DE102010045895A1 - Vorrichtung und Verfahren zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen einer Hubkolbenmaschine - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen einer Hubkolbenmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen einer Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle (2) mit mindestens einem Hubzapfen (4), an welchem ein mit einem korrespondierenden Pleuel (7) verbundenes Hebelelement (Querhebel 5) gelagert ist und mit zumindest einer Stelleinrichtung (12), mittels welcher das Hebelelement (Querhebel 5) zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem Hubzapfen (4) einstellbar ist, wobei mindestens ein elektronisches Steuergerät (14) zur Ansteuerung von mindestens einer Betriebseinrichtung der Hubkolbenmaschine, insbesondere der Stelleinrichtung (12) vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ein erstes Steuergerät (14) mit einem zweiten Steuergerät (15) datentechnisch verbunden, wobei das erste Steuergerät (14) eine vorgegebene Anzahl von Basisfunktionen (FB) zum Betrieb der Hubkolbenmaschine umfasst und das zweite Steuergerät (15) eine Anzahl von maschinen-individuellen Betriebsfunktionen (FM) zur Steuerung einer oder mehrerer Verbrennungsprozessgrößen umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen einer Hubkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen einer Hubkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
  • Aus der DE 100 32 931 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer mehrzylindrigen Viertakt-Brennkraftmaschine mit zylinderselektiver Kraftstoffeinspritzung als bekannt zu entnehmen, wobei im Betrieb der Brennkraftmaschine den Zylindern zuzuordnende Schalldruckintensitäten gemessen werden. Für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine werden die Kraftstoffeinspritzungen variierende Korrekturwerte bestimmt, welche die Angleichung der Schalldruckintensitäten der Zylinder bewirken.
  • Die DE 100 44 604 A1 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen eines an harmonischen Frequenzen reichen, sportlich klingenden Ansaug- und/oder Auspuffgeräusches bei Viertaktmotoren, denen ein Ansaugsystem oder eine Abgasanlage zugeordnet ist. Dabei wird die Öffnungscharakteristik wenigstens eines Einlassventils und/oder wenigstens eines Auslassventils gegenüber der Öffnungscharakteristik der übrigen Ventile verändert.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen einer Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welche eine bedarfsgerechte Einstellung eines sehr guten Geräuschverhaltens der Verbrennungskraftmaschine ermöglichen.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Patentanspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Vorrichtung zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen einer Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle mit mindestens einem Hubzapfen, an welchem ein mit einem korrespondierenden Pleuel verbundenes Hebelelement gelagert ist, und mit zumindest einer Stelleinrichtung, mittels welcher das Hebelelement zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem Hubzapfen einstellbar ist, umfasst mindestens ein elektronisches Steuergerät zur Ansteuerung von mindestens einer Betriebseinrichtung der Hubkolbenmaschine, insbesondere der Stelleinrichtung. Erfindungsgemäß ist ein erstes Steuergerät mit einem zweiten Steuergerät datentechnisch verbunden, wobei das erste Steuergerät eine vorgegebene Anzahl von Basisfunktionen zum Betrieb der Hubkolbenmaschine umfasst und das zweite Steuergerät eine Anzahl von maschinen-individuellen, insbesondere zylinder-individuellen Betriebsfunktionen zur Steuerung einer oder mehrerer Verbrennungsprozessgrößen umfasst.
  • Durch eine solche Trennung herkömmlicher Basisfunktionen der Hubkolbenmaschine, wie Einspritzung und Zündung, von maschinen-individuellen Betriebsfunktionen, wie Verbrennungsregelung, Bremsraumdrucksteuerung, sind speicherintensive Funktionen für den Betrieb der Hubkolbenmaschine autark ausführbar und somit ausgelagert und gekapselt. Ein solcher modularer Aufbau der Steuerung der Hubkolbenmaschine ermöglicht eine deutliche Entlastung der Rechnereinheit und des Speicherbedarfs des ersten Steuergerätes, welches üblicherweise auch als Motorsteuergerät bezeichnet wird. Mittels des zweiten, individuellen Steuergeräts kann die Steuerung der Hubkolbenmaschine um weitere Funktionen, wie Einstellung von variablen Verdichtungsverhältnissen (= variables Epsilon), Turboladerdrehzahlerfassung, und/oder mit zusätzlichen Betriebseinrichtungen, wie Sensoren und Aktoren, erweitert werden, ohne die Basisfunktionen und das erste Steuergerät zu verändern.
  • Darüber hinaus ermöglicht das zweite Steuergerät mit den maschinen-individuellen Betriebsfunktionen eine bedarfsgerechte Anpassung des/der Verdichtungsverhältnisse an einen vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine. Dies geht einher mit einem äußerst geringen Kraftstoffverbrauch und damit mit geringen CO2-Emissionen.
  • Darüber hinaus sind zylinder-individuell variable Verdichtungsverhältnisse einstellbar, wodurch eine vorgegebene Klangcharakteristik der Hubkolbenmaschine erzeugt wird. Auf diese Art und Weise kann der Hubkolbenmaschine ein gewünschtes, beispielsweise sportliches, tiefes, Betriebsgeräusch verliehen werden, so dass die Hubkolbenmaschine für einen Zuhörer, wie beispielsweise einen Passanten oder Insassen eines Kraftwagens, insbesondere einen Personenkraftwagens, mit einer solchen Hubkolbenmaschine angenehm klingt und einen sportlichen und qualitativ hochwertigen Eindruck vermittelt. Dies ist insbesondere bei einer Hubkolbenmaschine mit einer relativ geringen Anzahl an Brennräumen, insbesondere Zylindern, möglich und vorteilhaft. Dabei ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, beispielsweise Hubkolbenmaschinen mit vier Zylindern eine gewünschte Kleincharakteristik, das heißt ein Geräuschverhalten, welches auch als Motorsound bezeichnet wird, zu verleihen, welche der Klangcharakteristik einer Verbrennungskraftmaschine mit einer höheren Anzahl an Zylindern zumindest ähnelt. So kann die Hubkolbenmaschine mit vier Zylindern beispielsweise eine Klangcharakteristik aufweisen wie eine Verbrennungskraftmaschine mit acht Zylindern und einem dafür charakteristischen, so genannten „V8-Blubbern”.
  • Für eine einfache Erweiterbarkeit der Steuerung um weitere Funktionen und/oder Betriebseinrichtungen ist das zweite elektronische Steuergerät mit Betriebseinrichtungen der Hubkolbenmaschine elektrisch leitend verbunden. Hierzu weist das zweite Steuergerät als Schnittstellen beispielsweise digitale und/oder analoge Eingänge und/oder Ausgänge auf. Dabei sind Sensoren, z. B. Drehzahlsensor, Drucksensor, Temperatursensor, und/oder Aktoren, z. B. Stelleinrichtung, Ventil, Klappen, Brenner, mittels einfacher Drahtverbindung direkt mit dem zweiten elektronischen Steuergerät verbunden.
  • Zweckmäßigerweise sind die an das zweite Steuergerät angebundenen Betriebseinrichtungen Sensoren und/oder Aktoren, insbesondere Stelleinrichtungen und/oder Ventile. Eine mögliche Ausführungsform des zweiten Steuergerätes sieht vor, dass dieses eine der Anzahl der Zylinder der Hubkolbenmaschine entsprechende Anzahl von Schnittstellen aufweist. Hierdurch ist ein jeweiliges, zu dem Hubzapfen und dem Hebelelement korrespondierendes Verdichtungsverhältnis eines jeden Zylinders der Hubkolbenmaschine einstellbar. Diese Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ist unabhängig von der etwaigen Einstellbarkeit und der Einstellung des Verdichtungsverhältnisses zumindest einer weiteren solchen und zu einem weiteren Hubzapfen und Hebelelement der Hubkolbenmaschine korrespondierenden Zylinders. Mit anderen Worten: Durch die variable Ausgestaltung des zweiten Steuergeräts mit einer der Anzahl der Zylindern entsprechenden Anzahl von Schnittstellen sind unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse an der Hubkolbenmaschine einstellbar und somit eine zylinderindividuelle Steuerung möglich.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das zweite elektronische Steuergerät als eine separate integrierte Einheit ausgebildet, welche eine die Betriebsfunktionen realisierende Hardware umfasst. Zweckmäßigerweise ist das zweite elektronische Steuergerät, auch als Elektronikmodul bezeichnet, als ein digitaler Signalprozessor oder als ein integrierter Schaltkreis (FPGA – field programmable gate array) ausgebildet. Hierbei umfasst das zweite Steuergerät eine an die Betriebsfunktionen angepasste, so genannte „dedizierte” Hardware, wie z. B. AD/DA-Wandler, digitale Signalprozessoren (kurz DSP genannt).
  • Für einen einfachen Datenaustausch zwischen den Steuergeräten sind diese mittels eines Datenbusses, insbesondere eines CAN-Datenbusses, eines LIN-Datenbusses, verbunden (Netzverbindung). Alternativ sind das erste Steuergerät und das zweite Steuergerät direkt miteinander verbunden (Sternverbindung).
  • Hinsichtlich des Verfahrens zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen, wie z. B. Bremsraumdruck, Verdichtungsverhältnis, wird erfindungsgemäß das erste Steuergerät mit dem zweiten Steuergerät derart datentechnisch gekoppelt, dass Betriebseinrichtungen der Hubkolbenmaschine autark jeweils von dem ersten oder zweiten Steuergerät anhand von Basisfunktionen bzw. maschinen-individuellen Betriebsfunktionen überwacht, gesteuert und/oder geregelt werden.
  • In einer möglichen Ausführungsform werden mittels des zweiten Steuergeräts anhand einer oder mehrerer der Betriebsfunktionen die Zylinder der Hubkolbenmaschine autark voneinander gesteuert. Hierdurch können in bestimmten Lastbereichen der Hubkolbenmaschine die Brennräume mit voneinander unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen betrieben werden, um beispielsweise eine gewünschte Klangcharakteristik einzustellen. Dies wird dabei in solchen Lastbereichen durchgeführt, in welchen weiterhin ein besonders effizienter Betrieb der Hubkolbenmaschine gegeben ist, und zwar infolge einer Einstellung eines an einen vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine angepassten und wirkungsgradgünstigen Verdichtungsverhältnisses.
  • Hierzu wird vorzugsweise mittels des zweiten Steuergeräts je Zylinder ein zugehöriges Verdichtungsverhältnis eingestellt. Dabei werden anhand mindestens einer oder mehrerer der Betriebsfunktionen, beispielsweise einer implementierten Software, des zweiten Steuergeräts zylinder-individuelle Spektren des jeweiligen Brennraumdruckes oder Zylinderdruckes über einen gesamten Kolbenzyklus mittels einer Fourier-Analyse, insbesondere einer Fast-Fourier-Analyse, ermittelt und analysiert. Hierdurch kann eine aufwendige Klopfsensorik entfallen. Eine zusätzliche Betriebsfunktion beinhaltet vorzugsweise die Berechnung und Auswertung zur Nullmengenkalibrierung der Kraftstoffeinspritzung. Hierdurch ist ein kleinstmöglicher Ausstoß des Injektors einstellbar.
  • Vorzugsweise wird mittels einer der Betriebsfunktionen des zweiten Steuergerätes ein eingestelltes Verdichtungsverhältnis ermittelt, überprüft und/oder angepasst. Mittels einer weiteren Betriebsfunktion wird das Verdichtungsverhältnis zylinderindividuell variabel, kontinuierlich oder stufenweise eingestellt oder angepasst und/oder die Stellung und/oder der Hub des Steuerkolbens ermittelt, überprüft und/oder angepasst. Mit anderen Worten: Die Betriebsfunktionen des zweiten Steuergerätes dienen der Verbrennungssteuerung, der Vorverarbeitung, der Signalverarbeitung. Übergeordnete Funktionen, wie Steuerung der Einspritzung, der Zündung, der Drosselklappe, der Aufladung, der Leerlaufdrehzahl, die Lambdaregelung zur Steuerung der Hubkolbenmaschine sind als Basisfunktionen im ersten Steuergerät, dem Motorsteuergerät, implementiert.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand einer Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sonder auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigt die einzige:
  • 1 schematisch eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen der Hubkolbenmaschine, umfassend zwei datentechnisch miteinander gekoppelte Steuergeräte.
  • In der Figur ist ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht eines Kurbeltriebs 1 für eine Hubkolbenmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern und den Zylindern zugeordneten Kolben gezeigt. Mittels des Kurbeltriebs 1 sind je Zylinder Verdichtungsverhältnisse zylinderindividuell und unabhängig voneinander einstellbar.
  • Der Übersicht wegen wird anhand der Figur der Kurbeltrieb 1 in Bezug auf einen zu dem Kurbeltrieb 1 korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine beschrieben. Es versteht sich, dass das zu dem Kurbeltrieb 1 und dem Zylinder Beschriebene analog auf die anderen, insbesondere alle anderen, Zylinder der Hubkolbenmaschine zutrifft.
  • Der Kurbeltrieb 1 umfasst eine Kurbelwelle 2, welche Hauptlagerstellen aufweist, über welche die Kurbelwelle 2 in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine gelagert ist. Des Weiteren weist die Kurbelwelle 2 Kurbelwangen auf, von welchen eine solche Kurbelwange 3 in der Figur dargestellt ist. Darüber hinaus weist die Kurbelwelle 2 Hubzapfen auf, von welchen ein Hubzapfen 4 in der Figur dargestellt ist. Der Hubzapfen 4 korrespondiert dabei zu einem Zylinder der Hubkolbenmaschine. In gleicher Weise korrespondieren auch die anderen Hubzapfen jeweils zu einem Zylinder der Hubkolbenmaschine.
  • Ferner umfasst der Kurbeltrieb 1 einen Querhebel 5, welcher ein erstes Hebelelement 5.1 sowie ein zweites Hebelelement 5.2 umfasst, die miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschraubt, sind. Der Querhebel 5 ist dabei an dem Hubzapfen 4 relativ zu diesem um eine erste Drehachse D1 drehbar gelagert und führt Hubbewegungen bei einer Rotation der Kurbelwelle 2, beispielsweise während eines Betriebs der Hubkolbenmaschine, mit aus.
  • Der Querhebel 5 weist eine erste Lagerstelle 6 auf, an welcher ein Pleuel 7 des Kurbeltriebs 1 gelenkig gelagert ist. Dabei kann sich das Pleuel 7 um eine zweite Drehachse D2 drehen.
  • Der Kurbeltrieb 1 umfasst ebenso einen Kolben 8, welcher zu dem Zylinder, zu welchem der Hubzapfen 4 korrespondiert, korrespondiert und in welchem der Kolben 8 translatorisch bewegbar aufgenommen ist. Der Kolben 8 ist mit dem Pleuel 7 über eine zweite Lagerstelle 9 gelenkig verbunden. Befestigt ist der Kolben 8 an dem Pleuel 7 über einen Kolbenbolzen, der in dem Kolben 8 durch einen entsprechenden Sicherungsring in axialer Richtung des Kolbenbolzens gesichert ist. Wird der Kolben 8 infolge von Verbrennungsvorgängen in dem Zylinder translatorisch bewegt, so wird diese translatorische Bewegung über das Pleuel 7, den Querhebel 5 sowie den Hubzapfen 4 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 2 umgewandelt.
  • Der Querhebel 5 weist eine dritte Lagerstelle 10 auf, an welcher ein Steuerkolben 11 einer Stelleinrichtung 12 der Hubkolbenmaschine gelenkig gelagert und mit dem Querhebel 5 verbunden ist. Dabei kann sich der Steuerkolben 11 um eine dritte Drehachse D3 der dritten Lagerstelle 10 drehen.
  • Zusätzlich zum Steuerkolben 11 umfasst die Stelleinrichtung 12 ein Gehäuse 13, durch welches ein Zylinder gebildet ist. In dem Zylinder ist der Steuerkolben 11 translatorisch bewegbar geführt gehalten.
  • Durch Zufuhr oder Abfuhr eines Arbeitsmediums in den Zylinder, beispielsweise Druckluft, Hydraulikflüssigkeit oder dergleichen, kann der Steuerkolben 11 translatorisch gemäß einem ersten Richtungspfeil P1 bewegt und bezüglich des Gehäuses 13 gemäß einem zweiten Richtungspfeil P2 ausgefahren oder gemäß einem dritten Richtungspfeil P3 eingefahren werden.
  • Ebenso möglich ist, den Steuerkolben 11 mittels eines Elektromagneten zu betätigen. Im Gegensatz zu solch einer aktiven Einstellung ist auch eine passive Einstellung möglich, bei welcher der Steuerkolben 11 bewegt wird infolge von Gas- und Massenkräften der Hubkolbenmaschine, die über den Kolben 8 auf den Steuerkolben 11 wirken. Der Steuerkolben 11 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, der entgegen gesetzten Bewegungsrichtung, blockiert bzw. ganz festgehalten. Es handelt sich dabei um eine Art hydraulischen Freilauf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis ohne und nur mit einem sehr geringen zusätzlichen Energieaufwand eingestellt werden kann.
  • Zur Einstellung eines solchen gewünschten Verdichtungsverhältnisses umfasst die Vorrichtung ein erstes Steuergerät 14 und ein zweites Steuergerät 15.
  • Die beiden Steuergeräte 14 und 15 dienen der Ansteuerung von Betriebseinrichtungen der Hubkolbenmaschine, insbesondere der Stelleinrichtung 12 und des Steuerkolbens 11. Dabei umfasst die Stelleinrichtung 12 in nicht näher dargestellter Art und Weise weitere Betriebseinrichtungen, wie Ventile, insbesondere Steuerventile, wie Rückschlagventile, Magnetventile, Proportionalmagnetventile, Pumpen. Zur Anpassung der Steuerung solcher Aktoren, wie Steuereinheit 18 für die Stelleinrichtung 12 und den Steuerkolben 11, umfasst die Hubkolbenmaschine als weitere Betriebseinrichtungen Sensoren, wie beispielsweise einen Positionssensor 20, einen Drucksensor 19 zur Ermittlung des Brennraum- oder Zylinderdrucks. Es können weitere Sensoren, wie beispielsweise Temperatursensoren, Durchflusssensoren, Hall-Sensor, vorgesehen sein.
  • Für einen standardisierten Aufbau der Steuerung umfasst das erste Steuergerät 14, auch als Motorensteuergerät bezeichnet, eine vorgegebene Anzahl von Basisfunktionen FB zum Betrieb der Hubkolbenmaschine. Unter Basisfunktionen FB werden im Sinne der Erfindung Standard-Grundfunktionen eines elektronischen Motorsteuergerätes verstanden, wie beispielsweise die Steuerung der Basismotorfunktionen Einspritzung und Zündung, Ansteuerung und Regelung der Drosselklappe, Regelung der Aufladung, Regelung der Leerlaufdrehzahl, Lambdaregelung, On-Board-Diagnose für emissionsbeeinflussende Bauteile, wie z. B. Einspritzventile, Katalysator, Steuergeräte-Eigendiagnose.
  • Das zweite Steuergerät 15 umfasst maschinen-individuelle, insbesondere zylinder-individuelle Betriebsfunktionen FM. Unter Betriebsfunktionen FM werden insbesondere speicherintensive Funktionen, wie Verbrennungsregelung, Erfassung und Steuerung des Brennraumdruckes (Zylinderdruck), Auswertung des ermittelten Brennraumdruckes anhand zylinder-individueller Spektralanalyse, insbesondere Fast-Fourier-Transformationsanalyse, Ermittlung und Auswertung zur Nullmengenkalibrierung des Brennraumdrucks der Kraftstoffeinspritzung zur Erzielung eines kleinstmöglichen Ausstoß des Injektors, Erfassung der Stellung und/oder Hubes des Steuerkolbens 11, Ansteuerung der Stelleinrichtung 12, insbesondere eines Steuerventils, verstanden. Hierdurch werden die speicherintensiven Betriebsfunktionen FM lokal ausgewertet und extrahiert. Zudem ist eine lokale Diagnose ermöglicht. Durch die Analyse der erfassten Zylinderdruckdaten über den gesamten Kolbenzyklus mittels Spektralanalyse kann eine aufwendige Klopfsensorik zur Identifizierung einer klopfenden Verbrennung entfallen.
  • Zur Implementierung solcher speicherintensiven Betriebsfunktionen FM ist das zweite Steuergerät 15 als eine separate integrierte Einheit ausgebildet ist, welche eine die Betriebsfunktionen realisierende Hardware umfasst. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das zweite Steuergerät 15 einen digitalen Signalprozessor DSP. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Steuergerät 15 einen integrierten Schaltkreis, insbesondere eine FPGA-Anordnung (Field Programmable Gate Array) umfassen. Ein solches zweites Steuergerät 15 ist variabel programmierbar und erweiterbar. Insbesondere können weitere Sensoren und/oder Aktoren und/oder Betriebsfunktionen FM ergänzt werden.
  • Zur Anbindung der Betriebseinrichtungen, wie Sensoren und/oder Aktoren, umfasst das zweite Steuergerät 15 entsprechende Schnittstellen S1 bis Sn und Wandlermodule W, z. B. AD- und/oder DA-Wandler, sowie Verstärker- und/oder Filterelemente E. Über die Schnittstellen S1 bis Sn sind die Steuereinheit 18, der Drucksensor 19, der Positionssensor 20 und weitere Aktoren und/oder Sensoren direkt mittels einer Verbindung 17, insbesondere elektrisch leitend, mit dem zweiten Steuergerät 15 verbunden. In nicht näher dargestellter Art und Weise umfasst das zweite Steuergerät 15 bevorzugt eine der Anzahl der Zylinder der Hubkolbenmaschine entsprechende Anzahl von Schnittstellen Sn. Dies ermöglicht eine zylinder-individuelle Steuerung, insbesondere eine zylinder-individuelle Einstellung von Verdichtungsverhältnissen.
  • Zum Austausch von Daten zwischen den beiden Steuergeräten 14 und 15 sind diese datentechnisch mittels eines Datenbusses 16, bevorzugt mittels eines CAN-Busses, und/oder drahtlos mittels einer nicht dargestellten Funkverbindung, miteinander verbunden. Hierzu umfassen die beiden Steuergeräte 14 und 15 jeweils ein entsprechendes Kommunikationsmodul CAN, insbesondere eine einfache Bus-Schnittstelle. Alternativ können die Steuergeräte 14 und 15 mittels eines LIN-Busses verbunden sein.
  • Zur Synchronisierung der beiden Steuergeräte 14 und 15 mittels eines KW-Signals sind diese direkt elektrisch leitend über eine Leitung 21 verbunden.
  • Im Betrieb der Hubkolbenmaschine werden die Steuergeräte 14 und 15 zur elektronischen Steuerung der Verbrennungsprozessgrößen, wie Zylinderdruck, Verdichtungsverhältnis, etc. verwendet. Hierzu werden die beiden Steuergeräte 14 und 15 derart datentechnisch gekoppelt, dass die Betriebseinrichtungen, wie Stelleinrichtung 12, Steuerkolben 11, Bremsraum- oder Zylinderdruck autark jeweils von dem ersten oder zweiten Steuergerät 14 bzw. 15 anhand der Basisfunktionen FB bzw. der maschinen-individuellen Betriebsfunktionen FM überwacht, gesteuert und/oder geregelt werden.
  • Wie bereits oben dargelegt, werden mittels des zweiten Steuergeräts 15 die Zylinder der Hubkolbenmaschine autark voneinander gesteuert. Hierzu ist jedem Zylinder eine in der Figur dargestellte Stelleinrichtung 12 zugeordnet. Dabei wird mittels des zweiten Steuergeräts 15 je Zylinder ein zugehöriges Verdichtungsverhältnis eingestellt. Bedingt durch die mit dem zweiten Steuergerät 15 verbundenen Betriebseinrichtungen und Auswertung von erfassten Signalen und Verarbeitung dieser mittels der Betriebsfunktionen FM kann das eingestellte Verdichtungsverhältnis überprüft und/oder angepasst werden. Eine solche zylinderindividuelle variable, kontinuierliche oder stufenweise Einstellung oder Anpassung der Verdichtungsverhältnisse ermöglicht es, bei einem effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen, insbesondere kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb ein akustisch angenehmes und qualitativ hochwertiges Klangbild zu erzeugen. Darüber hinaus ist das erste Steuergerät 14 deutlich entlastet und benötigt weniger Speicherraum. Gegenüber der herkömmlichen einfachen Messung und Auswertung des Arbeitstakts sind durch die Aufteilung der Funktionen auf zwei Steuergeräte 14 und 15 laufzeitkritische Algorithmen implementierbar, insbesondere sind Messungen, Analysen und daraus resultierende Steuermaßnahmen während Ladungswechsel oder auch bei hochdrehenden Maschinen möglich.
  • Darüber hinaus kann die im zweiten Steuergerät 15 implementierte Verbrennungsregelung um weitere Betriebsfunktionen FM ergänzt werden, wie beispielsweise Volumenberechnung über indirekte Kolbenpositionserfassung, Regelung des Verdichtungsverhältnisses (Epsilon) je Zylinder mit Laufzeitanforderungen, welche proportional zu den Dynamikanforderungen an die Verstellung sind. So wird bei einer hohen Dynamik eine Regelung alle 60 KW oder schneller benötigt. Eine solche rechen- und speicherintensive Verbrennungsregelung ist mittels der auf dem zweiten Steuergerät 15 implementierten Betriebsfunktionen FM ermöglicht. Weitere Betriebsfunktionen FM sind die Erfassung und Spektralanalyse der erfassten Brennraumdrücke anstelle eines Klopfsensors und zur Nullmengenkalibrierung.
  • Auch können die Betriebsfunktionen FM mit weiteren vorhandenen Funktionen kombiniert werden, wie beispielsweise mit einer Abgasregelung, einer Turboladerdrehzahlerfassung. Dabei sind die Betriebsfunktionen FM entsprechend dem Aufbau der Hubkolbenmaschine ausgelegt, beispielsweise für 4, 6 oder 8 Zylinder. Zudem ermöglicht die Aufteilung in Basisfunktionen FB und Betriebsfunktionen FM einen modularen Aufbau der Steuerung und Einsatz dieser für verschiedene Verbrennungsmaschinen, wie Diesel- oder Benzinmotor
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kurbeltrieb
    2
    Kurbelwelle
    3
    Kurbelwange
    4
    Hubzapfen
    5
    Querhebel
    5.1
    erstes Hebelelement
    5.2
    zweites Hebelelement
    6
    erste Lagerstelle
    7
    Pleuel
    8
    Kolben
    9
    zweite Lagerstelle
    10
    dritte Lagerstelle
    11
    Steuerkolben
    12
    Stelleinrichtung
    13
    Gehäuse
    14
    erstes Steuergerät
    15
    zweites Steuergerät
    16
    Datenbus
    17
    Verbindung
    18
    Steuereinheit
    19
    Drucksensor
    20
    Positionssensor
    21
    Leitung
    CAN
    Kommunikationsmodul
    D1 bis D3
    erste bis dritte Drehachse
    DSP
    digitaler Signalprozessor
    E
    Verstärker- und/oder Filterelemente
    FB
    Basisfunktion
    FM
    Betriebsfunktion
    P1 bis P3
    erster bis dritter Pfeil
    S1 bis Sn
    erste bis n-te Schnittstelle
    W
    Wandlermodul
  • 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 10032931 A1 [0002]
    • DE 10044604 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen einer Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle (2) mit mindestens einem Hubzapfen (4), an welchem ein mit einem korrespondierenden Pleuel (7) verbundenes Hebelelement (Querhebel 5) gelagert ist und mit zumindest einer Stelleinrichtung (12), mittels welcher das Hebelelement (Querhebel 5) zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem Hubzapfen (4) einstellbar ist, wobei mindestens ein elektronisches Steuergerät (14) zur Ansteuerung von mindestens einer Betriebseinrichtung der Hubkolbenmaschine, insbesondere der Stelleinrichtung (12) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Steuergerät (14) mit einem zweiten Steuergerät (15) datentechnisch verbunden ist, wobei das erste Steuergerät (14) eine vorgegebene Anzahl von Basisfunktionen (FB) zum Betrieb der Hubkolbenmaschine umfasst und das zweite Steuergerät (15) eine Anzahl von maschinen-individuellen Betriebsfunktionen (FM) zur Steuerung einer oder mehrerer Verbrennungsprozessgrößen umfasst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuergerät (14) zumindest die Basisfunktionen (FB) Einspritzung und Zündung umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuergerät (15) zumindest die Betriebsfunktionen (FM) zylinder-individuelle Verbrennungsregelung und Steuerung eines Brennraumdruckes umfasst.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuergerät (15) mit der oder den Betriebseinrichtungen, insbesondere Sensoren und/oder Aktoren, elektrisch leitend verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuergerät (15) eine der Anzahl der Zylinder der Hubkolbenmaschine entsprechende Anzahl von Schnittstellen (S1 bis Sn) aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuergerät (15) als eine separate integrierte Einheit ausgebildet ist, welche eine die Betriebsfunktionen (FM) realisierende Hardware, insbesondere einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder einen integrierten Schaltkreis, umfasst.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuergerät (14) mittels eines Datenbusses (16), insbesondere eines CAN-Datenbusses, eines LIN-Datenbusses, mit dem zweiten Steuergerät (15) verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuergerät (14) und das zweite Steuergerät (15) direkt miteinander verbunden sind.
  9. Verfahren zur elektronischen Steuerung von Verbrennungsprozessgrößen einer Hubkolbenmaschine mit einer Kurbelwelle (2) mit mindestens einem Hubzapfen (4), an welchem ein mit einem korrespondierenden Pleuel (7) verbundenes Hebelelement (Querhebel 5) gelagert ist und mit zumindest einer Stelleinrichtung (12), mittels welcher das Hebelelement (Querhebel 5) zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Drehstellungen relativ zu dem Hubzapfen (4) einstellbar ist, wobei mittels mindestens eines Steuergeräts (14) mindestens eine Betriebseinrichtung der Hubkolbenmaschine, insbesondere die Stelleinrichtung (12), gesteuert und/oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Steuergerät (14) mit einem zweiten Steuergerät (15) derart datentechnisch gekoppelt wird, dass Betriebseinrichtungen der Hubkolbenmaschine autark jeweils von dem ersten oder zweiten Steuergerät (14, 15) anhand von Basisfunktionen (FB) bzw. maschinen-individuellen Betriebsfunktionen (FM) überwacht, gesteuert und/oder geregelt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zweiten Steuergeräts (15) die Zylinder der Hubkolbenmaschine autark voneinander gesteuert, angepasst und/oder überprüft werden.
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