DE19706385A1

DE19706385A1 - Verfahren zur Volumenverhältnisbestimmung

Info

Publication number: DE19706385A1
Application number: DE1997106385
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Benz
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: DE19706385C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses zweier Volumina mit vorausgesetzt gleichem Leck austrittsquerschnitt, insbesondere des sogenannten Kompressions verhältnisses einer Brennkraftmaschine, d. h. des Verhältnisses von deren maximalem und minimalem Brennraumvolumen.

Ein herkömmliches Verfahren zur Bestimmung des Kompressionsver hältnisses von Brennkraftmaschinen ist das sogenannte Auslitern, bei dem die Brennkraftmaschine demontiert und abgedichtet werden muß und anschließend einmal bei maximalem und einmal bei minima lem Brennraumvolumen mit einer Meßflüssigkeit aufgefüllt wird. Aus dem jeweiligen Bedarf an Meßflüssigkeit läßt sich dann das Kompressionsverhältnis bestimmen.

Es sind auch bereits Verfahren zur Bestimmung des Kompressions verhältnisses von Brennkraftmaschinen bekannt geworden, mit de nen auf das aufwendige Auslitern verzichtet werden kann. Ein solches Verfahren ist in der Patentschrift US 5 203 822 be schrieben. Bei diesem Verfahren wird der Brennraum bis zu einem vorgebbaren Anfangsdruck mit einem Gas beaufschlagt. Anschlie ßend wird der Anfangsdruck auf einen davon verschiedenen Druck wert geändert, während gleichzeitig Druck und Temperatur im Brennraum zeitabhängig erfaßt werden und der mit der Druckände rung verknüpfte Gasleckfluß ermittelt wird. Durch zeitliche In tegration des ermittelten Gasleckflusses wird das Leckvolumen bestimmt, woraus unter Verwendung der idealen Gasgleichung und den Druck- und Temperaturwerten zu Beginn und Ende des Druckän derungsvorgangs das gesuchte Volumen bestimmt wird.

Bei einem in der Offenlegungsschrift DE 34 32 093 A1 offenbarten Verfahren zur Bestimmung des Volumens eines Raumes wird der Raum bis zu einem vorgebbaren Anfangsdruck mit einem Gas beaufschlagt und der Gasdruck nach Ablauf einer bestimmten Zeit wieder gemes sen, woraus ein zugehöriger, erster Differenzprüfdruck ermittelt wird. Anschließend wird dem Raum, dessen Volumen zu bestimmen ist, ein Parallelraum bekannten Volumens parallel geschaltet oder von ihm abgetrennt, und der obige Druckmeßvorgang wird wie derholt, woraus sich ein zweiter Differenzprüfdruck ergibt. Das gesuchte Raumvolumen wird dann als Quotient des zweiten Diffe renzprüfdrucks zum Unterschied zwischen dem zweiten und ersten Differenzprüfdruck berechnet.

In der Offenlegungsschrift DE 44 05 478 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines in einem Rohr steckengebliebenen, druckluftgetriebenen Kolbens offenbart, bei dem der Verlauf des Rohrinnendruckes während einer definierten Rohrentlüftung gemes sen und die Zeitspanne zwischen dem Druckabfall von einem ersten vorbestimmten Druck auf einen zweiten vorbestimmten Druck be stimmt wird. Dieser Vorgang wird zum einen in einer Referenzmes sung bei in einer ersten definierten Entfernung vom Rohranfang fesbgehaltenem Kolben zur Gewinnung einer Referenzzeitspanne und zum anderen in einer Fehlerortmessung bei am Fehlerort stecken gebliebenem Kolben zur Gewinnung einer Meßzeitspanne durchge führt. Die Entfernung zum Fehlerort wird dann unter Kenntnis der definierten Referenzentfernung und der Referenzzeitspanne sowie der Meßzeitspanne aufgrund eines proportionalen Zusammenhangs des Verhältnisses dieser Zeitspannen zum Verhältnis der beiden Längen, die den entsprechenden Rohrvolumina proportional sind, ermittelt.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem sich das Verhältnis zweier Volumina mit vorausgesetzt gleichem Leckaustrittsquerschnitt vergleichsweise einfach und zuverlässig bestimmen läßt.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs l. Bei diesem Verfah ren wird das erste Volumen mit einem Gas befüllt. Anschließend fällt der Druck aufgrund des vorhandenen Leckaustrittsquer schnitts ab, wobei es sich um eine Undichtigkeit oder, im Fall eines weitgehend gasdichten Systems, um ein definiert einge brachtes "Leck" handeln kann, z. B. in Form einer Auslaßöffnung mit eingebrachtem Auslaßventil. Die Kenntnis der Größe des Leck austrittsquerschnitts ist für das Verfahren nicht erforderlich, sie muß nur für beide Volumina gleich sein. Der abfallende Druck wird dann wenigstens zu Beginn und Ende einer zugehörigen Zeit spanne erfaßt. Analog wird mit dem zweiten Volumen verfahren. Daraufhin läßt sich das Verhältnis der beiden Volumina als Pro dukt des Verhältnisses der Druckabfallzeitspanne bezüglich des ersten Volumens zur Druckabfallzeitspanne bezüglich des zweiten Volumens mit einem Faktor bestimmen, der von den erfaßten Druck werten zu Beginn und Ende der jeweiligen Druckabfallzeitspanne abhängt, wobei Temperaturänderungen vernachlässigt werden.

Das Verfahren ermöglicht damit die Bestimmung des Verhältnisses zweier Volumina gleichen Leckaustrittsquerschnitts in einfacher und dennoch zuverlässiger Weise, ohne daß die Leckrate und die Temperatur der gasbefüllten Volumina erfaßt werden muß. Das Ver fahren eignet sich besonders auch zur Bestimmung des Kompressi onsverhältnisses von Brennkraftmaschinen, ohne daß diese demon tiert oder abgedichtet werden müssen. Die Gasbefüllung des Brennraums kann dabei über eine vorhandene Einspritzdüse oder einen speziellen Meßkopf erfolgen, gegen den zu diesem Zweck ei ne vorhandene Einspritzdüse oder Zündkerze ausgetauscht wird.

Mit einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren ist die Vo lumenverhältnisbestimmung in besonders einfacher Weise dadurch möglich, daß beide Volumina auf gleiche Anfangsdrücke befüllt, der anschließende Druckabfall kontinuierlich erfaßt und die Druckabfallzeitspannen auf einer Isobaren ermittelt werden. In diesem Fall entspricht das gesuchte Volumenverhältnis gerade dem Verhältnis der beiden Druckabfallzeitspannen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung illu striert und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein Druck-Zeit-Diagramm mit Druckabfallmeßkurven zweier Volumina, deren Verhält nis gesucht ist.

Die Figur zeigt ein Diagramm des Drucks p in Abhängigkeit von der Zeit t. Speziell sind zwei Druckverlaufskurven p₁, p₂ wieder gegeben, die als Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Be stimmung des Kompressionsverhältnisses einer Brennkraftmaschine gemessen wurden. Das Verfahren geht von einer differentiellen Form der allgemeinen Gasgleichung aus, die ein konstantes Volu men, eine konstante Temperatur und eine bestimmte Leckrate, z. B. über die Kolbenringe oder eine Düse, voraussetzt. Unter zusätz licher Beachtung der Proportionalität der Leckrate zum Produkt aus Druck und Leckaustrittsquerschnitt ergibt sich ein exponen tieller Druckabfall p(t) eines mit einem Anfangsdruck p₀ befüll ten Volumens V in Abhängigkeit von der Zeit t gemäß

p(t) = p₀exp(-AcRTt/V),

wobei T die Temperatur, R die Gaskonstante, A der Luftaustritts querschnitt und c die Proportionalitätskonstate der Leckstromra te als Funktion des Produkts aus Druck und Leckaustrittsquer schnitt bedeuten. Ausgehend von dieser Beziehung läßt sich das Verhältnis zweier Volumina V₁, V₂ mit gleichem Leckaustrittsquer schnitt A bestimmen, ohne daß hierfür die Temperatur T und der Wert des Leckaustrittsquerschnitts A bzw. die Leckrate ermittelt werden müssen. Dazu wird wie folgt vorgegangen.

Zunächst wird das erste Volumen V₁ mit einem Gas befüllt, bis ein vorgegebener erster Anfangsdruck p₁₀ erreicht ist. Für den an schließenden zeitlichen Verlauf des Druck p₁ im ersten Volumen V₁ gilt gemäß obiger Beziehung:

p₁(t) = p₁₀exp(-AcRTt/V₁)

Dieser Druckabfall p₁ wird kontinuierlich erfaßt, was die in der Figur wiedergegebene Meßkurve p₁ ergibt. Mit der analogen Vorge hensweise wird ein zweites Volumen V₂ mit demselben Gas bis zum Erreichen eines vorgegebenen zweiten Anfangsdrucks p₂₀ befüllt und anschließend der Druckverlauf p₂ kontinuierlich gemessen, welcher der Beziehung

p₂(t) = p₂₀exp(-AcRTt/V₂)

folgt, was zu der zweiten, in der Figur dargestellten Meßkurve p₂ führt. In den obigen Beziehungen bezeichnet t jeweils die seit Erreichen des jeweiligen Anfangsdruckes p₁₀, p₂₀ verstrichene Zeit.

Basierend auf den obigen Beziehungen können nun eine beliebige erste, sich auf das erste Volumen V₁ beziehende Druckabfallzeit spanne t₁ und eine beliebige zweite, sich auf das zweite Volumen V₂ beziehende Druckabfallzeitspanne t₂ betrachtet und durch Log arithmieren und anschließendes Dividieren der zugehörigen Druck beziehungen folgende Beziehung für das Verhältnis der beiden Vo lumina V₁, V₂ gewonnen werden:

V₁/V₂ = [t₁/t₂] . [ln(p₂(t₂)/p₂₀)/ln(p₁(t₁)/p₁₀)]

Damit kann das gesuchte Volumenverhältnis V₁/V₂ allein anhand der beiden Druckabfallzeitspannen t₁, t₂ und der zugehörigen Drücke am Anfang und am Ende dieser Zeitspannen bestimmt werden. Beson ders einfach gestaltet sich die Volumenverhältnisbestimmung, wenn die beiden Volumina V₁, V₂ auf denselben Anfangsdruck, d. h. p₁₀ = p₂₀ befüllt und die zu einer beliebigen, wählbaren Isobaren gehörenden Druckabfallzeitspannen t₁, t₂ ermittelt werden. Da dann die Beziehungen p₂(t₂) = p₁(t₁) und p₂₀o = p₁₀ gelten, vereinfacht sich die Beziehung für das Volumenverhältnis zu

V₁/V₂ = t₁/t₂,

d. h. das Volumenverhältnis entspricht dem Verhältnis der beiden Druckabfallzeitspannen.

Dieser auswertungstechnisch besonders einfache Spezialfall ist in der Figur illustriert. Die gemessenen Druckabfallkurven p₁, p₂ bezüglich des ersten Volumens V₁ bzw. des zweiten Volumens V₂ be ginnen bei einem gleich großen Anfangsdruck, d. h. p₁₀ = p₂₀, und fallen dann aufgrund der unterschiedlich großen Volumina ver schieden rasch ab. Zur Bestimmung des Verhältnisses der beiden Volumina V₁, V₂ kann eine beliebige, unterhalb des vorgegebenen Anfangsdrucks liegende Isobare, die in der Figur einer jeweili gen Horizontallinie entspricht, ausgewählt werden. Beispielhaft ist in der Figur die Isobare mit dem Druckwert 1 bar gewählt. Aus den beiden Schnittpunkten der Isobaren mit den beiden Druckab fallkurven p₁, p₂ ergeben sich dann unmittelbar die beiden die Isobarengleichung p₁(t₁) = p₂ (t₂) erfüllenden Druckabfallzeitspannen t₁, t₂.

Aus den obigen Erläuterungen folgt, daß es im Prinzip ausreicht, den Druck im jeweiligen Volumen einmal am Anfang und das andere Mal am Ende einer jeweils vorgebbaren Druckabfallzeitspanne zu messen, um schon daraus das Volumenverhältnis bestimmen zu kön nen. Eine erhöhte Zuverlässigkeit für die Volumenverhältnisbe stimmung ergibt sich hingegen durch Auswertung einer Mehrzahl derartiger Meßwertpaare, wozu die in der Figur gezeigte, konti nuierliche Druckerfassung von Vorteil ist. Durch geeignete Mit telung der damit ermittelten Mehrzahl von Volumenverhältniswer ten und/oder durch geeignete Approximation der gemessenen Druck abfallkurven durch eine Exponentialfunktion werden Zuverlässig keit und Genauigkeit der Volumenverhältnisbestimmung erhöht.

Zur Bestimmung des Kompressionsverhältnisses einer Brennkraftma schine wird beispielsweise so vorgegangen, daß über eine Ein spritzdüse Druckluft in einen Brennraum der Brennkraftmaschine injiziert wird. Bedingt durch die Leckage der Kolbenringe stellt sich ein gewisser Leckstrom ein. Sobald sich das System in einem stabilen Zustand mit einem bestimmten Anfangsdruck befindet, werden die Luftzufuhr abgeschaltet und der zeitliche Verlauf des Druckabfalls im Brennraum aufgezeichnet. Der dafür nötige Druck sensor ist häufig bereits Bestandteil der Brennkraftmaschine, ansonsten kann er Teil eines Meßkopfes sein, der z. B. anstelle einer Zündkerze am Brennraum positioniert wird. Die Druckabfall messung wird zum einen für das maximale Brennraumvolumen als dem oben beschriebenen ersten Volumen V₁, bei dem sich der zugehörige Zylinderkolben in seinem unteren Totpunkt befindet, und zum an deren für das minimale Brennraumvolumen als dem oben erläuterten zweiten Volumen V₂, d. h. mit dem Zylinderkolben in seiner oberen Totpunktstellung, durchgeführt. Mit der oben erläuterten Vorge hensweise kann anschließend das Verhältnis der beiden Volumina V₁, V₂ und damit das Kompressionsverhältnis der Brennkraftmaschi ne bestimmt werden. Für den in der Figur illustrierten Bei spielsfall ergibt sich mit t₁ ≈ 15,6 und t₂ ≈ 0,9 ein Kompressions verhältnis von V₁/V₂ ≈ 17,3.

Es versteht sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Bestimmung des Kompressionsverhältnisses von Brennkraftma schinen, sondern zur Bestimmung des Verhältnisses zweier belie biger Volumina geeignet ist, die einen gleich großen Leckaus trittsquerschnitt besitzen, der aufgrund der Verhältnisbildung selbst ebensowenig bestimmt zu werden braucht wie die durch ihn hindurchtretende Leckrate. Im Falle der Bestimmung des Kompres sionsverhältnisses von Brennkraftmaschinen ist die Bedingung gleichen Leckaustrittsquerschnitts automatisch erfüllt, da die ser unabhängig von der Kolbenstellung ist.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses zweier Volumina V₁, V₂ mit gleichem Leckaustrittsquerschnitt (A), gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Befüllen des ersten Volumens V₁ mit einem Gas und anschließen des Erfassen des Gasdrucks p₁ im ersten Volumen wenigstens am Anfang (p₁₀) und am Ende (p₁(t₁)) einer ersten Druckabfallzeit spanne t₁,
- Befüllen des zweiten Volumens V₂ mit demselben Gas und an schließendes Erfassen des Gasdrucks p₂ im zweiten Volumen we nigstens am Anfang (p₂₀) und am Ende (p₂(t₂)) einer zweiten Druckabfallzeitspanne t₂ und
- Bestimmen des Verhältnisses V₁/V₂ des ersten zum zweiten Volu men nach der Beziehung
V₁/V₂ = [t₁/t₂] . [ln(p₂(t₂)/P₂₀)/ln(p₁(t₁)/p₁₀)]

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Druckwerte (p₁₀, p₂₀) zu Beginn der jeweiligen Druckab fallzeitspanne (t₁, t₂) gleich groß gewählt werden, die anschlie ßende Erfassung des jeweiligen Gasdrucks kontinuierlich erfolgt, die Druckabfallzeitspannen zu zwei gleich großen, späteren Druckwerten (p₁(t₁) = p₂(t₂)) des ersten bzw. des zweiten Volumens ermittelt werden und das Verhältnis (V₁/V₂) der beiden Volumina als gleich dem Verhältnis (t₁/t₂) der beiden Druckabfallzeitspan nen V₁/V₂ = t₁/t₂) bestimmt wird.