DE4138446A1 - Leistungsmessgeraet fuer den einsatz in der kraftfahrzeugtechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung ist in der Kraftfahrzeugtechnik bei der Motorleistungsüberwachung und -auswertung anzuwenden. Primär erfolgt der Einsatz in der Motorenentwicklung.

Meßgeräte zur Motorleistungsüberwachung sind in einfacher Form seit längerer Zeit in der Kraft­ fahrzeugtechnik bekannt.

Hierbei wird häufig lediglich die Abgabe­ leistung an der Motorwelle gemessen. Die effektive Leistung oder Nutzleistung gibt der Motor an seiner Kupplung ab, die am Schwungrad angebaut ist. Bei Kraftfahrzeugmotoren wird die Nutz­ leistung nach DIN 70 020 am serienmäßig ausge­ rüsteten Motor ermittelt. Zu dieser Ausrüstung gehören in diesem Fall:
Ansaug- und Auspuffanlage, Lüfter und Wasserpumpe bzw. Kühlgebläse, Kraftstoffpumpe bzw. Einspritz­ pumpe und unbelastete Lichtmaschine.

Da die Größe der Nutzleistung eines Motors von dem während der Messung herrschenden Zustand der Umgebungsluft abhängt, muß für Vergleichsunter­ suchungen diese auf einen Bezugzustand reduziert werden.

Eine Anwendungsform zur Ermittlung der Nutz­ leistung ist der Rollenprüfstand mit abgebremster Schwungmasse zur Drehmomentmessung. Die Nutz­ leistung wird normalerweise dadurch bestimmt, daß man Drehzahl und Drehmoment direkt erfaßt und hierüber die Leistung berechnet. Die Meßein­ richtungen hierfür kann man in Leistungsbremsen und Dynamometerwellen einteilen.

Die Leistungsbremse mißt nicht nur das Drehmoment, sondern sie nimmt auch die Motorleistung auf und verwandelt sie in Wärmeleistung oder elek­ trische Leistung. Die Dynamometerwelle ist in den Wellenstrang zwischen Motor und Arbeitsmaschine eingebaut und mißt lediglich das Drehmoment welches die Welle verdreht. Die Verdrehung der Antriebswelle wird in eine Leistung umgerechnet.

Hierbei gibt es mehrere Anwendungsarten. Die häufigste Meßschaltung ist wie folgt aufgebaut: Es werden Dehnungsmeßstreifen unter 45 Grad bzw. 135 Grad zur Wellenachse auf die Welle aufgeklebt und zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammen ge­ schaltet. Durch die Dehnung der Wellenoberfläche bei Belastung mit einem Drehmoment verlängern bzw. verkürzen sich die Drähte der Dehnungsmeß­ streifen und ändern dadurch ihren elektrischen Widerstand. Als Folge davon entsteht an den Ausgangsmeßpunkten der Brücke eine Spannung, die dem Drehmoment proportional ist.

Die Berechnung der inneren indizierten Leistung zur Erfassung der Reibung der oszillierenden Massen ist in diesem Fall allerdings nicht möglich.

Die innere indizierte Leistung kann über den Verbrennungsdruck berechnet werden.

Bei dieser Variante wird ein Piezo-Druck-Geber in den Zylinderkopf eingesetzt. Aus diesem Drucksignal wird zusammen mit Hilfe des momentanen Hubvolumens sowie der Kurbelwinkelstellung die mittlere Arbeitsleistung wie folgt berechnet:

Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und kost­ spielig. Zusätzlich bedeutet dieses einen nicht unbedeutenden mechanischen Eingriff in die Festig­ keit des Motors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät zu schaffen, das ohne die vorstehend genannten Nachteile arbeitet.

Erreicht wird dieses Ziel dadurch, daß die Erfassung der indizierten Leistung über eine Wärmebilanzrechnung nach Carnot erfolgt. Die indizierte Leistung wird gebildet aus der Differenz der im Kraftstoff enthaltenen Energie und den gesamten Verlusten aus dem Kreisprozeß, den Verlusten aus unvollkommender Verbrennung sowie den Ladungswechselverlusten. Als Grund­ lage dient speziell das Ts-Diagramm nach dem Otto- Prozeß (Fig. 3). Ein Ts-Diagramm soll die Differenz Zwischen zu- und abgeführter Kraftstoffwärme Q (Ws) als Fläche darstellen. Diese Fläche wird als Summe schmaler Teilrechtecke betrachtet, die als eine Seite die absolute Temperatur T (Grad Kelvin) = (t+273) Grad Celsius und als andere Seite die sogenannte Entropieänderung ds (dQ/dT) hat.

Erfaßt werden hierbei nach Fig. 1 jeweils die Eintrittstemperatur T₁ der Verbrennungsgase, die Temperatur am Verdichtungsende T₂ (dargestellt als fiktiver Kombinationsgeber 5), die Ver­ brennungstemperatur T₃ (ebenfalls dargestellt als fiktiver Geber 6) sowie die Abgastemperatur T₄ (aufgeführt als Abgastemperaturgeber 3/3′). Die Fläche T₁-T₂-T₃-T₄ ergibt die in Arbeit umgesetzte Wärmemenge (Q₁-Q₂).

Nach Carnot stellt sich die Wärmebilanz wie folgt dar:

Wc = Q₁-Q₂ = m · cv (T₃-T₂)-m · cv (T₄-T₁)
= m · cv (T₃-T₂-T₄+T₁)

Der theoretische Otto-Kreisprozeß verdichtet in diesem Fall, unter adiabatischer Zustandsänderung ein brennbares Gasgemisch vom Zustand T₁ auf den Verdichtungsraum Vc unter Temperaturerhöhung auf T₂. Das Kompressions- oder Verdichtungsverhältnis ist ε = (Vh+Vc)/Vc.

Wie das Gas vor der Verdichtung in den Zylinder­ raum Vc+Vh gelangt ist zunächst ohne Bedeutung. Im oberen Totpunkt erfolge die Zündung durch elektrischen Funken so rasch, daß sich der Raum Vc dabei nicht (in Wirklichkeit nicht wesentlich) veränderte (daher Gleichraum-Verbrennung). Die Temperatur steige dabei auf T₃. Anschließend soll die Temperatur von T₃ auf T₄ sinken und zum Schluß (durch Öffnen des Auspuffs) bei unverändert gedachtem Volumen Vc+Vh (im unteren Totpunkt) wieder auf den Anfangszustand fallen. Die Wärme Q wird durch die Zündung im oberen Totpunkt aus dem Gas frei (wirksam) gemacht und dem Kreisprozeß zugeführt.

Die folgenden Hilfsgrößen sind zusätzlich zu erfassen:
Der Isentropenexponent = cp/cv ist aus Brenn­ versuchen berechenbar und ist mit 1,3 . . . 1,4 an­ zunehmen.

An den heißen Motorteilen, also an den Zylinder­ wänden, besonders aber am oft ungekühlten Kolben­ boden und am hocherhitzten Auspuffventil erwärmt sich das einströmende Frischgas auf die Temperatur T₁ (Wärmemenge Q_T₁). Allerdings wirkt die für seine Verdampfung dem Zylinderinhalt entzogene Verdampfungswärme temperatursenkend.

Die Luftmenge wird nach Fig. 1 über einen Meßwertgeber 1 erfaßt und mit T₀ (Lufttemperatur­ fühler 2) temperaturkompensiert.

Als Grundlage für die Ermittlung von T₁ wird der arithmetische Mittelwert von Motoröltemperatur und Abgastemperatur herangezogen. Zusätzlich wird der Temperaturübergangsbeiwert α_Zyl näherungsweise berechnet. Die endgültige Berechnung erfolgt über die Energiebilanz sowie über den Zylinderraum­ inhalt (siehe Fig. 4 und 5).

Nu_Zyl ≈ 0,02 Re^0,8 [1+(d/h)^0,66]

_T₁ = α_Zyl A (T_m-T_O)
Q_T₁ = α_Zyl A (T_m-T_O) τ Q_T₁ = m c (T_m-T_O)

T₁ = T_m [1-^{/ t}]

Als Temperatur am Verdichtungsende ergibt sich:

T₂ = T₁ · ε ^-1   =(1,3 . . 1,4)

Die Verbrennungstemperatur T₃ wird mit folgender Formel berechnet:

Wobei m_FG die Frischgasmenge, Hu den unteren Heizwert des Brennstoffes und cp die spez. Wärme­ kapazität des Verbrennungsgases darstellen.

Die Abgastemperatur T₄ kann mit

berechnet werden.

Die Temperatur T₄′ (siehe Fig. 1, Fig. 8 Meß­ wertgeber 3′) kann durch einen über dem Aus­ puffrohr angebrachten Infrarotsensor erfaßt werden.

Hierbei stellt die Abstrahlungsaußenwand des Aus­ puffrohres in Verbindung mit ihrem Material und den zugehörigen Temperaturübergängen zeitlich gesehen ein Verzögerungsglied 2. Ordnung dar. Die zeitliche Veränderung der Abgastemperatur muß bei der Aufnahme von Leistungs-/Drehzahl­ kurven mit berücksichtigt werden.

Die Berechnung von T₄′ geschieht wie folgt:

δ = Dicke der Rohrwand

Für die Berechnung der Zeitkonstanten τ₁ und τ₂ wird ein gedachter räumlicher Flächenausschnitt A·δ des Abgasrohres herangezogen. Der Wärme­ durchgangswert λ_AbgR vom Material des Abgasrohres m_AbgR ändert sich nur unwesentlich mit der Tem­ peratur und ist bekannt.

Der Temperaturübergangswert muß mit

berechnet werden. Wobei Re die Reynoldszahl und Pr die Prandtlzahl sowie λ_F die Wärmeleitfähig­ keit des strömenden Fluids darstellen. Den lichten Rohrdurchmesser beschreibt d.

Diese Konstanten können mit Hilfe der bekannten Gasdurchsatzgeschwindigkeit sowie unter Kenntnis der Strömungsart, in diesem Fall turbulent, be­ rechnet werden.

Die innere Leistung

P_i = P_c = · cv (T₃-T₂-T₄+T₁)

kann in einer Kurve über der Drehzahl aufgenommen werden.

In den Zeichnungen Fig. 1 bis 7 ist der Erfindungsgegenstand detailliert dargestellt.

Das Leistungsmeßgerät besteht aus einem Personal­ computer, der das zugehörige Anwenderprogramm zur Auswertung enthält. Weiter aus allen notwendigen Gebern zur Erfassung der oben genannten Meßdaten sowie einer PC-Bus-Schnittstelle zur Weiterver­ arbeitung und Auswertung im Hauptrechner (Fig. 7).

Fig. 2 beschreibt in groben Zügen den Ablauf des Anwenderprogramms. Der erste Schritt zur Meßwerterfassung 11 ist die Berechnung der Brenn­ stoffmenge 13 aus Luftmenge sowie Lufttemperatur 8 mit dem Hilfswert Drehzahl 9. Die Korrektur der Brennstoffmenge, um die Verluste aus unvoll­ kommender Verbrennung auszugleichen, erfolgt mit Hilfe des Restsauerstoffgehaltes im Abgasstrom 12. Der nächste Schritt ist die Berechnung der Ein­ trittstemperatur T₁ (nach Fig. 4 und Fig. 5) 14. Daraus erfolgt die Ermittlung von T₂ (Ver­ dichtungstemperatur) in Schritt 15 und die Be­ rechnung der Verbrennungstemperatur T₃ in Schritt 16. Anschließend wird die Abgastemperatur mit den zugehörigen Temperaturübergängen berechnet 17.

In Fig. 6 wird der Meß- und Konfigurierablauf für einen Meßvorgang dargestellt. Im ersten Schritt 19 werden die spezifischen Motorwerte in den Personalcomputer eingegeben. In den Schritten 20 und 21 wird das Auswerteprogramm bereit gestellt sowie geprüft, ob die Analog-Digitalwandlerkarte angeschlossen ist. Im nächsten Schritt 22 wird das Meßprogramm gestartet. Nun erfolgt die Leistungsberechnung 23 und zum Schluß die Frage nach einem weiteren Meßvorgang.

Bei dem heutigen Stand der Technik in der Halbleiterindustrie bereitet es keinerlei Schwierigkeiten die aufgeführte Schaltung in Serie herzustellen. Die heute verfügbaren Mikrocontroller erlauben es zusätzlich eine Vielzahl von diskreten Bauelementen durch ein technisches Anwenderprogramm zu ersetzen.

In Fig. wird die A/D-Wandlerkarte 7 in einer Gesamtansicht gezeigt.

Claims (5)

1. Leistungsmeßgerät für den Einsatz in der Kraftfahrzeugtechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassung über eine Wärmebilanzrechnung erfolgt.

2. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Wärmebilanzrechnung die gemessene Frischgas- sowie die Abgas­ temperatur herangezogen werden.

3. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebilanz­ rechnung mit Hilfe eines Anwenderprogramms erfolgt.

4. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Meßwert­ erfassung vorhandene Geber der digitalen Motorelektronik verwendet werden.

5. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung der aufgenommenen Leistungskurven über einen nachgeschalteten Auswerterechner erfolgt.