WO2019166377A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine, steuereinrichtung und brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2019166377A1
WO2019166377A1 PCT/EP2019/054624 EP2019054624W WO2019166377A1 WO 2019166377 A1 WO2019166377 A1 WO 2019166377A1 EP 2019054624 W EP2019054624 W EP 2019054624W WO 2019166377 A1 WO2019166377 A1 WO 2019166377A1
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load
change
internal combustion
combustion engine
operating
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Ion Madan
Rolf Pfeifer
Patrick Stöckle
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/22—Safety or indicating devices for abnormal conditions
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0259—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterized by the response to fault detection
    • G05B23/0283—Predictive maintenance, e.g. involving the monitoring of a system and, based on the monitoring results, taking decisions on the maintenance schedule of the monitored system; Estimating remaining useful life [RUL]
    • G—PHYSICS
    • G07—CHECKING-DEVICES
    • G07C—TIME OR ATTENDANCE REGISTERS; REGISTERING OR INDICATING THE WORKING OF MACHINES; GENERATING RANDOM NUMBERS; VOTING OR LOTTERY APPARATUS; ARRANGEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS FOR CHECKING NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
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    • G07C5/08—Registering or indicating performance data other than driving, working, idle, or waiting time, with or without registering driving, working, idle or waiting time
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

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 optionally another component such as the turbocharger fed, discharged or held in this, in particular an exhaust gas, a charge air, a fuel, a lubricant a coolant or the like, a device which is designed to monitor, in particular to control and / or regulate the operation of the internal combustion engine, wherein in the method:
  • the operating data in particular temperature and / or speed or torque data are determined transiently, wherein from the transient determination of a change in the operating data in an amplitude and a time course is given,
  • a relevant operating pattern characterizing the operation of the machine component is determined a number of load classes assigned to an amplitude change of the operating data
  • a damage measure for a reliable design or from a distance to the limit characteristic curve a time-limited time interval of the machine component can be specified. It is known from DE 10 2005 048 532 Al to record operating data for the monitoring of a mechanical component of a vehicle or engine or another component and to determine a parameter for the state of the component based on the operating data, so that an imminent malfunction of the component Component can be identified and the vehicle can be controlled so that a momentary load of the component is reduced. This causes less wear and extends the life of the component, especially the motor, and thus increases the time buffer until a fault occurs. Load states are repeatedly identified from the operating data and logged as load data, the load data being used to determine the characteristic. For logging, known counting methods, e.g. Current value or "Rainflow" count. As a parameter, a
  • Failure probability and / or a degree of damage and / or a load characteristic are used. This allows a simple and quick identification of an imminent disruption.
  • the speed, the torque and / or the engine temperature are determined as load characteristics, for example.
  • the invention is whose task 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 running time limiting time interval of a machine component thereof in even more reliable, yet efficient way.
  • the invention is based on a method of the type mentioned.
  • the invention is thus initially based on the consideration that determines a degree of wear of the same 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 can be; in particular one which, for example, is due to the thermal fatigue of the same.
  • the operating data are transiently determined, wherein from the transient determination, a change in the operating data in an amplitude and a time course is specified.
  • a relevant operating pattern characterizing the operation of the machine component is determined
  • a method which is fundamentally known in this respect can be implemented, for example, analogously and by means of a "rainflow" counting. What is new here is that a reference load change, in particular as the basis for a change indicator, is determined from the operating pattern based on the load change. To record all relevant load changes, the payment method has been extended according to the invention. According to the known Rainflow method, a load change (loop) is present when the load changes from one load class to the other and back to the origin class. However, not all load changes are always harmful in accordance with the invention, but only those that persist or persist in extreme classes for some time. Particular mention should be made here of cyclic thermal loads such as fluctuations in exhaust gas temperature.
  • a persistence time of the operating data in the load class is specified from the transiently determined operating data for a load class, and from this a number of relevant load class changes are classified for the load class, and
  • a relevant operating pattern comprising - the number of load classes
  • load changes for example in matrices comprising these load classes, can be stored in so-called operating modes.
  • all inventively relevant load changes are detected; i.e. those which are harmful and, according to the knowledge of the invention, stay or persist in extreme classes or generally in other classes for some time.
  • each load change that is relevant in accordance with the invention can thus be assigned a damage factor.
  • the damage factor according to the knowledge of the invention thus does not take into account the irrelevant (ie not damaging) load changes; For example, neither those load changes that are under a relevant steady-state in a load class, nor those load changes that are too low.
  • the damage factor according to the finding of the invention preferably takes into account the damage to the same for a machine component with increasing amplitude change of the operating data and number of amplitude change of the operating data and / or preferably increasing relevance (persistence time of a load class) of the relevant load class change - in this respect, the rule may apply that Damage factor preferably increases with increasing amplitude change (height of the load class) and / or increasing number of relevant load class changes and / or increasing relevance thereof (persistence time in a load class).
  • the invention also leads to a control device according to claim 15 and a
  • the engine control or an "on-board unit” preferably stores all relevant load changes; these could also be “remote” with appropriate wireless transmission from the Internal combustion engine to be transferred to an external storage and processing unit, which is responsible for example for a service of the internal combustion engine.
  • the change indicator which can be specified in the context of a preferred development is preferably a ratio of the reference load cycle number multiplied by an approved running time (Time Between Overhaul, TBO) of the motor relative to the maximum number of sustainable load changes LW max of the corresponding component.
  • a change indicator can preferably be determined from the reference load cycle number (RLW) and the tolerable TMF load (TBO / LWmax), resulting in a value (change indicator) which is calculated individually for each component or component position and thus the possible term of components in operation determines.
  • the change indicator can thus be regarded as a thermomechanical safety factor. For example, it can be calculated so that if the value is> 1, preventive maintenance or replacement of the component is required.
  • a temporal change of the operating data is specified from the transient determination, for which a load class for the machine component is classified in terms of an amplitude between temporal change extremes of the operating data.
  • the distance of temporal change extrema of the operating data in a so-called “loop”, in particular according to the terminology of a "Rainflow” count, is crucial for the possibility of damage to the affected component or the machine component.
  • a total number of predetermined load classes, in particular for loads outside the rated operation and / or extreme loads, for the operation of the machine component is determined such that an operating pattern of the machine component is specified by means of the total number of predetermined load classes.
  • damage may be considered total; ie only a small number of load changes or possibly even with a single load change in a load outside the rated operation and / or extreme load with comparatively small retention time of the change extreme of the operating data in the load class for the load outside the rated operation and / or extreme load.
  • a relevant load change for the machine component in the load class is classified from the transient determination with respect to a steady time of the change extrema of the operating data in the load class, if the steady-state time is above a predetermined threshold value.
  • a steady-state time in the load class concerned is above a predetermined threshold value.
  • the threshold value can be set appropriately and differently for each load class.
  • the threshold value can also be functionally predetermined if necessary; as a value that is dependent on other conditions of an operation of the machine component or the internal combustion engine. It can be provided insofar as a correlation of the steady-state periods per load class.
  • the operating data and / or the relevant operating pattern from load classes and classified in this relevant load class changes are transiently determined and stored continuously.
  • This is advantageous is a continuously updated and logged operating pattern available to the control of an internal combustion engine can also access during operation.
  • a reference load change accumulated for all load classes for all load classes is thus available for the indication of a Change Indicator (CI) as an indicator for both significant damage during operation and for the renewal of the machine component based on the summary reference load change.
  • CI Change Indicator
  • the control of the internal combustion engine can already take into account a significant damage in the control of the internal combustion engine during operation.
  • a time interval limiting the duration of the engine component is specified for one or more engine components of components selected from a group consisting of: turbocharger, cooling circuit, engine of the internal combustion engine.
  • the machine components of these components are particularly relevant for a safe or damage-free operation of the internal combustion engine and can be swapped early as part of a service.
  • the Machine components are selected from a group consisting of: running gear, in particular turbine and / or compressor wheel of a turbocharger, thermostat and / or valve and / or heat exchanger of a cooling circuit, liner of an engine of the internal combustion engine.
  • the operating data are selected from a group consisting of: speed of a turbocharger, temperature of a cooling circuit, speed and / or torque of an engine, a machine component temperature and / or a Radiomedien- temperature.
  • These operating data are particularly meaningful for the assessment of injury due to relevant load class changes. In principle, these can be measured and / or determined virtually, in particular empirically and / or model-based - however, they are typically available as conventional control values of an internal combustion engine and can be read out, for example, from a control device of the internal combustion engine.
  • parameters of a transient course of a machine component and / or operating medium temperature are determined.
  • measurements of operating medium temperature prove to be unproblematic and preferred; Measurements of a machine component temperature are, however, regularly not available, but are actually meaningful information for assessing a relevant load class change and the damage factor as factors for each load class. Therefore, it has proved to be advantageous also secured, d.
  • empirical and / or model-based, assumptions on Maschinenbauteil- and / or operating media temperature include in the transient determination of the operating data for indicating a change in the operating data in an amplitude and a time course.
  • the change in amplitude of the operating data is determined from a temporal and / or local temperature change and / or a temperature change amplitude and a load class is assigned as the basis of an operating pattern of the machine component operating pattern.
  • temperature profiles on a machine component and / or operating medium allow the indication of particularly meaningful operating patterns, for indicating a summary reference load change for all load classes accumulated from a plurality of these each assigned to a load class Valences.
  • relevant temporal temperature ramps can also be included, ie those with a relevant slope at a location of an affected machine component or medium and / or relevant local temperature gradients, ie those with a relevant slope between a first and a second second location of an affected machine component or medium
  • an admissible frequency of the load class changes (LWmax) and / or a base time interval (LBO) is specified, in particular by means of the operating pattern of the machine component, and
  • a change indicator (CI) is given as an indicator of significant damage and / or renewal of the machine component based on the summary reference load change.
  • a change indicator (CI) with the simple formula shown in Lig.4 can be specified; it proves to be comparatively broadly applicable and meaningful for further information on significant damage and / or renewal, in particular replacement or overhaul, of the machine component.
  • a reciprocal value l / CI of the change indicator CI can be used to specify a safety factor SI.
  • the time interval of the internal combustion engine limiting the transit time is determined from a change indicator, based on the summary reference load change multiplied by a ratio of permissible frequency of load class changes (LWmax) and a nominal value of a time interval for operation (TBO). of the machine component is specified.
  • a run time limiting time interval of the engine component is specified, preferably as a time interval until a next engine maintenance, such as a preventive replacement or overhaul interval for the engine component, and this - indicated on the basis of the summary reference load change, in particular the change indicator (CI), as an indicator of significant damage and / or renewal of the machine component.
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of an internal combustion engine in a schematic representation with a control device for carrying out the functionalities according to the concept of the invention
  • Figures 2A, 2B illustrate a relevant operating pattern for the operation of an internal combustion engine, i.
  • Fig. 2A shows an exemplary matrix with temperature classes corresponding to a respective temperature change amplitudes and a number of relevant load class changes entered therein; with a sufficiently high retention time in the load class and in Lig. 2B an appropriate damage factor per load class change for the matrix of relevant load class changes shown in Lig. 2A taking into account the sufficiently high retention time;
  • 3A, Lig. 3B a first and second representation of a performance curve of an engine associated with a number of twelve (0-11) power classes over a normalized time axis as another example of operating data for an internal combustion engine, wherein a well-known Performance curve shows and Lig. 3B a preferred according to the concept of the invention transient determination of the power curve
  • Lig. 4 a to the associated in Lig. 2A and Lig. 2B matrix for the assignment of certain reference load changes per load class and an associated calculation scheme for determining a so-called change indicator as an indicator of significant injury and / or renewal of a
  • Machine component or a damage number as a basis for determining a running time-limiting time interval of the machine component
  • 5 shows a basic flowchart of a method for operating an internal combustion engine with a machine component that is delimiting the operating time of the same and for which a change indicator according to the concept of the invention is set taking into account the reference load change as shown in FIG ,
  • An internal combustion engine is subjected to different loads in the field, depending on the application, the operator, the ambient conditions, etc.
  • the loads thus determine the life of the engine.
  • the lifetime of a product is, among other things, a key selling point and demands competitiveness.
  • a "load factor" (the average utilization) is an essential factor and decisive for the service life. The higher it is, the more strained the engine and less the life. Thus, different lifetimes can be assigned to the same product or the customer can be assured; it will be contracted.
  • the average utilization alone is not always sufficient for describing a component load.
  • previous calculations such as strength calculations of the type mentioned in part very inaccurate and must therefore be carried out extremely conservative, so to define preventive maintenance and replacement intervals of engine components usually too short. This situation causes comparatively high life-cycle costs and leads to a reduction in competitiveness.
  • transient operation Another damaging operating factor is transient operation.
  • load changes for example, from engine power, speed, pressure and temperature fluctuations, etc. are recorded.
  • the transient operation of an internal combustion engine 100 as dargesteht in Fig.l, but causes a transient, in particular mostly cyclical heating and cooling again of the engine and other components and their machine components thereof; for example in the sense of a cycle between an upper and lower temperature level.
  • These processes of an internal combustion engine 100 are illustrated for some symbolically represented engine components-for example an engine M, an exhaust gas turbocharger AGT, a heat exchanger WT and an exhaust gas line with exhaust aftertreatment unit AG- in FIG.
  • thermo-mechanical damage state of components in the context of a diagnosis can not be verified.
  • an internal combustion engine 100 or similar drive system as shown in FIG.
  • an evaluation unit AE with the ECU and a possibly remote from the ECU computing unit RE and a virtual sensor VS can also be closed on a component temperature.
  • the evaluation unit AE or the remote unit RE is designed to indicate at least one temperature change of the machine component temperature-in particular a temperature change amplitude of the machine component temperature-by means of the transient machine 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.
  • the operating data may be selected from a group consisting of: speed of a turbocharger, temperature of a cooling circuit, speed and / or torque of an engine, a machine component temperature and / or a working fluid temperature.
  • the time interval delimiting the time of one or more engine components of the internal combustion engine, ie for the operation of the internal combustion engine, can be specified.
  • the preventive exchange or overhaul interval can be defined by this construction machine component depending on the load profile or operating pattern.
  • a load profile recorder which permanently stores data as operating data of the internal combustion engine and an interface for reading the data available, which can be read out as a wireless interface remote to the operating data, for example in a remote central office to store about in a service center or the like storage unit.
  • the operating data of a plant can be precisely recorded and evaluated during real operation. This is done by the sensors, the detection unit EE and the evaluation unit AE / RU, ie the data can either be evaluated locally on an "on-board unit” AE and stored EE or sent to a server for more detailed analyzes such as the RE.
  • the operating data is increasingly included for the assessment of the functionality and the capacity of the technical systems.
  • the change indicator Its broad significance also serves to filter out the few "critically” operated engines in the context of increased safety, and also contributes to reducing the LCC (Life Cycle Costs) of the engines; This also provides an additional quality argument in the context of an intelligent service and overhaul system.
  • the present concept of the invention will be explained in the following step-by-step by means of graphics which ultimately provide a very realistic and proven reliable-virtual or real sensory-detection of a transient machine component and / or medium temperature, as shown in FIG Result has.
  • the aim is to introduce a "Change Indicator” to describe the load of the transient operation, which is used as a supplement to the "load factor” mentioned above.
  • the "change indicator” is determined from a new load change operating pattern; namely taking into account the aforementioned steady-state periods of operating data in a load class for assessing the relevance of the load change for an actual damage to a machine component. This leads to a significantly improved significance for specifying a TBO interval.
  • a load change payment or load class change count basically takes place with the aid of the known Rainflow method.
  • the payment method has been expanded according to the invention.
  • the known Rainflow method there is a load change in the context of a so-called "loop", as shown by way of example in FIG. 3A; ie if the load is a change extremum, e.g. B. a local load maximum, a first load class in another change extremum, z. B. a local minimum load, and back to the first load class developed (Fig.2A) or it goes through.
  • the load changes are stored in dies, in so-called operational patterns (FIG. 2A).
  • FIG. 2A operational patterns
  • 2A shows a first matrix for an operating pattern of an internal combustion engine, in which the classification of exhaust gas temperatures from a transient determination of the exhaust gas temperature is recorded. Visible are twelve classes (# 0 .. # ll) of exhaust gas temperatures, namely class # 0 for a temperature range of 0 - 150 ° C, Class # 1 for a temperature range of 150 ° C - l90 ° C and - with a class width of 40 ° C - further ascending classes # 2 to # 11.
  • the temperatures are referred to as TMF temperatures and therefore relevant for thermo-mechanical fatigue of the affected machine components (thermo-mechanical fatigue - TMF); such as the turbine wheel of a turbocharger or a thermostat in the exhaust duct or an exhaust gas recirculation or bypass valve.
  • Per class is entered the rate due to changes in the temperature determined load changes per hour.
  • the operating pattern of FIG. 2A in matrix form thus represents a number of amplitude changes of the operating data in the form of the exhaust gas temperature associated with twelve load classes; this is based on the operating data here in the form of the exhaust gas temperature and per load class, the associated load class change, which are designated here LWi.
  • FIG. 2B shows the damage factors SFi, j relevant to each load class per load change and in each case assigned to a load class; specifically, an appropriate representation of damage factors per load change for the corresponding temperature class shown in FIG. 2A and the associated temperature change amplitude and load class change as well as steady state time.
  • the temperature change class # 10 shows a degree of damage of "1" and thus represents a reference operating point.
  • this method is that - according to the concept of the invention - from the transiently determined operating data of the exhaust gas temperatures for a load class also a steady state of the operating data, namely here the exhaust gas temperature is specified in the load class, so that only for certain steady above a certain Threshold a load class change LWi, j is considered relevant and enters into the registered in Fig. 2A rate of a load class change LWi per hour.
  • a persistence time in the corresponding load class for 60 seconds of inertia is regarded as a minimum, ie as a lower threshold value.
  • non-damaging load changes are either load changes which take place within a load class, that is, if the amplitude of the exhaust gas temperature is too low, or if the load class is changed too little, then the time change extremum per load class is too short.
  • the concept of the invention thus expressly provides that the load change rate with the number of load changes per hour starting from load changes exceeds at least one lower threshold value for a steady state per load class; In the present case, this assumes 60 seconds of inertia for each load class, but it can also be defined differently, for example as adapted to the respective load class and / or as a function of another operating point of the internal combustion engine.
  • the goal of this determination of a number of-so far merely relevant load class changes LWi, j for a load class is to specify an operating pattern that is relevant for the injury, with a number of load classes and relevant load class changes associated therewith for the load class, as described in Lig. 2A is shown.
  • the aim of this determination is also to specify a damage number SLi, j, as shown in Lig. 2B, which takes into account the relevant load class change associated with the load class and also the persistence time of the operating data in the load class.
  • the load class # 10 specified in Lig.2B with damage factor 1 represents a reference operating point for this - the load classes # 0- # 9 (with increasing damage factor 0-0.85) given in Lig.2B with damage factor ⁇ 1 represent classes with an operating point within of rated operation - the load class # 11 given in Lig.2B with damage factor 1.2 represents an extreme class with an operating point well outside rated operation.
  • Lig. 4 shows an example of a value, namely here the product of a number of relevant load class changes LWi, j with the damage factor SLi, j as Laktoren respectively for a load class, namely present in the Lig. 4 class reference load changes RLWi, j per hour and the reference load change RLW summarized for all load classes for all load classes is accumulated from the plurality of weights associated with each load class; namely here the products of a number of relevant load class changes LWi, j with the damage factor SLi, j. Specifically, in this case, it is the sum of all products RLWi, j of Load class changes multiplied by the corresponding load class damage factor for all load classes (definition of the number of reference load changes).
  • the matrix of FIG. 2B classifies temperature change amplitudes of the exhaust gas temperature - similarly it is possible to proceed with a machine component temperature; Thus, quite a number of temperature profiles of TMF temperatures can be recorded for media and / or components. Thus, as a result of the performance curve of FIG. 3B, a matrix can arise which classifies a motor rotational speed nMOT and / or a motor torque MM together or relative to one another - a number of load changes can be entered analogously for each class; d. H. an operation of the engine that leads into and out of a certain class.
  • FIG. 3A shows a known method with logging of a power curve in several power classes as load classes # 1 - # 11, showing a loop "1" and a loop "2", wherein loop "1" clearly shows a load change between power class # 5 , # 3 and again # 5 (dark hatched area) and loop "2" indicates a loop between power # 5, # 10 and turn # 5 (bright hatched area).
  • 3B shows a diagram according to the concept of the invention, in which a power curve for a machine component in the form of the engine of an internal combustion engine, also in several power classes as load classes # 1 - # 11, showing a loop "1" and a loop "2 "- transiently determined.
  • the transient determination not only indicates a change in the power of the motor in amplitude and time course, but also a persistence of performance in a corresponding load class.
  • the persistence times of a time interval in the performance class # 5, the persistence time of another time interval in the performance class # 3, the persistence time of a time interval in the performance class # 10 and, finally, the persistence time over a time interval in the performance class # 1 are recognizable.
  • the change extrema and steady-state times can be given, as follows: "1-1, 5-5, 3-3, 10-10, 1-1"; wherein in each case a time unit for a threshold corresponds to an at least relevant steady time.
  • the objective of this determination of a number of-only so far only relevant load class changes LWi, j for a load class is to specify an operating pattern that is relevant for the damage, with a number of load classes and relevant load class changes assigned to the load class, as shown in FIG. 2A is shown.
  • the purpose of this determination is also to specify a damage number SFi, j, as shown in FIG. 2B, which takes into account the relevant load class change associated with the load class and also the steady state time of the operating data in the load class.
  • the sum of the product between the load changes and the associated damage numbers gives the number of reference load changes per hour, such as RLW_i, j.
  • the change indicator is thus the ratio of the reference load change number RLW accumulated via RLW_i, j multiplied by the TBO (enabled running time) of the motor maximum number of sustainable load changes of the corresponding component.
  • the engine control or an "on-board unit” stores all relevant load changes and thus offers the possibility of determining the reference load change number or the change indicator.
  • the reference load change number and the tolerable TMF load result in a value (change indicator) that is calculated individually for each component or component position and thus determines the possible runtime of components during operation.
  • Change Indicator CI it can thus also be explained strikingly which maintenance intervals or LCCs (Life Cycle Costs) of the engines will arise under certain operating conditions.
  • the current operating data can be made available in digitized form.
  • the reference load change is constantly compared with the maximum allowable load change and can derive a warning for the next maintenance depending on the operating conditions. This warning can then be displayed to the operator via an app on a smartphone, in the instrument cluster of the vehicle or otherwise by means of information technologies. Maintenance intervals are thus defined customer-specifically.
  • FIG. 5 shows a basic course of a method for operating an internal combustion engine with a machine component, which is running time limiting for the operation thereof and has a number of operating media, which are used for the operation of the internal combustion engine or of the machine component.
  • step S1 initially the operating data BD of the corresponding machine component is determined transiently.
  • operating data such as an exhaust gas temperature T AG transiently measured, and / or a component temperature-as shown in Fig.l virtually measured.
  • another operating parameter such as, for example, speed or power curves or torques of a motor as operating data.
  • These transient, in particular cyclical, operating data BD are examined in step S2 with regard to their amplitude of change, so that loops in the sense of "rain-flow" counting-as illustrated by way of example in FIG. 3B-can be defined as a load change of the operating data in step S3.
  • the steady-state times in these extremes are specified in step S4 from the transient determination and it is checked whether these steady-state times are above a threshold value.
  • the loop is stored with a corresponding load change LWi, j in the matrix for an operating pattern of the machine component.
  • the matrix of load changes is thus a matrix of relevant load changes LWi, j.
  • This matrix of load changes is followed by a determination and specification of the associated damage numbers SFi, j defined per class.
  • the damage numbers SFi, j are not only specific for the corresponding load class but also for the associated load change in its amplitude of change; if necessary also in its frequency.
  • the damage number SFi, j can, however, above all-as in the present case-be defined as a damage factor per load change d. H. each damage factor SFi, j is assigned to a load change LWi, j. This damage factor SFi, j is then specific to the change amplitude of the load change LWi.
  • the damage number SFi, j is also decisive for the degree of damage in at least this steady-state time.
  • the damage number SFi, j indicated in step S6 and the storage of a relevant load change LWi, j in step S5 differ significantly from previous approaches to a "rain-flow" count.
  • step S7 the determination of a reference load change RLW then takes place as the sum of all relevant load changes LWi, j respectively multiplied by their associated damage factor SFi for the entire matrix RLW_i, j of the operating pattern.
  • a multiplication of the reference load change RLW with the ratio of the maximum time between overhaul TBO (Time Between Overhaul) relative to the maximum permissible number of load changes per component LWmax yields the so-called change indicator CI. Should this be less than 1, the determination of the operating pattern matrices (load changes LWi, j and damage number SFi, j) is continued under transient determination of the operating data of the internal combustion engine.
  • the change indicator assumes a value above 1, this is an indication that a component replacement can be recommended in step S8.
  • the reciprocal of the change indicator indicates a safety factor SI, which indicates at a value greater than 1 (regularly the case) how long a component can still be installed in relation to the time already installed.
  • a corresponding TWO value would, according to experience, be 20,000 operating hours.
  • the safety factor SI thus corresponds to about 5, ie the engine can be installed 5 times longer than is already the case.
  • operating data not only the above-mentioned engine speed, torque and exhaust gas temperature can come into question, but also other relevant operating data alone or cumulative.
  • operating data such as the rotational speed of an exhaust-gas turbocharger nAR, the temperature in the water circuit TKÜ, have proven to be particularly preferred, the latter in particular reflecting the load on the thermostat.
  • a change indicator CI or a safety factor SI can thus be determined in the above-mentioned manner.
  • the load of the running gear such as a turbine or compressor wheel determine.
  • the magnitude of the temperature of the water cycle can be used to determine a corresponding load, and for the engine or crankcase liner, a CI or SI value can be determined by the engine speed and engine torque.
  • step S10 these measures can thus be implemented for all relevant machine components, ie in particular components of an internal combustion engine - the sum of which gives one 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 as a whole.

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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, einen Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen, - eine Einrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine zu überwachen, insbesondere zu steuern und/oder zu regeln, wobei in dem Verfahren: - Betriebsdaten des Maschinenbauteils und/oder 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, einen Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen, - eine Einrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine zu überwachen, insbesondere zu steuern und/oder zu regeln, wobei in dem Verfahren:
- Betriebsdaten des Maschinenbauteils und/oder der Betriebsmedien bestimmt werden, sowie
- die Betriebsdaten, insbesondere Temperatur- und/oder Drehzahl- bzw. Drehmoment- Daten, transient bestimmt werden, wobei aus der transienten Bestimmung eine Änderung der Betriebsdaten in einer Amplitude und einem zeitlichen Verlauf angegeben wird, wobei
- ein den Betrieb für das Maschinenbauteil kennzeichnendes relevantes Betriebsmusters bestimmt wird, aus - einer Anzahl einer Amplitudenänderung der Betriebsdaten zugeordneten Lastklassen, und
- diesen jeweils zugeordneten Lastklassenwechseln.
Aus DE 19959526A1 ist ein Verfahren zum Erkennen von Fehlem eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei Betriebskenngrößen erfasst werden, um ein prädiktives Erkennen von Fehlem des Fahrzeugs zu ermöglichen. Dazu wird ein Betriebskenngrößenmuster erstellt, das in geeigneter Form beschrieben wird, so dass aktuell erfasste Betriebskenngrößen mit dem Betriebskenngrößenmuster verglichen werden können.
Es ist auch 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 Febensdauer ohne unnötigen Aufwand an Werkstoff erreichen können. Wenigstens aber sollte für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Faufzeit 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 Fandtechnik 4/99). Im Rahmen dieses Artikels wie auch in anderen Erörtemngen ist die„Rainflow“-Zählung erläutert, welche es mit verfügbarer Rechenleistung ermöglicht, Fastverläufe an einem Maschinenbauteil zur Erstellung eines Fastkollektivs zu klassieren und daraus eine Maschinenbauteile-Schädigung zu errechnen, welche pro Fastklasse—letztendlich aus dem Quotienten„zu ertragende Fastspielzahl“ (aus dem Fastkollektiv) geteilt durch„ertragbare Fastspielzahl“ (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 Fahrzeugs 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 Fahrzeug so gesteuert werden kann, dass eine momentane Belastung der Komponente verringert wird. Dadurch wird ein geringerer Verschleiß bewirkt und es wird die Lebensdauer der Komponente, insbesondere des Motors, verlängert und damit der Zeitpuffer bis zum Auftreten einer Störung vergrößert. Aus den Betriebsdaten werden wiederholt Lastzustände identifiziert und als Belastungsdaten protokolliert, wobei die Belastungsdaten beim Ermitteln der Kenngroße verwendet werden. Für das Protokollieren können bekannte Zählverfahren, z. B. Momentanwert oder „Rainflow“ -Zählung, verwendet werden. Als Kenngröße können eine
Ausfallwahrscheinlichkeit und/oder ein Schädigungsgrad und/oder eine Belastungskenngröße verwendet werden. Dadurch wird eine einfache und schnelle Identifikation einer drohenden Störung ermöglicht. Für Motorkomponenten oder weitere Antriebsstrangkomponenten werden als Belastungskenngroßen beispielsweise die Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Motortemperatur ermittelt.
Wünschenswert ist es nun außerdem, Betriebsdaten des Maschinenbauteils und/oder der Betriebsmedien 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 noch verlässlicherer 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.
Die Erfindung geht damit 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; insbesondere einer der beispielsweise auf die thermische Ermüdung derselben zurückgeht.
Ursächlich dafür wurde im Rahmen dieser Überlegung erkannt, dass insbesondere transient, insbesondere zyklisch, auftretende schädigende Änderungen des Maschinenbauteils erfasst werden sollten. Es ist somit vorgesehen, dass die Betriebsdaten transient bestimmt werden, wobei aus der transienten Bestimmung eine Änderung der Betriebsdaten in einer Amplitude und einem zeitlichen Verlauf angegeben wird. Es wird ein den Betrieb für das Maschinenbauteil kennzeichnendes relevantes Betriebsmusters bestimmt, aus
- einer Anzahl einer Amplitudenänderung der Betriebsdaten zugeordneten Lastklassen, und
- diesen jeweils zugeordneten Lastklassen wechseln
Ein insofern grundsätzlich bekanntes Verfahren kann beispielsweise analog und mittels einer „Rainflow“-Zählung umgesetzt werden. Neu dabei ist es, dass ein Referenzlastwechsel, insbesondere als Grundlage für einen Change Indicator, aus dem Lastwechsel basierenden Betriebsmuster ermittelt wird. Zur Erfassung allen relevanten Lastwechsel wurde das Zahlverfahren erfindungsgemäß erweitert. Nach dem bekannten Rainflow- Verfahren liegt ein Lastwechsel (Schleife) zwar vor, wenn die Last sich aus einer Lastklasse in die andere und zurück in die Ursprungklasse wechselt. Nicht alle Lastwechsel sind jedoch gemäß der Erkenntnis der Erfindung immer schädigend, sondern nur die, die sich in Extremklassen gewisse Zeit aufhalten bzw. beharren. Hier ist insbesondere auf zyklische thermische Belastungen wie etwas aus Abgastemperaturschwankungen hinzuweisen.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass
- aus den transient bestimmten Betriebsdaten für eine Lastklasse eine Beharrungszeit der Betriebsdaten in der Lastklasse angegeben wird, und daraus eine Anzahl relevanter Lastklassenwechsel für die Lastklasse klassiert wird, und
- ein relevantes Betriebsmuster angegeben wird, umfassend - die Anzahl von Lastklassen, und
- diesen zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel für die Lastklasse, und
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung können Lastwechsel beispielsweise in Matrizen umfassend diese Lastklassen, in so genannten Betriebsmustem gespeichert werden. So werden alle erfindungsgemäß relevante Lastwechsel erfasst; d.h. solche die schädigend sind und sich nach der Erkenntnis der Erfindung sich in Extremklassen oder allgemein in anderen Klassen gewisse Zeit aufhalten bzw. beharren.
Es geht—beispielhaft anders ausgedrückt— in Extremklassen mit hohen Amplitudenänderung der Betriebsdaten eine Beharrungszeit praktisch gegen Null oder ist vergleichsweise sehr gering bzw. die Anzahl der zulässigen Lastwechsel in solche Extremklassen mit hohen Amplitudenänderung der Betriebsdaten geht gegen Null oder ist vergleichsweise sehr gering.
Dagegen ist—beispielhaft anders ausgedrückt— in Klassen mit erträglichen bzw. normalen Amplitudenänderung der Betriebsdaten noch eine vergleichsweise hohe Beharrungszeit gegeben bzw. geht gegen einen größeren Nennwert und die Anzahl der zulässigen Lastwechsel ist in solchen Klassen mit erträglichen bzw. normalen Amplitudenänderung der Betriebsdaten noch vergleichsweise hoch bzw. geht gegen einen größeren Nennwert.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass
- ein relevantes Betriebsmuster angegeben wird, umfassend
- eine Schädigungszahl, welche die der Lastklasse zugeordneten relevanten
Lastklassenwechsel und die Beharrungszeit der Betriebsdaten in der Lastklasse berücksichtigt, derart, dass
- eine Wertigkeit, insbesondere ein Produkt, mit der Anzahl relevanter Lastklassenwechsel und dem Schädigungsfaktor als Faktoren jeweils für eine Lastklasse angegeben wird. Jedem insofern erfindungsgemäß relevanten Lastwechsel kann somit ein Schädigungsfaktor zugewiesen werden. Der Schädigungsfaktor gemäß der Erkenntnis der Erfindung berücksichtigt also nicht die irrelevanten (also nicht schädigenden) Lastwechsel; also z.B. weder diejenigen Lastwechsel, die unter einer relevanten Beharrungszeit in einer Lastklasse liegen, noch diejenigen Lastwechsel, die zu gering sind. Der Schädigungsfaktor gemäß der Erkenntnis der Erfindung berücksichtigt aber vorzugsweise mit zunehmender Amplitudenänderung der Betriebsdaten und Anzahl einer Amplitudenänderung der Betriebsdaten und/oder bevorzugt zunehmender Relevanz (Beharrungszeit einer Lastklasse) der relevanten Lastklassenwechsel die Schädigung derselben für ein Maschinenbauteil - insofern kann die Regel gelten, dass der Schädigungsfaktor bevorzugt zunimmt mit zunehmender Amplitudenänderung (Höhe der Lastklasse) und/oder zunehmender Anzahl relevanter Lastklassenwechseln und/oder zunehmender Relevanz derselben (Beharrungszeit in einer Lastklasse).
Das Konzept der Erfindung führt damit auf einen für alle Lastklassen zusammenfassenden Referenzlastwechsel, der für alle Lastklassen akkumuliert wird aus einer Mehrzahl dieser jeweils einer Lastklasse zugeordneten Wertigkeiten, wobei
- auf Grundlage des Referenzlastwechsel eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung, insbesondere Tausch- oder Überholung, des Maschinenbauteils angegeben wird.
So ergibt beispielsweise eine Summe des Produkts zwischen der Anzahl relevanter Lastwechsel (also nur solche mit Lastklassen spezifischer ausreichender Beharrungszeit für eine Schädigung) und den dazugehörigen Schädigungsfaktoren die Anzahl der Referenzlastwechsel pro Stunde. Das Konzept der Erfindung bietet somit die Möglichkeit der Ermittlung der
Referenzlastwechselzahl.
Die Erfindung führt auch auf eine Steuereinrichtung nach Anspruch 15 und eine
Brennkraftmaschine nach Anspruch 17 mit der Steuereinrichtung, wobei das erfindungsgemäße Verfahren von der Einrichtung umgesetzt werden kann.
Die Motorsteuerung oder eine„On Board Unit“ speichert bevorzugt alle relevanten Lastwechsel; diese könnten auch „Remote“ mit entsprechender kabelloser Übertragung von der Brennkraftmaschine übertragen werden an eine externe Speicher- und Recheneinheit, die beispielsweise für einen Service der Brennkraftmaschine zuständig ist.
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.
Der im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung angebbare Change Indicator ist vorzugsweise ein Verhältnis der Referenzlastwechselzahl multipliziert mit einer freigegebenen Laufzeit (Time Between Overhaul, TBO) des Motors relativ zur maximalen Anzahl der ertragbaren Lastwechsel LW max des entsprechenden Bauteils. Im Rahmen einer Weiterbildung kann bevorzugt ein Change Indicators ermittelt werden aus Referenzlastwechselzahl (RLW) und der ertragbaren TMF Belastung (TBO/LWmax) und sich so ein Wert (Change Indicator) ergeben, der individuell für jeden Bauteil bzw. Bauteilposition berechnet wird und somit die mögliche Laufzeit von Bauteilen im Betrieb festlegt. Der Change Indicator kann somit als Thermomechanischer Sicherheitsfaktor angesehen werden. Er kann beispielsweise so berechnet werden, dass falls der Wert > 1 ist, eine präventive Wartung bzw. Ersatz des Bauteils durchzuführen ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass aus der transienten Bestimmung eine zeitliche Änderung der Betriebsdaten angegeben wird, für die hinsichtlich einer Amplitude zwischen zeitlichen Änderungsextrema der Betriebsdaten, eine Lastklasse für das Maschinenbauteil klassiert wird. Der Abstand von zeitlichen Änderungsextrema der Betriebsdaten in einer sogenannten „Schleife“, insbesondere nach der Terminologie einer„Rainflow“ -Zählung, ist ausschlaggebend für die Möglichkeit einer Schädigung der betroffenen Komponente oder des Maschinenbauteils. Vorzugsweise ist vorgesehen, 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. Beispielsweise kann für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten eine Schädigung als total angesehen werden; d.h. nur einer geringen Anzahl von Lastwechseln oder ggfs bereits bei einmaligem Lastwechsel in eine Last außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlast mit vergleichsweise kleiner Beharrungszeit der Änderungsextrema der Betriebsdaten in der Lastklasse für die Last außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlast. Vorzugsweise ist auch vorgesehen, dass aus der transienten Bestimmung hinsichtlich einer Beharrungszeit der Änderungsextrema der Betriebsdaten in der Lastklasse, ein relevanter Lastwechsel für das Maschinenbauteil in der Lastklasse klassiert wird, wenn die Beharrungszeit oberhalb eines vorbestimmten Schwellwerts liegt. Diese Weiterbildung lässt insofern einen Lastklassenwechsel für eine„Schleife“ nur als relevant für eine tatsächliche Schädigung zu, wenn die Beharrungszeit ausreichend groß war - d.h. ein in diesem Sinne nur kurzzeitiger Betrieb des Maschinenbauteils in der betroffenen Lastklasse wird als nicht schädigend angesehen. Vorzugsweise wird dazu vergleichsweise einfach geprüft, ob eine Beharrungszeit in der betroffenen Lastklasse oberhalb eines vorbestimmten Schwellwerts liegt. Der Schwellwert kann pro Lastklasse jeweils angemessen und unterschiedlich vorbestimmt festgelegt werden. Der Schwellwert kann auch ggfs funktional vorbestimmt sein; etwa als Wert, der abhängig ist von anderen Rahmenbedingungen eines Betriebs des Maschinenbauteils oder der Brennkraftmaschine. Es kann insofern auch eine Korrelation der Beharrungszeiten pro Lastklasse vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Betriebsdaten und/oder das relevante Betriebsmusters aus Lastklassen und in diesen klassierten relevanten Lastklassenwechseln transient bestimmt und laufend gespeichert werden. Dadurch steht vorteilhaft wird ein laufend aktualisiertes und protokolliertes Betriebsmuster zur Verfügung, auf das die Steuerung einer Brennkraftmaschine auch im laufenden Betrieb zugreifen kann. Ein für alle Lastklassen zusammenfassender Referenzlastwechsel für alle Lastklassen akkumuliert steht damit für die Angabe eines Change Indikators (CI) als Indikator sowohl für eine maßgebliche Schädigung während des Betriebs als auch für die Angabe zur Erneuerung des Maschinenbauteils auf Grundlage des zusammenfassenden Referenzlastwechsels zur Verfügung. Die Steuerung der Brennkraftmaschine kann insofern schon während des Betriebs eine maßgebliche Schädigung bei der Steuerung der Brennkraftmaschine berücksichtigen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird für eine oder mehrere Maschinenbauteile von Komponenten ausgewählt aus einer Gruppe, die besteht aus: Turbolader, Kühlkreislauf, Motor der Brennkraftmaschine. Die Maschinenbauteile dieser Komponenten sind besonders relevant für einen sicheren bzw. schadensfreien Betrieb der Brennkraftmaschine und lassen sich im Rahmen eines Service frühzeitig tauschen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Maschinenbauteile ausgewählt sind aus einer Gruppe, die besteht aus: Laufzeug, insbesondere Turbinen- und/oder Verdichterrad eines Turboladers, Thermostat und/oder Ventil und/oder Wärmetauscher eines Kühlkreislaufs, Laufbuchse eines Motors der Brennkraftmaschine.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Betriebsdaten ausgewählt sind aus einer Gruppe, die besteht aus: Drehzahl eines Turboladers, Temperatur eines Kühlkreislaufs, Drehzahl und/oder Drehmoment eines Motors, eine Maschinenbauteil-Temperatur und/oder eine Betriebsmedien- Temperatur. Diese Betriebsdaten erweisen sich als besonders aussagekräftig für die Beurteilung einer Schädigung infolge von relevanten Lastklassenwechseln. Grundsätzlich können diese gemessen und/oder virtuell, insbesondere empirisch und/oder modellbasiert, festgelegt werden - sie stehen jedoch typischerweise als übliche Steuerwerte einer Brennkraftmaschine zur Verfügung und lassen sich beispielsweise aus einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine auslesen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Parameter eines transienten Verlaufs einer Maschinenbauteil- und/oder Betriebsmedien-Temperatur, gemessen und/oder virtuell, insbesondere empirisch und/oder modellbasiert, festgelegt werden. Grundsätzlich erweisen sich Messungen einer Betriebsmedien-Temperatur als unproblematisch und bevorzugt; Messungen einer Maschinenbauteil-Temperatur sind jedoch regelmäßig nicht verfügbar, sind aber die eigentlich aussagekräftigen Angaben zur Beurteilung eines relevanten Lastklassenwechsels und dem Schädigungsfaktor als Faktoren jeweils für eine Lastklasse. Deswegen hat es sich als vorteilhaft erwiesen auch gesicherte, d. h. empirisch und/oder modellbasierte, Annahmen zu Maschinenbauteil- und/oder Betriebsmedien-Temperatur einzubeziehen in die transiente Bestimmung der Betriebsdaten zur Angabe einer Änderung der Betriebsdaten in einer Amplitude und einem zeitlichen Verlauf.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Amplitudenänderung der Betriebsdaten sich bestimmt aus einer zeitlichen und/oder örtlichen Temperaturänderung und/oder einer Temperaturänderungs- Amplitude und einer Lastklasse zugeordnet wird als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnenden Betriebsmusters. Vor allem Temperaturverläufe an einem Maschinenbauteil und/oder Betriebsmedium lassen die Angabe von besonders aussagekräftigen Betriebsmustem zu, zur Angabe eines zusammenfassenden Referenzlastwechsels für alle Lastklassen akkumuliert aus einer Mehrzahl dieser jeweils einer Lastklasse zugeordneten Wertigkeiten. Es können aber neben Amplituden auch einbezogen werden relevante zeitliche Temperaturrampen;— d. h. z. B. solche mit relevanter Steilheit an einer Stelle eines betroffenen Maschinen-Bauteils oder Mediums— und/oder relevante örtliche Temperaturgradienten— d. h. z. B. solche mit relevanter Steigung zwischen einem ersten und einem zweiten Ort eines betroffenen Maschinen-Bauteils oder Mediums—
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine zulässige Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel (LWmax) und/oder ein Basiszeitintervall (LBO) angegeben wird, insbesondere mittels dem Betriebsmuster des Maschinenbauteils, und
- mittels der zulässigen Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel (LWmax) und/oder dem Basiszeitintervall (LBO) ein Change Indikator (CI) als Indikator für eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung des Maschinenbauteils auf Grundlage des zusammenfassenden Referenzlastwechsels angegeben wird. Bevorzugt lässt sich ein Change Indikator (CI) mit der in Lig.4 dargestellten einfachen Lormel angeben; er erweist sich als vergleichsweise breit anwendbar und aussagekräftig für weitere Angaben zu einer maßgeblichen Schädigung und/oder Erneuerung, insbesondere Tausch- oder Überholung, des Maschinenbauteils. Mit dem Kehrwert l/CI des Change Indicators CI lässt sich beispielsweise ein Sicherheitsfaktor SI angeben. Der Change Indikator (CI) ist beispielsweise regelmäßig <1 skaliert; bei einem Wert von 0=1 ist der Austausch eines betroffenen Maschinenbauteils geboten. Der Sicherheitsfaktor SI=l/CI gibt also als Laktor zur bestehenden Verbauzeit an, wie lange ein betroffenes Maschinenbauteil noch verbaut bleiben kann
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine ermittelt wird aus einem Change-Indikator, auf Grundlage des zusammenfassenden Referenzlastwechsels multipliziert mit einem Verhältnis aus zulässiger Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel (LWmax) und einem Nennwert eines Zeitintervalls für den Betrieb (TBO) des Maschinenbauteils angegeben wird. Bevorzugt wird ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben, vorzugsweise als ein Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil, und dieses - auf Grundlage des zusammenfassenden Referenzlastwechsels, insbesondere des Change Indikator (CI) als Indikator für eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung des Maschinenbauteils, angegeben wird.
Insbesondere kann ein Change Indikator (CI) und/oder ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall der Brennkraftmaschine Maschinenbauteils—insbesondere akkumuliert über eine Anzahl verschiedener Maschinenbauteile der Brennkraftmaschine— angegeben werden. Wenn man beispielsweise von k=l..N Maschinenbauteilen einer Brennkraftmaschine ausgeht, deren Schädigung maßgeblich ist für die verbleibende Betriebsdauer bis zum nächsten Service (und Austausch wenigstens eines Maschinenbauteils) kann auch ein zusammenfassender Referenzlastwechsels RLW pro Maschinenbauteil RLW k definiert werden und akkumuliert über alle k=l..N Maschinenbauteile einen gesamtheitlichen Referenzlastwechsel RLW bzw. Change Indicator für die gesamte Brennkraftmaschine definieren.
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. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung mit einer Steuereinrichtung zur Ausführung der Funktionalitäten gemäß dem Konzept der Erfindung;
Fig. 2A, Fig. 2B ein relevantes Betriebsmusters für den Betrieb einer Brennkraftmaschine, d.h. in Fig. 2A eine beispielhafte Matrix mit Temperaturklassen entsprechend einer zugehörigen Temperaturänderungsamplituden und darin eingetragen eine Anzahl relevanter Lastklassenwechsel, d.h. mit einer ausreichend hohen Beharrungszeit in der Lastklasse und in Lig. 2B eine für die in Lig. 2A dargestellte Matrix von relevanten Lastklassenwechseln angemessene Schädigungsfaktoren pro Lastklassenwechsel unter Berücksichtigung der ausreichend hohen Beharrungszeit; Lig. 3A, Lig. 3B eine erste und zweite Darstellung eines Leistungsverlaufs eines Motors zugeordnet einer Anzahl von zwölf (0-11) Leistungsklassen über eine normierte Zeitachse als weiteres Beispiel von Betriebsdaten für eine Brennkraftmaschine, wobei Lig. 3A eine an sich bekannte Protokollierung eines Leistungsverlaufs zeigt und Lig. 3B eine gemäß dem Konzept der Erfindung präferierte transiente Bestimmung des Leistungsverlaufs unter
Berücksichtigung von Beharrungszeiten pro Lastklasse;
Lig. 4 eine mit der in Lig. 2A und Lig. 2B verknüpfte Matrix zur Zuordnung von bestimmten Referenzlastwechseln pro Lastklasse und ein dazu gehöriges Rechenschema zur Ermittlung eines sogenannten Change-Indikators als Indikator für eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung eines
Maschinenbauteils bzw. einer Schädigungszahl als Grundlage zur Ermittlung eines laufzeitbegrenzenden Zeitintervalls des Maschinenbauteils; Fig. 5 einen grundsätzlichen Ablaufplan eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Maschinenbauteil, das laufzeitbegrenzend für den Betrieb derselben ist und für das ein Change-Indikator gemäß dem Konzept der Erfindung festgelegt wird unter Berücksichtigung des Referenzlastwechsels wie er anhand der Fig.4 dargesteht ist.
Ein Verbrennungsmotor wird im Feld unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt, die abhängig von der Anwendung, dem Betreiber, den Umgebungsbedingungen etc. sind. Die Belastungen bestimmen demzufolge die Lebensdauer des Motors. Die Lebensdauer eines Produkts ist unter anderem ein wesentliches Verkaufsargument und fordert die Wettbewerbsfähigkeit. Ein„Load- Faktor“ (die mittlere Auslastung) ist eine wesentliche Größe und entscheidend für die Lebensdauer. Je höher sie ist, desto belasteter ist der Motor und geringer die Lebensdauer. Somit können dem gleichen Produkt unterschiedliche Lebensdauern zugewiesen bzw. dem Kunden zugesichert werden; sie wird vertraglich festgehalten. Jedoch ist allein die mittlere Auslastung für die Beschreibung einer Bauteilbelastung nicht immer ausreichend. Außerdem sind bisherige Berechnungen wie Festigkeitsrechnungen der eingangs genannten Art 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.
Ein weiterer schädigender Betriebsfaktor ist der transiente Betrieb. Um diesen Betrieb zu erfassen und zu bewerten, werden Lastwechsel z.B. aus Motorleistung, Drehzahl, Druck- und Temperaturschwankungen etc. erfasst. Der transiente Betrieb einer Brennkraftmaschine 100, wie sie in Fig.l dargesteht ist, bewirkt aber ein transientes, insbesondere zumeist zyklisches Aufheizen und wieder Abkühlen des Motors und weiterer Komponenten und deren Maschinenbauteile derselben; beispielsweise im Sinne eines Zyklus zwischen einem oberen und unteren Temperatumiveau. Diese Prozesse einer Brennkraftmaschine 100 sind für einige symbolisch dargestellte Maschinenbauteile —beispielsweise einem Motor M, einem Abgasturbolader AGT, einem Wärmetauscher WT sowie einer Abgasleitung mit Abgasnachbehandlungsaggregat AG— in FIG.l dargesteht. Die zugehörigen im Rahmen des Konzepts der Erfindung mittels einem Sensor oder„virtuellen Sensor“ bestimmbaren transienten bzw. zyklischen Temperaturverläufe T M, T AGT, T_WT, T AG für diese Maschinenbauteile sind in FIG.1 im Block 1‘ ebenfalls dargesteht.
Die Anzahl und das Ausmaß, insbesondere Größe bzw. Amplitude der durch Temperaturdifferenzen bzw. Temperaturgradienten solcher 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 1‘ symbolisch gezeigten Temperaturverläufe T i (i=M, AGT, WT, AG) nicht durchgehend erfasst. Als Folge können Schädigungen und tatsächlich eintretende Schäden bei einer Brennkraftmaschine 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.
Bisher werden im Rahmen der präventiven Wartung auch keine Wartungsintervalle aufgrund von Fastwechseln definiert. Dies hat dazu geführt, dass die Wartungsintervalle wie oben erläutert eher nach den vermuteten „Worst-Case“-Bedingungen für alle Motoren gleich festgelegt werden; d.h. bisherige Berechnungen wie Festigkeitsrechnungen der eingangs genannten Art sind zum Teil sehr ungenau und müssen deswegen äußerst konservativ durchgeführt werden Dies führt vor allem bei zahlreichen wenig oder nicht transient betriebenen Motoren dazu, dass Bauteile unnötig präventiv gewechselt werden und damit zu hohe Service- Kosten entstehen. Da aufgrund von Felderfahrungen die Kunden, diese Wartungen teilweise nicht vornehmen und auch keine Defekte feststehen besteht ein grundsätzlicher Akzeptanzmangel bezüglich den Wartungsplanen. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass hierdurch tatsächlich stark belastete Bauteile nicht gewechselt werden.
Zu diesem Zweck wurden Algorithmen und Tools basierend auf der eingangs genannten „Rainflow“-Zählung entwickelt, die diesen Schädigungszustand von Bauteilen erfassen. Es wurde verifiziert, dass diese Algorithmen in der Motorsteuerung aufgespielt werden können und somit die Basis zur Festlegung von präventiven Wartungstätigkeiten bilden können. Erschwerend kommt aber hinzu, dass der thermomechanische Schädigungszustand von Bauteilen im Rahmen einer Befundung nicht zu verifizieren ist.
Das Konzept der Erfindung hat erkannt, dass eine insbesondere 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/oder abgespeichert werden können; d.h. transient protokolliert ein Betriebsmuster der Brennkraftmaschine erstellbar ist. Dazu sieht eine Brennkraftmaschine 100 oder dergleichen Antriebssystem wie es in LIG.l gezeigt ist eine Brennkraftmaschine 100 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 100 wenigstens zu überwachen.
Betriebsdaten der Brennkraftmaschine 100 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 Block 1 in LIG.1 gezeigt sind werden, d. h. insbesondere auch die transienten Temperaturverläufe Tj (j=KM, SS, KS, LL; AG) im Block V der Betriebsmedien und/oder Bauteiltemperaturen werden nunmehr gemäß dem Konzept der Erfindung mittels einem echten oder virtuellen Sensor S und in der Erfassungseinrichtung EE gezielt aufgenommen und abgespeichert. Insbesondere kann über eine Auswerteeinheit AE mit der ECU und eine ggfs von der ECU entfernte Recheneinheit RE sowie einen virtuellen Sensors VS auch auf eine Bauteiltemperatur geschlossen werden. 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 vor allem 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; als Beispiel wird ein solches Betriebsmuster in Matrixform mit Schädigungsfaktor in Fig.2A und Fig.2B gezeigt.
Es können aber auch andere Betriebsdaten und/oder das relevante Betriebsmusters aus Lastklassen und in diesen klassierten relevanten Lastklassenwechseln transient bestimmt und laufend gespeichert werden. Bevorzugt können die Betriebsdaten ausgewählt sein aus einer Gruppe, die besteht aus: Drehzahl eines Turboladers, Temperatur eines Kühlkreislaufs, Drehzahl und/oder Drehmoment eines Motors, eine Maschinenbauteil-Temperatur und/oder eine Betriebsmedien-Temperatur. Auf Grundlage eines oder mehrerer solcher Betriebsmuster kann das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall eines oder mehrerer Maschinenbauteile 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.
Als Hilfsmittel zur Umsetzung dieses Verfahren lässt sich beispielsweise in der ECU ein Lastprofilrekorder, welcher permanent Daten als Betriebsdaten der Brennkraftmaschine speichert und eine Schnittstelle zum Auslesen der Daten zur Verfügung stellt, die auch als drahtlose Schnittstelle remote ausgelesen werden kann um die Betriebsdaten beispielsweise in einer Remotezentrale, etwa in einer Servicezentrale oder dergleichen Speichereinheit zu speichern.
Ein solches Konzept führt zu einem vergleichsweise intelligenten Wartungskonzept unter Optimierung der Auslegungsmethoden in Analytik und Bildung von Prognosemodellen. Durch den Lortschritt 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. Der Change Indicator dient in seiner breiten angelegten Signifikanz vor allem auch dazu, die wenigen„kritisch" betriebenen Motoren auszufiltem im Rahmen einer erhöhten Sicherheit. Er liefert auch einen Beitrag dazu, die LCC-Kosten (Life-Cycle-Costs - Lebenszykluskosten) der Motoren zu senken; damit ist auch ein zusätzliches Qualitätsargument im Rahmen eines intelligenten Service und Überholungs-System bereitgestellt.
Das vorliegende Konzept der Erfindung wird im Folgenden schrittweise beispielhaft erläutert anhand von Grafiken die letztendlich eine sehr realistische und nachgewiesener Weise verlässliche—virtuelle oder reale sensorische— Erfassung einer transienten Maschinenbauteil- und/oder Medien-Temperatur, wie sie in 1‘ gezeigt ist, zum Ergebnis hat. Ziel ist die Einführung eines „Change Indicators“ zur Beschreibung der Belastung des transienten Betriebs, der als Ergänzung zum eingangs genannten„Load-Faktor“ genutzt wird. Neu dabei ist es also, dass der„Change Indicator“ sich aus einem an sich neuen Lastwechsel- Betriebsmuster ermittelt wird; nämlich unter Berücksichtigung der vorgenannten Beharrungszeiten von Betriebsdaten in einer Lastklasse zur Beurteilung der Relevanz des Lastwechsels für eine tatsächlich Schädigung eines Maschinenbauteils. Dies führt zu einer erheblich verbesserten Signifikanz zur Angabe eines TBO-Intervalls.
Eine Lastwechselzahlung bzw. Lastklassenwechselzählung erfolgt grundsätzlich mit Hilfe des an sich bekannten Rainflow- Verfahrens. Zur Erfassung aller relevanten Lastwechsel bzw. Lastklassenwechsel wurde das Zahlverfahren jedoch erfindungsgemäß erweitert. Nach dem bekannten Rainflow- Verfahren liegt ein Lastwechsel im Rahmen einer sogenannten„Schleife“ vor, wie sie in Fig.3A beispielhaft gezeigt ist; d.h. wenn die Last sich aus einem Änderungextremum, z. B. einem lokalen Lastmaximum, einer ersten Lastklasse in ein anderes Änderungextremum, z. B. ein lokales Lastminimum, und zurück in die erste Lastklasse entwickelt (Fig.2A) oder diese durchläuft. Erfindungsgemäß werden die Lastwechsel in Matrizen, in so genannten Betriebsmustem gespeichert (FIG.2A). Fig. 2A zeigt eine erste Matrix für ein Betriebsmuster einer Brennkraftmaschine, in der die Klassierung von Abgastemperaturen aus einer transienten Bestimmung der Abgastemperatur festgehalten ist. Erkennbar sind zwölf Klassen (#0..#l l) von Abgastemperaturen aufgetragen, nämlich Klasse #0 für einen Temperaturbereich von 0 - l50°C, Klasse #1 für einen Temperaturbereich von l50°C - l90°C sowie—mit einer Klassenbreite von 40°C— weiter aufsteigend die Klassen #2 bis #11. Die Temperaturen sind als TMF-Temperaturen bezeichnet und insofern relevant für eine thermo-mechanische Ermüdung der betroffenen Maschinenbauteile (thermo-mechanical fatigue - TMF); wie etwa die des Turbinenrades eines Turboladers oder eines Thermostats im Abgaskanal oder einem Abgasrückführ- oder Bypass- Ventil. Pro Klasse ist eingetragen die Rate aufgrund von Temperaturänderungen festgestellten Lastwechseln pro Stunde. Das Betriebsmuster der Fig. 2A in Matrixform gibt also eine Anzahl einer Amplitudenänderung der Betriebsdaten in Form der Abgastemperatur zugeordnet zu zwölf Lastklassen wieder; dies auf Grundlage der Betriebsdaten hier in Form der Abgastemperatur sowie pro Lastklasse, die jeweils zugeordneten Lastklassenwechsel, die hier mit LWi bezeichnet sind.
In Fig. 2B sind die pro Lastklasse relevanten Schädigungsfaktoren SFi, j je Lastwechsel festgehalten und jeweils einer Lastklasse zugeordnet; konkret ein für die entsprechende in Fig. 2A dargestellte Temperaturklasse und der zugehörigen Temperaturänderungsamplitude und Lastklassenwechsel sowie Beharrungszeit angemessene Darstellung von Schädigungsfaktoren pro Lastwechsel. Dabei zeigt die Temperaturänderungsklasse #10 einen Schädigungsgrad von „1“ und stellt damit einen Referenzbetriebspunkt dar.
Speziell bei diesem Verfahren ist, dass—gemäß dem Konzept der Erfindung— aus den transient bestimmten Betriebsdaten der Abgastemperaturen für eine Lastklasse auch eine Beharrungszeit der Betriebsdaten, nämlich hier der Abgastemperatur, in der Lastklasse angegeben wird, so dass nur für bestimmte Beharrungszeiten oberhalb eines bestimmten Schwellwertes ein Lastklassenwechsel LWi, j als relevant angesehen wird und in die in Fig. 2A eingetragene Rate eines Lastklassenwechsels LWi pro Stunde eingeht.
Konkret wird hier eine Beharrungszeit in der entsprechenden Lastklasse für 60 Sekunden Beharrung als Minimum, d.h. als unterer Schwellwert, angesehen. Dies führt zu einem gänzlich anderen Betriebsmuster im Vergleich zu einem Betriebsmuster bei dem auch nicht schädigenden Lastwechsel festgehalten werden. Nicht schädigende Lastwechsel sind vorliegend entweder Lastwechsel, welche sich innerhalb einer Lastklasse abspielen, also mit zu geringer Amplitudenänderung der Abgastemperatur oder aber bei einem Wechsel der Lastklasse ein zu geringe Beharrungszeit am zeitlichen Änderungsextremum pro Lastklasse vorliegt. Wie hier beispielhaft gezeigt sieht das Konzept der Erfindung also ausdrücklich vor, dass die Lastwechselrate mit der Anzahl von Lastwechseln pro Stunde ausgeht von Lastwechseln die wenigstens einen unteren Schwellwert für eine Beharrung pro Lastklasse überschreiten; dieser geht vorliegend von 60 Sekunden Beharrung für jede Lastklasse aus, kann jedoch auch anders definiert werden, wie beispielsweise angepasst auf die jeweilige Lastklasse und/oder abhängig von einem sonstigen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine.
Ziel dieser Lestlegung einer Anzahl von -insofern lediglich— relevanten Lastklassenwechseln LWi, j für eine Lastklasse ist es, ein insofern für die Schädigung relevantes Betriebsmuster anzugeben, mit einer Anzahl von Lastklassen und diesen zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel für die Lastklasse, wie dies in Lig. 2A gezeigt ist. Ziel dieser Lestlegung ist auch eine Schädigungszahl SLi, j, wie dies in Lig. 2B gezeigt ist, anzugeben, welche die Lastklasse zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel und auch die Beharrungszeit der Betriebsdaten in der Lastklasse berücksichtigt.
Nicht alle Lastwechsel sind also immer schädigend, sondern nur diejenigen, welche sich in bestimmten Lastklassen gewisse Zeit aufhalten bzw. beharren oder ggfs in Extremklassen nur sehr geringe oder ggfs nur für eine vorbestimmte geringe Häufigkeit aufhalten. Hier sind insbesondere zyklische thermische Belastungen wie etwa aus Abgastemperaturschwankungen relevant. Die in Lig.2B mit Schädigungsfaktor 1 angegebene Lastklasse #10 stellt dazu einen Referenz-Betriebspunkt dar - die in Lig.2B mit Schädigungsfaktor <1 angegebenen Lastklassen #0-#9 (mit aufsteigendem Schädigungsfaktor 0-0.85) stellen Klassen mit einem Betriebspunkt innerhalb des Nennbetriebs dar - die in Lig.2B mit Schädigungsfaktor 1.2 angegebene Lastklasse #11 stellt eine Extremklasse dar mit einem Betriebspunkt deutlich außerhalb des Nennbetriebs.
Lig. 4 zeigt dazu ein Bespiel einer Wertigkeit, nämlich hier das Produkt einer Anzahl relevanten Lastklassenwechsel LWi, j mit dem Schädigungsfaktor SLi, j als Laktoren jeweils für eine Lastklasse, nämlich vorliegend die in Lig. 4 dargestellten klassenbezogenen Referenzlastwechsel RLWi, j pro Stunde und die für alle Lastklassen zusammenfassenden Referenzlastwechsel RLW für alle Lastklassen aufkumuliert aus der Mehrzahl jeweils einer Lastklasse zugeordneten Wertigkeiten; nämlich hier der Produkte einer Anzahl relevanten Lastklassenwechsel LWi, j mit dem Schädigungsfaktor SLi, j. Konkret ist es vorliegend die Summe aller Produkte RLWi, j von Lastklassenwechseln multipliziert mit dem entsprechenden Schädigungsfaktor der Lastklasse für alle Lastklassen (Definition der Anzahl der Referenzlastwechsel).
Die Matrix der FIG.2B klassiert Temperaturänderungs- Amplituden der Abgastemperatur - ähnlich kann mit einer Maschinenbauteil-Temperatur verfahren werden; so können durchaus eine Mehrzahl von Temperaturverläufen von TMF-Temperaturen festgehalten werden für Medien und/oder Bauteile. So kann infolge des Leistungsverlaufs der Fig.3B eine Matrix entstehen, welche klassiert eine Motor-Drehzahl nMOT und/oder ein Motor-Moment MM zusammen oder relativ zueinander - für jede Klasse kann analog eine Anzahl der Lastwechsel eingetragen werden; d. h. ein Betrieb des Motors, der in eine bestimmte Klasse führt und wieder aus dieser heraus.
Aus der Zusammenschau der in den Matrizen eingetragenen Lasthäufigkeiten pro Klasse lässt sich ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angeben und auf Grundlage des Betriebsmusters lässt sich ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils für den Betrieb der Brennkraftmaschine angegeben wird. Dazu zeigt Fig.3A beispielsweise ein bekanntes Verfahren unter Protokollierung eines Leistungsverlaufs in mehreren Leistungsklassen als Lastklassen #1 - #11 unter Darstellung einer Schleife„1“ und einer Schleife„2“, wobei die Schleife„1“ anschaulich einen Lastwechsel zwischen Leistungsklasse #5, #3 und wiederum #5 anzeigt (dunkel schraffierte Fläche) und Schleife„2“ eine Schleife zwischen Leistungsklasse #5, #10 und wiederum #5 anzeigt (hell schraffierte Fläche). Insofern lässt sich mit einem solchen bekannten Verfahren jedenfalls auf Grundlage einer„Rain-Flow“-Zählung ein Betriebsmuster definierten. Völlig unberücksichtigt bei dem protokollierten Leistungsverlaufs in mehreren Leistungsklassen bleibt jedoch, ob die mit Schleife„1“ und Schleife„2“ bezeichneten Lastwechsel auch tatsächlich schädigend für den in diesem Fall als Motor anzugebende Betriebskomponente angesehen werden darf. Fig. 3B zeigt ein gemäß dem Konzept der Erfindung dargestelltes Diagramm, bei dem ein Leistungsverlauf für ein Maschinenbauteil in Form des Motors einer Brennkraftmaschine— ebenfalls in mehreren Leistungsklassen als Lastklassen #1 - #11 unter Darstellung einer Schleife „1“ und einer Schleife„2“— transient bestimmt wird. Aus der transienten Bestimmung wird nicht nur eine Änderung der Leistung des Motors in Amplitude und zeitlichen Verlauf angegeben, sondern eben auch eine Beharrungszeit des Leistungsverlaufs in einer entsprechenden Lastklasse.
Erkennbar sind die Beharrungszeiten von einem Zeitintervall in der Leistungsklasse #5, die Beharrungszeit von einem weiteren Zeitintervall in der Leistungsklasse #3, die Beharrungszeit von einem Zeitintervall in der Leistungsklasse #10 und schließlich wiederum die Beharrungszeit über ein Zeitintervall in der Leistungsklasse #1. Die Änderungsextrema und Beharrungszeiten lassen sich also angeben, etwa wie folgt„1-1, 5-5, 3-3, 10-10, 1-1“; wobei jeweils einer Zeiteinheit für einen Schwellwert einer mindestens relevanten Beharrungszeit entspricht.
Demnach wird gemäß dem Konzept der Erfindung für dieses Verfahren zur zusätzlichen Feststellung von Beharrungszeiten in den Änderungsextrema der Betriebsdaten (hier Leistungsverlauf in wenigstens einem Zeitintervall Beharrungszeit) nur die relevanten Lastwechselklassen für nur die relevanten Lastwechsel klassiert, d. h. solche Lastwechsel klassiert, bei denen die Beharrungszeit oberhalb des vorbestimmten Zeitwerts „1“ liegt. Demnach ergibt sich bei dem in Fig. 3B dargestellten transienten Verlauf der Leistungsverläufe mit angezeigten Leistungsklassen genau zwei Schleifen, also zwei Lastwechsel die mit entsprechender Änderungsamplitude einmal für den Klassenwechsel„5- 3- 5“ und einmal für den Klassenwechsel„5 - 10 - 5“ eingetragen wird. So werden nur relevante Lastwechsel erfasst. Jedem Lastwechsel kann eine Schädigungszahl zugewiesen werden (FIG.2B).
Ziel dieser Festlegung einer Anzahl von -insofern lediglich— relevanten Lastklassenwechseln LWi, j für eine Lastklasse ist es, ein insofern für die Schädigung relevantes Betriebsmuster anzugeben, mit einer Anzahl von Lastklassen und diesen zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel für die Lastklasse, wie dies in Fig. 2A gezeigt ist. Ziel dieser Festlegung ist auch eine Schädigungszahl SFi, j, wie dies in Fig. 2B gezeigt ist, anzugeben, welche die Lastklasse zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel und auch die Beharrungszeit der Betriebsdaten in der Lastklasse berücksichtigt. Die Summe des Produkts zwischen den Lastwechseln und den dazugehörigen Schädigungszahlen ergibt die Anzahl der Referenzlastwechsel pro Stunde, wie RLW_i,j.
Nach FIG.4 ist der Change Indicator damit das Verhältnis der über RLW_i,j akkumulierten Referenzlastwechselzahl RLW multipliziert mit der TBO (freigegebene Laufzeit) des Motors zur maximalen Anzahl der ertragbaren Lastwechsel des entsprechenden Bauteils. Der Change Indicator kann somit als Thermomechanischer Sicherheitszahl angesehen werden. Wird der Wert CI >=l, so ist eine präventive Wartung bzw. Ersatz des Bauteils durchzuführen.
Die Motorsteuerung oder eine„On Board Unit“ speichert alle relevanten Lastwechsel und bietet somit die Möglichkeit der Ermittlung der Referenzlastwechselzahl bzw. des Change Indicators. Aus Referenzlastwechselzahl und der ertragbaren TMF Belastung ergibt sich somit ein Wert (Change Indicator), der individuell für jeden Bauteil bzw. Bauteilposition berechnet wird und somit die mögliche Laufzeit von Bauteilen im Betrieb festlegt. Mit Hilfe des Change Indicator CI kann somit auch plakativ erklärt werden, welche Wartungsintervalle bzw. LCC (Life-Cycle- Costs - Lebenszykluskosten) der Motoren bei gewissen Betriebsbedingungen entstehen werden.
Außerdem können die aktuellen Betriebsdaten in digitalisierter Form zugänglich gemacht werden. Die Referenzlastwechsel wird ständig mit der maximal zulässigen Lastwechsel verglichen und kann eine Warnung zur nächsten Wartung abhängig von den Betriebsbedingungen herleiten. Diese Warnung kann anschließend dem Betreiber via einer App auf Smartphone, im Kombi-Instrument des Fahrzeuges oder anderweit mittels Informationstechnologien angezeigt werden. Wartungsinterwalle werden somit kundenspezifisch definiert.
Fig. 5 zeigt einen grundsätzlichen Verlauf eines Verfahrens zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Maschinenbauteil, das laufzeitbegrenzend für den Betrieb derselben ist und eine Anzahl von Betriebsmedien aufweist, die zum Betrieb der Brennkraftmaschine bzw. des Maschinenbauteils genutzt werden. Die Betriebsdaten BD der Brennkraftmaschine und der Betriebsmedien werden bestimmt im Schritt Sl und im Ergebnis wird ein Referenzlastwechsel pro Stunde, wie RLW_i,j bzw. ein akkumulierter Referenzlastwechsel RLW zur Bestimmung einer Schädigungszahl angegeben mit Hilfe dessen ein Change-Indikator als Indikator CI für eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung - etwa über einen Sicherheitsfaktor SI=l/CI— des Maschinenbauteils auf Grundlage des zusammenfassenden Referenzlastwechsels RLW angegeben wird.
Im Schritt Sl werden zunächst die Betriebsdaten BD des entsprechenden Maschinenbauteils transient bestimmt. Dazu werden beispielsweise Betriebsdaten wie eine Abgastemperatur T AG transient gemessen, und/oder eine Bauteiltemperatur -etwa wie in Fig.l dargestellt— virtuell gemessen. Es kann auch ein anderer Betriebsparameter wie beispielsweise Drehzahl oder Leistungsverläufe oder Drehmomente eines Motors als Betriebsdaten ausgelesen oder gemessen werden. Diese transienten, insbesondere zyklischen, Betriebsdaten BD werden im Schritt S2 hinsichtlich ihrer Änderungsamplitude untersucht, so dass sich darüber Schleifen im Sinne der„Rain-Flow“- Zählung -wie beispielhaft in Fig.3B für einen Leistungsverlauf dargestellt— definieren lassen als Lastwechsel der Betriebsdaten im Schritt S3. Für die Änderungsextrema dieser Schleifen, also obere Extremalpunkte oder untere Extremalpunkte werden im Schritt S4 aus der transienten Bestimmung die Beharrungszeiten in diesen Extrema angegeben und es wird geprüft, ob diese Beharrungszeiten oberhalb eines Schwellwerts liegen.
In dem im Schritt S4 implizierten Prüfungsvorgang, dass die Beharrungszeit oberhalb des Schwellwerts liegt erfolgt ein Speichern der Schleife mit entsprechendem Lastwechsel LWi, j in der Matrix für ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils. Die Matrix aus Lastwechseln ist also eine Matrix relevanter Lastwechsel LWi, j .
Zu dieser Matrix von Lastwechseln folgt eine Bestimmung und Angabe der zugehörigen pro Klasse definierten Schädigungszahlen SFi, j. Die Schädigungszahlen SFi, j sind nicht nur spezifisch für die entsprechende Lastklasse sondern auch für den dazu gehörigen Lastwechsel in seiner Änderungsamplitude; ggfs auch in seiner Häufigkeit. Die Schädigungszahl SFi, j kann aber vor allem —wie auch im vorliegenden Fall als Schädigungsfaktor pro Lastwechsel definiert werden— d. h. jeder Schädigungsfaktor SFi, j wird einem Lastwechsel LWi, j zugeordnet. Dieser Schädigungsfaktor SFi, j ist dann spezifisch für die Änderungsamplitude des Lastwechsels LWi .
Im vorliegenden Fall—da die Lastwechsel LWi, j auch nur relevante Lastwechsel LWi, j sind— deren Beharrungszeit in einer Änderungsextrema also oberhalb eines Schwellwerts liegt, ist die Schädigungszahl SFi, j auch maßgeblich für den Grad der Schädigung bei wenigstens dieser Beharrungszeit. Insofern unterscheidet sich die im Schritt S6 angegebene Schädigungszahl SFi, j und das Abspeichem eines relevanten Lastwechsels LWi, j im Schritt S5 maßgeblich von bisherigen Ansätzen einer„Rain-Flow“ -Zählung.
Im Schritt S7 erfolgt dann die Bestimmung eines Referenzlastwechsels RLW als Summe aller relevanten Lastwechsel LWi, j jeweils multipliziert mit dem ihnen zugeordneten Schädigungsfaktor SFi für die gesamte Matrix RLW_i,j des Betriebsmusters.
Eine Multiplikation des Referenzlastwechsels RLW mit dem Verhältnis aus maximaler Zeit zwischen Überholung TBO (Time Between Overhaul) relativ zur maximal zulässigen Anzahl der Lastwechsel pro Bauteil LWmax ergibt den sogenannten Change-Indikator CI. Sollte dieser unterhalb von 1 liegen wird die Bestimmung der Betriebsmustermatrizen (Lastwechsel LWi, j und Schädigungszahl SFi, j) fortgesetzt unter transienten Bestimmen der Betriebsdaten der Brennkraftmaschine.
Sollte der Change-Indikator jedoch einen Wert oberhalb von 1 annehmen ist dies ein Zeichen dafür, dass ein Bauteiltausch im Schritt S8 empfohlen werden kann. Umgekehrt gibt der Kehrwert des Change-Indikators einen Sicherheitsfaktor SI an, welcher bei einem Wert größer 1 (regelmäßig der Fall) angibt wie lange ein Bauteil noch verbaut bleiben werden kann im Verhältnis zu der bereits verbauten Zeit.
BEISPIEL
Als Beispiel sei etwa ein LWmax Wert bekannt von 100.000, was angibt, dass ein Motor bei 100.000 Lastwechseln beim Schädigungsgrad von SF = 1 ausgetauscht werden müsste. Ein entsprechender TWO-Wert würde bei erfahrungsgemäß 20.000 Betriebsstunden liegen.
Ergibt sich bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel ein Referenzlastwechsel von 1,07 entspricht dies einem Change-Mdikator von 0,214 = CI. Der Sicherheitsfaktor SI entspricht also ungefähr 5, d. h. der Motor kann 5 mal länger verbaut bleiben als dies bereits der Fall ist. Als Betriebsdaten können nicht nur die oben genannte Motordrehzahl, Drehmoment und Abgastemperatur in Frage kommen, sondern auch andere relevante Betriebsdaten allein oder kumulativ. Als besonders bevorzugt haben sich beispielsweise Betriebsdaten wie die Drehzahl eines Abgasturboladers nAR, die Temperatur im Wasserkreislauf TKÜ erwiesen, wobei letztere insbesondere die Belastung für den Thermostat wiedergibt.
Für jede Eingangsgröße kann auf diese Weise ein Change-Indikator CI bzw. ein Sicherheitsfaktor SI in der oben genannten Weise bestimmt werden. Praktischerweise lässt sich für ein Abgasturbolader so die Belastung des Laufzeugs wie etwa ein Turbine- oder Verdichterrad bestimmen. Für das Thermostatventil lässt sich über die Größe der Temperatur des Wasserkreislaufs eine entsprechende Belastung bestimmen und für den Motor oder die Laufbuchse im Kurbelgehäuse lässt sich ein CI- Wert oder SI-Wert mittels der Motordrehzahl und dem Motordrehmoment bestimmen.
Sollte sich für eines oder mehrere dieser Bauteile ein Change-Indikator CI von > 1 oder aber ein Sicherheitsfaktor SI unterhalb von 1 ergeben muss im Schritt S8 eine Empfehlung für ein Bauteiltausch angegeben werden.
Danach kann im Schritt S9 die Matrix für das Betriebsmuster gelöscht werden und das Verfahren ist grundsätzlich am Ende der ersten Schleife (i= 1).
Wenn man beispielsweise von k=l..N Maschinenbauteilen einer Brennkraftmaschine ausgeht, deren Schädigung maßgeblich ist für die verbleibende Betriebsdauer bis zum nächsten Service (und Austausch wenigstens eines Maschinenbauteils) kann auch ein zusammenfassender Referenzlastwechsels RLW pro Maschinenbauteil RLW k definiert werden und akkumuliert über alle k=l..N Maschinenbauteile einen gesamtheitlichen Referenzlastwechsel RLW bzw. Change Indicator für die gesamte Brennkraftmaschine definieren. Es lässt sich im Schritt S10 hier beispielsweise auch eine Schädigungszahl D angeben, die hier vorliegend über N=l0 Maschinenteile kumuliert ist als Schädigungszahl für die gesamte Brennkraftmaschine, also beispielsweise dem Motor, den Abgasturbolader und das Thermostatventil sowie andere Komponenten der Brennkraftmaschine berücksichtigen könnte. Für jeden der vorgenannten Komponenten lässt sich also eine Schrittabfolge Sl - S9 durchführen. Im Schritt S10 lassen sich somit 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 Brennkraftmaschine
1, 1‘ Block
M Motor
AGT Abgasturbolader
WT Wärmetauscher
AG Abgasleitung mit Abgasnachbehandlungsaggregat
T T emperaturverläufe
KM Kühlmedium
AG Abgase
LL Ladeluft
S Sensorik
EE Erfassungseinrichtung
AE Auswerteeinheit
RE Remote-Einheit
SS Schmierstoffe (z.B. Öle)
KS Kraftstoff
LW Lastwechsel
SF Schädigungsfaktor
RLW Referenzlastwechsel
SI=l/CI Sicherheitsfaktor
T AG Abgastemperatur
AGT Abgasturbolader
CI Change-Indikator

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, einen Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen,
- eine Einrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine zu überwachen, insbesondere zu steuern und/oder zu regeln, wobei in dem Verfahren: - Betriebsdaten des Maschinenbauteils und/oder der Betriebsmedien bestimmt werden, sowie
- die Betriebsdaten, insbesondere Temperatur- und/oder Drehzahl- bzw. Drehmoment- Daten, transient bestimmt werden, wobei aus der transienten Bestimmung eine Änderung der Betriebsdaten in einer Amplitude und einem zeitlichen Verlauf angegeben wird, wobei
- ein den Betrieb für das Maschinenbauteil kennzeichnendes relevantes Betriebsmusters bestimmt wird, aus
- einer Anzahl einer Amplitudenänderung der Betriebsdaten zugeordneten Lastklassen, und - diesen jeweils zugeordneten Lastklassenwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass
- aus den transient bestimmten Betriebsdaten für eine Lastklasse eine Beharrungszeit der Betriebsdaten in der Lastklasse angegeben wird, und daraus eine Anzahl relevanter Lastklassenwechsel für die Lastklasse klassiert wird, und
- ein relevantes Betriebsmuster angegeben wird, umfassend
- die Anzahl von Lastklassen, und
- diesen zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel für die Lastklasse, und
- eine Schädigungszahl, welche die der Lastklasse zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel und die Beharrungszeit der Betriebsdaten in der Lastklasse berücksichtigt, und
- eine Wertigkeit, insbesondere ein Produkt, mit der Anzahl relevanter Lastklassenwechsel und dem Schädigungsfaktor als Faktoren jeweils für eine Lastklasse angegeben wird, und
- ein für alle Lastklassen zusammenfassender Referenzlastwechsel für alle Lastklassen akkumuliert wird aus einer Mehrzahl dieser jeweils einer Lastklasse zugeordneten Wertigkeiten, wobei
- auf Grundlage des Referenzlastwechsels eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung, insbesondere Tausch- oder Überholung, des Maschinenbauteils angegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein Change Indikator (CI) als Indikator für eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung des Maschinenbauteils auf Grundlage des zusammenfassenden Referenzlastwechsels angegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der transienten Bestimmung eine zeitliche Änderung der Betriebsdaten angegeben wird, für die
- hinsichtlich einer Amplitude zwischen zeitlichen Änderungsextrema der Betriebsdaten, eine Lastklasse für das Maschinenbauteil klassiert wird, und
- hinsichtlich einer Beharrungszeit der Änderungsextrema der Betriebsdaten in der Lastklasse, ein relevanter Lastwechsel für das Maschinenbauteil in der Lastklasse klassiert wird, wenn die Beharrungszeit oberhalb eines vorbestimmten Schwellwerts liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten und/oder das relevante Betriebsmusters aus Lastklassen und in diesen klassierten relevanten Lastklassenwechseln transient bestimmt und laufend gespeichert werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrieb der Brennkraftmaschine ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des
Maschinenbauteils angegeben wird für eine oder mehrere Maschinenbauteile von Komponenten ausgewählt aus einer Gruppe, die besteht aus: Turbolader, Kühlkreislauf, Motor der Brennkraftmaschine.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenbauteile ausgewählt sind aus einer Gruppe, die besteht aus: Laufzeug eines
Turboladers, insbesondere Turbinen- und/oder Verdichterrad eines Turboladers, Thermostat und/oder Ventil und/oder Wärmetauscher eines Kühlkreislaufs, Laufzeug eines Motors, insbesondere Laufbuchse eines Motors der Brennkraftmaschine.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsdaten ausgewählt sind aus einer Gruppe, die besteht aus: Drehzahl eines Turboladers, Temperatur eines Kühlkreislaufs, Drehzahl und/oder Drehmoment eines Motors, eine Maschinenbauteil-Temperatur und/oder eine Betriebsmedien-Temperatur.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter eines transienten Verlaufs einer Maschinenbauteil- und/oder Betriebsmedien- Temperatur, gemessen und/oder virtuell, insbesondere empirisch und/oder modellbasiert, festgelegt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenänderung der Betriebsdaten sich bestimmt aus einer zeitlichen und/oder örtlichen Temperaturänderung und/oder einer Temperaturänderungs- Amplitude und einer Lastklasse zugeordnet wird als Grundlage eines den Betrieb des Maschinenbauteils kennzeichnenden Betriebsmusters.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zulässige Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel (LWmax) und/oder ein Basiszeitintervall angegeben wird, insbesondere mittels dem Betriebsmuster des Maschinenbauteils, und - mittels der zulässigen Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel (LWmax) und/oder dem
Basiszeitintervall ein Change Indikator (CI) als Indikator für eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung des Maschinenbauteils auf Grundlage des zusammenfassenden Referenzlastwechsels angegeben wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Laufzeit begrenzende Zeitintervall der Brennkraftmaschine ermittelt wird aus einem Change-
Indikator, auf Grundlage des zusammenfassenden Referenzlastwechsels multipliziert mit einem Verhältnis aus zulässiger Häufigkeit der Lastklassen-Wechsel (LWmax) und einem Nennwert eines Zeitintervalls für den Betrieb (TBO) des Maschinenbauteils angegeben wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall des Maschinenbauteils angegeben wird, vorzugsweise als ein
Zeitintervall bis zu einer nächsten Wartung der Brennkraftmaschine wie etwa ein präventives Tausch- oder Überholungsintervall für das Maschinenbauteil, und dieses - auf Grundlage des zusammenfassenden Referenzlastwechsels, insbesondere des Change Indikator (CI) als Indikator für eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung des Maschinenbauteils, angegeben wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Change Indikator (CI) und/oder ein die Laufzeit begrenzendes Zeitintervall der
Brennkraftmaschine Maschinenbauteils —insbesondere akkumuliert über eine Anzahl verschiedener Maschinenbauteile der Brennkraftmaschine— angegeben wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamt-Anzahl von vorbestimmten Extremal-Lastklassen, insbesondere für Lasten außerhalb des Nennbetriebs und/oder Extremlasten, für den Betrieb des Maschinenbauteils ermittelt wird, derart, dass unter Berücksichtigung auch der Gesamt-Anzahl der vorbestimmten Extremal- Lastklassen ein Betriebsmuster des Maschinenbauteils angegeben wird.
15. Steuereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend - eine Überwachungseinrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine 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 und/oder der Betriebsmedien bestimmt werden, sowie - die Betriebsdaten, insbesondere Temperatur- und/oder Drehzahl- bzw. Drehmoment- Daten, transient bestimmt werden, wobei aus der transienten Bestimmung eine Änderung der Betriebsdaten in einer Amplitude und einem zeitlichen Verlauf angegeben wird, wobei
- ein den Betrieb für das Maschinenbauteil kennzeichnendes relevantes Betriebsmusters bestimmt wird, aus
- einer Anzahl einer Amplitudenänderung der Betriebsdaten zugeordneten Lastklassen, und
- diesen jeweils zugeordneten Lastklassenwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass - aus den transient bestimmten Betriebsdaten für eine Lastklasse eine Beharrungszeit der
Betriebsdaten in der Lastklasse angegeben wird, und daraus eine Anzahl relevanter Lastklassenwechsel für die Lastklasse klassiert wird, und
- ein relevantes Betriebsmuster angegeben wird, umfassend
- die Anzahl von Lastklassen, und - diesen zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel für die Lastklasse, und
- eine Schädigungszahl, welche die der Lastklasse zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel und die Beharrungszeit der Betriebsdaten in der Lastklasse berücksichtigt, und
- eine Wertigkeit, insbesondere ein Produkt, mit der Anzahl relevanter Lastklassenwechsel und dem Schädigungsfaktor als Faktoren jeweils für eine Lastklasse angegeben wird, und - ein für alle Lastklassen zusammenfassender Referenzlastwechsel für alle Lastklassen akkumuliert wird aus einer Mehrzahl dieser jeweils einer Lastklasse zugeordneten Wertigkeiten, wobei
- auf Grundlage des Referenzlastwechsels eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung, insbesondere Tausch- oder Überholung, des Maschinenbauteils angegeben wird.
16. Steuereinrichtung nach Anspruch 15, 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.
17. Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, insbesondere mit einem Motor und einer weiteren Komponente wie etwa einem Turbolader, Wärmetauscher oder dergleichen, wobei
- 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, einen Schmierstoff, ein Kühlmittel oder dergleichen,
- eine Einrichtung, die ausgebildet ist, den Betrieb der Brennkraftmaschine zu überwachen, insbesondere zu steuern und/oder zu regeln, wobei:
- Betriebsdaten des Maschinenbauteils und/oder der Betriebsmedien bestimmt werden, sowie - die Betriebsdaten, insbesondere Temperatur- und/oder Drehzahl- bzw. Drehmoment- Daten, transient bestimmt werden, wobei aus der transienten Bestimmung eine Änderung der Betriebsdaten in einer Amplitude und einem zeitlichen Verlauf angegeben wird, wobei
- ein den Betrieb für das Maschinenbauteil kennzeichnendes relevantes Betriebsmusters bestimmt wird, aus
- einer Anzahl einer Amplitudenänderung der Betriebsdaten zugeordneten Lastklassen, und
- diesen jeweils zugeordneten Lastklassenwechseln, dadurch gekennzeichnet, dass - aus den transient bestimmten Betriebsdaten für eine Lastklasse eine Beharrungszeit der
Betriebsdaten in der Lastklasse angegeben wird, und daraus eine Anzahl relevanter Lastklassenwechsel für die Lastklasse klassiert wird, und
- ein relevantes Betriebsmuster angegeben wird, umfassend
- die Anzahl von Lastklassen, und - diesen zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel für die Lastklasse, und
- eine Schädigungszahl, welche die der Lastklasse zugeordneten relevanten Lastklassenwechsel und die Beharrungszeit der Betriebsdaten in der Lastklasse berücksichtigt, und
- eine Wertigkeit, insbesondere ein Produkt, mit der Anzahl relevanter Lastklassenwechsel und dem Schädigungsfaktor als Faktoren jeweils für eine Lastklasse angegeben wird, und - ein für alle Lastklassen zusammenfassender Referenzlastwechsel für alle Lastklassen akkumuliert wird aus einer Mehrzahl dieser jeweils einer Lastklasse zugeordneten Wertigkeiten, wobei
- auf Grundlage des Referenzlastwechsels eine maßgebliche Schädigung und/oder Erneuerung, insbesondere Tausch- oder Überholung, des Maschinenbauteils angegeben wird.
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