-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen eines eine Hubbewegung ausführenden Hubkolbens einer ein variables Verdichtungsverhältnis aufweisenden Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, durch ein Kühlmittel. Allgemeiner formuliert befasst sich die Erfindung mit der Anbringung eines Sensors zur Erkennung der Position eines Hubkolbens zu zumindest einem Zeitpunkt des Arbeitszyklus einer Hubkolbenbrennkraftmaschine.
-
Vorrichtungen zum Kühlen eines Hubkolbens werden insbesondere in Brennkraftmaschinen mit hoher Leistung eingesetzt. Diese Kühlvorrichtungen dienen dazu, die Betriebstemperatur eines Hubkolbens zu optimieren sowie die Betriebssicherheit zu erhöhen.
-
Die Kühlvorrichtungen können sowohl in Brennkraftmaschinen mit festem Verdichtungsverhältnis eingesetzt werden, als auch in Brennkraftmaschinen mit variablem Verdichtungsverhältnis (auch bekannt als Variable Compression Ratio bzw. VCR-Motor).
-
Bei Brennkraftmaschinen kann eine Erhöhung der Effizienz dadurch erreicht werden, dass das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine während des Betriebs abhängig von den Lastanforderungen angepasst wird.
-
Die Anpassung des Verdichtungsverhältnisses erfolgt beispielsweise durch den Einsatz einer Pleuelstange mit variabler (effektiver) Länge. Dabei kann eine stufenlose oder diskrete Verstellung der Pleuellänge vorgesehen sein. Insbesondere kann eine zweistufige Verstellung der Pleuellänge vorgesehen sein. Durch eine Verlängerung des Pleuels wird das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine erhöht, während eine Verkürzung der Pleuellänge eine Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses bewirkt. Auch ist es möglich, eine stufenlose oder eine diskontinuierliche Anpassung des Verdichtungsverhältnisses durch Veränderung des Kurbelwellenradius oder durch eine exzentrisch gelagerte Kurbelwelle vorzunehmen.
-
Es ist zweckmäßig, das aktuell eingestellte Verdichtungsverhältnis während des Betriebes verifizieren zu können.
-
Das Verdichtungsverhältnis kann dabei auf verschiedene Arten detektiert werden. Eine Möglichkeit hierfür ist, die Position eines sich in einem Zylinder bewegenden Hubkolbens zu mindestens einem bestimmten Zeitpunkt des Arbeitszyklus zu detektieren. Dieser Zeitpunkt kann insbesondere durch den oberen oder unteren Totpunkt des Hubkolbens bestimmt sein. Zu welchem Zeitpunkt sich der Hubkolben im oberen und im unteren Totpunkt befindet, kann beispielsweise durch einen Kurbelwinkelsensor bestimmt werden.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine geeignete Anbringung eines für die Messung des aktuellen Verdichtungsverhältnisses notwendigen Hubkolben-Positionserkennungssensors im Kurbelgehäuse zu ermöglichen.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zum Kühlen eines eine Hubbewegung ausführenden Hubkolbens einer ein variables Verdichtungsverhältnis aufweisenden Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, durch ein Kühlmittel vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit einer Kühlmittelleitung mit einem Einlass für das Kühlmittel und einem Auslass zur Abgabe des Kühlmittels in Richtung auf den Hubkolben zur Kühlung desselben und einem Positionserkennungssensor zur Ermittlung der Position des Hubkolbens während dessen Hubbewegung, wobei der Positionserkennungssensor von der Kühlmittelleitung gehalten ist.
-
Der Vorteil der Anwendung der Erfindung bei einer derartigen Vorrichtung zum Kühlen des Hubkolbens ist, dass der Positionserkennungssensor an einer Komponente angebracht ist, die sich bereits im Kurbelgehäuse befindet. Dadurch werden der Positionserkennungssensor und die Vorrichtung zum Kühlen des Hubkolbens platzsparend angeordnet und der eingeschränkte Raum im Kurbelgehäuse vorteilhaft genutzt. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Hubkolben im unteren Tiefpunkt dem Positionserkennungssensor besonders nahe kommt, da die Vorrichtung zum Kühlen des Hubkolbens selbst üblicherweise in unmittelbarer Nähe zum Hubkolben angeordnet ist, wenn dieser sich in seinem unteren Totpunkt befindet.
-
Dabei kann die Vorrichtung zum Kühlen des Hubkolbens bevorzugterweise eine Ölspritzdüse aufweisen, wie es beispielsweise in
EP 1 070 836 A2 beschrieben ist.
-
Bei dem Kühlmittel handelt es sich insbesondere um ein fluidisches Kühlmittel, bevorzugterweise um (Motor-)Öl. Die Kühlmittelleitung hat die Funktion, das Kühlmittel in die gewünschte Richtung zu lenken. Insbesondere hat die Kühlmittelleitung die Aufgabe, das Kühlmittel in Richtung auf den Kolben, welcher gekühlt werden soll, abzugeben. Dabei kann die Kühlmittelleitung im Zylinder vorzugsweise derart angeordnet sein, dass sie relativ zum Zylinder im Wesentlichen unbeweglich ist. Dagegen ändert sich der Abstand zwischen der Kühlmittelleitung und dem Hubkolben, während letzterer sich bewegt.
-
Bevorzugt kann die Kühlmittelleitung weitgehend aus Metall gefertigt sein. Ferner kann sie einstückig, d. h. integral ausgeführt sein, oder aus mehreren Komponenten bestehen. Sofern die Kühlmittelleitung mehrere Komponenten aufweist, kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kühlmittelleitung an ihrem Auslass eine Komponente mit einer Öffnung aufweist, durch die das Kühlmittel unter erhöhtem Druck aus der Kühlmittellleitung in Richtung des Kolbens austritt.
-
Der Positionserkennungssensor der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann induktiv, kapazitiv, optisch oder ultraschallbasierend ausgelegt sein. Die Positionsermittlung erfolgt in mindestens einem Punkt eines Bewegungszyklus, beispielsweise im unteren Totpunkt.
-
Ferner kann der Positionserkennungssensor direkt von der Kühlmittelleitung gehalten oder indirekt, d. h. durch weitere Hilfsmittel von der Kühlmittelleitung gehalten sein.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Positionserkennungssensor als induktiver Sensor ausgeführt ist. Dieser kann insbesondere als induktiver Tauchanker oder als Querankeraufnehmer ausgeführt sein.
-
In der Ausführungsform des Positionserkennungssensors als Tauchanker kann dabei vorgesehen sein, dass ein Spulenelement an der Kühlvorrichtung und ein weiteres, ferromagnetisches Element (auch als Sensorgegenelement bezeichnet) an dem sich bewegenden Hubkolben angeordnet ist. Durch die Bewegung des Hubkolbens relativ zur Kühlvorrichtung kann dabei das ferromagnetische Element in das Spulenelement eintauchen und somit die Induktivität des Spulenelements verändern. Diese Induktivitätsänderung kann ermittelt und ausgewertet werden.
-
In der Ausführungsform als Querankeraufnehmer kann vorgesehen sein, dass ein Spulenelement mit mindestens einem ferromagnetischen Element an der Kühlvorrichtung und ein Sensorgegenelement am Hubkolben angebracht ist. Dabei kann das Sensorgegenelement mit dem Hubkolben insbesondere verschraubt, verschweißt, verklebt oder verlötet sein. Auch kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Hubkolben selbst ein ferromagnetisches Material aufweist und dadurch selbst als Sensorgegenelement verwendet werden kann.
-
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der induktive Sensor eine Spule und ein erstes ferromagnetisches Element aufweist. Bevorzugterweise kann dabei das ferromagnetische Element im Wesentlichen U-förmig ausgeführt sein. Die Spule kann dabei um einen Teil des ersten ferromagnetischen Elements gewickelt sein. Dabei kann die Induktivität der Spule durch Annähern oder Entfernen des Sensorgegenelements verändert werden.
-
Bevorzugterweise kann vorgesehen sein, dass das Sensorgegenelement als ein zweites ferromagnetisches Element ausgeführt ist, wobei das zweite ferromagnetische Element mit dem Kolben verbunden oder verbindbar ist. Dadurch kann durch die Annäherung des zweiten ferromagnetischen Elements bewirkt werden, dass der magnetische Kreis, der durch das erste ferromagnetische Element verläuft, geschlossen wird.
-
Weiterhin kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kühlmittelleitung ein ferromagnetisches Element aufweist. Dadurch kann die Induktivität der Spule verstärkt und die Empfindlichkeit des Positionserkennungssensors erhöht werden.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Positionserkennungssensor als kapazitiver Sensor ausgeführt ist. Dabei kann beispielsweise eine erste Kondensatorplatte mit der Kühlvorrichtung und eine zweite Kondensatorplatte mit dem sich bewegenden Hubkolben verbunden sein. Auch ist es möglich, dass der Hubkolben selbst als zweite Kondensatorplatte fungiert. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Dielektrikum eingesetzt wird, welches mit der ersten Kondensatorplatte oder mit der zweiten Kondensatorplatte verbunden ist. Hierdurch kann die Empfindlichkeit des kapazitiven Sensors erhöht werden.
-
Weiterhin bevorzugt kann als eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass eine induktive oder kapazitive Sensorimpedanz in einer Messbrücke angeordnet ist. Durch die Verwendung der Messbrücke zur Auswertung der induktiven oder kapazitiven Sensorimpedanz kann eine Erhöhung der Messgenauigkeit erreicht werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Positionserkennungssensor als optischer Sensor ausgeführt ist. Hierdurch wird eine präzise Messung der Hubkolbenposition ermöglicht. Dabei kann die optische Messung insbesondere mittels eines Lasertriangulationssensors erfolgen. Bei dieser Ausführungsform ist kein Sensorgegenelement notwendig, da der Lasertriangulationssensor an der Kühlvorrichtung angebracht sein kann und der Laserstrahl auf einen Messpunkt auf dem Hubkolben gerichtet sein kann. Trotzdem kann zur Verbesserung des Messsignals vorgesehen sein, dass an einer bestimmten Stelle des Hubkolbens ein zusätzliches Element angebracht ist, das aus einem Material gefertigt ist, dessen optische Eigenschaften für die Positionserkennung mittels Lasertriangulationssensor besonders geeignet ist.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass der optische Sensor in Form einer Lichtschranke ausgeführt ist. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass ein Array von optischen Sendern und Empfängern eingesetzt wird. Je nach Position des Hubkolbens kann dann ein Teil des Hubkolbens, zum Beispiel der Hubkolbenmantel in den Lichtpfad der Lichtschranke(n) eindringen und somit den Empfang an einem oder mehreren Empfängern blockieren. Hieraus kann dann die Position des Hubkolbens zu einem bestimmten Zeitpunkt, beispielsweise im unteren Totpunkt, ermittelt werden.
-
Auch kann vorgesehen sein, dass der optische Sensor einen Lichtimpuls aussendet und das am Hubkolben reflektierte Licht wieder detektiert. Durch die Messung der Zeit, die zwischen dem Senden und dem Empfangen verstreicht, kann dann auf die Position des Hubkolbens, beispielsweise im unteren Totpunkt, geschlossen werden.
-
Alternativ wird zur Lösung des Problems eine Hubkolbenmaschine mit einem Zylinderkurbelgehäuse, in dem mindestens ein Zylinder ausgebildet ist, einem in dem Zylinder angeordneten und eine Hubbewegung ausführenden Hubkolben, einem mit dem Hubkolben verbunden Pleuel, einer mit dem Pleuel verbunden Kurbelwelle und einer Vorrichtung zur Kühlung eines Hubkolbens mit einem oder mehreren der zuvor genannten Merkmale vorgeschlagen.
-
Weiterhin wird zur Lösung des Problems die Verwendung einer Vorrichtung zur Kühlung eines Hubkolbens mit einem oder mehreren der zuvor genannten Merkmale in einer Hubkolbenmaschine mit einem Zylinderkurbelgehäuse, in dem mindestens ein Zylinder ausgebildet ist, einem in dem Zylinder angeordneten und eine Hubbewegung ausführenden Hubkolben, einem mit dem Hubkolben verbundenen Pleuel und einer mit dem Pleuel verbundenen Kurbelwelle, zur Ermittlung des aktuellen Verdichtungsverhältnisses vorgeschlagen.
-
Die Erfindung kann alternativ auch als Messvorrichtung zur Ermittlung der Position eines eine Hubbewegung ausführenden Hubkolbens einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolbenbrennkraftmaschine beschrieben werden, wobei die Messvorrichtung versehen ist mit einem Positionsermittlungssensor, wobei eine Kühlvorrichtung mit einer Kühlmittelleitung zum Kühlen eines Hubkolbens durch ein Kühlmittel vorgesehen ist, wobei eine Abgabe des Kühlmittels in Richtung auf dem Hubkolben erfolgt und wobei der Positionsermittlungssensor an einem Bauteil der Kühlvorrichtung angebracht ist.
-
Auch kann die Erfindung alternativ als Haltevorrichtung für einen Positionsermittlungssensor zur Ermittlung einer Position eines eine Hubbewegung ausführenden Hubkolbens einer Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolbenbrennkraftmaschine beschrieben werden, mit einem Halteelement, wobei das Halteelement an einem Bauteil einer Kühlvorrichtung angeordnet ist, die zum Kühlen eines Hubkolbens durch ein Kühlmittel vorgesehen ist, wobei eine Abgabe des Kühlmittels in Richtung auf den Hubkolben erfolgt.
-
Die Messvorrichtung und die Haltevorrichtung können ein oder mehrere der nachfolgend genannten Merkmale aufweisen:
- 1. Der Positionserkennungssensor ist als induktiver Sensor ausgeführt.
- 2. Der induktive Sensor weist eine Spule und ein erstes ferromagnetisches Element auf.
- 3. Die Kühlmittelleitung weist ein ferromagnetisches Material auf.
- 4. Der induktive Sensor weist ein zweites ferromagnetisches Element auf, wobei das zweite ferromagnetische Element mit dem Kolben verbunden oder verbindbar ist.
- 5. Der Positionserkennungssensor ist als kapazitiver Sensor ausgeführt.
- 6. Eine induktive oder kapazitive Sensorimpedanz ist in einer Messbrücke angeordnet.
- 7. Der Positionserkennungssensor ist als optischer Sensor ausgeführt.
-
Grundsätzlich gilt, dass sich das Verdichtungsverhältnis einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gleichzeitig für sämtliche Zylinder oder für sämtliche Zylinder einer Zylinderbank einstellen lässt oder für die einzelnen Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine einstellen lässt, und zwar in sämtlichen zuvor genannten Fällen entweder aktiv oder passiv. Hierbei wird bevorzugt die Geometrie einer Triebwerkskomponente wie beispielsweise die Pleuellänge, der Kurbelwellenradius, die Lagerung der Kurbelwelle und/oder die Lagerung des Verdichtungskolbens am Pleuel und damit die effektive Pleuellänge verändert. Bevorzugt erfolgt dies hydraulisch, d.h. unter Einsatz eines Mediums. Hier eignet sich vor allem als Medium das Motoröl. Die aktive Verstellung bedeutet, dass durch Einwirken von externen Verstellkräften auf den Verstellmechanismus eine Verstellung der betreffenden Triebwerkskomponente erzielt wird. Die passive Verstellung besagt, dass auf die Triebwerkskomponente beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine wirkende Kräfte wie die Gasdruckkräfte und die Massenkräfte ausgenutzt werden, um eine Verstellung der Triebwerkskomponente zu bewirken. Bei der passiven Verstellung kommt es also aufgrund der Ausnutzung dieser Kräfte zu einer automatischen Verstellung der Triebwerkskomponente, während bei der aktiven Verstellung von außen, d.h. zusätzlich zu den zuvor genannten wirkenden Kräften oder unabhängig von diesen noch weitere Verstellkräfte eingebracht werden.
-
Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz in Brennkraftmaschinen beschränkt, sondern kann in analoger Weise auch bei einer als z.B. Pumpe betriebenen Hubkolbenbrennkraftmaschine eingesetzt werden.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wie auch Merkmale gehen aus den nachfolgenden Figuren und der dazugehörigen Beschreibung hervor. Die aus den Figuren und der Beschreibung hervorgehenden einzelnen Merkmale sind nur beispielhaft und nicht auf die jeweilige Ausgestaltung beschränkt. Vielmehr können aus einer oder mehreren Figuren ein oder mehrere Merkmale mit anderen Merkmalen aus anderen Figuren wie auch aus der obigen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen verbunden werden. Daher sind die Merkmale nicht beschränkend, sondern beispielhaft angegeben. Im Einzelnen zeigen dabei:
-
1 eine Vorrichtung zum Kühlen eines Hubkolbens gemäß dem Stand der Technik und
-
2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Kühlen eines Hubkolbens mit integriertem Positionsermittlungssensor.
-
In der 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Kühlen eines Hubkolbens 12, der in einem Zylinder 14 einer Hubkolbenbrennkraftmaschine 11 angeordnet ist, dargestellt, wobei die Vorrichtung 10 zum Kühlen des Hubkolbens beispielhaft als Ölspritzdüse ausgeführt ist. Der Hubkolben 12 ist über einen Hubkolbenbolzen 16 mit einem Pleuel 18 in dem Zylinderkurbelgehäuse 13 der Hubkolbenbrennkraftmaschine 11 gelagert. Dadurch kann der Hubkolben 12 über den Pleuel 18 eine Kurbelwelle (in der 1 nicht dargestellt) antreiben. Der Hubkolben 12 weist ein sogenanntes Kolbenhemd 20 und einen Kolbenboden 22 auf. Die Kühlvorrichtung 10 kann ein Halteelement 24 für eine Kühlmittelleitung 25 aufweisen, die an einem Ende einen Einlass 26 und am anderen Ende einen Auslass 28 aufweist. Das Halteelement 24 ist mit dem Zylinder 14 insbesondere durch Verschrauben, Verschweißen oder Verlöten verbunden. Durch den Auslass 28 wird ein Kühlmittel 30 in Richtung auf den Kolbenboden 22 befördert. Das Kühlmittel 30 (z.B. Motoröl) wird über eine Zuführleitung 32 aus einem Zylinderkurbelgehäuse 13 in die Kühlmittelleitung 25 gefördert (gepumpt).
-
In der 2 ist eine Ausführung der Erfindung in ihrer beispielhaften Applikation bei einer Kühlvorrichtung 10 gemäß 1 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass ein Positionserkennungssensor 34 mit der Kühlvorrichtung 10 verbunden ist. Der Positionserkennungssensor 34 kann dabei insbesondere an der Kühlmittelleitung 25 angebracht sein. Der Positionserkennungssensor 34 weist in der gezeigten Ausführungsform eine Spule 36 auf, die um die Kühlmittelleitung 25 herum angeordnet ist. In unmittelbarer Nähe zur Spule 36 ist ein erstes ferromagnetisches Element 38 angeordnet. Zusätzlich ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Teil der Kühlmittelleitung 25 aus einem ferromagnetischen Material gefertigt. Dadurch weist die Kühlmittelleitung ebenfalls ein ferromagnetisches Element 40 auf. Wird nun ein zweites ferromagnetisches Element 42, das in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Kolbenhemd 20 verbunden ist, an den Positionserkennungssensor 34 angenähert, führt dies dazu, dass ein magnetischer Kreis, der durch das erste ferromagnetische Element 38 und das ferromagnetische Element 40 der Kühlmittelleitung 25 gebildet ist, zunehmend geschlossen wird. Dadurch ändert sich die Induktivität der Spule 36, während sich das zweite ferromagnetische Element 42 zur Kühlvorrichtung 10 hin oder von dieser weg bewegt. Die Induktivität der Spule 36 wird durch die Messeinrichtung 44 zum gewünschten Zeitpunkt im unteren Totpunkt ermittelt. Aus dem ermittelten Messwert lässt sich in einem nächsten Schritt die Position des Hubkolbens 12 bestimmen, die dieser im unteren Totpunkt einnimmt. Hierzu kann insbesondere ein Kurbelwinkelsensor 46 ein Kurbelwinkelsignals 48 aufnehmen und als Steuer- bzw. Triggersignal an die Messeinrichtung 44 weiterleiten, wenn sich der Hubkolben im unteren Totpunkt befindet. Durch das Triggersignal wird die Induktivitätsmessung der Messeinrichtung 44 ausgelöst. Aus dem von der Messeinrichtung 44 ermittelten Induktivitätswert kann anschließend das tatsächliche Verdichtungsverhältnis ermittelt werden und an eine Motorsteuerung (in den Figuren explizit nicht dargestellt) zur weiteren Verarbeitung weitergeleitet werden. Schließlich sind in der 2 exemplarisch ε1,min und ε1,max eingezeichnet, die der untere Teil bzw. das Kolbenhemd 20 des Hubkolbens 12 des Sensorgegenelements 42 im unteren Totpunkt erreicht, wenn das minimale bzw. das maximale Verdichtungsverhältnis eingestellt ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Kühlvorrichtung
- 11
- Hubkolbenbrennkraftmaschine
- 12
- Hubkolben
- 13
- Zylinderkurbelgehäuse
- 14
- Zylinder
- 16
- Hubkolbenbolzen
- 18
- Pleuel
- 20
- Kolbenhemd
- 22
- Kolbenboden
- 24
- Halterung
- 25
- Kühlmittelleitung
- 26
- Einlass
- 28
- Auslass
- 30
- Kühlmittel
- 32
- Zuführleitung
- 34
- Positionserkennungssensor
- 36
- Spule
- 38
- erstes ferromagnetisches Element
- 40
- ferromagnetisches Element der Kühlmittelleitung
- 42
- zweites ferromagnetisches Element
- 44
- Messeinrichtung
- 46
- Kurbelwinkelsensor
- 48
- Steuer- bzw. Triggersignal
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
