DE19504098A1 - Continuous determination of inner pressure curve of piston engine esp. IC engine - Google Patents

Abstract

The results obtained are so processed in steps across a mathematical correction and standardising model working in conjunction with a computer. That a signal curve is derived, equivalent to the inner pressure curve of the IC engine. The inner pressure curve is detected at the same time with the reacting displacement, speed or acceleration signal, for the single calibration of a correction model. Also with the use of the inner pressure curve, as an excitation variable across a discrete transient analyser, describing the component system, the theoretical movement course of the components is determined. So that as a result a computed displacement, speed or acceleration signal free of outside interference influences, is given.

Description

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur kombinierten meßtechnischen und rechnerischen Bestimmung des Innendruckverlaufs in Kolbenmaschinen speziell des Verbrennungsdruckverlaufs von Verbrennungskraftmaschinen.The invention relates to a method for combined measurement and mathematical determination of the internal pressure curve in piston machines especially the Combustion pressure curve of internal combustion engines.

Stand der TechnikState of the art

Zur Innendruckermittlung von Verbrennungskraftmaschinen werden meist Druckauf­ nehmer verwendet, die den direkten Prozeßgrößen Prozeßdruck, -temperatur ausge­ setzt sind. Dabei kommen mechanische Indikatorschreiber mit manueller Auswertung des analogen Meßsignals und piezoelektrische Druckaufnehmer zur Anwendung.Pressure is usually used to determine the internal pressure of internal combustion engines uses the direct process variables process pressure, temperature sets are. Mechanical indicator writers come with manual evaluation of the analog measurement signal and piezoelectric pressure transducers for use.

Diese direkten Meßverfahren sind mehr oder weniger starken Fehlereinflüssen unter­ legen. Wesentliche Fehlerursachen sind die auftretenden hohen ther­ misch/mechanischen Belastungen der Sensorik sowie die Gassäulenschwingungen in den Meßkanälen.These direct measuring methods are more or less influenced by errors lay. The main causes of errors are the high ther mixed / mechanical loads on the sensors as well as the gas column vibrations in the measuring channels.

Weiterhin sind nachfolgend beschriebene indirekte Meßverfahren bekannt, bei denen Signale auf Außenflächen, auf und an Einzelbauteilen des Motors gemessen werden, mit denen auf den Zylinderdruck geschlossen werden kann.Furthermore, indirect measurement methods described below are known in which Signals on external surfaces, on and on individual components of the engine are measured, which can be used to infer the cylinder pressure.

Ein Verfahren nutzt die Kraftmessung zwischen Zylinderkopf und Mutter der Dehn­ schraube als Maß für die dem Zylinderdruck proportionale Dehnung der Dehn­ schraube. Für Einzylinderdieselmotoren ergibt die Messung der Drehungleichförmig­ keit gemessen am freien Ende der Kurbelwelle, den Zeitpunkt und die Größenordnung der Momenteinwirkung des Kolbens auf die Kurbelwelle. Das erforderliche Dreh­ schwingungssystems ist mathematisch beschreibbar. Die erzielte Genauigkeit der Zy­ linderdruckberechnung aus dem Kurbelwellengeschwindigkeitssignal soll der des mit einem ungekühlten Drucksensor gemessenen Zylinderdrucks entsprechen. Aufgrund der Kompliziertheit des Drehschwingungssystems von Mehrzylindermotoren ist dieses sehr schwer mathematisch zu beschreiben, so daß keine eindeutige Größenzuordnung oder eingebrachten Momente zu den entsprechenden Zylindern möglich ist. Bei einem beschriebenen Verfahren wird auf dem Zylinderkopf ein Aufnehmer zur Messung der Beschleunigung in Richtung der Zylinderachse angeordnet und der Zy­ linderdruckverlauf mit Hilfe einer Auswerteelektronik und einem Masse-Dämpfung- Elastizität-Modell aus dem gemessenen Beschleunigungsmodell ermittelt. Dabei kommt ein Zweimassenmodell zur Anwendung, dessen Zeitverhalten durch Differen­ tialgleichungen beschrieben wird. Dabei wird die dem Zylinderdruck proportionale Gaskraft als Eingangsfunktion verwendet und die Beschleunigung als Systemausgang berechnet. Anschließend wird das gemessene Beschleunigungssignal mit dem Berech­ nungsergebnis verglichen und über iterative Änderungen der Modellparameter ange­ paßt. Die nachfolgende Lösung des so geänderten Bewegungsdifferentialgleichungs­ systems ergibt ein in großen Drucksteigerungsbereichen vergleichbare Signalverläufe.One method uses the force measurement between the cylinder head and the nut of the strain screw as a measure of the expansion of the expansion proportional to the cylinder pressure screw. For single cylinder diesel engines, the measurement of the speed measured at the free end of the crankshaft, the time and the magnitude the momentary action of the piston on the crankshaft. The necessary spin vibration system is mathematically describable. The achieved accuracy of the Zy Calculating the pressure from the crankshaft speed signal should be that of the correspond to an uncooled pressure sensor measured cylinder pressure. Because of the complexity of the torsional vibration system of multi-cylinder engines is this very difficult to describe mathematically, so that no clear size assignment or introduced moments to the corresponding cylinders is possible. In one method described, a pickup is placed on the cylinder head Measurement of the acceleration arranged in the direction of the cylinder axis and the Zy linder pressure course with the help of evaluation electronics and a mass damping  Elasticity model determined from the measured acceleration model. Here a two-mass model is used, the time behavior of which is due to differences tial equations is described. The cylinder pressure is proportional Gas force is used as an input function and acceleration as a system output calculated. Then the measured acceleration signal is calculated result and compared iterative changes in the model parameters fits. The following solution of the motion differential equation so modified systems results in a signal curve comparable in large pressure increase areas.

In einem weiteren Verfahren, das auf das auf der Motoroberfläche gemessene Be­ schleunigungssignal zurückgreift, wird eine Übertragungsfunktion zwischen dem ge­ messenen Beschleunigungssignal und dem Zylinderdruckverlauf ermittelt. Mit Hilfe der Fast Fourier Transformation werden die zeitgefensterten Beschleunigungssignale in den Frequenzbereich überführt. Aus einem Kreuzleistungsspektrum des Verbren­ nungsdrucksignals und dem Beschleunigungssignals der brennraumumschließenden Bauteile und dem Autoleistungsspektrum des Verbrennungsdruckverlaufs läßt sich dann die Übertragungsfunktion ermitteln. Das Verfahren wird in unterschiedlichen Last- und Drehzahlbereichen wiederholt und die einzelnen Übertragungsfunktionen werden mit einer Kohärenzfunktion gewichtet und gemittelt. Dabei wird davon ausgegangen, daß die ermittelte Gesamtübertragungsfunktion unabhängig vom Last- und Drehzahlbereich anwendbar ist. Ergebnisse brachte dieses Verfahren nur in einem begrenzten Kurbelwinkelbereich, im speziellen in der Hochdruckphase des Verbrennungsprozeß. In a further method, which is based on the Be uses acceleration signal, a transfer function between the ge measured acceleration signal and the cylinder pressure curve determined. With help the Fast Fourier Transformation are the time-windowed acceleration signals transferred to the frequency domain. From a cross-performance spectrum of burning pressure signal and the acceleration signal of the combustion chamber enclosing Components and the auto performance spectrum of the combustion pressure curve can be then determine the transfer function. The process is different Repeated load and speed ranges and the individual transfer functions are weighted and averaged using a coherence function. In doing so assumed that the total transfer function determined is independent of the load and speed range is applicable. This procedure brought results in only one limited crank angle range, especially in the high pressure phase of the Combustion process.  

Ziel der ErfindungAim of the invention

Ziel beim Einsatz von Meßverfahren zur Zylinderdruckanalyse in Verbrennungskraft­ maschinen ist es, dem Betreiber permanent Aussagen in einer hohen Genauigkeit und mit geringer Fehlerbehaftung über den Verbrennungsablauf in dem für die Verbren­ nungsgüte relevanten Kurbelwinkelbereich über den Verbrennungsablauf und die sich daraus ergebenden Anlagenparameter zur Verfügung zu stellen. Dies können die di­ rekten Meßverfahren auch bei Kompensation der aufgeführten Fehlereinflüsse mit vertretbarem Kostenaufwand nicht leisten. Deshalb werden bei vorliegender Erfindung indirekt erfaßbare Meßgrößen genutzt und deren Abhängigkeit zum Zylinderdruck physikalisch/mathematisch beschrieben.Aim when using measuring methods for cylinder pressure analysis in internal combustion machines is to provide the operator with permanent, high-precision statements with little error about the combustion process in the for the combustion relevant crank angle range about the combustion process and the to provide the resulting system parameters. The di right measurement method even with compensation of the listed error influences not afford reasonable costs. Therefore, in the present invention indirectly measurable measurands and their dependence on cylinder pressure described physically / mathematically.

AusführungsbeispielEmbodiment

Es wird deshalb vorgeschlagen, an einem ungestörten Motor an den brennraumum- schließenden Bauteilen einen Aufnehmer zur Messung von Beschleunigungs-, Ge­ schwindigkeits- oder Wegsignalen, anzuordnen und zu einer Meßkette, die der Über­ tragung und Aufbereitung der Signale dient, zu verknüpfen.It is therefore proposed that a sensor for measuring acceleration, Ge speed or path signals, to arrange and to an electrode, which the over serves to link and process the signals.

Zur Inbetriebnahme oder Neueinstellung der Meßeinrichtung, ist neben einem lastpunktabhängigen Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- oder Wegsignal, dem lastpunktabhängigen Spülluftdruck, ein lastpunktabhängiger Zylinderdruck vorzuge­ ben oder ein lastpunktabhängiger Zylinderdruck zu messen.To start up or readjust the measuring device, is next to a load-point-dependent acceleration, speed or displacement signal, the load point-dependent purge air pressure, a load point-dependent cylinder pressure ben or to measure a load point dependent cylinder pressure.

Mit Hilfe eines einfachen Feder-Masse-Dämpfer-Modells für die brennraumumschlie­ ßenden Bauteile wird aus einem vorgegebenen oder gemessenen Zylinderdruckverlauf ein Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- oder Wegsignal berechnet und als Ver­ gleichskriterium für, in äquivalenten Betriebspunkten, gemessene Beschleunigungs- Geschwindigkeits- oder Wegsignale an brennraumumschließenden Bauteilen herange­ zogen. Die gemessenen Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- oder Wegsignale wer­ den mit den aus den Zylinderdruckverlauf errechneten Beschleunigungs-, Geschwin­ digkeits- oder Wegsignalen nach einer Fourierreihenentwicklung (n-ter Ordnung) mit ihren Amplituden und Phasenwinkeln in der komplexen Zahlenebene zu einer Korrek­ turtabelle verknüpft. Diese Korrekturtabelle beschreibt die äußeren Einflußfaktoren, die auf das Systemverhalten der brennraumumschließenden Bauteile wirken. Mit Hilfe der als Übertragungsfunktion wirkenden Korrekturtabelle können nachfolgend an brennraumumschließenden Bauteilen gemessene Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- oder Wegsignal in dem Zylinderdruck proportionale Signale umgewandelt werden.With the help of a simple spring-mass damper model for the combustion chamber enclosure Eating components is from a predetermined or measured cylinder pressure curve an acceleration, speed or displacement signal calculated and as Ver same criterion for, measured in equivalent operating points, acceleration Speed or distance signals on components surrounding the combustion chamber pulled. The measured acceleration, speed or distance signals with the acceleration, speed calculated from the cylinder pressure curve intensity or path signals after a Fourier series development (nth order) with their amplitudes and phase angles in the complex number plane to a correction door table linked. This correction table describes the external influencing factors,  that affect the system behavior of the components surrounding the combustion chamber. With help the correction table acting as a transfer function can be found below acceleration, speed, or path signal in the cylinder pressure proportional signals are converted.

Anschließend ist das Signal mit Hilfe von Stützstellen, die aus dem lastpunktabhängigen Spülluftdruck und aus dem vorgegebenen oder gemessenen lastpunktproportionalen Zylinderdruckverlauf gewonnen werden, die noch nicht oder nicht mehr durch den Verbrennungsprozeß beeinflußt werden, in den Zylinderdruck­ verlauf umzuwandeln.Then the signal is generated with the help of support points load point-dependent purge air pressure and from the specified or measured Cylinder pressure curve proportional to the load point, which have not yet or no longer affected by the combustion process, in the cylinder pressure convert course.

Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Bilder erläutert.The invention is illustrated by the following pictures.

Aus Fig. 1 ist der Bearbeitungsablauf ersichtlich. Er stellt schematisch die einzelnen Bearbeitungsschritte dar, die notwendig sind, um aus einem gemessenen Beschleuni­ gungs-, Geschwindigkeits- oder Wegverlauf einen Zylinderdruckverlauf zu berechnen.The processing sequence can be seen from FIG. 1. It schematically represents the individual processing steps that are necessary to calculate a cylinder pressure curve from a measured acceleration, speed or displacement curve.

Fig. 2 zeigt das Feder-Masse-Dämpfer-System der brennraumschließenden Bauteile mit 4 Freiheitsgraden zur Berechnung eines theoretischen Beschleunigungs-, Ge­ schwindigkeits- oder Wegsignals. Fig. 2 shows the spring-mass damper system of the combustion chamber closing components with 4 degrees of freedom for calculating a theoretical acceleration, Ge speed or displacement signal.

Fig. 3 stellt den an den brennraumumschließenden Bauteilen gemessenen Beschleuni­ gungsverlauf dar. Fig. 3 shows the acceleration curve measured on the components surrounding the combustion chamber.

Fig. 4 stellt einen zeitgleich zum Beschleunigungssignal (Fig. 3) gemessenen oder ent­ sprechend dem eingestellten Lastpunkt des Motors vorgegebenen Zylinderdruckver­ lauf dar. Fig. 4 shows a simultaneous to the acceleration signal ( Fig. 3) measured or accordingly the set load point of the engine predetermined cylinder pressure curve.

Fig. 5 zeigt das Berechnungsergebnis (Beschleunigung) des mit dem in Fig. 4 darge­ stellten Zylinderdrucksignals angeregten Feder-Masse-Dämpfer-Systems (Fig. 2). Fig. 5 shows the calculation result (acceleration) of the spring-mass damper system ( Fig. 2) excited with the cylinder pressure signal shown in Fig. 4 Darge ( Fig. 2).

Fig. 6 stellt das Berechnungsergebnis des vorgestellten Verfahrens zur Bestimmung des Zylinderdruckes aus einem gemessenen Beschleunigungs- Geschwindigkeits- oder Wegsignal dar. Fig. 6 illustrates the result of calculation is of the presented method for the determination of cylinder pressure from a measured acceleration velocity or displacement signal.

Claims (4)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung des Innendruckverlaufs einer Kolben­ maschine, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine, durch indirekte meß­ technische Erfassung von Bewegungsgrößen brennraumumschließender Bauteile gekennzeichnet dadurch, daß direkt oder berührungslos an der Außenseite der brennraumumschließenden Bauteile wirkende Beschleunigungen, Geschwindigkeiten oder Wege meßtechnisch erfaßt und über ein in einem Rechner mitlaufendes mathematischen Korrektur- und Normierungsmodell so bearbeitet werden, daß ein dem Innendruckverlauf äquivalenter Signalverlauf abgeleitet wird.1. A method for the continuous determination of the internal pressure curve of a piston machine, in particular an internal combustion engine, characterized by indirect measurement of movement quantities of combustion chamber-surrounding components, characterized in that accelerations, speeds or paths acting directly or contactlessly on the outside of the combustion chamber-surrounding components are measured and measured via an in a mathematical correction and normalization model running along with a computer are processed in such a way that a signal curve equivalent to the internal pressure curve is derived. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur einmaligen Kalibrierung eines Korrekturmodells der Innendruckverlauf zeitgleich mit dem wirkenden Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssignal erfaßt wird und unter Verwendung des Innendruckverlaufs als Erregergröße über ein das Bauteil­ system beschreibendes diskretes Schwingungsmodell der theoretische Bewegungs­ ablauf der Bauteile bestimmt wird, so daß sich im Ergebnis ein berechnetes, von äußeren Störeinflüssen freies Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssignal ergibt.2. The method according to claim 1, characterized in that for one time Calibration of a correction model of the internal pressure curve at the same time as the acting path, speed or acceleration signal is detected and using the internal pressure curve as the exciter variable over the component system descriptive discrete vibration model of the theoretical movement sequence of the components is determined so that the result is a calculated, of external interference, free path, speed or acceleration signal results. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene sowie das mit Hilfe des diskreten Schwingungsmodells berechnete Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssignal mit Hilfe der Fourieranalyse in vereinfachte Weg-, Ge­ schwindigkeits- oder Beschleunigungssignal überführt werden und durch den Ver­ gleich der Fourierkoeffizienten aus gemessenem und berechnetem Weg-, Ge­ schwindigkeits- oder Beschleunigungssignal ein Korrekturmodell erstellt wird, das die äußerer Störeinflüsse auf das gemessene Signal beschreibt.3. The method according to claim 1, characterized in that the measured and the with the help of the discrete vibration model, distance, speed or acceleration signal with the help of Fourier analysis in simplified path, Ge  speed or acceleration signal are transferred and by the Ver equal to the Fourier coefficient from the measured and calculated path, Ge speed or acceleration signal, a correction model is created that describes the external interference on the measured signal. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vereinfachte korrigierte Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssignal unter Verwendung bekannter, lastpunktabhängig konstanter Innendruckparameter in ein dem Innendruck äquivalentes Signal überführt wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the simplified corrected distance, speed or acceleration signal below Use of known, pressure point-dependent constant internal pressure parameters in one the signal equivalent to the internal pressure is transferred.