WO2017207659A1 - Hubkolbenmaschine sowie verfahren und vorrichtung zur diagnose und/oder steuerung einer hubkolbenmaschine - Google Patents

Hubkolbenmaschine sowie verfahren und vorrichtung zur diagnose und/oder steuerung einer hubkolbenmaschine Download PDF

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sensor
compression ratio
value
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Siegfried Loesch
Thomas Huettner
Simon PATERNO
Robert St John
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Avl List Gmbh
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating engine, in particular with a variable compression ratio, which has at least one cylinder with a piston and a connecting rod which is connected to the piston and a crankshaft of the reciprocating engine. Furthermore, the invention relates to a method and a system for diagnosing and / or controlling such a reciprocating piston engine.
  • a diagnosis and / or control is advantageous in order to determine and adjust the piston position, in particular with respect to different crankshaft angles and / or the currently set compression ratio.
  • Document DE 20 2009 015 316 U1 relates to a device for determining the position of a piston in a cylinder of an internal combustion engine with a light source, a light guide provided between light source and combustion chamber and a light detector for reflected from the piston crown light beams, for the in the internal combustion engine separate light guide are provided for the light beam reflected from the piston crown and to be supplied to the light detector, wherein the light guides connect to an image guide, which is inserted with its main emission direction in the direction of the piston crown in a cylinder head of the internal combustion engine.
  • the publication DE 10 2009 013 323 A1 relates to a method for the automatic determination of a current compression ratio of a reciprocating engine during operation, which has a variable compression volume, with at least one cylinder in which a piston is guided, the connected via a connecting rod with the crankshaft wherein the connecting rod is articulated to a crank of the crankshaft, the method comprising the steps of: a) triggering a signal at a time when the piston is approximately in the region of the bottom dead center, wherein the crankshaft assumes a defined rotational position , b) synchronous detection of the position of the piston by a measuring sensor and c) determination of the compression ratio based on previously known and determined data.
  • the publication WO 2016/016187 A1 relates to a method for carrying out an on-board diagnosis in a reciprocating internal combustion engine with an adjustable compression ratio at top dead center (TDC), preferably by setting the effective length of a connecting rod, the on-board diagnosis being used, to check the compression ratio of a cylinder.
  • TDC top dead center
  • a reciprocating engine in particular with a variable compression ratio, at least one cylinder with a piston and a connecting rod, which is connected to the piston and a crankshaft of the reciprocating engine, on.
  • the reciprocating engine further comprises a first sensor which is arranged in a cylinder wall of the at least one cylinder and is adapted to detect a relative movement between a piston shirt of the piston and the cylinder wall.
  • a method for diagnosis and / or control or a reciprocating piston engine in particular with a variable compression ratio, which has at least one cylinder with a piston and a connecting rod has, which is connected to the piston and a crankshaft, the following steps:
  • a third aspect of the invention is a system for diagnosis and / or control of a reciprocating engine, in particular with variable compression ratio, which has at least one cylinder with a piston and a connecting rod, which is connected to the piston and a crankshaft, for performing a method according to the invention set up and / or instructs:
  • the invention is particularly based on the approach that from a movement of the piston, which can be determined by the determination of different piston positions, or one or more positions of the piston itself and other information, such as the piston speed and / or the respective present crankshaft angle, a Compression ratio of a reciprocating engine can be calculated. Furthermore, the invention is based on the finding that from a movement of the piston skirt relative to the cylinder wall, which can be detected by a sensor in the cylinder wall, a position of the piston at one or more points in time determined and / or derived or calculated can.
  • the reciprocating piston engine is a reciprocating internal combustion engine, in particular a supercharged or uncharged two- or four-stroke engine, in particular a gasoline or diesel engine, in particular a motor vehicle, in particular a passenger car.
  • the compression ratio of one or more, in particular all cylinders of the reciprocating engine in particular individually or uniformly, in particular special common, adjustable, in particular reversible between a minimum and a maximum compression ratio.
  • the compression ratio in particular the length of the connecting rod can be adjusted.
  • the invention makes use of the fact that a piston skirt of the piston sweeps or passes over different locations of the cylinder wall depending on the length of the connecting rod at different times and / or for different lengths of time.
  • the distance of the piston skirt from the cylinder wall or the presence of the piston skirt at certain points of the cylinder wall can be reliably determined by a number of known from the prior art sensors.
  • a cylinder wall according to the invention is the lateral boundary of the cylinder with which a piston cooperates to limit a working space, in particular combustion chamber, of a reciprocating piston engine.
  • a piston according to the invention is that movable component of the reciprocating engine, which forms together with the surrounding housing, in particular with the cylinder wall and a cylinder head, a closed cavity, the volume of which changes by the movement of the piston.
  • a piston has a piston head, which is in contact with the one working chamber, a piston skirt, which extends along the cylinder wall, and a piston pin with its bearing, which connects the piston with the connecting rod.
  • An inductive sensor according to the invention is a sensor which operates on the induction principle.
  • a coil (winding), a magnet, a constant or variable magnetic field and possibly a movement is required.
  • this has a second sensor, wherein the first sensor is arranged in such a way to detect the relative movement with respect to a top dead center (TDC) of the piston and the second sensor is arranged in such a way to detect the relative movement in the region of a bottom dead center (UT) of the piston.
  • TDC top dead center
  • UT bottom dead center
  • the latter has at least one third sensor, which is located opposite the piston longitudinal plane with respect to a piston longitudinal plane defined by a piston longitudinal axis and a piston pin axis. th sensor is arranged.
  • the first sensor and the third sensor are arranged in a normal plane to the piston longitudinal axis in the region of top dead center of the piston.
  • the piston has an electrically conductive and / or ferromagnetic material and the first sensor and / or the second sensor and / or the third sensor is an inductive sensor, in particular an eddy current sensor, or an optical sensor ,
  • the first sensor and / or the second sensor and / or the third sensor are / is arranged in such a way that the piston skirt completely passes over it during the relative movement. If the sensor in the cylinder wall is completely run over by it during the movement of the piston, the upper and / or edge of the piston, that is to say the respective upper and / or lower end of the piston skirt, can be determined very reliably.
  • this has a variable compression ratio and the first sensor and / or the third sensor is arranged in such a way that the piston skirt completely overshoots this only at at least substantially maximum compression ratio and / or the second sensor arranged in such a way that the piston skirt completely passes over this only at a substantially minimum compression ratio.
  • the first sensor and / or the second sensor and / or the third sensor are arranged in such a way that piston rings of the piston the first sensor and / or the second sensor and / or the Do not run over the third sensor during the relative movement.
  • the determination of a piston position parameter comprises determining a first minimum value of the movement parameter and a second maximum value (UOK) of the movement parameter comprising the movement of the piston.
  • the motion parameter Prior to determining the minimum and maximum values, the motion parameter is preferably filtered to remove disturbances introduced by, for example, the piston rings or the tilting of the piston from the course of the parameter.
  • the maximum value and the minimum value then preferably represent absolute minima or maxima with respect to the motion parameter which is generated at a sensor by the movement of the piston.
  • inventive method further comprises the following steps:
  • a rotational position parameter in the sense of this advantageous embodiment is preferably determined using an incremental encoder on the crankshaft.
  • the system comprises: - means for detecting a rotational position parameter of a crankshaft of the reciprocating engine; and
  • the method according to the invention furthermore has one of the following working steps:
  • the system has: Means for determining a compression ratio parameter based on the piston position parameter and / or the piston speed parameter, or
  • determining the piston position parameter comprises determining a first value of the motion parameter at a top dead center and / or second value of the motion parameter at a bottom dead center of the movement of the piston
  • the method further comprises the following operating step: determining a compression ratio parameter based on the first value and / or the second value and the piston position parameter.
  • the system has:
  • the method according to the invention also has the following working steps:
  • the system has:
  • Means for determining a compression ratio parameter based on the first value and / or the second value and the piston position parameter can also be taken into account, which according to a variant of the invention can be determined by determining piston position parameters on opposite sides of the piston, in particular with respect to the piston pin axis opposite sides of the piston.
  • the determination of a piston position parameter further comprises the following steps: - Adjustment of a target compression ratio of at least a first cylinder of the reciprocating engine from a first, in particular extremal, value to a second, in particular extremal, value;
  • the system has:
  • the adjustment of a desired compression ratio has the working step:
  • the system has:
  • Means for changing a desired length of a connecting rod of the at least one first cylinder of the reciprocating engine Means for changing a desired length of a connecting rod of the at least one first cylinder of the reciprocating engine.
  • the inventive method further comprises the following steps: Detecting an inductive and / or optical signal which is influenced by the relative movement between the piston skirt of the piston and the cylinder wall; and
  • inductive and / or optical signals are particularly well suited to determine the relative movement of the piston skirt relative to the cylinder wall.
  • the system has:
  • Means for detecting an inductive and / or optical signal which is influenced by the relative movement between the piston skirt of the piston and the cylinder wall;
  • a value of the movement parameter depends on, in particular the shortest, distance between the piston skirt and a measuring point or a speed of the relative movement.
  • the movement parameter is an electrical voltage which is generated by the inductive and / or optical signal.
  • the inductive and / or optical signal is influenced in particular by means of the lower end and / or the upper end of the piston skirt.
  • the speed parameter additionally takes into account a distance of the piston from the cylinder wall at a respective measurement time. If the velocity of the piston is detected via an induction in the inductive sensor by a piston movement, then the shape of the piston skirt and the distance of the piston skirt from the cylinder wall should be considered at the same time in order to calculate the exact speed values.
  • the piston position parameter is determined by evaluating a profile of the movement parameter as a function of time, in particular by evaluating flanks of course, determined. Such a course can be seen in particular at what time and how often a piston skirt has moved over the sensor.
  • the detected inductive and / or optical signal is filtered and the motion parameter is determined on the basis of the filtered inductive and / or optical signal.
  • the motion parameter is determined exclusively for at least one predetermined crank angle range.
  • the at least one predetermined crank angle range has an upper and / or lower dead center of at least one, in particular of the first, cylinder of the reciprocating engine and / or extends over at least 2 ° and / or over at most 135 °.
  • one or the predetermined crankshaft angle range extends in one embodiment, in particular in each case over at least 2 °, in particular at least 5 °, in particular over at least 10 °, and / or at most 135 °, in particular at most 90 °, in particular at most 45 °.
  • the motion parameter is determined on the basis of at least one mean and / or extremal value.
  • a signal, in particular a diagnostic and / or control signal based on the motion parameter is output, in particular if the motion parameter meets a predetermined condition, in particular a predetermined upper limit and / or lower Limit falls below and / or lies outside of a predetermined range. This can be reacted to a detection of a faulty compression ratio advantageous.
  • the first and / or second movement parameter is / are determined on the basis of or as a function of at least one difference between two middle and / or extreme, in particular maximum and / or minimum values. Values that determines movement and can specify this particular.
  • An agent in the sense of the present invention can be designed in terms of hardware and / or software, in particular one, preferably with a memory and / or bus interface.
  • System data or signal connected, in particular digital, processing, in particular microprocessor unit (CPU) and / or one or more programs or program modules have.
  • the CPU may be configured to execute instructions implemented as a program stored in a memory system, to acquire input signals from a data bus, and / or to output signals to a data bus.
  • a storage system may comprise one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid state and / or other non-volatile media.
  • the program may be such that it is capable of embodying or executing the methods described herein so that the CPU may perform the steps of such methods and, in particular, control and / or monitor a reciprocating engine.
  • control also means, in particular, the output of control signals on the basis of a comparison with detected actual values, that is to say a regulation.
  • control also means, in particular, the output of control signals on the basis of a comparison with detected actual values, that is to say a regulation.
  • Figure 1 shows a first cross section of a first embodiment of a reciprocating engine according to the first aspect of the invention
  • Figure 2 shows an enlarged section of the area around a piston of the first
  • FIG. 3 shows an enlarged section around a cylinder of a second embodiment of a reciprocating piston engine according to the invention
  • FIG. 4 shows an enlarged detail in the region around sensors of a reciprocating piston engine according to the invention according to FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 5 shows a diagram of a profile of an output parameter of an upper one
  • Figure 6 is a diagram of a curve of an output parameter of a lower sensor of the first embodiment of the reciprocating piston engine according to the invention according to Figures 1 and 2;
  • FIG. 7 shows a diagram of a profile of an output parameter of an upper one
  • FIG. 8 shows a diagram of an evaluation of the output parameter according to FIG. 7;
  • FIG. 9 shows a flow chart of an exemplary embodiment of a method for diagnosing and / or controlling a reciprocating piston engine according to the second aspect of the invention.
  • Figure 10 is an enlarged detail of a cylinder of a third embodiment of a reciprocating piston engine according to the invention in a sectional view along X-X in Fig. 1 1;
  • Figure 11 is a sectional view of the third embodiment of Figure 10 along
  • Figure 12 is a detail of a piston of the third embodiment of a reciprocating piston engine according to the invention.
  • Figure 1 shows a part of a motor vehicle with a reciprocating internal combustion engine 1 with a variable compression ratio and a system for diagnosing the reciprocating piston engine 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the reciprocating piston engine 1 comprises a crankshaft 5 and a plurality of cylinders 2a, 2b, 2c, 2d, in which pistons alternately compress a fuel-air mixture (see cylinder 2a), are driven by combustion of the mixture (cf. Cylinder 2b), air or mixture suck in (see cylinder 2c) and expel (see cylinder 2d) and this are coupled via connecting rod 4 with the crankshaft 5.
  • the length of the connecting rod 4 and thus the compression ratio of the cylinder 2 a, 2 b, 2 c, 2 d and the reciprocating internal combustion engine 1 is adjustable by an engine ECU 15, as indicated in phantom in Fig. 1.
  • the ECU 15 detects a rotational position of the crankshaft 5 as a rotational position parameter by means of a trigger wheel 14 and determines therefrom in particular values of a crankshaft angle parameter ⁇ , for example ⁇ , ⁇ 2, ⁇ , ⁇ 3, ⁇ , ⁇ 4 , ⁇ .
  • FIG. 2 shows one of the cylinders 2a, 2b, 2c, 2d of the reciprocating internal combustion engine 1 according to FIG. 1 at top dead center OT, in which the piston 3 is in the next possible position on the cylinder head.
  • the combustion chamber (not shown) on the cylinder head is limited in this case by the top of the piston 3 and by the cylinder walls 7 downwards.
  • the piston skirt 8 serves to guide the piston 3 in the cylinder 2a, 2b, 2c, 2d and cooperates with the cylinder wall 7, which is cylindrical in the illustrated embodiment. In the region of the piston skirt 8 and sealing rings are arranged which seal a remaining gap between the piston skirt 8 and the cylinder wall 7.
  • openings or measuring points 10, 1 1 introduced in the cylinder wall 7, in particular perpendicular to the main axis of the cylinder 2a, 2b, 2c, 2d.
  • openings or measuring points 10, 1 1 introduced in the cylinder wall 7, in particular perpendicular to the main axis of the cylinder 2a, 2b, 2c, 2d.
  • at least one sensor in the illustrated embodiment, a first sensor 6 and a second sensor 9, determine whether the piston skirt 8 is at the level of the first sensor 6 and / or the second sensor 9 and preferably also, whether the piston 3 is in the vicinity of these sensors 6, 9.
  • the sensors 6, 9 are preferably inductive sensors, in particular eddy-current sensors, in the magnetic field of which the piston 3, which comprises or consists of an electrically conductive and / or ferromagnetic material, depends on the distance from the sensors 6, 9 causes a change.
  • the lower edge 12 of the piston skirt 8 is spaced at a distance d1 from the upper, first sensor 6.
  • the magnetic field of the first eddy current sensor 6 is preferably no longer influenced by the piston 3.
  • the resulting by a movement of the piston 3 change in the field of the sensors 6, 9 can be output, for example as a voltage signal U.
  • a voltage signal can subsequently be used as a movement parameter in the sense of the invention.
  • FIG. 3 shows a further, second exemplary embodiment of a reciprocating internal combustion engine 1 according to the invention.
  • the piston 3 is in this case shown both in the top dead center OT and as a piston 3 'in the bottom dead center UT.
  • Fig. 3 additionally shows the cylinder head 16, which closes a combustion chamber 17 with the piston 3.
  • the first eddy current sensor 6 is arranged such that the lower edge 12 of the piston 3 no longer has the first eddy current sensor 6 or the associated opening in the cylinder wall 7 at top dead center OT covered.
  • the lower eddy current sensor 9 is arranged in such a way that it or the associated opening in the piston wall 7 is covered by the piston 3 'at the bottom dead center.
  • FIG. 4 shows by way of example how the first eddy current sensor 6 and the second eddy current sensor 9 are arranged in a cylinder 2 a, 2 b, 2 c, 2 d.
  • the sensors 6, 9 are sealed with respect to the interior of the cylinder to the cylinder wall 7 as well as with respect to a cooling channel with seals.
  • FIG. 10 shows a further, third exemplary embodiment of a reciprocating internal combustion engine 1 according to the invention. Elements which have already been explained in FIG. 3 are here provided with the same reference numerals and will not be discussed further.
  • FIG. 10 additionally shows the cylinder head 16, which closes a combustion chamber 17 with the piston 3.
  • a piston longitudinal axis 300 is shown, which runs predominantly parallel to a main axis of the cylinder during operation.
  • the slightly offset representation of the piston longitudinal axis 300 results from the selected in Fig. 10 sectional view, which extends obliquely to the piston pin axis 30 (see Fig. 1 1).
  • a third sensor 60 is provided, wherein the sensors 6, 9, 60 are designed, for example, as eddy-current sensors.
  • the third sensor 60 is arranged together with the first sensor 6 in a normal plane to the piston longitudinal axis 300. This normal plane is placed as close as possible to the top dead center of the piston 3 in the direction of the main axis of the cylinder.
  • the first 6 and third sensors 60 are arranged such that the lower edge 12 of the piston Bens 3 and the piston skirt 8 at top dead center, the first 6 and third sensor 60 and the associated openings in the cylinder wall 7 covered.
  • the positioning of the second sensor 9 is selected as in the other embodiments.
  • the first 6 and third sensor 60 are arranged on opposite sides of a piston longitudinal plane KL, which is defined by the piston longitudinal axis 300 and the piston pin axis 30.
  • the piston longitudinal plane KL extends in Fig. 1 1 normal to the image plane and falls in the illustration with the piston pin axis 30 together.
  • Fig. 1 two variants for the arrangement of a third sensor 60 are shown:
  • the first sensor 6 and the third sensor 60 with respect to the piston longitudinal axis 300 are arranged opposite one another.
  • the longitudinal axes of the sensors coincide with each other and extend through the piston longitudinal axis 300.
  • the angle alpha between the sensor longitudinal axes and the piston pin axis 30 is for example 65 °, but can also be chosen differently depending on the space available, as long as the first 6 and third sensors 60 are on different sides of the piston longitudinal plane KL are located.
  • the sensor longitudinal axes intersect in the piston longitudinal axis 300.
  • two third sensors 60, 60 'are arranged in FIG. 11 only one of the variants can be implemented, whereby embodiments with two third sensors 60, 60' are also possible.
  • the third embodiment allows the additional consideration of the piston tilt in determining the parameters required for the method, e.g. of the piston position parameter.
  • the measured values of the third sensor 60 By comparing the measured values of the third sensor 60 with that of the first sensor 6, such influences, ie movements of the piston 3 in the direction of the sensor longitudinal axes, which indicate a tilting, can be determined and taken into account.
  • grooves 31 may be additionally performed in the piston 3 and the piston skirt, which allow a clear position determination.
  • the grooves 31 are executed in that region of the piston skirt 8, which is moved past one or more sensors during operation of the reciprocating internal combustion engine.
  • the grooves 31 are advantageously carried out in those areas of the piston skirt 8, which are moved past the first 6 and the third sensor 60, 60 '.
  • the grooves 31 are thereby starting from the lower edge 12 of the piston 3 upwards, ie in the direction of the combustion chamber 17, executed.
  • the signals caused when passing the grooves 31 in the sensors 6, 60, 9 can be used additionally or instead of the signals of the piston rings already described.
  • Figure 12 shows a section of the piston skirt 8 of the piston 3 of the third embodiment.
  • the grooves 31 can be seen, wherein the provision of eight grooves 31 as shown is only an example and also a different number can be selected.
  • the height h of a groove 31 and the groove spacing a between adjacent grooves 31 can be selected differently. The smaller the height h of the groove 31 is selected, the higher the signal of the associated sensor is resolved. In the illustrated embodiment, height h and groove spacing a are the same for all grooves 31, the so-called "pitch" w thus results as 2 * h.
  • the length I of the groove 31, that is to say the extent in the circumferential direction of the piston 3, can for example be selected such that it corresponds to the diameter of the respective associated sensor 6, 60. This enables a particularly reliable measurement.
  • An inventive system for diagnosis and / or control of a reciprocating internal combustion engine 1 is preferably by the first eddy current sensor 6 and, if present, by the second eddy current sensor 9 and / or a third sensor or eddy current sensor 60, 60 'and a control or Evaluation unit 15 formed. Further preferably, such a system also has a device 14 for determining the crankshaft angle ⁇ , in particular a transmitter wheel / trigger wheel or an incremental encoder.
  • Such a system is generally suitable for determining piston positions.
  • the piston 3 can also be perceived by the respective eddy current sensor 6, 9 at a certain distance d max , the signal strength depending on the distance d, in particular proportionally to the distance is.
  • the tilting of the piston 3 can also be achieved by the sensors, in particular a first eddy current sensor 6 and at least one second eddy current sensor 60, 60 'are determined and taken into account.
  • the speed from the passing of the upper edge 1 2 and the lower edge 1 3 can be determined on the eddy current sensors 6, 9.
  • a determination of the speed Ü can be determined via a strength of the field induced or changed by the piston 3 at the eddy current sensors 6, 9.
  • the piston skirt 8 is preferably not completely parallel to the cylinder wall 7, but has different distances from the cylinder wall 7 over its course.
  • the field of the eddy current sensors 6, 9 is influenced to different degrees.
  • the method 100 according to the invention and the system according to the invention are also suitable for, so-called on-board diagnostics or control of a reciprocating internal combustion engine 1 with a variable compression ratio ⁇ .
  • the system and method according to the invention can be closed in this case on the respective present compression ratios ⁇ .
  • variable compression ratio can be achieved, in particular, by changing the connecting rod length, wherein in relation to the exemplary embodiments, differentiation between extended connecting rod (index a) and retracted connecting rod (index e) is simplified.
  • the piston position parameter is shown as a digital value with the values UMK, that is to say with pistons at the level of a respective eddy current sensor 6, 9 or UOK, that is to say without pistons at the level of the eddy current sensor 6, 9 can be seen from the previous description and also from the diagrams shown below with curves of the movement parameter U of the piston 3, but also other values of the piston position parameter depending on the movement parameter U defined be, which can then each be assigned to a specific position of the piston 3.
  • FIG. 5 shows a diagram with curves of voltage signals U a and U e , which represent a movement parameter of the piston 3 of a reciprocating piston engine 1 according to the first exemplary embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • an inductive or possibly also optical signal which is triggered or influenced by the relative movement between the piston skirt 8 of the piston 3 and the cylinder wall 7, is detected.
  • this signal is filtered numerically and a movement parameter U is determined 101 therefrom.
  • a movement parameter for a connecting rod 4 in the extended state is denoted by U a in FIGS. 5 and 6, a movement parameter for a connecting rod in the retracted state is designated here by U e .
  • the movement parameter U based on the signal generated by the first eddy current sensor 6 and / or the second eddy current sensor 9 and / or a third eddy current sensor 60, 60 ', which is indicated by a voltage in the diagram, decreases with increasing distance d of the signal Piston 3 from the respective sensor 9 to.
  • the lowest voltage value of the movement parameter is thus generated when the piston 3 is in the position in which the piston skirt 8 is closest to the respective sensor 6, 9.
  • the curves of the motion parameters U a , U e shown in FIG. 5 reproduce parameters derived from the real measuring signals.
  • the two gradients U a , U e respectively associated angular courses indicate a theoretical ideal course of the motion parameter, respectively in the extended and retracted state.
  • UOK indicates the value of the motion parameter when the piston 3 is not in the range of the first eddy current sensor 6
  • UoK.reai is the corresponding real value of the motion parameter derived from the measurement signal.
  • the movement parameter value U M K or U M K, reai indicates the theoretical or real movement parameter value when the piston is in the region of the first eddy current sensor 6.
  • the piston 3 moves back down and first passes with the lower edge 12 of the piston skirt 8, the first sensor 6, whereupon the motion parameter U a falls again on UiviK.reai and then mirror symmetry to the previously described upward movement of the piston 3 an increase the movement parameter value U a has until again the piston wedge rings initiate a disturbance of the measurement signal and then the upper edge 13 of the piston flank 8 passes over the upper sensor 6 again, whereupon the motion parameter value remains at UoK.reai.
  • crankshaft angle parameter 103-2 which is derived in particular from the rotational position of the crankshaft 103-1, are respectively plotted on the ordinate of FIG. Specifically, ⁇ ⁇ , 2 is each that crankshaft angle parameter value at which the lower edge 12 of the piston skirt 8 sweeps over the first eddy current sensor 6 in the upward movement of the piston 3 and ⁇ ⁇ 3 is the crankshaft angle parameter value at which the lower edge 12 of the piston skirt 8, the upper Sen- 5 sor 6 sweeps again during the downward movement of the piston 3. From these two crankshaft angle parameter values, a compression ratio parameter value 5 a and 5 e can be determined 104b in the extended state and in the retracted state, respectively.
  • the respective compression ratio can be determined by means of the piston position parameter U and a piston speed parameter U derived therefrom 104a.
  • the piston position parameter U a piston speed parameter U derived therefrom 104a.
  • a third eddy current sensor 60, 60 ' the eventual tilting of the piston 3, which can falsify the piston position, can be determined and filtered out.
  • FIG. 6 shows the course of a movement parameter for an extended connecting rod U a and a retracted connecting rod U e to two lower, second eddy current sensor 9 according to the first embodiment of Figures 1 and 2.
  • the piston position parameter and its parameter values as well as the crankshaft angle parameter can be determined according to FIG. 5. Since piston 3 25 moves further away from second sensor 9 during the downward movement of piston 3 than when connecting rod 4 is extended, the compression ratio parameter value 5 e is greater than the corresponding compression ratio parameter 5 a when the connecting rod is extended 4th
  • FIG. 7 shows the profile of the movement parameter U at the upper, first load current sensor 6 of the second exemplary embodiment of a reciprocating internal combustion engine 1 according to the invention as shown in FIG. 3.
  • the profile of the movement parameter U as shown in FIG. 5, the change of a field signal at the upper, first eddy current sensor 6 at.
  • the movement parameter value drops abruptly, and here too the characteristic interference signals of the piston rings are shown while the piston 3 passes over the first eddy current sensor 6.
  • the movement parameter U falls and reaches the piston position parameter value U M K, reai, which indicates that the piston skirt 8 completely covers the first eddy current sensor 6.
  • the movement parameter U increases, which indicates that the piston 3 or the piston skirt 8 has completely overrun the upper eddy current sensor 6.
  • the motion parameter U in FIG. 7 does not rise to its initial value Uo K .reai, which is assigned to a piston position in which the piston skirt 8 does not cover the first eddy current sensor 6 and the first eddy current sensor 6 no longer detects the piston 3 (ie d> d ma x). Instead, the motion parameter U remains below the position parameter value U 0 K, rea- This means that the field of the upper eddy current sensor 6 is still influenced by the piston 3. This is due to the fact that the upper eddy current sensor, as shown in Fig. 3, at the top dead center OT of the piston 3 is substantially closer to the lower edge 12 of the piston skirt 8, as is the case for example in the first embodiment of FIG
  • the voltage value at point P at a crankshaft angle ⁇ of about 360 ° depends on the distance d of the lower edge 12 of the piston skirt 8 from the first eddy current sensor 6, and is in particular proportional to this.
  • the point P or its voltage value UOT therefore indicates a distance d of the lower edge 12 of the piston skirt 8 from the first eddy current sensor 6. From the position of the point P, therefore, the piston position can be derived. This is therefore likewise a piston position parameter in the sense of the invention. From the respective value UOT of this piston position parameter, a compression ratio parameter is preferably determined 104c.
  • the value UOT is subtracted from the value UOK or U M K of the piston position parameter, so that preferably the values of the compression ratio parameter AUi or ⁇ 2 result. From the amount of the values AUi and ⁇ 2 can be directly concluded that the compression ratio of a reciprocating internal combustion engine 1.
  • ⁇ 2 can be at least qualitatively determined how the compression ratio has changed in the piston 2 a , 2 b, 2 c, 2 d of a reciprocating internal combustion engine 1. If the relationship between the respective compression ratio parameter AUi, AU 2 and the compression ratio ⁇ is defined by a ZuOrdnungsvorschrift, in particular by a function or by a field or stored in a data memory, so in a further step 105, the exact value of a compression ratio ⁇ be determined on the basis of the respective compression ratio parameter ⁇ , ⁇ - ⁇ , ⁇ ⁇ 2 .
  • the method can also provide that a change in the compression ratio ⁇ be actively initiated in order to use the respective compression ratio parameters ⁇ , , ⁇ 2 at different times to determine whether a change in the compression ratio has taken place.
  • a desired compression ratio of at least one first cylinder 2a, 2b, 2c, 2d of the reciprocating internal combustion engine 1 is set from a first, in particular extremal, value ⁇ ⁇ to a second, in particular extreme, value ⁇ ⁇ 104.
  • the determination of a value of a relative compression ratio parameter 104c then takes place on the basis of the first and second values of the piston position parameter U.
  • the control device 15 or the method 100 checks whether the respectively obtained value of the compression ratio parameter ⁇ , AU ⁇ ⁇ 2 lies outside a predetermined range, in particular falls below a predetermined minimum value, which in a determination of the compression ratio between maximum and minimum 106. If this is not the case or if the compression ratio parameter value is within the predetermined range (operation 106: "N"), the controller 15 returns or the method 100 is again returned to operation 101 to perform the method 100 again.
  • Step 106 the controller 15 gives in one Step 107 outputs a corresponding diagnostic signal indicative of the operation of the reciprocating internal combustion engine 1 in an insufficient manner and then returns to step 101.
  • crankshaft angle parameter ⁇ ⁇ 5 ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ 4 characteristic value of the crankshaft angle parameter

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere mit variablem Verdichtungsverhältnis, wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und einem Pleuel, welches mit dem Kolben und einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine verbunden ist. Die Hubkolbenmaschine weist des Weiteren einen ersten Sensor auf, welcher in einer Zylinderwand des wenigstens einen Zylinders angeordnet und eingerichtet ist, eine Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd des Kolbens und der Zylinderwand zu erfassen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren (100) zur Diagnose und/oder Steuerung einer derartigen Hubkolbenmaschine (1), insbesondere mit variablem Verdichtungsverhältnis, und ein dazu geeignetes System.

Description

Hubkolbenmaschine sowie Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere mit variablem Verdichtungsverhältnis, welche wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und einem Pleuel, welches mit dem Kolben und einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine verbunden ist, aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren und ein System zur Diagnose und/oder Steuerung einer solchen Hubkolbenmaschine.
Aus dem Stand der Technik sind Hubkolbenmaschinen mit variablen Verdichtungsverhältnissen bekannt, wobei als Verdichtungsverhältnis ε, vorliegend insbesondere in fach- licher Weise ein Verhältnis der Summe von (Kolben)Volumen VH und Kompressionsbzw. Restvolumen VK zu dem Kompressions- bzw. Restvolumen VK verstanden wird
Hierdurch kann eine Funktionalität der Hubkolbenmaschine verbessert, insbesondere an unterschiedliche Lastbereiche adaptiert werden. Im Stand der Technik sind verschiedenste Systeme zum Verändern des Verdichtungsverhältnisses in Hubkolbenmaschinen bekannt, beispielsweise aus der WO 2015/0555582 A2, der AT 512334 A1 oder der DE 10 2012 020999 A1 .
Bei Hubkolbenmaschinen solcher Art, insbesondere bei Hubkolbenverbrennungskraft- maschinen, mit variablem Verdichtungsverhältnis ist eine Diagnose und/oder Steuerung vorteilhaft, um die Kolbenposition, insbesondere in Bezug auf verschiedene Kurbelwellenwinkel und/oder das momentan eingestellte Verdichtungsverhältnis, zu bestimmen und einstellen zu können.
Die Druckschrift DE 20 2009 015 316 U1 betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines Kolbens in einem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Licht- quelle, einem zwischen Lichtquelle und Verbrennungsraum vorgesehenen Lichtleiter und einem Lichtdetektor für vom Kolbenboden reflektierte Lichtstrahlen, wobei für den in die Verbrennungskraftmaschine einzuleitenden Lichtstrahl und für den vom Kolbenboden reflektierten und dem Lichtdetektor zuzuführenden Lichtstrahl gesonderte Lichtleiter vorgesehen sind, wobei die Lichtleiter an einen Bildleiter anschließen, der mit seiner Haupt- abstrahlrichtung in Richtung des Kolbenbodens weisend in einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt ist. Die Druckschrift DE 10 2009 013 323 A1 betrifft ein Verfahren zur automatischen Ermittlung eines momentanen Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine im Betrieb, die ein veränderbares Kompressionsvolumen aufweist, mit mindestens einem Zylinder, in dem ein Kolben geführt ist, der über einen Pleuel mit der Kurbelwelle verbun- den ist, wobei der Pleuel an einer Kurbel der Kurbelwelle angelenkt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte vorsieht: a) Auslösen eines Signals in einem Zeitpunkt, bei dem sich der Kolben ungefähr im Bereich des unteren Totpunktes befindet, wobei die Kurbelwelle eine definierte Drehposition einnimmt, b) synchrones Erfassen der Position des Kolbens durch einen Messsensor und c) Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses anhand vorbekannter und ermittelter Daten.
Die Druckschrift WO 2016/016187 A1 betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer On- Board-Diagnose bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis im oberen Totpunkt (OT), vorzugsweise durch Einstellung der effektiven Länge eines Pleuels, wobei die On-Board-Diagnose genutzt wird, um das Verdichtungs- Verhältnis eines Zylinders zu überprüfen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hubkolbenmaschine bzw. deren Betrieb zu verbessern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Kolbenposition und/oder das Verdichtungsverhältnis besser bestimmen und/oder einstellen zu können. Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolbenmaschine und ein Verfahren bzw. System gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Lehre der Ansprüche wird ausdrücklich zu einem Teil der Beschreibung gemacht.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Hubkolbenmaschine, ins- besondere mit variablem Verdichtungsverhältnis, wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und einem Pleuel, welches mit dem Kolben und einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine verbunden ist, auf. Vorzugsweise weist die Hubkolbenmaschine des Weiteren einen ersten Sensor auf, welcher in einer Zylinderwand des wenigstens einen Zylinders angeordnet und eingerichtet ist, eine Relativbewegung zwischen einem Kolben- hemd des Kolbens und der Zylinderwand zu erfassen.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zur Diagnose und/oder Steuerung oder einer Hubkolbenmaschine, insbesondere mit variablem Verdichtungsverhältnis, welche wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und einem Pleuel auf- weist, welches mit dem Kolben und einer Kurbelwelle verbunden ist, die folgenden Arbeitsschritte auf:
Ermitteln eines Bewegungs-Parameters des Kolbens der Hubkolbenmaschine mittels einer Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd des Kolbens und ei- ner Zylinderwand; und
Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters und/oder eines Kolbengeschwindig- keits- Parameters auf Basis des Bewegungs-Parameters.
Nach einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein System zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine, insbesondere mit variablem Verdichtungsverhältnis, welche wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben und einem Pleuel aufweist, welches mit dem Kolben und einer Kurbelwelle verbunden ist, zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:
- Mittel zum Ermitteln eines Bewegungs-Parameters wenigstens eines Kolbens der Hubkolbenmaschine mittels einer Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd des Kolbens und einer Zylinderwand; und
- Mittel zum Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters und/oder eines Kolbenge- schwindigkeits-Parameters auf Basis des Bewegungs- Parameters.
Die Erfindung basiert insbesondere auf dem Ansatz, dass aus einer Bewegung des Kolbens, welche über die Feststellung verschiedener Kolbenpositionen ermittelt werden kann, beziehungsweise einer oder mehrerer Positionen des Kolbens selbst und weiterer Informationen, wie beispielsweise der Kolbengeschwindigkeit und/oder des jeweils vorliegenden Kurbelwellenwinkels, ein Verdichtungsverhältnis einer Hubkolbenmaschine berechnet werden kann. Des Weiteren beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass aus einer Bewegung des Kolbenhemds gegenüber der Zylinderwand, welche mit einem Sen- sor in der Zylinderwand festgestellt werden kann, eine Position des Kolbens zu einem oder mehreren Zeitpunkten festgestellt und/oder hergeleitet bzw. berechnet werden kann.
Die Hubkolbenmaschine ist in einer Ausführung eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere ein aufgeladener oder nicht aufgeladener Zwei- oder Viertakt-, insbeson- dere Otto- oder Dieselmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens.
In einer Ausführung ist das Verdichtungsverhältnis eines oder mehrerer, insbesondere aller Zylinder der Hubkolbenmaschine, insbesondere individuell oder einheitlich, insbe- sondere gemeinsam, verstellbar, insbesondere reversibel zwischen einem minimalen und einem maximalen Verdichtungsverhältnis. Um das Verdichtungsverhältnis zu verändern, kann insbesondere die Länge des Pleuels angepasst werden.
Die Erfindung nutzt dabei aus, dass ein Kolbenhemd des Kolbens verschiedene Orte der Zylinderwand je nach Pleuellänge zu verschiedenen Zeitpunkten und/oder verschieden lange überstreicht bzw. überfährt. Der Abstand des Kolbenhemds von der Zylinderwand bzw. das Vorhandensein des Kolbenhemds an bestimmten Stellen der Zylinderwand, kann jedoch durch eine Reihe von aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren zuverlässig bestimmt werden.
Eine Zylinderwand im Sinne der Erfindung ist die seitliche Begrenzung des Zylinders, mit der ein Kolben zusammenwirkt, um einen Arbeitsraum, insbesondere Brennraum, einer Hubkolbenmaschine zu begrenzen.
Ein Kolben im Sinne der Erfindung ist dabei jenes bewegliche Bauteil der Hubkolbenmaschine, das zusammen mit dem umgebenden Gehäuse, insbesondere mit der Zylinder- wand und einem Zylinderkopf, einen abgeschlossenen Hohlraum bildet, dessen Volumen sich durch die Bewegung des Kolbens verändert. Insbesondere weist ein Kolben einen Kolbenboden auf, welcher mit dem einen Arbeitsraum in Kontakt steht, ein Kolbenhemd, welches sich entlang der Zylinderwand erstreckt, und einen Kolbenbolzen mit seiner Lagerung, der den Kolben mit dem Pleuel verbindet.
Ein Induktivsensor im Sinne der Erfindung ist ein Sensor, welcher nach dem Induktionsprinzip arbeitet. Hierfür ist insbesondere eine Spule (Wicklung), ein Magnet, ein konstantes oder veränderliches Magnetfeld und ggf. eine Bewegung erforderlich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine weist diese einen zweiten Sensor auf, wobei der erste Sensor in der Weise angeordnet ist, um die Relativbewegung in Bezug eines oberen Totpunkts (OT) des Kolbens zu erfassen und der zweite Sensor in der Weise angeordnet ist, um die Relativbewegung im Bereich eines unteren Totpunkts (UT) des Kolbens zu erfassen. Das Vorsehen von zwei Sensoren jeweils im oberen und unteren Bereich des Kolbens ermöglicht es, eine mögliche Elastizität in einer Versteilvorrichtung für ein variables Verdichtungsverhältnis, zum Bei- spiel eine Elastizität eines hydraulisch verstellbaren Pleuels, festzustellen.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenmachine weist diese zumindest einen dritten Sensor auf, der hinsichtlich einer durch eine Kolbenlängsachse und eine Kolbenbolzenachse definierten Kolbenlängsebene gegenüberliegend dem ers- ten Sensor angeordnet ist. Vorteilhaftweise sind dabei der erste Sensor und der dritte Sensor in einer Normalebene zur Kolbenlängsachse im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens angeordnet. Diese Merkmale erlauben die Berücksichtigung des Einflusses, der sich durch das Kippen des Kolbens ergibt. Dieses Kippen kann im Bereich mehrerer Zehntelmillimeter liegen und beispielsweise durch im Betrieb auftretende Kräfte bedingt sein, die eine Torsion der Kurbelwelle bewirken.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine weist der Kolben ein elektrisch leitfähiges und/oder ferromagnetisches Material auf und der erste Sensor und/oder der zweite Sensor und/oder der dritte Sensor ist ein In- duktivsensor, insbesondere eine Wirbelstromsensor, oder ein optischer Sensor.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine sind/ist der erste Sensor und/oder der zweite Sensor und/oder der dritte Sensor in der Weise angeordnet, dass das Kolbenhemd diesen während der Relativbewegung vollständig überfährt. Wird der Sensor in der Zylinderwand während der Bewegung des Kol- bens komplett von diesem überfahren, lassen sich die obere und/oder Kante des Kolbens, das heißt, das jeweilige obere und/oder untere Ende des Kolbenhemds sehr zuverlässig bestimmen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine weist diese ein variables Verdichtungsverhältnis auf und der erste Sensor und/oder der dritte Sensor ist in der Weise angeordnet, dass das Kolbenhemd diesen nur bei wenigstens im Wesentlichen maximalem Verdichtungsverhältnis vollständig überfährt und/oder der zweite Sensor ist in der Weise angeordnet, dass das Kolbenhemd diesen nur bei im Wesentlichen minimalem Verdichtungsverhältnis vollständig überfährt. Durch diese Anordnung lassen sich die jeweiligen maximalen Auslenkungen des Kolbens sehr zuverlässig bestimmen, da, wenn diese erreicht sind, nur dann der jeweilige Sensor im oberen Totpunkt oder im unteren Totpunkt nicht von dem Kolbenhemd bedeckt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine sind/ist der erste Sensor und/oder der zweite Sensor und/oder der dritte Sensor in der Weise angeordnet, dass Kolbenringe des Kolbens den ersten Sensor und/oder den zwei- ten Sensor und/oder der dritte Sensor bei der Relativbewegung nicht überfahren.
Die im Vorhergehenden, in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung erläuterten Merkmale und Vorteile gelten entsprechend für den zweiten und dritten Aspekt der Erfindung und umgekehrt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters ein Ermitteln eines ersten minimalen Werts des Bewegungs-Parameters und eines zweiten maximalen Werts (UOK) des Bewegungs- Parameters der Bewegung des Kobens umfasst. Vor einer Bestimmung des minimalen und maximalen Werts wird der Bewegungs- Parameter vorzugweise gefiltert, um Störungen, welche beispielsweise durch die Kolbenringe oder das Kippen des Kolbens eingebracht werden, aus dem Parameterverlauf zu entfernen. Der maximal Wert und der minimale Wert stellen dann vorzugsweise absolute Minima bzw. Maxima in Bezug auf den Bewegungs-Parameter dar, welcher an einem Sensor durch die Bewegung des Kolbens erzeugt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren folgende Arbeitsschritte auf:
Erfassen eines Drehpositions-Parameters einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine; und - Ermitteln eines Kurbelwellenwinkel-Parameters auf Basis des Drehpositions- Parameters.
Ein Drehpositions-Parameter im Sinne dieser vorteilhaften Ausführungsform wird vorzugsweise mit einem Inkrementalgeber an der Kurbelwelle bestimmt.
Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf: - Mittel zum Erfassen eines Drehpositions-Parameters einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine; und
- Mittel zum Ermitteln eines Kurbelwellenwinkel-Parameters auf Basis des Drehpositions-Parameters.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren einen der folgenden Arbeitsschritte auf:
Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des Kolbenpositions-Parameters und/oder des Kolbengeschwindigkeits-Parameters, oder
Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des Kolbenpositions-Parameters und des Kurbelwellenwinkel-Parameters.
Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf: - Mittel zum Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des Kolbenpositions-Parameters und/oder des Kolbengeschwindigkeits-Parameters, oder
Mittel zum Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des Kolbenpositions-Parameters und des Kurbelwellenwinkel-Parameters.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens um- fasst das Ermitteln des Kolbenpositions-Parameters ein Ermitteln eines ersten Werts des Bewegungs-Parameters an einem oberen Totpunkt und/oder zweiten Werts des Bewegungs-Parameters an einem unteren Totpunkt der Bewegung des Kolbens, wobei das Verfahren des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweist: - Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des ersten Werts und/oder des zweiten Werts und des Kolbenpositions-Parameters.
Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
Mittel zum Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des ersten Werts und/oder des zweiten Werts und des Kolbenpositions-Parameters. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren die folgenden Arbeitsschritte auf:
Ermitteln eines Wertes eines Verdichtungsverhältnisses auf Basis des ersten Wertes des oberen Totpunkts und/oder des ersten Wertes des unteren Totpunkts.
Aus den Werten des oberen Totpunkts und den Werten des unteren Totpunkts ergibt sich in unmittelbarer Weise das anliegende Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenmaschine.
Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
Mittel zum Ermitteln eines Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des ersten Werts und/oder des zweiten Werts und des Kolbenpositions-Parameters. Dabei kann jeweils auch das Kippen des Kolbens im oberen Totpunkt mitberücksichtigt werden, das sich gemäß einer Variante der Erfindung durch Ermitteln von Kolbenpositi- ons-Parametern auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens, insbesondere hinsichtlich der Kolbenbolzenachse gegenüberliegenden Seiten des Kolbens, bestimmen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters des Weiteren folgende Arbeitsschritte auf: - Verstellen eines Soll-Verdichtungsverhältnisses wenigstens eines ersten Zylinders der Hubkolbenmaschine von einem ersten, insbesondere extremalen, Wert auf einen zweiten, insbesondere extremalen, Wert;
Ermitteln eines ersten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder eines ersten Werts des Kurbelwellenwinkel-Parameters für den ersten Wert des Soll- Verdichtungsverhältnisses; und
Ermitteln eines zweiten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder eines zweiten Werts des Kurbelwellenwinkel-Parameters für den zweiten Wert des Soll- Verdichtungsverhältnisses, wobei das Ermitteln eines Werts des Verdichtungsverhältnis-Parameters auf Basis des ersten und zweiten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder des Kurbelwellenwinkel-Parameters erfolgt.
Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
Mittel zum Verstellen eines Soll-Verdichtungsverhältnisses wenigstens eines ersten Zylinders der Hubkolbenmaschine von einem ersten, insbesondere extremalen, Wert auf einen zweiten, insbesondere extremalen, Wert;
Mittel zum Ermitteln eines ersten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder eines ersten Werts des Kurbelwellenwinkel-Parameters für den ersten Wert des Soll-Verdichtungsverhältnisses; und
Mittel zum Ermitteln eines zweiten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder eines zweiten Werts des Kurbelwellenwinkel-Parameters für den zweiten Wert des Soll-Verdichtungsverhältnisses.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Verstellen eines Soll-Verdichtungsverhältnisses den Arbeitsschritt auf:
- Verändern einer Soll-Länge eines Pleuels des wenigstens einen ersten Zylinders der Hubkolbenmaschine.
Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
Mittel zum Verändern einer Soll-Länge eines Pleuels des wenigstens einen ersten Zylinders der Hubkolbenmaschine.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren folgende Arbeitsschritte auf: Erfassen eines induktiven und/oder optischen Signals, welches durch die Relativbewegung zwischen dem Kolbenhemd des Kolbens und der Zylinderwand beein- flusst wird; und
- Ermitteln des Bewegungs-Parameters auf Basis des induktiven und/oder opti- sehen Signals.
Insbesondere induktive und/oder optische Signale eignen sich besonders gut, um die Relativbewegung des Kolbenhemds gegenüber der Zylinderwand zu bestimmen.
Entsprechend weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das System auf:
Mittel zum Erfassen eines induktiven und/oder optischen Signals, welches durch die Relativbewegung zwischen dem Kolbenhemd des Kolbens und der Zylinderwand beeinflusst wird; und
- Mittel zum Ermitteln des Bewegungs-Parameters auf Basis des induktiven und/oder optischen Signals.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt ein Wert des Bewegungs- Parameters vom, insbesondere kürzesten, Abstand des Kolbenhemds zu einer Messstelle oder einer Geschwindigkeit der Relativbewegung ab.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Bewegungs-Parameter eine elektrische Spannung, welche durch das induktive und/oder optische Signal erzeugt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das induktive und/oder optische Signal insbesondere mittels des unteren Endes und/oder des oberen Endes des Kolbenhemds beeinflusst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt der Geschwindigkeits-Parameter zusätzlich einen Abstand des Kolbens von der Zylinderwand zu einem jeweiligen Messzeitpunkt. Wird die Geschwindigkeit des Kolbens über eine Induktion in dem induktiven Sensor durch eine Kolbenbewegung festgestellt, so sollte gleichzeitig die Form des Kolbenhemds und der Abstand des Kolbenhemds von der Zylinderwand berücksichtigt werden, um exakt die Geschwindigkeitswerte berechnen zu können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kolbenpositions-Parameter durch Auswertung eines Verlaufs des Bewegungs- Parameters in Abhängigkeit von der Zeit, insbesondere durch Auswertung von Flanken des Verlaufs, ermittelt. Ein solcher Verlauf lässt insbesondere erkennen, zu welchem Zeitpunkt und wie oft ein Kolbenhemd sich über den Sensor bewegt hat.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das erfasste induktive und/oder optische Signal gefiltert und der Bewegungs- Parameter auf Basis des gefilterten induktiven und/oder optischen Signals ermittelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Bewegungs-Parameter ausschließlich für wenigstens einen vorgegebenen Kurbelwinkelbereich ermittelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der wenigstens eine vorgegebene Kurbelwinkelbereich einen oberen und/oder unteren Totpunkt wenigstens eines, insbesondere des ersten, Zylinders der Hubkolbenmaschine auf und/oder erstreckt sich über wenigstens 2° und/oder über höchstens 135°. Zusätzlich oder alternativ erstreckt sich ein bzw. der vorgegebene Kurbelwellenwinkelbereich in einer Ausführung, insbesondere jeweils, über wenigstens 2°, insbesondere über wenigs- tens 5°, insbesondere über wenigstens 10°, und/oder höchstens 135°, insbesondere höchstens 90°, insbesondere höchstens 45°.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Bewegungs-Parameter auf Basis wenigstens eines Mittel- und/oder Extremal-Werts ermittelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Signal, insbesondere ein Diagnose- und/oder Steuersignal auf Basis des Bewegungs-Parameters ausgegeben, insbesondere falls der Bewegungs-Parameter eine vorgegebene Bedingung erfüllt, insbesondere einen vorgegebenen oberen Grenzwert über- und/oder unteren Grenzwert unterschreitet und/oder außerhalb eines vorgegebenen Be- reichs liegt. Hierdurch kann vorteilhaft auf eine Detektion eines fehlerhaften Verdichtungsverhältnisses reagiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden/wird der erste und/oder zweite Bewegungs-Parameter auf Basis bzw. in Abhängigkeit von wenigstens einer Differenz zwischen zwei Mittel- und/oder Extremal-, insbeson- dere Maximal- und/oder Minimal-Werten, der Bewegung ermittelt und kann diese insbesondere angeben.
Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bus- System daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangs- Signale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen im Stande ist, so dass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere eine Hubkolbenmaschine steuern und/oder überwachen kann.
Unter einem Steuern wird vorliegend insbesondere auch die Ausgabe von Steuersignalen auf Basis eines Vergleichs mit erfassten Ist-Werten, das heißt ein Regeln, verstanden. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Arbeitsschritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das System bzw. sein Mittel.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. Hierzu zeigen, wenigs- tens teilweise schematisiert:
Figur 1 einen ersten Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Hubkolbenmaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Bereichs um einen Kolben des ersten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nach Figur 1 ;
Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt um einen Zylinder eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine;
Figur 4 einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich um Sensoren einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nach Figur 1 und 2;
Figur 5 ein Diagramm eines Verlaufs eines Ausgangsparameters eines oberen
Sensors des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nach den Figuren 1 und 2; Figur 6 ein Diagramm eines Verlaufs eines Ausgangsparameters eines unteren Sensors des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nach den Figuren 1 und 2;
Figur 7 ein Diagramm eines Verlaufs eines Ausgangsparameters eines oberen
Sensors des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine nach Figur 3;
Figur 8 ein Diagramm einer Auswertung des Ausgangsparameters nach Figur 7;
Figur 9 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung;
Figur 10 einen vergrößerten Ausschnitt um einen Zylinder eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine in einer Schnittansicht entlang X-X in Fig. 1 1 ;
Figur 11 eine Schnittansicht des dritten Ausführungsbeispiels von Figur 10 entlang
Xl-Xl in Fig. 10; und
Figur 12 ein Detail eines Kolbens des dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine.
Figur 1 zeigt einen Teil eines Kraftfahrzeugs mit einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 mit einem variablen Verdichtungsverhältnis und einem System zur Diagnose der Hubkolbenmaschine 1 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Die Hubkolbenmaschine 1 weist in an sich bekannter Weise eine Kurbelwelle 5 und mehrere Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d auf, in denen Kolben abwechselnd ein Kraftstoff-Luft- Gemisch verdichten (vgl. Zylinder 2a), durch Verbrennung des Gemisches angetrieben werden (vgl. Zylinder 2b), Luft oder Gemisch ansaugen (vgl. Zylinder 2c) und ausstoßen (vgl. Zylinder 2d) und hierzu über Pleuel 4 mit der Kurbelwelle 5 gekoppelt sind.
Die Länge der Pleuel 4 und damit das Verdichtungsverhältnis der Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d bzw. der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 ist durch eine Motor-ECU 15 verstellbar, wie in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet.
Die ECU 15 erfasst mittels eines Triggerrads 14 eine Drehposition der Kurbelwelle 5 als Drehpositions-Parameter und ermittelt hieraus insbesondere Werte eines Kurbelwellenwinkel-Parameters γ, beispielsweise γυ , γ2,ι, Υ3,ι , γ4,ι. Figur 2 zeigt einen der Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 nach Fig. 1 im oberen Totpunkt OT, bei welchem sich der Kolben 3 in der nächstmöglichen Stellung am Zylinderkopf befindet. Der Brennraum (nicht dargestellt) am Zylinderkopf wird hierbei durch die Oberseite des Kolbens 3 sowie durch die Zylinderwände 7 nach unten hin begrenzt. Das Kolbenhemd 8 dient zur Führung des Kolbens 3 in dem Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d und wirkt mit der Zylinderwand 7, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel zylinderförmig ist, zusammen. Im Bereich des Kolbenhemds 8 sind auch Dichtungsringe angeordnet, welche einen verbleibenden Spalt zwischen Kolbenhemd 8 und der Zylinderwand 7 abdichten.
In die Zylinderwand 7 sind, insbesondere senkrecht zur Hauptachse des Zylinders 2a, 2b, 2c, 2d, Öffnungen bzw. Messstellen 10, 1 1 eingebracht. Mittels dieser Öffnungen 10, 1 1 kann wenigstens ein Sensor, im gezeigten Ausführungsbeispiel ein erster Sensor 6 und einer zweiter Sensor 9, feststellen, ob sich das Kolbenhemd 8 auf Höhe des ersten Sensors 6 und/oder des zweiten Sensors 9 befindet und vorzugsweise auch, ob sich der Kolben 3 in der Nähe dieser Sensoren 6, 9 befindet.
Bei den Sensoren 6, 9 handelt es sich dazu vorzugsweise um induktive Sensoren, insbesondere Wirbelstromsensoren, in deren magnetischen Feld der Kolben 3, welcher ein elektrisch leitfähiges und/oder ferromagnetisches Material aufweist oder aus einem solchen besteht, je nach Abstand von den Sensoren 6, 9 eine Änderung hervorruft.
In Fig. 2 ist die untere Kante 12 des Kolbenhemds 8 mit einem Abstand d1 von dem oberen, ersten Sensor 6 beabstandet. Vorzugsweise wird das magnetische Feld des ersten Wirbelstromsensors 6 hierbei nicht mehr durch den Kolben 3 beeinflusst.
Die sich durch eine Bewegung des Kolbens 3 ergebende Veränderung des Felds der Sensoren 6, 9 kann beispielsweise als Spannungssignal U ausgegeben werden. Ein sol- ches Spannungssignal kann in der Folge als Bewegungs-Parameter im Sinne der Erfindung verwendet werden.
Bewegt sich der Kolben 3 bei einer Drehung der Kurbelwelle 5 durch Einwirkung des Pleuels 4 in die Position des sogenannten unteren Totpunkts, der maximal entfernten Position des Kolbens 3 vom Zylinderkopf (nicht dargestellt), so wäre in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Kolben 3 bzw. die obere Kante 13 des Kolbens 3 von dem zweiten Wirbelstromsensor 9 beziehungsweise der dazugehörigen Öffnung 1 1 in der Zylinderwand 7 ebenfalls mit einem Abstand d2 beabstandet. Auch in dieser Position hat der Kolben 3 vorzugsweise keinen Einfluss mehr auf das Feld des zweiten Wirbelstromsensors 9. Figur 3 zeigt ein weiteres, zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 . Der Kolben 3 ist hierbei sowohl im oberen Totpunkt OT als auch als Kolben 3' im unteren Totpunkt UT dargestellt. Fig. 3 zeigt zusätzlich den Zylinderkopf 16, welcher mit dem Kolben 3 einen Brennraum 17 abschließt.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der erste Wirbelstromsensor 6 so angeordnet, dass die untere Kante 12 des Kolbens 3 im oberen Totpunkt OT gerade nicht mehr den ersten Wirbelstromsensor 6 bzw. die dazugehörige Öffnung in der Zylinderwand 7 bedeckt.
Des Weiteren ist im Unterschied zur Fig. 2 der untere Wirbelstromsensor 9 in der Weise angeordnet, dass er beziehungsweise die dazugehörige Öffnung in der Kolbenwand 7 von dem Kolben 3' im unteren Totpunkt bedeckt wird.
Figur 4 zeigt beispielhaft, wie der erste Wirbelstromsensor 6 und der zweite Wirbelstromsensor 9 in einem Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d angeordnet sind. Insbesondere sind die Sensoren 6, 9 gegenüber dem Innenraum des Zylinders zur Zylinderwand 7 hin so- wie gegenüber einem Kühlkanal mit Dichtungen abgedichtet.
Figur 10 zeigt ein weiteres, drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 . Elemente, die bereits in Fig. 3 erläutert wurden, sind hier mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht weiter diskutiert.
Der Kolben 3 ist sowohl im oberen Totpunkt als auch als Kolben 3' im unteren Totpunkt dargestellt. Fig. 10 zeigt zusätzlich den Zylinderkopf 16, welcher mit dem Kolben 3 einen Brennraum 17 abschließt. Für den Kolben 3 im oberen Totpunkt ist eine Kolbenlängsachse 300 eingezeichnet, die während des Betriebs überwiegend parallel zu einer Hauptachse des Zylinders verläuft. Die leicht versetzt erscheinende Darstellung der Kolbenlängsachse 300 ergibt sich durch die in Fig. 10 gewählte Schnittansicht, die schräg zur Kolbenbolzenachse 30 (siehe Fig. 1 1 ) verläuft.
Im Unterschied zu vorherigen Ausführungsbeispielen ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zusätzlich zum ersten 6 und zweiten Sensor 9 ein dritter Sensor 60 vorgesehen, wobei die Sensoren 6, 9, 60 beispielsweise als Wirbelstromsensoren ausgeführt sind. Der dritte Sensor 60 ist zusammen mit dem ersten Sensor 6 in einer Normalebene zur Kolbenlängsachse 300 angeordnet. Diese Normalebene wird dabei in Richtung der Hauptachse des Zylinders möglichst nahe an den oberen Totpunkt des Kolbens 3 gelegt. Der erste 6 und dritte Sensor 60 sind so angeordnet, dass die untere Kante 12 des Kol- bens 3 bzw. des Kolbenhemds 8 im oberen Totpunkt den ersten 6 und dritten Sensor 60 bzw. die dazugehörigen Öffnungen in der Zylinderwand 7 bedeckt.
Die Positionierung des zweiten Sensors 9 ist so wie in den anderen Ausführungsbeispielen gewählt.
Wie anhand der Schnittansicht in Figur 11 erkennbar ist sind der erste 6 und dritte Sensor 60 auf gegenüberliegenden Seiten einer Kolbenlängsebene KL angeordnet, die durch die Kolbenlängsachse 300 und die Kolbenbolzenachse 30 definiert wird. Die Kolbenlängsebene KL verläuft in Fig. 1 1 normal zur Bildebene und fällt in der Darstellung mit der Kolbenbolzenachse 30 zusammen.
In Fig. 1 1 sind zwei Varianten für die Anordnung eines dritten Sensors 60 dargestellt: In einer ersten Variante sind der erste Sensor 6 und der dritte Sensor 60 hinsichtlich der Kolbenlängsachse 300 gegenüberliegend angeordnet. Die Sensorenlängsachsen fallen dabei zusammen und verlaufen durch die Kolbenlängsachse 300. Der Winkel alpha zwischen den Sensorenlängsachsen und der Kolbenbolzenachse 30 beträgt beispielsweise 65°, kann aber je nach Platzverhältnissen auch anders gewählt werden, solange sich erster 6 und drittern Sensor 60 auf verschiedenen Seiten der Kolbenlängsebene KL befinden.
In einer zweiten Variante sind der erste 6 und dritte Sensor 60' gespiegelt hinsichtlich der Kolbenlängsebene KL angeordnet. Die Sensorenlängsachsen kreuzen sich in der Kol- benlängsachse 300. Obwohl in Fig. 1 1 zwei dritte Sensoren 60, 60' angeordnet sind, kann auch nur eine der Varianten umgesetzt sein, wobei auch Ausführungsbeispiele mit zwei dritten Sensoren 60, 60' möglich sind.
Das dritte Ausführungsbeispiel ermöglicht die zusätzliche Berücksichtigung des Kolbenkippens bei der Ermittlung der für das Verfahren benötigten Parameter, z.B. des Kolben- positions-Parameters. Durch den Vergleich der Messwerte des dritten Sensors 60 mit dem des ersten Sensors 6 können derartige Einflüsse, also Bewegungen des Kolbens 3 in Richtung der Sensorenlängsachsen, die auf ein Kippen hindeuten, bestimmt und berücksichtigt werden.
Um die Genauigkeit der Ergebnisse dieses Ausführungsbeispiels zu verbessern können zusätzlich im Kolben 3 bzw. im Kolbenhemd 8 Nuten 31 ausgeführt sein, die eine klare Positionsbestimmung ermöglichen. Die Nuten 31 sind dabei in demjenigen Bereich des Kolbenhemds 8 ausgeführt, der während des Betriebs der Hubkolben- Brennkraftmaschine an einem oder mehreren Sensoren vorbeibewegt wird. Um das oben beschriebene Kippen detektieren zu können, sind die Nuten 31 vorteilhafterweise in denjenigen Bereichen des Kolbenhemds 8 ausgeführt, die am ersten 6 und am dritten Sensor 60, 60' vorbeibewegt werden. Die Nuten 31 werden dabei beginnend von der unteren Kante 12 des Kolbens 3 nach oben, also in Richtung des Brennraums 17, aus- geführt. Die beim Vorbeifahren der Nuten 31 in den Sensoren 6, 60. 9 bewirkten Signale können zusätzlich bzw. anstatt der bereits beschriebenen Signale der Kolbenringe verwendet werden.
Figur 12 zeigt einen Ausschnitt des Kolbenhemds 8 des Kolbens 3 des dritten Ausführungsbeispiels. Darin sind die Nuten 31 erkennbar, wobei das Vorsehen von acht Nuten 31 wie dargestellt nur beispielhaft ist und auch eine andere Anzahl gewählt werden kann. Je nach Anwendung können die Höhe h einer Nut 31 und der Nutabstand a zwischen benachbarten Nuten 31 verschieden gewählt werden. Je kleiner die Höhe h der Nut 31 gewählt wird, desto höher aufgelöst ist das Signal des zugeordneten Sensors. In der dargestellten Ausführungsform sind Höhe h und Nutabstand a für alle Nuten 31 gleich gewählt, der sog.„Pitch" w ergibt sich damit als 2*h.
Die Länge I der Nut 31 , also die Erstreckung in Umfangsrichtung des Kolbens 3, kann beispielsweise so gewählt werden, dass sie dem Durchmesser des jeweils zugeordneten Sensors 6, 60 entspricht. So wird eine besonders sichere Messung ermöglicht.
Ein erfindungsgemäßes System zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolben- Brennkraftmaschine 1 wird vorzugsweise durch den ersten Wirbelstromsensor 6 sowie, insofern vorhanden, durch den zweiten Wirbelstromsensor 9 und/oder einen dritten Sensor bzw. Wirbelstromsensor 60, 60' und eine Steuerungs- bzw. Auswerteinheit 15 gebildet. Weiter vorzugsweise weist ein solches System auch eine Vorrichtung 14 zur Bestimmung des Kurbelwellenwinkels γ auf, insbesondere ein Geberrad/Triggerrad oder einen Inkrementalgeber.
Ein solches System eignet sich ganz allgemein zur Bestimmung der Kolbenpositionen. So kann einerseits festgestellt werden, ob sich der Kolben 3 im Bereich des ersten Wirbelstromsensors 6 und/oder des zweiten Wirbelstromsensors 9 befindet (UMK) oder ob dieser sich außerhalb des Bereichs der Wirbelstromsensoren 6, 9 befindet (UOK)- Weist das Feld des ersten Wirbelstromsensors 6 und/oder des zweiten Wirbelstromsensors 9 des Weiteren eine Kugelcharakteristik auf, so kann der Kolben 3 auch in einem gewissen Abstand dmax noch von dem jeweiligen Wirbelstromsensor 6, 9 wahrgenommen werden, wobei die Signalstärke vom Abstand d abhängt, insbesondere proportional zum Abstand ist. Auch das Kippen des Kolbens 3 kann durch die Sensoren, insbesondere einen ers- ten Wirbelstromsensor 6 und zumindest einen zweiten Wirbelstromsensor 60, 60' ermittelt und berücksichtigt werden. Zusätzlich kann die Kolbenposition in jenen Stellungen des Kolbens 3, in welchen keine der Wirbelstromsensoren 6, 9 den Kolben 3 erfassen kann, über eine Bestimmung eines Kolbenpositions-Parameters UMK, UOK und eines Kol- bengeschwindigkeits-Parameters Ü sowie eine nachfolgende Interpolation auf der Grundlage der Geschwindigkeit Ü erfolgen. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit aus dem Vorbeifahren der oberen Kante 1 2 und der unteren Kante 1 3 an den Wirbelstromsensoren 6, 9 bestimmt werden. Des Weiteren ist eine Bestimmung der Geschwindigkeit Ü über eine Stärke des durch den Kolben 3 an den Wirbelstromsensoren 6, 9 induzierten beziehungsweise geänderten Feldes ermittelbar.
Darüber hinaus ist das Kolbenhemd 8 vorzugsweise nicht vollständig parallel zu der Zylinderwand 7, sondern weist über seinen Verlauf jeweils verschiedene Abstände von der Zylinderwand 7 auf. Je nach Abstand zwischen einem die Wirbelstromsensoren 6, 9 bedeckenden Abschnitt des Kolbenhemds 8 und den Wirbelstromsensoren 6, 9 wird das Feld der Wirbelstromsensoren 6, 9 unterschiedlich stark beeinflusst. Auch durch diese Werte der Beeinflussung des jeweiligen Feldes lässt sich eine Aussage über die Kolbenposition machen, weil sich die Kolbenposition in einem entsprechenden Wert des Kolbenpositions-Parameters UMK, UOK niederschlägt.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren 1 00 und das erfindungsge- mäße System jedoch auch für, eine sogenannte On-Board-Diagnostik oder eine Steuerung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 mit variablem Verdichtungsverhältnis ε. Mit dem erfindungsgemäßen System und Verfahren kann dabei auf das jeweils vorliegende Verdichtungsverhältnisse ε geschlossen werden.
Das variable Verdichtungsverhältnis kann insbesondere durch eine Veränderung der Pleuellänge erreicht werden, wobei in Bezug auf die Ausführungsbeispiele vereinfachend zwischen ausgefahrenem Pleuel (Index a) und eingefahrenem Pleuel (Index e) differenziert wird.
Der Kolbenpositions-Parameter ist zur vereinfachten Darstellung im Rahmen der vorliegenden Beschreibung als digitaler Wert dargestellt mit den Werten UMK, das heißt mit Kolben auf Höhe eines jeweiligen Wirbelstromsensors 6, 9 oder UOK, das heißt ohne Kolben auf Höhe des Wirbelstromsensors 6, 9. Wie sich aus der vorhergehenden Beschreibung und auch aus den nachfolgend gezeigten Diagrammen mit Verläufen des Bewegungs-Parameters U des Kolbens 3 zeigen, können aber auch weitere Werte des Kolbenpositions-Parameters in Abhängigkeit des Bewegungs-Parameters U definiert werden, welche dann jeweils einer bestimmten Position des Kolbens 3 zugeordnet werden können.
Figur 5 zeigt ein Diagramm mit Verläufen von Spannungssignalen Ua und Ue, welche einen Bewegungs-Parameter des Kolbens 3 einer Hubkolbenmaschine 1 nach dem ers- ten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 darstellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Diagramme der Figuren 5 bis 8 sowie anhand des Flussdiagramms der Fig. 9 erläutert.
Zunächst wird ein induktives oder gegebenenfalls auch optisches Signal, welches durch die Relativbewegung zwischen dem Kolbenhemd 8 des Kolbens 3 und der Zylinderwand 7 ausgelöst oder beeinflusst wird, erfasst. Dieses Signal wird insbesondere numerisch gefiltert und ein Bewegungs- Parameter U daraus ermittelt 101 . Ein Bewegungs- Parameter für einen Pleuel 4 im ausgefahrenen Zustand ist mit den Figuren 5 und 6 mit Ua bezeichnet, ein Bewegungs- Parameter für einen Pleuel im eingefahrenen Zustand ist hierbei mit Ue bezeichnet.
Der auf dem von dem ersten Wirbelstromsensor 6 und/oder dem zweiten Wirbelstromsensor 9 und/oder einem dritten Wirbelstromsensor 60. 60' erzeugten Signal basierende Bewegungs-Parameter U, welcher in dem Diagramm durch eine Spannung angegeben wird, nimmt hierbei mit zunehmenden Abstand d des Kolbens 3 von dem jeweiligen Sensor 9 zu. Der niedrigste Spannungswert des Bewegungs-Parameters wird mithin erzeugt, wenn der Kolben 3 sich in der Position befindet, in der das Kolbenhemd 8 dem jeweiligen Sensor 6, 9 am nächsten ist.
Die in Fig. 5 gezeigten Verläufe der Bewegungs-Parameter Ua, Ue geben jeweils aus den realen Messsignalen abgeleiteten Parameter wieder. Die den beiden Verläufen Ua, Ue jeweils zugeordneten eckigen Verläufe geben einen theoretischen idealen Verlauf des Bewegungs-Parameters, jeweils im ausgefahrenen und eingefahrenen Zustand, an. Entsprechend gibt UOK den Wert des Bewegungs-Parameters an, wenn sich der Kolben 3 nicht im Bereich des ersten Wirbelstromsensors 6 befindet und UoK.reai den entsprechenden real aus dem Messsignal abgeleiteten Wert des Bewegungs-Parameters. Entsprechend gibt der Bewegungs-Parameter-Wert UMK bzw. UMK,reai den theoretischen bzw. realen Bewegungs- Parameter-Wert an, wenn sich der Kolben im Bereich des ersten Wirbelstromsensors 6 befindet. An den Bewegungs-Parametern Ua, Ue lässt sich erkennen, dass der Kolben 3 bei einem Kurbelwellenwinkel γ von etwa 250° in den Bereich dmax des ersten Wirbelstromsensors 6 eintritt und der Bewegungs- Parameter daher den Wert UoK.reai verlässt. Die darauffolgenden Zacken einem Kurbelwellenwinkel γ von etwa 270° repräsentieren Signalstörungen, welche durch die Kolbenringe am oberen Ende des Kolbens 3 verursacht werden. Vergleichbare Störungen ergeben sich durch Nuten 31 , die gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in den Figuren 10 bis 12 im Kolbenhemd 8 vorgesehen sein können.
Der naheste Abstand d zwischen dem Kolbenhemd 8 und dem ersten Wirbelstromsensor 6 ist bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa γ = 310° zu verzeichnen, wodurch sich der Bewegungs-Parameter-Wert UMK,reai ergänzt. Kurz danach überstreicht die untere Kante 12 des Kolbenhemds 8 den ersten Sensor 6 und der Bewegungs-Parameter Ua steigt wieder auf den Wert U0K,reai an, d.h., das Kolbenhemd 8 befindet sich nicht mehr im Be- reich dmax des ersten Wirbelstromsensors 6. Bei einem Kurbelwellenwinkel von γ = 360° erreicht der Kolben 3 die Stellung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Danach wandert der Kolben 3 wieder nach unten und überstreicht zunächst mit der unteren Kante 12 des Kolbenhemds 8 den ersten Sensor 6, worauf der Bewegungs-Parameter Ua wiederum auf UiviK.reai fällt und dann spiegelsymmetrisch zu der vorher beschriebenen Aufwärtsbewegung des Kolbens 3 ein Ansteigen des Bewegungs- Parameter-Wert Ua aufweist bis erneut die Kolbenkeilringe eine Störung des Messsignals einleiten und dann die obere Kante 13 der Kolbenflanke 8 erneut den oberen Sensor 6 überstreicht, woraufhin der Bewegungs-Parameter-Wert bei UoK.reai verbleibt.
Ein Verlauf mit einer entsprechenden Charakteristik ergibt sich ebenfalls für den Bewe- gungs-Parameter Ue bei eingefahrenem Pleuel.
Wie sich aus Fig. 5 ergibt, sind bei dem Bewegungs- Parameter Ue die jeweiligen Zeitpunkte insbesondere in Bezug auf den Kurbelwellenwinkel γ, an der das Kolbenhemd 8 den ersten Wirbelstromsensor 6 überstreicht, verschieden von den Werten bei dem Bewegungs-Parameter Ua. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass bei verkürztem Pleuel und bei aufsteigender Bewegung des Kolbens 3 der erste Sensor 6 erst später erreicht wird, bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 3 dann entsprechend jedoch früher erreicht wird. Die entsprechenden Werte UOK, UMK werden als Kolbenpositions-Parameter bewertet, d.h., als charakteristische Werte zur Bestimmung der Kolbenposition in Bezug auf die Sensoren 6, 9 sowie die absolute Kolbenposition 102.
Die charakteristischen Werte eines Kurbelwellenwinkel-Parameters 103-2, welcher insbesondere aus der Drehposition der Kurbelwelle abgeleitet ist 103-1 , sind jeweils auf der Ordinate der Fig. 5 eingezeichnet. Insbesondere ist γχ,2 jeweils jener Kurbelwellenwinkel-Parameter-Wert, bei welchem die untere Kante 12 des Kolbenhemds 8 den ersten Wirbelstromsensor 6 in der Aufwärtsbewegung des Kolbens 3 überstreicht und γχ 3 ist jeweils jener Kurbelwellenwinkel- Parameter-Wert, bei welcher die untere Kante 12 des Kolbenhemds 8 den oberen Sen- 5 sor 6 erneut bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 3 überstreicht. Aus diesen beiden Kurbelwellenwinkel-Parameter-Werten lässt sich jeweils im ausgefahrenen Zustand und im eingefahrenen Zustand ein Verdichtungsverhältnis-Parameter-Wert 5a und 5e ermitteln 104b.
Alternativ zum Kurbelwellenwinkel γ lässt sich der jeweilige Verdichtungsverhältnis- i o Parameter mittels des Kolbenpositions-Parameters U und eines daraus abgeleiteten Kolbengeschwindigkeits-Parameters Ü ermitteln 104a. Hierbei wird ausgenutzt, dass bei bekannter Länge des Kolbenhemds 8 und einer bekannten Geschwindigkeit des Kolbens 3 bei der Auf- und Abwärtsbewegung sowie der Zeitdauer zwischen einem ersten Überstreichen des ersten Wirbelstromsensors 6 während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 15 3 und einem zweiten Überstreichen des ersten Wirbelstromsensors 6 während einer Abwärtsbewegung des Kolbens 3 bestimmt werden kann, wie weit sich der Kolben 3 nach oben zum Zylinderkopf hin bewegt hat. Zusätzlich kann durch Vorsehen eines dritten Wirbelstromsensors 60, 60' das eventuelle Kippen des Kolbens 3, das die Kolbenposition verfälschen kann, ermittelt und herausgefiltert werden.
20 Das Diagramm nach Fig. 6 zeigt den Verlauf eines Bewegungs-Parameters für ein ausgestrecktes Pleuel Ua und ein eingezogenes Pleuel Ue an zwei unteren, zweiten Wirbelstromsensor 9 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2.
Der Kolbenpositions-Parameter und dessen Parameter-Werte sowie der Kurbelwellenwinkel-Parameter lassen sich entsprechend zu Fig. 5 bestimmen. Da sich der Kolben 3 25 bei eingezogenem Pleuel 4 bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 3 weiter von dem zweiten Sensor 9 entfernt als bei ausgefahrenem Pleuel 4, ist der Verdichtungsverhältnis-Parameter-Wert 5e größer als der entsprechende Verdichtungsverhältnis-Parameter 5a bei ausgefahrenem Pleuel 4.
Fig. 7 stellt den Verlauf des Bewegungs-Parameters U am oberen, ersten Wir- 30 belstromsensor 6 des zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 gemäß der Fig. 3 dar. Wiederum gibt der Verlauf des Bewegungs-Parameters U, wie in Fig. 5, die Veränderung eines Feldsignals am oberen, ersten Wirbelstromsensor 6 an. Auch in Fig. 7 fällt der Bewegungs- Parameter-Wert abrupt ab, auch hier zeigen sich danach die charakteristischen Störsignale der Kolbenringe während der Kolben 3 den ersten Wirbelstromsensor 6 überfährt. Danach fällt der Bewegungs-Parameter U und erreicht den Kolbenpositions-Parameter-Wert UMK,reai, welcher angibt, dass das Kolbenhemd 8 den ersten Wirbelstromsensor 6 vollständig abdeckt. Bei einem Kurbelwellenwinkel γ3,2 von etwa 340° steigt der Bewegungs-Parameter U an, was signalisiert, dass der Kolben 3 bzw. das Kolbenhemd 8 den oberen Wirbelstromsensor 6 vollkommen überfahren hat.
Im Gegensatz zum Verlauf des Bewegungs-Sensor-Parameters Ua, Ue in Fig. 5 steigt der Bewegungs-Parameter U in Fig. 7 aber nicht bis zu seinem Ausgangswert UoK.reai, welcher einer Kolbenposition zuzuordnen ist, in welcher das Kolbenhemd 8 den ersten Wirbelstromsensor 6 nicht bedeckt und der erste Wirbelstromsensor 6 den Kolben 3 nicht mehr erfasst (d.h. d > dmax), an. Stattdessen verbleibt der Bewegungs-Parameter U unterhalb des Positions-Parameter-Werts U0K,reai- Dies bedeutet, dass das Feld des oberen Wirbelstromsensors 6 noch durch den Kolben 3 beeinflusst wird. Dies hängt damit zusammen, dass der obere Wirbelstromsensor, wie in Fig. 3 gezeigt, im oberen Totpunkt OT des Kolbens 3 wesentlich näher an der unteren Kante 12 des Kolbenhemds 8 angeordnet ist, als dies beispielsweise in dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 der Fall
Figure imgf000022_0001
Der Spannungswert am Punkt P bei einem Kurbelwellenwinkel γ von etwa 360° hängt vom Abstand d der unteren Kante 12 des Kolbenhemds 8 von dem ersten Wir- belstromsensor 6 ab, und ist insbesondere proportional zu diesem. Der Punkt P bzw. dessen Spannungswert UOT gibt daher einen Abstand d der unteren Kante 12 des Kolbenhemds 8 von dem ersten Wirbelstromsensor 6 an. Aus der Stellung des Punkts P lässt sich daher die Kolbenposition ableiten. Dieser ist daher ebenfalls ein Kolbenpositi- ons-Parameter im Sinne der Erfindung. Aus dem jeweiligen Wert UOT dieses Kolbenpositions-Parameters wird vorzugsweise ein Verdichtungsverhältnis-Parameter ermittelt 104c. Hierfür wird der Wert UOT von dem Wert UOK oder UMK des Kolbenpositions-Parameters subtrahiert, so dass vorzugsweise sich die Werte des Verdichtungsverhältnis-Parameters AUi oder ΔΙΙ2 ergeben. Aus dem Betrag der Werte AUi und ΔΙΙ2 kann unmittelbar auf das Verdichtungsverhältnis einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 geschlossen werden.
Dies ist in dem Diagramm der Fig. 8 dargestellt. Dort ist der Verlauf des Verdichtungsverhältnis-Parameters AUi über eine Anzahl thermodynamischer Zyklen einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 aufgetragen. Erreicht AUi einen relativ hohen Wert von etwa 3 Volt, so bedeutet dies, dass die untere Kante 12 des Kolbens 3 relativ weit von dem oberen Wirbelstromsensor 6 entfernt ist, das Pleuel daher ausgefahren ist und ein relatives Verdichtungsverhältnis ε in dem jeweiligen Zylinder 2a, 2b, 2c, 2d erreicht. In diesem Bereich ist der Verdichtungsverhältnis-Parameter in Fig. 8 daher mit AU1 a bezeichnet. Entsprechend sind auch die Zylinderdrücke zu verschiedenen Kurbelwellenwinkeln γ relativ hoch und der Druck des Steuerdrucks Psteueroei, welcher das ausfahrbare Pleuel 4 steuert, ist niedrig. Ab circa n = 120 thermodynamischen Zyklen verändert der Druck des Steuerdrucks Psteueroei seinen Wert und steigt an. Entsprechend fährt das Pleuel 4 ein und der aus den Kolbenpositions-Parametern ermittelte Verdichtungsverhältnis- Parameter ΔΙΙ1 sinkt ab. Daher ist der Verdichtungs-Parameter in diesem Bereich mit AUi ,e bezeichnet. Über den jeweiligen Wert des Verdichtungsverhältnis-Parameters und/oder die Veränderung des Zylinderdrucks Pzyi kann anhand dieses Diagramms festgestellt werden, ob sich das Verdichtungsverhältnis in die gewünschte Richtung und insbesondere auf dem gewünschten Wert durch eine Veränderung des Steuerdrucks Psteueroei geführt hat.
Anhand des jeweiligen Verdichtungsverhältnis-Parameters AUi , ΔΙΙ2 kann zumindest qualitativ ermittelt werden, wie sich das Verdichtungsverhältnis in den Kolben 2a, 2b, 2c, 2d einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 verändert hat. Ist der Zusammenhang zwischen dem jeweiligen Verdichtungsverhältnis-Parameter AUi , AU2 und dem Verdichtungsverhältnis ε durch eine ZuOrdnungsvorschrift, insbesondere durch eine Funktion oder durch ein Feld, definiert oder in einem Datenspeicher hinterlegt, so kann in einem weiteren Arbeitsschritt 105 auch der genaue Wert eines Verdichtungsverhältnisses ε auf Basis des jeweiligen Verdichtungsverhältnis-Parameters Δ, Δ-ι , Δυ2 ermittelt werden.
Zur Funktionsprüfung bzw. Diagnose der Veränderlichkeit des Verdichtungsverhältnisses ε einer Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 kann das Verfahren auch vorsehen, dass eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ε aktiv einzuleiten, um mittels der jeweiligen Verdichtungsverhältnis-Parameter δ,
Figure imgf000023_0001
, ΔΙΙ2 zu verschiedenen Zeitpunkten festzustellen, ob eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses stattgefunden hat.
Hierfür wird vorzugsweise ein Soll-Verdichtungsverhältnis wenigstens eines ersten Zylinders 2a, 2b, 2c, 2d der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 von einem ersten, insbesonde- re extremalen, Wert εα auf einen zweiten, insbesondere extremalen, Wert εε 104 eingestellt. Danach wird ein erster Wert UOT,I , U UT.I des Bewegungs- Parameters U an einem oberen Totpunkt OT und/oder einem unteren Totpunkt UT und/oder des Kurbelwellenwinkel-Parameters yu, γ2,ι, γ3,ι, γ4,ι für den ersten Wert des Soll- Verdichtungsverhältnisses εα und eines zweiten Werts U0T,2, UUT,2 des Bewegungs- Parameters U an einem oberen Totpunkt OT und/oder einem unteren Totpunkt UT oder des Kurbelwellenwinkel-Parameters γ1ι2, γ2,2, γ3,2, γ4,2 für den zweiten Wert des Soll- Verdichtungsverhältnisses ε6.
Das Ermitteln eines Wertes eines relativen Verdichtungsverhältnis-Parameters 104c er- folgt dann auf Basis des ersten und des zweiten Wertes des Kolbenpositions-Parameters U.
Vorzugsweise prüft die Steuervorrichtung 15 bzw. das Verfahren 100, ob der jeweils erhaltene Wert des Verdichtungsverhältnis-Parameters δ, AU^ ΔΙΙ2 außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, insbesondere einen vorgegebenen Mindestwert unterschrei- tet, der bei einer Bestimmung des Verdichtungsverhältnisses zwischen maximalem und minimalem Wert liegen sollte 106. Ist dies nicht der Fall bzw. liegt der Verdichtungsverhältnis-Parameter-Wert innerhalb des vorgegebenen Bereichs (Arbeitsschritt 106:"N"), kehrt die Steuerung 15 bzw. ist das Verfahren 100 erneut zu Arbeitsschritt 101 erneut zurück, um das Verfahren 100 erneut durchzuführen. Andernfalls bzw. bei einer zu ge- ringen Abweichung zwischen dem Verdichtungsverhältnis-Parameter-Wert δ, AUi , AU2 für ein maximales und ein minimales Soll-Verdichtungsverhältnis bzw. deren Differenzen (Arbeitsschritt 106:"Y") gibt die Steuerung 15 in einem Schritt 107 ein entsprechendes Diagnosesignal aus, das die Funktion der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 in einer unzureichenden Weise anzeigt und kehrt dann zu Schritt 101 zurück.
Obwohl in der vorliegenden Beschreibung Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass es sich bei diesen Ausführungsbeispielen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendung und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplari- sehen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere im Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen in diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt. Bezugszeichenliste
1 Hubkolbenmaschine
2a, 2b, 2c, 2d Zylinder
3 Kolben
4 Pleuel
5 Kurbelwelle
6 erster Sensor
7 Zylinderwand
8 Kolbenhemd
9 zweiter Sensor
10, 1 1 Messstelle / Öffnung
12 untere Kante
13 obere Kante
14 Drehwinkel-Geber
15 Steuergerät
30 Kolbenbolzenachse
31 Nut
60, 60' dritter Sensor
300 Kolbenlängsachse
U Bewegungs-Parameter
UMK, UOK, P Kolbenpositions-Parameter
Ü Kolbengeschwindigkeits-Parameter
γ Kurbelwellenwinkel-Parameter
γΐ 5 γ2, γ3, γ4 charakteristischer Wert des Kurbelwellenwinkel-Parameters
8a, 8e, β Verdichtungsverhältnis
δ, AUi , AU2 Verdichtungsverhältnis- Parameter
alpha Winkel zwischen Sensorenlängsachse und Kolbenbolzenachse 30 d Abstand
a Höhe (der Nut 31 )
h Nutabstand
w Pitch
I Länge (der Nut 31 )
KL Kolbenlängsebene

Claims

Patentansprüche
Hubkolbenmaschine (1 ), insbesondere mit variablem Verdichtungsverhältnis, welche aufweist:
wenigstens einen Zylinder (2a, 2b, 2c, 2d) mit einem Kolben (3) und einem Pleuel (4), welches mit dem Kolben (3) und einer Kurbelwelle (5) der Hubkolbenmaschine (1 ) verbunden ist,
einen ersten Sensor (6), welcher in einer Zylinderwand (7) des wenigstens einen Zylinders (2a, 2b, 2c, 2d) angeordnet und eingerichtet ist, eine Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd (8) des Kolbens und der Zylinderwand (7) zu erfassen.
Hubkolbenmaschine (1 ) nach Anspruch 1 , einen zweiten Sensor (9) aufweisend, wobei der erste Sensor (6) in der Weise angeordnet ist, um die Relativbewegung im Bereich eines oberen Totpunkts (OT) des Kolbens (3) zu erfassen und der zweite Sensor (9) in der Weise angeordnet ist, um die Relativbewegung im Bereich eines unteren Totpunkts (OT) des Kolbens (3) zu erfassen.
Hubkolbenmaschine (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, zumindest einen dritten Sensor (60, 60') aufweisend, der hinsichtlich einer durch eine Kolbenlängsachse (300) und eine Kolbenbolzenachse (30) definierten Kolbenlängsebene (KL) gegenüberliegend dem ersten Sensor (6) angeordnet ist.
Hubkolbenmaschine (1 ) nach Anspruch 3, wobei der erste Sensor (6) und der dritte Sensor (60, 60') in einer Normalebene zur Kolbenlängsachse (300) im Bereich des oberen Totpunkts (OT) des Kolbens (3) angeordnet sind.
Hubkolbenmaschine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kolben (3) ein elektrisch leitfähiges und/oder ferromagnetisches Material aufweist und wobei der erste Sensor (6) und/oder der zweite Sensor (9) und/oder der dritte Sensor (60, 60') ein Induktivsensor, insbesondere ein Wirbelstromsensor, oder ein optischer Sensor ist.
Hubkolbenmaschine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Sensor (5) und/oder der zweite Sensor (9) und/oder der dritte Sensor (60, 60') in der Weise angeordnet sind/ist, dass das Kolbenhemd (8) diesen bei der Relativbewegung vollständig überfährt.
7. Hubkolbenmaschine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit variab- lern Verdichtungsverhältnis, wobei der erste Sensor (6) und/oder der zweite Sensor (8) und/oder der dritte Sensor (60, 60') in der Weise angeordnet sind bzw. ist, dass das Kolbenhemd (8) diesen nur bei wenigstens im Wesentlichen maximalem Verdichtungsverhältnis vollständig überfährt. 8. Hubkolbenmaschine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Sensor (6) und/oder der zweite Sensor (9) und/oder der dritte Sensor (60, 60') in der Weise angeordnet sind/ist, dass Kolbenringe des Kolbens (3) die Sensoren (6) bei der Relativbewegung nicht überfahren.
Verfahren (100) zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine (1 ), insbesondere mit variablem Verdichtungsverhältnis, welche wenigstens einen Zylinder (2a, 2b, 2c, 2d) mit einem Kolben (3) und einem Pleuel (4) aufweist, wobei das Pleuel mit dem Kolben (3) und einer Kurbelwelle (5) verbunden ist, wobei das Verfahren (100) folgende Arbeitsschritte aufweist:
Ermitteln (101 ) eines Bewegungs-Parameters (U) des Kolbens (3) der Hubkolbenmaschine (1 ) mittels einer Relativbewegung zwischen einem Kolbenhemd (8) des Kolbens (3) und einer Zylinderwand (7) ; und
Ermitteln (102) eines Kolbenpositions-Parameters (UMK, UOK, UOT, UUT) und/oder eines Kolbengeschwindigkeits-Parameters (Ü) auf Basis des Bewegungs-Parameters.
Verfahren (100) nach Anspruch 9, wobei das Ermitteln eines Kolbenpositions- Parameters (102) ein Ermitteln eines ersten minimalen Werts (UMK) des Bewegungs-Parameters (U) und eines zweiten maximalen Werts (UOK) des Bewegungs-Parameters (U) umfasst.
Verfahren (100) nach Anspruch 9 oder 10, des weiteren folgende Arbeitsschritte aufweisend:
Erfassen (103-1 ) eines Drehpositions-Parameters der Kurbelwelle (5); und Ermitteln (103-2) eines Kurbelwellenwinkel-Parameters (γ) auf Basis des Drehpositions-Parameters.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , des Weiteren einen der folgenden Arbeitsschritte aufweisend:
Ermitteln (104a) eines Verdichtungsverhältnis-Parameters (δ) auf Basis des Kolbenpositions-Parameters (UMK, UOK, UOT, UUT) und des Kolbengeschwin- digkeits- Parameters ({/); oder
Ermitteln (104b) eines Verdichtungsverhältnis-Parameters (δ) auf Basis des Kolbenpositions-Parameters (UMK, UOK) und des Kurbelwellenwinkel- Parameters.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Ermitteln des Kolbenpositions-Parameters (102) ein Ermitteln eines ersten Werts (UOT) des Bewegungs-Parameters (U) an einem oberen Totpunkt (OT) und/oder zweiten Werts (UUT) des Bewegungs-Parameters (U) an einem unteren Totpunkt (UT) der Bewegung des Kolbens (3) umfasst; und wobei das Verfahren (100) des weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweist:
Ermitteln (104c) eines Verdichtungsverhältnis-Parameters (AU^ AU2) auf Basis des ersten Werts (UOT) und/oder des zweiten Werts (UUT) und des Kolbenpositions-Parameters (UMK, UOK, P)-
Verfahren (100) einem der Ansprüche 9 bis 13, des weiteren folgende Arbeitsschritte aufweisend:
Ermitteln (105) eines Werts eines Verdichtungsverhältnisses (ε) auf Basis des Verdichtungsverhältnis-Parameters (δ; AUi ; AU2).
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters (102) des weiteren folgende Arbeitsschritte aufweist:
Verstellen (102-1 ) eines Soll-Verdichtungsverhältnisses wenigstens eines ersten Zylinders (2a, 2b, 2c, 2d) der Hubkolbenmaschine (1 ) von einem ersten, insbesondere extremalen, Wert (ea) auf einen zweiten, insbesondere extremalen, Wert (ee); Ermitteln (102-2) eines ersten Werts des Kolbenpositions-Parameters (UMK,I > UOK,I , UOT,I > UUT.I ) und/oder eines ersten Werts (γ^ ; γ2,ι ; γ3,ι ; γ ,ι ) des Kurbelwellenwinkel-Parameters (γ) für den ersten Wert des Soll- Verdichtungsverhältnisses (ea); und
Ermitteln (102-3) eines zweiten Werts des Kolbenpositions-Parameters (UMK,2, U0K,2, UOT,2, UUT,2) und/oder eines zweiten Werts (γ1 >2; γ2,2; 73,2; 74,2) des Kurbelwellenwinkel-Parameters (γ) für den zweiten Wert des Soll- Verdichtungsverhältnisses (ee),
wobei das Ermitteln (104a, 104b, 104c) eines Werts des Verdichtungsverhältnis- Parameters (δ; AUi ; AU2) auf Basis des ersten und zweiten Werts des Kolbenpositions-Parameters und/oder des Kurbelwellenwinkel-Parameters erfolgt.
Verfahren (100) nach Anspruch 15, wobei das Verstellen eines Soll- Verdichtungsverhältnisses (ε3, εβ) durch Verändern einer Soll-Länge des Pleuels (4) des wenigstens einen ersten Zylinders (2a, 2b, 2c, 2d) der Hubkolbenmaschine (1 ) erfolgt.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei das Ermitteln des Bewegungsparameters (101 ) des weiteren folgende Arbeitsschritte aufweist:
Erfassen eines induktiven und/oder optischen Signals, welches durch die Relativbewegung zwischen dem Kolbenhemd (8) des Kolbens (3) und der Zylinderwand (7) beeinflusst wird; und
Ermitteln des Bewegungs-Parameters (U) auf Basis des induktiven und/oder optischen Signals.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei ein Wert des Bewegungs-Parameters (U) vom, insbesondere kürzesten, Abstand (d) des Kolbenhemds (8) zu einer Messstelle (10, 1 1 ) und/oder von einer Geschwindigkeit der Relativbewegung abhängt.
Verfahren (100) nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Bewegungs-Parameter (U) eine elektrische Spannung ist, welche durch das induktive und/oder optische Signal erzeugt wird.
20. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das induktive und/oder optische Signal mittels eines unteren Endes (12) und/oder eines oberen Endes (13) des Kolbenhemds (8) beeinflusst wird.
21. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 20, wobei der Geschwindigkeits- Parameter (Ü) zusätzlich einen Abstand des Kolbenhemds (8) von der Zylinderwand (7) zu einem jeweiligen Messzeitpunkt berücksichtigt.
22. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 21 , wobei Werte des Kolbenpo- sitions-Parameters (UMK, UOK) und/oder Werte des Kurbelwellenwinkel- Parameters durch Auswertung eines Verlaufs des Bewegungs- Parameters (U), insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit oder dem Kurbelwellenwinkel, vorzugsweise durch Auswertung von Flanken des Verlaufs, ermittelt wird.
23. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 22, wobei der Bewegungs- Parameter (U) ausschließlich für wenigstens einen vorgegebenen Kurbelwinkelbereich (5e, 5a) ermittelt wird.
24. Verfahren (100) nach Anspruch 23, wobei der wenigstens eine vorgegebene Kurbelwinkelbereich (5e, 5a) einen oberen und/oder unteren Totpunkt (OT, UT) wenigstens eines, insbesondere des ersten, Zylinders (2a, 2b, 2c, 2d) der Hubkolbenmaschine (1 ) aufweist und/oder sich über wenigstens 2° und/oder höchstens 135° erstreckt.
25. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 24, des Weiteren folgenden Arbeitsschritt aufweisend:
Ausgeben (107) eines Signals, insbesondere ein Diagnose- und/oder Steuersignal auf Basis des Bewegungs-Parameters (U), des Kolbenpositions-Parameters (UMK, UOK), des Kolbengeschwindigkeits-Parameters (Ü) , des Verdichtungsverhältnis-Parameters (δ; All^ AU2) und/oder des Verdichtungsverhältnisses (ε), insbesondere falls der jeweilige Parameter eine vorgegebene Bedingung erfüllt.
26. System zur Diagnose und/oder Steuerung einer Hubkolbenmaschine (1 ), insbesondere mit variablem Verdichtungsverhältnis, welche wenigstens einen Zylinder (2a, 2b, 2c, 2d) mit einem Kolben (3) und einem Pleuel (4) aufweist, welches mit dem Kolben (3) und einer Kurbelwelle (5) verbunden ist, wobei das System (1 ) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 25 eingerichtet ist und/oder aufweist:
Mittel zum Ermitteln eines Bewegungs-Parameters wenigstens eines Kolbes der Hubkolbenmaschine mittels einer Relativbewegung zwischen einem
Kolbenhemd des Kolbens und einer Zylinderwand; und
Mittel zum Ermitteln eines Kolbenpositions-Parameters und/oder eines Kol- bengeschwindigkeits-Parameters auf Basis des Bewegungs-Parameters.
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