DE3138978A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen von schwankungen des indizierten mittleren arbeitsdrucks einer maschine - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum messen von schwankungen des indizierten mittleren arbeitsdrucks einer maschineInfo
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Description
GO -': :.. :*..:. I-■ ": Dipl.-Ing. H. Tiedtke
-- — ·- —· Dipl.-Chem. G.Bühling
Dipl.-Ing. R. Kinne
Dipl.-Ing. P. Grupe _lj ^ Dipl.-Ing. B. Pellmann
Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2
J lU^//© Tel.:089-539653
Telex: 5-24845 tipat cable: Germaniapatent München
30. September 1981 DE 1549 / case FP-5262-DE11
Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha
Toyota-shi / Japan
Verfahren und Vorrichtung zum.Messen von Schwankungen des
indizierten mittleren Arbeitsdrucks einer Maschine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen von Schwankungen des angezeigten bzw. indizierten mittleren Arbeitsdruck
einer Maschine sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf ein Verfahren zum Messen von Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks einer Brennkraftmaschine
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die geeignet sind zum Messen der Verbrennungsgleichmäßigkeit bzw.
VerbrennungsStabilität (Gleichmäßigkeit der Arbeit je Arbeitsspiel)
eines jeden Zylinders in einer Mehrzylindermaschine für ein Kraftfahrzeug.
in den zurückliegenden Jahren ist die Notwendigkeit deutlich
Deutsche Sank (München! Kto. 51/6T 070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804
• · · · οι
• ·
"■
DE' 1-349
geworden, den Kraftstoffverbrauch von Brennkraftmaschinen
für Kraftfahrzeuge zu verringern, weil die Erschöpfung der Energiequellen voraussehbar ist. Aus diesem Grund ist versucht
worden, Maßnahmen zur Verbesserung der Verbrennung, zur Verringerung der Reibung usw. zu entwickeln, und einige dieser
Maßnahmen sind bis zur praktischen Anwendung gelangt. Als eine dieser Verbesserungsmaßnahmen ist versucht worden,die
Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine auf einen niedrigen
Wert festzulegen. Eine verringerte Leerlaufdrehzahl erhöht
jedoch die Neigung zu Schwingungen und Vibrationen der Brennkraftmaschine, so daß dem Fahrer ein störendes Gefühl vermittelt wird und die im Getriebe und dergleichen erzeugten Geräusche
stärker werden. Daraus ergibt sich, daß das wichtigste Problem bei der Herabsetzung der Leerlaufdrehzahl auf einen
niedrigen Wert darin besteht, die Stabilität der Brennkraftmaschine zu verbessern, d.h. die Schwankungen der Arbeit
je Arbeitsspiel zu verbessern bzw. zu verringern.
Um die Schwankungen des indizierten bzw. angezeigten mittleren
Arbeitsdrucks Pi einer Mehrzylindermaschine, die die Verbrennungsstabilität je Zylinder der Brennkraftmaschine anzeigen,
d.h. die Stabilität der Arbeit je Arbeitsspiel, zu messen, wurden bisher jedoch nicht nur Druckindikatoren benötigt,
die an den einzelnen Zylindern angebracht werden mußten (weil der indizierte mittlere Arbeitsdruck Pi bisher aus einem Indikatordiagramm
gewonnen wurde), sondern wurde ferner eine schnelle Datenverarbeitungsanlage mit hoher Speicherkapazität
zur statistischen Verarbeitung von Mehrzylinder-Indikatordiagrammen benötigt. Aus diesem Grund waren die Herstellungskosten
der Meßvorrichtung sehr hoch, war die Handhabung und Bedienung der Meßvorrichtung mühsam und war es schwierig, eine
einfache Messung der Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks durchzuführen.
Andererseits werden bisweilen Vorrichtungen zur makroskopi-
schen Untersuchung der LeerlaufStabilität benutzt. Dazu gehören
beispielsweise Vorrichtungen zum Messen der Ab- und Zunahme der mittleren Drehzahl sowie der Schwingungsbreite und
der Schwingungsbeschleunigunq der Brennkraftmaschine. Diese Größen stehen jedoch nicht in ausschließlicher Beziehung zur
Streuung der Drehzahl aufgrund der Streuung bzw. Schwankungen der Verbrennung. Vielmehr können lediglich oberflächliche
Größen erfaßt werden, die der Beeinflussung durch die Motoraufhängung
usw., die die Brennkraftmaschine trägt, ausgesetzt gewesen sind, so daß die Nachteile bestehen, daß die gemessenen
Werte geringe physikalische Aussagekraft haben und daß
ferner Messungen der einzelnen Zylinder nicht durchgeführt werden können.
Mit der Erfindung wird die Behebung der Nachteile des Standes der Technik angestrebt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zum Messen von Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks bei einer Brennkraftmaschine sowie
eine Vorrichtung dazu zu schaffen, wobei es die Anbringung.
eines kleinen Drehzahlfühlers am vorderen Ende der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ermöglichen soll, auf einfache Weise
die Stabilität für die einzelnen Zylinder, d.h. die Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks, zu messen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Messen von Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks einer Maschine, bei dem Änderungen der Drehzahl der
Maschine erfaßt werden, eine Abweichung des mittleren Drucks aus diesen Änderungen der Drehzahl berechnet wird und eine
hohe Korrelation bzw. gegenseitige Abhängigkeit zwischen der Abweichung des mittleren Drucks und der Abweichung des indizierten
mittleren Arbeitsdrucks oder zwischen den unverzerrten Varianzen des ersteren und des letzteren dazu ausgenutzt
wird, die Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks zu erhalten. Das vorstehend genannte Ziel kann dadurch erreicht
♦· *·' ·· -' *be" 1-549
werden» >
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen von Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks einer Maschine zeich-.
net sich dadurch aus, daß eine Anzahl von Impulssignalen, die je Einheit des Kurbelwellenwxnkels der Maschine erzeugt werden,
mittels eines Kurbelwinkelfühlers erfaßt werden, daß Zeitintervalle, von denen jedes der auf diese Weise gewonnenen Anzahl
von Impulssignalen entspricht, mit Hilfe von Zählern abwechselnd ausgezählt werden, daß Änderungen der Drehzahl der Maschine
auf der Grundlage der Ausgänge der Zähler berechnet werden.und daß eine Abweichung des mittleren Drucks aus den
Änderungen der Drehzahl der Maschine berechnet wird, wobei eine hohe Korrelation zwischen der Abweichung des mittleren
Drucks und der Abweichung des indizierten mittleren Arbeitsdrucks oder zwischen den unverzerrten Varianzen des ersteren
und des letzteren dazu benutzt wird, die Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks zu erhalten, so daß eine Lösung
der vorstehend genannten Aufgabe erreicht ist.
Die Erfindung ermöglicht es somit, daß ohne Anbringung von
Druckindikatoren an den einzelnen Zylindern und ohne Verwendung einer schnellen Datenverarbeitungsanlage mit hoher Speicherkapazität
leicht die Stabilität der einzelnen Zylinder, d.h. die Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks,
gemessen werden können, wobei zu diesem Zweck lediglich ein klein dimensionierter Drehzahlfühler am vorderen Ende einer
Kurbelwelle der Maschine angebracht wird. Es können somit Fehler diagnostiziert werden, indem herausgefunden wird, in
welchen der Zylinder die Verbrennung befriedigend ist und in welchen der Zylinder dies nicht der Fall ist, so daß die Erfindung
den beachtlichen Vorteil mit sich bringt, daß die LeerlaufStabilität derart verbessert werden kann, daß der
Kraftstoffverbrauch durch Senkung der Leerlaufdrehzahl verringert werden kann.
-J9-- " *
OE T5*49
Weitere Merkmale und» Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispieien unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen
gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
Figur 1 Diagramme, die den Verlauf der Drücke im Inneren
von Zylindern in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel·, den Verlauf des indizierten Drehmoments
in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel, den Verlauf der Drehzahl in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel
sowie den Verlauf des Reibmoments in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel für eine Viertakt-Reihenvierzylindermaschine
mit gleichmäßigen Zündabständen zeigen;
Figur 2 Diagramme, die die Beziehung zwischen den Mittelwerten
der jeweiligen Arbeiten je Arbeitsspiel und den unverzerrten Varianzen (mittlere
quadratische Abweichungen) zeigen;
Figur 3 ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel·
einer Brennkraftmaschine wiedergibt, die mit einer Vorrichtung ausgerüstet ist, die zur Durchführung
des erfindungsgemäSen Verfahrens zum
Messen von Schwankungen des indizierten mittle
ren Arbeitsdrucks einer Maschine geeignet ist;
Figur 4 einen Längsschnitt durch einen .Kurbelwinkeifühler,
der beim genannten Ausführungsbeispiel 0 der Vorrichtung zur Anwendung kommt;
Figur 5 eine Vorderansicht, die einen Abschnitt einer
Scheibe des KurbelWinkeiful^ers zeigt;
Figur 6 ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Genauig-
- *Q-~ ■ Dt: Τ5'49
-3 -
keitsuntersuchung des Kurbelwinkelfühlers wiedergibt;
Figur 7 ein Diagramm, das an verschiedenen Stellen der vorstehend erwähnten Ausfuhrungsform der
Vorrichtung auftretende Signale zeigt;
Figur 8 ein Diagramm, das die Korrelation zwischen den
aus den Änderungen der Drehzahl berechneten
mittleren Drücken und den aus Indikatordiagram
men wie beim Stand der Technik berechneten indizierten mittleren Arbeitsdrücken zeigt;
Figur 9 ein Diagramm, das die Korrelation zwischen den mittleren Drücken und den unverzerrten Varian
zen der indizierten mittleren Arbeitsdrücke
für eine Vierzylindermaschine zeigt;
für eine Vierzylindermaschine zeigt;
Figur 10 ein Diagramm, das die Änderungen des Korrelationskoeffizienten
zwischen dem indizierten
mittleren Arbeitsdruck und dem mittleren Druck für den Fall zeigt, daß die mittlere Drehzahl
der Brennkraftmaschine geändert wird;
Figur 11 ein Diagramm, das einen Vergleich zwischen
den Fehlzündungsraten wiedergibt, die zum
einen aus dem indizierten mittleren Arbeitsdruck und zum anderen aus dem mittleren Druck berechnet wurden; und
einen aus dem indizierten mittleren Arbeitsdruck und zum anderen aus dem mittleren Druck berechnet wurden; und
Figur 12 ein Diagramm, das die Korrelation zwischen.
den mittleren Drücken und den unverzerrten
Varianzen der indizierten mittleren Arbeitsdrücke bei einer Sechszylindermaschine wieder- gibt.
Varianzen der indizierten mittleren Arbeitsdrücke bei einer Sechszylindermaschine wieder- gibt.
-JA- - *'" "- -■' - DE* 1-549
Im folgenden wird das Prinzip der Erfindung erläutert. Zunächst werden Gleichungen untersucht, die in Beziehung zum
angezeigten bzw. indizierten mittleren Arbeitsdruck einer Brennkraftmaschine stehen, die als Viertakt-Reihenvierzylindermaschine
mit Zündung in regelmäßigen Abständen ausgebildet ist. Figur 1 ist ein Diagramm, das die Änderungen bzw.
den Verlauf des Druckes P_ im Inneren der einzelnen Zylinder (z gibt die Zylindernummer an), des indizierten Momentes T. ,
der Drehzahl W der Brennkraftmaschine sowie des Reibmomentes
Tj. in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel θ bei einer Brennkraftmaschine
in Viertakt-Vierzylinderreihenbauart mit Zündungen in regelmäßigen Abständen wiedergibt. Die Zündfolge der
Brennkraftmaschine ist Nr. 3, Nr. 4, Nr. 2 und Nr. 1 (in
den Figuren ist für "Nr." das Zeichen "#" gesetzt), und die
Brennkraftmaschine wird mit einer mittleren Drehzahl von
_ -ι
600 min , einem mittleren Luft-Kraftstoff-Verhältnis von
13 sowie einem Zündzeitpunkt 5° vor oT betrieben.
Das Reibmoment T^ ist auf folgende Weise erhalten worden.
Wenn angenommen wird, daß die Kurbelwelle ein starrer Körper ist, gilt die folgende Beziehung zwischen der Trägheitskraft
der Brennkraftmaschine und dem indizierten Moment T..
τ — = φ _ φ _ φ ι -ι)
Darin sind I das Trägheitsmoment der Brennkraftmaschine und T das Bremsmoment.
Ferner kann das indizierte Moment T. einer Mehrzylindermaschine
aus den Drücken P in den Zylindern sowie den Kolbenträgheitskräften,
die an den Kolben der einzelnen Zylinder wirken, berechnet werden, wie dies die folgende Gleichung
angibt.
T1- Ϊ (P, -H £Ie>
^S. (2.)
1 z=1 ZAg dfc2 dQ
--**-- " ** öfc T5*9
-Aft ~
Darin sind m die Anzahl der Zylinder, A die Querschnittsfläche des einzelnen Kolbens, g die Erdbeschleunigung sowie
V das Volumen des Zylinders mit der Zylindernummer ζ.
Schließlich kann das Reibmoment Tf aus den Gleichungen (1)
und (2) berechnet werden und durch folgende Gleichung wiedergegeben
werden.
m λ
z=1 g de2
φ τ d<J
Das Bremsmoment T kann unter der Annahme eines Gleichgewichtsfahrzustandes
des Fahrzeuges und einer Konstantstromsteuerung eines Gleichstromleistungsmessers als konstanter
Wert angesehen werden, so daß es auf einfache Weise als vom Gleichstromleistungsmesser oder dergleichen angezeigter Wert
erhalten werden kann.
Wenn die Drücke P. bis P aller Zylinder sowie die Drehzahl
6J in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel θ nacheinander für die
rechte Seite von Gleichung (3) gemessen werden, kann somit das Reibmoment berechnet werden. Auf diese Weise ist das in
Figur 1 gezeigte Reibmoment T^ erhalten worden.
Die maximalen Drehzahlen U) und die Drehzahl (ύ am oberen
max c
Totpunkt des Verdichtungstaktes sind jeweils der Zylindernummer des sich im Expansionstakt befindenden Zylinders zugeordnet,
wie dies Figur 1 zeigt, und beispielsweise wird die maximaU? Drehzahl aJ . und die Drehzahl u) am obernn Totmax
ι el
punkt beim Verdichtungstakt erhalten. Bei einer Vierzylinr
dermaschine ist diese Drehzahl GJ am oberen Totpunkt des
Verdichtungstaktes in ihrem Wert praktisch identisch mit dur mlniinuJcn Ui ehzahl Λ) . . Ferner üind die mit tiere Takt-
min
. drehzahl uJm und das Drehzahländerungsverhältnis D in Bezie-
-/3L-
hung zur maximalen Drehzahl und zur Drehzahl am oberen Tot punkt beim Verdichtungstakt gesetzt. Beispielsweise für
(j 1 und U -. werden die folgenden Gleichungen erhalten.
= (Wmax1
D13 = .(
Wenn beide Seiten von Gleichung (1) integriert werden von θ = 0° bis θ ., d.h. wenn der Expansionstakt (Θ = 0 bis 180°)
des Zylinders Nr. 1 betrachtet wird, und D.,.. gesucht wird, ergibt
sich folgende Gleichung (Θ ist der Kurbelwinkel).
0
Wenn beide Seiten von Gleichung (1) integriert werden von
θ = θ ω 1 bis 180° und D1-« gesucht wird, ergibt sich auf
entsprechende Weise folgende Gleichung.
- D13 = fl° (T1-T6-T^d9 ....(7)
Aus den beiden vorstehenden Gleichungen (6) und (7) wird
folgende Gleichung abgeleitet.
/ 180° (T. - T - T4.)άθ = ICD11U2IaII - D1, 6)*m1*3) .. (8)
An dieser Stelle werden die folgenden Symbole definiert. P 1 = 1/Vj1(D11W2IaII - D13fc)2m13) (9)
: mittlerer Druck, wie er aus den Änderungen der Drehzahl
wärend des Expansionstaktes des Zylinders Nr. 1 erhalten wird,
P Λ = /*180 T de/V, ........(18)
--4-4 - .ο _ "* DE Τί>*49
: mittlerer Nutzdruck während des Expansionstaktes des
Zylinders Nr. 1,
Pf1 = ·ζ!80° Tf de /Vh (10)
: mittlerer Reibungsdruck während des Expansionstaktes
des Zylinders Nr. 1,
Wez: Arbeit während des Expansionstaktes des Zylinders Nr. z,
TO Wxz: Arbeit während des AusstoQtaktes des Zylinders Nr. z,
Wcz: Arbeit während des Verdichtungstaktes des Zylinders Nr. z,
Wsz: Arbeit während des Saugtaktes des Zylinders Nr. z,
6Wx9 = Wx0 - Wx1: Differenz der Arbeit während des Aus-
^- im I
stoßtaktes zwischen den Zylindern Nr. 1
■ und Nr. 2,
5Wc_ = Wc3 - Wc1: Differenz der Arbeit während des Verdichtungstaktes
zwischen den Zylindern Nr. 1 und Nr. 3,
5Ws4 = Ws . - Ws1: Differenz der Arbeit während des Saugtaktes
zwischen den Zylindern Nr 1 und Nr.
Wenn beide Seiten obiger'Gleichung (2) integriert werden von
6=0° bis 180°, wird die Summe der integrierten Werte der Kolbenträgheitskräfte in allen vier Zylindern zu null. Wenn
25. beide Seiten durch den. Hubraum V, dividiert werden, ergeben sich ferner folgende Gleichungen
| / | 80° | Tid0/Vh | = ι | y.180° | PZdV2/ |
| 0 | z=1 | ° | |||
| = (We 1 -t | - Wx2 4 | - Wc3 + | Ws4) / | ||
| ■ = Pi1 + | (6Wx2 | + 5Wc 3 | + 5Ws4) |
= (We1 + Wx2 + Wc3 + Ws4) / Vh
h (11)
Wenn beide Seiten obiger Gleichung (8) durch den Hubraum
V, dividiert werden und Gleichung (1) sowie die definierten Symbole eingesetzt werden, ergibt sich folgende Gleichung.
D'E 1-549
Pil + (5Wx2 + 5Wc3 + 5Ws4) /Vh - Pel - Pf 1 =. Pf0I .....(12)
Hier werden die Schwankungen je Arbeitsspiel berücksichtigt. Lediglich die Arbeit We1 während des Expansionstaktes des
Zylinders Nr. 1 trägt zu den Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi1 bei, und der mittlere Reibungsdruck Pf1, die Arbeit Wx2 während des Ausstoßtaktes des Zylinders
Nr.2,die Arbeit Wx3 während des Verdichtungstaktes des Zylinders Nr. 3 und die Arbeit Ws4 während des Saugtaktes
des Zylinders Nr. 4 weisen sämtlich nur sehr geringe Schwankungen auf. Wenn angenommen wird,daß diese sehr geringen
Schwankungen vernachlässigt werden können, können 6Wx2, 5Wc3
und 6Ws4 als Konstantenangesehen werden. Ferner kann das Bremsmoment
Te im Gleichgewichtsfahrzustand des Fahrzeuges und bei Konstantstromsteuerung des Gleichstromleistungsmessers, wie
dies vorstehend erwähnt wurde, als konstanter Viert angesehen werden. Die durch folgende Gleichung (13) wiedergegebene Beziehung
gilt daher näherungsweise.
Pi1 - Pi1 = PCJ1 - Ρω1 ...(13)
Dies heißt, daß die Abweichung des indizierten mittleren Arbeitsdruckes
Pi1 je Arbeitsspiel gleich wird mit der Abweichung des mittleren Druckes P ω 1, der aus den Drehzahländerungen
erhalten wird. Da ferner die unverzerrte bzw. biasfreie Varianz (mittlere quadratische Abweichung) Vpü1 des indizierten
mittleren Arbeitsdruckes P(OI wiedergegeben werden kann
durch die unverzerrte Varianz (mittlere quadratische Abweichung) Vptoi des mittleren Druckes PÜ1 , gilt die Beziehung gemaß
folgender Gleichung,
V ρ i1 = V ptJ1 . . (14)
Die Berechnung für die Zylinder Nr. 2, Nr. 3 und Nr. 4 kann
ebenfalls entsprechend Gleichung (14) erfolgen. Für eine
- " -· -· - be -1549
Viertakt-Reihenvierziylindermaschine mit gleichmäßigen Zündabständen
gilt somit allgemein folgende Gleichung
V piz = Vp ω ζ (15)
Im folgenden wird die vorstehend gemachte Annahme untersucht.
Die unverzerrte Varianz (mittlere quadratische Abweichung) V ψ des mittleren Reibungsdruckes Pf der Zylinder
beträgt lediglich, wie Figur 2 zeigt, 2 bis 10 % der unver-
IQ zerrten Varianz (mittlere quadratische Abweichung) V ■ des
indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi. Außerdem betragen auch die unverzerrten Varianzen (mittlere quadratische Abweichungen)
Vwx, Vws und Vwc der jeweiligen Arbeit Wx, Ws und Wc während des Ausstoßens bzw. des Ansaugens bzw. der
Verdichtung lediglich 0,3 bis 3 % der unverzerrten Varianz (mittlere quadratische Abweichung) Vwe der Arbeit We während
des Expansionstaktes. Wenn in der obigen Gleichung (12) die
Annahme gemacht wird, daß Pf1, 5Wx2, 5Wc3 und 5Ws4 Konstanten
sind, sind demzufolge die daraus resultierenden Fehler gering.
Andererseits haben die Unterschiede beim Mittelwert Pi des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi und beim Mittelwert
Pf des mittleren Reibungsdruckes Pf während des Expansionstaktes zwischen den jeweiligen Zylindern den hohen Wert von
32 % bzw. 65 %. Da ferner die Unterschiede bei den Mittelwerten der Arbeiten während der jeweiligen Takte zwischen
den jeweiligen Zylindern groß sind, ist es schwierig, den Absolutwert des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi aus
obiger Gleichung (12) zu berechnen. Wenn jedoch der Mittelwert von den Schwankungen getrennt wird, kann die Differenz
des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi berechnet werden.
Im folgenden werden Gleichungen untersucht werden, die den indizierten mittleren Arbeitsdruck bei einer Brennkraftma-
- yi~- " " "'' ■-' "de rs-49
schine mit m Zylindern und regelmäßigen Zündabständen betreffen. Wenn bei einer Brennkraftmaschine mit m Zylindern
und regelmäßiger Verbrennung angenommen wird, daß die Zündfolge
z1,z2 ... zm ist und daß der Zündabstand
(Δθ(= 720°/m bei vier Takten und 360°/m bei zwei Takten)
ist, führen die obigen Gleichungen (6) und (7) zu folgenden Gleichungen . :
1 -θ (ύ maxzi
Dz1z1 = J Q (Ti-Te- Tf)d9 (6) '
Dz1z1 = J Q (Ti-Te- Tf)d9 (6) '
" ^. - Tf)d9 (7)·
Es gilt P(J z1 = I/Vh (Dz1zi6J2mz1z1 - Dz1z2<u2mz1z2) (9) '
Pez1 = £,Δ9 Te de/Vh (18)_·■
PfZ 1 = 0O θ Tf
Wkz = / a PzdVz (k = 1,2 m) (15)
(k-1) ΛΘ
6Wkz = Wkz - Wkz 1 .-■ (16)
Es kann dann Gleichung (12) durch folgende Gleichung ersetzt
werden.
m
Pi 1 +. V 5Wkz/V, - Pe1 - Pf 1 = Pn) 1 (12) '
Pi 1 +. V 5Wkz/V, - Pe1 - Pf 1 = Pn) 1 (12) '
Wenn angenommen wird, daß Pf1 und öWkz je Arbeitsspiel kleine
Schwankungen haben, die vernachlässigt werden können,
wird Gleichung (12) identisch mit Gleichung (13), und schließlich kann Gleichung (15) ganz allgemein für Brennkraftmaschinen
mit gleichmäßigen Zündabständen aufgestellt werden.
35
35
DE
Die vorliegende Erfindung basiert auf den vorstehend beschriebenen
Grundlagen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung
zum Messen der Schwankungen des indizierten bzw. angezeigten mittleren Arbeitsdruckes einer Brennkraftmaschine beschrieben,
wobei diese Vorrichtung erfindungsgemäß arbeitet. Wie
Figur 3 zeigt, umfaßt das Ausführungsbeispiel einen Kurbelwinkelfühler 12, der am vorderen Ende einer Kurbelwelle 10a
einer Brennkraftmaschine 10 vorgesehen ist, die beispielsweise als Viertakt-Reihenvierzylindermaschine ausgebildet
ist. Zwei Zähler 14 und 16 zum abwechselnden Zählen von Zeitintervallen, von denen jeder derjenigen Anzahl von Impulssignalen
(beispielsweise 100 Impulse) entspricht, die einem gegebenen Kurbelwinkel (beispielsweise 10°) entspricht,
wobei die Zählung in Abhängigkeit vom Ausgang des Kurbelwinkelfühlers 12 erfolgt und wobei die Zähler ausgangsseitig
ein das Ergebnis wiedergebendes Signal liefern, eine Rechenvorrichtung 18 zum Berechnen der Abweichung des
mittleren Druckes aus Änderungen der Drehzahl der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der
Zähler 14 und 16 sowie zum Berechnen von Schwankungen des
angezeigten bzw. indizierten mittleren Arbeitsdruckes auf der Grundlage der engen Korrelation zwischen der Abweichung
des mittleren Druckes und der Abweichung des indizierten mittleren Arbeitsdruckes oder auf der Grundlage der engen
Korrelation zwischen den unverzerrten Varianzen (mittlere quadratische Abweichungen) des indizierten mittleren Arbeitsdruckes sowie des mittleren Druckes sowie einen Drucker 20
zum Drucken der Ausgangsinformation der Rechenvorrichtung 18,
Wie dies ausführlicher die Figuren 4 und 5 zeigen, umfaßt
der Kurbelwinkelfühler 12 eine Scheibe 22, die an der Kurbelwelle 10a der Brennkraftmaschine 10 befestigt ist und
nahe ihrem äußeren Rand mit 3600 Schlitzen 22a zur Ermitt-
.1:549
lung des Kurbelwinkels (in Schritten von 0,1°) und einem
Schlitz 22b zur Ermittlung des oberen Totpunktes versehen ist, zwei Paare aus einer Leuchtdiode 24a und einer Fotodiode
26a, die in senkrechter Richtung derart fest angeordnet sind, daß die Scheibe 22 dazwischen angeordnet ist, und
die dazu dienen, den Durchgang eines Schlitzes 22a zu erfassen und dadurch den Kurbelwinkel zu messen, und zwei Paare
aus einer Leuchtdiode 24b sowie einer Fotodiode 26b, die in senkrechter Richtung fest derart angeordnet sind, daß die
Scheibe 22 dazwischen liegt, und die dazu dienen, den Durchgang des Schlitzes 22b zu erfassen, wodurch der obere Totpunkt
erfaßt wird. An den vorderen Enden der lichtempfindlichen Abschnitte der einzelnen Fotodioden 26a und 26b befinden
sich Schlitzplatten 28a und 28b, in denen Schlitze ausgebildet sind, deren Form identisch mit der der in der
Scheibe 22 ausgebildeten Schlitze ist. Die durch die Schlitzplatten
und die Scheibe erzeugten, abwechselnd hellen und dunklen Streifen werden von den Fotodioden 26a und 26b erfaßt.
Die Tatsache, daß symmetrisch zu den einen Fotodioden 26a und 26b zusätzlich zwei weitere Fotodioden 26a und 26b
vorgesehen sind, führt dazu, daß sowohl von den einen als auch von den anderen Fotodioden Signale geliefert werden,
die zusammengefaßt werden, um Impulsintervallfehler zu kompensieren,
die durch Fehler in der Ausrichtung zwischen den Schlitzen und der sich drehenden Welle hervorgerufen werden
könnten.
Der Kurbelwinkelfühler 12 hat ein Reibmoment von unge-
-4
fährt 10 des Reibmoments der Brennkraftmaschine und hat ein Trägheitsmoment von ungefähr 10 des Trägheitsmoments der Brennkraftmaschine, damit eine Beeinflussung des Verhaltens der Brennkraftmaschine verhindert wird. Die alle 0,1° KW erzeugten Signale haben bei einer Drehzahl von 1000 min der Brennkraftmaschine eine Frequenz von näher weise 6OkHz, so daß eine Beeinflussung durch elektrisches
fährt 10 des Reibmoments der Brennkraftmaschine und hat ein Trägheitsmoment von ungefähr 10 des Trägheitsmoments der Brennkraftmaschine, damit eine Beeinflussung des Verhaltens der Brennkraftmaschine verhindert wird. Die alle 0,1° KW erzeugten Signale haben bei einer Drehzahl von 1000 min der Brennkraftmaschine eine Frequenz von näher weise 6OkHz, so daß eine Beeinflussung durch elektrisches
- JAT- . . ' DE
Rauschen auftreten könnte. Es ist jedoch im Kurbelwinkelfühler
12 ein Verstärker vorgesehen, dessen Ausgangsimpedanz
ausreichend niedrig ist, so daß die Signale nicht ohne weiteres dem Einfluß des Rauschens ausgesetzt sind.
5
ausreichend niedrig ist, so daß die Signale nicht ohne weiteres dem Einfluß des Rauschens ausgesetzt sind.
5
Figur 6 zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung der Genauigkeit,
bei der ein Schwungrad (mit ungefähr 0,1 kpcmsec2) anmontiert
war, das ein im Vergleich zum Reibmoment des
Kurbelwinkelfühlers 12 ausreichend großes Trägheitsmoment
hatte. Die Scheibe 22 wurde im Leerlauf betrieben. Es wurde
ein Abschnitt von 2° bei einer Schwungraddrehzahl von
200 min gemessen, was dem Messen eines Abschnittes von
10° bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von 1000 min
entspricht. Unter der Annahme, daß die Verzögerung je Um-
Kurbelwinkelfühlers 12 ausreichend großes Trägheitsmoment
hatte. Die Scheibe 22 wurde im Leerlauf betrieben. Es wurde
ein Abschnitt von 2° bei einer Schwungraddrehzahl von
200 min gemessen, was dem Messen eines Abschnittes von
10° bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von 1000 min
entspricht. Unter der Annahme, daß die Verzögerung je Um-
drehung konstant ist, wurde der Meßfehler des Kurbelwinkel-
-4
fühlers 12 berechnet, der sich zu 6 χ 10 qrad ergab
fühlers 12 berechnet, der sich zu 6 χ 10 qrad ergab
(die auf 2° bezogene Genauigkeit betrug 0,03 %) , so da.3 es
möglich war, die gewünschte Genauigkeit zu erreichen.
möglich war, die gewünschte Genauigkeit zu erreichen.
Wie Figur 7 erkennen läß.t, wird die Messung der Drehzahl W
. der Brennkraftmaschine ausgelöst durch ein Signal vom oberen
Totpunkt des Saugtaktes, wobei die zwei Zähler 14 und 16
wiederholt abwechselnd ein Zeitintervall während 100 Impulssignalen zählen, von denen jedes nach einem Kurbelwinkel
wiederholt abwechselnd ein Zeitintervall während 100 Impulssignalen zählen, von denen jedes nach einem Kurbelwinkel
von 0,1° abgegeben wird, so daß die Anzahl der Impulse einem
Kurbelwinkelsignal von 10° entspricht. Die Zähler 14 und 16
liefern den gezählten Wert aufeinanderfolgend und abwechselnd an die Rechenvorrichtung 18, so daß die Rechenvorrichtung 18 kontinuierlich die Drehzahl &) der Brennkraftmaschine für jeweils einen Abschnitt von 10° KW errechnen kann. Für die von den Zählern 14 und 16 ausgeführte Zählung des Zeitintervalls bzw. Zeitraumes für einen Abschnitt von 10° werden Quarzoszillatoren mit einer Frequenz von 50 mHz benutzt. Bei dieser Ausbildung kann ein Auflösungsvermögen von ungefähr
liefern den gezählten Wert aufeinanderfolgend und abwechselnd an die Rechenvorrichtung 18, so daß die Rechenvorrichtung 18 kontinuierlich die Drehzahl &) der Brennkraftmaschine für jeweils einen Abschnitt von 10° KW errechnen kann. Für die von den Zählern 14 und 16 ausgeführte Zählung des Zeitintervalls bzw. Zeitraumes für einen Abschnitt von 10° werden Quarzoszillatoren mit einer Frequenz von 50 mHz benutzt. Bei dieser Ausbildung kann ein Auflösungsvermögen von ungefähr
10 qrad bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von
" DE -T549
-Qp-
— 1
1000 min erreicht«werden. Der Grund dafür, daß der Abschnitt
von 10° mit 100 ImpulsSignalen gezählt wird, von denen jedes 0,1° entspricht, ist folgender. Wenn die Stärke
der Ausgangssignale der Fotodioden 26a und 26b schwankt,
schwanken auch die Auslösepunkte bei der Wellenformung, was
zu einem Fehler bei der Auszählung des Zeitintervalles führt. Dieser Fehler ist nun aber umgekehrt proportional zur Anzahl
der Impulse, die die Zähldauer bestimmen, so daß die
Frequenzteilung durch möglichst viele Impulse bis zum Ende der Zählung den Fehler möglichst klein macht.
Figur 8 zeigt in zeitlicher Aufeinanderfolge die Beziehung zwischen Änderungen bzw. dem zeitlichen Verlauf (gestrichelte
Kurven) des mittleren Druckes P 6) , wie er unter Verwendung
der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung aus dem Drehzahländerungsverhältnis berechnet wurde,
und Änderungen bzw. dem Verlauf (ausgezogene Kurven) des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi, wie er auf herkömmliche
Weise aus den Indikatordiagrammen berechnet wurde. Die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine waren dabei eine
mittlere Drehzahl von 600 min , lastfreier Betrieb, ein
mittleres Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 15 sowie ein Zündzeitpunkt
5° vor dem oberen Totpunkt. Wie Figur 8 erkennen läßt, unterscheiden sich der indizierte mittlere Arbeitsdruck
Pi und der mittlere Druck Pfij im Mittelwert voneinander;
sie sind jedoch in der Abweichung ausreichend miteinander identisch. Der Korrelationskoeffizient Rioi dazwischen
beträgt 0,987 bis 0,996, was einen sehr hohen Werte nahe 1 darstellt. Demzufolge gilt obige Gleichung (13) mit .beseht lieh
hoher Genauigkeit, und die Abweichung des mittels der
Rechenvorrichtung 18 berechneten mittleren Druckes PCJ
kann als Abweichung des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi angesehen werden.
Figur 9 zeigt die Beziehungen zwischen den unverzerrten
DE ΐ"5'49
Varianzen (mittlere »quadratische Abweichungen) Vpi des indizierten
mittleren Arbeitsdrucks Pi und den unverzerrten Varianzen (mittlere quadratische Abweichungen) Vpü) des
mittleren Drucks P <ύ . In Figur 9 kennzeichnen Marken A
den Fall, daß die Schmieröltemperatur geändert wird, Marken
• den Fall, daß die mittlere Drehzahl der Brennkraftmaschine
geändert wird, Marken ■ den Fall, daß der Zündzeitpunkt geändert wird, und Marken T den Fall, daß das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis
geändert wird. Wie aus Figur 9 erkennbar ist, sind die unverzerrten Varianzen Vpi des indizierten
. mittleren Arbeitsdrucks Pi und die unverzerrten Varianzen (mittlere quadratische Abweichungen) Vp6) des mittleren Drucks
PiJ in allen Zylindern ausreichend identisch miteinander, und es ist dadurch nachgewiesen, daß obige Gleichung (15) gilt.
Figur 12 zeigt die Ergebnisse der vorstehend beschriebenen Untersuchungen bei einer Sechszylindermaschine. Es ist nachgewiesen,
daß Gleichung (15) nicht nur für eine Vierzylindermaschine sondern auch für eine Sechszylindermaschine gilt.
Figur 10 zeigt die Korrelationskoeffizienten Ri4) zwischen
dem indizierten mittleren Arbeitsdruck Pi und dem mittleren Druck PW , wenn die mittlere Drehzahl der Brennkraftmaschine
geändert wird. Je größer die Drehzahlen werden, desto kleiner werden die Korrelationskoeffizienten. Dies wird
darauf zurückgeführt, daß, wie obige Gleichung (6) zeigt, das Drehzahländerungsverhältnis D umgekehrt proportional zum
Quadrat der mittleren Drehzahl 6J sinkt, daß die Zeitdauer, während der der Kurbelwinkelfühler 12 während 10° Kurbelwinkel
zählt, abnimmt, so daß das Auflösungsvermögen des Zeitgebers
schlechter wird, und daß die Schwingungen der Brennkraftmaschine den durch die Scheibe 22 verursachten Fehler
vergrößern. Der Korrelationskoeffizient liegt jedoch bei einer Drehzahl von 850 min bei 0,95 oder mehr, und grund-
; sätzlich liegt in den meisten Fällen die Leerlaufbezugsdrehzahl
von Kraftfahrzeugmotoren bei 850 min , wobei wegen der
DE 1549
in letzter Zeit stärker betonten Forderung nach niedrigem
Kraftstoffverbrauch die Tendenz besteht, die Leerlaufbezugsdrehzahl
weiter zu senken. Je niedriger die Drehzahl wird, desto höher werden die Anforderungen an die Stabilität im
Leerlauf. In Anbetracht der vorstehend erläuterten Forderungen ist die erreichte Genauigkeit für praktische Zwecke ausreichend.
Figur 11 zeigt Vergleiche zwischen einer Fehlzündungsrate A, die auf die Weise bestimmt wurde, daß ein Arbeitsspiel, bei
dem der indizierte mittlere Arbeitsdruck Pi ein negativer Wert wird, als ein Arbeitsspiel mit Fehlzündung angesehen
wird, und einer Fehlzündungsrate B, die aus Arbeitsspielen
berechnet wurde, bei denen (Ρω+ Pi) ein negativer Wert wird.
Zu den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine bei der Untersuchung gehörte eine mittlere Drehzahl' der Brennkraftmaschine
von 600 min , ein mittleres Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 16 sowie ein Zündzeitpunkt von 5° vor dem oberen Totpunkt.
Wie sich aus Figur 11 ergibt, stimmen beide Fehl-Zündungsraten
ausreichend miteinander überein.
Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der mittlere Druck des Zylinders Nr. 1 aus einer Änderung der
Drehzahl während des Expansionstaktes des Zylinders Nr. 1 vom oberen Totpunkt aus bis zur maximalen Drehzahl unter
Verwendung von Gleichung (9) berechnet worden. Da diese Gleichung (9) durch folgende Gleichung wiedergegeben werden
kann, ist es möglich, den mittleren Druck allein aus dem Ergebnis der Messung der Drehzahl oJc am oberen Totpunkt während
des Verdichtungstaktes zu berechnen.
P4J1 = (Wc12 - UJc3J) I/ (2 Vh) .....
.(17).
In diesem Fall dürfte es ausreichen, wenn nur die Drehzahl am oberen Totpunkt eines bestimmten Zylinders und die Dreh-
DE Ί549
zahl am oberen Totpunkt des folgenden Zylinders gemessen werden, so daß nicht mehr Meßwerte bei allen Kurbelwinkeln benötigt
werden·.
Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die
Erfindung auf eine Viertakt-Reihenvierzylindermaschine mit
regelmäßigen Zündabständen angewendet. Es versteht sich, daß es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die beschriebenen,
speziellen Ausführungsformen zu beschränken. Vielmehr
kann die Erfindung auf gleiche Weise ganz allgemein auf Mehrzylindermaschinen mit gleichmäßigen Zündabständen und/
oder Einzylindermaschinen angewendet werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung dürfte dem Fachmann klargeworden
sein, daß das beschriebene Ausführungsbeispiel lediglich eines von vielen möglichen Beispielen ist, bei denen
die Prinzipien der Erfindung angewendet werden können. Zahlreiche unterschiedliche weitere Anordnungen können vom Fachmann realisiert werden, ohne den Grundgedanken und den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.
Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks einer Brennkraftmaschine
aus einer Abweichung des mittleren Drucks oder aus einer unverzerrten Varianz (mittlere quadratische Abweichung) des
mittleren Drucks, die aus der Abweichung des mittleren Drucks gewonnen wurde, wobei ausgenutzt wird, daß eine Abweichung
des mittleren Drucks im wesentlichen gleich einer Abweichung des indizierten mittleren Arbeitsdrucks oder
daß eine unverzerrte Varianz (mittlere quadratische Abweichung) dieses mittleren Drucks im wesentlichen gleich ei-,
ner unverzerrten Varianz (mittlere quadratische Abweichung, des indizierten mittleren Arbeitsdrucks in einem Zylinder
der Brennkraftmaschine wird. Diese Abweichung des mittleren Drucks wird berechnet aus gemessenen Änderungen der Drehzahl
der Brennkraftmaschine.
L e e r s e i t e
Claims (7)
1./Verfahren zum Messen von Schwankungen des indizierten
mittleren Arbeitsdrucks einer Maschine, dadurch gekennzeichnet , daß Änderungen der Drehzahl der Maschine erfaßt werden,
daß eine Abweichung des mittleren Drucks aus einer Abweichung der Änderungen der Drehzahl berechnet wird und daß
eine hohe Korrelation zwischen der Abweichung des mittleren Drucks und einer Abweichung des indizierten mittleren
Arbeitsdrucks oder zwischen den unverzerrten Varianzen (mittleren quadratischen Abweichungen) des indizierten
mittleren Arbeitsdrucks und des mittleren Drucks zur Ermittlung der Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks
der Maschine genutzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Abweichung des mittleren Drucks erhalten wird aus
Änderungen der Drehzahl während des Expansxonstaktes eines Zylinders mit bestimmter Zylindernummer zwischen dem
oberen Totpunkt und der maximalen Drehzahl.
Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070 Dresdner Dank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804
-' "'-^—j: "
DE 1549
-ζ-
3. Verfahren nach Anspruch 1-,
dadurch gekennzeichnet , daß die Abweichung des mittleren Drucks erhalten wird aus
einer Drehzahl am oberen Totpunkt eines Zylinders mit bebestimmter Zylindernummer und einer Drehzahl am oberen Totpunkt des darauffolgenden Zylinders.
4. Vorrichtung zum Messen von Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks einer Maschine,
gekennzeichnet
durch eine Kurbelwinkelfühleinrichtung (12), die ausgangssei
tig Impulssignale liefert, die einem vorgegebenen Kurbelwinkel·
einer Kurbeiwelle (10a) einer Brennkraftmaschine
(10) entsprechen, eine Zähleinrichtung (14, 16) zum abwechselnden Zählen von Zeitintervallen, die jeweils der Anzahl
von Impulssignalen entsprechen, die dem vorgegebenen Kurbelwinkel entsprechen, wobei die Zählung in Abhängigkeit von
den Impulssignal·en von der KurbelWinkeifiit^einrichtung erfolgt,
die abwechselnd ausgangsseitig das Zählergebnis al·s Signal· iiefert, und eine Re'ehenvorrichtung (18), die
Änderungen der Drehzahl der Maschine in Abhängigkeit von den Signalen von der Zähleinrichtung berechnet, die eine Abweichung
des mittleren Drucks aus den Änderungen der Drehzahl· der Brennkraftmaschine berechnet und die zur Berechnung
der Schwankungen des indizierten mittieren Arbeitsdrucks eine hohe Korreiation zwischen der Abweichung des mittieren
Drucks und einer Abweichung des indizierten mittieren Arbeitsdrucks oder zwischen den unverzerrten Varianzen (mittlere
quadratische Abweichungen) des indizierten mittieren Arbeitsdrucks und des mittieren Drucks ausnutzt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
gekennzeichnet
gekennzeichnet
durch eine Scheibe (22), die fest am vorderen Ende der Kurbeiwelle
(10a) der Brennkraftmaschine (10) angebracht ist
-,>*-— DE 154 9
-3-
und nahe deren'äußerem Rand zahlreiche Schlitze (22a) zur
Kurbelwinkelbestimmung sowie ein Schlitz (22b) zur Bestimmung des oberen Totpunktes ausgebildet sind, eine erste
Leuchtdiode (24a) und eine erste Fotodiode (26a), die fest derart angeordnet sind, daß sich zwischen ihnen die Scheibe
befindet, und die dazu dienen, den Durchlauf der zur Bestimmung des Kurbelwinkels dienenden Schlitze zu erfassen, und
eine zweite Leuchtdiode (24b) und eine zweite Fotodiode (26b), die fest derart angeordnet sind, daß sich zwischen
ihnen die Scheibe befindet, und die dazu dienen, den Durchlauf des zur Bestimmung des oberen Totpunktes dienenden
Schlitzes zu erfassen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet ,
daß ein zusätzliches Paar aus einer ersten Leuchtdiode (24a) und einer ersten Fotodiode (26a) sowie ein zusätzliches
Paar aus einer zweiten Leuchtdiode (24b) und einer zweiten Fotodiode (26b) fest derart vorgesehen sind, daß
die Scheibe (22) dazwischen angeordnet ist, und da3 Schlitzplatten (28a, 28b), in denen Schlitze ausgebildet sind, deren
Form gleich der der Schlitze (22a, 22b) in der Scheibe ist, an den vorderen Enden der lichtempfindlichen Abschnitte
der jeweiligen Fotodioden angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet
durch einen Drucker zum Drucken der Ausgabeinformation der Rechenvorrichtung.
30
30
Applications Claiming Priority (1)
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ID=15188320
Family Applications (1)
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| Date | Code | Title | Description |
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
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