DE4040648C2

DE4040648C2 - Verfahren zur prüfstandslosen Ermittlung technischer Kennwerte von Verbrennungsmotoren und deren Einzelzylindern

Info

Publication number: DE4040648C2
Application number: DE4040648A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Ing Nobis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-12-19
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: DE4040648A1; DE59108776D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur prüfstandslosen Ermittlung technischer Kennwerte von Verbrennungmotoren und deren Einzelzylindern gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Sie ermöglicht es einerseits den Motorenherstellern, mit minimalem Aufwand die Qualität von Verbrennungsmotoren im Herstellungsprozeß in wichtigen Parametern sowohl im geschleppten als auch im gefeuerten Betrieb zu prüfen und andererseits im Servicebereich und im Rahmen der technischen Überwachung den technischen Zustand von in Nutzung befindlichen Motoren auf einfache und schnelle Weise zu prüfen. Das Verfahren ermöglicht sowohl die umfassende Ermittlung von Kennwerten für den Gesamtmotor als auch von Kennwerten für die einzelnen Zylinder und den Drehzahlregler durch Analyse sekundenschneller Prüfläufe des betriebswarmen Motors. Die Lokalisierung von Fehlerursachen in der Motormechanik, der Kraftstoffzumessung und der Drehzahlregelung wird damit sehr wesentlich unterstützt.

Es sind bereits Verfahren bekannt, bei denen das Drehmoment und die Nennleistung eines Verbrennungmotors indirekt aus der zeitlichen Veränderung kontinuierlich ermittelter Umlaufzeiten, Teilumlaufzeiten oder Winkelgeschwindigkeiten der Kurbelwelle bestimmt werden (DE 34 01 020 A1 und DD 2 44 638 A1).

Charakteristisch für beide Verfahren ist die kontinuierliche Erfassung von Umlaufzeiten, Teilumlaufzeiten oder Winkelgeschwindigkeiten innerhalb gleichgroßer, unmittelbar aufeinanderfolgender Kurbelwinkelintervalle.

Die Bestimmung von Einzelzylinderkennwerten ist hier an den Einsatz eines hochauflösenden, präzisen Winkelmarkengebers gebunden.

Die Verfahren gelangen sowohl bei Leerlaufdrehzahl des Motors als auch während der schlagartigen Beschleunigung gegen das Trägheitsmoment der beschleunigten Bauteile bis zu einer maximalen Drehzahl und der sich nach Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr anschließenden Auslaufphase zur Anwendung.

Weiter ist ein Verfahren bekannt, bei dem die relative Leistungsverteilung auf die einzelnen Zylinder eines Verbrennungsmotors bestimmt wird (US 4 064 747).

Dieses Verfahren beruht auf der Ermittlung von Teilumlaufzeiten der Kurbelwelle für jeweils ein Winkelsegment eines Motorbauteils, wobei innerhalb des Arbeitstaktes jedes Zylinders zwei Winkelsegmente definiert sind, für die Teilumlaufzeiten mittels Zähler erfaßt werden. Die Differenz der Zählerstände innerhalb des Arbeitstaktes stellt ein Maß für die Beschleunigung während des Arbeitstaktes des jeweiligen Zylinders dar. Mit der Bestimmung der Relation dieser zylinderbezogenen Werte zueinander wird zugleich die relative Leistungsverteilung auf die einzelnen Zylinder des Verbrennungsmotors analysiert.

Schließlich ist noch ein Verfahren bekannt, mit dem an fremdangetriebenen 4-Takt-Verbrennungsmotoren die relative Kompression der Einzelzylinder beurteilt werden kann (DE 33 16 484 C2).

Mit einer geeigneten Vorrichtung wird zum einen für jeden Zahn des Anlasserzahnrades die Winkelgeschwindigkeit erfaßt. Zum anderen werden für jeden Zylinder zwei Zeitfenster vorgegeben; in dem einen weist die Winkelgeschwindigkeit eine fallende und in dem anderen eine steigende Tendenz auf. Während der Prüfung werden in dem ersten Fenster die abfallenden und in dem zweiten Fenster die ansteigenden Momentanwerte der Winkelgeschwindigkeit aufsummiert. Der Mittelwert aus beiden Werten stellt im Vergleich zu den Mittelwerten der anderen Zylinder ein Maß für die relative Kompression des jeweiligen Zylinders dar.

Aus diesen Darlegungen geht hervor, daß die bisher bekannten Verfahren entweder

- sehr aufwendig und damit für die Werkstatt oder für den Einsatz im Kraftfahrzeug nicht geeignet sind,
- eine Datenanalyse zur Ermittlung der technischen Kennwerte des Motors und der Einzelzylinder erst nach Abschluß der Datenerfassung zulassen,
- keine einheitliche Lösung für den Gesamtmotor und für die Einzelzylinder bieten,
- keinen exakten Winkelbezug zu den während des Arbeitszyklus ablaufenden Prozesse herstellen oder
- aufgrund von Vereinfachungen zu ungenau sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäßen Verfahren so weiterzuentwickeln, daß zum einen in einer weiterhin kurzen Prüfzeit eine noch umfassendere Motordiagnose durch Bestimmen einer wesentlich größeren Anzahl technischer Kennwerte sowohl für den Gesamtmotor als auch für die Einzelzylinder und zusätzlich für den Drehzahlregler ermöglicht wird, trotz wesentlicher Vereinfachung des Verfahrens, und daß zum anderen die Möglichkeit geschaffen wird, die drehmoment- bzw. leistungsproportionale Winkelbeschleunigung der Einzelzylinder und des Gesamtmotors während des Motorlaufes echtzeitmäßig zu erfassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungswesentlich an dem beanspruchten Verfahren ist zum einen, daß aus einer unterbrochenen Folge von in festgelegten Kurbelwinkelbereichen ermittelten Umlauf- oder Teilumlaufzeiten der Kurbelwelle, die sich in der Periodizität des Arbeitszyklus des Motors wiederholt, der Drehzahlverlauf als Funktion des Kurbelwinkels sowie der Verlauf von dynamischem Drehmoment und dynamisch ermittelter effektiver Leistung des Motors als Funktion der Drehzahl dargestellt und Kennzahlen für das maximale Drehmoment, die Nennleistung und den mechanischen Wirkungsgrad des Motors sowie für die Funktion des Drehzahlreglers ermittelt werden. Zum anderen wird aus einer unterbrochenen Folge von in definierten Kurbelwinkelbereichen ermittelten Teilumlaufzeiten, die sich in der Periodizität des Arbeitszyklus des Motors wiederholt, die Veränderung der Momentanwinkelgeschwindigkeit innerhalb charakteristischer Phasen des Arbeitsprozesses als Funktion des Kurbelwinkels bestimmt. Daraus werden relative Kennzahlen für den Vergleich der Funktion der Einzelzylinder bestimmt, die primär die Einzelzylinderleistung, den Wirkungsgrad des Einzelzylinders sowie die Zylinderdichtheit und die Kompression des Einzelzylinders umfassen.

Weiterhin werden die für Ermittlung von Teilumlaufzeiten definierten Kurbelwinkelbereiche erfindungsgemäß aus einer gleichmäßigen Winkelteilung eines fest auf der Kurbelwelle montierten oder von ihr angetriebenen Bauteiles gewonnen, wobei durch Zusammenfassen mehrerer Winkelsegmente zu einem Kurbelwinkelbereich der negativen Wirkung von Teilungsfehlern auf die Genauigkeit der Ergebnisse wirkungsvoll begegnet wird.

Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen zum einen in der Möglichkeit, die Winkelteilung eines ohnehin am Motor vorhandenen Bauteiles, wie zum Beispiel des Anlasserzahnkranzes, zu benutzen, obwohl bestimmte Teilungsfehler vorhanden sind. Der Aufwand zur Durchführung des Verfahrens ist damit vergleichsweise sehr gering. Zum anderen wird der erforderliche Speicherplatz zum Abspeichern eines kompletten Ablaufes der Vollastbeschleunigung mit anschließender Auslaufphase und damit gleichzeitig die Zeit für die Datenanalyse minimiert. Weiterhin ist hervorzuheben, daß durch den konsequenten Bezug der Umlauf- und Teilumlaufzeiten auf den Arbeitszyklus und vorbestimmte Kurbelwinkelbereiche die Voraussetzung für eine einfache programmtechnische Auswertung und Berechnung der Kennwerte gegeben ist.

Zusätzlich ermöglicht die erfindungsgemäße unterbrochene Erfassung von Umlauf- bzw. Teilumlaufzeiten die parallele Erfassung zusätzlicher Meßgrößen oder die Berechnung von Drehzahl, Drehmoment, Arbeit und Leistung bzw. der dazu proportionalen Größen Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung in den dazwischen liegenden Zeiträumen und damit in Echtzeit.

Nachfolgende Ausführungen sollen das Verständnis der Erfindung und der verwendeten formelmäßigen Beziehungen erleichtern. Ganz allgemein beruht die Erfindung auf den an sich bekannten Tatsachen, daß zum einen die Drehbewegung der Kurbelwelle aufgrund der zyklischen Arbeitsweise von Kolbenmaschinen unter der Wirkung von Gas- und Massenkräften ungleichförmig verläuft und diese Prozesse sich periodisch mit dem Arbeitszyklus wiederholen, und daß zum anderen die Winkelbeschleunigung proportional zur Änderung der Winkelgeschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Drehwinkels, zur dabei verrichteten Arbeit und zur dabei eingetretenen Änderung der kinetischen Energie ist.

Grundsätzlich gelten die allgemeinen Beziehungen

Dabei bedeuten
M Drehmoment
W Arbeit
P Leistung
Θ Trägheitsmoment der beschleunigten Massen
ϕ Drehwinkel
Winkelgeschwindigkeit
Winkelbeschleunigung

Unter der Voraussetzung, daß das Trägheitsmoment integriert über eine Kurbelwellenumdrehung konstant ist, und daß bei vergleichender Betrachtung gleichartigen Kurbelwinkelbereiche sowohl der Drehwinkel als auch das Trägheitsmoment konstant sind, können aus der kinematischen Analyse heraus proportionale Kenngrößen für Drehmoment, Arbeit und Leistung gewonnen werden.

Allgemein gelten:

Unter Beachtung einer gegebenen Winkelauflösung gelten folgende Beziehungen:

mit
Kurbelwinkelbereich, in dem die Zeiterfassung erfolgt,
x_O Anzahl der Winkelsegmente der Kurbelwinkelteilung
x_m Anzahl der Winkelsegmente, über die die Umlauf- oder Teilumlaufzeit ermittelt wird

mit
Δt ermittelte Umlauf- oder Teilumlaufzeit

mit
Kurbelwinkelbereich, in dem die Winkelgeschwindigkeitsänderung analysiert wirdΔ- Winkelgeschwindigkeitsänderung im Kurbelwinkelbereich
mittlere Winkelgeschwindigkeit im Kurbelwinkelbereich

mit
x_i Anzahl der Winkelsegmente vom festen Winkel im Arbeitszyklus bis zum Start der Zeiterfassung am Anfang des Kurbelwinkelbereiches
x_i+p Anzahl der Winkelsegmente vom festen Winkel im Arbeitszyklus bis zum Start der Zeiterfassung am Ende des Kurbelwinkelbereiches p Anzahl der Winkelsegmente, die der Breite des Kurbelwinkelbereiches entspricht
woraus Gleichtung (11) folgt:

mit
_i Winkelbeschleunigung im i-ten Kurbelwinkelbereich
t_i,1 Umlauf- oder Teilumlaufzeit am Anfang des i-ten Kurbelwinkelbereiches
t_i,2 Umlauf- oder Teilumlaufzeit am Ende des i-ten Kurbelwinkelbereiches

Diese Gleichung gilt allgemein, unabhängig davon, ob der Gesamtmotor bzw. ein vollständiger Arbeitszyklus oder die Einzelzylinder bzw. einzelne Kurbelwinkelbereiche betrachtet werden.

Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens ist es zweckmäßig, den betriebswarmen Motor in unterschiedlichen Betriebsarten zu prüfen, wie es in Anspruch 2 dargelegt ist. Je nach Betriebsart erhält man unterschiedliche Kennwerte für den Motor, seine Einzelzylinder und auch für den Drehzahlregler.

Wie durch Anwendung des Verfahrens die Kennwerte maximales Drehmoment, Nennleistung und mechanischer Wirkungsgrad des Verbrennungmotors sowie der Verlauf des dynamischen Drehmomentes und der dynamisch ermittelten effektiven Leistung des Motors als Funktion der Drehzahl ermittelt werden, ist in den Ansprüchen 4 und 5 ausführlich geschildert. Das gleiche trifft auf die Ermittlung der Kennwerte für den Drehzahlregler gemäß Anspruch 6 zu.

Voraussetzung für die Bestimmung von Kennwerten für die Einzelzylinder eines Motors ist die Festlegung von Anzahl und Anordnung der Kurbelwinkelabschnitte innerhalb eines Arbeitszyklus, in denen Teilumlaufzeiten zu ermitteln sind. Hierbei ist die Kenntnis des Verlaufes der resultierenden Tangentialkraft von Vorteil, weil sie proportional zu der für die Kennwertbestimmung erforderlichen Winkelbeschleunigung ist, wie Gleichung (14) zeigt. Es gelten folgende Beziehungen:

mit
resultierende Tangentialkraft
r Kurbelradius

Durch Analyse der Winkelbeschleunigung in ausgewählten Kurbelwinkelbereichen, in denen die Gaskräfte einen dominierenden Einfluß auf die Änderung der kinetischen Energie der Kurbelwelle ausüben, erhält man Kennwerte, die bestimmten Merkmalen der Einzelzylinder proportional sind. Die Winkelbeschleunigung wird hierbei gemäß Gleichung (9) und (11) aus jeweils zwei Teilumlaufzeiten am Anfang und am Ende jedes Kurbelwinkelbereiches ermittelt.

Nachfolgende Auflistung stellt die Zusammenhänge der Einfachheit halber nur für den ersten Zylinder, der unmittelbar auf den Bezugswinkel folgt, und nur für einen Arbeitszyklus dar. Zur Verdeutlichung der Verhältnisse wird hierbei auf die in Fig. 1 dargestellten Kurbelwinkelbereiche Bezug genommen.

In der Auflistung werden folgende Abkürzungen verwendet:

i-te TUZ: i-te Teilumlaufzeit, deren Erfassung bei x_i gestartet wurde
18. TUZ: TUZ im Kompressionstakt vor dem OT des 1. Zylinders
1. TUZ: TUZ im Bereich des OT des 1. Zylinders
2. TUZ: TUZ im Expansionstakt nach dem OT des 1. Zylinders
3. TUZ: TUZ im Kompressionstakt vor dem OT des 5. Zylinders
_{(i, j)B}: Winkelbeschleunigung des Einzelzylinders im betrachteten Arbeitszyklus mit
i Nummer der TUZ am Anfang des betrachteten Kurbelwinkelbereiches, in dem die Winkelbeschleunigung analysiert wird
j Nummer der TUZ am Ende des betrachteten Kurbelwinkelbereiches, in dem die Winkelbeschleunigung analysiert wird
B Betriebsart entsprechend der Teilüberschrift in der linken Spalte

Darüberhinaus ist es möglich, durch Zusammenfassen dieser ermittelten Winkelbeschleunigungswerte weitere Merkmale zu beschreiben.

Das ist zum einen die Zylinderdichtheit, die aus der Summe der Expansionsarbeit und dem Betrag der Kompressionsarbeit zu bilden ist. Betrachtet man wieder nur den ersten Zylinder und einen Arbeitszyklus, so gilt

für die Analyse in der Auslaufphase:

_{(Z) 5} = | _{(18, 1) 5} | + _{(1, 2) 5} (15)

und für Anlaßvorgang gilt

_{(Z) A} = | _{(18, 1) A} | + _{(1, 2) A} (16)

Zum anderen betrifft das den mechanischen Wirkungsgrad, der aus der Expansionsarbeit oder aus Expansions- und Kompressionsarbeit unter der Voraussetzung gleicher Drehzahlbereiche bei der Ermittlung in der Beschleunigungs- und Auslaufphase nach folgender Beziehung gebildet wird

In dieser Gleichung werden zylinderbezogene Mittelwerte verwendet, die über eine bestimmte Anzahl von Arbeitszyklen hinweg gebildet werden.

Für den Vergleich der Einzelzylinder ist es allgemein zweckmäßig, für die vorgenannten Kenngrößen über eine bestimmte Anzahl von Arbeitszyklen zylinderbezogene Mittelwerte und mit diesen Mittelwerten relative Einzelzylinderkennwerte zu bilden.

Somit erhält man eine große Breite von Einzelzylinderkennwerten, von denen die

relative Einzelzylinderarbeit (relative Einzelzylinderleistung),
relativer Wirkungsgrad und
relative Zylinderdichtheit

für die Praxis besondere Bedeutung besitzen.

Nach diesen Erläuterungen werden zwei Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Verlauf der resultierenden Tangentialkraft bzw. der Winkelbeschleunigung eines 6-Zylinder-Dieselmotors als Funktion des Kurbelwinkels bei Vollast,

Fig. 2 Verlauf der Winkelgeschwindigkeit eines 6-Zylinder-Dieselmotors als Funktion des Kurbelwinkels im ersten Bereich der Vollastbeschleunigung,

Fig. 3 Verlauf der Winkelbeschleunigung eines 4-Zylinder-Dieselmotors als Funktion der Motordrehzahl und

Fig. 4 Kurbelwellendrehzahl als Funktion des Kurbelwinkels im Abregelbereich des Drehzahlreglers.

Im ersten Ausführungsbeispiel sollen für einen 6-Zylinder-Dieselmotor die Erfassung der Teilumlauf- und Umlaufzeiten, der Ablauf eines sekundenschnellen Prüflaufes sowie die daraus ermittelten Kennwerte für den Gesamtmotor, die Einzelzylinder und den Drehzahlregler dargestellt werden.

Als erstes gilt es, die Kurbelwinkelbereiche zu definieren, in denen die Erfassung von jeweils drei Teilumlaufzeiten je Zylinder innerhalb eines Arbeityzklus erfolgen soll. Ausgehend von einer Zähnezahl des Anlasserzahnkranzes von X_o=162, einer für die Ermittlung der Teilumlaufzeit günstigen Anzahl von Winkelsegmenten bzw. Zähnen von X_m=10 und der festen Bezugswinkelmarke bei 20° KW vor OT des Zylinders 1 wurden die X_i-Werte anhand des resultierenden Tangentialkraftverlaufes bei vorgegebener Drehzahl festgelegt. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt dieses Tangentialkraftverlaufes. In den schraffierten Kurbelwinkelbereichen erfolgt die Erfassung der Teilumlaufzeiten. Die entsprechenden Werte für X_i sind für diesen Ausschnitt aus dem Arbeitszyklus mit angegeben, ebenso die feste Bezugswinkelmarke im Arbeitszyklus (AZ).

Fig. 2 zeigt, wie in dieser Weise bei Zylinder 1 und dem nachfolgenden Zylinder 5 im ersten Bereich der Vollastbeschleunigung die Winkelgeschwindigkeit in den festgelegten Kurbelwinkelbereichen zylinderbezogen erfaßt wird. Der im auszuwertenden Kurbelwinkelbereich (X_i+p-X_i) ermittelte Anstieg im Winkelgeschwindigkeitsverlauf entspricht der in diesem Bereich wirkenden mittleren Winkelbeschleunigung.

Vor der Durchführung des Prüflaufes wird eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung mit dem im Fahrzeug eingebauten Motor verbunden.

Diese Vorrichtung weist Mittel zur Erfassung der Umlauf- und Teilumlaufzeiten der Kurbelwelle, Mittel zur Zuordnung der erfaßten Teilumlaufzeiten zu den einzelnen Zylindern, einen Rechner mit Speicher sowie Mittel zur Darstellung der Prüfergebnisse und zur Bedienung der Vorrichtung auf.

In der Vorrichtung sind die für die Zeiterfassung am konkreten Motor erforderlichen Parameter x₀, x_m und x_i sowie die für das Umschalten von der Erfassung von Teilumlaufzeiten auf die Erfassung von Umlaufzeiten und zurück geltenden Umschaltkriterien gespeichert.

Zusätzlich sind für den konkreten Motor die Werte für Θ, K_M, K_P und n_{Md (max)} sowie die allgemeinen Vorschriften zur Berechnung der Kennwerte für den Gesamtmotor, den Drehzahlregler und die Einzelzylinder sowie zur Darstellung von Kennwerten als Funktion der Motordrehzahl und des Kurbelwinkels gespeichert.

Nach Auswahl des Motortyps und der Betriebsart- Vollastbeschleunigung mit anschließender Auslaufphase wird der betriebswarme Motor gestartet und eine festgelegte Leerlaufdrehzahl als Startdrehzahl eingstellt. Läuft der Motor stabil in dieser Drehzahl, wird die Vollastbeschleunigung durch schlagartiges Betätigen des Gaspedals ausgelöst wird. Nach Überschreiten einer festgelegten Winkelgeschwindigkeit oberhalb der Startwinkelgeschwindigkeit beginnt das Erfassen der Teilumlaufzeiten. Nach Vollendung von vier vollständigen Arbeitszyklen wird die Erfassung der Teilumlaufzeiten beendet und auf die Erfassung von Umlaufzeiten umgeschaltet. Nach Erreichen der Maximaldrehzahl wird der Motor kurze Zeit, zirka eine bis zwei Sekunden, in dieser Drehzahl betrieben und danach durch schlagartiges Zurücknehmen des Gaspedals die Kraftstoffzufuhr unterbrochen und damit die Auslaufphase eingeleitet. Die Erfassung von Umlaufzeiten wird solange ununterbrochen weitergeführt, bis eine vorher festgelegte Drehzahl unterhalb der Drehzahl bei maximalem Drehmoment n_Mmax unterschritten wird. Mit Beginn des auf dieses Ereignis folgenden Arbeitszyklus werden wieder Teilumlaufzeiten erfaßt und nach Unterschreiten einer weiteren Winkelgeschwindigkeitsgrenze wieder auf die Erfassung von Umlaufzeiten umgeschaltet. Die Auslaufphase wird nach dem Zuschalten der Kraftstoffzufuhr durch den Drehzahlregler beendet. Nachdem der Motor zirka fünf bis sieben Sekunden in der Leerlaufdrehzahl gelaufen ist, wird er abgeschaltet. Die Erfassung der Umlaufzeiten wird entweder nach Unterschreiten einer Drehzahl unterhalb der Leerlaufdrehzahl oder einer begrenzten Anzahl von Arbeitszyklen in der Leerlaufdrehzahl beendet.

Durch Anwendung der beschriebenen Berechnungsverfahren können mit den erfaßten Umlauf- und Teilumlaufzeiten die Kennwerte und die Funktionsverläufe für den Prüflauf bestimmt werden. Zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den gesamten Prüfablauf drei- bis fünfmal zu wiederholen und die Kennwerte und Funktionsverläufe zu mitteln.

Nach einigen nur wenige Sekunden dauernden Prüfläufen steht eine Vielzahl von Kennwerten für eine umfassende Bewertung des technischen Zustandes des Motors, seiner Einzelzylinder und des Drehzahlreglers zur Verfügung. Im einzelnen sind dies:

für den Gesamtmotor:
maximales Drehmoment
Nennleistung
mechanischer Wirkungsgrad
dynamisches Drehmoment als Funktion der Drehzahl
dynamisch ermittelte effektive Leistung als Funktion der Drehzahl

für die Einzelzylinder:
relative Einzelzylinderschaltung
relativer mechanischer Wirkungsgrad
relative Zylinderdichtheit

für den Drehzahlregler:
Leerlaufdrehzahl
maximale Regelabweichung bei Leerlaufdrehzahl
Abregelbereich
Maximaldrehzahl
maximale Regelabweichung bei Maximaldrehzahl
Drehzahl als Funktion des Kurbelwinkels

Im zweiten Ausführungsbeispiel wird an einem 4-Zylinder-4-Takt-Dieselmotor die Anwendung des vereinfachten Verfahrens nach Anspruch 7 dargestellt.

Dabei wird auf die Einzelzylinderanalyse verzichtet, so daß es ausreicht, die Umlaufzeiten der Kurbelwelle mit dem Referenzwinkelsignal von der Kurbelwelle, z. B. mit dem OT-Signal, zu ermitteln.

Damit werden einerseits die Anzahl der Winkelsegmente der Kurbelwinkelteilung x₀=1 und die Anzahl der Winkelsegmente, über die die Umlaufzeiten ermittelt werden, x_m=1, infolgedessen sich für die Berechnung der Winkelbeschleunigung Vereinfachungen gemäß Anspruch 7 ergeben.

Andererseits kann hier eine vereinfachte Vorrichtung verwendet werden. Die Vereinfachung bezieht sich dabei auf den Wegfall der Mittel zur Erfassung der Teilumlaufzeiten der Kurbelwelle sowie der Mittel zur Zuordnung der erfaßten Teilumlaufzeiten zu den einzelnen Zylindern.

Die Vorrichtung läßt sich so steuern, daß die Umlaufzeiten der Kurbelwelle entweder für jede Kurbelwellenumdrehung oder für jede zweite Umdrehung ermittelt werden. Bei der Ermittlung der Umlaufzeiten nur für jede zweite Umdrehung besteht die Möglichkeit, in der dazwischenliegenden Zeit zusätzliche Meßgrößen zu erfassen.

Zur Durchführung des Prüflaufes wird die vereinfachte Vorrichtung mit nur einem Sensor an den im Fahrzeug eingebauten Motor angeschlossen. Nach Auswahl des Motortyps wird der Motor gestartet und die Betriebsart-Vollastbeschleunigung mit anschließender Auslaufphase in der gleichen Art und Weise wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben durchgeführt.

Durch Anwendung der dargestellten Berechnungsverfahren können mit den ermittelten Umlaufzeiten die Kennwerte und Funktionsverläufe für den Gesamtmotor und den Drehzahlregler bestimmt werden. Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist es auch hier zweckmäßig, den Prüflauf drei- bis fünfmal zu wiederholen und die Kennwerte und Funktionsverläufe zu mitteln.

Nach einigen nur wenige Sekunden dauernden Prüfläufen steht die gleiche Anzahl von Kennwerten für eine umfassende Bewertung des technischen Zustandes des Gesamtmotors und des Drehzahlreglers zur Verfügung, wie sie im ersten Ausführungsbeispiel aufgeführt sind, jedoch ohne die relativen Einzelzylinderkennwerte. Aus diesem Grund ist mit den Ergebnissen dieses vereinfachten Verfahrens eine Lokalisierung von Fehlern innerhalb des Motors nicht möglich.

Fig. 3 zeigt einen so ermittelten Verlauf der Winkelbeschleunigung als Funktion der Kurbelwellendrehzahl und

Fig. 4 zeigt den Verlauf der Kurbelwellendrehzahl als Funktion des Kurbelwinkels, aus dem die beschriebenen Kennwerte für den Drehzahlregler zur Kennzeichnung des Regelverhaltens bei maximaler Drehzahl ermittelt werden.

Claims

1. Verfahren zur prüfstandslosen Ermittlung technischer Kennwerte von Verbrennungsmotoren und deren Einzelzylindern durch indirekte Ermittlung von Drehzahl, Drehmoment, Arbeit und Leistung mittels Analyse der rotierenden Bewegung der Kurbelwelle des durch innere und äußere Widerstandsmomente sowie durch das Trägheitsmoment aller zu beschleunigenden Massen belasteten Verbrennungsmotors, wobei die Zylindererkennung sowie ein fester Bezugswinkel im Arbeitszyklus abgeleitet werden aus der logischen Abfolge eines Arbeitszyklussignals des Motors und eines Referenzwinkelsignals von der Kurbelwelle, und eine bestimmte Kurbelwinkelstellung abgeleitet wird aus der Anzahl der auf diesen festen Bezugswinkel folgenden Winkelsegmente eines Bauteils, das mit der Kurbelwelle verbundenen ist und eine gleichmäßige Winkelteilung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zur Ermittlung von Drehzahl, Drehmoment, Arbeit und Leistung sowie der dazu proportionalen Kennwerte für das Leistungsvermögen und die Verluste des Gesamtmotors einerseits und der dazu proportionalen Kennwerte für das Kompressions- und Leistungsvermögen der Einzelzylinder andererseits die Winkelbeschleunigung für vorbestimmte Kurbelwinkelbereiche , die in Abhängigkeit vom jeweiligen Kennwert festgelegt sind, unter Berücksichtigung der am Anfang und am Ende des Kurbelwinkelbereiches vorhandenen Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle nach der Beziehung: bestimmt wird, worin bedeuten:
Winkelbeschleunigung im Kurbelwinkelbereich ,
Kurbelwinkelbereich, in dem die Winkelgeschwindigkeitsänderung analysiert wird,Δ- Winkelgeschwindigkeitsänderung im Kurbelwinkelbereich ,
mittlere Winkelgeschwindigkeit im Kurbelwinkelbereich ,
b) die Winkelgeschwindigkeiten aus Umlauf- oder Teilumlaufzeiten der Kurbelwelle für vorbestimmte, innerhalb eines vollständigen Arbeitszyklus des Motors definierte und mit dessen Periodizität sich wiederholende Kurbelwinkelbereiche bestimmt werden, wobei innerhalb des Arbeitszyklus sowohl Kurbelwinkelbereiche, in denen Umlauf- oder Teilumlaufzeiten ermittelt werden, als auch solche ohne Zeitermittlung angeordnet sind,
c) die Kurbelwinkelbereiche aus der gleichmäßigen Winkelteilung des Bauteiles, von dem die Kurbelwinkelstellung abgeleitet wird, gebildet werden durch mindestens ein Segment dieser Winkelteilung oder durch Zusammenfassen mehrerer Segmente dieser Winkelteilung, wobei die Anzahl der zusammengefaßten Winkelsegmente innerhalb eines Arbeitszyklus nicht konstant sein muß,
d) die Breite der Kurbelwinkelbereiche, in denen Umlauf- oder Teilumlaufzeiten zu ermitteln sind, in Abhängigkeit vom jeweiligen Kennwert durch eine entsprechende Anzahl von Winkelsegmenten x_m festgelegt wird.
e) die Breite der Kurbelwinkelbereiche, in denen die Winkelbeschleunigung zu bestimmen ist, in Abhängigkeit vom jeweiligen Kennwert durch eine entsprechende Anzahl von Winkelsegmenten p festgelegt wird,
f) die Bestimmung der Winkelbeschleunigung gemäß Merkmal a) nach Einsetzen der Parameter für die Bestimmung der Winkelgeschwindigkeiten auf der Basis der ermittelten Umlauf- oder Teilumlaufzeiten nach der Beziehung: erfolgt, worin bedeuten:
_i Winkelbeschleunigung im i-ten Kurbelwinkelbereich ,
x₀ Anzahl der Winkelsegmente des die Kurbelwinkelteilung tragenden Bauteiles,
x_m Anzahl der Winkelsegmente, über die die Umlauf- oder Teilumlaufzeit ermittelt wird,
x_i Anzahl der Winkelsegmente vom festen Winkel im Arbeitszyklus bis zum Start der Zeiterfassung am Anfang des i-ten Kurbelwinkelbereiches,
x_i+p Anzahl der Winkelsegmente vom festen Winkel im Arbeitszyklus bis zum Start der Zeiterfassung am Ende des i-ten Kurbelwinkelbereiches,
p Anzahl der Winkelsegmente, die der Breite des i-ten Kurbelwinkelbereiches entspricht,
t_{i, 1} Umlauf- oder Teilumlaufzeit am Anfang des i-ten Kurbelwinkelbereiches,
t_{i, 2} Umlauf- oder Teilumlaufzeit am Ende des i-ten Kurbelwinkelbereiches,
dabei wird eine eindeutige Zuordnung der einzelnen Winkelbeschleunigungswerte zu den Arbeitsphasen der Einzelzylinder durch den festen Bezugswinkel im Arbeitszyklus sowie die daran anschließende Zündfolge der Einzelzylinder und in Relation dazu durch die festgelegte Reihenfolge der Kurbelwinkelbereiche, in denen Teilumlaufzeiten ermittelt und/oder Winkelbeschleunigungswerte bestimmt werden, hergestellt und
g) die Berechnung der Kennwerte für den Gesamtmotor oder der Kennwerte für die Einzelzylinder einerseits in den zwischen der Erfassung von Umlauf- oder Teilumlaufzeiten liegenden Zeiträumen und damit in Echtzeit oder andererseits nach Erfassung aller Umlauf- oder Teilumlaufzeiten durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Kennwerte für den Gesamtmotor und der Kennwerte für die Einzelzylinder die Betriebsarten des Motors und die Parameter zur Ermittlung der Umlauf- und Teilumlaufzeiten so gesteuert werden, daß

a) während des Anlaßvorganges bei gesperrter Kraftstoffzufuhr zur Analyse des Kompressionsverhaltens Kennwerte für die Arbeit der Einzelzylinder in der Kompressions- und/oder Expansionsphase bestimmt werden.
b) bei Leerlaufdrehzahl zur Analyse der Laufunruhe des Motors Kennwerte für die Arbeit der Einzelzylinder in der Kompressions- und/oder Expansionsphase bestimmt werden,
c) die Betriebsart Vollastbeschleunigung mit anschließender Auslaufphase durch schlagartiges Betätigen des Gaspedals eingestellt wird und in einem ersten Bereich, der nach einer bestimmten Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit oder nach Zurücklegen eines bestimmten Kurbelwinkels nach der Pedalbetätigung beginnt und nach einer vorbestimmten Anzahl aufeinanderfolgender Arbeitszyklen endet, Kennwerte für die Arbeits- und Leistungsanteile der Einzelzylinder ermittelt werden und in einem unmittelbar daran anschließenden zweiten Bereich, der bis zur Nenndrehzahl reicht, Kennwerte für Drehmoment und Leistung des Motors als Funktion der Drehzahl sowie entsprechende Kennwerte bei den vorbestimmten Drehzahlen des maximalen Drehmomentes und der Nennleistung bestimmt werden und in einem anschließenden dritten Bereich, der bis zum Einregeln der maximalen Motordrehzahl reicht, Kennwerte für den Drehzahlregler bestimmt werden und in einem daran anschließenden vierten Bereich, in dem nach Sperren der Kraftstoffzufuhr die Verzögerung des Motorlaufs (Auslaufphase) beginnt, Kennwerte für das Verlustmoment und die Verlustleistung des Motors als Funktion der Drehzahl sowie einen entsprechenden Kennwert für das Verlustmoment bei der Drehzahl des maximalen Drehmomentes und unter Bezugnahme des bereits im zweiten Bereich ermittelten Kennwertes für das maximale Drehmoment zusätzliche Kennwerte für das indizierte Moment und den mechanischen Wirkungsgrad bestimmt werden und in einem nach Unterschreiten einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit sich anschließenden fünften Bereich über eine vorbestimmte Anzahl aufeinenanderfolgender Arbeitszyklen Kennwerte für das Verlustmoment oder die Verlustleistung der Einzelzylinder in der Kompressions- und Expansionsphase sowie unter Einbeziehung der bereits im ersten Bereich ermittelten Arbeitsanteile der Einzelzylinder zusätzliche Kennwerte für das indizierte Moment und den mechanischen Wirkungsgrad der Einzelzylinder bestimmt werden und in einem sich daran anschließenden sechsten Bereich, der bis zum Einregeln der Leerlaufdrehzahl reicht, weitere Kennwerte für den Drehzahlregler bestimmt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Anzahl der Winkelsegmente x_m, über die Teilumlaufzeiten ermittelt werden, einen Minimalwert nicht unterschreitet und dieser Minimalwert ausgehend vom vorhandenen Teilungsfehler der Winkelteilung des Bauteiles, von dem die Kurbelwinkelstellung abgeleitet wird, und vom zulässigen Fehler der Winkelbeschleunigung entweder mit Hilfe der Fehlerrechnung abgeschätzt oder mittels Simulationsrechnung oder experimentell bestimmt wird,
b) die Anzahl und Anordnung der Kurbelwinkelbereiche, in denen Teilumlaufzeiten zu ermitteln sind, in Abhängigkeit vom Motorentyp (Arbeitsverfahren, Zylinderanzahl, Zylinderanordnung), von der verfügbaren Kurbelwinkelteilung, von der Lage des festen Bezugswinkels und der Spezifik der zu bestimmenden Einzelzylinderkennwerte innerhalb des Arbeitszyklus festgelegt werden und
c) für die vergleichende Bewertung der Einzelzylinder getrennt für jede Art von Kennwert aus den einzelnen Kennwerten, die für eine bestimmte Anzahl von Arbeitszyklen ermittelt wurden, ein mittlerer Kennwert für jeden Einzelzylinder bestimmt wird und mit den mittleren Kennwerten aller Zylinder relative Einzelzylinderkennwerte gebildet werden, wobei die Relationen der mittleren Kennwerte untereinander entweder zum Mittelwert aller Zylinder oder zum Extremwert eines Zylinders hergestellt werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das dynamisch ermittelte Drehmoment des Gesamtmotors nach der Beziehung
=Θ _* _i bestimmt wird, worin bedeuten:
Θ Trägheitsmoment aller zu beschleunigenden Massen,
_i Winkelbeschleunigung im i-ten Kurbelwinkelbereich,
wobei für die Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung die Parameter x_m=x₀ und p=2x₀ oder ein ganzzahliges Vielfaches von 2x₀ gewählt werden,
und das i-te ermittelte dynamische Drehmoment einer gemittelten Kurbelwellendrehzahl zugeordnet und als Funktion der Drehzahl dargestellt wird,
b) der Kennwert für das maximale Drehmoment im zweiten Bereich der Vollastbeschleunigung nach der Beziehung bestimmt wird, worin bedeuten: Mittelwert einer bestimmten Anzahl dynamischer Drehmomentwerte im Bereich der Drehzahl des maximalen Drehmomentes,
K_M Korrekturfaktor, der das Verhältnis zwischen dem auf einem Prüfstand ermittelten maximalen Drehmoment und dem mittleren dynamischen Drehmoment im Bereich der Drehzahl des maximalen Drehmomentes darstellt,
c) ein Kennwert für das Verlustmoment bei der Drehzahl des maximalen Drehmomentes im vierten Bereich der Vollastbeschleunigung nach der Beziehung bestimmt wird, worin bedeutet: Mittelwert einer bestimmten Anzahl dynamischer Verlustmomentwerte im Bereich der Drehzahl des maximalen Drehmomentes und
d) aus den bereits ermittelten Kennwerten zusätzliche Kennwerte für das indizierte Moment im Bereich der Drehzahl des maximalen Drehmomentes nach der Beziehung M_ind = M_max+| M_dv |sowie für den mechanischen Wirkungsgrad des Motors im Bereich der Drehzahl des maximalen Drehmomentes nach der Beziehung bestimmt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die dynamisch ermittelte effektive Leistung des Gesamtmotors nach der Beziehung
=Θ _* _i _* _i bestimmt wird, worin bedeuten:
Θ Trägheitsmoment aller zu beschleunigenden Massen,
_i Winkelbeschleunigung im i-ten Kurbelwinkelbereich,
_i mittlere Winkelgeschwindigkeit im i-ten Kurbelwinkelbereich,
und nach Einsetzen der Parameter für die Ermittlung der mittleren Winkelgeschwindigkeit obige Beziehung folgende Form aufweist: wobei für die Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung die Parameter x_m=x₀ und p=2x₀ oder ein ganzzahliges Vielfaches von 2x₀ gewählt werden, und die i-te ermittelte effektive Leistung einer gemittelten Kurbelwellendrehzahl zugeordnet und als Funktion der Drehzahl dargestellt wird und
b) der Kennwert für die Nennleistung im zweiten Bereich der Vollastbeschleunigung nach der Beziehung bestimmt wird, worin bedeuten: Mittelwert einer bestimmten Anzahl effektiver dynamischer Leistungswerte im Bereich der Nenndrehzahl,
K_P Korrekturfaktor, der das Verhältnis zwischen der auf einem Prüfstand ermittelten effektiven Nennleistung und der ermittelten effektiven dynamischen Leistungswerte im Bereich der Nenndrehzahl darstellt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zur Kennzeichnung der Funktion des Drehzahlreglers im dritten Bereich der Vollastbeschleunigung einerseits die Drehzahl _ab bestimmt wird, bei der die effektive dynamische Leistung ihren Maximalwert erreicht und andererseits ab dieser Drehzahl die maximale Drehzahl n_max und einige Umdrehungen später aus einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen die mittlere Maximaldrehzahl _max und eine mittlere Drehzahlabweichung bei Maximaldrehzahl ermittelt werden, im sechsten Bereich, am Ende der Auslaufphase, die minimale Drehzahl n_min und einige Umdrehungen später aus einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen die mittlere Leerlaufdrehzahl _L un die mittlere Drehzahlabweichung bei Leerlaufdrehzahl ermittelt und die Drehzahlverläufe als Funktion der Kurbelwellenumdrehungen dargestellt werden und
b) als Kennwerte für die Funktion des Drehzahlreglers zum einen
die mittlere Maximaldrehzahl
die mittlere Drehzahlabweichung bei Maximaldrehzahl,
die mittlere Leerlaufdrehzahl sowie
die mittlere Drehzahlabweichung bei Leerlaufdrehzahl
herangezogen werden und zum anderen die maximale Regelabweichung beim Einregeln der maximalen Motordrehzahl und der Leerlaufdrehzahl nach den Beziehungen
Δn_RM = n_max-_max und Δn_RL = _L - n_min
sowie der Abregelbereich des Drehzahlreglers nach der Beziehung
Δn_AB = _max - _ab
bestimmt werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verzicht auf die Ermittlung von Kennwerten für die Einzelzylinder sich wesentliche Vereinfachungen ergeben, so daß

a) zur Ermittlung von Drehzahl, Drehmoment, Arbeit und Leistung sowie der dazu proportionalen Kennwerte für das Leistungsvermögen und die Verluste des Gesamtmotors und für die Funktion des Drehzahlreglers einerseits und zur Darstellung der Drehzahl als Funktion des Drehwinkels sowie von Drehmoment und Leistung als Funktion der Drehzahl andererseits ausschließlich Umlaufzeiten der Kurbelwelle ermittelt werden,
b) zur Ermittlung der Umlaufzeiten lediglich ein Referenzwinkelsignal von der Kurbelwelle benötigt wird, weshalb x₀=1 und x_m=1 gilt,
c) die Bestimmung der Winkelbeschleunigung für einen 4-Takt-Motor nach Einsetzen der Parameter für die Erfassung der Umlaufzeiten für jede Kurbelwellenumdrehung und der ermittelten Umlaufzeiten nach der Beziehung: erfolgt, worin bedeuten:
_j Winkelbeschleunigung im j-ten Kurbelwinkelbereich, der analysiert wird,
p Anzahl der Kurbelwellenumdrehungen, über die die Winkelbeschleunigung bestimmt wird,
t_j Umlaufzeit am Anfang des j-ten Kurbelwinkelbereiches,
t_j+p Umlaufzeit am Ende des j-ten Kurbelwinkelbereiches, die der p-ten Kurbelwellenumdrehung nach t_j entspricht,
und p=2 oder ein Vielfaches von 2 gewählt wird,
d) die Bestimmung der Winkelbeschleunigung für einen 4-Takt-Motor bei Erfassung der Umlaufzeiten nur für jede zweite Kurbelwellenumdrehung nach der Beziehung: erfolgt, worin bedeutet: Umlaufzeit am Ende des j-ten Kurbelwinkelbereiches, die der p-ten Kurbelwellenumdrehung nach t_j entspricht,
und p=2 oder ein Vielfaches von 2 gewählt wird, wobei während der Kurbelwellenumdrehungen ohne Umlaufzeiterfassung zusätzliche Meßgrößen parallel zur Winkelbeschleunigung erfaßt werden können und
e) zur Ermittlung weiterer Kennwerte für den Gesamtmotor und den Drehzahlregler die bereits dargestellten Berechnungsverfahren angewandt werden.