DE3138978C2

DE3138978C2 -

Info

Publication number: DE3138978C2
Application number: DE3138978A
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Konomi; Shinobu Shizuoka Jp Ishiyama
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1981-09-30
Publication date: 1987-11-26
Also published as: JPS5761929A; DE3138978A1; JPS6324250B2; US4525781A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks einer Kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung hat den Zweck, die Verbrennungsgleichmäßigkeit bzw. Verbrennungsstabilität (Gleichmäßigkeit der Arbeit je Arbeitsspiel) eines jeden Zylinders in einer Mehrzylindermaschine eines Kraftfahrzeugs zu messen.

In den zurückliegenden Jahren ist die Notwendigkeit deutlich geworden, den Kraftstoffverbrauch von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge zu verringern, weil die Erschöpfung der Energiequellen voraussehbar ist. Aus diesem Grund ist versucht worden, Maßnahmen zur Verbesserung der Verbrennung, zur Verringerung der Reibung usw. zu entwickeln, und einige dieser Maßnahmen sind bis zur praktischen Anwendung gelangt. Als eine dieser Verbesserungsmaßnahmen ist versucht worden, die Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine auf einen niedrigen Wert festzulegen. Eine verringerte Leerlaufdrehzahl erhöht jedoch die Neigung zu Schwingungen und Vibrationen der Brennkraftmaschine, so daß dem Fahrer ein störendes Gefühl vermittelt wird und die im Getriebe und dergleichen erzeugten Geräusche stärker werden. Daraus ergibt sich, daß das wichtigste Problem bei der Herabsetzung der Leerlaufdrehzahl auf einen niedrigen Wert darin besteht, die Stabilität der Brennkraftmaschine zu verbessern, d. h., die Schwankungen der Arbeit je Arbeitsspiel zu verbessern bzw. zu verringern.

Um die Schwankungen des indizierten bzw. angezeigten mittleren Arbeitsdrucks Pi einer Mehrzylindermaschine, die die Verbrennungsstabilität je Zylinder der Brennkraftmaschine anzeigen, d. h. die Stabilität der Arbeit je Arbeitsspiel, zu messen, wurden bisher jedoch nicht nur Druckindikatoren benötigt, die an den einzelnen Zylindern angebracht werden mußten (weil der indizierte mittlere Arbeitsdruck Pi bisher aus einem Indikatordiagramm gewonnen wurde), sondern wurde ferner eine schnelle Datenverarbeitungsanlage mit hoher Speicherkapazität zur statistischen Verarbeitung von Mehrzylinder-Indikatordiagrammen benötigt. Aus diesem Grund waren die Herstellungskosten der Meßvorrichtung sehr hoch, war die Handhabung und Bedienung der Meßvorrichtung mühsam und war es schwierig, eine einfache Messung der Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks durchzuführen.

So ist in der motortechnischen Zeitschrift, 35. Jahrgang, Nr. 5, Mai 1974, eine Auswerteinrichtung zur Bestimmung des indizierten Mitteldrucks beschrieben. Es kommt eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Einsatz. Die Kurbelwellenwinkel- Erfassungseinrichtung wird hierbei von einer Schlitzscheibe gebildet, die einerseits Auslöseschlitze in Form von OT- und UT-Marken und ferner eine zusätzliche Schlitzanordnung trägt, wobei der Absand der Schlitze dieser Schlitzanordnung so festgelegt ist, daß beim Durchlaufen eines Winkels zwischen zwei benachbarten Schlitzen ein konstanter Kolbenweg zurückgelegt ist. Diese Schlitze erzeugen Teilscheiben-Impulse, die dann jeweils eine Druckmessung der Druckindikatoren auslösen, so daß eine Summation der Druckwerte über dem Hubvolumen vorgenommen werden kann. Zur Verbesserung der Aussagekraft der Druckmessung wird eine Mittelwertbildung der erhaltenen Druckwerte lediglich aus einer Anzahl von Arbeitsspielen gebildet, bei denen die Anfangs- und Enddrehzahl gleich ist. Zu diesem Zweck mißt man über 4°-Kurbelwinkel am Ende jedes Arbeitsspiels die Drehzahl und wählt die geeigneten Meßwerte zur Mittelwertbestimmung aus.

Andererseits werden bisweilen Vorrichtungen zur makroskopischen Untersuchung der Leerlaufstabilität benutzt. Dazu gehören beispielsweise Vorrichtungen zum Messen der Ab- und Zunahme der mittleren Drehzahl sowie der Schwingungsbreite und der Schwingungsbeschleunigung der Brennkraftmaschine. Diese Größen stehen jedoch nicht in ausschließlicher Beziehung zur Streuung der Drehzahl aufgrund der Streuung bzw. Schwankungen der Verbrennung. Vielmehr können lediglich oberflächliche Größen erfaßt werden, die der Beeinflussung durch die Motoraufhängung usw., die die Brennkraftmaschine trägt, ausgesetzt gewesen sind, so daß die Nachteile bestehen, daß die gemessenen Werte eine relativ geringe physikalische Aussagekraft haben und daß ferner Messungen der einzelnen Zylinder nicht durchgeführt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die mit geringem Aufwand die Messung der Stabilität der einzelnen Zylinder, d. h., der Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mittel gelöst, wobei eine hohe Korrelation bzw. gegenseitige Abhängigkeit zwischen der Abweichung des mittleren Drucks und der Abweichung des indizierten mittleren Arbeitsdrucks oder zwischen den unverzerrten Varianzen des ersteren und des letzteren dazu ausgenutzt wird, die Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks zu bestimmen.

Die Erfindung ermöglicht es somit, daß ohne Anbringung von Druckindikatoren an den einzelnen Zylindern und ohne Verwendung einer schnellen Datenverarbeitungsanlage mit hoher Speicherkapazität die Stabilität der einzelnen Zylinder, d. h., die Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks, bestimmt werden können, wobei zu diesem Zweck lediglich ein klein dimensionierter Drehzahlfühler am vorderen Ende einer Kurbelwelle der Maschine angebracht werden muß. Es können somit Fehler diagnostiziert werden, indem herausgefunden wird, in welchen der Zylinder die Verbrennung befriedigend ist und in welchen der Zylinder dies nicht der Fall ist. Hierdurch kann gezielt eingegriffen werden, um die Leerlaufstabilität derart zu verbessern, daß der Kraftstoffverbrauch durch Senkung der Leerlaufdrehzahl verringert werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigt

Fig. 1 Diagramme, die den Verlauf der Drücke im Inneren von Zylindern in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel, den Verlauf des indizierten Drehmoments in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel, den Verlauf der Drehzahl in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel sowie den Verlauf des Reibmoments in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel für eine Viertakt- Reihenvierzylindermaschine mit gleichmäßigen Zündabständen zeigen,

Fig. 2 Diagramme, die die Beziehung zwischen den Mittelwerten der jeweiligen Arbeiten je Arbeitsspiel und den unverzerrten Varianzen (mittlere quadratische Abweichungen) zeigen,

Fig. 3 ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine wiedergibt, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet ist,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Kurbelwinkelfühler, der beim genannten Ausführungsbeispiel dere Vorrichtung zur Anwendung kommt,

Fig. 5 eine Vorderansicht, die einen Abschnitt einer Scheibe des Kurbelwinkelfühlers zeigt,

Fig. 6 ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Genauigkeitsuntersuchung des Kurbelwinkelfühlers wiedergibt,

Fig. 7 ein Diagramm, das an verschiedenen Stellen der vorstehend erwähnten Ausführungsform der Vorrichtung auftretende Signale zeigt,

Fig. 8 ein Diagramm, das die Korrelation zwischen den aus den Änderungen der Drehzahl berechneten mittleren Drücken und den aus Indikatordiagrammen wie beim Stand der Technik berechneten indizierten mittleren Arbeitsdrücken zeigt,

Fig. 9 ein Diagramm, das die Korrelation zwischen den mittleren Drücken und den unverzerrten Varianzen der indizierten mittleren Arbeitsdrücke für eine Vierzylindermaschine zeigt,

Fig. 10 ein Diagramm, das die Änderungen des Korrelationskoeffizienten zwischen dem indizierten mittleren Arbeitsdruck und dem mittleren Druck für den Fall zeigt, daß die mittlere Drehzahl der Brennkraftmaschine geändert wird,

Fig. 11 ein Diagramm, das einen Vergleich zwischen den Fehlzündungsraten wiedergibt, die zum einen aus dem indizierten mittleren Arbeitsdruck und zum anderen aus dem mittleren Druck berechnet wurden, und

Fig. 12 ein Diagramm, das die Korrelation zwischen den mittleren Drücken und den unverzerrten Varianzen der indizierten mittleren Arbeitsdrücke bei einer Sechszylindermaschine wiedergibt.

Im folgenden wird das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip erläutert. Zunächst werden Gleichungen untersucht, die in Beziehung zum indizierten mittleren Arbeitsdruck einer Brennkraftmaschine stehen, die als Viertakt-Reihenvierzylindermaschine mit Zündung in regelmäßigen Abständen ausgebildet ist. Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Änderungen bzw. den Verlauf des Druckes P _z im Inneren der einzelnen Zylinder (z gibt die Zylindernummer an), des indizierten Momentes T _i, der Drehzahl ω der Brennkraftmaschine sowie des Reibmomentes T _f in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel R bei einer Brennkraftmaschine in Viertakt-Vierzylinderreihenbauart mit Zündungen in regelmäßigen Abständen wiedergibt. Die Zündfolge der Brennkraftmaschine ist Nr. 3, Nr. 4, Nr. 2 und Nr. 1 (in den Figuren ist für "Nr." das Zeichen "#" gesetzt), und die Brennkraftmaschine wird mit einer mittleren Drehzahl von 600 min^-1, einem mittleren Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 13 sowie einem Zündzeitpunkt 5° vor oT betrieben.

Das Reibmoment T _f ist auf folgende Weise erhalten worden. Wenn angenommen wird, daß die Kurbelwelle ein starrer Körper ist, gilt die folgende Beziehung zwischen der Trägheitskraft der Brennkraftmaschine und dem indizierten Moment T _i.

Darin sind I das Trägheitsmoment der Brennkraftmaschine und T _e das Bremsmoment.

Ferner kann das indizierte Moment T _i einer Mehrzylindermaschine aus den Drücken P _z in den Zylindern sowie den Kolbenträgheitskräften, die an den Kolben der einzelnen Zylinder wirken, berechnet werden, wie dies die folgende Gleichung angibt.

Darin sind m die Anzahl der Zylinder, A die Querschnittsfläche des einzelnen Kolbens, g die Erdbeschleunigung sowie V _z das Volumen des Zylinders mit der Zylindernummer z.

Schließlich kann das Reibmoment T _f aus den Gleichungen (1) und (2) berechnet werden und durch folgende Gleichung wiedergegeben werden.

Das Bremsmoment T _e kann unter der Annahme eines Gleichgewichtsfahrzustandes des Fahrzeugs und einer Konstantstromsteuerung eines Gleichstromleistungsmessers als konstanter Wert angesehen werden, so daß es auf einfache Weise als vom Gleichstromleistungsmesser oder dergleichen angezeigter Wert erhalten werden kann.

Wenn die Drücke P₁ bis P _m aller Zylinder sowie die Drehzahl ω in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel R nacheinander für die rechte Seite von Gleichung (3) gemessen werden, kann somit das Reibmoment berechnet werden. Auf diese Weise ist das in Fig. 1 gezeigte Reibmoment T _f erhalten worden.

Die maximalen Drehzahlen ω _max und die Drehzahl l _c am oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes sind jeweils der Zylindernummer des sich im Expansionstakt befindenden Zylinders zugeordnet, wie dies Fig. 1 zeigt, und beispielsweise wird die maximale Drehzahl ω _{max 1} und die Drehzahl ω _{c 1} am oberen Totpunkt beim Verdichtungstakt erhalten. Bei einer Vierzylindermaschine ist diese Drehzahl ω _c am oberen Totpunkt des Verdichtungstaktes in ihrem Wert praktisch identisch mit der minimalen Drehzahl ω _min. Ferner sind die mittlere Taktdrehzahl ω _m und das Drehzahländerungsverhältnis D in Beziehung zur maximalen Drehzahl und zur Drehzahl am oberen Totpunkt beim Verdichtungstakt gesetzt. Beispielsweise für ω _{max 1} und ω _{c 3} werden die folgenden Gleichungen erhalten.

ω _{m 13} = (ω _{max 1} + ω _{c 3}) / 2 (4)

D ₁₃ = (ω _{max 1}-ω _{c 3}) / ω _{m 13} (5)

Wenn beide Seiten von Gleichung (1) integriert werden von R=0° bis R _{ω max 1}, d. h., wenn der Expansionstakt (R=0 bis 180°) des Zylinders Nr. 1 betrachtet wird, und D₁₁ gesucht wird, ergibt sich folgende Gleichung (R ist der Kurbelwinkel).

Wenn beide Seiten von Gleichung (1) integriert werden von R=R _{ω max 1} bis 180° und D₁₃ gesucht wird, ergibt sich auf entsprechende Weise folgende Gleichung.

Aus den beiden vorstehenden Gleichungen (6) und (7) wird folgende Gleichung abgeleitet.

An dieser Stelle werden die folgenden Symbole definiert.

P _{ω 1} ≡ (I/V _h) (D₁₁ω²m 11-D₁₃ω²m 13) (9)

: mittlerer Druck, wie er aus den Änderungen der Drehzahl während des Expansionstaktes des Zylinders Nr. 1 erhalten wird,

: mittlerer Nutzdruck während des Expansionstaktes des Zylinders Nr. 1,

: mittlerer Reibungsdruck während des Expansionstaktes des Zylinders Nr. 1,

Wez:Arbeit während des Expansionstaktes des Zylinders Nr. z,Wxz:Arbeit während des Ausstoßtaktes des Zylinders Nr. z,Wcz:Arbeit während des Verdichtungstaktes des Zylinders Nr. z,Wsz:Arbeit während des Saugtaktes des Zylinders Nr. z,δ Wx₂≡Wx ¥äWx₁:Differenz der Arbeit während des Ausstoßtaktes zwischen den Zylindern Nr. 1 und Nr. 2, δ Wc₃≡Wc₃-Wc₁:Differenz der Arbeit während des Verdichtungstaktes zwischen den Zylindern Nr. 1 und Nr. 3, δ Ws₄≡Ws₄-Ws₁:Differenz der Arbeit während des Saugtaktes zwischen den Zylindern Nr. 1 und Nr. 4.

Wenn beide Seiten obiger Gleichung (2) integriert werden von R=0° bis 180°, wird die Summe der integrierten Werte der Kolbenträgheitskräfte in allen vier Zylindern zu null. Wenn beide Seiten durch den Hubraum V _h dividiert werden, ergeben sich ferner folgende Gleichungen.

Wenn beide Seiten obiger Gleichung (8) durch den Hubraum V _h dividiert werden und Gleichung (1) sowie die definierten Symbole eingesetzt werden, ergibt sich folgende Gleichung.

Pi 1 + (w Wx 2+δ Wc 3+δ Ws 4) / V _h-Pe 1-Pf 1 = P l1 (12)

Hier werden die Schwankungen je Arbeitsspiel berücksichtigt. Lediglich die Arbeit We 1 während des Expansionstaktes des Zylinders Nr. 1 trägt zu den Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi 1 bei, und der mittlere Reibungsdruck Pf 1, die Arbeit Wx 2 während des Ausstoßtaktes des Zylinders Nr. 2, die Arbeit Wc 3 während des Verdichtungstaktes des Zylinders Nr. 3 und die Arbeit Ws 4 während des Saugtaktes des Zylinders Nr. 4 weisen sämtlich nur sehr geringe Schwankungen auf. Wenn angenommen wird, daß diese sehr geringen Schwankungen vernachlässigt werden können, können δ Wx 2, δ Wc 3 und δ Ws 4 als Konstanten angesehen werden. Ferner kann das Bremsmoment Te im Gleichgewichtsfahrzustand des Fahrzeugs und bei Konstantstromsteuerung des Gleichstromleistungsmessers, wie dies vorstehend erwähnt wurde, als konstanter Wert angesehen werden. Die durch folgende Gleichung (13) wiedergegebene Beziehung gilt daher näherungsweise.

Dies heißt, daß die Abweichung des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi 1 je Arbeitsspiel gleich wird mit der Abweichung des mittleren Druckes P ω1, der als fiktiver Druckwert aus den Drehzahländerungen erhalten wird. Da ferner die unverzerrte Varianz (mittlere quadratische Abweichung) Vp ω1 des indizierten mittleren Arbeitsdruckes P ω1 wiedergegeben werden kann durch die unverzerrte Varianz (mittlere quadratische Abweichung) Vp ω1 des mittleren Druckes P ω1, gilt die Beziehung gemäß folgender Gleichung.

Vpi 1 = Vp ω 1 (14)

Die Berechnung für die Zylinder Nr. 2, Nr. 3 und Nr. 4 kann ebenfalls entsprechend Gleichung (14) erfolgen. Für eine Viertakt-Reihenvierzylindermaschine mit gleichmäßigen Zündabständen gilt somit allgemein folgende Gleichung.

Vpiz = Vp ω z (15)

Im folgenden wird die vorstehend gemachte Annahme untersucht. Die unverzerrte Varianz (mittlere quadratische Abweichung) V _pf des mittleren Reibungsdruckes Pf der Zylinder beträgt lediglich, wie Fig. 2 zeigt, 2 bis 10% der unverzerrten Varianz (mittlere quadratische Abweichung) V _pi des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi. Außerdem betragen auch die unverzerrten Varianzen (mittlere quadratische Abweichungen) Vwx, Vws und Vwc der jeweiligen Arbeit Wx, Ws und Wc während des Ausstoßens bzw. des Ansaugens bzw. der Verdichtung lediglich 0,3 bis 3% der unverzerrten Varianz (mittlere quadratische Abweichung) Vwe der Arbeit We während des Expansionstaktes. Wenn in der obigen Gleichung (12) die Annahme gemacht wird, daß Pf 1, δ Wx 2, w Wc 3 und δ Ws 4 Konstanten sind, sind demzufolge die daraus resultierenden Fehler gering.

Andererseits haben die Unterschiede beim Mittelwert des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi und beim Mittelwert des mittleren Reibungsdruckes Pf während des Expansionstaktes zwischen den jeweiligen Zylindern den hohen Wert von 32% bzw. 65%. Da ferner die Unterschiede bei den Mittelwerten der Arbeiten während der jeweiligen Takte zwischen den jeweiligen Zylindern groß sind, ist es schwierig, den Absolutwert des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi aus obiger Gleichung (12) zu berechnen. Wenn jedoch der Mittelwert von den Schwankungen getrennt wird, kann die Differenz bzw. können die Unterschiede beim indizierten mittleren Arbeitsdruck Pi berechnet werden.

Im folgenden werden Gleichungen untersucht werden, die den indizierten mittleren Arbeitsdruck bei einer Brennkraftmaschine mit m Zylindern und regelmäßigen Zündabständen betreffen. Wenn bei einer Brennkraftmaschine mit m Zylindern und regelmäßiger Verbrennung angenommen wird, daß die Zündfolge z 1, z 2 . . . zm ist und daß der Zündabstand ΔR (≡720°/m bei vier Takten und 360°/m bei zwei Takten) ist, führen die obigen Gleichungen (6) und (7) zu folgenden Gleichungen.

Es gilt

Es kann dann Gleichung (12) durch folgende Gleichung ersetzt werden.

Wenn angenommen wird, daß Pf 1 und δ Wkz je Arbeitsspiel kleine Schwankungen haben, die vernachlässigt werden können, wird Gleichung (12) identisch mit Gleichung (13), und schließlich kann Gleichung (15) ganz allgemein für Brennkraftmaschinen mit gleichmäßigen Zündabständen aufgestellt werden.

Die vorliegende Erfindung basiert auf den vorstehend beschriebenen Grundlagen.

Die im folgenden näher beschriebene Vorrichtung zur Bestimmung der Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdruckes einer Brennkraftmaschine basiert auf den vorstehend dargelegten Grundlagen. Wie Fig. 3 zeigt, umfaßt das Ausführungsbeispiel einen Kurbelwinkelfühler 12, der am vorderen Ende einer Kurbelwelle 10 a einer Brennkraftmaschine 10 vorgesehen ist, die beispielsweise als Viertakt-Reihenvierzylindermaschine ausgebildet ist. Zwei Zähler 14 und 16 zum abwechselnden Zählen von Zeitintervallen, von denen jeder derjenigen Anzahl von Impulssignalen (beispielsweise 100 Impulse) entspricht, die einem gegebenen Kurbelwinkel (beispielsweise 10°) entspricht, wobei die Zählung in Abhängigkeit vom Ausgang des Kurbelwinkelfühlers 12 erfolgt und wobei die Zähler ausgangsseitig ein das Ergebnis wiedergebendes Signal liefern, eine Rechenvorrichtung 18 zum Berechnen der Abweichung des mittleren Druckes aus Änderungen der Drehzahl der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Zähler 14 und 16 sowie zum Berechnen von Schwankungen des angezeigten bzw. indizierten mittleren Arbeitsdruckes auf der Grundlage der engen Korrelation zwischen der Abweichung des mittleren Druckes und der Abweichung des indizierten mittleren Arbeitsdruckes oder auf der Grundlage der engen Korrelation zwischen den unverzerrten Varianzen (mittlere quadratische Abweichungen) des indizierten mittleren Arbeitsdruckes sowie des mittleren Druckes sowie einen Drucker 20 zum Drucken der Ausgangsinformation der Rechenvorrichtung 18.

Wie dies ausführlicher die Fig. 4 und 5 zeigen, umfaßt der Kurbelwinkelfühler 12 eine Scheibe 22, die an der Kurbelwelle 10 a der Brennkraftmaschine 10 befestigt ist und nahe ihrem äußeren Rand mit 3600 Schlitzen 22 a zur Ermittlung des Kurbelwinkels (in Schritten von 0,1°) und einem Schlitz 22 b zur Ermittlung des oberen Totpunktes versehen ist, zwei Paare aus einer Leuchtdiode 24 a und einer Fotodiode 26 a, die in senkrechter Richtung derart fest angeordnet sind, daß die Scheibe 22 dazwischen angeordnet ist und die dazu dienen, den Durchgang eines Schlitzes 22 a zu erfassen und dadurch den Kurbelwinkel zu messen, und zwei Paare aus einer Leuchtdiode 24 b sowie einer Fotodiode 26 b, die in senkrechter Richtung fest derart angeordnet sind, daß die Scheibe 22 dazwischenliegt und die dazu dienen, den Durchgang des Schlitzes 22 b zu erfassen, wodurch der obere Totpunkt erfaßt wird. An den vorderen Enden der lichtempfindlichen Abschnitte der einzelnen Fotodioden 26 a und 26 b befinden sich Schlitzplatten 28 a und 28 b, in denen Schlitze ausgebildet sind, deren Form identisch mit der der in der Scheibe 22 ausgebildeten Schlitze ist. Die durch die Schlitzplatten und die Scheibe erzeugten, abwechselnd hellen und dunklen Streifen werden von den Fotodioden 26 a und 26 b erfaßt. Die Tatsache, daß symmetrisch zu den einen Fotodioden 26 a und 26 b zusätzlich zwei weitere Fotodioden 26 a und 26 b vorgesehen sind, führt dazu, daß sowohl von den einen als auch von den anderen Fotodioden Signale geliefert werden, die zusammengefaßt werden, um Impulsintervallfehler zu kompensieren, die durch Fehler in der Ausrichtung zwischen den Schlitzen und der sich drehenden Welle hervorgerufen werden könnten.

Der Kurbelwinkelfühler 12 hat ein Reibmoment von ungefähr 10^-4 des Reibmomentes der Brennkraftmaschine und hat ein Trägheitsmoment von ungefähr 10^-5 des Trägheitsmoments der Brennkraftmaschine, damit eine Beeinflussung des Verhaltens der Brennkraftmaschine verhindert wird. Die alle 0,1° kW erzeugten Signale haben bei einer Drehzahl von 1000 min^-1 der Brennkraftmaschine eine Frequenz von näherungsweise 60 kHz, so daß eine Beeinflussung durch elektrisches Rauschen auftreten könnte. Es ist jedoch im Kurbelwinkelfühler 12 ein Verstärker vorgesehen, dessen Ausgangsimpedanz ausreichend niedrig ist, so daß die Signale nicht ohne weiteres dem Einfluß des Rauschens ausgesetzt sind.

Fig. 6 zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung der Genauigkeit, bei der ein Schwungrad (mit ungefähr 0,1 kpcmsec²) anmontiert war, das ein im Vergleich zum Reibmoment des Kurbelwinkelfühlers 12 ausreichend großes Trägheitsmoment hatte. Die Scheibe 22 wurde im Leerlauf betrieben. Es wurde ein Abschnitt von 2° bei einer Schwungraddrehzahl von 200 min^-1 gemessen, was dem Messen eines Abschnittes von 10° bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von 1000 min^-1 entspricht. Unter der Annahme, daß die Verzögerung je Umdrehung konstant ist, wurde der Meßfehler des Kurbelwinkelfühlers 12 berechnet, der sich zu 6×10^-4 Grad ergab (die auf 2° bezogene Genauigkeit betrug 0,03%), so daß es möglich war, die gewünschte Genauigkeit zu erreichen.

Wie Fig. 7 erkennen läßt, wird die Messung der Drehzahl ω der Brennkraftmaschine ausgelöst durch ein Signal vom oberen Totpunkt des Saugtaktes, wobei die zwei Zähler 14 und 16 wiederholt abwechselnd ein Zeitintervall während 100 Impulssignalen zählen, von denen jedes nach einem Kurbelwinkel von 0,1° abgegeben wird, so daß die Anzahl der Impulse einem Kurbelwinkelsignal von 10° entspricht. Die Zähler 14 und 16 liefern den gezählten Wert aufeinanderfolgend und abwechselnd an die Rechenvorrichtung 18, so daß die Rechenvorrichtung 18 kontinuierlich die Drehzahl ω der Brennkraftmaschine für jeweils einen Abschnitt von 10° kW errechnen kann. Für die von den Zählern 14 und 16 ausgeführte Zählung des Zeitintervalls bzw. Zeitraumes für einen Abschnitt von 10° werden Quarzoszillatoren mit einer Frequenz von 50 MHz benutzt. Bei dieser Ausbildung kann ein Auflösungsvermögen von ungefähr 10^-4 Grad bei einer Drehzahl der Brennkraftmaschine von 1000 min^-1 erreicht werden. Der Grund dafür, daß der Abschnitt von 10° mit 100 Impulssignalen gezählt wird, von denen jedes 0,1° entspricht, ist folgender. Wenn die Stärke der Ausgangssignale der Fotodioden 26 a und 26 b schwankt, schwanken auch die Auslösepunkte bei der Wellenformung bzw. der Impulssignalerzeugung, was zu einem Fehler bei der Auszählung des Zeitintervalls führt. Dieser Fehler ist nun aber umgekehrt proportional zur Anzahl der Impulse, die die Zähldauer bestimmen, so daß die Frequenzteilung durch möglichst viele Impulse bis zum Ende der Zählung den Fehler möglichst klein macht.

Fig. 8 zeigt in zeitlicher Aufeinanderfolge die Beziehung zwischen Änderungen bzw. dem zeitlichen Verlauf (gestrichelte Kurven) des mittleren Druckes P ω, wie er unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung aus dem Drehzahländerungsverhältnis berechnet wurde, und Änderungen bzw. dem Verlauf (ausgezogene Kurven) des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi, wie er auf herkömmliche Weise aus den Indikatordiagrammen berechnet wurde. Die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine waren dabei eine mittlere Drehzahl von 600 min^-1, lastfreier Betrieb, ein mittleres Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 15 sowie ein Zündzeitpunkt 5° vor dem oberen Totpunkt. Wie Fig. 8 erkennen läßt, unterscheiden sich der indizierte mittlere Arbeitsdruck Pi und der mittlere Druck P ω im Mittelwert voneinander; sie sind jedoch in der Abweichung ausreichend miteinander identisch. Der Korrelationskoeffizient Ri l dazwischen beträgt 0,987 bis 0,996, was einen sehr hohen Wert nahe 1 darstellt. Demzufolge gilt die obige Gleichung (13) mit beachtlich hoher Genauigkeit, und die Abweichung des mittels der Rechenvorrichtung 18 berechneten mittleren Druckes P ω kann als Abweichung des indizierten mittleren Arbeitsdruckes Pi angesehen werden.

Fig. 9 zeigt die Beziehungen zwischen den unverzerrten Varianzen (mittlere quadratische Abweichungen) Vpi des indizierten mittleren Arbeitsdrucks Pi und den unverzerrten Varianzen (mittlere quadratische Abweichungen Vp l des mittleren Drucks P ω. In Fig. 9 kennzeichnen Marken ▲ den Fall, daß die Schmieröltemperatur geändert wird, Marken ⚫ den Fall, daß die mittlere Drehzahl der Brennkraftmaschine geändert wird, Marken ∎ den Fall, daß der Zündzeitpunkt geändert wird, und Marken ▲ den Fall, daß das mittlere Luft- Kraftstoff-Verhältnis geändert wird. Wie aus Fig. 9 erkennbar ist, sind die unverzerrten Varianzen Vpi des indizierten mittleren Arbeitsdrucks Pi und die unverzerrten Varianzen (mittlere quadratische Abweichungen) Vp ω des mittleren Drucks p l in allen Zylindern ausreichend identisch miteinander, und es ist dadurch nachgewiesen, daß obige Gleichung (15) gilt. Fig. 12 zeigt die Ergebnisse der vorstehend beschriebenen Untersuchungen bei einer Sechszylindermaschine. Es ist nachgewiesen, daß Gleichung (15) nicht nur für eine Vierzylindermaschine, sondern auch für eine Sechszylindermaschine gilt.

Fig. 10 zeigt die Korrelationskoeffizienten Ri l zwischen dem indizierten mittleren Arbeitsdruck Pi und dem mittleren Druck P ω, wenn die mittlere Drehzahl der Brennkraftmaschine geändert wird. Je größer die Drehzahlen werden, desto kleiner werden die Korrelationskoeffizienten. Dies wird darauf zurückgeführt, daß, wie obige Gleichung (6) zeigt, das Drehzahländerungsverhältnis D umgekehrt proportional zum Quadrat der mittleren Drehzahl ω _m sinkt, daß die Zeitdauer, während der der Kurbelwinkelfühler 12 während 10° Kurbelwinkel zählt, abnimmt, so daß das Auflösungsvermögen des Zeitgebers schlechter wird, und daß die Schwingungen der Brennkraftmaschine den durch die Scheibe 22 verursachten Fehler vergrößern. Der Korrelationskoeffizient liegt jedoch bei einer Drehzahl von 850 min^-1 bei 0,95 oder mehr, und grundsätzlich liegt in den meisten Fällen die Leerlaufbezugsdrehzahl von Kraftfahrzeugmotoren bei 850 min^-1, wobei wegen der in letzter Zeit stärker betonten Forderung nach niedrigem Kraftstoffverbrauch die Tendenz besteht, die Leerlaufbezugsdrehzahl weiter zu senken. Je niedriger die Drehzahl wird, desto höher werden die Anforderungen an die Stabilität im Leerlauf. In Anbetracht der vorstehend erläuterten Forderungen ist die erreichte Genauigkeit für praktische Zwecke ausreichend.

Fig. 11 zeigt Vergleiche zwischen einer Fehlzündungsrate A, die auf die Weise bestimmt wurde, daß ein Arbeitsspiel, bei dem der indizierte mittlere Arbeitsdruck Pi ein negativer Wert wird, als ein Arbeitsspiel mit Fehlzündung angesehen wird, und einer Fehlzündungsrate B, die aus Arbeitsspielen berechnet wurde, bei denen ein negativer Wert wird. Zu den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine bei der Untersuchung gehörte eine mittlere Drehzahl der Brennkraftmaschine von 600 min^-1, ein mittleres Luft-Kraftstoff-Verhältnis von 16 sowie ein Zündzeitpunkt von 5° vor dem oberen Totpunkt. Wie sich aus Fig. 11 ergibt, stimmen beide Fehlzündungsraten ausreichend miteinander überein.

Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der mittlere Druck des Zylinders Nr. 1 aus einer Änderung der Drehzahl während des Expansionstaktes des Zylinders Nr. 1 vom oberen Totpunkt aus bis zur maximalen Drehzahl unter Verwendung von Gleichung (9) berechnet worden. Da diese Gleichung (9) durch folgende Gleichung wiedergegeben werden kann, ist es möglich, den mittleren Druck allein aus dem Ergebnis der Messung der Drehzahl ω c am oberen Totpunkt während des Verdichtungstaktes zu berechnen.

P ω 1 = (ω _{c 1²}-ω _{c 3²}) I / (2Vh) (17)

In diesem Fall dürfte es ausreichen, wenn nur die Drehzahl am oberen Totpunkt eines bestimmten Zylinders und die Drehzahl am oberen Totpunkt des folgenden Zylinders gemessen werden, so daß nicht mehr Meßwerte bei allen Kurbelwinkeln benötigt werden.

Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Erfindung auf eine Viertakt-Reihenvierzylindermaschine mit regelmäßigen Zündabständen angewendet. Es versteht sich, daß die Erfindung ganz allgemein auf Mehrzylindermaschinen mit gleichmäßigen Zündabständen und/ oder Einzylindermaschinen angewendet werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Schwankungen des indizierten mittleren Arbeitsdrucks einer Kraftmaschine, vorzugsweise im Leerlaufbereich, mit einer Kurbelwellenwinkel-Erfassungseinrichtung zur Abgabe von Impulssignalen bei bestimmten Kurbelwinkeln und einer Zähl- und Recheneinrichtung, die in Abhängigkeit von Impulssignalen der Kurbelwellenwinkel-Erfassungseinrichtung angesteuert wird und arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kurbelwellenwinkel-Erfassungseinrichtung (12) zusammen mit der Zähleinrichtung (14, 16) und der Recheneinrichtung (18) Bestandteil einer Kurbelwellendrehzahl-Überwachungseinrichtung ist, mit der die Winkelgeschwindigkeit (ω) der Kurbelwelle kontinuierlich für bestimmte Kurbelwinkel-Bewegungsabschnitte bestimmbar ist, und daß
eine Integriereinrichtung zur aufeinanderfolgenden Bestimmung einer Serie bestimmter Integralwerte der Winkelbeschleunigung der Kraftmaschine über deren jeweilige Expansionshübe sowie eine Aufzeichnungseinrichtung (20) für eine weitere Serie von fiktiven Druckwerten (p ω) vorgesehen sind, die sich aus der Werteserie der Integralwerte und dem auf das Hubvolumen (V _H ) bezogenen Trägheitsmoment (I) der Kraftmaschine bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwellendrehzahl- Überwachungseinrichtung eine auf der Kurbelwelle (10 a) sitzende Schlitzscheibe (22) aufweist, die in konstantem Winkelabstand zueinander angeordnete Drehzahlüberwachungsschlitze (22 a) und einen weiteren Auslöseschlitz (22 b) zur Totpunktbestimmung der Kraftmaschine hat, und daß die Zähleinrichtung ein Paar von Zählern (14, 16) aufweist, die in aufeinanderfolgenden Kurbelwinkel-Bewegungsabschnitten abwechselnd entweder die Zeitintervalle bestimmen, die zum Durchlaufen einer vorbestimmten Anzahl von Drehzahlüberwachungsschlitzen (22 a) benötigt worden sind oder das Zählergebnis auf die Recheneinrichtung (18) geben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Drehzahlüberwachungsschlitzen (22 a) und dem Auslöseschlitz (22 b) jeweils zwei im Umfangsabstand zueinander angeordnete Paare aus einer Leuchtdiode (24 a, 24 b) und einer auf der anderen Seite der Schlitzscheibe (22) liegenden Photodiode (26 a, 26 b) zugeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzscheibe (22) auf der den Photodioden (26 a, 26 b) zugewandten Seite zwei Schlitzplatten (28 a, 28 b) trägt, in denen Schlitze ausgebildet sind, deren Form identisch mit der der in der Schlitzscheibe (22) ausgebildeten Schlitze (22 a, 22 b) ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Kurbelwinkel-Bewegungsabschnitt 10° beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Kurbelwinkel-Bewegungsabschnitt hundert Drehzahlüberwachungsschlitze (22 a) vorgesehen sind.