DE3743066C2

DE3743066C2 -

Info

Publication number: DE3743066C2
Application number: DE3743066A
Authority: DE
Inventors: Matthias 6701 Kallstadt De Weyland
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1990-07-05
Also published as: DE3743066A1; US4898025A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des mittleren Aktionsmomentes einer Verbrennungskraftmaschine mit zyklischer Verbrennung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter Aktionsmoment wird in diesem Zusammenhang die Summe aller Momente, die seitens der Verbrennungskraftmaschine auf die bewegten Massen aufgebracht werden, verstanden. Das Verfahren kann bei allen Verbrennungskraftmaschinen mit zyklischer Verbrennung Anwendung finden.

Aus der DE-OS 27 02 981 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines zeitkontinuierlich gemessenen Ausgangsmomentes an der Motorwelle eines Gleichstrommotors bekannt. Über einen Tachogenerator wird die Winkelgeschwindigkeit des Motors gemessen, dieses Signal differenziert und mit einer Konstanten bewertet, so daß sich ein Beschleunigungsmoment ergibt, das wiederum von einem aus dem Ankerstrom ermittelten Maximalmoment subtrahiert wird. Bei der AT-PS 3 82 482 wird das auf eine Last übertragene Wellendrehmoment dadurch erfaßt, daß zu zwei, von einem Timer fest vorgegebenen Zeiten die Drehzahl ermittelt wird.

Ein Verfahren zur Bestimmung des Drehmomentes einer Verbrennungskraftmaschine ist aus Grohe, "Messen an Verbrennungsmotoren", 1977, Vogel-Verlag, Würzburg, Seiten 20 bis 30, bekannt. Dort wird vorgeschlagen, das Drehmoment mittels einer "Leistungsbremse" oder mittels einer "Dynamometerwelle" zu messen. Die "Leistungsbremse" kann dabei eine elektrische Maschine als Belastungseinrichtung aufweisen (Gleichstrompendelmaschine).

Da eine Verbrennungskraftmaschine je Verbrennungstakt und Zylinder (Arbeitstakt) einen Drehmomentstoß produziert, entstehen typische Drehmomentoberwellen. Die Drehmomentwelligkeit ist winkelperiodisch. Für eine genaue Bestimmung des mittleren Aktionsmomentes ist eine Aufbereitung des gemessenen Drehmomentsignals über Filter zur Unterdrückung der Oberwellen notwendig.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des mittleren Aktionsmomentes einer Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, das ein von Drehmomentoberwellen unbelastetes Drehmomentsignal liefert.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß unter Berücksichtigung der Bauform der Verbrennungskraftmaschine und des hieraus resultierenden Winkelintervalls, in das je eine Drehmomentoberwelle fällt, kurbelwellensynchron der Mittelwert des Momentes im entsprechenden Intervall sofort nach Ablauf des Intervalls bestimmt werden kann. Die Mittelwertbildung erfolgt über ein prozeßabhängiges Winkelintervall anstelle eines festen Zeitintervalls, wie üblich. Es ergibt sich automatisch eine Filterung durch geeignete Wahl der Intervallgrenzen. Durch die kurbelwellensynchrone, digitale Differentiation der Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit (Abtastung des periodischen Prozesses im Abstand eines ganzzahligen Vielfachen der Prozeßperiode) wird die prozeßtypische Oberwelligkeit herausgefiltert. Es ist kein zusätzliches Dynamikglied, wie Tiefpaß oder ähnliches, mit eigenem Einschwingverhalten notwendig. Die Mittelwertbildung erfolgt über das Massenträgheitsmoment der Verbrennungskraftmaschine als "mechanischem" Integrierer.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Anordnung zur Bestimmung des mittleren Aktionsmomentes einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Zeitmessung.

In Fig. 1 ist eine schematische Anordnung zur Bestimmung des mittleren Aktionsmomentes einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gezeigt. Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ist als Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine mit zyklischer Verbrennung angeführt, das Verfahren kann bei anderen Verbrennungskraftmaschinen mit zyklischer Verbrennung, wie z. B. Wankelmotoren, eingesetzt werden. Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine kann z. B. als Reihenmotor, Boxermotor, V-Motor etc. ausgebildet sein.

Es ist eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 1 mit Anlasserzahnkranz 2 zu erkennen. An die Verbrennungskraftmaschine 1 ist über eine Verbindungswelle 3 eine Belastungseinrichtung 4, z. B. eine elektrische Maschine (Gleichstrommaschine) angeschlossen. Am Anlasserzahnkranz 2 ist ein induktiver Zahnkranzaufnehmer 5 angeordnet, der ausgangsseitig pro Zahn des Anlasserzahnkranzes 2 einen elektrischen Impuls A abgibt. Die Verbindungswelle 3 ist mit einem Drehmomentaufnehmer 6 zur Erfassung des Wellendrehmomentes Md versehen.

Zur Bestimmung des Aktionsmomentes der Verbrennungskraftmaschine 1 aus dem Wellendrehmoment Md und den Impulsen A des Zahnkranzaufnehmers 5 ist ein Mikrorechner 7 vorgesehen. Der Mikrorechner 7 enthält zwei digitale Zähler 8 und 9, die eingangsseitig mit den Impulsen A des Zahnkranzaufnehmers 5 beaufschlagt werden. Der digitale Zähler 8 gibt nach N - n Impulsen bzw. der digitale Zähler 9 gibt nach N Impulsen einen ausgangsseitigen Impuls S 8 bzw. S 9 an eine erste Zeitmeßeinrichtung 10 ab. n (Drehzahl-Abtastfensterzähnezahl) ist dabei eine beliebige, vorzugsweise kleine Zähnezahl (z. B. n = 1, 2, 3 . . .). Der Impuls S 9 setzt den Zähler 8 jeweils auf 0 zurück (Reset).

Die erste Zeitmeßschaltung 10 erfaßt die zwischen den Ausgangsimpulsen der digitalen Zähler 8 und 9 verstreichende Zeitspanne τ N (Drehzahl-Abtastfensterzeit) und leitet diese als Divisor einem Dividierer 11 zu. Dem Dividierer 11 liegt der der Zähnezahl n entsprechende Winkel α n des Anlasserzahnkranzes bzw. der Kurbelwelle (Kurbelwellenwinkel) als Dividend an. Der dem Dividierer 11 entnehmbare Quotient ω (k) = α n/ τ N(k) entspricht der Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit ω (k) im Abtastzeitpunkt k und wird einem ansteuerbaren Speicher 12 und einem Subtrahierer 13 mit positivem Vorzeichen zugeleitet (die Abtastzeitpunkte . . . t(k-1), t(k), t(k+1) werden vereinfachend mit . . . k-1, k, k+1 . . . bezeichnet). Der Speicher 12 beaufschlagt den Subtrahierer 13 mit der zum vorangehenden Abtastzeitpunkt k-1 aufgetretenen Winkelgeschwindigkeit ω (k-1). Der Subtrahierer 13 bildet die Winkelgeschwindigkeitsänderung Δω = ω (k)-ω (k-1) und führt diese einem Dividierer 14 als Dividend zu. Als Divisor liegt dem Dividierer 14 die Abtastperiodenzeit τ B an. Die Abtastperiodenzeit τ B wird mittels einer zweiten Zeitmeßschaltung 15 erfaßt (z. B. Zeitspanne zwischen N und 2N), der eingangsseitig die Ausgangsimpulse des digitalen Zählers 9 anliegen. Die Impulse S 9 des Zählers steuern den Speicher 12 an, d. h. der Speicher 12 nimmt jeweils nach Ablauf von t B die aktuell anstehende Winkelgeschwindigkeit ω auf.

Der vom Dividierer 14 gebildete Quotient Δω/τ B (Kurbelwellenwinkelbeschleunigung) wird einem Multiplizierer 16 zugeleitet. Desweiteren liegt dem Multiplizierer 16 das Massenträgheitsmoment I der Verbrennungskraftmaschine 1 eingangsseitig an. Das Produkt Δω · I/τB des Multiplizierers 16 entspricht dem mittleren Beschleunigungsmoment während der vergangenen Abtastperiodenzeit τ B gemäß

(t = Zeit).

Wegen τ B(k) = t(k)-t(k-1) gilt auch

Um das mittlere Aktionsmoment während der vergangenen Abtastperiodenzeit τ B zu erhalten, ist zum mittleren Beschleunigungsmoment das mittlere Wellendrehmoment während der gleichen Abtastperiode gemäß

zu addieren. Das mittlere Wellendrehmoment wird durch einen Integrierer 18 aus Md ermittelt. Die Integrationsgrenzen t(k) und t(k-1) werden dem Integrierer 18 durch die ausgangsseitigen Impulse des Zählers 9 vorgegeben. Zur Bildung des mittleren Aktionsmomentes = + ist ein Addierer 17 vorgesehen.

In Fig. 2 ist ein Impulsdiagramm zur Zeitmessung dargestellt. Es sind die Impulse A des induktiven Zahnkranzaufnehmers 5 sowie die Impulse S 8 und S 9 des Zählers 8 und 9 zu erkennen. Mit N ist die Anzahl der Zähne und damit gleichzeitig die Anzahl der Impulse A pro Berechnungsintervall bezeichnet (Abtastperiodenzähnezahl). Es wird dabei davon ausgegangen, daß eine Verbrennungskraftmaschine mit zyklischer Verbrennung ein natürliches Abtastsystem darstellt, welches je Verbrennungstakt und Zylinder einen Drehmomentstoß produziert, wodurch die typischen Drehmomentoberwellen entstehen. Bei Drehzahlabtastung zu diskreten Kurbelwellenwinkelstellungen werden diese Oberwellen nicht erfaßt, d. h. durch Abtastung des periodischen Prozesses im Abstand eines ganzzahligen Vielfachen der Prozeßperiode wird die prozeßtypische Oberwelligkeit vollständig herausgefiltert. Die Anzahl X der Zähne pro Drehmomentoberwellenperiode wird bei einem Hubkolben-Reihenmotor durch die Beziehung

X = (Z · M)/2 · C)

ermittelt, wobei Z der Anzahl der Zähne auf dem Anlasserzahnkranz entspricht, M die Anzahl der Takte pro Arbeitsspiel bezeichnet und C der Anzahl der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine entspricht. Abtastung und Berechnung erfolgen nach einem ganzzahligen Vielfachen N = z · X, wobei z eine beliebige ganze Zahl ist (z. B. z = 1, 2, 3). Die Berechung des Beschleunigungsmomentes wird demnach jeweils nach einer Anzahl N von Impulsen des Zahnkranzaufnehmers 5 gestartet, die bei einem Hubkolben-Reihenmotor ein ganzzahliges (z) Vielfaches der Zähnezahl Z des Anlasserzahnkranzes 2 multipliziert mit der Anzahl der Takte M je Arbeitsspiel geteilt durch die doppelte Anzahl C der Zylinder ist. Die Abtastung geschieht dadurch zu winkeläquidistanten Punkten, die im zeitlichen Abstand eines ganzzahligen Vielfachen der Drehmomentoberwellenperiode liegen.

Durch die in Fig. 1 gezeigte Verschaltung der beiden digitalen Zähler 8, 9 gelingt es, ohne auf einen Totpunktmarkengeber angewiesen zu sein, sowohl Impulse für die winkeläquidistanten Abtastzeitpunkte N, 2N . . . als auch Impulse N-n, 2N-n . . ., die jeweils um eine Zahl n « N von Zahnimpulsen vor den Abtastimpulsen N, 2N . . . liegen, zu erzeugen.

Die erste Zeitmeßschaltung 10 bestimmt die Zeitspanne τ N(k) zwischen den Impulsen N und N-n . . ., die die Kurbelwelle benötigt, um einen der Zählerzahl n entsprechenden Winkel α n zu überstreichen. Der Dividierer 11 stellt durch den Quotienten α n/t N die mittlere Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit ω (k) der Kurbelwelle während der letzten n Zähne vor dem jeweiligen Abtastzeitpunkt k zur Verfügung. Je kleiner n gewählt wird, desto genauer wird dieser Mittelwert der Winkelgeschwindigkeit dem momentanen Wert zum Abtastzeitpunkt angenähert. Die Winkelgeschwindigkeit ω (k-1) vom vorhergehenden Zyklus ist im Speicher 12 noch gespeichert. Die mit Hilfe des Subtrahierers 13 gebildete Differenz Δω = ω (k) - ω (k-1) gibt an, um wieviel sich die Winkelgeschwindigkeit ω geändert hat. Die Zeit, in der diese Änderung stattgefunden hat, d. h. die Abtastperiodenzeit τ B(k-1), t B(k) . . . wird jeweils von der zweiten Zeitmeßschaltung 15 gebildet. Durch Division der Winkelgeschwindigkeitsdifferenz Δω durch die Abtastperiodenzeit t B ergibt sich ein dem beschleunigenden Moment direkt proportionaler Wert, der zur Berechnung des mittleren Aktionsmomentes während der Abtastperiode noch mit dem Massenträgheitsmoment I der Verbrennungskraftmaschine zu multiplizieren und zum mittleren Wellendrehmoment zu addieren ist, wie aus Fig. 1 zu ersehen.

Die Zeitspanne t N und die Abtastperiodenzeit τ B stehen ohne jede Verzögerung zum Abtastzeitpunkt k für die Berechnung des mittleren Aktionsmomentes während der vergangenen Abtastperiodenzeit τ B zur Verfügung.

Anstelle des erwähnten induktiven Zahnkranzaufnehmers können auch optische (z. B. Lichtschranke), kapazitive, mechanische oder sonstige Aufnehmer eingesetzt werden. Es ist dabei lediglich zu beachten, daß durch den Aufnehmer eine Winkelstellung erfaßt werden kann. Ein Unterbrecher stellt dabei einen geeigneten mechanischen Aufnehmer dar. Bei Einsatz eines optischen, kapazitiven oder mechanischen Aufnehmers können die Zähler 8 und 9 ggf. entfallen und die den "Anfangspunkt" und den "Endpunkt" der Winkelstellung definierenden Impulse können direkt den Zeitmeßschaltungen 10 und 15 zugeleitet werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des mittleren Aktionsmomentes einer Verbrennungskraftmaschine mit zyklischer Verbrennung, wobei die Verbrennungskraftmaschine über eine Verbindungswelle mit einer Belastungseinrichtung verbunden ist und das Wellendrehmoment mittels eines Drehmomentaufnehmers bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtastung der Kurbelwellen-Winkelgeschwindigkeit ( l ) zu Kurbelwellenwinkelstellungen erfolgt, die im Abstand eines ganzzahligen Vielfachen einer Periode des Arbeitsprozesses der Verbrennungskraftmaschine liegen, daß eine Differentiation der Kurbelwellen- Winkelgeschwindigkeit ( ω ) nach der Zeit mittels Differenzbildung aufeinanderfolgender Winkelgeschwindigkeiten ( Δω (k) = ω (k) - ω (k-1)) und Zeitmessung der Abtastperiode ( τ B) erfolgt, daß aus der so ermittelten Kurbelwellenwinkelbeschleunigung ( Δω/τ B) durch Multiplikation mit dem Massenträgheitsmoment (I) der Verbrennungskraftmaschine (1) das mittlere Beschleunigungsmoment im Abtastintervall gebildet wird und daß das mittlere Beschleunigungsmoment mit dem über das Abtastintervall ermittelten Wellendrehmoment zum mittleren Aktionsmoment im Abtastintervall addiert wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Beschleunigungsmoment () auch das ermittelte Wellendrehmoment (Md) über die Abtastperiode ( τ B) integriert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung der Kurbelwellen- Winkelgeschwindigkeit ( ω ) ein induktiver Zahnkranzaufnehmer (5) herangezogen wird, der pro Zahl des Anlasserzahnkranzes (2) einen elektrischen Impuls (A) abgibt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Winkelstellung erfassender optischer Aufnehmer herangezogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Winkelstellung erfassender kapazitiver Aufnehmer herangezogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Winkelstellung erfassender mechanischer Aufnehmer herangezogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Beschleunigungsmomentes () jeweils nach einer Zahl (N) von Impulsen (A) des Zahnkranzaufnehmers (5) startet, die bei einem Hubkolben-Reihenmotor ein ganzzahliges (z) Vielfaches der Zähnezahl (Z) des Anlasserzahnkranzes multipliziert mit der Anzahl der Takte je Arbeitsspiel (M) geteilt durch die doppelte Anzahl der Zylinder (C) ist.