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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs eines Hubkolbenmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Überwachungsverfahrens.
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Eine Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors ist zum Beispiel aus der
US 2015/0292400 A1 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung arbeitet mit zwei Sensoren, um den Betrieb der Verstellvorrichtung zu überwachen. Hierbei ist ein erster Sensor an einer Motorwelle eines Elektromotors und ein zweiter Sensor auf der Ausgangsseite eines von dem Elektromotor betätigten Stellgetriebes angeordnet.
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Die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors kommt insbesondere bei Motoren mit Turboaufladung in Betracht. In Betriebsphasen mit geringer Last kann ein hohes Verdichtungsverhältnis eingestellt werden, womit der Motor besonders wirtschaftlich betreibbar ist. Ist dagegen eine hohe Aufladung zur Erzeugung eines hohen Drehmoments gefordert, so wird das geometrische Verdichtungsverhältnis gesenkt, um auch unter diesen Betriebsbedingungen einen Motorlauf ohne Klopfen zu ermöglichen. Für die Ansteuerung eines Motors mit variablem Verdichtungsverhältnis ist eine zuverlässige Information über das tatsächlich eingestellte Verdichtungsverhältnis von wesentlicher Bedeutung.
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Um diese Information über das tatsächlich eingestellte Verdichtungsverhältnis einer derartigen Stelleinrichtung zu erhalten, lehrt
DE 10 2011 017 215 A1 , mittels einer Erfassungseinrichtung die zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses benötigten Soll- und Ist-Energiemengen zu vergleichen. Durch Vergleich der Energiemengen kann ermittelt werden, ob die Stelleinrichtung verschlissen ist. Die Stelleinrichtung erfordert keine gesonderten Sensoren und ermöglicht die Verlängerung von Wartungsintervallen. Nicht geeignet ist diese Stelleinrichtung, um auf Lastwechsel oder sich kurzfristig ändernde Betriebsbedingungen zu reagieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer Vorrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors mit im Vergleich zum Stand der Technik relativ einfachen Mitteln zuverlässig zu überwachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs eines Hubkolbenmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß Anspruch 6. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Überwachungsverfahren und umgekehrt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Überwachungsverfahren weist folgende Merkmale auf:
- - Eine an einem Bezugspunkt einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses des Hubkolbenmotors wirkende mechanische Belastung wird auf eine erste Methode und auf eine zweite Methode berechnet, wobei
- - die erste Methode Belastungen einbezieht, welche von mindestens einem Kolben des Hubkolbenmotors aus über dessen Kurbeltrieb auf ein Stellgetriebe der Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses des Hubkolbenmotors wirken, wobei eine mittels eines ortsauflösenden Sensors detektierte Einstellung des Stellgetriebes berücksichtigt wird, und
- - gemäß der zweiten Methode von einem berechneten Drehmoment eines das Stellgetriebe betätigenden Elektromotors ausgegangen wird und basierend auf diesem sensorlos berechneten Stellmotordrehmoment unter Einbeziehung bekannter Parameter des Stellgetriebes dessen Ausgangsdrehmoment und damit die mechanische Belastung am Bezugspunkt ermittelt wird, und im folgenden Schritt
- - die mit den verschiedenen Methoden ermittelten Belastungswerte miteinander verglichen werden, wobei eine Verstellung der Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses in zumindest einer Richtung unterbunden wird, sofern eine über einem Grenzwert liegende Abweichung zwischen den verschiedenen, gemäß der ersten beziehungsweise zweiten Methode ermittelten Belastungswerten festgestellt wird.
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Die Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses, welche mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht wird, wird kurz auch als VCR-Vorrichtung (Variable Compression Ratio) bezeichnet. Im Unterschied zu bekannten Vorrichtungen, wie beispielsweise in der oben genannten Patentanmeldung
US 2015/0292400 A1 beschrieben, weist die erfindungsgemäße VCR-Vorrichtung lediglich einen einzigen Sensor auf, um die Einstellung eines Maschinenteils zu detektieren. Dieser Sensor wird allgemein als ortsauflösender Sensor bezeichnet, unabhängig davon, ob er eine Winkeleinstellung oder eine lineare Positionierung eines Maschinenteils erfasst. In Zusammenwirkung mit einem Referenzpunkt kann auch ein inkrementeller Sensor als ortsauflösender Sensor genutzt werden.
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Bei der mechanischen Belastung, welche auf zwei verschiedene Methoden berechnet wird, um die einwandfreie Funktion der VCR-Vorrichtung zu überprüfen, handelt es sich beispielsweise um ein Drehmoment. Insbesondere handelt es sich hierbei um ein Drehmoment auf der Ausgangsseite des Stellgetriebes der VCR-Vorrichtung. Der ortslauflösende Sensor, insbesondere Winkelsensor, ist dagegen vorzugsweise auf der Eingangsseite des Stellgetriebes, nämlich an der Motorwelle des Elektromotors, angeordnet. Da es sich bei dem Stellgetriebe um ein Untersetzungsgetriebe handelt, ist damit eine besonders genaue Ermittlung der Winkelstellung der Ausgangswelle des Stellgetriebes möglich. In bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei dem Stellgetriebe der VCR-Vorrichtung um ein Wellgetriebe. Unabhängig von der Bauart des Stellgetriebes ist dieses vorzugsweise über ein weiteres Untersetzungsgetriebe mit einer Exzenterwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt, welche über ein Nebenpleuel mit weiteren Komponenten des Kurbeltriebs des Verbrennungsmotors, das heißt Hubkolbenmotors, zusammenwirkt.
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Die mechanische Belastung, welche durch den Elektromotor über das Stellgetriebe in den Bezugspunkt der VCR-Vorrichtung eingeleitet wird, ist insbesondere von der Bestromung des Elektromotors abhängig. Darüber hinaus kann beispielsweise auch eine Temperaturabhängigkeit gegeben sein. In jedem Fall werden in die Ermittlung der vom Elektromotor ausgehenden mechanischen Belastung keinerlei geometrische Messdaten oder Daten einer direkten Kraft- oder Drehmomentmessung einbezogen. Insbesondere gehen Daten, welche vom ortsauflösendem Sensor geliefert werden, nicht in diese Ermittlung, das heißt in die gemäß der zweiten Methode erfolgende Ermittlung der mechanischen Belastung am Bezugspunkt, ein. Auf diese Weise ist zum einen die Unabhängigkeit der ersten Methode der Ermittlung der mechanischen Belastung von der zweiten Methode gegeben. Zum anderen ist der apparative Aufwand minimiert. Zusätzlich zum ortsauflösenden Sensor, welcher im Rahmen der ersten Methode benutzt wird, nutzt das Überwachungsverfahren keinen weiteren mechanischen oder geometrischen Sensor.
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In die Berechnung, welche gemäß der ersten Methode durchgeführt wird, gehen beispielsweise folgende Parameter ein:
- - In den Verbrennungsmotor pro Zeiteinheit einströmende Luftmasse,
- - Steuerzeiten von Einlassventilen des Verbrennungsmotors,
- - Steuerzeiten von Auslassventilen des Verbrennungsmotors,
- - dem Verbrennungsmotor pro Zeiteinheit zugeführte Kraftstoffmenge,
- - Parameter der Zündung des Verbrennungsmotors.
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Die Bereitstellung dieser Parameter erfordert keinerlei apparativen Zusatzaufwand, da sie ohnehin vorliegen und von der Motorsteuerung des Verbrennungsmotors genutzt werden. Entsprechendes gilt für die Drehzahl des Verbrennungsmotors, welche ebenfalls in die Berechnung gemäß der ersten Methode eingeht.
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Insgesamt ist das erfindungsgemäße Verfahren bei verschiedensten Typen von Hubkolbenmotoren anwendbar, deren Verdichtungsverhältnis wird mit Hilfe einer elektromechanischen Stellvorrichtung variiert wird. Die Funktion dieser Stellvorrichtung, insbesondere die Funktion eines als Wellgetriebe ausgebildeten Stellgetriebes, wird unter Verwendung eines einzigen ortsauflösenden Sensors, welcher sich vorzugsweise an der Motorwelle eines Elektromotors der Stellvorrichtung befindet, überwacht. Dies geschieht, indem eine mechanische Belastung, die an einer definierten Stelle, insbesondere auf der Ausgangsseite des Stellgetriebes, auftritt, auf zwei verschiedene Methoden ermittelt wird und die Ergebnisse der beiden Methoden miteinander verglichen werden. Hierbei bezieht sich die erste Methode auf die vom Kurbeltrieb des Verbrennungsmotors, das heißt Hubkolbenmotors, ausgehende Belastung und die zweite Methode auf die vom Elektromotor generierte, in der Gegenrichtung wirkende, mittels des Stellgetriebes verstärkte mechanische Belastung.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in schematisierter Darstellung einen Verbrennungsmotor mit VCR-Vorrichtung in zwei verschiedenen Betriebszuständen,
- 2 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen dem Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors und der Einstellung eines Aktuators der VCR-Vorrichtung,
- 3 Einzelheiten des Aktuators der VCR-Vorrichtung,
- 4 in einem Diagramm ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs der VCR-Vorrichtung des Verbrennungsmotors,
- 5 in einem weiteren Schaubild Merkmale des Betriebs der VCR-Vorrichtung.
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Bei einem insgesamt mit 1 bezeichneten Verbrennungsmotor handelt es sich um einen Hubkolbenmotor, dessen Kurbeltrieb mit 2 bezeichnet ist. Ein mit 3 bezeichneter Kurbelzapfen der nicht weiter dargestellten Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 ist gelenkig mit einem Übertragungselemente 4 verbunden. Die Rotationsachse der Kurbelwelle ist mit R bezeichnet. Ein Anlenkpunkt 5 des Übertragungselementes 4 stellt eine gelenkige Verbindung zu einem Pleuel 7 und weiter zu einem Kolben 8 her. Der Kolben 8 wird in an sich bekannter Weise durch den mit CP bezeichneten Verbrennungsdruck beaufschlagt. Gaswechselventile des Verbrennungsmotors 1 sind in 1 nicht dargestellt.
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Am Übertragungselement 4 befindet sich weiter ein Anlenkpunkt 6, welcher der gelenkigen Kopplung mit einem Nebenpleuel 9 dient. Das dem Anlenkpunkt 6 abgewandte Ende des Nebenpleuels 9 ist an einer Exzenterwelle 10 angelenkt. An derselben Stelle ist eine Verbindungsstange 11 angelenkt, welche die Verbindung mit einem Aktuator 12 herstellt. Die Mittelachse des Aktuators 12 ist mit RA bezeichnet.
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Im linken Teil von 1 ist die Einstellung des Verbrennungsmotors 1 mit niedrigem Verdichtungsverhältnis (LC, Low Compression) gezeigt. Zum Vergleich zeigt der rechte Teil von 1 die Einstellung auf ein hohes Verdichtungsverhältnis (HC, High Compression).
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Einzelheiten des Aktuators 12 gehen aus 3 hervor. Ein als Wellgetriebe ausgebildetes Untersetzungsgetriebe 14 befindet sich in einem mit 15 bezeichneten Gehäuse. Ebenso befindet sich in dem Gehäuse 15 ein Elektromotor 13, welcher zur Betätigung des Untersetzungsgetriebes 14 vorgesehen ist. Ein Sensor 16, allgemein als ortsauflösender Sensor bezeichnet, erfasst die Winkelstellung der Motorwelle des Elektromotors 13. Auf der dem Sensor 16 abgewandten Stirnseite des Aktuators 12 befindet sich ein Aktuatorexzenter 17, welcher fest mit der Ausgangswelle des Untersetzungsgetriebes 14 verbunden ist oder eine integrale Komponente dieser Welle darstellt. Am Aktuatorexzenter 17 befindet sich ein Anlenkpunkt 18, welcher der gelenkigen Kopplung mit der Verbindungsstange 11 dient. Der Aktuatorexzenter 17 ist um die Mittelachse verdrehbar. Abhängig von der mit α bezeichneten Winkeleinstellung des Aktuators 12 - genauer: dessen Aktuatorexzenters 17 - verändert sich das Verdichtungsverhältnis (CR, Compression Ratio) des Verbrennungsmotors 1, wie in 2 dargestellt.
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Auf den Aktuatorexzenter 17 wirken von beiden Seiten, das heißt einerseits vom Aktuator 12 aus und andererseits vom Kurbeltrieb 2 aus, Drehmomente ein, welche sich im Gleichgewicht befinden. Der Aktuatorexzenter 17 wird im Folgenden als Bezugspunkt der VCR-Vorrichtung des Verbrennungsmotors 1 betrachtet. Die Überwachung der VCR-Vorrichtung des Verbrennungsmotors 1 beruht darauf, dass die auf verschiedenen Wegen in den Aktuatorexzenter 17 eingeleiteten Drehmomente ermittelt und miteinander verglichen werden, wie im Folgenden näher erläutert wird.
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Im Flussdiagramm nach 4 sind einzelne Verfahrensschritte mit V1 bis V6 bezeichnet. Der Verfahrensschritt V1 markiert den Start des Verfahrens zur Überwachung der VCR-Vorrichtung des Verbrennungsmotors 1. Im Verfahrensschritt V2 wird abgefragt, ob das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors 1 verändert werden soll. Bei gewünschter Verstellung wird im Verfahrensschritt V3 ein Vergleichswert JV ermittelt, dessen Herleitung anhand 5 noch näher erläutert werden wird. Der Vergleichswert JV liefert eine Information darüber, inwieweit mittels verschiedener Methoden ermittelte Drehmomentwerte, welche sich auf den Bezugspunkt, das heißt auf den Aktuatorexzenter 17, beziehen, miteinander übereinstimmen. Ist eine Abweichung über einem bestimmten Grenzwert gegeben, so wird im Verfahrensschritt V5 der Aktuator 12 gestoppt. Alternativ könnte der Aktuator 12 in eine definierte Endposition, insbesondere in Richtung eines niedrigen Verdichtungsverhältnisses CR, verfahren werden. In jedem Fall ist das Überwachungsverfahren im Verfahrensschritt V6 beendet und kann mit dem Verfahrensschritt V1 neu gestartet werden.
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Das vom Verbrennungsmotor 1 über den Kurbeltrieb 2 in den Aktuatorexcenter 17 eingeleitete Drehmoment wird mit Hilfe einer Drehmomentberechnungseinheit TCU, welche in 5 schematisch dargestellt ist, ermittelt. In die von der Drehmomentberechnungseinheit TCU vorgenommene Berechnung gehen verschiedene Einflussgrößen E1 bis E6 ein:
- - E1 In den Verbrennungsmotor 1 pro Zeiteinheit einströmende Luftmasse,
- - E2: Steuerzeiten von Einlassventilen des Verbrennungsmotors 1,
- - E3: Steuerzeiten von Auslassventilen des Verbrennungsmotors 1,
- - E4: Dem Verbrennungsmotor 1 pro Zeiteinheit zugeführte Kraftstoffmenge,
- - E5: Parameter der Zündung des Verbrennungsmotors 1,
- - E6: Drehzahl des Verbrennungsmotors 1.
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Als Ergebnis liefert die Drehmomentberechnungseinheit TCU einen berechneten Belastungswert TCc. Dieser Wert TCc stellt eine Eingangsgröße einer ersten Auswerteeinheit CU1 dar. Die erste Auswerteeinheit CU1 verarbeitet auch direkt die Einflussgröße E6, das heißt die Drehzahl des Verbrennungsmotors 1, als Eingangsgröße. Darüber hinaus geht die Winkeleinstellung α, welche mit Hilfe des Sensors 16 erfasst wird, in die von der ersten Auswerteeinheit CU1 vorgenommene Berechnung ein. Gemäß dem in 5 skizzierten Schema wird auf Basis der Winkeleinstellung α mit Hilfe einer Aktuatorberechnungseinheit ACU ein berechneter Wert ε des Verdichtungsverhältnisses CR bereitgestellt und an die erste Auswerteeinheit CU1 übertragen. Die Aufteilung der verschiedenen Berechnungs- und Auswertefunktionen innerhalb der Einheiten TCU, ACU und CU1 dient der Veranschaulichung des Verfahrens.
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Tatsächlich können die beschriebenen Funktionen beispielsweise durch eine einzige Auswerteeinheit oder durch verschiedene, in anderer Weise gruppierte Auswertemodule ausgeführt werden. In jedem Fall werden die Einheiten, welche im vorliegenden Fall mit TCU, ACU und CU1 bezeichnet sind, im Rahmen einer ersten Berechnungsmethode eingesetzt, welche ein berechnetes Aktuatordrehmoment TC1 liefert. Das berechnete Aktuatordrehmoment TC1 bezieht sich auf die Ausgangsseite des Aktuators 12 und gibt das über den Kurbeltrieb 2 in den Aktuatorexcenter 17 eingeleitete Drehmoment an.
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Die zweite Methode zur Berechnung des in den Aktuatorexcenter 17 eingeleiteten Drehmoments ist im unteren Zweig von 5 skizziert. Eine Berechnungseinheit ECU ermittelt ein berechnetes Drehmoment TEc des Elektromotors 13. Von der Berechnungseinheit ECU verarbeitete Eingangsgrößen sind die Motortemperatur EE1 des Elektromotors 13 und der Motorstrom EE2. Optional werden weitere Eingangsgrößen verarbeitet, in keinem Fall jedoch geometrische Werte oder Kraft- oder Drehmomentwerte. Der rechnerisch hergeleitete Drehmomentwert TEc wird in eine Auswerteeinheit CU2 eingespeist, die unter Heranziehung bekannter Parameter des Untersetzungsgetriebes 14 ein Aktuatordrehmoment TC2 berechnet. Analog zu den Einheiten TCU, ACU und CU1, die im Rahmen der ersten Berechnungsmethode zum Einsatz kommen, können auch die Einheiten ECU und CU2 zu einer einzigen Einheit zusammengefasst oder in anderer Weise modular aufgebaut sein.
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Der mittels der zweiten Berechnungsmethode gewonnene Drehmomentwert TC2 wird mit Hilfe eines Differenzbildners 19 mit dem mittels der ersten Methode gewonnenen Drehmomentwert TC1 verglichen. Eine Datenverarbeitungseinheit 20 gibt auf Basis der Differenzbildung den Vergleichswert JV aus, welcher gemäß 4 verarbeitet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor, Hubkolbenmotor
- 2
- Kurbeltrieb
- 3
- Kurbelzapfen
- 4
- Übertragungselement
- 5
- Anlenkpunkt
- 6
- Anlenkpunkt
- 7
- Pleuel
- 8
- Kolben
- 9
- Nebenpleuel
- 10
- Exzenterwelle
- 11
- Verbindungsstange
- 12
- Aktuator
- 13
- Elektromotor
- 14
- Untersetzungsgetriebe, Stellgetriebe, Wellgetriebe
- 15
- Gehäuse
- 16
- Sensor
- 17
- Aktuatorexzenter
- 18
- Anlenkpunkt am Aktuator
- 19
- Differenzbildner
- 20
- Datenverarbeitungseinheit
- α
- Winkeleinstellung des Aktuators
- ε
- berechneter Wert des Verdichtungsverhältnisses
- ACU
- Aktuator-Berechnungseinheit
- CR
- geometrisches Verdichtungsverhältnis
- CP
- Verbrennungsdruck
- CU1
- erste Auswerteeinheit
- CU2
- zweite Auswerteeinheit
- E1... E6
- Einflussgrößen, bezogen auf den Verbrennungsmotor
- EE1, EE2
- Einflussgrößen, bezogen auf den Elektromotor
- ECU
- Berechnungseinheit des Elektromotors
- HC
- Hohe Kompression
- JV
- Vergleichswert
- LC
- Niedrige Kompression
- R
- Rotationsachse der Kurbelwelle
- RA
- Mittelachse des Aktuators
- TCU
- Drehmomentsberechnungseinheit
- TCc
- berechnetes Drehmoment
- TEc
- berechnetes Drehmoment des Elektromotors
- TC1, TC2
- berechnetes Aktuatordrehmoment
- V1... V6
- Verfahrensschritte
