DE102010032487A1

DE102010032487A1 - Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010032487A1
Application number: DE201010032487
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: WO2012013263A1

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 zumindest einer Erfassungseinrichtung (50) auf eine vorgegebene Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung (38) überprüft wird, wobei die Stelleinrichtung (38) von einem Normalbetriebszustand in einen Fehlerbetriebszustand geschaltet wird, wenn anhand des Überprüfens eine Abweichung einer erfassten Ist-Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung (38) von der vorgegeben Funktionsfähigkeit ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 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 dabei 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 Verdichtungsenddrucks ausgestattet ist. Vor dem Einschalten eines Starters der Brennkraftmaschine werden ein oder mehrere Kriterien für ein erschwertes Starten der Maschine überprüft. Ist mindestens ein Kriterium für ein erschwertes Starten erfüllt, so wird die Zylinderverdichtung in mindestens einem Zylinder so lange auf einen vorgegebenen Minimalwert reduziert, bis die Motordrehzahl bis zu einer definierte Schwelle hochgefahren worden ist, 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, welche in den Motor strömt, sowie mit einem Mechanismus zur variablen Einstellung eines Verdichtungsverhältnisses, welcher ein Verdichtungsverhältnis des Motors variabel steuert. Sensoren erfassen Betriebszustände des Motors sowie das Verdichtungsverhältnis. Ferner ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die dazu ausgelegt ist, mit den Sensoren, dem Mechanismus zur variablen Einstellung der Menge an Einlassluft sowie mit dem Mechanismus zur variablen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses verbunden zu sein, um den Mechanismus zur variablen Einstellung der Menge an Einlassluft basierend auf dem Verdichtungsverhältnis sowie auf 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, mindestens zwischen einer ersten höheren und einer zweiten niedrigeren Stufe, entsprechend den Maschinenbetriebszuständen, und mit einer Verdichtungsverhältnismesseinrichtung zum Bestimmen des aktuellen Verdichtungsverhältnisses. Die Einrichtung enthält eine Sensorfehlererkenneinrichtung zum Feststellen einer Fehlfunktion der Verdichtungsverhältnismesseinrichtung und eine Schutzeinrichtung zum Ändern und Festhalten des Verdichtungsverhältnisses auf der niedrigeren Stufe, wenn die Sensorfehlererkenneinrichtung eine Fehlfunktion der Verdichtungsverhältnismesseinrichtung feststellt.
Die DE 10 2004 031 288 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem kennfeldgesteuerten, variablen Verdichtungsverhältnis, welche zumindest 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. Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin einen 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 Verfahren zum Betreiben von Hubkolbenmaschinen weisen Potential auf, die Funktionserfüllung der Hubkolbenmaschine 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.
Ein erfindungsgemäßes 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 eingestellt wird, wobei die Stelleinrichtung mittels zumindest einer Erfassungseinrichtung auf eine vorgegebene Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung überprüft wird, zeichnet sich dadurch aus, dass die Stelleinrichtung von einem Normalbetriebszustand in einen Fehlerbetriebszustand geschaltet wird, wenn anhand des Überprüfens eine Abweichung einer insbesondere mittels der Erfassungseinrichtung erfassten Ist-Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung von der vorgegebenen Funktionsfähigkeit ermittelt wird.
Dieses Schalten in den Fehlerbetriebszustand stellt eine Grundfunktionalität der Stelleinrichtung und damit der gesamten Hubkolbenmaschine sicher, durch welche beispielsweise ein für die Stelleinrichtung und/oder für die Hubkolbenmaschine schädigender Betrieb der Stelleinrichtung und/oder ein Betrieb der Hubkolbenmaschine mit unerwünscht hohen Emissionen und mit einem unerwünscht hohen Energieverbrauch vermieden ist. Dies gewährleistet eine sehr hohe Funktionserfüllung sowie eine sehr hohe Funktionserfüllungssicherheit der Stelleinrichtung und damit der Hubkolbenmaschine, da nicht notwendigerweise vorgesehen sein muss, die Stelleinrichtung oder die Hubkolbenmaschine komplett zu deaktivieren. Vielmehr kann ein Grundbetrieb der Stelleinrichtung und der Hubkolbenmaschine aufrechterhalten werden, sodass beispielsweise ein Nutzer des Kraftwagens diesen, angetrieben durch die Hubkolbenmaschine, in eine Werkstatt bringen kann, um die Abweichung der Ist-Funktionsfähigkeit von der vorgegebenen Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung und damit eine Fehlfunktion der Stelleinrichtung beheben zu lassen.
Die Hubkolbenmaschine weist bevorzugt eine Mehrzahl, das heißt wenigstens zwei, Zylinder mit jeweiligen, darin aufgenommenen Kolben auf, wobei jedem der Zylinder jeweils zumindest eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis des jeweiligen Zylinders variabel, gesteuert oder geregelt, stufenweise oder kontinuierlich einstellbar ist. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder zylinderindividuell einstellbar und somit besonders vorteilhaft an einen aktuell vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine anpassbar. Die zylinderindividuelle Einstellung der Verdichtungsverhältnisse der Zylinder bedeutet dabei, dass jedes der Verdichtungsverhältnisse für sich unabhängig von den anderen Verdichtungsverhältnissen mittels der entsprechenden Stelleinrichtung eingestellt und an den Betriebspunkt angepasst werden kann.
So ist es möglich, dass die Zylinder voneinander unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse aufweisen und somit die Hubkolbenmaschine mit zumindest zwei voneinander unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen betrieben wird. Dadurch, dass jedes Verdichtungsverhältnis individuell an den Betriebspunkt gegebenenfalls in Abhängigkeit von einem vorliegenden Takt des Zylinders bzw. des Kolbens eingestellt werden kann, weist die Verbrennungskraftmaschine einen besonders effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen, insbesondere kraftstoffverbrauchsarmen, Betrieb auf. An dieser Stelle 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 einzigen, globalen Verdichtungsverhältnis betrieben wird.
Insbesondere im Rahmen der zylinderindividuellen Einstellung der Verdichtungsverhältnisse ermöglicht das Schalten der entsprechenden Stelleinrichtung eines der Zylinder von dem Normalbetriebszustand in den Fehlerbetriebszustand, dass lediglich diese Stelleinrichtung in den Fehlerbetriebszustand geschaltet werden kann, während die anderen Stelleinrichtungen der anderen Zylinder in dem jeweiligen Normalbetriebszustand weiter betrieben werden können. Dadurch ist weiterhin ein sehr effizienter, emissions- und energieverbrauchsarmer Betrieb der Hubkolbenmaschine sowie die Darstellung eines bestimmten Drehmoments und einer bestimmten Leistung der Hubkolbenmaschine möglich, sodass bezugnehmend auf das zuvor genannte Beispiel der Nutzer des Kraftwagens diesen immer noch komfortabel zur Werkstatt aus eigener Kraft bewegen kann.
Die Hubkolbenmaschine ist beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine ausgeführt, bei welcher im Betrieb Verbrennungsvorgänge in dem Zylinder bzw. in den Zylindern ablaufen. Ebenso möglich ist es, dass die Hubkolbenmaschine als anderweitige Hubkolbenmaschine, beispielsweise als Hubkolbenverdichter zur Verdichtung eines Mediums, insbesondere Luft, ausgebildet ist. In jeglicher Ausführungsform gewährleistet das Schalten der Stelleinrichtung von dem Normalbetriebszustand in den Fehlerbetriebszustand eine hohe Funktionserfüllung sowie eine hohe Funktionserfüllungssicherheit, sodass die Hubkolbenmaschine zumindest vorübergehend weiterhin effizient betrieben werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird mittels der Erfassungseinrichtung ein ein eingestelltes Ist-Verdichtungsverhältnis charakterisierendes Signal erfasst und mit einem ein vorgegebenes Soll-Verdichtungsverhältnis charakterisierenden Signal verglichen, wobei die Stelleinrichtung von dem Normalbetriebszustand in den Fehlerbetriebszustand geschaltet wird, wenn anhand des Vergleichens eine Abweichung des Ist- von dem Soll-Verdichtungsverhältnis ermittelt wird. Dies ermöglicht die direkte Erfassung, ob sich das Verhalten der Stelleinrichtung in gewünschter Weise oder in ungewünschter Weise auf das Verdichtungsverhältnis des Zylinders auswirkt und somit die Anpassung des Verdichtungsverhältnisses an den Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine auf gewünschte Art und Weise möglich ist. Ist dies nicht der Fall, weicht also das eingestellte Ist-Verdichtungsverhältnis von dem gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnis ab, so deutet dies auf eine Fehlfunktion der Stelleinrichtung hin. Führen auch nachgelagerte Korrekturvorgänge beispielsweise in Form eines Nachregelns oder eines Nachsteuerns der Stelleinrichtung nicht zur Einstellung des gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnisses, so kann zumindest eine Grundfunktionalität der Stelleinrichtung in dem Fehlerbetriebszustand sichergestellt werden, in welchem die Stelleinrichtung und die Hubkolbenmaschine noch betrieben werden können, ohne Schaden davonzutragen und ohne unerwünscht hohe Emissionen auszustoßen und einen unerwünscht hohen Energieverbrauch aufzuweisen.
Das Ist-Verhältnis bzw. ein das Ist-Verdichtungsverhältnis charakterisierendes Signal wird beispielsweise derart ermittelt, dass eine Stellung der Stelleinrichtung oder eines Bauteils der Stelleinrichtung relativ zu einem Bezugspunkt mittels einer weiteren oder der Erfassungseinrichtung erfasst wird.
Bei einem solchen Bauteil der Stelleinrichtung, welches zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses bewegt wird und welches sich während des Betriebs der Hubkolbenmaschine, beispielsweise bei rotierender Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine, bewegt und um eine Schwenkachse schwenkbar an einem Gehäuse, insbesondere an einem Kurbelgehäuse, der Hubkolbenmaschine gelagert ist, handelt es sich beispielsweise um einen Steuerkolben mit einer Steuerstange und mit einem fest mit der Steuerstange verbundenen Kolben, wobei der Steuerkolben zumindest bereichsweise in einem durch ein Gehäuse der Stelleinrichtung gebildeten Zylinder translatorisch verschiebbar aufgenommen ist.
Zur Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses wird beispielsweise die Stellung des gegenüber dem Gehäuse bewegbaren Steuerkolbens relativ zu dem Gehäuse der Stelleinrichtung, relativ zu dem Gehäuse der Hubkolbenmaschine oder relativ zu einem anderweitigen Bauteil eines Kurbeltriebs der Hubkolbenmaschine mittels der Erfassungseinrichtung erfasst. Die Stellung wird dann beispielsweise mit einer hinterlegten Soll-Stellung verglichen. Dies ermöglicht die direkte Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung auf die vorgegebene Funktionsfähigkeit, was die Funktionserfüllung der Stelleinrichtung gewährleistet.
Ebenso möglich ist es, Kabel, Leitungen oder dergleichen der Stelleinrichtung beispielsweise auf Leckage oder einen Kurzschluss zu überprüfen und somit auf die Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung zu schließen, um dann zur Gewährleistung der Funktionserfüllung der Stelleinrichtung in den Fehlerbetriebszustand umzuschalten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird in dem Fehlerbetriebszustand beispielsweise mittels der Stelleinrichtung das minimal einstellbare Verdichtungsverhältnis eingestellt. Dies stellt eine insbesondere mechanische, so genannte fail-safe (Sicherheits-)Position dar, in der die Stelleinrichtung zumindest eine Grundfunktionalität aufweist und weiterhin den Betrieb der Stelleinrichtung der Hubkolbenmaschine zumindest grundlegend ermöglicht. Die Einstellung des gewünschten Verdichtungsverhältnisses, insbesondere des minimal einstellbaren Verdichtungsverhältnisses, kann auch anderweitig durchgeführt werden, beispielsweise dann, wenn die Stelleinrichtung des Zylinders komplett ausgefallen ist. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass mittels eines Energiespeichers, insbesondere eines Federspeichers oder dergleichen, bei Ausfall der Stelleinrichtung das minimal einstellbare Verdichtungsverhältnis quasi selbstständig eingestellt wird und die Funktionserfüllung der Stelleinrichtung zumindest in Grundzügen aufrechterhalten ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird in dem Fehlerbetriebszustand eine Energieversorgung der Stelleinrichtung zur Versorgung dieser mit Energie abgeschaltet und/oder zugeschaltet. Dies vermeidet insbesondere ein unerwünschtes und gegebenenfalls unkontrolliertes Betätigen der Stelleinrichtung und insbesondere von bewegbaren Bauteilen der Stelleinrichtung. So ist ein etwaiges Übersteuern und damit eine etwaige Beschädigung der Stelleinrichtung und der Hubkolbenmaschine vermieden. Während des Fehlerbetriebszustands kann dabei vorgesehen sein, dass die Energieversorgung mehrmals gezielt zu- und/oder mehrmals gezielt abgeschaltet wird. Ebenso möglich ist es, während des Fehlerbetriebszustands bzw. in dem Fehlerbetriebszustand die Energieversorgung lediglich nur einmal zuzuschalten oder nur einmal zu abzuschalten bzw. lediglich einmal zuzuschalten und einmal abzuschalten.
Zur Gewährleistung der Funktionalität der Stelleinrichtung und zur Vermeidung einer Beschädigung der Stelleinrichtung der Hubkolbenmaschine ist bei einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass in dem Fehlerbetriebszustand eine Versorgung der Stelleinrichtung mit einem Arbeitsmedium, insbesondere mit einem flüssigen oder gasförmigen Arbeitsmedium und insbesondere mit einer Hydraulikflüssigkeit, abgeschaltet und/oder zugeschaltet wird. Ein weiterer Vorteil dabei ist, dass ein Austreten des Mediums, beispielsweise infolge einer Leckage, in die Umwelt sowie ein unerwünscht erhöhter Verbrauch des Arbeitsmediums verhindert ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Stelleinrichtung, insbesondere das eingestellte Ist-Verdichtungsverhältnis, in Abhängigkeit von einem Verbrennungsluftverhältnis der Hubkolbenmaschine und/oder von zumindest einem, in einer Ansaugrichtung der Hubkolbenmaschine herrschenden Druck und/oder von einem in dem Zylinder herrschenden Druck und/oder von zumindest einer Temperatur der Hubkolbenmaschine und/oder von einer Laufruhe der Hubkolbenmaschine überprüft bzw. erfasst. Dadurch ist eine besonders aussagekräftige und plausible Überprüfung der Stelleinrichtung auf die vorgegebene Funktionsfähigkeit realisiert, sodass eine mögliche Fehlfunktion der Stelleinrichtung mit einer besonders hohen Wahrscheinlichkeit ermittelt und die Stelleinrichtung auch tatsächlich nur bei Vorliegen der Fehlfunktion in den Fehlerbetriebszustand geschaltet werden kann.
Dies vermeidet oder reduziert zumindest die Wahrscheinlichkeit, die Stelleinrichtung auch dann in den Fehlerbetriebszustand zu schalten, wenn keine Fehlfunktion bzw. keine Abweichung der Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung von der vorgegebenen Funktionsfähigkeit vorliegt. In Abhängigkeit von den genannten Größen ist es somit möglich, zu überprüfen, ob die Betätigung der Stelleinrichtung auf die gewünschte Art und Weise erfolgt ist und ob somit das eingestellte Ist-Verhältnis mit dem gewünscht einzustellenden Soll-Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen übereinstimmt. Ist dies der Fall, so deutet dies auf eine gewünschte Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung hin. Weicht das eingestellte Ist-Verdichtungsverhältnis von dem einzustellenden, gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnis ab, so deutet dies auf eine Fehlfunktion der Stelleinrichtung hin, und es können geeignete Maßnahmen in Form des Schaltens von dem Normalbetriebszustand in den Fehlerbetriebszustand eingeleitet werden.
Eine weitere Möglichkeit, eine etwaige Fehlfunktion der Stelleinrichtung mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit und mit einer sehr hohen Aussagekraft zu ermitteln, ist gegeben, wenn zum Überprüfen der Stelleinrichtung auf die vorgegebene Funktionsfähigkeit zumindest eine zeitliche Ableitung eines das Ist-Verdichtungsverhältnis charakterisierenden Signals und/oder des das Soll-Verdichtungsverhältnis charakterisierenden Signals verwendet wird. Mit anderen Worten wird beispielsweise die erste, zweite oder weitere zeitliche Ableitung des das Ist-Verdichtungsverhältnis charakterisierenden Signals mit der ersten, zweiten oder weiteren zeitlichen Ableitung des das Soll-Verdichtungsverhältnis charakterisierenden Signals verglichen. Weichen die Signale voneinander ab und/oder liegt eine etwaige Abweichung oberhalb oder unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts, so deutet dies auf eine unerwünschte Funktionsfähigkeit und damit eine Fehlfunktion der Stelleinrichtung hin.
Ebenso möglich ist es, dass die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von zumindest einer Größe eines zumindest eine physikalische Eigenschaft der Hubkolbenmaschine und insbesondere der Stelleinrichtung nachbildenden Modells überprüft wird. Dies erhöht die Plausibilität und die Aussagekraft des Überprüfens der Stelleinrichtung auf die vorgegebene Funktionsfähigkeit um ein Weiteres und vermeidet oder reduziert zumindest die Wahrscheinlichkeit, die Stelleinrichtung auch bei Vorliegen der vorgegebenen Funktionsfähigkeit in den Fehlerbetriebszustand zu schalten. Dies kommt der Funktionserfüllung und der Funktionserfüllungssicherheit der Stelleinrichtung und damit der Hubkolbenmaschine zugute.
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 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.
Tritt beispielsweise infolge von Verschleiß eine Fehlfunktion der Stelleinrichtung 38 auf und kann so ein gewünschtes Soll-Verdichtungsverhältnis des Zylinders mittels der Stelleinrichtung 38 nicht mehr eingestellt werden, so ist es wünschenswert, zumindest eine bestimmte Grundfunktionalität der Stelleinrichtung 38 und damit der Hubkolbenmaschine sicherzustellen, damit ein Abschalten der Hubkolbenmaschine vermieden und ein weiterer Betrieb derselbigen aufrechterhalten werden kann, ohne dass es zu einer Beschädigung der Hubkolbenmaschine und der Stelleinrichtung 38 sowie zu unerwünscht hohen. Emissionen und einem unerwünscht hohen Kraftstoffverbrauch der Hubkolbenmaschine kommt. Dies ermöglicht es dann einem Nutzer der Hubkolbenmaschine, den Kraftwagen mittels der betriebsfähigen Hubkolbenmaschine in eine Werkstatt zu bewegen, um die Stelleinrichtung 38 gegebenenfalls reparieren zu lassen.
Wird beispielsweise mittels des Sensors 50 eine Ist-Stellung des Steuerkolbens 36 erfasst, welche von einer in der Regelungseinrichtung 56 hinterlegten und zu einem gewünscht einzustellenden Soll-Verdichtungsverhältnis korrespondierenden Soll-Stellung des Steuerkolbens 36 abweicht, so deutet dies auf eine Fehlfunktion der Stelleinrichtung 38 hin. Zur Plausibilisierung dieser Fehlfunktion und der Tatsache, dass das Ist-Verdichtungsverhältnis nicht mit dem gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnis übereinstimmt, können weitere Größen der Hubkolbenmaschine, wie beispielsweise das Verbrennungsluftverhältnis (λ), Drücke in einem Luftpfad der Hubkolbenmaschine, in dem Zylinder, Temperaturen sowie eine Laufruhe bzw. eine Laufunruhe berücksichtigt werden.
Ist eine solche Fehlfunktion der Stelleinrichtung 38 plausibel ermittelt, so wird die Stelleinrichtung 38 vorteilhafterweise von einem Normalbetriebszustand in einen Fehlerbetriebszustand geschaltet, in welchem das minimal einstellbare Verdichtungsverhältnis eingestellt wird und beispielsweise eine Hydraulikversorgung der Stelleinrichtung 38 zum Betätigen des Steuerkolbens 36 abgeschaltet wird.
Dies stellt einerseits die Funktionsfähigkeit und damit die Funktionserfüllung der Stelleinrichtung 38 und damit der Hubkolbenmaschine sicher, sodass eine Werkstatt sicher erreicht werden kann. Andererseits ist dadurch ein Betrieb der Hubkolbenmaschine mit einem unerwünscht hohen Energieverbrauch und mit unerwünscht hohen Emissionen vermieden.
In dem geschilderten Fall wird die Stelleinrichtung 38 auf eine vorgegebene Funktionsfähigkeit anhand der Ermittlung des Ist-Verdichtungsverhältnisses und in Abgleich mit dem gewünscht einzustellenden Soll-Verdichtungsverhältnis überprüft. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Stelleinrichtung 38 auf ihre vorgegebene und gewünschte Funktionsfähigkeit zu überprüfen, indem Leitungen, Kabel, elektrische oder elektronische Bauteile usw. direkt auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden. Liegt beispielsweise ein Kurzschluss nach Masse oder nach Batterie oder eine Leckage vor, aus welcher Hydraulikflüssigkeit austreten kann, so deutet dies auf eine Fehlfunktion hin, woraufhin in Abhängigkeit von der Schwere der Fehlfunktion in den Fehlerbetriebszustand geschaltet werden kann und/oder einem Nutzer des Kraftwagens ein Hinweis mitgeteilt wird, dass eine Fehlfunktion vorliegt.
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]

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, wobei die Stelleinrichtung (38) mittels zumindest einer Erfassungseinrichtung (50) auf eine vorgegebene Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung (38) überprüft wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38) von einem Normalbetriebszustand in einen Fehlerbetriebszustand geschaltet wird, wenn anhand des Überprüfens eine Abweichung einer erfassten Ist-Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung (38) von der vorgegeben Funktionsfähigkeit ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinrichtung (50) ein ein eingestelltes Ist-Verdichtungsverhältnis charakterisierendes Signal erfasst und mit einem ein vorgegebenes Soll-Verdichtungsverhältnis des Zylinders charakterisierenden Signal verglichen wird, wobei die Stelleinrichtung (38) von dem Normalbetriebszustand in den Fehlerbetriebszustand geschaltet wird, wenn anhand des Vergleichens eine Abweichung des Ist- von dem Soll-Verdichtungsverhältnis ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fehlerbetriebszustand das minimal einstellbare Verdichtungsverhältnis eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fehlerbetriebszustand eine Energieversorgung der Stelleinrichtung (38) zur Versorgung dieser mit Energie abgeschaltet und/oder zugeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fehlerbetriebszustand eine Vorsorgung der Stelleinrichtung (38) mit einem Arbeitsmedium, insbesondere mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium, abgeschaltet und/oder zugeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38), insbesondere ein Ist-Verdichtungsverhältnis, in Abhängigkeit von einem Verbrennungsluftverhältnis der Hubkolbenmaschine und/oder von zumindest einem, in einer Ansaugeinrichtung der Hubkolbenmaschine herrschenden Druck und/oder von einem in dem Zylinder herrschenden Druck und/oder von zumindest einer Temperatur der Hubkolbenmaschine und/oder von einer Laufruhe der Hubkolbenmaschine überprüft bzw. erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ein eingestelltes Ist-Verdichtungsverhältnis charakterisierendes Signal eine Stellung eines Bauteils (36) der Stelleinrichtung (38) zum Einstellen des Verdichtungsverhältnis relativ zu einem Bezugspunkt verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überprüfen der Stelleinrichtung (38) auf die vorgegebene Funktionsfähigkeit zumindest eine zeitliche Ableitung eines ein Ist-Verdichtungsverhältnis charakterisierenden Signals und/oder eines ein Soll-Verdichtungsverhältnis charakterisierenden Signals verwendet wird.