DE102010032435A1

DE102010032435A1 - Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010032435A1
Application number: DE201010032435
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 ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem ein Verdichtungsverhältnis zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine, in welchem ein Kolben (30) translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung (38) eingestellt wird, wobei die Stelleinrichtung (38) mittels eines zumindest eine physikalische Eigenschaft der Hubkolbenmaschine nachbildenden Modells geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 sowie der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
Die DE 199 55 250 A1 offenbart ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Vorrichtung zur variablen Einstellung der Zylinderverdichtung bei einer Hubkolben-Brennkraftmaschine. Vor und nach einer Ansteuerung der Vorrichtung zur Veränderung der Zylinderverdichtung wird ein Motorbetriebsparameter, der auf eine Veränderung der Zylinderverdichtung reagiert, ermittelt, wobei beide Werte des Motorbetriebsparameters miteinander verglichen werden, um festzustellen, ob eine Veränderung des Motorbetriebsparameters eingetreten ist. Eine Veränderung des Motorbetriebsparameters stellt 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 als bekannt zu entnehmen, welche mit einer Einrichtung zur Änderung des Verdichtungsdruckes ausgestattet ist. Vor dem Einschalten eines Starters der Brennkraftmaschine werden ein oder mehrere Kriterien für ein erschwertes Starten der Maschine überprüft, wobei, wenn mindestens ein Kriterium für ein erschwertes Starten erfüllt ist, die Zylinderverdichtung in mindestens einem Zylinder so lange auf einem vorgegebenen Minimalwert reduziert wird, bis die Motordrehzahl bis zu einer definierten Schwelle hochgefahren worden ist, und wobei dann die Zylinderverdichtung erhöht wird.
Die EP 1 431 559 A2 zeigt eine Lufteinlasssteuerungseinrichtung für einen Motor mit einem Mechanismus zur variablen Einstellung einer Menge an Einlassluft, welcher eine Menge an Frischluft variabel steuert, die in den Motor strömt, und mit einem Mechanismus zur variablen Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses, mittels welchem ein Verdichtungsverhältnis des Motors variabel steuerbar ist. Sensoren erfassen Betriebszustände des Motors sowie das Verdichtungsverhältnis. Zudem ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die dazu ausgelegt ist, mit den Sensoren, dem Mechanismus zur variablen Steuerung der Menge an Einlassluft und mit dem Mechanismus zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses verbunden zu sein, um den Mechanismus zur variablen Einstellung der Menge an Einlassluft in Abhängigkeit von dem Verdichtungsverhältnis und den Betriebszuständen des Motors zu steuern.
Die DE 38 25 369 C1 offenbart eine Einrichtung zum Steuern des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine, mit einem Mechanismus zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine, mindesten zwischen einer ersten höheren und einer zweiten niedrigeren Stufe, entsprechenden Maschinenbetriebszuständen. Des Weiteren ist eine Verdichtungsverhältnismesseinrichtung zum Bestimmen des aktuellen Verdichtungsverhältnisses vorgesehen. Die Einrichtung enthält eine Sensorfehlererkenneinrichtung zum Feststellen einer Fehlfunktion der Verdichtungsverhältnismesseinrichtung sowie eine Schutzeinrichtung zum Ändern und Festhalten des Verdichtungsverhältnisses auf der niedrigeren Stufe, wenn die Sensorfehlererkenneinrichtung eine Fehlfunktion der Verdichtungsverhältnismesseinrichtung feststellt.
Der DE 10 2004 031 288 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Kennfeld gesteuerten, variablen Verdichtungsverhältnis als bekannt zu entnehmen, wobei die Brennkraftmaschine eine Lasterkennung, eine Lastanforderungserkennung sowie ein Stellglied zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses umfasst. Ferner ist eine Motorsteuerung vorgesehen, die in Verbindung mit einem Zeitsignalgenerator steht, wobei die Motorsteuerung für die Ermittlung des einzustellenden variablen Verdichtungsverhältnisses in einem Bereich der Brennkraftmaschine Signalleitungen aufweist zur Erfassung von zumindest einem Teil der Brennkraftmaschinenlast. Darüber hinaus umfasst die Brennkraftmaschine einen in die Motorsteuerung integrierten Vergleicher, der aus den über den Signalleitungen übertragenen Signalen betreffend zumindest die Last im Abgleich mit zumindest Werten aus einem vorgebbaren Kennfeld ein optimiertes Verdichtungsverhältnis ermittelt.
Die DE 38 33 323 C2 offenbart eine Brennkraftmaschine mit veränderlichem Kompressionsverhältnis mit einer Brennkammer, einem mit der Brennkammer über ein Einlassventil kommunizierenden Luftansaugrohr einer Nebenbrennkammer, die mit der Brennkammer kommuniziert, einem gleitend in der Nebenkammer angeordneten Einstellkolben, der zu einer Variierung des Gesamtvolumens der Brennkammer und der Nebenkammer betätigbar ist, einer durch ein Aktivierungssignal betreibbaren Betätigungsvorrichtung zum Aktivieren des Einstellkolbens und einer Klopfdetektorvorrichtung zum Erfassen eines Klopfens der Maschine und Bereitstellen eines entsprechenden Klopfsignals. Darüber hinaus umfasst die Brennkraftmaschine eine abhängig vom Betriebszustand der Maschine arbeitende Steuervorrichtung zum Abgeben des Aktivierungssignals. Es sind ein Drehzahlsensor zum Erzeugen eines Maschinendrehzahlsignals und eines Kurbelwinkelsignals sowie ein Drucksensor zum Erzeugen eines für die angesaugte Luftmenge repräsentativen Luftmengensignals vorgesehen. Ferner ist ein Zylinderdrucksensor zum Erzeugen eines Zylinderdrucksignals vorgesehen. Die Brennkraftmaschine umfasst zudem einen Grund-Kompressionsverhältnis-Rechenbaustein zum Berechnen eines Grundkompressionsverhältnisses ausgehend von dem Maschinendrehzahlsignal und dem Luftmengensignal durch Vergleich mit gespeicherten Referenzwerten und Bereitstellen eines entsprechenden Grundkompressionssignals.
Ferner ist ein Mitteldruck-Rechenbaustein zum Berechnen des wirksamen mittleren Innendrucks ausgehend vom Kurbelwinkelsignal und vom Zylinderinnendrucksignal zum Berechnen eines mittleren wirksamen Druckes in der Brennkammer und Bereitstellen eines entsprechenden Mitteldrucksignals vorgesehen. Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine eine Zündzeitvorgabevorrichtung welche ausgehend von dem Zylinderinnendrucksignal, dem Kurbelwinkelsignal, dem Klopfsignal und dem Mitteldrucksignal den Zündzeitpunkt unter Bezugnahme auf eine Referenz-Zündzeitpunkttabelle berechnet und korrigiert und ein Zündzeitpunktsignal bereitstellt.
Außerdem umfasst die Brennkraftmaschine eine Korrekturvorrichtung, welche ausgehend von dem Klopfsignal, dem Mitteldrucksignal und dem Zündzeitpunktsignal das Grund-Kompressionsverhältnis korrigiert und ein Rückführ-Korrektursignal für das Kompressionsverhältnis bereitstellt. Ferner ist ein Kompressionsverhältnis-Rechenbaustein vorgesehen, welcher ausgehend von dem Grundkompressionssignal und dem Rückführ-Korrektursignal das Grund-Kompressionsverhältnis korrigiert, um ein optimiertes Kompressionsverhältnis bei maximalem Drehmoment durch Betätigen des Einstellkolbens und gleichzeitiges Einstellen des Zündzeitpunkts auf einem optimierten, minimalen Voreilwinkel zu erzielen.
Die bekannten Hubkolbenmaschinen sowie die Verfahren zum Betreiben dieser weisen Potential auf, zumindest ein Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine präziser einzustellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welches ein präziseres Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieben 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 eingestellt wird. Es zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Stelleinrichtung mittels eines zumindest eine physikalische Eigenschaft der Hubkolbenmaschine nachbildenden Modells geregelt wird. Die gesteuerte beziehungsweise geregelte, stufenweise oder kontinuierliche Einstellung des Verdichtungsverhältnisses anhand des zumindest eine, insbesondere eine Mehrzahl von physikalischen Eigenschaften der Hubkolbenmaschine nachbildenden Modells erlaubt eine besonders präzise sowie schnelle Einstellung des Verdichtungsverhältnisses beziehungsweise Änderung desselbigen. Dadurch ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis des Zylinders sehr genau und schnell auf sich ändernde Betriebspunkte der Hubkolbenmaschine anzupassen und somit zumindest nahezu stets für einen effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen, insbesondere kraftstoffsverbrauchsarmen, Betrieb der Hubkolbenmaschine zu sorgen. Dies hält die schädlichen Emissionen sowie den Energiebedarf zum Betrieb der Hubkolbenmaschine in einem sehr geringen Rahmen.
Bei der Hubkolbenmaschine handelt es sich beispielsweise um eine Verbrennungskraftmaschine, wobei in dem Zylinder, insbesondere in allen Zylindern, Verbrennungsvorgänge ablaufen, infolge derer der Kolben translatorisch bewegt wird, wobei die translatorische Bewegung des Kolbens über einen Hubzapfen und eine Kurbelwelle in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle überführt wird.
Ebenso möglich ist, dass die Hubkolbenmaschine eine anderweitige Ausführungsform aufweist und beispielsweise als Hubkolbenverdichter zur Verdichtung eines Mediums, insbesondere Luft ausgebildet ist.
Besonders vorteilhafterweise weist die Hubkolbenmaschine eine Mehrzahl, das heißt zumindest zwei, Zylinder auf, wobei jedem der Zylinder jeweils eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, mittels welcher das entsprechende Verdichtungsverhältnis des Zylinders variabel einstellbar ist. Dadurch ist es ermöglicht, die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse zylinderindividuell einzustellen. Dies bedeutet, dass das Verdichtungsverhältnis eines jeden Zylinders für sich optimal auf den aktuell vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine angepasst werden kann und zwar unabhängig von der Einstellung der Verdichtungsverhältnisse der anderen Zylinder. Mit anderen Worten ist es so möglich, dass sich die Verdichtungsverhältnisse zumindest zweier Zylinder voneinander unterscheiden und somit die Hubkolbenmaschine mit zumindest zwei voneinander unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen zu betreiben. Dies ermöglicht die optimale Anpassung der Hubkolbenmaschine an einen vorliegenden Betriebspunkt, da jeder einzelne Zylinder individuell und gegebenenfalls in Abhängigkeit von einem entsprechenden Takt des Zylinders beziehungsweise des Kolbens an den Betriebspunkt angepasst werden kann. Daraus resultiert ein besonders effizienter, emissions- und energieverbrauchsarmer Betrieb der Hubkolbenmaschine. Dabei sei angemerkt, dass es nichtsdestotrotz ohne weiteres möglich ist, die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder derart einzustellen, dass sie zumindest annähernd gleiche Werte aufweisen und somit die Hubkolbenmaschine mit einem Verdichtungsverhältnis betrieben wird.
In jeglicher Ausführungsform erlaubt die modellbasierte Regelung eine sehr präzise und sehr schnelle Einstellung des Verdichtungsverhältnisses sowie eine schnelle Reaktion auf sich ändernde Betriebspunkte sowie auf gegebenenfalls auftretende Störgrößen und gegebenenfalls auftretende Fehlfunktionen der Hubkolbenmaschine, der Stelleinrichtung oder dergleichen.
Vorteilhafterweise wird das Modell mittels einer Regelungseinrichtung der Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Steuergerät derselbigen, berechnet. Dadurch kann ein aktuelles Verhalten der Stelleinrichtung sowie der Hubkolbenmaschine nachgebildet, beobachtet, vorausberechnet oder dergleichen werden, was einer präzisen und insbesondere schnellen Einstellung und Veränderung des Verdichtungsverhältnisses zuträglich ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Stelleinrichtung auch mittels einer PID-Regelung geregelt. Eine derartig mittels eines PID-Reglers geschaffene überlagerte Lagerung ermöglicht es, etwaig auftretende Abweichungen des Modells zum tatsächlichen Verhalten der Hubkolbenmaschine oder der Stelleinrichtung zu kompensieren. Derartige Abweichungen werden auch als Störgrößen bezeichnet und treten in der Regel unerwartet auf. Der PID-Regler (proportional-integral-derivative) umfasst einen proportionalen Anteil zur Verstärkung, einen integrierenden Anteil sowie einen differenzierenden Anteil.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem ein Verdichtungsverhältnis zum zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar ist geführt aufgenommen ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung eingestellt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Stelleinrichtung mittels einer PID-Regelung geregelt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung und umgekehrt anzusehen. Die Regelung der Stelleinrichtung und damit die gesteuerte beziehungsweise die geregelte, stufenweise oder kontinuierliche Einstellung des Verdichtungsverhältnisses durch die PID-Regelung erlaubt eine besonders präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, so dass das Verdichtungsverhältnis zumindest nahezu stets sehr genau an den aktuell vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine angepasst werden kann. Dies hält die schädlichen Emissionen sowie den Energieverbrauch insbesondere den Kraftstoffverbrauch, der Hubkolbenmaschine in einem sehr geringen Rahmen. Auf die PID-Regelung des zweiten Aspekts der Erfindung sowie die Hubkolbenmaschine des zweiten Aspekts der Erfindung können ohne Weiteres die zum ersten Aspekt der Erfindung geschilderten Ausführungsformen und Ausgestaltungen sowie Vorteile zutreffen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird bei der PID-Regelung ein Anti-Übersteuerungsverfahren (Anti-Windup-Verfahren) verwendet. Ein solches Verfahren begrenzt oder vermeidet gar ein Überschwingen des PID-Reglers und damit eine Übersteuerung der Stelleinrichtung, was gegebenenfalls zu zumindest kurzzeitigen Einstellungen eines unerwünschten Verdichtungsverhältnisses führen würde. In der Folge kann dadurch das Verdichtungsverhältnis besonders präzise eingestellt und die Hubkolbenmaschine besonders effizient, emissions- und energieverbrauchsarm betrieben werden. Ebenso vorteilhaft für die präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ist, wenn die PID-Regelung mit einer Vorsteuerung betrieben wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden der P-Anteil und/oder der I-Anteil des PID-Reglers in Abhängigkeit von einer Abweichung eines Ist-Verhaltens von einem Soll-Verhalten der Stelleinrichtung variabel eingestellt. Bezüglich des I-Anteils gilt beispielsweise, dass der I-Anteil verkleinert wird, wenn auch die Abweichung kleiner wird. Dadurch würde die ohnehin geringe Abweichung gering gehalten und nicht durch den I-Anteil gegebenenfalls verstärkt. Dies ist der präzisen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses und damit dem effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine sehr zuträglich.
Betreffend den P-Anteil wird beispielsweise der P-Anteil vergrößert, wenn die Abweichung kleiner wird. Dies erlaubt es, die Abweichung besonders gut zu kompensieren und das Verdichtungsverhältnis präzise einzustellen.
Vorteilhafterweise gilt für den I-Anteil und/oder den P-Anteil das umgekehrte Verhalten, wenn sich die Abweichung zu dem geschilderten umgekehrt verhält. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der I-Anteil vorteilhafterweise vergrößert wird, wenn auch die Abweichung größer wird, dabei wird vorteilhafterweise der P-Anteil verkleinert, wenn die Abweichung größer wird, um die Abweichung nicht unerwünschterweise zu verstärken beziehungsweise stellt dann die Abweichung selbst eine ausreichend große Verstärkung dar.
Dadurch ist eine so genannte Regleranteil-Parameterumschaltung beispielsweise anhand von in der Regelungseinrichtung hinterlegten Kennfeldern geschaffen, durch welche die Anteile des PID-Reglers variabel angepasst und verändert werden. Durch diese dynamische Regelung kann zumindest nahezu stets das Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders und damit die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder zumindest nahezu stets sehr präzise eingestellt und optimal an den vorliegenden Betriebspunkt angepasst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von hydraulischen Eigenschaften und/oder eines hydraulischen Verhaltens der Stelleinrichtung geregelt. Dadurch können hydraulische, insbesondere elektrohydraulische Einflüsse, kompensiert und ausgeglichen werden. Dabei wird beispielsweise eine Dynamik der Stelleinrichtung beziehungsweise der Hubkolbenmaschine, ein Ansprechverhalten durch Strömungsgeschwindigkeiten sowie etwaige Systemleckagen oder anderweitige Störgrößen wie zum Beispiel eine Verschäumung eines Hydraulikmediums, insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit, berücksichtigt und kompensiert. Die Berücksichtigung und Kompensation der hydraulischen Einflüsse beziehungsweise hydraulischen Verhaltens wirkt sich ebenso sehr positiv auf die präzise und schnelle Einstellung des Verdichtungsverhältnisses beziehungsweise der Verdichtungsverhältnisse aus, woraus ein effizienter, emissions- und energieverbrauchsarmer Betrieb der Hubkolbenmaschine resultiert.
Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem ein Verdichtungsverhältnis zum zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar ist geführt aufgenommen ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung eingestellt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Stelleinrichtung mittels einer Sliding-Mode-Regelung geregelt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten beiden Aspekte der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung und umgekehrt anzusehen. Die Sliding-Mode-Regelung ermöglicht eine besonders präzise und sehr genaue Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, was einem sehr effizienten und energieverbrauchsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine zugute kommt.
Die Regelung der Stelleinrichtung mittels der Sliding-Mode-regelung kann zusätzlich zur Regelung der Stelleinrichtung mittels des Modells erfolgen. Dabei ist es möglich, dass die Regelung mittels des Modells gegebenenfalls zusätzlich durch die Slinding-Mode-Regelung überlagert wird. Diese Ausführungsformen ermöglichen eine sehr genaue und bedarfsgerechte Einstellung des Verdichtungsverhältnisses und dessen Anpassung an einen vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine, woraus ein besonders effizienter Betrieb der Hubkolbenmaschine resultiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die 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; und
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 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 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 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.
Das Verdichtungsverhältnis ist insbesondere dann sehr präzise einstellbar und an einen vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine anpassbar, wenn die Stelleinrichtung 38 mittels eines zumindest eine physikalische Eigenschaft der Hubkolbenmaschine nachbildenden Modells geregelt wird. Dieses Modell wird beispielsweise mittels der Regelungseinrichtung 56 berechnet. Anhand dieses Modells kann die optimale Ansteuerung 65 für den Aktor 66 berechnet werden. Etwaig auftretende Störgrößen, welche beispielsweise im Rahmen der Systemgrößen 64 berücksichtigt werden, können durch eine dem Modell überlagerte PID-Regelung kompensiert werden. Dadurch werden Abweichungen des Modells von dem tatsächlichen Verhalten der Stelleinrichtung 38 ausgeglichen.
Ebenso vorteilhaft ist, elektrohydraulische Einflüsse zu kompensieren, in dem ein elektrohydraulisches Verhalten der Stelleinrichtung 38 berücksichtigt wird. Auch dieses Verhalten kann im Rahmen der Systemgrößen 64 in die Positionsregelung 54 Einfluss finden und berücksichtigt werden, um das Verdichtungsverhältnis besonders präzise, schnell und ohne unerwünscht große Abweichungen von einem einzustellenden und gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnis einzustellen.
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
h₁: Hebel
h₂: Hebel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19955250 A1 [0002]
WO 01/34948 A1 [0003]
EP 1431559 A2 [0004]
DE 3825369 C1 [0005]
DE 102004031288 A1 [0006]
DE 3833323 C2 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem ein Verdichtungsverhältnis zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine, in welchem ein Kolben (30) translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung (38) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38) mittels eines zumindest eine physikalische Eigenschaft der Hubkolbenmaschine nachbildenden Modells geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Model mittels einer Regelungseinrichtung (56) der Hubkolbenmaschine berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38) auch mittels einer PID-Regelung geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Regelung mittels des Modells durch die PID-Regelung überlagert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem ein Verdichtungsverhältnis zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine, in welchem ein Kolben (30) translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung (38) eingestellt wird, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38) mittels einer PID-Regelung geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der PID-Regelung ein Anti-Windup-Verfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der P-Anteil und/oder der I-Anteil in Abhängigkeit von einer Abweichung eines Ist-Verhaltens von einem Soll-Verhalten der Stelleinrichtung (38) variabel eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der I-Anteil gegenüber eine zeitlich vorher eingestellten Wert des I-Anteils verkleinert wird und der P-Anteil gegenüber einem zeitlich vorher eingestellten Wert des P-Anteils erhöht wird, wenn sich ein Wert der Abweichung gegenüber einem zeitlich vorher erfassten Wert verkleinert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38) in Abhängigkeit von hydraulischen Eigenschaften und/oder eines hydraulischen Verhaltens der Stelleinrichtung (38) geregelt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem ein Verdichtungsverhältnis zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine, in welchem ein Kolben (30) translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung (38) eingestellt wird, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38) mittels einer Sliding-Mode-Regelung geregelt wird.