DE102011017171A1

DE102011017171A1 - Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen sowie Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102011017171A1
Application number: DE201110017171
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bechtold Martin; Dr.-Ing. Betsch Jochen; Dr. Ing. Fieweger Klaus; Dipl.-Ing. Kröner Gerd; Dipl.-Ing. Lengfeld Markus; Dipl.-Ing. Scheindlin Alexander; Dipl.-Ing. Schröer Dietmar; Dipl.-Ing. Seidel Georg
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer Stelleinrichtung, mittels welcher wenigstens ein Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar ist, wobei wenigstens eine Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher zumindest ein einen Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisierendes Signal (20, 26) erfassbar ist, sowie ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer solchen Verbrennungskraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrerinungskraftmaschine für einen Kraftwagen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 6 angegebenen Art.
Die EP 1 307 642 B1 offenbart eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem in einem Zylinder verschieblich angeordneten Kolben. Der Kolben ist mit einem Pleuel gelenkig gekoppelt, dessen Bewegung auf eine Kurbel einer Kurbelwelle übertragbar ist. Zwischen dem Pleuel und der Kurbel ist ein Übertragungsglied vorgesehen, dessen Bewegung über einen Steuerhebel manipulierbar ist, mit dem Ziel, eine steuerbare Bewegung des Kolbens zu gewährleisten. Insbesondere soll dadurch eine Variierung des Verdichtungsverhältnisses und des Kolbenhubs ermöglicht werden. Das Übertragungsglied ist dabei als Querhebel ausgebildet, der über ein Gelenk mit der Kurbel gekoppelt ist, wobei dieses Gelenk im zwischenliegenden Bereich zwischen einem Lagerpunkt des Querhebels zum Steuerhebel und einem Lagerpunkt des Querhebels zum Pleuel liegt. Das Gelenk ist zwischen Querhebel und Kurbel mit Abstand zur Verbindungslinie zwischen den beiden Lagerpunkten des Querhebels zum Steuerhebel bzw. zum Pleuel angeordnet.
Dabei ist vorgesehen, dass die Seitenlänge zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und dem Pleuel-Lagerpunkt und die Seitenlänge zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und dem Kurbel-Gelenkpunkt bezogen auf den Kurbelradius auf bestimmte Weise hinsichtlich ihrer Maße ausgebildet sind.
Der DE 199 55 250 A1 ist ein Verfahren zum Funktionsüberwachung einer Vorrichtung zur variablen Einstellung der Zylinderverdichtung bei einer Hubkolben-Brennkraftmaschine als bekannt zu entnehmen. Dabei ist vorgesehen, dass jeweils vor und nach einer Ansteuerung der Vorrichtung zur Veränderung der Zylinderverdichtung ein Motorbetriebsparameter, der auf eine Veränderung der Zylinderverdichtung reagiert, ermittelt wird und dass beide Werte des Motorbetriebsparameters miteinander verglichen werden, um festzustellen, ob eine Veränderung des Motorbetriebsparameters eingetreten ist. Eine Veränderung des Motorbetriebsparameters stellt ein Indiz für eine korrekte Funktion der Vorrichtung zur variablen Einstellung der Zylinderverdichtung dar. Dieses Verfahren weist weiteres Potential auf, die Funktion der Stellvorrichtung besser zu überprüfen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen sowie ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer solchen Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, durch welche eine verbesserte Überprüfung der Stelleinrichtung zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer solchen Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer Stelleinrichtung. Mittels der Stelleinrichtung ist wenigstens ein Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar.
Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Erfassungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher zumindest ein einen durch die Stelleinrichtung aufzuwendenden Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisierendes Signal erfassbar ist. Dadurch ist es möglich, den Betätigungsaufwand zum Einstellen bzw. zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses als Ist-Betätigungsaufwand zu erfassen. Durch diese Erfassung ist es möglich, einen tatsächlichen Zustand, insbesondere hinsichtlich eines Verschleißes, der Stelleinrichtung mit einer hohen Qualität und einer hohen Aussagekraft zu ermitteln. So kann besser und äußerst präzise auf den aktuellen und tatsächlichen Zustand der Stelleinrichtung rückgeschlossen werden. Dadurch ist eine besonders präzise An-Bord-Diagnostik (OBD – On Board Diagnostic) des Kraftwagens möglich. In der Folge kann dann auf eine etwaige, unerwünschte Fehlfunktion bzw. darauf rückgeschlossen werden, dass die Stelleinrichtung zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses nicht bzw. nicht mehr vollständig ihre gewünschte und optimale Funktionalität aufweist, sodass das Verdichtungsverhältnis nicht bzw. nicht mehr mit einer solch hohen Präzision eingestellt werden kann, wie es ohne den Verschleiß der Stelleinrichtung möglich wäre.
Ist ein unerwünschter Zustand der Stelleinrichtung, beispielsweise ein unerwünschter Verschleiß dieser, ermittelt, so können entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Bei einer dieser Maßnahmen kann es sich beispielsweise um einen Hinweis handeln, welcher einem Nutzer, insbesondere einem Fahrer, des Kraftwagens in Form eines optisch und/oder akustisch wahrnehmbaren Signals oder dergleichen mitgeteilt wird. Dadurch kann dem Nutzer des Kraftwagens der unerwünschte Zustand der Stelleinrichtung mitgeteilt werden und dieser kann beispielsweise zum Aufsuchen einer Werkstatt und/oder zur Wartung, Reparatur und/oder Austausch der Stelleinrichtung angeregt werden.
Handelt es sich bei dem ermittelten Zustand der Stelleinrichtung um einen gewünschten Zustand dieser, in welchem die Stelleinrichtung ihre gewünschte Funktion zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses erfüllen kann, so kann auch dies entsprechend dem Nutzer mitgeteilt werden.
Alternativ oder ergänzend ist es möglich, den entsprechenden Zustand der Stelleinrichtung in einer Speichereinrichtung der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere der Erfassungseinrichtung, abzuspeichern. So kann beispielsweise eine zeitliche Entwicklung des Zustands der Stelleinrichtung dokumentiert und nachvollzogen werden.
Bei der Verbrennungskraftmaschine mit der Stelleinrichtung, welche beispielsweise als so genanntes Multilink-Triebwerk ausgebildet ist, ergeben sich während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine insbesondere abhängig von Lastpunkten dieser ggf. sehr hohe Stellkräfte und/oder Stellmomente, die von der Stelleinrichtung, insbesondere von einer beispielsweise ein Getriebe und/oder ein Stellglied umfassenden Mechanik, aufzubringen sind, um das Verdichtungsverhältnis einzustellen bzw. zu verstellen. Diese hohen Stellkräfte und/oder Stellmomente, welche z. B. den Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisieren, können hohe Belastungen für die Stelleinrichtung darstellen. Dadurch kann es möglich sein, dass die Stelleinrichtung insbesondere über eine sehr hohe Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine hinweg verschleißt und der Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses über die Lebensdauer hinweg höher wird. Mit anderen Worten wird das Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses schwergängiger.
Dies kann aus einer höheren Reibung beispielsweise in Lager, Zahnrädern und/oder anderweitigen Kraft- und/oder Momentenübertragungselementen der Stelleinrichtung resultieren, als es in einem nicht oder weniger verschlissenen Zustand der Stelleinrichtung der Fall ist. In der Folge ist es möglich, dass die Stelleinrichtung eine geforderte Stelldynamik, d. h. eine Geschwindigkeit, mit welcher das Verdichtungsverhältnis eingestellt bzw. verstellt werden kann, nicht mehr erfüllen kann. Ggf. kann ein besonders starker Verschleiß der Stelleinrichtung zu einem Ausfall desselbigen führen. Ein solcher Ausfall kann ggf. Schadstoffemissionen der Verbrennungskraftmaschine negativ beeinflussen, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Verbrennungskraftmaschine unerwünscht hohe Schadstoffemissionen aufweisen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine kann nun vermieden werden, dass die Stelleinrichtung betrieben wird, wenn sie die geforderte und erwünschte, Stelldynamik nicht mehr erfüllen kann und somit einen unerwünschten Zustand aufweist. Dies ist der Fall, da durch die Erfassungseinrichtung und die Erfassung des Zustands der Stelleinrichtung der unerwünschte Zustand und damit der erhöhte Verschleiß, wodurch die Stelldynamik der Stelleinrichtung negativ beeinträchtig sein kann, erfassbar ist. Insbesondere ist beispielsweise ein Grenz-Zustand erfassbar, in welchem die Stelleinrichtung noch die erwünschte und geforderte Stelldynamik erfüllt, von dem ausgehend jedoch darauf rückgeschlossen werden kann, dass in einer gewissen Zeitspanne, ausgehend von dem Grenz-Zustand, die Stelleinrichtung einen zukünftigen Zustand aufweisen wird, in welchem sie die Stelldynamik nicht mehr erfüllen kann.
Dadurch ist es möglich, die Stelleinrichtung bereits zeitlich vor dem Erreichen des unerwünschten Zustands, in welchem die Stelleinrichtung die erwünschte und geforderte Stelldynamik nicht mehr aufweisen kann, und insbesondere zeitlich vor einem drohenden bzw. wahrscheinlichen Ausfall, gewartet und/oder repariert und/oder ggf. ausgetauscht werden kann.
Damit einher geht die Vermeidung der unerwünschten Erhöhung der Schadstoffemissionen sowie des Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine. Damit kann gewährleistet werden, dass die Verbrennungskraftmaschine auch über ihre hohe Lebensdauer hinweg besonders effizient durch Einstellen des Verdichtungsverhältnisses an unterschiedliche Betriebspunkte angepasst und dadurch mit einem nur geringen Kraftstoffverbrauch sowie geringen CO₂-Emissionen betrieben werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mittels der Erfassungseinrichtung, welche beispielsweise einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet ist, das erfasste Signal mit einem vorgebbaren Soll-Wert, Soll-Signal oder dergleichen vergleichbar. Der Soll-Wert und/oder das Soll-Signal, wobei im Folgenden stellvertretend lediglich der Begriff Soll-Signal verwendet wird, können dabei beispielsweise in einer Speichereinrichtung der Erfassungseinrichtung, insbesondere in einem Kennfeld, hinterlegt sein. Dadurch ist es möglich, dass als Ist-Signal erfasste Signal mit dem Soll-Signal zu vergleichen. Ergibt der Vergleich, dass das Ist-Signal von dem Soll-Signal abweicht, und überschreitet beispielsweise die Abweichung einen vorgebbaren Schwellenwert bzw. ein vorgebbares Schwellensignal, so kann auf einen unerwünschten Zustand, beispielsweise den Grenz-Zustand, der Stelleinrichtung rückgeschlossen und dieser ermittelt werden. Dieser Vergleich ermöglicht eine besonders präzise und aussagekräftige Ermittlung des aktuellen und tatsächlichen Zustands der Stelleinrichtung. So kann die Stelleinrichtung insbesondere nur dann gewartet und/oder repariert und/oder ausgetauscht werden, wenn dies auch tatsächlich nötig ist. Unnötige Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten können dadurch vermieden werden.
Das Ist-Signal wird dabei bevorzugt in einem vorgebbaren, definierten Zustand, insbesondere Betriebszustand, der Verbrennungskraftmaschine erfasst. Bei diesem Zustand handelt es sich beispielsweise um einen deaktivierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine. Ebenso kann sich die Verbrennungskraftmaschine in diesem Zustand im Leerlauf befinden. Auch ist es möglich, das Ist-Signal bei einem bestimmten Last- und/oder Drehzahlpunkt zu erfassen. In diesem vorgebbaren Zustand wirken definierte Stellkräfte und/oder Stellmomente, die es von der Stelleinrichtung zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses als der Betätigungsaufwand aufzuwenden gilt. Befindet sich die Verbrennungskraftmaschine in ihrem deaktivierten Zustand, so wirken beispielsweise lediglich Trägheitskräfte und/oder Trägheitsmomente und ggf. unerwünscht erhöhte Reibkräfte und/oder Reibkräfte, welche aus dem unerwünschten Verschleiß der Stelleinrichtung resultieren.
Das mit dem erfassten Ist-Signal zu vergleichende Soll-Signal bezieht sich dabei auf den gleichen vorgebbaren definierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine, wenn die Stelleinrichtung noch keinen oder einen sehr geringen Verschleiß aufweist. Dieses Soll-Signal wird beispielsweise derart ermittelt, dass das Verdichtungsverhältnis in dem definierten Zustand verstellt der Ist-Betätigungsaufwand dafür ermittelt wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine noch in ihrem Neu-Zustand befindet. Mit anderen Worten wird das Soll-Signal zeitlich zumindest im Wesentlichen unmittelbar nach der Fertigung der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Kraftwagens erfasst bzw. ermittelt. Ebenso möglich ist es, das Soll-Signal auf andersartige Weise zu erfassen bzw. zu ermitteln. Dabei kann vorgesehen werden, dass das Soll-Signal beispielsweise im Rahmen der Entwicklung der Verbrennungskraftmaschine ermittelt und/oder berechnet wird. Dadurch kann besonders präzise auf einen unerwünschten Zustand beispielsweise infolge eines erhöhten Verschleißes der Stelleinrichtung rückgeschlossen werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mittels der Erfassungseinrichtung wenigstens ein Drehmoment und/oder wenigstens ein zeitlicher Drehmomentenverlauf und/oder wenigstens eine Kraft und/oder wenigstens ein zeitlicher Kraftverlauf als das den Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisierende Signal erfassbar. Die Stelleinrichtung weist beispielsweise eine drehbare Welle auf. Zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses wird beispielsweise ein Drehmoment von einem Stellglied, insbesondere einem Elektromotor, der Stelleinrichtung in die Verstellwelle eingeleitet. Mittels der Erfassungseinrichtung, welche beispielsweise einen Drehmomentsensor und/oder eine Dehnmessstreifeneinrichtung umfasst, kann das eingeleitete Drehmoment, welches zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses nötig und von dem Stellglied aufzubringen ist, zumindest betragsmäßig als Ist-Drehmoment erfasst werden. Anschließend kann das Ist-Drehmoment mit einem Soll-Drehmoment als das Soll-Signal verglichen werden. Ist das Ist-Drehmoment zumindest betragsmäßig größer als das Soll-Drehmoment, so kann dadurch beispielsweise auf einen erhöhten Verschleiß und damit auf einen entsprechenden Zustand, insbesondere den Grenz-Zustand, der Stelleinrichtung rückgeschlossen und dieser ermittelt werden.
Ergänzend oder alternativ ist es möglich, die Erfassung auch bei einem anderweitigen Übertragungselement zum Übertragen von Kräften und/oder Drehmomenten zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses durchzuführen. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses dieses Übertragungselement der Stelleinrichtung zumindest im Wesentlichen translatorisch bewegbar ist. Dann ist mittels der Erfassungseinrichtung beispielsweise als das Ist-Signal eine Kraft- und/oder ein zeitlicher Kraftverlauf erfassbar, welcher zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses und damit zum Bewegen des Stellelements aufzubringen ist.
Dadurch ist eine sehr präzise und aussagekräftige Messung, Auswertung und Diagnose der Stelleinrichtung möglich, sodass eine Aussage über den aktuellen Zustand der Stelleinrichtung getroffen werden kann. Dabei kann beispielsweise auf einen Verschleiß und/oder eine Reibung und/oder das Vorliegen von Spiel, insbesondere zwischen den Übertragungselementen, der Stelleinrichtung rückgeschlossen werden. In der Folge können dann frühzeitig Gegenmaßnahmen getroffen werden, um einen Fehler bzw. eine Fehlermeldung der An-Bord-Diagnostik sowie eine unerwünschte Fehlfunktion der Stelleinrichtung zu vermeiden.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Bei dem Verfahren wird ein Zustand der Stelleinrichtung ermittelt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zustand in Abhängigkeit von zumindest einem mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung erfassten und einen Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisierenden Signal ermittelt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine besonders präzise und aussagekräftige Ermittlung eines aktuellen und tatsächlich gegebenen Zustands und damit einer Funktionsfähigkeit der Stelleinrichtung der Verbrennungskraftmaschine. Ergibt das Verfahren einen unerwünschten Zustand bzw. einen Zustand eines erhöhten Verschleißes der Stelleinrichtung, so können frühzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um eine unerwünschte Fehlfunktion der Stelleinrichtung zu vermeiden.
Eine solche Fehlfunktion kann beispielsweise zu erhöhten Schadstoffemissionen sowie zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und damit zu erhöhten CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine führen. Um dies zu vermeiden, kann beispielsweise ein Nutzer, insbesondere ein Fahrer, des Kraftwagens durch ein akustisches und/oder ein optisches Signal angeregt werden, die Stelleinrichtung zu warten und/oder zu reparieren und/oder auszutauschen bzw. entsprechend eine Werkstatt aufzusuchen. Hierdurch kann ein effizienter, kraftstoffverbrauchs- sowie emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auch über eine besonders hohe Lebensdauer hinweg gewährleistet werden, ohne dass es zumindest temporär zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und/oder zu erhöhten Schadstoffemissionen kommt.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass dem Nutzer des Kraftwagens mitgeteilt wird, wenn sich die Stelleinrichtung in einem vorteilhaften und gewünschten Zustand befindet. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet auch unnötige Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten an der Stelleinrichtung. Dies ist der Fall, da mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise und belastungsfähig ermittelt werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung wird als das Signal ein zeitlicher Verlauf einer den Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisierenden Größe bzw. Wert erfasst. Diese Größe bzw. dieser Wert ermöglicht es, den Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise und aussagekräftig zu ermitteln. Dadurch können auch etwaige Messfehler der Erfassungseinrichtung beim Erfassen des Signals identifiziert und ggf. kompensiert werden. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform eine sehr hohe Güte des Signals realisierbar.
Die Stelleinrichtung umfasst beispielsweise wenigstens ein Übertragungselement, mittels welchem Kräfte und/oder Drehmomente zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses übertragbar sind. Zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ist das Übertragungselement beispielsweise über wenigstens ein Lager rotatorisch und/oder translatorisch bewegbar an einem Bauteil, insbesondere einem Gehäuse, der Verbrennungskraftmaschine bzw. Stelleinrichtung gelagert. Das Lager kann dabei zwei Lagerteile umfassen, welche zum Ermöglichen einer Relativbewegung des Übertragungselements zu dem Bauteil bzw. dem Gehäuse relativ zueinander bewegbar sind.
Zwei sich zunächst relativ zueinander in Ruhe befindende Elemente wie die zwei Lagerteile, welche zeitlich an diese Ruhe anschließend relativ zueinander bewegt werden, sind dadurch gekennzeichnet, insbesondere wenn sie mit einem Schmiermittel wie Schmieröl zu schmieren sind, dass zum Überführen der Teile (der Lagerteile) von der Ruhe in die relative Bewegung zunächst ein Haftreibungszustand zu überwinden ist. Nach Überwinden des Haftreibungszustands, in welchem Haftreibung zwischen den Lagerteilen vorliegt, liegt beim Bewegen der Lagerteile relativ zueinander ein Gleitreibungszustand vor, in welchem Gleitreibung gegeben ist. Zum Überwinden des Haftreibungszustands und Überführen dieses in den Gleitreibungszustand ist es von Nöten, so genannte Losbrechkräfte und/oder Losbrechmomente aufzubringen. Da die Haftreibung größer ist als die Gleitreibung, sind die Losbrechkräfte und/oder die Losbrechmomente zumindest betragsmäßig größer als aufzubringende Kräfte und/oder Drehmomente, um die Lagerteile in der relativen Bewegung zueinander zu halten (wenn sie einmal in diese Relativbewegung zueinander überführt sind).
Dies ist insbesondere bei mit dem Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, geschmierten Lagern, insbesondere Gleitlagern, mit entsprechenden Lagerteilen als die Lagerteile der Fall. Ebenso ist dies beispielsweise bei im Eingriff miteinander stehenden Verzahnungen zweier Zahnräder, insbesondere der Stelleinrichtung, der Fall.
Daher ist bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf der den Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisierenden Größe bzw. des Werts in einen ersten, den Haftreibungszustand der Stelleinrichtung charakterisierenden Bereich und in wenigstens einen zweiten, den Gleitreibungszustand der Stelleinrichtung charakterisierenden Bereich unterteilt wird.
In Abhängigkeit von den aufzuwendenden Stellkräften und/oder Stellmomenten im Haftreibungszustand sowie in Abhängigkeit von den sich zeitlich danach einstellenden Stellkräften und/oder Stellmomenten im Gleitreibungszustand, in welchem sich insbesondere zumindest im Wesentlichen konstante Stellkräfte und/oder Stellmomente einstellen, die beispielsweise überwiegend aus Reibkräften und/oder Reibmomenten bestehen und welche abhängig vom Zustand der Stelleinrichtung sind, kann eine besonders präzise und belastbare Aussage über den Zustand der Stelleinrichtung getroffen werden. Mit anderen Worten kann dadurch der aktuelle und tatsächlich vorliegende Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 einen zeitlichen Verlauf eines Stellmoments einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine in einem definierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine; und
2 einen zeitlichen Ist-Verlauf eines mittels einer Erfassungseinrichtung erfassten Stellmoments gemäß 1 im Vergleich zu einem vorgebbaren Soll-Verlauf des Stellmoments zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses.
Das Streben, Kraftstoffverbräuche von Verbrennungskraftmaschinen gering zu halten, kann beispielsweise dazu führen, eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Stelleinrichtung zu versehen, mittels welcher wenigstens ein Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildet und weist wenigstens einen Zylinder auf, in welchem ein korrespondierender Kolben relativ zu dem Zylinder verschiebbar aufgenommen ist. Zur Darstellung eines besonders effizienten Betriebs und damit eines geringen Kraftstoffverbrauchs sowie geringer CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ist das zu dem Zylinder korrespondierende Verdichtungsverhältnis mittels der Stelleinrichtung, welche beispielsweise als so genanntes Multilink-Triebwerk ausgebildet ist, variabel einstellbar.
Dabei kann der Kolben mittels der Stelleinrichtung relativ zum Zylinder in diesem bewegt, d. h. verstellt, werden. Dabei ist der Kolben beispielsweise über ein Pleuel und einen Hebelarm mit einem Hubzapfen einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gelenkig gekoppelt. Der Hebelarm ist dabei an dem Hubzapfen relativ zu diesem drehbar gelagert. Ferner ist der Hebelarm einerseits gelenkig mit dem Pleuel verbunden. Andererseits ist der Hebelarm gelenkig mit einer Verstellwelle der Stelleinrichtung gekoppelt. Durch drehen der Verstellwelle wird der Hebelarm relativ zu dem Hubzapfen gedreht, was eine Verschiebung des Kolbens in dem Zylinder relativ zu diesem bewirkt. Dadurch kann das Verdichtungsverhältnis variabel eingestellt werden. Die Verbrennungskraftmaschine kann dabei mit flüssigem und/oder gasförmigem Kraftstoff betrieben werden beispielsweise als Dieselmotor, Ottomotor oder Diesotto Motor ausgebildet sein.
Zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses umfasst die Stelleinrichtung beispielsweise wenigstens einen Elektromotor mit einem um eine Drehachse drehbaren Rotor. Die Verstellwelle ist beispielsweise um eine Drehachse relativ zu einem Bauteil, insbesondere zu einem Gehäuseteil, der Verbrennungskraftmaschine drehbar an dem Bauteil über wenigstens ein Lager gelagert. Zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses wird die Verstellwelle gedreht. Dazu ist die Verstellwelle, z. B. auch über ein Übertragungsglied (z. B. Getriebe), drehfest mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt oder über wenigstens eine entsprechende Kopplungseinrichtung koppelbar. Dies bedeutet, dass zum Drehen der Verstellwelle und damit zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses ein Drehmoment von dem Elektromotor auf bzw. in die Verstellwelle einzuleiten ist und eingeleitet wird.
Dieses Drehmoment zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses wird auch als Stellmoment bezeichnet und stellt einen Betätigungsaufwand dar, welchen es von der Stelleinrichtung aufzuwenden gilt, um das Verdichtungsverhältnis einzustellen. Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine ergeben sich insbesondere in Abhängigkeit von einer Last und/oder einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine Stellmomente, welche zumindest betragsmäßig sehr groß sein können. Auch derartig hohe Stellmomente gilt es von der Stelleinrichtung aufzuwenden bzw. aufzubringen. Diese relativ hohen Stellmomente stellen hohe Belastungen der Stelleinrichtung dar, wodurch das wenigstens eine Lager zum Lager der Verstellwelle verschleißen kann.
Das Lager umfasst beispielsweise zwei relativ zueinander bewegbare Lagerteile, welche zum Schmieren und zum Kühlen des Lagers beispielsweise mit einem Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, zu versorgen sind. Das Lager ist zum Beispiel als Gleitlager ausgebildet. Weist das Lager einen unerwünscht hohen Verschleiß auf, so sind unerwünscht hohe Stellmomente von der Stelleinrichtung aufzuwenden, um das Verdichtungsverhältnis einzustellen. In der Folge kann die Stelleinrichtung ggf. eine geforderte Stelldynamik, d. h. eine Geschwindigkeit, mit welcher die Stelleinrichtung das Verdichtungsverhältnis einstellen bzw. verstellen kann, nicht mehr erfüllen. Dies kann sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch sowie die CO₂-Emissionen und auch auf Schadstoffemissionen der Verbrennungskraftmaschine auswirken.
Um einen solchen unerwünschten Zustand der Stelleinrichtung bzw. der gesamten Verbrennungskraftmaschine zu vermeiden und einen unerwünscht hohen Verschleiß besonders frühzeitig zu erfassen bzw. einen zukünftig möglichen und unerwünscht hohen Verschleiß vorauszusehen, wird ein Verfahren durchgeführt, bei welchem die Stelleinrichtung überprüft und ein Zustand der Stelleinrichtung ermittelt wird. In der Folge kann auf den Verschleiß, eine erhöhte Reibung sowie ggf. vorhandene Spiele der Stelleinrichtung rückgeschlossen werden.
Anhand der 1 und 2 ist dieses Verfahren dargestellt und erläutert. In einem definierten Zustand, insbesondere Betriebszustand, der Verbrennungskraftmaschine wird eine Diagnose-Messung durchgeführt. Bei dieser Diagnose-Messung wird in dem definierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine ein definierter Einstellvorgang zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses eingeleitet und das dazu notwendige Stellmoment mittels einer Erfassungseinrichtung gemessen. Die Erfassungseinrichtung umfasst einen Drehmomentensensor, mittels welchem das auf bzw. in die Welle einzuleitende Stellmoment (Drehmoment) zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses gemessen wird. In dem definierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine sind die notwendigen Stellmomente, insbesondere bei nicht oder nur sehr gering verschlissener Stelleinrichtung, zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses zumindest im Wesentlichen eindeutig bekannt.
Die 1 zeigt ein Diagramm 10, auf dessen Abszisse 12 die Zeit gemäß einem Richtungspfeil 14 fortlaufend aufgetragen ist. Auf der Ordinate 16 des Diagramms 10 ist das zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses notwendige Stellmoment gemäß einem Richtungspfeil 18 größer werdend aufgetragen.
In dem Diagramm 10 ist ein Verlauf 20 eingetragen, welcher einen zeitlichen Verlauf des notwendigerweise aufzuwendenden Stellmoments zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses in dem definierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine charakterisiert. Bei der Durchführung der Diagnose-Messung weist die Stelleinrichtung einen bekannten Verschleiß bzw. keinen Verschleiß auf, welcher beispielsweise zumindest im Wesentlichen unmittelbar nach dem Herstellen der Stelleinrichtung auftritt.
Wie der 1 zu entnehmen ist, weist der Verlauf 20 einen ersten Bereich 22 sowie einen zweiten Bereich 24 auf. In dem ersten Bereich 22 ist das Stellmoment wesentlich höher als das Stellmoment in dem Bereich 24. Ferner nimmt das Stellmoment in dem Bereich 22 mit fortlaufender Zeit ab. Der erste Bereich 22 charakterisiert dabei ein so genanntes Losbrechmoment. Das Losbrechmoment ist das Stellmoment, das es aufzubringen gilt, um das Lager bzw. die Lagerteile des Lagers der Verstellwelle von einem Haftreibungszustand, in welchem Haftreibung zwischen den Lagerteilen vorliegt, in einen Gleitreibungszustand, in welchem Gleitreibung zwischen den Lagerteilen vorliegt, zu überführen.
Da die Haftreibung zumindest betragsmäßig größer ist als die Gleitreibung, muss zunächst ein höheres Stellmoment aufgebracht werden, um die Lagerteile aus einer Ruhelage relativ zueinander in eine relative Bewegung zueinander zu überführen. Mit zunehmender Relativbewegung nimmt das notwendigerweise aufzuwendende Stellmoment ab, bis sich die Lagerteile zumindest im Wesentlichen konstant relativ zueinander bewegen und bis sich die Gleitreibung eingestellt hat. In dem Gleitreibungszustand muss dann lediglich ein konstantes Stellmoment aufgebracht werden, um die Lagerteile in relativer Bewegung zueinander zu halten. Dies ist anhand des zweiten Bereichs 24 erkennbar, in welchem das Stellmoment zumindest im Wesentlichen konstant mit fortlaufender Zeit verläuft.
Ein solcher Übergang von dem Haftreibungszustand in den Gleitreibungszustand tritt beispielsweise auch bei miteinander im Eingriff stehenden Verzahnungen zweier Zahnräder auf, die auch Komponenten bzw. Übertragungselemente der Stelleinrichtung sein können und dazu dienen, dass Stellmoment zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses von dem Elektromotor zu dem Kolben zu übertragen.
Anhand des Losbrechmoments bzw. des Stellmoments im ersten Bereich 22 sowie anhand des zumindest im Wesentlichen konstanten Stellmoments im zweiten Bereich 24, welches es insbesondere zur Überwindung von Reibmomenten aufzubringen gilt, kann der Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden. Dies ist der Fall, da sowohl das Losbrechmoment als auch das zumindest im Wesentlichen konstante Stellmoment zumindest im Wesentlichen abhängig von dem Zustand und insbesondere von dem Verschleiß der Stelleinrichtung sind. Insbesondere werden das Losbrechmoment und das zumindest im Wesentlichen konstante Stellmoment beeinflusst von dem Verschleiß, einer erhöhten Reibung und/oder etwaig vorhandenen Spielen der Stelleinrichtung.
Der bei der Diagnose-Messung erfasste Verlauf 20 wird beispielsweise in einem Speicher eines Steuergeräts zum Regeln und/oder Steuern der Stelleinrichtung abgelegt bzw. abgespeichert. Der Verlauf 20 stellt einen Soll-Verlauf dar, welcher sich einstellt, wenn die Stelleinrichtung einen nur sehr geringen oder zumindest im Wesentlichen keinen Verschleiß aufweist, was beispielsweise in einem Neuzustand der Stelleinrichtung zumindest im Wesentlichen unmittelbar nach deren Herstellung der Fall ist.
Zum Ermitteln des Zustands der Stelleinrichtung nach einer gewissen Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine mit der Stelleinrichtung wird nun auf analoge Art und Weise ein weiterer Verlauf 26 im Rahmen einer weiteren Diagnose-Messung erfasst. Dies ist anhand der 2 dargestellt.
Die 2 zeigt das Diagramm 10, in welchem der Verlauf 20 sowie der weitere Verlauf 26 eingetragen sind. Die weitere Diagnose-Messung zum Erfassen des weiteren Verlaufs 26 wird dabei ebenso in dem zuvor geschilderten definierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt. Da sowohl bei der ersten Diagnose-Messung als auch bei der weiteren Diagnose-Messung der definierte Zustand der Verbrennungskraftmaschine (Leerlauf, deaktivierter Betriebszustand) zumindest im Wesentlichen gleich ist, sind auch etwaig aus dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine resultierende und auf die Stelleinrichtung wirkende Effekte wie beispielsweise Kräfte und/oder Drehmomente zumindest im Wesentlichen gleich. Etwaige Unterschiede zwischen dem Verlauf 20 und dem weiteren Verlauf 26 resultieren daher zumindest im Wesentlichen aus einer Veränderung des Zustands der Stelleinrichtung ausgehend von dem Zeitpunkt bzw. der Zeitspanne, bei welcher die erste Diagnose-Messung durchgeführt wird bzw. wurde, hin zu dem Zeitpunkt bzw. der Zeitspanne, bei welcher die weitere Diagnose-Messung durchgeführt wird.
Wie der 2 zu entnehmen ist, ist bei der weiteren Diagnose-Messung zum Durchführen des zumindest im Wesentlichen gleichen Verstellvorgangs wie bei der ersten Diagnose-Messung ein zumindest betragsmäßig größeres Stellmoment von Nöten, das es von der Stelleinrichtung aufzubringen gilt. Dieses erhöhte Stellmoment resultiert beispielsweise aus einem Verschleiß der Stelleinrichtung, insbesondere des Lagers. Dies bedeutet, dass diese erhöhte Reibung besonders präzise anhand des Vergleichs des weiteren Verlaufs 26 der weiteren Diagnose-Messung mit dem Verlauf 20 der ersten Diagnose-Messung ermittelt und so besonders präzise und aussagekräftig auf den Zustand der Stelleinrichtung rückgeschlossen werden kann.
Anderweitige Effekte, welche zu dem gegenüber dem Verlauf 20 größeren Stellmoment des weiteren Verlaufs 26 führen als die Veränderung des Zustands der Stelleinrichtung sind zumindest im Wesentlichen auszuschließen, da beide Diagnose-Messungen in dem zumindest im Wesentlichen gleichen definierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden. Daher ist auch eine aus dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine resultierende Beeinflussung der Stelleinrichtung bei beiden Diagnose-Messungen zumindest im Wesentlichen gleich. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Diagnose-Messungen in einem deaktivierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden. Dadurch wirken keine Kräfte und/oder Momente infolge von Verbrennungsvorgängen in dem Zylinder auf die Stelleinrichtung.
Es ist ersichtlich, dass das Verfahren eine besonders präzise und aussagekräftige Ermittlung des aktuell vorliegenden und tatsächlichen Zustands der Stelleinrichtung ermöglicht. So kann ein Nutzer des Kraftwagens, der beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildet ist, frühzeitig zu einer Wartung der Stelleinrichtung angeregt werden. So kann vermieden werden, dass die Stelleinrichtung einen Zustand erreicht, in welchem sie das Verdichtungsverhältnis nicht mehr präzise und/oder ausreichend schnell einstellen kann. In der Folge können dadurch ein unerwünscht hoher Kraftstoffverbrauch sowie erhöhte CO₂-Emissionen sowie unerwünscht hohe Schadstoffemissionen der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden.
Bezugszeichenliste

10: Diagramm
12: Abszisse
14: Richtungspfeil
16: Ordinate
18: Richtungspfeil
20: Verlauf
22: erster Bereich
24: zweiter Bereich
26: weiterer Verlauf

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

EP 1307642 B1 [0002]
DE 19955250 A1 [0004]

Claims

Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit wenigstens einer Stelleinrichtung, mittels welcher wenigstens ein Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine variabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher zumindest ein einen Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisierendes Signal (20, 26) erfassbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinrichtung das erfasste Signal (20, 26) mit einem vorgebbaren Soll-Wert, Soll-Signal (20, 26) oder dergleichen vergleichbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Vergleichen des Signals (20, 26) mit dem Soll-Wert-, dem Soll-Signal (20, 26) oder dergleichen ein Zustand, insbesondere ein Verschleiß-Zustand, der Stelleinrichtung ermittelbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinrichtung wenigstens ein Drehmoment und/oder wenigstens ein zeitlicher Drehmomentenverlauf (20, 26) und/oder wenigstens eine Kraft und/oder wenigstens ein zeitlicher Kraftverlauf als das den Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisierende Signal (20, 26) erfassbar ist.
Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung wenigstens einen Dehnungsmessstreifen und/oder einen Drehmomentensensor zum Erfassen des den Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisierenden Signals (20, 26) aufweist.
Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, bei welchem ein Zustand der Stelleinrichtung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand in Abhängigkeit von zumindest einem mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung erfassten und einen Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charaktersierenden Signal (20, 26) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als das (20, 26) Signal ein zeitlicher Verlauf (20, 26) einer den Betätigungsaufwand zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses charakterisierenden Größe erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf (20, 26) in einen ersten, einen Haftreibungszustand der Stelleinrichtung charakterisierenden Bereich (22) und in wenigstens einen zweiten, einen Gleitreibungszustand der Stelleinrichtung charakterisierenden Bereich (24) unterteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Verlauf (20, 26) mit einem vorgebbaren Soll-Verlauf (20, 26) verglichen wird, wobei anhand des Vergleichs der Zustand der Stelleinrichtung ermittelt wird.