WO2019166375A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine, steuereinrichtung und brennkraftmaschine - Google Patents

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internal combustion
machine component
combustion engine
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Ion Madan
Rolf Pfeifer
Patrick Stöckle
Martin Diesch
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine, in particular with an engine and a further component, such as a turbocharger, heat exchanger or the like, the internal combustion engine comprising:
  • a machine component which may be running time limiting for the operation of the internal combustion engine, such as an engine component or an exhaust gas turbocharger component or the like or a particular movable component thereof,
  • a number of operating media which are used to operate the internal combustion engine, such as the operation of the engine and possibly another component such as the turbocharger supplied, removed or held in this, in particular an exhaust gas, a charge air, a fuel, a lubricant , a coolant or the like,
  • a running time limiting the time interval of the engine component is specified, preferably a time interval until a next maintenance of the internal combustion engine such as a preventive exchange or overhaul interval for the machine component.
  • the invention begins, the object of which is to provide a method, a control device and an internal combustion engine, which makes it possible for the operation of the internal combustion engine to specify a time-limiting time interval of a machine component thereof in a reliable and yet efficient manner.
  • the invention is based on a method of the type mentioned above; According to the invention, it is provided that
  • Operating data of the machine component can be determined by those operating data are determined, which are in an operative relationship with, in particular actual, load curve of the machine component, said operating data include at least one fluid temperature of the operating media, and
  • the at least one medium temperature is measured as transient, in particular cyclical, operating data
  • At least one temperature change amplitude of the machine component temperature is indicated by means of the transient machine component temperature and classified as the basis of an operating pattern characterizing the operation of the machine component, in particular a number of load classes for the operation of the machine component is determined, and
  • a working pattern of the machine component is indicated by means of a number of load classes and / or load class changes
  • the time limit limiting the time interval of the machine component is specified for the operation of the internal combustion engine.
  • the invention is initially based on the consideration that to determine a load capacity of a component of the internal combustion engine or a machine component of the internal combustion engine or one of the components, a degree of wear of the same can be determined, which goes back to the thermal fatigue thereof.
  • operating data of the machine component are determined by determining those operating data which are in operative connection with a, in particular actual, load profile of the machine component, wherein these operating data comprise at least one medium temperature of one of the operating media, and the at least one medium temperature transient, in particular cyclical, operating data is measured.
  • the invention is further based on the consideration that, of course, such information would basically be obtainable by applying suitable sensors to the machine component or components of the internal combustion engine.
  • the invention has recognized that this would lead to an increase in the cost of the internal combustion engine and also probably to reduce reliability, since this would ultimately suffer from a sensor failure or the like.
  • such an approach is assumed to be in the alternative in order to maintain competitiveness, ie. H. in particular, not to jeopardize the development and maintenance costs of the internal combustion engine.
  • the operative connection is represented by means of a rule, in particular an algorithm or a similar calculation or data specification such that a machine component temperature is transiently determined from the transient medium temperature, wherein the transient machine component temperature at least a first and / or or a second component location is determined and from a temporal and / or local temperature change is specified for the component.
  • the invention has thus recognized that the determination of operating data of the internal combustion engine and the operating media of the same is advantageous in order to specify a running time-limiting time interval of the engine component for the operation of the internal combustion engine.
  • the invention has recognized that the determination of the operating times of the internal combustion engine and also the operating media is basically carried out.
  • the invention therefore proposes to determine those operating data which are in operative connection with an actual load curve of the machine component, wherein these operating data comprise at least one medium temperature of one of the operating media.
  • this approach represents a so-called “virtual sensor" by means of which the temperature-related actual load profile of the machine component which is actually of interest is to be determined.
  • the invention thus assumes that the operating data should thus comprise at least one medium temperature of one of the operating media and that the at least one medium temperature be measured as transient, in particular cyclical, operating data. Furthermore, the invention proposes that the operative connection is represented by means of an algorithm such that a machine component temperature is transiently determined from the transient medium temperature.
  • the above-mentioned "virtual sensor" is realized by a computing module, with the aid of which the transient temperature change of the medium temperature to a transient machine component temperature-namely temporally and / or locally dissolved-closed.
  • At least one temperature change amplitude of the machine component temperature can be specified and classified as the basis of an operating pattern characterizing the operation of the machine component, wherein in particular a number of load classes for the operation of the machine component is determined, and by means of a number load classes and / or load class change, an operating pattern of the machine component can be specified, and based on the operating pattern, the time-limited time interval of the engine component for the operation of the internal combustion engine can be specified.
  • the invention also leads to a control device according to claim 11 and an internal combustion engine according to claim 13 with the control device, wherein the inventive method can be implemented by the device.
  • the invention thus relates to a control device according to claim 11; namely, in particular a control device for an internal combustion engine, in particular for carrying out a method according to the concept of the invention, comprising
  • a monitoring device which is designed to at least monitor the operation of the internal combustion engine
  • a detection device is determined by means of the operating data of the internal combustion engine and the operating media, wherein
  • a determination device is specified by means of which a runtime-limiting time interval of the engine component is specified for the operation of the internal combustion engine, preferably a time interval until a next service of the internal combustion engine, such as a preventive replacement or overhaul interval for the engine component
  • control device is designed such that:
  • operating data of the machine component by determining those operating data which are in operative connection with a, in particular actual, load curve of the machine component, this operating data comprising at least one medium temperature of one of the operating media, and
  • the at least one medium temperature is measured as transient, in particular cyclical, operating data
  • At least one temperature change amplitude of the machine component temperature is indicated by means of the transient machine component temperature and classified as the basis of an operating pattern characterizing the operation of the machine component, in particular a number of load classes for the operation of the machine component is determined, and
  • a working pattern of the machine component is indicated by means of a number of load classes and / or load class changes
  • the time limit limiting the time interval of the machine component is specified for the operation of the internal combustion engine.
  • the invention thus relates to an internal combustion engine of claim 13; namely, in particular an internal combustion engine with a control device according to the concept of the invention, in particular with an engine and a further component such as a turbocharger, heat exchanger or the like, wherein
  • the internal combustion engine is designed for operation with a number of operating media, which are used for operating the internal combustion engine, such as the engine and possibly other components such as the turbocharger supplied, removed or held in this, in particular an exhaust gas, a charge air, a fuel, a lubricant, a coolant or the like, and comprising:
  • a machine component which may be running time limiting for the operation of the internal combustion engine, such as an engine component or an exhaust gas turbocharger component or the like or a particular movable component thereof,
  • a monitoring device which is designed to at least monitor the operation of the internal combustion engine
  • a detection device is determined by means of the operating data of the internal combustion engine and the operating media, wherein
  • a determination device is specified by means of which a runtime-limiting time interval of the engine component is specified for the operation of the internal combustion engine, preferably a time interval until a next service of the internal combustion engine, such as a preventive replacement or overhaul interval for the engine component
  • control device is designed such that:
  • operating data of the machine component by determining those operating data which are in operative connection with a, in particular actual, load curve of the machine component, this operating data comprising at least one medium temperature of one of the operating media, and
  • the at least one medium temperature is measured as transient, in particular cyclical, operating data
  • a machine component temperature is transiently determined from the transient temperature of the medium, wherein the transient machine component temperature determined at least a first and / or a second component location and from this a temporal and / or local temperature change is indicated for the component, at least one temperature change amplitude of the machine component temperature is indicated by means of the transient machine component temperature and classified as the basis of an operating pattern characterizing the operation of the machine component, in particular a number of load classes for the operation of the machine component is determined, and
  • a working pattern of the machine component is indicated by means of a number of load classes and / or load class changes
  • the time limit limiting the time interval of the machine component is specified for the operation of the internal combustion engine.
  • the transient fluid temperature is examined for a steady-state time at a temperature level.
  • a steady-state time can be established from the time in which the medium temperature is comparatively constant or has a flat course with a low gradient or rate of change.
  • a steady-state time can be established from the presence of a temperature level, preferably with a certain steady-state time, on a load change for the machine component and a subsequent temperature change of the machine component temperature.
  • Relevant steady-state times can certainly be determined differently and individually for the operating medium. Idealized models can be used for examination and detection. With this proviso, relevant changes in the temperature of the medium can be recorded qualitatively and quantitatively.
  • the machine component temperature is determined as a time-dependent course for the machine component by means of principles of heat and mass transfer theory. This can be done in particular at a single location and / or at a number of locations of the machine component.
  • the time-dependent curve for the machine component can be determined as a time-dependent exponential function.
  • the time-dependent exponential function may preferably have parameters for an initial temperature, a maximum temperature rise and a gradient of the temperature profile on the machine component. It is advantageous with this functionality and measures to determine the machine component temperature as a time-dependent curve for the machine component of so-called "virtual sensor" implemented, by means of which the actual temperature-related actual load profile of the machine component is to be determined.
  • parameters of the time-dependent course of the machine component temperature are established empirically and / or model-based. Both variants have their advantages; the empirical determination is more accurate in most cuttings. The empirical determination can quantify the parameters in particular as operating point dependent maps.
  • a transient engine component temperature is determined at at least a first and a second time; preferably at an upper temperature level and a lower temperature level at the steady times, which indicate a load change for the machine component. From this, preferably a temporal temperature change can be indicated on at least one component location.
  • at least one temperature change amplitude of the machine component temperature can be specified by means of the transient machine component temperature; preferably as a difference between an upper temperature level and a lower temperature level. The Temperaturändemngs- amplitudes can then be classified such that from the temporal temperature change based on a "temporal" load class as Gmndlage a the operation of the machine component characterizing operating pattern is determined.
  • the transient engine component temperature can be determined at at least one first and a second component location, preferably at least one specified time, and from this a local temperature change amplitude for the component can be specified and classified.
  • This can advantageously be implemented in such a way that from the local temperature change a "local" load class based thereon is determined as the basic position of an operating pattern characterizing the operation of the machine component.
  • a number of load classes can be determined from the temporal and / or local temperature change and / or a preferred temperature change amplitude as the basic position of an operating pattern characterizing the operation of the machine component.
  • a frequency of load class changes can be specified by means of the operating pattern of the machine component. This advantageously takes into account for the component at the corresponding location of the component, the frequency with which is to be changed in or out of a load class. This is based on the finding that especially the change of a load, in particular a cyclic change of a load in terms of first a load reduction and then again a load increase with respect to a particular load class is of particular importance in determining a component damage.
  • the time interval limiting the duration of the internal combustion engine can be specified.
  • a total number of predetermined load classes in particular for loads outside the rated operation and / or extreme loads, can be determined for the operation of the machine component, such that an operating pattern of the machine component is indicated by means of the total number of predetermined load classes.
  • This is based on the knowledge that especially the change of a load into one of the predetermined load classes, in particular for loads outside the rated operation and / or extreme loads, is of particular importance in the determination of a component damage.
  • the time interval of the internal combustion engine limiting the running time can be determined from a damage number.
  • a damage number basically follows a principle mentioned at the outset, as described in the article by Vahlensieck from April 1999 (54th edition of Landtechnik 4/99).
  • the damage number is determined from the frequency of the load class change and / or number of load classes, in particular the total number of predetermined load classes, in particular for loads outside the rated operation and / or extreme loads, on the machine component .
  • the damage number can be specified in particular with at least one ratio, in particular a quotient, on the one hand a frequency of load class change and / or number of load classes in relation and on the other a theoretical limit on a limit characteristic (exchange characteristic value), which is a limit Frequency and / or limit number for the machine component at which it would be exchangeable in all foresight and experience.
  • a preferred embodiment for determining a damage number is described in FIG.
  • FIG.l a preferred embodiment of an internal combustion engine in a schematic representation of the functionalities of a "virtual sensor" according to the concept of the invention
  • FIGS. 2A, 2B show two examples of idealized courses of an exhaust gas temperature plotted as temperature over a normalized time axis as an example
  • Media temperature for the operating medium exhaust gas wherein the media temperature is measured as a transient, in particular cyclic, in terms of a cycle between an upper and lower temperature level, operating data;
  • FIG. 3A, FIG. 3B shows a first exemplary real profile of an exhaust gas temperature and shadows a number of actually physically measured component temperatures on an exhaust-gas turbocharger housing; this at not less than eight locations of the exhaust gas turbocharger housing (FIG.3A) and a second exemplary real history of exhaust gas temperature and by means of the "virtual sensor" with a time-dependent exponential function calculated or calculated temperature profile of the exhaust gas turbocharger as a result of the measured temperature of the exhaust gas (FIG .3B);
  • FIG. 4A, 4B show an actually physically measured component temperature as an increase in temperature at an exhaust gas turbocharger housing and by means of the "virtual sensor" a temperature curve of the exhaust gas turbocharger determined or calculated with a time-dependent exponential function as a consequence of the measured temperature of the exhaust gas, wherein the specified parameters a, b, c of the exponential function (FIG.4A) and the empirically determined maps to the parameters a, b, c of the exponential function (FIG.4B) are exemplified;
  • FIG.5A, FIG.5B a local temperature difference on an exhaust gas turbocharger with here shown and designated as characteristic curves TGH8 at a first location and TGH3 at a second location, wherein the first and second location over a certain distance A are separated, so that a temperature change Amplitude can be determined (FIG.5A) and a generalized classification of such a temperature change amplitude in a two-dimensional diagram as the basis of an operating pattern (FIG.5B);
  • FIG.6A, FIG.6B shows two exemplary operating patterns in matrix form with classified T emperatur selectedungs amplitudes.
  • FIG. 7 shows a preferred procedure for determining a damage number as the basis for determining a transit time-limiting time interval of the machine component
  • FIG. 8 shows a basic flowchart of a method for operating an internal combustion engine with a machine component that limits the running time for the operation of the same.
  • the transient operation of an internal combustion engine 1 causes a transient, in particular mostly cyclical heating and re-cooling of the engine and further components thereof; for example in the sense of a cycle between an upper and lower temperature level.
  • These processes of an internal combustion engine 1 are shown for some symbolically represented components such as an engine M, an exhaust gas turbocharger AGT, a heat exchanger WT and an exhaust pipe with exhaust aftertreatment unit AG in FIG.
  • the associated in the context of the concept of the invention by means of a "virtual sensor" determinable transient or cyclic temperature curves T M, T AGT, T_WT, T AG for these components or their machine components are shown in FIG.l in block 1 'also.
  • the number and extent, in particular size or amplitude of the temperature differences or temperature gradients of these transient temperature profiles or cycles ultimately determine the life of the components exemplified here, since they ultimately cause a load change for the components or their machine components and an associated cause thermal fatigue of the components or their machine components.
  • the temperature profiles T i (i M, AGT, WT, AG) shown symbolically in block 1 'are not detected continuously by parts of the internal combustion engine, nor by the components or their machine components shown here in particular.
  • These media temperatures of the operating media associated with the aforementioned components are also shown symbolically in the internal combustion engine 1 in block 1 "; namely the engine or its cylinder head measured in real terms, for example, for the charge air, or the exhaust gas turbocharger for the charge air and exhaust gas, or the heat exchanger for the Cooling medium KM or in the exhaust aftertreatment or an exhaust pipe for the exhaust gases AG.
  • the operating medium temperatures T j (j KM, SS, KS, LL, AG), which are generally available in such a way, and in most cases also in some cases their transient courses, do not give any information about the load on the engine M or other components of the internal combustion engine 1 as such.
  • a possible degree of damage due to the thermal fatigue of at least the components of an internal combustion engine and thus the resulting degree of wear by the thermal fatigue is basically not yet known - neither in the result nor in their transient course.
  • the concept of the invention provides in the context of the "virtual sensor" shown in Fig.l before a calculation model and a method that, in contrast to the previous approaches to specify maturity limiting time intervals of a machine component underpinned and can be adjusted or reliable from the outset is as previous approaches.
  • a drive system 100 provides an internal combustion engine 1 with a control and regulating unit ECU known per se, as well as a sensor system S, which is also known per se and capable of being detected by means of a detection device EE via the sensor system S Operation of the internal combustion engine 1 to monitor at least.
  • ECU control and regulating unit
  • sensor system S which is also known per se and capable of being detected by means of a detection device EE via the sensor system S Operation of the internal combustion engine 1 to monitor at least.
  • the concept of the invention also provides for an evaluation unit AE and / or a remote unit RE that cooperates with the ECU.
  • the evaluation unit AE with the detection device EE possibly in data communication with the remote unit RE and / or the ECU provide the functionality of the "virtual sensor" VS available via the transient or cyclic temperature profiles TM, T AGT, T_WT, T AG for the above-mentioned components or their machine components of the internal combustion engine 1 in accordance with block l 'are determined - without having to measure them consuming by means of a real sensor with the disadvantages mentioned above.
  • the "virtual sensor” VS is designed
  • said operative relationship is represented by an algorithm such that a machine component temperature TM, T AGT, T_WT, T AG transient as in block 1 ' is determined from the transient media temperature as in block 1 ".
  • the concept of the invention comprises the creation and application of algorithms with the aid of which the machine component temperature T M, T AGT, T_WT, T AG is determined on the basis of the medium temperature - this is also referred to below as functionality of the "virtual sensor" VS.
  • the evaluation unit AE or the remote unit RE is designed to indicate at least one temperature change of the engine component temperature-in particular a temperature change amplitude of the engine component temperature-by means of the transient engine component temperature TM, T AGT, T_WT, T AG as shown in block l ' and classify as the basis of an operating pattern characterizing the operation of the machine component. It has been found that the detected temperature changes or temperature gradients within the abovementioned engine components, for example with the aid of a modern representative of a stochastic evaluation, namely the rainflow counting method, can provide information about the transient operation and about the load or strength limit of the components.
  • the thermal load changes of different magnitudes are stored in an operating pattern - the orders of magnitude can be determined as needed within the framework of the classification.
  • the operating pattern can then form the basis for the exact calculation of the transient load or strength limits.
  • the running time-limiting time interval of the internal combustion engine can thus be specified for the operation of the internal combustion engine.
  • the preventive exchange or overhaul interval can be defined by this construction machine component depending on the load profile or operating pattern.
  • Such a concept leads to a comparatively intelligent maintenance concept with optimization of the design methods in analysis and formation of forecasting models.
  • the advances made in IT technologies allow the plant data to be precisely recorded and evaluated during real operation. This is done by the sensors, the detection unit EE and the evaluation unit AE / RU, d. H.
  • the data can either be evaluated locally on an "on-board unit” AE and stored to EE or sent to a server for more detailed analysis like the RE.
  • the operating data is increasingly included for the assessment of the functionality and the capacity of the technical systems.
  • the present invention will be explained in the following step-by-step with the aid of graphics which ultimately results in a very realistic and proven reliable virtual sensory detection of a transient engine component temperature as shown in FIG. 1 '.
  • FIG. 2A firstly shows a profile of an exhaust gas temperature, plotted as temperature over a normalized time axis. This has in some places extremal reversal areas Ul and U2, which are due to their different temperature levels - with of Ul at about 200 ° C and 600 ° C and at U2 about 300 ° C and 400 ° C - to assign a cyclic load change.
  • Ul and U2 extremal reversal areas
  • the "load change 2" in FIG. 2A at temperature extremes of min / max 300 ° C. 400 ° C.
  • Another temperature profile of the exhaust gas is shown in FIG.
  • FIG. 2B which is plotted as the normalized temperature over a time axis, while FIG. 2A shows substantially idealized fluctuations of the exhaust gas temperature with steady-state times during transient operation.
  • 2B which, depending on the temperature curve, does not have to be the same as the steady-state times, but can vary considerably.
  • FIG. 3A once again shows an exhaust-gas temperature "_AG - this time not idealized but realistic; Recognizable is the substantially rectangular shape, which per cycle a fast change with lower and upper extremal point for the exhaust gas loaded machine components -z. an exhaust gas turbocharger AGT or an exhaust aftertreatment or an exhaust pipe for the exhaust gases AG- has the consequence.
  • the rectangular profile of the exhaust gas temperature has in each case a temperature level in the reversal regions, namely in the lower region at about 50 ° C. and in the upper region at about 800 ° C.
  • a number of physically measured component temperatures on an exhaust-gas turbocharger housing TGH are shown shaded in FIG.
  • T TGH i 1... 8) - all of them
  • the machine component temperature T AGT behaves - as FIG.3A and shows - practically realistic to the measured course.
  • the representation of the temperature of the exhaust gas turbocharger follows the exponential function T AGT given above with three parameters: a - the maximum temperature rise of the component at a temperature origin of the exhaust gas b - defines the slope of the temperature profile c - starting temperature of the component according to the prehistory.
  • the thermal source of this function can basically be physical quantities which describe the flow properties of the medium, such as, for example, the temperature of the medium and the mass flow of the medium - environmental conditions and component properties such as, for example, the geometry and the material can also be reproduced.
  • the coefficients can be deposited depending on the operating point of the internal combustion engine for the component of the exhaust gas turbocharger from an empirically determined characteristic field, for example by operating an exhaust gas turbocharger in a test engine; for example, in the ECU or the detection unit EE or the remote unit.
  • the exponential function of several components which is comparatively simple and can be calculated practically in real time, as shown in FIG. 1, can thus be used as the core of the evaluation algorithm for representing the operative relationship between the temperature of the medium and the component temperature in the evaluation unit AE of the "virtual sensor" VS.
  • the engine component temperatures as shown by way of example for the exhaust-gas turbocharger, are now transiently known, ie at different times and / or at different locations, ie locally distributed over a specific component, temperature differences or temperature gradients can naturally be determined therefrom. That is, at a first and a second time and / or locally at a first and a second component location.
  • Such temporal and / or local temperature changes can be recorded and - preferably classified by the temperature change amplitude of the machine component temperature determined therefrom (for example, based on the temperature levels as shown in FIG. 2A, FIG. 2B).
  • the classifying includes an ordering by size, whereby in each case different sizes can be incorporated into a load class.
  • a load class can as Basis of a marked during operation of the machine component operating pattern can be determined.
  • This temperature change amplitude or the gradient causes stresses in the exhaust gas turbocharger; So leads to a certain fatigue - it can therefore be specified depending on the temperature change amplitude or the gradient, a "local" load class.
  • FIG. 5B shows the representation of this result in a two-dimensional diagram in which the values for a temperature of the exhaust gas turbocharger T AGT M can be entered at two locations according to the coordinate axes as TGH 8 and TGH 3 - for such a diagram a limit characteristic GK can be determined beyond which a temperature difference or temperature gradient is assumed as the class boundary.
  • the marked point GP indicates a temperature load change with the arrow representing a load change due to the temperature change at TGH 8, where TGH 3 maintains a temperature of 200 ° C. - this would be a load change which goes to the limit characteristic GK; that is, between a class of lower temperature changes of a class higher temperature change according to which a component exchange can be advised.
  • FIGS. 6A and 6B now show an operating pattern of the exhaust gas turbocharger in which a plurality of classes are shown.
  • the matrix LCF of FIG. 6A classifies the load factors of the engine of an internal combustion engine via engine speed nMOT and engine torque MM relative to one another - the number of load changes is entered for each class; i.e. an operation of the engine that leads into and out of a certain class.
  • an operating pattern of the machine component with respect to an operating pattern of the engine can be specified, and based on the operating pattern, a time interval of the machine component for the operation of the internal combustion engine limiting the running time can be determined specify.
  • a total number of predetermined load classes in particular for loads outside of rated operation and / or extreme loads, can be determined for the operation of the machine component such that an operating pattern of the machine component is indicated by means of the total number of predetermined load classes.
  • FIG.6B e.g. From the illustrated function of the frequency f (nMOT, MM) as a function of engine speed nMOT and engine torque MM, it can be seen that the operation of the engine frequently takes place in the lower speed and torque range, but in correlation thereto according to FIG -
  • the exhaust gas turbocharger AGT is often burdened with comparatively high local temperature gradients.
  • the classes shown on the top right in FIG. 6B represent extreme loads (ie loads in principle outside the rated operation and / or extreme loads of the engine) and obviously the exhaust gas turbocharger shown here was operated in such correlating extreme points.
  • an operating pattern of the machine component are given taking into account the operating pattern of the engine and based on the operating pattern, the run time limiting time interval of the engine component for the operation of the internal combustion engine can be specified.
  • a matrix can also indicate the frequency with which a temporal temperature change amplitude was passed through at one location during operation.
  • FIG. 7 shows, in a second modification of the concept of the invention, a possibility for determining a transit time-limiting time interval of the machine component; namely, there is the amplitude of a temperature change as it was determined for a machine component - Anlagen as shown in Figure 2 or locally about as shown in FIG.5- applied over the number of T emperatur load change.
  • the falling curve of the limit characteristic GK represents a theoretical representation of limit points GP of load changes, which should result in massive damage and thus replacement of the machine component.
  • the ratio ni to Ni is decisive for the damage number D i- if this damage number D i or a total damage D> 1, the damage to the component could be comparatively advanced, and the component should be replaced or it is very probably that it fails.
  • the sloping curve of the limit characteristic GK results from a still tolerable level of a temperature change amplitude and the tolerable limit in the limit case for the load of the machine component.
  • FIG. 8 shows a basic course of a method for operating an internal combustion engine with a machine component that limits the running time of the same and a number of operating media are used for operating the internal combustion engine, wherein operating data of the internal combustion engine and the operating media are determined and, as a result the duration-limiting time interval of the machine component is specified or recommendation for replacement of the machine component.
  • operating data of the machine component are initially determined in step S1 by determining those operating data - in this case a T7 exhaust gas temperature - which are in operative connection with the actual load profile of the machine component, this operating data being at least one media temperature of one of the operating media -here an exhaust gas include; This may, for example, also relate to measuring a coolant or charging air temperature. The at least one medium temperature is measured as transient, in particular cyclical, operating data in step S1.
  • the operative relationship is represented by means of an algorithm such that a machine component temperature is transiently determined from the transient medium temperature - this is implemented in step S2 with the previously explained algorithm; i.e. as a result of a virtual sensor VS, a virtual temperature T of the machine component is measured, that is to say in particular given, for example, via an empirical equation, as explained with reference to FIGS. 2 to 4.
  • step S3 by means of the transient machine component temperature, at least one temperature change of the machine component temperature, in particular temperature change amplitude of the machine component temperature, can be specified and classified as the basis of an operating pattern identified during operation of the machine component; as this is explained with reference to FIG.5 to FIG.6.
  • these can be determined as fast changes and the number of them in step S4 can be stored in the matrix shown in FIG.6B or FIG.6A - d. H. as count rate per class.
  • classification of the fasting of the internal combustion engine (matrix FCF in FIG. 6A) can also be added, in particular taken into account and / or correlated.
  • step S5 an evaluation is made and read out per class the frequency or number, with which this class was operated or measured in the x-direction (horizontal) distance Ri to the temperature reserve, d. H. the limit curve GK shown in FIG.
  • a read-out is made on the basis of the KF classification (per class, the frequency or number with which this class was operated) of the temperature reserve.
  • step S6 From the ratio which expresses the damage number Di or D, it is thus possible to calculate a damage number in step S6 which, as long as it is less than 1, leads to a more frequent repetition of the aforementioned steps. Should the damage number Di or D be greater than 1, however, a recommendation for replacement of the component can be made in step S7.
  • the matrix can be set to 0 in step S8 and the process can begin again.
  • these measures can be implemented for all relevant machine components, ie in particular components of an internal combustion engine - the sum of which gives a total damage rate of the internal combustion engine and thus leads to an indication of a term-limiting interval for the operation of the internal combustion engine.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit einem Motor und einer weiteren Komponente wie etwa einem Turbolader, Wärmetauscher oder dergleichen, wobei die Brennkraftmaschine aufweist: - ein Maschinenbauteil, das Laufzeit begrenzend für den Betrieb der Brennkraftmaschine sein kann, wie etwa eine Motorkomponente oder eine Abgasturbolader-Komponente oder dergleichen oder ein insbesondere bewegliches Bauteil derselben, - eine Anzahl von Betriebsmedien, die zum Betrieb der Brennkraftmaschine genutzt werden, wie etwa zum Betrieb des Motors und ggfs. einer weiteren Komponente wie etwa dem Turbolader zugeführt, abgeführt oder in diesen gehalten werden, insbesondere ein Abgas, eine Ladeluft, ein Kraftstoff, eine Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen, - eine Einrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen, insbesondere zu steuern und/oder zu regeln, wobei in dem Verfahren: - Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, sowie - für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, vorzugsweise ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, Steuereinrichtung und Brennkraftmaschine
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit einem Motor und einer weiteren Komponente wie etwa einem Turbolader, Wärmetauscher oder dergleichen, wobei die Brennkraftmaschine aufweist:
- ein Maschinenbauteil, das Laufzeit begrenzend für den Betrieb der Brennkraftmaschine sein kann, wie etwa eine Motorkomponente oder eine Abgasturbolader-Komponente oder dergleichen oder ein insbesondere bewegliches Bauteil derselben,
- eine Anzahl von Betriebsmedien, die zum Betrieb der Brennkraftmaschine genutzt werden, wie etwa zum Betrieb des Motors und ggfs einer weiteren Komponente wie etwa dem Turbolader zugeführt, abgeführt oder in diesen gehalten werden, insbesondere ein Abgas, eine Ladeluft, ein Kraftstoff, eine Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen,
- eine Einrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen, insbesondere zu steuern und/oder zu regeln, wobei in dem Verfahren:
- Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, sowie
- für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, vorzugsweise ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil.
Es ist seit längerem bekannt, das Betreiben von Brennkraftmaschinen und weiteren Antriebskomponenten eines Fahrzeugs möglichst betriebsfest auszulegen - das heißt Maschinenbauteile der Brennkraftmaschine bzw. der Komponenten der Brennkraftmaschine derart auszulegen, dass diese mit vorgegebener Wahrscheinlichkeit eine bestimmte endliche Lebensdauer ohne unnötigen Aufwand an Werkstoff erreichen können. Wenigstens aber sollte für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall eines oder mehrerer Maschinenbauteile angegeben werden, welche laufzeitbegrenzend für den Betrieb der Brennkraftmaschine sein können. So ist hinsichtlich einer betriebsfesten Auslegung von Antriebstechnik ein Artikel von Vahlensieck aus dem April 1999 bekannt (54. Jahrgang Landtechnik 4/99). Im Rahmen dieses Artikels wie auch in anderen Erörterungen ist die„Rainflow“-Zählung erläutert, welche es mit verfügbarer Rechenleistung ermöglicht, Lastverläufe an einem Maschinenbauteil zur Erstellung eines Lastkollektivs zu klassieren und daraus eine Maschinenbauteile-Schädigung zu errechnen, welche pro Lastklasse—letztendlich aus dem Quotienten„zu ertragende Lastspielzahl“ (aus dem Lastkollektiv) geteilt durch„ertragbare Lastspielzahl“ (aus einer Grenz-Kennlinie; sogenannte Wöhlerlinie) - eine Schädigungszahl angibt bzw. im Kehrwert ein Maß für einen Reserve- Abstand zur Grenz-Kennlinie. Durch aufsummieren der Teileschädigung kann ein Schädigungs- Maß für eine betriebsfeste Auslegung bzw. aus einem Abstand zur Grenz-Kennlinie ein laufzeitbegrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben werden.
Es ist aus DE 10 2005 048 532 Al bekannt, für die Überwachung einer mechanischen Komponente eines Lahrzeugs bzw. Motors oder einer sonstigen Komponente, Betriebsdaten zu erfassen und anhand der Betriebsdaten eine Kenngröße für den Zustand der Komponente zu ermitteln, so dass eine drohende Störung der Komponente identifiziert werden kann und das Lahrzeug so gesteuert werden kann, dass eine momentane Belastung der Komponente verringert wird.
Aus DE 19959526A1 ist ein Verfahren zum Erkennen von Lehlem eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei Betriebskenngrößen erfasst werden, um ein prädiktives Erkennen von Lehlem des Lahrzeugs zu ermöglichen. Dazu wird ein Betriebskenngrößenmuster erstellt, das in geeigneter Lorm beschrieben wird, so dass aktuell erfasste Betriebskenngrößen mit dem Betriebskenngrößenmuster verglichen werden können.
Solche Ansätze sind vergleichsweise allgemein gehalten. Es zeigt sich jedoch, dass letztlich die Datenerfassung und die ursächlichen Grundlagen für die verlässliche Angabe eines die Laufzeit begrenzenden Zeitintervalls des Maschinenbauteils problematisch sind.
Zur Auflösung dieser Problematik ist es grundsätzlich bekannt, dass der transiente Betrieb eines Verbrennungsmotors bei einer Brennkraftmaschine zu wiederholten Erhitzungen und Abkühlungen des Motors oder anderer Komponenten führt und jedenfalls diese Belastungsart als wesentlich für die Materialermüdung der Komponenten einer Brennkraftmaschine angesehen werden kann. Wünschenswert ist es, jedenfalls diese thermische Ermüdung der Komponenten einer Brennkraftmaschine in verbesserter Weise zu nutzen, um ein die Laufzeit begrenzenden Zeitintervall für ein Maschinenbauteil einer der Komponenten anzugeben.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist ein Verfahren, eine Steuereinrichtung und eine Brennkraftmaschine anzugeben, welche es ermöglicht für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall eines Maschinenbauteils derselben in verlässlicher und dennoch effizienter Weise anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren der eingangs genannten Art; erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- Betriebsdaten des Maschinenbauteils bestimmt werden, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und
- die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird,
- der Wirkzusammenhang mittels einer Vorschrift, insbesondere Algorithmus oder dergleichen Rechen- oder Datenvorschrift, dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird,
- mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs- Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert wird, insbesondere eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und
- mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird,
- auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird. Die Erfindung geht zunächst von der Überlegung aus, dass zur Ermittlung einer Belastbarkeit einer Komponente der Brennkraftmaschine bzw. eines Maschinenbauteils der Brennkraftmaschine oder einer der Komponenten ein Abnutzungsgrad derselben ermittelt werden kann, der auf die thermische Ermüdung derselben zurückgeht.
Ursächlich dafür wurde im Rahmen dieser Überlegung erkannt, dass insbesondere transient, insbesondere zyklisch, auftretende schädigende Temperaturänderungen des Maschinenbauteils erfasst werden sollten. Auch wurde ausgehend von dieser Überlegung erkannt, dass schädigende Temperaturänderungen nicht nur zeitliche Temperaturänderungen an einem Ort des Maschinenbauteils betreffen, sondern auch vor allem variierende überörtliche Erwärmungen des Bauteils über eine gewisse örtliche Erstreckung des Bauteils hinweg; also insofern örtliche Temperaturgradienten am Maschinenbauteil.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass Betriebsdaten des Maschinenbauteils bestimmt werden, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird.
Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass eine solche Information natürlich grundsätzlich durch applizieren geeigneter Sensoren an dem Maschinenbauteil bzw. Komponenten der Brennkraftmaschine zu erlangen wäre. Die Erfindung hat jedoch erkannt, dass dies zur Verteuerung der Brennkraftmaschine führen würde und zudem wohl auch zur Senkung einer Zuverlässigkeit, da diese letztendlich durch einen Sensorausfall oder dergleichen leiden würde. Von einem solchen Ansatz wird vorliegend allenfalls hilfsweise ausgegangen, um die Wettbewerbsfähigkeit, d. h. insbesondere Entstehungs- und Unterhaltskosten der Brennkraftmaschine nicht zu gefährden.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Wirkzusammenhang mittels einer Vorschrift, insbesondere Algorithmus oder dergleichen Rechen- oder Datenvorschrift, dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird. Die Erfindung hat also erkannt, dass die Bestimmung von Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien der Selben vorteilhaft ist, um für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils anzugeben. Insbesondere hat die Erfindung erkannt, dass die Ermittlung der Betriebszeiten der Brennkraftmaschine und auch der Betriebsmedien grundsätzlich vorgenommen wird. Ausgehend von dieser Erkenntnis schlägt die Erfindung also vor diejenigen Betriebsdaten zu ermitteln, die in einem Wirkzusammenhang mit einem tatsächlichen Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen. Gemäß dem Konzept der Erfindung stellt dieser Ansatz einen sogenannten„virtuellen Sensor“ dar, mittels dem der eigentlich interessierende temperaturbedingte tatsächliche Lastverlauf des Maschinenbauteils zu ermitteln ist.
Die Erfindung geht also davon, dass die Betriebsdaten somit wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen sollten und die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen werden. Weiter schlägt die Erfindung vor, dass der Wirkzusammenhang mittels eines Algorithmus dargestellt wird, derart, dass eine Maschinenbauteiltemperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur. Konkret wird der oben genannte„virtuelle Sensor“ durch ein Rechenmodul realisiert, mit dessen Hilfe von der transienten Temperaturänderung der Medientemperatur auf eine transiente Maschinenbauteiltemperatur—und zwar zeitlich und/oder örtlich aufgelöst- geschlossen wird.
Mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur kann so wenigstens eine Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben werden und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert werden, wobei insbesondere eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel kann ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben werden, und auf Grundlage des Betriebsmusters kann das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben werden.
Die Erfindung führt auch auf eine Steuereinrichtung nach Anspruch 11 und eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 13 mit der Steuereinrichtung, wobei das erfindungsgemäße Verfahren von der Einrichtung umgesetzt werden kann. Die Erfindung betrifft somit eine Steuereinrichtung nach Anspruch 11; nämlich insbesondere eine Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach dem Konzept der Erfindung, umfassend
- eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen,
- eine Erfassungseinrichtung mittels der Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, wobei
- eine Bestimmungseinrichtung mittels der für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, vorzugsweise ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil, wobei
die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass:
- Betriebsdaten des Maschinenbauteils zu bestimmen, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und
- die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird,
- der Wirkzusammenhang mittels einer Vorschrift, insbesondere Algorithmus oder dergleichen Rechen- oder Datenvorschrift, dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird,
- mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs- Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert wird, insbesondere eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und
- mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird,
- auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird. Weiterhin betrifft die Erfindung somit eine Brennkraftmaschine des Anspruchs 13; nämlich insbesondere eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung nach dem Konzept der Erfindung, insbesondere mit einem Motor und einer weiteren Komponente wie etwa einem Turbolader, Wärmetauscher oder dergleichen, wobei
- die Brennkraftmaschine ausgebildet ist für den Betrieb mit einer Anzahl von Betriebsmedien, die zum Betrieb der Brennkraftmaschine genutzt werden, wie etwa dem Motor und ggfs weiteren Komponenten wie etwa dem Turbolader zugeführt, abgeführt oder in diesen gehalten werden, insbesondere ein Abgas, eine Ladeluft, ein Kraftstoff, eine Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen, und aufweist:
- ein Maschinenbauteil, das Laufzeit begrenzend für den Betrieb der Brennkraftmaschine sein kann, wie etwa eine Motorkomponente oder eine Abgasturbolader-Komponente oder dergleichen oder ein insbesondere bewegliches Bauteil derselben,
- eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen,
- eine Erfassungseinrichtung mittels der Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, wobei
- eine Bestimmungseinrichtung mittels der für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, vorzugsweise ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil, wobei
die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass:
- Betriebsdaten des Maschinenbauteils zu bestimmen, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und
- die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird,
- der Wirkzusammenhang mittels einer Vorschrift, insbesondere Algorithmus oder dergleichen Rechen- oder Datenvorschrift, dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird, - mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs- Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert wird, insbesondere eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und
- mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird,
- auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Vorteilhaft wird die transiente Medientemperatur auf eine Beharrungszeit bei einem Temperatumiveau untersucht. Vorzugsweise kann aus derjenigen Zeit, in welcher die Medientemperatur vergleichsweise konstant ist bzw. einen flachen Verlauf mit geringer Steigung bzw. Änderungsrate aufweist eine Beharrungszeit festgelegt werden. Insbesondere wird bereits aus einem Vorhandensein eines Temperatumiveaus, vorzugsweise mit einer bestimmten Beharrungszeit, auf einen Lastwechsel für das Maschinenbauteil und einer dem folgenden Temperaturänderung der Maschinenbauteil-Temperatur geschlossen. Relevante Beharrungszeiten können durchaus unterschiedlich und individuell für das Betriebsmedium festgestellt werden. Zur Untersuchung und Feststellung können idealisierte Modelle verwendet werden. Mit dieser Maßgabe lassen sich relevante Lastwechsel einleitende Änderungen der Medientemperatur qualitativ und quantitativ erfassen.
Vorteilhaft wird die Maschinenbauteil-Temperatur als zeitabhängiger Verlauf für das Maschinenbauteil mittels Prinzipien der Wärme- und Stoffübertragungslehre bestimmt. Dies kann insbesondere an einem einzigen Ort und/oder an einer Anzahl von Orten des Maschinenbauteils vorgenommen werden. Insbesondere kann der zeitabhängige Verlauf für das Maschinenbauteil als eine zeitabhängige Exponentialfunktion bestimmt werden. Vorzugsweise kann die zeitabhängige Exponentialfunktion Parameter für eine Anfangstemperatur, einen maximalen Temperaturanstieg und eine Steigung des Temperaturverlaufs am Maschinenbauteil aufweisen. Vorteilhaft wird mit dieser Funktionalität und Maßnahmen zur Bestimmung der Maschinenbauteil-Temperatur als zeitabhängiger Verlauf für das Maschinenbauteil der sogenannte „virtuelle Sensor“ umgesetzt, mittels dem der eigentlich interessierende temperaturbedingte tatsächliche Lastverlauf des Maschinenbauteils zu ermitteln ist.
Vorteilhaft werden Parameter des zeitabhängigen Verlaufs der Maschinenbauteil-Temperatur empirisch und/oder modellbasiert festgelegt. Beide Varianten haben ihre Vorteile; die empirische Festlegung ist in den meisten Fähen genauer. Die empirische Festlegung kann die Parameter insbesondere als Betriebspunkt abhängige Kennfelder quantifizieren.
Vorteilhaft wird eine transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt bestimmt; vorzugsweise an einem oberen Temperatumiveau und einem unteren Temperatumiveau bei den Beharrungszeiten, die auf einen Lastwechsel für das Maschinenbauteil hinweisen. Daraus kann vorzugsweise eine zeitliche Temperaturänderung an wenigstens einem Bauteilort angegeben werden. Insbesondere kann mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs- Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben werden; vorzugsweise als Differenz zwischen einem oberen Temperatumiveau und einem unteren Temperatumiveau. Die Temperaturändemngs- Amplituden können sodann klassiert werden derart, dass aus der zeitlichen Temperaturänderung eine darauf basierende „zeitliche“ Lastklasse als Gmndlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters ermittelt wird.
Insbesondere kann dies für weitere Bauteilorte eines Bauteils, insbesondere für weitere Bauteile, durchgeführt werden. Ganz analog kann vorteilhaft die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauteilort, vorzugsweise zu wenigstens einem festgelegten Zeitpunkt, bestimmt werden und daraus eine örtliche Temperaturänderungs- Amplitude für das Bauteil angegeben und klassiert werden. Dies kann vorteilhaft derart umgesetzt werden, dass aus der örtlichen Temperaturänderung eine darauf basierende„örtliche“ Lastklasse als Gmndlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters ermittelt wird.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann aus der zeitlichen und/oder örtlichen Temperaturändemng und/oder einer genannten bevorzugten Temperaturänderungs- Amplitude eine Anzahl von Lastklassen als Gmndlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters ermittelt werden. Vorteilhaft kann eine Häufigkeit der Lastklassen- Wechsel mittels des Betriebsmusters des Maschinenbauteils angegeben werden. Dies berücksichtigt vorteilhaft für das Bauteil an dem entsprechenden Ort des Bauteils, die Häufigkeit mit der in oder aus einer Lastklasse heraus gewechselt wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass vor allem der Wechsel einer Last— insbesondere ein zyklischer Wechsel einer Last im Sinne zunächst einer Lastsenkung und dann wieder einer Lastanhebung— in Bezug auf eine bestimmte Lastklasse besondere Bedeutung zukommt bei der Ermittlung einer Bauteilschädigung. Vorteilhaft kann mittels der Anzahl der Lastklassen- Wechsel das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine angegeben werden.
Vorteilhaft kann auch bereits eine Gesamt-Anzahl von vorbestimmten Lastklassen, insbesondere für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten, für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt werden, derart dass mittels der Gesamt-Anzahl der vorbestimmten Lastklassen ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass vor allem der Wechsel einer Last in eine der vorbestimmten Lastklassen, insbesondere für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten, besondere Bedeutung zukommt bei der Ermittlung einer Bauteilschädigung. Vorteilhaft kann dann bereits mittels der Anzahl festgestellter Lastklassen, insbesondere der Anzahl festgestellter vorbestimmter Lastklassen, das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine angegeben werden.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine ermittelt werden aus einer Schädigungszahl. Eine Schädigungszahl folgt im Grunde einem eingangs genannten Prinzip wie es im Artikel von Vahlensieck aus dem April 1999 (54. Jahrgang Landtechnik 4/99) beschrieben ist. Im Rahmen dieses Artikels wie auch in anderen Erörterungen ist die„Rainflow“-Zählung erläutert, welche es mit verfügbarer Rechenleistung ermöglicht, Lastverläufe an einem Maschinenbauteil zur Erstellung eines Lastkollektivs zu klassieren und daraus eine Maschinenbauteile-Schädigung zu errechnen, welche pro Lastklasse —letztendlich aus dem Quotienten „zu ertragende Lastspielzahl“ (aus dem Lastkollektiv) geteilt durch„ertragbare Lastspielzahl“ (aus einer Grenz- Kennlinie; sogenannte Wöhlerlinie) - eine Schädigungszahl angibt bzw. im Kehrwert ein Maß für einen Reserve- Abstand zur Grenz -Kennlinie. Durch aufsummieren der Teileschädigung kann ein Schädigungs-Maß für eine betriebsfeste Auslegung bzw. aus einem Abstand zur Grenz- Kennlinie ein laufzeitbegrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben werden. Vorliegend hat es sich darüberhinaus als vorteilhaft erwiesen, dass die Schädigungszahl ermittelt wird aus der Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel und/oder Anzahl der Lastklassen, insbesondere der Gesamt-Anzahl von vorbestimmten Lastklassen, insbesondere für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten, am Maschinenbauteil. Die Schädigungszahl kann insbesondere angegeben werden mit wenigstens einem Verhältnis, insbesondere einem Quotienten, einerseits einer Häufigkeit von Lastklassen-Wechsel und/oder Anzahl der Lastklassen in Bezug und zum anderen einem theoretischen Grenzwert auf einer Grenzkennlinie (Tausch-Kennlinien- Wert), welcher eine Grenz-Häufigkeit und/oder Grenz-Anzahl für das Maschinenbauteil angibt, bei welcher es aller Voraussicht und Erfahrung nach zu tauschen wäre. Eine bevorzugte Ausführungsform zur Ermittlung einer Schädigungszahl ist in FIG.7 beschrieben.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und-beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte Offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in: FIG.l eine bevorzugte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung der Funktionalitäten eines„virtuellen Sensors“ gemäß dem Konzept der Erfindung;
FIG.2A, FIG.2B zwei Beispiele idealisierter Verläufe einer Abgastemperatur aufgetragen als Temperatur über eine normierte Zeitachse als Beispiel einer
Medientemperatur für das Betriebsmedium Abgas, wobei die Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische -im Sinne eines Zyklus zwischen einem oberen und unteren Temperatumiveau— , Betriebsdaten gemessen wird;
FIG.3A, FIG.3B einen ersten beispielhaften realen Verlauf einer Abgastemperatur und schattiert eine Anzahl von tatsächlich physikalisch gemessenen Bauteiltemperaturen an einem Abgasturboladergehäuse; dies an nicht weniger als acht Orten des Abgasturboladergehäuses (FIG.3A) sowie einen zweiten beispielhaften realen Verlauf einer Abgastemperatur und mittels dem „virtuellen Sensor“ einen mit einer zeitabhängigen Exponentialfunktion ermittelten bzw. berechneten Temperaturverlauf des Abgasturboladers als Folge der gemessenen Temperatur des Abgases (FIG.3B);
FIG.4A, FIG.4B eine tatsächlich physikalisch gemessene Bauteiltemperatur als Temperaturanstieg an einem Abgasturboladergehäuse und mittels dem „virtuellen Sensor“ einen mit einer zeitabhängigen Exponentialfunktion ermittelten bzw. berechneten Temperaturverlauf des Abgasturboladers als Folge der gemessenen Temperatur des Abgases, wobei die angegebenen Parameter a, b, c der Exponentialfunktion (FIG.4A) sowie die empirisch ermittelten Kennfelder zu den Parametern a, b, c der Exponentialfunktion (FIG.4B) beispielhaft dargestellt sind;
FIG.5A, FIG.5B einen örtlichen Temperaturunterschied an einem Abgasturbolader mit hier dargestellten und so bezeichneten Kennlinien TGH8 an einem ersten Ort und TGH3 an einem zweiten Ort, wobei der erste und zweite Ort über eine gewisse Distanz A getrennt sind, sodass dafür eine Temperaturänderungs-Amplitude bestimmbar ist (FIG.5A) sowie eine verallgemeinert dargestellte Klassierung einer solchen Temperaturänderungs- Amplitude in einem zweidimensionalen Diagramm als Grundlage eines Betriebsmusters (FIG.5B); FIG.6A, FIG.6B zwei beispielhafte Betriebsmuster in Matrixform mit klassierten T emperaturänderungs-Amplituden;
FIG.7 eine bevorzugte Vorgehens weise zur Ermittlung einer Schädigungszahl als Grundlage zur Ermittlung eines laufzeitbegrenzenden Zeitintervalls des Maschinenbauteils;
FIG.8 einen grundsätzlichen Ablaufplan eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Maschinenbauteil das laufzeitbegrenzend für den Betrieb derselben ist.
Der transiente Betrieb einer Brennkraftmaschine 1 bewirkt ein transientes, insbesondere zumeist zyklisches Aufheizen und wieder Abkühlen des Motors und weiterer Komponenten derselben; beispielsweise im Sinne eines Zyklus zwischen einem oberen und unteren Temperatumiveau. Diese Prozesse einer Brennkraftmaschine 1 sind für einige symbolisch dargestellte Komponenten wie beispielsweise einem Motor M, einem Abgasturbolader AGT, einem Wärmetauscher WT sowie einer Abgasleitung mit Abgasnachbehandlungsaggregat AG in FIG.l dargestellt. Die zugehörigen im Rahmen des Konzepts der Erfindung mittels einem„virtuellen Sensor“ bestimmbaren transienten bzw. zyklischen Temperaturverläufe T M, T AGT, T_WT, T AG für diese genannten Komponenten bzw. deren Maschinenbauteile sind in FIG.l im Block 1‘ ebenfalls dargestellt.
Die Anzahl und das Ausmaß, insbesondere Größe bzw. Amplitude der durch Temperaturdifferenzen bzw. Temperaturgradienten dieser transienten Temperaturverläufe bzw. - zyklen bestimmen letztendlich die Lebensdauer der hier beispielhaft genannten Komponenten, da sie letztendlich einen Lastwechsel für die Komponenten bzw. deren Maschinenbauteile und eine damit verbundene thermische Ermüdung der Komponenten bzw. deren Maschinenbauteile hervorrufen.
Bislang werden die in Block l‘ symbolisch gezeigten Temperaturverläufe T i (i=M, AGT, WT, AG) weder von Teilen der Brennkraftmaschine noch der hier insbesondere gezeigten Komponenten bzw. deren Maschinenbauteile durchgehend erfasst. Allenfalls werden Medientemperaturen erfasst, d. h. Temperaturen T_j der Kühlmittel KM, Schmierstoffe wie Öle SS, der Kraftstoffe KS sowie der Ladeluft LL bzw. Abgastemperaturen AG (j=KM, SS, KS, LL, AG). Diese Medientemperaturen der den vorgenannten Komponenten zugeordneten Betriebsmedien sind in der Brennkraftmaschine 1 ebenfalls symbolisch dargestellt im Block 1“; nämlich beim Motor oder dessen Zylinderkopf real gemessen, beispielsweise für die Ladeluft, oder beim Abgasturbolader für die Ladeluft und Abgasmenge, oder beim Wärmetauscher für das Kühlmedium KM oder bei der Abgasnachbehandlung oder einer Abgasleitung für die Abgase AG. Entsprechende Temperaturverläufe Tj (j=KM, SS, KS, LL, AG) für die Betriebsmedien sind im Block 1“ der FIG.l ebenfalls symbolisch dargestellt.
Die solcher Art zwar grundsätzlich verfügbaren Betriebsmedientemperaturen Tj (j=KM, SS, KS, LL; AG) und zumeist auch jedenfalls teilweise deren transienten Verläufe geben jedoch keine Auskunft über die Belastung des Motors M oder anderer Komponenten der Brennkraftmaschine 1 als solche. Sie stellen allenfalls Aussagen zur Verfügung betreffend grundsätzliche Abweichungen vom Normalbetrieb der Brennkraftmachine; beispielsweise eine Aussage derart, dass die Kühlwassertemperatur für den Motor erhöht ist und der Motor M entweder außerhalb des Normalbetriebs läuft oder die Kühlung problematisch ist. Somit ist auch ein etwaiger Schädigungsgrad aufgrund der thermischen Ermüdung jedenfalls der Komponenten einer Brennkraftmaschine und damit der dadurch hervorrufende Abnutzungsgrad durch die thermische Ermüdung grundsätzlich bislang nicht bekannt - weder im Ergebnis noch in deren transienten Verlauf.
Als Folge können Schädigungen und tatsächlich eintretende Schäden bei einer Brennkraftmaschine 1 im Feld im Detail weder antizipiert noch nachvollzogen werden - d. h. im Ergebnis besteht bislang immer noch ein vergleichsweises hohes Gefahrenpotential, dass eine Brennkraftmaschine unerwartet ausfällt. Dies ist in den allermeisten Fällen mit einem hohen Risiko für das Fahrzeug verbunden, in dem die Brennkraftmaschine installiert ist - so beispielsweise bei einem Schiff mit einem Schiffsmotor oder dergleichen.
Deswegen sieht das Konzept der Erfindung im Rahmen des in Fig.l gezeigten„virtuellen Sensors“ ein Berechnungsmodell und ein Verfahren vor, dass im Unterschied zu den bisherigen Ansätzen zur Angabe von laufzeitbegrenzenden Zeitintervallen eines Maschinenbauteils untermauert und auch angepasst werden kann bzw. von vornherein verlässlicher ist als bisherige Ansätze.
Bisherige Berechnungen wie Festigkeitsrechnungen der eingangs genannten Art sind zum Teil sehr ungenau und müssen deswegen äußerst konservativ durchgeführt werden, um demnach präventive Wartungs- und Austauschintervalle von Motorkomponenten meistens zu kurz zu definieren. Dieser Sachstand verursacht vergleichsweise hohe Lebenszykluskosten und führt zur Senkung der Wettbewerbsfähigkeit. Das Konzept der Erfindung hat erkannt, dass eine thermische Belastung von Maschinenbauteilen der Brennkraftmaschine erst dann verlässlich beurteilt werden kann, wenn die Medientemperaturen, beispielsweise die vorgenannten Medientemperaturen der Ladeluft LL, des Abgases AG, des Kühlmittels KM und dergleichen nicht nur überwacht, sondern auch deren transiente Verläufe Tj (j=KM, SS, KS, LL; AG) gezielt aufgenommen und abgespeichert werden können.
Dazu sieht ein Antriebssystem 100 wie es in LIG.l gezeigt ist eine Brennkraftmaschine 1 mit einer an sich bekannten Steuer- und Regeleinrichtung ECU vor, sowie einer ebenfalls an sich bekannten Sensorik S welche in der Lage ist mittels einer Erfassungseinrichtung EE über die Sensorik S den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wenigstens zu überwachen.
Betriebsdaten der Brennkraftmaschine 1 und der Betriebsmedien, d.h. hier der Kühlmittel KM, Schmierstoffe wie Öle SS, der Kraftstoffe KS sowie der Ladeluft LL bzw. Abgastemperaturen AG wie sie unter V in LIG.l gezeigt sind werden, d. h. insbesondere auch die transienten Temperaturverläufe Tj (j=KM, SS, KS, LL; AG) im Block 1“ der Betriebsmedien werden nunmehr gemäß dem Konzept der Erfindung in der Erfassungseinrichtung EE jedoch gezielt aufgenommen und abgespeichert. Im Realbetrieb werden bislang keine Bauteiltemperaturen und erst recht keine Temperaturänderungen oder Gradienten im transienten Betrieb für eine Brennkraftmaschine erfasst. Auf die Bauteiltemperatur und deren schädigenden Temperaturunterschiede bzw. Temperaturgradienten aufgrund von Aufwärmvorgängen kann allenfalls aufgrund anderer Sensorwerte wie beispielsweise Abgastemperatur geschlossen werden. Auch solche Ansätze können natürlich nicht den transienten Betrieb und die damit verbundenen tatsächlichen Lastverläufe des Maschinenbauteils simulieren.
Die vorgenannte Medientemperatur unter Block 1“ ist gemäß dem Konzept der Erfindung nicht mit der Bauteiltemperatur unter Block l‘ gleichzusetzen - das Konzept der Erfindung sieht außerdem eine Auswerteeinheit AE und/oder eine Remote-Einheit RE vor, die mit der ECU Zusammenarbeiten. Jedenfalls die Auswerteeinheit AE mit der Erfassungseinrichtung EE, ggfs in datentechnischer Verbindung mit der Remote -Einheit RE und/oder der ECU stellen die Funktionalität des„virtuellen Sensors“ VS zur Verfügung mittels die transienten bzw. zyklischen Temperaturverläufe T M, T AGT, T_WT, T AG für die oben genannten Komponenten bzw. deren Maschinenbauteile der Brennkraftmaschine 1 gemäß Block l‘ ermittelt werden—ohne diese aufwendig mittels einer realen Sensorik mit den eingangs genannten Nachteilen messen zu müssen—. Während bislang auf Sensorwerte von physikalisch vorhandenen Sensoren der Anlage zurückgegriffen werden muss hat das Konzept der Erfindung erkannt, dass die hier vorliegend beschriebene Sensorik S mit dem „virtuellen Sensor“ VS erhebliche Vorteile gegenüber bekannten physikalisch vorhandenen Sensormodellen hat. Sind nämlich bei physikalisch vorhandenen Sensorsystemen andere oder weitere Werte interessant, müssen in der Regel weitere Sensoren nachgerüstet werden. Dies verteuert die Anlage und senkt gleichzeitig seine Zuverlässigkeit. Das Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung kommt ohne diese physikalischen Sensoren aus und erzeugt somit keine oder nur marginale zusätzliche Kosten.
Der„virtuelle Sensor“ VS ist ausgebildet,
- Betriebsdaten T M, T AGT, T_WT, T AG eines Maschinenbauteil -wie etwa Motor M, einem Abgasturbolader AGT, einem Wärmetauscher WT sowie einer Abgasleitung mit Abgasnachbehandlungsaggregat AG— zu bestimmen, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur Tj (j=KM, SS, KS, LL; AG) eines der Betriebsmedien KM, SS, KS, LL; AG umfassen, und
- die wenigstens eine Medientemperatur Tj (j=KM, SS, KS, LL; AG) als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird.
Des Weiteren ist gemäß dem Konzept der Erfindung im Rahmen der Auswerteeinheit AE bzw. Remote-Einheit RE vorgesehen, dass der genannte Wirkzusammenhang mittels einem Algorithmus dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteiltemperatur T M, T AGT, T_WT, T AG wie im Block 1‘ transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur wie im Block 1“ . Das Konzept der Erfindung umfasst also die Erstellung und Anwendung von Algorithmen, mit deren Hilfe die Maschinenbauteiltemperatur T M, T AGT, T_WT, T AG aufgrund der Medientemperatur ermittelt wird - dies wird im folgenden auch als Funktionalität des„virtuellen Sensors“ VS bezeichnet.
Weiter ist die Auswerteeinheit AE bzw. die Remote-Einheit RE ausgebildet, mittels der transienten Maschinenbauteiltemperatur T M, T AGT, T_WT, T AG wie im Block l‘ dargestellt wenigstens eine Temperaturänderung der Maschinenbauteiltemperatur—insbesondere eine Temperaturänderungs-Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur— anzugeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnenden Betriebsmusters zu klassieren. Es hat sich gezeigt, dass die erfassten Temperaturänderungen oder Temperaturgradienten innerhalb des vorgenannten Motorkomponenten beispielsweise mit Hilfe eines modernen Vertreters einer stochastischen Auswertung, nämlich der Rainflow-Zählungsmethode Aufschluss über den transienten Betrieb und über die Belastung bzw. Festigkeitsgrenze der Komponenten geben kann. Als Resultat werden die thermischen Lastwechsel unterschiedlicher Größenordnungen in einem Betriebsmuster gespeichert - die Größenordnungen können je nach Bedarf im Rahmen der Klassierung festgelegt werden. Das Betriebsmuster kann dann die Grundlage für die genaue Berechnung der transienten Belastung bzw. Festigkeitsgrenzen bilden. Auf Grundlage des Betriebsmusters kann das die laufzeitbegrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine also für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben werden. So kann das präventive Tausch- oder Überholungsintervall von diesem Baumaschinenbauteil abhängig vom Lastprofil bzw. Betriebsmuster definiert werden.
Ein solches Konzept führt zu einem vergleichsweise intelligenten Wartungskonzept unter Optimierung der Auslegungsmethoden in Analytik und Bildung von Prognosemodellen. Durch den Fortschritt der IT-Technologien können die Betriebsdaten einer Anlage während des realen Betriebs präzise erfasst und ausgewertet werden. Dies leistet die Sensorik, die Erfassungseinheit EE und die Auswerteeinheit AE/RU, d. h. die Daten können entweder lokal auf einer„On-Board Unit“ AE ausgewertet und gespeichert EE oder an einen Server für ausführlichere Analysen wie die RE versandt werden. Somit werden die Betriebsdaten vermehrt für die Beurteilung der Funktionalität und der Belastbarkeit der technischen Systeme einbezogen.
Das vorliegende Konzept der Erfindung wird im Folgenden schrittweise erläutert anhand von Grafiken die letztendlich eine sehr realistische und nachgewiesener Weise verlässliche virtuelle sensorische Erfassung einer transienten Maschinenbauteiltemperatur wie sie in 1‘ gezeigt ist zum Ergebnis hat.
FIG.2A zeigt dazu zunächst einen Verlauf einer Abgastemperatur l“_AG aufgetragen als Temperatur über eine normierte Zeitachse. Diese weist an einigen Stellen extremale Umkehrbereiche Ul und U2 auf, die auf Grund ihres unterschiedlichen Temperatumiveaus—mit von bei Ul etwa 200°C bzw. 600°C und bei U2 etwa 300°C und 400°C— einem zyklischen Lastwechsel zuzuordnen sind. Das heißt der „Lastwechsel 1“ in Fig.2A wird mit einer Beharrungszeit in den Temperaturextrema von min/max 200°C/600°C vollzogen, der „Lastwechsel 2“ in Fig.2A bei Temperaturextrema von min/max 300°C/400°C. Ein anderer Temperaturverlauf des Abgases l“_AG ist in FIG.2B gezeigt wobei dies aufgetragen ist als normierte Temperatur über eine Zeitachse - während FIG.2A also im Wesentlichen idealisierte Schwankungen der Abgastemperatur l“_AG mit Beharrungszeiten während des Transientbetriebs zeigt, so zeigt FIG.2B, das abhängig von dem Temperaturverlauf die Beharrungszeiten nicht gleich sein müssen sondern durchaus stark schwanken können.
FIG.3A zeigt im Ergebnis wiederum eine Abgastemperatur l“_AG - diesmal also nicht idealisiert sondern realistisch; erkennbar ist der im Wesentlichen rechteckformige Verlauf, welcher pro Zyklus einen Fastwechsel mit unteren und oberen Extremalpunkt für die mit Abgas beaufschlagten Maschinenbauteile -z.B. ein Abgasturbolader AGT oder eine Abgasnachbehandlung oder eine Abgasleitung für die Abgase AG— zur Folge hat. Der rechteckförmige Verlauf der Abgastemperatur l“_AG hat jeweils in den Umkehrbereichen ein Temperatumiveau, nämlich im unteren Bereich bei etwa 50°C und im oberen Bereich bei etwa 800°C. Zum Nachweis der realistischen Folge solcher Fastwechsel ist in FIG.3A schattiert eine Anzahl von tatsächlich physikalisch gemessenen Bauteiltemperaturen an einem Abgasturboladergehäuse TGH an nicht weniger als 8 Orten gezeigt, die mit T TGH i (i=l..8) durchnummeriert sind - alle diese Temperaturvorläufe T TGH i (i=l..8) am Maschinenbauteil eines Abgasturboladers sind transienter Art und vorliegend durch eine Exponentialfunktion darstellbar. Fetztlich bestätigt dies die Prinzipien der Wärme- und Stoffübertragungslehre.
FIG.3B zeigt nun nochmals eine gemessene Kurve einer Abgastemperatur l“_ AG mit einer nunmehr simulierten Maschinenbauteiltemperatur T AGT -in diesem Fall T TGH 8 (i=8)— d. h. mit einem zeitabhängigen Exponentialfunktion dargestellten gemäß dem Konzept der Erfindung berechneten Temperaturverlauf des Abgasturboladers als Folge der gemessenen Temperatur des Abgases 1‘‘_AG.
Die Maschinenbauteiltemperatur T AGT verhält sich —wie FIG.3A und zeigt— praktisch realistisch zu dem gemessenen Verlauf. Ein Ausschnitt für eine steigende Bauteiltemperatur ist in FIG.4A dunkel dargestellt und mit T AGT M -in diesem Fall T TGH 8 (i=8)— gekennzeichnet. Die Darstellung der Temperatur des Abgasturboladers folgt der über der Grafik angegebenen Exponentialfunktion T AGT mit drei Parametern: a - der maximale Temperaturanstieg des Bauteils bei einem Temperaturursprung des Abgases b - definiert die Steigung des Temperaturverlaufs c - Anfangstemperatur des Bauteils entsprechend der Vorgeschichte.
Die in der Wärme- und Stoffubertragungslehre bewährte Beschreibung von Temperaturverläufen eines Bauteils mit einer zeitabhängigen Exponentialunktion erweist sich also als realistisch im Rahmen des Konzepts der Erfindung. Die Therme dieser Funktion können grundsätzlich physikalische Größen sein, welche die Strömungseigenschaften des Mediums beschreiben wie beispielsweise Temperatur des Mediums und Massenstrom des Mediums - es können auch Umgebungsbedingungen und Bauteileigenschaften wie beispielsweise der Geometrie und des Werkstoffs wiedergegeben werden.
Im vorliegenden Fall wurde die in FIG.4A und FIG.3B dargestellte Temperatur des Abgasturboladers T AGT M -in diesem Fall T TGH 8 (i=8) bzw. weiter für i=l..8— errechnet, wobei die in FIG.4A angegebenen Parameter a, b, c Kennfeldem oder Kennlinienfeldem entnommen wurden, die empirisch ermittelt sind - beispielhaft sind diese in FIG.4B dargestellt. Mit anderen Worten kann für das Bauteil des Abgasturboladers aus einem empirisch ermittelten Kennlinienfeld beispielsweise durch Betreiben eines Abgasturboladers in einer Testbrennkraftmaschine die Koeffizienten abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine hinterlegt werden; beispielsweise in der ECU oder der Erfassungseinheit EE oder der Remote- Einheit. Die solchermaßen vergleichsweise einfach und auch praktisch in Echtzeit zu berechnende Exponentialfunktion mehrerer Komponenten wie sie in FIG.1 dargestellt sind, lässt sich damit als Kern des Auswertealgorithmus zur Darstellung des Wirkzusammenhangs zwischen Medientemperatur und Maschinenbauteiltemperatur in der Auswerteeinheit AE des „virtuellen Sensors“ VS nutzen.
Sind die Maschinenbauteiltemperaturen wie zuvor beispielhaft für den Abgasturbolader gezeigt nunmehr transient bekannt, d. h. zu verschiedenen Zeitpunkten und/oder an verschiedenen Orten—, d. h. über ein bestimmtes Bauteil örtlich verteilt— lassen sich daraus naturgemäß Temperaturunterschiede bzw. Temperaturgradienten bestimmen. D.h. zeitlich an einem ersten und einen zweiten Zeitpunkt und/oder örtlich an einem ersten und einem zweiten Bauteilort. Solche zeitlichen und/oder örtlichen Temperaturänderungen lassen sich festhalten und - bevorzugte über daraus bestimmte Temperaturänderungs- Amplitude der Maschinenbauteil- Temperatur (etwa anhand der Temperatumiveaus wie sie in Fig.2A, FIG.2B aufgezeigt sind)— klassieren. Das Klassieren umfasst jedenfalls ein Ordnen nach Größe, wobei jeweils verschiedene Größen sich einer Lastklasse eingliedem lassen. Eine solche Lastklasse kann als Grundlage eines im Betrieb des Maschinenbauteils gekennzeichneten Betriebsmusters ermittelt werden.
FIG.5A zeigt beispielsweise in einer ersten Abwandlung des Konzepts der Erfindung einen örtlichen Temperaturunterschied an einem Abgasturbolader mit hier dargestellten Orten für die Bestimmung der Temperatur des Abgasturboladers T AGT M —in diesem Fall T TGH 8 (i=3,8) , d.h. TGH 8 und TGH 3— der hier dargestellte erste und zweite Ort ist über eine gewisse örtliche Distanz A voneinander entfernt. Dies entspräche also einer örtlichen Temperaturänderungs- Amplitude bzw. einem Gradienten am Abgasturbolader. Diese Temperaturänderungs- Amplitude bzw. der Gradienten verursacht Spannungen im Abgasturbolader; führt also zu einer gewissen Ermüdung - dafür lässt sich demnach abhängig von der Temperaturänderungs- Amplitude bzw. dem Gradienten eine „örtliche“ Lastklasse angeben.
FIG.5B zeigt die Darstellung dieses Ergebnisses in einem zweidimensionalen Diagramm in dem die Werte für eine Temperatur des Abgasturboladers T AGT M an zwei Orten gemäß der Koordinaten-Achsen als TGH 8 und TGH 3 eintragbar sind- für ein solches Diagramm lässt sich eine Grenzkennlinie GK bilden, jenseits der ein Temperaturunterschied bzw. Temperaturgradient als Klassengrenze angenommen wird. Im Falle der FIG.5B kennzeichnet der markierte Punkt GP ein Temperaturlastwechsel mit der Pfeildarstellung einen Lastwechsel aufgrund der Temperaturänderung bei TGH 8 wobei TGH 3 eine Temperatur von 200°C hält - dies wäre ein Lastwechsel, der an die Grenzkennlinie GK geht; also zwischen einer Klasse geringerer Temperaturwechsel einer Klasse höherer Temperaturwechsel gemäß dem ein Bauteiltausch angeraten sein kann.
FIG.6A und FIG.6B zeigen nun ein Betriebsmuster des Abgasturboladers bei dem eine Vielzahl von Klassen eingezeichnet sind.
Die Matrix LCF der FIG.6A klassiert im Prinzip die Lastfaktoren des Motors einer Brennkraftmaschine über Motor-Drehzahl nMOT und Motor-Moment MM relativ zueinander - für jede Klasse ist die Anzahl der Lastwechsel eingetragen; d.h. ein Betrieb des Motors, der in eine bestimmte Klasse führt und wieder aus dieser heraus.
Die Matrix TMF der FIG.6B klassiert Temperaturänderungs- Amplituden einer Maschinenbauteil-Temperatur. Dies kann örtliche Gradienten betreffen also beispielsweise, wie gezeigt, relativ zueinander eine Temperaturänderungs- Amplitude der Temperatur des Abgasturboladers T AGT M an zwei Orten gemäß der Koordinaten- Achsen als TGH j (j=2..8) in Bezug auf TGH 1 - für jede Klasse ist die Anzahl der Lastwechsel eingetragen; d.h. ein Betrieb des Motors, der in eine bestimmte Klasse führt und wieder aus dieser heraus.
Aus der Zusammenschau bzw. Korrelation der in den Matrizen LCF und TMF eingetragenen Lasthäufigkeiten pro Klasse lässt sich ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils in Bezug auf ein Betriebsmuster des Motors angeben und auf Grundlage des Betriebsmusters lässt sich ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angeben. So kann eine Gesamt-Anzahl von vorbestimmten Lastklassen, insbesondere für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten, für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt werden, derart dass mittels der Gesamt-Anzahl der vorbestimmten Lastklassen ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird.
In FIG.6B ist z.B. aus der dargestellten Funktion der Häufigkeit f (nMOT, MM) in Abhängigkeit von Motor-Drehzahl nMOT und Motor-Moment MM erkennbar, dass der Betrieb des Motors häufig im unteren Drehzahl- und Drehmoment-Bereich erfolgt aber -in Korrelation dazu gemäß FIG.6B— der Abgasturbolader AGT häufig bei vergleichsweise hohen örtlichen Temperaturgradienten belastet ist.
Die in FIG.6B rechts oben gezeigten Klassen stellen dabei Extremalbelastungen dar (also Lasten im Prinzip außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten des Motors) und offensichtlich wurde der hier dargestellt Abgasturbolader in solchen korrelierenden Extremalpunkten betrieben. Mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel kann, wie exemplarisch an diesem Beispiel erläutert, ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils unter Berücksichtigung des Betriebsmusters des Motors angegeben werden und auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben werden.
Grundsätzlich kann eine Matrix auch die Häufigkeit angeben, mit der im Betrieb an einem Ort eine zeitliche Temperaturänderungs- Amplitude durchlaufen wurde.
LIG.7 zeigt in einer zweiten Abwandlung des Konzepts der Erfindung nun eine Möglichkeit zur Ermittlung eines laufzeitbegrenzenden Zeitintervalls des Maschinenbauteils; nämlich dort ist die Amplitude einer Temperaturänderung wie sie für ein Maschinenbauteil ermittelt wurde -zeitlich etwa gemäß Fig.2 oder örtlich etwa gemäß FIG.5— aufgetragen über die Anzahl der T emperatur lastwechsel .
Dabei stellt die abfallende Kurve der Grenzkennlinie GK eine theoretische Darstellung von Grenzpunkten GP von Lastwechseln dar, die eine massive Schädigung und damit den Austausch des Maschinenbauteils zur Folge haben sollten. Mit anderen Worten ist das Verhältnis ni zu Ni entscheidend für die Schädigungszahl D i- ist diese Schädigungszahl D i oder eine Gesamt- Schädigung D > 1 könnte die Schädigung des Bauteils vergleichsweise weit fortgeschritten sein, und das Bauteil sollte ausgetauscht werden bzw. es ist sehr wahrscheinlich, dass es ausfällt. Die abfallende Kurve der Grenzkennlinie GK ergibt sich aus einer im Grenzfall noch erträglichen Höhe einer Temperaturänderungsamplitude und der im Grenzfall noch erträglichen Häufigkeit dafür für die Belastung des Maschinen-Bauteils. Anders ausgedrückt, je größer die Amplitude der Temperaturänderung ist, desto geringer ist die Häufigkeit mit der diese erreicht werden darf bevor das Bauteil ausgetauscht wird (dies stellt das Verhältnis nl zu Nl bei ATl=400°C dar). Ist die Amplitude dagegen klein kann diese häufiger auftreten ohne dass das Bauteil ermüdet und erst bei sehr hohen Häufigkeitsraten müsste das Bauteil ausgetauscht werden (dies stellt das Verhältnis n2 zu N2 dar bei AT2=200°C). Die solchermaßen ermittelte Schädigungszahl ist mit theoretischem Hintergrund auch in dem eingangs genannten Artikel erläutert.
Vorliegend kann sich eine Gesamt-Schädigungszahl ermitteln lassen für das Bauteil, indem über den Quotienten D_i=n_i/N_i summiert wird. Die fetten Balken in dem Diagramm kennzeichnen die Temperatur-Lastwechsel-Reserven Ri=(Ni-ni)/Ni., wobei gilt Ri+Di=l.
FIG.8 zeigt einen grundsätzlichen Verlauf eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Maschinenbauteil das laufzeitbegrenzend für den Betrieb der selben ist und eine Anzahl von Betriebsmedien die zum Betrieb der Brennkraftmaschine genutzt werden, wobei Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden und im Ergebnis ein die laufzeitbegrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird bzw. Empfehlung zum Tausch des Maschinenbauteils.
Gemäß dem Konzept der Erfindung werden zunächst im Schritt Sl Betriebsdaten des Maschinenbauteils bestimmt, indem diejenigen Betriebsdaten - hier eine T7 Abgastemperatur - ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit dem tatsächlichen Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien -hier ein Abgas— umfassen; dies kann beispielsweise auch das Messen einer Kühlmittel oder Ladeflufttemperatur betreffen. Die wenigstens eine Medientemperatur wird als transiente insbesondere zyklische Betriebsdaten gemessen im Schritt Sl.
Der Wirkzusammenhang wird mittels eines Algorithmus dargestellt derart, dass eine Maschinenbauteiltemperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur - dies wird im Schritt S2 mit dem zuvor erläuterten Algorithmus umgesetzt; d.h. es wird als Ergebnis eines virtuellen Sensors VS eine virtuelle Temperatur T des Maschinenbauteils gemessen, also insbesondere beispielsweise über ein empirische Gleichung angegeben, wie dies anhand FIG.2 bis FIG.4 erläutert ist.
Im Schritt S3 kann mittels der transienten Maschinenbauteiltemperatur wenigstens eine Temperaturänderung der Maschinenbauteiltemperatur, insbesondere Temperaturänderungs- Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur, angegeben werden und als Grundlage eines im Betrieb des Maschinenbauteils gekennzeichneten Betriebsmusters klassiert werden; wie dies anhand FIG.5 bis FIG.6 erläutert ist. Je nachdem wie viele Klassen beim Betrieb der Brennkraftmaschine durchlaufen werden, können diese als Fastwechsel bestimmt werden und die Anzahl derselben im Schritt S4 kann in der in FIG.6B oder FIG.6A gezeigten Matrix gespeichert werden - d. h. als Zählrate pro Klasse. Dabei können zur Klassierung nach Temperatur (Matrix TMF in Fig. 6B) auch eine Klassierung der Fasten der Brennkraftmaschine (Matrix FCF in Fig. 6A) hinzutreten, insbesondere berücksichtigt und/oder korreliert werden.
Im Schritt S5 wird eine Auswertung vorgenommen und pro Klasse die Häufigkeit oder Anzahl ausgelesen, mit der diese Klasse betrieben wurde bzw. der in x-Richtung (waagerecht) gemessene Abstand Ri zur Temperaturreserve, d. h. der Grenzkurve GK, die in FIG.7 dargestellt ist; es erfolgt also eine Auslese auf Grundlage der aus Klassierung KF (pro Klasse die Häufigkeit oder Anzahl, mit der diese Klasse betrieben wurde) berechneten Temperatur-Reserve.
Aus dem Verhältnis, welches die Schädigungszahl Di oder D ausdrückt, lässt sich damit im Schritt S6 eine Schädigungszahl berechnen die, solange sie kleiner als 1 ist zur häufigeren Wiederholung der vorgenannten Schritte führt. Sollte die Schädigungszahl Di oder D jedoch größer 1 sein kann im Schritt S7 eine Empfehlung zum Tausch des Bauteils ausgesprochen werden.
Ist das Bauteil getauscht kann im Schritt S8 die Matrix auf 0 gesetzt werden und der Vorgang wieder beginnen. Im Schritt S9 lassen sich diese Maßnahmen für sämtliche relevanten Maschinenbauteile, d. h. insbesondere Komponenten einer Brennkraftmaschine umsetzen - die Summe derselben gibt eine Gesamtschädigungsrate der Brennkraftmaschine und führt insofern auch zu einer Angabe eines laufzeitbegrenzenden Intervalls für den Betrieb der Brennkraftmaschine insgesamt.
BEZUGSZEICHENLISTE
100 Antriebssystem
1 Brennkraftmaschine
M Motor
AGT Abgasturbolader
WT Wärmetauscher
AG Abgasleitung mit Abgasnachbehandlungsaggregat
T Temperaturverläufe
KM Kühlmedium
AG Abgase
LL Ladeluft
S Sensorik
EE Erfassungseinrichtung
AE Auswerteeinheit
RU Remote-Einheit
U 1 , U2 Umkehrbereiche
A Distanz
D, Di Schädigungszahl
SS Schmierstoffe
KS Kraftstoffe
VS virtueller Sensor
nMOT Motordrehzahl
MM Motormoment
S1 ... S9 Schritte
LW Lastwechsel
KL Klassierung
TMF Temperatur-Klassierung
TCF Last-Klassierung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere mit einem Motor und einer weiteren Komponente wie etwa einem Turbolader, Wärmetauscher oder dergleichen, wobei die Brennkraftmaschine aufweist:
- ein Maschinenbauteil, das Laufzeit begrenzend für den Betrieb der Brennkraftmaschine sein kann, wie etwa eine Motorkomponente oder eine Abgasturbolader-Komponente oder dergleichen oder ein insbesondere bewegliches Bauteil derselben,
- eine Anzahl von Betriebsmedien, die zum Betrieb der Brennkraftmaschine genutzt werden, wie etwa zum Betrieb des Motors und ggfs einer weiteren Komponente wie etwa dem Turbolader zugeführt, abgeführt oder in diesen gehalten werden, insbesondere ein Abgas, eine Ladeluft, ein Kraftstoff, eine Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen,
- eine Einrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen, insbesondere zu steuern und/oder zu regeln, wobei in dem Verfahren:
- Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, sowie
- für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, vorzugsweise ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass
- Betriebsdaten des Maschinenbauteils bestimmt werden, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und
- die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird,
- der Wirkzusammenhang mittels einer Vorschrift, insbesondere Algorithmus oder dergleichen Rechen- oder Datenvorschrift, dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird,
- mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs- Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert wird, insbesondere eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und
- mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird,
- auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die transiente Medientemperatur auf eine Beharrungszeit bei einem Temperatumiveau untersucht wird und wenigstens aus einem Vorhandensein der Beharrungszeit bei einem Temperatumiveau auf einen Lastwechsel für das Maschinenbauteil und einer der folgenden Temperaturänderung der Maschinenbauteil- Temperatur geschlossen wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenbauteil-Temperatur als zeitabhängiger Verlauf für das Maschinenbauteil, insbesondere an einem einzigen Ort und/oder an einer Anzahl von Orten des Maschinenbauteils, mittels Prinzipien der Wärme- und Stoffübertragungslehre bestimmt wird, insbesondere als eine zeitabhängige Exponentialfunktion, vorzugsweise die zeitabhängige Exponentialfunktion Parameter für eine Anfangstemperatur, einen maximalen Temperaturanstieg und eine Steigung des Temperaturverlaufs am Maschinenbauteil aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter des zeitabhängigen Verlaufs der Maschinenbauteil-Temperatur empirisch und/oder modellbasiert festgelegt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt bestimmt wird und daraus eine zeitliche Temperaturänderung an wenigstens einem Bauteilort angegeben und eine Temperaturänderungs- Amplitude klassiert wird derart, dass aus der zeitlichen Temperaturänderung eine zeitliche Lastklasse als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauteilort, vorzugsweise zu wenigstens einem Zeitpunkt, bestimmt und daraus eine örtliche eine Temperaturänderungs- Amplitude für das Bauteil angegeben und klassiert wird, derart dass aus der örtlichen Temperaturänderung eine örtliche Lastklasse als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zeitlichen und/oder örtlichen Temperaturänderung und/oder eine Temperaturänderungs- Amplitude eine Lastklasse als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel mittels dem Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird und mittels der Anzahl der Lastklassen-Wechsel das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine angegeben wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamt-Anzahl von vorbestimmten Lastklassen, insbesondere für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten, für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, derart dass mittels der Gesamt-Anzahl der vorbestimmten Lastklassen ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine ermittelt wird aus einer Schädigungszahl, wobei die Schädigungszahl ermittelt wird aus der Häufigkeit der Lastklassen- Wechsel und/oder Anzahl der Lastklassen, insbesondere der Gesamt-Anzahl von vorbestimmten Lastklassen, am Maschinenbauteil, insbesondere die Schädigungszahl angibt wenigstens ein Verhältnis der Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel und/oder Anzahl der Lastklassen in Bezug auf einen Tausch-Kennlinien- Wert der Häufigkeit und/oder Anzahl für das Maschinenbauteil.
11. Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend
- eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen,
- eine Erfassungseinrichtung mittels der Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, wobei
- eine Bestimmungseinrichtung mittels der für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, vorzugsweise ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil, wobei
die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass:
- Betriebsdaten des Maschinenbauteils zu bestimmen, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und
- die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird,
- der Wirkzusammenhang mittels einer Vorschrift, insbesondere Algorithmus oder dergleichen Rechen- oder Datenvorschrift, dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird,
- mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs- Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert wird, insbesondere eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und
- mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird,
- auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird.
12. Steuereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinrichtung mit der Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug beweglich oder separat davon an einem festen Ort angeordnet ist, mittels der klassiert wird, ein Betriebsmuster angegeben wird und ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird.
13. Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, insbesondere mit einem Motor und einer weiteren Komponente wie etwa einem Turbolader, Wärmetauscher oder dergleichen, wobei
- die Brennkraftmaschine ausgebildet ist für den Betrieb mit einer Anzahl von Betriebsmedien, die zum Betrieb der Brennkraftmaschine genutzt werden, wie etwa dem Motor und ggfs weiteren Komponenten wie etwa dem Turbolader zugeführt, abgeführt oder in diesen gehalten werden, insbesondere ein Abgas, eine Ladeluft, ein Kraftstoff, eine Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen, und aufweist:
- ein Maschinenbauteil, das Laufzeit begrenzend für den Betrieb der Brennkraftmaschine sein kann, wie etwa eine Motorkomponente oder eine Abgasturbolader-Komponente oder dergleichen oder ein insbesondere bewegliches Bauteil derselben,
- eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine wenigstens zu überwachen,
- eine Erfassungseinrichtung mittels der Betriebsdaten der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien bestimmt werden, wobei
- eine Bestimmungseinrichtung mittels der für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, vorzugsweise ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil, wobei
die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass:
- Betriebsdaten des Maschinenbauteils zu bestimmen, indem diejenigen Betriebsdaten ermittelt werden, die in einem Wirkzusammenhang mit einem, insbesondere tatsächlichen, Lastverlauf des Maschinenbauteils stehen, wobei diese Betriebsdaten wenigstens eine Medientemperatur eines der Betriebsmedien umfassen, und
- die wenigstens eine Medientemperatur als transiente, insbesondere zyklische, Betriebsdaten gemessen wird, - der Wirkzusammenhang mittels einer Vorschrift, insbesondere Algorithmus oder dergleichen Rechen- oder Datenvorschrift, dargestellt wird derart, dass eine Maschinenbauteil-Temperatur transient bestimmt wird aus der transienten Medientemperatur, wobei die transiente Maschinenbauteil-Temperatur an wenigstens einem ersten und/oder einem zweiten Bauteilort bestimmt wird und daraus eine zeitliche und/oder örtliche Temperaturänderung für das Bauteil angegeben wird,
- mittels der transienten Maschinenbauteil-Temperatur wenigstens eine Temperaturänderungs- Amplitude der Maschinenbauteil-Temperatur angegeben und als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnendes Betriebsmusters klassiert wird, insbesondere eine Anzahl von Lastklassen für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, und
- mittels einer Anzahl von Lastklassen und/oder Lastklassenwechsel ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird,
- auf Grundlage des Betriebsmusters das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird.
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