DE102010032489A1

DE102010032489A1 - Stelleinrichtung für eine Hubkolbenmaschine, Hubkolbenmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102010032489A1
Application number: DE201010032489
Authority: DE
Inventors: Marc Wodischek; Dipl.-Ing. Nowak Simone; Dipl.-Ing. Schmitfranz Bernd-Heinrich; Dipl.-Ing. Römheld Tilmann; Dipl.-Ing. Wagenplast Michael; Dipl.-Ing. Nowak Dieter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung (38) für eine Hubkolbenmaschine, mit wenigstens einem an einer Führung (41) der Stelleinrichtung (38) bewegbar gehaltenen Stellteil (36), insbesondere einem Steuerkolben (36), welches zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses wenigstens eines zu der Stelleinrichtung (38) korrespondierenden Zylinders der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Stellungen bewegbar ist, wobei die Stelleinrichtung (38) zumindest eine Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher wenigstens eine der Stellungen des Stellteils (36) erfassbar ist, sowie eine Hubkolbenmaschine mit einer solchen Stelleinrichtung (38). Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für eine Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, eine Hubkolbenmaschine gemäß Patentanspruch 8 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
Die DE 40 28 594 A1 offenbart eine Einrichtung zur Einstellung des Verdichterverhältnisses einer Brennkraftmaschine, welche ein Stellglied für das Verdichtungsverhältnis umfasst. Es ist ein Fühler zur Bestimmung des Verdichterverhältnisses vorgesehen, wobei das Verdichtungsverhältnis indirekt über einen Wegaufnehmer an dem Stellglied bestimmt wird.
Der US 1 901 263 ist eine Verbrennungskraftmaschine als bekannt zu entnehmen, welche einen Arbeitskolben, einen Kurbelzapfen sowie eine zwei Teile umfassende Kurbelstange umfasst. Ferner ist ein Hebel vorgesehen, welche die beiden Teile der Kurbelstange miteinander verbindet. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst weiterhin eine Stelleinrichtung, mittels welcher eine Stellung des Hebels und darüber die wirksame Länge der Kurbelstange eingestellt werden kann.
Aus der EP 1 143 127 B1 ist ein Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder bekannt, wobei sich in dem Zylinder ein Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verschieben kann. Der Verbrennungsmotor umfasst Mittel, um die Position des oberen Totpunkts zwischen vorbestimmten Grenzen variieren zu lassen und um gleichzeitig den Hub des Kolbens, die Position des unteren Totpunkts und korrelativ das Volumenverhältnis und den Motorhubraum in Abhängigkeit von den Verwendungsbedingungen des Motors variieren zu lassen. Diese Mittel umfassen eine Pleuelstange, die einerseits am Kolben und andererseits an einer Hauptpleuelstange angelenkt ist, die sich an einer Kurbelwelle dreht, wobei die Hauptpleuelstange auch an einem Schwingwarm angelenkt ist, der einen Schwinghebel bildet, welcher mit einer Einrichtung zur Regelung der Position des Schwingarms verbunden ist. Die Einrichtung steuert die Positionen des oberen und des unteren Totpunkts, wobei die Hauptpleuelstange einen kurzen Arm zwischen einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle und einer Achse der Pleuelstange und einen langen Arm, der mit dem kurzen Arm einen Winkel zwischen ungefähr 100° und 130° festlegt und zwischen dem Kurbelzapfen und einer Anlenkachse an dem den Schwinghebel bildenden Schwingarm angeordnet ist, umfasst.
Die bekannten Verbrennungskraftmaschinen weisen weiteres Potential auf, ein Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine bedarfsgerechter und präziser einzustellen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stelleinrichtung für eine Hubkolbenmaschine, eine solche Hubkolbenmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Hubkolbenmaschine bereitzustellen, welche eine präzisere und bedarfsgerechtere Einstellung zumindest eines Verdichtungsverhältnisses der Hubkolbenmaschine ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindungen sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für eine Hubkolbenmaschine, mit wenigstens einem an einer Führung der Stelleinrichtung bewegbar gehaltenen Stellteil, insbesondere einem Steuerkolben, welches zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses wenigstens eines zu der Stelleinrichtung korrespondierenden Zylinders der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Stellungen bewegbar ist. Die Stelleinrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Stelleinrichtung zumindest eine Erfassungseinrichtung umfasst, mittels welcher zumindest eine der Stellungen des Stellteils erfassbar ist. Über die Erfassung der Stellung der Stelleinrichtung kann das eingestellte Verdichtungsverhältnis des Zylinders gegebenenfalls über anderweitige Hebel-, Abstands- und/oder Winkelverhältnisse sowie anderweitige trigonometrische Zusammenhänge präzise bestimmt und dementsprechend auch sehr präzise und bedarfsgerecht eingestellt werden, so dass die Einstellung eines gewünschten und an einen aktuellen Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine angepassten Verdichtungsverhältnisses möglich ist. Dies ermöglicht es, die schädlichen Emissionen der Hubkolbenmaschine sowie den Energieverbrauch, insbesondere den Kraftstoffverbrauch, zum Betrieb der Hubkolbenmaschine sehr gering zu halten.
Wie bereits angedeutet, ist das Stellteil beispielsweise als Steuerkolben ausgebildet, welcher eine Steuerstange sowie einen mit der Steuerstange verbundenen Kolben umfasst, welcher in einem mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbaren Zylinder der Stelleinrichtung insbesondere translatorisch verschiebbar geführt angeordnet ist, wobei der Zylinder die Führung der Stelleinrichtung bildet. Dabei ist der Steuerkolben beispielsweise als Hydraulikkolben ausgebildet und infolge einer Beaufschlagung des Zylinders mit einer Hydraulikflüssigkeit betätigbar, wobei die Beaufschlagung, das heißt eine Zufuhr und eine Abfuhr von Hydraulikflüssigkeit in den Zylinder bzw. aus dem Zylinder heraus beispielsweise über einen Elektromagneten gesteuert wird.
Im Gegensatz zu solch einer aktiven Einstellung ist auch eine passive Einstellung möglich, bei welcher der Kolben bewegt wird infolge von Gas- und Massenkräften der Hubkolbenmaschine, die beispielsweise über einen Kolben in dem Zylinder auf den Steuerkolben und damit auf den Kolben der Stelleinrichtung wirken. Der Kolben der Stelleinrichtung wird durch die Hydraulikflüssigkeit und Ventileinrichtungen, beispielsweise Rückschlagventile, welche über anderweitige Steuerventile, beispielsweise einen Steuerschieber mit Steuerkanten, welche Leitungen für die Hydraulikflüssigkeit freigeben oder versperren, geschaltet werden, in einer gewünschten Bewegungsrichtung freigegeben und in der gewünschten Bewegungsrichtung entgegengesetzten Bewegungsrichtung blockiert bzw. ganz festgehalten. Es handelt sich dabei um eine Art hydraulischen Freilauf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann ohne und nur mit einem sehr geringen zusätzlichen Energieaufwand.
Dabei ist es möglich, dass das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer Strömung, insbesondere einem Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit durch zumindest einen Kanal, eine Leitung oder dergleichen, insbesondere in dem Zylinder der Stelleinrichtung, und/oder in Abhängigkeit von einem Druck des Hydraulikflüssigkeit in dem Zylinder der Stelleinrichtung zu ermitteln. Zum Einstellen des Verdichtungsverhältnis kommt es zu einer Strömung, insbesondere einem Volumenstrom, von Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise aus einem Arbeitsraum des Zylinders heraus und/oder in den oder einen weiteren Arbeitsraum hinein bzw. liegt ein bestimmter Druck in dem Zylinder der Stelleinrichtung vor, und der Steuerkolben verändert seine Stellung. Diese Strömung bzw. der Volumenstrom bzw. der Druck korrespondiert beispielsweise zu einem von vielen unterschiedlichen einstellbaren Verdichtungsverhältnissen. Wird die Strömung bzw. der Volumenstrom mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung erfasst, kann dann beispielsweise durch Zuordnung anhand hinterlegter Kennwerte das eingestellte Verdichtungsverhältnis ermittelt werden.
Ebenso möglich ist, dass das Stellteil selbst als Elektromagnet bzw. als Teil eines Elektromagneten ausgebildet ist und somit über das Wirkprinzip eines solchen Elektromagneten zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses betätigbar ist.
Ferner ist es möglich, dass das der Steuerkolben als Pneumatikkolben ausgebildet ist, welcher durch Beaufschlagung des Zylinders mit Druckluft betätigbar ist. Die Beaufschlagung des Zylinders, also die Zufuhr oder die Abfuhr der Druckluft in den Zylinder bzw. aus dem Zylinder heraus kann dabei über einen Elektromagneten gesteuert bzw. geregelt werden. Der Einsatz eines solchen Elektromagneten birgt den Vorteil, dass dadurch das Stellteil besonders schnell verstellbar und damit das Verdichtungsverhältnis besonders schnell und bedarfsgerecht an den aktuell vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine anpassbar ist. Die Erfassung der Stellung des Stellteils ermöglicht dabei die Überprüfung, ob das gewünschte Verdichtungsverhältnis auch tatsächlich eingestellt ist. Ist dies nicht der Fall, so kann gegebenenfalls nachgesteuert bzw. nachgeregelt werden, und zwar solange, bis das gewünschte Verdichtungsverhältnis auch tatsächlich eingestellt ist und das Stellteil die dazu notwendige Stellung einnimmt. Dies lässt sich vorteilhaft dadurch erreichen, dass ein Steuerschieber mit Steuerkanten auf einen Sollwert eingestellt wird, und dass dessen Steuerkanten bei Erreichen einer zu dem Soll-Wert korrespondierenden Soll-Position automatisch überfahren werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass der Steuerkolben mittels eines Zahnrads, insbesondere Ritzels, betätigt wird, wobei in diesem Falle der Steuerkolben zumindest bereichsweise als Zahnstange mit einer entsprechenden Verzahnung ausgebildet ist, die mit einer korrespondierenden Verzahnung des Zahnrads zum betätigen des Steuerkolbens zusammenwirkt. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Steuerkolben mittels zumindest eines Nockens gesteuert bzw. betätigt wird, wobei der Steuerkolben als Stange ausgebildet ist, welche von dem Nocken von der einen in die andere Stellung bewegt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Steuerkolben als Spindel ausgeführt, welche mittels eines Kugelgewindetriebs zumindest von der einen in die andere der Stellung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses bewegt wird.
In jeglicher Hinsicht ist die schnelle, präzise und bedarfsgerechte Einstellung des Verdichtungsverhältnisses möglich zur Realisierung eines emissions- und energieverbrauchsarmen Betriebes der Hubkolbenmaschine.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Hubkolbenmaschine, bei welcher die Stelleinrichtung zum Einsatz kommen kann, als Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein kann, welche zum Antreiben eines Kraftwagens dient. Anderweitige Ausführungsformen der Hubkolbenmaschine, beispielsweise als Verdichter für ein Medium, z. B. Luft oder dergleichen, sind ebenso möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mittels der Erfassungseinrichtung ein von dem Stellteil zwischen den Stellungen zurückgelegter Weg, das heißt ein Hub, des Stellteils insbesondere stufenlos oder in Schritten (schrittweise) erfassbar. Das bedeutet, dass nicht nur gegebenenfalls Endstellungen als die Stellungen des Stellteils sondern zumindest nahezu eine kontinuierliche Bewegung des Stellteils zwischen den Stellungen erfassbar ist. Dadurch ist das Stellteil sehr präzise gesteuert oder geregelt einstellbar, was der präzisen Stellung und damit der kontinuierlichen oder stufenweisen, geregelten oder gesteuerten Einstellung des Verdichtungsverhältnisses zugute kommt. Ebenso möglich ist, durch die Erfassung des zurückgelegten Wegs etwaige Ungleichförmigkeiten und etwaige Störungen oder zumindest drohende Fehlfunktionen zu erfassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Erfassungseinrichtung zumindest ein Hall-Sensor oder einen Wirbelstromsensor auf, welcher ein Geberteil, insbesondere einen Magneten und insbesondere einen Permanentmagneten, und ein korrespondierendes Erfassungsteil, insbesondere eine Erfassungsplatte, umfasst. Der Hall-Sensor ermöglicht die besonders präzise Erfassung zumindest einer der Stellungen des Stellteils, bevorzugter Weise aller Stellungen des Stellteils, so dass das Verdichtungsverhältnis besonders vorteilhaft gesteuert oder geregelt variabel einstellbar ist, um so die Emissionen sowie den Energieverbrauch, insbesondere den Kraftstoffverbrauch, der Hubkolbenmaschine gering zu halten.
Das Geberteil ist beispielsweise an dem Stellteil, insbesondere dem Steuerkolben, und das Erfassungsteils an einem das Stellteil, insbesondere den Steuerkolben, zumindest bereichsweise aufnehmenden und zum variablen Einstellen des Dichtungsverhältnisses geführt haltenden Gehäuse als die Führung des Stellteils der Stelleinrichtung angeordnet. Dabei sind gegebenenfalls das Stellteil und das Gehäuse miteinander relativ zu einem weiteren, die Stelleinrichtung umgebenden Gehäuse, insbesondere einem Kurbelgehäuse, einem Kurbelzylindergehäuse oder dergleichen, der Hubkolbenmaschine bewegbar, wodurch die Stellung des Stellteils relativ zu dem ersten Gehäuse, zu dem sich das Stellteil beispielsweise translatorisch zum Einstellen des Verdichtungsverhältnis bewegt, erfasst wird. Der Hall-Sensor kann sich somit zumindest teilweise bei sich während dem Betrieb der Hubkolbenmaschine bewegender Stelleinrichtung mit der Stelleinrichtung mitbewegen, insbesondere mitschwenken, was eine präzise Erfassung der Stellung des Stellteils und damit des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht.
Eine besonders präzise Erfassung zumindest einer der Stellungen des Stellteils ist dadurch ermöglicht, dass das Geberteil in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung an dem das Stellteil, insbesondere den Steuerkolben, zumindest bereichsweise aufnehmenden und zum variablen Einstellen des Dichtungsverhältnisses geführt haltenden Gehäuse der Stelleinrichtung und das Erfassungsteil an dem Stellteil, insbesondere dem Steuerkolben, angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Erfassungseinrichtung zumindest eine induktive Spule auf, welche das Stellteil zumindest bereichsweise umgibt und innerhalb welcher das Stellteil zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses bewegbar ist. Mit dieser Spule ist insbesondere der Hub des Stellteils besonders gut erfassbar, indem das sich in der Spule bewegende Stellteil zu einer Induktivitätsänderung der Spule führt, welche als die Stellung des Stellteils bzw. den Hub des Stellteils charakterisierendes Signal erfassbar ist. Über dieses Signal kann dann auf das eingestellte Verdichtungsverhältnis rückgeschlossen und dieses gegebenenfalls nachjustiert werden. Um den Bauraumbedarf geringe zu halten, ist die Spule vorteilhafterweise in das Gehäuse der Stelleinrichtung integriert, mittels welchem das Stellteil, insbesondere der Steuerkolben, geführt gehalten ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Erfassungseinrichtung als optische Erfassungseinrichtung ausgebildet, mittels welcher zumindest eine der Stellungen des Stellteils erfassbar ist. Eine solche optische Erfassungseinrichtung ermöglicht eine besonders präzise Erfassung der Stellung des Stellteils, wodurch das Verdichtungsverhältnis besonders präzise ermittelt und dementsprechend eingestellt werden kann. Die optische Erfassungseinrichtung umfasst beispielsweise ein Reflektionsteil, insbesondere eine Reflektionsplatte, sowie ein Geberteil, welches Strahlen aussendet, die von der Reflektionsplatte reflektiert und mittels eines Erfassungsteils der optischen Erfassungseinrichtung erfasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung als Ultraschall-Erfassungseinrichtung ausgebildet, mittels welcher zumindest eine der Stellungen des Stellteils unter Einsatz von Ultraschall erfassbar ist. Dies ermöglicht eine präzise Erfassung der Stellung des Stellteils, wodurch das Verdichtungsverhältnis besonders präzise ermittelt und dementsprechend eingestellt werden kann.
Führt das Stellteil der Stelleinrichtung bei einem eingestellten oder beim Einstellen des Verdichtungsverhältnisses während des Betriebs der Hubkolbenmaschine eine Dreh- bzw. Schwenkbewegung um eine Schwenkachse aus, so ist das Reflektionsteil, insbesondere die Reflektionsplatte, der optischen Erfassungseinrichtung sowie das Geberteil und/oder das Erfassungsteil des Hall-Sensors oder des Wirbelstromsensors vorteilhafterweise entsprechend dieser Schwenkbewegung gekrümmt ausgebildet, wobei vorteilhafterweise der Mittelpunkt dieser Krümmung zumindest im Wesentlichen auf der Schwenkachse liegt. Dadurch sind Winkelfehler zumindest reduziert und es ist eine sehr präzise Erfassung der Stellung des Stellteils realisiert.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit zumindest einem Zylinder, in welchem ein Kolben translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, und mit wenigstens einer zu dem Zylinder korrespondierenden, erfindungsgemäßen Stelleinrichtung. Die Stelleinrichtung mit der Erfassungseinrichtung ermöglicht somit eine sehr präzise Erfassung der Stellung des Stellteils und damit eine präzise und bedarfsgerechte Einstellung des Verdichtungsverhältnisses des Zylinders, um somit die schädlichen Emissionen sowie den Energieverbrauch, insbesondere den Kraftstoffverbrauch, der Hubkolbenmaschine zum Betrieb dieser gering zu halten.
Die Hubkolbenmaschine weist vorteilhafterweise eine Mehrzahl, das heißt mindestens zwei, Zylinder mit einem jeweiligen Kolben auf, wobei jedem Zylinder eine erfindungsgemäße Stelleinrichtung zugeordnet ist, so dass das Verdichtungsverhältnis jedes einzelnen der Zylinder variabel, gesteuert oder geregelt, stufenweise oder kontinuierlich eingestellt werden kann, und zwar zylinderindividuell. Diese zylinderindividuelle Einstellung des entsprechenden Verdichtungsverhältnisses bedeutet, dass das Verdichtungsverhältnis des einen Zylinders unabhängig von dem Verdichtungsverhältnis des anderen Zylinders eingestellt werden kann. Dadurch ist es möglich, dass zumindest zwei Zylinder der Hubkolbenmaschine voneinander unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse aufweisen können. Natürlich ist es ebenso möglich, trotz der zylinderindividuellen Einstellbarkeit der Verdichtungsverhältnisse auch gleiche Verdichtungsverhältnisse der Zylinder einzustellen. Die Möglichkeit, voneinander unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse der entsprechenden Zylinder einzustellen, schafft eine hohe Flexibilität, einen effizienten und energieverbrauchsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine darzustellen, da die Verdichtungsverhältnisse der einzelnen Zylinder optimal an den entsprechenden Betriebspunkt angepasst werden können. Insbesondere ermöglicht es diese zylinderindividuelle Verstellung bzw. Einstellung der Verdichtungsverhältnisse durch dann hinreichend große Zeitfenster Gas- und -Massenkräfte in den Zylindern unabhängig voneinander für die oben geschilderte, passive Einstellung der jeweiligen Verdichtungsverhältnisse zu nutzen, also ohne Aufwendung zusätzlicher Energie zum Einstellen der Verdichtungsverhältnisse. Die jeweiligen Erfassungseinrichtungen der Stelleinrichtung ermöglichen es dabei, die einzelnen Verdichtungsverhältnisse über die Erfassung der Stellung des Stellteils präzise zu erfassen und zu ermitteln, um dann gegebenenfalls Nachjustierungen vorzunehmen und/oder Fehlfunktionen ermitteln zu können. Dies begünstigt die Einstellung sowie die Beibehaltung des eingestellten bzw. gewünschten Verdichtungsverhältnisses auch über eine hohe Lebensdauer sowie eine hohe Betriebsdauer der Hubkolbenmaschine hinweg. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts und umgekehrt anzusehen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung umfasst die Erfassungseinrichtung zumindest ein Geberteil, insbesondere einen Magneten und insbesondere einen Permanentmagneten, sowie ein dazu korrespondierendes Erfassungsteil, insbesondere eine Erfassungsplatte, wobei das Geberteil an dem Stellteil und das Erfassungsteil an einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine, insbesondere einem Kurbelgehäuse derselbigen, zu welchem das Stellteil und die Führung gemeinsam relativ bewegbar, insbesondere um eine Schwenkachse schwenkbar sind, angeordnet sind, oder wobei das Geberteil an dem Gehäuse der Hubkolbenmaschine und das Erfassungsteil an dem Stellteil angeordnet sind. Bei der Erfassungseinrichtung kann es sich, wie bereits bzgl. des ersten Aspekts der Erfindung geschildert, um einen Hall-Sensor handeln, welcher eine besonders präzise Erfassung der Stellung des Stellteils ermöglicht. Insbesondere bei dieser Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn das Geberteil und/oder das Erfassungsteil zumindest bereichsweise entsprechend der Schwenkbewegung des Stellteils und der Führung gekrümmt bzw. gebogen ausgebildet ist, so dass die Schwenkbewegung insbesondere des Stellteils relativ zu dem Erfassungsteil bzw. dem Geberteil nicht oder nur in sehr geringem Maße zu Winkelfehlern führt und die Stellung des Stellteils und damit das Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders präzise erfassbar sind. Krümmungsfehler und/oder anderweitige, kinematisch bedingte Messfehler können dabei vorteilhafterweise insbesondere elektronisch, beispielsweise anhand wenigstens eines Kennfelds und/oder über zusätzlich verfügbare Signale korrigiert werden.
Vorteilhaft ist ferner, wenn mittels der Erfassungseinrichtung ein von dem Stellteil zurückgelegter Weg in mindestens zwei voneinander unterschiedlichen Richtungen, beispielsweise radial und tangential oder vertikal und horizontal, gleichzeitig erfassbar ist, wobei diese Erfassung beispielsweise in kartesischen Koordinaten oder in Polarkoordinaten erfolgt. Dazu sind zum Beispiel zwei Erfassungsteile und zwei Geberteile für je eine dieser Richtungen oder ein Erfassungsteil und ein Geberteil vorgesehen, welche ein oder zwei die Bewegungen in beide der Richtungen charakterisierende Signale erzeugen. Auf diese Art und Weise kann zum Beispiel sowohl eine Winkellage des Stellteils als auch eine translatorische Stellung des Stellteils relativ zu dem Gehäuse und damit ein Ein- bzw. Ausfahrzustand des Stellteils über Abgleich zweier Kennfelder gleichzeitig erfasst bzw. ermittelt werden, und zwar auch dann, wenn die gewünschten Größen Winkellage und Ein- bzw. Ausfahrzustand nicht direkt gemessen werden. Wenden kinematisch bedingte Fehler vorteilhafterweise korrigiert, so ist dadurch eine vereinfachte Initialisierung möglich.
Dabei ist das Geberteil bevorzugt derart relativ zur Stelleinrichtung bzw. dem Stellteil angeordnet, dass die Bewegungen in die beiden Richtungen charakterisierenden Signale ausgewertet werden können. So ist zum Beispiel die Geberplatte zumindest im Wesentlichen 45 Grad zur Symmetrieachse des Steuerkolbens angeordnet.
Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses ist, dass die Hubkolbenmaschine wenigstens eine Erfassungseinrichtung, insbesondere einen Drucksensor, umfasst, mittels welchem ein Druck, insbesondere ein Brennraumdruck, in dem Zylinder erfassbar ist, wobei dann das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von wenigstens einem den Druck in dem Zylinder charakterisierenden Signal ermittelt wird. Bei dem Signal kann es sich beispielsweise um einen Spitzendruck oder einen Druckverlauf handeln.
Darüber hinaus kann das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einer von der Hubkolbenmaschine angesaugten und in den Zylinder einströmenden Gasmasse, insbesondere Luftmasse, bzw. von eine die Gasmasse charakterisierenden Signal ermittelt werden. Dabei wird mittels einer entsprechenden Erfassungseinrichtung, beispielsweise eines Heißfilmluftmassenmessers, der Hubkolbenmaschine die Luftmasse erfasst und ein die Luftmasse charakterisierendes Signal erzeugt.
Dabei ist es vorteilhaft, das erfasste und den Druck im Zylinder und/oder das die Luftmasse charakterisierende Signal bzw. den Druck in Bezug zu einer Drehstellung einer Kurbelwelle (Grad Kurbelwinkel, [°KW]) der Hubkolbenmaschine zu setzen, wobei die Drehstellung mittels einer weiteren Erfassungseinrichtung und vorteilhafterweise zum Zeitpunkt der Erfassung der Stellung des Bauteils erfasst wird. So ist es möglich, den erfassten Druck bzw. das den Druck charakterisierende Signal eindeutig dem eingestellten Verdichtungsverhältnis des Zylinders zuzuordnen und etwaige Mehrdeutigkeiten zu vermeiden.
Vorteilhafterweise wird dabei das Verdichtungsverhältnis auch in Abhängigkeit von wenigstens einer Umgebungsbedingung der Hubkolbenmaschine ermittelt. Bei einer solchen Umgebungsbedingung kann es sich beispielsweise um den Luftdruck, die Lufttemperatur, die Luftfeuchte, Restgas im Zylinder, Temperatur des bzw. im Zylinder, Temperatur der Hubkolbenmaschine und/oder dergleichen handeln. Dadurch kann ein auf die Ermittlung des Verdichtungsverhältnisses negativer Einfluss der Umgebungsbedingung beispielsweise anhand wenigstens eines Kennfelds kompensiert werden.
Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem zumindest ein Verdichtungsverhältnis eines Zylinders der Hubkolbenmaschine mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung variabel eingestellt wird, wobei ein an einer Führung der Stelleinrichtung bewegbar gehaltenes Stellteil, insbesondere ein Steuerkolben, zwischen zumindest zwei Stellungen bewegt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das eingestellte Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit zumindest einer mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung erfassten Stellung der Stellungen des Stellteils ermittelt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten beiden Aspekte der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts und umgekehrt anzusehen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht infolge der Erfassung der Stellung des Stellteils eine sehr präzise Ermittlung des eingestellten Verdichtungsverhältnisses des korrespondierenden Zylinders. Dadurch ist es wiederum ermöglicht, gegebenenfalls Fehlfunktionen zu erfassen oder Nachjustierungen durchzuführen, welche beispielsweise infolge eines Verschleißes der Hubkolbenmaschine vonnöten sind, um das Verdichtungsverhältnis effizient und emissions- und energieverbrauchsarmen Betriebs der Hubkolbenmaschine zu realisieren.
Ferner ist es vorteilbehaftet, insbesondere die erfasste Stellung des Bauteils der Stelleinrichtung in Bezug zu einer Drehstellung einer Kurbelwelle (Grad Kurbelwinkel, [°KW]) der Hubkolbenmaschine zu setzen, wobei die Drehstellung mittels einer weiteren Erfassungseinrichtung und vorteilhafterweise zum Zeitpunkt der Erfassung der Stellung des Bauteils erfasst wird. So ist es möglich, die erfasste Stellung des Bauteils eindeutig dem eingestellten Verdichtungsverhältnis des Zylinders zuzuordnen und etwaige Mehrdeutigkeiten zu vermeiden.
Vorteilhafterweise wird das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von einem wenigstens eine physikalische Eigenschaft der Hubkolbenmaschine nachbildenden Modell eingestellt. Es wird beispielsweise eine modellbasierte Vorsteuerung durchgeführt. Somit ist das Verdichtungsverhältnis besonders präzise einstellbar und an einen vorliegenden Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine anpassbar. Ein solches Modell ermöglicht es, auf den Einsatz zusätzlicher Sensoren zu verzichten und das Verhalten bzw. den Zustand der Stelleinrichtung bzw. der Hubkolbenmaschine zu berechnen. Dies hält das Gewicht so wie die Kosten der Stelleinrichtung und damit der Hubkolbenmaschine gering.
Ebenso möglich ist, dass das Verdichtungsverhältnis mittels einer insbesondere überlagerten Regelung, insbesondere einer PID-Regelung, eingestellt wird, was eine sehr präzise Einstellung des Verdichtungsverhältnisses und damit einen sehr effizienten Betrieb der Hubkolbenmaschine ermöglicht.
Besonders präzise und bedarfsgerecht kann das Verdichtungsverhältnis eingestellt werden, wenn ein sogenannter Sliding-Mode-Regler (Verschiebe-Modus-Regelung) eingesetzt wird.
Des Weiteren ist es möglich, das Verdichtungsverhältnis gesteuert einzustellen, was die Kosten für die Stelleinrichtung und damit die Hubkolbenmaschine gering hält.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht eines Kurbeltriebs für eine Hubkolbenmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern und den Zylindern zugeordneten Kolben, wobei mittels des Kurbeltriebs jeweilige Verdichtungsverhältnisse der Zylinder zylinderindividuell unabhängig voneinander einstellbar sind;
2 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht des Kurbeltriebs gemäß 1 mit einer Prinzipskizze zur Erfassung einer Stellung eines Steuerkolbens einer Stelleinrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses, wobei anhand der erfassten Stellung des Steuerkolbens das eingestellte Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders ermittelt wird;
3 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß 2 mit der zugehörigen Prinzipskizze zur Erfassung der Stellung des Steuerkolbens;
4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß 3 mit der zugehörigen Prinzipskizze zur Erfassung der Stellung des Steuerkolbens; und
5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Kurbeltriebs gemäß 4 mit der zugehörigen Prinzipskizze zur Erfassung der Stellung des Steuerkolbens.
Die 1 zeigt einen Kurbeltrieb 10 für eine Hubkolbenmaschine eines Kraftwagens, wobei die Hubkolbenmaschine eine Mehrzahl von Zylindern umfasst. Der Übersicht wegen wird anhand der 1 der Kurbeltrieb 10 in Bezug auf einen dieser, zu dem Kurbeltrieb 10 korrespondierenden Zylinder der Hubkolbenmaschine beschrieben. Es versteht sich, dass das zu dem Kurbeltrieb 10 und dem Zylinder Geschilderte analog auf die anderen, insbesondere alle anderen, Zylinder der Hubkolbenmaschine zutrifft.
Der Kurbeltrieb 10 umfasst eine Kurbelwelle 12, welche Hauptlagerstellen aufweist, über welche die Kurbelwelle 12 in einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine gelagert ist. Des Weiteren weist die Kurbelwelle 12 Kurbelwangen auf, von welchen eine solche Kurbelwange 14 in der 1 dargestellt ist. Darüber hinaus weist die Kurbelwelle 12 Hubzapfen auf, von welchen ein Hubzapfen 16 in der 1 dargestellt ist. Der Hubzapfen 16 korrespondiert dabei zu einem Zylinder der Hubkolbenmaschine. In gleicher Weise korrespondierenden auch die anderen Hubzapfen jeweils zu einem Zylinder der Hubkolbenmaschine.
Ferner umfasst der Kurbelbetrieb 10 einen Querhebel 18, welcher ein erstes Hebelelement 20 sowie ein zweites Hebelelement 22 umfasst, die miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschraubt, sind. Der Querhebel 18 ist dabei an dem Hubzapfen 16 relativ zu diesem um eine Drehachse 25 drehbar gelagert und führt Hubbewegungen bei einer Rotation der Kurbelwelle 12, beispielsweise während eines Betriebs der Hubkolbenmaschine, mit aus.
Der Querhebel 18 weist eine erste Lagerstelle 24 auf, an welcher ein Pleuel 26 des Kurbeltriebs 10 gelenkig gelagert ist. Dabei kann sich das Pleuel 26 um eine Drehachse 28 drehen. Wie der 1 zu entnehmen ist, ist die Drehachse 28 von der Drehachse 25 in radialer Richtung des Hubzapfens 16 um einen ersten Hebelarm h₁ beabstandet.
Der Kurbeltrieb 10 umfasst ebenso einen Kolben 30, welcher zu dem Zylinder, zu welchem der Hubzapfen 16 korrespondiert, korrespondiert und in welchem der Kolben 30 translatorisch bewegbar aufgenommen ist. Der Kolben 30 ist mit dem Pleuel 26 über eine weitere Lagerstelle 32 gelenkig verbunden. Befestigt ist der Kolben 30 an dem Pleuel 26 über einen Kolbenbolzen, der in dem Kolben 30 durch einen entsprechenden Sicherungsring in axialer Richtung des Kolbenbolzens gesichert ist. Wird der Kolben 30 infolge von Verbrennungsvorgängen in dem Zylinder translatorisch bewegt, so wird diese translatorische Bewegung über das Pleuel 26, den Querhebel 18 sowie den Hubzapfen 16 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle 12 umgewandelt.
Der Querhebel 18 weist eine weitere Lagerstelle 34 auf, an welcher ein Steuerkolben 36 einer Stelleinrichtung 38 der Hubkolbenmaschine gelenkig gelagert und mit dem Querhebel 18 verbunden ist. Dabei kann sich der Steuerkolben 36 um eine Drehachse 40 der Lagerstelle 34 drehen. Die Drehachse 40 ist um einen weiteren Hebel h₂ in radialer Richtung des Hubzapfens 16 von der Drehachse 25 beabstandet. Es ist erkennbar, dass sich die Hebel h₁ und h₂ betragsmäßig voneinander unterscheiden. Der Hebel h₂ ist größer als der Hebel h₁. Ebenso möglich ist, dass die Hebel h₁ und h₂ betragsmäßig gleich sind, oder das der Hebel h₁ größer ist als der Hebel h₂. Zusätzlich zum Steuerkolben 36 umfasst die Stelleinrichtung 38 ein Gehäuse 41, durch welches ein Zylinder gebildet ist. In dem Zylinder ist der Steuerkolben 36 translatorisch bewegbar geführt gehalten. Durch Zufuhr oder Abfuhr eines Arbeitsmediums in den Zylinder, beispielsweise Druckluft, Hydraulikflüssigkeit oder dergleichen, kann der Steuerkolben 36 translatorisch gemäß einem Richtungspfeil 43 bewegt und bzgl. des Gehäuses 41 gemäß einem Richtungspfeil 44 ausgefahren oder gemäß einem Richtungspfeil 46 eingefahren werden. Im Gegensatz zu solch einer aktiven Einstellung ist auch eine passive Einstellung möglich, bei welcher der Steuerkolben 36 bewegt wird infolge von Gas- und Massenkräften der Hubkolbenmaschine, die über den Kolben 30 auf den Steuerkolben 36 wirken. Der Steuerkolben 36 wird durch das Arbeitsmedium und Ventileinrichtungen, beispielsweise Rückschlagventile, welche über anderweitige Steuerventile, beispielsweise einen Steuerschieber mit Steuerkanten, welche Leitungen für das Arbeitsmedium freigeben oder versperren, geschaltet werden, in einer gewünschten Bewegungsrichtung freigegeben und in der gewünschten Bewegungsrichtung entgegengesetzten Bewegungsrichtung blockiert bzw. ganz festgehalten. Es handelt sich dabei um eine Art hydraulischen Freilauf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein gewünschtes Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann ohne und nur mit einem sehr geringen zusätzlichen Energieaufwand. Ebenso möglich ist, den Steuerkolben 36 mittels eines Elektromagneten zu betätigen.
Rotiert die Kurbelwelle 12, so bewegt sich der Hubzapfen 16 auf und ab, was auch zu einer Bewegung des Querhebels 18 führt. Auch die Stelleinrichtung 38 bewegt sich mit, indem das Gehäuse 41 um eine Schwenkachse 42 schwenkbar an einem die Stelleinrichtung 38 umgebenden Gehäuse, beispielsweise an einem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine, gelagert ist.
Wird der Steuerkolben 36 gemäß dem Richtungspfeil 43 translatorisch bewegt, so führt dies zu einer Drehung des Querhebels 18 relativ zu dem Hubzapfen 16 gemäß einem Richtungspfeil 48, wodurch das Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders eingestellt werden kann. Dabei wirkt die Verstellung des Steuerkolbens 36 über das Verhältnis der Hebel h₁ und h₂ im gleichen Maße, verstärkt oder reduziert. Mit anderen Worten führt die Verstellung des Steuerkolbens 36 zu einer Einstellung bzw. Verstellung des oberen Totpunkts des Kolbens 30 im Zylinder und damit zu einer Verstellung bzw. Einstellung des Kompressionsvolumens v_c des entsprechenden Zylinders. Die Verstellung des Steuerkolbens 36 wirkt sich auch auf den Hub und damit das Hubvolumen v_H des Kolbens 30 aus. Das Hubvolumen v_H reduziert sich bei steigendem Verdichtungsverhältnis, was im Sinne des Downsizing-Konzepts erwünscht ist. Daraus resultiert ein entsprechendes Verdichtungsverhältnis, welches auch als ε bezeichnet wird.
Wie bereits angedeutet, ist vorteilhafterweise jedem der Zylinder der Hubkolbenmaschine eine derartige Stelleinrichtung 38 zugeordnet, mittels welcher das Verdichtungsverhältnis des entsprechenden Zylinders unabhängig von den anderen Zylindern eingestellt werden kann. Diese zylinderindividuelle Einstellung der entsprechenden Verdichtungsverhältnisse ermöglicht eine sehr präzise und äußerst bedarfsgerechte Anpassung der Hubkolbenmaschine an vorliegende Betriebspunkte, so dass die Hubkolbenmaschine sehr effizient, emissions- und energieverbrauchsarm, insbesondere kraftstoffverbrauchsarm, betrieben werden kann.
Zur präzisen und bedarfsgerechten Einstellung des Verdichtungsverhältnisses ist es dabei wünschenswert, das eingestellte Verdichtungsverhältnis zu ermitteln und gegebenenfalls zu überprüfen. Dies ist beispielsweise möglich, in dem die Stellung des Steuerkolbens 36 relativ zu einem Bezugspunkt und/oder den bei der Bewegung des Steuerkolbens 36 zurückgelegten Weg, also den Hub des Steuerkolbens 36, zu erfassen, und davon ausgehend unter anderem auch in Abhängigkeit von den Hebeln h₁ und h₂, dem Pleuel 26 etc. auf das eingestellte Verdichtungsverhältnis rückzuschließen bzw. dieses zu ermitteln. Ein die Stellung bzw. den Hub des Steuerkolbens 36 charakterisierendes Signal kann dann zur Steuerung oder Regelung des Verdichtungsverhältnisses genutzt werden, um dieses variabel, kontinuierlich oder stufenweise einzustellen.
Dies ist anhand der Prinzipskizze in der 2 dargestellt. Ein in der 2 schematisch dargestellter Sensor 50 erfasst die Stellung des Steuerkolbens 36 bzw. einer Steuerstange dieses relativ zu einem Bezugspunkt und/oder den Hub des Steuerkolbens 36 bzw. ein die Stellung und/oder den Hub charakterisierendes Signal. Dieses Signal wird gemäß einem Richtungspfeil 52 an eine Positionsregelung 54 einer Regelungseinrichtung 56 übermittelt, wobei die Regelungseinrichtung 56 beispielsweise als Steuergerät der Hubkolbenmaschine ausgebildet ist. Die Regelungseinrichtung 56 umfasst weiterhin eine Verbrennungsregelung 58, mittels welcher die Verbrennungsvorgänge in den Zylindern der Hubkolbenmaschine gesteuert bzw. geregelt werden. Dazu berücksichtig die Verbrennungsregelung 58 unter anderem eine Rückmeldung 60 des eingestellten Ist-Verdichtungsverhältnisses, welches durch die Positionsregelung 54 anhand des vom Sensor 50 erfassten Signals und damit anhand der Stellung des Steuerkolbens 36 ermittelt wird. Zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses und zur Anpassung desselbigen an einen Betriebspunkt der Hubkolbenmaschine übermittelt die Verbrennungsregelung 58 eine Vorgabe 62 eines Soll-Verdichtungsverhältnisses an die Positionsregelung 54, die das Soll-Verdichtungsverhältnis in eine einzustellende Stellung des Steuerkolbens 36 überführt. Dazu berücksichtigt die Positionsregelung 54 auch etwaige, anderweitige Systemgrößen 64 des Kurbelgetriebes 10 und der Hubkolbenmaschine.
Die ermittelte Stellung zur Einstellung des gewünschten Verdichtungsverhältnis bzw. ein die Stellung des Steuerkolbens 36 charakterisierendes Signal wird an eine Ansteuerung 65 für die Steuereinrichtung 38 übermittelt, welche entsprechende Steuersignale an einen Aktor 66 übermittelt, mittels welchem der Steuerkolben 36 bewegt und damit das Verdichtungsverhältnis eingestellt wird.
Die 3 zeigt eine Möglichkeit, die bzw. zumindest eine Stellung des Steuerkolbens 36 zu erfassen. Dazu ist der Sensor 50 als Hall-Sensor mit einem Erfassungsteil 68 ausgebildet, welches mit einer bogenförmigen, bipolaren Geberplatte 70 des Hall-Sensors zusammenwirkt. Das Erfassungsteil 68 ist dabei beispielsweise fest an dem den Kurbelbetrieb 10 umgebenden Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine befestigt, während die bipolare Geberplatte 70 fest mit dem Steuerkolben 36 verbunden ist. Da es während des Betriebs der Hubkolbenmaschine zu einem Schwenken der Stelleinrichtung 38 um die Schwenkachse 42 gemäß einem Richtungspfeil 72 kommt, ist die Geberplatte 70 gekrümmt ausgebildet, wobei der Mittelpunkt der Krümmung vorteilhafterweise zumindest im Wesentlichen auf der Schwenkachse 42 liegt. So können Winkelfehler zumindest sehr gering gehalten werden und es ist eine sehr präzise Erfassung der Stellung und/oder des Hubs des Steuerkolbens 36 ermöglicht. Auch das Magnetfeld der Geberplatte 70 ist dementsprechend gekrümmt ausgebildet.
Die 4 zeigt eine weitere Möglichkeit, die Stellung bzw. den Hub des Steuerkolbens 36 zu erfassen. Der als Hall-Sensor ausgebildete Sensor 50 umfasst wiederum eine bipolare Geberplatte 70', welche fest mit dem Steuerkolben 36 verbunden ist und die translatorischen Bewegungen gemäß dem Richtungspfeil 43 ebenso wie die Geberplatte 70 mit ausführt. Eine bogenförmige Ausbildung der Geberplatte 70' zur Minimierung von Winkelfehlern ist nun allerdings nicht vorgesehen, da beim Betrieb der Hubkolbenmaschine die Geberplatte 70' nun im Gegensatz zur Geberplatte 70 gemäß 3 nicht relativ zum Erfassungsteil 68 des Sensors 50 um die Schwenkachse 42 schwenkt. Dies ist der Fall, da das Erfassungsteil 68 ebenso mit dem Steuerkolben 36 bzw. dem Gehäuse 41 mit schwingt bzw. mit schwenkt, da das Erfassungsteil 68 beispielsweise an dem Gehäuse 41 befestigt ist. Mit anderen Worten bewegt sich der Steuerkolben 36 lediglich translatorisch relativ zu dem Erfassungsteil 68.
Die 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Erfassung der Stellung und/oder des Hubs des Steuerkolbens 36, wobei die geschilderten Erfassungsarten der Stellung und/oder des Hubs beliebig miteinander kombiniert werden können. Gemäß 5 umfasst der Sensor 50 eine induktive Spule 74, deren Induktivität mittels des Sensors 50 erfasst wird. Wie der 5 zu entnehmen ist, bewegt sich der Steuerkolben 36 bei dessen Verstellung innerhalb der Spule 74 und führt zu einer Änderung der Induktivität der Spule 74. Diese Änderung der Induktivität stellt ein die Stellung bzw. den Hub des Steuerkolbens 36 charakterisierendes Signal dar, welches zur Berechnung des eingestellten Verdichtungsverhältnis genutzt werden kann. Die Spule 74 ist beispielsweise mit dem Gehäuse 41 verbunden, so dass der Steuerkolben 36 lediglich translatorisch gemäß dem Richtungspfeil 43 relativ zur Spule 74 bewegbar ist. Wie die Geberplatte 70' schwingt bzw. schwenkt die Spule 74 mit dem Gehäuse 41 und dem Steuerkolben 36 um die Schwenkachse 42 beim Betrieb der Hubkolbenmaschine mit.
Bezugszeichenliste

10: Kurbeltrieb
12: Kurbelwelle
14: Kurbelwange
16: Hubzapfen
18: Querhebel
20: Hebelelement
22: Hebelelement
24: Lagerstelle
25: Drehachse
26: Pleuel
28: Drehachse
30: Kolben
32: Lagerstelle
34: Lagerstelle
36: Steuerkolben
38: Stelleinrichtung
40: Drehachse
41: Gehäuse
42: Schwenkachse
43: Richtungspfeil
44: Richtungspfeil
46: Richtungspfeil
48: Richtungspfeil
50: Sensor
52: Richtungspfeil
54: Positionsregelung
56: Regelungseinrichtung
58: Verbrennungsregelung
60: Rückmeldung
62: Vorgabe
64: Systemgrößen
65: Ansteuerung
66: Aktor
68: Erfassungsteil
70, 70': Geberplatte
72: Richtungspfeil
74: Spule
h₁: Hebel
h₂: Hebel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4028594 A1 [0002]
US 1901263 [0003]
EP 1143127 B1 [0004]

Claims

Stelleinrichtung (38) für eine Hubkolbenmaschine, mit wenigstens einem an einer Führung (41) der Stelleinrichtung (38) bewegbar gehaltenen Stellteil (36), insbesondere einem Steuerkolben (36), welches zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses wenigstens eines zu der Stelleinrichtung (38) korrespondierenden Zylinders der Hubkolbenmaschine zwischen zumindest zwei Stellungen bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (38) zumindest eine Erfassungseinrichtung (50) umfasst, mittels welcher wenigstens eine der Stellungen des Stellteils (36) erfassbar ist.
Stelleinrichtung (38) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Erfassungseinrichtung (50) ein von dem Stellteil (36) zwischen den Stellungen zurückgelegter Weg erfassbar ist.
Stelleinrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) zumindest einen Hall-Sensor aufweist (50), welcher ein Geberteil (70, 70'), insbesondere einen Magneten (70, 70'), und ein korrespondierendes Erfassungsteil (68), insbesondere eine Erfassungsplatte, umfasst.
Stelleinrichtung (38) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberteil (70, 70') an dem Stellteil (36), insbesondere dem Steuerkolben (36), und das Erfassungsteil (68) an einem das Stellteil (36), insbesondere den Steuerkolben (36), zumindest bereichsweise aufnehmenden und zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnis geführt haltenden Gehäuse (41) der Stelleinrichtung (38) angeordnet sind.
Stelleinrichtung (38) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Geberteil (70, 70') an einem das Stellteil (36), insbesondere den Steuerkolben (36), zumindest bereichsweise aufnehmenden und zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnis geführt haltenden Gehäuse (41) der Stelleinrichtung (38) und das Erfassungsteil (68) an dem Stellteil (36), insbesondere dem Steuerkolben (36), angeordnet sind.
Stelleinrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) zumindest eine induktive Spule (74) aufweist, welche das Stellteil (36) zumindest bereichsweise umgibt und innerhalb welcher das Stellteil (36) zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses bewegbar ist.
Stelleinrichtung (38) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) als optische Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, mittels welcher die Stellung des Stellteils (36) erfassbar ist.
Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, mit zumindest einem Zylinder, in welchem ein Kolben (30) translatorisch bewegbar geführt aufgenommen ist, und mit wenigstens einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung (38) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Hubkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (50) zumindest ein Geberteil (70, 70'), insbesondere einen Magneten (70, 70'), und ein dazu korrespondierendes Erfassungsteil (68), insbesondere eine Erfassungsplatte, umfasst, wobei das Geberteil (70, 70') an dem Stellteil (36) und das Erfassungsteil (68) an einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine, zu welchem das Stellteil (36) und die Führung (41) gemeinsam relativ bewegbar, insbesondere um eine Schwenkachse (42) schwenkbar, sind, angeordnet sind, oder wobei das Geberteil (70, 70') an einem Gehäuse der Hubkolbenmaschine, zu welchem das Stellteil (36) und die Führung (41) gemeinsam relativ bewegbar, insbesondere um eine Schwenkachse (42) schwenkbar, sind, und das Erfassungsteil (68) an dem Stellteil (36) angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bei welchem zumindest ein Verdichtungsverhältnis eines Zylinders der Hubkolbenmaschine mittels einer zu dem Zylinder korrespondierenden Stelleinrichtung (38) variabel eingestellt wird, wobei ein an einer Führung (41) der Stelleinrichtung (38) bewegbar gehaltenes Stellteil (36), insbesondere ein Steuerkolben (36), zwischen zumindest zwei Stellungen bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das eingestellte Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von zumindest einer mittels wenigstens einer Erfassungseinrichtung (50) erfassten Stellung der Stellungen des Stellteils (36) ermittelt wird.