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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung Hubkolbenbrennkraftmaschinen für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, beispielsweise zur Erzeugung von Antriebsenergie für ein Kraftfahrzeug. Es wird insoweit auch explizit Bezug genommen auf Kraftfahrzeuge mit erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschinen sowie auf die Durchführung erfindungsgemäßer Verfahren in Kraftfahrzeugen.
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Aus
DE 10 2013 006 914 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung von abnormalen Verbrennungen beim Betrieb einer Brennkraftmaschine bekannt. Insbesondere weist die Brennkraftmaschine dazu einen Körperschallsensor auf, mit dem der Beginn einer Vorentflammung bestimmt werden soll. Auf die genaue Anordnung des Körperschallsensors an der Brennkraftmaschine wird in diesem Dokument nicht Bezug genommen.
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Aus
WO 99/15873 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung relevanter Größen, die den Zylinderinnendruck repräsentieren bekannt, wobei der Körperschall als eine solche Größe gemessen wird. Dazu soll ein Körperschallsensor außen am Motorblock im Bereich der Brennkammer der jeweiligen Zylinder angeordnet werden, insbesondere auf der Einlassseite oder auf der Auslassseite des Motorblocks. Ebenfalls als vorteilhaft wird es in dieser Druckschrift angesehen, wenn der Körperschallsensor gleichzeitig als Klopfsensor verwendet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, mit welchen Verbrennungsstörungen zuverlässig und kostengünstig detektiert werden können.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere eine fremdgezündete Hubkolbenbrennkraftmaschine, umfasst mindestens einen, von einem Motorblock umgebenen Brennraum und einen in axialer Richtung des Brennraums verfahrbar gelagerten Hubkolben. Der Hubkolben ist funktional mit einer drehbar gelagerten Kurbelwelle verbunden. Die Verbindung kann dabei insbesondere in bekannter Art und Weise über ein die Kurbelwelle und den Hubkolben verbindendes Pleuel realisiert sein. Im Bereich mindestens eines Kurbelwellenlagerelements ist mindestens ein Signal-Detektionsmittel angeordnet, mittels welchem in axialer Richtung des Hubkolbens wirkende Signale in Form von Impulsen und/oder Schwingungen detektierbar sind.
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Zur Anordnung eines Signal-Detektionsmittels oder mehrerer Signal-Detektionsmittel eignet sich insbesondere ein separater Lagerdeckel oder ein einstückig mit einem Kurbelgehäuse ausgebildeter Lagerdeckel. Ein separater Lagerdeckel ist insbesondere ein - im Vergleich zu einem Motorblock - kompaktes, langgestrecktes Element, das auf der zur Kurbelwelle ausgerichteten Seite eine bogenförmige Lagerfläche aufweist, wobei sich die Lagerfläche in Längsrichtung des Lagerdeckels zwischen zwei Anlageflanschen erstreckt.
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Die bogenförmige Lagerfläche von Lagerdeckeln erstreckt sich, unabhängig davon, ob es sich um einen separaten Lagerdeckel oder um einen in einem Kurbelgehäuse ausgebildeten Lagerdeckel handelt, in den meisten Fällen über einen Halbkreisbogen. Ebenfalls unabhängig von der Gestaltung des Lagerdeckels schließt dieser die Kurbelwelle meist von der Unterseite her ein, indem der separate Lagerdeckel bzw. das Kurbelgehäuse mit Lagerdeckel fest mit dem Motorblock verbunden ist, insbesondere durch Verschrauben. In den Bereich eines als Kurbelwellenlagerelement dienenden Lagerdeckels werden Impulse und/oder Schwingungen besonders gut übertragen, da durch Vorentflammungen und/oder durch Klopfen im Brennraum jeweils ein Stoß in axialer Richtung des Brennraums entsteht, der sich über den jeweiligen Kolben und das zugehörige Pleuel auf den entsprechenden Bereich der Kurbelwelle überträgt und somit auch im Bereich der zugeordneten Kurbelwellenlagerelemente gut detektierbar ist. Auf die Kurbelwelle wirkt dann kurzzeitig eine nach unten in Richtung Lagerdeckel gerichtete Kraft. Es hat sich gezeigt, dass derartige Impulse oder Schwingungen im Bereich des Lagerdeckels mit einem im Bereich des Kurbelwellenlagerelements angeordneten Signal-Detektionsmittel einfach, kostengünstig und zuverlässig detektiert werden können.
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Eine erfindungsgemäße Hubkolbenmaschine hat den weiteren Vorteil, dass mit ihr ein Verschleiß-Monitoring durchgeführt werden kann. So können beispielsweise während des Betriebes und somit kontinuierlich, in regelmäßigen Abständen bei Wartungen und/oder auch bereits in der Entwicklungsphase vor der Vermarktung eines Kraftfahrzeuges mit Hilfe der Signal-Detektionsmittel akustische Veränderungen der Hubkolbenbrennkraftmaschine detektiert werden, die verschleißbedingt auftreten. Diesbezüglich wird insbesondere auf das Monitoring von akustisch mit der jeweiligen Drehzahl (Motordrehzahl) und/oder einem Betriebspunkt (Drehzahl, Motorlast und effektiver Mitteldruck) korrelierende akustische Auffälligkeiten verwiesen, insbesondere auf solche Auffälligkeiten, die auf Verschleiß an Hauptlagern und/oder Pleuellagern und/oder sonstigen Lagerstellen, wie z.B. im Bereich der Kolben/Laufbahn-Paarung verwiesen. Mit Verschleiß im Bereich der Kolben/Laufbahn-Paarung ist insbesondere auf der Verschleiß einzelner Kolben, Kolbenringe und der Verschleiß von Zylinderwandungen des Brennraums verwiesen. Ein solches Verschleiß-Monitoring ist mit einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine sehr komfortabel und einfach realisierbar, und zwar sowohl bei Volllast einschließlich bei maximaler Drehzahl als auch in allen Teillastbereichen und selbst im lastlosen Zustand bei Leerlaufdrehzahl.
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Als Kurbelwellenlagerelemente im Sinne der Erfindung werden alle Elemente angesehen, welche zur Lagerung der Kurbelwelle dienen. Ein im Bereich des Kurbelwellenlagerelements angeordnetes Signal-Detektionsmittel kann insoweit auch an einer Seite eines Motorblocks angeordnet sein, welcher Teil eines Kurbelwellenlagerelements ist. Als im Bereich des Kurbelwellenlagerelements angeordnet sollen dabei alle Positionen angesehen werden, die auf einer direkten Verbindungslinie von dem Brennraum zu dem diesem Brennraum zugeordneten Kurbelwellenlagerelement unmittelbar benachbart zu dem Kurbelwellenlagerelement liegen, beispielsweise in einer in dem Motorblock ausgebildeten Vertiefung, die unterhalb des Brennraumes zwischen Brennraum und Kurbelwellenlagerelement angeordnet ist. Eine derartige Vertiefung kann zur Montage des Signal-Detektionsmittels beispielsweise von einem Kurbelwellenlagerabschnitt aus oder von einem Bereich unterhalb des Brennraums und unterhalb von Kühlkanälen oder eines Kühlmantels zugänglich sein.
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Zusammenfassend ist das mindestens eine Signal-Detektionsmittel - oder auch mehrere Signaldetektionsmittel - in einem Bereich des Motorblocks in unmittelbarer Nähe eines Kurbelwellenlagerelements und/oder in einem Lagerdeckel in unmittelbarer Nähe des Kurbelwellenlagerelements angeordnet, um auf die Kurbelwelle wirkende Impulse und/oder Schwingungen möglichst ungedämpft detektieren zu können.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch eine Vorentflammung und/oder durch ein Klopfen in einem Brennraum entstehende Stöße bzw. Druckpulse in Form von Impulsen und/oder Schwingungen über den Hubkolben und ein mit dem Hubkolben verbundenes Pleuel nahezu ungedämpft zur Kurbelwelle geleitet und von dieser auf das Kurbelwellenlagerelement übertragen werden. Durch diese direkte, in axialer Richtung des Brennraums verlaufende Übertragung werden die Impulse und/oder Schwingungen auf dem Weg bis zum Kurbelwellenlagerelement nur wenig gedämpft, d.h. sie erreichen das Kurbelwellenlagerelement mit - im Vergleich zum Ausgangswert - relativ hoher Amplitude. Versuche haben bestätigt, dass weitere Geräusche, die während des Betriebs einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine auftreten, im Bereich des Kurbelwellenlagerelements deutlich geringere Amplituden aufweisen und die Detektion von durch Vorentflammungen und/oder Klopfen erzeugten Signale nicht oder nur unwesentlich überlagern und somit stören. Dieses gute Signal- zu Rauschverhältnis ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Signal-Detektionsmitteln, da keine hohen Anforderungen an die Auflösung der verwendeten Signal-Detektionsmittel gestellt werden müssen. Durch die Anordnung eines Signal-Detektionsmittels im Bereich mindestens eines Kurbelwellenlagerelements lassen sich damit in dem Brennraum stattfindende Vorentflammungen und Klopfen zuverlässig und mit nur geringem finanziellen Aufwand detektieren und für die Optimierung der Brennkraftmaschine in bekannter Weise nutzen.
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Versuche haben gezeigt, dass mit einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine in jedem Betriebszustand, insbesondere auch unter Volllast sowie im Leerlauf, Verbrennungsstörungen zuverlässig detektiert werden können. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine ist, dass sich Verbrennungsstörungen nicht nur im realen Fahrbetrieb in Kraftfahrzeugen, sondern auch auf einem Prüfstand im Testbetrieb sicher detektiert lassen.
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Bevorzugt ist mindestens jedem zweiten Brennraum ein Signal-Detektionsmittel zugeordnet (so können z.B. zwei Signal-Detektionsmittel, die jeweils zwischen zwei Brennräumen angeordnet sind, vier nebeneinander angeordneten Brennräumen zugeordnet sein). Weiter bevorzugt ist jedem Brennraum mindestens ein Signal-Detektionsmittel zugeordnet, so dass jedes detektierte Signal aufgrund des Signalzeitpunkts und der detektierten Signalamplitude genau einem Brennraum zugeordnet werden kann.
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Durch die Zuordnung von zwei oder mehr Signal-Detektionsmitteln zu jeweils einem Brennraum kann die Genauigkeit und auch die Ausfallwahrscheinlichkeit betreffend die Detektion weiter erhöht werden, insbesondere indem Signale redundant detektiert werden und so eine redundante Überprüfung einer detektierten Vorentflammung und/oder eines detektierten Klopfens erfolgt. So können beispielsweise jedem Brennraum zwei Signal-Detektionsmittel zugeordnet sein, wobei jeweils zumindest ein Signal-Detektionsmittel zwei Brennräumen zugeordnet ist. In diesem Fall kann mit einer Zahl von Signal-Detektionsmittel, die um eins höher ist als die Zahl der Brennräume eine redundante Überprüfung einer detektierten Vorentflammung und/oder eines detektierten Klopfens in jedem Brennraum erfolgen, beispielsweise indem fünf Signal-Detektionsmittel für vier Brennräume vorgesehen sind, insbesondere jeweils im Bereich der Hauptlager unmittelbar rechts und links einer Bewegungsachse des in diesem Brennraum bewegten Hubkolbens.
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Aus montagetechnischer Sicht und zur Sicherstellung einer hochwertigen Lagerung der Kurbelwelle kann es vorteilhaft sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Hubkolbenbrennkraftmaschine das mindestens eine Signal-Detektionsmittel auf der dem Hubkolben abgewandten Seite des Kurbelwellenlagerelements und/oder auf einer einer Lagerfläche abgewandten Seite eines separaten Kurbelwellenlagerelements angeordnet ist. In diesem Fall ist die Montagestelle für das Signal-Detektionsmittel und für Versorgungs- und Signalleitungen gut zugänglich. Ferner ist sichergestellt, dass Fertigungstoleranzen oder Abweichungen von der Soll-Montage nicht zu einer negativen Beeinträchtigung des Lagerbereichs führen, da dieser von dem Signal-Detektionsmittel örtlich und funktional getrennt ist.
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Eine Detektion von Impulsen und/oder Schwingungen, welche auf das Kurbelwellenlagerelement übertragen werden, kann besonders effizient und mit hoher Amplitude erfolgen, wenn das Signal-Detektionsmittel mittig, das heißt in einem Bereich senkrecht unterhalb der Kurbelwellendrehachse angeordnet ist. Dies entspricht auch der direkten axialen Ausbreitungsrichtung von ausgehend von dem Hubkolben auf die Kurbelwelle übertragenen Impulsen und/oder Schwingungen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist mindestens einem Hubkolben jeweils ein erstes Kurbelwellenlagerelement mit einem ersten Signal-Detektionsmittel und ein zweites Kurbelwellenlagerelement mit einem zweiten Signal-Detektionsmittel zugeordnet, wobei das erste Kurbelwellenlagerelement und das zweite Kurbelwellenlagerelement in axialer Richtung der Kurbelwelle voneinander beabstandet sind. Insbesondere sind das erste Kurbelwellenlagerelement und das zweite Kurbelwellenlagerelement auf verschiedenen Seiten des zugeordneten Hubkolbens bzw. Brennraums angeordnet. Diese Ausführungsform macht sich zunutze, dass durch eine Verbrennungsstörung ausgelöste Signale, die über die Kurbelwelle detektierbar sind, primär in senkrechter Richtung nach unten auf die beiden dem Hubkolben zugeordneten Kurbelwellenlagerelemente übertragen werden und dort mit der jeweils größten Amplitude ankommen. So können Verbrennungsstörungen - abhängig von der Amplitude und dem Zeitpunkt der Detektion (insbesondere in Abhängigkeit des aktuellen Kurbelwinkels und in Kenntnis von typischerweise auftretenden Verbrennungsstörungen bei Hubkolben-Brennkraftmaschinen) einem konkreten Brennraum exakt zugeordnet werden. Insbesondere wird eine Verbrennungsstörung demjenigen Brennraum zugeordnet, an dessen zugehörigen ersten Kurbelwellenlagerelement und zweiten Kurbelwellenlagerelement ein erhöhtes Signal bzw. ein absolutes Maximum (Peak) detektiert wird.
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Die Anzahl der benötigten Signal-Detektionsmittel kann reduziert werden, wenn mindestens ein Signal-Detektionsmittel zwei sich in axialer Richtung rechts und links davon angeordneten Hubkolben zugeordnet ist. Damit kann ein Signal-Detektionsmittel, welches einem links davon angeordneten Brennraum zugeordnet ist, zusätzlich auch als Signal-Detektionsmittel für einen rechts davon angeordneten Brennraum genutzt werden.
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Als Signal-Detektionsmittel kann jedes geeignete Mittel eingesetzt werden, um die zu erfassenden Signale in ausreichender Zeit und Intensitätsgenauigkeit zu detektieren. Besonders geeignet erscheinen Körperschallsensoren, piezoelektrische Sensoren und/oder ein Dehnungsmessstreifen. Körperschallsensoren sind dabei insbesondere als technisch einfach aufgebautes Massenbauteil kostengünstig verfügbar und erscheinen insoweit besonders geeignet.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer wie vorstehend beschriebenen Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei mit dem mindestens einen Signal-Detektionsmittel mindestens in einem Zeitraum zwischen 20° KW vor dem oberen Totpunkt und 20° KW nach dem oberen Totpunkt des dem Signal-Detektionsmittel zugeordneten Hubkolbens Signale in Form von Schwingungen und/oder Impulsen detektiert und zur Feststellung von Verbrennungsstörungen ausgewertet werden. Vorentflammungen treten üblicherweise in einem Bereich von ca. 20° KW vor dem oberen Totpunkt bis zum oberen Totpunkt auf und Klopfen in einem Bereich von dem oberen Totpunkt bis ca. 20° KW nach dem oberen Totpunkt. Eine selektierte Detektion von absoluten Maxima oder Peaks in dem jeweiligen Kurbelwinkelbereich ermöglicht damit eine effiziente, energieoptimierte und zuverlässige Erfassung von abnormalen Verbrennungen, insbesondere in Form von Vorentflammungen oder Klopfen.
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Wenn nur in einem bestimmten Kurbelwinkelbereich Signale detektiert werden, ist der Energiebedarf optimiert, weil in Phasen ohne Detektion keine Energie oder nur sehr viel weniger Energie benötigt wird. Die Signale können aber auch kontinuierlich detektiert und ggf. nur in bestimmten Kurbelwinkelbereichen berücksichtigt werden, um weitere Ereignisse zu detektieren. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, Vorentflammungen und Klopfen nur dann als solche auszulegen, wenn diese innerhalb eines entsprechend sinnvollen Kurbelwinkelbereichs detektiert wurden.
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Wenn mit dem mindestens einen Signal-Detektionsmittels permanent während jedes vollständigen Verbrennungszyklus der Hubkolbenbrennkraftmaschine Signale in Form von Schwingungen und/oder Impulsen detektiert werden, können jegliche Verbrennungsstörungen detektiert werden und die Signale auch zur Detektion anderer Ereignisse genutzt werden. Darüber hinaus kann in diesem Fall auch ein allgemeines Verschleiß-Monitoring durchgeführt werden, insbesondere um sich verändernde und mit der Drehzahl korrelierende akustische Auffälligkeiten zu detektieren, die während der Lebensdauer der Hubkolbenbrennkraftmaschine ggf. erst entstehen und sich dann mit fortschreitender Lebensdauer ggf. weiter intensivieren.
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Wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren jedem Hubkolben in axialer Richtung der Kurbelwelle betrachtet ein erstes Kurbelwellenlagerelement mit einem ersten Signal-Detektionsmittel und ein zweites Kurbelwellenlagerelement mit einem zweiten Signal-Detektionsmittel zugeordnet ist und eine Verbrennungsstörung nur dann einem Hubkolben zugeordnet wird, wenn sowohl bei dem von dem ersten Signal-Detektionsmittel detektierten Signal als auch bei dem von dem zweiten Signal-Detektionsmittel detektierten Signal innerhalb eines vorgegebenen Kurbelwinkelbereichs ein absolutes Maximum, bzw. ein Peak detektiert wird, können Fehldetektionen wirksam vermieden werden, insbesondere solche, die nicht auf Verbrennungsstörungen, sondern auf andere Ereignisse zurückzuführen sind. Beispielsweise kann vorgegeben sein, dass Peaks eines ersten Signal-Detektionsmittels und eines zweiten Signal-Detektionsmittels innerhalb eines Zeitraumes von maximal 3° KW auftreten müssen, bevorzugt maximal 2° KW und weiter bevorzugt maximal 1° KW, um eine Verbrennungsstörung als solche zu erfassen.
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Nach einer Detektion eines relevanten Signals kann - beispielsweise auf der Grundlage der Amplitudenhöhe, des Amplitudenverlaufs und/oder auf der Grundlage des zugeordneten Kurbelwinkels und Zylinders - ermittelt werden, um welche Art von Verbrennungsstörung es sich handelt, beispielsweise um eine Vorentflammung oder ein Klopfen. Es können dann geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um einer weiteren gleichartigen Verbrennungsstörung entgegenzuwirken, beispielsweise indem die zugeführte Kraftstoffmenge erhöht wird oder indem ein Zylinder vollständig abgeschaltet wird.
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In einem weiteren praktischen Verfahren werden mit dem Signal-Detektionsmittel detektierte Signale mit Zeit, Datum, Drehzahl, Motorlast, effektiver Mitteldruck und/oder Laufleistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine gespeichert und zu späteren Zeitpunkten mit Signalen verglichen, die mit dem Signal-Detektionsmittel unter identischen oder vergleichbaren Bedingungen ermittelt wurden. Als vergleichbar können insbesondere solche Punkte des Motorkennfeldes angesehen werden, die eine festgelegte Abweichung von Drehzahl, Motorlast und/oder effektivem Mitteldruck gegenüber dem Vergleichswert jeweils nicht überschreiten, z.B. 5 Prozent, 10 Prozent oder 15 Prozent. So kann ein während der Lebensdauer auftretender und voranschreitender Verschleiß der Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere wie vorstehend ausgeführt, überwacht und für Wartungs- und/oder Analysezwecke einfach und kostengünstig erkannt werden.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine in einer Schnittdarstellung,
- 2 die Hubkolbenbrennkraftmaschine aus 1 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung, und
- 3 Messergebnisse mehrerer Signal-Detektionsmittel in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 mit einem Motorblock 12, in welchem vorliegend vier Brennräume 14a, 14b, 14c, 14d ausgebildet sind. In jedem Brennraum 14a, 14b, 14c, 14d ist jeweils ein in axialer Richtung des Brennraums 14a, 14b, 14c, 14d verfahrbar gelagerter Hubkolben 16a, 16b, 16c, 16d angeordnet. Jeder Hubkolben 16a, 16b, 16c, 16d ist in bekannter Art und Weise über ein Pleuel 18a, 18b, 18c, 18d mit einer drehbar gelagerten Kurbelwelle 20 verbunden. Die Kurbelwelle 20 erstreckt sich vorliegend quer zur axialen Richtung der Brennräume 14a, 14b, 14c, 14d derart, dass die Drehachse der Kurbelwelle senkrecht zu der axialen Bewegungsrichtung der Hubkolben 16a, 16b, 16c, 16d angeordnet ist.
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Wie insbesondere in Verbindung mit 2 gut zu erkennen ist, sind mehrere Kurbelwellenlagerelemente 22a, 22b, 22c, 22d, 22e zur Lagerung der Kurbelwelle 20 vorgesehen, welche vorliegend als separate Lagerdeckel 24 ausgebildet sind. Die Lagerdeckel 24 sind kompakte, langgestreckte Elemente, welche auf der zur Kurbelwelle 20 ausgerichteten Seite eine bogenförmige Lagerfläche 30 aufweisen. Die Lagerfläche 30 erstreckt sich dabei in Längsrichtung des Lagerdeckels 24 jeweils zwischen zwei Anlageflanschen über einen halbkreisförmigen Abschnitt (vgl. 2).
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Wie aus 2 ersichtlich ist, schließt sich unterhalb der Lagerdeckel 24 ein Ölhobel 26 und ein separates Kurbelgehäuse 28 an. Im zusammengebauten Zustand umschließen die als Kurbelwellenlagerelemente 22a, 22b, 22c, 22d, 22e dienenden Lagerdeckel 24 die Kurbelwelle 20 von der Unterseite her. Das Kurbelgehäuse 28 wird von unten mit dem Motorblock 12 fest verbunden, insbesondere verschraubt, so dass die Kurbelwelle 20 und die Lagerdeckel 24 im montierten Zustand zwischen dem Motorblock 12 und dem Kurbelgehäuse 28 eingeschlossen sind. Die halbkreisförmigen Lagerflächen 20 der Lagerdeckel 24 bilden in dem montierten Zustand zusammen mit im Bereich der Unterseite des Motorblocks 12 ausgebildeten halbkreisförmigen Abschnitten kreisförmige Kurbelwellenlagerelemente 22a, 22b, 22c, 22d, 22e.
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Wie in 1 und 2 gut zu erkennen ist, ist in der gezeigten Ausführungsform auf der den vier Brennräumen 14a, 14b, 14c, 14d abgewandten Seite der Lagerflächen 30 der Lagerdeckel 24 jeweils ein Signal-Detektionsmittel 32a, 32b, 32c, 32d, 32e angeordnet. Die Signal-Detektionsmittel 32a, 32b, 32c, 32d, 32e sind derart an den Lagerdeckeln 24 angeordnet, dass sie genau unterhalb der Kurbelwellendrehachse liegen.
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In der gezeigten Ausführungsform ist jedem Brennraum 14a, 14b, 14c, 14d, bzw. jedem Hubkolben 16a, 16b, 16c, 16d ein erstes Kurbelwellenlagerelement 22a, 22b, 22c, 22d mit einem ersten Signal-Detektionsmittel 32a, 32b, 32c, 32d und ein zweites Kurbelwellenlagerelement 22b, 22c, 22d, 22e mit einem zweiten Signal-Detektionsmittel 32b, 32c, 32d, 32e zugeordnet. Das erste Kurbelwellenlagerelement 22a, 22b, 22c, 22d und das zweite Kurbelwellenlagerelement 22b, 22c, 22d, 22e sind dabei in axialer Richtung der Kurbelwelle 20 voneinander beabstandet angeordnet und dabei jeweils links und rechts des jeweiligen Brennraums 14a, 14b, 14c, 14d bzw. des jeweiligen Hubkolbens 16a, 16b, 16c, 16d positioniert. Beispielsweise sind dem Brennraum 14a ganz links und dem darin gelagerten Hubkolben 16a das erste bzw. linke Kurbelwellenlagerelement 22a mit dem ersten Signal-Detektionsmittel 32a und das zweite, rechte Kurbelwellenlagerelement 22b mit dem zweiten Signal-Detektionsmittel 32b zugeordnet. Das dem Brennraum 14a bzw. dem Hubkolben 16a zugeordnete zweite, rechte Kurbelwellenlagerelement 22b mit dem zweiten Signal-Detektionsmittel 22b dient dabei gleichzeitig als erstes, linkes Kurbelwellenlagerelement 22b mit Signal-Detektionsmittel 32b für den Brennraum 14b und den Hubkolben 16b. Insgesamt weist die Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 fünf Kurbelwellenlagerelemente 22a, 22b, 22c, 22d, 22e auf, die jeweils links und/oder rechts der Bewegungsachse des Hubkolbens 16a, 16b, 16c, 16d des jeweiligen Brennraums 14a, 14b, 14c, 14d angeordnet sind.
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Wenn in einem Brennraum 14a, 14b, 14c, 14d, beispielsweise hier in dem Brennraum 14a, eine Verbrennungsstörung auftritt, insbesondere eine Vorentflammung oder ein Klopfen, resultiert daraus ein Druckpuls, welcher eine stoßartige Kraft in Richtung des Pfeils P nach unten erzeugt. Dies wiederum führt dazu, dass sich diese Kraft über das Pleuel 18a auf die Kurbelwelle 20 überträgt und die Kurbelwelle 20 eine entsprechende Kraft in Form eines Stoßes, insbesondere in die unmittelbar benachbarten Kurbelwellenlagerelemente 22a, 22b, 22c, 22d, 22e einleitet. Korrespondierende Signale in Form eines Impulses oder einer Schwingung lassen sich dementsprechend an dem ersten Kurbelwellenlagerelement 22a, welches links des Brennraums 14a angeordnet ist, und an dem zweiten Kurbelwellenlagerelement 22b, welches rechts des Brennraums 14a angeordnet ist, detektieren. Vorteilhaft dabei ist, dass eine direkte und weitestgehend ungedämpfte Verbindung zwischen dem Brennraum 14a über den Hubkolben 16a, das Pleuel 18a und die Kurbelwelle 20 zu den Kurbelwellenlagerelementen 22a, 22b besteht. Diese Verbindung führt in der Regel insbesondere nicht durch Kühlmäntel oder Kühlkanäle hindurch. Ein durch eine Verbrennungsstörung erzeugter Impuls und/oder eine dadurch erzeugte Schwingung wird - wenn dieser im ersten Brennraum 14a auftritt, insoweit in Richtung des Pfeils K unmittelbar in die Kurbelwellenlagerelemente 22a, 22b eingeleitet und kann mittels den Signal-Detektionsmitteln 32a, 32b sehr gut detektiert werden.
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Die vorstehend erläuterte Ausbreitung der Impulse und/oder Signale erfolgt analog auch in den anderen Brennräumen 14b, 14c, 14d, sofern dort entsprechende Verbrennungsstörungen auftreten. Relevant für den Brennraum 14b sind insoweit die Kurbelwellenlagerelemente 22b, 22c und die Signal-Detektionsmittel 32b, 32c. Relevant für den Brennraum 14c sind die Kurbelwellenlagerelemente 22c, 22d und die Signal-Detektionsmittel 32c, 32d. Und relevant für den Brennraum 14d sind die Kurbelwellenlagerelemente 22d, 22e und die Signal-Detektionsmittel 32d, 32e.
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Beispielhafte Messungen entsprechender Signal-Detektionsmittel 32a, 32b, 32c, 32d, 32e, die als mehrere Linien dargestellt sind, sind in 3 wiedergegeben. Die Schwingungsamplitude A korreliert mit dem Druck in den jeweiligen Brennräumen 14a, 14b, 14c, 14d. In 3 sind die Druckverläufe für die vier Brennräume 14a, 14b, 14c, 14d als Referenzgröße für die Schwingungsamplitude A dargestellt.
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Die gestrichelte Linie zeigt den Druckverlauf für den Brennraum 14a, wobei das in dem Graphen zu erkennende erste Maximum und das fünfte Maximum zu diesem Brennraum 14a gehören.
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Die strichpunktierte Linie entspricht dem Druckverlauf in dem Brennraum 14b, die gepunktete Linie dem Druckverlauf im Brennraum 14c und die durchgezogene Linie entspricht dem Druckverlauf im Brennraum 14d.
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Während des Betriebes der Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 erhöht sich der Druck im zweiten Takt (Verdichten) und im dritten Takt (Arbeiten). Der obere Totpunkt am Übergang zwischen dem zweiten Takt und dem dritten Takt ist für die Brennräume 14a, 14b und 14d gut zu sehen. Er ist jeweils mit 34 gekennzeichnet und an einer Art Plateau erkennbar, das durch eine kurzzeitige Reduzierung des Druckanstiegs entsteht.
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Wie gut zu erkennen ist, weist der zu dem Brennraum 14c gehörende Verlauf einen gegenüber den anderen Maxima erhöhte Amplitude, bzw. einen erhöhten Druck auf. Die Detektion eines derartigen absoluten Maximums 36 bzw. Peaks lässt auf eine Verbrennungsstörung schließen, hier auf eine Vorentflammung verbunden mit einem verfrühten Peak ohne Plateau und mit erhöhter Amplitude.
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Die Verbrennungsstörung kann hier dem Brennraum 14c eindeutig zugeordnet werden, insbesondere wenn an den zugehörigen Kurbelwellenlagerelementen 22c, 22d mit den entsprechenden Signal-Detektionsmitteln 32c, 32d entsprechende Peaks detektiert werden.
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Ganz allgemein kann einem Brennraum 14a, 14b, 14c, 14d insbesondere dann eine Verbrennungsstörung eindeutig zugeordnet werden, wenn sowohl an dem ersten Signal-Detektionsmittel 32a, 32b, 32c, 32d als auch an dem zweiten Signal-Detektionsmittel 32b, 32c, 32d, 32e ein solcher Peak 36 detektiert wird. In Verbindung mit dem aktuellen Kurbelwellenwinkel, d.h. mit dem Zeitpunkt des Auftretens eines entsprechenden Peaks 36, kann zudem eindeutig zugeordnet werden, ob es sich um eine Vorentflammung handelt, um ein Klopfen oder um eine andere Art von Verbrennungsstörung. Derartige Störungen treten entweder nur in sich nicht überlagernden Kurbelwellenwinkelbereichen auf oder können aufgrund einer Kombination zwischen dem zeitlichen Auftreten und der Höhe und Art der Amplitude eindeutig zugeordnet werden.
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Die in der Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hubkolbenbrennkraftmaschine
- 12
- Motorblock
- 14a, 14b, 14c, 14d
- Brennraum
- 16a, 16b, 16c, 16d
- Hubkolben
- 18a, 18b, 18c, 18d
- Pleuel
- 20
- Kurbelwelle
- 22a, 22b, 22c, 22d, 22e
- Kurbelwellenlagerelement
- 24
- Lagerdeckel
- 26
- Ölhobel
- 28
- Kurbelgehäuse
- 30
- Lagerfläche
- 32a, 32b, 32c, 32d, 32e
- Signal-Detektionsmittel
- 34
- oberer Totpunkt
- 36
- absolutes Maximum (Peak)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013006914 A1 [0002]
- WO 9915873 A1 [0003]
