DE102014016416A120160504
Werbung
(19) *DE102014016416A120160504* (10) DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 Offenlegungsschrift (12) F02D 41/00 (2006.01) (21) Aktenzeichen: 10 2014 016 416.0 (22) Anmeldetag: 04.11.2014 (43) Offenlegungstag: 04.05.2016 (51) Int Cl.: (71) Anmelder: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr, 10587 Berlin, DE (56) Ermittelter Stand der Technik: (72) Erfinder: Bassler, Sandra, 23966 Wismar, DE; Steinbrecher, Christian, Dr., 23970 Wismar, DE; Köller, Malte, 18311 Ribnitz-Damgarten, DE; Schlenther, Nils, 23966 Wismar, DE G01B 21/22 (2006.01) G01P 3/44 (2006.01) DE DE DE DE DE 10 2006 026 380 10 2008 042 980 10 2008 059 609 10 2009 000 716 690 07 685 A1 A1 A1 A1 T2 Prüfungsantrag gemäß § 44 PatG ist gestellt. Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen (54) Bezeichnung: Verfahren zur Bestimmung der Hubposition eines Kolbens im Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine (57) Zusammenfassung: Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bestimmung der Hubposition eines Kolbens im Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine genauer und in mehreren Betriebsbereichen der Hubkolbenbrennkraftmaschine durchführbar zu gestalten. Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung der tatsächlichen Hubposition des Kolbens im Zylinder und somit auch der kurbeltriebseitigen Bezugsposition zunächst in Abhängigkeit einer Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle. D. h. es steht der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit für eine weitere Verarbeitung bereit bzw. es erfolgt eine Zuordnung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zu dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit. Dann erfolgt eine Bestimmung des Drehwinkels αx der Kurbelwelle/dem Zeitpunkt, bei dem die Winkelgeschwindigkeit zwischen zwei Extremwerten MIN, MAX einen Wendepunkt WPx aufweist. In Abhängigkeit eines so bestimmten Drehwinkels αx zwischen den Extremstellen erfolgt dann die Bestimmung der tatsächlichen Hubposition des Kolbens im Zylinder. DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Hubposition eines Kolbens im Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. [0002] Für den effizienten Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ist die Kenntnis der aktuellen Hubposition des Kolbens im Zylinder von großer Bedeutung. Die Hubposition wird neben der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle mittels eines an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordneten Geberrades und eines beispielsweise induktiven Sensors bestimmt. Das Geberrad weist eine Bezugsmarke auf. Dieser Bezugsmarke wird kurbeltriebseitig eine Bezugsposition zugeordnet. Eine kurbeltriebseitige Bezugsposition ist beispielsweise der obere Totpunkt des Kolbens im ersten Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Zylindern. Wird mittels des induktiven Sensors die Bezugsmarke erkannt, kann die Hubposition des Kolbens im ersten Zylinder ermittelt werden. Beispielsweise sind die Bezugsmarke auf dem Geberrad und das Geberrad gegenüber dem induktiven Sensor so angeordnet, dass mittels des Sensors dann die Bezugsmarke erkannt wird, wenn der obere Totpunkt des Kolbens im ersten Zylinder tatsächlich vorliegt. Oder es gibt einen bestimmten Differenzwinkel zwischen dem Erkennen der Bezugsmarke und der kurbeltriebseitigen Bezugsposition, also insbesondere dem oberen Totpunkt des Kolbens im ersten Zylinder, so dass diese Bezugsposition indirekt bestimmt werden kann. Zusammengefasst wird so, ob nun direkt oder indirekt, im Winkelsystem einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ein Nullpunkt geschaffen. Wesentlich für das beschriebene Verfahren ist es, dass das Geberrad gegenüber der Kurbelwelle bzw. der Sensor gegenüber dem Geberrad korrekt positioniert ist. Das ist jedoch nicht sicher gegeben, da Fertigungstoleranzen und Einbaufehler nicht zu vermeiden sind. So kann es sein, dass das Geberrad gegenüber der Kurbelwelle versetzt angeordnet ist bzw. der Sensor gegenüber dem Geberrad. Zusammengefasst ist es von Nachteil, dass eine unbekannte Winkelverschiebung zwischen der geberradseitigen Bezugsmarke und der kurbeltriebseitigen Bezugsposition bestehen kann, so dass ein effizienter Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine nicht sichergestellt ist. Beispielsweise gemäß dem Dokument DE 10 2008 042 980 A1 ist es Stand der Technik, die Lage des oberen Totpunktes eines Kolbens im Zylinder einer Brennkraftmaschine gemäß einer Ausführung dadurch zu ermitteln, dass die Brennkraftmaschine in einen lastfreien Zustand versetzt und nicht mehr befeuert wird, so dass die gemessene Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle bis zum Stillstand fällt. Infolge der Bewegung des betrachteten Kolbens der Brennkraftmaschine erfolgt periodisch eine Kompression und eine Expansion des in dem Brennraum enthaltenen Gases, so dass die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle periodisch ab- und wieder zunimmt, d. h. oszilliert. Anhand der Oszillation der Winkelgeschwindigkeit sowie einer bekannten Phasenlage zwischen Kolbenbewegung und Oszillation der Winkelgeschwindigkeit werden Rückschlüsse auf die Lage des oberen Totpunktes gezogen und es kann eine in einem Rechner hinterlegte kurbeltriebseitige Bezugsposition korrigiert werden. Gemäß einer weiteren Ausführung ist es außerdem Stand der Technik, die Lage des oberen Totpunktes eines Kolbens in einem Zylinder dadurch zu ermitteln, dass die Brennkraftmaschine ebenfalls in einen lastfreien Zustand versetzt und nicht mehr befeuert wird, so dass die gemessene Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle bis zum Stillstand fällt, wobei eine Drehrichtungsumkehr der Kurbelwelle, d. h. ein Auspendeln der Brennkraftmaschine, identifiziert wird, also der zumindest eine Kolben während der Kompression nicht mehr den oberen Totpunkt erreicht, sondern der Druck im Brennraum auf den Kolben zurückwirkt, so dass sich die Kurbelwelle kurzzeitig in umgekehrter Richtung dreht. Für den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle wird zwischen zwei Punkten der Drehrichtungsumkehr ein mathematischer Term approximiert sowie ein lokaler Extremwert der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle berechnet, wobei die Lage dieses lokalen Extremwerts mit der Lage des unteren Totpunkts korreliert. Aus der bestimmten Lage des unteren Totpunkts kann nun die Lage des oberen Totpunkts abgeleitet und eine in einem Rechner hinterlegte Bezugsposition korrigiert werden. Eine präzise Bestimmung der Totpunkte einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ist anhand von lokalen Extremwerten des Verlaufs der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle jedoch nicht möglich bzw. ist lediglich bei einem Auspendeln der Hubkolbenbrennkraftmaschine kurz vor einem Stillstand realisierbar. D. h. wird beispielsweise eine Hubkolbenbrennkraftmaschine im Schub betrieben, ohne das Ziel, sie bis zum Stillstand auslaufen zu lassen, dann ergibt sich theoretisch ein sinusförmiger Verlauf des Winkelgeschwindigkeitssignals, also ein periodischer Wechsel zwischen einem Minimum und einem Maximum, wobei die Winkelgeschwindigkeit immer dann minimal ist, wenn sich der Kolben in einem Totpunkt befindet, was jedoch praktisch nicht gegeben ist. Vielmehr wird eine Bestimmung der Totpunkte auf diese Weise insbesondere infolge der Massenträgheit der Bauteile des Triebwerkes bzw. Drehschwingungseffekten erschwert. D. h. es existiert insbesondere ein Bereich der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine, in dem, verursacht insbesondere durch die Massenträgheit bzw. Drehschwingungen, das Winkelgeschwindigkeitssignal im Bereich der Totpunkte nicht ein Minimum kennzeichnet, sondern ein Maximum aufweist. Dann wiederum existiert ein Bereich der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, in dem sich das erwartete Verhalten zeigt, d. h. dass die Win- 2/12 DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 kelgeschwindigkeit dann minimal ist, wenn ein Totpunkt erreicht ist. [0003] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bestimmung der Hubposition eines Kolbens im Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine genauer und in mehreren Betriebsbereichen der Hubkolbenbrennkraftmaschine durchführbar zu gestalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens mit den im folgenden detaillierten Beispiel beschriebenen Merkmalen gelöst. Der Kurbeltrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine umfasst zumindest einen in einem Zylinder geführten Kolben, eine Pleuelstange sowie eine Kurbelwelle. Infolge der Verbrennung in dem Zylinder bewegt sich der Kolben zwischen zwei Endpunkten hin und her, den so genannten Totpunkten, und versetzt die Kurbelwelle in eine Drehung. Der Drehwinkel der Kurbelwelle und die Hubposition des Kolbens im Zylinder sind folglich miteinander verknüpft. Zur Bestimmung der Hubposition des Kolbens im Zylinder kann beispielsweise ein mit der Kurbelwelle verbundenes Schwungrad verwendet werden, an dessen Umfang eine Vielzahl von Zähnen angeordnet ist, welche beispielsweise mittels eines induktiven Sensors oder eines Hallsensors abgetastet werden. Ein solches Schwungrad wird im weiteren Verlauf als Geberrad bezeichnet. Auf Grundlage des so bereitstehenden Signals einer relativen Hubposition des Kolbens im Zylinder/eines relativen Drehwinkels der Kurbelwelle über der Zeit und der Anzahl der Zähne sowie deren Abstand zueinander, wird die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle berechnet. Das Geberrad weist weiterhin eine Bezugsmarke auf. Dieser geberradseitigen Bezugsmarke wird kurbeltriebseitig eine Bezugsposition zugeordnet. Eine kurbeltriebseitige Bezugsposition ist beispielsweise der obere oder untere Totpunkt des Kolbens in einem Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Zylindern, bevorzugt ist die kurbeltriebseitige Bezugsposition der obere Totpunkt des Kolbens im ersten Zylinder. Wird mittels des beispielsweise induktiven Sensors die geberradseitige Bezugsmarke erkannt, kann die absolute Hubposition des ersten Kolbens im Zylinder ermittelt werden. Beispielsweise ist das Geberrad gegenüber der Kurbelwelle, die Bezugsmarke gegenüber dem Geberrad und das Geberrad gegenüber dem induktiven Sensor jeweils so angeordnet, dass mittels dieses Sensors dann die geberradseitige Bezugsmarke erkannt wird, wenn der obere Totpunkt des Kolbens im ersten Zylinder tatsächlich vorliegt. Oder es gibt einen bekannten Differenzwinkel zwischen dem Erkennen der geberradseitigen Bezugsmarke und der kurbeltriebseitigen Bezugsposition, also insbesondere dem oberen Totpunkt des Kolbens im ersten Zylinder, so dass die kurbeltriebseitige Bezugsposition indirekt bestimmt werden kann. Zusammengefasst wird so, ob nun direkt oder indirekt, im Winkelsystem einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ein Nullpunkt geschaffen, von dem aus die Bestimmung ei- nes absoluten Drehwinkels/einer absoluten Hubposition des Kolbens im Zylinder erfolgen kann. Insbesondere synchronisiert der zur Steuerung und Regelung der Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehene Rechner abhängig von der kurbeltriebseitigen Bezugsposition den Drehwinkel der Kurbelwelle, wobei mit jeder folgenden fallenden Zahnflanke der Drehwinkel der Kurbelwelle um 6 Grad weitergezählt wird, sofern das Geberrad 60 Zähne aufweist. Wie schon in der Beschreibungseinleitung/Würdigung des Standes der Technik oben dargelegt, die hiermit in diese detaillierte Beschreibung vollständig einbezogen wird, ist es wesentlich für das beschriebene Verfahren, dass das Geberrad gegenüber der Kurbelwelle bzw. der Sensor gegenüber dem Geberrad korrekt positioniert ist. Das ist jedoch nicht sicher gegeben, da Fertigungstoleranzen und Einbaufehler nicht zu vermeiden sind. So kann es sein, dass das Geberrad gegenüber der Kurbelwelle versetzt angeordnet ist bzw. der Sensor gegenüber dem Geberrad. Jedenfalls ist es von Nachteil, dass eine unbekannte Winkelverschiebung zwischen der geberradseitigen Bezugsmarke und der kurbeltriebseitigen Bezugsposition bestehen kann, so dass ein effizienter Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine nicht sichergestellt ist. In Fig. 1 ist der Verlauf der Drehzahl bzw. der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine über dem Kurbelwinkel/der Zeit in einem ersten Winkelgeschwindigkeitsbereich gezeigt, insbesondere im Bereich hoher Winkelgeschwindigkeit. Drehzahl und Winkelgeschwindigkeit werden hier als übereinstimmend betrachtet, der Fachmann kennt die entsprechenden Zusammenhänge hinlänglich, also dass die Winkelgeschwindigkeit und die Drehzahl zueinander proportional sind bzw. dass eine volle Umdrehung einem Winkel 2π entspricht sowie Winkelgeschwindigkeit und Drehzahl gemäß der Gleichung „Winkelgeschwindigkeit = 2π·Drehzahl” in Beziehung stehen. Zu erkennen ist gemäß Fig. 1, dass der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit sinusförmig ist. D. h. die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle wechselt periodisch zwischen einem Minimum und einem Maximum, also zwischen zwei Extremwerten. Erwartungsgemäß ist die Winkelgeschwindigkeit im Bereich des unteren Totpunktes UT und des oberen Totpunktes OT jeweils minimal. Zwischen diesen beiden Totpunkten liegen wie bekannt 180 Grad Kurbelwinkel. Wie in Fig. 2 zusätzlich mittels der unterbrochenen Linie gezeigt, kann sich, insbesondere infolge der Massenträgheit der Bauteile des Triebwerkes bzw. Drehschwingungseffekten, in einem zweiten Winkelgeschwindigkeitsbereich, insbesondere im Bereich niedriger Winkelgeschwindigkeit, dieses Verhalten umkehren, d. h. die Winkelgeschwindigkeit im Bereich des unteren Totpunktes UT und des oberen Totpunktes OT ist jeweils maximal. Wie schon beschrieben, kann es sein, dass das Geberrad gegenüber der Kurbelwelle versetzt angeordnet ist bzw. der Sensor gegenüber dem Geberrad. D. h. es be- 3/12 DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 steht ein Versatz zwischen der tatsächlichen Hubposition des Kolbens, also dem Drehwinkel der Kurbelwelle und der mittels Geberrad und Sensor gemessenen absoluten Hubposition des Kolbens bzw. dem so gemessenen Drehwinkel der Kurbelwelle. Folglich besteht dadurch eine Abweichung zwischen der kurbeltriebseitigen tatsächlichen Bezugsposition und der geberradseitigen gemessenen Bezugsposition. Mit anderen Worten steht dem zur Steuerung und Regelung der Hubkolbenbrennkraftmaschine vorgesehenen Rechner nicht die korrekte Hubposition des Kolbens im Zylinder bzw. Bezugsposition, d. h. insbesondere eine fehlerhafte Information hinsichtlich der Lage der Totpunkte der Hubkolbenbrennkraftmaschine für eine weitere Verarbeitung von Daten, zur Verfügung. Das wirkt sich nachteilig auf die Effizienz und die Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine aus. [0004] Wie in Fig. 3 gezeigt, erfolgt daher erfindungsgemäß die Bestimmung der tatsächlichen Hubposition des Kolbens im Zylinder und somit auch der kurbeltriebseitigen Bezugsposition auf Basis des Geberrades mit der Bezugsmarke und des Sensors zunächst in Abhängigkeit einer Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle. D. h. es steht der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit für eine weitere Verarbeitung bereit bzw. es erfolgt eine Zuordnung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zu dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit. Dann erfolgt eine Bestimmung des Drehwinkels α1 der Kurbelwelle/dem Zeitpunkt, bei dem die Winkelgeschwindigkeit zwischen einem Minimum MIN und einem Maximum MAX einen Wendepunkt WP1 aufweist oder eine Bestimmung des Drehwinkels α2 der Kurbelwelle/dem Zeitpunkt, bei dem die Winkelgeschwindigkeit zwischen einem Maximum MAX und einem Minimum MIN einen Wendepunkt WP2 aufweist. In Abhängigkeit eines so bestimmten Drehwinkels αx zwischen solchen Extremstellen (Minimum, Maximum) erfolgt dann die Bestimmung der tatsächlichen Hubposition des Kolbens im Zylinder, wie im Folgenden zusammen mit weiteren Verfahrensschritten beschrieben wird. [0005] Insbesondere weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte auf. Wie in Fig. 4 gezeigt, wird die Hubkolbenbrennkraftmaschine zunächst im Schub betrieben, also nicht mehr befeuert, so dass die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle gemäß einer linearen Funktion mit der Zeit abfällt, welche von einer sinusförmigen Schwingung überlagert ist, bedingt durch die schon beschriebenen Zusammenhänge. Im weiteren Verlauf erfolgt in Abhängigkeit davon, wie viele Zylinder die Hubkolbenbrennkraftmaschine umfasst, also in Abhängigkeit der Anzahl der Zylinder, eine Aufteilung der in Fig. 4 gezeigten Daten der Winkelgeschwindigkeit über dem Kurbelwinkel/der Zeit in einzelne, dem jeweiligen Zylinder zu- zuordnende Abschnitte. Angenommen, die Hubkolbenbrennkraftmaschine weist 4 Zylinder auf, dann erfolgt beispielsweise eine Aufteilung in vier so genannte Segmente, wobei jedes Segment Daten der Winkelgeschwindigkeit über bis zu 180 Grad Kurbelwinkel aufweist. Beispielsweise werden die Daten der Winkelgeschwindigkeit je Zylinder über einem Kurbelwinkel von 60 Grad vor dem Erreichen des oberen Totpunktes OT und 120 Grad nach dem oberen Totpunkt einer weiteren Bearbeitung zu Grunde gelegt. Wichtig ist es hierbei, dass das gewählte Kurbelwinkel-Intervall mit den Daten der Winkelgeschwindigkeit ein Minimum MIN und ein Maximum MAX umfasst oder zumindest die Kurvenzüge zwischen solchen Extremstellen mit dem erfindungsgemäß auszuwertenden wenigstens einen Wendepunkt WP. Die Daten der Winkelgeschwindigkeit werden im weiteren Verlauf um den in Fig. 4 gezeigten linearen Anteil bereinigt. Beispielsweise werden dazu, basierend auf den in Fig. 4 gezeigten Daten der Winkelgeschwindigkeit je Segment einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit vier Zylindern, je Segment 30 Werte der Winkelgeschwindigkeit (bei einem Abstand der Zähne von 6 Grad Kurbelwinkel sind das 180 Grad, d. h. ein Segment) auf eine mittlere Winkelgeschwindigkeit dieser 30 Werte normiert. Jedenfalls steht nun, wie in Fig. 5 für ein Segment (180 Grad Kurbelwinkel) eines Zylinders gezeigt, eine Vielzahl von Daten der Winkelgeschwindigkeit über dem Kurbelwinkel bzw. dem Drehwinkel der Kurbelwelle bzw. der Zeit zur Verfügung, die gemäß dem in Fig. 4 gezeigten Verlauf der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle einer im Schub betriebenen Hubkolbenbrennkraftmaschine gewonnen und anschließend vom Linearanteil befreit wurden. Insbesondere sind in Fig. 5 Daten gezeigt, die, wie eingangs beschrieben, in einem Bereich niedriger Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ermittelt wurden, wobei die Massenträgheit der Bauteile des Triebwerkes bzw. Drehschwingungseffekte den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit beeinflussen, so dass die Winkelgeschwindigkeit im Bereich der Totpunkte nicht ein Minimum kennzeichnet, sondern ein Maximum aufweist. [0006] Diese Daten der Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel der Kurbelwelle können nun direkt für eine Bestimmung des oberen Totpunkts OT des Zylinders 1 bzw. der kurbeltriebseitigen Bezugsposition herangezogen werden, also einer Bestimmung des Drehwinkels αx der Kurbelwelle/dem Zeitpunkt, bei dem die Winkelgeschwindigkeit zwischen einem Maximum MAX und einem Minimum MIN oder umgekehrt einen Wendepunkt WP aufweist, wie schon im Zusammenhang mit Fig. 3 dargelegt wurde. Bevorzugt erfolgt jedoch eine weitere Verarbeitung dieser Daten, bevor erfindungsgemäß der Wendepunkt WP bestimmt wird. Diese weitere Verarbeitung besteht insbesondere darin, dass ein mathematischer Term approximiert wird bzw. eine Modellierung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle über dem Drehwin- 4/12 DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 kel der Kurbelwelle/der Zeit auf Basis der in Fig. 5 gezeigten bzw. derart aufbereiteten/bereitgestellten Daten erfolgt. Beispielsweise kann eine mathematische Optimierungsmethode angewendet werden, um für die Reihe von Messdaten der Winkelgeschwindigkeit die Parameter zu bestimmen bzw. zu schätzen, wie dem Fachmann allgemein bekannt ist. Beispielsweise kann der Fachmann bekannte Verfahren der Ausgleichsrechnung bzw. der Regression/des Fittings anwenden. Bevorzugt erfolgt jedoch auf Basis der gemessenen Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, also insbesondere der in Fig. 5 gezeigten bzw. derart aufbereiteten/bereitgestellten Daten, eine Optimierung von Fourier-Koeffizienten, so dass eine Modellierung des Verlaufs der Winkelgeschwindigkeit/ Drehzahl der Kurbelwelle über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit vorgenommen werden kann. Eine solche Optimierung von Fourier-Koeffizienten anhand der mittels Geberrad und Sensor gemessenen Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ist in dem Dokument DE 10 2008 059 609 A1 beschrieben. Der gesamte Inhalt des Dokuments DE 10 2008 059 609 A1 sei hiermit in diese Offenbarung aufgenommen. Jedenfalls erfolgt erfindungsgemäß die Bestimmung einer Fourier-Reihe, welche die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit modellhaft beschreibt, insbesondere wie in den Absätzen 9 bis 11 des Dokuments DE 10 2008 059 609 A1 beschrieben. Erfindungsgemäß werden bevorzugt die Fourier-Koeffizienten für die 180-Grad-Komponente, die 360-Grad-Komponente und die 720-Grad-Komponente (Sinus und Cosinus) optimiert. schwindigkeit im betrachteten Segment. Der zweite Wendepunkt WP2 ergibt bei einem Drehwinkel α2 der Kurbelwelle/dem Zeitpunkt auf dem abfallenden Kurvenzug, also zwischen dem Maximum MAX und einem erneuten Minimum MIN des sinusförmigen Verlaufs der bevorzugt modellierten Winkelgeschwindigkeit. Prinzipiell sind beide genannten Wendepunkte WPx zur Bestimmung der kurbeltriebseitigen Bezugsposition, insbesondere des oberen Totpunkts OT des betrachteten Zylinders und somit zur Bestimmung der absoluten Hubposition eines Kolbens auf Basis der geberradseitigen Bezugsmarke geeignet. Besonders bevorzugt wird jedoch dazu der Drehwinkel α1 herangezogen, bei dem die Winkelgeschwindigkeit einen Wendepunkt WP1 aufweist, welcher sich auf dem Kurvenzug der Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel/der Zeit, der sich zwischen einem unteren Totpunkt UT und einem oberen Totpunkt OT des betrachteten Zylinders ergibt, näher bei dem oberen Totpunkt OT befindet. D. h. von den zwei zu erwartenden Wendepunkten WPx im Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel/der Zeit zwischen einem unteren Totpunkt UT eines Kolbens während seiner Bewegung in Richtung eines darauffolgenden oberen Totpunkts OT weist der Kurvenzug der Winkelgeschwindigkeit zwei Wendepunkte WPx auf, wobei bevorzugt der Drehwinkel α1, bei dem die Winkelgeschwindigkeit den zeitlich später auftretenden Wendepunkt WP1 umfasst, für eine Bestimmung einer Winkelverschiebung zwischen geberradseitiger Bezugsmarke und kurbeltriebseitiger Bezugsposition bzw. der Bestimmung der absoluten Hubposition des Kolbens im Zylinder herangezogen wird. [0007] Wie in Fig. 6 gezeigt, steht nun ein modellierter Verlauf der Winkelgeschwindigkeit/Drehzahl über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit für eine Bestimmung des Drehwinkels αx der Kurbelwelle/dem Zeitpunkt bereit, bei dem die Winkelgeschwindigkeit zwischen einem Minimum MIN und einem Maximum MAX einen ersten Wendepunkt WP1 aufweist bzw. zwischen einem Maximum MAX und einem Minimum MIN einen weiteren Wendepunkt WP2 aufweist. Wie schon im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben, weist der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit im Bereich der Totpunkte jeweils das Maximum MAX auf. In Bezug auf Fig. 6 weist der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit bei dem Maximum MAX den oberen Totpunkt OT auf. Wie in Fig. 6 mit weißen Punkten gezeigt, existieren ein erster Wendepunkt WP1 und ein zweiter Wendepunkt WP2 in dem betrachteten Drehwinkelbereich des betreffenden Zylinders, also dieses Segments. Der erste Wendepunkt WP1 ergibt sich bei einem Drehwinkel α1 der Kurbelwelle/ dem Zeitpunkt zwischen dem links in Fig. 6 unten vorhandenen Minimum MIN der Winkelgeschwindigkeit und dem mit weiterem Voranschreiten der Drehung der Kurbelwelle bzw. der Zeit sich ergebenden Maximum MAX, also auf dem ansteigenden Kurvenzug des bevorzugt modellierten Verlaufs der Winkelge- [0008] D. h. erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Lage der Wendepunkte WPx im bevorzugt modellierten Verlauf der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle über dem Drehwinkel/der Zeit, d. h. die Drehwinkel αx der Kurbelwelle/der Zeit, bei denen der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit Wendepunkte WPx zwischen zwei Extremstellen aufweist, mit den Totpunkten des jeweils betrachteten Zylinders bzw. der kurbeltriebseitigen Bezugsposition korrelieren. [0009] Also ergibt sich eine Winkelverschiebung zwischen der geberradseitigen Bezugsmarke und der kurbeltriebseitigen Bezugsposition, insbesondere infolgedessen, dass das Geberrad gegenüber der Kurbelwelle versetzt angeordnet ist bzw. der Sensor gegenüber dem Geberrad, dann ergibt sich auch eine Verschiebung des Drehwinkels αx der Kurbelwelle/ des Zeitpunktes, bei dem der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/ der Zeit zwischen einem Maximum MAX und einem Minimum MIN oder einem Minimum MIN und einem Maximum MAX einen Wendepunkt WPx aufweist. [0010] Erfindungsgemäß ist der wie beschrieben geberradseitig bestimmte Istwert des Drehwinkels αx der Kurbelwelle/des Zeitpunktes, bei dem die Winkel- 5/12 DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 geschwindigkeit der Kurbelwelle zwischen zwei Extremstellen einen Wendepunkt WPx aufweist, die unabhängige Variable (das Funktionsargument) einer Referenzfunktion. [0011] Die Referenzfunktion beschreibt die Beziehung zwischen dem Drehwinkel αx der Kurbelwelle/dem Zeitpunkt, bei dem die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zwischen zwei Extremstellen einen Wendepunkt WPx aufweist und einer infolge einer versetzen Anordnung des Geberrades gegenüber der Kurbelwelle bzw. einer versetzten Anordnung des Sensors gegenüber dem Geberrad bestehenden Winkelverschiebung bzw. -differenz/Differenzwinkel/Zeitverschiebung bzw. -differenz zwischen der geberradseitigen Bezugsmarke und der kurbeltriebseitigen Bezugsposition. D. h. diese Winkelverschiebung ist gemäß der Referenzfunktion dann null, wenn die geberradseitige gemessene Bezugsmarke und die kurbeltriebseitige tatsächliche Bezugsposition eine definierte – quasi ideale – Zuordnung, also die korrekte Zuordnung haben. D. h. die abhängige Variable (der Funktionswert) der Referenzfunktion entspricht bevorzugt einem Differenzwinkel/einer Differenzzeit, welcher die oben genannte versetzte Anordnung von Geberrad gegenüber Kurbelwelle bzw. Sensor gegenüber Geberrad beschreibt. [0012] Mittels des so bestimmten Differenzwinkels wird nun eine Winkelverschiebung zwischen der geberradseitigen gemessenen Bezugsmarke und der kurbeltriebseitigen tatsächlichen Bezugsposition ausgeglichen. D. h. es kann eine Korrektur der auf Grundlage der geberradseitigen Bezugsmarke bestimmten kurbeltriebseitigen Bezugsposition vorgenommen werden, so dass die (absolute) Hubposition des Kolbens im Zylinder möglichst genau bestimmt wird. [0013] Die Referenzfunktion wird beispielsweise im Rahmen eines Versuchs bei der Entwicklung der Hubkolbenbrennkraftmaschine ermittelt. Dazu wird ein Geberrad zunächst mit einer exakt bestimmten Lage gegenüber der Kurbelwelle bzw. der Sensor exakt gegenüber dem Geberrad angeordnet. Hierbei haben die geberradseitige gemessene Bezugsmarke und die kurbeltriebseitige tatsächliche Bezugsposition eine definierte bekannte – quasi ideale – Zuordnung, also die korrekte Zuordnung, die infolge von Toleranzen und Montagefehlern in der Serie nicht erreicht wird. [0014] Mit dieser Anordnung werden insbesondere die mittels einer hochgenauen Wegmessvorrichtung erfasste Hubposition des Kolbens im Zylinder bzw. die kurbeltriebseitige Bezugsposition (insbesondere der obere Totpunkt eines Kolbens in einem Zylinder) und der Drehwinkel αx, bei dem die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle einen Wendepunkt WPx aufweist, mittels des Geberrades bzw. der ge- berradseitigen Bezugsmarke und dem zugehörigen z. B. induktiven Sensor – wie oben beschrieben – bestimmt. Auf diese Weise steht eine erste Zuordnung/ ein erstes Wertepaar bereit, welche/welches die Beziehung zwischen dem geberradseitig bestimmten Drehwinkel αx der Kurbelwelle, bei dem die Winkelgeschwindigkeit einen Wendepunkt WPx aufweist und der hochgenau erfassten Hubposition des Kolbens im Zylinder bzw. der kurbeltriebseitige Bezugsposition beschreibt. Beispielsweise ist der mittels der hochgenauen Wegmessvorrichtung im Versuch ermittelte Totpunkt eines Kolbens im Zylinder dann erreicht, wenn der geberradseitig ermittelte Drehwinkel α1 der Kurbelwelle, bei dem die Winkelgeschwindigkeit einen ersten Wendepunkt WP1 aufweist, 52 Grad Kurbelwinkel nach dem Erkennen der vorangehenden geberradseitigen Bezugsmarke beträgt. [0015] Wird nun das Geberrad in einem weiteren Schritt des Versuchs ausgehend von der genannten „idealen” Zuordnung zwischen geberradseitiger gemessener Bezugsmarke und kurbeltriebseitiger tatsächlicher Bezugsposition gegenüber der Kurbelwelle verdreht angeordnet, beispielsweise um 3,5 Grad Kurbelwinkel in Drehrichtung der Kurbelwelle und im weiteren Verlauf erneut – wie beschrieben – der geberradseitig bestimmte Drehwinkel αx der Kurbelwelle, bei dem die Winkelgeschwindigkeit einen Wendepunkt WPx aufweist, in Verbindung mit einer hochgenau erfassten Hubposition des Kolbens im Zylinder bzw. der kurbeltriebseitige Bezugsposition, ermittelt, steht ein zweites Wertepaar bereit. Beispielsweise ist der mittels der hochgenauen Wegmessvorrichtung in diesem Versuch ermittelte Totpunkt eines Kolbens im Zylinder dann erreicht, wenn der geberradseitig bestimmte Drehwinkel α1 der Kurbelwelle, bei dem die Winkelgeschwindigkeit einen ersten Wendepunkt WP1 aufweist, 56 Grad Kurbelwinkel nach dem Erkennen der vorangehenden geberradseitigen Bezugsmarke beträgt. [0016] Abschließend kann weiterhin in einem noch weiteren Schritt des Versuchs ausgehend von der genannten „idealen” Zuordnung zwischen geberradseitig gemessener Bezugsmarke und kurbeltriebseitiger tatsächlicher Bezugsposition das Geberrad gegenüber der Kurbelwelle verdreht angeordnet werden, beispielsweise um 3,5 Grad Kurbelwinkel entgegen der Drehrichtung der Kurbelwelle. Im weiteren Verlauf wird dann erneut – wie beschrieben – der geberradseitig bestimmte Drehwinkel αx der Kurbelwelle, bei dem die Winkelgeschwindigkeit einen Wendepunkt WPx aufweist, in Verbindung mit einer hochgenau erfassten Hubposition des Kolbens im Zylinder bzw. der kurbeltriebseitige Bezugsposition, ermittelt. So steht ein drittes Wertepaar bereit. Beispielsweise ist der mittels der hochgenauen Wegmessvorrichtung in diesem Versuch ermittelte Totpunkt eines Kolbens im Zylinder dann erreicht, wenn der Drehwinkel α1 der Kurbelwelle, bei dem die Winkelgeschwin- 6/12 DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 digkeit einen ersten Wendepunkt WP1 aufweist, 49 Grad Kurbelwinkel nach dem Erkennen der vorangehenden geberradseitigen Bezugsmarke beträgt. [0017] Jedenfalls kann auf Grundlage dieser Versuche bzw. der dabei ermittelten Zuordnungen zwischen geberradseitig bestimmten Drehwinkeln αx der Kurbelwelle, bei denen jeweils die Winkelgeschwindigkeit einen Wendepunkt WPx aufweist und einer jeweils hochgenau erfassten Hubposition des Kolbens im Zylinder z. B. mittels Regression eine Funktion, insbesondere eine lineare Funktion erstellt werden, also eine Referenzfunktion. [0018] Diese Funktion beschreibt folglich den Zusammenhang zwischen dem erfindungsgemäß geberradseitig bestimmten Istwert des Drehwinkels αx der Kurbelwelle/des Zeitpunktes, bei dem der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit einen Wendepunkt WPx aufweist und einem vorzusehenden Differenzwinkel, wobei in Abhängigkeit dieses Differenzwinkels eine Winkelverschiebung infolge einer nicht korrekten Positionierung des Geberrads gegenüber der Kurbelwelle und/oder des Sensors gegenüber dem Geberrad ausgeglichen wird, so dass die geberradseitige Bezugsmarke und die kurbeltriebseitige Bezugsposition korrekt einander zugeordnet sind und somit die (absolute) Hubposition des Kolbens im Zylinder korrekt bestimmt wird. und Maxima MAX der Winkelgeschwindigkeit und der Lage der Totpunkte umkehren. Wie dem Fachmann allgemein bekannt ist, wird zur Bestimmung der Wendepunkte WPx der Zeitpunkt bzw. Drehwinkel αx der Kurbelwelle auf dem durch den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über der Zeit/dem Drehwinkel der Kurbelwelle gebildeten Funktionsgraphen gesucht, bei dem die Winkelgeschwindigkeit zwischen zwei Extremstellen (Minima und Maxima bzw. umgekehrt) ihr Krümmungsverhalten ändert, also dieser Funktionsgraph von einer Rechts- in eine Linkskurve oder umgekehrt wechselt oder anders gesagt, wird die Zeit bzw. der Drehwinkel αx bestimmt, bei dem die Winkelgeschwindigkeit in ihrem Verlauf über der Zeit/dem Drehwinkel der Kurbelwelle die maximalen Steigung aufweist oder noch anders gesagt, wird die durch den Verlauf der Winkelgeschwindigkeit über der Zeit/dem Drehwinkel der Kurbelwelle gebildete Funktion abgeleitet. [0019] Anhand dieser Referenzfunktion, die im Rechner zur Steuerung/Regelung der Hubkolbenbrennkraftmaschine abgelegt wird, kann dann eine unbekannte Winkelverschiebung zwischen geberradseitiger Bezugsmarke und kurbeltriebseitiger Bezugsposition bestimmt werden, während des „normalen” Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine bzw. eine Korrektur zwischen geberradseitiger Bezugsmarke und kurbeltriebseitiger Bezugsposition vorgenommen werden, so dass die absolute Hubposition eines Kolbens im Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine möglichst genau bestimmt wird. [0020] Zusammengefasst ist es auf diese Weise erfindungsgemäß möglich, eine Bestimmung der Hubposition eines Kolbens im Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine genauer und in mehreren Betriebsbereichen der Hubkolbenbrennkraftmaschine durchführbar zu gestalten, da Wendepunkte WPx im Verlauf der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit bzw. dazu korrespondierende Drehwinkel αx der Kurbelwelle dazu verwendet werden, welche eben auch dann nicht ihre Lage verändern, wenn sich, infolge der Massenträgheit der Bauteile des Triebwerkes bzw. Drehschwingungseffekten, bei einem Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine in Bereichen mit hoher und niedriger Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle, die Beziehungen zwischen Minima MIN 7/12 DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen. Zitierte Patentliteratur - DE 102008042980 A1 [0002] DE 102008059609 A1 [0006, 0006, 0006] 8/12 DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung der Hubposition eines Kolbens im Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb, aufweisend einen in einem Zylinder geführten Kolben, eine Pleuelstange sowie eine Kurbelwelle, mit einem mit der Kurbelwelle verbundenen Geberrad mit einer Bezugsmarke, das mittels eines Sensors abgetastet wird, wobei – mittels des Geberrades und des Sensors die Winkelgeschwindigkeit/Drehzahl der Kurbelwelle bestimmt wird, – der Verlauf der Winkelgeschwindigkeit/Drehzahl über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit für eine weitere Verarbeitung bereitsteht, – die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle periodisch zwischen zwei Extremwerten (MIN, MAX) wechselt, – der geberradseitigen Bezugsmarke kurbeltriebseitig eine Bezugsposition zugeordnet ist und in Abhängigkeit der geberradseitigen Bezugsmarke die Hubposition des Kolbens im Zylinder bestimmt wird, – wenn das Geberrad gegenüber der Kurbelwelle und/oder der Sensor gegenüber dem Geberrad nicht korrekt positioniert ist, eine unbekannte Winkelverschiebung zwischen der geberradseitigen Bezugsmarke und der kurbeltriebseitigen Bezugsposition besteht und infolgedessen die Hubposition des Kolbens im Zylinder nicht korrekt bestimmt wird, – ein Istwert des Drehwinkels (αx) der Kurbelwelle/ des Zeitpunktes bestimmt wird, bei dem die Winkelgeschwindigkeit zwischen zwei Extremwerten (MIN, MAX) einen Wendepunkt (WPx) aufweist, – in Abhängigkeit dieses Istwertes die Winkelverschiebung zwischen der geberradseitigen Bezugsmarke und der kurbeltriebseitigen Bezugsposition ermittelt wird, – in Abhängigkeit der so ermittelten Winkelverschiebung die Hubposition des Kolbens im Zylinder bestimmt wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die kurbeltriebseitige Bezugsposition der obere Totpunkt des Kolbens im ersten Zylinder einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mehreren Zylindern ist. 4. Verfahren nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, wobei die für eine weitere Verarbeitung bereitstehende Winkelgeschwindigkeit/Drehzahl über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit, bevor ein Istwert des Drehwinkels (αx) der Kurbelwelle/des Zeitpunktes bestimmt wird, bei dem die Winkelgeschwindigkeit zwischen zwei Extremwerten (MIN, MAX) einen Wendepunkt (WPx) aufweist, mittels eines mathematischen Terms approximiert wird oder eine Modellierung der Winkelgeschwindigkeit/Drehzahl über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit erfolgt. 5. Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei wenn eine Modellierung der Winkelgeschwindigkeit/Drehzahl über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit erfolgt, diese Modellierung durch eine Optimierung von Fourier-Koeffizienten erfolgt, wobei anhand der Fourier-Koeffizienten eine Fourier-Reihe bestimmt wird, welche die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle über dem Drehwinkel der Kurbelwelle/der Zeit modellhaft beschreibt. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei der Istwert des Drehwinkels (αx) der Kurbelwelle/des Zeitpunktes die unabhängige Variable einer Referenzfunktion ist, wobei die Referenzfunktion die Beziehung zwischen dem Drehwinkel (αx) der Kurbelwelle/dem Zeitpunkt, bei dem die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zwischen zwei Extremwerten (MIN, MAX) einen Wendepunkt (WPx) aufweist und einer infolge einer versetzten Anordnung des Geberrades gegenüber der Kurbelwelle und/oder einer versetzten Anordnung des Sensors gegenüber dem Geberrad bestehenden Winkeldifferenz/Zeitdifferenz zwischen der geberradseitigen Bezugsmarke und der kurbeltriebseitigen Bezugsposition beschreibt, so dass die abhängige Variable der Referenzfunktion einem Differenzwinkel/einer Differenzzeit entspricht, welcher/ welche die versetzte Anordnung von Geberrad gegenüber Kurbelwelle und/oder Sensor gegenüber Geberrad beschreibt. 9/12 Es folgen 3 Seiten Zeichnungen DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 Anhängende Zeichnungen 10/12 DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 11/12 DE 10 2014 016 416 A1 2016.05.04 12/12
