DE10313471A1

DE10313471A1 - Method for determining the torque of an engine

Info

Publication number: DE10313471A1
Application number: DE2003113471
Authority: DE
Inventors: Ingo Dipl.-Ing. Behr; Roland Prof. Dr. Fischer; Klaus Dipl.-Phys. Hoffmann; Christian Dipl.-Ing. Jäger; Alexander Dipl.-Ing. Leu; Stefan Scheuermann; Reinhard Dipl.-Ing. Seyer; Ulrich-P. Prof. Dr. Thiesen
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-07
Also published as: WO2004085982A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Bestimmung des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors. Dem Motorblock sind dabei Sensoren zugeordnet und es wird das Drehmoment aus der Gleichung DOLLAR A Drehmoment = Trägheitsmoment È Winkelbeschleunigung DOLLAR A bestimmt, wobei als Sensoren Beschleunigungssensoren (2, 3) zur Messung der Winkelbeschleunigung des Motorblockes (1) verwendet und empirisch bestimmte Werte für den jeweiligen Motortyp festgelegt werden, in denen drehzahlabhängig das jeweilige Trägheitsmoment erfasst ist. Aus den entsprechend gemessenen und abgelegten Kurven oder Funktionen lässt sich dann im Betrieb das Drehmoment einfach ermitteln.A method for determining the torque of an internal combustion engine is described. Sensors are assigned to the engine block and the torque is determined from the equation DOLLAR A torque = moment of inertia È angular acceleration DOLLAR A, where as sensors acceleration sensors (2, 3) for measuring the angular acceleration of the engine block (1) and empirically determined values for the respective engine type are defined, in which speed-dependent the respective moment of inertia is detected. From the correspondingly measured and stored curves or functions, the torque can then be easily determined during operation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments eines Motors, insbesondere eines Verbrennungsmotors, bei dem Sensoren dem Motor zugeordnet werden, um Bewegungen des Motorblocks festzustellen.The invention relates to a method for determining the torque of a motor, in particular a Internal combustion engine, in which sensors are assigned to the engine, to detect movements of the engine block.

Ein solches Verfahren ist aus der DE 39 39 927 A1 bekannt, wobei dort zwei Kraftmesseinrichtungen zwischen einer fahrzeugfesten Halterung und dem Motorblock angeordnet und über eine Messsignalverarbeitungseinrichtung gekoppelt werden. Die Messsignalverarbeitungseinrichtung ist dabei so dimensioniert, dass dann, wenn an den Kraftmesseinrichtungen als zeitlich veränderliche Kraft nur eine senkrecht wirkende Massenbeschleunigungskraft auftritt und die von der Messsignalverarbeitungseinrichtung gewonnenen Kraftmesssignale nach Betrag und Vorzeichen gleich sind, die Differenz zwischen den beiden Kraftmesssignalen als Drehmomentsignal ausgewertet wird. Bei diesem Verfahren kann das Drehmoment unbeeinflusst von Massebeschleunigungskräften gemessen werden. Die Auswertungseinrichtung selbst allerdings ist aufwendig.Such a method is from the DE 39 39 927 A1 known, there being arranged two force measuring devices between a vehicle-fixed bracket and the engine block and coupled via a measuring signal processing device. The measuring signal processing device is dimensioned so that when only a vertically acting mass acceleration force occurs at the force measuring devices as time-variable force and the force measurement signals obtained by the measuring signal processing means are equal in magnitude and sign, the difference between the two force measurement signals is evaluated as a torque signal. In this method, the torque can be measured unaffected by mass acceleration forces. The evaluation device itself, however, is expensive.

Andere Einrichtungen ( US-A 38 00 599 ) benutzen, um Stoßerscheinungen beim Motorlauf zu unterbinden, zur Feststellung der Motorblockbewegung Geschwindigkeitssensoren oder Lineartransformatoren, die über einen Hebel am Motor befestigt werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Da dort eine Abweichung vom Rundlauf des Motors möglichst verhindert werden soll, der sich durch hohe Schwingungsamplituden äußert, ist eine solche Anordnung sinnvoll, für die Bestimmung des Drehmomentes allerdings ist eine solche Anordnung nicht geeignet.Other facilities ( US-A 38 00 599 ) to prevent engine glitches, to detect engine block movement, speed sensors or linear transformers attached to the motor via a lever to increase sensitivity. Since a deviation from the concentricity of the motor should be prevented as much as possible, which is expressed by high vibration amplitudes, such an arrangement makes sense, however, for the determination of the torque, such an arrangement is not suitable.

Aus der US-A 45 13 721 ist schließlich bekannt, zur Steuerung des Kraftstoffverbrauches auch die Drehmomentschwankungen über einen Drehmomentsensor zu erfassen, dessen Signale auf eine elektrische Steuerungseinrichtung gegeben werden, welche die Brennstoffeinspritzung steuert, und zwar so, dass Unterschiede im Verbrennungsverlauf des Motors so gering als möglich gehalten werden.From the US-A 45 13 721 Finally, it is known to control the fuel consumption and the torque fluctuations via a torque sensor whose signals are applied to an electrical control device which controls the fuel injection, in such a way that differences in the combustion process of the engine are kept as low as possible.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem auf möglichst einfache Weise laufend das Drehmoment eines Motors bestimmt werden kann.The present invention is the task of a method of the type mentioned above create, with as much as possible Simple way of running the torque of a motor can be determined can.

Die Erfindung schlägt dabei ausgehend von der Newton'schen Gleichung Drehmoment = Trägheitsmoment·Winkelbeschleunigungvor als Sensoren Beschleunigungssensoren zur Messung der Winkelbeschleunigung des Motorblocks zu verwenden und empirisch bestimmte Werte für den Motortyp festzulegen, in denen drehzahlabhängig das jeweilige Trägheitsmoment erfasst ist. Dabei wird unter Trägheitsmoment eine Größe verstanden, die in gemessenen empirischen Kurven als drehzahlabhängiger Faktor zwischen Winkelbeschleunigung und Drehmoment enthalten ist. Durch dieses Verfahren kann man dann in einfacher Weise lediglich durch Messung der Winkelbeschleunigung das zeitabhängige Drehmoment aus der Beschleunigung des Motorblocks bestimmen und das statische Motordrehmoment aus den empirisch bestimmten Werten ableiten, die in Form von Tabellen oder Kurvenscharen, besonders vorteilhaft aber auch in Form einer empirisch bestimmten mathematischen Funktion festgelegt sind und abgerufen werden können.The invention proposes starting from Newton's equation Torque = moment of inertia · angular acceleration to use as sensors acceleration sensors for measuring the angular acceleration of the engine block and to determine empirically determined values for the engine type in which speed-dependent the respective moment of inertia is detected. In this case, inertia is understood to mean a quantity that is contained in measured empirical curves as a speed-dependent factor between angular acceleration and torque. By this method, one can then simply determine the time-dependent torque from the acceleration of the engine block by measuring the angular acceleration and derive the static engine torque from the empirically determined values in the form of tables or family of curves, particularly advantageous but also in the form of an empirical certain mathematical function are fixed and can be retrieved.

In Weiterbildung der Erfindung kann dabei als Wert für die Winkelbeschleunigung die Differenz der Maxima und Minima des Beschleunigungsverlaufes verwendet werden. Es ist aber auch möglich, als Maß für die Winkelbeschleunigung die Amplitude der Frequenzanalyse der für die Gaskräfte maßgeblichen Motorordnung vorzusehen.In a further development of the invention as a value for the angular acceleration the difference of the maxima and minima of the Acceleration course can be used. But it is also possible as a measure of the angular acceleration to provide the amplitude of the frequency analysis of the engine regulations relevant to the gas forces.

In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung kann die Winkelbeschleunigung aus der Differenz der Signale von zwei Beschleunigungssensoren bestimmt werden, die symmetrisch Ober- und unterhalb der Kurbelwelle angebracht sind. Bei einer solchen Anordnung kann sich im günstigsten Fall eine Verstärkung des Drehschwingungssignals um den Faktor 2 und eine Abschwächung des Beitrages der Chassisbeschleunigung im günstigsten Fall auf null ergeben.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the angular acceleration of the difference of the signals of two acceleration sensors can be determined, which are mounted symmetrically above and below the crankshaft. In such an arrangement, in the best case, a gain of the torsional vibration signal by the factor 2 and, in the best case, reduce the contribution of chassis acceleration to zero.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben.The invention is explained below an embodiment described.

Dabei zeigen:Showing:

1a den empirisch ermittelten Verlauf der Differenz der Maxima und Minima der Beschleunigungskurven eines bestimmten Sechszylindermotors in Abhängigkeit vom Drehmoment, bei einer Drehzahl von 1000 U/min, 1a the empirically determined course of the difference between the maxima and minima of the acceleration curves of a specific six-cylinder engine as a function of the torque, at a speed of 1000 rpm,

1b die empirische ermittelte Darstellung der Abhängigkeit der für die Gaskräfte desselben Motors verantwortlichen Motorordnung bei der gleichen Drehzahl von 1000 U/min, 1b the empirical determination of the dependency of the engine order responsible for the gas forces of the same engine at the same speed of 1000 rpm,

2a und 2b die analoge Darstellung des Verlaufes der Differenz der Maxima und Minima der Beschleunigungskurven bzw. des Verlaufes der Amplituden bei einer Drehzahl desselben Motors bei 1500 U/min, 2a and 2 B the analog representation of the course of the difference between the maxima and minima of the acceleration curves or the course of the amplitudes at a speed of the same engine at 1500 rpm,

3a und 3b den analogen Verlauf der Abhängigkeiten des Drehmomentes bei einer Drehzahl von 2000 U/min bei demselben Motor und 3a and 3b the analogous course of the dependencies of the torque at a speed of 2000 U / min for the same engine and

4 schließlich eine schematische Darstellung der Anordnung von zwei Beschleunigungssensoren an einem Motorblock eines in ein Fahrzeug eingebauten Motors, um die Messung der Winkelbeschleunigung von Beschleunigungskräften freizuhalten, die durch die Fahrzeugbewegung und nicht durch das Motordrehmoment bewirkt sind. 4 Finally, a schematic representation of the arrangement of two acceleration sensors on an engine block of a vehicle-mounted engine to keep the measurement of the angular acceleration of acceleration forces, which are caused by the vehicle movement and not by the engine torque.

Der Kurvenverlauf in den Diagrammen 1a bis 3b ist jeweils empirisch, z.B. vor dem Einbau des Motors in ein Fahrzeug ermittelt worden. Beim Ausführungsbeispiel wurde ein Sechszylindermotor bestimmter Bauart dabei bei verschiedenen Drehzahlen in einem Versuchsstand gemessen. Das Ergebnis bei einer Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute ist in den 1a und 1b aufgezeichnet.The curve in the diagrams 1a to 3b has been determined empirically, for example, prior to installation of the engine in a vehicle. In the embodiment, a six-cylinder engine of certain design was measured at different speeds in a test stand. The result at a speed of 1000 revolutions per minute is in the 1a and 1b recorded.

1a zeigt dabei den Drehmomentverlauf in Abhängigkeit der Differenz der Maxima und Minima der ermittelten Beschleunigungskurven. Diese wiederum sind mit Hilfe von am Motorblock angebrachten Beschleunigungssensoren ermittelt worden. 1a shows the torque curve as a function of the difference between the maxima and minima of the determined acceleration curves. These in turn have been determined by means of mounted on the engine block acceleration sensors.

Die Diagramme und Kurven nach den 1a und 3b können für den gewählten Motortyp noch im Werk aufgenommen und abgelegt werden, wobei die der Einfachheit halber als Spreizung bezeichnete Differenz zwischen Maxima und Minima im Beschleunigungsverlauf in Volt angegeben werden und das entsprechende Drehmoment während des Messvorganges entsprechend vorgegeben war, und zwar in 1a bei einer Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute.The diagrams and curves after the 1a and 3b can be recorded and stored for the selected engine type in the factory, the simplicity of the difference referred to as spreading difference between maxima and minima in the acceleration curve in volts and the corresponding torque was specified during the measurement process, namely in 1a at a speed of 1000 revolutions per minute.

Die 1b zeigt die Abhängigkeit des Drehmomentes von der Amplitude der für die Gaskräfte maßgeblichen Motorordnung aus der Frequenzanalyse. Diese Motorordnung ergibt sich insbesondere beim Vier-Takt-Verbrennungsmotor aus der halben Zylinderzahl. Bei dem im Ausführungsbeispiel für die Messung verwendeten Sechszylindermotor ist in 1b daher die dritte Motorordnung aufgetragen.The 1b shows the dependence of the torque on the amplitude of the relevant for the gas forces engine order from the frequency analysis. This engine order results in particular in the four-stroke internal combustion engine from half the number of cylinders. In the six-cylinder engine used in the embodiment for the measurement is in 1b therefore applied the third engine order.

In 2a ist für die gemessene Drehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute und für den gemessenen Motortyp bei einer „Spreizung", d.h. also, bei einer Differenz der Maxima und Minima von 60 Volt – das Sensorsignal wird in Volt angezeigt – ein Motordrehmoment von 75 NM ermittelt, was durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. In ähnlicher Weise kann bei anderen Drehzahlen verfahren werden. Bei der Bestimmung der Kurven nach den 1a bis 3b wird davon ausgegangen, dass für das zeitabhängige Drehmoment die Newton'sche Gleichung Drehmoment = Trägheitsmoment·Winkelbeschleunigunggilt. Die Winkelbeschleunigung lässt sich, wie vorher angedeutet, direkt aus der Beschleunigung des Motorblocks bestimmen, wobei der Hebelarm der Beschleunigungssensoren – siehe 4 – bekannt sein muss, beispielsweise durch empirische Ermittlung z.B. an einem Prüfstand.In 2a is for the measured speed of 1500 revolutions per minute and for the measured motor type in a "spread", ie, with a difference of maxima and minima of 60 volts - the sensor signal is displayed in volts - a motor torque of 75 NM determined, which is indicated by the dashed lines Similarly, it is possible to operate at different speeds 1a to 3b It is assumed that the time-dependent torque is Newton's equation Torque = moment of inertia · angular acceleration applies. As previously indicated, the angular acceleration can be determined directly from the acceleration of the engine block, with the lever arm of the acceleration sensors - see 4 - must be known, for example by empirical determination, for example on a test bench.

Liegen diese Messergebnisse vor, und zwar für verschiedene Drehzahlen, dann lässt sich auch im Betrieb des Motors das jeweils abgegebene Drehmoment durch Messung der Winkelbeschleunigung laufend und einfach ermitteln. Die 2a, 2b und 3a, 3b zeigen den Drehmomentverlauf bei Drehzahlen von 1500 Umdrehungen pro Minute bzw. bei 2000 Umdrehungen pro Minute. Natürlich werden in der Praxis Messungen auch noch bei anderen Drehzahlen vorgenommen. Jeder Motortyp erhält so ein Kennfeld aus vielen solchen Kurven bei verschiedenen Drehzahlen. Diese Messung erfordert zwar einen gewissen Aufwand. Sie lässt aber immer noch in einfacherer Weise die nachfolgende Drehmomentbestimmung zu, als dies mit den heute bekannten Methoden der Fall ist. Drehmomentenkennfelder werden in Abhängigkeit von vielen verschiedenen Eingangsparametern, wie beispielsweise Drehzahl, Drosselklappenstellung, Luftdruck, Temperatur usw. erstellt und abgelegt. Diese Kennfelderstellung ist wesentlich aufwendiger.If these measurement results are available, and indeed for different speeds, then the respective output torque can also be determined continuously and simply by measuring the angular acceleration during operation of the engine. The 2a . 2 B and 3a . 3b show the torque curve at speeds of 1500 revolutions per minute or at 2000 revolutions per minute. Of course, in practice, measurements are also made at other speeds. Each engine type is given a map of many such curves at different speeds. Although this measurement requires a certain effort. However, it still allows the subsequent determination of torque in a simpler manner than is the case with the methods known today. Torque maps are created and stored in response to many different input parameters, such as speed, throttle position, air pressure, temperature, and so forth. This characteristic map is much more complex.

Es ist natürlich auch möglich und zweckmäßig, die gemessenen Kurven, wie sie in den 1a bis 3b dargestellt sind, in Form einer bestimmten mathematischen Funktion festzuhalten, die dann in relativ einfacher weise die Bestimmung des Drehmomentes bei Vorlage der von den Beschleunigungssensoren gelieferten Spannungswerte zu ermitteln erlaubt.It is of course also possible and appropriate to measure the measured curves as they are in the 1a to 3b are shown to hold in the form of a specific mathematical function, which then allows in a relatively simple manner to determine the determination of the torque upon presentation of the voltage provided by the acceleration sensors voltage values.

Die empirische Bestimmung des Drehmomentverlaufes in der dargestellten Weise mit Hilfe von Beschleunigungssensoren weist auch den Vorteil auf, dass Beschleunigungssensoren aus Kostengründen günstig sind. Sie können nämlich ähnlich wie Halbleitertyps aus Silizium hergestellt werden. Für jeden einmal durchgemessenen Motortyp, für den also Kennfelder in der Art der 1a bis 3b vorliegen, genügt im Betrieb dann die Ermittlung der Beschleunigungswerte, so dass sehr schnell und sehr einfach auf das jeweilige Drehmoment geschlossen werden kann. Aufwendige Kennfelder in der vorher erwähnten Art werden dadurch überflüssig.The empirical determination of the torque curve in the manner shown with the aid of acceleration sensors also has the advantage that acceleration sensors are cost-effective. They can be made of silicon, similar to the type of semiconductor. For each once measured engine type, for the so maps in the manner of 1a to 3b be present, then the determination of the acceleration values is sufficient in operation, so that it can be concluded very quickly and very simply on the respective torque. Elaborate maps in the aforementioned manner are thereby unnecessary.

Die 4 zeigt dabei eine vorteilhafte Methode für die Messung im Fahrbetrieb. Hier werden zwei Beschleunigungssensoren 2 und 3 am Motorblock 1 angebracht, und zwar so, dass sie jeweils symmetrisch im Abstand d ober- und unterhalb der Kur belwelle 4 angebracht sind. Wie die 4 zeigt, ist der Motorblock 1 im übrigen über Lagerflansche 5 im Chassis 6 eines Fahrzeugs gelagert. Durch die Anordnung der Beschleunigungssensoren 2 und 3 kann das Momentensignal verstärkt werden, wie durch die Pfeile 7 und 8 zum Ausdruck kommt. Beschleunigungen durch die Chassisbewegung, wie sie im Fahrbetrieb auftreten, können im Idealfall, wie die Pfeile 9 zeigen, eliminiert werden, da diese Beschleunigungskräfte auf beide Sensoren gleich groß sind.The 4 shows an advantageous method for the measurement while driving. Here are two acceleration sensors 2 and 3 on the engine block 1 attached, in such a way that they each belwelle symmetrically at a distance d above and below the cure 4 are attached. As the 4 shows is the engine block 1 otherwise over bearing flanges 5 in the chassis 6 a vehicle stored. By the arrangement of the acceleration sensors 2 and 3 the moment signal can be amplified as indicated by the arrows 7 and 8th is expressed. Accelerations due to the chassis movement, as they occur during driving, can ideally, like the arrows 9 be eliminated because these acceleration forces are the same size on both sensors.

Zur Erläuterung sei noch darauf hingewiesen, dass man mit erster, zweiter, dritter usw. Motorordnung das einfache, zweifache, dreifache oder mehrfache der Kurbelwellendrehzahl bezeichnet. Als Beispiel darf darauf hingewiesen werden, dass ein Schlag der Kurbelwelle sich bei jeder Kurbelwellenumdrehung bemerkbar macht, er erscheint mit der Frequenz der ersten Motorordnung. Bei einem Viertaktmotor zünden die vier Zylinder in der Regel in gleichmäßigen Kurbelwellenabständen. Jeder Zylinder erscheint daher mit seiner Explosionskraft alle zwei Kurbelwellenumdrehungen, vier Zylinder erscheinen also mit ihrer Gaskraft alle zwei Kurbelwellenumdrehungen. Das Gaskraftsignal folgt also der zweiten Motorordnung. Bei einem Sechszylinder folgt die Gaskraft der dritten Motorordnung und diese ist jeweils in den 1b, 2b und 3b in Form der Amplitude der Frequenzanalyse aufgetragen.For explanation, it should be noted that with first, second, third, etc. engine order referred to the single, double, triple or multiple of the crankshaft speed. As an example, it should be noted that a stroke of the crankshaft is noticeable at each crankshaft revolution, it appears at the frequency of the first engine order. In a four-stroke engine, the four cylinders generally ignite at regular crankshaft intervals. Each cylinder therefore appears with its explosive force every two crankshaft revolutions, four cylinders So with their gas power, they seem to be every two crankshaft revolutions. The gas force signal thus follows the second engine order. In a six-cylinder follows the gas power of the third engine order and this is in each case in the 1b . 2 B and 3b plotted in the form of the amplitude of the frequency analysis.

Claims

Method for determining the torque of an engine, in particular an internal combustion engine, in which sensors are assigned to the engine in order to detect movements of the engine block, characterized in that the torque is calculated from the equation Torque = moment of inertia · angular acceleration is determined, as sensors acceleration sensors for measuring the angular acceleration of the engine block are used and that empirically determined values are determined for the engine type, in which speed-dependent the respective moment of inertia is detected.

Method according to claim 1, characterized in that that empirical values in the form of tables or family of curves be determined.

Method according to claim 1, characterized in that that the empirical values take the form of an empirically determined mathematical Function are set.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that as a value for the angular acceleration the difference of the maxima and minima of the Acceleration progress is used.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that as a measure of the angular acceleration the amplitude of the frequency analysis of the decisive for the gas forces engine order is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the angular acceleration of the difference of the signals from two acceleration sensors ( 2 . 3 ) which is symmetrically above and below the crankshaft ( 4 ) are mounted.