DE102017123726A1

DE102017123726A1 - VCR-Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102017123726A1
Application number: DE102017123726.7A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schaffrath; Simon Gottorf; Kurt Habermann
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2017-11-23
Also published as: US10746107B2; DE102018124697A1; CN109653870B; CN109653870A; US20190112990A1; DE102017123726A8

Abstract

Hubkolbenmaschine (10), insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis, mit einer Einstellvorrichtung zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses, mit einer Sensorvorrichtung zur Erkennung des Verdichtungsverhältnisses und mit einer Steuerung, die eingerichtet ist, die Einstellvorrichtung zu aktivieren, falls eine Abweichung eines erkannten Verdichtungsverhältnisses und einem Sollverdichtungsverhältnis besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine mit einem „variable compression ratio” VCR, also einem veränderlichen Verdichtungsverhältnis und ein Verfahren der VCR-Einstellung.
Als Verdichtungsverhältnis bezeichnet man insbesondere im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung, also des Gesamtvolumens, zum verbliebenen Raum nach der Verdichtung, also dem Restvolumen. Um optimale Verbrennungs- bzw. Leistungswerte zu erhalten, ist bekannt, dass man zu diesem Zweck das Verdichtungsverhältnis verändern kann. Beispiele für derartige Hubkolbenmaschinen sind in WO 2014/019683 A1 , WO 2014/019684 A1 , WO 2015/173412 A1 und WO 2015/193437 A1 beschrieben.
Unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse werden bei den bekannten Hubkolbenmaschinen beispielsweise durch die Änderung der effektiven Länge des Pleuels realisiert, indem beispielsweise der Kurbelradius, die eigentliche Pleuellänge und/oder die Kompressionshöhe verändert werden. Hierzu dient ein im Regelfall hydraulisch betriebener Verstellmechanismus mit einer oder mehreren Kolben/Zylinder-Stützeinheiten, deren Arbeitsvolumina über einen mit Motoröl betriebenen Hydraulikschaltkreis verschaltet sind. Bestandteil des Hydraulikschaltkreises ist unter anderem auch ein Schalter zum Umkehren der Hydraulikflussrichtung von der einen Kolben/Zylinder-Stützeinheit zur anderen bzw. von einem Arbeitsvolumen zum anderen. Beispiele für einen Pleuel für eine Hubkolbenmaschine mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis finden sich in DE 31 48 193 A1 , DE 197 03 948 01 , DE 103 04 686 A1 , DE 10 2010 061 360 A1 , DE 10 2010 061 363 A1 , DE 10 2011 056 298 A1 , DE 10 2011 108 790 A1 , EP 1 424 486 A1 , EP 1 426 584 B1 , WO 2014/019683 A1 , WO 2015/082722 A1 , WO 2015/104253 A1 , WO 2015/173412 A1 , WO 2015/17341 1 A1 , WO 2015/155167 A1 .
Der zuvor beschriebene, in den Hydraulikschaltkreis eingebundene Schalter des Pleuels weist häufig ein Umschaltelement in Form eines Bolzens auf, der aus einer durch einen ersten Anschlag im Pleuel definierten ersten Schaltposition in eine zweite Schaltposition (und umgekehrt) überführbar ist, die durch einen zweiten Anschlag im Pleuel definiert ist. Das Umschaltelement steht in jeder der beiden Schaltpositionen auf einer anderen der beiden Außenseiten des Pleuels über. Beide Schaltpositionen entsprechen unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen.
Die Überführung des Umschaltelements des Schalters aus der einen in die andere Schaltposition erfolgt bei vielen Ausführungsformen des Standes der Technik mittels eines Betätigungselements, das zwei voneinander beabstandete Betätigungsflächen aufweist, die sich, bezogen auf die Kurbelwellenmittelachse, jeweils in Radialebenen erstrecken. Durch Linearbewegung des Betätigungselements parallel zur Kurbelwellenmittelachse verschiebt sich das Umschaltelement, wenn es in Kontakt mit einer der Betätigungsflächen gelangt, ebenfalls parallel zur Kurbelwellenmittelachse. Die Betätigungsflächen verlaufen insbesondere in einem spitzen Winkel zur Bewegungsebene des Umschaltelements, in welchem sich dieses bewegt, wenn der Pleuel von der Kurbelwelle bewegt wird.
Bei Versuchen mit insbesondere bei hohen Umdrehungszahlen betriebenen Hubkolbenmaschinen hat sich gezeigt, dass die Überführung des Umschaltelements aus der einen in die andere Schaltposition nicht immer zuverlässig genug erfolgt, was insbesondere für Umdrehungszahlen oberhalb von z. B. 3.000 U/min gelten kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Hubkolbenmaschine, insbesondere als Verbrennungskraftmaschine mit veränderbarem Verdichtungsverhältnis, zu schaffen, bei der die Überführung eines Umschaltelements aus einer (Ausgangs-)Schaltposition in eine oder mehrere andere (Ziel-)Schaltposition besonders zuverlässig erfolgt.
Beim Versuch, diese Aufgabe zu lösen, hat sich gezeigt, dass es mit vertretbarem Aufwand kaum möglich ist, eine hochzuverlässige Umschaltung zu realisieren. Stattdessen wurde erkannt, dass es aus Sicht der Kosten und des mechanischen Aufwands deutlich einfacher und besser ist, eine nicht-ordnungsgemäße Umschaltung (bzw. Einstellung des Verdichtungsverhältnisses) zu erkennen und dann erneut einen Umschaltversuch zu unternehmen. Die Aufgabe wurde gelöst mit folgender Vorrichtung und folgendem Verfahren. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis, umfasst eine Einstellvorrichtung zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses, eine Sensorvorrichtung zur Erkennung des Verdichtungsverhältnisses und eine Steuerung, die eingerichtet ist, die Einstellvorrichtung zu aktivieren, falls eine Abweichung eines erkannten Verdichtungsverhältnisses von einem Sollverdichtungsverhältnis besteht. Die Sensorvorrichtung kann indirekt sein und bspw. aus Verbrennungswerten Rückschlüsse auf ein eingestelltes Verdichtungsverhältnis schließen. Bevorzugt ist die VCR-Einrichtung eingerichtet, nur zwei Soll-VCR-Zustande zu haben. Dies macht es für die Sensorvorrichtung einfacher, zu entscheiden, welcher VCR-Zustand eingestellt ist. Fehler, die zu einem nicht gewünschten Verdichtungsverhältnis führen, können in einer nicht korrekten Lage eines Umschaltelements liegen. Auch können in der VCR-Vorrichtung selbst Reibungen und/oder Verkantungen oder dergleichen auftreten, die einer gewünschten Umschaltung des Verdichtungsverhältnisses entgegenwirken. Durch ein wiederholtes Aktivieren der Einstellvorrichtung kann die Wahrscheinlichkeit signifikant erhöht werden, dass die Solleinstellung gelingt.
Insbesondere umfasst die Einstellvorrichtung einen Schieber, Regler oder ein Drehelement, für die eine Mehrzahl von Soll-Positionen, insbesondere exakt zwei Soll-Positionen, vorgesehen sind. Eine Abweichung von einer Soll-Position und einer Ist-Position des Schiebers, Reglers oder Drehelements ist ursächlich für eine Abweichung von einem erkannten Verdichtungsverhältnis zum Sollverdichtungsverhältnis. So genügt es die Einstellvorrichtung einzustellen, um mittelbar das gewünschte Verdichtungsverhältnis zu erhalten.
Vorteilhaft ist ferner, wenn die Einstellvorrichtung ein an einem beweglichen Teil der Hubkolbenmaschine angeordnetes Umschaltelement umfasst, insbesondere einem Pleuel oder einer Kurbelwelle und/oder zumindest ein Betätigungselement relativ zum Umschaltelement beweglich ist, um so die Position des Umschaltelements zu verändern. Die Bewegungsrichtung kann insbesondere die Axialrichtung der Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine sein. Das Schaltelement kann insbesondere ein Schieber, Regler oder ein Drehelement sein.
Zudem ist vorteilhaft, wenn beim Umschalten des Umschaltelements ein Einstellweg vorgesehen ist und für einen ersten Teil eines Einstellwegs eine Zwangsführung vorgesehen ist. Zusätzlich kann für einen zweiten Teil des Einstellwegs ein während des ersten Teils auf das Umschaltelement aufgebrachter Impuls ursächlich sein.
Insbesondere kann beim Umschalten des Umschaltelements ein Einstellweg vorgesehen sein und ein Betätigungselement kann eingerichtet sein, das Umschalten des Umschaltelements zu bewirken, wobei für das Betätigungselement ein Betätigungsweg vorgesehen ist und der Einstellweg mindestens 40% des Aktivierungswegs beträgt und insbesondere als größer als die Hälfte des Aktivierungswegs ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann beim Umschalten des Umschaltelements ein Einstellweg vorgesehen sein und ein Betätigungselement kann eingerichtet sein, das Umschalten des Umschaltelements zu bewirken, wobei für das Betätigungselement ein Betätigungsweg vorgesehen ist. Dann ist der Einstellweg kleiner als das Doppelte des Aktivierungswegs. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass ein ausreichend großer Abstand vom Umschaltelement und dem Betätigungselement besteht.
Vorteilhaft ist, wenn ein Sensor eingerichtet ist, das Verdichtungsverhältnis zu messen. Diese Messung kann durch einen Lagesensor durchgeführt werden, der bspw. zumindest eine Endposition des Kolbens misst. Hierdurch kann das Verdichtungsverhältnis exakt bestimmt werden. Alternativ kann der Sensor zumindest einen Bezugswert liefern, der einen Rückschluss auf eine Abweichung von einer Soll-Position und einer Ist-Position des Schiebers erlaubt. Es wurde erkannt, dass jedes der vorzugsweise zwei möglichen Verdichtungsverhältnisse spezifische Bedingungen der Verbrennung und/oder des Drehmoments an der Kurbelwelle erzeugt. Wenn einer oder mehrere dieser Werte gemessen werden und ggf. zusätzlich mit weiteren Verbrennungsparametern, wie z. B. der Treibstoffzufuhr, abglichen werden, so kann ein Ergebniswert erzielt werden, der einen guten Rückschluss auf das Verbrennungsverhältnis zulässt. Die Steuerung gibt bevorzugt für jeden Zylinder einen digitalen Ja-/Nein-Wert aus zu der Frage, ob das Soll-Verdichtungsverhältnis korrekt eingestellt ist.
So kann insbesondere zumindest ein Sensor eingerichtet sein, eine Abgastemperatur und/oder einen Verbrennungsgaszustand, insbesondere einen Oxidationszustand, und/oder den Abgassauerstoffgehalt und/oder ein Antriebswellendrehmoment zu messen. Auch kann die Steuerung eingerichtet sein, aufgrund eines oder mehrerer Sensormesswerte auf ein eingestelltes Verdichtungsverhältnis zu schließen. Die Steuerung kann dafür in Tabellen nachschlagen oder es kann eine Logik formelmäßig vorgeben sein.
In einem Verfahren zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine mit einem veränderlichen Verdichtungsverhältnis erzeugt eine Steuerung aufgrund von Messwerten einen Rückschluss auf das eingestellte Verdichtungsverhältnis und veranlasst abhängig von diesem Rückschluss eine Aktivierung eines Umschaltelements.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
1 den grundsätzlichen Aufbau einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine mit umschaltbarem Verdichtungsverhältnis, wobei ein Pleuel einer Vier-Zylinder-Hubkolbenmaschine mit unterhalb der Kurbelwelle gezeigter Bank aus vier den jeweiligen Pleueln zugeordneten Umschaltelementen gezeigt ist,
2 einen Schnitt durch eine Pleuellagerung mit einem Umschaltelement zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses,
3 einen Schnitt durch die Ebene des Umschaltelements,
4 eine Draufsicht auf den Betätiger und
5 ein Zeitdiagramm des Umschaltens am Beispiel einer Dreizylinderverbrennungskraftmaschine.
In den 1 und 2 sind die relevanten Komponenten einer Verbrennungskraftmaschine 10 gezeigt, die als Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem mehrere Zylinder 14 (zylindrische Hohlräume) ausgebildet sind, in denen jeweils ein Verdichtungskolben 16 bidirektional bewegbar geführt ist. Jeder Verdichtungskolben 16 ist von einem Pleuel 18 getragen, der seinerseits an einem Hubzapfen 20 einer Kurbelwelle 22 mit Kurbelwellenmittelachse 24 gelagert ist. Die Kurbelwelle 22 ist ihrerseits drehbar im Gehäuse 12 gelagert.
Der Pleuel 18 weist einen Verstellmechanismus 26 auf, der hydraulisch arbeitet. Der Verstellmechanismus 26 sorgt für eine Veränderung der effektiven Länge des Pleuels 18, womit sich das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine 10 verändern lässt. Ein nicht gezeigter Bolzen der Lagerung des Verdichtungskolbens 16 ist exzentrisch in einem Exzenterring gelagert, der seinerseits in dem Pleuel 18 gelagert ist. Durch eine Veränderung der Winkellage des Exzenterrings ändert sich die Wirklänge des Pleuels 18. Allgemein gesprochen, kann die Veränderung der effektiven Länge des Pleuels 18 also der Wirklänge entweder durch Veränderung der geometrischen Länge des Pleuels 18 selbst, durch Veränderung der Kompressionshöhe, d. h. durch Veränderung der Relativposition von Verdichtungskolben 16 zum Pleuel 18, oder durch Veränderung des Kurbelradius erfolgen. Sämtliche dieser Einstellmöglichkeiten sind hydraulisch realisierbar und hierfür ist die Erfindung einsetzbar.
Eingebunden in den zuvor beschriebenen Hydraulikschaltkreis ist ein Schalter 28, der ein Umschaltelement 30 (Umschaltventil) aufweist. Dieses Umschaltelement 30 kann bevorzugt als ein Bolzen 32 ausgeführt sein, der bewegbar in einem Aufnahmekanal 34 im Pleuel 18 angeordnet ist. Das Umschaltelement 30 lässt sich zwischen zumindest zwei Schaltposition vor- und zurückbewegen, wobei das Umschaltelement 30 in jeder dieser zumindest beiden Schaltpositionen zu jeweils einer anderen der beiden Seiten 36, 38 des Pleuels 18 übersteht, wie dies beispielsweise in 2 gezeigt ist. Zwei Schaltpositionen sind jeweils durch einen ersten und einen zweiten Anschlag 40, 42 definiert, was beispielsweise durch einen Anschlagstift 44 realisierbar ist, der, wie ebenfalls in 2 zu erkennen ist, in eine Ausnehmung 46 des Umschaltelements 30 eintaucht. In beiden Schaltpositionen rastet das Umschaltelement 30 ein. Die entsprechende Rastvorrichtung weist eine federbelastete Rastkugel 48 auf, die mittels der Feder 50 in eine von zwei den beiden Schaltpositionen zugeordneten Rastmulden 52,54 des Umschaltelements 30 eintaucht. Zudem können weitere Schaltpositionen vorgesehen sein.
Unterhalb der Kurbelwelle 22 befindet sich innerhalb des Gehäuses 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 eine Bank 56 aus Betätigungselementen 58, wobei jedes Betätigungselement 58 einem Pleuel 18 zugeordnet ist. Jedes Betätigungselement 58 weist eine im Wesentlichen U-förmige Gestalt auf und bildet einen Bewegungskanal 60, durch den hindurch sich derjenige Teil des Pleuels 18 bei dessen Bewegung um die Kurbelwelle 22 herum hindurchbewegt, in dem das Umschaltelement 30 angeordnet ist. Die beiden gegenüberliegenden Innenseiten des Bewegungskanals 60 werden von zwei gegenüberliegenden Betätigungsflächen 62,64 gebildet, die eine Schaltkontur bilden und spitzwinklig zur Bewegungsebene des Pleuels 18 verlaufende Flächenabschnitte 66,68 aufweisen, die einen Verjüngungsabschnitt 70 des Bewegungskanals 60 bilden, und gegenüberliegende Flächenabschnitte 72,74, die einen Aufweitungsabschnitt 76 des Bewegungskanals 60 bilden. Bei 77 ist die Engstelle des Bewegungskanals 60 angedeutet. Die Bewegungsebene des Pleuels 18 verläuft dabei senkrecht zur Kurbelwellenmittelachse 24, was in 1 bei 78 angedeutet ist.
Mittels eines schematisch angedeuteten Antriebs 79 lässt sich die Bank 56 aus Betätigungselementen 58 linear vor- und zurückbewegen, und zwar in Richtung des Doppelpfeils 80 und damit parallel zur Erstreckung der Kurbelwellenmittelachse 24. Dabei kann vorgesehen sein, dass statt einer gemeinsamen Verschiebung sämtlicher Betätigungselemente 58 diese auch einzeln verfahrbar sind. Ferner ist es auch möglich und vorgesehen, dass die beiden Betätigungsflächen 62,64 jedes Betätigungselements 58 unabhängig voneinander vor- und zurückbewegbar sind. Der Pleuel 18 mit dem Umschaltelement 30 bewegt sich ohne Berührung zwischen den beiden Betätigungsflächen des Betätigungselements 58 hindurch, wenn keine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses beabsichtigt ist. Soll nun das Verdichtungsverhältnis gewechselt werden, so wird das Betätigungselement 58 ausgehend aus seiner Ruhestellung bewegt. Je höher das Verhältnis aus Kurbelwellenumdrehung zur Bewegungsgeschwindigkeit des Betätigungselements ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass das überstehende Ende des Umschaltelements nahe dem geringsten Abstand beider Betätigungsflächen auf die jeweils ”aktive” Betätigungsfläche auftrifft. Die ”aktive” Betätigungsfläche ist jeweils diejenige Betätigungsfläche des Betätigungselements 58, über die das Umschaltelement aus der aktuell eingenommenen Schaltposition in eine andere Schaltposition bewegt wird. Die andere Betätigungsfläche kann demgegenüber als ”inaktive” Betätigungsfläche bezeichnet werden.
Im Schnitt der 3 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit die Rastvorrichtung mit der Rastkugel 48 und der Feder 50 nicht dargestellt. Es ist hingegen in dieser Figur das Umschaltelement 30 gezeigt, welches eine insbesondere radial einschneidende Ausnehmung oder Kavität 46 umfasst, in welcher der Anschlagstift 44 aufgenommen ist, der allgemein gesagt, auch als ein Vorsprung 44 betrachtet wird. Dadurch wird die Bewegung des Umschaltelements 30 in seiner Längsrichtung, bevorzugt in beide Bewegungsrichtungen, begrenzt. Der Querschnitt der Ausnehmung ist in Längsrichtung des Umschaltelements 30 konstant und der Querschnitt des Vorsprungs bzw. Anschlagstifts 44 ist geringfügig kleiner, so dass ein Spalt 43 entsteht. Dieser Spalt 43 kann umlaufend vorgesehen sein oder nur lokal. Da die Ausnehmung 46 durch die Form des Pleuels 18 gegen das Innere des Gehäuses 12 abgedichtet ist, muss das in der Ausnehmung 46 enthaltene Fluid bei einer Betätigung des Umschaltelements 30 durch den Fluidkanal 43. Die Strömungskräfte bewirken eine Dämpfung der Bewegung des Pleuels 30. Zudem ist ein Ölversorgungskanal 81 dargestellt, der fluidal mit dem in dem Pleuel 18 vorgesehenen Ölversorgungskanal zur Schmierung der Lagerstellen verbunden ist. Im Umschaltelement 30 ist ein Kanal vorgesehen, der wahlweise mit den Versorgungskanälen 82, 82' verbunden ist, um so den jeweiligen Kolben des Verstellmechanismus 26 mit Fluid zu versorgen. Alternativ können auch die Kolben des Verstellmechanismus 26 dauerhaft mit dem Öl versorgt werden und über das Umschaltelement 30 mit dessen Kanal 84 kann ein Ablauf in den Kanal 81 ermöglicht werden.
Wenn der Antrieb 79 das Betätigungselement 58 zur Veränderung des Kompressionsverhältnisses gegen das Umschaltelement 30 bewegt, so kann es bei einem hochtourigen Lauf des Motors zu einem erheblichen Schlag bzw. einer stoßartigen Belastung auf das Umschaltelement 30 kommen, so dass es seinerseits mit einem sehr großen Impuls auf den Anschlagstift 44 bewegt wird und von dort abprallen kann. Hierdurch kann es bei herkömmlichen bekannten Ausführungsformen ggf. passieren, dass die Umschaltung nicht sauber funktioniert.
4 zeigt eine Draufsicht auf das Betätigungselement 58 und rechts ist ein Schnitt durch den Pleuel 18 mit dem darin aufgenommenen Umschaltelement 30 gezeigt. Die Motordrehrichtung ist so, dass der Pleuel 18 sich nach links bewegt. Das Betätigungselement 58 ist in der Position, dass der Pleuel 18 umgeschaltet werden soll.
Entsprechend kommt bei der beschriebenen Pleuelbewegung der Pleuel 18 in Kontakt mit einer Gleitfläche des Betätigungselements 58. In 4 ist die Kontaktfläche gestrichelt gezeichnet. In diesem Bereich hat der Pleuel eine Zwangsführung. Die Länge der Zwangsführung ist kleiner als der benötigte Verfahrweg des Pleuels. Da der Pleuel im Abschnitt der Zwangsführung einen Impuls bekommt, bewegt sich der Pleuel nach Ende der Zwangsführung weiter in seiner Bewegungsrichtung und erreicht seine zweite Endlage. Diese Bewegung kann durch die beschriebene Rastvorrichtung 48 und 50 unterstützt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Umschaltelement 30 einen zwangsgeführten Bewegungsweg von 2,5 mm haben und dabei einen gesamten Umschaltweg von 4,0 mm. Bevorzugt sollte der Weganteil der Zwangsführung mindestens 40% und besonders bevorzugt mindestens 50% des Gesamtumschaltwegs betragen, so dass unbedingt sichergestellt ist, dass (sofern vorhanden) die Kugel 48 zwangsgeführt aus ihrer in 2 gezeigten Kavität des Umschaltelements 30 ausgehoben ist. Ein zu hoher Anteil der Zwangsführung ist aber auch nachteilig, da dann der Abstand von dem Umschaltelement 30 zu dem Betätigungselement 58 relativ klein ist, so dass im Normalbetrieb ein möglicher Kontakt sonst nicht sicher ausgeschlossen werden kann.
So hat es sich als vorteilhaft erwiesen, über einen gewissen Weganteil des Umschaltelements 30 keine Zwangsführung zu haben. Allerdings hat sich dabei das Problem ergeben, dass möglicherweise ein Nicht-Umschalten oder ein Teil-Umschalten des Umschaltelements 30 stattfinden kann. Um dies zu erkennen kann ein Sensor zum Einsatz kommen. Dies kann ein Positionssensor sein, der erkennt, wo z. B. der obere Totpunkt des Kolbens liegt. Er kann bspw. im Zylinder oder Zylinderkopf integriert sein. Alternativ und/oder zusätzlich können die Verbrennungsbedingungen analysiert werden. Das Verdichtungsverhältnis ist ein wesentlicher Einflussfaktor für die Umsetzung bei der Verbrennung. So steigen bei nicht vollständiger Verbrennung Schadstoffe an, die im Abgas erkannt werden können. Auch ändert sich dann u. U. die Verbrennungstemperatur. Allgemein gesprochen kann ein Einfluss auf den Grad des Antriebsmittels vorliegen. Dieser kann über entsprechende Sensoren gemessen werden. Alternativ und/oder zusätzlich kann der Sauerstoffgehalt bspw. über eine Lambda-Sonde gemessen werden, da ein zu hoher Sauerstoffgehalt im Abgas einen Rückschluss auf die Verbrennungsbedingungen erlaubt. In Verbindung mit den weiteren Parametern, die von der Steuerung vorgegeben werden, wie z. B. Brennstoffzufuhr und Frischluftzufuhr kann erkannt werden, wie das Verdichtungsverhältnis eingestellt ist. Eine entsprechende Motorsteuersoftware erkennt die wesentlichen Parameter der Umgebungsbedingungen bzw. Lastbedingungen des Motors und kann in Verbindung mit den Verbrennungsbedingungen erkennen, ob das Verdichtungsverhältnis, welches sich aus der Stellung des Umschaltelements ergibt, so ist, wie es sein soll. In dem Fall, dass die Motorsteuerung eine Abweichung erkennt, so kann das Betätigungselement 58 erneut betätigt werden. Dies kann bspw. so geschehen, dass es in eine andere, eigentlich nicht gewünschte, Position bewegt und anschließend erneut aktiviert wird. Durch den zweiten Versuch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass das Umschaltelement 30 ordnungsgemäß umgeschaltet ist. Notfalls kann dieser Vorgang nochmals wiederholt werden. Für den Fall, dass die Umschaltung auch nach einem wiederholten Versuch nicht erfolgreich geklappt hat, kann eine Warnmeldung verursacht werden. Insbesondere kann die Motorsteuerung so angepasst werden, dass sie beim eingestellten Verdichtungsverhältnis in dafür angepassten Betriebsbedingungen arbeitet.
5 zeigt ein schematisches Diagramm der Umschaltung am Beispiel eines Dreizylindermotors. Im oberen Teil ist ein Zeitdiagramm des Ist-Verdichtungsverhältnisses gezeigt und im unteren Teil des Soll-Verdichtungsverhältnisses gezeigt. Da das Sollverdichtungsverhältnis stets beim Betätigungselement 58 eingestellt wird, kann man den unteren Teil auch als die Lage des Betätigungselements 58 verstehen. Zu einem Zeitpunkt t₀ wird das Betätigungselement 58 betätigt und die Zylinder 1 und 2 kommen in der Folge in das veränderte Ist-Verdichtungsverhältnis. Diese Umschaltung hat beim dritten Zylinder aus Gründen nicht funktioniert, die vorstehend genannt wurden. Vielmehr erkennt die Steuerung, dass die Umschaltung nicht komplett erfolgreich war. Dies veranlasst die Steuerung, zum Zeitpunkt t, das Betätigungselement 58 erneut zu betätigen. Die Betätigung ist so, dass das Verdichtungsverhältnis in den ursprünglich, und eigentlich nicht gewünschten Zustand umgestellt wird. Somit bekommen die drei Zylinder jeweils einen kleinen Impuls, der sie in Bewegung versetzt. Eine sehr kurze Zeit nach dieser Aktivierung, nämlich zum Zeitpunkt t₂, schaltet die Steuerung das Betätigungselement wieder zurück. Dieses Umschalten bewirkt einen erneuten Impuls auf die drei Umschaltelemente 30. Im gezeigten Beispiel gelingt es auch beim dritten Zylinder das Ist-Verdichtungsverhältnis wie gewünscht umzustellen. Die Zeitdauer t₁–t₂ ist so kurz gewählt, dass keine komplette Umschaltung der Verdichtungsverhältnisse stattfinden kann.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine, Hubkolbenmaschine
12: Gehäuse
14: Zylinder
16: Verdichtungskolben
18: Pleuel
20: Hubzapfen
22: Kurbelwelle
24: Kurbelwellenmittelachse
26: Verstellmechanismus
28: Schalter
30: Umschaltelement
31: Bohrungen und/oder Durchbrüche
32: Bolzen
34: Aufnahmekanal
36, 38: Seiten
40, 42: Anschlag
43: Spalt, Fluidkanal
44: Anschlagstift, Vorsprung
46: Ausnehmung, Kavität
48: Rastkugel
50: Feder
52, 54: Rastmulden
56: Bank
58: Betätigungselement
76: Aufweitungsabschnitt
77: Engstelle des Bewegungskanals
78: Bewegungsebene
79: Antrieb
80: Doppelpfeil
81: Ölversorgungskanal
82, 82: Versorgungskanäle für Verstellmechanismus 26
84: Steuerkanal
85, 85': Förderkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/019683 A1 [0002, 0003]
WO 2014/019684 A1 [0002]
WO 2015/173412 A1 [0002, 0003]
WO 2015/193437 A1 [0002]
DE 3148193 A1 [0003]
DE 1970394801 [0003]
DE 10304686 A1 [0003]
DE 102010061360 A1 [0003]
DE 102010061363 A1 [0003]
DE 102011056298 A1 [0003]
DE 102011108790 A1 [0003]
EP 1424486 A1 [0003]
EP 1426584 B1 [0003]
WO 2015/082722 A1 [0003]
WO 2015/104253 A1 [0003]
WO 2015/173411 A1 [0003]
WO 2015/155167 A1 [0003]

Claims

Hubkolbenmaschine (10), insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem veränderbaren Verdichtungsverhältnis, mit einer Einstellvorrichtung zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses, mit einer Sensorvorrichtung zur Erkennung des Verdichtungsverhältnisses und mit einer Steuerung die eingerichtet ist, die Einstellvorrichtung zu aktivieren, falls eine Abweichung eines erkannten Verdichtungsverhältnisses von einem Sollverdichtungsverhältnis besteht.
Hubkolbenmaschine (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Einstellvorrichtung einen Schieber (30), Regler oder ein Drehelement umfasst, für welche eine Mehrzahl von Soll-Positionen, insbesondere exakt zwei Soll-Positionen, vorgesehen sind und eine Abweichung von einer Soll-Position und einer Ist-Position des Schiebers (30), Reglers oder Drehelements ursächlich für eine Abweichung von einem erkannten Verdichtungsverhältnis vom Sollverdichtungsverhältnis ist.
Hubkolbenmaschine (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung ein an einem beweglichen Teil der Hubkolbenmaschine (10) angeordnetes Umschaltelement (30) umfasst, insbesondere einem Pleuel oder einer Kurbelwelle, und zumindest ein Betätigungselement (58) relativ zu dem Umschaltelement (30) beweglich ist, um so die Position des Umschaltelements (30) zu verändern.
Hubkolbenmaschine (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten des Umschaltelements (30) ein Einstellweg vorgesehen ist und für einen ersten Teil eines Einstellwegs eine Zwangsführung vorgesehen ist und für einen zweiten Teil des Einstellwegs ein während des ersten Teils auf das Umschaltelement (30) aufgebrachter Impuls ursächlich ist.
Hubkolbenmaschine (10) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten des Umschaltelements (30) ein Einstellweg vorgesehen ist und für einen ersten Teil eines Einstellwegs eine Zwangsführung vorgesehen ist und für einen zweiten Teil des Einstellwegs eine Feder (50) eingerichtet ist, die Umschaltung zu unterstützen.
Hubkolbenmaschine (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten des Umschaltelements (30) ein Einstellweg (ΔI) vorgesehen ist und ein Betätigungselement (58) eingerichtet ist, das Umschalten des Umschaltelements (30) zu bewirken, wobei für das Betätigungselement (58) ein Betätigungsweg (Δs) vorgesehen ist und der Einstellweg (ΔI) mindestens 40% des Aktivierungswegs (Δs) beträgt und insbesondere größer als die Hälfte des Aktivierungswegs (Δs) ist.
Hubkolbenmaschine (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschalten des Umschaltelements (30) ein Einstellweg (ΔI) vorgesehen ist und ein Betätigungselement (58) eingerichtet ist, das Umschalten des Umschaltelements (30) zu bewirken, wobei für das Betätigungselement ein Betätigungsweg (Δs) vorgesehen ist und der Einstellweg (ΔI) kleiner als das Doppelte des Aktivierungswegs (Δs) ist.
Hubkolbenmaschine (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Sensor eingerichtet ist, das Verdichtungsverhältnis zu messen oder einen Bezugswert zu liefern, der einen Rückschluss auf eine Abweichung einer Ist-Position von einer Soll-Position des Schiebers erlaubt und insbesondere eine Steuerung eingerichtet ist, diesen Rückschluss zu bestimmen.
Hubkolbenmaschine (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zumindest ein Sensor eingerichtet ist, eine Abgastemperatur und/oder einen Verbrennungsgaszustand, insbesondere einen Oxidationszustand und/oder den Abgassauerstoffgehalt zu messen und die Steuerung eingerichtet ist, aufgrund eines oder mehrerer Sensormesswerte auf ein eingestelltes Verdichtungsverhältnis zu schließen.
Verfahren zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine (10) mit einem veränderlichen Verdichtungsverhältnis, mit einer Steuerung, die aufgrund von Messwerten einen Rückschluss auf das eingestellte Verdichtungsverhältnis zieht und abhängig von diesem Rückschluss eine Aktivierung eines Umschaltelements (30) veranlasst.