WO2008098852A1 - Indizieranordnung und verfahren zur bestimmung eines motorkennwertes - Google Patents

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WO2008098852A1 PCT/EP2008/051309 EP2008051309W WO2008098852A1 WO 2008098852 A1 WO2008098852 A1 WO 2008098852A1 EP 2008051309 W EP2008051309 W EP 2008051309W WO 2008098852 A1 WO2008098852 A1 WO 2008098852A1
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engine
indexing
unit
crank angle
indexing arrangement
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Gernot Fernitz
Klaus Leitmeier
Josef Moik
Rüdiger Teichmann
Klaus-Christoph Harms
Martin Rzehorska
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Avl List Gmbh
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    • F02D41/222—Safety or indicating devices for abnormal conditions relating to the failure of sensors or parameter detection devices

Definitions

  • the present invention relates to an indexing device for determining at least one engine characteristic value, comprising a sensor unit which records a measured variable with a crank angle-dependent component, and a calculation unit which is connected to the sensor unit via an input, and an associated method for determining a characteristic value and an application in an engine control.
  • a complex sensor and indexing technology can be used to obtain or eliminate all desired engine characteristics - including parameters and parameters of the internal combustion engine to be tested (eg diesel or gasoline engine) or its operating behavior (eg during a work cycle) To calculate measurements.
  • the indexing arrangement usually also includes a signal amplifier which further processes a sensor signal for further use, eg amplifies, conditions, filters and / or digitizes.
  • a charge amplifier is generally used as signal amplifier.
  • strain gauges piezoresisitive pressure sensors, structure-borne knock sensors, sensors for sonic and ultrasonic emission analysis, ion current probes, flame light sensors, sensors for needle lift, valve lift or piston stroke, etc.
  • the required engine parameters from the measured variables, such as cylinder pressure, crank angle, etc. calculated, or measured variables, such as the cylinder pressure, on a time basis or based on the measured crank angle to determine the engine characteristics are evaluated , where the calculations and evaluations on-line, ie during engine operation, or off-line, so in hindsight, can be performed.
  • the processing units consequently require a separate input for a crank angle signal, eg from an angle transmitter. Nevertheless, some parameters can be determined without the crank angle information. For example, characteristic values such as, for example, peak pressure, combustion noise, knock intensity, frequency components, time differences between significant signal characteristics, etc., can be determined from the measured time curve of the cylinder pressure even without crank angle information.
  • crank angle information such as a Speed, the duration of a revolution of the crankshaft, the instantaneous angular velocity, the duration of a working cycle, the duration of a working cycle divided by the number of cylinders or a current angle of rotation in any angular resolution.
  • the measurement of the crank angle information naturally increases the effort for the sensors.
  • Charge boosters with integrated peak value determination from the measurement signal have already become known. However, such charge amplifiers can only be used to a limited extent since only a single motor characteristic value can be determined and no flexibility is available. For a sensible application but usually different engine characteristics are needed.
  • crank angle information is calculated from the measured variable and the calculated crank angle information at least one engine characteristic, which requires the knowledge of a crank angle information, and is output as an output signal at an output.
  • the expense and the costs for the indexing technique desirably be rather low. This can not be achieved with a conventional indexing arrangement or sensor system for the reasons mentioned above.
  • an indexing device in that the required characteristic values without additional crank angle input (which would mean additional expensive sensor technology and additionally required signal inputs) are integrated in the indexing device, since it has been recognized that the accuracy thus achieved is achieved in determining the characteristic values is sufficient for use in the field of vehicle onboard metrology or in the low end indexing market, but also in other applications that require less accuracy.
  • low investment costs, simpler installation in the vehicle, simpler parameterization, a time advantage during commissioning and measurement, the possibility of transfer to external systems and an increase in quality while simultaneously saving time (by avoiding iteration loops) in engine development are achieved with an inventive indexing system.
  • no profound expert knowledge of the operation is necessary for such an indexing arrangement.
  • a targeted search of a malfunction (the components or software structure of the engine control) by this application is possible.
  • an indexing arrangement offers very flexible application possibilities due to the almost arbitrary determination of characteristic values.
  • a signal amplifier in particular a charge amplifier, is provided in the indexing arrangement between the sensor unit and the calculation unit, which processes the sensor signal accordingly, eg amplifies, conditions, filters and / or digitizes.
  • an evaluation unit can be equipped with a plurality of inputs for different measurement channels and for each measurement channel or group of measurement channels having at least one measurement channel a separate calculation unit to be provided. It can be provided that these multiple calculation units also communicate with each other and so can exchange data with each other. Advantageously, however, this can also be a single calculation unit for all measurement channels.
  • crank angle information When indexing on a multi-cylinder engine of great importance: Each cylinder is equipped with its own cylinder pressure sensor and the multiple cylinder pressure curves are to be evaluated based on the common for all valid crank angle information. In this case, it is of course particularly advantageous for the determination of the crank angle information that not only one but several signals with crank angle-dependent signal component are present, in addition usually a-priori knowledge of the geometry of the engine and thus the between the individual signals existing time or crank angle offset can be used.
  • a further integration stage can be achieved if an engine control unit is integrated into the indexing arrangement, whereby the outlay for the necessary hardware can be further reduced.
  • Such an indexing arrangement can now be integrated particularly advantageously in a motor control, since the motor control can already be supplied with the required characteristic values directly, which reduces the effort in the motor control and, on the other hand, the outlay for the sensors for the motor control can be reduced.
  • FIGS. 3 and 4 each show a further example of an indexing arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a detail of a cylinder 1 of an internal combustion engine.
  • a piston 2 is moved and the cylinder 1 are arranged in a known manner valves 4 and in the case of a gasoline engine, a spark plug 5, the invention is of course applicable to internal combustion engines with other combustion process.
  • an indexing arrangement 6 consisting of a sensor unit 10 and an evaluation unit 8 is arranged on the cylinder 1, which in this case is e.g. measures and evaluates the cylinder pressure.
  • An indexing arrangement is generally understood in a known manner to be an arrangement which measures and / or evaluates engine measured variables, in particular but not exclusively combustion, during operation, for example during a work cycle, with high resolution of the dependence on time or crank angle.
  • the indexing arrangement 6 or the evaluation unit 8 of the indexing arrangement 6 can, as in this example, be connected to an engine control unit 7 of a motor control or to another processing unit.
  • the indexing arrangement 6 comprises a sensor unit 10 for detecting a measured variable, eg a piezoelectric pressure transducer, a strain gauge, piezoresistive pressure sensors, structure-borne knock sensors, sensors for sonic and ultrasonic emission analysis, ion current probes, flame light sensors, sensors for needle lift, valve lift or piston stroke, etc., and an evaluation unit 8.
  • the sensor unit 10 and the evaluation unit 8 are connected to each other via a suitable line and the signal of the sensor unit 10 is the evaluation unit 8 via an input 14 is supplied.
  • a calculation unit 12 such as a microprocessor or a DSP (Digital Signal Processor), arranged by means of the measured variable, here, for example, the pressure in the cylinder 1, is further processed to a motor characteristic.
  • the possibly required analog-to-digital conversion of the measurement signal can be done directly in the calculation unit 12 or even before.
  • the signal processed by the calculation unit 12 of the evaluation unit 8 becomes analog at an output 13 or digitally output.
  • the evaluation unit 8 and the calculation unit 12 can also be designed as a single unit.
  • a display device 15 may be arranged at the evaluation unit 8, at which a calculated engine characteristic value can be displayed.
  • a signal amplifier in particular a charge amplifier 11 for a piezoelectric sensor
  • a signal amplifier 11 for a piezoelectric sensor can also be arranged in a known manner, as shown in FIG. 2b.
  • the various known signal amplifier circuits can be used.
  • the principle of the charge amplifier in the narrower sense
  • electrometer amplifiers and transimpedance amplifiers e.g., voltage-to-current converters
  • charge amplifiers in the narrower sense various circuits have become known.
  • filter units and / or signal conditioning devices may be provided.
  • the calculation unit 12 calculates crank angle information from the measured quantity, e.g. a speed, the duration of a revolution of the crankshaft, the instantaneous angular velocity, the duration of a duty cycle, the duration of a duty cycle divided by the number of cylinders or a current angle of rotation at any angular resolution, and determines from the measured and calculated crank angle information an engine characteristic Indexing parameter, such as the indexed mean pressure, mass conversion points, combustion curve, center of gravity of combustion, components of the order analysis, ignition delay in degrees crank angle, etc.
  • the indexing 6 and the evaluation 8 thus does not require its own crank angle input, which is why the requirements of the required sensors are very low.
  • the thus determined and output at the output 13 engine characteristic can, for. B. as indicated in Fig. 1, are fed via a suitable line an engine control unit 7 or other processing unit for further processing.
  • the output signal can be output by the evaluation unit 8 both analog and digital.
  • the calculation unit 12 can also be programmed as desired, so that the user can enable any evaluations of the measured variable. This includes both the manner in which the crank angle information is determined and also which engine characteristic value (s) is (are) determined. Of course, several different crank angle information can also be derived from one measured variable, for example, in different proximity accuracy, which can be evaluated together with the measurand to different engine characteristics.
  • any variable which contains a crank angle-dependent component that is to say a variable which depends on the time or on the crank angle and from which, as a result, crank angle information can be derived, is considered as the measured variable.
  • variables which have a periodicity in the cycle period in the 4-stroke 720 °, in the 2-stroke 360 °
  • Other signal components in particular those resulting from transient operating conditions of the engine or from outside influences, are unsuitable for the determination of the crank angle information.
  • the following parameters cylinder pressure, flame light in the cylinder, ion current in the cylinder, ignition voltage, ignition current, injection pressure, mechanical vibrations, structure-borne noise, airborne sound, e.g.
  • An engine characteristic value determined in this way can be stored in a downstream processing unit as an indexing variable, which may be e.g. the subsequent evaluation of the recorded measurement data and parameters of the engine operation allows.
  • use in engine development and engine calibration and engine testing is conceivable, e.g. for the design of the combustion in border areas, such as knocking or full load in diesel engines, or for the improvement of the comfort, e.g. in terms of combustion noise, or just to monitor an endurance run.
  • an engine characteristic value can also be used for the vehicle onboard measurement technology and engine control.
  • the engine rating could be used to control the engine or certain aspects of the engine (e.g., combustion) or make adaptations to the engine control (e.g., stored maps) due to changing engine conditions.
  • a problem in the engine could be detected and displayed.
  • any other engine characteristic values can be determined which manage without crank angle information and can be derived directly from the measured quantity measured. Such engine characteristic values can in turn be transferred via the output 13 to an engine control unit 7 or to another processing device.
  • the engine control unit 7 in the indexing 6.
  • the evaluation of the sensor signals from the evaluation unit 8, which can also take over tasks of the engine control, or the evaluation of these signals could directly from the engine control unit 7, which is usually a calculation unit, such as. a microprocessor, done, whereby an additional evaluation unit 8 in the indexing 6 could also be omitted.
  • a separate input 14 can be arranged at the evaluation unit 8 for each measuring channel. It is thus possible with an indexing arrangement 6 or with the evaluation unit 8 to process and evaluate the measured variables of a plurality of sensor units 10.
  • different sensor units 10 may be located at different locations on the engine, or it may be e.g. On each cylinder, a pressure sensor for measuring the cylinder pressure can be arranged.
  • These further measured quantities can in turn be evaluated on the basis of crank angles in the indexing arrangement 6, the required crank angle information in turn being derived from at least one measured variable, or without crank angle information.
  • a separate calculation unit 12 can be provided in the evaluation unit 8 for each measurement channel, as shown in FIG. 3, or it can also be provided for one or a group of measurement channels consisting of at least one measurement channel, only a single calculation unit, such as shown in Fig. 4.
  • an eventual Tuell required charge amplifier 1 1 also be arranged directly in the sensor unit 10.
  • the individual components of the indexing arrangement 6 can also be arranged in a common housing 9 - as indicated in Fig. 2, c) - and form an "intelligent sensor" which can be handled in a particularly simple manner as a compact device of course also eliminates the need for external wiring between the sensor 10 and the computing unit 12.
  • the indexing 6 then already itself contains all units that are required for the evaluation of the measurement signal.
  • the parameterization of the indexing arrangement 6 or the evaluation unit 8 or the calculation unit 12, e.g. the sensitivity or resolution of the sensor unit 10 may, as is well known, be done in advance by associated software. However, it would also be conceivable to provide an independent parameterization in which the indexing arrangement 6 or parts thereof are parameterized during a learning process itself.
  • An indexing arrangement as described above may be used with internal combustion engines in virtually any configuration and environment, particularly any test rigs, such as those described in US Pat. on the R & D test bench or on the production test bench, on the internal combustion engine alone, e.g. as a drive, as an auxiliary drive or as a generator, or in conjunction with other components, e.g. with components of the powertrain, with the entire powertrain or in the vehicle.
  • test rigs such as those described in US Pat. on the R & D test bench or on the production test bench
  • the internal combustion engine alone e.g. as a drive, as an auxiliary drive or as a generator
  • other components e.g. with components of the powertrain, with the entire powertrain or in the vehicle.
  • serial application on the road or on the water, etc.
  • workshop in the dock, etc. conceivable.

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Abstract

Um den Aufwand für eine Indizieranordnung 6 an einem Verbrennungsmotor zur Bestimmung eines Kennwertes zu reduzieren, wird vorgeschlagen, in einer Berechnungseinheit 8 der Indizieranordnung 6 eine Kurbelwinkelinformation aus einer Messgröße zu berechnen und aus der so berechneten Kurbelwinkelinformation und der Messgröße einen Kennwert zu ermitteln.

Description

Indizieranordnung und Verfahren zur Bestimmung eines Motorkennwertes
Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Indizieranordnung zur Bestimmung zumindest eines Motorkennwertes, mit einer Sensoreinheit, die eine Messgröße mit einem kurbelwin- kelabhängigen Anteil aufnimmt, und mit einer Berechnungseinheit, die über einen Eingang mit der Sensoreinheit verbunden ist, sowie ein zugehöriges Verfahren zur Ermittlung eines Kennwertes und eine Anwendung in einer Motorsteuerung.
Auf Motorprüfständen kann eine aufwendige Sensorik und Indiziertechnik eingesetzt werden, um alle erwünschten Motorkennwerte - darunter werden Kennwerte und Parameter des zu prüfenden Verbrennungsmotors (z.B. Diesel- oder Ottomotor), bzw. seines Betriebsverhaltens (z.B. während eines Arbeitszyklus) verstanden - zu erhalten bzw. aus Messwerten zu berechnen. Zur Indizieranordnung gehört in der Regel auch ein Signalverstärker, der ein Sensorsignal für eine weitere Verwendung entsprechend weiterverarbeitet, z.B. verstärkt, konditioniert, filtert und/oder digitalisiert. Bei gewissen Sensoren, wie z.B. den für die Indiziertechnik besonders wichtigen piezoelektrischen Zylinderdruckaufnehmern, wird als Signalverstärker im Allgemeinen ein Ladungsverstärker verwendet. Es können aber auch z.B. Dehnungsmessstreifen, piezoresisitive Druckaufnehmer, Körperschall-Klopfsensoren, Sensoren für die Schall- und Ultraschallemissionsanalyse, lonenstromsonden, Flammlichtsensoren, Sensoren für Nadelhub, Ventilhub oder Kolbenhub, etc., mit den je zugehörigen Signalverstärkern verwendet werden. Oftmals werden dann in nachgeschalteten separaten Verarbeitungseinheiten die benötigten Motorkennwerte aus den gemessenen Größen, wie z.B. Zylinderdruck, Kurbelwinkel, etc., berechnet, oder es werden gemessene Größen, wie z.B. der Zylinderdruck, auf Zeitbasis oder auf Basis des gemessenen Kurbelwinkels zur Ermittlung der Motorkennwerte ausgewertet, wobei die Berechnungen und Auswertungen on-line, also während des Motorbetriebs, oder off-line, also im Nachhinein, durchgeführt werden können. Die Verarbeitungseinheiten benötigen folglich einen eigenen Eingang für ein Kurbelwinkelsignal, z.B. von einem Winkelgeber. Dessen ungeachtet können aber einige Kennwerte auch ohne die Kurbelwinkelinformation ermittelt werden. Beispielsweise können aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf des Zylinderdrucks auch ohne Kurbelwinkelinformation Kennwerte wie z.B. Spitzendruck, Verbrennungsgeräusch, Klopfstärke, Frequenzkomponenten, Zeitdifferenzen zwischen signifikanten Signalmerkmalen, etc. ermittelt werden. Aber wichtige andere Kennwerte, wie z.B. der indizierte Mitteldruck, Massenumsatzpunkte, Brennverlauf, Schwerpunktlage der Verbrennung, Komponenten der Ordnungsanalyse, Zündverzug in Grad Kurbelwinkel, etc., benötigen zu ihrer wenn auch nur näherungsweisen Bestimmung neben dem Zylinderdruck unbedingt auch eine Kurbelwinkelinformation, wie z.B. eine Drehzahl, die Dauer einer Umdrehung der Kurbelwelle, die momentane Winkelgeschwindigkeit, die Dauer eines Arbeitszyklus, die Dauer eines Arbeitszyklus dividiert durch die Zylinderanzahl oder ein momentaner Drehwinkel in beliebiger Winkelauflösung. Die Messung der Kurbelwinkelinformation erhöht natürlich den Aufwand für die Sensorik. Auf Motorprüfständen ist dieser Aufwand häufig gerechtfertigt, da in der Regel eine möglichst genaue Ermittlung bestimmter Kennwerte und eine möglichst exakte Auswertung des Motorbetriebs erwünscht ist, wobei aber auch bei dieser Anwendung aus Kostengründen oftmals der Aufwand so gering wie möglich zu halten ist. Ein weiteres Problem ist natürlich auch der Platzbedarf bei einer aufwendigen Sensorik und Indiziertechnik und der Umstand, dass die benötigten Sensoren im Nachhinein meistens nur mit großem Aufwand am Motor installiert werden können.
Grundsätzlich ist es natürlich auch bekannt, aus einem im Wesentlichen periodischen Messsignal, wie z. B. von einem Zylinderdruckaufnehmer, eine Kurbelwinkelinformation abzuleiten. In der AT 388 830 B wird zum Beispiel beschrieben, dass die Drift-Kompensationseinrichtung einer Ladungsverstärkerschaltung entsprechend der Periode eines Messsignals ausgelöst wird. Die periodischen Triggersignale für die Auslöseeinrichtung (also im Wesentlichen eine Kurbelwinkelinformation) können dabei intern aus dem Messsignal oder extern von einem angeschlossenen Signalgeber an einer Kurbelwelle bezogen werden.
Aus dem Artikel "Simulationsmodelle von Verbrennungsmotoren für Echtzeitanwendungen", Gheorghiu V., Haus der Technik e.V., Tagung Nr. E-30-202-056-8, 1998 geht hervor, wie eine Kurbelwinkelinformation aus einem gemessenen Druckverlauf berechnet werden kann, wobei auch eine Ungleichförmigkeit der Kurbelwellenumdrehungen berücksichtigt wird.
Diese Methoden zur Ermittlung einer Kurbelwinkelinformation aus einem im Wesentlichen periodischen Messsignal liefern natürlich nur Näherungen für die benötigte Kurbelwinkelinformation. Der dabei verursachte Fehler richtet sich im Wesentlichen nach der verwendeten Methode zur Ermittlung der Kurbelwinkelinformation. Für die Anwendung im Bereich der Motorprüfstände sind solche Näherungsmethoden in der Regel aber ungeeignet und wurden daher bisher nicht Betracht gezogen. Für die Verwendung im Bereich der Fahrzeug Onboard Mess- bzw. Indiziertechnik oder im Low End Indiziermarkt, sind aber solche aufwendigen Indiziertechniken zu kostspielig und zu kompliziert.
Bekannt geworden sind bereits Ladungsverstärker mit integrierter Spitzenwertbestimmung aus dem Messsignal. Solche Ladungsverstärker sind aber nur bedingt einsetzbar, da damit eben nur ein einziger Motorkennwert ermittelt werden kann und keine Flexibilität vorhanden ist. Für eine sinnvolle Anwendung werden aber in der Regel verschiedene Motorkennwerte benötigt.
Es ist nun eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, eine Indizieranordnung, die besonders einfach und kompakt aufgebaut ist, günstig ist, einfach zu installieren und in Betrieb zu nehmen ist und trotzdem wesentliche Motorkennwerte ermitteln kann, sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird für die Indizieranordnung und das zugehörige Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit der Berechnungseinheit aus der mit der Sensoreinheit aufgenommenen Messgröße eine Kurbelwinkelinformation berechnet wird und aus der Messgröße und der berechneten Kurbelwinkelinformation zumindest ein Motorkennwert, der die Kenntnis einer Kurbelwinkelinformation voraussetzt, ermittelt und als Ausgangssignal an einem Ausgang ausgegeben wird.
Im Gegensatz zu einer Anwendung der High End Indiziertechnik im Bereich der Motorprüfstände soll bei einer Anwendung im Low End Indiziermarkt, also z.B. bei sehr kostengünstigen Prüfständen, oder beispielsweise auch in der Onboard Messtechnik für Serienfahrzeuge, zur Parametrisierung, Kalibrierung, Diagnose, Überwachung, Steuerung etc. eines Verbrennungsmotors, der Aufwand und die Kosten für die Indiziertechnik wünschenswerterweise eher gering sein. Dies kann mit einer herkömmlichen Indizieranordnung bzw. Sensorik aus den oben genannten Gründen nicht erreicht werden. Bisher war es notwendig, mit bekannten Indiziergeräten, wie z.B. einem Zylinderdruckaufnehmer, Messwerte aufzunehmen und einem Motorsteuergerät (ECU) oder einer Verarbeitungseinheit zuzuführen, wo die Messwerte, oftmals unter Berücksichtigung anderer Messwerte, wie z.B. gemessener Kurbelwinkel, und gegebenenfalls mittels hinterlegter Kennfelder, ausgewertet werden. Die dazu notwendige Sensorik erhöht natürlich die Kosten und den Aufwand für Installation, Inbetriebnahme, Wartung und Parametrierung der Sensoren und des Motorsteuergeräts bzw. der Verarbeitungseinheit. Diese Nachteile werden nun durch eine erfindungsgemäße Indizieranordnung vermieden, indem die benötigten Kennwerte ohne zusätzlichen Kurbelwinkeleingang (was zusätzliche teure Sensorik und zusätzlich benötigte Signaleingänge bedeuten würde) integriert in der Indizieranordnung ermittelt werden, da erkannt wurde, dass die so erzielte Genauigkeit in der Ermittlung der Kennwerte für die Anwendung im Bereich der Fahrzeug Onboard Messtechnik oder im Low End Indiziermarkt, aber auch bei anderen Anwendungen, die mit einer geringeren Genauigkeit auskommen, ausreichend ist. Insbesondere erreicht man mit einer erfindungsgemäßen Indizieranordnung niedrige Investitionskosten, eine einfachere Installation im Fahrzeug, eine einfachere Parametrierung, einen Zeitvorteil bei der Inbetriebnahme und Messung, die Übertragungsmöglichkeit an Fremdsysteme und eine Qualitätssteigerung bei gleichzeitiger Zeitersparnis (durch Vermeidung von Iterationsschleifen) in der Motorentwicklung. Weiters ist für eine solche Indizieranordnung keinerlei tiefgründiges Expertenwissen zur Bedienung notwendig. Auch ist eine gezielte Suche einer Fehlfunktion (der Komponenten bzw. Softwarestruktur der Motorsteuerung) durch diese Anwendung möglich. Außerdem bietet eine solche Indizieranordnung durch die nahezu beliebige Ermittlung von Kennwerten sehr flexible Anwendungsmöglichkeiten. Für bestimmte Sensoreinheiten ist es vorteilhaft, wenn in der Indizieranordnung zwischen der Sensoreinheit und der Berechnungseinheit ein Signalverstärker, insbesondere ein Ladungsverstärker, vorgesehen ist, der das Sensorsignal entsprechend aufbereitet, also z.B. verstärkt, konditioniert, filtert und/oder digitalisiert.
Die Flexibilität und der Nutzen einer erfindungsgemäßen Indizieranordnung wird weiters erhöht, wenn in der Berechnungseinheit vorgesehen ist, zusätzliche Kennwerte, wie z.B. Spitzendruck, Verbrennungsgeräusch oder Klopfstärke, aus der Messgröße allein, also ohne die Verwendung einer Kurbelwinkelinformation, zu ermitteln.
Weiters kann es vorteilhaft sein, dass eine Auswerteeinheit mit mehreren Eingängen für verschiedene Messkanäle ausgestattet ist und für jeden Messkanal oder jede Gruppe von Messkanälen mit mindestens einem Messkanal eine eigene Berechnungseinheit vorgesehen ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass diese mehreren Berechnungseinheiten auch untereinander kommunizieren und also Daten untereinander austauschen können. Vorteilhafterweise kann das aber auch eine einzige Berechnungseinheit für alle Messkanäle sein.
Mehrere Messkanäle sind z.B. bei der Indizierung an einem Mehrzylindermotor von großer Bedeutung: Jeder Zylinder wird mit einem eigenen Zylinderdrucksensor ausgestattet und die mehreren Zylinderdruckverläufe sollen auf Basis der für alle gemeinsam gültigen Kurbelwinkelinformation ausgewertet werden. In diesem Fall ist es für die Ermittlung der Kurbelwinkelinformation natürlich besonders vorteilhaft, dass nicht nur ein, sondern mehrere Signale mit kurbelwinkelabhängigem Signalanteil vorhanden sind, wobei zusätzlich ein in der Regel vorhandenes a-priori Wissen über die Geometrie des Motors und damit über den zwischen den einzelnen Signalen vorhandenen Zeit- bzw. Kurbelwinkel-Versatz genutzt werden kann.
Wenn sämtliche Einheiten der Indizieranordnung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden, erhält man ein besonders kompaktes Gerät, das einfach anwendbar ist und insbesondere auch den außerhalb des Geräts erforderlichen Verkabelungsaufwand verringert. Ein solches Gerät kann als „intelligenter Sensor" gesehen werden, da es bereits die benötigten Signale bzw. Daten und Motorkennwerte liefert und keinerlei nachgeschaltete Auswerteeinheiten mehr braucht.
Wenn in der Indizieranordnung eine Filtereinheit und/oder eine Signalkonditioniereinrichtung und/oder ein Verstärker vorgesehen ist, kann der Aufwand der nachgeschalteten Einheiten weiter reduziert werden, da die Indizieranordnung das Signal bereits in der benötigten Aufbereitung liefert.
Eine weitere Integrationsstufe kann erreicht werden, wenn ein Motorsteuergerät in die Indizieranordnung integriert wird, wodurch der Aufwand für die notwendige Hardware weiter reduziert werden kann. Eine solche Indizieranordnung lässt sich nun besonders vorteilhaft in einer Motorsteuerung integrieren, da der Motorsteuerung bereits die erforderlichen Kennwerte direkt zugeführt werden können, was den Aufwand in der Motorsteuerung reduziert, und andererseits der Aufwand für die Sensorik für die Motorsteuerung reduziert werden kann.
Die gegenständliche Erfindung wird anhand der schematischen, nicht einschränkenden Figuren 1 bis 4, die vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Anordnung der erfindungsgemäßen Indizieranordnung am Motor, Fig. 2 eine schematische Darstellung verschiedener Indizieranordnungen und Fig. 3 und 4 je ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Indizieranordnung.
In Figur 1 ist ausschnittsweise ein Zylinder 1 eines Verbrennungsmotors dargestellt. Im Zylinderhohlraum 3 wird ein Kolben 2 bewegt und am Zylinder 1 sind in bekannter Weise Ventile 4 und für den Fall eines Ottomotors eine Zündkerze 5 angeordnet, wobei die Erfindung natürlich auch bei Verbrennungsmotoren mit anderen Brennverfahren anwendbar ist. Außerdem ist am Zylinder 1 eine Indizieranordnung 6 bestehend aus einer Sensoreinheit 10 und einer Auswerteeinheit 8 angeordnet, die in diesem Fall z.B. den Zylinderdruck misst und auswertet. Unter einer Indizieranordnung wird allgemein in bekannter Weise eine Anordnung verstanden, die motorische Messgrößen, insbesondere aber nicht ausschließlich der Verbrennung, während des Betriebs, beispielsweise während eines Arbeitszyklus, mit hoher Auflösung der Abhängigkeit von Zeit oder Kurbelwinkel misst und/oder auswertet. Die Indizieranordnung 6 bzw. die Auswerteeinheit 8 der Indizieranordnung 6 kann, wie in diesem Beispiel, mit einem Motorsteuergerät 7 einer Motorsteuerung oder mit einer sonstigen Verarbeitungseinheit verbunden sein.
Die Indizieranordnung 6 umfasst - wie in Detail in Fig. 2a dargestellt - eine Sensoreinheit 10 zur Erfassung einer Messgröße, z.B. einen piezoelektrischen Druckaufnehmer, einen Dehnungsmessstreifen, piezoresisitive Druckaufnehmer, Körperschall-Klopfsensoren, Sensoren für die Schall- und Ultraschallemissionsanalyse, lonenstromsonden, Flammlichtsensoren, Sensoren für Nadelhub, Ventilhub oder Kolbenhub, etc., und eine Auswerteeinheit 8. Die Sensoreinheit 10 und die Auswerteeinheit 8 sind dabei über eine geeignete Leitung miteinander verbunden und das Signal der Sensoreinheit 10 wird der Auswerteeinheit 8 über einen Eingang 14 zugeführt. In der Auswerteeinheit 8 ist eine Berechnungseinheit 12, wie z.B. ein Mikroprozessor oder ein DSP (Digital Signal Processor), angeordnet, mittels der die gemessene Messgröße, hier z.B. der Druck im Zylinder 1 , zu einem Motorkennwert weiterverarbeitet wird. Die dazu eventuell erforderliche Analog-Digital-Wandlung des Messsignals kann dabei direkt in der Berechnungseinheit 12 oder auch davor erfolgen. Das von der Berechnungseinheit 12 der Auswerteeinheit 8 bearbeitete Signal wird an einem Ausgang 13 analog oder digital ausgegeben. In der einfachsten Ausführung können die Auswerteeinheit 8 und die Berechnungseinheit 12 natürlich auch als eine einzige Einheit ausgeführt sein.
Ebenfalls kann an der Auswerteeinheit 8 auch eine Anzeigeeinrichtung 15 angeordnet sein, an der ein berechneter Motorkennwert angezeigt werden kann.
Zwischen Sensoreinheit 10 und Berechnungseinheit 12 kann in bekannter Weise auch ein Signalverstärker, insbesondere ein Ladungsverstärker 11 für einen piezoelektrischen Sensor, angeordnet sein, wie in Fig. 2b dargestellt. Je nach Art der Sensoren können die verschiedenen bekannten Signalverstärkerschaltungen zum Einsatz kommen. Für piezoelektrische Sensoren, die u.a. zur Messung von Druck, Kraft, Drehmoment, und Beschleunigung eingesetzt werden, hat sich das Prinzip des Ladungsverstärkers (im engeren Sinn) gegenüber Elektrometerverstärkern und Transimpedanzverstärkern (z.B. Spannungs-Strom- bzw. Ladungs-Strom-Konverter) weitgehend durchgesetzt. Auch für Ladungsverstärker im engeren Sinn sind verschiedene Schaltungen bekannt geworden.
Außerdem können in der Indizieranordnung 6, z.B. in der Auswerteeinheit 8 oder zwischen der Sensoreinheit 10 und der Auswerteeinheit 8, auch noch hier nicht dargestellte Filtereinheiten und/oder Signalkonditioniereinrichtungen, vorgesehen sein.
Die Berechnungseinheit 12 berechnet aus der gemessenen Messgröße eine Kurbelwinkelinformation, wie z.B. eine Drehzahl, die Dauer einer Umdrehung der Kurbelwelle, die momentane Winkelgeschwindigkeit, die Dauer eines Arbeitszyklus, die Dauer eines Arbeitszyklus dividiert durch die Zylinderanzahl oder einen momentanen Drehwinkel in beliebiger Winkelauflösung, und ermittelt aus der gemessenen Messgröße und der berechneten Kurbelwinkelinformation einen Motorkennwert bzw. eine Indizierkenngröße, wie z.B. den indizierten Mitteldruck, Massenumsatzpunkte, Brennverlauf, Schwerpunktlage der Verbrennung, Komponenten der Ordnungsanalyse, Zündverzug in Grad Kurbelwinkel, etc.. Die Indizieranordnung 6 beziehungsweise die Auswerteeinheit 8 benötigt somit keinen eigenen Kurbelwinkeleingang, weshalb die Anforderungen an die benötigte Sensorik sehr gering sind. Der so ermittelte und am Ausgang 13 ausgegebene Motorkennwert kann, z. B. wie in Fig. 1 angedeutet, über eine geeignete Leitung einem Motorsteuergerät 7 oder einer anderen Verarbeitungseinheit zur weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Das Ausgangssignal kann dabei von der Auswerteeinheit 8 sowohl analog als auch digital ausgegeben werden.
Die Berechnungseinheit 12 kann dabei auch beliebig programmiert werden, sodass der Anwender beliebige Auswertungen der Messgröße ermöglichen kann. Dies umfasst sowohl die Art der Ermittlung der Kurbelwinkelinformation als auch, welcher bzw. welche Motorkenn- wert(e) ermittelt wird (werden). Es können aus einer Messgröße natürlich auch mehrere unterschiedliche Kurbelwinkelinformationen abgeleitet werden, z.B. in unterschiedlichen Nähe- rungsgenauigkeiten, die zusammen mit der Messgröße zu unterschiedlichen Motorkennwerten ausgewertet werden können.
Als Messgröße kommt grundsätzlich jede Größe in Frage, die einen kurbelwinkelabhängigen Anteil enthält, also eine Größe, die von der Zeit bzw. vom Kurbelwinkel abhängig ist und aus der folglich eine Kurbelwinkelinformation ableitbar ist. Insbesondere interessant sind Größen, die eine Periodizität in der Zyklusperiode (beim 4-Takter 720°, beim 2-Takter 360°) aufweisen oder zumindest einen solchen Signalanteil haben. Sonstige Signalanteile, insbesondere solche die von transienten Betriebszuständen des Motors oder von außen kommenden Einflüssen herrühren, sind für die Ermittlung der Kurbelwinkelinformation ungeeignet. In Frage kommen z.B. die folgenden Größen: Zylinderdruck, Flammlicht im Zylinder, lonenstrom im Zylinder, Zündspannung, Zündstrom, Einspritzdruck, mechanische Vibrationen, Körperschall, Luftschall z.B. am Zylinderkopf oder nahe am Feuerdeck, Druckpulsationen von Ansaugluft oder Abgas. Zur Erfassung dieser Größen gibt es jeweils bekannte Sensoren. Diese Größen sind im stationären Betrieb des Motors im Wesentlichen periodische Signale. Im realen Betrieb eines Motors ändern sich die Betriebszustände des Motors durch Beschleunigen oder Verzögern aber laufend. Zum Beispiel ändert sich im Motorhochlauf oder bei einer raschen Beschleunigung die Drehzahl bzw. momentane Winkelgeschwindigkeit innerhalb eines Arbeitszyklus, weshalb herkömmliche FFT-Analysen zur Auswertung der Messgrößen häufig versagen und weiterentwickelte Methoden verwendet werden müssen, wie etwa das aus der AT 001 519 U bekannt gewordene Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine.
Ein derart ermittelter Motorkennwert kann in einer nachgeschalteten Verarbeitungseinheit als Indiziergröße gespeichert werden, was z.B. die nachträgliche Auswertung der aufgezeichneten Messdaten und Parameter des Motorbetriebs ermöglicht. Ebenso ist der Einsatz in der Motorentwicklung bzw. Motorkalibrierung und dem Motortest denkbar, z.B. zur Auslegung der Verbrennung in Grenzbereichen, wie Klopfen oder Volllast bei Dieselmotoren, oder zur Verbesserung des Komforts, z.B. hinsichtlich Verbrennungsgeräusche, oder einfach nur zur Überwachung eines Dauerlaufes. Ein solcher Motorkennwert kann aber auch für die Fahr- zeug-Onboard-Messtechnik und Motorsteuerung herangezogen werden. Beispielsweise könnte der Motorkennwert verwendet werden, um den Motor bzw. gewisse Aspekte des Motors (z.B. die Verbrennung) zu steuern oder Adaptionen an der Motorsteuerung (z.B. von hinterlegten Kennfeldern) aufgrund sich ändernder Motorverhältnisse durchzuführen. Ebenso könnte durch die Überwachung bestimmter Motorkennwerte ein Problem im Motor erkannt und angezeigt werden.
Von besonderer Bedeutung ist die Analyse des Energieflusses bzw. die Erstellung einer E- nergie- oder Leistungsbilanz von Verbundsystemen mit unter anderem einer Verbrennungskraftmaschine. Während es bei Elektromaschinen vergleichsweise einfach ist, die zu- oder abgeführte Leistung und Energie zum Beispiel aus den elektrisch messbaren Größen des Elektroanschlusses zu bestimmen, werden dafür bei Verbrennungsmotoren im Allgemeinen mechanische und/oder thermodynamische Messeinrichtungen mit relativ hoher zeitlicher Auflösung benötigt, also eine Indiziervorrichtung, die imstande ist, die benötigten aktuellen oder beispielsweise über einen Verbrennungszyklus gemittelten Werte der erbrachten Leistung und Energie zu ermitteln und für die Auswertung zur Verfügung zu stellen. Eine erfindungsgemäße Indizieranordnung kann daher auch für solche Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden.
Klarerweise können neben einem Motorkennwert, der zur Ermittlung eine Kurbelwinkelinformation benötigt, noch beliebig andere Motorkennwerte ermittelt werden, die ohne Kurbelwinkelinformation auskommen und direkt aus der gemessenen Messgröße abgeleitet werden können. Solche Motorkennwerte können über den Ausgang 13 wiederum an ein Motorsteuergerät 7 oder an eine andere Verarbeitungseinrichtung übergeben werden.
Es ist aber genauso denkbar, das Motorsteuergerät 7 in die Indizieranordnung 6 zu integrieren. Dabei kann die Auswertung der Sensorsignale von der Auswerteeinheit 8, die auch Aufgaben der Motorsteuerung übernehmen kann, durchgeführt werden oder die Auswertung dieser Signale könnte direkt vom Motorsteuergerät 7, das ja in der Regel eine Berechnungseinheit, wie z.B. einen Mikroprozessor enthält, erfolgen, wodurch eine zusätzliche Auswerteeinheit 8 in der Indizieranordnung 6 auch entfallen könnte.
Genauso ist es natürlich möglich, in der Auswerteeinheit 8 mehrere Messkanäle für verschiedene Messgrößen vorzusehen, wie z.B. in Fig. 3 dargestellt. Dazu kann an der Auswerteeinheit 8 für jeden Messkanal ein eigener Eingang 14 angeordnet sein. Damit ist es möglich, mit einer Indizieranordnung 6 bzw. mit der Auswerteeinheit 8, die Messgrößen mehrerer Sensoreinheiten 10 zu bearbeiten und auszuwerten. Zum Beispiel können unterschiedliche Sensoreinheiten 10 an unterschiedlichen Stellen des Motors angeordnet werden oder es kann z.B. an jedem Zylinder ein Druckaufnehmer zur Messung des Zylinderdruckes angeordnet werden. Diese weiteren Messgrößen können in der Indizieranordnung 6 wiederum auf Kurbelwinkelbasis, wobei die dafür erforderliche Kurbelwinkelinformation wiederum aus zumindest einer Messgröße abgeleitet wird, oder ohne Kurbelwinkelinformation ausgewertet werden. Dazu kann es natürlich ausreichend sein, aus nur einer Messgröße eine Kurbelwinkelinformation zu berechnen. Aber es ist natürlich genauso möglich, zu jeder Messgröße eine eigene Kurbelwinkelinformation zu berechnen.
Ebenso kann in der Auswerteeinheit 8 zu jedem Messkanal eine eigene Berechnungseinheit 12 vorgesehen sein, wie in Fig. 3 dargestellt, oder es kann auch für einen oder eine Gruppe von Messkanälen, bestehend aus zumindest einem Messkanal, nur eine einzige Berechnungseinheit vorgesehen sein, wie z.B. in Fig. 4 dargestellt. Ebenso kann natürlich ein even- tuell erforderlicher Ladungsverstärker 1 1 auch direkt in der Sensoreinheit 10 angeordnet sein.
Die einzelnen Komponenten der Indizieranordnung 6 können natürlich auch in einem gemeinsamen Gehäuse 9 angeordnet sein - wie in Fig. 2, c) angedeutet - und einen „intelligenten Sensor" bilden, der als kompaktes Gerät besonders einfach gehandhabt werden kann. Ein solches geschlossenes Gehäuse 9 erspart natürlich auch notwendige externe Verkabelung zwischen dem Sensor 10 und der Berechnungseinheit 12. Die Indizieranordnung 6 enthält dann bereits selbst sämtliche Einheiten, die zur Auswertung des Messsignals erforderlich sind.
Die Parametrierung der Indizieranordnung 6 bzw. der Auswerteeinheit 8 oder der Berechnungseinheit 12, z.B. die Empfindlichkeit oder Auflösung der Sensoreinheit 10, kann wie hinlänglich bekannt vorab durch eine zugehörige Software erledigt werden. Es wäre aber auch denkbar, eine selbstständige Parametrierung vorzusehen, bei der sich die Indizieranordnung 6 oder Teile davon während eines Lernvorgangs selbst parametrisiert.
Eine oben beschriebene Indizieranordnung kann bei Verbrennungskraftmaschinen in praktisch beliebiger Konfiguration und Umgebung verwendet werden, insbesondere bei jeglichen Prüfständen, wie z.B. am F&E-Prüfstand oder am Produktionsprüfstand, an der Verbrennungskraftmaschine alleine, wie z.B. als Antrieb, als Hilfsantrieb oder als Generator, oder in Verbindung mit anderen Komponenten, wie z.B. mit Komponenten des Antriebstranges, mit dem gesamten Antriebstrang oder im Fahrzeug. Es ist aber natürlich auch die Verwendung in der Serienanwendung (sozusagen auf der Strasse oder am Wasser, usw.) oder in der Werkstätte, im Dock, etc. denkbar.

Claims

Patentansprüche
1. Indizieranordnung zur Bestimmung zumindest eines Motorkennwertes, mit einer Sensoreinheit (10), die eine Messgröße mit einem kurbelwinkelabhängigen Anteil aufnimmt und mit einer Berechnungseinheit (12), die über einen Eingang (14) mit der Sensoreinheit (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (12) aus der mit der Sensoreinheit (10) aufgenommenen Messgröße eine Kurbelwinkelinformation berechnet und aus der Messgröße und der berechneten Kurbelwinkelinformation den zumindest einen Motorkennwert, der die Kenntnis einer Kurbelwinkelinformation voraussetzt, ermittelt und als Ausgangssignal an einem Ausgang (13) ausgibt.
2. Indizieranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Indizieranordnung (6) zwischen der Sensoreinheit (10) und der Berechnungseinheit (12) ein Signalverstärker (1 1 ), insbesondere ein Ladungsverstärker, vorgesehen ist.
3. Indizieranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Berechnungseinheit (12) bereits aus der Messgröße allein ein zusätzlicher Kennwert ermittelbar ist.
4. Indizieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (8) mit mehreren Eingängen (14) für verschiedene Messkanäle vorgesehen ist und zu jedem Messkanal eine eigene Berechnungseinheit (12) vorgesehen ist.
5. Indizieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (8) mit mehreren Eingängen für verschiedene Messkanäle vorgesehen ist und zu den Messkanälen oder zu einer Gruppe von Messkanälen eine einzige Berechnungseinheit (12) vorgesehen ist.
6. Indizieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Indizieranordnung (6) eine Filtereinheit und/oder eine Signalkonditioniereinrichtung und/oder ein Verstärker vorgesehen ist.
7. Indizieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Indizieranordnung (6) in einem gemeinsamen Gehäuse (9) angeordnet ist.
8. Indizieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Indizieranordnung (6) ein Motorsteuergerät (7) umfasst.
9. Indizieranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Auswerteeinheit eine Berechnungseinheit des Motorsteuergerätes (7) vorgesehen ist.
10. Motorsteuerung mit einer Indizieranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Indizieranordnung (6) mit einem Motorsteuergerät (7) verbunden ist und dem Motorsteuergerät (7) zumindest einen Kennwert des Motors liefert, der im Motorsteuergerät (7) zur Steuerung des Motors verwendet wird.
1 1. Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Kennwertes eines Motors, bei dem eine Indizieranordnung (6) am Motor oder einem Aggregat des Motors angebracht wird und mit einer Sensoreinheit (10) der Indizieranordnung (6) eine Messgröße mit einem kurbelwinkelabhän- gigen Anteil gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Berechnungseinheit (8) der Indizieranordnung (6) aus der Messgröße eine Kurbelwinkelinformation berechnet und aus der Messgröße und der berechneten Kurbelwinkelinformation den Motorkennwert ermittelt.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Kennwert, der bereits aus der Messgröße alleine ermittelbar ist, ermittelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorkennwert in einem Motorsteuergerät (7) einer Motorsteuerung zur Steuerung des Motors verwendet wird.
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