CH713185B1 - Verfahren zur Wellen-Kodierung des transienten Zylinderinnendrucks von Motoren. - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung eines einem transienten Zylinderinnendrucks eines Motors entsprechenden Kurbelwellen-Drehwinkels unabhängig von einem Drehgeber, umfassend: Berechnen eines Kurbelwellen-Drehwinkels ϕ 0 , der einem maximalen Wert des Druckanstiegs in einem Kompressionshub entspricht; Bestimmen einer Zeitabtastfrequenz des transienten Zylinderinnendrucks und Aufzeichnen einer Kurve der Änderung des transienten Zylinderinnendrucks mit der Zeit; Finden des Maximalwerts des Druckanstiegs während des Kompressionsprozesses, wobei der Zeitabtastpunkt, an dem der Maximalwert liegt, dem berechneten Kurbelwellen-Drehwinkel ϕ 0 entspricht; und Wellen-Kodieren aller transienten Zylinderinnendrucke mit dem Kurbelwellen-Drehwinkel ϕ 0 als Basispunkt, wobei schliesslich eine Kurve der Änderung des transienten Zylinderinnendrucks mit dem Kurbelwellen-Drehwinkel erhalten wird. Die vorliegende Erfindung benötigt nicht die Montage eines Drehgebers und vereinfacht das Messsystem für einen Verbrennungsprozess. Mit nur einem Zylinderdrucksensor können die Messung und die Wellen-Kodierung des transienten Zylinderinnendrucks erfolgen, was die Schwierigkeit der Montage des Verbrennungsprozess-Messsystems verringert und die Wahrscheinlichkeit potenzieller Fehler bei der Verbrennungsprozessmessung senkt und Systemkosten spart.
Description
[0001] Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet der Messung der Zylinderinnenverbrennung bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren und insbesondere auf ein Verfahren zur Wellen-Kodierung eines transienten Zylinderinnendrucks bei Motoren unabhängig von einem Drehgeber.
Stand der Technik [0002] Die Leistungs- und Emissionseigenschaften eines Hubkolben-Verbrennungsmotors stehen in direktem Zusammenhang mit dem Verbrennungsprozess von Kraftstoffen im Zylinder, sodass Analysen des Verbrennungsprozesses im Zylinder ein wichtiger Ansatz bei der Analyse der Leistung des Hubkolben-Verbrennungsmotors sind. Die Hauptparameter des Verbrennungsprozesses im Zylinder umfassen hauptsächlich den transienten Zylinderinnendruck, den Druckanstieg, die transiente Wärmefreisetzungsrate und die transiente Temperatur usw., wobei der transiente Zylinderinnendruck durch eine direkte Messung erhalten wird, während alle anderen Parameter durch theoretische Berechnungen basierend auf dem transienten Zylinderinnendruck erhalten werden. Es ist daher ersichtlich, dass eine genaue Messung des transienten Zylinderinnendrucks der Schlüssel für die Analyse des Verbrennungsprozesses im Zylinder ist.
[0003] Der transiente Zylinderinnendruck enthält eine Grösse des Druckwerts und einen entsprechenden KurbelwellenDrehwinkel, wobei der Druckwert durch einen Drucksensor gemessen wird, der an einer Zylinderkappe angebracht ist, und wobei der Kurbelwellen-Drehwinkel, der dem Druckwert entspricht, durch einen Drehgeber gegeben ist. Um die Stabilität und Genauigkeit der Messung der Zylinderinnendruckwerte zu garantieren, ist es im Allgemeinen erforderlich, dass der Drehgeber an einer Stirnseite eines Endes der Kurbelwelle angeordnet ist; zudem sollte garantiert sein, dass der Drehgeber eine hohe Koaxialität mit der Kurbelwelle hat; währenddessen muss der Drehgeber eine gleichzeitige Vibration mit dem Motor aufrechterhalten. All dies stellt sehr hohe Anforderungen an die Montage des Drehgebers. Darüber hinaus müssen der Drehgeber und dessen Montagehalterungen starken Vibrationen während eines Arbeitsprozesses standhalten, wobei Schäden an der Montagehalterung und am Körper des Drehgebers leicht auftreten können. Es ist daher sehr wünschenswert, ein Verfahren zur Bestimmung eines einem Zylinderdruckwert entsprechenden Kurbelwellen-Drehwinkels unabhängig von einem Drehgeber, nämlich ein Verfahren zur Wellen-Kodierung des transienten Zylinderinnendrucks von Motoren, anzugeben.
Zusammenfassung [0004] Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Wellen-Kodierung des transienten Zylinderinnendrucks von Motoren bereit, wobei eine Messung und Wellen-Kodierung des transienten Zylinderinnendrucks nur mithilfe eines Zylinderdrucksensors erfolgt, ohne dass ein Drehgeber angebracht werden muss.
[0005] Um das obige Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Wellen-Kodierung des transienten Zylinderinnendrucks von Motoren bereit, umfassend die folgenden Schritte:
Schritt S1 : Berechnen eines Kurbelwellen-Drehwinkels φ0, der einem maximalen Wert des Druckanstiegs in einem Kompressionshub entspricht, basierend auf Strukturparametern des Motors;
Schritt S2: Bestimmen einer Zeitabtastfrequenz f des transienten Zylinderinnendrucks;
Schritt S3: Messen und Aufzeichnen einer Änderungskurve des transienten Zylinderinnendrucks mit der Zeit gemäss der Zeitabtastfrequenz f, und Berechnen des Druckanstiegs basierend auf den gemessenen Druckdaten;
Schritt S4: Finden des Maximalwerts des Druckanstiegs während des Kompressionsprozesses aus der Kurve des Druckanstiegs mit der Zeit, wobei der Zeitabtastpunkt, an dem der Maximalwert liegt, dem KurbelwellenDrehwinkel φο entsprecht; und
Schritt S5: Wellen-Kodieren aller transienten Zylinderinnendrucke basierend auf dem Kurbelwellen-Drehwinkel φ0, wobei schliesslich eine Kurve der Änderung des transienten Zylinderinnendrucks in Abhängigkeit des Kurbelwellen-Drehwinkels erhalten wird.
[0006] Der Schritt S1 umfasst spezifisch die folgenden Schritte:
Angleichen des Kompressionsprozesses des Hubkolben-Verbrennungsmotors an den adiabatischen Prozess eines geschlossenen Systems, und Angleichen der Luft im Zylinder an ein ideales Gas, dann Erstellen einer Gleichung (1):
wobei P der transiente Zylinderinnendruck ist, V das transiente Volumen des Zylinders ist, γ das spezifische Wärmeverhältnis ist, K eine Konstante ist, und P und V beide Funktionen des Kurbelwellen-Drehwinkels φ sind;
[0007] Ableiten nach dem Kurbelwellen-Drehwinkel φ auf beiden Seiten der Gleichung (1), woraus folgt:
dP _ Ky dV d<p Vy+l άφ (2) z(^) = dV άφ setzen, sodass die Gleichung (2) geschrieben werden kann als:
(3) [0008] Berechnen des Maximalwerts des Druckanstiegs während des Kompressionsprozesses, nämlich Auswerten des Maximalwerts in der Gleichung (3); R'= 0 setzen;
nämlich, __Vi (φ) -(/ + l)ï2((Z>) y7+2 = 0 (4);
[0009] Erhalten einer Gleichung
V1 (φ) - (/ + (5) [0010] In der Gleichung (5), y -P2L l + iλ cos · φ) 180
(6) (7) wobei D ein Motorzylinderdurchmesser ist, S ein Kolbenhub ist, ε ein Kompressionsverhältnis des Motors ist, und λ = L ein Verhältnis eines Kurbelwellenradius r zu einer Pleuelstangenlänge L ist;
Durch Einfügen der Ausdrücke (6) und (7) in die Gleichung (5) kann eine Gleichung um φ erhalten werden, wobei durch direktes Lösen oder indirektes Lösen dieser Gleichung der Kurbelwellen-Drehwinkel φ0, der dem maximalen Wert des Druckanstiegs in dem Kompressionsprozess entspricht, erhalten werden kann.
[0011] Die indirekte Auflösung der Gleichung (5) in dem Schritt S1 ist nachstehend angegeben:
7- = 17'O)-(r + l)r2(<p) (g) setzen;
Einfügen der Gleichungen (6) und (7) in die Gleichung (8), wobei T eine Funktion von φ ist, sodass die Änderungskurve von T mit dem Kurbelwellen-Drehwinkel φ erhalten werden kann, wobei der Schnittpunkt der Kurve mit der geraden Linie y = 0 in dem Kompressionsprozess die Lösung der Gleichung (5) darstellt.
[0012] Die Zeitabtastfrequenz f des transienten Zylinderinnendrucks in dem Schritt S2 kann durch die Verwendung der Gleichung (9) berechnet werden:
/ _ 6« 7 (9) wobei n die Drehzahl nach dem stabilen Lauf des Motors ist, und j eine vorbestimmte Kurbelwellen-Drehwinkel-Intervallbreite zum Kodieren des transienten Zylinderinnendrucks ist.
[0013] In dem Schritt S3 kann der Druckanstieg durch ein zentriertes Differenzverfahren erster Ordnung berechnet werden:
P (i) = [/>(/ + 1)- P(i -1)]/2 , ; = ! ™ (10) wobei i den i-ten Zeitabtastpunkt repräsentiert.
[0014] Die vorliegende Erfindung vereinfacht ein Messsystem für Verbrennungsprozesse. Nur mit einem Zylinderdrucksensor können die Messung und Wellen-Kodierung des transienten Zylinderinnendrucks erfolgen, was die Schwierigkeit der Montage des Verbrennungsprozess-Messsystems verringert und die Wahrscheinlichkeit potenzieller Fehler bei der Verbrennungsprozessmessung senkt und Systemkosten spart.
Kurze Beschreibung der Zeichnung [0015]
Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein typisches Diagramm eines transienten Zylinderinnendrucks und eines Druckanstiegs in Abhängigkeit von dem Kurbelwellen-Drehwinkel.
Fig. 3 zeigt eine Kurve des T-Wertes in Abhängigkeit von dem Kurbelwellenwinkel.
Fig. 4 zeigt eine Kurve der Änderung des transienten Zylinderinnendrucks in Abhängigkeit von der Zeit.
Fig. 5 zeigt eine Kurve des Druckanstiegs, die gemäss der Änderung des transienten Zylinderinnendrucks in Abhängigkeit von der Zeit berechnet wird.
Fig. 6 zeigt ein Vergleichsdiagramm zwischen den Kurven des mit einem Drehgeber erfassten transienten Zylinderinnendrucks und des ohne einen Drehgeber erfassten transienten Zylinderinnendrucks.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen [0016] Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 6 im Detail beschrieben.
[0017] Wie in Fig. 1 gezeigt, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Wellen-Kodierung eines transienten Zylinderinnendrucks eines Motors bereit, umfassend die folgende Schritte:
[0018] Schritt S1: Berechnen eines Kurbelwellen-Drehwinkels φ0, der einem maximalen Wert des Druckanstiegs in einem Kompressionshub entspricht, basierend auf Strukturparametern des Motors;
Wie in Fig. 2 gezeigt, hat der Druckanstieg, wenn ein Hubkolben-Verbrennungsmotor einen Kompressionshub ausführt, obwohl der transiente Zylinderinnendruck bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens graduell ansteigt, einen Maximalwert P'max, wobei der Kurbelwellen-Drehwinkels φ0, der dem Maximalwert entspricht, basierend auf strukturellen Parametern des Motors berechnet werden kann. Das Berechnungsprinzip ist nachstehend angegeben:
[0019] Annähern des Kompressionsprozesses des Hubkolben-Verbrennungsmotors an den adiabatischen Prozess eines geschlossenen Systems, und Annähern der Luft im Zylinder an ein ideales Gas, sodass eine Gleichung (1) erstellt wird:
ν'γ (D wobei P der transiente Zylinderinnendruck ist, V das transiente Volumen des Zylinders ist, γ das spezifische Wärmeverhältnis ist, K eine Konstante ist, und P und V beide Funktionen des Kurbelwellen-Drehwinkels φ sind;
[0020] Ableiten nach dem Kurbelwellen-Drehwinkel φ auf beiden Seiten der Gleichung (1), woraus folgt:
dP Κγ dV άφ Γγ+1 d<p (2)·
P dp . dV
K =--- d.(p) =--άφ άφ setzen, sodass die Gleichung (2) geschrieben werden kann als:
J/Y + 1
(3) [0021] Berechnen des Maximalwerts des Druckanstiegs in dem Kompressionsprozess, nämlich Auswerten des Maximalwerts in der Gleichung (3); R' = 0 setzen;
nämlich,
(4);
Erhalten einer Gleichung
VÏ (φ) - (/ + 1)ϊ2 {φ) = 0
In der Gleichung (5),
| r/ πΰ2 S | 5 | , 1 | , π | 1 1 | |||
| V = ------- | - Η-- | 1 + - | - cos(--- | φ)--J | 1 - / | Γ sin“!--- · φ) | > |
| 4 μ- - 1 2 | λ | 180 | 180 |
(6)
(7) wobei D ein Motorzylinderdurchmesser ist, S ein Kolbenhub ist, ε ein Kompressionsverhältnis des Motors ist, und
L ein Verhältnis eines Kurbelwellenradius r zu einer Pleuelstangenlänge L ist;
[0022] Einfügen der Ausdrücke (6) und (7) in die Gleichung (5), sodass eine Gleichung um φ erhalten werden kann, um den Kurbelwellen-Drehwinkel φ0, der dem maximalen Wert des Druckanstiegs während des Kompressionsprozesses entspricht, zu erhalten.
[0023] Neben dem direkten Lösungsansatz ist noch ein indirekter Lösungsansatz für die Gleichung (5) möglich, welcher nachfolgend angegeben wird:
T = Kr'(p)-(r + l)z2(p) (g) setzen; und
Einfügen der Gleichungen (6) und (7) in die Gleichung (8), wobei T eine Funktion von φ ist, sodass die Änderungskurve von T mit dem Kurbelwellen-Drehwinkel φ erhalten werden kann. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Schnittpunkt der Kurve mit der geraden Linie y = 0 während des Kompressionsprozesses die Lösung der Gleichung (5). Der indirekte Lösungsansatz bei der Lösung der Gleichung (5) ist in der vorliegende Erfindung bevorzugt;
[0024] Schritt S2: Bestimmen einer Zeitabtastfrequenz f des transienten Zylinderinnendrucks:
Beim Messen des Arbeitszustands des transienten Zylinderinnerdrucks wird die Drehzahl n des Motors beim stabilen Lauf des Motors aufgezeichnet; falls j eine vorbestimmte Kurbelwellen-Drehwinkel-Intervallbreite zum Kodieren des transienten Zylinderinnendruck ist, kann die Zeitabtastfrequenz f des transienten Zylinderinnendrucks durch die Gleichung (9) berechnet werden:
(9).
[0025] Schritt S3: Messen und Aufzeichnen einer Änderungskurve des Zylinderinnendrucks mit der Zeit gemäss der Zeitabtastfrequenz/, und Berechnen des Druckanstiegs basierend auf den gemessenen Druckdaten:
Wie in der Gleichung (10) gezeigt, wird der Druckanstieg durch ein zentriertes Differenzverfahren erster Ordnung berechnet:
?'(/) = [/>(/ + 1)- P(i -1)]/2 t = i ...(10) } wobei i den i-ten Zeitabtastpunkt repräsentiert.
[0026] Schritt S4: Finden des Maximalwerts des Druckanstiegs während des Kompressionsprozesses in der Kurve des Druckanstiegs mit der Zeit, wobei der Zeitabtastpunkt, an dem der Maximalwert liegt, dem Kurbelwellen-Drehwinkel φ0 entspricht; und [0027] Schritt S5: Wellen-Kodieren aller transienten Zylinderinnendrucke basierend auf dem Kurbelwellen-Drehwinkel φ0 in Verbindung mit einer in dem Schritt S2 festgelegten Intervallbreite j des Kurbelwellen-Drehwinkels, wobei schliesslich eine Kurve der Änderung des transienten Zylinderinnendrucks mit dem Kurbelwellen-Drehwinkel erhalten wird.
[0028] Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend detaillierter durch ein Beispiel beschrieben.
Beispiel 1 [0029] Wenn der Zylinderdurchmesser einer bestimmten Art von Hubkolben-Verbrennungsmotor 126 mm beträgt, der Kurbelwellenradius 65 mm beträgt, die Pleuelstangenlänge 219 mm beträgt und das Kompressionsverhältnis des Motors 17 beträgt, kann, basierend auf diesen Parametern in Verbindung mit den Ausdrücken (6), (7) und (8), wie in Fig. 3 gezeigt ein Kurvendiagramm der Änderung des Wertes T in Abhängigkeit von dem Kurbelwellen-Drehwinkel, erhalten werden; daraus kann berechnet werden, dass der Kurbelwellen-Drehwinkel, der dem maximalen Wert des Druckanstiegs in dem Kompressionsprozess entspricht, φ0 = -13.9 °CA beträgt.
[0030] Eine Drehzahl des Motors für die Messung des Verbrennungsprozesses im Zylinder ist vorzugsweise als 1500 r/min gewählt, wobei die Kurbelwellen-Drehwinkel-Intervallbreite zum Kodieren des transienten Zylinderinnendrucks 0.1 °CA beträgt. Nach Gleichung (9) kann berechnet werden, dass die Zeitabtastfrequenz des transienten Zylinderinnendrucks 90 kHz ist. Die Kurve, die die Änderung des transienten Zylinderinnendrucks mit der Zeit bei dieser Frequenz aufgezeichnet hat, ist in Fig. 4 gezeigt, und die Kurve des Druckanstiegs, die basierend auf dem gemessenen transienten Zylinderinnendruck berechnet wurde, ist in Fig. 5 gezeigt. Daraus ist ersichtlich, dass der Punkt der Abtastzeit, der dem Maximalwert des Druckanstiegs während des Verdichtungsprozesses entspricht, bei 3468 liegt, d.h. der Punkt 3468 entspricht dem Kurbelwellen-Drehwinkel von -13.9 °CA. Mit -13.9 °CA als Basispunkt kann gemäss der Einstellung der Intervallbreite von 0.1 °CA zwischen jedem Abtastpunkt die gesamte Kurve des transienten Zylinderinnendrucks mit dem KurbelwellenDrehwinkel kodiert werden, wie in Fig. 6 gezeigt. In Fig. 6 wird auch der durch die vorliegende Erfindung erhaltene transiente Zylinderinnendruck mit dem durch einen montierten Drehgeber erhaltenen transienten Zylinderinnendruck verglichen, wobei sie im Wesentlichen zusammenfallen und nur ein Unterschied von 0.7 °CA zwischen den entsprechenden Kurbelwellenwinkeln besteht. Es ist ersichtlich, dass das Verfahren gemäss der Erfindung nicht nur das Ziel des Entfernen des Drehgebers erreicht, sondern auch noch genügende Genauigkeit besitzt.
[0031] Obwohl der Inhalt der vorliegenden Erfindung durch die obigen bevorzugten Ausführungsformen im Detail beschrieben wurde, sollte erkannt werden, dass die obige Beschreibung nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden soll. Verschiedene Modifikationen und Ergänzungen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann nach dem Lesen der obigen Inhalte offensichtlich. Daher ist der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung durch die beigefügten Ansprüche begrenzt.
Patentansprüche
Claims (3)
1. Verfahren zur Bestimmung eines einem transienten Zylinderinnendrucks eines Motors entsprechenden KurbelwellenDrehwinkels unabhängig von einem Drehgeber, umfassend die folgenden Schritte:
Schritt S1: Berechnen eines Kurbelwellen-Drehwinkels φ0, der einem maximalen Wert eines Druckanstiegs im Kompressionsprozess entspricht, basierend auf Strukturparametern des Motors;
Schritt S2: Bestimmen einer Zeitabtastfrequenz f des transienten Zylinderinnendrucks;
Schritt S3: Messen und Aufzeichnen des transienten Zylinderinnendrucks gemäss der Zeitabtastfrequenz f, und Berechnen des Druckanstiegs basierend auf dem gemessenen transienten Zylinderinnendruck;
Schritt S4: Finden des Maximalwerts des Druckanstiegs während des Kompressionsprozesses aus der Kurve des berechneten Druckanstiegs, wobei der Zeitabtastpunkt, an dem der Maximalwert liegt, dem Kurbelwellen-Drehwinkel <p0 entspricht; und
Schritt S5: Wellen-Kodieren aller transienten Zylinderinnendrucke basierend auf dem Kurbelwellen-Drehwinkel φ0, wobei schliesslich die Variation des transienten Zylinderinnendrucks P in Abhängigkeit des Kurbelwellen-Drehwinkels φ erhalten wird, sodass kein Drehgeber bei dem Prozess benutzt wurde.
2. Verfahren zur Bestimmung eines einem transienten Zylinderinnendruck von Motoren entsprechenden KurbelwellenDrehwinkels unabhängig von einem Drehgeber nach Anspruch 1, wobei der Schritt S1 spezifisch die folgenden Schritte umfasst:
Annähern des Kompressionsprozesses eines Hubkolben-Verbrennungsmotors an den adiabatischen Prozess eines geschlossenen Systems, und Annähern der Luft im Zylinder an ein ideales Gas, dann Erstellen einer Gleichung (1) basierend auf diesen Annahmen:
K p = — vy (1) wobei P der transiente Zylinderinnendruck ist, V das transiente Volumen des Zylinders ist, ydas spezifische Wärmeverhältnis ist, K eine Konstante ist, und P und V beide Funktionen des Kurbelwellen-Drehwinkels <p sind;
Ableiten nach dem Kurbelwellen-Drehwinkel φ auf beiden Seiten der Gleichung (1), woraus folgt:
dP dcp
Κγ dV (2) setzen, sodass Gleichung (2) geschrieben werden kann als:
Κγ yf+l (3);
Berechnen des Maximalwerts des Druckanstiegs während des Kompressionsprozesses, nämlich Auswerten des Maximalwerts in der Gleichung (3); R' = 0 setzen;
nämlich, (6)
Erhalten einer Gleichung in der Gleichung (5), ί(φ) = y = ’P.
π/fS
180
8 x 180 wobei D ein Motorzylinderdurchmesser ist, S ein Kolbenhub ist, ε ein Kompressionsverhältnis des Motors ist, und 1 - f das Verhältnis des Kurbelwellenradius r zur Pleuelstangenlänge L ist; und
Einfügen der Ausdrücke (6) und (7) in die Gleichung (5), sodass eine Gleichung um φ erhalten wird, wobei durch direktes Lösen oder indirektes Lösen dieser Gleichung der Kurbelwellen-Drehwinkel φ0, der dem maximalen Wert des Druckanstiegs in dem Kompressionsprozess entspricht, erhalten wird.
3. Verfahren zur Bestimmung eines einem transienten Zylinderinnendruck von Motoren entsprechenden KurbelwellenDrehwinkels unabhängig von einem Drehgeber nach Anspruch 2, wobei die indirekte Lösung der Gleichung (5) in dem Schritt S1 nachstehend angegeben ist:
T = Kz'(ç?)-(/ + 1)z2(Ç9) (8) setzen; und
Einfügen der Gleichungen (6) und (7) in die Gleichung (8), wobei T eine Funktion von φ ist, sodass eine Kurve der Änderung von T mit dem Kurbelwellen-Drehwinkel φ erhalten wird, und ein Schnittpunkt der Kurve mit der geraden Linie T = 0 während des Kompressionsprozesses die Lösung der Gleichung (5) darstellt.
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