DE102018104665B4 - Method for operating an internal combustion engine, control device and internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Motor und einer weiteren Komponente, wobei die Brennkraftmaschine aufweist:- ein Maschinenbauteil, das Laufzeit begrenzend für den Betrieb der Brennkraftmaschine sein kann,- eine Anzahl von Betriebsmedien, die zum Betrieb der Brennkraftmaschine genutzt werden, nämlich zum Betrieb des Motors und. der weiteren Komponente zugeführt, abgeführt oder in diesen gehalten werden,- eine Einrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen, wobei in dem Verfahren:- Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, sowie- für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein, die Laufzeit begrenzendes, Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, nämlich ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine,- Betriebsdaten des Maschinenbauteils bestimmt werden, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und- die wenigstens eine Medientemperatur als transiente Betriebsdaten gemessen wird,- der Wirkzusammenhang mittels einer Rechen- oder Datenvorschrift dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass- mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert wird, nämlich eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und- mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird,- auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird.Method for operating an internal combustion engine with a motor and a further component, the internal combustion engine having: - a machine component that can limit the running time for the operation of the internal combustion engine, - a number of operating media that are used to operate the internal combustion engine, namely for operation of the engine and. are supplied to, removed from or kept in the further component, - a device which is designed to at least monitor the operation of the internal combustion engine, wherein in the method: - operating data of the internal combustion engine and the operating media are determined, and - for the operation of the internal combustion engine a time interval of the machine component that limits the running time is specified, namely a time interval until the next maintenance of the internal combustion engine, - operating data of the machine component are determined by determining those operating data that are in an effective connection with an actual load profile of the machine component, wherein these operating data include at least one media temperature of one of the operating media, and - the at least one media temperature is measured as transient operating data, - the causal relationship is represented by means of a calculation or data specification such that a machine component temperature tr ansient is determined from the transient medium temperature, the transient machine component temperature being determined at at least a first and/or a second component location and a temporal and/or local temperature change for the component being specified therefrom, characterized in that- by means of the transient machine component -Temperature at least one temperature change amplitude of the machine component temperature is specified and classified as the basis of an operating pattern characterizing the operation of the machine component, namely a number of load classes for the operation of the machine component is determined, and- by means of a number of load classes and/or load class changes Operating pattern of the machine component is specified - based on the operating pattern, the time interval limiting the running time of the machine component for the operation of the internal combustion engine is specified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Motor und einer weiteren Komponente wie etwa einem Turbolader, Wärmetauscher oder dergleichen. Die Erfindung betrifft auch eine Steuereinrichtung und eine Brennkraftmaschine.The invention relates to a method according to the preamble of
Die Brennkraftmaschine weist auf:
- - ein Maschinenbauteil, das Laufzeit begrenzend für den Betrieb der Brennkraftmaschine sein kann, wie etwa eine Motorkomponente oder eine Abgasturbolader-Komponente oder dergleichen oder ein insbesondere bewegliches Bauteil derselben,
- - eine Anzahl von Betriebsmedien, die zum Betrieb der Brennkraftmaschine genutzt werden, nämlich zum Betrieb des Motors und der weiteren Komponente wie etwa dem Turbolader zugeführt, abgeführt oder in diesen gehalten werden, insbesondere ein Abgas, eine Ladeluft, ein Kraftstoff, einen Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen,
- - eine Einrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen, insbesondere zu steuern und/oder zu regeln.
- - a machine component that can limit the running time for the operation of the internal combustion engine, such as an engine component or an exhaust gas turbocharger component or the like or a particularly moving component thereof,
- - a number of operating media that are used to operate the internal combustion engine, namely to operate the engine and other components such as the turbocharger, are supplied, discharged or kept in them, in particular an exhaust gas, charge air, a fuel, a lubricant coolant or the like,
- - A device that is designed to at least monitor the operation of the internal combustion engine, in particular to control and/or regulate it.
In dem Verfahren ist unter anderem vorgesehen, dass:
- - Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, sowie
- - für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, nämlich ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil.
- - Operating data of the internal combustion engine and the operating media are determined, as well as
- - For the operation of the internal combustion engine, a time interval limiting the running time of the machine component is specified, namely a time interval until the next maintenance of the internal combustion engine, such as a preventive replacement or overhaul interval for the machine component.
Es ist seit längerem bekannt, das Betreiben von Brennkraftmaschinen und weiteren Antriebskomponenten eines Fahrzeugs möglichst betriebsfest auszulegen - das heißt Maschinenbauteile der Brennkraftmaschine bzw. der Komponenten der Brennkraftmaschine derart auszulegen, dass diese mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit eine bestimmte endliche Lebensdauer ohne unnötigen Aufwand an Werkstoff erreichen können. Wenigstens aber sollte für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall eines oder mehrerer Maschinenbauteile angegeben werden, welche laufzeitbegrenzend für den Betrieb der Brennkraftmaschine sein können.It has been known for a long time to design the operation of internal combustion engines and other drive components of a vehicle as operationally as possible - that is, to design machine parts of the internal combustion engine or the components of the internal combustion engine in such a way that they can achieve a certain finite service life with a given probability without unnecessary expenditure on material. At least, however, a time interval that limits the running time of one or more machine components should be specified for the operation of the internal combustion engine, which can limit the running time for the operation of the internal combustion engine.
So ist hinsichtlich einer betriebsfesten Auslegung von Antriebstechnik ein Artikel von Vahlensieck aus dem April 1999 bekannt (54. Jahrgang Landtechnik 4/99). Im Rahmen dieses Artikels wie auch in anderen Erörterungen ist die „Rainflow“-Zählung erläutert, welche es mit verfügbarer Rechenleistung ermöglicht, Lastverläufe an einem Maschinenbauteil zur Erstellung eines Lastkollektivs zu klassieren und daraus eine Maschinenbauteile-Schädigung zu errechnen, welche pro Lastklasse --letztendlich aus dem Quotienten „zu ertragende Lastspielzahl“ (aus dem Lastkollektiv) geteilt durch „ertragbare Lastspielzahl“ (aus einer Grenz-Kennlinie; sogenannte Wöhlerlinie) - eine Schädigungszahl angibt bzw. im Kehrwert ein Maß für einen Reserve-Abstand zur Grenz-Kennlinie. Durch aufsummieren der Teileschädigung kann ein Schädigungs-Maß für eine betriebsfeste Auslegung bzw. aus einem Abstand zur Grenz-Kennlinie ein laufzeitbegrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben werden.An article by Vahlensieck from April 1999 (54th volume Landtechnik 4/99) is known with regard to an operationally reliable design of drive technology. As part of this article, as well as in other discussions, the "rainflow" count is explained, which, with available computing power, makes it possible to classify load profiles on a machine component to create a load collective and to calculate machine component damage from this, which per load class - ultimately from the quotient "number of load cycles to be endured" (from the load spectrum) divided by "number of load cycles to be endured" (from a limit characteristic; so-called Wöhler curve) - indicates a damage number or, in the reciprocal value, a measure for a reserve distance to the limit characteristic. By summing up the damage to parts, a degree of damage can be specified for an operationally stable design or, from a distance to the limit characteristic curve, a time interval that limits the running time of the machine component can be specified.
Aus dem Artikel von Köhler et al „Zählverfahren und Lastannahme in der Betriebsfestigkeit“ erschienen in Heidelberg bei Springer, 2012. - ISBN 978-3-642-13163-9 sind die wichtigsten Zählverfahren beschrieben und bewertet, die im Fachgebiet der Betriebsfestigkeit verwendet werden; solche Zählverfahren zur Klassierung von Beanspruchungszeitfunktionen sind in Normen und technischen Regelwerken festgeschrieben. Auf Seite 112 ff im Kapitel 9.1 ist die Palmgren-Miner-Regel beschrieben für ein entsprechendes Zählverfahren zur Lebensdauerabschätzung, wobei die Gesamtschädigung erreicht ist, wenn durch Addition oder Akkumulation der Schädigungen der Grenzwert erreicht wird, für den Versagen angenommen wird. Hierfür ist ein Schadenskriterium festzulegen, zum Beispiel makroskopischer Anriss oder Bruch.From the article by Köhler et al "Counting methods and load assumption in the operational stability" published in Heidelberg by Springer, 2012. - ISBN 978-3-642-13163-9 the most important counting methods used in the field of operational stability are described and evaluated; Such counting methods for classifying stress-time functions are specified in standards and technical regulations. On page 112 ff in Chapter 9.1, the Palmgren-Miner rule is described for a corresponding counting method for estimating the service life, with the total damage being reached when the limit value for which failure is assumed is reached through addition or accumulation of the damage. A damage criterion must be defined for this, for example macroscopic cracking or fracture.
Es ist aus
Aus
Solche Ansätze sind vergleichsweise allgemein gehalten. Es zeigt sich jedoch, dass letztlich die Datenerfassung und die ursächlichen Grundlagen für die verlässliche Angabe eines die Laufzeit begrenzenden Zeitintervalls des Maschinenbauteils problematisch sind.Such approaches are kept comparatively general. It turns out, however, that ultimately the data acquisition and the causal basis for the reliable specification of a time interval limiting the runtime of the machine component are problematic.
Zur Auflösung dieser Problematik ist es grundsätzlich bekannt, dass der transiente Betrieb eines Verbrennungsmotors bei einer Brennkraftmaschine zu wiederholten Erhitzungen und Abkühlungen des Motors oder anderer Komponenten führt und jedenfalls diese Belastungsart als wesentlich für die Materialermüdung der Komponenten einer Brennkraftmaschine angesehen werden kann.To solve this problem, it is generally known that the transient operation of an internal combustion engine in an internal combustion engine leads to repeated heating and cooling of the engine or other components and in any case this type of load can be regarded as essential for the material fatigue of the components of an internal combustion engine.
In
Wünschenswert ist es, jedenfalls diese thermische Ermüdung der Komponenten einer Brennkraftmaschine in verbesserter Weise zu nutzen, um ein die Laufzeit begrenzenden Zeitintervall für ein Maschinenbauteil einer der Komponenten anzugeben.In any case, it is desirable to use this thermal fatigue of the components of an internal combustion engine in an improved manner in order to specify a time interval that limits the running time for a machine part of one of the components.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist ein Verfahren, eine Steuereinrichtung und eine Brennkraftmaschine anzugeben, welche es ermöglicht für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall eines Maschinenbauteils derselben in verlässlicher und dennoch effizienter Weise anzugeben.This is where the invention comes in, the object of which is to specify a method, a control device and an internal combustion engine which makes it possible to specify a time interval for the operation of the internal combustion engine that limits the running time of a machine component in a reliable yet efficient manner.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.This object is achieved by a method according to
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren der eingangs genannten Art; wobei vorgesehen ist, dass
- - Betriebsdaten des Maschinenbauteils bestimmt werden, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und
- - die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird,
- - der Wirkzusammenhang mittels einer Vorschrift, nämlich einer Rechen- oder Datenvorschrift, dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert wird, insbesondere eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und
- - mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird,
- - auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird.
- - Operating data of the machine component are determined by determining those operating data that are in an effective connection with an, in particular actual, load profile of the machine component, these operating data comprising at least one media temperature of one of the operating media, and
- - the at least one medium temperature is measured as transient, in particular cyclic, operating data,
- - the functional relationship is represented by means of a rule, namely a calculation or data rule, such that a machine component temperature is transiently determined from the transient media temperature, with the transient machine component temperature being determined at at least a first and/or a second component location and from this a temporal and/or local temperature change for the component is indicated. According to the invention, at least one temperature change amplitude of the machine component temperature is specified by means of the transient machine component temperature and classified as the basis of an operating pattern characterizing the operation of the machine component, in particular a number of load classes for the operation of the machine component are determined, and
- - an operating model of the machine component is specified by means of a number of load classes and/or load class changes,
- - Based on the operating pattern, the time interval limiting the running time of the machine component for the operation of the internal combustion engine is specified.
Die Erfindung geht zunächst von der Überlegung aus, dass zur Ermittlung einer Belastbarkeit einer Komponente der Brennkraftmaschine bzw. eines Maschinenbauteils der Brennkraftmaschine oder einer der Komponenten ein Abnutzungsgrad derselben ermittelt werden kann, der auf die thermische Ermüdung derselben zurückgeht.The invention is initially based on the consideration that, in order to determine a load capacity of a component of the internal combustion engine or a machine part of the internal combustion engine or one of the components, a degree of wear of the same can be determined, which goes back to the thermal fatigue of the same.
Ursächlich dafür wurde im Rahmen dieser Überlegung erkannt, dass insbesondere transient, insbesondere zyklisch, auftretende schädigende Temperaturänderungen des Maschinenbauteils erfasst werden sollten. Auch wurde ausgehend von dieser Überlegung erkannt, dass schädigende Temperaturänderungen nicht nur zeitliche Temperaturänderungen an einem Ort des Maschinenbauteils betreffen, sondern auch vor allem variierende überörtliche Erwärmungen des Bauteils über eine gewisse örtliche Erstreckung des Bauteils hinweg; also insofern örtliche Temperaturgradienten am Maschinenbauteil.The reason for this was recognized within the framework of this consideration that in particular transient, in particular cyclically occurring, damaging temperature changes of the machine component should be recorded. Based on this consideration, it was also recognized that damaging temperature changes not only relate to temperature changes over time at one location on the machine component, but also, above all, to varying local heating of the component over a certain local extent of the component; so in this respect local temperature gradients on the machine component.
Es ist somit vorgesehen, dass Betriebsdaten des Maschinenbauteils bestimmt werden, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit
einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird.It is therefore provided that the operating data of the machine component are determined by determining those operating data that are in an effective connection with
a, in particular actual, load profile of the machine component, these operating data comprising at least one media temperature of one of the operating media, and the at least one media temperature being measured as transient, in particular cyclic, operating data.
Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass eine solche Information natürlich grundsätzlich durch applizieren geeigneter Sensoren an dem Maschinenbauteil bzw. Komponenten der Brennkraftmaschine zu erlangen wäre. Die Erfindung hat jedoch erkannt, dass dies zur Verteuerung der Brennkraftmaschine führen würde und zudem wohl auch zur Senkung einer Zuverlässigkeit, da diese letztendlich durch einen Sensorausfall oder dergleichen leiden würde. Von einem solchen Ansatz wird vorliegend allenfalls hilfsweise ausgegangen, um die Wettbewerbsfähigkeit, d. h. insbesondere Entstehungs- und Unterhaltskosten der Brennkraftmaschine nicht zu gefährden.The invention is also based on the consideration that such information could of course basically be obtained by applying suitable sensors to the machine component or components of the internal combustion engine. However, the invention has recognized that this would make the internal combustion engine more expensive and also reduce reliability, since it would ultimately suffer as a result of a sensor failure or the like. Such an approach is at best used as an auxiliary measure in order to improve competitiveness, i. H. in particular, not to endanger the production and maintenance costs of the internal combustion engine.
Es ist somit vorgesehen, dass der Wirkzusammenhang mittels einer Vorschrift, nämlich einer Rechen- oder Datenvorschrift, dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird.Provision is therefore made for the functional relationship to be represented by means of a rule, namely a calculation or data rule, in such a way that a transient machine component temperature is determined from the transient media temperature, with the transient machine component temperature being at least a first and/or a second component location is determined and a temporal and / or local temperature change for the component is specified.
Die Erfindung hat also erkannt, dass die Bestimmung von Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien der Selben vorteilhaft ist, um für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils anzugeben. Insbesondere hat die Erfindung erkannt, dass die Ermittlung der Betriebszeiten der Brennkraftmaschine und auch der Betriebsmedien grundsätzlich vorgenommen wird. Ausgehend von dieser Erkenntnis schlägt die Erfindung also vor diejenigen Betriebsdaten zu ermitteln, die in einem Wirkzusammenhang mit einem tatsächlichen Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen. Gemäß dem Konzept der Erfindung stellt dieser Ansatz einen sogenannten „virtuellen Sensor“ dar, mittels dem der eigentlich interessierende temperaturbedingte tatsächliche Lastverlauf des Maschinenbauteils zu ermitteln ist.The invention has therefore recognized that the determination of operating data of the internal combustion engine and the operating media of the same is advantageous in order to specify a time interval of the machine component that limits the running time for the operation of the internal combustion engine. In particular, the invention has recognized that the operating times of the internal combustion engine and also the operating media are determined in principle. Proceeding from this finding, the invention therefore proposes determining those operating data that are in an effective connection with an actual load profile of the machine component, with these operating data comprising at least one media temperature of one of the operating media. According to the concept of the invention, this approach represents a so-called “virtual sensor” by means of which the temperature-related actual load profile of the machine component that is actually of interest can be determined.
Die Erfindung geht erfindungsgemäß davon aus, dass die Betriebsdaten somit wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen sollten und die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen werden. Weiter schlägt die Erfindung vor, dass der Wirkzusammenhang mittels eines Algorithmus dargestellt wird, derart, dass eine Maschinenbauteiltemperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur. Konkret wird der oben genannte „virtuelle Sensor“ durch ein Rechenmodul realisiert, mit dessen Hilfe von der transienten Temperaturänderung der Medientemperatur auf eine transiente Maschinenbauteiltemperatur --und zwar zeitlich und/oder örtlich aufgelöst-- geschlossen wird.According to the invention, the invention assumes that the operating data should therefore include at least one media temperature of one of the operating media and the at least one media temperature is measured as transient, in particular cyclic, operating data. The invention further proposes that the functional relationship be represented by means of an algorithm in such a way that a machine component temperature is transiently determined from the transient media temperature. In concrete terms, the “virtual sensor” mentioned above is implemented by a computing module, with the help of which a transient temperature change in the media temperature is deduced from the transient temperature change in the medium temperature --resolved in terms of time and/or location.
Mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur kann so wenigstens eine Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben werden und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert werden, wobei insbesondere eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel kann ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben werden, und auf Grundlage des Betriebsmusters kann das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben werden.By means of the transient machine component temperature, at least one temperature change amplitude of the machine component temperature can be specified and classified as the basis of an operating pattern that characterizes the operation of the machine component, with a number of load classes for the operation of the machine component being determined in particular, and by means of a number of load classes and/or load class changes, an operating pattern of the machine component can be specified, and based on the operating pattern the time interval of the machine component that limits the running time for the operation of the internal combustion engine can be specified.
Die Erfindung führt auch auf eine Steuereinrichtung nach Anspruch 14 und eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 16 mit der Steuereinrichtung, wobei das erfindungsgemäße Verfahren von der Einrichtung umgesetzt werden kann.The invention also leads to a control device according to
Die Erfindung betrifft somit eine Steuereinrichtung nach Anspruch 14; nämlich insbesondere eine Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach dem Konzept der Erfindung, umfassend
- - eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen,
- - eine Erfassungseinrichtung mittels der Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, wobei
- - eine Bestimmungseinrichtung mittels der für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, nämlich ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine, wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil, wobei
- - Betriebsdaten des Maschinenbauteils zu bestimmen, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einemtatsächlichen Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und
- - die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird,
- - der Wirkzusammenhang mittels einer Rechen- oder Datenvorschrift dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert wird, nämlich eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und
- - mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird,
- - auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird.
- - a monitoring device which is designed to at least monitor the operation of the internal combustion engine,
- - A detection device by means of the operating data of the internal combustion engine and the operating media are determined, wherein
- - a determination device by means of which a time interval of the machine component that limits the running time for the operation of the internal combustion engine is specified, namely a time interval until the next maintenance of the internal combustion engine, such as a preventive replacement or overhaul interval for the machine component, wherein
- - to determine operating data of the machine component by determining those operating data which are in an effective connection with an actual load profile of the machine component, these operating data comprising at least one media temperature of one of the operating media, and
- - the at least one medium temperature is measured as transient, in particular cyclic, operating data,
- - the causal relationship is represented by means of a calculation or data specification such that a machine component temperature is transiently determined from the transient medium temperature, the transient machine component temperature being determined at at least a first and/or a second component location and a temporal and/or or local temperature change for the component is specified. According to the invention, at least one temperature change amplitude of the machine component temperature is specified by means of the transient machine component temperature and classified as the basis of an operating pattern characterizing the operation of the machine component, namely a number of load classes for the operation of the machine component are determined, and
- - an operating model of the machine component is specified by means of a number of load classes and/or load class changes,
- - Based on the operating pattern, the time interval limiting the running time of the machine component for the operation of the internal combustion engine is specified.
Weiterhin betrifft die Erfindung somit eine Brennkraftmaschine des Anspruchs 16; nämlich insbesondere eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung nach dem Konzept der Erfindung und mit einem Motor und einer weiteren Komponente wie etwa einem Turbolader, Wärmetauscher oder dergleichen, wobei
- - die Brennkraftmaschine ausgebildet ist für den Betrieb mit einer Anzahl von Betriebsmedien, die zum Betrieb der Brennkraftmaschine genutzt werden, wie etwa dem Motor und ggfs. weiteren Komponenten wie etwa dem Turbolader zugeführt, abgeführt oder in diesen gehalten werden, insbesondere ein Abgas, eine Ladeluft, ein Kraftstoff,, eine Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen, und aufweist:
- - ein Maschinenbauteil, das Laufzeit begrenzend für den Betrieb der Brennkraftmaschine sein kann, wie etwa eine Motorkomponente oder eine Abgasturbolader-Komponente oder dergleichen oder ein insbesondere bewegliches Bauteil derselben,
- - eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen,
- - eine Erfassungseinrichtung mittels der Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, wobei
- - eine Bestimmungseinrichtung mittels der für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, nämlich ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil, wobei
- - Betriebsdaten des Maschinenbauteils zu bestimmen, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem tatsächlichen Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und
- - die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird,
- - der Wirkzusammenhang mittels einer Vorschrift, insbesondere Algorithmus oder dergleichen Rechen- oder Datenvorschrift, dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird.
- - The internal combustion engine is designed for operation with a number of operating media that are used to operate the internal combustion engine, such as the engine and possibly other components such as the turbocharger, are discharged or held in them, in particular an exhaust gas, a charge air , a fuel, a lubricant, a coolant or the like, and comprises:
- - a machine component that can limit the running time for the operation of the internal combustion engine, such as an engine component or an exhaust gas turbocharger component or the like or a particularly moving component thereof,
- - a monitoring device which is designed to at least monitor the operation of the internal combustion engine,
- - A detection device by means of the operating data of the internal combustion engine and the operating media are determined, wherein
- - A determination device by means of which a time interval of the machine component that limits the running time for the operation of the internal combustion engine is specified, namely a time interval until the next maintenance of the internal combustion engine, such as a preventive exchange or overhaul interval for the machine component, wherein
- - To determine operating data of the machine component by determining those operating data that are in an effective connection with an actual load profile of the machine component, these operating data comprising at least one media temperature of one of the operating media, and
- - the at least one medium temperature is measured as transient, in particular cyclic, operating data,
- - The functional relationship is represented by a rule, in particular an algorithm or similar calculation or data rule, such that a machine component temperature is transiently determined from the transient Media temperature, the transient machine component temperature being determined at at least a first and/or a second component location and a temporal and/or local temperature change for the component being specified therefrom.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert wird, nämlich eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und
- - mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird,
- - auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird.
- - an operating model of the machine component is specified by means of a number of load classes and/or load class changes,
- - Based on the operating pattern, the time interval limiting the running time of the machine component for the operation of the internal combustion engine is specified.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims and specify advantageous possibilities in detail for realizing the concept explained above within the scope of the task and with regard to further advantages.
Vorteilhaft wird die transiente Medientemperatur auf eine Beharrungszeit bei einem Temperaturniveau untersucht. Vorzugsweise kann aus derjenigen Zeit, in welcher die Medientemperatur vergleichsweise konstant ist bzw. einen flachen Verlauf mit geringer Steigung bzw. Änderungsrate aufweist eine Beharrungszeit festgelegt werden. Insbesondere wird bereits aus einem Vorhandensein eines Temperaturniveaus, vorzugsweise mit einer bestimmten Beharrungszeit, auf einen Lastwechsel für das Maschinenbauteil und einer dem folgenden Temperaturänderung der Maschinenbauteil-Temperatur geschlossen. Relevante Beharrungszeiten können durchaus unterschiedlich und individuell für das Betriebsmedium festgestellt werden. Zur Untersuchung und Feststellung können idealisierte Modelle verwendet werden. Mit dieser Maßgabe lassen sich relevante Lastwechsel einleitende Änderungen der Medientemperatur qualitativ und quantitativ erfassen.The transient media temperature is advantageously examined for a persistence time at a temperature level. A dwell time can preferably be determined from the time in which the medium temperature is comparatively constant or has a flat profile with a low gradient or rate of change. In particular, a load change for the machine component and a subsequent temperature change in the temperature of the machine component are already inferred from the presence of a temperature level, preferably with a specific dwell time. Relevant dwell times can be determined differently and individually for the operating medium. Idealized models can be used for investigation and determination. With this stipulation, relevant load change initiating changes in the medium temperature can be recorded qualitatively and quantitatively.
Vorteilhaft wird die Maschinenbauteil-Temperatur als zeitabhängiger Verlauf für das Maschinenbauteil mittels Prinzipien der Wärme- und Stoffübertragungslehre bestimmt. Dies kann insbesondere an einem einzigen Ort und/oder an einer Anzahl von Orten des Maschinenbauteils vorgenommen werden. Insbesondere kann der zeitabhängige Verlauf für das Maschinenbauteil als eine zeitabhängige Exponentialfunktion bestimmt werden. Vorzugsweise kann die zeitabhängige Exponentialfunktion Parameter für eine Anfangstemperatur, einen maximalen Temperaturanstieg und eine Steigung des Temperaturverlaufs am Maschinenbauteil aufweisen. Vorteilhaft wird mit dieser Funktionalität und Maßnahmen zur Bestimmung der Maschinenbauteil-Temperatur als zeitabhängiger Verlauf für das Maschinenbauteil der sogenannte „virtuelle Sensor“ umgesetzt, mittels dem der eigentlich interessierende temperaturbedingte tatsächliche Lastverlauf des Maschinenbauteils zu ermitteln ist.Advantageously, the machine component temperature is determined as a time-dependent curve for the machine component using principles of heat and mass transfer theory. This can be done in particular at a single location and/or at a number of locations on the machine component. In particular, the time-dependent curve for the machine component can be determined as a time-dependent exponential function. The time-dependent exponential function can preferably have parameters for an initial temperature, a maximum temperature increase and an increase in the temperature profile on the machine component. With this functionality and measures for determining the machine component temperature as a time-dependent curve for the machine component, the so-called “virtual sensor” is advantageously implemented, by means of which the temperature-related actual load curve of the machine component that is actually of interest can be determined.
Vorteilhaft werden Parameter des zeitabhängigen Verlaufs der Maschinenbauteil-Temperatur empirisch und/oder modellbasiert festgelegt. Beide Varianten haben ihre Vorteile; die empirische Festlegung ist in den meisten Fällen genauer. Die empirische Festlegung kann die Parameter insbesondere als Betriebspunkt abhängige Kennfelder quantifizieren.Parameters of the time-dependent profile of the machine component temperature are advantageously determined empirically and/or based on a model. Both variants have their advantages; empirical determination is more accurate in most cases. The empirical determination can quantify the parameters, in particular as operating point-dependent characteristic fields.
Vorteilhaft wird eine transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt bestimmt; vorzugsweise an einem oberen Temperaturniveau und einem unteren Temperaturniveau bei den Beharrungszeiten, die auf einen Lastwechsel für das Maschinenbauteil hinweisen. Daraus kann vorzugsweise eine zeitliche Temperaturänderung an wenigstens einem Bauteilort angegeben werden. Insbesondere kann mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben werden; vorzugsweise als Differenz zwischen einem oberen Temperaturniveau und einem unteren Temperaturniveau. Die Temperaturänderungs-Amplituden können sodann klassiert werden derart, dass aus der zeitlichen Temperaturänderung eine darauf basierende „zeitliche“ Lastklasse als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters ermittelt wird.A transient machine component temperature is advantageously determined at at least a first and a second point in time; preferably at an upper temperature level and a lower temperature level for the dwell times, which indicate a load change for the machine component. A temperature change over time at at least one component location can preferably be specified from this. In particular, at least one temperature change amplitude of the machine component temperature can be specified by means of the transient machine component temperature; preferably as the difference between an upper temperature level and a lower temperature level. The temperature change amplitudes can then be classified in such a way that a “temporal” load class based thereon is determined from the temperature change over time as the basis of an operating pattern characterizing the operation of the machine component.
Insbesondere kann dies für weitere Bauteilorte eines Bauteils, insbesondere für weitere Bauteile, durchgeführt werden. Ganz analog kann vorteilhaft die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauteilort, vorzugsweise zu wenigstens einem festgelegten Zeitpunkt, bestimmt werden und daraus eine örtliche Temperaturänderungs-Amplitude für das Bauteil angegeben und klassiert werden. Dies kann vorteilhaft derart umgesetzt werden, dass aus der örtlichen Temperaturänderung eine darauf basierende „örtliche“ Lastklasse als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters ermittelt wird.In particular, this can be carried out for further component locations of a component, in particular for further components. Analogously, the transient machine component temperature can advantageously be determined at at least a first and a second component location, preferably at least at a specified point in time, and from this a local temperature change amplitude for the component can be specified and classified. This can advantageously be implemented in such a way that a “local” load class based thereon is determined from the local temperature change as the basis of an operating pattern that characterizes the operation of the machine component.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann aus der zeitlichen und/oder örtlichen Temperaturänderung und/oder einer genannten bevorzugten Temperaturänderungs-Amplitude eine Anzahl von Lastklassen als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters ermittelt werden.As part of a particularly preferred development can from the time and / or location If there is a temperature change and/or a preferred temperature change amplitude mentioned, a number of load classes can be determined as the basis of an operating pattern that characterizes the operation of the machine component.
Vorteilhaft kann eine Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel mittels des Betriebsmusters des Maschinenbauteils angegeben werden. Dies berücksichtigt vorteilhaft für das Bauteil an dem entsprechenden Ort des Bauteils, die Häufigkeit mit der in oder aus einer Lastklasse heraus gewechselt wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass vor allem der Wechsel einer Last -insbesondere ein zyklischer Wechsel einer Last im Sinne zunächst einer Lastsenkung und dann wieder einer Lastanhebung-- in Bezug auf eine bestimmte Lastklasse besondere Bedeutung zukommt bei der Ermittlung einer Bauteilschädigung. Vorteilhaft kann mittels der Anzahl der Lastklassen-Wechsel das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine angegeben werden.A frequency of the load class change can advantageously be specified using the operating pattern of the machine component. This advantageously takes into account for the component at the corresponding location of the component the frequency with which it is changed into or out of a load class. This is based on the finding that the change in load, in particular a cyclic change in load in the sense of first reducing the load and then increasing the load again, is of particular importance in relation to a specific load class when determining component damage. The time interval of the internal combustion engine that limits the running time can advantageously be specified by means of the number of load class changes.
Vorteilhaft kann auch bereits eine Gesamt-Anzahl von vorbestimmten Lastklassen, insbesondere für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten, für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt werden, derart, dass mittels der Gesamt-Anzahl der vorbestimmten Lastklassen ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass vor allem der Wechsel einer Last in eine der vorbestimmten Lastklassen, insbesondere für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten, besondere Bedeutung zukommt bei der Ermittlung einer Bauteilschädigung. Vorteilhaft kann dann bereits mittels der Anzahl festgestellter Lastklassen, insbesondere der Anzahl festgestellter vorbestimmter Lastklassen, das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine angegeben werden.Advantageously, a total number of predetermined load classes, in particular for loads outside of nominal operation and/or extreme loads, can already be determined for the operation of the machine component, such that an operating pattern of the machine component is specified using the total number of predetermined load classes. This is based on the finding that changing a load to one of the predetermined load classes, in particular for loads outside of nominal operation and/or extreme loads, is of particular importance when determining component damage. Advantageously, the number of determined load classes, in particular the number of determined predetermined load classes, can then already be used to indicate the time interval of the internal combustion engine that limits the running time.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine ermittelt werden aus einer Schädigungszahl. Eine Schädigungszahl folgt im Grunde einem eingangs genannten Prinzip wie es im Artikel von Vahlensieck aus dem April 1999 (54. Jahrgang Landtechnik 4/99) beschrieben ist. Im Rahmen dieses Artikels wie auch in anderen Erörterungen ist die „Rainflow“-Zählung erläutert, welche es mit verfügbarer Rechenleistung ermöglicht, Lastverläufe an einem Maschinenbauteil zur Erstellung eines Lastkollektivs zu klassieren und daraus eine Maschinenbauteile-Schädigung zu errechnen, welche pro Lastklasse --letztendlich aus dem Quotienten „zu ertragende Lastspielzahl“ (aus dem Lastkollektiv) geteilt durch „ertragbare Lastspielzahl“ (aus einer Grenz-Kennlinie; sogenannte Wöhlerlinie) - eine Schädigungszahl angibt bzw. im Kehrwert ein Maß für einen Reserve-Abstand zur Grenz-Kennlinie. Durch aufsummieren der Teileschädigung kann ein Schädigungs-Maß für eine betriebsfeste Auslegung bzw. aus einem Abstand zur Grenz-Kennlinie ein laufzeitbegrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben werden. As part of a particularly preferred development, the time interval of the internal combustion engine that limits the running time can be determined from a damage number. A damage number basically follows the principle mentioned at the beginning, as described in the article by Vahlensieck from April 1999 (
Vorliegend hat es sich darüberhinaus als vorteilhaft erwiesen, dass die Schädigungszahl ermittelt wird aus der Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel und/oder Anzahl der Lastklassen, insbesondere der Gesamt-Anzahl von vorbestimmten Lastklassen, insbesondere für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten, am Maschinenbauteil. Die Schädigungszahl kann insbesondere angegeben werden mit wenigstens einem Verhältnis, insbesondere einem Quotienten, einerseits einer Häufigkeit von Lastklassen-Wechsel und/oder Anzahl der Lastklassen in Bezug und zum anderen einem theoretischen Grenzwert auf einer Grenzkennlinie (Tausch-Kennlinien-Wert), welcher eine Grenz-Häufigkeit und/oder Grenz-Anzahl für das Maschinenbauteil angibt, bei welcher es aller Voraussicht und Erfahrung nach zu tauschen wäre. Eine bevorzugte Ausführungsform zur Ermittlung einer Schädigungszahl ist in
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte Offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
-
1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung der Funktionalitäten eines „virtuellen Sensors“ gemäß dem Konzept der Erfindung; -
2A ,2B zwei Beispiele idealisierter Verläufe einer Abgastemperatur aufgetragen als Temperatur über eine normierte Zeitachse als Beispiel einer Medientemperatur für das Betriebsmedium Abgas, wobei die Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische -im Sinne eines Zyklus zwischen einem oberen und unteren Temperaturniveau--, Betriebsdaten gemessen wird; -
3A ,3B einen ersten beispielhaften realen Verlauf einer Abgastemperatur und schattiert eine Anzahl von tatsächlich physikalisch gemessenen Bauteiltemperaturen an einem Abgasturboladergehäuse; dies an nicht weniger als acht Orten des Abgasturboladergehäuses (3A) sowie einen zweiten beispielhaften realen Verlauf einer Abgastemperatur und mittels dem „virtuellen Sensor“ einen mit einer zeitabhängigen Exponentialfunktion ermittelten bzw. berechneten Temperaturverlauf des Abgasturboladers als Folge der gemessenen Temperatur des Abgases (3B) ; -
4A ,4B eine tatsächlich physikalisch gemessene Bauteiltemperatur als Temperaturanstieg an einem Abgasturboladergehäuse und mittels dem „virtuellen Sensor“ einen mit einer zeitabhängigen Exponentialfunktion ermittelten bzw. berechneten Temperaturverlauf des Abgasturboladers als Folge der gemessenen Temperatur des Abgases, wobei die angegebenen Parameter a, b, c der Exponentialfunktion (4A) sowie die empirisch ermittelten Kennfelder zu den Parametern a, b, c der Exponentialfunktion (4B) beispielhaft dargestellt sind; -
5A ,5B einen örtlichen Temperaturunterschied an einem Abgasturbolader mit hier dargestellten und so bezeichneten Kennlinien TGH8 an einem ersten Ort und TGH3 an einem zweiten Ort, wobei der erste und zweite Ort über eine gewisse Distanz A getrennt sind, sodass dafür eine Temperaturänderungs-Amplitude bestimmbar ist (5A) sowie eine verallgemeinert dargestellte Klassierung einer solchen Temperaturänderungs-Amplitude in einem zweidimensionalen Diagramm als Grundlage eines Betriebsmusters (5B) ; -
6A ,6B zwei beispielhafte Betriebsmuster in Matrixform mit klassierten Temperaturänderungs-Amplituden; -
7 eine bevorzugte Vorgehensweise zur Ermittlung einer Schädigungszahl als Grundlage zur Ermittlung eines laufzeitbegrenzenden Zeitintervalls des Maschinenbauteils; -
8 einen grundsätzlichen Ablaufplan eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Maschinenbauteil das laufzeitbegrenzend für den Betrieb derselben ist.
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1 a preferred embodiment of an internal combustion engine in a schematic representation of the functionalities of a "virtual sensor" according to the concept of the invention; -
2A ,2 B two examples of idealized curves of an exhaust gas temperature plotted as a temperature over a normalized time axis as an example of a medium temperature for the operating medium exhaust gas, the medium temperature being measured as transient, in particular cyclical - in the sense of a cycle between an upper and lower temperature level - operating data; -
3A ,3B a first exemplary real course of an exhaust gas temperature and shaded a number of actually physically measured component temperatures on an exhaust gas turbocharger housing; this at no fewer than eight locations of the exhaust gas turbocharger housing (3A) as well as a second exemplary real course of an exhaust gas temperature and by means of the “virtual sensor” a temperature course of the exhaust gas turbocharger determined or calculated with a time-dependent exponential function as a result of the measured temperature of the exhaust gas (3B) ; -
4A ,4B an actually physically measured component temperature as a temperature increase on an exhaust gas turbocharger housing and by means of the "virtual sensor" a temperature profile of the exhaust gas turbocharger determined or calculated with a time-dependent exponential function as a result of the measured temperature of the exhaust gas, with the specified parameters a, b, c of the exponential function (4A) as well as the empirically determined maps for the parameters a, b, c of the exponential function (4B) are exemplified; -
5A ,5B a local temperature difference on an exhaust gas turbocharger with characteristic curves TGH8 shown here and designated as such at a first location and TGH3 at a second location, the first and second locations being separated by a certain distance A, so that a temperature change amplitude can be determined for this (5A) as well as a generalized classification of such a temperature change amplitude in a two-dimensional diagram as the basis of an operating pattern (5B) ; -
6A ,6B two exemplary operating patterns in matrix form with classified temperature change amplitudes; -
7 a preferred procedure for determining a damage number as a basis for determining a runtime-limiting time interval of the machine component; -
8th a basic flowchart of a method for operating an internal combustion engine with a machine component that limits the running time for the operation of the same.
Der transiente Betrieb einer Brennkraftmaschine 1 bewirkt ein transientes, insbesondere zumeist zyklisches Aufheizen und wieder Abkühlen des Motors und weiterer Komponenten derselben; beispielsweise im Sinne eines Zyklus zwischen einem oberen und unteren Temperaturniveau. Diese Prozesse einer Brennkraftmaschine 1 sind für einige symbolisch dargestellte Komponenten wie beispielsweise einem Motor M, einem Abgasturbolader AGT, einem Wärmetauscher WT sowie einer Abgasleitung mit Abgasnachbehandlungsaggregat AG in
Die Anzahl und das Ausmaß, insbesondere Größe bzw. Amplitude der durch Temperaturdifferenzen bzw. Temperaturgradienten dieser transienten Temperaturverläufe bzw. - zyklen bestimmen letztendlich die Lebensdauer der hier beispielhaft genannten Komponenten, da sie letztendlich einen Lastwechsel für die Komponenten bzw. deren Maschinenbauteile und eine damit verbundene thermische Ermüdung der Komponenten bzw. deren Maschinenbauteile hervorrufen.The number and extent, in particular size or amplitude, of the temperature differences or temperature gradients of these transient temperature profiles or cycles ultimately determine the service life of the components mentioned here as examples, since they ultimately result in a load change for the components or their machine parts and an associated cause thermal fatigue of the components or their machine parts.
Bislang werden die in Block 1' symbolisch gezeigten Temperaturverläufe T_i (i=M, AGT, WT, AG) weder von Teilen der Brennkraftmaschine noch der hier insbesondere gezeigten Komponenten bzw. deren Maschinenbauteile durchgehend erfasst. Allenfalls werden Medientemperaturen erfasst, d. h. Temperaturen T_j der Kühlmittel KM, Schmierstoffe wie Öle SS, der Kraftstoffe KS sowie der Ladeluft LL bzw. Abgastemperaturen AG (j=KM, SS, KS, LL, AG). Diese Medientemperaturen der den vorgenannten Komponenten zugeordneten Betriebsmedien sind in der Brennkraftmaschine 1 ebenfalls symbolisch dargestellt im Block 1"; nämlich beim Motor oder dessen Zylinderkopf real gemessen, beispielsweise für die Ladeluft, oder beim Abgasturbolader für die Ladeluft und Abgasmenge, oder beim Wärmetauscher für das Kühlmedium KM oder bei der Abgasnachbehandlung oder einer Abgasleitung für die Abgase AG. Entsprechende Temperaturverläufe T_j (j=KM, SS, KS, LL, AG) für die Betriebsmedien sind im Block 1" der
Die solcher Art zwar grundsätzlich verfügbaren Betriebsmedientemperaturen T_j (j=KM, SS, KS, LL; AG) und zumeist auch jedenfalls teilweise deren transienten Verläufe geben jedoch keine Auskunft über die Belastung des Motors M oder anderer Komponenten der Brennkraftmaschine 1 als solche. Sie stellen allenfalls Aussagen zur Verfügung betreffend grundsätzliche Abweichungen vom Normalbetrieb der Brennkraftmachine; beispielsweise eine Aussage derart, dass die Kühlwassertemperatur für den Motor erhöht ist und der Motor M entweder außerhalb des Normalbetriebs läuft oder die Kühlung problematisch ist. Somit ist auch ein etwaiger Schädigungsgrad aufgrund der thermischen Ermüdung jedenfalls der Komponenten einer Brennkraftmaschine und damit der dadurch hervorrufende Abnutzungsgrad durch die thermische Ermüdung grundsätzlich bislang nicht bekannt - weder im Ergebnis noch in deren transienten Verlauf.The operating medium temperatures T_j (j=KM, SS, KS, LL; AG) that are generally available in this way and mostly at least partially their transient curves do not provide any information about the load on the motor M or other components of the
Als Folge können Schädigungen und tatsächlich eintretende Schäden bei einer Brennkraftmaschine 1 im Feld im Detail weder antizipiert noch nachvollzogen werden - d. h. im Ergebnis besteht bislang immer noch ein vergleichsweises hohes Gefahrenpotential, dass eine Brennkraftmaschine unerwartet ausfällt. Dies ist in den allermeisten Fällen mit einem hohen Risiko für das Fahrzeug verbunden, in dem die Brennkraftmaschine installiert ist - so beispielsweise bei einem Schiff mit einem Schiffsmotor oder dergleichen.As a result, damage and damage that actually occurs in an
Deswegen sieht das Konzept der Erfindung im Rahmen des in
Bisherige Berechnungen wie Festigkeitsrechnungen der eingangs genannten Art sind zum Teil sehr ungenau und müssen deswegen äußerst konservativ durchgeführt werden, um demnach präventive Wartungs- und Austauschintervalle von Motorkomponenten meistens zu kurz zu definieren. Dieser Sachstand verursacht vergleichsweise hohe Lebenszykluskosten und führt zur Senkung der Wettbewerbsfähigkeit.Previous calculations, such as strength calculations of the type mentioned at the outset, are in part very imprecise and must therefore be carried out extremely conservatively in order to define preventive maintenance and replacement intervals for engine components that are usually too short. This state of affairs causes comparatively high life cycle costs and leads to a reduction in competitiveness.
Das Konzept der Erfindung hat erkannt, dass eine thermische Belastung von Maschinenbauteilen der Brennkraftmaschine erst dann verlässlich beurteilt werden kann, wenn die Medientemperaturen, beispielsweise die vorgenannten Medientemperaturen der Ladeluft LL, des Abgases AG, des Kühlmittels KM und dergleichen nicht nur überwacht, sondern auch deren transiente Verläufe T_j (j=KM, SS, KS, LL; AG) gezielt aufgenommen und abgespeichert werden können.The concept of the invention has recognized that a thermal load on machine components of the internal combustion engine can only be reliably assessed if the medium temperatures, for example the aforementioned medium temperatures of the charge air LL, the exhaust gas AG, the coolant KM and the like are not only monitored, but also their transient curves T_j (j=KM, SS, KS, LL; AG) can be specifically recorded and saved.
Dazu sieht ein Antriebssystem 100 wie es in
Betriebsdaten der Brennkraftmaschine 1 und der Betriebsmedien, d.h. hier der Kühlmittel KM, Schmierstoffe wie Öle SS, der Kraftstoffe KS sowie der Ladeluft LL bzw. Abgastemperaturen AG wie sie unter 1' in
Die vorgenannte Medientemperatur unter Block 1" ist gemäß dem Konzept der Erfindung nicht mit der Bauteiltemperatur unter Block 1' gleichzusetzen - das Konzept der Erfindung sieht außerdem eine Auswerteeinheit AE und/oder eine Remote-Einheit RE vor, die mit der ECU zusammenarbeiten. Jedenfalls die Auswerteeinheit AE mit der Erfassungseinrichtung EE, ggfs. in datentechnischer Verbindung mit der Remote-Einheit RE und/oder der ECU stellen die Funktionalität des „virtuellen Sensors“ VS zur Verfügung mittels die transienten bzw. zyklischen Temperaturverläufe T_M, T_AGT, T_WT, T_AG für die oben genannten Komponenten bzw. deren Maschinenbauteile der Brennkraftmaschine 1 gemäß Block 1' ermittelt werden --ohne diese aufwendig mittels einer realen Sensorik mit den eingangs genannten Nachteilen messen zu müssen--.According to the concept of the invention, the aforementioned media temperature below
Während bislang auf Sensorwerte von physikalisch vorhandenen Sensoren der Anlage zurückgegriffen werden muss hat das Konzept der Erfindung erkannt, dass die hier vorliegend beschriebene Sensorik S mit dem „virtuellen Sensor“ VS erhebliche Vorteile gegenüber bekannten physikalisch vorhandenen Sensormodellen hat. Sind nämlich bei physikalisch vorhandenen Sensorsystemen andere oder weitere Werte interessant, müssen in der Regel weitere Sensoren nachgerüstet werden. Dies verteuert die Anlage und senkt gleichzeitig seine Zuverlässigkeit. Das Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung kommt ohne diese physikalischen Sensoren aus und erzeugt somit keine, oder nur marginale, zusätzlichen Kosten.While previously based on sensor values from physically present sensors of the plant The concept of the invention has recognized that the sensor system S described here with the “virtual sensor” VS has considerable advantages over known, physically existing sensor models. If other or additional values are of interest in physically existing sensor systems, additional sensors usually have to be retrofitted. This makes the system more expensive and at the same time reduces its reliability. The method according to the concept of the invention manages without these physical sensors and thus generates no, or only marginal, additional costs.
Der „virtuelle Sensor“ VS ist ausgebildet,
- - Betriebsdaten T_M, T_AGT, T_WT, T AG eines Maschinenbauteil -wie etwa Motor M, einem Abgasturbolader AGT, einem Wärmetauscher WT sowie einer Abgasleitung mit Abgasnachbehandlungsaggregat AG-- zu bestimmen, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur T_j (j=KM, SS, KS, LL; AG) eines der Betriebsmedien KM, SS, KS, LL; AG umfassen, und
- - die wenigstens eine Medientemperatur T_j (j=KM, SS, KS, LL; AG) als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird.
- - To determine operating data T_M, T_AGT, T_WT, T AG of a machine component - such as engine M, an exhaust gas turbocharger AGT, a heat exchanger WT and an exhaust pipe with exhaust gas aftertreatment unit AG - by determining those operating data that are in an effective connection with a, in particular actual load profile of the machine component, these operating data being at least one media temperature T_j (j=KM, SS, KS, LL; AG) of one of the operating media KM, SS, KS, LL; AG include, and
- - The at least one medium temperature T_j (j=KM, SS, KS, LL; AG) is measured as transient, in particular cyclic, operating data.
Des Weiteren ist gemäß dem Konzept der Erfindung im Rahmen der Auswerteeinheit AE bzw. Remote-Einheit RE vorgesehen, dass der genannte Wirkzusammenhang mittels einem Algorithmus dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteiltemperatur T_M, T_AGT, T_WT, T_AG wie im Block 1' transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur wie im Block 1". Das Konzept der Erfindung umfasst also die Erstellung und Anwendung von Algorithmen, mit deren Hilfe die Maschinenbauteiltemperatur T_M, T_AGT, T_WT, T_AG aufgrund der Medientemperatur ermittelt wird - dies wird im Folgenden auch als Funktionalität des „virtuellen Sensors“ VS bezeichnet.Furthermore, according to the concept of the invention, it is provided within the framework of the evaluation unit AE or remote unit RE that the mentioned causal relationship is represented by means of an algorithm such that a machine component temperature T_M, T_AGT, T_WT, T_AG is transiently determined as in block 1' from the transient medium temperature as in
Weiter ist die Auswerteeinheit AE bzw. die Remote-Einheit RE ausgebildet, mittels der transienten Maschinenbauteiltemperatur T_M, T_AGT, T_WT, T_AG wie im Block 1' dargestellt wenigstens eine Temperaturänderung der Maschinenbauteiltemperatur --insbesondere eine Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur-- anzugeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnenden Betriebsmusters zu klassieren.Furthermore, the evaluation unit AE or the remote unit RE is designed to indicate at least one temperature change in the machine component temperature--in particular a temperature change amplitude of the machine component temperature-- using the transient machine component temperature T_M, T_AGT, T_WT, T_AG as shown in block 1' and to be classified as the basis of an operating pattern characterizing the operation of the machine component.
Es hat sich gezeigt, dass die erfassten Temperaturänderungen oder Temperaturgradienten innerhalb des vorgenannten Motorkomponenten beispielsweise mit Hilfe eines modernen Vertreters einer stochastischen Auswertung, nämlich der Rainflow-Zählungsmethode Aufschluss über den transienten Betrieb und über die Belastung bzw. Festigkeitsgrenze der Komponenten geben kann. Als Resultat werden die thermischen Lastwechsel unterschiedlicher Größenordnungen in einem Betriebsmuster gespeichert - die Größenordnungen können je nach Bedarf im Rahmen der Klassierung festgelegt werden. Das Betriebsmuster kann dann die Grundlage für die genaue Berechnung der transienten Belastung bzw. Festigkeitsgrenzen bilden. Auf Grundlage des Betriebsmusters kann das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine also für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben werden. So kann das präventive Tausch- oder Überholungsintervall von diesem Baumaschinenbauteil abhängig vom Lastprofil bzw. Betriebsmuster definiert werden.It has been shown that the detected temperature changes or temperature gradients within the aforementioned engine components can provide information about the transient operation and the load or strength limit of the components, for example with the help of a modern representative of a stochastic evaluation, namely the rainflow counting method. As a result, the thermal load changes of different magnitudes are stored in an operating pattern - the magnitudes can be defined as required within the framework of the classification. The operating pattern can then form the basis for the exact calculation of the transient load or strength limits. On the basis of the operating pattern, the time interval that limits the running time of the internal combustion engine can therefore be specified for the operation of the internal combustion engine. In this way, the preventive exchange or overhaul interval for this construction machine component can be defined depending on the load profile or operating pattern.
Ein solches Konzept führt zu einem vergleichsweise intelligenten Wartungskonzept unter Optimierung der Auslegungsmethoden in Analytik und Bildung von Prognosemodellen. Durch den Fortschritt der IT-Technologien können die Betriebsdaten einer Anlage während des realen Betriebs präzise erfasst und ausgewertet werden. Dies leistet die Sensorik, die Erfassungseinheit EE und die Auswerteeinheit AE/RU, d. h. die Daten können entweder lokal auf einer „On-Board Unit“ AE ausgewertet und gespeichert EE oder an einen Server für ausführlichere Analysen wie die RE versandt werden. Somit werden die Betriebsdaten vermehrt für die Beurteilung der Funktionalität und der Belastbarkeit der technischen Systeme einbezogen.Such a concept leads to a comparatively intelligent maintenance concept with optimization of the design methods in analysis and the formation of forecast models. Due to advances in IT technologies, the operating data of a system can be precisely recorded and evaluated during real operation. This is achieved by the sensors, the registration unit EE and the evaluation unit AE/RU, i. H. the data can either be evaluated and stored locally on an "on-board unit" AE or sent to a server for more detailed analyzes such as the RE. Thus, the operating data are increasingly included for the assessment of the functionality and the resilience of the technical systems.
Das vorliegende Konzept der Erfindung wird im Folgenden schrittweise erläutert anhand von Grafiken die letztendlich eine sehr realistische und nachgewiesener Weise verlässliche virtuelle sensorische Erfassung einer transienten Maschinenbauteiltemperatur wie sie in 1' gezeigt ist zum Ergebnis hat.The present concept of the invention is explained step by step in the following using graphics, which ultimately results in a very realistic and proven reliable virtual sensory detection of a transient machine component temperature as shown in FIG. 1′.
Ein anderer Temperaturverlauf des Abgases 1''_AG ist in
Die Maschinenbauteiltemperatur T_AGT verhält sich --wie
- a - der maximale Temperaturanstieg des Bauteils bei einem Temperaturursprung des Abgases
- b - definiert die Steigung des Temperaturverlaufs
- c - Anfangstemperatur des Bauteils entsprechend der Vorgeschichte.
- a - the maximum temperature rise of the component at a temperature origin of the exhaust gas
- b - defines the slope of the temperature profile
- c - initial temperature of the component according to the history.
Die in der Wärme- und Stoffübertragungslehre bewährte Beschreibung von Temperaturverläufen eines Bauteils mit einer zeitabhängigen Exponentialunktion erweist sich also als realistisch im Rahmen des Konzepts der Erfindung. Die Therme dieser Funktion können grundsätzlich physikalische Größen sein, welche die Strömungseigenschaften des Mediums beschreiben wie beispielsweise Temperatur des Mediums und Massenstrom des Mediums - es können auch Umgebungsbedingungen und Bauteileigenschaften wie beispielsweise der Geometrie und des Werkstoffs wiedergegeben werden.The description of temperature profiles of a component with a time-dependent exponential function, which has proven its worth in heat and mass transfer theory, thus proves to be realistic within the scope of the concept of the invention. The terms of this function can basically be physical quantities that describe the flow properties of the medium such as the temperature of the medium and the mass flow of the medium - environmental conditions and component properties such as the geometry and the material can also be reproduced.
Im vorliegenden Fall wurde die in
Sind die Maschinenbauteiltemperaturen wie zuvor beispielhaft für den Abgasturbolader gezeigt nunmehr transient bekannt, d. h. zu verschiedenen Zeitpunkten und/oder an verschiedenen Orten--, d. h. über ein bestimmtes Bauteil örtlich verteilt-- lassen sich daraus naturgemäß Temperaturunterschiede bzw. Temperaturgradienten bestimmen. D.h. zeitlich an einem ersten und einen zweiten Zeitpunkt und/oder örtlich an einem ersten und einem zweiten Bauteilort. Solche zeitlichen und/oder örtlichen Temperaturänderungen lassen sich festhalten und - bevorzugte über daraus bestimmte Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil- Temperatur (etwa anhand der Temperaturniveaus wie sie in
Die Matrix LCF der
Die Matrix TMF der
Aus der Zusammenschau bzw. Korrelation der in den Matrizen LCF und TMF eingetragenen Lasthäufigkeiten pro Klasse lässt sich ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils in Bezug auf ein Betriebsmuster des Motors angeben und auf Grundlage des Betriebsmusters lässt sich ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angeben. So kann eine Gesamt-Anzahl von vorbestimmten Lastklassen, insbesondere für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten, für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt werden, derart, dass mittels der Gesamt-Anzahl der vorbestimmten Lastklassen ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird.From the synopsis or correlation of the load frequencies per class entered in the matrices LCF and TMF, an operating pattern of the machine component in relation to an operating pattern of the engine can be specified and, based on the operating pattern, a time interval of the machine component that limits the running time for the operation of the internal combustion engine can be determined specify. A total number of predetermined load classes, in particular for loads outside of nominal operation and/or extreme loads, can be determined for the operation of the machine component, such that an operating pattern of the machine component is specified using the total number of predetermined load classes.
In
Die in
Grundsätzlich kann eine Matrix auch die Häufigkeit angeben, mit der im Betrieb an einem Ort eine zeitliche Temperaturänderungs-Amplitude durchlaufen wurde.In principle, a matrix can also specify the frequency with which a temporal temperature change amplitude was run through at a location during operation.
Dabei stellt die abfallende Kurve der Grenzkennlinie GK eine theoretische Darstellung von Grenzpunkten GP von Lastwechseln dar, die eine massive Schädigung und damit den Austausch des Maschinenbauteils zur Folge haben sollten. Mit anderen Worten ist das Verhältnis ni zu Ni entscheidend für die Schädigungszahl D_i- ist diese Schädigungszahl D_i oder eine GesamtSchädigung D > 1 könnte die Schädigung des Bauteils vergleichsweise weit fortgeschritten sein, und das Bauteil sollte ausgetauscht werden bzw. es ist sehr wahrscheinlich, dass es ausfällt. Die abfallende Kurve der Grenzkennlinie GK ergibt sich aus einer im Grenzfall noch erträglichen Höhe einer Temperaturänderungsamplitude und der im Grenzfall noch erträglichen Häufigkeit dafür für die Belastung des Maschinen-Bauteils. Anders ausgedrückt, je größer die Amplitude der Temperaturänderung ist, desto geringer ist die Häufigkeit mit der diese erreicht werden darf bevor das Bauteil ausgetauscht wird (dies stellt das Verhältnis n1 zu N1 bei ΔT1=400°C dar). Ist die Amplitude dagegen klein kann diese häufiger auftreten ohne dass das Bauteil ermüdet und erst bei sehr hohen Häufigkeitsraten müsste das Bauteil ausgetauscht werden (dies stellt das Verhältnis n2 zu N2 dar bei ΔT2=200°C). Die solchermaßen ermittelte Schädigungszahl ist mit theoretischem Hintergrund auch in dem eingangs genannten Artikel erläutert.The falling curve of the limit characteristic GK represents a theoretical representation of limit points GP of load changes should result in massive damage and thus the replacement of the machine component. In other words, the ratio ni to Ni is decisive for the damage number D_i. If this damage number D_i or total damage D > 1, the damage to the component could be comparatively far advanced and the component should be replaced or it is very likely that it fails. The falling curve of the limit characteristic GK results from a level of temperature change amplitude that is still tolerable in the limit case and the frequency that is still tolerable in the limit case for the loading of the machine component. In other words, the greater the amplitude of the temperature change, the lower the number of times it can be reached before the component is replaced (this represents the ratio n1 to N1 at ΔT1=400°C). On the other hand, if the amplitude is small, it can occur more frequently without the component tiring and the component would only have to be replaced at very high frequency rates (this represents the ratio n2 to N2 at ΔT2=200°C). The number of damage determined in this way is also explained with a theoretical background in the article mentioned at the beginning.
Vorliegend kann sich eine Gesamt-Schädigungszahl ermitteln lassen für das Bauteil, indem über den Quotienten D_i=n_i/N_i summiert wird. Die fetten Balken in dem Diagramm kennzeichnen die Temperatur-Lastwechsel-Reserven Ri=(Ni-ni)/Ni., wobei gilt Ri+Di=1.In the present case, a total damage number can be determined for the component by adding up the quotient D_i=n_i/N_i. The bold bars in the diagram characterize the temperature load change reserves Ri=(Ni-ni)/Ni., where Ri+Di=1 applies.
Gemäß dem Konzept der Erfindung werden zunächst im Schritt S1 Betriebsdaten des Maschinenbauteils bestimmt, indem diejenigen Betriebsdaten - hier eine T7 Abgastemperatur-ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit dem tatsächlichen Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien -hier ein Abgas-- umfassen; dies kann beispielsweise auch das Messen einer Kühlmittel oder Ladeflufttemperatur betreffen.According to the concept of the invention, operating data of the machine component are first determined in step S1, in that those operating data - here a T7 exhaust gas temperature - are determined which are functionally related to the actual load profile of the machine component, with these operating data at least one media temperature of one of the operating media - here an exhaust gas-- comprise; this can also relate to measuring a coolant or charge air temperature, for example.
Die wenigstens eine Medientemperatur wird als transiente insbesondere zyklische Betriebsdaten gemessen im Schritt S1.The at least one medium temperature is measured as transient, in particular cyclical, operating data in step S1.
Der Wirkzusammenhang wird mittels eines Algorithmus dargestellt derart, dass eine Maschinenbauteiltemperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur - dies wird im Schritt S2 mit dem zuvor erläuterten Algorithmus umgesetzt; d.h. es wird als Ergebnis eines virtuellen Sensors VS eine virtuelle Temperatur T des Maschinenbauteils gemessen, also insbesondere beispielsweise über eine empirische Gleichung angegeben, wie dies anhand
Im Schritt S3 kann mittels der transienten Maschinenbauteiltemperatur wenigstens eine Temperaturänderung der Maschinenbauteiltemperatur, insbesondere Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur, angegeben werden und als Grundlage eines im Betrieb des Maschinenbauteils gekennzeichneten Betriebsmusters klassiert werden; wie dies anhand
Im Schritt S5 wird eine Auswertung vorgenommen und pro Klasse die Häufigkeit oder Anzahl ausgelesen, mit der diese Klasse betrieben wurde bzw. der in x-Richtung (waagerecht) gemessene Abstand Ri zur Temperaturreserve, d. h. der Grenzkurve GK, die in
Aus dem Verhältnis, welches die Schädigungszahl Di oder D ausdrückt, lässt sich damit im Schritt S6 eine Schädigungszahl berechnen die, solange sie kleiner als 1 ist zur häufigeren Wiederholung der vorgenannten Schritte führt. Sollte die Schädigungszahl Di oder D jedoch größer 1 sein kann im Schritt S7 eine Empfehlung zum Tausch des Bauteils ausgesprochen werden.A damage number can thus be calculated in step S6 from the ratio, which expresses the damage number Di or D, which, as long as it is less than 1, leads to the aforementioned steps being repeated more frequently. However, if the damage number Di or D is greater than 1, a recommendation to replace the component can be made in step S7.
Ist das Bauteil getauscht kann im Schritt S8 die Matrix auf 0 gesetzt werden und der Vorgang wieder beginnen.If the component has been exchanged, the matrix can be set to 0 in step S8 and the process can begin again.
Im Schritt S9 lassen sich diese Maßnahmen für sämtliche relevanten Maschinenbauteile, d. h. insbesondere Komponenten einer Brennkraftmaschine umsetzen - die Summe derselben gibt eine Gesamtschädigungsrate der Brennkraftmaschine und führt insofern auch zu einer Angabe eines laufzeitbegrenzenden Intervalls für den Betrieb der Brennkraftmaschine insgesamt.In step S9, these measures can be implemented for all relevant machine components, ie in particular components of an internal combustion engine - the sum of these gives an overall damage rate of the internal combustion engine and in this respect also leads to an indication of a runtime-limiting interval for the operation of the internal combustion engine as a whole.
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- Antriebssystemdrive system
- 11
- Brennkraftmaschineinternal combustion engine
- MM
- Motorengine
- AGTAGT
- Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
- WTWT
- Wärmetauscherheat exchanger
- AGInc
- Abgasleitung mit AbgasnachbehandlungsaggregatExhaust line with exhaust aftertreatment unit
- TT
- Temperaturverläufetemperature curves
- KMKM
- Kühlmediumcooling medium
- AGInc
- Abgaseexhaust gases
- LLLL
- Ladeluftcharge air
- SS
- Sensoriksensors
- EEEE
- Erfassungseinrichtungdetection device
- AEAE
- Auswerteeinheitevaluation unit
- RURU
- Remote-Einheitremote unit
- U1, U2U1, U2
- Umkehrbereichereversal areas
- AA
- Distanzdistance
- D, DiD, Tue
- Schädigungszahldamage number
- SSss
- Schmierstoffelubricants
- KSKS
- Kraftstoffefuels
- VSvs
- virtueller Sensorvirtual sensor
- nMOTnMOT
- Motordrehzahlengine speed
- MMmm
- Motormomentengine torque
- S1 ... S9S1...S9
- Schrittesteps
- LWLw
- Lastwechselload change
- KLcl
- Klassierungclassification
- TMFTMF
- Temperatur-Klassierungtemperature classification
- TCFTCF
- Last-Klassierungload classification
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