DE102011120160A1 - Method for converting time-dependently measured cylinder pressure signal for calculating cylinder power of internal combustion engine, involves converting cylinder pressure signal into angle-dependent pressure values in top dead center - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der Technik:State of the art:
Moderne Verbrennungskraftmaschinen wurden in den vergangenen Jahren ständig weiterentwickelt. Die Maximaldrücke und die spezifischen Leistungen stiegen hierdurch immer weiter an. Damit sind die Bauteilbelastungen enorm gestiegen. Der Grundeinstellung der Maschine und der Kontrolle dieser Einstellungen während des Betriebes kommt damit ein immer größerer Stellenwert zu. Die Bewertung der Qualität der Einstellungen und die Diagnose von Verbrennungskraftmaschinen wird häufig über die Messung der Innendruckverlaufes in den Zylindern der Maschine durchgeführt. Hierbei werden zum Teil fest installierte Systeme aber auch mobile Systeme eingesetzt. Bei mobilen Systemen ist die Zuordnung der aufgenommenen Messwerte zum Drehwinkel der Kurbelwelle nicht oder nur durch zusätzlich anzubringende Geber zu realisieren. Eine Berechnung der indizierten Zylinderleistung ist mit diesen Systemen nur annähernd möglich, da für die Berechnung die Zuordnung der Messwerte zum Winkel der Kurbelwelle ausschlaggebend für die Genauigkeit der Leistungsberechnung ist. Ein Grad Abweichung können dabei einen Fehler von bis zu 10% hervorrufen.Modern internal combustion engines have been constantly evolving in recent years. The maximum pressures and the specific benefits increased as a result. Thus, the component loads have increased enormously. The basic setting of the machine and the control of these settings during operation is thus becoming increasingly important. The evaluation of the quality of the settings and the diagnosis of internal combustion engines is often performed by measuring the internal pressure history in the cylinders of the engine. Fixed systems but also mobile systems are sometimes used here. In the case of mobile systems, the assignment of the recorded measured values to the angle of rotation of the crankshaft can not be realized or can only be implemented by additional encoders. A calculation of the indicated cylinder power is only approximately possible with these systems, since for the calculation the assignment of the measured values to the angle of the crankshaft is decisive for the accuracy of the power calculation. One degree of deviation can cause an error of up to 10%.
Ziel der Erfindung:Object of the invention:
Ziel der Erfindung ist die Umrechnung der zeitabhängig aufgenommenen Messwerte einer Zylinderdruckmessung auf eine genaue Kurbelwinkelzuordnung mit einer vorgegebenen Anzahl von Messwerten pro Arbeitsspiel. Damit soll die Voraussetzung für eine genaue Berechnung der indizierten Zylinderleistung für mobile Geräte geschaffen werden. Weiterhin sollen mit dieser Erfindung die bisher erforderlichen Geber für die Kurbelwellenposition entfallen. Laufende Maschinen müssen so nicht erst für die Gebermontage gestoppt werden, um eine Messung durchzuführen. Die Geräte werden damit einfacher zu handhaben und liegen in der Genauigkeit ähnlich, wie fest installierte Systeme, bei denen die Messung über einen Drehwinkelgeber an der Kurbelwelle gesteuert werden.The aim of the invention is the conversion of the time-dependent recorded measured values of a cylinder pressure measurement to an exact crank angle assignment with a predetermined number of measured values per working cycle. This is to create the conditions for an accurate calculation of the indicated cylinder power for mobile devices. Furthermore, to account for the previously required donors for the crankshaft position with this invention. Current machines do not have to be stopped first for encoder mounting in order to carry out a measurement. The devices are thus easier to handle and are similar in accuracy as fixed systems, where the measurement is controlled by a rotary encoder on the crankshaft.
Lösungsweg:Solution:
Zur Umrechnung des zeitabhängig aufgenommenen Zylinderdrucksignals werden die einzelnen Messwerte zuerst in Druckwerte in Bezug zum Umgebungsdruck umgerechnet. Hierbei ist zu beachten, dass der Ladeluftdruck bei dynamischen Sensoren bei der Berechnung der Messwerte berücksichtigt wird. Im Ergebnis liegt dann eine Reihe aus Messwerten vor, die den Druckverlauf im Zylinder über mehrere Arbeitsspiele wiedergeben.To convert the time-dependent recorded cylinder pressure signal, the individual measured values are first converted into pressure values in relation to the ambient pressure. It should be noted that the charge air pressure in dynamic sensors is taken into account when calculating the measured values. As a result, there is a series of measured values that represent the pressure curve in the cylinder over several working cycles.
Für die Umrechnung in winkelabhängige Werte wird zuerst mit Hilfe der Motorparameter ein theoretischer Kompressionsdruckverlauf mit einem mittleren geschätzten Polytropenexponenten berechnet. Aus diesem berechneten Verlauf werden die Kurbelwinkel für mehrere Druckstufen in der ansteigenden Phase dieses Druckverlaufes bestimmt.For the conversion into angle-dependent values, a theoretical compression pressure curve with a mean estimated polytropic exponent is first calculated with the aid of the engine parameters. From this calculated course, the crank angles are determined for several pressure stages in the rising phase of this pressure curve.
Danach werden die Schnittpunkte des gemessenen Zeitverlaufs mit den festgelegten Druckstufen in den jeweils ansteigenden Phasen ermittelt. In jeder dieser Phasen erhält man damit für jede Druckstufe eine Messwertnummer. Aus den Differenzen der Messwertnummern kann die Länge des jeweiligen Arbeitsspiels berechnet werden. Die Anzahl der Messwerte muss dabei für jede Druckstufe eines Arbeitsspiels annähernd gleich sein. Größere Abweichungen deuten auf Fehler z. B. bei der Messwertaufnahme hin. Die Anzahl der Messwerte für ein Arbeitsspiel kann weiterhin für die Berechnung der Drehzahl verwendet werden. Für jedes Arbeitsspiel steht damit eine Drehzahl zur Verfügung. Damit können Drehzahlabschwankungen bei der Messwertaufnahme erkannt und die Auswertung gegebenenfalls abgebrochen werden.Thereafter, the intersections of the measured time course are determined with the specified pressure levels in the respective rising phases. In each of these phases, one obtains a measured value number for each pressure stage. The length of the respective working cycle can be calculated from the differences of the measured value numbers. The number of measured values must be approximately the same for each pressure stage of a working cycle. Larger deviations indicate errors z. B. in the measured value recording out. The number of measured values for a working cycle can still be used for calculating the speed. There is a speed available for each working cycle. This speed deviations can be detected in the measured value recording and the evaluation can be canceled if necessary.
Aus der Kenntnis der Schnittpunkte der Druckstufen, der Länge jedes Arbeitsspiels und der Winkelwerte der theoretischen Druckkurve kann dann der Startpunkt für jedes Arbeitsspiel z. B. 180° vor OT ermittelt werden. Auch hierbei kann durch die Verwendung mehrerer Druckstufen die Qualität der Berechnung überwacht werden. Bei Ordnungsgemäßer Berechnung müssen für alle Druckstufen annähernd gleiche Startpunkte für die jeweiligen Arbeitsspiele ermittelt werden.From the knowledge of the intersections of the pressure levels, the length of each cycle and the angle values of the theoretical pressure curve can then be the starting point for each working cycle z. B. 180 ° before TDC can be determined. Again, the quality of the calculation can be monitored by using multiple pressure levels. If the calculation is correct, approximately the same starting points for the respective work cycles must be determined for all pressure stages.
Aus den vorangegangenen Schritten sind die Startpunkte und die Länge der Arbeitsspiele bekannt. Mit Hilfe geeigneter Interpolationsverfahren z. B. kubischer Splines kann jedes Einzelarbeitsspiel auf eine für die weitere Berechnung geeigneten Winkelauflösung umgerechnet werden. Im Ergebnis dieser Rechnung erhält man einen drehwinkelabhängigen Druckverlauf für mehrere Arbeitsspiele mit gleicher Winkelauflösung, der nur noch einen geringen Winkelversatz zur richtigen Lage des oberen Totpunktes hat. Dieser Versatz kann dann mit Hilfe einer dynamischen Winkelkorrektur beseitigt werden, die nicht Gegenstand dieser Erfindung ist.From the previous steps, the starting points and the length of the work cycles are known. With the help of suitable interpolation z. B. cubic splines, each individual work game can be converted to an appropriate angle resolution for further calculation. As a result of this calculation, one obtains a rotation angle-dependent pressure curve for several cycles with the same angular resolution, the only a small angular offset to the correct position of the top dead center has. This offset can then be eliminated by means of a dynamic angle correction, which is not the subject of this invention.
Ausführungsbeispiel:Embodiment:
Für die Bestimmung der Länge der Einzelarbeitsspiele und des Startwertes für die Arbeitsspiele wird ein Referenzdruckverlauf der Kompression für den Motor berechnet. Hierzu wird der Winkel bei Beginn der Kompression aus den Steuerzeiten der Ladungswechselorgane bestimmt. Der Zylinderdruck bei diesem Winkel wird gleich dem Ladeluftdruck gesetzt.
- α0
- ... Winkel bei Beginn der Kompression (Ladeluftdruck)
- α 0
- ... angle at the beginning of the compression (charge air pressure)
Danach wird für mehrere Winkel (α1, α2 und α3) in der Kompressionsphase (α0 ... αOT) der theoretische Zylinderdruck mit den konstruktiven Motorparametern und einem mittleren Poltropenexponenten κ berechnet (
Hierzu wird zuerst das Zylindervolumen für die gewählten Winkel bestimmt.
- dz
- Bohrungsdurchmesser
- h
- Kolbenhub
- λ
- Schubstangenverhältnis
- ε
- Verdichtunsverhältnis
- d z
- Bore diameter
- H
- stroke
- λ
- Pushrod ratio
- ε
- Verdichtunsverhältnis
Danach werden die Messwertnummern idx bestimmt, bei denen die Messwerte die berechneten Zylinderdruckwerte kreuzen (
idxik für die gilt pm(idx – 1) < pzi und pm(idx + 1) ≥ pzi Thereafter, the measured value idx are determined at which the measured values cross the calculated cylinder pressure values (
idx ik for which we have p m (idx - 1) <p zi and p m (idx + 1) ≥ p zi
Aus den ermittelten Messwertnummern lässt sich die Anzahl der Messwerte für jedes einzelne Arbeitsspiel ermitteln (
Im Idealfall müssen die Anzahl der Messwerte pro Arbeitsspiel für alle Druckschwellen gleich sein. Bei großen Abweichungen deutet das auf Fehler bei der Messwerterfassung hin. Durch Überprüfung der Unterschiede der Messwertanzahlen können fehlerhafte Messungen erkannt und verworfen werden.Ideally, the number of readings per cycle must be the same for all pressure thresholds. In the case of large deviations, this indicates errors in the measured value acquisition. By checking the differences in the number of measurements, erroneous measurements can be detected and discarded.
Aus der Anzahl der Messwerte pro Arbeitsspiel kann dann die Winkelschrittweite dαk und mit Hilfe der Abtastfrequenz tADC die Drehzahl nk für jedes einzelne Arbeitsspiel berechnet werden.From the number of measured values per working cycle, the angular increment dα k and with the aid of the sampling frequency t ADC the rotational speed n k can be calculated for each individual working cycle.
Differieren die berechneten Drehzahlen der einzelnen Arbeitsspiele zueinander stark, so weist das auf starke Drehzahlschwankungen bei der Messung hin. Die weitere Berechnung kann bei starken Drehzahlschwankungen fehlerhaft werden. Durch die Bewertung der Drehzahlschwankungen können Messungen mit großen Drehzahlunterschieden erkannt und verworfen werden.If the calculated speeds of the individual work cycles differ greatly from one another, this indicates strong fluctuations in the speed of the measurement. The further calculation can be faulty in the case of strong speed fluctuations. By evaluating the speed fluctuations, measurements with large speed differences can be detected and discarded.
Für die Umrechnung der zeitabhängigen Druckwerte auf den Kurbelwinkel ist es erforderlich, dass neben der Winkelschrittweite noch die richtige Zuordnung zum Kurbelwinkel berechnet wird. Hierzu werden aus den Winkeln α1, α2, α3 und den Messwertnummern idx11, idx12 und idx13 der Startpunkt für das erste Arbeitsspiel ermittelt (
Aus den Startwerten für die einzelnen Druckstufen kann ein mittlerer Startwert berechnet werden.From the starting values for the individual pressure stages, a mean starting value can be calculated.
Mit dem mittleren Startwert
Für eine weitere Berechnung ist es günstig, die einzelnen Arbeitsspiele, die unterschiedliche Anzahl von Werten und damit unterschiedliche Winkelauflösungen haben können auf gleiche Winkelschrittweiten umzurechnen. Hierzu können geeignete Interpolationsverfahren wie kubische Interpolationssplines oder ähnliche Verfahren verwendet werden.For a further calculation, it is favorable to convert the individual work cycles, which can have different numbers of values and thus different angular resolutions, to equal angular step sizes. For this purpose, suitable interpolation methods such as cubic interpolation splines or similar methods can be used.
Im Ergebnis der Berechnungen liegen dann mehrere Druckverläufe von Einzelarbeitsspielen mit gleicher Winkelschrittweite für die weiteren Berechnungen vor.As a result of the calculations, there are then several pressure profiles of single work cycles with the same angular increment for the further calculations.
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