DE19731647A1

DE19731647A1 - Leistungsmessverfahren

Info

Publication number: DE19731647A1
Application number: DE19731647A
Authority: DE
Inventors: Gerald Grund; Markus Mohr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-07-23
Filing date: 1997-07-23
Publication date: 1999-01-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsmessung an Kraftmaschinen.

Es sind bereits Verfahren auf dem Markt. Diese sind im wesentlichen Rollenprüfstände, die die Aufnahme einer Leistungskurve über der Drehzahl eines Antriebes ermöglichen. Hierbei werden einzelne, diskrete Betriebspunkte angesteuert. (Patente im Bereich Rollenprüfstände: DE 36 01 251, DE 29 27 783, DE 87 00 637, u. a.). Rollenprüfstände haben konstruktiv bedingt eine nicht unerhebliche Masse, die einer instationären Verwendung entgegenstehen. Auch sind die Kosten bei Anschaffung und Unterhalt nicht gering. Ein weitere Nachteil von Rollenprüfständen ist der Schlupf des Antriebsrades auf der Rolle des Prüfstandes: Zum einen wird die Messung verfälscht, zum anderen resultiert hieraus Verschleiß des angetriebenen Rades.

Des Weiteren ist die Leistungsmessung aus der Bestimmung des Zylinderinnendrucks bekannt. (DE 40 20 681).

Ein anderes Verfahren der Leistungsmessung für einen Kurbelantrieb ist durch die Messung der Dehnung einer Antriebskette bekannt. (DE 37 22 728).

Das hier vorzustellende Verfahren dient der indirekten, dynamischen Messung der Leistung einer Kraftmaschine.

Es sind bereits gattungsgemäße Verfahren bekannt, in denen indirekt und dynamisch die Leitung ermittelt wird.

In dem gattungsgemäßen Verfahren nach DE 28 30 674 wird das Drehmoment ermittelt, indem die Winkelbeschleunigung des Motors gemessen wird. Diese Messung geschieht durch das Detektieren der zur Motordrehzahl proportionalen Zündimpulse. Der Motor wird nur durch seine Trägheitsmomente und durch keine äußere Last belastet. Aus dem Produkt der aus der zeitlichen Änderung der Motordrehzahl zu gewinnenden Winkelbeschleunigung mit dem bekannten motorspezifischen Trägheitsmoment errechnet sich das Drehmoment des Motors. Dieses Drehmoment multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit ergibt die Leistung des Motors bei der anliegender Drehzahl. Die Erfassung der Zündimpulse setzt das Vorhanden sein dieser voraus. Zum Beispiel bei Dieselaggregaten wäre diese Voraussetzung nicht gegeben.

In dem gattungsgemäßen Verfahren nach DE 34 01 020 wird neben anderen Kenndaten auch das Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl ermittelt.

Auch hier muß das Trägheitsmoment des Motors bekannt sein, um zu einem Ergebnis zu gelangen.

Insbesondere in der instationären Nutzung als Verfahren zur Leistungsmessung sind hier Grenzen gesetzt, da die Kenntnis der Trägheitsmomente aller möglichen Motoren naturgemäß nicht möglich sein wird.

Hier stellt sich die Aufgabe, durch ein geeignetes Verfahren die Leistungsmessung einer Kraftmaschine ohne die Kenntnis des Wertes für das Trägheitsmoment dieser Kraftmaschine zu entwickeln, das außerdem an eine beliebige Art der Kraftmaschine angeschlossen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches gelöst.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer formelmäßigen Beziehungen sollen die nachstehenden Ausführungen dienen.

Für das Drehmoment M(t) gilt:

Gleichung 1

Für die Leistung gilt:

Gleichung 2

Unter Verwendung von Gleichung 2 wird hieraus:

Gleichung 3

P_t = Θ_* _t _*ω_t.

Mittels dieser formelmäßigen Zusammenhänge läßt sich die Leistung bei bekanntem Trägheitsmoment ermitteln, wenn die zeitliche Änderung der Winkelgeschwindigkeit, sprich die Winkelbeschleunigung, ermittelt wird.

Ist das Trägheitsmoment nicht bekannt, versagen die hierauffußenden Verfahren zwangsläufig.

Bei dem hier vorzustellenden Verfahren wird mittels vergleichender Messungen der Kraftmaschine bei verschiedenen Belastungen durch unterschiedliche Trägheitsmomente die Leistung ermittelt.

Dazu die formelmäßigen Zusammenhänge:

Gleichung 4

Im Einzelfall sind dies:

Gleichung 5

P_t,1 = Θ₁ _* _t,1 _*ω_t,1

Gleichung 6

P_t,2 = Θ₂ _* _t,2 _*ω_t,2.

Nun setzt sich Θ₁ aus dem unbekannten Trägheitsmoment der Kraftmaschine mit eventuell vorhandenem Abtriebsstrang und unter Umständen aus einem bekannten Trägheitsmoment für die Sensorik oder ähnliche Anbauteile zusammen. Hier sei dieser bekannte Anteil unter dem Index Anbauteil 1 subsumiert. Dieser Anteil kann wegfallen, wenn die Sensorik oder ähnliche Anbauteile keinen Anteil am Trägheitsmoment haben.

Gleichung 7

Θ₁

= Θ_x

+Θ_Anbauteil1

.

Des weiteren setzt sich Θ₂ aus Θ₁ und einem zusätzlichen bekannten Trägheitsmoment zusammen, das unter dem Index Anbautell 2 subsumiert ist.

Gleichung 8

Θ₂

= Θ₁

+Θ_Anbauteil2

=Θ_x

+Θ_Anbauteil1

+Θ_Anbauteil2

.

Gleichung 7 eingesetzt in Gleichung 5 führt zu Gleichung 9:

Gleichung 9

Gleichung 8 eingesetzt in Gleichung 6 ergibt die Gleichung 10:

Gleichung 10

Da beide Messungen an ein und der selben Kraftmaschine durchgeführt werden, ist anzunehmender Weise die abgegebene Leistung bei beiden Messungen gleich.

Gleichung 11

P_t,1

= P_t,2

.

Einsetzen liefert dann Gleichung 12:

Gleichung 12

Alle Elemente der Gleichung 12, außer Θ_x, sind bekannt oder werden gemessen. Die Auflösung der Gleichung ergibt somit das gesuchte Trägheitsmoment Θ_x.

Gleichung 13

Mit Hilfe der nun bekannten Trägheitsmomente und der gemessenen Winkelbeschleunigung gelingt die Leistungsermittlung des Antriebes. (Siehe dazu Gleichung 9 oder Gleichung 10.)

Eine mögliche Ausführung ist wie folgt zu realisieren: Bei einem Krad sei die Leistung zu messen. Hierzu wird ein Messring auf das angetriebene Rad aufgebracht. Dieser Messring ermöglicht über die Aufnahme der zeitlichen Dauer für das Verstreichen eines vorgegebenen Messweges die Ermittlung der Winkelbeschleunigung über die zweifache zeitliche Ableitung.

Für die Ermittlung der Winkelbeschleunigung kommen grundsätzlich weitere Verfahren in Frage: Hierzu können alle drehzahlproportionalen Ereignisse genutzt werden, so sind zum Beispiel bei Verbrennungskraftmaschinen mit Fremdzündung ein Abgreifen der Zündspannungen möglich. Bei Verbrennungskraftmaschinen mit Fremdzündung sind Verfahren denkbar, die zum Beispiel über akustische Sensoren oder Dehnungsmessung an den Verbrennungsräumen Rückschlüsse auf die Drehzahl und deren Änderung zulassen. Der Motor wird dann aus der Leerlaufdrehzahl bis zu einer relevanten Drehzahl beschleunigt. Dies kann zum Beispiel die Maximaldrehzahl oder die Drehzahl bei maximaler Leistung sein. Eine automatisierte Beendigung des Messverfahren bei Erreichen vorgegebener Werte ist realisierbar.

Die Winkelbeschleunigung wird zeitrichtig mit der ebenfalls ermittelten Motordrehzahl verarbeitet. Die Motordrehzahl kann zum Beispiel induktiv über das Detektieren der Zündimpulse gewonnen werden. Auch hier sind unterschiedliche Verfahren denkbar. Bei einer weiteren Messung mit einem Zusatzgewicht auf dem Meßring, das ein zusätzliches Trägheitsmoment aufbringt, wird erneut eine Messung über den gewählten Drehzahlbereich des Antriebs durchgeführt. Auch diese Daten, zusammen mit den zeitrichtigen Motordrehzahldaten, werden erfaßt. Aus den Daten beider Messanordnungen kann dann das Trägheitsmoment des Antriebs ermittelt werden. (Siehe hierzu Gleichung 13.) Die Leistung läßt sich dann rechnerisch ermitteln.

Dieses Verfahren hat einen geringen konstruktiven Aufwand. Es ermöglicht ein schnelles Erfassen der Leistung. Außerdem wird sich der geringe Aufwand im Gewicht und im Preis widerspiegeln. Durch das geringe Gewicht ist an einen instationären Einsatz zu denken. Der geringe Preis im Vergleich zu Rollenprüfständen ermöglicht einen breiten Einsatz. Der Schlupf der besonders bei leistungsstarken Fahrzeugen eine Verfälschung der Messergebnisse bei Rollenprüfständen verursacht, kommt nicht zum Tragen. Ein weiterer Nachteil eines Rollenprüfstandes, der Verschleiß des Antriebsrades, wird unterbunden.

Die universelle Einsetzbarkeit an beliebigen Antriebsmaschinen ist ein weiterer Vorteile dieses Verfahrens, das neben der Anwendbarkeit an Maschinen mit unbekannten Trägheitsmomenten erwähnt werden muß.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des Leistungsverlaufs über einen Drehzahlbereich eines Antriebs, des Drehmomentenverlaufs über einen Drehzahlbereich dieses Antriebs und des Trägheitsmoments dieses Antriebs dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine Messung des Antriebs bei einem bekannten Trägheitsmoment, das mittels mindestens eines montierten Anbauteiles, das auf ein angetriebenes Element wirkt, aufgeprägt wird
und daß mindestens eine weitere Messung des Antriebs bei einem bekannten Trägheitsmoment, das mittels mindestens eines montierten Anbauteiles, das auf ein angetriebenes Element wirkt,
durchgeführt wird.
Aufgenommen werden während der Messungen mindestens der Verlauf der Drehzahl des Antriebs und der Verlauf der Winkelbeschleunigung des angetriebenen Element. Die Reib- und Trägheitsmomente können durch dieses Verfahren ebenfalls bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Messung des Antriebs ohne zusätzliches aufgeprägtes Trägheitsmoment
und daß mindestens eine weitere Messung des Antriebs bei einem bekannten Trägheitsmoment, das mittels mindestens eines montierten Anbauteiles, das auf ein angetriebenes Element wirkt, durchgeführt wird.
Aufgenommen werden während der Messungen mindestens der Verlauf der Drehzahl des Antriebs und der Verlauf der Winkelbeschleunigung des angetriebenen Element.