DE102010032490A1

DE102010032490A1 - Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010032490A1
Application number: DE201010032490
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: WO2012013260A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16) als erstes Bauteil, an welchem ein Hebelelement (18) als zweites Bauteil drehbar gelagert ist, mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder als drittes Bauteil der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30) als viertes Bauteil, welcher über ein Pleuel (26) als fünftes Bauteil gelenkig mit dem Hebelelement (18) verbunden ist, und mit zumindest einer Stelleinrichtung (38), mittels welcher zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinder das Hebelelement (18) relativ zu dem Hubzapfen (16) drehbar ist, wobei die Hubkolbenmaschine wenigstens eine, zumindest teilweise fest an zumindest einem der Bauteile angeordnete Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher wenigstens eine Position dieses Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt erfassbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, eine Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
Aus der JP 63105244 A ist eine Hubkolbenmaschine als bekannt zu entnehmen, welche eine Einrichtung umfasst, mittels welcher ein Verdichtungsverhältnis eines Zylinders der Hubkolbenmaschine variabel einstellbar ist. In dem Zylinder ist ein Kolben der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar angeordnet, wobei unterhalb des Zylinders ein Sensor angeordnet ist, mittels welchem der untere Totpunkt des Kolbens in dem Zylinder erfassbar ist.
Die EP 1 143 127 B1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, in dem sich ein Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verschieben kann. Ferner umfasst der Verbrennungsmotor Mittel, um die Position des oberen Totpunkts zwischen vorbestimmten Grenzen variieren zu lassen, um gleichzeitig den Hub des Kolbens, die Position des unteren Totpunkts und korrelativ das Volumenverhältnis und den Motorhubraum in Abhängigkeit von den Verwendungsbedingungen des Motors variieren zu lassen. Dabei umfassen diese Mittel eine Pleuelstange, die einerseits am Kolben und andererseits an einer Hauptpleuelstange angelenkt ist, die sich an einer Kurbelwelle dreht, wobei die Hauptpleuelstange auch an einem Schwingarm angelenkt ist, der einen Schwinghebel bildet, welcher mit einer Einrichtung zur Regelung der Position des Schwingarms verbunden ist. Diese Einrichtung steuert die Positionen des oberen und unteren Totpunkts, wobei die Hauptpleuelstange einen kurzen Arm zwischen einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle und einer Achse der Pleuelstange und einen Langen Arm, der mit dem kurzen Arm einen Winkel zwischen ungefähr 100° und 130° festlegt und zwischen dem Kurbelzapfen und einer Anlenkachse an dem den Schwinghebel bildenden Schwingarm angeordnet ist, umfasst.
Aus der US 1 901 263 ist eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, welche einen Kolben sowie einen Kurbelzapfen umfasst. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine zwei Teile umfassende Kurbelstange sowie einen Hebel, welcher die zwei Teile der Kurbelstange miteinander verbindet. Des Weiteren ist eine Stelleinrichtung vorgesehen, mittels welcher die Position des Hebels und dadurch die operative Länge der Kurbelstange einstellbar ist.
Die bekannten Hubkolbenmaschinen weisen Potential auf, das Verdichtungsverhältnis präziser und bedarfsgerechter einzustellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hubkolbenmaschine mit zumindest einem variablen Verdichtungsverhältnis sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welche ein präziseres und bedarfsgerechteres Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, welche eine Kurbelwelle mit zumindest einem Hubzapfen als erstes Bauteil umfasst, welcher an welchem ein Hebelelement als zweites Bauteil drehbar gelagert ist. Ferner umfasst sie wenigstens einen in einem korrespondierenden Zylinder als drittes Bauteil der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben als viertes Bauteil, welcher über ein Pleuel als fünftes Bauteil gelenkig mit dem Hebelelement verbunden ist. Des Weiteren umfasst die Hubkolbenmaschine wenigstens eine Stelleinrichtung, mittels welcher zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders das Hebelelement relativ zu dem Hubzapfen drehbar ist.
Dabei ist vorgesehen, dass die Hubkolbenmaschine wenigstens eine, zumindest teilweise fest an zumindest einem der Bauteile angeordnete Erfassungseinrichtung umfasst, mittels welcher wenigstens eine Position dieses Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt erfassbar ist. Dieser Bezugspunkt kann dabei beispielsweise an einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Kurbelgehäuse, welches die Stelleinrichtung umgibt, oder an einem anderen der Bauteile angeordnet sein. Diese Erfassung der Position des entsprechenden Bauteils beziehungsweise eines die Position charakterisierenden Signals ermöglicht es, dass das eingestellte Verdichtungsverhältnis des Zylinders anhand der Position präzise ermittelt werden kann. Je nach eingestelltem Verdichtungsverhältnis nimmt das Bauteil eine oder während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine mehrere charakterisierende Positionen ein, anhand welcher beziehungsweise anhand welchen genau ein korrespondierendes Verdichtungsverhältnis zu identifizieren ist.
Dies ermöglicht es, zu überprüfen, ob ein gewünschtes, einzustellendes Verdichtungsverhältnis auch tatsächlich eingestellt ist, oder ob das eingestellte Verdichtungsverhältnis als Ist-Verdichtungsverhältnis von einem einzustellenden Soll-Verdichtungsverhältnis beispielsweise infolge eines Verschleißes der Verbrennungskraftmaschine, der Stelleinrichtung oder dergleichen abweicht. Infolge dessen ist eine Nachjustierung zur Einstellung des tatsächlich gewünschten Verdichtungsverhältnisses möglich, so dass das Verdichtungsverhältnis des Zylinders sehr präzise und damit bedarfsgerecht eingestellt werden kann und somit die Verbrennungskraftmaschine zumindest nahezu stets effizient, emissions- und energieverbrauchsarm, insbesondere kraftstoffverbrauchsarm, betrieben werden kann.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei der Hubkolbenmaschine um eine Verbrennungskraftmaschine handeln kann, wobei in dem Zylinder Verbrennungsvorgänge ablaufen und eine translatorische Bewegung des Kolbens über den Hubzapfen in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgesetzt werden. Ebenso möglich ist, dass es sich bei der Hubkolbenmaschine um eine anderweitige Hubkolbenmaschine wie beispielsweise einen Kolbenverdichter zur Verdichtung von Luft handelt.
Bevorzugterweise weist die Hubkolbenmaschine eine Mehrzahl von Zylindern auf, wobei jedem der Zylinder jeweils wenigstens eine solche Stelleinrichtung zugeordnet ist. Dies ermöglicht es, dass die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder mittels der entsprechenden Stelleinrichtung bedarfsgerecht einstellbar sind und somit die Hubkolbenmaschine mit Verdichtungsverhältnissen der Zylinder betreibbar ist, wobei sich die Verdichtungsverhältnisse voneinander unterscheiden. Ebenso möglich ist es jedoch auch, die Verdichtungsverhältnisse der einzelnen Zylinder derart einzustellen, dass sie sich nicht voneinander unterscheiden sondern zumindest annähernd gleiche Werte aufweisen. Durch diese, so realisierte zylinderindividuelle Einstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse kann jeder Zylinder für sich an einen vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine angepasst werden, woraus ein effizienter, emissions- und energieverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine resultiert. Die jeweilige Erfassungseinrichtung ermöglicht es dabei, dass eingestellte Verdichtungsverhältnis des jeweiligen Zylinders anhand der Position des entsprechenden Bauteils zu ermitteln und diese Position beziehungsweise das die Position charakterisierende Signal zu nutzen, um das Verdichtungsverhältnis präzise und bedarfsgerecht einzustellen und gegebenenfalls auf die geschilderte Art und Weise nachzujustieren. Insbesondere ermöglicht es diese zylinderindividuelle Verstellung bzw. Einstellung der Verdichtungsverhältnisse durch dann hinreichend große Zeitfenster Gas- und- Massenkräfte in den Zylindern unabhängig voneinander für die oben geschilderte, passive Einstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse zu nutzen, also ohne Aufwendung zusätzlicher Energie zum Einstellen der Verdichtungsverhältnisse.
Die Stelleinrichtung umfasst beispielsweise einen Steuerkolben mit einem Kolben und einer fest mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange, welche mit dem Hebelelement verbunden ist und über welche das Hebelelement relativ zu dem Hubzapfen zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses drehbar ist. Der Steuerkolben ist beispielsweise als Hydraulikkolben ausgebildet und in einem Zylinder verschiebbar geführt angeordnet und durch eine Beaufschlagung des Zylinders mit einem Hydraulikmedium, insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit, verschiebbar. Die Beaufschlagung, also Zufuhr von Hydraulikmedium in den Zylinder oder aus dem Zylinder heraus erfolgt beispielsweise über einen Elektromagneten und/oder mittels einer Pumpe. Ebenso möglich ist, dass der Steuerkolben zumindest teilweise als Elektromagnet ausgebildet ist und gemäß dem Wirkprinzip eines Elektromagneten betätigbar ist. Im Gegensatz zu solch einer aktiven Einstellung ist auch eine passive Einstellung möglich, bei welcher der Kolben bewegt wird infolge von Gas- und Massenkräften der Hubkolbenmaschine, die beispielsweise über einen Kolben in dem Zylinder auf den Steuerkolben und damit auf den Kolben der Stelleinrichtung wirken. Der Kolben der Stelleinrichtung wird durch das Hydraulikmedium und Ventileinrichtungen, beispielsweise Rückschlagventile, welche über anderweitige Steuerventile, beispielsweise einen Steuerschieber mit Steuerkanten, welche Leitungen für das Hydraulikmedium 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. Dadurch ist eine selbstsaugende Stelleinrichtung dargestellt, bei welcher der Kolben der Stelleinrichtung Hydraulikmedium aus einem Arbeitsraum verdrängt und/oder in den oder in einen weiteren Arbeitsraum einsaugt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Steuerkolben als Pneumatikkolben ausgebildet und in einem Zylinder verschiebbar geführt gehalten, wobei der Steuerkolben durch Beaufschlagung des Zylinders mit Druckluft bewegbar ist. Dabei ist es ebenso möglich, die Beaufschlagung des Zylinders mit Druckluft, also die Zufuhr von Druckluft in den Zylinder beziehungsweise aus dem Zylinder heraus mittels eines Elektromagneten zu steuern. In jeglicher Hinsicht birgt der Einsatz eines Elektromagneten den Vorteil, dass der Steuerkolben besonders schnell betätigbar und damit das Verdichtungsverhältnis besonders schnell einstellbar und auf einen vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine, insbesondere auf wechselnde Betriebspunkte der Hubkolbenmaschine, anpassbar ist. Dies bewirkt einen besonders effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine.
Darüber hinaus ist es möglich, den Steuerkolben über ein Zahnrad, insbesondere ein Ritzel, zu betätigen, wobei der Steuerkolben zumindest bereichsweise als Zahnstange mit einer Verzahnung ausgebildet ist, welche mit einer korrespondierenden Verzahnung des Zahnrads zumindest zum Betätigen des Steuerkolbens zusammenwirkt. Ferner ist es möglich, dass der Steuerkolben über einen Nocken betätigbar ist, wobei der Steuerkolben zumindest bereichsweise als Stange ausgebildet ist. In einer weiteren Ausführungsform ist der Steuerkolben als Spindel ausgeführt und mittels eines Kugelgewindesiebs betätigbar.
Vorteilhafterweise wird zur Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses anhand der erfassten Position des entsprechenden Bauteils zu dem Bezugspunkt die erfasste Position in Bezug zu einer erfassten Drehstellung der Kurbelwelle und damit des Hubzapfens gesetzt. Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise auch zumindest eine Drehstellung der Kurbelwelle, welche auch als Gradkurbelwinkel bezeichnet wird, mittels einer Erfassungseinrichtung erfasst. Dies ermöglicht es, das eingestellte Verdichtungsverhältnis exakt anhand der Abhängigkeit von der erfassten Position des Bauteils in dessen Bezug zu der erfassten Drehstellung der Kurbelwelle und damit des Hubzapfens zu identifizieren. Dies vermeidet eine etwaige Mehrdeutigkeit der erfassten Position beziehungsweise des der Position des Bauteils charakterisierenden und erfassten Signals für das eingestellte Verdichtungsverhältnis.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Erfassungseinrichtung zumindest teilweise fest an dem Zylinder angeordnet, wobei mittels der Erfassungseinrichtung wenigstens eine Position des Kolbens relativ zu dem Zylinder erfassbar ist. Mit anderen Worten ist der Bezugspunkt an dem Zylinder angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist es beispielsweise möglich, den oberen und/oder den unteren Totpunkt des Kolbens zu erfassen und dadurch das eingestellte Verdichtungsverhältnis zu ermitteln. Ebenso möglich ist es, eine Eintauchtiefe des Kolbens in den Zylinder zu erfassen und so sehr präzise das eingestellte Verdichtungsverhältnis zu ermitteln. In der Folge ist es möglich, etwaig und beispielsweise anhand eines Vergleichs eines Soll-Verdichtungsverhältnisses mit dem ermittelten Ist-Verdichtungsverhältnisses ermittelte Abweichungen zu korrigieren und so das Verdichtungsverhältnis des Zylinders äußerst präzise einzustellen, was mit einem sehr effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.
Eine besonders präzise Erfassung der Position des Bauteils ist möglich, wenn die Erfassungseinrichtung als Wirbelstromsensor ausgebildet ist. Ebenso möglich ist es, dass die Erfassungseinrichtung als Inkrementalgeber ausgebildet ist, welcher eine besonders präzise Erfassung der Position des Bauteils ermöglicht. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Inkrementalgeber zur Erfassung der Position des Bauteils relativ zu dem Bezugspunkt mit einer fest an diesem Bauteil angeordneten, mäanderförmigen Geberstruktur zusammen wirkt. Dadurch ist eine besonders präzise Erfassung der Position und damit eine besonders präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses auch über eine hohe Lebensdauer und bei einem Verschleiß der Hubkolbenmaschine hinweg gewährleistet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mittels der Erfassungseinrichtung wenigstens eine Drehstellung des Hebelelements relativ zu dem Hubzapfen erfassbar, wobei die Erfassungseinrichtung zumindest teilweise an dem Hebelelement und/oder zumindest teilweise an dem Hubzapfen angeordnet ist. Dies ermöglicht es, auf eine Wirkung der Betätigung des Hebelelements durch die Stelleinrichtung und damit auf eine etwaige Fehlfunktion oder Unförmigkeiten bei der Einstellung des Verdichtungsverhältnisses rückzuschließen und diese Fehlfunktion beziehungsweise diese Unförmigkeiten gegebenenfalls zu kompensieren, in dem die Stelleinrichtung nachgesteuert beziehungsweise nachgeregelt wird, bis sich eine das einzustellende Soll-Verdichtungsverhältnis charakterisierende Soll-Drehstellung des Hebelelements relativ zu dem Hubzapfen eingestellt hat.
Eine weitere Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis sehr präzise zu ermitteln und dementsprechend präzise einzustellen ist, wenn mittels der Erfassungseinrichtung wenigstens eine Drehstellung des Kolbens relativ zu dem Pleuel erfassbar ist. Insbesondere in Verbindung mit der zuvor geschilderten Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Drehstellung der Kurbelwelle beziehungsweise des Hubzapfens, welcher als Lagerung für den Kolben fungiert, ist eine genaue Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses und infolge dessen eine präzise Einstellung desselbigen ermöglicht.
Darüber hinaus ist es möglich, dass die Erfassungseinrichtung zumindest teilweise fest an dem Pleuel angeordnet ist, was ebenso eine besonders präzise Erfassung beziehungsweise Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von der erfassten Position des Pleuels zu dem Bezugspunkt ermöglicht.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die zumindest teilweise Anordnung der Erfassungseinrichtung an einem der Bauteile je nach Bedarfsfall sowie in Abhängigkeit von gegebenen Bauraumverhältnissen auszuwählen ist. Ebenso möglich ist, die unterschiedlichen Anordnungen der Erfassungseinrichtung miteinander zu kombinieren, um somit eine sehr präzise Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses zu realisieren.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Erfassungseinrichtung eine Geberplatte, welche fest mit dem Pleuel oder an einem sich relativ dazu bewegenden Bauteil oder einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine angeordnet ist, wobei die Erfassungseinrichtung mäanderförmig ausgebildet sein kann und so die Erzeugung eines die Position des Bauteils, insbesondere des Pleuels, sehr präzise charakterisierenden Signals ermöglicht.
Ist die Erfassungseinrichtung als Hall-Sensor ausgebildet, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch eine besonders präzise Erfassung der Position des Bauteils beziehungsweise des die Position charakterisierenden Signals ermöglicht ist. Dabei umfasst der Hall-Sensor bevorzugt ein fest am Bauteil, insbesondere am Pleuel oder am Zylinder, angeordnetes, magnetisches Geberteil, insbesondere eine Geberplatte, sowie ein fest am Zylinder oder am Pleuel angeordnetes Erfassungsteil, insbesondere eine Erfassungsplatte. Führt das Bauteil, dessen Position zu ermitteln ist, eine Schwenkbewegung um eine Schwenkachse aus, da sich das Bauteil während des Betriebs der Hubkolbenmaschine bewegt, und für führt dies zu einer Schwenkbewegung des Geberteils relativ zu dem Erfassungsteil, so ist es von Vorteil, wenn das magnetische Geberteil und/oder das Erfassungsteil zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet sind, wobei der Mittelpunkt dieser Krümmung vorteilhafterweise zumindest im Wesentlichen auf der Schwenkachse liegt. So werden Winkelfehler infolge der Schwenkbewegung relativ zu dem magnetischen Geberteil zumindest reduziert und die Position des entsprechenden Bauteils ist besonders präzise zu erfassen. Dabei ist von Vorteil, wenn auch das Magnetfeld des magnetischen Geberteils der Krümmung entsprechend gekrümmt und damit zumindest bereichsweise bogenförmig ausgebildet ist.
Ferner ist es möglich, dass die Erfassungseinrichtung zumindest teilweise fest an dem Kolben angeordnet ist, so dass beispielsweise die Position des Kolbens relativ zu den Zylinder erfassbar ist. Dies ermöglicht besonders präzise Ermittlungen des eingestellten Verdichtungsverhältnisses und damit die präzise Einstellung und gegebenenfalls eine Nachjustierung desselbigen.
Eine weitere Möglichkeit, die Position des entsprechenden Bauteils relativ zu dem Bezugspunkt besonders präzise zu ermitteln ist, wenn die Erfassungseinrichtung als optische Erfassungseinrichtung oder als Ultraschallerfassungseinrichtung ausgebildet ist. Auch in dieser Ausführungsform ist eine berührungslose Erfassung der Position des Bauteils ermöglicht, so dass die Bewegung des Bauteils relativ zu dem Bezugspunkt beziehungsweise zu einem anderen Bauteil oder zu einem Gehäuse beispielsweise in Form einer Reibungserhöhung nicht negativ beeinträchtigt ist. Gleichzeitig ist auch dadurch das eingestellte Verdichtungsverhältnis sehr genau zu ermitteln und infolge dessen das Verdichtungsverhältnis genau und bedarfsgerecht einzustellen.
Dabei umfasst die Erfassungseinrichtung wenigstens ein fest an dem Bauteil, insbesondere dem Kolben, oder ein relativ zu dem Bauteil, insbesondere einem Kolben, bewegbares Reflektionsteil, mittels welchem von der Erfassungseinrichtung ausgesandte Strahlen reflektiert werden können, die dann mittels eines Sensors der Erfassungseinrichtung erfasst werden können. So ist besonders präzise, die Position des Bauteils erfassbar, da beispielsweise die Dauer von dem Zeitpunkt des Aussendens der Strahlen bis zu dem Erfassen der durch die Reflektionsplatte reflektierten Strahlen erfasst und auf den Abstand des Bauteils von dem Sensor rückgeschlossen wird. Insbesondere die optische Erfassungseinrichtung ermöglicht eine sehr schnelle Erfassung der Position beziehungsweise des die Position charakterisierenden Signals während des Betriebs der Hubkolbenmaschine. Ebenso ist es möglich, das Reflektionsteil schrägein zu einer Bewegungsrichtung des Stellteils anzuordnen, woraus eine entsprechende Strahlauslenkung der Strahlen resultiert.
Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst die Hubkolbenmaschine wenigstens ein einerseits mit dem Kolben gelenkig und andererseits an einer Lagerstelle insbesondere an einem Gehäuse und insbesondere an dem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine drehbar gelagertes Zusatzgestänge. Mittels der Erfassungseinrichtung ist wenigstens eine Drehstellung des Zusatzgestänges relativ zu dessen Lagerstelle erfassbar ist. Dies stellt eine weitere Möglichkeit dar, das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit der Drehstellung des Zusatzgestänges präzise zu ermitteln und zur Steuerung beziehungsweise Regelung des einzustellenden Verdichtungsverhältnisses zu nutzen, um somit einen effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine zu gewährleisten. Dabei ist es von Vorteil, die Drehstellung des Zusatzgestänges relativ zu dessen Lagerstelle in Bezug zu dem erfassten Gradkurbelwinkel und damit der erfassten Drehstellung des Hubzapfens zu setzen, um das eingestellte Verdichtungsverhältnis aussagekräftig und eindeutig beispielsweise anhand von in Tabellen, insbesondere Kennfeldern, hinterlegten Kennwerten zu ermitteln. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle und mit zumindest einem Hubzapfen als erstes Bauteil, an welchem ein Hebelelement als zweites Bauteil drehbar gelagert ist, und mit wenigsten einem in einem korrespondierenden Zylinder als drittes Bauteil der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben als viertes Bauteil, welcher über ein Pleuel als fünftes Bauteil gelenkig mit dem Hebelelement verbunden ist. Bei dem Verfahren wird das Hebelelement zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders mittels einer Stelleinrichtung relativ zu dem Hubzapfen gedreht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten beiden Aspekte sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts und umgekehrt anzusehen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Abhängigkeit von zumindest einer, mittels wenigstens einer zumindest teilweise fest an einem der Bauteile angeordneten Erfassungseinrichtung erfassten Position dieses Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt ermittelt wird. Wie bereits zu den ersten beiden Aspekten der Erfindung geschildert, ist dadurch eine präzise und aussagekräftige Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnis als Ist-Verdichtungsverhältnis ermöglicht. Infolge dessen kann das Ist-Verdichtungsverhältnis mit einem einzustellenden und gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnis verglichen werden und gegebenenfalls Nachsteuerung beziehungsweise Nachregelungen durchgeführt werden, um das Ist-Verdichtungsverhältnis höchst genau an das gewünschte Soll-Verdichtungsverhältnis anzupassen.
Dies gewährleistet eine bedarfsgerechte und sehr präzise Anpassung der Hubkolbenmaschine an einen vorliegenden Betriebspunkt derselbigen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Hubkolbenmaschine, wie bereits geschildert, eine Mehrzahl von Zylindern umfasst, deren Verdichtungsverhältnisse zylinderindividuell unabhängig voneinander variabel geregelt oder gesteuert stufenweise oder kontinuierlich mittels der jeweiligen Stelleinrichtung einstellbar sind. Dadurch kann jeder Zylinder beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis der einzelnen Zylinder für sich an den vorliegenden Betriebspunkt und gegebenenfalls an den aktuellen Takt des Zylinders beziehungsweise des Kolbens angepasst und so ein besonders effizienter Betrieb der Hubkolbenmaschine realisiert werden.
So ist es ohne Weiteres zu besonders genauen Ermittlungen und damit Einstellungen des Verdichtungsverhältnisses möglich, das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Abhängigkeit von zumindest einer, mittels der Erfassungseinrichtung erfassten Drehstellung des Hebelelements relativ zu dem Hubzapfen zu ermitteln. Ebenso ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von wenigstens einer, mittels wenigstens einer weiteren Erfassungseinrichtung erfassten Drehstellung des Kolbens relativ zu dem Pleuel zu ermitteln. Ferner ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von wenigstens einer erfassten Drehstellung einer einerseits mit dem Kolben gelenkig und andererseits an einer Lagerstelle drehbar gelagerten Zusatzgestänges relativ zu dessen Lagerstelle zu ermitteln. Darüber hinaus kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Abhängigkeit von wenigstens einer, mittels zumindest einer wenigstens teilweise fest an dem Pleuel angeordneten Erfassungseinrichtung erfassten Position des Pleuels ermittelt werden. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von wenigstens einer, mittels zumindest einer wenigstens teilweise fest an dem Kolben angeordneten Erfassungseinrichtung erfassten Position des Kolbens ermittelt wird.
Eine besonders aussagekräftige und genaue Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses ist dann möglich, wenn die geschilderten Arten zur Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses zumindest teilweise miteinander kombiniert und gegebenenfalls gegenseitig verglichen und abgeglichen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer 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 nut in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht eines Kurbeltriebs für eine Hubkolbenmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern und den Zylindern zugeordneten Kolben, wobei mittels des Kurbeltriebs jeweilige Verdichtungsverhältnisse der Zylinder zylinderindividuell unabhängig voneinander einstellbar sind;
2 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht des Kurbeltriebs gemäß 1 mit einer Prinzipskizze zur Erfassung einer Stellung eines Steuerkolbens einer Stelleinrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, wobei anhand der erfassten Stellung des Steuerkolbens das eingestellte Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders ermittelt wird;
3 jeweils eine schematische Seitenansicht zweier Ausführungsformen des Kurbeltriebs gemäß 2 mit der dazugehörigen Prinzipskizze zur Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit eines oberen beziehungsweise unteren Totpunkt des Kolbens;
4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß 3 mit der dazugehörigen Prinzipskizze zur Erfassung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einer Eintauchtiefe eines Kolbens des Kurbeltriebs in den zugehörigen Zylinder;
5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß 4 mit der dazugehörigen Prinzipskizze zur Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einer Drehstellung eines Zusatzgestänges des Kurbeltriebs;
6 jeweils eine schematische Seitenansicht zweier Ausführungsformen des Kurbeltriebs gemäß 5 mit der dazugehörigen Prinzipskizze zur Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einer Position eines Pleuels des Kurbeltriebs; und
7 jeweils eine schematische Seitensicht zweier Ausführungsformen des Kurbeltriebs gemäß 6 mit der dazugehörigen Prinzipskizze zur Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einer Position eines Kolbens des Kurbeltriebs.
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 beziehungsweise Verstellung des oberen Totpunkts des Kolbens 30 im Zylinder und damit zu einer Verstellung beziehungsweise Einstellung des Kompressionsvolumens v_c des entsprechenden Zylinders. Die Verstellung des Steuerkolbens 36 wirkt sich auch auf den Hub und damit das Hubvolumen v_H des Kolbens 30 aus. Das Hubvolumen v_H reduziert sich bei steigendem Verdichtungsverhältnis, was im Sinne des Downsizing-Konzepts erwünscht ist. Daraus resultiert ein entsprechendes Verdichtungsverhältnis, welches auch als ε bezeichnet wird.
Wie bereits angedeutet, ist vorteilhafterweise jedem der Zylinder der Hubkolbenmaschine eine derartige Stelleinrichtung 38 zugeordnet, mittels welcher das Verdichtungsverhältnisses des entsprechenden Zylinders unabhängig von den 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 beziehungsweise dieses zu ermitteln. Ein die Stellung beziehungsweise 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 beziehungsweise einer Steuerstange dieses relativ zu einem Bezugspunkt und/oder den Hub des Steuerkolbens 36 beziehungsweise 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 beziehungsweise 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 beziehungsweise 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 das Verdichtungsverhältnis präzise zu ermitteln und zwar in Abhängigkeit von einer mittels des Sensors 50 erfassten Eintauchtiefe des Kolbens 30 in den Zylinder und/oder durch die Erfassung des oberen und/oder des unteren Totpunkts des Kolbens 30 durch den Sensor 50. Dazu umfasst der Sensor 50 einen Wirbelstromsensor 68 und/oder einen Wirbelstromsensor 68', welcher beispielsweise an dem durch ein Gehäuse der Hubkolbenmaschine gebildeten Zylinder angeordnet ist und zu welchem der Kolben 30 relativ bewegbar ist.
Der Kurbeltrieb gemäß 4 umfasst ein Zusatzgestänge 70 mit einem ersten Hebelelement und mit einem gelenkig mit dem ersten Hebelelement 72 verbundenen zweiten Hebelelement 74, wobei die Hebelelemente 72 und 74 um eine gemeinsame Drehachse 76 drehbar sind. Das Zusatzgestänge 70 ist einerseits über das Hebelelement 72 um eine Drehachse 78 an dem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine drehbar gelagert. Andererseits ist das Zusatzgestänge 70 über das Hebelelement 74 gelenkig mit dem Pleuel 26 verbunden. Der Sensor 50 umfasst nun einen Drehsensor, welcher zumindest eine Drehstellung des Zusatzgestänges 70 bei der Drehung um die Drehachse 78 gemäß einem Richtungspfeil 80 erfasst und gegebenenfalls in Zusammenhang mit einer Drehstellung des Hubzapfens 16 beziehungsweise einer Drehstellung der Kurbelwelle 12, welche auch als Gradkurbelwinkel bezeichnet wird, eine genaue Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses ermöglicht.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass der Sensor 50 einen Drehsensor umfasst, welcher eine Drehstellung des Kolbens 30 relativ zu dem Pleuel 26 bei einer Drehung des Kolbens 30 um eine dem Kolben 30 und dem Pleuel 26 gemeinsame Drehachse 32 gemäß einem Richtungspfeil 84 erfasst und gegebenenfalls in Zusammenhang beziehungsweise Abhängigkeit von dem Gradkurbelwinkel ([°KW], Drehstellung der Kurbelwelle 12) die Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses sehr präzise ermöglicht.
Der Sensor 50 des Kurbeltriebs 10 gemäß 5 umfasst eine mit dem Pleuel 26 fest verbundene und mäanderförmige Struktur 86, welche sich während des Betriebs der Hubkolbenmaschine mit dem Pleuel 26 mit bewegt. Diese Bewegung und damit die Position des Pleuels 26 beziehungsweise der mäanderförmigen Struktur 86 ist durch ein Erfassungsteil 88 des Sensors 50 erfassbar, wodurch ein die Position des Pleuels 26 relativ zu dem Erfassungsteil 88 charakterisierendes Signal erfassbar beziehungsweise erzeugbar ist, wobei in Abhängigkeit von diesem Signal das eingestellte Verdichtungsverhältnis präzise zu ermitteln ist. Dies ermöglicht insbesondere die kontinuierliche Erfassung der Position des Kolbens 30 in dem Zylinder durch die Erfassung der Position des Pleuels 26.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Sensor 50 als Hall-Sensor ausgebildet ist und eine magnetisierte Geberplatte 90 umfasst, welche fest mit dem Pleuel 26 verbunden ist und sich dementsprechend während des Betriebs der Hubkolbenmaschine mit dem Pleuel 26 mitbewegt. Zum anderen umfasst der Hall-Sensor ein Erfassungsteil 88', welches beispielsweise an dem Zylinder beziehungsweise an dem Gehäuse und insbesondere an einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine angeordnet ist. Mit anderen Worten bewegt sich die magnetisierte Geberplatte 90 relativ zu dem Erfassungsteil 88', so dass basierend auf dem Hall-Effekt die Stellung des Pleuels 26 und damit das eingestellte Verdichtungsverhältnis präzise erfassbar ist.
Gemäß 6 ist der Sensor 50 als optische Erfassungseinrichtung oder als Ultraschallerfassungseinrichtung ausgebildet, welche ein Strahlen aussendendes Geberteil 92 sowie eine Reflektionsplatte 94 umfasst. Das Geberteil 92 ist beispielsweise am Kurbelgehäuse oder am Kolben 30 angeordnet und sendet Strahlen aus, was durch eine strichlierte Linie 96 dargestellt ist. Die ausgesendeten Strahlen werden durch die Reflektionsplatte 94 reflektiert und durch ein Erfassungsteil 88 erfasst. Beispielsweise durch Messung der Zeitdauer vom Aussenden der Strahlen bis zum Erfassen der reflektierten Strahlen kann auf die Position des Kolbens 30 rückgeschlossen werden, wobei die Reflektionsplatte 94 beispielsweise am Kolben 30 oder am Kurbelgehäuse befestigt ist. Ebenso möglich ist, die Reflektionsplatte 94 schräg insbesondere zu dem Pleuel 92 oder zu der Richtung, in welche die Strahlen ausgesandt werden, angeordnet ist, sodass die Reflektionsplatte 94 die Strahlen oder einen Strahl aufgrund der Bewegung des Kolbens 30 korrespondierend zu dem eingestellten Verdichtungsverhältnis umlenkt. Dabei wird das die Stellung des Kolbens 30 charakterisierenden Signal durch eine von einem Arbeitshub des Kolbens 30 (während des Betriebs der Hubkolbenmaschine) verursachte Strahlablenkung erzeugt.
Gemäß 7 umfasst der Sensor 50 ein Erfassungsteil 88, welches mittels einer mäanderförmigen Struktur 86 zusammenwirkt. Die mäanderförmige Struktur 86 ist dabei fest mit dem Kolben 30 verbunden und führt die translatorischen Bewegung des Kolbens 30 in dem Zylinder aus, wobei der Kolben 30 und damit die mäanderförmige Struktur 86 gemäß einem Richtungspfeil 98 translatorisch relativ zu dem Erfassungsteil 88 bewegbar ist. Das Erfassungsteil 88 ist beispielsweise an dem Zylinder und insbesondere an dem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine festangeordnet. Der Sensor 50 ist gemäß 7 als Inkrementalgeber ausgebildet, wobei das Erfassungsteil 88 beispielsweise auf Höhe des unteren Totpunkts des Kolbens 30 angeordnet ist und in Zusammenwirken der mäanderförmigen Struktur 86 die Eintauchtiefe des Kolbens 30 in den Zylinder erfassen kann, was eine präzise Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnis ermöglicht.
Bezugszeichenliste

10: Kurbeltrieb
12: Kurbelwelle
14: Kurbelwange
16: Hubzapfen
18: Querhebel
20: Hebelelement
22: Hebelelement
24: Lagerstelle
25: Drehachse
26: Pleuel
28: Drehachse
30: Kolben
32: Lagerstelle
34: Lagerstelle
36: Steuerkolben
38: Stelleinrichtung
40: Drehachse
41: Gehäuse
42: Schwenkachse
43: Richtungspfeil
44: Richtungspfeil
46: Richtungspfeil
48: Richtungspfeil
50: Sensor
52: Richtungspfeil
54: Positionsregelung
56: Regelungseinrichtung
58: Verbrennungsregelung
60: Rückmeldung
62: Vorgabe
64: Systemgrößen
65: Ansteuerung
66: Aktor
68, 68': Wirbelstromsensor
70: Zusatzgestänge
72: Hebelelement
74: Hebelelement
76: Drehachse
78: Drehachse
80: Richtungspfeil
82: Drehachse
84: Richtungspfeil
86: mäanderförmige Struktur
88, 88': Erfassungsteil
90: magnetisierte Geberplatte
92: Geberteil
94: Reflektionsplatte
96: strichlierte Linie
98: Richtungspfeil
h₁: Hebel
h₂: Hebel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 63105244 A [0002]
EP 1143127 B1 [0003]
US 1901263 [0004]

Claims

Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16) als erstes Bauteil, an welchem ein Hebelelement (18) als zweites Bauteil drehbar gelagert ist, mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder als drittes Bauteil der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30) als viertes Bauteil, welcher über ein Pleuel (26) als fünftes Bauteil gelenkig mit dem Hebelelement (18) verbunden ist, und mit zumindest einer Stelleinrichtung (38), mittels welcher zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinder das Hebelelement (18) relativ zu dem Hubzapfen (16) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenmaschine wenigstens eine, zumindest teilweise fest an zumindest einem der Bauteile angeordnete Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher wenigstens eine Position dieses Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt erfassbar ist.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) zumindest teilweise fest an dem Zylinder angeordnet ist, wobei mittels der Erfassungseinrichtung (50) wenigstens eine Position des Kolbens (30) relativ zu dem Zylinder erfassbar ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) als Wirbelstromsensor (68, 68') ausgebildet ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinrichtung (50) wenigstens ein Totpunkt, insbesondere ein oberer und/oder unterer Totpunkt, des Kolbens (30) erfassbar ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinrichtung (50) wenigstens eine Drehstellung des Hebelelements (18) relativ zum Hubzapfen (16) erfassbar ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinrichtung (50) wenigstens eine Drehstellung des Kolbens (30) relativ zu dem Pleuel (26) erfassbar ist.
Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) als Hall-Sensor ausgebildet ist.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor ein fest am Bauteil, insbesondere am Pleuel (26) oder am Zylinder, angeordnetes, magnetisches Geberteil (90), insbesondere eine Geberplatte, sowie ein fest an einem weiteren Bauteil der Hubkolbenmaschine, insbesondere am Zylinder oder am Pleuel (26), angeordnetes Erfassungsteil (88'), insbesondere eine Erfassungsplatte, umfasst.
Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16), an welchem ein Hebelelement (18) drehbar gelagert ist, mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30), welcher über ein Pleuel (26) gelenkig mit dem Hebelelement (18) verbunden ist, und mit zumindest einer Stelleinrichtung (38), mittels welcher zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinder das Hebelelement (18) relativ zu dem Hubzapfen (16) drehbar ist, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenmaschine wenigstens ein einerseits mit dem Kolben (30) gelenkig und andererseits an einer Lagerstelle drehbar gelagertes Zusatzgestänge (70) sowie wenigstens eine Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher wenigstens eine Drehstellung des Zusatzgestänges (70) relativ zu dessen Lagerstelle erfassbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16) als erstes Bauteil, an welchem ein Hebelelement (18) als zweites Bauteil drehbar gelagert ist, und mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder als drittes Bauteil der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30) als viertes Bauteil, welcher über ein Pleuel (26) als fünftes Bauteil gelenkig mit dem Hebelelement (18) verbunden ist, bei welchem das Hebelelement (18) zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders mittels einer Stelleinrichtung (38) relativ zu dem Hubzapfen (16) gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Abhängigkeit von zumindest einer, mittels wenigstens einer zumindest teilweise fest an einem der Bauteile angeordneten Erfassungseinrichtung (50) erfassten Position dieses Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt ermittelt wird.