DE102010032488A1

DE102010032488A1 - Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010032488A1
Application number: DE102010032488A
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: WO2012013264A1

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 sich in einem deaktivierten Betriebszustand befindende Hubkolbenmaschine mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis aktiviert wird, welches gegenüber einem vorhergehenden, aktivierten Betriebszustand der Hubkolbenmaschine eingestellten Verdichtungsverhältnis erhöht ist. Zur Erfindung gehört auch, dass bei einer Aktivierung der sich mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Betrieb befindenden Hubkolbenmaschine ein demgegenüber unterschiedliches Verdichtungsverhältnis eingestellt wird, welches bei einer sich an die Deaktivierung anschließenden Aktivierung der Hubkolbenmaschine zumindest im Wesentlichen beibehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine gemäß den Patentansprüchen 1 und 5.
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 DE 102 58 872 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis, bei welchem ein Starten des Verbrennungsmotors mit einem Verdichtungsverhältnis erfolgt, das gegenüber Verdichtungsverhältnissen im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors verringert ist.
Die bekannten Hubkolbenmaschinen sowie Verfahren zum Betreiben von Hubkolbenmaschinen weisen Potential auf, den Energiebedarf der Hubkolbenmaschine zu reduzieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welches einen reduzierten Energiebedarf der Hubkolbenmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 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 Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem ein Verdichtungsverhältnis zumindest eines Zylinders der Hubkolbenmaschine, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar geführt ist, mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung eingestellt wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die sich in einem deaktivierten Betriebszustand befindende Hubkolbenmaschine mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis aktiviert wird, welches gegenüber einem vorhergehenden, insbesondere unmittelbar vorhergehenden, aktivierten Betriebszustand der Hubkolbenmaschine eingestellten Verdichtungsverhältnis erhöht ist.
Das Starten der Hubkolbenmaschine mit dem erhöhten Verdichtungsverhältnis erlaubt einen sogenannten Schnellstart der Hubkolbenmaschine, insbesondere wenn diese als Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist, während deren Betrieb in dem Zylinder Verbrennungsvorgänge ablaufen. Ein solcher Schnellstart bzw. eine solche Schnellstartfunktion bedeutet, dass in den Zylinder Kraftstoff eingebracht und insbesondere direkt eingespritzt und gezündet wird, wobei das Starten mit dem hohen Verdichtungsverhältnis die Erzeugung einer hohen Kraft zum Starten ermöglicht und somit der Startvorgang der Hubkolbenmaschine besonders schnell abgeschlossen werden kann.
Dies ist insbesondere in einem sogenannten Start-/Stopp-Betrieb der Hubkolbenmaschine vorteilhaft, bei welchem zum Einsparen von Kraftstoff die Hubkolbenmaschine beispielsweise bei einem Anhalten des Kraftwagens an einer Ampel automatisch deaktiviert und beim Anfahren bzw. unmittelbar kurz vor dem Anfahren automatisch wieder aktiviert wird. Die geschilderte Schnellstartfunktion insbesondere durch das Starten mit dem erhöhten Verdichtungsverhältnis ermöglicht ein besonders schnelles Starten der deaktivierten Verbrennungskraftmaschine, wodurch ein unerwünscht langes Stehen an der Ampel vermieden ist.
In dem dem deaktivierten Zustand vorhergehenden, aktivierten Betriebszustand, also beispielsweise bei Erreichen der Ampel, die ein Anhalten des Kraftwagens erfordert, kann die Hubkolbenmaschine beispielsweise mit einem gegenüber dem sich anschließenden Startvorgang, d. h. gegenüber dem sich anschließenden Aktivieren der Verbrennungskraftmaschine, niedrigeren Verdichtungsverhältnis betrieben werden bzw. betrieben worden sein, um einen effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen, insbesondere kraftstoffverbrauchsarmen, Betrieb der Hubkolbenmaschine zu realisieren, bei welchem die Hubkolbenmaschine bzw. das Verdichtungsverhältnis des Zylinders an den vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine bedarfsgerecht angepasst ist.
Wird die sich mit diesem Verdichtungsverhältnis in dem aktivierten Betriebszustand befindende Hubkolbenmaschine deaktiviert, insbesondere im Rahmen des Start-/Stopp-Betriebs automatisch deaktiviert, so kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Verdichtungsverhältnis, mit welchem die sich in dem deaktivierten Betriebszustand befindende Hubkolbenmaschine aktiviert wird, bei der der Aktivierung vorhergehenden Deaktivierung (bei Erreichen der Ampel) der sich dann in dem aktivierten Betriebszustand befindenden Hubkolbenmaschine eingestellt wird. Mit anderen Worten wird schon bei dem Deaktivieren der Verbrennungskraftmaschine ein gegenüber dem vorhergehenden aktivierten Betriebszustand erhöhtes Verdichtungsverhältnis eingestellt, welches dann auch während des sich an den aktivierten Betriebszustand anschließenden, deaktivierten Betriebszustand sowie bei dem sich daran anschließenden Starten (Aktivieren) vorliegt. Das bedeutet, dass das gewünscht hohe bzw. höhere Verdichtungsverhältnis beim Starten der Verbrennungskraftmaschine nicht erst während des Startvorgangs eingestellt werden muss, sondern bereits vorliegt, da es zeitlich vorher bereits eingestellt wurde. Dadurch kann der Startvorgang und insbesondere der Schnellstart in einer besonders kurzen Zeit durchgeführt werden und die Hubkolbenmaschine kann besonders schnell gestartet werden.
Ein durch die erfindungsgemäße Einstellung des Verdichtungsverhältnis beim Aktivieren der Hubkolbenmaschine realisierter Sauerstoffüberschuss in dem Zylinder sorgt zusätzlich für ein schnelles Aufheizen eines in Strömungsrichtung eines Abgases der Hubkolbenmaschine, welches aus dem Zylinder durch den Kolben ausgeschoben wird, stromab der Hubkolbenmaschine angeordneten Katalysators, so dass dieser besonders schnell eine vorteilhafte Betriebstemperatur (Light-Off-Temperatur) erreicht und das Abgas reinigen kann. Auf diese Art und Weise können die schädlichen Emissionen der Hubkolbenmaschine besonders gering gehalten werden und das auch schon zeitlich sehr früh nach dem Starten derselbigen.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Hubkolbenmaschine bevorzugt eine Mehrzahl, d. h. zumindest zwei, Zylinder aufweist, in welchen jeweils ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen ist und welchen jeweils zumindest eine Stelleinrichtung zum Einstellen des jeweiligen Verdichtungsverhältnisses der Zylinder zugeordnet ist. Dies ermöglicht eine zylinderindividuelle, variable, gesteuerte oder geregelte, stufenweise oder kontinuierliche Einstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse. Die zylinderindividuelle Einstellung der Verdichtungsverhältnisse bedeutet, dass jedes der Verdichtungsverhältnisse für sich eingestellt und damit der Zylinder sehr präzise und bedarfsgerecht auf den aktuell vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine angepasst werden kann. Dabei kann das Verdichtungsverhältnis eines Zylinders individuell und für sich unabhängig von den anderen Verdichtungsverhältnissen der anderen Zylinder eingestellt werden. So ist es möglich, dass sich zumindest zwei Verdichtungsverhältnisse der Zylinder voneinander unterscheiden und die Hubkolbenmaschine mit zumindest zwei unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden kann. Aus der zylinderindividuellen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, bei welcher jeder Zylinder für sich optimal an den vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine, beispielsweise auch in Abhängigkeit von einem vorliegenden Takt des Zylinders bzw. des Kolbens, angepasst und dementsprechend eingestellt ist, resultiert ein besonders effizienter, emissions- und energieverbrauchsarmer, insbesondere kraftstoffverbrauchsarmer, Betrieb der Hubkolbenmaschine.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die sich in dem aktivierten Betriebszustand befindende Hubkolbenmaschine mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis deaktiviert, welches gegenüber einem in dem deaktivierten Betriebszustand eingestellten Verdichtungsverhältnis erhöht ist. Dadurch ist eine Schnellstoppfunktion mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis realisiert, um die Hubkolbenmaschine ausgehend von dem aktivierten Betriebszustand besonders schnell d. h. innerhalb eines besonders kurzen Zeitraums, zu deaktivieren. Dies hält ein unruhiges Verhalten der Hubkolbenmaschine bei der Deaktivierung, welches als Abstellruckeln bezeichnet wird, gering, so dass die Hubkolbenmaschine eine besonders hohe Laufruhe bei ihrer Deaktivierung aufweist. Dies kommt dem Komfort für Insassen des Kraftwagens zugute.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Hubkolbenmaschine mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis deaktiviert oder aktiviert, welches auch in einem aktivierten Betriebszustand der Hubkolbenmaschine zumindest temporär eingestellt wird bzw. eingestellt werden kann. Die Hubkolbenmaschine weist vorteilhafterweise eine Mehrzahl von einstellbaren Verdichtungsverhältnissen auf, um so einerseits einen besonders effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine sowie die geschilderten Start- und/oder Stopp-Funktionen zur Realisierung der Schnellstartfunktion bzw. der Schnellstoppfunktion durchzuführen, wobei die dazu einzustellenden Verdichtungsverhältnisse auch während einem Normalbetrieb, also während dem aktivierten Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, eingestellt werden und so zur Darstellung eines sehr effizienten Betriebs der Hubkolbenmaschine genutzt werden können. Bei den beim Deaktivieren und/oder beim Aktivieren einzustellenden Verdichtungsverhältnissen handelt es sich somit nicht um spezielle Verdichtungsverhältnisse, die lediglich zum Aktivieren und/oder Deaktivieren der Hubkolbenmaschine eingestellt werden oder eingestellt werden können. Vielmehr können diese auch während aktivierten Betriebszustand eingestellt werden, sodass der Bereich an einzustellenden Verdichtungsverhältnissen besonders groß ist. Damit ist eine sehr hohe Flexibilität geschaffen, die Hubkolbenmaschine an eine Vielzahl unterschiedlicher Betriebspunkte zur Darstellung eines effizienten Betriebs anzupassen.
Durch die geschilderte und aufgrund der erfindungsgemäßen Einstellung des Verdichtungsverhältnisses vorteilhaft durchzuführende Schnellstartfunktion der Hubkolbenmaschine ist eine separate Starteinrichtung, insbesondere ein Anlasser, zum Aktivieren der Hubkolbenmaschine nicht vonnöten bzw. muss nicht eingesetzt werden, da die Hubkolbenmaschine durch die Schnellstartfunktion infolge des Einbringens von Kraftstoff in den Zylinder und des Zündens desselbigen ohne weitere Starteinrichtung aktiviert werden kann. Dies hält das Gewicht des Kraftwagens in einem geringen Rahmen und trägt zur Vermeidung oder Lösung von Package-Problemen, insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens, bei. Nichtsdestotrotz kann selbstverständlich vorgesehen sein, dass der Kraftwagen eine solche Starteinrichtung, insbesondere einen Anlasser, umfasst, welcher beim Aktivieren der Hubkolbenmaschine bei Vorliegen bestimmter Rahmenbedingungen eingesetzt wird bzw. werden kann, um die Hubkolbenmaschine zu aktivieren.
Ein weiterer Vorteil der Aktivierung der Hubkolbenmaschine mit dem gegenüber dem vorhergehenden aktivierten Betriebszustand erhöhten Verdichtungsverhältnis ist, dass durch den Sauerstoffüberschuss in dem Zylinder ein schnelles Aufheizen des Zylinders, welcher auch als Brennraum bezeichnet wird, und somit der Hubkolbenmaschine gegeben ist. Dies führt zu einer schnellen Erwärmung eines Schmiermittels, insbesondere eines Schmieröls, der Hubkolbenmaschine, woraus wiederum eine geringe Reibung und damit geringe Verluste der Hubkolbenmaschine, insbesondere beim Aktivieren und während einer Startphase, resultieren. Dies hält den Energiebedarf, insbesondere während der Startphase der Hubkolbenmaschine gering, was mit einem geringen Kraftstoffverbrauch und mit geringen CO₂-Emissionen einhergeht.
Der zweite Aspekt der 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 mit dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung eingestellt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei einer Deaktivierung der sich mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Betrieb befindenden Hubkolbenmaschine ein demgegenüber unterschiedliches Verdichtungsverhältnis eingestellt wird, welches bei einer sich an die Deaktivierung anschließenden, insbesondere unmittelbar anschließenden, Aktivierung der Hubkolbenmaschine zumindest im Wesentlichen beibehalten wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung und umgekehrt zu sehen.
Der zweite Aspekt der Erfindung ermöglicht ein besonders gutes und bedarfsgerechtes und insbesondere schnelles Starten bzw. Aktiveren der Hubkolbenmaschine aus ihrem deaktivierten Betriebszustand heraus, da das zum Aktivieren der Hubkolbenmaschine bei Vorliegen bestimmter Rahmenbedingungen vorteilhafte Verdichtungsverhältnis bereits bei der vorhergehenden Deaktivierung eingestellt wird bzw. wurde und somit bei der Aktivierung zumindest nahezu verzögerungsfrei vorliegt. Mit anderen Worten muss das Verdichtungsverhältnis beim Aktivieren der Hubkolbenmaschine nicht erst eingestellt werden, was den Startvorgang unerwünschterweise verlängern würde, sondern das gewünschte und an ein gewünschtes Startverhalten der Hubkolbenmaschine angepasste Verdichtungsverhältnis liegt bereits vor.
So können je nach vorliegenden Rahmenbedingungen, Fahrerwunsch, Betriebszustand der Hubkolbenmaschine bzw. des Kraftwagens und/oder dergleichen unterschiedliche Startfunktionen der Hubkolbenmaschine realisiert werden. Soll eine bereits bezüglich des ersten Aspekts der Erfindung geschilderte, sogenannte Schnellstartfunktion der Hubkolbenmaschine realisiert werden, so kann bei der Deaktivierung der Hubkolbenmaschine ein gegenüber dem aktivierten Betriebszustand erhöhtes Verdichtungsverhältnis eingestellt werden, um somit die Hubkolbenmaschine ohne Einsatz einer gegebenenfalls vorhandenen, separaten Starteinrichtung lediglich durch Einbringen bzw. Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder und Zünden desselbigen besonders schnell zu starten.
Eine weitere mögliche Startfunktion ist beispielsweise, die Hubkolbenmaschine mit einer separaten Starteinrichtung, insbesondere einem Anlasser, zu starten. Dann ist es besonders vorteilhaft, ein gegenüber dem Verdichtungsverhältnis der sich in Betrieb, also in aktiviertem Betriebszustand, befindenden Hubkolbenmaschine erhöhtes Verdichtungsverhältnis einzustellen, dass dann zumindest nahezu verzögerungsfrei beim Aktivieren, d. h. beim Übergang vom deaktivierten in den aktivierten Betriebszustand der Hubkolbenmaschine, vorliegt. Die Aktivierung mit einem relativ geringen Verdichtungsverhältnis hält die zum Starten der Hubkolbenmaschine notwendige Kraft gering, so dass der Anlasser eine nur geringe Kraft aufbringen muss die Hubkolbenmaschine zu starten. Daraus resultiert ein geringer Energiebedarf des Anlassers, was mit einer Energie- und somit Kraftstoffeinsparung einhergeht.
Umfasst die Hubkolbenmaschine eine solche, separate Starteinrichtung, insbesondere einen Anlasser, so kann im Rahmen des ersten sowie des zweiten Aspekts der Erfindung abhängig von der Startart, die beispielsweise durch einen Fahrerwunsch, einen Betriebszustand der Hubkolbenmaschine und/oder dergleichen vorgegeben werden kann, die Hubkolbenmaschine wahlweise mittels der Starteinrichtung oder ohne Zuhilfenahme der Starteinrichtung und lediglich durch Einspritzen und Zünden von Kraftstoff in dem Zylinder gestartet werden. In jeglicher Hinsicht ermöglichen die erfindungsgemäßen Verfahren ein schnelles, zumindest nahezu verzögerungsfreies, komfortables und damit sehr gutes Start- sowie Stopp-Verhalten der Hubkolbenmaschine sowie ein besonders effizientes Verhalten derselbigen beim Aktivieren bzw. Deaktivieren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand er 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.
Die 3 zeigt eine Möglichkeit, die bzw. zumindest eine Stellung des Steuerkolbens 36 zu erfassen. Dazu ist der Sensor 50 als Hall-Sensor mit einem Erfassungsteil 68 ausgebildet, welches mit einer bogenförmigen, bipolaren Geberplatte 70 des Hall-Sensors zusammenwirkt. Das Erfassungsteil 68 ist dabei beispielsweise fest an dem den Kurbelbetrieb 10 umgebenden Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine befestigt, während die bipolare Geberplatte 70 fest mit dem Steuerkolben 36 verbunden ist. Da während des Betriebs der Hubkolbenmaschine zu einem Schwenken der Stelleinrichtung 38 um die Schwenkachse 42 gemäß einem Richtungspfeil 72 kommt, ist die Geberplatte 70 gekrümmt ausgebildet, wobei der Mittelpunkt der Krümmung vorteilhafterweise auf der Schwenkachse 42 liegt. So können Winkelfehler zumindest sehr gering gehalten werden und es ist eine sehr präzise Erfassung der Stellung und/oder des Hubs des Steuerkolbens 36 ermöglicht. Auch das Magnetfeld der Geberplatte 70 ist dementsprechend gekrümmt ausgebildet.
Der Steuerkolben 36 ist beispielsweise als Hydraulikkolben ausgebildet und derart betätigbar, dass der Zylinder, mit welchem der durch das Gehäuse 41 gebildete Zylinder mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird, also dem Gehäuse die Hydraulikflüssigkeit zugeführt bzw. abgeführt wird. Die Zufuhr der Hydraulikflüssigkeit in den Zylinder bzw. aus dem Zylinder heraus kann beispielsweise über einen Elektromagneten gesteuert oder geregelt werden, welcher besonders schnelle Schaltzeiten aufweist, so dass das Verdichtungsverhältnis besonders schnell an sich ändernde Betriebspunkte der Hubkolbenmaschine angepasst werden kann.
Ebenso möglich ist, dass der Steuerkolben 36 als Elektromagnet oder zumindest teilweise als Teil eines solchen Elektromagneten ausgebildet ist, so dass der Steuerkolben 36 zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses besonders schnell verdichtet werden kann.
Weiterhin ist es möglich, dass der Steuerkolben 36 als Pneumatikkolben ausgeführt ist und durch Zufuhr oder Abfuhr von Druckluft in bzw. aus dem Zylinder betätigt wird. Die Zufuhr bzw. Abfuhr von Druckluft kann ebenso über einen Elektromagneten geregelt oder gesteuert werden, welcher besonders kurze Schaltzeiten aufweist und die schnelle Betätigung des Steuerkolbens 36 ermöglicht.
Darüber hinaus ist es möglich, dass der Steuerkolben 36 mittels eines Zahnrads, insbesondere eines Ritzels, betätigt wird, wobei der Steuerkolben 36 zumindest bereichsweise als Zahnstange mit einer Verzahnung ausgebildet ist, die zum Betätigen des Steuerkolbens 36 mit einer korrespondierenden Verzahnung des Zahnrads, insbesondere des Ritzels, zusammenwirkt.
Eine weitere, mögliche Ausführungsform ist, dass der Steuerkolben 36 mittels eines Nockens betätigt wird, wobei der Steuerkolben 36 zumindest bereichsweise als Stange ausgebildet ist, welche mit dem Nocken zum Betätigen des Steuerkolbens 36 zusammenwirkt.
Ferne kann der Steuerkolben 36 zumindest bereichsweise als Spindel ausgeführt sein und mittels eines Kugelgewindetriebs betätigt werden zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses.
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
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19955250 A1 [0002]
WO 01/34948 A1 [0003]
EP 1431559 A2 [0004]
DE 3825369 C1 [0005]
DE 102004031288 A1 [0006]
DE 10258872 A1 [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 sich in einem deaktivierten Betriebszustand befindende Hubkolbenmaschine mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis aktiviert wird, welches gegenüber einem vorhergehenden, aktivierten Betriebszustand der Hubkolbenmaschine eingestellten Verdichtungsverhältnis erhöht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich in dem aktivierten Betriebszustand befindende Hubkolbenmaschine mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis deaktiviert wird, welches gegenüber einem in dem aktivierten Betriebszustand eingestellten Verdichtungsverhältnis erhöht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis, mit welchem die sich in dem deaktivierten Betriebszustand befindende Hubkolbenmaschine aktiviert wird, bei einer der Aktivierung vorgehenden Deaktivierung der sich in dem vorhergehenden, aktvierten Betriebszustand befindenden Hubkolbenmaschine eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenmaschine mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis deaktiviert oder aktiviert wird, welches auch in einem aktivierten Betriebszustand der Hubkolbenmaschine zumindest temporär eingestellt 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 bei einer Deaktivierung der sich mit einem eingestellten Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Betrieb befindenden Hubkolbenmaschine ein demgegenüber unterschiedliches Verdichtungsverhältnis eingestellt wird, welches bei einer sich an die Deaktivierung anschließenden Aktivierung der Hubkolbenmaschine zumindest im Wesentlichen beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein gegenüber dem Verdichtungsverhältnis der sich in Betrieb befindenden Hubkolbenmaschine erhöhtes Verdichtungsverhältnis eingestellt wird.