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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einem mit der Kurbelwelle verbundenen Schwungrad sowie mit einem Drehmomentsensor zur Ermittlung des über das Schwungrad übertragenen Drehmoments.
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Für den Betrieb einer Brennkraftmaschine kann die Kenntnis des von der Brennkraftmaschine erzeugten Drehmoments vorteilhaft oder notwendig sein.
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Bei Brennkraftmaschinen, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, wird das Drehmoment in der Regel nicht gemessen, sondern aus anderen Parametern, insbesondere dem mittels Drucksensoren gemessenen Zylinderdruck berechnet. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise kann sein, dass für die Drehmomentbestimmung auf bereits vorhandene, weil anderweitig benötigte Messsensoren, wie beispielsweise Drucksensoren, zurückgegriffen werden kann. Die Drehmomentbestimmung ist daher mit nur geringem Aufwand verbunden.
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Für bestimmte Anwendungsfälle kann sich die Bestimmung des von einer Brennkraftmaschine abgegebenen Drehmoments durch Berechnung anhand von anderen Parametern jedoch als zu ungenau herausstellen.
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Die
DE 103 34 710 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des von einem Verbrennungsmotor erzeugten Drehmoments. Dazu erzeugen und messen zwei Drehmomentsensoren, die nach dem magnetoelastischen Prinzip arbeiten, einen magnetischen Fluss durch die Kurbelwelle. Dieser ändert sich, wenn ein Drehmoment auf die Welle wirkt, infolge einer Torsion der Kurbelwelle. Die Änderung des magnetischen Flusses wird zur Auswertung des auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmoments herangezogen. Eine entsprechende Vorrichtung ist weiterhin in der
DE 697 32 355 T2 offenbart.
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Die
DE 10 2007 012 494 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Drehmoment-Messsystem. Das Messsystem umfasst einen Sensor, der fest an der Oberflächen einer „Flexplate” oder eines Schwungrads angeordnet ist und dazu dient, Deformationen entlang der Oberfläche der „Flexplate” oder des Schwungrads, die sich infolge des von der Brennkraftmaschine erzeugten Drehmoments einstellen, zu detektieren und an einen von der „Flexplate” oder dem Schwungrad entfernten Empfänger überträgt, der aus dem Messsignal das anliegende Drehmoment berechnet.
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Weiterhin ist aus der
EP 1 020 716 A2 bekannt, das auf eine Welle ausgeübte Drehmoment mittels eines elektromagnetisch-akustischen Wandlers zu bestimmen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit zur Bestimmung des von einer Brennkraftmaschine an ihrer Kurbelwelle anliegenden Drehmoments anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Demnach ist eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einem mit der Kurbelwelle verbundenen Schwungrad sowie mit einem Drehmomentsensor zur Ermittlung des über das Schwungrad übertragenen Drehmoments, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentsensor ein von dem Schwungrad räumlich beabstandetes (vorzugsweise mindestens 10 mm) Sensorelement umfasst, das eine durch das Drehmoment bedingte Deformation des Schwungrads kontaktlos misst.
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Die Messung einer Deformation des Schwungrads anstelle der Deformation der Kurbelwelle, wie dies aus der
DE 103 34 710 A1 oder auch der
DE 697 32 355 T2 bekannt ist, ermöglicht eine vorteilhafte Positionierung des Sensorelements, da das Schwungrad als regelmäßig vollständig außerhalb des Zylinderkurbelgehäuses liegendes Bauteil gut zugänglich ist. Der erhebliche konstruktive Aufwand, der mit der zur Messung der Deformation der Kurbelwelle erforderlichen Integration eines solchen Sensorelements in das Zylinderkurbelgehäuse verbunden ist, kann dadurch vermieden werden. Gleichzeitig kann dadurch, dass das Sensorelement derart beschaffen ist, dass dies die Deformation des Schwungrads kontaktlos misst und daher erfindungsgemäß von dieser räumlich entfernt angeordnet wird, die Gefahr einer Verschmutzung und einer darin begründeten Fehlfunktion des Sensorelements auf einfache Weise vermieden oder verringert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass das Sensorelement (mindestens) einen Magnetometer (z. B. Hall-Sensor, XMR-Sensor) umfasst und das Schwungrad in zumindest einem Abschnitt magnetisch ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Ermittlung des von dem Verbrennungsmotor erzeugten, über die Kurbelwelle auf das Schwungrad übertragenen Drehmoments auf Basis des sogenannten elektromagnetischen Prinzips. Dieses basiert darauf, dass sich das von dem magnetischen Schwungrad erzeugte Magnetfeld in Abhängigkeit von der (elastischen) Deformation, die Resultat des über das Schwungrad übertragenen Drehmoments ist, bzw. der entsprechenden mechanischen Spannungen verändert, so dass diese Veränderung genutzt werden kann, um den gewünschte Rückschluss auf die Höhe des Drehmoments zu erhalten. Hierbei handelt es sich prinzipiell um die Umkehrung der Magnetostriktion, die die elastische Deformation eines magnetischen Stoffs beim Anlegen eines magnetischen Felds beschreibt.
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Die im Rahmen dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erreichbare Auswertung einer Veränderung des von dem Schwungrad erzeugten Magnetfelds kann insbesondere, basierend auf den Messwerten des Sensorelements, von einer entsprechenden Steuerungsvorrichtung anhand geeigneter Algorithmen erfolgen. Bei der Steuerungsvorrichtung kann es sich insbesondere um eine Motorsteuerung der Brennkraftmaschine handeln.
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Das magnetische Ausbilden des Schwungrads kann beispielsweise durch ein Magnetisieren des regelmäßig aus einem metallischen Material (insbesondere Stahl) ausgebildeten Schwungrads erfolgen. Ebenso besteht die Möglichkeit, das Schwungrad mit einer magnetischen Beschichtung zu versehen.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann auch vorgesehen sein, dass das Sensorelement einen elektromagnetisch-akustischen Wandler umfasst. Mittels dieses elektromagnetisch-akustischen Wandlers (auch als ElectroMagnetic Acoustic Transducer: EMAT) bezeichnet) können in dem insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildeten Schwungrad Ultraschallwellen erzeugt werden, die sich in dem Material des Schwungrads ausbreiten und (teilweise) wieder reflektiert werden. Bei der Ausbreitung der Ultraschallwellen in dem Material verändern sich diese in Abhängigkeit von dem Spannungszustand des Materials. Sowohl die reflektierten, wieder an der dem elektromagnetisch-akustischen Wandler benachbarten Oberfläche des Schwungrads eintreffenden als auch die transmittierten Ultraschallwellen können dann mittels eines oder mehrerer geeigneter Sensoren gemessen und hinsichtlich der Deformation des Schwungrads ausgewertet werden.
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Insbesondere kann ein elektromagnetisch-akustischen Wandler eine Induktionsspule und einen Permanentmagneten umfassen. Die Induktionsspule kann mit (Hochfrequenz-)Wechselstrom gespeist werden und dadurch elektromagnetische Schwingungen aussenden, die Wirbelströme auf der Oberfläche des Schwungrads erzeugen. Die Wirbelströme wirken auf das von dem Permanentmagneten erzeugte Magnetfeld ein und erzeugen dadurch Ultraschallwellen, die sich in dem Material des Schwungrads ausbreiten. Die Ultraschallwellen werden zumindest teilweise von Wänden oder Defekten im Material reflektiert und gelangen in veränderter Form (u. a. abhängig von dem Spannungszustand des Materials) zu dem dem elektromagnetisch-akustischen Wandler benachbarten Oberflächenabschnitt des Schwungrads zurück. Die veränderten Ultraschallschwingungen lösen in dem von dem Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld elektromagnetische Wellen aus, die von der Spule des Wandlers empfangen werden können, indem sie darin Wirbelströme erzeugen. Details zur Umsetzung einer Messung basierend auf einem elektromagnetisch-akustischen Wandler können beispielsweise der
EP 1 020 716 A2 entnommen werden.
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Eine Ausführungsform eines solchen elektromagnetisch-akustischen Wandlers ist unter der Bezeichnung EMAR (ElektroMagnetic Acoustic Resonance) bekannt. Ein solcher EMAR-Wandler kann besonders vorteilhaft zur Bestimmung des Drehmoments bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Mittels des EMAR-Wandlers können Wellen erzeugt werden, die das Schwungrad in (einer) seiner Resonanzfrequenz(en) anregt, die dann als Körperschall gemessen und identifiziert werden kann. Die Resonanzfrequenz ist proportional zu den in dem Schwungrad herrschenden mechanischen Spannungen und damit zu der Drehmoment-bedingten elastischen Deformation des Schwungrads. Anhand einer Verschiebung der gemessenen Resonanzfrequenz (im durch das Drehmoment belasteten Zustand im Vergleich zum unbelasteten Zustand) kann durch Rückschluss das an dem Schwungrad und somit der Kurbelwelle anliegende Drehmoment ermittelt werden.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass das Schwungrad als Zweimassenschwungrad ausgebildet ist, das ein mit der Kurbelwelle verbundenes primäres Schwungrad und ein zur Verbindung mit einer Eingangswelle eines Getriebes vorgesehenes sekundäres Schwungrad umfasst, wobei das primäre Schwungrad und das sekundäre Schwungrad über (mindestens) ein Federelement, insbesondere Feder-Dämpfer-Element, verbunden sind. Ein solches Schwungrad kann insbesondere Vorteile bezüglich der Laufruhe der Brennkraftmaschine aufweisen. Bei einer solchen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann das Sensorelement vorteilhafterweise eine Deformation des primären Schwungrads messen, wodurch die Auswertung der Messwerte mit dem Ziel, einen Rückschluss auf das von dem Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment zu erhalten, vereinfacht werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt in schematischer Darstellung:
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1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
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2: eine Ansicht auf das Schwungrad der Brennkraftmaschine;
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3 und 4: die elastische Deformation des Schwungrads infolge des von dem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine erzeugten Drehmoments; und
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5: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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Die in der 1 dargestellte Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor, der beispielsweise in Form eines Otto- oder Diesel-Hubkolbenmotors ausgebildet sein kann. Von dem Verbrennungsmotor ist ein kleiner Abschnitt des Zylinderkurbelgehäuses 10 dargestellt. In dem Zylinderkurbelgehäuse 10 ist eine Kurbelwelle 12 gelagert. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Kurbelwelle 12 rotierend angetrieben, wobei diese in bekannter Weise die periodische Translation der in Zylindern geführten Kolben des Verbrennungsmotors in eine Rotation übersetzt. Ein Ende der Kurbelwelle 12 ragt aus dem Zylinderkurbelgehäuse 10 heraus und ist dort drehfest mit dem primären Schwungrad 14 eines Zweimassen-Schwungrads verbunden. Das primäre Schwungrad 14 ist in bekannter Weise über Feder-Dämpfer-Elemente 16 mit einem sekundären Schwungrad 18 verbunden. Das nur teilweise dargestellte sekundäre Schwungrad 18 ist zur (drehfesten) Verbindung mit einer Eingangswelle eines nicht dargestellten Getriebes vorgesehen. Mittels eines solchen Zweimassen-Schwungrads können Drehschwingungen vorteilhaft gedämpft werden, was die Laufruhe der Brennkraftmaschine positiv beeinflussen kann.
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Die 1 und 2 zeigen, dass das primäre Schwungrad 14 in einem ringförmigen Abschnitt 20 magnetisch ausgebildet ist, was beispielsweise durch Beschichtung mit einem permanentmagnetischen Material erfolgen kann.
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Das auf die Kurbelwelle 12 und damit das primäre Schwungrad 14 ausgeübte Drehmoment soll bei der Brennkraftmaschine gemäß der 1 und 2 basierend auf dem magnetoelastischen Prinzip ermittelt werden. Dazu sind zwei Magnetometer 22 als Sensorelemente vorgesehen, die das von dem magnetischen Abschnitt 20 erzeugte Magnetfeld messen. Dabei ist die Ausbreitung dieses Magnetfelds abhängig von den im primären Schwungrad 14 herrschenden mechanischen Spannungen und damit von einer durch das aufgebrachte Drehmoment erzeugten elastischen Deformation des primären Schwungrads 14.
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Diese Deformation ist in den 3 und 4 veranschaulicht, wobei die 3 das unbelastete primäre Schwungrad 14 mit eingezeichneten, radial gerichteten Referenzlinien 24 zeigt, während in der 4 das mit einem Drehmoment belastete primäre Schwungrad 14 dargestellt ist, wobei der gekrümmte Verlauf der Referenzlinien 24a die mit zunehmendem Abstand zu der Rotationsachse ansteigende Deformation verdeutlicht. Dabei zeigt die 4 zur besseren Verdeutlichung auch die undeformierten Referenzlinien 24 gemäß der 3.
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Die Magnetometer 22 messen im Betrieb der Brennkraftmaschine das Magnetfeld des primären Schwungrads und übermitteln diese Messwerte an eine nicht dargestellte Motorsteuerung der Brennkraftmaschine. Diese kann anhand eines Vergleichs mit Messwerten zu dem Magnetfeld, die im unbelasteten Zustand des primären Schwungrads 14, d. h. im Nichtbetrieb des Verbrennungsmotors aufgenommen wurden, das an dem primären Schwungrad 14 und damit der Kurbelwelle 12 anliegende Drehmoment bestimmen.
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Die in der 5 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkurbelgehäuse 10, einer Kurbelwelle 12, an deren Ende ein Schwungrad 26 angeordnet ist. Weiterhin ist ein Drehmomentsensor vorgesehen, der als elektromagnetisch-akustischer Wandler 28 nach dem EMAR-Prinzip ausgebildet ist. Der elektromagnetisch-akustische Wandler 28 umfasst zwei nebeneinander angeordnete Köpfe 30, 32, die jeweils einen Permanentmagneten sowie eine elektrische Spule umfassen. Ein erster der Köpfe 30 erzeugt Ultraschallwellen 34, die das Schwungrad 26 in seiner Resonanzfrequenz anregen. Der zweite Kopf 32 wird dazu genutzt, durch Messung des von dem Schwungrad 26 infolge der Anregung erzeugten Körperschalls dessen Resonanzfrequenz zu verfolgen, d. h. Abweichungen von der Resonanzfrequenz zu erkennen und dadurch eine geänderte Erzeugung durch den ersten Kopf 30 zu bewirken, bis die Resonanzfrequenz wieder erreicht ist.
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Da die von dem ersten Kopf 30 erzeugte Resonanzfrequenz des Schwungrads 26 abhängig von der Deformation des Schwungrads 26 ist und sich proportional zu der Deformation des Schwungrads 26 und damit dem auf dieses ausgeübten Drehmoments ändert, kann durch eine Verfolgung der Resonanzfrequenz mittels des zweiten Kopfs 32 ein Rückschluss auf das anliegende Drehmoment erhalten werden. Diese Auswertung erfolgt in einer Motorsteuerung 36 der Brennkraftmaschine und kann direkt zur exakten Steuerung der Brennkraftmaschine herangezogen werden.
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Eine vorab durchgeführte Frequenzmodenanalyse kann ermöglichen, die bestmögliche Schwingungsart für die angestrebte Drehmomentbestimmung zu bestimmen. Hierbei kann es sich insbesondere um diejenige Schwingungsart handeln, bei der der elektromechanische Kopplungsfaktor, der Q-Faktor (Gütefaktor eines schwingenden Systems) und die Drehmomentsensitivität am besten sind. Durch eine Anpassung von insbesondere der radialen Position des elektromagnetisch-akustischen Wandlers 28 im Bezug zu dem Schwungrad 26, die insbesondere von der Geometrie des Schwungrads 26 abhängen kann, kann die Qualität und insbesondere die Stärke des von dem zweiten Kopf 32 messbaren Körperschalls optimiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10334710 A1 [0005, 0011]
- DE 69732355 T2 [0005, 0011]
- DE 102007012494 A1 [0006]
- EP 1020716 A2 [0007, 0016]
