DE2605335A1

DE2605335A1 - Verfahren zur messung der klopfstaerke von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2605335A1
Application number: DE19762605335
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Ing Klein; Gerhard Dipl Ing Kracht
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1976-02-11
Filing date: 1976-02-11
Publication date: 1977-08-18

Description

VERFAHREN ZUR MESSUNG DER KLOPFSTÄRKE
VON VERBRENNUNGSMOTOREN Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Klopfstärke von Verbrennungsmotoren aus den Motorgeräuschen.
Bei einem nicht klopffesten Kraftstoff tritt im Verbrennungsmotor ab einem bestimmten Zündwinkel eine anomale Verbrennung des Kraftstoffgemisches ein. Bei dieser Verbrennung tritt ein kurzes kräftiges Hochfrequenzgeräusch auf, das mit Klopfen bezeichnet wird. Das Geräusch wirkt störend auf die Umgebung, seine Erzeugung erfordert Energie, die der Nutzenergie verlorengeht, der Lauf des Motors wird unruhig und der Motor dadurch mechanisch beansprucht.
Um das Klopfen des Motors abzustellen, ist es notwendig, daß man es messen kann.
Ob ein Motor klopft und wie stark das Klopfen ist, wird durch geeignete Horcher festgestellt. Den Zündwinkel, bei dem das Klopfen einsetzt, nennt man Grenzwinkel. Er hängt von der Drehzahl des Motors ab.
Die Beurteilung des Motors durch einen Horcher ist stark individuell verschieden. Die Empfindlichkeit des Gehörs des Horchers, die Beeinflussung durch den Geräuschpegel der Maschine und die Umgebung üben einen starken Einfluß aus.
Neben der Beurteilung des Klopfens durch einen Horcher besteht die Möglichkeit, den Verlauf des Zylinderdruckes auf einem Sichtschirm anzuzeigen (Druckindizierung). Beim Klopfen ist dem Zylinderdruck ein hochfrequenter Schwingungsimpuls überlagert. Der Zylinder muß für diese Messung in der Regel mit einer speziellen Bohrung zur Aufnahme der Drucksonde versehen werden.
in ZT Ermittlung der Klopfgeräusche ist unt2r der DT-OS 2 445 o67 eine Vorrichtung beschrieben. Die beim Klopfen im Motorengeräusch enthaltene Hochfrequenzschwingung wird mit einem Spitzenvoltmeter gemessen. Die gemessenen Amplitudenwerte werden integriert und liefern ein Maß für die Klopfstärke. Das Gerät muß vor der Messung auf den Geräuschpegel des nichtklopfenden Motors geeicht werden. Das Motorengeräusch steigt oft bei einer Zündwinkelvergrößerung an. Dadurch können Meßfehler eintreten.
Nach der angegebenen OS wird daher in einem um den Zündzeitpunkt gelegenen Geräusch intervall die Stärke des Geräuschpegels (Hintergrundgeräusch) gemessen. Eine dem gemessenen Pegel proportionale Größe wird vom Motorengeräusch subtrahiert.
Erst danach wird die Amplitude im Meßintervall bestimmt.
Diese Messung liefert Werte, die nur an einem einzigen Motorzylinder gemessen sind. Ist die Zündspannung gestört, so daß einzelne Zündimpulse ausfallen, tritt eine zeitliche Versetzung des Meßintervalles ein. Dadurch ergeben sich Fehlmessungen. Beispielsweise könnte die Amplitude von Ventilgeräuschen gemessen werden. Eine Erschwerung der Messung tritt dadurch ein, daß eine Eichung des Geräts durch Messung des nichtklopfenden Motors notwendig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch ein automatisch arbeitendes Gerät die Klopfstärke aus dem Motorgeräusch zu messen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die statistischen Momente der Amplitude eines für das Klopfen ausschlaggebenden Geräuschintervalles geschätzt werden, der Quotient zweier dieser Momente als ein zur Klopfstärke jeden Zylinders eines Motors proportionales Maß bestimmt und der Mittelwert der Meßzahlen aller Zylinder bestimmt wird Äquivalent mit den Amplitudenwerten sind die Energie und der größte Anstieg der sogenannten Hüllkurve in diesem Geräuschintervall. Diese drei Größen sind korreliert.
Das Verfahren nach der Erfindung arbeitet im einzelnen so, daß die zu messenden Geräusche an den einzelnen Zylindern des Motors abgenommen werden. Nach Verstärkung werden die gemessenen Geräusche mit Hilfe eines Multiplexers auf ein Meßsystem geschaltet Die Geräusche werden gefiltert und gleichgerichtet und die Amplituden des für das Klopfen maßgebenden Schwingungsimpulses gemessen. Der so gemessene Amplitudenwert wird digitalisiert. Aus einer endlichen Zahl N von Amplituden jeden Zylinders werden zwei geeignete statistische Momente der Amplitudenverteilung geschätzt. Die Schätzung des statistischen Moments k-ter Ordnung iautet: Bezieht man mk auf den Mittelwert m1, so erhält man das k-te zentrale Moment Der Quotient zweier geeigneter Momente wird für jeden Zylinder ermittelt. Damit ergibt sich ein Maß für die Klopfstärke.
Die Wurzel des zweiten zentralen Momentes ist die Standardabweichung a. Es hat sich gezeigt, daß der Quotient aus dieser Standardabweichung und dem Mittelwert m1, also a/m1, von einem Wert um 0.3 aus mit stärker werdendem Klopfen ansteigt.
Bei einigen Motoren ist der Quotient a/m1 für eine Messung unbrauchbar. Den Amplituden überlagert sich eine starke niederfrequente Schwingung, wodurch der Quotient a/m1 verfälscht wird.
Durch eine Hochpaßfilterung der Amplituden wird die niederfrequente Schwingung abgeschwächt. die Größe der störenden Schwingung kann nach einer Tiefpaßfilterung zur Beurteilung der Brauchbarkeit des Quotienten a/m1 herangezogen werden.
Nach der Hochpaßfilterung ist der Mittelwert der Amplituden als Bezugsgröße ungeeignet. Als geeignet erwies sich der Quotient aus der dritten Wurzel des dritten zentralen Momentes und der Standardabweichung. Dieser Quotient ist ein Maß für die Asymmetrie einer Verteilungsdichte. In der Statistik wird er als Schiefe y bezeichnet.
Für jeden Zylinder wird die Größe y aus N hochpaßgefilterten Amplitudenwerten ermittelt.Eine Größe, die der Beurteilung durch einen Horcher vergleichbar ist, liefert der Mittelwert der Schiefen y, bzw. der Quotienten a/m1 aller Zylinder. Dieser Mittelwert (y, a/m1 ) ist ein Maß für die Klopfstärke des gesamten Motors.
Bei nichtklopfendem Motor beträgt y etwa 0.8 bis 0.9. Bei Einstellung des Grenzwinkels steigt er über 1 an. Bei stärker werdendem Klopfen steigt die Größe y weiter an und fällt bei sehr starkem Klopfen wieder ab. Der Grenzwinkel, bei dem das Klopfen einsetzt, ist mit der Schiefe y gut festzustellen.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird die Lage des Meßintervalles für die Amplituden aus der Zündfolgefreauenz abgeleitet. Dazu wird die Summe der Zündspannungen über einen Aufnehmer vom Zündverteiler des Motors abgenommen. Die Zündfrequenz wird nach einer Pulsformung durch eine Phase-Locked-Loop-Schaltung (siehe zum Beispiel Funktechnik 1973, zweites Januar-Heft, D. Mallon "Phase-Locked-Loop-Schaltung") stabilisiert und vervielfacht. Die vervielfachte Frequenz bildet eine Taktfrequenz für zwei Zähler. Mit Hilfe dieser Zähler werden die Länge der Vorlaufzeit und die Länge des Meßintervalles bestimmt.
Bei unregelmäßiger Zündfolge am Eingang der Phase-Locked-Loop-Schaltung wird ein Fehlersignal abgegeben. Wenn die Ausgangs- frequenz der Phase-Locked-Loop-Schaltung nicht gleich dem i-fachen der Zündfolgefrequenz ist, so findet eine andere Kontrolle statt, die ebenfalls eine Fehlermeldung abgibt. Dabei ist i die vorgegebene Zylinderzahl. Zur Synchronisation wird deshalb am Zündkabel eines Zylinders die Zündspannung abgenommen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine einzige Meßgröße für den ganzen Motor geliefert wird. Dadurch können keine Fehlmessungen eintreten, bei denen zum Beispiel die Amplituden von Ventilgeräuschen gemessen werden können. Eine Eichung des Geräts bei nichtklopfendem Motor ist nicht notwendig. Die Messungen sind unabhängig vom jeweiligen Geräuschpegel. Bei Störungen der Zündfolge werden Fehlermeldungen gemacht. Die Messung der Klopfstärke jedes einzelnen Zylinders und auch des gesamten Motors sind möglich. In letzterem Fall liefert die Vorrichtung den Mittelwert aller Zylinder. Ihre Messung ist dadurch mit der Feststellung eines Horchers vergleichbar, der immer den ganzen Motor beurteilt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 Schaltbild der Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 Impulsdiagramm der Vorrichtung für einen Viertaktmotor.
Fig. 1 zeigt einen Viertaktmotor t mit vier oder mehr Zylindern.
An diesen Zylindern befindet sich jeweils ein Aufnehmer 2, der mit einem Verstärker 3 verbunden ist. Die empfangenen und verstärkten Geräusche werden entsprechend der Zündfolge des Motors mit Hilfe eines Multiplexers 4 auf ein Meßsystem geschaltet.
Das Geräusch wird gefiltert im Filter 5 und gleichgerichtet im Gleichrichter 6. Der Spitzenwert der gleichgerichteten Spannung wird im Spitzenwertvoltmeter 7 bestimmt. Den gemessenen Amplitudenwert digitalisiert ein Analog/Digitalwandler 8. Die erhalt tenen Digitalwerte werden einer Kontrolle 10 unterworfen und in der Speichereinrichtung 9 gespeichert. Um die störende niederfreauente Schwingung zu reduzieren, werden die Amplituden in einem Digitalfilter 12 hochpaßgefiltert.
Aus einer endlichen Anzahl N von Amplituden eines jeden Zylinders werden die statistischen Momente erster bis dritter Ordnung der Amplitudenverteilung geschätzt. Daraus ergeben sich die zentralen Momente U2 und u3. Für jeden Zylinder wird in 13 die Größe y aus N hochpaßgefilterten Amplitudenwerten ermittelt.
Bei 13 wird außerdem der Quotient aus der Standardabweichung a und dem Mittelwert m1 ermittelt.
Der Mittelwert der Schiefe y bzw. des Quotienten a/m aller Zylinder - ; ; am - wird als Maß für die Klopfstärke des gesamten Motors in 14 gebildet und bei 15 ausgegeben.
Die Meßintervalle für die Amplituden werden aus der Zündfolgefrequenz abgeleitet. Uber einen Aufnehmer 16 wird die Summe der Zündspannungen vom Motor am Zündverteiler abgenommen.
Die Zündfrequenz wird nach einer Pulsformung 17 durch eine Phase-Locked-Loop-Schaltung 18 stabilisiert und vervielfacht. Die vervielfachte Frequenz dient als Taktfreauenz für zwei Zähler 19 und 20. Die Phase-Locked-Loop-Schaltung 18 liefert den Takt.
und Zurücksetzungsimpuls jeweils für den Zähler 20. Der Zähler 19 wird durch den Zähler 20 zurückgesetzt.
Die Zähler liefern: a) die Länge der Voriaufzeit und des Meßintervalls mit Hilfe der von der Phase-Locked-Loop-Schaltung erzeugten Taktfrequenz.
b) Den Zurücksetzimpuls für den Multiplexer.
c) Start-, Stop- und Zurücksetzimpuls für das Spitzenvoltmeter 7.
d) Den Taktimpuls fiir den Analog-Digitalumsetzer 8.
Ist die Pulsfolge am Eingang der Phase-Locked-Loop-Schaltung unregelmäßig, so wird ein Fehlersignal gegeben. Ist die Ausgangsfreouenz der Phase-Locked-Loop-Schaltung nicht gleich der i-fachen Zündfolgefreauenz, wobei i die vorgegebene Zylinderzahl ist, so wird bei der Kontrolle 10 eine Fehlermeldung 11 ausgegeben. Zur Synchronisation wird am Zündkabel eines Zylinders 23 über den Aufnehmer 21 und dem Pulsformer 22 die Zündspannung abgenommen.
Fig. 2 gibt ein Diagramm der Impulse, wie sie an den bezeichneten Punkten des Blockschaltbildes nach Fig. 1 entstehen.
Der Aufnehmer nimmt das Signal A auf. Dieses wird durch den Pulsformer, beispielsweise eine Zenerdiode, in die Form B umgeformt. Nach der Phase-Locked-Loop-Schaltung ergibt sich das Signal C. B zeigt das durch die Zählerschaltung geformte Startsignal für das Spitzenvoltmeter, das durch das Signal E gestoppt wird.
An der Stelle S entstehen die Signale, zum Beispiel für i = 4 zur Zurücksetzung des Multiplexers und zur Kontrolle, ob die Ausgabefrequenz der Phase-Code-Loop-Schaltung gleich dem i-fachen der Zündfolgefrequenz ist. Ist dies nicht der Fall, so ergibt sich eine Fehlermeldung.
G ist das Diagramm des Signals vor dem Spitzenvoltmeter, H hinter dem Spitzenvoltmeter. Aus der Auswertung dieses Signals H ergibt sich das Ergebnis der Messung des Klopfens.

Claims

PATENTANSPUCHE ¼; Verfahren zur Messung der Klopfstärke von Verbrennungsmotoren aus deren Geräusch, dadurch gekennzeichnet, daß die statistischen Momente der Amplituden bzw. Steilheit der Hüllkurve oder Leistung eines für das Klopfen ausschlaggebenden Geräuschintervalls geschätzt, der Quotient zweier dieser Momente als eine zur Klopfstärke jeden Zylinders eines Motors proportionale Meßzahl bestimmt und der Mittelwert der Meßzahlen aller Zylinder ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablauf der Messungen überwacht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Unregelmäßigkeiten in der Folge der Zündimpulse oder der Zündzyklen angezeigt und der Meßvorgang beim Auftreten unterbrochen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Motor gemessenen, in Aufnehmern (2) aufgenommenen Geräusche in Verstärkern (3) verstärkt und einem Multiplexer (4) zugeführt werden, wo sie in einem Filter (5) gefiltert und in einem Gleichrichter (6) gleichgerichtet und schließlich einem Spitzenvoltmeter (7) zugeführt werden, worauf sie in einem Analog/Digitalwandler (8) digitalisiert und in einem Speicher (9) gespeichert und in einer Rechenvorrichtung (11) für jeden Zylinder die Schiefe y ermittelt werden, worauf in einer weiteren Rechenvorrichtung (14) die Mittelwerte y aller Schiefen als Maß für die Klopfstärke gebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Summiereinrichtung (9) eine Kontrollvorrichtung (10) geschaltet ist, die bei(11)einen etwaigen Zündfolgefehler anzeigt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Aufnehmer (16), Pulsformer (17) einem Phase-Locked-Loop (18) und Zählern (19) und (20) bestehende Schaltgruppe die Start-, Takt- und Rücksetzungssignale für den Multiplexer (4), das Spitzenwertvoltmeter (7) und den Analog/Digitalumformer (8) liefert.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Aufnehmer (21) und einen Pulsformer (22) ein Signal von einem Zylinder bei (23) abgenommen wird und den Multiplexer (4) und die Kontrolle (10) steuert.