-
MeB- und Überwachungsvorrichtung für den Betriebs zustand
-
einer Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Meß- und Überwachungsvorrichtung
für den Betriebszustand einer Brennkraftmaschine, insbesondere die Wirtschaftlichkeit
des Betriebs, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
-
Solche Vorrichtungen zeigen dem Betreiber gewöhnlich den jeweils
augenblicklichen Kraftstoffverbrauch an, der ein Maß für die Wirtschaftlichkeit
ist. In der Zeitschrift "Krafthand" vom 10. September 1977, Heft 17, S. 1151, ist
eine solche Vorrichtung beschrieben, die dem Betreiber der Brennkraftmaschine, also
zO B. dem Fahrer eines Kraftfahrzeugs den Saugrohrunterdruck als Naß für die Last
anzeigt. Dieser Saugrohrunterdruck wird gleichzeitig als Maß für den wirtschaftlichen
Betrieb der Brennkraftmaschine gewertet, Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil
daß der Kraftstoffverbrauch nicht allein von der Last, sondern auch stark von der
Motordrehzahl und vom eingelegten Gang (Übersetzungsverhältnis) abhängig ist. Dies
folgt bekanntelich aus dem Motorkennfeld. Die vom Betreiber der bekannten Vorrichtung
abgelesenen Werte erlauben z.B. keine Auskunft darüber, ob eine günstigere Betriebsweise
durch Drehzahländerung, so z.B. durch Umschalten in einem anderen Gang, erreicht
werden könnte.
-
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein. Gerät zur Uberwachung
eines wirtschaftlichen Motorbetriebs für eine Brennkraftmaschine zu entwickeln,
das dem Betreiber nicht nur die augenblicklichen Lastverhältnisse zeigt, sondern
das ihm auch eine Aussage darüber macht, durch welche Maßnahmen er zu einem noch
wirtschaftlicheren Betrieb gelangen kann. Dieses Gerät soll ihm darüber hinaus weitere
Informationen über die derzeitige Betriebsweise vermitteln.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Hauptanspruchs gelöst.
-
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß der jeweilige
Motorbetriebszustand durch zwei Betriebsparameter, die Last und die Drehzahl,gegeben
ist. So gehört zu jeder Last eine bestimmte Drehzahl, bei der z. B. der spezifische
Kraftstoffverbrauch minimal wird. Der geringste spez. Verbrauch des gesamten Kennfelds
wird bei einem Betrnebszustand "Vollast" bzw. in der Nähe der Vollast-Kennlinie
und einer bestimmten dazugehörigen Drehzahl erreicht. Die Vorteile ergeben sich
dadurch, daß der Fahrer eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine , bzw.
der Betreiber einer stationären Brennkraftmaschine, ständig in der Lage ist , den
Istzustand des Motorbetriebs (Anzeige der zweB Betriebsparameter) mit dem wirtschaftlichsten
Motorbetrieb (Soll-Kurve, bzw. - Kurvenschar auf dem Anzeigegerät) zu vergleichen
und die Betriebsweise so zu korrigieren und einzurichten, daß sich Istzustand und
Sollzustand möglichst nahe kommen oder decken.
-
Dies kann durch Veränderung der Last (z. B. Betätigung des Gaspedals)
oder durch Veränderung der Drehzahl (z. B. umschalten in einen andere ren Gang)
erfolgen. Dgs Betreiben eines Motors bei einem möglichst wirtschaftlichen Motorbetriebszustand
bedeutet gleichzeitig eine geringere Beanspruchung und geringeren Verschlei des
Motors, eine damit höhere Motorlebensdauer, sowie infolge der optimalen Verbrennung
bei einem günstigen Wirkungsgrad eine Minimalisierung der Schadstoffemissionen (der
spezifische Kraftstoffverbrauch ist umgekehrt proportional zum Gesamtwirkungsgrad
der Brennkraftmaschine) Soll eine Brennkraftmaschine eine bestimmte Leistung bei
geringstem Kraftstoffverbrauch abgeben, so muß sie hinsichtlich eines minimalen
auf die effektive Leistung bezogenen Kraftstoffverbrauchs, des sog.
-
spez. Kraftstoffverbrauchs be, min betrieben werden. Ein solcher wirtschaftlicher
Motorbetrieb läßt sich insbesondere bei stationären Brennkraftmaschinen einfach
verwirklichen. Bei Fahrzeugmotoren ist jedoch vorrangig der Betrieb eines geringen
Streckenverbrauchs ß in l/100 km anzustreben, weil die geforderte Leistung von den
Straßenverhältnissen (Leistungsbedarf für Rollwiderstand, Luftwiderstand, Steigung,
Beschleunigung) abhängig ist, sodaß der Betriebspunkt des Fahrzeugmotors sich stets
durch den Schnittpunkt zwischen Motorkennlinie und Fahrwiderstandsleistungs-Kurve
ergibt.
-
Weitere Vorteile als die oben genannten ergeben sich durch Ausbildungen
in den Unteransprüchen und der zugehörigen Beschreibung.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung zäher erläutert Es zeigen 1 das ausführungsbeispiel
einer Meß- und Überwachungsvorrichtung, an an eine Brennkraftmaschine angeschlossen
ist, und ri. 2 und 3, 4 Beispiele für empirisch aufgenommene Motorkennfelder, Fig.
5 in einem Beispiel die Meß- und Überwachungsvorrichtung, insbesondere für einen
Fahrzeugmotor entsprechend Fig. 4, und Fig. 6 die zugehörige Leistungsanzeige; Fig.
7 zeigt die wirtschaftlichen Schaltpunkte für die einzelnen Gänge bei einem Fahrzeugmotor
mit Getriebeübersetzung.
-
In dem Fig. @ dargestellten Ausführungsbeispiel ist an einer Welle
10 einer Brennkraftmaschine 11 ein Drehzahlgeber 12 angebracht. Ein solcher Drehzahlgeber
12 besteht z.B. aus einem induktiven Aufnehmer, an dem ferromagnetische Marken vorbeigeführt
werden. Diese Marsen-induzleren impulse, deren Frequenz von der Drehzahl abhängig
ist. Die so erzeugte drehzahlabhängige Frequenz wird in einem Frequenz-Analog-Wandler
13 in eine dreh-.
-
zahlabhängige, analoge Spannung umgewandelt und einem Anzeigeinstrument
14 zugeführt. In einem solchen, z.
-
B. als Drehspulinstrument ausgebildeten Anzeigeinstrument, wird ein
Zeiger 15 in Abhängigkeit der anliegenden Spannung ausgelenkt. Eine zugehörige Skala
16 wird auf die zugehörigen Drehzahlwerte geeicht.
-
Über ein Ansaugrohr 17 wird in Abhängigkeit der Stellung einer Drosselklappe
18 der Brennkraftmaschine 11 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt. Dabei ist die
Stellung der Drosselklappe 18 vom Betätigen eines Gaspedals 19 abhängig. Ein im
Saugrohr 17 angeordneter Unterdruck-Aufnehmer 20 erzeugt in Abhängigkeit vom Saugrohrunterdruck
ein analoges Ausgangssignal. Dieses wird ebenfalls dem Anzeigeinstrument 14 zugeführt,
das als 2-Zeiger-Instrument ausgebildet ist, also z. B. zwei Drehspul-Systeme enthält.
Dieses unterdruckabhängige und damit lastabhängige Signal lenkt einen zweiten Zeiger
21 aus, der entlang einer zweiten Skala 22 geführt ist, die in die verschiedenenLastzustände
geeicht ist.
-
Drei weitere, parallel zur Skala 22 geführten Skalen sind den verschiedenen
Gängen 1 bis 3 eines nicht näher dargestellten, mit der Brennkraftmaschine 11 verbundenen
Getriebes zugeordnet. Diese Skalen zeigen den Strekkenverbrauch und sind in 1/100
km geeicht (s. auch Fig 5) Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels
soll im folgenden unter Zuhilfenahme des in Fig. 2 dargestellten Diagramms erläutert
werden. Der
Betriebs zustand einer Brennkraftmaschine ist durch
die beiden Betriebzustandsgrößen, Drehzahl und Last gekennzeichnet. Während die
Drehzahl direkt gemessen werden kann, muß die Last indirekt bestimmt werden. Beim
Otto-Motor ist die Last (mittlerer effektiver Druck Pme) z. B. eine Funktion des
Saugrohr(unter)drucks der Drosselklappenstellung oder der Stellung des Gaspedals.
Beim Dieselmotor ist für den Parameter Last die Kraftstoffzufuhr, also die eingespritzte
Kraftstoffmenge kennzeichnend. Als Meßgröße kann hier z. B. der Weg der Regelstange
bei der Einspritzpumpe, die Drehbewegung der Pumpenkolben, die Einspritzzeit oder
wiederum die Stellung des Gaspedals dienen.
-
Im Ausführungsbeispiel ist die Erfassung der Last bei einem Otto-Motor
durch den Saugrohrunterdruck gezeigt.
-
Fig. 2 zeigt nun ein auf einem Prüfstand ermitteltes Kennfeld, bei
dem der spezifische Kraftstoffverbrauch b (gemessen in g/PSh) als Funktion der Drehzahl
n (gemessen in U/min) dargestellt ist. Als Parameter dienen verschiedene Lastzustände.
Bei jedem Lastzustand tritt bei einer bestimmten Drehzahl n ein minimale Kraftstoffverbrauch
b auf. Die Verbindungskurve dieser Minima ergibt die Kurve minimalsten Verbrauchs
be min Durch diese Kurve be min wird jedem Drehzahlwert n ein bestimmter Lastzustand
bzw. umgekehrt jedem Lastzustand ein bestimmter Drehzahlwert n zugeordnet, bei dem
der Kraftstoffverbrauch minimal ist.
-
Diese Kurve be min wird in Fig. 1 auf die Skalenfläche des Anzeigeinstruments
14 entsprechend dem äort vorhandenen Koordinatensystem als stark durchgezogene Kurve
übertragen. Liegt der Schnittpunkt der beiden Zeiger 15, 21 auf dieser Kurve, so
liegt bei der jeweiligen vorgegebenen Drehzahl, bzw Last der optimale Betriebszustand
vor. Im gezeigten Beispiel liegt der Schnittpunkt (Betriebspunkt B) der beider Zeiger
15, 21 unterhalb aer Kurve be mn; der Betriebszustand ist also nicht optimal. Wie
man zu einem optimalen Betrieb gelangt, wird später ausgeführt. Gemäß Fig. 2 liegt
bei Vollast und einer Drehzahl von 2850 U/min dem günstigte Verbraucht des gesamten
Kennfeldes von 220 g/PSh vor Betriebspunkt Bopt.
-
Dieser mit 220 bezeichnete Punkt kennzeichnet auf der Skalenfläche
des Anzeige Instruments 14 einen Endpunkt (Bopt) der be min - Kurve. Zeichnet man
in Fig. 2 noch Geraden konstanten Verbrauchs ein, so können deren Schnittpunkte
mit den Last-Kennlinien ebenfalls in die Skalenfläche übertragen werden. Dies ist
durch die beiden strichpunktierten Linien geschehen, die einen konstanten Verbrauch
von 280, bzw. 250 g/PSh kennzeichnen. Durch den Schnittpunkt der beiden Zeiger 15,
21 kann somit auch der absolute vorliegende Verbrauch abgelesen werden, der im eingezeichneten
Beispiel gerade 280 g/PSh beträgt.
-
Um ein Maß über die Abweichung vom optimalen Betriebszustand zu geben,
ist es vorteilhaft, in Fig. 2 zu beiden Seiten der b min - Kurve Kurven einzuzeichnen,
die eine Abweichung vom minimalen Verbrauch, z. B. bei einer gegebenen Last von
beispielsweise 10 % angeben. Eine Ubertragung in das Skolenfeld des Anzeigeinstruments
14 ergibt die beiden gestrichelten Kurven, die mit jeweils + 10 % bezeichnet sind.
Der schraffierte Bereich dazwischen gibt den Bereich an, in dem die Abweichung dann
vom optimalen Betriebszustand, als auch vom minimalen spez. Kraftstoffverbrauch
bei gegebener Last nicht mehr als 10 % beträgt. In Fig. 1 ist noch eine Linie konstanter
Leistung durch den Betriebspunkt B gezeichnet (s. auch Fig. 6).
-
Wie schon erwähnt, ist der Betriebszustand B nicht optimal. Um in
den optimalen betriebszustand zu gelangen, muß der Betreiber der Brennkraftmaschine
entweder 1) im Falle unterschiedlicher Motorleistung Pa a) bei vorgegebener und
vorliegender Drehzahl n von 1490 min die Last, die im Augenblick bei 1/2 liegt,
auf Vollast erhöhne (Be'riebspunkt E1: dadurch wird be von 280 auf 250 g/PSh gesenk)
oder b) wenn di die Last durch den angezeigten Wert vorgegeben ist, so muß der Betreiber
die Drehzahl auf n = 2400 U/min erhöhen (Betriebspunkt B2 au2 der be min- Kurve,
dadurch wird be aut 260 g/PSh gesenkt)
2) im Falle konstanter otorleistungP
die Drehzahl auf den Wert 2300 U/min erhöhen, und dabei die-Last auf 4/10 senken.(Betriebspunkt
B wandert entlang der Limanie für kostante Leistung Pe und kommt bei B3 auf der
b e minKurve zu liegen; dadurch wird be auf 270 g/PSh gesenkt). Dies kann z. B.
durch Zurückschalten in den kleineren Gang erfolgen.
-
Fig. 3 und 4 zeigen die übliche Darstellung eines Verbrauchskennfeldes
im Mitteldruck-Drehzahldiagramm. Die Kurven für minimalen ,spez. Verbrauch bei gegebener
Leistung sind gestrichelt eingezeichnet. Die Linien konstanter Leistung sind Parabeln.
Fig. 4 gilt für einen 2-l-Serien-Ottomotor. Daraus läßt sich der Streckenverbrauch
in 1/100 km im direkten Gang (hier IV. Gang) ermitteln. Dieser drehzahl und lastabhängige
Streckenverbrauch kann somit ebenfalls durch ein 2-Zeiger Instrument dargestellt
werden, wie es das Anzeigegerät in Fig. 5 als Beispiel zeigt. Die Kurven wurden
unter bestimmten Annahmen aus dem Kennfeld von Fig. 4 gewonnen. Die Werte für die
dargestellten Verbrauchskurven gelten für den direkten Gang (im Beispiel 4. Gang).
Für andere Gänge muß die entsprechende Getriebeübersetzung berücksichtigt werden.
Es- gelten dann z. B. die entsprechenden in -Klammern angegebenen Werte. Da der
Streckenverbrauch im unteren und mittleren Drehzahlbereich hier nur wenig von der
Drehzahl abhängig ist, kann der Verbrauch näherungsweise parallel zu der Last-Skala
dargestellt werden. Zur besseren Ablesbarkeit des absoluten Streckenverbrauchs wird
jedem Gang eine entsprechende geeichte Skala zugeordnet. Diese Skalen unterscheiden
sich in Abhängigkeit der Getriebeübersetzung der einzelnen Gänge durch feste Fåktoren.
Dieser "etwaige" Streckenverbrauch bei den einzelnen Gängen ist auch in Fig. 1 bei
dem Anzeigegerät für den spez. Kraftstoffverbrauch parallel zu der Lastskala eingezeichnet.
Daraus ist auch ersichtlich, daß man, um einen möglichst geringen Streckenverbrauch
zu erzielen, möglichst lang im größeren Gang fahren muß.
-
Bei einem bestimmten, insbesondere konstanten Leistungsbedarf z. B.
-
eines Kraftfahrzeuges (z. B. bei vorgegebener Steigung und bei einer
bestimmten Fahrtgeschwindigkeit) ist der Streckenverbrauch 4 (1/100 km) exakt proportional
zum spez. Kraftstoffverbrauch. Dies bedeutet als Kriterium für die Wahl des wirtschaftlichsten
Ganges, daß der Betriebspunkt mit dem niedrigsten Wert für be gleichzeitig auch
den günstigsten
Streckenverbrauch erbringt. Die Skalen in Fig.
1 ergeben dann z. B.
-
nur dann die exakten tatsächlichen Streckenverbrauchswerte an, wenn
die Brennkraftmaschine im optimalen Bereich arbeitet, d. h., wenn der Schnittpunkt
der beiden Zeiger 15, 21 auf der be min -Kurve liegt. Der Betreiber der Brennkraftmaschine
kann somit sowohl bei vorgegebener Last, als auch bei vorgegebener Drehzahl oder
auch bei konstanter Leistung die Betriebsweise mit dem geringsten spez. Kraftstoffverbrauch
einstellen und darüber hinaus noch den absoluten Wert des Strekkenverbrauchs ablesen.
Weiterhin kann er feststellen, wie groß der absolute Verbrauch tind wie weit die
Abweichung gegenüber dem optimalen Betriebszustand ist. Vor allem bei stationären
Motoren, bei denen eine sehr exakte Einstellung der Parameter möglich ist, kann
so leicht, z.
-
B. für jede erforderliche Leistung ein optimaler Betriebszustand eingestellt
werden, bzw. eine Abweichung davon schnell bemerkt werden.
-
Ist allerdings nur der Streckenverbrauch von Interesse, so genügt
das handelsübliche Anzeigegerät für die Last (vorwiegend ermittelt über die Messung
des Saugrohrdruckes). Jedoch ist dann für die Anzeige des absoluten Streckenverbrauchs
jedem Gang eine besondere Skala zuzuordnen.
-
Da die Leistungsabgabe einer Brennkraftmasdhine durch die beiden Parameter,
Drehzahl und Last,bestimmt ist, kann die effektive Leistung, wie in Fig. 6 dargestellt,
ebenfalls durch ein 2-Zeiger-Instrument angezeigt werden, das analog zum Anzeigegerät
für den Kraftstoffverbrauch arbeitet. Es sind die Linien konstanter Leistung Pe
für den 4-Takt2 1 -Ottomotor (Fig. 4) eingetragen. Das Anzeigegerät gestattet, die
zu jedem Betriebspunkt (Schnittpunkt der beiden Zeiger) gehörende Leistung abzulesen.
Die gestrichelte Linie ist die zugehörige be min Kurve.
-
Aus Fig. 7 als Beispiel können die Schaltpunkte für die einzelnen
Getriebegänge bei einem bestimmten Motorbetriebszustand, so z. B. für einen w'tschaftlichen
Motorbetrieb abgelesen werden. Zeiger 15 zeigt die Drehzahl an, Zeiger 24 jedich
die Fahrtgeschwindigkeit v (km/h) auf der Skala 25. Wird in diesem Besipeil die
maximale Fahrtgeschwindigkeit mit 165 km/h angenommen, so liegen bie entsprechenden
Getriebeübersetzungen die maximalen Geschwindigkeiten, wie eingezeichnet, im
1.
Gang dann bei 44 km/h, im 2. Gang bei 80 km/h, im 3. Gang bei 120 km/h. Damit erhält
man den funktionellen Zusammenhang zwischen Drehzahl und Fahrtgeschwindigkeit für
die einzelnen 4 Gänge (gestrichelte Kurven). Aus Gründen der Kraftstoffersparnis
sollte man(nacht3) jedoch schon beim2/3 der Maximalgeschwindigkeit in den nächst
höheren Gang schalten; im vorliegenden Beispiel vom 1. in den 2. Gang bei ca.
-
30 km/h, vom 2. in den 3. Gang bei ca. 55 km/h, und vom 3. Gang in
den 4. Gang bei ca. 80 km/h. Diese Schaltpunki önnen auch auf der Geschwindigkeitsskala
25 markiert werden. Wird nach diesen Schaltpunkten gefahren, so bewegt sich der
Schnittpunkt der Zeiger (Betriebspunkt) längs des sägezahnförmigen Kurvenzuges,.
Dieser verbrauchsoptimale Betriebsbereich des Fahrzeugs liegt in einem Drehzahlbereich,
der durch Grenzlinien, hier durch Strich-Punkt-Punkt-Linien gekennzeichnet ist.
Näherungsweise liegt der optimale Bereich zwischen den beiden Drehzahlen nO und
nu, hier etwa zwischen 4000 und 2500 U/min. Nach einer Faustregel liegt nO im allgemeinen
um ca. 500 U/min oberhalb der Drehzahl, bei der das maximale Drehmoment erreicht
wird und nu um ca.
-
1000 U/min unterhalb dieser Drehzahl.
-
Entsprechend den für ein bestimmtes Fahrzeug ermittelten Betriebszuständen
bei minimalem Kraftstoffverbrauch können die Getriebeschaltpunkte verbrauchsoptimal
gelegt und im Anzeigegerät 23 anschaulich dargestellt werden. Damit erhält man die
entsprechenden Ausschnitte aus den'Gangkurven" und somit die entsprechende Betriebskurve.
Der obersten Drehzahl für wirtschaftlichen Motorbetrieb nO im 4. Gang entspricht
die Fahrtgeschwindigkeit v0, die ebenfalls auf der v-Skala 25 gekennzeichnet ist
An Stelle der in den Ausführungsbeispielen gezeigten Anzeige-Instru -mente kann
auch ein Instrument gewählt werden dessen senkrecht zueinander angeordnete Zeiger
jeweils parallel verschiebbar sind. Eine Umsetzung der aufgenommenen Meßkurven des
Motorkennfeldes ist in diesem Fall nicht erforderlichv da dann auch beim Anzeigein6trument
rechtwinklige Koordinaten vorliegen.
-
Für das Anzeige-Instrument sind vorzugsweise auswechselbare Skalenflächen
vorzusehen, damit bei Einsatz der Vorrichtung für verschiedene Brennkraftmaschinen
eine sofortige Anpassung durch Auswechseln der Skalenflachen erfolgen kann
An
Stelle eines Anzeige-Instrumentes kann die Verknüpfung der beiden Meßwerte natürlich
auch auf andere Weise erfolgen, z B. durch Verschiebung zweier Linien in Abhängigkeit
dieser Meßwerte auf einem Oszillographenschirm.
-
Anden Kombinationsmöglichkeiten von mindestens 2 Betriebsparametern
einer Brennkraftmaschine und die Verknüpfung derer durch mindestens 2'unabhängig
voneinander arbeitende Zeiger eines Instrumentes durch deren Schnittpunkt sind ebenfalls
im Sinne dieser Erfindung.
-
Lit eraturnachweis Bussien: Automöbiltechnisches Handbuch, 2. Band,
Vogel-Verlag [2] May, M.; F. Spinnler: Betriebserfahrungen mit hochverdichteten
Ottomotoren nach dem May-Fireball-Verfahren, MTZ 39 (1978) 6, S. 243.
-
[3] "Kraftstoffsparen- aber wie ? Informationsschrift des Zentralverbandes
des Kraftfahrzeughandwerks, Bonn, 1978.