DE2350724B1

DE2350724B1 - Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Messung des indizierten mittleren Druckes bei Kolbenmaschinen

Info

Publication number: DE2350724B1
Application number: DE19732350724
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Kochanowski Ha Alfred; Bernd Dipl-Ing Rau
Original assignee: VERBRENNUNGSKRAFTMASCH FORSCH
Current assignee: VERBRENNUNGSKRAFTMASCH FORSCH
Priority date: 1973-10-10
Filing date: 1973-10-10
Publication date: 1975-01-02
Also published as: DE2350724C2

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Messung des mittleren indizierten Druckes (Pi) bei Kolbenmaschinen, bei dem mittels einer umlaufenden Teilscheibe mit einer Teilung entsprechend definierten Volumenabschnitten laufend Impulse abgegeben werden, die den Zeitpunkt jeweils einer Druckmessung festlegen, worauf die gemessenen Druckwerte vorzeichenrichtig miteinander verrechnet und zur Ermittlung des mittleren indizierten Druckes durch die Anzahl der Impulse dividiert werden und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Es kann sich dabei z.B. um Hub- und Rotationskolbenmaschinen, Brennkraftmaschinen, Verdichter, Pumpen, Kompressoren handeln. Dieser indizierte mittlere Druck wird z. B. benutzt zum Vergleich verschiedener Motoren oder zur Beurteilung des erzielten thermodynamischen Wirkungsgrades der Maschinen und schließlich zur Bestimmung der Reibungsverluste durch Differenzbildung mit dem effektiven mittleren Druck, der das Verhältnis der von der Kupplung der Maschine übertragenen Arbeit zum Hubvolumen darstellt. Üblicherweise wird der mittlere indizierte Druck durch Ausplanimetrieren der Arbeitsfläche zwischen Kompressions- und Expansionslinie im Druck-Volumen- bzw. Druck-Kolbenweg-Diagramm bestimmt. Ein Druck-Volumen-Diagramm erhält man durch direkte Aufzeichnung mittels eines mechanischen Indikators oder durch Umformung aus dem Druck-Zeit-Diagramm. Dies kann entweder durch Einsatz eines sogenannten Farnboro-Indikators oder durch Aufnahme des Druckes mittels eines Druckgebers und Aufzeichnung des Druckverlaufes, z.B. mittels eines Schleifen-Oszillographen erhalten werden. Alle diese Verfahren haben beachtliche Mangel, die in erster Linie hi der Ungenauigkeit und in einem großen Arbeitsaufwand liegen, so daß sie für die ständige Kontrolle von Kolbenmaschinen oder zum Erhalt einer großen Anzahl von Meßwerten wenig geeignet sind. Die direkte Aufzeichnung des Druck-Volumen-Diagramms ist besonders bei höheren Drehzahlen nicht einsetzbar. Andererseits eignet sich der Farnboro-Indikator schlecht für den Einsatz an Maschinen mit sehr hohen Drehzahlen und schließlich läßt die Aufzeichnung von Druck-Zeitdiagrammen keine direkte Mittelwertbildung zu.

Um diese Mängel zu beheben, wurde bereits in der MTZ, Jahrgang 23, Heft 2, Febr. 1962, S. 44 bis 46, eine elektronische Einrichtung zur Messung des indizierten Druckes vorgeschlagen, bei der die Druckkurve in η konstante Volumenabschnitte, entsprechend gleichen Kolbenwegabschnitten, eingeteilt wird. Der mittlere indizierte Druck läßt sich dann aus der vorzeichenrichtigen Summation der in der Mitte der Volumenabschnitte gemessenen Drücke und der bekannten Zahl η der Volumenabschnitte elektronisch berechnen. Dabei wird zur elektronischen Messung des indizierten mittleren Druckes eine auf die Kurbelwelle aufzusetzende, vor einem Geber arbeitende, Impulse erzeugende Scheibe mit einer gleichen Kolbenwegen entsprechenden Teilung und ein Totpunktmarkengeber zur Bestimmung der Kolbenbewegungsrichtung, die beide auf eine digitale Steuerung arbeiten, benutzt, in Verbindung mit einem an den Kolbenarbeitsraum anzuschließenden Druckaufnehmer mit zugehörigem Verstärker, einem Analog-Digital-Umwandler und einem Zähler. Solche Verfahren und Einrichtungen haben den Nachteil, daß sie nur bis zu einer bestimmten Drehzahl Anwendung finden können und daß mit steigender Drehzahl die Meßgenauigkeit erheblich nachläßt. Um diesen Mangel zu beheben, wurde bereits in den SAE-Transactions, Nr. 730 150, vom Januar 1973, S. 1 bis 15, die analoge Multiplikation des Druck- und eines Volumen-Signals und die analoge Integra-

tion des Produktes vorgeschlagen. Auch diese entsprechenden Teilung verwendet. Zweckmäßig ist Methode ergibt nur eine mangelnde Meßgenauigkeit, es, eine Teilscheibe mit einer ungleichen Kolbeninsbesondere bei höheren Drehzahlen und erfordert arbeitsräumen entsprechenden Teilung zu benutzen, zusätzlich einen erheblich großen apparativen Auf- Die Teilung der den Impulsgeber bildenden Teilwand, wobei die Hauptschwierigkeiten darin be- 5 scheibe ist dabei im Bereich der Totpunkte um einen stehen, ein genaues Kolbenwegsignal zu erzeugen. bei der späteren Berechnung zu berücksichtigenden

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren Teilungsfaktor kleiner als im übrigen Bereich.
bzw. eine Vorrichtung zu erstellen, welche einfach zu Zusammengefaßt sind für das neue Meßgerät fol-

handhaben ist und Messungen mit höchster Genauig- gende Vorteile besonders zu erwähnen:
keit, insbesondere auch bei hohen Drehzahlen, er- io

möglicht und trotzdem nur einen geringen appara- 1. Die Möglichkeit, p_rWerte ohne jeglichen Aus-

tiven Aufwand erfordert. werteaufwand in großer Anzahl zu erhalten.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß 2. Die Möglichkeit, direkt am Versuchsstand Erder analoge druckproportionale Strom- oder Span- gebnisse für p, zu erhalten und damit Änderun-

nungswert in einen Digitalwert während eines Zeit- 15 gen an der Maschine sofort beurteilen zu

raumes umgewandelt wird, der länger ist, als der können.

Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teil- 3. Die Einsatzmöglichkeit des Gerätes zur Motorscheibenimpulsen, so daß die Mittelwertbildung des Überwachung im Dauerbetrieb, da eine automa-

PrWertes über mehrere Arbeitsspiele hinweg erfolgt. tische Meßwertanzeige erfolgt.

Für die Ermittlung des mittleren p_r Wertes wird min- 20 4. Der Erhalt eines Mittelwertes aus mehreren Ardestens der übernächste Teilscheibenimpuls heran- beitsspielen.

gezogen. In diesem Falle ist jeder zweite Teilschei- 5. Die Anwendbarkeit des p_rMeters auch für hohe

benimpuls ein Entnahmeimpuls. Drehzahlen.

Gegenüber bekannten Meßverfahren, bei denen 6. Die sehr gute Genauigkeit des Meßgerätes,

für die p-Mittelwertbildung jeweils nur ein Arbeits- 35

spiel herangezogen wird, bietet das erfindungsgemäße Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines

Verfahren den Vorteil, daß der Mittelwert für P₁ Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher über einen sich über mehrere Arbeitsspiele erstrek- erläutert, und zwar zeigt

kenden Bereich gefunden wird. Dies ist von beson- Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten

derer Bedeutung, weil sich der Druckverlauf über 3° p_rMeßgerätes,

mehrere Arbeitsspiele unterscheiden kann und für F i g. 2 einen Ausschnitt aus einer als Impulsgeber

einen Betriebszustand ein aus einem längeren Ar- verwendeten Teilscheibe,

beitsbereich ermittelter mittlerer p_rWert von Inter- F i g. 3 ein Blockschaltbild des neuen Meßgerätes,

esse sein kann. Der mittlere p_;-Wert wird dadurch F i g. 4 einen Zeit- und Funktionsplan der Arbeitsgebildet, daß erfindungsgemäß aus mehreren Arbeits- 35 weise der neuen Meßanordnung und
spielen Druckwerte zur Auswertung herangezogen F i g. 5 ein ausführlicheres Blockschaltbild der im

werden. Prinzip gleichen Ausführungsform der neuen Meß-

Grundsätzlich lassen sich auch die bekannten Meß- anordnung.

verfahren, bei denen die Teilscheibenimpulse gleichen Bei dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 ist in den

Kolbenwegen bzw. gleichen Arbeitsvolumina ent- 4° Zylinder 1 der Kolbenmaschine 2 ein an sich bekannsprechen, schon dadurch verbessern, daß in den Tot- ter Druckaufnehmer 3 eingesetzt. Auf die Kurbelpunktbereichen, auf den Kolbenweg bezogen, mehr welle 4 ist eine Teilscheibe 5 aufgebracht, die bei-Teilscheibenimpulse für die p_rMessung gegeben und spielsweise nach Art einer Lichtschranke mit den Imbei der Berechnung des mittleren p,-Wertes mit pulsgebern 6 bzw. 7 zusammenarbeitet. Auf ihrem einem Teilungsfaktor berücksichtigt werden. Selbst- 45 Umfang ist die Teilscheibe 5 mit Markierungen, verständlich bietet diese erfinderische Maßnahme Schlitzen, Bohrungen od. dgl. 8 versehen. Bei beauch bei dem neuen Meßverfahren Vorteile hinsieht- kannten Meßgeräten entspricht die Teilung dieser lieh der Genauigkeit des zu messenden p_t-Wertes. Schlitze 8 konstanten Volumenabschnitten bzw. glei-

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens chen Kolbenwegabschnitten der Druckkurve. Beim ist im Anspruch 4 gekennzeichnet. Dieser Spannungs- 5° Umlauf der Scheibe bzw. der Kurbelwelle 4 vermit- bzw. Stromwert wird über eine Zeit hinweg, die telt der Impulsgeber 6 eine laufende Impulsgabe, größer ist, als die Zeit zwischen zwei aufeinander- während der Impulsgeber 7 Impulse nur abgibt beim folgenden Teilscheibenimpulsen und die ausreicht, Durchlauf des oberen (OT) oder unteren (UT) Totum den Spannungs- oder Stromwert mit der ge- punktes. Die vom Druckaufnehmer 3 jeweils ermittelwünschten Genauigkeit in eine Impulsfolge oder 55 ten Drücke gehen über einen Vorverstärker 9 in die einen digitalen Wert umzuwandeln, festgehalten. In Druckhöhenentnahme 10 ein. Dasselbe gilt für die Verbindung mit einer vorzeichenrichtig arbeitenden vom Impulsgeber 6 gegebenen Auswertimpulse. Diese Impulszähleinrichtung oder einer digitalen Additions- bestimmen den Zeitpunkt einer jeden Druckmessung, und Subtraktionsschaltung und mit einem zugeord- Von der Druckhöhenentnahme 10 gelangen die Werte neten Anzeigegerät, läßt sich der vermittelte mittlere 60 zu einem Analog-Digital-Umwandler bzw. Spannungsindizierte Druck mit größter Genauigkeit auch bei Frequenzwandler 11. Von dort laufen die jeweiligen schnellaufenden Maschinen leicht feststellen. Die Werte über ein OT-UT-Schaltgerät 12, welches von digitale Steuerungsschaltung stellt sicher, daß die dem OT-UT-Impulsgeber 7 gesteuert wird nach den Teilseheibenimpulse nacheinander gleich häufig zur Zählgeräten 13 und 14. Diese beiden Zählgeräte Auswertung des Dnicksignals benutzt werden. 65 dienen der vorzeichenrichtigen Summation der ge-

Vorzugsweise wird dabei als Impulsgeber eine an messenen Zylinderdrücke.

sich bekannte, mit der Kurbelwelle zu verbindende Der im Druckaufnehmer 3 und Verstärker 9 in eine

Teilscheibe mit einer gleichen Kolbenarbeitsräumen proportionale Spannung umgesetzte Druck wird in

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dem Spannungs-Frequenzwandler 11 in eine dem taktmotor dar. Die darunter eingetragene Linie ver-

Druck proportionale Anzahl von Impulsen umge- körpert die Aufeinanderfolge der Entnahmeimpulse,

setzt. Über das OT-UT-Schaltgerät 12 werden diese worunter nur diejenigen Impulse zu verstehen sind,

Impulse den Zählgeräten 13, 14 zugeführt. In diesen bei denen gemessen wird und die den zeitlichen Ab-

werden jeweils die Summen der positiv bzw. negativ 5 stand α voneinander haben. Die darunterfolgende

zu zählenden Impulse gebildet. Die Differenz der Er- Kurve zeigt die Funktion des S & Η-Bausteins. Beim

gebnisse der Zählgeräte geteilt durch den Eichfaktor ersten Impuls liegt die Spannung U₁ vor. Diese wird

des Druckaufnehmers 3 und durch die Zahl η der über einen längeren Zeitraum festgehalten und fällt

Volumenabschnitte ergibt den Mittelwert für P₁. nach Ende des Meßzeitimpulses wieder auf den Wert

Die Fig. 2 zeigt die Anordnung der die Impulse io der Druckkurve zurück. Die weiter darunter folgenvermittelnden Markierungsschlitze 15 auf dem Um- den Kurven zeigen den Meßzeitimpuls, den Ausgang fang der Scheibe 5. Sie sind so verteilt, daß die Im- des Spannungs-Frequenzwandlers und schließlich die pulsgabe, d. h. die jeweilige Druckmessung immer im Impulse, die in den Vor- und Rückwärtszähler geder Mitte gleicher Volumenabschnitte AV erfolgt. langen. Die Anzahl der gezählten Impulse ist propor-Daraus ergibt sich ein ungleicher Zeitabschnitt zwi- 15 tional der bei der jeweiligen Impulsgabe gemessenen sehen den aufeinanderfolgenden Impulsen. In den Spannung bzw. des Druckwertes.
Totpunktbereichen ist der zeitliche Impulsabstand Schließlich ist in F i g. 5 in Ergänzung zur F i g. 3 größer als in der Mitte zwischen den Totpunkten. ein erweitertes Blockschaltbild einer Ausführungs-Eine größere Meßgenauigkeit wird dadurch erzielt, form einer Meßanordnung wiedergegeben, aus weldaß in den Totpunktbereichen durch die Verwendung 20 chem zugleich der Aufbau der in F i g. 3 angegebenen einer größeren Anzahl von Markierungsschlitzen 15 digitalen Steuerung erkennbar ist. Aus dem zugehöeine kleinere Teilung und damit eine dichtere Impuls- rigen Inschriften der einzelnen Blöcke ist der Aufbau folge gegeben ist. So ist beispielsweise in F i g. 2 der des Blockschaltbildes zu entnehmen.
Teilscheibenumfang 5' im Bereich der ersten beiden Die Digitale Steuerungsschaltung stellt sicher, daß AV in jeweils vier Teile geteilt. Der Teilungsfaktor »4« 25 jeder Teilscheibenimpuls nur einmal zur Auswertung ist in der späteren Rechnung zu berücksichtigen. des Drucksignals benutzt wird.

Das Blockschaltbild gemäß F i g. 3 versinnbildlicht Außerdem bringt die Steuerungsschaltung nach

eine neue Anordnung. Dabei gelangt eine Teil- Abarbeitung aller Teilscheibenimpulse das Ergebnis

scheibe 5' zur Anwendung. Es findet hier eine Vor- der Summation der Druckwerte zur Anzeige. Auch

richtung 18, z.B. eine Sample & Hold-Baustein 18 3° die Teilung dieses Ergebnisses durch den Eichwert und

zum Festhalten des im Augenblick der Druckhöhen- die Zahl der Teilscheibenimpulse kann elektronisch

entnahme jeweils vorhandenen analogen druckpro- vorgenommen werden, so daß man eine direkte An-

portionalen Spannungs- bzw. Stromwertes Anwen- zeige von p_t erhält. Der Steuerungsteil wird so aus-

dung. Der Druckgeber 3 gibt sein Signal über den gelegt, daß wahlweise ein p_rWert für
Verstärker 9 zum Sample & Hold-Baustein 18. Die 35

Impulsgeber 6 und 7 liefern ihre Impulse in die digi- 1. den Hochdruckteil oder

tale Steuerung 20, die ihrerseits die Entnahmeimpulse 2. für die Gaswechselschleife oder

liefert, welche den Baustein 18, den Spannungs-Fre- 3. für die gesamte Arbeitsfläche aller vier (bei Zwei-

quenz-Umwandler 11, einen Teiler 16 und einen Zäh- taktverfahren: zwei) Takte erhalten wird,
ler mit Anzeige 17 steuern. Da eine Teilscheibe 5' 4°

mit einer Teilung für verschieden große Volumenab- Der Anwendungsbereich der Meßanordnung er-

schnitte Anwendung findet, hat der Teiler 16 die streckt sich auf alle Kolbenmaschinen, für die p_rWerte

Aufgabe, den Teilungsfaktor / zu berücksichtigen. ermittelt werden, insbesondere auf Otto- und Diesel-

Die Anzeige 17 bringt als Ergebnis der Summation motoren, die nach dem Zwei- oder Viertaktverfahren

der Druckwerte bzw. bei Anwendung einer Teilung 45 arbeiten. Der anwendbare Drehzahlbereich ist nach

durch die Anzahl η der Teilscheibenimpulse und unten und oben nicht begrenzt. Dabei ist es möglich,

durch den Eichfaktor den mittleren indizerten Druck. durch einfaches Umschalten der Anlage sowohl

An Hand des Zeit- und Funktionsplanes gemäß p_rWerte für die gesamte Arbeitsfläche zu erhalten F i g. 4 ist ein neues Verfahren bzw. die Arbeitsweise als auch den getrennten Wert für die Gaswechseleiner neuen Meßanordnung zu erklären. Die oberste 50 schleife ipiow)· Der Abstand α zwischen zwei Druck-Kurve stellt den Verlauf des Druckes für einen Vier- auswertungen ist einstellbar.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektronischen Messung des mittleren indizierten Druckes (p_f) bei Kolbenmaschinen, bei dem mittels einer umlaufenden Teilscheibe mit einer Teilung entsprechend definierten Volumenabschnitten laufend Impulse gegeben werden, die den Zeitpunkt jeweils einer Druckmessung festlegen, worauf die gemessenen Druckwerte vorzeichenrichtig miteinander verrechnet und zur Ermittlung des mittleren indizierten Druckes durch die Anzahl der Impulse dividiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der analoge druckproportionale Strom- oder Spannungswert in einen Digitalwert während eines Zeitraums umgewandelt wird, der langer ist, als der Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilscheibenimpulsen, so daß die Mittelwertbildung des p-Wertes über mehrere Arbeitsspiele hinweg erfolgen muß.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung des mittleren p_rWertes mindestens der übernächste Teilscheibenimpuls herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Totpunktbereichen auf den Kolbenweg bezogen mehr Teilscheibenimpulse für die p-Messung gegeben und bei der Berechnung des p_rWertes mit einem Teilungsfaktor berücksichtigt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem an die Kurbelwelle anzuschließenden Impulsgeber, der mit einer mit der Kurbelwelle umlaufenden Teilscheibe arbeitet, die eine definierten Kolbenarbeitsräumen entsprechende Teilung hat, einem Totpunktmarkengeber zur Bezeichnung der Arbeitstakte, die beide auf eine digitale Steuerung arbeiten, sowie einem an den Kolbenarbeitsraum anzuschließenden Druckaufnehmer und eine vorzeichenrichtig arbeitende Auswerteeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Schaltungseinheit (18) nach Art eines Sample- & Hold-Bausteins zum Festhalten des im Augenblick der Druckhöhenentnahme jeweils vorhandenen analogen druckproportionalen Spannungs- bzw. Stromwertes und durch eine digitale Steuerungseinheit (20), die sicherstellt, daß eine Druckauswertung frühestens bei dem übernächsten Teilscheibenimpuls erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (8) der den Impulsgeber bildenden Teilscheibe (S) im Bereich der Totpunkte um einen bei der späteren Berechnung zu berücksichtigenden festen Teilungsfaktor kleiner ist als im übrigen Bereich.