DE102011017229A1

DE102011017229A1 - Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102011017229A1
Application number: DE201110017229
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 ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, bei welchem ein Zustand der Stelleinrichtung ermittelt wird, wobei das Verfahren durchgeführt wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem ungefeuerten Betriebszustand befindet

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 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. Dadurch ist eine steuerbare Bewegung des Kolbens gewährleistet, insbesondere um eine Variierung des Verdichtungsverhältnisses und des Kolbenhubs zu ermöglichen. Das Übertragungsglied ist als Querhebel ausgebildet, der über ein Gelenk mit der Kurbel gekoppelt ist. Dieses Gelenk liegt im zwischenliegenden Bereich zwischen einem Lagerpunkt des Querhebels zum Steuerhebel und einem Lagerpunkt des Querhebels zum Pleuel. Das Gelenk ist zwischen Querhebel und Kurbel mit Abstand zur Verbindungslinie zwischen den beiden Lagerpunkten des Querhebels und des Steuerhebels bzw. zum Pleuel angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass die Seitenlänge zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und Pleuel-Lagerpunkt und die Seitenlänge zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und dem Kurbel-Gelenkpunkt und die Seitenlänge zwischen dem Pleuel-Lagerpunkt und dem Kurbel-Gelenkpunkt bezogen auf den Kurbelradius sich auf bestimmte Weise bemessen.
Der DE 199 55 250 A1 ist ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Vorrichtung zur variablen Einstellung der Zylinderverdichtung bei einer Hubkolben-Brennkraftmaschine als bekannt zu entnehmen. Jeweils vor und nach einer Ansteuerung der Vorrichtung zur Veränderung der Zylinderverdichtung wird ein Motorbetriebsparameter ermittelt, der auf eine Veränderung der Zylinderverdichtung reagiert. Beide Werte des Motorbetriebsparameters werden miteinander verglichen, um festzustellen, um eine Veränderung des Motorbetriebsparameters eingetreten ist. Dabei stellt eine Veränderung des Motorbetriebsparameters ein Indiz für eine korrekte Funktion der Vorrichtung zur variablen Einstellung der Zylinderverdichtung dar. Dieses Verfahren weist weiteres Potential auf, das Überprüfen der Vorrichtung zu verbessern.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welches ein verbessertes Überprüfen der Stelleinrichtung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein solches Verfahren dient zum Überprüfen einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens. Bei dem Verfahren wird ein Zustand der Stelleinrichtung ermittelt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verfahren durchgeführt wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem ungefeuerten Betriebszustand befindet. Mit anderen Worten wird das Verfahren durchgeführt, wenn in wenigstens einem Brennraum, insbesondere einem Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine keine Verbrennungsvorgänge ablaufen bzw. durchgeführt werden. In diesem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine kann der Zustand der Stelleinrichtung bzw. wenigstens ein den Zustand der Stelleinrichtung charakterisierendes Signal (Zustandssignal) besonders präzise ermittelt bzw. erfasst werden. Das Auftreten der Gefahr von Messfehlern, welche das Erfassen und insbesondere die Qualität des erfassten Signals negativ beeinflussen können, ist in dem ungefeuerten Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine besonders gering oder gar vermieden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass keine aus Verbrennungsvorgängen resultierenden Einflüsse, wie beispielsweise Kräfte und/oder Momente, das Erfassen des Zustandssignals und damit das Ermitteln des Zustands der Verstelleinrichtung negativ beeinflussen können. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die besonders präzise und aussagekräftige und damit verbesserte Ermittlung des Zustands der Stelleinrichtung. So kann ermittelt werden, ob sich die Stelleinrichtung in einem Zustand befindet, in welchem sie ihre vorteilhafte und erwünschte Funktion zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses erfüllen kann, oder ob sie sich in einem Zustand befindet, in welchem sie ihre Funktion nicht oder nur eingeschränkt erfüllen kann. Durch diese präzise und aussagekräftige Ermitteln des Zustands kann insbesondere auf einen tatsächlichen und aktuellen Verschleiß, insbesondere nach einer hohen Lebensdauer, der Stelleinrichtung rückgeschlossen werden.
Bei der Verbrennungskraftmaschine mit der Stelleinrichtung zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses, wobei es sich beispielsweise um ein sogenanntes Multilink-Triebwerk handelt, ergeben sich während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere abhängig von einer Last und/oder einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, sehr hohe Stellkräfte und/oder Stellmomente, welche von der Stelleinrichtung aufzubringen sind, um das Verdichtungsverhältnis einzustellen bzw. zu verstellen. Diese hohen Stellkräfte und/oder hohen Stellmomente werden insbesondere von einer Mechanik der Stelleinrichtung aufgewendet, welche beispielsweise wenigstens ein Getriebe und/oder wenigstens ein Stellglied, insbesondere einen Elektromotor, umfasst.
Die relativ hohen Stellkräfte und/oder Stellmomente stellen relativ hohe Belastungen für die Stelleinrichtung dar, infolge welchen die Stelleinrichtung verschleißen kann. Insbesondere können Reibungen von Lagern und/oder von miteinander im Eingriff stehenden Verzahnungen jeweiliger Zahnräder infolge des Verschleißes ansteigen, woraus höhere Stellmomente und/oder höhere Stellkräfte zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses resultieren, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind. Dies kann auch dazu führen, dass die Stelleinrichtung eine vorteilhafte und erwünschte, sogenannte Stelldynamik, d. h. eine Geschwindigkeit, mit welcher die Stelleinrichtung das Verdichtungsverhältnis einstellen bzw. verstellen kann, nicht mehr erfüllen kann. Die Folge daraus kann sein, dass die Verbrennungskraftmaschine unerwünscht hohe Schadstoffemissionen sowie einen unerwünscht hohen Kraftstoffverbrauch aufweist, was mit unerwünscht hohen CO₂-Emissionen einhergehen kann.
Diese Problematik ist durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, da es die besonders präzise und aussagekräftige Ermittlung des Zustands, insbesondere eines Verschleißzustands, der Stelleinrichtung ermöglicht. Ist ein solcher unerwünschter Zustand ermittelt, so können entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Ebenso möglich ist es, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens einen sogenannten Grenz-Zustand der Stelleinrichtung zu ermitteln. In dem Grenzzustand weist die Stelleinrichtung nach wie vor eine besonders vorteilhafte und erwünschte Funktionalität auf. Mit anderen Worten kann sie in dem Grenzzustand ihre Funktion zumindest im Wesentlichen vollumfänglich erfüllen. Insbesondere kann sie in dem Grenzzustand nach wie vor erwünschte Stelldynamiken erfüllen.
Die Ermittlung des Grenzzustands ermöglicht es jedoch, einen zukünftigen Zustand der Stelleinrichtung abzuschätzen und mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit vorherzusehen bzw. vorherzusagen, in welchem die erwünschte Funktion der Stelleinrichtung negativ beeinträchtigt ist. Dadurch können bereits zu einem frühen Zeitpunkt Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um zu verhindern, dass die Stelleinrichtung in den unerwünschten Zustand ausgehend von dem Grenzzustand erlangt.
Bei den Gegenmaßnahmen handelt es sich beispielsweise um einen Hinweis, welcher in Form eines optisch und/oder akustisch wahrnehmbaren Signal einem Nutzer, insbesondere einem Fahrer, des Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens mitgeteilt wird. Dadurch kann der Nutzer zum Warten und/oder zum Reparieren und/oder zum Austauschen der Stelleinrichtung angeregt werden. Beispielsweise kann der Nutzer dazu angeleitet werden, eine Werkstatt aufzusuchen, so dass die Stelleinrichtung gewartet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet somit zumindest nahezu stets einen besonders effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, da ihr Verdichtungsverhältnis mittels der funktionsfähigen Stelleinrichtung bedarfsgerecht an vorliegende Fahrsituationen und Betriebspunkte angepasst werden kann. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine mit geringen Schadstoffemissionen und mit einem geringen Kraftstoffverbrauch betrieben werden, woraus geringe CO₂-Emissionen resultieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere dann durchgeführt werden, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem ungefeuerten Schubbetriebszustand befindet. Dies bedeutet, dass in dem wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine keine Verbrennungsvorgänge ablaufen. In dem Schubbetriebszustand wird die Verbrennungskraftmaschine jedoch von wenigstes einem sich drehenden Rad des Kraftwagens angetrieben. Auch dadurch können Einflüsse, insbesondere Kräfte und/oder Momente, die aus den Verbrennungsvorgängen in dem Brennraum resultieren können, vermieden werden.
Das Verfahren kann bei jedweder Art von Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden. Die Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise als Dieselmotor, Ottomotor, Diesottomotor oder dergleichen ausgebildet sein und mit flüssigem und/oder gasförmigem Kraftstoff betrieben werden. Bevorzugt ist die Verbrennungskraftmaschine als Hubkolbenmaschine ausgebildet. Die als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen Zylinder als den Brennraum auf. In dem Zylinder ist ein Kolben translatorisch relativ zu dem Zylinder bewegbar aufgenommen. Mittels der Stelleinrichtung kann der Kolben in dem Brennraum relativ zu diesem bewegt werden, so dass das zu den Zylindern korrespondierende Verdichtungsverhältnis variabel eingestellt werden kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren durchgeführt, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem unangetriebenen Betriebszustand befindet. Dies bedeutet, dass in dem Brennraum keine Verbrennungsvorgänge ablaufen. Darüber hinaus wird die Verbrennungskraftmaschine auch nicht beispielsweise von einem sich bewegenden Rad des Kraftwagens angetrieben. Dies bedeutet, dass sich der Kolben in dem Brennraum, insbesondere in dem Zylinder, nicht relativ zu diesem bewegt. In diesem unangetriebenen Betriebszustand handelt es sich beispielsweise um einen deaktivierten Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine. Dabei können jedoch der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Komponenten, beispielsweise wenigstens eine Regelungseinrichtung zum Steuern und/oder Regeln der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Stelleinrichtung, zumindest im Wesentlichen aktiviert sein, um das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können.
Das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem unangetriebenen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine birgt den Vorteil, dass dadurch weder aus Verbrennungsvorgängen resultierende Einflüsse, insbesondere Kräfte und/oder Momente, noch aus einer Bewegung des Kolbens in dem Brennraum relativ zu diesem das Ermitteln des Zustands bzw. das Erfassen des den Zustand charakterisierenden Signals negativ beeinflussen können. Dadurch ist der tatsächliche und aktuell vorliegende Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise und aussagekräftig ermittelbar.
Fehlmessungen sowie falsche Rückschlüsse auf den Zustand des Stelleinrichtung können dadurch vermieden werden. So können die geschilderten Gegenmaßnahmen zum Vermeiden oder Aufheben des unerwünschten Zustands der Stelleinrichtung besonders bedarfsgerecht und tatsächlich nur dann durchgeführt werden, wenn dies auch tatsächlich von Nöten ist, d. h. wenn die Stelleinrichtung auch tatsächlich den entsprechenden, die Gegenmaßnahmen auslösenden Zustand aufweist.
Wird das Verfahren durchgeführt, wenn sich der Kraftwagen im Stillstand befindet, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch auch aus einer Bewegung des Kraftwagens resultierende insbesondere negative Einflüsse auf das Ermitteln des Zustands der Stelleinrichtung vermieden werden können. Bei diesem aus einer Bewegung des Kraftwagens resultierenden Einflüssen kann es sich beispielsweise um Relativbewegungen, Schwingungen oder dergleichen von Bauteilkomponenten und/oder dergleichen des Kraftwagens und insbesondere der Verbrennungskraftmaschine und der Stelleinrichtung handeln. Dadurch ist eine besonders präzise Ermittlung des Zustands der Stelleinrichtung mit all den damit einhergehenden Vorteilen ermöglicht.
Das Durchführen des Verfahrens bei wenigstens einem vorgebbaren Auslöseereignis ist insofern vorteilhaft, als dadurch das Verfahren bei besonders definierten Bedingungen durchgeführt wird.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren über die Lebensdauer der Stelleinrichtung hinweg mehrmals durchgeführt. Wird das Verfahren dann bei dem zumindest im Wesentlichen immer gleichen Auslöseereignis durchgeführt, so kann dadurch sichergestellt werden, dass beim Durchführen des Verfahrens zumindest nahezu immer zumindest nahezu gleiche und definierte Bedingungen und damit auch Einflüsse auf das Ermitteln des Zustands vorliegen. Zumindest kann eine Mehrzahl von Ergebnissen, d. h. Zuständen, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren erlangt werden, aussagekräftig und belastbar miteinander verglichen werden. Dadurch kann beispielsweise ein zeitlicher Verlauf des Zustands der Stelleinrichtung über eine bestimmte Zeitspanne hinweg ermittelt, abgespeichert, dokumentiert und ausgewertet werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren bei einem Bewegen eines Flügelelements, insbesondere einer Tür, beispielsweise einer Seitentür, einer Klappe oder dergleichen, als das vorgebbare Auslöseereignis durchgeführt. Dadurch liegen bei der Durchführung des Verfahrens definierte und zumindest gleiche oder ähnliche Bedingungen vor, so dass der Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden kann.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das Verfahren zu einer bestimmten Uhrzeit als das vorgebbare Auslöseereignis durchgeführt wird. Auch dies ermöglicht das besonders präzise und aussagekräftige Ermitteln des Zustands, insbesondere bei einem mehrmaligen Durchführen des Verfahrens über eine bestimmte Zeitspanne oder Lebensdauer der Stelleinrichtung hinweg.
Bevorzugt wird das Verfahren durchgeführt, wenn die Uhrzeit später als ein vorgebbarer erster Schwellenwert und früher als ein vorgebbarer zweiter Schwellenwert ist. Mit anderen Worten wird das Verfahren in einem Zeitbereich eines Tages von 24 Stunden durchgeführt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass beim Durchführen des Verfahrens zumindest nahezu immer zumindest nahezu gleiche Bedingungen vorliegen. Dadurch ist ein besonders präzises Ermitteln des Zustands bzw. Erfassens des den Zustand charakterisierenden Signals möglich.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 einen zeitlichen Soll-Verlauf sowie einen zeitlichen Ist-Verlauf eines Drehwinkels eines Elektromotors einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine;
2 einen zeitlichen Verlauf eines elektrischen Stroms zum Überprüfen der Stelleinrichtung der Verbrennungskraftmaschine gemäß 1;
3 zwei zeitliche Verläufe einer Drehbewegung einer Verstellwelle der Stelleinrichtung zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine , anhand welchen ein Zustand der Stelleinrichtung ermittelbar ist;
4 einen Soll-Verlauf sowie einen Ist-Verlauf eines Drehwinkels eines Elektromotors der Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine; und
5 einen zeitlichen Verlauf eines Stellmoments, welches es von der Stelleinrichtung zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine aufzuwenden gilt, um das Verdichtungsverhältnis einzustellen.
Das Streben, Kraftstoffverbräuche von Verbrennungskraftmaschinen zu reduzieren, führt dazu, die Verbrennungskraftmaschinen mit wenigstens einem variabel einstellbaren Verdichtungsverhältnis zu versehen. Die Verbrennungskraftmaschinen umfassen jeweils wenigstens eine Stelleinrichtung, mittels welcher das mindestens eine Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar und an unterschiedliche Fahrsituationen und Betriebspunkte anpassbar ist.
Die Stelleinrichtung umfasst dazu beispielsweise einen Elektromotor mit einem um eine Drehachse drehbaren Rotor. Ferner umfasst die Stelleinrichtung wenigstens eine Verstellwelle. Die Verstellwelle ist dabei über ein Lager an einem Bauteil, insbesondere an einem Gehäuseteil der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Stelleinrichtung, gelagert. Die Verstellwelle ist über wenigstens ein Lager an dem Bauteil relativ zu diesem drehbar gelagert.
Zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses wird die Verstellwelle um die Drehachse gedreht. Dazu ist die Verstellwelle, z. B. auch über ein Übertragungsglied (z. B. Getriebe), drehfest mit dem Rotor des Elektromotors koppelbar oder gekoppelt. Zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses und damit zum Drehen der Verstellwelle wird ein Drehmoment auf bzw. in die Verstellwelle von dem Elektromotor eingeleitet. Solche Drehmomente zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses werden auch als Stellmomente bezeichnet, die es von der Stelleinrichtung, insbesondere von dem Elektromotor, aufzubringen gilt, um das Verdichtungsverhältnis neu einzustellen.
Bei dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine kann es in Abhängigkeit von einer Last und/oder einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zu besonders hohen Stellmomenten kommen. Infolge dieser hohen Stellmomente kann die Stelleinrichtung verschleißen, so dass es insbesondere zur Erhöhung von Reibungen an dem Lager und/oder an miteinander im Eingriff stehenden Verzahnungen von Zahnrädern der Stelleinrichtung kommt. Falls keine entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen sind, kann die Folge sein, dass die Stelleinrichtung nach einer gewissen Lebensdauer vorteilhafte hohe Stelldynamiken, d. h. die Geschwindigkeiten, mit welchen die Stelleinrichtung das Verdichtungsverhältnis einstellen bzw. verstellen kann, nicht mehr erfüllt. Dies kann wiederum zu unerwünscht hohen Schadstoffemissionen sowie zu einem unerwünscht hohen Kraftstoffverbrauch und damit einhergehenden, unerwünscht hohen CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine führen.
Um diese Problematik zu verhindern, ist es wünschenswert, den Zustand der Stelleinrichtung insbesondere hinsichtlich ihres Verschleißes präzise und aussagekräftig zu ermitteln. Anhand der 1 bis 3 ist ein Verfahren veranschaulicht, mittels welchem der Zustand der Stelleinrichtung besonders aussagekräftig und präzise zu ermitteln ist.
Zunächst wird der Elektromotor positionsgeregelt betrieben, d. h., dass der Elektromotor derart betrieben wird, dass sein Rotor und damit die über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle eine vorgegebene Bewegung durchführt. Bei der vorgegebenen Bewegung handelt es sich um einen Drehwinkel der Verstellwelle. Mit anderen Worten wird der Elektromotor solange und derart betrieben, so dass und bis sein Rotor und damit die über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle den vorgebbaren Drehwinkel, ausgehend von einer Drehstellung, zurückgelegt haben.
Zur Veranschaulichung dieses positionsgeregelten Betriebs zeigt die 1 ein Diagramm 10, auf dessen Abszisse 12 die Zeit gemäß einem Richtungspfeil 14 fortlaufend aufgetragen ist. Auf der Ordinate des Diagramms 10 ist der Drehwinkel des Rotors des Elektromotors und damit der Verstellwelle gemäß einem Richtungspfeil 18 ansteigend aufgetragen.
In dem Diagramm 10 ist ein Soll-Verlauf 20 des Drehwinkels eingetragen. Der Soll-Verlauf 20 charakterisiert die Drehbewegung des Motors und damit der Verstellwelle beim Betreiben des Elektromotors, wenn die Stelleinrichtung idealisiert reibungsfrei ist bzw. wäre.
Tatsächlich treten jedoch Reibungserscheinungen beim Betrieb der Stelleinrichtung zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses auf. So wird der Elektromotor positionsgeregelt betrieben und beispielsweise wenigstens eine vollständige Umdrehung des Rotors und damit der Verstellwelle durchgeführt ist, um ein sogenanntes Losbrechmoment der Stelleinrichtung zu überwinden. Das Losbrechmoment charakterisiert das von dem Elektromotor aufzuwendende Drehmoment, um die Stelleinrichtung von einem Haftreibungszustand, in welchem Haftreibung vorliegt, in einen Gleitreibungszustand, in welchem Gleitreibung vorliegt, zu überführen.
Ausgehend von zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen, beispielsweise zwei Lagerteilen des Lagers der Verstellwelle, welche sich zunächst relativ zueinander in Ruhe befinden, ist zunächst der Haftreibungszustand und damit die Haftreibung zu überwinden, um die Teile bzw. die Lagerteile in eine Relativbewegung zueinander zu versetzen. Da die Haftreibung zumindest betragsmäßig größer ist als die Gleitreibung, ist zum Überwinden des Haftreibungszustands eine höhere Stellkraft bzw. ein höheres Stellmoment (Losbrechmoment) aufzuwenden, als es in dem Gleitreibungszustand aufzuwenden ist, um die Teile in der relativen Bewegung zueinander zu halten. Im Gleitreibungszustand wird das zum relativen Bewegen der Teile aufzuwendende Stellmoment zumindest im Wesentlichen lediglich durch Reibungskräfte zwischen den Teilen bestimmt. Ist der Haftreibungszustand überwunden, so ist im Gleitreibungszustand lediglich eine zumindest im Wesentlichen konstante Stellkraft bzw. ein zumindest im Wesentlichen konstantes Stellmoment von Nöten, um die Teile in der relativen Bewegung zueinander zu halten. Dies trifft insbesondere auf Gleitlager zu, welche mit einem Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, zu schmieren sind.
Aufgrund der Notwendigkeit, zunächst das Losbrechmoment zu überwinden, um die Verstellwelle aus einem ruhenden Zustand heraus in einen drehenden Zustand zu bewegen, weicht ein in der 1 gezeigter Ist-Verlauf des Drehwinkels von dem idealen Soll-Verlauf 20 ab. In dem Diagramm 10 ist eine Zeitspanne Z gezeigt, welche es dauert, um das Losbrechmoment zu überwinden. In der Folge werden dann der Rotor und damit die über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle positionsgeregelt bewegt, bis sie einen gewünschten Soll-Drehwinkel D aufweisen. Dieser Soll-Drehwinkel D weist dabei beispielsweise zumindest im Wesentlichen 360° auf, so dass wenigstens eine vollständige Umdrehung des Rotors durchgeführt wird.
Zum Betreiben des Elektromotors und damit zum Drehen des Rotors und der Verstellwelle wird der Elektromotor mit elektrischem Strom versorgt. Der Strom, mit welchem der Elektromotor versorgt wird, ist dabei proportional zum Stellmoment, das von dem Elektromotor aufgewendet und auf die über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle übertragen wird. Der aufzuwendende elektrische Strom zum Überwinden des Losbrechmoments kann ebenfalls zur Aussage über den Zustand der Stelleinrichtung genutzt werden. Je höher der aufzuwendende Strom zum Überwinden des Losbrechmoments ist, desto höher sind in der Stelleinrichtung vorliegende Reibungen. Dies deutet auf einen relativ hohen Verschleiß der Stelleinrichtung hin.
Dieser Strom, der notwendig ist, um das Losbrechmoment zu überwinden, kann mit einem abgespeicherten und beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegten Strom verglichen werden. Der abgespeicherte Strom charakterisiert dabei die Stelleinrichtung in einem Zustand, in welchen sie zumindest im Wesentlichen keine oder nur eine geringe Reibung bzw. Verschleiß aufweist. Ist der abgespeicherte Strom geringer als der zum Überwinden des Losbrechmoments notwendige Strom, so deutet dies auf den erhöhten Verschleiß der Verstelleinrichtung hin. Nach dem Durchführen der vorgebbar und definierten Bewegung des Rotors und damit der über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle in Form des vorgebbaren Soll-Drehwinkels D von zumindest im Wesentlichen 360° wird der Elektromotor mit einem vorgebbaren, definierten und in der 2 gezeigten Stromverlauf 24 angesteuert und betrieben. Bei diesem Verfahren wird somit eine vorgebbare Bewegung der Verstellwelle (des Rotors) durchgeführt.
Die 2 zeigt ein Diagramm 26, auf dessen Abszisse 28 die Zeit gemäß einem Richtungspfeil 30 fortlaufend aufgetragen ist. Auf der Ordinate 32 des Diagramms 10 ist gemäß einem Richtungspfeil 34 aufsteigend der elektrische Strom aufgetragen, mit welchem der Elektromotor zum Verstellen bzw. Einstellen des Verdichtungsverhältnisses betrieben wird.
Das Verfahren zum Ermitteln des Zustands der Stelleinrichtung wird beispielsweise in einem definierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt. Bei diesem definierten Zustand handelt es sich beispielsweise um einen Nachlaufmodus eines Steuergeräts zum Steuern und/oder Regeln der Verbrennungskraftmaschine. In diesem Nachlaufmodus wird das Steuergerät zeitlich nach einem Auslösen einer Deaktivierung der Verbrennungskraftmaschine betrieben, wobei die Verbrennungskraftmaschine deaktiviert ist. Das Steuergerät ist dabei jedoch noch nicht deaktiviert. In diesem deaktivierten Zustand der Verbrennungskraftmaschine laufen keine Verbrennungsvorgänge in Brennräumen, insbesondere Zylindern, der Verbrennungskraftmaschine ab. Dadurch wirken keine zusätzlichen Momente und/oder Kräfte infolge der Verbrennungsvorgänge und/oder infolge einer Rotation einer Kurbelwelle auf die Verstellwelle. Auf die Verstellwelle wirken zumindest im Wesentlichen lediglich Trägheitsmomente und/oder Trägheitskräfte der Stelleinrichtung sowie gegebenenfalls erhöhte Reibmomente infolge des Verschleißes der Stelleinrichtung.
Nach dem Überwinden des infolge der Haftreibungskraft herrschenden Losbrechmoments stellt sich ein Stellmoment ein, welches zumindest im Wesentlichen proportional zu dem Strom und damit dem Stromverlauf 24 ist.
In Abhängigkeit von Reibkräften, insbesondere in dem wenigstens einen Lager, von Verzahnungskräften von Zahnrädern der Stelleinrichtung und/oder von anderweitigen Kräften, führen der Rotor und damit die über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle eine Anzahl an Umdrehungen durch bzw. der Rotor und die Verstellwelle bewegen sich einen Drehwinkel auch in Abhängigkeit von der Höhe, d. h. dem Betrag, und der zeitlichen Dauer des Stroms (Stromverlauf 24).
Weist die Stelleinrichtung einen Zustand mit einem relativ geringen Verschleiß und damit einer relativ geringen Reibung auf, so führen der Rotor und die über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle eine relativ hohe Anzahl an Umdrehungen aus bzw. der Rotor und die Verstellwelle bewegen sich einen relativ hohen Drehwinkel. Weist die Stelleinrichtung demgegenüber einen Zustand mit einem höheren Verschleiß und damit einer höheren Reibung auf, so führen der Rotor und die über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle demgegenüber eine geringere Anzahl an Umdrehungen aus bzw. der Rotor und die Verstellwelle bewegen sich einen geringeren Drehwinkel.
Die erfasste Anzahl an Umdrehungen und/oder der erfasste Drehwinkel stellen somit eine jeweilige Messgröße dar, anhand derer auf den Zustand der Stelleinrichtung und somit auf das Vorliegen eines gewissen, relativ hohen Verschleißes und einer gewissen, relativ hohen Reibung rückgeschlossen werden kann. Dadurch ist eine Messung, Auswertung und Diagnose einer Kinematikgröße der Stelleinrichtung auf einfache und kostengünstige Weise durchführbar. Es sind keine zusätzlichen Sensoren und/oder Stellglieder von Nöten. Dies hält das Gewicht, den Bauraumbedarf und die Kosten der Verbrennungskraftmaschine gering.
Der sich einstellende Drehwinkel des Rotors bzw. der Stellwelle kann dabei mittels einer entsprechenden Erfassungseinrichtung erfasst und mit einem in einer Speichereinrichtung abgespeicherten Soll-Drehwinkel verglichen werden.
Die 3 zeigt ein Diagramm 36 auf dessen Abszisse 38 die Zeit gemäß einem Richtungspfeil 40 fortlaufend aufgetragen ist. Auf der Ordinate 42 des Diagramms 10 ist der Drehwinkel gemäß einem Richtungspfeil 44 aufsteigend aufgetragen. In dem Diagramm 36 ist ein Ist-Verlauf 46 eines erfassten Drehwinkels des Rotors und damit der über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle eingetragen. Der Ist-Verlauf 46 charakterisiert dabei einen Zustand der Stelleinrichtung, in welchem die Stelleinrichtung einen relativ geringen Verschleiß aufweist. In dem Diagramm 36 ist auch ein Toleranzband 48 eingetragen, welches von einem oberen Schwellenverlauf 50 und einem unteren Schwellenverlauf 52 begrenzt wird. Befindet sich ein erfasster Verlauf des Drehwinkels innerhalb des Toleranzbandes 48 oder zumindest auf den Schwellenverläufen 50 oder 52, so weist die Stelleinrichtung einen noch vorteilhaften Zustand auf, in welchem die Stelleinrichtung hohe Stelldynamiken erfüllen und das Verdichtungsverhältnis präzise einstellen kann.
In dem Diagramm 36 ist ein weiterer Ist-Verlauf 54 des erfassten Drehwinkels eingetragen. Wie der 3 zu entnehmen ist, befindet sich der Ist-Verlauf 54 außerhalb des Toleranzbandes 48. Der Ist-Verlauf 54 deutet auf einen erhöhten und gegebenenfalls unerwünscht hohen Verschleiß der Stelleinrichtung mit erhöhten Reibungen hin. Wird der Ist-Verlauf 54 erfasst, so können frühzeitig entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um die Stelleinrichtung zu warten und wieder in einen vorteilhaften und erwünschten, beispielsweise durch den Ist-Verlauf 46 charakterisierten, Zustand zu versetzen.
Anhand der 4 und 5 ist ein weiteres Verfahren veranschaulicht, mittels welchem zusätzlich oder alternativ der Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden kann. Der Elektromotor wird positionsgeregelt bei einer definierten und vorgebbaren Drehzahl angesteuert. Dies bedeutet, dass der Elektromotor derart betrieben wird, dass er eine vorgebbare Bewegung in Form der Drehzahl durchführt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor derart betrieben wird, so dass der Rotor und damit die über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle einen vorgebbaren, definierten Drehwinkel D durchführen. Mit anderen Worten wird der Elektromotor über eine solch große Zeitspanne unter Versorgung des Elektromotors mit einem betragsmäßig solch hohen Strom versorgt, bis der Rotor und somit die über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle den vorgebbaren Drehwinkel D zurückgelegt haben.
Die 4 zeigt das Diagramm 10 mit dem idealen Soll-Verlauf 20. In dem Diagramm 10 ist nun ferner ein Ist-Verlauf 56 eingetragen. Wie der 4 zu entnehmen ist, wird der Elektromotor derart betrieben, bis der Ist-Verlauf 56 den vorgebbaren Soll-Drehwinkel D des Soll-Verlaufs 20 erreicht hat. Ein zur Durchführung dieser vorgebbaren definierten Bewegung (Drehzahl und/oder Soll-Drehwinkel D) notwendige und aufzuwendende Strom wird mit einer entsprechenden Erfassungseinrichtung gemessen. Dabei ergibt sich die Möglichkeit den Betrag des Stroms zur Überwindung des Losbrechmoments und zeitlich anschließend den Betrag des Stroms zur Verstellung bzw. Einstellung des Verdichtungsverhältnisses bei der definierten Drehzahl zu erfassen. Da, wie geschildert, der Strom proportional zum Stellmoment ist, kann dadurch auch das Stellmoment erfasst bzw. ermittelt werden. Dies ist anhand der 5 veranschaulicht.
Die 5 zeigt ein Diagramm 58, auf dessen Abszisse 60 die Zeit gemäß einem Richtungspfeil 62 fortlaufend aufgetragen ist. Auf der Ordinate des Diagramms 58 ist das Stellmoment gemäß einem Richtungspfeil 66 ansteigend aufgetragen. In das Diagramm 58 ist ein Verlauf 68 des Stellmoments eingetragen. Der Verlauf weist einen ersten Bereich 70 auf, welcher den Haftreibungszustand charakterisiert. Somit charakterisiert der Verlauf 68 in dem Bereich 70 das Losbrechmoment, welches es aufzubringen gilt, um die Stelleinrichtung von dem Haftreibungszustand in den Gleitreibungszustand zu überführen.
Der Verlauf 68 weist einen zweiten Bereich 72 auf, welcher den Gleitreibungszustand der Stelleinrichtung charakterisiert. In dem Gleitreibungszustand weist das Stellmoment einen zumindest im Wesentlichen konstanten Verlauf auf. In dem Bereich 72 des Verlaufs 68 kann anhand des Verlaufs 68 besonders präzise das Stellmoment auf einem Strom bzw. dessen zeitlichen Stromverlauf ermittelt werden. So kann der Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden.
Eine weitere Möglichkeit zum Ermitteln des Zustands der Stelleinrichtung ist, den Elektromotor positionsgeregelt bei einer maximal zulässigen Bestromung zu betreiben. Dies bedeutet, dass dem Elektromotor der maximal zulässige Strom zugeführt wird. Dabei stellt sich eine maximale Drehzahl des Rotors und damit der über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle ein. Die maximal einstellende Drehzahl ermöglicht eine Aussage über den Zustand des Stellsystems zu treffen. Je geringer die Reibung und der Verschleiß der Stelleinrichtung ist, desto höher ist die sich einstellende Maximaldrehzahl und umgekehrt. Diese sich maximal einstellende Drehzahl wird als Grenzdrehzahl bezeichnet. Der Grenzdrehzahl lässt sich über eine Drehzahl – Drehmoment – Kennlinie des Elektromotors ein bei diesem Zustand der Stelleinrichtung benötigtes Stellmoment zuordnen, so dass besonders präzise und aussagekräftige Rückschlüsse der Stelleinrichtung gemacht werden können.
Die anhand der 1 bis 5 illustrierten Verfahren werden bevorzugt dann durchgeführt, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem ungefeuerten und unangetriebenen Betriebszustand befindet. Dadurch wird die Ermittlung des Zustands der Stelleinrichtung nicht von aus Verbrennungen resultierenden Einflüssen wie beispielsweise Kräfte und/oder Momente beeinflusst. Darüber hinaus wird die Ermittlung des Zustands der Stelleinrichtung nicht von dem sich in dem Brennraum relativ zu diesem bewegenden Kolben beeinflusst. Dadurch kann der aktuelle und tatsächlich vorliegende Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden. Insbesondere wirkt kein zusätzliches Moment infolge von Verbrennungsvorgängen sowie infolge einer Rotation der Kurbelwelle auf die Verstellwelle.
Bezugszeichenliste

10: Diagramm
12: Abszisse
14: Richtungspfeil
16: Ordinate
18: Richtungspfeil
20: Soll-Verlauf
22: Ist-Verlauf
24: Strom-Verlauf
26: Diagramm
28: Abszisse
30: Richtungspfeil
32: Ordinate
34: Richtungspfeil
36: Diagramm
38: Abszisse
40: Richtungspfeil
42: Ordinate
44: Richtungspfeil
46: Ist-Verlauf
48: Toleranzband
50: oberer Schwellenverlauf
52: unterer Schwellenverlauf
54: Ist-Verlauf
56: Ist-Verlauf
58: Diagramm
60: Abszisse
62: Richtungspfeil
64: Ordinate
66: Richtungspfeil
68: Verlauf
70: erster Bereich
72: zweiter Bereich
D: Drehwinkel
Z: Zeitspanne

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1307642 B1 [0002]
DE 19955250 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, bei welchem ein Zustand der Stelleinrichtung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem ungefeuerten Betriebszustand befindet
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem unangetriebenen Betriebszustand befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird, wenn eine Fortbewegungsgeschwindigkeit des Kraftwagens geringer als ein vorgebbarer Schwellenwert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird, wenn sich der Kraftwagen im Stillstand befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem vorgebbaren Auslöseereignis durchgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem Bewegen eines Flügelelements, insbesondere einer Tür, Klappe oder dergleichen, als das vorgebbare Auslöseereignis durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zu einer bestimmten Uhrzeit als das vorgebbare Auslöseereignis durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durchgeführt wird, wenn die Uhrzeit später als ein vorgebbarer erster Schwellenwert und früher als ein vorgebbarer zweiter Schwellenwert ist.