DE4431720C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Drehzahl von Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Drehzahl von Verbrennungskraftmaschinen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Drehzahl von Verbrennungskraftmaschinen insbesondere Diesel­ motoren, die mit einer Wechselstromlichtmaschine gekoppelt sind.
Stand der Technik
Es ist bekannt, die Drehzahl einer Verbrennungs­ kraftmaschine z. B. dadurch zu bestimmen, daß mittels eines lichtoptischen Sensors die Wiederholfrequenz des von einer Reflexmarke erzeugten Signals gemessen wird. Es ist jedoch schwierig und problematisch, den Sensor zu plazieren, da mit der Kurbelwellendrehzahl rotierende Reflexmarken oft nur mit Schwierigkeit oder überhaupt nicht angebracht werden können.
Es ist auch bekannt, die Drehzahl einer Ver­ brennungskraftmaschine aus akustischen Signalen, die von der Verbrennungskraftmaschine ausgehen, zu bestimmen, siehe z. B. US 44 52 079 und GB 21 74 499 A.
Bei Verwendung akustischer Signale gelingt es jedoch nicht, bei Verbrennungskraftmaschinen beliebiger Bauart über den gesamten Drehzahlbereich befriedigende Signale zu gewinnen.
Darüber hinaus ist das dynamische Verhalten einer akustischen Messung wegen der niedrigen Signal­ frequenzen (etwa 20 . . . 200 Hz) für Beschleunigungs­ messungen von Leerlauf auf Maximaldrehzahl unzu­ reichend. Das bekannte Verfahren der Gewinnung eines drehzahlrelevanten Signals aus der Frequenz der Zündimpulse scheidet aus, da es nicht auf Diesel­ motoren anwendbar ist, siehe z. B. EP 0315 357 B1.
Das für Dieselmotoren bekannte Verfahren, als drehzahlrelevantes Signal die Kraftstoffein­ spritzung mittels geeigneter Sensoren zu erfassen, scheidet aus, da die Einspritzanlage bei modernen Motoren nicht oder nur schwer zuganglich ist.
Es ist auch bekannt, die Drehzahl von Ver­ brennungskraftmaschinen dadurch zu bestimmen, daß die Frequenz der Lichtmaschine, die als Restwelligkeit dem Bordnetz überlagert ist, zur Messung herangezogen wird. Aufgrund der unbekannten Übersetzung der Lichtmaschine zur Motordrehzahl ist es erforderlich, jeweils eine fahrzeug­ spezifische Kalibrierung vorzunehmen.
So wird z. B. gem. EP 01 88 403 A2 die Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine aus der Frequenz bzw. Restwelligkeit einer mit diesem Motor gekoppelten Lichtmaschine abgeleitet.
Andererseits wird die Drehzahl auch über einen mit dem Schwungrad des Motors direkt gekoppelten in­ duktiven Drehzahlgebers ermittelt. Die beiden ermittelten Drehzahlen werden standig verglichen, um beim Ausfall eines Meßprinzips sicherstellen zu können, daß die aus der Motordrehzahl abgeleitete vorgegebene Arbeitsweise des Motors nicht ge­ fährdet wird.
Gemäß DE 39 23 532 A1 wird die Drehzahl der Ver­ brennungskraftmaschine aus der Frequenz F1 der Restwelligkeit der Lichtmaschine ermittelt, wobei die Kalibrierung mit einem Signal der Frequenz F2 erfolgt, mit dem die Frequenz F1 frequenzmoduliert ist. Die Frequenzmodulation entsteht durch die inhomogene Drehgeschwindigkeit der Lichtmaschine, bedingt durch die auf die Kurbelwelle wirkenden Explosionsstöße.
Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß dieses Verfahren nur bei Dieselmotoren anwendbar ist, da bei dem ruhigen Lauf von Ottomotoren nur eine unzureichende Frequenzmodulation auftritt. Gemäß DE 40 36 713 A1 wird ein Verfahren vorge­ schlagen, bei dem man aus dem Laufgeräusch der Tachometerwelle die für die Drehzahl der Welle charakteristische Frequenz herausfiltert, wofür u. a. auch die Fouriertransformation herangezogen wird.
Auf eine Kalibrierung mit einem unabhängigen für die Drehzahl repräsentativen Signal wird verzichtet.
Bekannte Vorrichtungen dieser Art lassen eine für alle Motortypen anwendbare Kalibrierung zur Erlangung einer betriebssicheren Anzeige der Drehzahl nicht zu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drehzahl­ messung von Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, die nicht mit den Mängeln der bekannten Systeme behaftet sind, und die insbesondere in einfacher Weise angewandt und angebracht werden können, um bei Verbrennungskraftmaschinen aller Arten die Drehzahl betriebssicher zu bestimmen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die von der Lichtmaschine erzeugte Frequenz der von der Lichtmaschine erzeugten Wechselstromspannung bei mindestens einem Wert mittels eines unabhangigen Sensorsystems mit der wahren Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine verglichen und auf diese Weise kalibriert wird, wobei das unabhängige Sensorsystem aus einem akustischen Sensor besteht, um aus dem Klangbild in der Nahe des Auspuffs oder aus dem Klangbild im Motorraum ein oder mehrere Drehzahlwerte zu ermitteln, wobei vorzugsweise die Leerlaufdrehzahl herangezogen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß eine Meßvorrichtung mit dem Bordnetz verbunden wird, wobei davon ausgegangen wird, daß das Bordnetz von einer Wechselstrom-(Drehstrom) Lichtmaschine gespeist wird, die von der Verbrennungsmaschine angetrieben wird. Hierbei wird die der Wechselstromspannung der Lichtmaschine entsprechende Frequenz der dem Bordnetz über­ lagerten Restwelligkeit dieser Lichtmaschine als drehzahlrelevantes Signal ausgewertet. Auf­ grund des unbekannten Übersetzungsverhältnisses der Kurbelwellendrehzahl zur Drehzahl der Lichtmaschine erfolgt eine automatische Kalibrierung mit der wahren Drehzahl der Kurbel­ welle durch Vergleich einer mit dem akustischen Sensorsystem gemessenen Drehzahl.
Die höheren Frequenzen der Signalspannung der Restwelligkeit des Bordnetzes (etwa 1 . . . 6 KHz) begünstigen dynamische Messungen, wie sie zum Beispiel bei der Dieselmotor-Abgasuntersuchung erforderlich sind.
Voraussetzung ist, daß die Verbrennungskraft­ maschine mit einer Wechselstrom-Lichtmaschine verbunden ist, und daß man zum Zweck der Kalibrierung für kurze Zeit zum Beginn der Messung ein Mikrofon in der Nähe des Auspuffs oder im Motorraum positioniert.
Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 12 beschrieben.
Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt in Form eines Blockschaltbildes die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
Fig. 3 zeigt ein typisches Frequenzspektrum.
Beschreibung der Funktionsweise
Die Beschreibung stellt nur ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Details, die zum allgemeinen Stand der Technik gehören, sind nur insoweit dargestellt oder beschrieben, als dadurch die Funktionsweise besser erkannt wird. Viele technische Details sind im Mikrocontroller integriert oder werden durch die Software in bekannter Weise abgearbeitet. Teil der Software ist auch der Algorithmus zur schnellen Fourier- Transformation (FFT). Wesentlich für die Realisierung eines handlichen Meßgerätes ist hier die geeignete Modifikation des Algorithmus, der die Signalverarbeitung bei ausreichender Genauigkeit und bei vertretbarem Hardwareaufwand gestatten soll.
Das Bordnetz (±) einer Verbrennungskraftmaschine 1, mit der in üblicher Weise eine Wechselstromlicht­ maschine gekoppelt ist, ist mit der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung 2 verbunden.
Mittels eines Mikrofons 3 wird der Vorrichtung 2 außerdem ein Schallsignal zugeführt, wobei das Mikrofon in der Nähe des Auspuffs oder im Motorraum angeordnet sein kann.
Die dem Bordnetz überlagerte Restwelligkeit, weiterhin als Signalspannung bezeichnet, der gleichgerichteten Wechselspannung der Wechsel­ stromlichtmaschine wird über das Filter 4 von der Gleichspannung getrennt und mittels des Verstärkers 5 auf einen ausreichenden Pegel gebracht und über den A/D-Wandler 6 dem Mikroprozessor 7 zugeführt. Mittels einer geeigneten Software, deren wesentlicher Bestandteil der FFT-Algorithmus ist, wird das Frequenzspektrum der Signalspannung aufgelöst, vgl. Fig. 3.
Im allgemeinen repräsentiert hierbei die erste markante Frequenzlinie (Spektrallinie) die Grundfrequenz der Lichtmaschine.
Die ganzzahligen Vielfachen (Harmonische) dieser Grundfrequenz können mehr oder weniger gut ausgeprägt sein. Die harmonischen Spektrallinien können zur Plausibilitätskontrolle herangezogen werden.
Die Amplitude der dem Bordnetz überlagerten Signalspannung steigt, wenn die Lichtmaschine belastet wird. Es ist deshalb von Vorteil, während der Messung diese Belastung, z. B. durch Einschalten des Lichts vorzunehmen.
Da die Spektrallinie, die die Grundfrequenz (Drehzahl) der Lichtmaschine repräsentiert, noch kein absolutes Maß für die Drehzahl sein kann, da die Übersetzung der Lichtmaschine zur Drehzahl der Kurbelwelle nicht bekannt ist, erfolgt erfindungs­ gemäß die Zuordnung zur absoluten Drehzahl (Kalibrierung) durch gleichzeitige Messung der Drehzahl über ein akustisches Signal, das in der Nähe des Auspuffs oder im Motorraum z. B. mittels eines Mikrofons 3 aufgenommen werden kann.
Die vom Mikrofon 3 aufgenommenen, akustischen Signale werden über ein Filter 9, einen Verstärker 10 und den A/D-Wandler 11 ebenfalls dem Mikroprozessor 7 zugeführt und in einem schnellen Wechseltakt mit dem gleichen FFT-Algorithmus analysiert.
Das akustische Signal ergibt für die Leerlauf­ drehzahl in praktisch allen Fällen eine eindeutig die Drehzahl repräsentierende Spektrallinie, so daß die Kalibrierung des an den Mikroprozessor 7 angeschlossenen Drehzahlmessers 8 vorzugsweise bei der Leerlaufdrehzahl erfolgt. Sollte in Ausnahme­ fällen bei der Leerlaufdrehzahl über das akustische Signal keine eindeutige Spektrallinie erkannt werden, was dadurch festgestellt wird, daß bei Verifizierung mit harmonischen Spektrallinien keine Übereinstimmung gefunden wird, so wird eine höhere Drehzahl zur Kalibrierung herangezogen.
Die Plausibilitätskontrolle erfolgt stets automatisch, was durch ständige Auswertung der statistischen Verteilung der relevanten Spektral­ linien erfolgt. Die automatische Kalibrierung erfolgt z. B. über eine Dauer von 1-3 Sekunden in einer Häufigkeit von 15-50 mal. Ist hierbei der Kalibrierkoeffizient stets gleich (bei statistischer Auswertung), so wird die Kalibrierung als richtig erkannt. Treten Abweichungen auf, so wird in geeigneter Weise darauf aufmerksam gemacht, daß die Kalibrierung wiederholt werden muß, das heißt z. B., indem das Mikrofon günstiger plaziert wird.
Die alleinige Ableitung der Drehzahl durch Analyse der akustischen Signale ist nicht in allen Fällen eindeutig, da es z. B. eintreten kann, daß bei hoher Motordrehzahl in weiten Bereichen keine signifikanten, die Drehzahl repräsentierenden Frequenzen erkannt werden können.
Dagegen liefert das aus der Restwelligkeit des Bordnetzes abgeleitete Frequenzspektrum stets eindeutig separierbare Frequenzen, die für die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine repräsentativ sind.
Im Bereich geringer Drehzahlen, vorzugsweise bei der Leerlaufdrehzahl, enthalten jedoch die akustischen Signale, die von der Verbrennungskraft­ maschine ausgehen, wenn auch nur in einem eng begrenzten Drehzahlbereich, Frequenzanteile, die eindeutig und absolut für die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine repräsentativ sind. Deshalb ergänzen sich beide Methoden, was erfindungsgemäß ausgenutzt wird.
Falls die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine anderweitig bekannt ist, z. B. durch einen bord­ eigenen Drehzahlmesser, so kann die Kalibrierung auch dadurch erfolgen, daß die von dem separaten Drehzahlmesser abgelesene Drehzahl der hier beschriebenen Vorrichtung zur Drehzahlmessung off-line eingegeben wird, womit die Anwendung der Mikrofonsonde überflüssig wird. Diese Möglichkeit soll nur als Option verstanden werden, da im allgemeinen die genaue Leerlaufdrehzahl nicht bekannt ist.
Die genaue Drehzahl wird auf dem Display 8 angezeigt und kann von der beschriebenen Vor­ richtung über eine oder mehrere Schnittstellen an andere Meßgeräte übertragen werden.
Das Display B kann auch gleichzeitig zur Bedienerführung verwendet werden, unter anderem zur Eingabe der Zylinderzahl der untersuchten Verbrennungskraftmaschinen.
Die prinzipielle Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung ist wie folgt:
Die Vorrichtung zur Drehzahlmessung besteht aus zwei Kanälen:
  • 1. dem Kanal, der das elektrische Signal der Lichtmaschine nutzt und
  • 2. dem Kanal, der das akustische Signal nutzt (Auspuff oder Motorraum).
Der Kanal 1 liefert zwar eine relative Drehzahl betriebssicher über den gesamten Bereich, jedoch enthält der Meßwert einen unbekannten Koeffizienten zur wahren (absoluten) Drehzahl.
Der Kanal 2 liefert dagegen die wahre (absolute) Drehzahl vorzugsweise im Leerlauf, jedoch im allgemeinen nicht betriebssicher über den gesamten Bereich.
Genutzt wird deshalb die Kalibrierung von Kanal 1 mit Kanal 2 vorzugsweise bei der Leerlaufdrehzahl.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine, die mit einer Wechselstrom-Lichtmaschine gekoppelt ist, indem man
  • (a) die Frequenz des von der Lichtmaschine erzeugten Wechselstromes bei mindestens einem Wert mittels eines unabhängigen Sensorsystems mit der wahren Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine vergleicht und auf diese Weise eine Kalibrierung erfolgt,
  • (b) als unabhängiges Sensorsystem einen akustischen Sensor verwendet, und (c) aus dem Klangbild in der Nähe des Auspuffs oder aus dem Klangbild im Motorraum ein oder mehrere Drehzahlwerte exakt ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung bei der Leerlaufdrehzahl erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das vom akustischen Sensor aufgenommene Frequenzspektrum mittels eines FFT-Meßsystems analysiert und das gleiche Meßsystem auch zur Analyse der Frequenz der Lichtmaschine verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Frequenz der Lichtmaschine aus den der Bordnetzspannung überlagerten Halbwellen des gleichgerichteten Wechselstroms der Lichtmaschine ermittelt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Frequenz der Lichtmaschine über eine Induktions- oder Hall-Sonde in der Nähe der Lichtmaschine abnimmt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den akustischen Sensor mit einer Sonde zur Bestimmung der Frequenz der Lichtmaschine kombiniert und man sich zur Kalibrierung auf die Analyse des akustischen Spektrums im Motorraum beschränkt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmaschine während der Messung mittels einer zuschaltbaren Last einen ausreichenden Strom liefert, der die Restwelligkeit der Generatorspannung besser hervortreten läßt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierkoeffizient über eine kurze Zeitspanne von z. B. 1-3 Sekunden bei häufiger Wiederholung im Abstand von z. B. 50-100 ms mit statistischen Mitteln auf Gleichheit geprüft wird und bei Abweichungen der Kalibriervorgang wiederholt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Wiederholung des Kalibriervorganges die Mikrofonposition verändert.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Frequenzspektrum des elektrischen und akustischen Signals mehrere charakteristische Spektrallinien (Harmonische) zur Verifizierung der gesuchten Drehzahl herangezogen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verifizierung der gesuchten Drehzahl statistische Methoden angewendet werden.
12. Vorrichtung zur Messung der Drehzahl von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die
  • a) ein an das Bordnetz der Verbrennungskraftmaschine (1) angeschlossenes Filter (4) aufweist, welches nur den von der Lichtmaschine erzeugten Wechsel­ spannungsanteil an einen Verstärker (5) weiter­ leitet, an den ein A/D-Wandler (6) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit einem Mikroprozessor (7) verbunden ist, und
  • b) einen im Bereich des Motorraumes oder des Auspuffs angeordneten akustischen Sensor (3), ein daran angeschlossenes Filter (9), einen anschließenden Verstärker (10) und einen A/D- Wandler (11) umfaßt, dessen Ausgang ebenfalls an den Mikroprozessor (7) angeschlossen ist, wobei der Mikroprozessor (7), der mit einer Software ausgerüstet ist, deren wesentlicher Bestandteil der FFT-Algorithmus ist, das Frequenzspektrum der beiden ihm zugeführten Signale analysiert, vergleicht und eine kalibrierte Drehzahl ermittelt, die mittels eines Displays (8) angezeigt wird.
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