WO2014053226A1 - Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen kraftwagen - Google Patents

Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen kraftwagen Download PDF

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WO2014053226A1
WO2014053226A1 PCT/EP2013/002893 EP2013002893W WO2014053226A1 WO 2014053226 A1 WO2014053226 A1 WO 2014053226A1 EP 2013002893 W EP2013002893 W EP 2013002893W WO 2014053226 A1 WO2014053226 A1 WO 2014053226A1
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WO
WIPO (PCT)
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reciprocating
adjusting
actuating
adjustment range
sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/002893
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Lengfeld
Alexander SCHEINDLIN
Georg Seidel
Original Assignee
Daimler Ag
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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
    • 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
    • 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

Definitions

  • Reciprocating engine in particular for a motor vehicle
  • the invention relates to a reciprocating engine, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of claim 1 and according to the preamble of
  • the invention further relates to a method for operating a
  • Such a reciprocating engine especially for a motor vehicle, is the
  • the reciprocating piston engine has at least one combustion chamber in the form of a cylinder, in which a piston is received translationally movable.
  • the reciprocating engine includes a
  • Actuating device which comprises at least one adjusting element movable in an adjustment range for setting a compression ratio of the cylinder.
  • the piston in the cylinder is translationally displaceable relative to the cylinder by means of the adjusting device.
  • at least one sensor is provided for detecting a position of the actuating element and for providing a signal characterizing the detected position.
  • a control unit for regulating and / or controlling the actuating device is coupled to the sensor. The control unit is adapted to provide the actuator in response to the position provided by the sensor
  • DE 10 2008 050 872 A1 discloses an adjusting device for a crankshaft of an internal combustion engine, which is mounted in adjusting bearings.
  • Crankshaft is adjustable via an adjusting shaft to change the position of the crankshaft between a minimum compression position and a maximum compression position.
  • an adjusting shaft drive and a positive and / or non-positively acting locking mechanism which a locking and a Freewheeling position can take and in the locking position, an automatic adjustment of the crankshaft in the direction of minimum compression position and / or
  • an unlocking actuator which adjusts the locking mechanism in the freewheeling position in a fail-safe state in order to enable the crankshaft to automatically assume the minimum compression position, without activating the adjusting shaft drive for this purpose.
  • the minimum compaction position is formed by a mechanical end stop, which can be arranged within an adjustment mechanism at any position between the eccentric bearing and the output shaft of an adjusting motor.
  • At least one non-mechanical Provided stop by means of which a movement of the actuating element can be limited.
  • the non-mechanical stop is preferably an electrical stop.
  • the non-mechanical, in particular electric, stop is for example in the form of a force and / or a
  • Torque applied by an actuating element in particular an actuating motor, for moving the actuating element on the actuating element, so that the movement of the actuating element can be limited by the force and / or torque.
  • a mechanical stop for limiting the movement of the actuating element is thus not provided and not required.
  • Reciprocating engine is designed so that acting on the actuator in time after switching the actuator in the error mode forces and / or torques move the actuator in a predetermined error position of the adjustment and hold in the error position.
  • the actuator is held without a mechanical stop only under the action of force and / or torque in the error position within the adjustment, so that supporting forces between the actuator and a mechanical stop can be avoided.
  • Control element and thus the actuator are held by the external force and / or the external torque, if there is a failure of the failure
  • the invention also includes a method for operating a reciprocating piston engine according to the invention, in particular for a motor vehicle, with advantageous
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of an actuating element in the form of a
  • Fig. 2 is a schematic representation for illustrating a
  • Fig. 3 is a diagram illustrating a possibility, the movement of
  • Fig. 4 is another diagram illustrating a possibility, a
  • Fig. 5a-c are each a diagram for illustrating a corresponding
  • Fig. 1 shows a schematic cross-sectional view of an actuating element in the form of a control shaft 10 of an actuating device.
  • the adjusting device is part of a reciprocating engine, which is designed for example as a reciprocating internal combustion engine and for driving a motor vehicle, especially one Passenger car, is used.
  • the reciprocating engine comprises at least one combustion chamber in the form of a cylinder, in which a corresponding piston is received translationally relative to the cylinder movable.
  • the piston is connected via a connecting rod articulated to an output shaft in the form of a crankshaft of the reciprocating engine, whereby the translational movements of the piston in the cylinder in a rotational movement of the crankshaft to a
  • Rotary axis can be converted.
  • the connecting rod is articulated on the one hand with the piston and on the other hand with a lever element.
  • the lever element in turn is rotatably mounted on a crank pin of the crankshaft relative to the crank pin.
  • the mounted on the crank pin and on the one hand articulated coupled to the connecting rod lever member is on the other hand coupled to a Maupleuel and connected via the Maupleuel with the control shaft 10.
  • the control shaft 10 is formed as an eccentric shaft. This means that the
  • Adjusting shaft 10 is rotatable about an axis of rotation 12 and at least one eccentric element, on which the auxiliary connecting rod about a further axis of rotation relative to
  • Eccentric is rotatably mounted.
  • the further axis of rotation is spaced from the axis of rotation 12.
  • control shaft 10 is rotated about its axis of rotation 12, it is caused by the Maupleuel a rotation of the lever member relative to the crank pin of the crankshaft. This results in a translational displacement of the piston relative to the corresponding cylinder, whereby a compression ratio of the cylinder is adjusted.
  • a drive element for example in the form of a hydraulic motor or in the form of an electric motor is provided.
  • the actuating shaft 10 is movable in an adjustment range, which in the present case is less than 360 degrees. This means that the control shaft 10 can not perform a complete revolution about the axis of rotation 12. This movement of the control shaft 10 only in the
  • Adjustment range is ensured in a normal operation by a corresponding control of the control shaft 10 and the drive element, which is provided by a control unit for controlling and / or controlling the actuator.
  • the actuating shaft 10 is while an output element of the adjusting device, via which forces and / or
  • Torques for adjusting the compression ratio i. for the displacement of the piston in the cylinder are discharged from the actuator.
  • Adjustment range is turned out. This can result in mechanical damage to the reciprocating engine.
  • the mechanical stop 14 includes a arranged on the control shaft 10, the first
  • Stop element 16 which is mitfitbar with the control shaft 10 about the rotation axis 12.
  • the mechanical stop 14 further comprises a fixed, second stop element 18, which is fixed, for example, to a housing 20 surrounding the actuating shaft 10 at least in regions.
  • control shaft 10 can move over the first
  • Stop element 16 in supporting system with the second stop member 18 reach, so that by this support system, a rotation of the actuating shaft 10 is limited.
  • FIG. 2 now illustrates a way to avoid caused by the mechanical stop 14 wear of the mechanical stop 14 itself and the adjusting device.
  • Fig. 2 illustrates a complete revolution, indicated at 22, of the control shaft 10, which basically rotates the control shaft 10, i. without limitation of their movement
  • This complete revolution 22 includes 360 degrees.
  • Fig. 2 is the Adjustment indicated at 24, in which the adjusting shaft 10 is adjustable in order to avoid mechanical damage.
  • the adjustment range 24 is substantially smaller than 360 degrees and thus as the complete revolution 22.
  • invalid areas are designated 30, 32.
  • a movement of the control shaft 10 in the invalid areas 30, 32 is - preferably with the granting of a tolerance or security area - to avoid.
  • control shaft 10 In order to limit the adjustability of the control shaft 10 to the adjustment area 24, two non-mechanical stops 26, 28 are now provided here. If the control shaft 10 reaches the non-mechanical stop 26, then the actuating shaft 10 assumes a first end position which corresponds to a first compression ratio. If the control shaft 10 comes to the non-mechanical stop 28, it assumes a second end position, which corresponds to a second compression ratio. The control shaft is thus adjustable in the respective end positions in respective positions between the end positions, and thus adjust the compression ratio variable.
  • the electric stops 26, 28 are realized, for example, such that by means of an electrically operable holding device, for example in the form of the electric motor for driving the actuating shaft 10 about the axis of rotation 12, applying a current or braking torque is applied to the control shaft 10 by applying electric current , wherein a movement of the actuating shaft 10 beyond the adjustment range 24 addition, ie is prevented beyond the non-mechanical stops 26, 28 by means of the braking force or by means of the braking torque.
  • the holding device non-mechanically cooperates with the actuating shaft 10.
  • a mechanical stop 14 for example comprising the first stop element 16 and the second one, can continue to be provided
  • Stop member 18 may be provided to limit the movement of the actuating shaft 10, even if a supply of the holding means with electric current for holding the actuating shaft 10, i. to limit her movement fails.
  • At least one sensor is used, by means of which the
  • Adjustment ie a position of the control shaft 10 relative to the adjustment 24, is monitored. Exceeds the adjusting device or the control shaft 10 a predetermined
  • Threshold value the actuator is switched from a normal operating state to an error operating state by means of the control unit, wherein a supply of power to the actuator for operating the actuator, i. with energy to move the actuating shaft 10 about the axis of rotation 12, is omitted.
  • a supply of power to the actuator for operating the actuator i. with energy to move the actuating shaft 10 about the axis of rotation 12 is omitted.
  • This monitoring can be done via an existing angle sensor or a
  • a crescent-like sensor made, which provides only a binary signal. This binary signal characterizes the position of the control shaft 10, so that it can be determined on the basis of the binary signal whether the control shaft 10 is located inside or outside the adjustment range 24.
  • FIG. 3 shows a diagram 34, on whose abscissa 36 the adjustment range is plotted. On the ordinate 38, a force or torque is plotted.
  • actuating shaft 10 assumes inadmissible rotational positions, for example in the invalid areas 30, 32, can be a complex control
  • the reciprocating engine is designed so that the actuating shaft 10 in a predetermined error position of the forces acting on the control shaft 10 after switching the actuator in the error mode forces and / or torques Move adjustment range 24 and hold in the error position.
  • This is possible for example by a suitable kinematics design of the control shaft and / or the lever element and the resulting forces and / or torques.
  • the adjusting device or the control shaft 10 can be specifically forced into a predefinable state, so that it is automatically reset in the valid adjustment range 24.
  • the actuating shaft 10 automatically assumes the defined state of the valid
  • Adjustment range 24 i. is transferred to the valid error position within the adjustment range 24.
  • Fig. 5a-c illustrate the realization of a so-called fail-safe state of the actuator. If, for example, a total failure of the sensors and / or the control and / or actuation of the adjusting device is ensured by the fail-safe state, that the actuating shaft 10 and thus the lever member the valid
  • Adjustment range 24 - if necessary, except for uncritical overshoots - not permanently left.
  • FIG. 5a an operating point 44 of the adjusting device is shown in which external forces and / or torques act on the adjusting device and in particular on the adjusting shaft 10. As can be seen from Fig. 5a, there is the
  • Error position in the vicinity of the non-mechanical stop 26 moves, which lies within the adjustment range 24.
  • the control shaft 10 is not only moved by the external forces and / or torques in the error position, but also held in the error position, without the need for a mechanical stop is required.
  • a corresponding compression ratio is set, which permits uncritical operation of the reciprocating piston engine.
  • the motor vehicle can still be driven by the reciprocating engine and moved to a workshop.
  • the adjusting shaft 10 is moved into the fault position when the power supply is switched off and thus exclusively by the external forces and / or torques, in which an operating point 48 is present.
  • the operating point 48 or the error position is within the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit zumindest einem Zylinder, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen ist, und mit einer Stelleinrichtung, welche wenigstens ein in einem Verstellbereich (24) bewegbares Stellelement (10) zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses des Zylinders umfasst, wobei zumindest ein nicht-mechanischer Anschlag (26, 28) vorgesehen ist, mittels welchem eine Bewegung des Stellelements (10) begrenzbar ist.

Description

Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und gemäß dem Oberbegriff von
Patentanspruch 3. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer
Hubkolbenmaschine.
Eine solche Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, ist der
DE 10 2010 032 487 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Hubkolbenmaschine weist wenigstens einen Brennraum in Form eines Zylinders auf, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen ist. Die Hubkolbenmaschine umfasst eine
Stelleinrichtung, welche wenigstens ein in einem Verstellbereich bewegbares Stellelement zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses des Zylinders umfasst. Dazu ist der Kolben in dem Zylinder relativ zu dem Zylinder mittels der Stelleinrichtung translatorisch verschiebbar. Darüber hinaus ist wenigstens ein Sensor zum Erfassen einer Stellung des Stellelements und zum Bereitstellen eines die erfasste Stellung charakterisierenden Signals vorgesehen. Mit dem Sensor ist eine Steuereinheit zum Regeln und/oder Steuern der Stelleinrichtung gekoppelt. Die Steuereinheit ist dazu ausgelegt, die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von dem von dem Sensor bereitgestellten und die Stellung
charakterisierenden Signal von einem Normalbetriebszustand in einen
Fehlerbetriebszustand zu schalten. In dem Fehlerbetriebszustand unterbleibt eine
Versorgung der Stelleinrichtung mit Energie zum Betreiben der Stelleinrichtung.
Des Weiteren offenbart die DE 10 2008 050 872 A1 eine Verstellvorrichtung für eine Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, welche in Einstelllagern gelagert ist. Die
Kurbelwelle ist über eine Verstellwelle verstellbar, um die Position der Kurbelwelle zwischen einer Minimalverdichtungslage und einer Maximalverdichtungslage zu ändern. Es sind ein Verstellwellenantrieb sowie ein form- und/oder kraftschlüssig wirkender Verriegelungsmechanismus vorgesehen, welcher eine Verriegelungs- und eine Freilaufposition einnehmen kann und in der Verriegelungsposition eine selbsttätige Verstellung der Kurbelwelle in Richtung Minimalverdichtungslage und/oder
Maximalverdichtungslage verhindert.
Des Weiteren ist ein Freischaltaktuator vorgesehen, der in einem Fail-Safe-Zustand den Verriegelungsmechanismus in die Freilaufposition verstellt, um der Kurbelwelle die selbsttätige Einnahme der Minimalverdichtungslage zu ermöglichen, ohne dafür den Verstellwellenantrieb zu aktivieren. Die Minimalverdichtungslage ist dabei durch einen mechanischen Endanschlag gebildet, der innerhalb einer Verstellmechanik an irgendeiner Position zwischen Exzenterlager und Abtriebswelle eines Verstellmotors angeordnet sein kann.
Es hat sich gezeigt, dass derartige, mechanische Anschläge einen hohen Verschleiß aufweisen sowie einen hohen Verschleiß der Stelleinrichtung verursachen, da hohe Betätigungskräfte der Stelleinrichtung zu einer starken Abnutzung oder - bei besonders hohen Betätigungskräften - zu einem Versagen des mechanischen Anschlags führen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hubkolbenmaschine,
insbesondere für einen Kraftwagen, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass der Verschleiß gering gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , durch eine Hubkolbenmaschine,
insbesondere für einen Kraftwagen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welcher der eingangs geschilderte, durch den mechanischen Anschlag bewirkte Verschleiß sowie der Verschleiß des mechanischen Anschlags selbst vermieden werden kann, ist erfindungsgemäß zumindest ein nicht-mechanischer Anschlag vorgesehen, mittels welchem eine Bewegung des Stellelements begrenzbar ist. Bei dem nicht-mechanischen Anschlag handelt es sich vorzugsweise um einen elektrischen Anschlag. Der nicht-mechanische, insbesondere elektrische, Anschlag wird beispielsweise in Form einer Kraft und/oder eines
Drehmoments durch ein Betätigungselement, insbesondere einen Betätigungsmotor, zum Bewegen des Stellelements auf das Stellelement aufgebracht, so dass durch die Kraft und/oder das Drehmoment die Bewegung des Stellelements begrenzt werden kann. Ein mechanischer Anschlag zum Begrenzen der Bewegung des Stellelements ist somit nicht vorgesehen und nicht vonnöten.
Um eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 3 angegebenen Art bereitzustellen, bei welcher der Verschleiß des mechanischen Anschlags sowie der durch den mechanischen Anschlag bewirkte
Verschleiß vermeidbar sind, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die
Hubkolbenmaschine dazu ausgelegt ist, dass auf das Stellelement zeitlich nach dem Schalten der Stelleinrichtung in den Fehlerbetriebszustand wirkende Kräfte und/oder Drehmomente das Stellelement in eine vorgebbare Fehlerstellung des Verstellbereichs bewegen und in der Fehlerstellung halten. Vorteilhafte Ausgestaltungen der im
Zusammenhang mit dem Patentanspruch 1 geschilderten Hubkolbenmaschine sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der im Zusammenhang mit dem Patentanspruch 3 geschilderten Hubkolbenmaschine anzusehen und umgekehrt.
Das Stellelement wird ohne einen mechanischen Anschlag lediglich unter Einwirkung der Kraft und/oder des Drehmoments in der Fehlerstellung innerhalb des Verstellbereichs gehalten, so dass Abstützkräfte zwischen dem Stellelement und einem mechanischen Anschlag vermieden werden können.
Hierdurch kann auch ein sogenannter Fail-Safe-Zustand in Form des
Fehlerbetriebszustands der Stelleinrichtung realisiert werden, in welchem das
Stellelement und somit die Stelleinrichtung durch die äußere Kraft und/oder das äußere Drehmoment gehalten werden, wenn es zu einem fehlerbedingten Ausfall der
Energieversorgung der Stelleinrichtung kommt. Dadurch können auch bei einem solchen Ausfall unerwünschte Beschädigungen der Stelleinrichtung und der Hubkolbenmaschine insgesamt vermieden werden.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, wobei vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine als vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen sind und umgekehrt. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung 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 nur 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 eine schematische Querschnittsansicht eines Stellelements in Form einer
Stellwelle zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses eines Zylinders einer Hubkolbenmaschine, wobei zum Begrenzen einer Bewegung der Stellwelle ein mechanischer Anschlag vorgesehen ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines
Verstellbereichs, in dem die Stellwelle verstellbar ist;
Fig. 3 ein Schaubild zur Veranschaulichung einer Möglichkeit, die Bewegung der
Stellwelle ohne einen mechanischen Anschlag zu begrenzen;
Fig. 4 ein weiteres Schaubild zur Veranschaulichung einer Möglichkeit, eine
Fehlerstellung des Stellelements innerhalb ihres Verstellbereichs ohne einen mechanischen Anschlag zu ermöglichen; und
Fig. 5a-c jeweils ein Schaubild zur Veranschaulichung eines entsprechenden
Ablaufs, in dessen Rahmen die Stellwelle ihre Fehlerstellung einnimmt.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht ein Stellelement in Form einer Stellwelle 10 einer Stelleinrichtung. Die Stelleinrichtung ist dabei Bestandteil einer Hubkolbenmaschine, welche beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist und zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, verwendet wird. Die Hubkolbenmaschine umfasst dabei wenigstens einen Brennraum in Form eines Zylinders, in welchem ein korrespondierender Kolben translatorisch relativ zu dem Zylinder bewegbar aufgenommen ist.
Der Kolben ist über ein Pleuel gelenkig mit einer Abtriebswelle in Form einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine verbunden, wodurch die translatorischen Bewegungen des Kolbens in dem Zylinder in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle um eine
Drehachse umgewandelt werden können.
Das Pleuel ist einerseits mit dem Kolben und andererseits mit einem Hebelelement gelenkig gekoppelt. Das Hebelelement wiederum ist an einem Hubzapfen der Kurbelwelle relativ zu dem Hubzapfen drehbar gelagert. Das an dem Hubzapfen gelagerte und einerseits gelenkig mit dem Pleuel gekoppelte Hebelelement ist andererseits mit einem Nebenpleuel gekoppelt und über das Nebenpleuel mit der Stellwelle 10 verbunden.
Die Stellwelle 10 ist dabei als Exzenterwelle ausgebildet. Dies bedeutet, dass die
Stellwelle 10 um eine Drehachse 12 drehbar ist und wenigstens ein Exzenterelement aufweist, an dem das Nebenpleuel um eine weitere Drehachse relativ zum
Exzenterelement drehbar gelagert ist. Die weitere Drehachse ist dabei von der Drehachse 12 beabstandet.
Wird nun die Stellwelle 10 um ihre Drehachse 12 gedreht, so wird dadurch über das Nebenpleuel eine Drehung des Hebelelements relativ zum Hubzapfen der Kurbelwelle bewirkt. Daraus resultiert eine translatorische Verschiebung des Kolbens relativ zu dem korrespondierenden Zylinder, wodurch ein Verdichtungsverhältnis des Zylinders eingestellt wird.
Zum Bewegen der Stellwelle 10, d.h. zum Drehen der Stellwelle 10 um die Drehachse 12 ist ein Antriebselement, beispielsweise in Form eines hydraulischen Motors oder in Form eines Elektromotors vorgesehen.
Die Stellwelle 10 ist in einem Verstellbereich bewegbar, welcher vorliegend kleiner als 360 Grad ist. Dies bedeutet, dass die Stellwelle 10 keine vollständige Umdrehung um die Drehachse 12 ausführen kann. Diese Bewegung der Stellwelle 10 lediglich in dem
Verstellbereich wird in einem Normalbetrieb durch eine entsprechende Ansteuerung der Stellwelle 10 bzw. des Antriebselements gewährleistet, welche von einer Steuereinheit zum Regeln und/oder Steuern der Stelleinrichtung bereitgestellt wird. Die Stellwelle 10 ist dabei ein Abtriebselement der Stelleinrichtung, über welches Kräfte und/oder
Drehmomente zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses, d.h. zum Verschieben des Kolbens im Zylinder aus der Stelleinrichtung ausgeleitet werden.
Bei einem Ausfall der Ansteuerung oder bei einem unkontrollierten Verstellen,
beispielsweise durch einen Fehler der Regelung, ist es - wenn keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind - möglich, dass die Stellwelle 10 über ihren
Verstellbereich hinaus gedreht wird. Dies kann eine mechanische Beschädigung der Hubkolbenmaschine zur Folge haben.
Um nun eine solche unerwünschte Bewegung der Stellwelle 10 aus ihrem Verstellbereich heraus zu vermeiden, ist gemäß Fig. 1 ein mechanischer Anschlag 14 vorgesehen. Der mechanische Anschlag 14 umfasst ein an der Stellwelle 10 angeordnetes, erstes
Anschlagelement 16, welches mit der Stellwelle 10 um die Drehachse 12 mitdrehbar ist. Der mechanische Anschlag 14 umfasst ferner ein festes, zweites Anschlagelement 18, welches beispielsweise an einen die Stellwelle 10 zumindest bereichsweise umgebenden Gehäuse 20 festgelegt ist.
Fällt die Ansteuerung beispielsweise aus, so kann die Stellwelle 10 über das erste
Anschlagelement 16 in Stützanlage mit dem zweiten Anschlagelement 18 gelangen, so dass durch diese Stützanlage ein Drehen der Stellwelle 10 begrenzt ist.
Hohe Betätigungskräfte, welche auf die Stellwelle 10 und über diese auf den
mechanischen Anschlag 14 wirken, führen zu einer sehr hohen Belastung des
mechanischen Anschlags 14 sowie der Stelleinrichtung, was zu einem hohen Verschleiß des mechanischen Anschlags 14 sowie der Stelleinrichtung selbst führt. Diese hohen Betätigungskräfte wirken beispielsweise über den Kolben auf die Stelleinrichtung und resultieren aus Gasdrücken in dem Zylinder und/oder aus Gasdrücken in anderweitigen Zylindern der Hubkolbenmaschine.
Anhand von Fig. 2 ist nun eine Möglichkeit veranschaulicht, den durch den mechanischen Anschlag 14 bewirkten Verschleiß des mechanischen Anschlags 14 selbst sowie der Stelleinrichtung zu vermeiden.
Fig. 2 veranschaulicht eine mit 22 bezeichnete, vollständige Umdrehung der Stellwelle 10, welche die Stellwelle 10 grundsätzlich, d.h. ohne Begrenzung ihrer Bewegung
durchführen könnte. Diese vollständige Umdrehung 22 umfasst 360 Grad. In Fig. 2 ist der Verstellbereich mit 24 bezeichnet, in welchem die Stellwelle 10 verstellbar ist, um mechanische Schäden zu vermeiden. Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, ist der Verstellbereich 24 wesentlich kleiner als 360 Grad und somit als die vollständige Umdrehung 22.
In Fig. 2 sind sogenannte ungültige Bereiche mit 30, 32 bezeichnet. Eine Bewegung der Stellwelle 10 in die ungültigen Bereiche 30, 32 ist - vorzugsweise unter Gewährung eines Toleranz- bzw. Sicherheitsbereichs - zu vermeiden.
Um die Verstellbarkeit der Stellwelle 10 auf den Verstellbereich 24 einzuschränken, sind nun vorliegend zwei nicht-mechanische Anschläge 26, 28 vorgesehen. Erreicht die Stellwelle 10 den nicht-mechanischen Anschlag 26, so nimmt die Stellwelle 10 eine erste Endlage ein, die mit einem ersten Verdichtungsverhältnis korrespondiert. Kommt die Stellwelle 10 zu dem nicht-mechanischen Anschlag 28, so nimmt sie eine zweite Endlage ein, welche mit einem zweiten Verdichtungsverhältnis korrespondiert. Die Stellwelle ist somit in die jeweiligen Endlagen in jeweilige Stellungen zwischen den Endlagen einstellbar, und somit das Verdichtungsverhältnis variabel einzustellen.
Die elektrischen Anschläge 26, 28 sind beispielsweise derart realisiert, dass mittels einer elektrisch betätigbaren Halteeinrichtung, beispielsweise in Form des Elektromotors zum Antreiben der Stellwelle 10 um die Drehachse 12, unter Aufwenden von elektrischem Strom eine Bremskraft bzw. ein Bremsdrehmoment auf die Stellwelle 10 aufgebracht wird, wobei eine Bewegung der Stellwelle 10 über den Verstellbereich 24 hinaus, d.h. über die nicht-mechanischen Anschläge 26, 28 hinaus mittels der Bremskraft bzw. mittels des Bremsdrehmoments verhindert wird. Dabei wirkt die Halteeinrichtung nichtmechanisch mit der Stellwelle 10 zusammen. Durch das Verwenden der elektrisch betätigbaren Halteeinrichtung ist somit ein mechanischer Anschlag zum Begrenzen der Bewegung der Stellwelle 10 nicht mehr erforderlich.
Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, kann jedoch weiterhin ein mechanischer Anschlag 14 beispielsweise umfassend das erste Anschlagelement 16 und das zweite
Anschlagelement 18 vorgesehen sein, um die Bewegung der Stellwelle 10 auch dann zu begrenzen, wenn eine Versorgung der Halteeinrichtung mit elektrischem Strom zum Halten der Stellwelle 10, d.h. zum Begrenzen ihrer Bewegung ausfällt.
Vorteilhafterweise wird wenigstens ein Sensor verwendet, mittels welchem der
Verstellbereich, d.h. eine Stellung der Stellwelle 10 bezogen auf den Verstellbereich 24, überwacht wird. Überschreitet die Stelleinrichtung bzw. die Stellwelle 10 einen vorgebbaren
Schwellenwert, so wird die Stelleinrichtung von einem Normalbetriebszustand in einen Fehlerbetriebszustand mittels der Steuereinheit geschaltet, wobei eine Versorgung der Stelleinrichtung mit Energie zum Betreiben der Stelleinrichtung, d.h. mit Energie zum Bewegen der Stellwelle 10 um die Drehachse 12, unterbleibt. Dies bedeutet, dass die Energiezufuhr zur Stelleinrichtung unterbrochen wird, so dass die Stellwelle 10 keine Antriebskraft mehr erfährt.
Diese Überwachung kann über einen vorhandenen Winkelsensor oder einen
beispielsweise Halbmond-ähnlichen Sensor erfolgen, welcher lediglich ein binäres Signal bereitstellt. Dieses binäre Signal charakterisiert die Stellung der Stellwelle 10, so dass anhand des binären Signals ermittelbar ist, ob sich die Stellwelle 10 innerhalb oder außerhalb des Verstellbereichs 24 befindet.
Wenn die Energiezufuhr beendet wird, ergibt sich eine Reaktion aus noch enthaltener Energie, beispielsweise durch Trägheit, und aus der Kraft der Stellwelle 10. Dies ist anhand von Fig. 3 erkennbar.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm 34, auf dessen Abszisse 36 der Verstellbereich aufgetragen ist. Auf der Ordinate 38 ist eine Kraft bzw. ein Drehmoment aufgetragen.
Durch äußere Kräfte und/oder Drehmomente, welche zeitlich nach dem Schalten der Stelleinrichtung in den Fehlerbetriebszustand auf die Stellwelle 10 wirken, kommt es bei Abschaltung der Energiezufuhr zu einem systembedingten Verstellen der Stellwelle 10. Durch anliegende Kräfte und/oder Drehmomente bewegt sich also die Stellwelle 10 in eine Vorzugsrichtung, so dass sich das Verdichtungsverhältnis ändert.
Um zu vermeiden, dass die Stellwelle 10 unzulässige Drehstellungen, beispielsweise in den ungültigen Bereichen 30, 32 einnimmt, kann eine aufwändige Ansteuerung
vorgesehen werden, um die Stellwelle 10 zurück in den gültigen Verstellbereich 24 zu bewegen.
Um nun eine solche aufwändige Ansteuerung sowie mechanische Anschläge zu vermeiden, ist die Hubkolbenmaschine dazu ausgelegt, dass auf die Stellwelle 10 zeitlich nach dem Schalten der Stelleinrichtung in den Fehlerbetriebszustand wirkende Kräfte und/oder Drehmomente die Stellwelle 10 in eine vorgebbare Fehlerstellung des Verstellbereichs 24 bewegen und in der Fehlerstellung halten. Dies ist beispielsweise durch eine geeignete Kinematikauslegung der Stellwelle und/oder des Hebelelements und der daraus resultierenden Kräfte und/oder Drehmomente möglich. Somit kann die Stelleinrichtung bzw. die Stellwelle 10 gezielt in einen vorgebbaren Zustand gezwungen werden, so dass sie in den gültigen Verstellbereich 24 automatisch zurückgestellt wird.
Fig. 4 zeigt dabei einen entsprechenden Verlauf 40 der Kräfte und/oder Drehmomente zum Bewegen der Stellwelle 10 in die Fehlerstellung innerhalb des Verstellbereichs 24, wenn die Stelleinrichtung in den Fehlerbetriebszustand geschaltet wird. Der Verlauf 40 der auf die Stellwelle wirkenden Kräfte und/oder Drehmomente weist an einer
vorgebbaren Stelle 42 des gültigen Verstellbereichs 24, beispielsweise in der Nähe eines der elektrischen Anschläge 26, 28 ein Minimum auf. D.h., dass die Stellwelle 10 bei Ausfall der Energieversorgung und/oder der Sensorik oder auch beim Verlassen des gültigen Verstellbereichs 24 automatisch in den definierten Zustand des gültigen
Verstellbereichs 24, d.h. in die gültige Fehlerstellung innerhalb des Verstellbereichs 24 überführt wird.
Fig. 5a-c veranschaulichen die Realisierung eines sogenannten Fail-Safe-Zustands der Stelleinrichtung. Kommt es beispielsweise zu einem Totalausfall der Sensorik und/oder der Ansteuerung und/oder Aktorik der Stelleinrichtung, wird durch den Fail-Safe-Zustand gewährleistet, dass die Stellwelle 10 und somit das Hebelelement den gültigen
Verstellbereich 24 - gegebenenfalls bis auf unkritische Überschwinger - nicht dauerhaft verlassen.
Im Diagramm 34 gemäß Fig. 5a ist ein Betriebspunkt 44 der Stelleinrichtung gezeigt, in welchem äußere Kräfte und/oder Drehmomente auf die Stelleinrichtung und insbesondere auf die Stellwelle 10 wirken. Wie aus Fig. 5a erkennbar ist, befindet sich der
Betriebspunkt 44 innerhalb des gültigen Verstellbereichs 24, wobei die Stellwelle 10 eine entsprechende Drehstellung einnimmt. Dadurch ist auch ein korrespondierendes
Verdichtungsverhältnis eingestellt.
Kommt es nun beispielsweise zu einem Ausfall der Ansteuerung der Stellwelle 10, so wirken auf die Stellwelle 10 äußere Kräfte und/oder Drehmomente, welche die Stellwelle 10 beispielsweise in Richtung des nicht-mechanischen Anschlags 26 bewegen. Diese Kräfte und/oder Drehmomente resultieren aus der entsprechenden Auslegung der Hubkolbenmaschine. Im Rahmen dieser Bewegung der Stellwelle 10 in Richtung ihres nicht-mechanischen Anschlags 26 kommt es - wie aus Fig. 5b zu erkennen ist - zu einem kurzen
Überschwinger, wodurch ein weiterer Betriebspunkt 46 entsteht, in welchem die Stellwelle 10 kurzfristig eine unkritische Drehstellung aufweist, die außerhalb des Verstellbereichs 24 liegt.
Aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung der Stelleinrichtung wird die Stellwelle 10 - wie aus Fig. 5c erkennbar ist - im Fehlerbetriebszustand automatisch in eine
Fehlerstellung in der Nähe des nicht-mechanischen Anschlags 26 bewegt, welche innerhalb des Verstellbereichs 24 liegt. Die Stellwelle 10 wird jedoch durch die äußeren Kräfte und/oder Drehmomente nicht nur in die Fehlerstellung bewegt, sondern auch in der Fehlerstellung gehalten, ohne dass dazu ein mechanischer Anschlag erforderlich ist. In der Fehlerstellung ist ein entsprechendes Verdichtungsverhältnis eingestellt, welches einen unkritischen Betrieb der Hubkolbenmaschine zulässt. Dadurch kann beispielsweise der Kraftwagen noch von der Hubkolbenmaschine angetrieben und zu einer Werkstatt bewegt werden.
Durch die entsprechende Ausgestaltung der Stelleinrichtung wird die Stellwelle 10 bei Abschalten der Energieversorgung und somit ausschließlich durch die äußeren Kräfte und/oder Drehmomente in die Fehlerstellung bewegt, in welcher ein Betriebspunkt 48 vorliegt. Der Betriebspunkt 48 bzw. die Fehlerstellung ist dabei innerhalb des
Verstellbereichs 24.
Bezugszeichenliste
10 Stellwelle
12 Drehachse
14 mechanischer Anschlag
16 erstes Anschlagelement
18 zweites Anschlagelement
20 Gehäuse
22 mollständige Umdrehung
24 Verstellbereich
26 nicht-mechanischer Anschlag
28 Nicht-mechanischer Anschlag
30 ungültiger Bereich
32 ungültiger Bereich
34 Schaubild
36 Abszisse
38 Ordinate
40 Verlauf
2 Stelle
4 Betriebspunkt
6 weiterer Betriebspunkt 8 Betriebspunkt

Claims

Patentansprüche
Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit zumindest einem Zylinder, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen ist, und mit einer Stelleinrichtung, welche wenigstens ein in einem Verstellbereich (24) bewegbares Stellelement (10) zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses des Zylinders umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein nicht-mechanischer Anschlag (26, 28) vorgesehen ist, mittels welchem eine Bewegung des Stellelements (10) begrenzbar ist.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der nicht-mechanische Anschlag (26, 28) als elektrischer Anschlag (26, 28) ausgebildet ist.
Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit zumindest einem Zylinder, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar aufgenommen ist, mit einer Stelleinrichtung, welche wenigstens ein in einem Verstellbereich (24) bewegbares Stellelement (10) zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses des Zylinders umfasst, mit wenigstens einem Sensor zum Erfassen einer Stellung des Stellelements (10) und zum Bereitstellen eines die erfasste Stellung
charakterisierenden Signals, und mit einer mit dem Sensor gekoppelten
Steuereinheit, welche dazu ausgelegt ist, die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von dem Signal von einem Normalbetriebszustand in einen Fehlerbetriebszustand zu schalten, in welchem eine Versorgung der Stelleinrichtung mit Energie zum
Betreiben der Stelleinrichtung unterbleibt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Hubkolbenmaschine dazu ausgelegt ist, dass auf das Stellelement (10) zeitlich nach dem Schalten der Stelleinrichtung in den Fehlerbetriebszustand wirkende Kräfte und/oder Drehmomente das Stellelement (10) in eine vorgebbare
Fehlerstellung des Verstellbereichs (24) bewegen und in der Fehlerstellung halten.
4. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor als elektronischer Sensor ausgebildet ist.
5. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor dazu ausgelegt ist, ein Bewegen des Stellelements (10) über den Verstellbereich (24) hinaus zu erfassen.
6. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Stelleinrichtung in den
Fehlerbetriebszustand zu schalten, wenn der Sensor das Bewegen des
Stellelements (10) über den Verstellbereich (24) hinaus erfasst.
7. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Stellelement (10) eine um eine Drehachse (12) drehbare Welle (10), insbesondere Exzenterelle, ist.
8. Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine nach einem der
vorhergehenden Ansprüche.
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