DE102011101392A1

DE102011101392A1 - Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zum Überprüfen einer solchen Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE102011101392A1
Application number: DE201110101392
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bechtold Martin; Dipl.-Ing. Betsch Jochen; Klaus Fieweger; Gerd Kröner; Dipl.-Ing. Lengfeld Markus; Dipl.-Ing. Scheindlin Alexander; Dietmar Schröer; Georg Seidel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einer Übertragungseinrichtung über welche das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist, wobei zumindest eine Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher wenigstens ein ein Spiel der Übertragungseinrichtung charakterisierendes Signal (S, Z) erfassbar ist, sowie ein Verfahren zum Überprüfen einer solchen Stelleinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Überprüfen einer solchen Stelleinrichtung gemäß Patentanspruch 9.
Die DE 103 19 666 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis, bei welchem ein Sollwert für das Verdichtungsverhältnis bestimmt wird. Ferner wird das Verdichtungsverhältnis auf den Sollwert eingestellt. Darüber hinaus wird das eingestellte Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von Signalen einer Sensorik des Verbrennungsmotors korrigiert. Der Schritt des Korrigierens weist den Schritt des Bestimmens eines Istwertes des Verdichtungsverhältnisses auf.
Der DE 198 41 381 A1 ist eine Kolbenbrennkraftmaschine als bekannt zu entnehmen, welche in Reihe in einem Motorblock angeordnete Zylinder und darin geführte Kolben aufweist. Die Kolben sind über Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden, deren Lager in Exenterringen angeordnet sind, die ihrerseits in Traglagergehäusen im Motorblock verdrehbar gelagert sind. Zumindest ein Teil der Exenterringe ist jeweils mit einer Verdreheinrichtung sowie mit einem die Verdreheinrichtung verbindenden Kuppelelement versehen, das mit einem Stellantrieb in Verbindung steht.
Die bekannten Stelleinrichtungen zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine weisen weiteres Potential auf zur Verbesserung ihres Betriebs.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zum Überprüfen einer solchen Stelleinrichtung bereitzustellen, welche einen verbesserten Betrieb der Stelleinrichtung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Überprüfen einer solchen Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine. Die Stelleinrichtung umfasst wenigstens eine Übertragungseinrichtung zum Übertragung von Kräften und/oder Drehmomenten, über welche das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist.
Mit anderen Worten, zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses sind von der Stelleinrichtung Kräfte und/oder Drehmomente, welche als Stellkraft bzw. Stellkräfte bezeichnet werden, aufzubringen. Diese Stellkräfte sind dabei in die Übertragungseinrichtung einzuleiten und von dieser zu übertragen, so dass das Verdichtungsverhältnis eingestellt wird.
Erfindungsgemäß ist zumindest eine Erfassungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher wenigstens ein ein etwaig vorhandenes Spiel der Übertragungseinrichtung charakterisierendes Signal erfassbar ist.
Bei dem insbesondere etwaig vorhandenen Spiel handelt es sich insbesondere um eine Fertigungs- und/oder anwendungsbedingte Bewegungsfreiheit zwischen wenigstens zwei Übertragungselementen der Übertragungseinrichtung. Die Übertragungselemente dienen dabei dazu, die Stellkräfte (Kräfte und/oder Drehmomente zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses) zu übertragen. Dazu können die Übertragungselemente eine Wirkverbindung miteinander ausbilden und dadurch miteinander zusammenwirken.
Über eine bestimmte Betriebsdauer sowie über die Lebensdauer der Stelleinrichtung hinweg, wobei gewisse Belastungen insbesondere auf die Übertragungseinrichtung wirken, kann es zu einer Veränderung eines beispielsweise bei der Fertigung und der Erstmontage der Stelleinrichtungen ursprünglich eingestellten Spiels der Übertragungseinrichtung, insbesondere zwischen den Übertragungselementen, kommen. Infolge der Veränderung des ursprünglich eingestellten und erwünschten Spiels kann es dazu kommen, dass eine erwünschte und zumindest im Wesentlichen optimale Funktion der Stelleinrichtung, welche insbesondere bei und zumindest im Wesentlichen unmittelbar nach der Erstmontage vorliegt, negativ beeinflusst werden.
Bei der Veränderung des ursprünglich eingestellten Spiels, wobei es sich auch um ein so genanntes Nullspiel (kein Spiel) handeln kann, kann es sich insbesondere um eine Vergrößerung des Spiels handeln. Die Vergrößerung des Spiels führt unter Umständen dazu, dass beim Betrieb der Stelleinrichtung unerwünschte Geräusche entstehen. Dies resultiert daraus, dass sich aufgrund des erhöhten Spiels die Übertragungselemente unerwünscht stark, d. h. einen unerwünscht großen Weg, relativ zueinander bewegen können. Dies führt zu einem Klappern, Rasseln oder dergleichen Geräusch, was insbesondere von Insassen eines Fahrgastraums eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit der Verbrennungskraftmaschine und der Stelleinrichtung wahrnehmbar sein kann. Ferner kann die Veränderung, insbesondere die Vergrößerung, des Spiels zu einer unerwünschten Erhöhung der Belastung insbesondere der Übertragungseinrichtung führen, woraus ein erhöhter Verschleiß resultiert, wenn keine entsprechenden Gegenmaßnamen getroffen sind.
Bei der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung ist es nun möglich, mittels der Erfassungseinrichtung das gegebenenfalls vorhandene Spiel der Übertragungseinrichtung zu erfassen und so das Vorliegen eines unerwünschten Spiels, sei es unerwünscht groß oder unerwünscht klein, zu ermitteln. Dann ist es möglich, entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten, um mit der Veränderung des Spiels einhergehende Effekte, wie beispielsweise die Geräusche und/oder die erhöhte Belastung, zu vermeiden.
Bei einer solchen Gegenmaßnahme handelt es sich beispielsweise um einen Hinweis, welcher einem Nutzer, insbesondere einem Fahrer, des Kraftwagens als optisch und/oder akustisch wahrnehmbares Signal mitgeteilt wird. Mittels dieses Signals wird der Fahrer beispielsweise dazu angeregt, die Stelleinrichtung zu warten und das Spiel auf einen gewünschten und vorteilhaften Wert einzustellen bzw. einstellen zu lassen. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, als eine Gegenmaßnahme die Stelleinrichtung entsprechend einer Schutzstrategie zu betreiben, um eine weitere Veränderung, insbesondere eine weitere Vergrößerung, des Spiels zu vermeiden oder in einem geringen Rahmen zu halten.
Entspricht das ermittelte Spiel einem Schwellenwert oder überschreitet das ermittelte Spiel insbesondere betragsmäßig einen Schwellenwert, so kann insbesondere aus Sicherheitsgründen auf das Betreiben der Stelleinrichtung verzichtet werden und das Verdichtungsverhältnis zumindest vorübergehend nicht mehr variabel verstellt und an thermodynamische Erfordernisse der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden. Bei dieser Schutzstrategie wird beispielsweise das geringst möglich einstellbare Verdichtungsverhältnisse mittels der Stelleinrichtung eingestellt und beibehalten, so dass die Verbrennungskraftmaschine in ihrem zumindest nahezu gesamten Betriebsbereich betrieben werden kann, obwohl das Verdichtungsverhältnis nicht mehr variabel verstellt wird.
Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung ist insbesondere bei einer Verbrennungskraftmaschine einsetzbar, welche als so genanntes Multilink-Triebwerk ausgebildet ist. Dabei ist die Verbrennungskraftmaschine als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und weist wenigstens einen Brennraum in Form eines Zylinders auf, in welchem ein korrespondierender Kolben translatorisch relativ zu dem Zylinder verschiebbar angeordnet ist. Der Kolben ist mittelbar mit einer Kurbelwelle der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine verbunden. Dazu ist ein Pleuel vorgesehen, welches einerseits gelenkig mit dem Kolben verbunden ist. Andererseits ist das Pleuel gelenkig mit einem Hebelelement der Stelleinrichtung gelenkig verbunden. Das einerseits gelenkig mit dem Pleuel verbundene Hebelelement ist an einem Hubzapfen der Kurbelwelle relativ zu dem Hubzapfen verdrehbar gelagert. Andererseits ist das Hebelelement gelenkig und zumindest mittelbar mit einer Verstellwelle der Stelleinrichtung verbunden. Die Verstellwelle ist beispielsweise als Exzenterwelle ausgebildet und weist wenigstens einen Exzenter auf, mit welchem das Hebelelement gelenkig verbunden ist.
Das Verdichtungsverhältnis wird nun derart eingestellt, dass die um eine Drehachse drehbar gelagerte Verstellwelle gedreht wird. Das Drehen der Verstellwelle bewirkt ein Drehen des Hebelelements relativ zu dem Hubzapfen, woraus eine translatorische Bewegung des Kolbens in dem Zylinder resultiert. Gedreht wird die Verstellwelle mittels wenigstens eines Stellglieds, insbesondere eines Elektromotors, der Stelleinrichtung, wobei das Stellglied zumindest mittelbar, insbesondere über die Übertragungseinrichtung, mit der Verstellwelle drehfest gekoppelt oder koppelbar ist. Dabei können auch zumindest das Hebelelement und/oder die Verstellwelle der Übertragungseinrichtung zugeordnet sein.
Das etwaig vorhandene Spiel wird bevorzugt während eines Stillstands der Verbrennungskraftmaschine ermittelt. Während des Stillstands wirken auf die Übertragungseinrichtung und damit die Stelleinrichtung keine Kräfte und/oder Drehmomente resultierend aus Verbrennungsvorgängen, die in dem wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ablaufen. Dadurch wirken auf die Übertragungseinrichtung keine Momente und/oder Kräfte entgegen den Stellkräften zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses. Dadurch kann das Spiel besonders präzise und aussagekräftig zumindest qualitativ oder auch quantitativ ermittelt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Übertragungseinrichtung wenigstens zwei jeweils um zumindest eine und/oder entlang zumindest einer Bewegungsachse bewegbare und miteinander gekoppelte oder koppelbare Übertragungselemente, wobei als das Signal wenigstens ein, ein Spiel zwischen den Übertragungselementen charakterisierendes Signal erfassbar ist. Dadurch ist es ermöglicht, das Verdichtungsverhältnis schnell, präzise und mit einem nur sehr geringen Bauraumbedarf einzustellen. Auch kann dadurch das Spiel besonders präzise ermittelt werden, so dass entsprechende Gegenmaßnahmen besonders frühzeitig eingeleitet werden können.
Vorteilhafterweise umfasst die Übertragungseinrichtung wenigstens zwei um eine jeweilige Drehachse drehbar und drehfest miteinander gekoppelte oder koppelbare Übertragungselemente als die Übertragungselemente. Durch das Einstellen des Verdichtungsverhältnisses infolge einer Drehung der Übertragungselemente weist die erfindungsgemäße Stelleinrichtung einen besonders geringen Bauraumbedarf auf. Dies führt zur Lösung und/oder zur Vermeidung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum eines Kraftwagen, insbesondere eines Personenkraftwagens.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist eines der Übertragungselemente ein um die zugehörige Drehachse drehbares Abtriebsteil, insbesondere ein Rotor, eines Antriebsmotors, insbesondere des Elektromotors, der Stelleinrichtung zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses. Dies ermöglicht die Ermittlung bzw. Erfassung des etwaig vorhandenen Spiels zumindest im Wesentlichen direkt. Ferner kann das Spiel dadurch ohne zusätzliche Sensoren und/oder mit einer nur sehr geringen Teilanzahl ermittelt werden, was das Gewicht, den Bauraumbedarf und die Kosten der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung besonders gering hält.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eines der Übertragungselemente eine um die zugehörige Drehachse drehbare Verstellwelle zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses. Dadurch kann das Spiel besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Übertragungselemente als über jeweilige Verzahnungen miteinander im Eingriff stehende Zahnräder, insbesondere eines Getriebes, der Übertragungseinrichtung ausgebildet, wobei als das Signal wenigstens ein, ein Zahnflankenspiel zwischen den Verzahnungen charakterisierendes Signal erfassbar ist. Insbesondere das Zahnflankenspiel zwischen den Verzahnungen hat großen Einfluss auf die Geräuschentwicklung sowie den Wirkungsgrad der Übertragungseinrichtung und damit der gesamten Stelleinrichtung. Ist das Zahnflankenspiel beispielsweise unerwünscht hoch, so kann es zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung infolge eines Zahnflankenwechsels kommen. Ist das Zahnflankenspiel zu gering, so geht dies gegebenenfalls einher mit einer hohen Schwergängigkeit und mit einer hohen inneren Reibung des Getriebes bzw. der Übertragungseinrichtung, so dass die Stelleinrichtung nur mit einem unerwünscht hohen Energieaufwand, insbesondere Stromaufwand, zu betreiben ist.
Durch das entsprechende Signal kann das unerwünscht hohe oder geringe Spiel zwischen Zahnflanken ermittelt werden, so dass besonders frühzeitig entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können, um das Spiel zu verkleinern oder zu vergrößern.
Die Übertragungseinrichtung kann ebenso wenigstens ein Lager umfassen, mittels welchem eine Komponente zum Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses, beispielsweise eines der Übertragungselement, an einem Lagerelement, beispielsweise einem Gehäuseteil der Stelleinrichtung, relativ zu dem Lagerteil bewegbar gelagert ist. Beim Einstellen bzw. Verstellen des Verdichtungsverhältnisses wird die Komponente relativ zu dem Lagerelement bewegt.
Dabei wird vorteilhafterweise als das Signal wenigstens ein, ein Lagerspiel des Lagers charakterisierendes Signal erfassbar ist. Das Lagerspiel des Lagers, beispielsweise zwischen Lagerteilen des Lagers, sodass sich die Lagerteile relativ zueinander bewegen können, hat einen Einfluss auf die Geräuschentwicklung sowie den Wirkungsgrad der Übertragungseinrichtung und damit der gesamten Stelleinrichtung. Ist das Lagerspiel beispielsweise unerwünscht hoch, so kann es zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung infolge eines Anlagenwechsels von Stützflächen kommen. Ist das Lagerspiel zu gering, so geht dies gegebenenfalls einher mit einer hohen Schwergängigkeit und mit einer hohen inneren Reibung des Getriebes bzw. der Übertragungseinrichtung, so dass die Stelleinrichtung nur mit einem unerwünscht hohen Energieaufwand, insbesondere Stromaufwand, zu betreiben ist.
Somit kann das zur Ermittlung des das Zahnflankenspiel charakterisierenden Signal Geschildert auf die Ermittlung des das Lagerspiel bzw. Lagerspiele charakterisierende Signal übertragen und angewendet werden.
Daraus ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Stelleinrichtung zumindest nahezu stets besonders effizient betrieben werden kann, so dass ein unerwünscht hoher Energieverbrauch der Stelleinrichtung vermieden ist. Dies geht mit dem Vorteil einher, dass dadurch die Verbrennungskraftmaschine mit einem nur sehr geringen Kraftstoffverbrauch und mit geringen CO₂-Emissionen betrieben werden kann. Vorteilhafterweise ist den Übertragungselementen jeweils wenigstens ein Sensor der Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Stellung des jeweils zugehörigen Übertragungselements um die und/oder entlang der Bewegungsachse zugeordnet. Dadurch kann das etwaig vorhandene Spiel besonders präzise und aussagekräftig ermittelt werden, so dass die entsprechenden Gegenmaßnahmen bedarfsgerecht und nur dann eingeleitet werden können, wenn dies auch notwendig ist. Dadurch ist es auf besonders einfache und kostengünstige Weise ermöglicht, das Spiel der Übertragungseinrichtung präzise zu ermitteln.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist beim Einstellen des Verdichtungsverhältnisses eine Veränderung der jeweiligen Stellung der Übertragungselemente um die und/oder entlang der Bewegungsachse mittels des zugehörigen Sensors erfassbar, wobei als das das Spiel charakterisierende Signal ein zeitlicher Unterschied zwischen den Veränderungen, insbesondere zwischen einem jeweiligen Beginn der Veränderung, der Stellungen erfassbar ist. Mit anderen Worten wird zum Erfassen des etwaig vorhandenen Spiels eine Stellkraft beispielsweise mittels des Stellglieds in die Übertragungseinrichtung eingeleitet. Diese Stellkraft bewirkt zunächst eine Bewegung desjenigen der Übertragungselemente, welches in Flussrichtung der Stellkraft durch die Übertragungseinrichtung stromauf des anderen Übertragungselements angeordnet ist. Dieses stromauf des anderen Übertragungselements angeordnete Übertragungselement wird als erstes Übertragungselement bezeichnet, während das andere Übertragungselement als zweites Übertragungselement bezeichnet wird.
Ist zwischen dem ersten und dem zweiten Übertragungselement zumindest im Wesentlichen kein Spiel gegeben, so geht mit der Bewegung des ersten Übertragungselements zumindest im Wesentlichen gleichzeitig eine Bewegung des zweiten Elements einher. Je größer das Spiel zwischen dem ersten und dem zweiten Übertragungselement ist, desto größer ist eine Verzögerung der Bewegung des zweiten Übertragungselements infolge der Bewegung des mit dem zweiten Übertragungselement gekoppelten ersten Übertragungselements.
Sind die Übertragungselemente beispielsweise als Zahnräder ausgebildet, welche über jeweilige Verzahnungen miteinander im Eingriff stehen, und liegt zwischen den Verzahnungen ein relativ hohes Zahnflankenspiel vor, so kann das erste Zahnrad zunächst um einen bestimmten Drehwinkel verdreht werden, bevor es überhaupt zu einer Bewegung des zweiten Zahnrads kommt. Zwischen der Bewegung des ersten Zahnrads und der Bewegung des zweiten Zahnrads liegt somit eine Zeitspanne, welche abhängig von der Größe (Höhe) des Spiels ist.
Dies ist auf anderweitige Spiele wie beispielsweise die geschilderten Lagerspiele zwischen anderweitigen Übertragungselementen bzw. jeweiligen Lagern der Übertragungselemente analog übertragbar. Mit anderen Worten hängt die Zeitdauer zwischen den Bewegungen der miteinander gekoppelten Übertragungselemente von der Höhe bzw. Größe des Spiels ab. Auf diese Art und Weise kann das Spiel aussagekräftig und mit besonders einfachen und kostengünstigen Mitteln erfasst und ermittelt werden.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass beim Einstellen des Verdichtungsverhältnisses die Stellung eines der Übertragungselemente entlang seiner Bewegungsachse von Beginn des Einstellens bis zum Ende des Einstellens als das das Spiel charakterisierende Signal ermittelt werden.
Das Übertragungselement kann auch eine Abtriebswelle und/oder ein Rotor des Stellglieds, insbesondere des Elektromotors sein. Zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses wird die Abtriebswelle bzw. der Rotor um ihre bzw. seine Drehachse als die Bewegungsachse gedreht. Hierbei ist es möglich die Drehstellung, welche auch als Drehwinkel, der Abtriebswelle bzw. des Rotors vom Beginn des Einstellens bis zum Ende des Einstellers als das das Spiel charakterisierende Signal zu ermitteln und entsprechend auf das Spiel der Stelleinrichtung rückzuschließen.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst wenigstens eine Übertragungseinrichtung zum Übertragen von Kräften und/oder Drehmomenten, mittels welchen das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels zumindest einer Erfassungseinrichtung wenigstens ein, ein etwaig vorhandenes Spiel der Übertragungseinrichtung charakterisierendes Signal erfasst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die besonders präzise Ermittlung eines etwaig vorhandenen Spiels der Übertragungseinrichtung. So kann einerseits auf einen aktuell vorliegenden Zustand der Stelleinrichtung rückgeschlossen werden. Andererseits können dann besonders frühzeitig entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um etwaige, die gewünschte Funktion der Stelleinrichtung negativ beeinflussende Effekte resultierend aus dem unerwünschten Spiel zu vermeiden.
Vorteilhafter Weise wird zum Erfassen des, das Spiel der Übertragungseinrichtung charakterisierenden Signals das Verdichtungsverhältnis über die Übertragungseinrichtung der Stelleinrichtung eingestellt. Dies bedeutet, dass eine Kraft- und/oder ein Drehmoment in die Übertragungseinrichtung eingeleitet wird, wobei sich beispielsweise wenigstens zwei Übertragungselemente wie beispielsweise Zahnräder der Übertragungseinrichtungen bewegen. Dies ermöglicht die präzise und aussagekräftige Ermittlung des Spiels, so dass die Gegenmaßnahme besonders bedarfsgerecht und nur dann eingeleitet werden kann, wenn sie auch wirklich vonnöten sind.
Vorteilhafterweise wird das Spiel während eines Stillstands der Verbrennungskraftmaschine ermittelt, wobei definierte Randbedingungen, zum Beispiel Temperaturen, gegeben sind, die eine präzise und aussagekräftige Ermittlung des Spiels ermöglicht. Im bzw. beim Stillstand liegen sowohl auf Seiten des wenigstens einen Brennraums der Verbrennungskraftmaschine, sowie auf Seiten des wenigstens einen Stellglieds der Stelleinrichtung an der Übertragungseinrichtung keine Kräfte an, so dass ein etwaig vorhandenes tatsächlich gegebenes Spiel besonders vorteilhaft ermittelt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist die Ermittlung des Spiels bzw. des das Spiel charakterisierenden Signals zeitlich nach dem Abstellen der dann warmen Verbrennungskraftmaschine. In diesem Zustand wird die Erfassung des Spiels besonders wenig durch Scherkräfte von an Komponenten, insbesondere an den Übertragungselementen, der Übertragungseinrichtung anhaftendem Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, negativ beeinflusst.
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 der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils eingegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der Figur ein Schaubild zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Erfassen eines etwaig vorhandenen Spiels einer Übertragungseinrichtung einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine.
Das Streben, Kraftstoffverbräuche und damit CO₂-Emissionen von Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen zu reduzieren, führt dazu, die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen jeweils mit wenigstens einem variabel einstellbaren Verdichtungsverhältnis zu versehen. Eine solche Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine umfasst dabei wenigstens eine Stelleinrichtung, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist.
Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine umfasst wenigstens einen Brennraum in Form eines Zylinders, in welchem ein Kolben translatorisch relativ zu dem Zylinder bewegbar aufgenommen ist. Der Kolben ist mit einem Pleuel gelenkig verbunden, welches wiederum mit einem Hebelelement der Stelleinrichtung gelenkig verbunden ist.
Das Hebelelement ist an einem Hubzapfen einer Kurbelwelle der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine relativ zu dem Hubzapfen verdrehbar gelagert.
Das einerseits mit dem Pleuel gelenkig verbundene Hebelelement ist andererseits mit einer Verstellwelle der Stelleinrichtung zumindest mittelbar gelenkig verbunden. Die Verstellwelle ist beispielsweise als Exzenterwelle ausgebildet und umfasst wenigstens einen Exzenter, an welchem das Hebelelement gelenkig mit der Verstellwelle verbunden ist.
Die Verstellwelle ist dabei über wenigstens ein Lager an einem Gehäuseteil der Stelleinrichtung relativ zu dem Gehäuseteil um eine Drehachse drehbar gelagert. Ein Drehen der Verstellwelle um die Drehachse bewirkt ein Verdrehen des Hebelelements relativ zu dem Hubzapfen. Daraus resultiert wiederum eine translatorische Verschiebung des Kolbens in dem Zylinder relativ zu diesem, wodurch das Verdichtungsverhältnis eingestellt bzw. verstellt werden kann.
Diese Verststellbarkeit des Verdichtungsverhältnisses dient dabei dazu, das Verdichtungsverhältnis an thermodynamische Erfordernisse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine anzupassen, so dass die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine effizient und mit einem nur sehr geringen Kraftstoffverbrauch und mit geringem CO₂-Esmissionen betrieben werden kann.
Bei der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine mit dem wenigstens einen variabel einstellbaren Verdichtungsverhältnis ergeben sich im Betrieb, abhängig von der Last der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine und einem eingestellten Wert, auf welchen das Verdichtungsverhältnis eingestellt wird und welcher als Epsilon bezeichnet wird, relativ hohe Stell- und/oder Haltemomente, die von der Stelleinrichtung aufgebracht werden müssen.
Die Stelleinrichtung umfasst beispielsweise eine Mechanik mit wenigstens einem Getriebe, das wenigstens zwei miteinander über jeweilige Verzahnungen im Eingriff stehende Zahnräder umfasst. Die Verstellwelle ist dabei über das Getriebe mit einem Aktor, insbesondere einem Elektromotor, der Stelleinrichtung gekoppelt. Um die Verstellwelle zu drehen, wird von dem Aktor über das Getriebe ein Drehmoment in die Verstellwelle eingeleitet. Durch die Zahnräder des Getriebes ist eine von eins unterschiedliche Übersetzung dargestellt, so dass von dem Elektromotor ein nur relativ geringes Drehmoment aufgebracht werden muss, welches durch die Übersetzung des Getriebes in ein dem gegenüber größeres Drehmoment umgewandelt wird, das letztendlich in die Verstellwelle zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses eingeleitet wird.
Daraus ist es ersichtlich, dass zumindest das Hebelelement, die Verstellwelle, das Getriebe, sowie gegebenenfalls ein Rotor des Elektromotors einer Übertragungseinrichtung der Stelleinrichtung zuzuordnen sind, über welche die Stell- und Haltemomente und/oder Stell- und Haltekräfte zum Einstellen und Halten des Verdichtungsverhältnisses auf den Kolben übertragen werden. Die relativ hohen Stell- und Haltemomente bzw. -kräfte stellen relativ hohe Belastungen insbesondere für die Übertragungseinrichtung dar, infolge welcher es zu einem Verschleiß der Verstelleinrichtung und insbesondere der Übertragungseinrichtung kommen kann. Dies kann insbesondere zu einer Erhöhung eines Spiels im Getriebe zwischen den Verzahnungen der Zahnräder führen. Ein solch unerwünscht hohes Spiel kann einerseits zu noch höheren Stell- und Haltemomenten bzw. -kräften sowie zur Entstehung von unerwünschten Geräuschen führen. Die unerwünschten Geräusche resultieren beispielsweise aus einem Zahnflankenwechsel der Verzahnungen infolge des unerwünschten hohen Spiels. Um diese Problematik zu vermeiden, ist vorteilhafterweise ein Verfahren vorgesehen, mittels welchem das Spiel der Übertragungseinrichtung insbesondere im Getriebe zu erfassen ist. Dieses Verfahren ist anhand der Figur erläutert.
Die Figur zeigt ein Diagramm 10, auf dessen Abszisse 12 die Zeit gemäß einem Richtungspfeil 14 fortlaufend aufgetragen ist. Auf der Ordinate 16 des Diagramms 10 sind gemäß einem Richtungspfeil 18 ansteigende Werte (Epsilon) für das eingestellte bzw. einzustellende Verdichtungsverhältnis, für eine Drehstellung des Rotors des Elektromotors um dessen Drehachse sowie für eine Drehstellung der Verstellwelle um deren Drehachse aufgetragen. Zum Erfassen des Spiels wird das Verdichtungsverhältnis zunächst ausgehend von einem Wert (Epsilon) auf einen demgegenüber unterschiedlichen zweiten Wert (Epsilon) eingestellt. Daraufhin wird das Verdichtungsverhältnis mit einem bestimmten bzw. insbesondere vorgebbaren, Gradienten in die entgegensetzte Richtung auf einen unterschiedlichen dritten Wert (Epsilon) eingestellt. Im vorliegenden Fall wird der Wert des Verdichtungsverhältnisses zunächst um einen genügend großen Betrag abgesenkt und dann wieder mit einem bestimmten bzw. vorgebbaren Gradienten erhöht.
Dazu wird von einer Regelungseinrichtung zum Regeln der Stelleinrichtung ein Signal erzeugt, welches das einzustellende Soll-Verdichtungsverhältnis bzw. den einzustellenden Soll-Wert des Verdichtungsverhältnisses charakterisiert, wobei ein eingestelltes Ist-Verdichtungsverhältnis bzw. ein Ist-Wert des eingestellten Verdichtungsverhältnisses dem Soll-Wert mittels des Elektromotors nachgeführt wird.
In dem Diagramm 10 ist ein zeitlicher Verlauf 20 eingetragen, welcher den Soll-Wert des einzustellenden Vernichtungsverhältnisses charakterisiert. Mit anderen Worten stellt der Verlauf 20 den zeitlichen Verlauf des Soll-Werts des einzustellenden Verdichtungsverhältnisses dar. In der Figur ist ein erster Bereich A dargestellt, in welchem der Soll-Wert zumindest im Wesentlichen konstant ist und in welchem keine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses vorgesehen ist. Ab einem Zeitpunkt t0 erfolgt eine Absenkung des Soll-Werts, wie es in einem Bereich B dargestellt ist.
Diese Veränderung des Soll-Werts bzw. dessen Überführung von dem zumindest im Wesentlichen konstanten Bereich A in den abfallenden Bereich B wird durch eine so genannte Bestromung des Elektromotors bewirkt. Mit anderen Worten wird der Elektromotor veranlasst, über dessen Rotor das Ist-Verdichtungsverhältnis dem von der Regelungseinrichtung angeforderten Soll-Verdichtungsverhältnis nachzuführen.
Dazu wird der Elektromotor mit Strom versorgt, so dass sich der Rotor des Elektromotors relativ zu dessen Stator um die Drehachse dreht. Wie der Figur zu entnehmen ist, erfolgt die Bestromung zumindest im Wesentlichen zeitgleich zu der Anhebung des Soll-Werts. In dem Diagramm 10 ist ein weiterer zeitlicher Verlauf 22 eingetragen, welcher eine Drehstellung des Rotors um dessen Drehachse charakterisiert. In dem Bereich A befindet sich der Rotor relativ zu seiner Drehachse in einer ersten, zumindest im Wesentlichen konstanten Drehstellung. Da eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses von der Regelungseinrichtung nicht bewirkt bzw. angefordert wird, bewegt sich der Rotor auch nicht um seine Drehachse.
Wird zum Zeitpunkt t0 die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses auf einen kleineren Wert von der Regelungseinrichtung bewirkt, so ist es erforderlich, die Verstellwelle mittels des Elektromotors über dessen Rotor zu drehen. Dazu ist es erforderlich, dass sich der Rotor ausgehend von der Drehstellung, welche er in dem Bereich A einnimmt, in eine erste Drehrichtung dreht. So kommt es zum Zeitpunkt t0 zu einem Übergang von dem Bereich A zu dem Bereich B, in welchem sich die Drehstellung ausgehend von dem Bereich A hin zu unterschiedlichen, insbesondere kleineren, Drehstellungen des Rotors ändert.
Zu einem Zeitpunkt t2 wird die Drehung des Rotors in die erste Drehrichtung beendet, indem die Bestromung beendet wird. Der Rotor wird in der eingestellten Drehstellung gehalten. Dies ist durch einen konstanten Bereich C dargestellt. Im Anschluss an den Bereich C wir der Rotor zu einem Zeitpunkt t3 wieder bestromt. Dabei wird der Rotor in eine zweite, der ersten Drehrichtung entgegengesetzte Drehrichtung gedreht, sodass das Verdichtungsverhältnis wieder, ausgehen von dem Wer im Bereich C, erhöht wird. Dies ist anhand eines ansteigenden Bereichs D erkennbar.
Der Rotor ist dabei über das Getriebe und damit über die jeweiligen Verzahnungen miteinander im Eingriff stehenden Zahnräder mit der Verstellwelle gekoppelt Dies bedeutet, dass sich zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses auch die Verstellwelle um ihre Drehachse dreht. Diese Drehung erfolgt dabei dadurch, dass das von dem Elektromotor über dessen Rotor aufgebrachte Drehmoment über das Getriebe in die Verstellwelle eingeleitet wird.
Ist nun in einem Drehmomentenfluss von dem Rotor zur Verstellwelle zumindest im Wesentlichen kein Spiel gegeben, so würde dies dazu führen, dass sich auch die Verstellwelle zumindest im Wesentlichen zu dem Zeitpunkt t0 und somit zumindest im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Rotor des Elektromotors dreht. Beginnt sich die Verstellwelle jedoch zeitlich später als der Rotor zu drehen, so deutet das auf ein Spiel zwischen dem Rotor und der Verstellwelle hin. Insbesondere deutet dies auf ein Zahnflankenspiel der Verzahnungen der Zahnräder hin.
Um ein solches etwaiges Spiel zu ermitteln, wird sowohl die durch den Verlauf 22 charakterisierte Drehstellung des Rotors mittels eines geeigneten Sensors sowie eine Drehstellung der Verstellwelle um deren Drehachse mittels eines geeigneten Sensors erfasst, In dem Diagramm 10 ist ein weiterer Verlauf 24 eingetragen, welcher die Drehstellung der Verstellwelle um deren Drehachse charakterisiert.
Wie anhand des Verlaufs 24 zu entnehmen ist, verbleibt die Verstellwelle nicht nur in dem Bereich C und in dem Bereich A, in welchem kein Verstellen des Verdichtungsverhältnisses und somit kein Drehen des Rotors und dessen Drehachse vorgesehen ist, in einer zumindest nahezu konstanten Drehstellung, sondern die Verstellwelle verbleibt auch in einem zusätzlichen Bereich C' und A' zumindest im Wesentlichen konstant in der Drehstellung, in welcher sie auch in dem zeitlich vorhergehenden Bereich C bzw. A ist.
Wie anhand des Verlaufs 24 weiter zu erkennen ist, beginnt sich die Verstellwelle erst zu einem Zeitpunkt t1 ausgehend von der in den Bereichen A und A' vorliegenden Drehstellung bzw. erst zu einem Zeitpunkt t4 ausgehend von der in den Bereichen C und C' vorliegenden Drehstellung in eine demgegenüber andere Drehstellung zu verdrehen. Der Zeitpunkt t1 folgt dabei zeitlich auf den Zeitpunkt t0. Der Zeitpunkt t4 folgt zeitlich auf den Zeitpunkt t3. Dies bedeutet, dass zwischen dem Beginn der Veränderung der Drehstellung des Rotors und dem Beginn der Veränderung der Drehstellung der Verstellwelle eine Zeitspanne Z gegeben ist, um welche der Beginn der Veränderung der Drehstellung der Verstellwelle gegenüber dem Beginn der Veränderung der Drehstellung des Rotors verzögert ist.
Diese Zeitspanne Z und/oder ein Bereich S der Ordinate 16 des Diagramms 10 ist bzw. sind ein Maß für das Spiel zwischen dem Rotor und der Verstellwelle und insbesondere für das Spiel zwischen den Verzahnungen in dem Getriebe.
Übersteigt die Zeitspanne Z und/oder der Bereich S, welcher auch durch einen Wert S' für das Spiel ausgedrückt werden kann, einen vorgebbaren Schwellenwert, so deutet dies auf ein unerwünscht hohes Spiel insbesondere in dem Getriebe der Stelleinrichtung hin. Ist ein solch unerwünscht hohes Spiel ermittelt, können geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um die weitere Vergrößerung des Spiels zu vermeiden oder in einem geringen Rahmen zu halten.
Durch dieses Drehen des Rotors zunächst in die erste Drehrichtung wird das Spiel der Übertragungsrichtung (in die erste Drehrichtung) eliminiert. Durch das anschließende Drehen in die zweite Drehrichtung kann das Spiel präzise ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

10: Diagramm
12: Abszisse
14: Richtungspfeil
16: Ordinate
18: Richtungspfeil
20: Verlauf
22: Verlauf
24: Verlauf
A: Bereich
A': Bereich
B: Bereich
C: Bereich
C': Bereich
D: Bereich
S: Bereich
S': Wert
t0: Zeitpunkt
t1: Zeitpunkt
t2: Zeitpunkt
t3: Zeitpunkt
t4: Zeitpunkt
Z: Zeitspanne

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10319666 A1 [0002]
DE 19841381 A1 [0003]

Claims

Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einer Übertragungseinrichtung über welche das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher wenigstens ein, ein Spiel der Übertragungseinrichtung charakterisierendes Signal (S, Z) erfassbar ist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung wenigstens zwei jeweils um zumindest eine und/oder entlang zumindest einer Bewegungsachse bewegbare und miteinander gekoppelte oder koppelbare Übertragungselemente umfasst, wobei als das Signal (S, Z) wenigstens ein, ein Spiel zwischen den Übertragungselementen charakterisierendes Signal erfassbar ist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung wenigstens zwei um eine jeweilige Drehachse drehbare und drehfest miteinander gekoppelte oder koppelbare Übertragungselemente als die Übertragungselemente umfasst.
Stelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Übertragungselemente ein um die zugehörige Drehachse drehbares Abtriebsteil, insbesondere ein Rotor, eines Antriebsmotors, insbesondere eines Elektromotors, zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Übertragungselement eine um die zugehörige Drehachse drehbare Verstellwelle zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungselemente als über jeweilige Verzahnungen miteinander im Eingriff stehende Zahnräder oder dergleichen, insbesondere eines Getriebes, der Übertragungseinrichtung ausgebildet sind, wobei als das Signal (S, Z) wenigstens ein, ein Zahnflankenspiel zwischen den Verzahnungen charakterisierendes Signal (S, Z) erfassbar ist.
Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Übertragungselementen jeweils wenigstens ein Sensor der Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Stellung des jeweils zugehörigen Übertragungselements um die und/oder entlang der Bewegungsachse zugeordnet ist.
Stelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Eistellen des Verdichtungsverhältnisses eine Veränderung der jeweiligen Stellung der Übertragungselemente um die und/oder entlang der Bewegungsachse mittels des zugehörigen Sensors erfassbar ist, wobei als das das Spiel charakterisierende Signal (S, Z) ein zeitlicher Unterschied zwischen den Veränderungen, insbesondere zwischen einem jeweiligen Beginn der Veränderungen, der Stellungen erfassbar ist.
Verfahren zum Überprüfen einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einer Übertragungseinrichtung, über welche das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist, bei welchem mittels zumindest einer Erfassungseinrichtung wenigstens ein, ein Spiel der Übertragungseinrichtung charakterisierendes Signal (S, Z) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen des das Spiel der Übertragungseinrichtung charakterisierenden Signals (S, Z) das Verdichtungsverhältnis über die Übertragungseinrichtung der Stelleinrichtung eingestellt wird.