DE102017124217A1 - Verfahren und Steuerungseinrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, wobei die Brennkraftmaschine einen Zylinderkopf und ein Zylinderkurbelgehäuse aufweist; wobei im Zylinderkopf für jeden Zylinder jeweils mindestens ein einlassseitiges Gaswechselventil für zumindest Ladeluft und jeweils mindestens ein auslassseitiges Gaswechselventil für Abgas aufgenommen ist, und wobei die Gaswechselventile ausgehend von einem Ventiltrieb zum Öffnen und Schließen angesteuert werden, wobei während des Betriebs der Brennkraftmaschine von den Gaswechselventilen emittierte Körperschallwellen und/oder von den Gaswechselventilen verursachte Beschleunigungen messtechnisch erfasst werden, und wobei die messtechnisch erfassten Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen ausgewertet werden, wobei auf Grundlage der Auswertung automatisch auf Eigenschaften der Gaswechselventile geschlossen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Eine Brennkraftmaschine verfügt typischerweise über ein Zylinderkurbelgehäuse, in welchem eine Kurbelwelle gelagert ist, sowie über einen mit dem Zylinderkurbelgehäuse verbundenen Zylinderkopf, wobei im Zylinderkopf für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine jeweils mindestens ein einlassseitiges Gaswechselventil für zumindest Ladeluft und jeweils mindestens ein auslassseitiges Gaswechselventil für Abgas aufgenommen ist. Die Gaswechselventile sind ausgehend von einem Ventiltrieb zum Öffnen und Schließen ansteuerbar. Der Ventiltrieb kann die Gaswechselventile abhängig von Kurbelwellenwinkelpositionen als auch abhängig von Nockenwellenwinkelpositionen ansteuern, wobei die Gaswechselventile sowohl mechanisch an eine Nockenwelle gekoppelt sein können oder auch separat, insbesondere hydraulisch, angesteuert werden können.
  • Die Gaswechselventile unterliegen im Betrieb der Brennkraftmaschine einem Verschleiß. Daher müssen Brennkraftmaschinen, nämlich die Gaswechselventile derselben, in definierten Serviceintervallen gewartet oder gar ausgetauscht werden. Bei Großbrennkraftmaschinen, wie zum Beispiel Schiffsbrennkraftmaschinen, die als Kraftstoff mit Schweröl, Rückstandsöl oder dergleichen betrieben werden, bereitet die Abschätzung solcher Serviceintervalle Schwierigkeiten. Ferner unterliegen derartige Gaswechselventile einem erhöhten Verschleiß, insbesondere durch hohe Schwefelanteile im Kraftstoff, die zu einem erhöhten Verschleiß führen, oder auch durch erhöhte Metallgehalte in den Kraftstoffen, die zur Ausbildung von Schlacke führen können und ein Schließen der Gaswechselventile, insbesondere der auslassseitigen Gaswechselventile, verhindern.
  • Aus der Praxis ist es bekannt, auf Grundlage einer messtechnisch erfassten Abgastemperatur das Verhalten der Gaswechselventile zu überprüfen. Dies ist jedoch ungenau und mit langen Verzögerungszeiten verbunden, da sich ein Fehler oder ein Verschleiß an Gaswechselventile erst mit großer Verzögerung abhängig von der Abgastemperatur feststellen lässt.
  • Es besteht daher Bedarf an einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, mit Hilfe dessen Eigenschaften der Gaswechselventile einfach und zuverlässig und schnell überwacht werden können, um insbesondere abhängig hiervon erforderliche Servicearbeiten bzw. Wartungsarbeiten zu erkennen und auszulösen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden während des Betriebs der Brennkraftmaschine von den Gaswechselventilen emittierte Körperschallwellen und/oder von den Gaswechselventilen verursachte Beschleunigungen messtechnisch erfasst, wobei die messtechnisch erfassten Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen der Gaswechselventile ausgewertet werden, wobei auf Grundlage der Auswertung automatisch auf Eigenschaften der Gaswechselventile geschlossen wird. Vorzugsweise werden zur Auswertung die messtechnisch erfassten Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen mit einem jeweiligen Referenzwert und/oder untereinander verglichen. Insbesondere ein Fehler oder ein Verschleiß an Gaswechselventile kann schnell ohne Verzögerung erkannt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird auf Grundlage des Vergleichs automatisch auf ordnungsgemäß arbeitende Gaswechselventile und nicht-ordnungsgemäß arbeitende Gaswechselventile erkannt. Dann, wenn die an unterschiedlichen bzw. für unterschiedliche Gaswechselventile erfassten Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen mit den Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen anderer Gaswechselventile wechselseitig verglichen werden, kann besonders vorteilhaft auf ordnungsgemäß arbeitende und nicht ordnungsgemäß arbeitende Gaswechselventile erkannt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird auf Grundlage des Vergleichs automatisch auf eine Öffnungsdauer und/oder Öffnungsgeschwindigkeit und/oder Schließgeschwindigkeit und/oder einen Öffnungszeitpunkt und/oder einen Schließzeitpunkt und/oder einen Öffnungsgrad und/oder Schließgrad und/oder auf ein Ventilspiel und/oder auf einen Verschleiß und/oder auf einen Ventildrift der Gaswechselventile erkannt. All diese Betriebsparameter der Gaswechselventile können durch die Erfassung und Auswertung von durch die Gaswechselventile emittierten Körperschallwellen und/oder von durch die Gaswechselventile verursachten Beschleunigungen erfasst werden. All diese Kenngrößen stellen Eigenschaften der Gaswechselventile dar, auf Grundlage derer automatisiert Servicearbeiten und Wartungsarbeiten ausgelöst werden können.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen mit Hilfe von Körperschallsensoren und/oder mit Hilfe von Beschleunigungssensoren erfasst, die unmittelbar auf den Gaswechselventilen angebracht sind. Die Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen können auch mit Hilfe von Körperschallsensoren und/oder mit Hilfe von Beschleunigungssensoren erfasst werden, die auf mit den Gaswechselventilen körperschallseitig und/oder beschleunigungsseitig gekoppelten Baugruppen angebracht sind, vorzugsweise auf dem Zylinderkopf und/oder auf dem Zylinderkurbelgehäuse und/oder auf dem Ventiltrieb und/oder auf Einlasskanälen für zumindest Ladeluft und/oder auf Einlasskanälen für Abgas und/oder auf Kraftstoffleitungen.
  • Durch das unmittelbare Anbringen der jeweiligen Sensoren auf den Gaswechselventilen können die Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen besonders genau ermittelt werden. Die Anordnung der Sensoren auf körperschallseitig und/oder beschleunigungsseitig mit den Gaswechselventilen gekoppelten Baugruppen erlaubt eine einfachere Integration der Sensoren in die Brennkraftmaschine, insbesondere dann, wenn die Sensoren an gegenüber den Gaswechselventilen feststehenden, gehäuseseitigen Baugruppen der Brennkraftmaschine montiert sind.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern verfügt über einen Zylinderkopf und ein Zylinderkurbelgehäuse. Im Zylinderkurbelgehäuse der Brennkraftmaschine ist eine Kurbelwelle drehbar gelagert. Der Zylinderkopf nimmt für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine mindestens ein einlassseitiges Gaswechselventil für zumindest Ladeluft und mindestens ein auslassseitiges Gaswechselventil für Abgas auf. Die Gaswechselventile sind ausgehend von einem Ventiltrieb zum Öffnen und Schließen ansteuerbar, wobei der Ventiltrieb zum Beispiel mindestens eine Nockenwelle umfassen kann, die über Kipphebel bzw. Schwinghebel die jeweiligen Gaswechselventile ansteuern.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine, also während des Verbrennens von Kraftstoff in den Zylindern der Brennkraftmaschine, von den Gaswechselventilen emittierte Körperschallwellen und/oder von den Gaswechselventilen verursachte Beschleunigungen messtechnisch erfasst und ausgewertet werden.
  • Die messtechnisch erfassten Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen werden zur Auswertung vorzugsweise mit einem Referenzwert und/oder untereinander verglichen, wobei auf Grundlage dieses Vergleichs automatisch auf Eigenschaften der Gaswechselventile geschlossen wird. Auf Grundlage der automatisch erfassten Eigenschaften kann auf einen Verschleißzustand der Gaswechselventile geschlossen werden, um abhängig hiervon insbesondere automatisch Servicearbeiten bzw. Wartungsarbeiten an der Brennkraftmaschine und/oder Hinweise oder Alarme steuerungsseitig auszulösen. Abhängig vom Verschleißzustand kann auch ein Notstopp der Gaswechselventile ausgelöst werden. Die oben beschriebenen Vorgänge, wie die Erfassung und Auswertung der Sensorsignale, die Ermittlung der Referenzwerte, der Vergleich der Werte und deren Bewertung sowie die Auslösung von Hinweisen, Alarmen oder eines Notstopps, erfolgt erfindungsgemäß in einer elektronischen Steuerungseinrichtung.
  • Dann, wenn von den Gaswechselventilen im Betrieb emittierte Körperschallwellen erfasst werden, erfolgt dies mit Hilfe von Körperschallsensoren, die entweder unmittelbar auf den Gaswechselventilen angebracht sind, oder die alternativ auf mit den Gaswechselventilen körperschallseitig gekoppelten Baugruppen der Brennkraftmaschine angebracht sind, vorzugsweise auf dem Zylinderkopf oder dem Zylinderkurbelgehäuse oder dem Ventiltrieb oder auf Einlasskanälen für zumindest Ladeluft oder auf Auslasskanälen für Abgas oder auf Kraftstoffleitungen.
  • Zur einfachen Integration der Körperschallsensoren ist es bevorzugt, dieselben auf gehäuseseitigen, feststehenden Baugruppen der Brennkraftmaschine anzuordnen, die mit den Gaswechselventilen körperschallseitig gekoppelt sind.
  • Dann, wenn während des Betriebs der Brennkraftmaschine von den Gaswechselventilen verursachte Beschleunigungen erfasst werden, kommen hierzu Beschleunigungssensoren zum Einsatz, die entweder unmittelbar auf den Gaswechselventilen angebracht sind, oder die alternativ auf mit den Gaswechselventilen beschleunigungsseitig gekoppelten Baugruppen angebracht sind, vorzugsweise auf dem Ventiltrieb.
  • Wie bereits ausgeführt, werden die messtechnisch erfassten und von den Gaswechselventilen emittierten Körperschallwellen und/oder die messtechnisch erfassten und von den Gaswechselventilen verursachten Beschleunigungen ausgewertet, um automatisch auf Eigenschaften der Gaswechselventile zu schließen.
  • Dabei ist es möglich, die Körperschallwellen und die Beschleunigungen mit steuerungsseitig vorgegebenen Referenzwerten zu vergleichen.
  • Alternativ ist es auch möglich, die für ein Gaswechselventil messtechnisch erfassten Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen mit den an anderen Gaswechselventilen erfassten Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen zu vergleichen, um so über einen Vergleich der Messwerte verschiedener Gaswechselventile auf unterschiedliche Zustände an den jeweiligen Gaswechselventilen ohne steuerungsseitig fest vorgegebene Referenzwerte zu schließen.
  • Auf Grundlage der Auswertung der messtechnisch erfassten Größen, kann automatisch auf ordnungsgemäß arbeitende Gaswechselventile und nicht-ordnungsgemäß arbeitende Gaswechselventile erkannt werden.
  • Insbesondere kann durch die Erfassung und Auswertung von emittierten Körperschallwellen und/oder verursachten Beschleunigungen auf eine Öffnungsdauer und/oder Öffnungsgeschwindigkeit und/oder Schließgeschwindigkeit und/oder einen Öffnungszeitpunkt und/oder einen Schließzeitpunkt und/oder einen Öffnungsgrad und/oder einen Schließgrad und/oder auf ein verändertes Ventilspiel und/oder auf einen Verschleiß und/oder auf einen Ventildrift und/oder auf Ventilpraller an den jeweiligen Gaswechselventilen geschlossen werden. All diese Eigenschaften können genutzt werden, um steuerungsseitig automatisch Service- und Wartungsarbeiten an der Brennkraftmaschine auszulösen. Bei nockenwellenaktvierten Gaswechselventilen kann auch auf einen Verschleiß der Nockenwelle geschlossen werden.
  • Dann, wenn auf Grundlage der Messung und Auswertung der Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen auf ein nicht mehr komplett schließendes Gaswechselventil erkannt wird, kann insbesondere auf das Auftreten und Ablagern von Metallschlacke an dem jeweiligen Gaswechselventil geschlossen werden, die sich insbesondere dann ausbildet, wenn im Kraftstoff hohe Metallkonzentrationen enthalten sind. Da sich eine derartige Metallschlacke je nach Metallkonzentration und/oder der Verhältnisse einzelner Metalle zueinander jeweils in einem bestimmten Betriebstemperaturintervall bildet, kann ein Maschinenführer darauf aufmerksam gemacht werden, den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und damit Abgastemperaturen zu ändern und/oder über eine elektronische Steuerungseinrichtung automatisch anzupassen, um der Ausbildung der Metallschlacke entgegenzuwirken. Ferner können diesbezüglich Einspritzzeitpunkte und/oder Mischungsverhältnisse von Kraftstoff und Ladeluft geändert werden.
  • Zur Erfassung der von den Gaswechselventilen verursachten Beschleunigungen oder der emittierten Körperschallwellen können Sensoren zum Einsatz kommen, die ausschließlich in einer einzigen Messrichtung Messwerte aufnehmen, oder alternativ auch in mehreren Messrichtungen Messsignale aufnehmende Sensoren. Sensoren, die in mehreren Richtungen entsprechende Messwerte aufnehmen, werden auch als Mehrachsaufnehmer bezeichnet. Dann, wenn Sensoren zum Einsatz kommen, die ausschließlich in einer einzigen Richtung messen, können mehrere derartige Sensoren in Kombination miteinander zum Einsatz kommen und in unterschiedlichen Raumrichtungen an der jeweiligen Baugruppe der Brennkraftmaschine befestigt werden.
  • Durch die unterschiedlichen Lauflängen und/oder Einfallswinkel der in unterschiedlichen Raumrichtungen auftretenden Signale ergeben sich weitere Möglichkeiten der Signalauswertung. Insbesondere kann dann, wenn sich an einem Gaswechselventil Metallschlacke ausbildet, durch die in unterschiedlichen Raumrichtungen aufgenommenen Messwerte genau der Ort der Schlackebildung am Gaswechselventil bestimmt werden.
  • Dies ist zum Beispiel bei Gaswechselventilen von Bedeutung, welchen eine erzwungene Ventilrotation aufgeprägt ist, um einen gleichmäßigen Verschleiß des Ventilsitzes sicherzustellen. Fällt diese Rotationsfunktion auf Grundlage von Schlackeablagerungen aus, kann dies mit der Erfindung leicht und zuverlässig erkannt werden, nämlich durch die in unterschiedlichen Raumrichtungen aufgenommenen Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuerungseinrichtung, namentlich eine elektronische Steuerungseinrichtung, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei es sich bei dieser Steuerungseinrichtung insbesondere um eine Motorsteuerungseinrichtung handelt. Diese Steuerungseinrichtung umfasst Mittel zur steuerungsseitigen Ausführung des Verfahrens, wobei es sich bei diesen Mitteln um softwareseitige Mittel und hardwareseitige Mittel handelt. Zu den hardwareseitigen Mitteln zählen Datenschnittstellen, um mit den an der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beteiligten Baugruppen, insbesondere mit den eingesetzten Sensoren, Daten auszutauschen. Ferner zählen zu den hardwareseitigen Mitteln ein Prozessor zur Datenverarbeitung und ein Speicher zur Datenspeicherung. Zu den softwareseitigen Mitteln zählen Programmbausteine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, wobei die Brennkraftmaschine einen Zylinderkopf und ein Zylinderkurbelgehäuse aufweist; wobei im Zylinderkopf für jeden Zylinder jeweils mindestens ein einlassseitiges Gaswechselventil für zumindest Ladeluft und jeweils mindestens ein auslassseitiges Gaswechselventil für Abgas aufgenommen ist, und wobei die Gaswechselventile ausgehend von einem Ventiltrieb zum Öffnen und Schließen angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine von den Gaswechselventilen emittierte Körperschallwellen und/oder von den Gaswechselventilen verursachte Beschleunigungen messtechnisch erfasst werden, die messtechnisch erfassten Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen ausgewertet werden, wobei auf Grundlage der Auswertung automatisch auf Eigenschaften der Gaswechselventile geschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die messtechnisch erfassten Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen mit einem jeweiligen Referenzwert und/oder untereinander verglichen werden, wobei auf Grundlage dieses Vergleichs automatisch auf Eigenschaften der Gaswechselventile geschlossen wird
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperschallwellen mit Hilfe von Körperschallsensoren erfasst werden, die auf mit den Gaswechselventilen körperschallseitig gekoppelten Baugruppen angebracht sind, vorzugsweise auf dem Zylinderkopf oder dem Zylinderkurbelgehäuse oder dem Ventiltrieb oder auf Einlasskanälen für zumindest Ladeluft oder auf Einlasskanälen für Abgas oder auf Kraftstoffleitungen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperschallwellen mit Hilfe von Körperschallsensoren erfasst werden, die unmittelbar auf den Gaswechselventilen angebracht sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungen mit Hilfe von Beschleunigungssensoren erfasst werden, die unmittelbar auf den Gaswechselventilen angebracht sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungen mit Hilfe von Beschleunigungssensoren erfasst werden, die auf mit den Gaswechselventilen beschleunigungsseitig gekoppelten Baugruppen angebracht sind, vorzugsweise auf dem Ventiltrieb.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperschallwellen und/oder Beschleunigungen mit Hilfe von in unterschiedlichen Richtungen messenden Sensoren oder mit Hilfe von mehreren jeweils in einer Richtung messenden Sensoren, die in unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet sind, erfasst werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des Vergleichs automatisch auf eine Öffnungsdauer und/oder Öffnungsgeschwindigkeit und/oder Schließgeschwindigkeit und/oder einen Öffnungszeitpunkt und/oder einen Schließzeitpunkt und/oder einen Öffnungsgrad und/oder Schließgrad und/oder auf ein Ventilspiel und/oder auf einen Verschleiß und/oder auf einen Ventildrift der Gaswechselventile erkannt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des Vergleichs automatisch auf ordnungsgemäß arbeitende Gaswechselventile und nicht-ordnungsgemäß arbeitende Gaswechselventile erkannt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des Vergleichs Service- und Wartungsarbeiten an der Brennkraftmaschine automatisch ausgelöst werden.
  11. Steuerungseinrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 steuerungsseitig ausführt.
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