DE2709128B1

DE2709128B1 - Verfahren zur Ermittlung eines der Kompression einer Brennkraftmaschine proportionalen Messwertes

Info

Publication number: DE2709128B1
Application number: DE2709128A
Authority: DE
Inventors: Albert Ing Maringer; Hans-Henning Dr Otte
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-03-02
Filing date: 1977-03-02
Publication date: 1978-08-17
Also published as: JPS53107509A; FR2382833A7; US4144746A; DE2709128C2

Description

ORIGINAL INSPECTED

daß der Wechselanteil des Anlasserstromes oder einer dem Strom proportionalen Spannung während mindestens eines vollständigen Zyklus der Maschine jeweils zwischen aufeinanderfolgenden Stromminima bezüglich einer die Minima verbindenden Zeitachse integriert wird und der aus einem Vergleich eines über einen vollständigen Maschinenzyklus gemittelten Integrationswertes und den einzelnen Integrationswerten eventuell hervorgehende Unterschied mit umgekehrtem Vorzeichen dem nächstfolgenden einzelnen Integrationswert hinzugefügt wird und die derart verbesserten Integrationswerte als miteinander vergleichbare MaBe für die Kompression der einzelnen Zylinder dienen.

Das neue Verfahren gestattet den Ausgleich der obenerwähnten Verzerrungen, die bei einer unkorrigierten Messung der die Kompressionsarbeit der einzelnen Zylinder repräsentierenden Stromintegrale entstehen.

Insbesondere für die Untersuchung der Gleichförmigkeit des Maschinenlaufs bietet die Betrachtung der Kompressionsarbeit bessere Grundlagen als die Messung der maximalen Drücke, denn die Gleichförmigkeit wird weniger durch den maximalen Druck innerhalb der Verbrennungsräume bestimmt als durch die Arbeit, die notwendig ist, um den Kolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zu bewegen. Diese Arbeit besteht neben der Kompressionsarbeit auch aus der Reibungsarbeit Weiter geht in die Energiebilanz die Wärmeabgabe während des Kompressionsvorganges ein, da die Kompression nicht adiabatisch verläuft Diesen miteinander verknüpften Verhältnissen wird eine Energiebetrachtung eher gerecht als eine Betrachtung der in den Zylindern erreichten maximalen Drücke.

Unter der meist zutreffenden Voraussetzung einer während des Durchdrehens der Maschine gleichbleibenden Batteriespannung ergibt der Integralwert des Wechselanteils des Anlasserstromes nach der Zeit ein MaB für die bei der Kompression geleistete Arbeit.

Eine zusätzliche Verbesserung der einzelnen Integrationswerte wird dadurch erreicht daß der Unterschied zwischen einem verbesserten Integrationswert und dem gemittelten Integrationswert einem dem verbesserten Wert folgenden Wert hinzugefügt wird.

Zweckmäßig wird der Wechselanteil der Anlasserstromstärke einer momentanen Analog-Digital-Umwandlung unterzogen und die digitalen Werte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromminima zwecks Integration aufsummiert Es kann jedoch mit dem gleichen Erfolg auch der gesamte Anlasserstrom abgetastet und in digitale Amplitudenwerte umgewandelt werden, wenn anschließend die zwischen zwei Minima aufsummierten digitalen Werte um das Integral der Gleichstromwerte zwischen den gleichen Minima vermindert wird

Um für die Amplitudenwerte des Wechselanteils eine möglichst genaue Bezugsspannung zu erhalten, wird jeweils aus acht gemessenen Extremwerten des Anlasserstroms der Mittelwert gebildet und mit einem gespeicherten Mittelwert zum Zweck eines eventuellen Ersatzes des Speicherwertes verglichen.

Die Messung der Stromwerte erfolgt innerhalb vorgegebener Drehzahlgrenzen des Anlassers.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen ersten Signalgeber für eine ausgewählte Stellung der Kurbelwelle und einen zweiten Signalgeber für ein während eines Maschinenzyklus auftretendes, ausgewähltes Ereignis an einem vorgegebenen Zylinder der Maschine, einen Meßverstärker für den Anlasserstrom oder einer diesem Strom proportionalen Spannung, einen dem Verstärker nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler und eine an dessen Ausgang angeschlossene, einen Integrationszähler, Addierer, Vergleicher, Speicher und einen Zahlendarsteller enthaltende, in Steuerverbindung mit den Signalgebern stehende Verarbeitungseinheit

ίο Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren näher erläutert.

F i g. 1 stellt ein Diagramm des Anlasserstroms während des Durchdrehens der Brennkraftmaschine dar. In den

'S Fig.2a bis 2c sind ein weiteres Stromdiagramm, ein normiertes Strom-Zeitflächen-Diagramm und ein noch weiter schematisiertes Diagramm der Strom-Zeitflächen dargestellt;
Fig.3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

Im Diagramm der F i g. 1 ist auf der Abszisse die Zeit oder damit gleichbedeutend der Kurbelwinkel aufgetragen. In Ordinatenrichtung ist der Momentanwert des Anlasserstromes aufgezeichnet Der Anlasserstrom setzt sich aus einem Gleichstromanteil und einem überlagerten Wechselstromanteil zusammen. Der Abstand von Stromminimum zu Stromminimum beträgt jeweils 180° Kurbelwinkel. Bei dem in der Figur dargestellten Diagramm handelt es sich um das Diagramm einer Vierzylinder-Viertaktmaschine. Das zuletzt (im Diagram rechts) auftretende Strommaximum entspricht dabei wieder dem ersten Maximum. Dem Minimum des Anlasserstroms entspricht der untere Totpunkt des Kolbens des betreffenden Zylinders. Die Kompressionsarbeit für einen Zylinder ergibt sich dann aus einer Integration der Stromwerte vom Minimum bis zum nächsten Maximum. Die Integration von diesem Maximum bis zum folgenden Minimum ergibt eine Fläche, die ein Maß für die Abgabe der im komprimierten Gasgemisch gespeicherten Energie ist. Die Integration zwischen zwei aufeinanderfolgenden Minima, vermindert um die Trapezfläche, die von den beiden Minima und der Nullinie gebildet wird, ergibt eine Fläche, die mindestens näherungsweise eine

Aussage über den Energieaufwand während der Kompression und der Entspannung des Gases beim Arbeitshub des Kolbens zuläßt. F i g. 2a stellt im wesentlichen das gleiche Stromdia-

gramm wie F i g. I dar. Es ist hier zusätzlich ein die Minima des Wechselstromanteils verbindender Strekkenzug eingezeichnet Ebenso wie in F i g. 1 ist in Fig.2a zu erkennen, daß nicht alle Zylinder der betrachteten Maschine eine gleich gute Kompression aufweisen. Es ist zu sehen, daß der dritte Zylinder in der Zündfolge einen schlechteren Kompressionswert aufweist als die vorausgehenden oder der nachfolgende Zylinder. Ein Zylinder mit guter Kompression enthält zur Zeit des maximalen Druckes eine große gespeicherte Energie in der komprimierten Gasmenge. Bei der Entspannung des Gases im dem Kompressionshub nachfolgenden Arbeitshub wird diese Energie wieder in kinetische Energie umgewandelt, die an die Kurbelwelle abgegeben wird und bei der Kompression des nächstfolgenden Zylinders den Anlassermotor unterstützt Bei einem Zylinder mit schlechter Kompression ist die vom komprimierten Gas aufgenommene Energie und damit auch die Integralfläche unter der Stromkurve

geringer. Bei der Entspannung des Gasinhaltes des schlechten Zylinders wird weniger Energie in kinetische Energie umgewandelt, und deshalb muß bei der Kompression des nächstfolgenden Zylinders die Batterie, aus der der Anlasserstrom entnommen wird, zusätzlich Energie abgeben. Das Strommaximum, das diesem Zylinder zugeordnet ist, weist eine Überhöhung auf. Dieser Überhöhung des Stromes entspricht keineswegs auch ein über den übrigen Zylindern liegender Druck des komprimierten Gasgemisches. Diese Überhöhung stellt also eine Verzerrung des Diagramms dar, das zu unrichtigen Schlüssen führen könnte.
Die Korrektur der oben erwähnten Verzerrung wird

anhand der F i g. 2b und 2c erklflrt In der F i g. 2b sind in der Abszissenrichtung wieder der Kurbelwinkel bzw. die Zeit und in der Ordinatenrichtung Integralkurven von zwischen den einzelnen Minima der Kurven in F i g. 2a integrierten Strömen angetragen. Außerdem ist im Diagramm ein schraffiertes Rechteck eingetragen, das einem gemittelten Integralwert entspricht Die Differenz des gemittelten Integralwertes Ober den beiden Minima, welche in F i g. 2a das Kurvenstück mit der geringsten Amplitude einschließen, und der Fläche unter diesem Kurvenstück ergibt näherungsweise diejenige Arbeit die der nachfolgende Zylinder während der Kompression zusätzlich benötigt. Diese Differenz wird deshalb von der Kompressionsarbeit des nachfolgenden Zylinders abgezogen. Diese Operation wird im Diagramm der Fig.2c symbolhaft mit normierten Flächenwerten dargestellt Zur weiteren Verzerrungskorrektur wird die Differenz des gemittelten Integralwertes und des Ergebnisses der vorhergehenden Korrektur gebildet und mit dieser Differenz die Arbeitsfläche des folgenden Zylinders entweder additiv oder subtraktiv ergänzt

Die Fig.3 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der das Verfahren nach der Erfindung durchgeführt werden kann. Ein Anlassermotor 1 ist mit einer Kurbelwelle 2 eines Vierzylindermotors gekuppelt Am Kupplungsflansch 3 der Kurbelwelle sind Marken 4 angeordnet die den unteren bzw. oberen Totpunkten der Kolben des Motors entsprechen. Die Marken 4 werden durch einen Totpunktgeber 5 abgetastet Signale aus dem Geber 5 werden Ober eine Leitung 6 und einen Signalformer 7 in eine Verarbeitungseinheit 8 eingespeist An die Stelle der Signale aus dem Signalgeber 5 können auch Signale treten, die am Fußpunkt einer Zündspule 9 der Zündanlage des Vierzylindermotors abgreifbar sind. Sie entstehen dann, wenn ein Unterbrecherkontakt 10 durch eine Nockenscheibe 11, die von der Kurbelwelle 2 angetrieben wird, geöffnet oder geschlossen wird. Auch die Signale vom Fußpunkt der Zündspule 9 können über einen Signalformer 12 der Verarbeitungseinheit 8 eingegeben werden. Eine dritte Signalquelle 13 leitet ein Signal aus einem einem vorgegebenen Zylinder der Maschine zugeordneten Ereignis ab, beispielsweise dem Auftreten der Zündspannung an der Zündkerze des ersten Zylinders. Der Signalgeber ist dazu als induktive Sonde an der Zündleitung ausgebildet Die Signale des Signalgeben 13 werden über einen Signalformer 14 ebenfalls der Verarbeitungseinheit 8 zugeführt Mit s Hilfe eines Stromwandlers 15 wird der aus einer Batterie 16 entnommene Strom für den Anlasser 1 abgegriffen und über zwei Verstärkerstufen 17 und 18 einem Analog-Digital-Wandler 19 zugeführt Der Digitalausgang des Analog-Digital-Wandlers ist ebenfalls mit einem Eingang der Verarbeitungseinheit 8 verbunden. An die Stelle des Stromwandlers 15 kann auch ein in der Stromzuführung des Anlassermotors 1 eingefügter Meßwiderstand treten, dessen Spannungsabfall dann dem Anlasserstrom proportional ist In den Verstärkerstufen 17 und 18 befinden sich auch Filtereinheiten, die Störsignale, wie sie durch die Kommutierung des Anlasserstromes erzeugt werden, ausfiltern.

Die Verarbeitung des im Analog-Digital-Wandler 19 digitalisierten Stromsignals erfolgt mit Hilfe eines in der Verarbeitungseinheit 8 enthaltenen Steuermoduls. Dieser Modul spricht innerhalb einer zeitüberwachten Programmschleife auf ein von der Kurbelwelle gesteuertes Signal an. Von diesem Zeitpunkt an werden in einer zeitkonstanten Schleife die Stromwerte von einem Minimum bis zum folgenden Minimum aufaddiert und dadurch integriert

Die Integration von Minimum zu Minimum erfolgt während einer bestimmten Anzahl von Kurbelwellen-Umdrehungen. Dies ermöglicht eine Mittelwertbildung, die für einen Ausgleich der ungleichmäßigen Ventilöffnungs- und -Schließungszeiten während des Anlassens sorgt Nachdem eine ausreichende Anzahl von Kompressionswerten erfaßt ist wird die Zündung des Motors freigegeben. In der Verarbeitungseinheit 8 erfolgt auch die Zuordnung der gemessenen Kompressionswerte zu den einzelnen Zylindern.

Nach Messung eines Minimums der Anlasserstromkurve werden zur Ermittlung des nächsten Minimums des Anlasserstromes jeweils acht aufeinanderfolgende Stromwerte gemittelt und mit dem Inhalt von einer Speicherzelle für ein Minimum verglichen. Ist der zuletzt ermittelte Wert größer als der Inhalt der Speicherzelle, so werden die alten Werte mit dem neuen Wert überschrieben. Ist der aktuelle Wert kleiner als der Inhalt des Speichers für den Minimalwert so wird der aktuelle Wert in diesen Speicher eingeschrieben. Wird während sechzehn Messungen kein neues Minimum festgestellt so bleibt das alte erhalten. Dann ist das Minimum der Stromkurve für eine 180°-Drehung der Kurbelwelle gefunden. Die Messung findet innerhalb vorgegebener Drehzahlgrenzen statt Eine Kontrolle der Drehzahl kann anhand der Anzahl der von Minimum zu Minimum aufsummierten Stromwerte durchgeführt werden. Fehlt ein Maximum für die Kompression, so erkennt der Steuermodul dies an der ungefähr doppelt so großen Anzahl der zwischen zwei Minima aufsummierten Stromwerte.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung eines der Kompression einer Brennkraftmaschine proportionalen Meßwertes aus dem gemessenen Wechselanteil des Stromes eines elektrischen Anlassermotors der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselanteil des Anlasserstromes oder einer dem Strom proportionalen Spannung wahrend mindestens eines vollständigen Maschinenzyklus jeweils zwischen aufeinanderfolgenden Stromminima bezüglich einer die Minima verbindenden Zeitachse integriert wird und der aus einem Vergleich eines fiber einen vollständigen Maschinenzykhis gemittelten Integrationswertes und den einzelnen Integrationswerten eventuell hervorgehende Unterschied mit umgekehrtem Vorzeichen dem nächstfolgenden einzelnen Integrationswert hinzugefügt wird und die derart verbesserten Integrationswerte als Vergleichsmaße für die Kompression in den einzelnen Zylindern dienen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Unterschied zwischen einem nach Anspruch 1 verbesserten Integrationswert und dem über einen Maschinenzyklus gemittelten Integrationswert zur Verbesserung des dem verbesserten Wert folgenden Wertes dient

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselanteil der Anlasserstromstarke einer momentanen Analog-Digital-Umwandlung unterzogen und die digitalen Werte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Minima zwecks Integration auf summiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlasserstromstärke einer momentanen Analog-Digital-Umwandlung unterzogen, die digitalen Werte zwischen zwei Minima aufsummiert und das Integral der Gleichstromwerte zwischen den beiden Minima von der Summe subtrahiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus jeweils acht gemessenen Extremwerten des Anlasserstromes ein Mittelwert gebildet und mit einem gespeicherten Mittelwert zum Zweck des eventuellen Ersatzes des Speicherwertes verglichen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Stromwerte innerhalb vorgegebener Drehzahlgrenzen des Anlassermotors erfolgt

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Signalgeber für eine ausgewählte Stellung der Kurbelwelle und einen zweiten Signalgeber für ein während eines Maschinenzyklus auftretendes, ausgewähltes Ereignis an einem vorgegebenen Zylinder der Maschine, einen Meßverstärker für den Anlasserstrom oder einer diesem Strom proportionalen Spannung, einen dem Verstärker nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler und eine an dessen Ausgang angeschlossene, einen Integrationszähler, Addierer, Vergleicher, Speicher, Steuermodul und einen Zahlendarsteller enthaltende, in Steuerverbindung mit den Signalgebern stehende Verarbeitungseinheit

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung eines der Kompression einer Brennkraftmaschine proportionalen Meßwertes aus dem gemessenen Wechselanteil des Stromes eines elektrischen Anlasser-

s motors der Brennkraftmaschine.

Ein derartiges Verfahren ist in der DE-AS 22 03 223 wie auch in der US-PS 34 21 367 beschrieben. In beiden Fällen handelt es sich um eine Methode, bei der die Stromaufnahme eines Anlassermotors als Maß für den

to Dmckverlauf in den einzelnen Zylindern dient Die Zündung bleibt während der Messung abgeschaltet so daß die Brennkraftmaschine vom Anlassermotor nur durchgedreht wird. Nach der DT-AS wird die maximale Wellenhöhe des Wechselanteils des Anlasserstromes während eines vollständigen Arbeitsspieles gespeichert Ein prozentual einstellbarer Anteil der maximalen Wellenhöhe dient als Vergleichsgröße für die Wellenhöhen der einzelnen Zylinder. Derjenige Zylinder, dessen Kompression die Vergleichsgröße nicht erreicht wird angezeigt In der US-PS ist auch ein Mangel des bekannten Verfahrens erwähnt, der darin besteht daß sich im gemessenen Anlasserstrom die Einflüsse der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine gegenseitig überlagern. Es kommt dann, wenn ein Zylinder eine mangelhafte Kompression aufweist, beim im Maschinenzyklus nächstfolgenden Zylinder zu einer Stromüberhöhung, weil ein Teil der in der komprimierten Luft des vorhergehenden Zylinders gespeicherten Energie infolge der schlechten Kompression ausfällt Diese Energie muß zusätzlich von der Stromquelle des Anlassermotors aufgebracht werden, was sich in der erwähnten Stromüberhöhung bemerkbar macht Eine Lösung dieses Problems ist in der amerikanischen Patentschrift nicht angegeben.

Auch in der US-PS 38 39 906 ist eine Methode beschrieben, bei der von der Wellenform des Anlasserstromes auf die Kompression in den einzelnen Zylindern einer Brennkraftmaschine geschlossen wird. Eine Bewertung der gesamten Kompression wird dadurch erreicht daß die Differenz des Durchschnitts- und des Spitzenanlasserstromes mit einem vorgegebenen Referenzsignal verglichen wird. Dies läuft daraus hinaus, die Kompressionswerte der einzelnen Zylinder automatisch mit einem Mittelwert zu vergleichen. In dieser letztgenannten Patentschrift wird die gegenseitige Beeinflussung der Zylinder, die sich in einer Verfälschung der Stromwerte ausdrückt, nicht erwähnt

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden, das zwar auf der einfachen Anlasserstrommessung beruht jedoch gestattet die Fehler dieser Methode zu kompensieren. Sie geht aus von der Erkenntnis, daß, weil der Fehler durch einen Verlust an gespeicherter Arbeit entsteht eine Kompensation dieses Fehlers durch eine energetische Betrachtung der Vorgänge leichter erreicht werden kann.

Es ist in der amerikanischen Patentschrift 33 89 599 zwar schon überlegt worden, anstelle des mittleren effektiven Drucks in Brennkraftmaschinenzylindern dem Zylinderdruck entsprechende elektrische Werte

eines Meßumformers über die Zeit oder gleichbedeutend über den Kurbelwinkel zu integrieren. Dieser Gedanke wird jedoch wieder verworfen, weil der erhaltene Integrationswert mit dem gesuchten mittleren effektiven Druck, der eine Integration des Zylinderdruk-

kes über den Kolbenweg darstellt, nur lose zusammenhängt

Bei einem eingangs beschriebenen Verfahren wird die gestellte Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst