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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Trägheitsmomentes zumindest eines Elementes eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges, insbesonders eines Verbrennungsmotors auf einem Prüfstand, wobei das sich
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korrigiert und aus dem korrigierten Drehmoment M und der Drehbeschleunigung fi, bzw. äquivalenten Grössen, das Trägheitsmoment I = M. (30/ } bestimmt wird.
Der exakte Wert des Trägheitsmomentes ist im genannten Zusammenhang ein wichtiger, häufig aber nur unzulänglich bekannter Parameter. Seine Bestimmung hat insbesonders im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren als Fahrzeugantrieb eine relativ grosse Bedeutung für Forschung und Entwicklung, aber auch z. B. für Fehlerdiagnose und Wartung. Darüberhinaus ist in verschiedenen Zusammenhängen beispielsweise auch das Trägheitsmoment eines Getriebes alleine, oder von verschiedenen auch kombinierten Elementen des Antriebsstranges interessant bzw. für Forschung und Entwicklung wichtig zu kennen.
Von besonderer Bedeutung ist beispielsweise die Kenntnis der Trägheitsmomente für die Auslegung der Verbindungswelle zwischen einem zu prüfenden Verbrennungsmotor und dem Prüfstand und für die Parametrierung der Prüfstandbzw. Regelkreise. Fehlerhaft angenommene Trägheitsmomente können in diesem Zusammenhang zu schlechtem Steuer-und Regelverhalten des Prüfstandes bzw. sogar zu Betriebsstörungen durch Bruch der Welle infolge dynamischer Überlastung führen. Auch bei z. B. grossen Schiffsmotoren ist die Kenntnis der Trägheitsmomente wichtig, da insbesondere die elastische Lagerung des Motors für die beim Startvorgang auftretenden Reaktionsmomente des Motors ausgelegt werden muss.
Aus der EP-A-434. 665 ist im genannten Zusammenhang beispielsweise bekannt, aus einer Messung der Drehbeschleunigung mit und ohne bekanntes Zusatz-Trägheitsmoment das unbekannte Trägheitsmoment zu Io = I1. w/ (wo-
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Um ohne bekanntes Zusatz-Trägheitsmoment auszukommen wird als massgeblicher Zusammenhang für die Trägheitsmomentermittlung das bekannte
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Newton'sche Gesetz (Kraft = Masse x Beschleunigung) für die Drehbewegung herangezogen. Das Trägheitsmoment I kann demnach als Quotient aus den messbaren Grössen Drehmoment M [Nm] und Drehbeschleunigung [min-1/sec] bestimmt werden zu I'= M. (30/r. ), wobei zur Elimination der überlagerten Drehschwingungen und Drehungleichförmigkeiten bedarfsweise über einige Drehperioden gemittelt werden kann. Dieser einfache Zusammenhang gilt aber nur für den absolut verlustfreien Fall.
Zur Berücksichtigung der von verschiedenen Ursachen bestimmten Verluste muss das gemessene bzw. sich äussernde bzw. irgendwie feststellbare Drehmoment MM um das gerade wirksame Verlustmoment My (im einfachsten Falle Reibmoment MR) korrigiert werden zu M = MM + My.
Nach dem in diesem Zusammenhang bekannten Stande der Technik wird das Reibmoment bzw. die Reibleistung beispielsweise am Motorenprüfstand z. B. im Schleppbetrieb bei jeweils konstanter Drehzahl oder im Auslauf mit unterschiedlichen Schwungmassen ermittelt. Als Reibkennlinie bezeichnet man in diesem Zusammenhang dann die Drehzahlabhängigkeit des so ermittelten Reibmomentes. Das Reibmoment wird bei diesen bekannten Verfahren im allgemeinen zwar drehzahlabhängig, aber dafür für die Dauer der Messung im wesentlichen konstant angenommen. Da es aber von vielen verschiedenen Einflussgrössen, z. B. von der sich im allgemeinen während der Messung ändernden Öltemperatur, abhängig ist, bringen derartige Verfahren und ihre Anwendung bei der. Bestimmung des Trägheitsmoments grosse Fehler mit sich.
Im genannten Zusammenhang erwähnenswert ist beispielsweise die EP-A- 199. 431, gemäss welcher das momentane Reibmoment z. B. aus dem gemessenen (indizierten) Zylinderdruck und dem Drehgeschwindigkeitsverlauf bestimmt werden kann, wobei das oszilierende und das rotierende Trägheitsmoment als bekannt vorausgesetzt werden. Eine Umkehrung dieses Verfahrens zur Bestimmung des Trägheitsmomentes selbst ist allerdings nicht ohne weiteres möglich.
Weiters ist beispielsweise aus der EP-A-476. 588 bekannt, im Fall des praktisch reibungslos laufenden Elektromotors das Trägheitsmoment I aus einer
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Beschleunigungsphase (positiv oder negativ) durch Integration des gemessenen Drehmoments M und Division durch den Drehgeschwindigkeitsunterschied A w zu bestimmen gemäss 1 = j M dt/""w.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass das Trägheitsmoment des Prüflings weitgehend selbsttätig bestimmt werden kann, ohne dass dafür zusätzliche Fehler verursachende Abschätzungen oder Vereinfachungen vorgenommen werden müssten bzw. ohne dass beispielsweise an einem bekannten Motorenprüfstand zusätzliche aufwendige Vorkehrungen getroffen werden müssten.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass sowohl MM als auch fi bei ansonsten gleichbleibenden Betriebsbedingungen des zu untersuchenden Elementes (Prüflings) einerseits in einer Hochlaufphase mit positiver Drehbeschleunigung und andererseits in einer Auslaufphase mit negativer Drehbeschleunigung bestimmt werden und dass zur Eliminierung des Verlustmomentes und anderer Störgrössen jeweils die drehzahlmässig einander entsprechenden, Mm und fi repräsentierenden Werte von Hochlaufphase und Auslaufphase voneinander subtrahiert und die erhaltenen Differenzwerte zur Trägheitsmomentbestimmung herangezogen werden.
Durch die Kombination von je zwei Messwerten bei. derselben Drehzahl scheint das Verlustmoment nirgends explizit auf und muss daher nicht, wie bei den bekannten Verfahren, eigens bestimmt werden, um das während eines Beschleunigungsversuchs gemessene Drehmoment korrigieren zu können. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die gesamte Messung innerhalb kurzer Zeit durchzuführen (einige Sekunden), mit dem Vorteil, dass Einflussgrössen wie die Öltemperatur zu vernachlässigen sind, die bei den bekannten Verfahren das Ergebnis verfälschen können.
Weiters lässt sich dieses Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren besser automatisieren, weil es in einem Durchlauf alle notwendigen Messungen durchführt, während nach dem Stand der Technik zumin-
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dest zwei Messphasen benötigt werden (Aufnahme der Reibkennlinie, Beschleu- nigungsversuch) bzw. sogar bauliche Änderungen zwischen den Messungen vorzunehmen sind (Montage der Zusatzträgheiten).
Bevorzugt werden lineare Drehzahlrampen gleicher Dauer - und damit betragsmässig gleicher Drehbeschleunigung - zwischen einer unteren (nu) und einer oberen Drehzahlschranke (no). Bestimmt und ausgewertet wird der Verlauf der Drehzahl und des Drehmoments über der Zeit. Bei einer Drehwinkel-bezogenen Datenerfassung müssen wie üblich die Beziehungen zwischen Zeit und Drehwinkel angewendet werden.
Die Eliminierung des Reibmomentes bei der Bestimmung des Trägheitsmomentes kann jetzt so erfolgen, dass ausmer (oder den) Hochlaufkurve (n) und der (oder den) Auslaufkurve (n) die Messpunkte jeweils gleicher Drehzahl ausgewertet und z. B. gemittelt werden.
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bei der Bestimmung des Trägheitsmoments aber so, dass die zeitlichen Integrale der im kontrollierten Hochlauf und Auslauf gemessenen Drehmomentverläufe gebildet werden und die so erhaltenen mittleren Drehimpulse ausgewertet werden.
I = 15/r. (J M dt - M dt)/ (n.-nj-
Zur Vermeidung des Einflusses von Einschwingvorgängen zu Beginn und am Ende jeder Drehzahlrampe, ist es vorteilhaft, wenn die Integrale nicht von Anfang bis Ende jedes kontrollierten Hochlaufs oder Auslaufs gebildet werden, sondern nur in einem dazwischen liegenden Zeitintervall. Dieses Zeit- intervall kann durch vorgegebene Zeitwerte oder, bevorzugterweise, durch vorgegebene Drehzahlschwellen definiert sein.
Zur Durchführung des Verfahrens bei Verbrennungsmotoren ist ein Prüfstand zur Kontrolle der Drehzahlrampen und zur Messung von Drehzahl und Drehmoment, bzw. Leistung, vorteilhaft. Es lässt sich anwenden bei Verbren-
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nungsmotoren im gefeuerten Betrieb, bevorzugterweise aber auch im ausschliesslich geschleppten Betrieb.
Das ermittelte Trägheitsmoment I setzt sich natürlich aus dem Trägheits-
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wie das gesamte Trägheitsmoment I. Als Endergebnis erhält man daher :
I = I - I - 10
Es hat sich gezeigt, dass es für bestimmte Verbrennungsmotoren und Prüfstände optimale Drehzahlrampen gibt, bei denen der Fehler im Trägheitsmoment ein Minimum wird.
Um eine solche optimale Rampe bei Vorgabe der zulässigen oberen und unteren Drehzahl herauszufinden, wird vorgeschlagen, einerseits eine vom Prüfstand und seinen mechanischen, elektrischen, messtechnischen und regelungstechnischen Einrichtungen abhängige kürzeste Rampendauer zu ermitteln, bei der die Bestimmung des Eigenträgheitsmoments des Prüfstandes noch innerhalb akzeptabler Fehlergrenzen liegt, und andererseits die auch vom Prüfling und der Verbindungswelle abhängige kürzeste Rampendauer zu ermitteln, bei der keine Überschreitung der zulässigen mechanischen und messtechnischen Grenzwerte auftritt. Die jeweils längere der beiden so ermittelten kürzesten Rampendauern ist auch die optimale.
Zusätzlich ist zu beachten, dass die Verweilzeit bei hohen Drehzahlen prinzipiell möglichst kurz zu halten ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann andererseits sinngemäss natürlich auch zur Bestimmung der Verlustmomente bzw. der Reibmomente oder der Reibleistung verwendet werden. Dazu müssen die Drehmomente M, bzw. Drehimpulse J M dt, von Hochlauf und Auslauf nicht subtrahiert sondern addiert werden, sodass der Einfluss der trägen Massen eliminiert wird.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist wie beschrieben nicht auf die Verwendung an Verbrennungsmotoren eingeschränkt und auf verschiedensten Prüfständen bzw. diagnostischen Prüfeinrichtungen einsetzbar, auch dort, wo z. B. nur ein Getriebe ohne Motor oder ein Hybridantrieb mit einem Elektromotor untersucht werden soll. Es lässt sich wie beschrieben nicht nur das Reibmoment, sondern auch gewisse Störgrössen der Messkette, z. B. ein DACOffset, eliminieren, was bei der Trägheitsmomentbestimmung sehr vorteilhaft ist.
Dem Fachmann ist aus den obigen Ausführungen klar, dass das dynamische Reibmoment durch entsprechende Anwendung dieses Verfahrens natürlich auch einfach ermittelt werden kann, wenn umgekehrt das Trägheitsmoment bereits genau bekannt ist. Die genaue Kenntnis des Trägheitsmomentes ist beispielsweise auch im Zusammenhang mit der dynamischen Leistungsmessung an Verbrennungsmotoren bzw. gesamten Antriebssträngen von Fahrzeugen in Werkstätten erforderlich.
Der Vollständigkeit halber ist hier auch darauf hinzuweisen, dass es für die Zwecke der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung unwesentlich ist, ob die Drehmomente, Drehzahlen und Drehbeschleunigungen unmittelbar gemessen werden oder aber durch Vorgabe bzw. Einstellung bekannt sind ; auch sind natürlich auch Kombinationen bekannter bzw. eingestellter Werte mit gemessenen Werten oder die indirekte Bestimmung aus sonstigen am Prüfstand bekannten Werten möglich.
In den zur Verdeutlichung des erfindungsgemässen Verfahrens beigeschlossenen Zeichnungen zeigt Fig. 1 die idealisierten Verläufe von Drehzahl n, Drehbeschleunigung h und Drehmoment M über der Zeit t, wenn an einem Prüfstand für den zu prüfenden Verbrennungsmotor kontrollierte Drehzahlrampen gefahren werden. Fig. 2 zeigt entsprechend typische gemessene Verläufe von Drehzahl n, Drehmoment M und Öltemperatur T über der Zeit t.
Fig. 1 dient der Erläuterung einer Variante des erfindungsgemässen
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Verfahrens. Der Drehmomentverlauf entspricht einem Prüfling mit einem Verlustmoment, das mit der Drehzahl überproportional ansteigt. Die Flächen LI (negativ) und L2 stellen die Integrale über das Drehmoment, während die Drehzahl zwischen nu und no liegt, dar. Die beiden Flächen ergänzen sich zum Zweifachen der Drehimpulsänderung, die die rotierenden Teile erfahren, wenn sie von nu nach no beschleunigt werden. Diese Gesamtfläche ist unabhängig vom
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Fig. 2 zeigt am Motorprüfstand gemessene Signalverläufe. Deutlich sieht man die Einschwingvorgänge von Drehmoment und Drehzahl, die die Genauigkeit des ermittelten Trägheitsmoments beeinträchtigen können und daher hier nicht ausgewertet werden. In diesem Beispiel wurden die Intervalle zwischen 2000
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sieht ausserdem den Anstieg des Verlustmoments mit der Drehzahl und die relativ grosse Änderung der Öltemperatur während der Wartezeit von 5 s bei 5000 min-l. Diese Wartezeit ist für die Durchführung des Verfahrens natürlich nicht sinnvoll und dient hier nur zur Verdeutlichung der Änderung der Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors. Der Einfluss dieser Änderung wirkt sich im Ergebnis für das Trägheitsmoment aus. Daher soll der Versuch in möglichst kurzer Zeit durchgeführt werden.
Zur weiteren Verdeutlichung folgt noch eine Zusammenstellung. der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemässen Verfahren wesentlichen mathematischen
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Drehzahl : n [min-l] (mittlere Drehgeschwindigkeit) Drehbeschleunigung : a [min'/sec] (Drehzahländerung pro Sekunde) Gesamt-Aufbau = Prüfling (P) + Welle (W) + Belastungsmaschine (B) Gesamt-Trägheitsmoment : I = Ip + 1w + 1B Drehmoment-Störgrössen: N5 (n) = M (n) + M2 Drehmoment (Hochlauf) : M, (n) = (7.-/30). I. a., (n) + Ms (n)
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The invention relates to a method for determining the moment of inertia of at least one element of a drive train of a vehicle, in particular an internal combustion engine on a test bench
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corrected and from the corrected torque M and the rotational acceleration fi or equivalent quantities, the moment of inertia I = M. (30 /} is determined.
The exact value of the moment of inertia is an important, but often insufficiently known parameter in the context mentioned. Its purpose has a relatively great importance for research and development, especially in connection with internal combustion engines as vehicle drives, but also for. B. for fault diagnosis and maintenance. In addition, in various contexts, for example, the moment of inertia of a transmission alone, or of various, even combined, elements of the drive train is interesting or important for research and development.
Of particular importance is, for example, the knowledge of the moments of inertia for the design of the connecting shaft between an internal combustion engine to be tested and the test bench and for the parameterization of the test bench or Control loops. In this context, incorrectly assumed moments of inertia can lead to poor control and regulation behavior of the test bench or even to malfunctions due to shaft breakage due to dynamic overload. Even with z. B. large marine engines, the knowledge of the moments of inertia is important, since in particular the elastic mounting of the engine must be designed for the reaction moments of the engine occurring during the starting process.
From EP-A-434. 665 is known in the context mentioned, for example, from a measurement of the rotational acceleration with and without a known additional moment of inertia, the unknown moment of inertia to Io = I1. w / (where
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In order to get by without a known additional moment of inertia, the known is used as the relevant connection for determining the moment of inertia
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Newton's law (force = mass x acceleration) is used for the rotary motion. The moment of inertia I can therefore be determined as the quotient of the measurable quantities torque M [Nm] and rotational acceleration [min-1 / sec] to I '= M. (30 / r.), Where necessary to eliminate the superimposed torsional vibrations and rotational irregularities some shooting periods can be averaged. This simple connection only applies to the absolutely lossless case.
In order to take into account the losses determined by various causes, the measured or expressed or somehow ascertainable torque MM must be corrected by the just effective loss torque My (in the simplest case friction torque MR) to M = MM + My.
According to the prior art known in this context, the friction torque or the frictional power, for example, on the engine test bench. B. determined in towing mode at a constant speed or in the outlet with different flywheels. In this context, the friction characteristic is the speed dependency of the friction torque determined in this way. In these known methods, the frictional torque is generally assumed to be speed-dependent, but is assumed to be essentially constant for the duration of the measurement. But since it is influenced by many different factors, e.g. B. depends on the generally changing during the measurement of oil temperature, bring such methods and their application in. Determination of the moment of inertia with large errors.
In this connection, it is worth mentioning, for example, EP-A-199.431, according to which the instantaneous frictional moment, e.g. B. can be determined from the measured (indexed) cylinder pressure and the rotational speed curve, the oscillating and rotating moment of inertia being assumed to be known. However, a reversal of this method for determining the moment of inertia itself is not readily possible.
Furthermore, for example from EP-A-476. 588 known, in the case of the practically smoothly running electric motor, the moment of inertia I from a
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Acceleration phase (positive or negative) to be determined by integrating the measured torque M and dividing by the rotational speed difference A w according to 1 = j M dt / "" w.
The object of the invention is to improve a method of the type mentioned at the outset such that the moment of inertia of the test specimen can largely be determined automatically, without additional estimates or simplifications causing errors being required, or without, for example, additional complex work on a known engine test bench Precautions would have to be taken.
This object is achieved in a method of the type mentioned at the outset according to the present invention in that both MM and fi are determined, on the one hand, in a run-up phase with positive rotational acceleration and, on the other hand, in a run-down phase with negative rotational acceleration under otherwise constant operating conditions of the element to be examined (test object) and that in order to eliminate the loss torque and other disturbance variables, the values of Mm and fi representing the rotational speed corresponding to each other are subtracted from the run-up phase and run-down phase and the difference values obtained are used to determine the moment of inertia.
By combining two measured values each. At the same speed, the torque loss does not appear explicitly anywhere and therefore does not have to be determined, as in the known methods, in order to be able to correct the torque measured during an acceleration attempt. This enables the entire measurement to be carried out within a short time (a few seconds), with the advantage that influencing variables such as the oil temperature can be neglected, which can falsify the result in the known methods.
Furthermore, this method can be automated better than the known methods because it carries out all the necessary measurements in one pass, while according to the prior art at least
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at least two measuring phases are required (recording the friction characteristic, acceleration test) or even structural changes have to be made between the measurements (installation of the additional inertia).
Linear speed ramps of the same duration - and thus the same amount of rotational acceleration - are preferred between a lower (nu) and an upper speed barrier (no). The course of the speed and torque over time is determined and evaluated. As usual, the relationship between time and angle of rotation must be used for data acquisition related to the angle of rotation.
The elimination of the frictional torque when determining the moment of inertia can now be carried out in such a way that the measurement points of the same speed are evaluated from the (or the) run-up curve (s) and the (or) run-off curve (s). B. be averaged.
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when determining the moment of inertia, however, in such a way that the time integrals of the torque profiles measured in the controlled run-up and run-down are formed and the mean angular momentum thus obtained is evaluated.
I = 15 / r. (J M dt - M dt) / (n.-nj-
In order to avoid the influence of settling processes at the beginning and at the end of each speed ramp, it is advantageous if the integrals are not formed from the beginning to the end of every controlled ramp-up or ramp-down, but only in an intermediate time interval. This time interval can be defined by predetermined time values or, preferably, by predetermined speed thresholds.
To carry out the method in internal combustion engines, a test stand for checking the speed ramps and for measuring speed and torque or power is advantageous. It can be used for
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engines in fired operation, but preferably also in exclusively towed operation.
The moment of inertia I determined naturally consists of the moment of inertia
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like the entire moment of inertia I. The end result is therefore:
I = I - I - 10
It has been shown that there are optimal speed ramps for certain internal combustion engines and test stands, with which the error in the moment of inertia becomes a minimum.
In order to find out such an optimal ramp when specifying the permissible upper and lower speed, it is proposed, on the one hand, to determine a shortest ramp duration, which depends on the test bench and its mechanical, electrical, metrological and control equipment, at which the determination of the moment of inertia of the test bench is still within acceptable error limits and, on the other hand, to determine the shortest ramp duration, which is also dependent on the test object and the connecting shaft and at which the permissible mechanical and measurement limits are not exceeded. The longer of the two shortest ramp times determined in this way is also the optimal one.
In addition, it should be noted that the dwell time at high speeds should in principle be kept as short as possible.
On the other hand, the method according to the invention can of course also be used analogously to determine the loss moments or the friction moments or the friction power. For this purpose, the torques M, or angular momentum J M dt, must not be subtracted from run-up and run-down, but added together, so that the influence of the inertial masses is eliminated.
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As described, the method according to the invention is not restricted to use on internal combustion engines and can be used on a wide variety of test stands or diagnostic test facilities, even where z. B. only a transmission without a motor or a hybrid drive with an electric motor is to be examined. As described, it is not only possible to measure the friction torque, but also certain disturbing variables of the measuring chain, e.g. B. eliminate a DAC offset, which is very advantageous when determining the moment of inertia.
It is clear to the person skilled in the art from the above explanations that the dynamic frictional torque can of course also be easily determined by corresponding application of this method if, conversely, the moment of inertia is already precisely known. The exact knowledge of the moment of inertia is also required, for example, in connection with the dynamic power measurement on internal combustion engines or entire drive trains of vehicles in workshops.
For the sake of completeness, it should also be pointed out here that for the purposes of carrying out the method according to the invention, it is immaterial whether the torques, speeds and rotational accelerations are measured directly or are known by specification or setting; combinations of known or set values with measured values or indirect determination from other values known on the test bench are of course also possible.
In the drawings enclosed to clarify the method according to the invention, FIG. 1 shows the idealized curves of speed n, rotational acceleration h and torque M over time t when controlled speed ramps are driven on a test bench for the internal combustion engine to be tested. 2 shows typical measured curves of speed n, torque M and oil temperature T over time t.
Fig. 1 serves to explain a variant of the inventive
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Procedure. The torque curve corresponds to a test specimen with a loss torque that increases disproportionately with the speed. The areas LI (negative) and L2 represent the integrals over the torque, while the speed lies between nu and no. The two areas add up to twice the angular momentum change that the rotating parts experience when they are accelerated from nu to no . This total area is independent of
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2 shows signal profiles measured on the engine test bench. You can clearly see the transients of torque and speed, which can affect the accuracy of the determined moment of inertia and are therefore not evaluated here. In this example, the intervals were between 2000
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also sees the increase in the lost torque with the speed and the relatively large change in the oil temperature during the waiting time of 5 s at 5000 min-l. This waiting time is of course not useful for the implementation of the method and is only used here to illustrate the change in the operating conditions of the internal combustion engine. The influence of this change has an effect on the moment of inertia. The experiment should therefore be carried out in the shortest possible time.
A compilation follows for further clarification. the essential mathematical in connection with the inventive method
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Speed: n [min-l] (average speed of rotation) Rotational acceleration: a [min '/ sec] (speed change per second) Overall setup = test specimen (P) + shaft (W) + load machine (B) Total moment of inertia: I = Ip + 1w + 1B torque disturbances: N5 (n) = M (n) + M2 torque (run-up): M, (n) = (7 .- / 30). I. a., (N) + Ms (n)
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