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Verfahren und Einrichtung zum Ermitteln des durch-
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schnittlichen Drehmoments einer Brennkraftmaschine Stand der Technik
Der Drehmomentmessung an Brennkraftmaschinen kommt aus vielerlei Gründen eine erhebliche
Bedeutung zu. Erstens lassen sich über das Moment Alterungserscheinungen und damit
Leistungsabschwächungen der Brennkraftmaschine erfassen. Und zweitens lassen sich
über eine Momentenmessung die einzelnen einzustellenden Größen wie z. B. zuzumeßende
Kraftstoffmenge und Einspritzzeitpunkt optimal bestimmen.
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Es ist bekannt, daß von einer Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment
übermehr oder weniger unmittelbar messende Momentsensoren zu erfassen, in dem die
Abtriebswelle der Brennkraftmaschine aufgetrennt und ein entsprechender Sensor eingefügt
wird. Diese Methode mag exakte Ergebnisse liefern, doch liegt ihr Nachteil auf der
Hand, daß nämlich in den Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine eingegriffen werden
muß. Bei fest installierten Brennkraftmaschinen und bei möglichst einfachen Meßanlagen
ist dieses System somit nicht anwendbar.
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Vorteile der Erfindung Mit den erfindungsgemäßen Verfahren und den
entsprechenden Einrichtungen läßt sich das von einer Brennkraftmaschine abgegebene
Drehmoment äußerst einfach bestimmen. Es ist kein
Eingriff in den
Abtriebestrang der Maschine erforderlich und Verfahren und Einrichtung eignen sich
sowohl für die sogenannte Anbord-Diagnose, als auch zu Servicezwecken.
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Zeichnung Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben und erläutert. Es zeigen Figur
1 ein groben Blockschaltbild der Meßeinrichtung im Zusammenhang mit einer Brennkraftmaschine,
Figur 2 2 verschiedene Diagramme und ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Meßeinrichtung
sowie entsprechend Figur 3 Impulsdiagramme und Einrichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Zeichnung veranschaulicht
Ausführungsbeispiele der Drehmoment- bzw. Leistungsmessung bei einer in ein Kraftfahrzeug
eingebauten Brennkraftmaschine.
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In Figur 1 ist mit 10 eine Brennkraftmaschine bezeichnet, mit 11 ihr
Ansaugrohr und mit 12 ihre Abgasleitung. Eine Kraftstoffzumeßeinrichtung 13 versorgt
die Brennkraftmaschine 10 mit Kraftstoff aus einem Tank 14, wobei die zugemeßene
Menge durch Signale einer Zumeßsignalerzeugerstufe 15 bestimmt wird. Eingangssignale
für diese Signalerzeugerstufe 15 sind ein Fahrpedal-.
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stellungssignal von einem Fahrpedalstellungsgeber 16 und ein Drehzahlsignal
von einem entsprechenden Drehzahlengeber 17. Eine Meßstufe ist mit 18 bezeichnet.
Sie erhält Eingangssignale von dem Drehzahlgeber 17 und ist ausgangsseitig mit einer
Anzeigeeinrichtung 19 sowie über eine Leitung 20 mit der Signalerzeugerstufe 15
gekoppelt. In dieser Leitung liegt gegebenenfalls noch eine gestrichelt gezeichnete
Korrekturstufe.
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Die aus Figur 1 ersichtliche Grundordnung für ein Leistungsmeßgerät
liefert die wesentlichsten Daten zur rechnerischen Bestimmung der Brennkraftmaschinenleistung,
wobei in die Berechnung noch ein brennkraftmaschinen-spezifischer Faktor K mit einbezogen
werden muß, der z. B. vom Hersteller ermittelt worden ist.
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Uber den speziellen Eingriff in die Signalerzeugerstufe 15 läßt sich
z. B. eine Leistungsbegrenzung erreichen, oder äedoch eine Leistungsoptimierung
nach bekannten Wobbelverfahren.
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Einzelheiten zur Meßeinrichtung 18 sowie bezüglich ihrer Wirkungsweise
finden sich in Figur 2.
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Figur 2 aI zeigt den Drehzahlverlauf über der- Zeit während eines
Meßzyklusses. Erkennbar ist ein Drehzahlanstieg sowie ein nachfolgender Drehzahlabfall
und die Meßmethode erfordert das Bestimmen der Durchlaufzeit zwischen zwei Drehzahlwerten,
wobei tB für die Beschleunigungsphase steht und tV für die Verzögerungßphase. Sind
diese beiden Zeitendauern bekannt, dann läßt sich das durchschnittliche Moment nach
der Formel M = K (1/tB-1/tv) bestimmen.
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Die einzelnen Zeiten werden über die in Figur 2 aII und III dargesellten
Signale ermittelt, die das jeweilige überschreiten bestimmter Drehzahlschwellwerte
kennzeichnen. Über eine logische Und-Verknüpfung ergeben sich dann die in Figur
2 aIV dargestellten Zeiten, während denen getrennte Zähler mit einer festen Frequenz
zur Zeitmessung beaufschlagt werden.
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Eine Schaltungsanordnung zur Realisierung dieses Meßverfahrens zeigt
Figur 2b. Dem Drehzahlgeber 17 folgt beim Gegenstand nach Figur 2b ein Drehzahl-Spannungs-Wandler
25, dessen Ausgangssignal wiederum zu den Eingängen zweier Komperatoren 26 und 27
geführt wird. Die zwei,ZählstuSen sind mit 28 und 29 bezeichnet. Sie sind über ihre
Zähleingänge jeweils mit einem Oszillator 30 gekoppelt und weisen Start- und Stopeingänge
31 bis 34 auf. Zur Flankenerkennung der Ausgangs signale der beiden Komperatoren
26 und 27 dienen noch Differenzierstufen 35 bis 38. Zur Realisierung der Signalverläufe
nach Figur 2a ist der Ausgang des Komperators 26 für die untere Drehzahlschwelle
n1 über das Differenzierglied 35 für positive Flanken mit dem Startsteuereingang
31 der Zählstufe 28 verknüpft und über das Differenzierglied 38 für negative Flanken
mit dem Stopsteuereingang 34 der Zählstufe 29. Entsprechend führen vom Ausgang des
Komperators 27 für die zweite Drehzahlschwelle n2 Leitungen über die beiden Differenzierglieder
36 und 37 zum Stopsteuereingang 32 der Zählstufe 28 und zum Startsteuereingang 33
der Zählstufe 29.
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Das Ausgangssignal des Differenziergliedes 36, welches das Erreichen
der hohen Drehzahlschwelle markiert, kann über die Leitung 20 dem Zurückschalten
der Kraftstoffzumessung dienen, damit die erforderliche Verzögerungsphase automatisch
eingeleitet werden kann. (Der Beschleunigungsvorgang wird vorzugsweise mittels eines
besonderen Signals eingeleitet.) Bei den Zählstufen 28 und 29 folgt je eine Divisionsstufe
40 und 41, deren Ausgangssignale wiederum zu einer dritten Zählstufe 142 geführt
sind, um die Differenz im obengenannten Formelausdruck zu bilden. Über einen speziellen
Eingang 43 kann der Zählstufe 42 ein Faktor K eingegeben werden, damit letztendlich
in der Anzeigeeinrichtung ein korrekter und durchschnittlicher Momentenwert angezeigt
wird.
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Durchschnittlich ist der Momentenwert deshalb, weil nicht ein Augenblickswert
gemessen wird, sondern das Durchlaufen eines gesamten Meßzyklusses erforderlich
ist. Dieser Meßzyklus wiederum bewirkt eine isolierte Erfassung des Antriebsmomentes,
da Fahrwiderstände sowohl während der Beschleunigungs-, als .auch während der Verzögerungsphase
auftreten und er im Gesamtzyklus sich aufhebt.
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Die obengenannte Formel für das Durchschnittsmoment resultiert aus
an sich bekannten mathematischen Zusammenhängen und bedarf daher keiner besonderen
Erklärung.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Figur 3 werden nicht Verweilzeiten
der Drehzahl innerhalb bestimmter Schwellen erfaßt, sondern Drehzahlwerte vor und
nach gleichen Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten. Die entsprechenden Impulsdiagramme
zeigen Figur 3aI bis V. Beiden Vorschlägen von Figur 2 und Figur 3 ist gemeinsam
die Art des Meßzyklusses, nämlich ein anfängliches Beschleunigen und ein nachfolgendes
Verzögern. Nach Figur 3a werden die beiden Drehzahlweite zu Beginn und nach einer
bestimmte Beschleunigungsphase gemessen. Darüber hinaus der Drehzahlwert am Ende
der Verzögerungszeit, die bei demjenigen Drehzahlwert beginnt, bei dem die vorangegangene
Beschleunigungsphase endete.
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Bei Kenntnis dieser drei Drehzahlwerte ergibt sich ein durch schnittliches
Moment nach der Formel M = K (2 n2 -n1 3) ISirl Sctlaltungsbeispiel zur Realisierung
dieses Meßverfahrens zeigt Figur 3b. Dem Drehzahlgeber 17 folgt wieder der Drehzahl-Spannungs-Wandler
25, dessen Ausgangssignal zu den Anschlüssen dreier Feldeffekttransistoren 50 bis
52 und zu zwei Komperatoren 53 und 54 geführt wird. Mittels des Schwellwertschalters
53
wird die erste Drehzahlschwelle n1 erfaßt.
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Ausgangsseitig steuert dieser Schwellwertschalter 53 eine monostabile
Kippstufe 55, deren Ausgangssignalflanken über Differenzierstufen 56 und 57 erfaßt
werden und entsprechend die Feldeffekttransistoren 50 und 51 steuern.
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Der Schwellwertschalter 54 erhält an seinem Minus-Eingang das Drezahlsignal.
Ausgangsseitig ist er ebenfalls zu einer monostabilen Kippstufe 59 geführt und die
negative Flanke des Ausgangssignals der monostabilen Kippstufe 59 wird mittels der
Differenzierstufe 60 erfaßt und steuert entsprechend den Feldeffekttransistor 52.
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Allen drei Feldeffektransistoren 50 bis 52 sind Kondensatoren 61,
62 und 63 nachgeschaltet zur Speicherung des jeweils auftretenden momentanen Drehzahlsignals.
Die einzelnen gespeicherten Spannungswerte werden mittels Verstärkern 65, 66 und
67 verstärkt und entkoppelt und nachfolgend über Widerstände 69, 70 und 71 auf einen
Summenpunkt 72 geschaltet. Damit die Verarbeitung der einzelnen Drehzahispannungswerte
entsprechend der Formel korrekt erfolgt, sind die beiden Verstärker 65 und 67 für
die Drehzahlwerte n1 und n3 als Umkehrverstärker ausgebildet und darüber hinaus
besitzt der Widerstand 70 den niedrigeren Zahlenwert im Vergleich zu den benachbarten
Wider--ständen 69 und 71. Uber einen weiteren Widerstand läßt sich ein Korrekturwert
K auf den Summenpunkt 72 einspeisen. Es folgt ein gegengekoppelter Verstärker 75
und schließlich die Anzeigeeinrichtung 19. Da bei diesem Beispiel ein analoger Zahlenwert
am Ausgang vorliegt, ist die Anzeigeeinrichtung zweckmäßigerweise auch als analoges
Anzeigeinstrument ausgebildet. Schließlich findet sich noch eine Verbindung vom
Ausgang des Verstärkers 66 zum Plus-Eingang des zweiten Komperators 54.
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Die Schaltungsanordnung nach Figur 3b funktioniert nun wie folgt:
Erreicht nach Figur 3a I die Drehzahl den Schwellwert n1, dann schaltet.der Komperator
53 die monostabile Kippstufe 55 ein und steuert über die Differenzierstufe 56 den
Feldeffekttransistor 50 kurzfristig leitend, so daß dieser momentane Drehzahlwert
im Kondensator 61 eingespeichert wird.
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Nach Ablauf der Standzeit der monostabilen Kippstufe 55 gibt das Differenzierglied
57 einen Ausgangsimpuls ab, wodurch der entsprechende Spannungswert als oberer Drehzahlwert
n2 die Ladung des Kondensators 62 bestimmt. Als Folge davon steigt auch das Ausgangssignal
am Verstärker 66 und hebt das Potential am Plus-Eingang des zweiten Komperators
54 an. Unterschreitet nun der Drehzahlwert wieder diese Schwelle n2, dann schaltet
dieser Komperator 54 durch und die monostabile Kippstufe 59 ein. Nach Ablauf des
beginnenden Zeitsignals schaltet der Feldeffekttransistor 52 durch und speichert
im Kondensator 63 den entsprechenden Drehzahlwert n3. Aufgrund der den Verstärkern
65 bis 67 nachfolgenden Schaltungsanordnung mit den verschiedenen Widerständen 69
bis 71 und deren Dimensionierung erhält das Ausgangssignal des Verstärkers 75 als
Eingangssignal der Anzeigeeinrichtung 19 einen Wert für das gemittelte Drehmoment
nach der Formel M = K (2 n - n1 - n 3 Welche Schaltungsanordnung zur Meßung des
durchschnittlichen Drehmoments letzlich verwendet wird ist ein Frage der Zweckmäßigkeit,
wobei unterschiedliche Gesichtspunkte wie der Wunsch nach digitaler Signalverarbeitung
usw. eine Rolle spielen.
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In Erweiterung des.angegebenen Verfahrens und der angegebenen Schaltungsanordnungen
ist es möglich, ausgehend vom Drehmoment die Leistung der Brennkraftmaschine nach
der Formel P = 2TT'n'M zu bestimmen, wobei dann lediglich noch eine Multiplizierstufe
der jeweiligen Anzeigeeinrichtung vorangestellt werden muß. Wesentlich erscheint
beim Gegenstand der Erfindung, daß sich auf einfache Weise ein durchschnittlicher
Momentenwert errechnen läßt.
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Davon ausgehend läßt sich dann eine Korrektur der einzelnen Betriebskenngrößen
wie zugemessene Kraftstoffmenge und/oder Zündzeitpunkt vornehmen, um z. B. auf Alterungserscheinungen
bei der Brennkraftmaschine reagieren zu können.