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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die
DE 102 51 493 A1 offenbart ein Verfahren für einen Diagnosebetrieb einer Brennkraftmaschine mit mehreren Kompressionsverhältnis-Betriebszuständen. Bei dem Verfahren wird eine Änderung der Zündungsanpassung bestimmt, die zur Vermeidung eines Klopfens erforderlich ist, wenn der Motor in bestimmten Kompressionsverhältnis-Betriebszuständen betrieben wird. Ferner wird der Betrieb bzw. der Zustand der Brennkraftmaschine basierend auf der Änderung der Zündungsanpassung bewertet.
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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 eine Übertragungsglied vorgesehen, dessen Bewegung über einen Steuerhebel manipulierbar ist. Dies erfolgt mit dem Ziel, eine steuerbare Bewegung des Kolbens zu gewährleisten, 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 zum Steuerhebel bzw. zum Pleuel angeordnet. Dabei sind die Seitenlänge zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und dem 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 bemessend ausgebildet.
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DE 199 55 250 A1 offenbart ein Verfahren zu Funktionsüberwachung einer Vorrichtung zur variablen Einstellung der Zylinderverdichtung bei einer Hubkolben-Brennkraftmaschine. 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, ob eine Veränderung des Motorbetriebsparameters eingetreten ist. Eine Veränderung des Motorbetriebsparameters stellt dabei ein Indiz für eine korrekte Funktion der Einstellung der Zylinderverdichtung dar. Die bekannten Verfahren weisen weiteres Potenzial auf, die Überprüfung des Zustands der Vorrichtung zur variablen Einstellung der Zylinderverdichtung zu verbessern.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welches ein verbessertes Überprüfen der Stelleinrichtung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein solches Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Der erste 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.
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Erfindungsgemäß wird bei einem Schritt des Verfahrens die Stelleinrichtung mit einer vorgebbaren Energiemenge zum Betreiben der Stelleinrichtung versorgt, wodurch wenigstens ein Stellelement der Stelleinrichtung bewegt wird. Dieses Stellelement dient dabei zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses. Das heißt, dass über das Stellelement Stellkräfte und/oder Stellmomente übertragen werden, um das Verdichtungsverhältnis variabel einstellen zu können.
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Bei einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest ein die aus dem Versorgen der Stelleinrichtung mit der vorgebbaren Energiemenge resultierende Bewegung des Stellelements charakterisierendes Signal mittels einer Erfassungseinrichtung erfasst. Bewegt sich das Stellelement beispielsweise rotatorisch und/oder translatorisch relativ zu einem Bauteil, insbesondere einem Gehäuseteil, der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Stelleinrichtung, an welchem das Stellelement bewegbar gelagert ist, so wird diese aus der vorgebbaren Energiemenge resultierende Bewegung mittels der Erfassungseinrichtung erfasst.
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Bei einem weiteren Schritt des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Zustand der Stelleinrichtung zumindest mittelbar anhand des erfassten Signals ermittelt wird. Dabei ist vorgesehen, dass das Verfahren durchgeführt wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem gefeuerten Betriebszustand befindet. Dies bedeutet, dass Verbrennungsvorgänge in wenigstens einem Brennraum, insbesondere einem Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine ablaufen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die besonders präzise und aussagekräftige und damit verbesserte Ermittlung des aktuell vorliegenden und tatsächlichen Zustands der Stelleinrichtung. Dadurch kann überprüft werden, ob die Stelleinrichtung ihre gewünschte und vorteilhafte Funktion zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses erfüllen kann oder ob Gegenmaßnahmen einzuleiten sind, um einen unerwünschten Zustand der Stelleinrichtung zu verändern bzw. aufzuheben und/oder um zu verhindern, dass die Stelleinrichtung in einen solchen unerwünschten Zustand gelangt.
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Durch Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem gefeuerten Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine wird das Verfahren bei definierten und damit bekannten Bedingungen durchgeführt. Dies bedeutet, dass auf die Stelleinrichtung und damit auf die Ermittlung ihres Zustands definierte und bekannte Einflüsse, insbesondere aus den Verbrennungsvorgängen resultierende Kräfte und/oder Momente, wirken. Da diese Einflüsse bekannt und bei mehrmaligem Durchführen des Verfahrens stets zumindest im Wesentlichen gleich sind, wird die Qualität und die Aussagekraft des erfassten Signals zum ermitteln des Zustands nicht negativ beeinflusst. Vielmehr kann anhand des erfassten Signals besonders präzise und mit einer hohen Qualität auf den Zustand der Stelleinrichtung geschlossen werden.
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Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine mit der Stelleinrichtung, welche beispielsweise als sogenanntes Multi-Link-Triebwerk ausgebildet ist, ergeben sich insbesondere abhängig von einer Drehzahl und/oder einer Last der Verbrennungskraftmaschine sehr hohe Stellmomente und/oder Stellkräfte, welche es von der Stelleinrichtung aufzubringen gilt, um das Verdichtungsverhältnis einzustellen bzw. zu verstellen. Diese hohen Stellkräfte und/oder Stellmomente werden insbesondere von einer Mechanik der Stelleinrichtung aufgewendet. Die Mechanik umfasst dabei beispielsweise wenigstens ein Getriebe und/oder ein Stellglied, insbesondere einen Elektromotor, der Stelleinrichtung.
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Die relativ hohen Stellkräfte und/oder Stellmomente stellen relativ hohe Belastungen der Stelleinrichtung dar. Infolge dieser Belastungen kann die Stelleinrichtung, insbesondere über eine hohe Lebensdauer hinweg, verschleißen. Infolge des Verschleißes können insbesondere Reibungen von Lagern und/oder von miteinander in Eingriff stehenden Verzahnungen jeweiliger Zahnräder der Stelleinrichtung ansteigen. Ein Resultat daraus kann sein, dass immer größere Stellkräfte und/oder Stellmomente vonnöten sind, um das Verdichtungsverhältnis einzustellen. Dies kann dazu führen, dass die Stelleinrichtung infolge des Verschleißes erwünschte und geforderte Stelldynamiken, d. h. Geschwindigkeiten, mit welchen das Verdichtungsverhältnis eingestellt bzw. verstellt werden kann, nicht mehr erfüllen kann.
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Diese Problematik ist durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, da der Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise, aussagekräftig und damit verbessert ermittelt werden kann. In der Folge sind entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten, um den ermittelten Zustand der Stelleinrichtung zu verändern, insbesondere aufzuheben, und/oder um zu vermeiden, dass die Stelleinrichtung in einen solchen unerwünschten Zustand gelangt.
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Das Verfahren kann bei jedweder Art von Verbrennungsmaschinen durchgeführt werden. 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. Mittels der Stelleinrichtung ist der Kolben in dem Zylinder relativ zu diesem verschiebbar, so dass dadurch das Verdichtungsverhältnis variabel eingestellt werden kann. Der Kolben ist über ein Pleuel gelenkig mit einer Kurbelwelle verbunden, durch welche translatorische Bewegungen des Kolbens während des gefeuerten Betriebszustands in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt werden kann.
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Dies bedeutet, dass auf die Stelleinrichtung auch Kräfte und/oder Momente resultierend aus der Rotation der Kurbelwelle wirken können. Auch diese Kräfte und/oder Momente sowie etwaige Schwingungen und/oder Relativbewegungen von Bauteilen, Komponenten oder dergleichen der Verbrennungskraftmaschine und der Stelleinrichtung sind in dem definierten Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine bekannt und beeinflussen die Qualität und die Aussagekraft des erfassten Signals zum Ermitteln des Zustands nicht.
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Bei den Gegenmaßnahmen zum Verändern oder Vermeiden des unerwünschten Zustands der Stelleinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Hinweis handeln, welcher in Form eines optisch und/oder akustisch wahrnehmbaren Signals einem Nutzer, insbesondere einem Fahrer, des Kraftwagens mitgeteilt wird. Durch diesen Hinweis wird der Nutzer dazu angeregt und angeleitet, die Stelleinrichtung zu warten, zu reparieren und/oder auszutauschen. Ergänzend oder alternativ kann der Nutzer dazu angeregt werden, eine Werkstatt aufzusuchen, um die Stelleinrichtung warten zu lassen.
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Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein sogenannter Grenz-Zustand der Stelleinrichtung ermittelt werden. In diesem Grenz-Zustand kann die Stelleinrichtung nach wie vor ihre gewünschte vorteilhafte Funktion zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses und insbesondere hohe Stelldynamiken erfüllen. Ausgehend von diesem Grenz-Zustand kann ein zukünftiger Zustand abgeschätzt und mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit vorausgesagt bzw. vorhergesehen werden, in welchen die Stelleinrichtung bei fortwährender Lebensdauer und fortwährendem Betrieb gelangen wird. Um das Erreichen dieses unerwünschten Zustands zu vermeiden, können bereits besonders frühzeitig, nämlich bei Ermittlung des Grenz-Zustands, die Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
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So ist es vermieden, dass die Stelleinrichtung erst in den unerwünschten Zustand kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet somit eine Funktionserfüllung der Stelleinrichtung, so dass das Verdichtungsverhältnis variabel eingestellt und bedarfsgerecht an unterschiedliche Fahrsituationen und Betriebssituationen der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden kann. Die Verbrennungskraftmaschine kann somit besonders effizient und mit einem nur geringen Kraftstoffverbrauch betrieben werden, woraus geringe CO2-Emissionen resultieren.
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Die präzise Ermittlung des Zustands der Stelleinrichtung ist möglich, da die aus der vorgebbaren Energiemenge resultierende Bewegung des Stellelements zumindest im Wesentlichen zur vorgebbaren Energiemenge korrespondiert bzw. von dieser abhängt.
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Weist die Stelleinrichtung einen ersten Zustand auf, in welchem sie zumindest im Wesentlichen nicht oder nur sehr gering verschlissen ist, so resultiert aus der vorgebbaren Energiemenge eine andere Bewegung, insbesondere ein anderer Bewegungsweg, des Stellelements als in einem zweiten Zustand der Stelleinrichtung, in welchem sie gegenüber dem ersten Zustand einen höheren Verschleiß aufweist. Insbesondere ist der Bewegungsweg des Stellelements in dem zweiten Zustand geringer als in dem ersten Zustand, da infolge des erhöhten Verschleißes erhöhte Reibungen auftreten. infolge der erhöhten Reibungen sind im zweiten Zustand höhere Kräfte und/oder Momente aufzubringen, um das Stellelement zu bewegen. Zum Aufbringen der höheren Kräfte und/oder Momente wäre jedoch im Vergleich zum ersten Zustand der Stelleinrichtung eine höhere Energiemenge vonnöten. Da die Energiemenge bei der Durchführung des Verfahrens jedoch im ersten und im zweiten Zustand der Stelleinrichtung zumindest im Wesentlichen gleich ist, kann das Stellelement im zweiten Zustand weniger weit bewegt, beispielsweise gedreht und/oder translatorisch bewegt, werden als in dem ersten Zustand der Stellrichtung. Daraus ist ersichtlich, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der Zustand besonders präzise und aussagekräftig zu übermitteln ist.
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Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Stelleinrichtung betrieben, wodurch eine vorgebbare Bewegung des Stellelements der Stelleinrichtung durchgeführt wird. Ferner wird bei dem zweiten Aspekt der Erfindung ein eine zum Durchführen der vorgebbaren Bewegung des Stellelements aufzuwendende Energiemenge charakterisierendes Signal mittels einer Erfassungseinrichtung erfasst. Darüber hinaus wird der Zustand der Stelleinrichtung zumindest mittelbar anhand des Signals des zweiten Aspekts der Erfindung ermittelt, wobei das Verfahren durchgeführt wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine in einem gefeuerten Betriebszustand befindet. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Auch das Verfahren des zweiten Aspekts der Erfindung ermöglicht eine besonders präzise und aussagekräftige und damit verbesserte Ermittlung des Zustands der Stelleinrichtung, da das Verfahren in dem definierten gefeuerten Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird. So sind aus Verbrennungsvorgängen in dem Brennraum resultierende Einflüsse auf das Erfassen des Signals des zweiten Aspekts der Erfindung und damit auf den Zustand der Stelleinrichtung bekannt, so dass diese Einflüsse nicht zu Messfehlern führen und eine aussagekräftige und belastbare Aussage über den Zustand der Stelleinrichtung zu lassen.
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Zum Durchführen der vorgebbaren Bewegung des Stellelements wird beispielsweise das Stellglied, insbesondere der Elektromotor der Stelleinrichtung, positionsgeregelt betrieben. Dies bedeutet, dass sich das Stellelement definiert einen vorgebbaren Bewegungsweg weit bewegt. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Stellelement einen vorgebbaren Weg als die vorgebbare Bewegung translatorisch relativ zu dem Bauteil, an welchem es gelagert ist, bewegt wird. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass sich das Stellelement einen vorgebbaren Drehwinkel als die vorgebbare Bewegung um die Drehachse relativ zu dem Bauteil, an welchem es gelagert ist, bewegt. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass sich das Stellelement mit einer vorgebbaren Drehzahl zumindest im Wesentlichen konstant relativ zu dem Bauteil an welchem es gelagert ist, dreht. Dazu wird die Stelleinrichtung bzw. das Stellglied der Stelleinrichtung entsprechend geregelt angesteuert.
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Zum Durchführen dieser definierten, vorgebbaren Bewegung sind entsprechende Kräfte und/oder Drehmomente von der Stelleinrichtung aufzubringen. Diese zum Durchführen der vorgebbaren Bewegung des Stellelements notwendigen Kräfte und/oder Drehmomente, insbesondere deren Betrag, hängen dabei von dem Zustand der Stelleinrichtung ab.
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Weist die Stelleinrichtung beispielsweise einen ersten Zustand auf, in welchem sie zumindest im Wesentlichen nicht oder nur sehr gering verschlissen ist, so sind zum Durchführen der vorgebbaren Bewegung des Stellelements entsprechende Kräfte und/oder Drehmomente aufzuwenden, welche zumindest betragsmäßig geringer sind als in einem zweiten Zustand der Stelleinrichtung, in welchem diese einen gegenüber dem ersten Zustand erhöhten Verschleiß aufweist. Dies ist der Fall, da die Stelleinrichtung, wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung geschildert, in dem zweiten Zustand infolge des gegenüber des ersten Zustand erhöhten Verschleißes insbesondere an Lagern und/oder an miteinander im Eingriff stehenden Verzahnungen höhere Reibungen aufweist. Mit anderen Worten erfolgt das Einstellen des Verdichtungsverhältnisses in dem zweiten Zustand gegenüber dem ersten Zustand schwergängiger.
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Daraus ist es ersichtlich, dass das erfasste Signal sowohl des ersten Aspekts der Erfindung als auch des zweiten Aspekts der Erfindung von dem Zustand der Stelleinrichtung abhängt. So kann der aktuell vorliegende und tatsächliche Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden. Wie beim ersten Aspekt der Erfindung können dann entsprechende Gegenmaßnahmen bedarfsgerecht und dann eingeleitet werden, wenn diese auch tatsächlich vonnöten sind.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren durchgeführt, wenn die Verbrennungskraftmaschine in einem vorgebbaren Drehzahlbereich, insbesondere bei einer vorgebbaren Drehzahl, betrieben wird. Dadurch wird das Verfahren in einem definierten und bekannten Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt, in welchem die Ermittlung des Zustands der Stelleinrichtung beeinflussende Effekte bekannt sind. Dementsprechend wird die Ermittlung des Zustands zumindest im Wesentlichen nicht negativ beeinflusst, so dass dadurch besonders präzise und aussagekräftig auf den Zustand der Stelleinrichtung geschlossen werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren durchgeführt, wenn die Verbrennungskraftmaschine in einem vorgebbaren Lastbereich, insbesondere in einem vorgebbaren Lastpunkt, betrieben wird. Dadurch wird die Verbrennungskraftmaschine in einem besonders definierten und bekannten Betriebszustand betrieben, in welchem die Ermittlung des Zustands der Stelleinrichtung beeinflussende Effekte zumindest im Wesentlichen bekannt sind. So kann der Zustand Stelleinrichtung besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden. Da die Effekte bei dem definierten Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine bekannt sind, führen diese nicht zu Messfehlern oder zu falschen Schlüssen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das erfasste Signal mit einem eine Soll-Bewegung des Stellelements beim Versorgen der Steheinrichtung mit der vorgebbaren Energiemenge charakterisierenden Soll-Signal verglichen. Anhand dieses Vergleichs kann die Bewegung des Stellelements als Ist-Bewegung mit einer beispielsweise abgespeicherten Soll-Bewegung verglichen werden. Das die Soll-Bewegung charakterisierende Soll-Signal korrespondiert dabei zu einem gewissen Zustand der Stelleinrichtung, in welchem diese einen gewissen Verschleiß aufweist. Die Soll-Bewegung korrespondiert dabei beispielsweise zu einem Zustand der Stelleinrichtung, in welchem diese zumindest im Wesentlichen keinen Verschleiß aufweist. Weicht die Ist-Bewegung von der Soll-Bewegung ab, so deutet dies auf einen aktuellen Zustand der Stelleinrichtung hin, welcher von dem zu der Soll-Bewegung korrespondierenden Zustand abweicht. Da der Verschleiß über die Lebensdauer der Stelleinrichtung hinweg in der Regel nicht geringer sondern höher wird, kann dadurch der Rückschluss gezogen werden, dass die Stelleinrichtung einen gewissen Verschleiß aufweist.
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Ergibt der Vergleich der Soll-Bewegung mit der Ist-Bewegung eine Abweichung und überschreitet oder unterschreitet diese Abweichung zumindest betragsmäßig einen vorgebbaren Schwellenwert, so kann dadurch auf einen Zustand der Stelleinrichtung rückgeschlossen werden, in welchem der Verschleiß der Stelleinrichtung unerwünscht hoch ist. Dann können zu einem besonders frühen Zeitpunkt die entsprechenden Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um den Zustand des erhöhten Verschleißes zu verändern und insbesondere aufzuheben.
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Analoges trifft auf eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zu, bei welchem das erfasste Signal mit einem eine zum Durchführen der vorgebbaren Bewegung des Stellelements aufzuwendende Soll-Energiemenge charakterisierenden Soll-Signal verglichen wird. Ergibt der Vergleich, dass die zu dem erfassten Signal als Ist-Energiemenge korrespondierende Energiemenge von der Soll-Energiemenge abweicht, so kann auf einen erhöhten Verschleiß der Stelleinrichtung rückgeschlossen werden. Überschreitet die Abweichung insbesondere betragsmäßig zumindest einen Schwellenwert zumindest betragsmäßig, so ist dies ein Indiz für einen unerwünschten Zustand der Verbrennungskraftmaschine, in welchem diese einen erhöhten Verschleiß aufweist. Dann können die entsprechenden Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um diesen unerwünschten Zustand zu verändern.
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Die geschilderten Vergleiche und Abweichungen können auch dazu dienen, den geschilderten Grenzzustand der Stelleinrichtung zu definieren und zu erfassen. Dadurch und durch die entsprechenden Gegenmaßnahmen kann dann vermieden werden, dass die Stelleinrichtung in einen Zustand gelangt, in welchem sie ihre Funktion nicht oder nur eingeschränkt erfüllen kann.
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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.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 einen zeitlichen Soll-Verlauf sowie einen zeitlichen Ist-Verlauf eines Drehwinkels eines Elektromotors einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine;
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2 einen zeitlichen Verlauf eines elektrischen Stroms zum Überprüfen der Stelleinrichtung der Verbrennungskraftmaschine gemäß 1;
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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;
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4 einen Soll-Verlauf sowie einen Ist-Verlauf eines Drehwinkels eines Elektromotors der Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine; und
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5 einen zeitlichen Verlauf eines Stellmoments, welches es von der Stelleinrichtung zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine aufzuwenden gilt, um das Verdichtungsverhältnis einzustellen.
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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.
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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.
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Zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses wird die Verstellwelle um die Drehachse gedreht. Dazu ist die Verstellwelle, beispielsweise. 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.
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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.
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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.
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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.
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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 über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte Verstellwelle gemäß einem Richtungspfeil 18 ansteigend aufgetragen.
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Indem 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.
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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.
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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.
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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 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.
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Zum Betreiben des Elektromotors und damit zum Drehen des Rotors und der über eine Übertragungsvorrichtung gekoppelte 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 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.
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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.
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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.
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Das Verfahren zum Ermitteln des Zustands der Stelleinrichtung wird beispielsweise in einem definierten gefeuerten Zustand der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt. 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.
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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).
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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 Verstellwelle demgegenüber eine geringere Anzahl an Umdrehungen aus bzw. der Rotor und die Verstellwelle bewegen sich einen geringeren Drehwinkel.
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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.
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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.
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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 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.
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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.
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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 Verstellwelle den vorgebbaren Drehwinkel D zurückgelegt haben.
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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.
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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.
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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 Steheinrichtung besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden.
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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.
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Die anhand der 1 bis 5 dargestellten und veranschaulichten Verfahren werden bevorzugt durchgeführt, wenn die Verbrennungskraftmaschine in einem gefeuerten Betriebszustand betrieben wird. Dadurch werden die Verfahren in einem definierten Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt. In diesem definierten Betriebszustand wirkt ein zusätzliches definiertes und bekanntes Moment und/oder eine zusätzliche definierte und bekannte Kraft infolge von Verbrennungsvorgängen in dem Zylinder und infolge einer Rotation der Kurbelwelle. Dieses definierte Moment und/oder diese definierte Kraft wirken dabei auf Verstellwelle.
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Dabei ist ein definierter Lastpunkt der Verbrennungskraftmaschine mit dem dazu korrespondierenden Stellmoment in einer Speichereinrichtung des Steuergeräts der Verbrennungskraftmaschine abgespeichert. Dadurch kann vorgesehen sein, dass die Verfahren im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine und/oder bei anderweitigen definierten Lastpunkten der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden. Insbesondere können die Verfahren auch in Abhängigkeit von wenigstens einer vorgebbaren Temperatur eines Schmiermittels, insbesondere von Schmieröl, zum Schmieren der Stelleinrichtung und/oder der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt werden. Ergänzend oder alternativ ist es möglich, die Verfahren in Abhängigkeit von wenigstens einer Temperatur eines Kühlmediums, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, zum Kühlen der Stelleinrichtung und/oder der Verbrennungskraftmaschine durchzuführen. Dies bedeutet, dass die Verfahren dann durchgeführt werden, wenn die zumindest eine Temperatur (des Schmiermittels und/oder des Kühlmediums) wenigstens einen vorgebbaren Schwellenwert nicht überschreitet oder unterschreitet. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Verfahren dann durchgeführt werden, wenn die zumindest eine Temperatur innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs liegt.
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Daraus ist es ersichtlich, dass die Verfahren bei definierten und bekannten Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine und insbesondere der Stelleinrichtung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass die Verfahren bei Vorliegen definierter und bekannter Bedingungen durchgeführt werden. So sind die Ermittlung des Zustands der Stelleinrichtung gegebenenfalls beeinflussende Effekte bekannt. Diese Effekte können dann die Ermittlung des Zustands der Stelleinrichtung nicht negativ beeinflussen, so dass der Zustand der Stelleinrichtung besonders präzise, aussagekräftig und zumindest im Wesentlichen ohne Messfehler ermittelt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Diagramm
- 12
- Abszisse
- 14
- Richtungspfeil
- 16
- Ordinate
- 18
- Richtungspfeil
- 20
- Soll-Verlauf
- 22
- Ist-Verlauf
- 24
- Stromverlauf
- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10251493 A1 [0002]
- EP 1307642 B1 [0003]
- DE 19955250 A1 [0004]
