerwünscht hohen Energieverbrauch vermeidbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden das Bauteil und/oder die Erfassungseinrichtung auf einen Kurzschluss überprüft. Dabei kann es sich bei dem Bauteil um ein Übertragungsglied zur Übertragung für Energie, insbesondere Strom, mit welcher die Stelleinrichtung zu versorgen ist, handeln. Dadurch ist eine direkte und äußerst zeitnahe Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung ermöglicht.
Vorteilhafterweise werden das Bauteil- und/oder Erfassungseinrichtung auf einen Kurzschluss der Masse überprüft. Dies ermöglicht es zu erkennen, ob die Stelleinrichtung bzw. die Erfassungseinrichtung in gewünschter Weise mit Energie, insbesondere Strom versorgt werden kann oder ob eine solche, gewünschte Stromversorgung durch den Kurzschluss nach Masse unterbrochen ist. Liegt ein zu einem gewünschten Zustand des Bauteils und/oder der Erfassungseinrichtung gegenteiliger oder anderweitiger Zustand vor, so können dann entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden und die Energieversorgung bzw. ein Versuch zur Energieversorgung des Bauteils beendet werden.
Analog dazu ist es von Vorteil, wenn das Bauteil und/oder die Erfassungseinrichtung auf einen Kurzschluss nach einer Energieversorgungseinrichtung, insbesondere nach Batterie, für die Stelleinrichtung bzw. die Erfassungseinrichtung überprüft werden. Liegt ein solcher Kurzschluss nach der Energieversorgungseinrichtung vor, so wird das Bauteil bzw. die Erfassungseinrichtung unerwünschterweise mit Energie, insbesondere Strom, versorgt. Dies kann dazu führen, dass sich das Bauteil in eine unerwünschte Stellung bewegt und somit ein unerwünschtes Verdichtungsverhältnis eingestellt wird. Um dies zu vermeiden, können entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet und gegebenenfalls zur Schädigung der Hubkolbenmaschine vermieden werden, was der Funktionserfüllung der Hubkolbenmaschine zugute kommt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden das Bauteil und/oder die Erfassungseinrichtung auch abhängig von wenigstens einem Betriebsparameter der Hubkolbenmaschine überprüft. Dadurch ist eine Lernfunktion und damit eine weitere Ebene zur Verbesserung der Funktionserfüllung der Stelleinrichtung bzw. Hubkolbenmaschine realisiert, da ein weiterer Freiheitsgrad geschaffen ist, das Bauteile und die Erfassungseinrichtung auf ihre Funktionsfähigkeit hin zu überprüfen, und zwar unabhängig voneinander, woran sich eine aneinander abhängige, gegenseitige Funktionsüberprüfung des Bauteils und der Erfassungseinrichtung anschließen kann.
Eine solche Lernfunktion kann beispielsweise derart realisiert sein, dass ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis als Soll-Verdichtungsverhältnis eingestellt wird. Wie bereits geschildert, ist es dazu nötig, dass sich das Bauteil der Stelleinrichtung in die Soll-Stellung bewegt. Weiterhin sind beispielsweise in einer Speichereinrichtung einer Regelungseinrichtung oder einer Steuerungseinrichtung zur Regelung oder Steuerung der Stelleinrichtung Kennwerte hinterlegt, die den Betrieb der Hubkolbenmaschine bei diesem eingestellten Soll-Verdichtungsverhältnis charakterisieren. Diese Kennwerte werden bei dem eingestellten Soll-Verdichtungsverhältnis mit erfassten Kennwerten verglichen. Stimmen die hinterlegten Kennwerte mit den erfassten Kennwerten zumindest im Wesentlichen überein, so lässt dies den Rückschluss zu, dass das gewünschte Soll-Verdichtungsverhältnis auch tatsächlich eingestellt ist und einem in Abhängigkeit von der Stellung des Bauteils eingestellten Ist-Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen entspricht. Weiterhin lässt dies den Rückschluss zu, dass das Bauteil und damit die Stelleinrichtung eine gewünschte Funktionsfähigkeit aufweisen, da sich die gewünschten Kennwerte durch Einstellen des Verdichtungsverhältnisses eingestellt haben.
Darüber hinaus können Kennwerte in der Regelungseinrichtung bezüglich der Steuerungseinrichtung hinterlegt sein, welche die Stellung des Bauteils bei diesen eingestellten Soll-Verdichtungsverhältnis charakterisieren. Wird nun mittels der Erfassungseinrichtung die Stellung des Bauteils bei dem eingestellten Soll-Verdichtungsverhältnis, welches dem Ist-Verdichtungsverhältnis entspricht, erfasst bzw. werden durch die Erfassungseinrichtung die Stellung charakterisierende Kennwerte erzeugt und ermittelt, so können die erfassten Kennwert mit den hinterlegten Kennwerten verglichen werden. Da bereits überprüft und plausiblilisiert wurde, dass das Bauteil die gewünschte Stellung einnimmt, kann anhand dieses Vergleichs überprüft werden, ob die Erfassungseinrichtung eine gewünschte Funktionsfähigkeit aufweist, denn so müsste die Erfassungseinrichtung Kennwerte erfassen bzw. erzeugen, die mit den hinterlegten Kennwerten zumindest im Wesentlichen übereinstimmen. Weichen die erfassten Kennwerte von den hinterlegten Kennwerten ab, so legt dies den Rückschluss nahe, dass eine Fehlfunktion der Erfassungseinrichtung vorliegt, da sich das Bauteil nachgewiesenermaßen in der korrekten und gewünschten Stellung befindet. Eine dazu umgekehrte Funktion oder Überprüfung ist ebenso möglich, wobei zunächst die Erfassungseinrichtung unabhängig von der Stelleinrichtung bzw. dem Bauteil auf deren Funktionsfähigkeit überprüft wird und anschließend ein Abgleich mit dem Bauteil und/oder mit dem zumindest einen Betriebsparameter der Hubkolbenmaschine erfolgt.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Bauteil auf jeweilige Endanschläge eines Bewegungsbereichs des Bauteils, in welchem das Bauteil zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses bewegbar ist, eingestellt wird, wobei diese Endanschläge bzw. die dann erreichte Stellung des Bauteils von der Erfassungseinrichtung erfasst werden.
Ist die Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung bzw. des Bauteils und der Erfassungseinrichtung plausibilisiert und sichergestellt, so kann vorteilhafterweise die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einer, mittels der Erfassungseinrichtung erfassten Stellung der Stelleinrichtung und/oder die Erfassungseinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einer eingestellten Stellung der Stelleinrichtung überprüft werden. Derart sind mehrere Ebenen geschaffen, die es ermöglichen, die Stelleinrichtung bzw. das Bauteil sowie die Erfassungseinrichtung direkt auf ihre Funktionsfähigkeit zu überprüfen und im Falle einer erfassten Fehlfunktion geeignete Maßnahmen, insbesondere Gegenmaßnahmen, einzuleiten, um zumindest eine grundlegende Funktionserfüllung der Stelleinrichtung und der Hubkolbenmaschine bereitzustellen.
Durch einen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführten Abgleich einer Soll-Stellung mit einer Ist-Stellteils des Stellteils, was auch als Lernen bezeichnet wird, wird die Genauigkeit der Soll-Stellung zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses erhöht. Mit anderen Worten wird eine Regelungsfunktion oder eine Steuerungsfunktion zum Einstellen der Soll-Stellung des Stellteils und somit zum Einstellen des Soll-Verdichtungsverhältnisses genauer, so dass das Stellteil die Soll-Stellung höchst präzise einnimmt und damit das Soll-Verdichtungsverhältnis höchst präzise eingestellt ist.
Ferner ist es vorteilhaft, insbesondere die erfasste Stellung des Bauteils der Stelleinrichtung in Bezug zu einer Drehstellung einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine zu setzen, wobei die Drehstellung mittels einer weiteren Erfassungseinrichtung und vorteilhafterweise zum Zeitpunkt der Erfassung der Stellung des Bauteils erfasst wird. So ist es möglich, die erfasste Stellung des Bauteils eindeutig dem eingestellten Verdichtungsverhältnis des Zylinders zuzuordnen und etwaige Mehrdeutigkeiten zu vermeiden.
Bevorzugt umfasst die Hubkolbenmaschine eine Mehrzahl von Zylindern, in welchen jeweils ein translatorisch bewegbarer Kolben geführt aufgenommen ist. Dabei ist jedem der Zylinder zumindest eine Stelleinrichtung zugeordnet, so dass mittels der Stelleinrichtung die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder für sich zylinderindividuelle und unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dadurch ist es möglich, Verdichtungsverhältnisse der Zylinder einzustellen, wenn es sich voneinander jeweils unterscheidet. Mit anderen Worten kann dann die Hubkolbenmaschine mit unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden. Selbstverständlich ist es ohne Weiteres ebenso möglich, mittels den jeweiligen Stelleinrichtungen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder einzustellen, welche zumindest nahezu gleich sind. Dadurch ist eine sehr hohe Flexibilität geschaffen, die einzelnen Zylinder für sich individuell an einen vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine und gegebenenfalls in Abhängigkeit eines aktuellen Teils des Kolbens einzustellen, so dass jeder Zylinder für sich effizient betrieben werden kann. Daraus resultiert ein sehr effizienter, emissions- und energieverbrauchsarmer, insbesondere kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb der Hubkolbenmaschine.
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 die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein 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.
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 24 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. 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 24 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 dem 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 der Kurbelwelle 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 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 Verdichtungsverhältnis 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 in Abhängigkeit von den Hebeln h₁ und h₂, dem Pleuel 26 etc. auf das eingestellte Verdichtungsverhältnis rückzuschließen bzw. zu ermitteln. Ein die Stellung bzw. den Hub des Steuerkolbens 36 charakterisierendes Signal kann zum ermitteln und 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 relativ zu einem Bezugspunkt und/oder dem 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 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 Verdichtungsverhältnis bzw. ein die Stellung des Steuerkolbens 36 charakterisierendes Signal wird an eine Ansteuerung 64 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.
Zur Darstellung einer sehr guten Funktionserfüllung des Kurbeltriebs 10 und damit der Hubkolbenmaschine umfasst die Hubkolbenmaschine einer Überprüfungseinrichtung, mittels welcher ein Bauteil der Stelleinrichtung 38 und damit die Stelleinrichtung 38 selbst direkt auf eine vorgegebene Funktionsfähigkeit überprüft wird. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Leitung, ein Kabel oder dergleichen handeln, über welches die Stelleinrichtung 38 mit Energie, insbesondere Strom versorgt wird. Vorteilhafterweise wird überprüft, ob ein Kurzschluss nach Masse oder nach Batterie vorliegt, von welcher die Stelleinrichtung 38 mit Strom versorgt wird. Liegt ein Kurzschluss nach Batterie vor, kann es vorkommen, dass die Stelleinrichtung 38 mit Strom, also Energie versorgt wird, obwohl eine solche Stromversorgung nicht gewünscht ist und gegebenenfalls ein zu weites Bewegen des Steuerkolbens 36 bewirkt. Im Gegensatz dazu kann ein Kurzschluss nach Masse dazu führen, dass die Steuereinrichtung 38 nicht mit Strom versorgt werden kann, obwohl dies gewünscht ist. Dies führt dazu, dass der Steuerkolben 36 zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses nicht wie gewünscht bewegt werden kann. Sind solche Fehlfunktionen erfasst, können geeignete Maßnahmen eingeleitet werden, um eine Beschädigung der Stelleinrichtung 38 oder gar der gesamten Hubkolbenmaschine und/oder ein Betrieb der Hubkolbenmaschine mit unerwünscht hohen Emissionen und einem unerwünscht hohen Energieverbrauch zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

10: Kurbelbetrieb
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
h₁: Hebel
h₂: Hebel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1995550 A1 [0002]
WO 01/34948 A1 [0003]
EP 1431559 A2 [0004]
DE 3825369 C1 [0005]
DE 102004031288 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem ein Verdichtungsverhältnis zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung (38) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bauteil (36) der Stelleinrichtung (38) mittels einer Überprüfungseinrichtung der Hubkolbenmaschine auf eine vorgegebene Funktionsfähigkeit des Bauteils (36) der Stelleinrichtung (38) überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Überprüfungseinrichtung eine eingestellte und mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung (50) erfasste Ist-Stellung des Bauteils (36) mit einer einzustellenden Soll-Stellung des Bauteils (36) verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung (50) wenigstens eine Stellung des Bauteils (36) relativ zu einem Bezugspunkt erfasst wird, wobei die Erfassungseinrichtung (50) mittels einer weiteren Überprüfungseinrichtung der Hubkolbenmaschine auf eine vorgegebene Funktionsfähigkeit der Erfassungseinrichtung (50) überprüft wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (36) und/oder die Erfassungseinrichtung (50) auf einen Kurzschluss überprüft werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (36) und/oder die Erfassungseinrichtung (50) auf einen Kurzschluss nach Masse überprüft werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (36) und/oder die Erfassungseinrichtung (50) auf einen Kurzschluss nach einer Energieversorgungseinrichtung, insbesondere nach Batterie, für die Stelleinrichtung (38)/Erfassungseinrichtung (50) überprüft wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (36) und/oder die Erfassungseinrichtung (50) in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Hubkolbenmaschine überprüft werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (36) in Abhängigkeit von wenigstens einer, mittels der Erfassungseinrichtung (50) erfassten Stellung des Bauteils (36) überprüft wird und/oder die Erfassungseinrichtung (50) in Abhängigkeit von wenigstens einer eingestellten Stellung des Bauteils (36) überprüft wird.