DE2350724C2

DE2350724C2 - Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Messung des indizierten mittleren Druckes bei Kolbenmaschinen

Info

Publication number: DE2350724C2
Application number: DE19732350724
Authority: DE
Inventors: Hans Alfred Dipl.-Ing. 3000 Hannover Kochanowski; Bernd Dipl.-Ing. 8900 Augsburg Rau
Original assignee: Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen Ev 6000 Frankfurt
Current assignee: Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen Ev 6000 Frankfurt
Priority date: 1973-10-10
Filing date: 1973-10-10
Publication date: 1975-08-14
Also published as: DE2350724B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Messung des mittleren indizierten Druckes (Pi) bei Kolbcnmaschinen, bei dem mittels einer umlaufenden Teilscheibe mit einer Teilung entsprechend definierten Volumcnabschnitten laufend Impulse abgegeben werdLMi, 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 darstel't. Üblicherweise wird der mittlere indizierte Druck durch Ausplanimetrieren der Arbeitsfläche zwischen Kompressions- und Expansionslinie im Druck-VoJumen- bzw. Druck-Kolbenweg-Diagramm bestimmt. Ein Druck-Volumen-

Diagramm erhält man durch direkte Aufzeichnung mittels eine., mechanischen Indikators oder durch Umformung aus dem Druck-Zeit-Diagramm. Dies kann entweder durch Einsatz eines sogenannten Farnboro-lndikators 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 Mängel, die in erster Linie in der L'ngenauigkeit und in einem großen Arbeits-

aufwand liegen, so daß sie für die ständige Kontrolle von Kolbcnmaschinen oder /um 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 Famboro-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 Mangel 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 <iie Druckkurve in n konstante Volumenabschnitte, enisprechend 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 Kolbenbcwegungsrichtung, 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 Methode ergibt nur eine mangelnde Meßgenauigkeit, insbesondere bei höheren Drehzahlen und e'fordert zusätzlich einen erheblich großen appaii.tiven Aufwand, wobei die Hauptschwierigkeiten darin bestehen, ein genaues Kolbenwegsignal zu erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßveriahren bzw. eine Vorrichtung zu erstellen, welche einfach zu handhaben ist und Messungen mit höchster Genauigkeit, insbesondere auch bei hohen Drehzahlen, er- n> möglicht und trotzdem nur einen geringen apparativen Aufwand erfordct.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der analoge druckproportionale Strom- oder Spannungswert in einen Digitalwert während eines Zeitraumes umgewandelt wird, der länger ist, als der Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgende! Teilscheibenimpulsen, so daß die Mittelwertbildung des p,-Wertes über mehrere Arbeitsspiele hinweg erfolgt. Für die Ermittlung des mittleren ρ,-Wertes wird mindestens der übernächste Teilscheibenimpuls herangezogen. In diesem Falle ist jeder zweite Teilscheibenimpuls ein Entnahmeimpuls.

Gegenüber bekannten Meßverfahren, bei denen für die p,-Mittelwertbildung jeweils nur ein Arbeitsspiel herangezogen wird, bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß der Mittelwert für p, über einen sich über mehrere Arbeitsspiele erstrekkenden Bereich gefunden wird. Dies ist von besonderer Bedeutung, weil sich der Druckverlauf über mehrere Arbeitsspiele unterscheiden kann und für einen Betriebszustand ein aus einem längeren Arbeitsbereich ermittelter mittlerer p,-Wert von Interesse sein kann. Der mittlere p,-Wert wird dadurch gebildet, daß erfuiduiigsgemäß aus mehreren Arbeitsspielen Druckweite zur Auswertung herangezogen werden.

Grundsätzlich lassen sich auch die bekannten Meßverfahren, bei denen die Teilscheibenimpulsc gleichen Kolbenwegen bzw. gleichen Arbeilsvolumina entsprechen, schon dadurch verbessern, daß in den Totpunkt reichen, auf den Kolbenweg bezogen mehr Teilscheibenimpulse für die p,-Messung gege¹ η und bei der Berechnung des mittleren ρ,-Werus mit einem Teilungsfaktor berücksichtigt werden. Selbstverständlich bietet diese erfinderische Maßnahme auch bei dem neuen Meßverfahren Vorteile hinsichtlich der Genauigkeit des zu messenden p_rWertes.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 4 gekennzeichnet. Dieser Spannungs- bzw. Stromwert wird über eine Zeil hinweg, die größer ist, als die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilscheibenimpulsen und die ausreicht, um den Spannungs- oder Stromwert mit der gewünschten Genauigkeit in eine Impulsfolge oder einen digitalen Wert umzuwandeln, festgehalten. In Verbindung mit einer vor/eichenrichtig arbeitenden Impulszahleinrichtung oder einer digitalen Additionsund Subtraktionsschaltung und mit einem zugeordneten Anzeigegerät, läßt sich der vermittelte mittlere indizierte Druck mit größter Genauigkeit auch bei schnelkiufenden Maschinen leicht feststellen. Die digitale Sleuerungsschaltung stellt sicher, daß die Teilscheibcnimpulse nacheinander gleich häufig zur Auswertung des Drucksignals benutzt werden.

Vorzugsweise wird dabei als Impulsgeber eine an sich bekannte, mit der Kurbelwelle zu verbindende Teilscheibe mit einer gleichen Kolbcnarbeitsräumen entsprechenden Teilung verwendet. Zweckmäßig ist es, eine Teilscheibe mit einer ungleichen Kolbenarbeitsräumen entsprechenden Teilung zu benutzen. Die Teilung der den Impulsgeber bildenden Teilscheibe ist dabei im Bereich der Totpunkte um einen bei der späteren Berechnung zu berücksichtigenden Teilungsfaktor kleiner als im übrigen Bereich.

Zusammengefaßt sind für das neue Mpßgerät folgende Vorteile besonders zu erwähnen:

!. Die Möglichkeit, p,~Werte ohne jeglichen Auswerteaufwand in großer Anzahl zu erhalten.

2. Die Möglichkeit, direkt am Versuchsstand Ergebnisse für p, zu erhalten und damit Änderungen an der Maschine sofort beurteilen zu können.

3. Die Einsatzmöglichkeit des Gerätes zur Motorüberwachung im Dauerbetrieb, da eine automatische Meßwertanzeige erfolgt.

4. Der Erhalt eines Mittelwertes aus mehreren Arbeitsspielen.

5. Die Anwendbarkeit des ρ,-Meters auch für hohe Drehzahlen.

6. Die sehr gute Genauigkeit des Meßgerätes.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. ! ein Blockschaltbild eines bekannten P₁-Mc ßgerätes,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer als Impulsgeber verwendeten Teilscheibe.

F i g. 3 ein Blockschaltbild des neuen Meßgerätes,

Fig. 4 einen Zeit- und Funktionsplan der Arbeitsweise der neuen Meßanordnung und

Fig. 5 ein ausführlicheres Blockschaltbild der im Prinzip gleichen Ausführungsform der neuen Meßanordnung.

Bei dem Blockschahbild gemäß F i g. 1 ist in den Zylinder 1 der Kolbenmaschine 2 ein an sich bekannter Druckaufnehmer 3 eingesetzt. Auf die Kurbelwelle 4 ist eine Teilscheibe 5 aufgebracht, die beispielsweise nach Art einer Lichtschranke mit den Impulsgebern 6 bzw. 7 zusammenarbeitet. Auf ihrem Umfang ist die Teilscheibe 5 mit Markierungen, Schlitzen, Bohrungen od. dgl. 8 versehen. Bei bekannten Meßgeräten entspricht die Teilung dieser Schlitze 8 konstanten Volumenabschnitten bzw. gleichen Kolbcnwegabschnitten der Druckkurve. Beim Umlauf der Scheibe bzw. der Kurbelwelle 4 vermittelt der Impulsgeber 6 eine laufende Impulsgabe, während der Impulsgeber 7 Impulse nur abgibt beim Durchlauf des oberen (OT) oder unteren (UT) Totpunktes. Die vom Druckaufnehmer 3 jeweils ermittelten Drücke gehen über einen Vorverstärker 9 in die Druckhöhenontnahme 10 ein. Dasselbe gilt für die vom Impulsgebei 6 gegebenen Aliswertimpulse. Diese bestimmen den Zeitpunkt einer jeden Druckmessung. Von d^" Druckhöhenentnahme 10 gelangen die Werte zu einem Anali^ Digital-Umwandlcr bzw. Spannungs-Frcquenzwandler 11. Von dort laufen die jeweiligen Werte über ein OT-UT-Schaltgerät 12, welches von dem OT-UT-Impulsgeber 7 gesteuert wird nach den Zählgeräten 13 und 14. Diese beiden Zählgeräte dienen der vorzeichenrichtigen Summation der gemessenen Zylinderdrücke.

Der im Druckaufnehmer 3 und Verstärker 9 in eine proportionale Spannung umgesetzte Druck wird in

dem Spannungs-Frequenzwandler 11 in eine dem Druck proportionale Anzahl von Impulsen umgesetzt. Über das OT-UT-Schaltgerät 12 werden diese Impulse den Zählgeräten 13, 14 zugeführt. In diesen werden jeweils die Summen der positiv bzw. negativ zu zählenden Impulse gebildet. Die Differenz der Ergebnisse der Zählgeräte geteilt durch den Eichfaktor des Druckaufnehmers 3 und durch die Zahl η der Volumenabschnitte ergibt den Mittelwert für P₁.

Die F i g. 2 zeigt die Anordnung der die Impulse vermittelnden Markierungsschlitze 15 auf dem Umfang der Scheibe 5. Sie sind so verteilt, daß die Impulsgabe, d. h. die jeweilige Druckmessung immer im der Mitte gleicher Volumenabschnitte Λ V erfolgt. Daraus ergibt sich ein ungleicher Zeitabschnitt zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen. In den Totpunktbereichen ist der zeitliche Impulsabstand größer als in der Mitte zwischen den Totpunkten. Eine größere Meßgenauigkeit wird dadurch erzielt, daß in den Totpunktbereichen durch die Verwendung einer größeren Anzahl von Markierungsschlitzen 15 eine kleinere Teilung und damit eine dichtere Impulsfolge gegeben ist. So ist beispielsweise in F i g. 2 der Teilscheibenumfang 5' im Bereich der ersten beiden AV in jeweils vier Teile geteilt. Der Teilungsfaktor »4« ist in der späteren Rechnung zu berücksichtigen.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 3 versinnbildlicht eine neue Anordnung. Dabei gelangt eine Teilscheibe 5' zur Anwendung. Es findet hier eine Vorrichtung 18, z.B. eine Sample & Hold-Baustein 18 zum Festhalten des im Augenblick der Druckhöhenentnahme jeweils vorhandenen analogen druckproportionalen Spannungs- bzw. Stromwertes Anwendung. Der Druckgeber 3 gibt sein Signal über den Verstärker 9 zum Sample & Hold-Baustein 18. Die Impulsgeber 6 und 7 liefern ihre Impulse in die digitale Steuerung 20, die ihrerseits die F.ntnahmeimpulse liefert, welche den Baustein 18, den Spannungs-Frequenz-Umwandler 11, einen Teiler 16 und einen Zähler mit Anzeige 17 steuern. Da eine Teilscheibe 5' mit einer Teilung für verschieden große Volumenabschnitte Anwendung findet, hat der Teiler 16 die Aufgabe, den Teilungsfaktor/ zu berücksichtigen. Die Anzeige 17 bringt als Ergebnis der Summation der Druckwerte bzw. bei Anwendung einer Teilung durch die Anzahl η der Teilscheibenimpulse und durch den Eichfaktor den mittleren indizerten Druck.

An Hand des Zeit- und Funktionsplanes gemäß F i g. 4 ist ein neues Verfahren bzw. die Arbeitsweise einer neuen Meßanordnung zu erklären. Die oberste Kurve stellt den Verlauf des Druckes für einen Viertaktmotor dar. Die darunter eingetragene Linie verkörpert die Aufeinanderfolge der Entnahmeimpulse, worunter nur diejenigen Impulse zu verstehen sind, bei denen gemessen wird und die den zeitlichen Abstand α voneinander haben. Die darunterfoigende Kurve zeigt die Funktion des S & Η-Bausteins. Beim ersten Impuls liegt die Spannung U₁ vor. Diese wird über einen längeren Zeitraum festgehalten und fällt nach Ende des Meßzeitimpulses wieder auf den Wert

ίο der Druckkurve zurück. Die weiter darunter folgenden Kurven zeigen den Meßzeitirnpuls, den Ausgang des Spannungs-Frequenzwandlers und schließlich die Impulse, die in den Vor- und Rückwärtszähler gelangen. Die Anzahl der gezählten Impulse ist propor-

tional der bei der jeweiligen Impulsgabe gemessenen Spannung bzw. des Druckwertes.

Schließlich ist in F i g. 5 in Ergänzung zur F i g. 3 ein erweitertes Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Meßanordnung wiedergegeben, aus wel- chem zugleich der Aufbau der in F i g. 3 angegebenen digitalen Steuerung erkennbar ist. Aus dem zugehörigen Inschriften der einzelnen Blöcke ist der Aufbau des Blockschaltbildes zu entnehmen.

Die Digitale Steuerungsschaltung stellt sicher, daß jeder Teilscheibenimpuls nur einmal zur Auswertung des Drucksignals benutzt wird.

Außerdem bringt die Steuerungsschaltung nach Abarhf¹' ^ aller Teilscheibenimpulse das Ergebnis der Summation der Druckwerte zur Anzeige. Auch die Teilung dieses Ergebnisses durch den Eichwert und die Zahl der Teilscheibenimpulse kann elektronisch vorgenommen werden, so daß man eine direkte Anzeige von Pi erhält. Der Steuerungsteil wird so ausgelegt, daß wahlweise ein p,-Wert für

1. den Hochdruckteil oder

2. für die Gaswechselschleife oder

3. für die gesamte Arbeitsfläche aller vier (bei Zweitaktverfahren: zwei) Takte erhalten wird.

Der Anwendungsbereich der Meßanordnung erstreckt sich auf alle Kolbenmaschinen, für die p,-Werte ermittelt werden, insbesondere auf Otto- und Dieselmotoren, die nach dem Zwei- oder Viertaktverfahren arbeiten. Der anwendbare Drehzahlbereich ist nach unten und oben nicht begrenzt. Dabei ist es möglich, durch einfaches Umschalten der Anlage sowohl p,-Werte für die gesamte Arbeitsfläche zu erhalten als auch den getrennten Wert für die Gaswechselschleife (p_!GW)· Der Abstand α zwischen zwei Druckauswertungen ist einstellbar.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektronischen Messung des mittleren indizierten Druckes (p,·) 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 Stromoder Spannungswert in einen Digitalwert während eines Zeitraums umgewandelt wird, der länger ist, als der Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilscheibenimpulsen, so daß die Mittelwertbildung des ρ,-Wertes über mehrere Arbeitsspiele hinweg erfolgen muß.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung des mittleren p;-Wertes mindestens der übernächste Teil- «cheibenimpuls herangezogen wird.

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

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahtens nach Anspruch 1 mit einem an die Kurbelwelle anzuschließenden Impulsgeber, der mit •iner mit der Kurbelwelle umlaufenden Teil-■cheibe arbeitet, die eine definierten Kolbenirbeitsräumen entsprechende Teilung hai, einem Totpunktmarkengeber zur Bezeichnung der Arkeitstakte, die beide auf eine digitale Steuerung trbeiten, sowie einem an den Kolbenarbeitsraum inzuschließenden Druckaufnehmer und eine vorteichenrichtig arbeitende Auswerteeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Schaltungseinheit (18) •ach Art eines Sample- & Hold-Bausteins zum Festhalten des im Augenblick der Druckhöhen-•ntnahme jeweils vorhandenen analogen druck- |>roportionalen Spannungs- bzw. Stromwertes und durch eine digitale Steuerungseinheit (20), die lichcrstellt, daß eine Druckauswertung frühestens kei dem übernächsten Teilscheibenimpuls erfolgt.

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