DE3505210A1

DE3505210A1 - Messeinrichtung zur indirekten messung des zeitlichen druckverlaufs in zylindern von verbrennungskraftmaschinen unter verwendung von beschleunigungsaufnehmern

Info

Publication number: DE3505210A1
Application number: DE19853505210
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. 3160 Lehrte Janssen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-02-15
Filing date: 1985-02-15
Publication date: 1986-08-21

Description

Beschreibung
Meeinrichtung zur indirekten Messung des zeitlichen Druckverlaufs in Zylindern von Verbrennuagskraftmaschinen unter Verwendung von Be sc1i1nzifnehmern Meßeinrichtung zur indirekten Messung des zeitlichen Druckverlaufs in Zylindern von Verbrennungskraftmaschinen unter Verwendung von Beschleunigungsaufnehmern.
Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Bestimmung des Druckes in Zylindern von Verbrennungskraftmaschinen. Die Messung dieses Druckes ist von Bedeutung für die überwachung, die Steuerung und die Regelung von Verbrennungskraftmaschinen.
Es ist bekannt, den zeitlichen Druckverlauf in Zylindern mittels Piezosensoren, magnetostriktiven Sensoren oder mechanischen Meßgeräten zu messen und zu registrieren. Diese direkten Meßverfahren sind für den Langzeiteinsatz ungeeignet, da die hohen Temperaturen und die starken Druckstöße die Sensoren in kurzer Zeit zerstören. Bei Schwerölbetrieb von Dieselmotoren ist außerdem mit starker Verschmutzung der Verbindungskanäle zwischen Brennraum und Sensor zu rechnen.
Es sind ferner indirekte Meßverfahren bekannt, mit denen durch Messung auf den Aussenflächen des Motors auf den Druckverlauf geschlossen werden kann. Bei Ottomotoren wird auf diese Weise eine Regelung des Zündzeitpunktes an der Klopfgrenze vorgenommen.
Nach einem anderen Vorschlag (L.1) wird der Verlauf der Beschleunigung an einem Punkt der Motoroberfläche gemessen und registriert und durch Fourieranalyse die Amplitude und Phase der periodischen Anteile des Signals berechnet. Als Referenz für die Phasenlage wird dabei die Winkelstellung der Kurbelwelle benutzt. Ferner wird der Motor als linearer Übertrager zwischen dem Druck in den Zylindern und der Beschleunigung betrachtet und die Übertragungsfunktion berechnet.
In vorgegebenen Betriebszuständen werden einmal, z.B. bei der Inbetriebnahme des Motors, die Druckverläufe in den Zylindern des Motors mittels Drucksensoren gemessen und registriert. Die Druckaufnehmer werden dabei nur zum Zweck der einmaligen Druckmessung installiert und dann wieder abgebaut. Der Verlauf des registrierten Druck - und Beschleunigungssignals wird durch Analyse im Frequenzbereich zur Bestimmung der Übertagungsfunktion verwendet. Unter der bei diesem Verfahren notwendigen Voraussetzung der Linearität des Sytems ist die so bestimmte Übertragungsfunktion, insbesondere deren Koeffizienten, unabhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment des Motors, sodaß bei allen Betriebszuständen der Zylinderdruck berechnet werden kann. Dieser Vorschlag beruht also auf dem Verfahren der Systemidentifikation, das auf die Physik des Systems und dessen mechanische Eigenschafen keine Rücksicht nehmen kann. Die Abweichungen zwischen tatsächlichem und dem nach diesem Verfahren berechnetem Zylinderdruck sind erheblich, unter anderem deshalb, weil im gemessenen Beschleunigungssignal erhebliche Anteile enthalten sind, die ihre Ursache nicht in den Gaskräften haben, sondern zum Beispiel aus Beschleunigungskräften der bewegten Teile des Motors oder aus Schwingungen der Fundamentierung des Motors entstehen. Außerdem ist die Kopplung des Systems zwischen vom Sensor weit entfernten Zylindern und dem Beschleunigungsaufnehmern relativ klein, sodaß die Genauigkeit in diesen Fällen nicht gut sein kann.
Um die beschriebenen Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen auf jedem der Zylinderköpfe einen Aufnehmer zur Messung der Beschleunigung in Richtung der Zylinderachse anzuordnen und in der Auswerteeinrichtung mit elektronischen Mitteln ein Modell aus Elastizitäten, Dämpfungen und Massen von Zylinderkopf, Zylinderbuchse und Gestell zu bilden. Dieses Modell ist so strukturiert, daß die Beschleunigung der Modellmasse des Zylinderkopfes durch die Messung vorgegeben ist und daß das Ausgangssignal des Modells proportional den Gaskräften im Zylinder ist.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß man einen außerhalb des Verbrennugsraumes befindlichen, einfachen und robusten Sensor verwenden kann, um den für die Beurteilung des Zustandes einer Verbrennungskraftmaschine wichtigen zeitlichen Druckverlauf im Zylinder zu bestimmen.
Im Vergleich mit den anderen bekannten indirekten Messverfahren ist ferner vorteilhaft, daß durch die Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften mit Hilfe des Modells von Zylinderkopf, Zylinderbuchse und Motorgestell die entweder nicht druckabhängigen oder nicht in Richtung der Zylinderachse wirkenden Komponenten des Bechleunigungssignals die Berechnung des Zylinderdruckes nicht verfälschen.
Durch Anordnung eines Beschleunigungsaufnehmers auf jedem Zylinderkopf ist die erforderliche enge Kopplung von Meßsignal und erregendem Signal (Zylinderdruck) gegeben.
Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Bilder erläutert.
Fig. 1 zeigt vereinfacht Zylinderkopf 1.1, Zylinderbuchse 1.2 und Motorgestell 1.3 mit den dem Zylinderdruck proportionalen Kräften 1.4 und dem Beschleunigungsaufnehmer 1.5 in Richtung der Zylinderachse.
Fig. 2 zeigt beispielhaft ein mögliches mechanisches Ersatzschaltbild mit den Ersatzmassen 2.1 und 2.2 für den Zylinderkopf und die Laufbuchse. Ferner sind die Ersatzsteifigkeiten von Zylinderkopf 2.3 und Zugankern 2.4 und deren Dämpfungen 2.5 und 2.6 dargestellt. Die Feder und Dämpfersysteme 2.7 und 2.8 bilden die Kopplung des untersuchten Zylinders mit den Nachbarzyl indern.
Dabei wird bei diesem Modell vorausgesetzt, daß die Massen von Motorgestell und Fundamentierung so groß sind, daß deren Bewegungen unter dem Einfluß der Gaskräfte vernachlässigbar klein bleiben. Bei anderen Motorkonstruktionen kann diese Bedingung nicht erfüllt sein, dann werden diese Massen und die zugehörigen Elastizitäten im Modell berücksichtigt, sodaß sich dann ein Drei- und Mehrmassenschwinger ergibt.
Es ist andererseits auch möglich, daß die Steifigkeit 2.3 wesentlich größer ist als die Steifigkeit 2.4. Dann ist als Modell ein Einmassenschwinger anwendbar.
Fig. 3 zeigt das Strukturbild zur mathematischen Beschreibung des Modelles nach Fig. 2.
Fig. 4 zeigt die gesamte Anlage. Dabei ist 4.1 der Beschleunigungsaufnehmer eines Zylinders, 4.2 der zugehörige Vorverstärker mit Bandbreite, 4.3 der Eingangsmultiplexer, der die Signale der verschiedenen Zylinder auf den Analogdigitalwandler 4.4 umschaltet. 4.5 ist ein Positionssensor, der ein Referenzsignal für die Winkelstellung der Steuerwelle liefert.
4.6 ist ein Digitalrechner, der das zum Strukturbild Fig.3 gehörende Programm bearbeitet und die jedem Zylinder zugeordneten Sensoren sequentiell abfragt. Außerdem ist im Programm des Rechners ein Filteralgorithmus enthalten, der das Beschleunigungssignal im Bereich des oberen Totpunktes höher gewichtet als in den übrigen Bereichen des Arbeitstaktes und / oder durch Filter in den Beschleunigungssignalkanälen nur die Signalteile, die periodisch mit der Umdrehungsfrequenz oder Vielfachen davon sind bei der Auswertung berücksichtigt werden.
Die berechnete Druckverläufe werden dann ausgegeben, Fig.4.8, und / oder vom gleichen Rechner auf Störungen im Motor untersucht. Dem Digitalrechner ist ein Speicher 4.7 für die Messwerte eines oder mehrerer Arbeitsspiele zugeordnet. Durch Mittelung mehrer aufeinanderfolgender Arbeitsspiele wird eine Elimination von von nicht drehfrequenten Beschleunigungen erreicht.
Einzelne Baugruppen der Anordnung nach Figur 4 können auch als Analogrechnerkomponenten ausgeführt werden. Um eine schnellere Durchführung der Druckberechnung zu erreichen kann es vorteilhaft sein, Kombinationen der Verfahren anzuwenden.
In vielen Fällen, zum Beispiel beim Einsatz des Verfahrens zur Motorüberwachung, ist es nicht erforderlich die Druckberechnung während eines Arbeitsspieles für jeden Zylinder durchzuführen.
Es kann dann vorteilhaft sein, die Mittelwerte aus den gemessenen und gespeicherten Beschleunigungssignalen für mehrere Arbeitsspiele zu bilden und diese dann zur Berechnung des Druckverlaufes zu verwenden. Dadurch ist beim annähernd konstanten Betrieb des Motors sichergestellt, daß die Ergebnisse den mittleren Motorzustand während der Meßzeit repräsentieren.
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Claims

Ansprüche Anspruch 1: Meßeinrichtung zur indirekten Messung des zeitlichen Druckverlaufs in Zylindern von Verbrennungskraftmaschinen unter Verwendung von Beschleunigungsaufnehmern, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem der Zylinderköpfe ein Aufnehmer zur Messung der Beschleunigung in Richtung der Zylinderachse angeordnet wird und das in der Auswerteeinrichtung mit elektronischen Mitteln ein Modell aus den Elastizitäten, Dämpfungen und Massen von Zylinderbuchse, Zylinderkopf und Motorgestell gebildet wird, wobei das Modell so strukturiert ist, daß die Beschleunigung der Modellmasse durch das Meßsignal vorgegeben ist und daß das Ausgangssignal des Modells proportional den Gaskräften im zugehörigen Zylinder ist.

Anspruch 2: Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Modell die Struktur eines Zweimassenschwingers verwendet wird.

Anspruch 3: Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschleunigungssignal im Bereich des oberen Totpunktes höher gewichtet wird als in den übrigen Bereichen des Arbeitstaktes Anspruch 4: Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Filter in den Beschleunigungssignalkanälen nur die Signalteile, die periodisch mit der Umdrehungsfrequenz oder Vielfachen davon sind, der Auswerteeinrichtung zugeführt werden.

Anspruch 5: Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Modells bei der Inbetriebnahme der Verbrennungskraftmaschine ermittelt und in der Meßeinrichtung gespeichert werden.