WO2012013260A1 - Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen kraftwagen, sowie verfahren zum betreiben einer solchen hubkolbenmaschine - Google Patents

Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen kraftwagen, sowie verfahren zum betreiben einer solchen hubkolbenmaschine Download PDF

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WO2012013260A1
WO2012013260A1 PCT/EP2011/002888 EP2011002888W WO2012013260A1 WO 2012013260 A1 WO2012013260 A1 WO 2012013260A1 EP 2011002888 W EP2011002888 W EP 2011002888W WO 2012013260 A1 WO2012013260 A1 WO 2012013260A1
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WO
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piston
component
cylinder
reciprocating
compression ratio
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/002888
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Wodischek
Simone NOWAK
Bernd-Heinrich Schmitfranz
Tilmann RÖMHELD
Michael Wagenplast
Dieter Nowak
Original Assignee
Daimler Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/02—Varying compression ratio by alteration or displacement of piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F02B75/048—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads by means of a variable crank stroke length

Definitions

  • Reciprocating piston engine in particular for a motor vehicle, and method for operating such a reciprocating piston engine
  • the invention relates to a reciprocating engine, in particular for a motor vehicle specified in the preamble of claim 1 type, a reciprocating engine specified in the preamble of claim 9 species, and a method for operating such a reciprocating engine in the preamble of claim 10th
  • a reciprocating piston engine which comprises a device by means of which a compression ratio of a cylinder of the reciprocating engine is variably adjustable.
  • a piston is the
  • Reciprocating engine arranged translationally movable, wherein below the cylinder, a sensor is arranged, by means of which the bottom dead center of the piston in the cylinder can be detected.
  • EP 1 143 127 B1 discloses an internal combustion engine with at least one cylinder in which a piston can shift between a top dead center and a bottom dead center. Further, the internal combustion engine includes means for varying the top dead center position between predetermined limits while simultaneously controlling the stroke of the piston, the bottom dead center position, and correlatively
  • these means comprise a connecting rod, which is articulated on the one hand on the piston and on the other hand to a main connecting rod which rotates on a crankshaft, wherein the Hauptpleuelstange is articulated to a swing arm, which forms a rocking lever, which with a device for regulating the position of Swing arm is connected.
  • This device controls the positions of the top and bottom dead center, with the main connecting rod a short arm between a crankpin of the crankshaft and an axis of the connecting rod and a long arm defining with the short arm an angle between about 100 ° and 130 ° and is disposed between the crankpin and a hinge axis on the rocker arm forming the swing arm comprises ,
  • an internal combustion engine which comprises a piston and a crank pin. Furthermore, the internal combustion engine comprises a two-part connecting rod and a lever which connects the two parts of the connecting rod together. Furthermore, an adjusting device is provided, by means of which the position of the lever and thereby the operative length of the
  • Crank is adjustable.
  • the known reciprocating engines have potential to set the compression ratio more precise and needs-based.
  • Patent claim 1 by a reciprocating engine having the features of
  • Patent claim 9 and by a method for operating such
  • the first aspect of the invention relates to a reciprocating engine, in particular for a motor vehicle, which comprises a crankshaft with at least one crank pin as the first component, which is rotatably mounted on which a lever element as a second component. Furthermore, it comprises at least one in a corresponding cylinder as the third component of the reciprocating engine translationally guided guided piston as the fourth component, which is connected via a connecting rod as a fifth component articulated to the lever member. Furthermore, the reciprocating engine comprises at least one
  • Actuating means by means of which for variable adjustment of the compression ratio of the cylinder, the lever member is rotatable relative to the crank pin.
  • the reciprocating engine comprises at least one, at least partially fixed to at least one of the components arranged detection means by means of which at least one position of this component relative to a reference point can be detected.
  • This reference point can be arranged, for example, on a housing of the reciprocating piston engine, in particular a crankcase, which surrounds the actuating device, or on another of the components. This detection of the position of the corresponding component or one of the position
  • Characterizing signal allows the set compression ratio of the cylinder can be determined precisely based on the position. Depending on the set compression ratio, the component takes one or during operation of the
  • Internal combustion engine a plurality of characterizing positions, based on which or by which exactly a corresponding compression ratio is to identify.
  • Compression ratio is actually set, or whether the set
  • Compression ratio as the actual compression ratio of a set target compression ratio, for example due to wear of the
  • the reciprocating piston engine may be an internal combustion engine, wherein combustion processes take place in the cylinder and a translational movement of the piston via the crank pin is converted into a rotational movement of the crankshaft. It is also possible that the reciprocating engine is an otherwise reciprocating engine such as a reciprocating compressor for compressing air.
  • the reciprocating engine has a plurality of cylinders, wherein each of the cylinders is associated with at least one such adjusting device.
  • each of the cylinders is associated with at least one such adjusting device.
  • Reciprocating engine with compression ratios of the cylinder is operable, wherein the compression ratios differ from each other.
  • the respective detection device makes it possible to determine the set compression ratio of the respective cylinder based on the position of the corresponding component and this position or the position
  • the adjusting device comprises, for example, a control piston with a piston and a piston rod fixedly connected to the piston, which is connected to the lever element and via which the lever element relative to the crank pin for
  • the control piston is
  • Hydraulic medium in particular a hydraulic fluid, displaceable.
  • so supply of hydraulic medium in the cylinder or out of the cylinder takes place for example via an electromagnet and / or by means of a pump.
  • the control piston is at least partially designed as an electromagnet and can be actuated according to the operating principle of an electromagnet.
  • a passive adjustment is possible in which the piston is moved due to gas and inertial forces of the piston
  • Reciprocating piston which act for example via a piston in the cylinder on the control piston and thus on the piston of the actuator.
  • the piston of the actuator is by the hydraulic medium and valve means, for example, check valves, which via other control valves, such as a
  • Control spool with control edges, which lines for the hydraulic medium enable or block, are switched in a desired direction of movement released and opposite in the desired direction of movement
  • Movement direction blocked or completely held It is a kind of hydraulic freewheel.
  • This embodiment has the advantage that a desired compression ratio can be set without and with only a very small additional energy input.
  • a self-priming adjusting device is shown in which the piston of the adjusting device displaces hydraulic medium from a working space and / or draws it into or into a further working space.
  • control piston is designed as a pneumatic piston and held displaceably guided in a cylinder, wherein the control piston is movable by acting on the cylinder with compressed air. It is also possible to control the pressurization of the cylinder with compressed air, ie the supply of compressed air into the cylinder or out of the cylinder by means of an electromagnet. In all respects, the use of an electromagnet has the advantage that the control piston can be actuated particularly quickly and thus the compression ratio can be set particularly quickly and at a given operating point
  • Reciprocating piston engine in particular to changing operating points of the
  • Reciprocating engine is customizable. This causes a particularly efficient, low-emission and low-energy operation of the reciprocating engine.
  • control piston via a gear, in particular a pinion, wherein the control piston is at least partially formed as a rack with a toothing, which cooperates with a corresponding toothing of the gear at least for actuating the control piston.
  • control piston can be actuated via a cam, wherein the control piston is formed at least in regions as a rod.
  • control piston is designed as a spindle and actuated by means of a ball screw screen.
  • the detected position with respect to a detected rotational position of the crankshaft and thus the crank pin set.
  • at least one rotational position of the crankshaft which is also referred to as a crank angle, is advantageously detected by means of a detection device. This allows the set
  • Compression ratio exactly based on the dependence on the detected position of the component in its relation to the detected rotational position of the crankshaft and thus the Identify the journal. This avoids any ambiguity of the detected position or of the position of the component characterizing and detected signal for the set compression ratio.
  • the detection device is at least partially fixedly arranged on the cylinder, wherein by means of
  • Detecting means at least one position of the piston relative to the cylinder can be detected.
  • the reference point is arranged on the cylinder.
  • the detection device is designed as an eddy current sensor. It is also possible that the detection device is designed as an incremental encoder, which allows a particularly precise detection of the position of the component. It is particularly advantageous if the incremental encoder for detecting the position of the component relative to the reference point with a fixedly arranged on this component, meander-shaped encoder structure cooperates. This ensures a particularly precise detection of the position and thus a particularly precise adjustment of the compression ratio over a long service life and wear of the reciprocating engine away.
  • At least one rotational position of the lever element relative to the crank pin can be detected by means of the detection device, wherein the detection device is at least partially disposed on the lever element and / or at least partially on the crank pin.
  • a further possibility of determining the compression ratio very precisely and, accordingly, setting it precisely is possible if at least one rotational position of the piston relative to the connecting rod can be detected by means of the detection device.
  • the detection device is at least partially fixedly arranged on the connecting rod, which also a particularly accurate detection
  • Detecting device is to be selected on one of the components as needed, and depending on given space conditions. It is also possible to combine the different arrangements of the detection device with each other, so as to realize a very precise determination of the compression ratio.
  • the detection device comprises an encoder plate which is fixedly arranged with the connecting rod or on a component or housing of the reciprocating piston moving relative thereto, wherein the detection device can be meander-shaped and thus the production of a position of the component, in particular the Pleuels, very precise characterizing signal allows.
  • the Hall sensor preferably comprises a fixedly on the component, in particular on the connecting rod or on the cylinder, arranged magnetic encoder part, in particular a donor plate, and a fixedly arranged on the cylinder or on the connecting rod detection part, in particular a
  • Detection plate Leads the component whose position is to be determined Pivoting movement about a pivot axis, since the component moves during operation of the reciprocating engine, and this leads to a pivoting movement of the encoder part relative to the detection part, it is advantageous if the magnetic transmitter part and / or the detection part formed at least partially curved are, wherein the center of this curvature advantageously at least in
  • Pivoting movement relative to the magnetic transmitter part is at least reduced and the position of the corresponding component is to be detected particularly precisely. It is advantageous if the magnetic field of the magnetic encoder part of the curvature is correspondingly curved and thus formed at least partially arcuate.
  • the detection device is at least partially fixedly arranged on the piston, so that, for example, the position of the piston relative to the cylinder can be detected. This allows particularly precise determinations of the set compression ratio and thus the precise setting and, if necessary, readjustment thereof.
  • Reference point is to be determined particularly precisely when the detection device is designed as an optical detection device or as an ultrasonic detection device. Also in this embodiment, a non-contact detection of the position of the component is made possible, so that the movement of the component relative to the reference point or to another component or to a housing, for example in the form of a friction increase is not adversely affected. At the same time, the set compression ratio can be determined very accurately and, as a result, the compression ratio must be set precisely and as needed.
  • the detection device comprises at least one fixed to the component
  • the position of the component can be detected particularly precisely, since, for example, the duration from the time at which the rays are emitted to the detection of the rays reflected by the reflection plate is detected and the distance of the component from the sensor is deduced.
  • the optical detection device allows a very rapid detection of the position or of the position characterizing signal during the operation of the Reciprocating engine. It is also possible to arrange the reflection part obliquely in a direction of movement of the setting part, from which a corresponding
  • the reciprocating engine comprises at least one on the one hand with the piston articulated and on the other hand at a bearing point, in particular on a housing and in particular on the crankcase of the reciprocating engine rotatably mounted additional linkage.
  • the detection device is at least one rotational position of the additional linkage relative to the bearing point can be detected. This represents a further possibility to precisely determine the compression ratio as a function of the rotational position of the additional linkage and to control
  • the third aspect of the invention relates to a method for operating a
  • Reciprocating piston engine in particular for a motor vehicle, with a crankshaft and with at least one crankpin as a first component, on which a lever element is rotatably mounted as a second component, and with at least one in a corresponding cylinder as the third component of the reciprocating engine translationally guided guided piston as a fourth component, which is connected via a connecting rod as a fifth component articulated to the lever element.
  • the lever member for variably setting the compression ratio of the cylinder is rotated by means of an actuator relative to the crank pin.
  • the compression ratio of the cylinder is determined relative to a reference point as a function of at least one position of this component detected by means of at least one detection device arranged at least partially fixedly on one of the components.
  • the actual compression ratio can be compared with a set and desired target compression ratio and, if necessary, subsequent control or readjustment can be carried out in order to adapt the actual compression ratio very precisely to the desired nominal compression ratio.
  • the reciprocating engine comprises a plurality of cylinders, the compression ratios of which are independently controlled variably in a cylinder-individually or stepwise or continuously adjustable by means of the respective adjusting device.
  • each cylinder or the compression ratio of the individual cylinders can be adapted to the present operating point and, if appropriate, to the current cycle of the cylinder or of the piston, thus realizing a particularly efficient operation of the reciprocating piston engine.
  • the compression ratio of the cylinder can be determined as a function of at least one position of the connecting rod detected by means of at least one detection device arranged at least partially fixedly on the connecting rod. Furthermore, it can be provided that the compression ratio is determined as a function of at least one position of the piston detected by means of at least one detection device arranged at least partially fixedly on the piston. A particularly meaningful and accurate determination of the compression ratio is possible if the described types for determining the compression ratio are at least partially combined with each other and optionally compared and compared.
  • Fig. 1 a detail of a schematic side view of a crank mechanism for a reciprocating engine with a plurality of cylinders and the cylinders associated pistons, wherein by means of the crank mechanism respective compression ratios of the cylinder cylinder individually independently adjustable;
  • Fig. 2 shows a detail of a schematic side view of the crank mechanism according to
  • FIG. 1 with a schematic diagram for detecting a position of a
  • Compression ratio wherein based on the detected position of the control piston, the set compression ratio of the corresponding cylinder is determined
  • Fig. 4 is a schematic side view of another embodiment of the
  • Fig. 5 is a schematic side view of another embodiment of the
  • Fig. 6 are each a schematic side view of two embodiments of the
  • Fig. 1 shows a crank mechanism 10 for a reciprocating engine of a motor vehicle, wherein the reciprocating piston engine comprises a plurality of cylinders.
  • the crank mechanism 10 will be described with reference to FIG. 1 with respect to one of these cylinders corresponding to the crank mechanism 10 of the reciprocating piston engine. It is understood that the description of the crank mechanism 10 and the cylinder is analogous to the other cylinders of the reciprocating piston engine, in particular all others.
  • the crank mechanism 10 comprises a crankshaft 12, which has main bearing points, via which the crankshaft 12 is mounted in a crankcase of the reciprocating engine. Furthermore, the crankshaft 12 crank webs, of which such a crank arm 14 is shown in FIG. 1. In addition, the crankshaft 2 crank pin, of which a crank pin 16 is shown in FIG. The crank pin 16 corresponds to a cylinder of the reciprocating engine. In the same way, the other crank pins correspond to a cylinder of the same
  • crank operation 10 comprises a transverse lever 8, which is a first
  • Lever element 20 and a second lever element 22 includes, which are connected to each other, for example, screwed together, are.
  • the transverse lever 18 is rotatably mounted on the crank pin 16 relative to this about an axis of rotation 25 and performs strokes in a rotation of the crankshaft 12, for example, during operation of the reciprocating engine, with out.
  • the transverse lever 18 has a first bearing 24, on which a connecting rod 26 of the crank mechanism 10 is articulated.
  • the connecting rod 26 can rotate about a rotation axis 28.
  • the axis of rotation 28 is spaced from the axis of rotation 25 in the radial direction of the crank pin 16 by a first lever arm h1.
  • the crank mechanism 10 also includes a piston 30, which corresponds to the cylinder to which the crank pin 6 corresponds, and in which the piston 30 is received translationally movable.
  • the piston 30 is pivotally connected to the connecting rod 26 via a further bearing 32. Attached is the piston 30 to the connecting rod 26 via a piston pin, which in the piston 30 by a corresponding
  • Circlip is secured in the axial direction of the piston pin. If the piston 30 is moved translationally in the cylinder as a result of combustion processes, this translational movement is converted via the connecting rod 26, the transverse lever 18 and the crankpin 16 into a rotational movement of the crankshaft 12.
  • the transverse lever 18 has a further bearing 34, on which a control piston 36 of an adjusting device 38 of the reciprocating engine articulated and with the
  • Cross lever 18 is connected.
  • the control piston 36 can rotate about an axis of rotation 40 of the bearing 34.
  • the axis of rotation 40 is spaced from the axis of rotation 25 by a further lever h2 in the radial direction of the crank pin 16. It can be seen that the levers h1 and h2 differ in terms of amount.
  • the lever h2 is larger than the lever h1. It is also possible that the levers h1 and h2 are equal in magnitude, or that the lever h1 is greater than the lever h2.
  • the levers h1 and h2 are equal in magnitude, or that the lever h1 is greater than the lever h2.
  • Control piston 36, the adjusting device 38 comprises a housing 41 through which a cylinder is formed. In the cylinder, the control piston 36 is held translationally guided guided. By supplying or removing a working medium into the cylinder, for example compressed air, hydraulic fluid or the like, the control piston 36 can be moved translationally in accordance with a directional arrow 43 and extended with respect to the housing 41 according to a directional arrow 44 or retracted according to a directional arrow 46. In contrast to such an active attitude is also a passive one Adjustment possible, in which the control piston 36 is moved as a result of gas and inertial forces of the reciprocating engine, which act on the piston 30 on the control piston 36.
  • the control piston 36 is released by the working fluid and valve means, for example check valves which are connected via other control valves, for example, a control slide with control edges which lines for the working fluid release or obstruct, in a desired direction of movement and opposite in the desired direction of movement
  • valve means for example check valves which are connected via other control valves, for example, a control slide with control edges which lines for the working fluid release or obstruct, in a desired direction of movement and opposite in the desired direction of movement
  • Movement direction blocked or completely held It is a kind of hydraulic freewheel.
  • This embodiment has the advantage that a desired compression ratio can be set without and with only a very small additional energy input. It is also possible to actuate the control piston 36 by means of an electromagnet.
  • crank pin 16 moves up and down, which also leads to a movement of the transverse lever 18.
  • the adjusting device 38 also moves by the housing 41 pivotable about a pivot axis 42 at a
  • control piston 36 If the control piston 36 is moved translationally according to the directional arrow 43, this leads to a rotation of the transverse lever 18 relative to the crank pin 16 according to a directional arrow 48, whereby the compression ratio of the corresponding cylinder can be adjusted.
  • the adjustment of the control piston 36 acts on the ratio of the lever and h 2 to the same extent, reinforced or reduced.
  • the adjustment of the control piston 36 leads to an adjustment or adjustment of the top dead center of the piston 30 in the cylinder and thus to an adjustment or adjustment of the compression volume v c of the
  • the adjustment of the control piston 36 also affects the stroke and thus the stroke volume v H of the piston 30.
  • the stroke volume v H reduces with increasing compression ratio, which is desirable in the sense of the downsizing concept. This results in a corresponding compression ratio, which is also referred to as ⁇ .
  • each of the cylinders of the reciprocating engine associated with such a control device 38 by means of which the
  • Compression ratio of the corresponding cylinder can be adjusted independently of the other cylinders. This cylinder individual adjustment of the appropriate compression ratios allows a very precise and extremely needs-adapted adjustment of the reciprocating engine to present operating points, so that the reciprocating engine can be very efficient, low emissions and low energy consumption, especially fuel consumption, operated.
  • sensor 50 detects the position of the control piston 36 and a control rod this relative to a reference point and / or the stroke of the control piston 36 and a position and / or the stroke characterizing signal.
  • This signal is transmitted according to a directional arrow 52 to a position control 54 of a control device 56, wherein the control device 56 is formed, for example, as a control unit of the reciprocating engine.
  • the control device 56 further comprises a combustion control 58, by means of which the
  • the combustion control 58 takes into account inter alia a feedback 60 of the set actual compression ratio, which is determined by the position control 54 on the basis of the signal detected by the sensor 50 and thus on the basis of the position of the control piston 36.
  • the combustion controller 58 transmits a specification 62 of a desired compression ratio to the position control 54, which converts the desired compression ratio into a position to be set of the control piston 36.
  • the position control 54 also takes into account any other system variables 64 of the crank mechanism 10 and of the reciprocating piston engine.
  • the determined position for setting the desired compression ratio or a signal characterizing the position of the control piston 36 is transmitted to a control 65 for the control device 38, which transmits corresponding control signals to an actuator 66, by means of which the control piston 36 is moved and thus the compression ratio is set.
  • FIG. 3 shows a possibility of precisely determining the compression ratio as a function of a depth of immersion of the piston 30 into the cylinder detected by the sensor 50 and / or by detecting the upper and / or bottom dead center of the piston 30 by the sensor 50.
  • the sensor 50 comprises a
  • Eddy current sensor 68 and / or an eddy current sensor 68 ' which is arranged for example on the cylinder formed by a housing of the reciprocating engine and to which the piston 30 is relatively movable.
  • crank mechanism according to FIG. 4 comprises an additional linkage 70 with a first one
  • the additional linkage 70 is rotatably supported on the one hand via the lever member 72 about an axis of rotation 78 on the crankcase of the reciprocating engine. On the other hand, the additional linkage 70 is pivotally connected via the lever member 74 to the connecting rod 26.
  • the sensor 50 now includes a rotary sensor, which detects at least one rotational position of the additional linkage 70 during rotation about the axis of rotation 78 according to a directional arrow 80 and optionally in conjunction with a rotational position of the crank pin 16 and a rotational position of
  • crankshaft 12 which is also referred to as degrees crank angle
  • the senor 50 comprises a rotation sensor, which detects a rotational position of the piston 30 relative to the connecting rod 26 during rotation of the piston 30 about a piston 30 and the connecting rod 26 common axis of rotation 32 according to a direction arrow 84 and possibly in connection or depending on the degree of crank angle ([° CA], rotational position of the crankshaft 12) allows the determination of the set compression ratio very precisely.
  • the sensor 50 of the crank mechanism 10 according to FIG. 5 comprises a meandering structure 86 which is firmly connected to the connecting rod 26 and which, during operation, of the Reciprocating engine with the connecting rod 26 with moves. This movement and thus the position of the connecting rod 26 or the meander-shaped structure 86 can be detected by a detection part 88 of the sensor 50, whereby a signal characterizing the position of the connecting rod 26 relative to the detection part 88 can be detected or generated, depending on this signal set
  • Compression ratio is precisely determined. This allows in particular the continuous detection of the position of the piston 30 in the cylinder by the
  • the senor 50 is designed as a Hall sensor and comprises a magnetized encoder plate 90 which is fixedly connected to the connecting rod 26 and accordingly during operation of the
  • the Hall sensor comprises a detection part 88 ', which, for example, on the cylinder or on the housing and in particular on a crankcase of the reciprocating engine
  • the magnetized encoder plate 90 moves relative to the detection part 88 ', so that based on the Hall effect, the position of the connecting rod 26 and thus the set compression ratio can be precisely detected.
  • the senor 50 as an optical detection device or as
  • Ultrasonic detection device which emits a beam
  • Encoder part 92 and a reflection plate 94 includes.
  • the transmitter part 92 is arranged, for example, on the crankcase or on the piston 30 and emits radiation, which is represented by a dashed line 96.
  • the emitted beams are reflected by the reflection plate 94 and detected by a detection part 88.
  • the reflection plate 94 is fixed, for example, on the piston 30 or on the crankcase.
  • the reflection plate 94 is arranged obliquely in particular to the connecting rod 92 or to the direction in which the rays are emitted, so that the reflection plate 94, the rays or a beam due to the
  • Movement of the piston 30 corresponding to the set compression ratio deflects.
  • the sensor 50 comprises a detection part 88, which cooperates by means of a meandering structure 86.
  • the meander-shaped structure 86 is firmly connected to the piston 30 and carries out the translational movement of the piston 30 in the cylinder, wherein the piston 30 and thus the meandering structure 86 according to a directional arrow 98 is translationally movable relative to the detection member 88.
  • the detection part 88 is for example fixed to the cylinder and in particular to the crankcase of the reciprocating engine.
  • the sensor 50 is formed as an incremental encoder according to FIG.
  • the detection part 88 is arranged, for example, at the level of the bottom dead center of the piston 30 and in cooperation of the meandering structure 86 can detect the immersion depth of the piston 30 into the cylinder, which allows a precise determination of the set compression ratio allows.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16) als erstes Bauteil, an welchem ein Hebelelement (18) als zweites Bauteil drehbar gelagert ist, mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder als drittes Bauteil der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30) als viertes Bauteil, welcher über ein Pleuel (26) als fünftes Bauteil gelenkig mit dem Hebelelement (18) verbunden ist, und mit zumindest einer Stelleinrichtung (38), mittels welcher zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinder das Hebelelement (18) relativ zu dem Hubzapfen (16) drehbar ist, wobei die Hubkolbenmaschine wenigstens eine, zumindest teilweise fest an zumindest einem der Bauteile angeordnete Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher wenigstens eine Position dieses Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt erfassbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine.

Description

Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, eine Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 9 angegebenen Art, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10
angegebenen Art.
Aus der JP 63105244 A ist eine Hubkolbenmaschine als bekannt zu entnehmen, welche eine Einrichtung umfasst, mittels welcher ein Verdichtungsverhältnis eines Zylinders der Hubkolbenmaschine variabel einstellbar ist. In dem Zylinder ist ein Kolben der
Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar angeordnet, wobei unterhalb des Zylinders ein Sensor angeordnet ist, mittels welchem der untere Totpunkt des Kolbens in dem Zylinder erfassbar ist.
Die EP 1 143 127 B1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder, in dem sich ein Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verschieben kann. Ferner umfasst der Verbrennungsmotor Mittel, um die Position des oberen Totpunkts zwischen vorbestimmten Grenzen variieren zu lassen, um gleichzeitig den Hub des Kolbens, die Position des unteren Totpunkts und korrelativ das
Volumenverhältnis und den Motorhubraum in Abhängigkeit von den
Verwendungsbedingungen des Motors variieren zu lassen. Dabei umfassen diese Mittel eine Pleuelstange, die einerseits am Kolben und andererseits an einer Hauptpleuelstange angelenkt ist, die sich an einer Kurbelwelle dreht, wobei die Hauptpleuelstange auch an einem Schwingarm angelenkt ist, der einen Schwinghebel bildet, welcher mit einer Einrichtung zur Regelung der Position des Schwingarms verbunden ist. Diese Einrichtung steuert die Positionen des oberen und unteren Totpunkts, wobei die Hauptpleuelstange einen kurzen Arm zwischen einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle und einer Achse der Pleuelstange und einen Langen Arm, der mit dem kurzen Arm einen Winkel zwischen ungefähr 100° und 130° festlegt und zwischen dem Kurbelzapfen und einer Anlenkachse an dem den Schwinghebel bildenden Schwingarm angeordnet ist, umfasst.
Aus der US 1 901 263 ist eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, welche einen Kolben sowie einen Kurbelzapfen umfasst. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine zwei Teile umfassende Kurbelstange sowie einen Hebel, welcher die zwei Teile der Kurbelstange miteinander verbindet. Des Weiteren ist eine Stelleinrichtung vorgesehen, mittels welcher die Position des Hebels und dadurch die operative Länge der
Kurbelstange einstellbar ist.
Die bekannten Hubkolbenmaschinen weisen Potential auf, das Verdichtungsverhältnis präziser und bedarfsgerechter einzustellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hubkolbenmaschine mit zumindest einem variablen Verdichtungsverhältnis sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welche ein präziseres und
bedarfsgerechteres Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 , durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 9, sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen
Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, welche eine Kurbelwelle mit zumindest einem Hubzapfen als erstes Bauteil umfasst, welcher an welchem ein Hebelelement als zweites Bauteil drehbar gelagert ist. Ferner umfasst sie wenigstens einen in einem korrespondierenden Zylinder als drittes Bauteil der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben als viertes Bauteil, welcher über ein Pleuel als fünftes Bauteil gelenkig mit dem Hebelelement verbunden ist. Des Weiteren umfasst die Hubkolbenmaschine wenigstens eine
Stelleinrichtung, mittels welcher zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders das Hebelelement relativ zu dem Hubzapfen drehbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Hubkolbenmaschine wenigstens eine, zumindest teilweise fest an zumindest einem der Bauteile angeordnete Erfassungseinrichtung umfasst, mittels welcher wenigstens eine Position dieses Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt erfassbar ist. Dieser Bezugspunkt kann dabei beispielsweise an einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Kurbelgehäuse, welches die Stelleinrichtung umgibt, oder an einem anderen der Bauteile angeordnet sein. Diese Erfassung der Position des entsprechenden Bauteils beziehungsweise eines die Position
charakterisierenden Signals ermöglicht es, dass das eingestellte Verdichtungsverhältnis des Zylinders anhand der Position präzise ermittelt werden kann. Je nach eingestelltem Verdichtungsverhältnis nimmt das Bauteil eine oder während des Betriebs der
Verbrennungskraftmaschine mehrere charakterisierende Positionen ein, anhand welcher beziehungsweise anhand welchen genau ein korrespondierendes Verdichtungsverhältnis zu identifizieren ist.
Dies ermöglicht es, zu überprüfen, ob ein gewünschtes, einzustellendes
Verdichtungsverhältnis auch tatsächlich eingestellt ist, oder ob das eingestellte
Verdichtungsverhältnis als Ist-Verdichtungsverhältnis von einem einzustellenden Soll- Verdichtungsverhältnis beispielsweise infolge eines Verschleißes der
Verbrennungskraftmaschine, der Stelleinrichtung oder dergleichen abweicht. Infolge dessen ist eine Nachjustierung zur Einstellung des tatsächlich gewünschten
Verdichtungsverhältnisses möglich, so dass das Verdichtungsverhältnis des Zylinders sehr präzise und damit bedarfsgerecht eingestellt werden kann und somit die
Verbrennungskraftmaschine zumindest nahezu stets effizient, emissions- und
energieverbrauchsarm, insbesondere kraftstoffverbrauchsarm, betrieben werden kann.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei der Hubkolbenmaschine um eine Verbrennungskraftmaschine handeln kann, wobei in dem Zylinder Verbrennungsvorgänge ablaufen und eine translatorische Bewegung des Kolbens über den Hubzapfen in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgesetzt werden. Ebenso möglich ist, dass es sich bei der Hubkolbenmaschine um eine anderweitige Hubkolbenmaschine wie beispielsweise einen Kolbenverdichter zur Verdichtung von Luft handelt.
Bevorzugterweise weist die Hubkolbenmaschine eine Mehrzahl von Zylindern auf, wobei jedem der Zylinder jeweils wenigstens eine solche Stelleinrichtung zugeordnet ist. Dies ermöglicht es, dass die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse der Zylinder mittels der entsprechenden Stelleinrichtung bedarfsgerecht einstellbar sind und somit die
Hubkolbenmaschine mit Verdichtungsverhältnissen der Zylinder betreibbar ist, wobei sich die Verdichtungsverhältnisse voneinander unterscheiden. Ebenso möglich ist es jedoch auch, die Verdichtungsverhältnisse der einzelnen Zylinder derart einzustellen, dass sie sich nicht voneinander unterscheiden sondern zumindest annähernd gleiche Werte aufweisen. Durch diese, so realisierte zylinderindividuelle Einstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse kann jeder Zylinder für sich an einen vorliegenden
Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine angepasst werden, woraus ein effizienter, emissions- und energieverbrauchsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine resultiert. Die jeweilige Erfassungseinrichtung ermöglicht es dabei, dass eingestellte Verdichtungsverhältnis des jeweiligen Zylinders anhand der Position des entsprechenden Bauteils zu ermitteln und diese Position beziehungsweise das die Position
charakterisierende Signal zu nutzen, um das Verdichtungsverhältnis präzise und bedarfsgerecht einzustellen und gegebenenfalls auf die geschilderte Art und Weise nachzujustieren. Insbesondere ermöglicht es diese zylinderindividuelle Verstellung bzw. Einstellung der Verdichtungsverhältnisse durch dann hinreichend große Zeitfenster Gas- und- Massenkräfte in den Zylindern unabhängig voneinander für die oben geschilderte, passive Einstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse zu nutzen, also ohne
Aufwendung zusätzlicher Energie zum Einstellen der Verdichtungsverhältnisse.
Die Stelleinrichtung umfasst beispielsweise einen Steuerkolben mit einem Kolben und einer fest mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange, welche mit dem Hebelelement verbunden ist und über welche das Hebelelement relativ zu dem Hubzapfen zur
Einstellung des Verdichtungsverhältnisses drehbar ist. Der Steuerkolben ist
beispielsweise als Hydraulikkolben ausgebildet und in einem Zylinder verschiebbar geführt angeordnet und durch eine Beaufschlagung des Zylinders mit einem
Hydraulikmedium, insbesondere einer Hydraulikflüssigkeit, verschiebbar. Die
Beaufschlagung, also Zufuhr von Hydraulikmedium in den Zylinder oder aus dem Zylinder heraus erfolgt beispielsweise über einen Elektromagneten und/oder mittels einer Pumpe. Ebenso möglich ist, dass der Steuerkolben zumindest teilweise als Elektromagnet ausgebildet ist und gemäß dem Wirkprinzip eines Elektromagneten betätigbar ist. Im Gegensatz zu solch einer aktiven Einstellung ist auch eine passive Einstellung möglich, bei welcher der Kolben bewegt wird infolge von Gas- und Massenkräften der
Hubkolbenmaschine, die beispielsweise über einen Kolben in dem Zylinder auf den Steuerkolben und damit auf den Kolben der Stelleinrichtung wirken. Der Kolben der Stelleinrichtung wird durch das Hydraulikmedium und Ventileinrichtungen, beispielsweise Rückschlagventile, welche über anderweitige Steuerventile, beispielsweise einen
Steuerschieber mit Steuerkanten, welche Leitungen für das Hydraulikmedium freigeben oder versperren, geschaltet werden, in einer gewünschten Bewegungsrichtung freigegeben und in der gewünschten Bewegungsrichtung entgegengesetzten
Bewegungsrichtung blockiert bzw. ganz festgehalten. Es handelt sich dabei um eine Art hydraulischen Freilauf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann ohne und nur mit einem sehr geringen zusätzlichen Energieaufwand. Dadurch ist eine selbstsaugende Stelleinrichtung dargestellt, bei welcher der Kolben der Stelleinrichtung Hydraulikmedium aus einem Arbeitsraum verdrängt und/oder in den oder in einen weiteren Arbeitsraum einsaugt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Steuerkolben als Pneumatikkolben ausgebildet und in einem Zylinder verschiebbar geführt gehalten, wobei der Steuerkolben durch Beaufschlagung des Zylinders mit Druckluft bewegbar ist. Dabei ist es ebenso möglich, die Beaufschlagung des Zylinders mit Druckluft, also die Zufuhr von Druckluft in den Zylinder beziehungsweise aus dem Zylinder heraus mittels eines Elektromagneten zu steuern. In jeglicher Hinsicht birgt der Einsatz eines Elektromagneten den Vorteil, dass der Steuerkolben besonders schnell betätigbar und damit das Verdichtungsverhältnis besonders schnell einstellbar und auf einen vorliegenden Betriebspunkt der
Hubkolbenmaschine, insbesondere auf wechselnde Betriebspunkte der
Hubkolbenmaschine, anpassbar ist. Dies bewirkt einen besonders effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine.
Darüber hinaus ist es möglich, den Steuerkolben über ein Zahnrad, insbesondere ein Ritzel, zu betätigen, wobei der Steuerkolben zumindest bereichsweise als Zahnstange mit einer Verzahnung ausgebildet ist, welche mit einer korrespondierenden Verzahnung des Zahnrads zumindest zum Betätigen des Steuerkolbens zusammenwirkt. Ferner ist es möglich, dass der Steuerkolben über einen Nocken betätigbar ist, wobei der Steuerkolben zumindest bereichsweise als Stange ausgebildet ist. In einer weiteren Ausführungsform ist der Steuerkolben als Spindel ausgeführt und mittels eines Kugelgewindesiebs betätigbar.
Vorteilhafterweise wird zur Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses anhand der erfassten Position des entsprechenden Bauteils zu dem Bezugspunkt die erfasste Position in Bezug zu einer erfassten Drehstellung der Kurbelwelle und damit des Hubzapfens gesetzt. Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise auch zumindest eine Drehstellung der Kurbelwelle, welche auch als Gradkurbelwinkel bezeichnet wird, mittels einer Erfassungseinrichtung erfasst. Dies ermöglicht es, das eingestellte
Verdichtungsverhältnis exakt anhand der Abhängigkeit von der erfassten Position des Bauteils in dessen Bezug zu der erfassten Drehstellung der Kurbelwelle und damit des Hubzapfens zu identifizieren. Dies vermeidet eine etwaige Mehrdeutigkeit der erfassten Position beziehungsweise des der Position des Bauteils charakterisierenden und erfassten Signals für das eingestellte Verdichtungsverhältnis.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Erfassungseinrichtung zumindest teilweise fest an dem Zylinder angeordnet, wobei mittels der
Erfassungseinrichtung wenigstens eine Position des Kolbens relativ zu dem Zylinder erfassbar ist. Mit anderen Worten ist der Bezugspunkt an dem Zylinder angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist es beispielsweise möglich, den oberen und/oder den unteren Totpunkt des Kolbens zu erfassen und dadurch das eingestellte Verdichtungsverhältnis zu ermitteln. Ebenso möglich ist es, eine Eintauchtiefe des Kolbens in den Zylinder zu erfassen und so sehr präzise das eingestellte Verdichtungsverhältnis zu ermitteln. In der Folge ist es möglich, etwaig und beispielsweise anhand eines Vergleichs eines Soll- Verdichtungsverhältnisses mit dem ermittelten Ist-Verdichtungsverhältnisses ermittelte Abweichungen zu korrigieren und so das Verdichtungsverhältnis des Zylinders äußerst präzise einzustellen, was mit einem sehr effizienten, emissions- und
energieverbrauchsarmen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.
Eine besonders präzise Erfassung der Position des Bauteils ist möglich, wenn die Erfassungseinrichtung als Wirbelstromsensor ausgebildet ist. Ebenso möglich ist es, dass die Erfassungseinrichtung als Inkrementalgeber ausgebildet ist, welcher eine besonders präzise Erfassung der Position des Bauteils ermöglicht. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Inkrementalgeber zur Erfassung der Position des Bauteils relativ zu dem Bezugspunkt mit einer fest an diesem Bauteil angeordneten, mäanderförmigen Geberstruktur zusammen wirkt. Dadurch ist eine besonders präzise Erfassung der Position und damit eine besonders präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses auch über eine hohe Lebensdauer und bei einem Verschleiß der Hubkolbenmaschine hinweg gewährleistet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mittels der Erfassungseinrichtung wenigstens eine Drehstellung des Hebelelements relativ zu dem Hubzapfen erfassbar, wobei die Erfassungseinrichtung zumindest teilweise an dem Hebelelement und/oder zumindest teilweise an dem Hubzapfen angeordnet ist. Dies ermöglicht es, auf eine Wirkung der Betätigung des Hebelelements durch die Stelleinrichtung und damit auf eine etwaige Fehlfunktion oder Unförmigkeiten bei der Einstellung des
Verdichtungsverhältnisses rückzuschließen und diese Fehlfunktion beziehungsweise diese Unförmigkeiten gegebenenfalls zu kompensieren, in dem die Stelleinrichtung nachgesteuert beziehungsweise nachgeregelt wird, bis sich eine das einzustellende Soll- Verdichtungsverhältnis charakterisierende Soll-Drehstellung des Hebelelements relativ zu dem Hubzapfen eingestellt hat.
Eine weitere Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis sehr präzise zu ermitteln und dementsprechend präzise einzustellen ist, wenn mittels der Erfassungseinrichtung wenigstens eine Drehstellung des Kolbens relativ zu dem Pleuel erfassbar ist.
Insbesondere in Verbindung mit der zuvor geschilderten Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Drehstellung der Kurbelwelle beziehungsweise des Hubzapfens, welcher als Lagerung für den Kolben fungiert, ist eine genaue Ermittlung des
Verdichtungsverhältnisses und infolge dessen eine präzise Einstellung desselbigen ermöglicht.
Darüber hinaus ist es möglich, dass die Erfassungseinrichtung zumindest teilweise fest an dem Pleuel angeordnet ist, was ebenso eine besonders präzise Erfassung
beziehungsweise Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von der erfassten Position des Pleuels zu dem Bezugspunkt ermöglicht.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die zumindest teilweise Anordnung der
Erfassungseinrichtung an einem der Bauteile je nach Bedarfsfall sowie in Abhängigkeit von gegebenen Bauraumverhältnissen auszuwählen ist. Ebenso möglich ist, die unterschiedlichen Anordnungen der Erfassungseinrichtung miteinander zu kombinieren, um somit eine sehr präzise Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses zu realisieren.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Erfassungseinrichtung eine Geberplatte, welche fest mit dem Pleuel oder an einem sich relativ dazu bewegenden Bauteil oder einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine angeordnet ist, wobei die Erfassungseinrichtung mäanderförmig ausgebildet sein kann und so die Erzeugung eines die Position des Bauteils, insbesondere des Pleuels, sehr präzise charakterisierenden Signals ermöglicht.
Ist die Erfassungseinrichtung als Hall-Sensor ausgebildet, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch eine besonders präzise Erfassung der Position des Bauteils beziehungsweise des die Position charakterisierenden Signals ermöglicht ist. Dabei umfasst der Hall- Sensor bevorzugt ein fest am Bauteil, insbesondere am Pleuel oder am Zylinder, angeordnetes, magnetisches Geberteil, insbesondere eine Geberplatte, sowie ein fest am Zylinder oder am Pleuel angeordnetes Erfassungsteil, insbesondere eine
Erfassungsplatte. Führt das Bauteil, dessen Position zu ermitteln ist, eine Schwenkbewegung um eine Schwenkachse aus, da sich das Bauteil während des Betriebs der Hubkolbenmaschine bewegt, und für führt dies zu einer Schwenkbewegung des Geberteils relativ zu dem Erfassungsteil, so ist es von Vorteil, wenn das magnetische Geberteil und/oder das Erfassungsteil zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet sind, wobei der Mittelpunkt dieser Krümmung vorteilhafterweise zumindest im
Wesentlichen auf der Schwenkachse liegt. So werden Winkelfehler infolge der
Schwenkbewegung relativ zu dem magnetischen Geberteil zumindest reduziert und die Position des entsprechenden Bauteils ist besonders präzise zu erfassen. Dabei ist von Vorteil, wenn auch das Magnetfeld des magnetischen Geberteils der Krümmung entsprechend gekrümmt und damit zumindest bereichsweise bogenförmig ausgebildet ist.
Ferner ist es möglich, dass die Erfassungseinrichtung zumindest teilweise fest an dem Kolben angeordnet ist, so dass beispielsweise die Position des Kolbens relativ zu den Zylinder erfassbar ist. Dies ermöglicht besonders präzise Ermittlungen des eingestellten Verdichtungsverhältnisses und damit die präzise Einstellung und gegebenenfalls eine Nachjustierung desselbigen.
Eine weitere Möglichkeit, die Position des entsprechenden Bauteils relativ zu dem
Bezugspunkt besonders präzise zu ermitteln ist, wenn die Erfassungseinrichtung als optische Erfassungseinrichtung oder als Ultraschallerfassungseinrichtung ausgebildet ist. Auch in dieser Ausführungsform ist eine berührungslose Erfassung der Position des Bauteils ermöglicht, so dass die Bewegung des Bauteils relativ zu dem Bezugspunkt beziehungsweise zu einem anderen Bauteil oder zu einem Gehäuse beispielsweise in Form einer Reibungserhöhung nicht negativ beeinträchtigt ist. Gleichzeitig ist auch dadurch das eingestellte Verdichtungsverhältnis sehr genau zu ermitteln und infolge dessen das Verdichtungsverhältnis genau und bedarfsgerecht einzustellen.
Dabei umfasst die Erfassungseinrichtung wenigstens ein fest an dem Bauteil,
insbesondere dem Kolben, oder ein relativ zu dem Bauteil, insbesondere einem Kolben, bewegbares Ref lektionsteil, mittels welchem von der Erfassungseinrichtung ausgesandte Strahlen reflektiert werden können, die dann mittels eines Sensors der
Erfassungseinrichtung erfasst werden können. So ist besonders präzise, die Position des Bauteils erfassbar, da beispielsweise die Dauer von dem Zeitpunkt des Aussendens der Strahlen bis zu dem Erfassen der durch die Reflektionsplatte reflektierten Strahlen erfasst und auf den Abstand des Bauteils von dem Sensor rückgeschlossen wird. Insbesondere die optische Erfassungseinrichtung ermöglicht eine sehr schnelle Erfassung der Position beziehungsweise des die Position charakterisierenden Signals während des Betriebs der Hubkolbenmaschine. Ebenso ist es möglich, das Reflektionsteil schrägein zu einer Bewegungsrichtung des Stellteils anzuordnen, woraus eine entsprechende
Strahlauslenkung der Strahlen resultiert.
Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst die Hubkolbenmaschine wenigstens ein einerseits mit dem Kolben gelenkig und andererseits an einer Lagerstelle insbesondere an einem Gehäuse und insbesondere an dem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine drehbar gelagertes Zusatzgestänge. Mittels der Erfassungseinrichtung ist wenigstens eine Drehstellung des Zusatzgestänges relativ zu dessen Lagerstelle erfassbar ist. Dies stellt eine weitere Möglichkeit dar, das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit der Drehstellung des Zusatzgestänges präzise zu ermitteln und zur Steuerung
beziehungsweise Regelung des einzustellenden Verdichtungsverhältnisses zu nutzen, um somit einen effizienten, emissions- und energieverbrauchsarmen Betrieb der
Hubkolbenmaschine zu gewährleisten. Dabei ist es von Vorteil, die Drehstellung des Zusatzgestänges relativ zu dessen Lagerstelle in Bezug zu dem erfassten
Gradkurbelwinkel und damit der erfassten Drehstellung des Hubzapfens zu setzen, um das eingestellte Verdichtungsverhältnis aussagekräftig und eindeutig beispielsweise anhand von in Tabellen, insbesondere Kennfeldern, hinterlegten Kennwerten zu ermitteln. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt
Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Hubkolbenmaschine insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle und mit zumindest einem Hubzapfen als erstes Bauteil, an welchem ein Hebelelement als zweites Bauteil drehbar gelagert ist, und mit wenigsten einem in einem korrespondierenden Zylinder als drittes Bauteil der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben als viertes Bauteil, welcher über ein Pleuel als fünftes Bauteil gelenkig mit dem Hebelelement verbunden ist. Bei dem Verfahren wird das Hebelelement zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders mittels einer Stelleinrichtung relativ zu dem Hubzapfen gedreht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten beiden Aspekte sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts und umgekehrt anzusehen.
Erfindungsgemäli ist vorgesehen, dass das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Abhängigkeit von zumindest einer, mittels wenigstens einer zumindest teilweise fest an einem der Bauteile angeordneten Erfassungseinrichtung erfassten Position dieses Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt ermittelt wird. Wie bereits zu den ersten beiden Aspekten der Erfindung geschildert, ist dadurch eine präzise und aussagekräftige
Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnis als Ist-Verdichtungsverhältnis ermöglicht. Infolge dessen kann das Ist-Verdichtungsverhältnis mit einem einzustellenden und gewünschten Soll-Verdichtungsverhältnis verglichen werden und gegebenenfalls Nachsteuerung beziehungsweise Nachregelungen durchgeführt werden, um das Ist- Verdichtungsverhältnis höchst genau an das gewünschte Soll-Verdichtungsverhältnis anzupassen.
Dies gewährleistet eine bedarfsgerechte und sehr präzise Anpassung der
Hubkolbenmaschine an einen vorliegenden Betriebspunkt derselbigen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Hubkolbenmaschine, wie bereits geschildert, eine Mehrzahl von Zylindern umfasst, deren Verdichtungsverhältnisse zylinderindividuell unabhängig voneinander variabel geregelt oder gesteuert stufenweise oder kontinuierlich mittels der jeweiligen Stelleinrichtung einstellbar sind. Dadurch kann jeder Zylinder beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis der einzelnen Zylinder für sich an den vorliegenden Betriebspunkt und gegebenenfalls an den aktuellen Takt des Zylinders beziehungsweise des Kolbens angepasst und so ein besonders effizienter Betrieb der Hubkolbenmaschine realisiert werden.
So ist es ohne Weiteres zu besonders genauen Ermittlungen und damit Einstellungen des Verdichtungsverhältnisses möglich, das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in
Abhängigkeit von zumindest einer, mittels der Erfassungseinrichtung erfassten
Drehstellung des Hebelelements relativ zu dem Hubzapfen zu ermitteln. Ebenso ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von wenigstens einer, mittels wenigstens einer weiteren Erfassungseinrichtung erfassten Drehstellung des Kolbens relativ zu dem Pleuel zu ermitteln. Ferner ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von wenigstens einer erfassten Drehstellung einer einerseits mit dem Kolben gelenkig und andererseits an einer Lagerstelle drehbar gelagerten
Zusatzgestänges relativ zu dessen Lagerstelle zu ermitteln. Darüber hinaus kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Abhängigkeit von wenigstens einer, mittels zumindest einer wenigstens teilweise fest an dem Pleuel angeordneten Erfassungseinrichtung erfassten Position des Pleuels ermittelt werden. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von wenigstens einer, mittels zumindest einer wenigstens teilweise fest an dem Kolben angeordneten Erfassungseinrichtung erfassten Position des Kolbens ermittelt wird. Eine besonders aussagekräftige und genaue Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses ist dann möglich, wenn die geschilderten Arten zur Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses zumindest teilweise miteinander kombiniert und gegebenenfalls gegenseitig verglichen und abgeglichen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nut in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht eines Kurbeltriebs für eine Hubkolbenmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern und den Zylindern zugeordneten Kolben, wobei mittels des Kurbeltriebs jeweilige Verdichtungsverhältnisse der Zylinder zylinderindividuell unabhängig voneinander einstellbar sind;
Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht des Kurbeltriebs gemäß
Fig. 1 mit einer Prinzipskizze zur Erfassung einer Stellung eines
Steuerkolbens einer Stelleinrichtung zur Einstellung des
Verdichtungsverhältnisses, wobei anhand der erfassten Stellung des Steuerkolbens das eingestellte Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders ermittelt wird;
Fig. 3 jeweils eine schematische Seitenansicht zweier Ausführungsformen des
Kurbeltriebs gemäß Fig. 2 mit der dazugehörigen Prinzipskizze zur Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit eines oberen beziehungsweise unteren Totpunkt des Kolbens;
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des
Kurbeltriebs gemäß Fig. 3 mit der dazugehörigen Prinzipskizze zur Erfassung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einer Eintauchtiefe eines Kolbens des Kurbeltriebs in den zugehörigen Zylinder;
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des
Kurbeltriebs gemäß Fig. 4 mit der dazugehörigen Prinzipskizze zur Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einer Drehstellung eines Zusatzgestänges des Kurbeltriebs;
Fig. 6 jeweils eine schematische Seitenansicht zweier Ausführungsformen des
Kurbeltriebs gemäß Fig. 5 mit der dazugehörigen Prinzipskizze zur Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einer Position eines Pleuels des Kurbeltriebs; und
Fig. 7 jeweils eine schematische Seitensicht zweier Ausführungsformen des
Kurbeltriebs gemäß Fig. 6 mit der dazugehörigen Prinzipskizze zur Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses in Abhängigkeit von einer Position eines Kolbens des Kurbeltriebs.
Die Fig. 1 zeigt einen Kurbeltrieb 10 für eine Hubkolbenmaschine eines Kraftwagens, wobei die Hubkolbenmaschine eine Mehrzahl von Zylindern umfasst. Der Übersicht wegen wird anhand der Fig. 1 der Kurbeltrieb 10 in Bezug auf einen dieser, zu dem Kurbeltrieb 10 korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine beschrieben. Es versteht sich, dass das zu dem Kurbeltrieb 10 und dem Zylinder Geschilderte analog auf die anderen, insbesondere alle anderen, Zylinder der Hubkolbenmaschine zutrifft.
Der Kurbeltrieb 10 umfasst eine Kurbelwelle 12, welche Hauptlagerstellen aufweist, über welche die Kurbelwelle 12 in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine gelagert ist. Des Weiteren weist die Kurbelwelle 12 Kurbelwangen auf, von welchen eine solche Kurbelwange 14 in der Fig. 1 dargestellt ist. Darüber hinaus weist die Kurbelwelle 2 Hubzapfen auf, von welchen ein Hubzapfen 16 in der Fig. 1 dargestellt ist. Der Hubzapfen 16 korrespondiert dabei zu einem Zylinder der Hubkolbenmaschine. In gleicher Weise korrespondierenden auch die anderen Hubzapfen jeweils zu einem Zylinder der
Hubkolbenmaschine. Ferner umfasst der Kurbelbetrieb 10 einen Querhebel 8, welcher ein erstes
Hebelelement 20 sowie ein zweites Hebelelement 22 umfasst, die miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschraubt, sind. Der Querhebel 18 ist dabei an dem Hubzapfen 16 relativ zu diesem um eine Drehachse 25 drehbar gelagert und führt Hubbewegungen bei einer Rotation der Kurbelwelle 12, beispielsweise während eines Betriebs der Hubkolbenmaschine, mit aus.
Der Querhebel 18 weist eine erste Lagerstelle 24 auf, an welcher ein Pleuel 26 des Kurbeltriebs 10 gelenkig gelagert ist. Dabei kann sich das Pleuel 26 um eine Drehachse 28 drehen. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist die Drehachse 28 von der Drehachse 25 in radialer Richtung des Hubzapfens 16 um einen ersten Hebelarm h1 beabstandet.
Der Kurbeltrieb 10 umfasst ebenso einen Kolben 30, welcher zu dem Zylinder, zu welchem der Hubzapfen 6 korrespondiert, korrespondiert und in welchem der Kolben 30 translatorisch bewegbar aufgenommen ist. Der Kolben 30 ist mit dem Pleuel 26 über eine weitere Lagerstelle 32 gelenkig verbunden. Befestigt ist der Kolben 30 an dem Pleuel 26 über einen Kolbenbolzen, der in dem Kolben 30 durch einen entsprechenden
Sicherungsring in axialer Richtung des Kolbenbolzens gesichert ist. Wird der Kolben 30 infolge von Verbrennungsvorgängen in dem Zylinder translatorisch bewegt, so wird diese translatorische Bewegung über das Pleuel 26, den Querhebel 18 sowie den Hubzapfen 16 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 12 umgewandelt.
Der Querhebel 18 weist eine weitere Lagerstelle 34 auf, an welcher ein Steuerkolben 36 einer Stelleinrichtung 38 der Hubkolbenmaschine gelenkig gelagert und mit dem
Querhebel 18 verbunden ist. Dabei kann sich der Steuerkolben 36 um eine Drehachse 40 der Lagerstelle 34 drehen. Die Drehachse 40 ist um einen weiteren Hebel h2 in radialer Richtung des Hubzapfens 16 von der Drehachse 25 beabstandet. Es ist erkennbar, dass sich die Hebel h1 und h2 betragsmäßig voneinander unterscheiden. Der Hebel h2 ist größer als der Hebel h1. Ebenso möglich ist, dass die Hebel h1 und h2 betragsmäßig gleich sind, oder das der Hebel h1 größer ist als der Hebel h2. Zusätzlich zum
Steuerkolben 36 umfasst die Stelleinrichtung 38 ein Gehäuse 41 , durch welches ein Zylinder gebildet ist. In dem Zylinder ist der Steuerkolben 36 translatorisch bewegbar geführt gehalten. Durch Zufuhr oder Abfuhr eines Arbeitsmediums in den Zylinder, beispielsweise Druckluft, Hydraulikflüssigkeit oder dergleichen, kann der Steuerkolben 36 translatorisch gemäß einem Richtungspfeil 43 bewegt und bzgl. des Gehäuses 41 gemäß einem Richtungspfeil 44 ausgefahren oder gemäß einem Richtungspfeil 46 eingefahren werden. Im Gegensatz zu solch einer aktiven Einstellung ist auch eine passive Einstellung möglich, bei welcher der Steuerkolben 36 bewegt wird infolge von Gas- und Massenkräften der Hubkolbenmaschine, die über den Kolben 30 auf den Steuerkolben 36 wirken. Der Steuerkolben 36 wird durch das Arbeitsmedium und Ventileinrichtungen, beispielsweise Rückschlagventile, welche über anderweitige Steuerventile, beispielsweise einen Steuerschieber mit Steuerkanten, welche Leitungen für das Arbeitsmedium freigeben oder versperren, geschaltet werden, in einer gewünschten Bewegungsrichtung freigegeben und in der gewünschten Bewegungsrichtung entgegengesetzten
Bewegungsrichtung blockiert bzw. ganz festgehalten. Es handelt sich dabei um eine Art hydraulischen Freilauf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann ohne und nur mit einem sehr geringen zusätzlichen Energieaufwand. Ebenso möglich ist, den Steuerkolben 36 mittels eines Elektromagneten zu betätigen.
Rotiert die Kurbelwelle 12, so bewegt sich der Hubzapfen 16 auf und ab, was auch zu einer Bewegung des Querhebels 18 führt. Auch die Stelleinrichtung 38 bewegt sich mit indem das Gehäuse 41 um eine Schwenkachse 42 schwenkbar an einem die
Stelleinrichtung 38 umgebenden Gehäuse, beispielsweise an einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine, gelagert ist.
Wird der Steuerkolben 36 gemäß dem Richtungspfeil 43 translatorisch bewegt, so führt dies zu einer Drehung des Querhebels 18 relativ zu dem Hubzapfen 16 gemäß einem Richtungspfeil 48, wodurch das Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders eingestellt werden kann. Dabei wirkt die Verstellung des Steuerkolbens 36 über das Verhältnis der Hebel und h2 im gleichen Maße, verstärkt oder reduziert. Mit anderen Worten führt die Verstellung des Steuerkolbens 36 zu einer Einstellung beziehungsweise Verstellung des oberen Totpunkts des Kolbens 30 im Zylinder und damit zu einer Verstellung beziehungsweise Einstellung des Kompressionsvolumens vc des
entsprechenden Zylinders. Die Verstellung des Steuerkolbens 36 wirkt sich auch auf den Hub und damit das Hubvolumen vH des Kolbens 30 aus. Das Hubvolumen vH reduziert sich bei steigendem Verdichtungsverhältnis, was im Sinne des Downsizing-Konzepts erwünscht ist. Daraus resultiert ein entsprechendes Verdichtungsverhältnis, welches auch als ε bezeichnet wird.
Wie bereits angedeutet, ist vorteilhafterweise jedem der Zylinder der Hubkolbenmaschine eine derartige Stelleinrichtung 38 zugeordnet, mittels welcher das
Verdichtungsverhältnisses des entsprechenden Zylinders unabhängig von den anderen Zylindern eingestellt werden kann. Diese zylinderindividuelle Einstellung der entsprechenden Verdichtungsverhältnisse ermöglicht eine sehr präzise und äußerst bedarfsgerechte Anpassung der Hubkolbenmaschine an vorliegende Betriebspunkte, so dass die Hubkolbenmaschine sehr effizient, emissions- und energieverbrauchsarm, insbesondere kraftstoffverbrauchsarm, betrieben werden kann.
Zur präzisen und bedarfsgerechten Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ist es dabei wünschenswert, das eingestellte Verdichtungsverhältnis zu ermitteln und
gegebenenfalls zu überprüfen. Dies ist beispielsweise möglich, in dem die Stellung des Steuerkolbens 36 relativ zu einem Bezugspunkt und/oder den bei der Bewegung des Steuerkolbens 36 zurückgelegten Weg, also den Hub des Steuerkolbens 36, zu erfassen, und davon ausgehend unter anderem auch in Abhängigkeit von den Hebeln und h2, dem Pleuel 26 etc. auf das eingestellte Verdichtungsverhältnis rückzuschließen beziehungsweise dieses zu ermitteln. Ein die Stellung beziehungsweise den Hub des Steuerkolbens 36 charakterisierendes Signal kann dann zur Steuerung oder Regelung des Verdichtungsverhältnisses genutzt werden, um dieses variabel, kontinuierlich oder stufenweise einzustellen.
Dies ist anhand der Prinzipskizze in der Fig. 2 dargestellt. Ein in der Fig. 2 schematisch dargestellter Sensor 50 erfasst die Stellung des Steuerkolbens 36 beziehungsweise einer Steuerstange dieses relativ zu einem Bezugspunkt und/oder den Hub des Steuerkolbens 36 beziehungsweise ein die Stellung und/oder den Hub charakterisierendes Signal.
Dieses Signal wird gemäß einem Richtungspfeil 52 an eine Positionsregelung 54 einer Regelungseinrichtung 56 übermittelt, wobei die Regelungseinrichtung 56 beispielsweise als Steuergerät der Hubkolbenmaschine ausgebildet ist. Die Regelungseinrichtung 56 umfasst weiterhin eine Verbrennungsregelung 58, mittels welcher die
Verbrennungsvorgänge in den Zylindern der Hubkolbenmaschine gesteuert
beziehungsweise geregelt werden. Dazu berücksichtig die Verbrennungsregelung 58 unter anderem eine Rückmeldung 60 des eingestellten Ist-Verdichtungsverhältnisses, welches durch die Positionsregelung 54 anhand des vom Sensor 50 erfassten Signals und damit anhand der Stellung des Steuerkolbens 36 ermittelt wird. Zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses und zur Anpassung desselbigen an einen Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine übermittelt die Verbrennungsregelung 58 eine Vorgabe 62 eines Soll-Verdichtungsverhältnisses an die Positionsregelung 54, die das Soll- Verdichtungsverhältnis in eine einzustellende Stellung des Steuerkolbens 36 überführt. Dazu berücksichtigt die Positionsregelung 54 auch etwaige, anderweitige Systemgrößen 64 des Kurbelgetriebes 10 und der Hubkolbenmaschine. Die ermittelte Stellung zur Einstellung des gewünschten Verdichtungsverhältnis beziehungsweise ein die Stellung des Steuerkolbens 36 charakterisierendes Signal wird an eine Ansteuerung 65 für die Steuereinrichtung 38 übermittelt, welche entsprechende Steuersignale an einen Aktor 66 übermittelt, mittels welchem der Steuerkolben 36 bewegt und damit das Verdichtungsverhältnis eingestellt wird.
Die Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit das Verdichtungsverhältnis präzise zu ermitteln und zwar in Abhängigkeit von einer mittels des Sensors 50 erfassten Eintauchtiefe des Kolbens 30 in den Zylinder und/oder durch die Erfassung des oberen und/oder des unteren Totpunkts des Kolbens 30 durch den Sensor 50. Dazu umfasst der Sensor 50 einen
Wirbelstromsensor 68 und/oder einen Wirbelstromsensor 68', welcher beispielsweise an dem durch ein Gehäuse der Hubkolbenmaschine gebildeten Zylinder angeordnet ist und zu welchem der Kolben 30 relativ bewegbar ist.
Der Kurbeltrieb gemäß Fig. 4 umfasst ein Zusatzgestänge 70 mit einem ersten
Hebelelement und mit einem gelenkig mit dem ersten Hebelelement 72 verbundenen zweiten Hebelelement 74, wobei die Hebelelemente 72 und 74 um eine gemeinsame Drehachse 76 drehbar sind. Das Zusatzgestänge 70 ist einerseits über das Hebelelement 72 um eine Drehachse 78 an dem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine drehbar gelagert. Andererseits ist das Zusatzgestänge 70 über das Hebelelement 74 gelenkig mit dem Pleuel 26 verbunden. Der Sensor 50 umfasst nun einen Drehsensor, welcher zumindest eine Drehstellung des Zusatzgestänges 70 bei der Drehung um die Drehachse 78 gemäß einem Richtungspfeil 80 erfasst und gegebenenfalls in Zusammenhang mit einer Drehstellung des Hubzapfens 16 beziehungsweise einer Drehstellung der
Kurbelwelle 12, welche auch als Gradkurbelwinkel bezeichnet wird, eine genaue
Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses ermöglicht.
Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass der Sensor 50 einen Drehsensor umfasst, welcher eine Drehstellung des Kolbens 30 relativ zu dem Pleuel 26 bei einer Drehung des Kolbens 30 um eine dem Kolben 30 und dem Pleuel 26 gemeinsame Drehachse 32 gemäß einem Richtungspfeil 84 erfasst und gegebenenfalls in Zusammenhang beziehungsweise Abhängigkeit von dem Gradkurbelwinkel ([°KW], Drehstellung der Kurbelwelle 12) die Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses sehr präzise ermöglicht.
Der Sensor 50 des Kurbeltriebs 10 gemäß Fig. 5 umfasst eine mit dem Pleuel 26 fest verbundene und mäanderförmige Struktur 86, welche sich während des Betriebs der Hubkolbenmaschine mit dem Pleuel 26 mit bewegt. Diese Bewegung und damit die Position des Pleuels 26 beziehungsweise der mäanderförmigen Struktur 86 ist durch ein Erfassungsteil 88 des Sensors 50 erfassbar, wodurch ein die Position des Pleuels 26 relativ zu dem Erfassungsteil 88 charakterisierendes Signal erfassbar beziehungsweise erzeugbar ist, wobei in Abhängigkeit von diesem Signal das eingestellte
Verdichtungsverhältnis präzise zu ermitteln ist. Dies ermöglicht insbesondere die kontinuierliche Erfassung der Position des Kolbens 30 in dem Zylinder durch die
Erfassung der Position des Pleuels 26.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Sensor 50 als Hall-Sensor ausgebildet ist und eine magnetisierte Geberplatte 90 umfasst, welche fest mit dem Pleuel 26 verbunden ist und sich dementsprechend während des Betriebs der
Hubkolbenmaschine mit dem Pleuel 26 mitbewegt. Zum anderen umfasst der Hall-Sensor ein Erfassungsteil 88', welches beispielsweise an dem Zylinder beziehungsweise an dem Gehäuse und insbesondere an einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine
angeordnet ist. Mit anderen Worten bewegt sich die magnetisierte Geberplatte 90 relativ zu dem Erfassungsteil 88', so dass basierend auf dem Hall-Effekt die Stellung des Pleuels 26 und damit das eingestellte Verdichtungsverhältnis präzise erfassbar ist.
Gemäß Fig. 6 ist der Sensor 50 als optische Erfassungseinrichtung oder als
Ultraschallerfassungseinrichtung ausgebildet, welche ein Strahlen aussendendes
Geberteil 92 sowie eine Reflektionsplatte 94 umfasst. Das Geberteil 92 ist beispielsweise am Kurbelgehäuse oder am Kolben 30 angeordnet und sendet Strahlen aus, was durch eine strichlierte Linie 96 dargestellt ist. Die ausgesendeten Strahlen werden durch die Reflektionsplatte 94 reflektiert und durch ein Erfassungsteil 88 erfasst. Beispielsweise durch Messung der Zeitdauer vom Aussenden der Strahlen bis zum Erfassen der reflektierten Strahlen kann auf die Position des Kolbens 30 rückgeschlossen werden, wobei die Reflektionsplatte 94 beispielsweise am Kolben 30 oder am Kurbelgehäuse befestigt ist. Ebenso möglich ist, die Reflektionsplatte 94 schräg insbesondere zu dem Pleuel 92 oder zu der Richtung, in welche die Strahlen ausgesandt werden, angeordnet ist, sodass die Reflektionsplatte 94 die Strahlen oder einen Strahl aufgrund der
Bewegung des Kolbens 30 korrespondierend zu dem eingestellten Verdichtungsverhältnis umlenkt. Dabei wird das die Stellung des Kolbens 30 charakterisierenden Signal durch eine von einem Arbeitshub des Kolbens 30 (während des Betriebs der
Hubkolbenmaschine) verursachte Strahlablenkung erzeugt. Gemäß Fig. 7 umfasst der Sensor 50 ein Erfassungsteil 88, welches mittels einer mäanderförmigen Struktur 86 zusammenwirkt. Die mäanderförmige Struktur 86 ist dabei fest mit dem Kolben 30 verbunden und führt die translatorischen Bewegung des Kolbens 30 in dem Zylinder aus, wobei der Kolben 30 und damit die mäanderförmige Struktur 86 gemäß einem Richtungspfeil 98 translatorisch relativ zu dem Erfassungsteil 88 bewegbar ist. Das Erfassungsteil 88 ist beispielsweise an dem Zylinder und insbesondere an dem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine festangeordnet. Der Sensor 50 ist gemäß Fig. 7 als Inkrementalgeber ausgebildet, wobei das Erfassungsteil 88 beispielsweise auf Höhe des unteren Totpunkts des Kolbens 30 angeordnet ist und in Zusammenwirken der mäanderförmigen Struktur 86 die Eintauchtiefe des Kolbens 30 in den Zylinder erfassen kann, was eine präzise Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnis ermöglicht.
Bezugszeichenliste
10 Kurbeltrieb
12 Kurbelwelle
14 Kurbelwange
16 Hubzapfen
18 Querhebel
20 Hebelelement
22 Hebelelement
24 Lagerstelle
25 Drehachse
26 Pleuel
28 Drehachse
30 Kolben
32 Lagerstelle
34 Lagerstelle
36 Steuerkolben
38 Stelleinrichtung
40 Drehachse
41 Gehäuse
42 Schwenkachse
43 Richtungspfeil
44 Richtungspfeil 46 Richtungspfeil 48 Richtungspfeil 50 Sensor
52 Richtungspfeil
54 Positionsregelung
56 Regelungseinrichtung
58 Verbrennungsregelung
60 Rückmeldung Vorgabe
Systemgrößen
Ansteuerung
Aktor
, 68' Wirbelstromsensor
Zusatzgestänge
Hebelelement
Hebelelement
Drehachse
Drehachse
Richtungspfeil
Drehachse
Richtungspfeil mäanderförmige Struktur, 88' Erfassungsteil
magnetisierte Geberplatte
Geberteil
Reflektionsplatte strichlierte Linie
Richtungspfeil
Hebel
Hebel

Claims

Patentansprüche
1. Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16) als erstes Bauteil, an welchem ein
Hebelelement (18) als zweites Bauteil drehbar gelagert ist, mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder als drittes Bauteil der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30) als viertes Bauteil, welcher über ein Pleuel (26) als fünftes Bauteil gelenkig mit dem Hebelelement (18) verbunden ist, und mit zumindest einer Stelleinrichtung (38), mittels welcher zum variablen
Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinder das Hebelelement (18) relativ zu dem Hubzapfen (16) drehbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hubkolbenmaschine wenigstens eine, zumindest teilweise fest an zumindest einem der Bauteile angeordnete Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher wenigstens eine Position dieses Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt erfassbar ist.
2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassungseinrichtung (50) zumindest teilweise fest an dem Zylinder angeordnet ist, wobei mittels der Erfassungseinrichtung (50) wenigstens eine Position des Kolbens (30) relativ zu dem Zylinder erfassbar ist.
3. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassungseinrichtung (50) als Wirbelstromsensor (68, 68') ausgebildet ist.
4. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
mittels der Erfassungseinrichtung (50) wenigstens ein Totpunkt, insbesondere ein oberer und/oder unterer Totpunkt, des Kolbens (30) erfassbar ist.
5. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels der Erfassungseinrichtung (50) wenigstens eine Drehstellung des
Hebelelements (18) relativ zum Hubzapfen (16) erfassbar ist.
6. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels der Erfassungseinrichtung (50) wenigstens eine Drehstellung des Kolbens (30) relativ zu dem Pleuel (26) erfassbar ist.
7. Hubkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassungseinrichtung (50) als Hall-Sensor ausgebildet ist.
8. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hall-Sensor ein fest am Bauteil, insbesondere am Pleuel (26) oder am Zylinder, angeordnetes, magnetisches Geberteil (90), insbesondere eine Geberplatte, sowie ein fest an einem weiteren Bauteil der Hubkolbenmaschine, insbesondere am Zylinder oder am Pleuel (26), angeordnetes Erfassungsteil (88'), insbesondere eine Erfassungsplatte, umfasst.
9. Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16), an welchem ein Hebelelement (18) drehbar gelagert ist, mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30), welcher über ein Pleuel (26) gelenkig mit dem Hebelelement ( 8) verbunden ist, und mit zumindest einer Stelleinrichtung (38), mittels welcher zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinder das Hebelelement (18) relativ zu dem Hubzapfen (16) drehbar ist, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hubkolbenmaschine wenigstens ein einerseits mit dem Kolben (30) gelenkig und andererseits an einer Lagerstelle drehbar gelagertes Zusatzgestänge (70) sowie wenigstens eine Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher wenigstens eine Drehstellung des Zusatzgestänges (70) relativ zu dessen
Lagerstelle erfassbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit einer Kurbelwelle (12) mit zumindest einem Hubzapfen (16) als erstes Bauteil, an welchem ein Hebelelement (18) als zweites Bauteil drehbar gelagert ist, und mit wenigstens einem in einem korrespondierenden Zylinder als drittes Bauteil der Hubkolbenmaschine translatorisch bewegbar geführten Kolben (30) als viertes Bauteil, welcher über ein Pleuel (26) als fünftes Bauteil gelenkig mit dem Hebelelement (18) verbunden ist, bei welchem das Hebelelement (18) zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders mittels einer Stelleinrichtung (38) relativ zu dem Hubzapfen (16) gedreht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verdichtungsverhältnis des Zylinders in Abhängigkeit von zumindest einer, mittels wenigstens einer zumindest teilweise fest an einem der Bauteile
angeordneten Erfassungseinrichtung (50) erfassten Position dieses Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt ermittelt wird.
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