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Verfahren zur Prüfung von Kenndaten eines
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Verbrennungsmotors und Vorrichtung zu dessen Durchführung Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Prüfung von Kenndaten eines Verbrennungsmotors gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.
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Es ist bereits ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, (DE-OS 28 30
674), bei welchem das Drehmoment indirekt (dynamisch) ermittelt wird. Bei dem nur
durch sein eigenes Trägheitsmoment und ohne äußere Last belasteten Motor werden
durch eine ohne in den Motor eingreifende Messung die Zündimpulse detektiert, welche
der Motordrehzahl proportional sind. Durch Frequenzspannungswandlung und eine Differentiationsschaltung
wird ein Signal erzeugt, welches der rein kinematischen Größe der Winkelbeschleunigung
bzw. Winkelgeschwindigkeit proportional ist. Durch Multiplikation mit dem festen
motorspezifischen Wert für das Trägheitsmoment erhält man dann das Drehmoment nach
der Beziehung
welches als Funktion der aus der Winkelgeschwindigkeit
abgeleiteten
Motor-Drehzahl dargestellt werden kann.
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Grundsätzlich weist dieses Verfahren zur indirekten Ermittlung des
Drehmomentes die Vorteile auf, daß einerseits auf den erheblichen technischen und
materiellen Aufwand eines Rollenprüfstandes verzichtet werden kann und daß andererseits
keinerlei mechanische Hilfsmittel - wie Rollen, Bremsen usw. - benötigt werden und
vor allem der Motor nicht aus dem Fahrzeug ausgebaut werden muß. Weniger vorteilhaft
ist die Art der Ermittlung des Drehmomentes mit den einzelnen Vorrichtungskomponenten,
da die vorwiegend analoge Signalverarbeitung wohlabgestimmte Differenzierglieder
erforderlich macht, um unerwünschte Frequenzanteile im Meßsignal unterdrücken zu
können, welche in erster Linie durch Drehschwingungen der Kurbelwelle verursacht
und über Gas- und Massenkräfte periodisch und gleichphasig mit den Umdrehungen der
Kurbelwelle erregt werden. Außerdem muß sichergestellt sein, daß zwischen dem Drehzahl-
und dem Drehmomentsignal keine Phasenverschiebung auftritt. Nachteilig ist an dem
genannten Verfahren, daß nur die Beschleunigung des Motors gemessen und die Leistung
geprüft wird.
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Hiermit ist jedoch eine Motoranalyse insgesamt nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren so weiterzubilden,
daß zum einen durch einen nur Sekunden dauernden Motorprüflauf eine Motordiagnose
insgesamt ermöglicht wird - trotz wesentlicher Vereinfachung des Verfahrens - und
daß zum anderen unerwünschte Frequenzanteile systematisch unterdrückt werden, um
eine höhere Meßgenauigkeit zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich nach
dem Wortlaut des Anspruches 7 aus.
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Erfindungswesentlich an dem beanspruchten Verfahren ist zum einen,
daß aus einer Folge von gemessenen Gesamt- bzw. Teilumlaufzeiten der Kurbelwelle
der Drehmomentverlauf bestimmt wird, welche gleichphasige Zeitmessung zudem unerwünschte
Frequenzanteile systematisch unterdrückt;daß die Zeitmessung unterschiedlich erfolgt:
einerseits bezogen auf die Umdrehungen der Kubelwelle, andererseits bezogen auf
die Zahnbewegungen des Kurbelwellenzahnrades, wodurch eine exakte Auswertung der
einzelnen Phasen während des Prüflaufes des Motors ermöglicht wird; zum anderen,
daß die mit unterschiedlicher Zeitmessung ermittelten Drehmomentverläufe in besonderer
Weise den einzelnen Phasen des Motorprüflaufes zugeordnet werden, wodurch insgesamt
eine Diagnose des Motors nach den Hauptgruppen Zündung, Gemischbildung und Mechanik
möglich ist Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer formelmäßigen Beziehungen
sollen die nachstehenden Ausführungen dienen.
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Im Leerlauf, beim Hochlauf des Motors im Leergang und beim Motorauslauf
gilt für das zu bestimmende Drehmoment M
M (t) = g d# (1) dt wobei
g (kgm2) : das Trägheitsmoment des Motor (alle mitdrehenden Triebwerksteile) t(s
1) : die Winkelgeschwindigkeit und t ( s ) : die Zeit ist.
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Im Fall M (o) = D = const. wird nun erfindungsgemäß aus einer Folge
von gemessenen Umdrehungsdauern T1 T1,......
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Tk der Drehmomentverlauf wie folgt bestimmt: Für die Umdrehungsdauer
T gilt allgemein 2# = a>0T + D . T 2 (2) 2 # Werden für 2 aufeinanderfolgende
Umdrehungen der Kurbelwelle die jeweiligen Umlaufzeiten T1 und T2 gemessen, so kann
daraus das Drehmoment berechnet werden D = 2 9 ( 2n - #0. T1) (3) T12 D = 2 # .
( 2# - #1 . T2) (4) T22
wobei o : Winkelgeschwindigkeit zu Beginn
der 1. Umdrehung #1 : Winkelgeschwindigkeit zu Beginn der 2. Umdrehung T1 : Umdrehungsdauer
der 1. Umdrehung T2 : Umdrehungsdauer der 2. Umdrehung.
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Aus G1 . (1) und M (£ ) = D = const. ergibt sich durch Integration
#1 = #0 + D - T1 (5) # und aus den G1. (5), (4), (3) folgt nach dem Auflösen nach
D D 9 T1 . T (6) T1. T2 T1 + Gleichung (6) ermöglicht also für den Fall, daß das
Drehmoment innerhalb der Meßzeit T1 + T2 konstant oder annähernd konstant ist, die
Berechnung des Drehmoments aus zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen.
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Dabei muß das Trägheitsmoment 9 bekannt sein, was der Fall ist, da
das Trägheitsmoment während des Prüflaufes im Leergang zeitlich konstant bleibt
und somit
mit dem festen motorspezifischen Wert für das Trägheitsmoment
gerechnet werden kann. Die aufeinander folgenden Umlaufzeiten T1 und T2 sind zu
messen, wobei die Genauigkeit des Drehmoments wesentlich durch die Genauigkeit der
Umdrehungsdauer bestimmt ist.
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In praktischen Fällen ist jedoch das Drehmoment nicht konstant, sondern
von der Motordrehzahl abhängig. Allerdings verlaufen die Drehmomentkurven von Verbrennungsmotoren
unter Vollast recht flach. Nur im unteren und oberen Drehzahlbereich wird ein im
allgemeinen steilerer Anstieg bzw. Abfall beobachtet. Da aber zumindest im oberen
Drehzahlbereich der Drehzahlanstieg von Umdrehung zu Umdrehung gering ist, kann
bei der Auswertung über wenige Umdrehungen mit annähernd konstantem Drehmoment gerechnet
werden. G1. (6) kann als gute Näherungslösung betrachtet werden. Neben dem Drehmoment
interessiert noch die zugehörige Winkelgeschwindigkeit bzw. Motordrehzahl, wobei
das nach G1. (6) berechnete Drehmoment dann auf eine mittlere Winkelgeschwindigkeit
Co bezogen wird: 2 T 2 õ a= 1 T2 (7) 2 Eine Bestimmung des Drehmomentverlaufs aus
den Zeiten T1 und T2 von 2 aufeinanderfolgenden Umdrehungen ist also nur dann mit
ausreichender Genauigkeit möglich,
wenn die Umdrehungsdauer sehr
genau bestimmt wird.
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Da insbesondere im oberen Drehzahlbereich die Änderungen der Umdrehungsdauer
gering sind, empfiehlt es sich, je nach Genauigkeit der Zeitmessung die Auswertung
gegebenenfalls auf mehrere Umdrehungen ab zustützen.
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Entsprechend den Berechnungen für 2 aufeinanderfolgende Umdrehungen
erhält man für jeweils m aufeinanderfolgende Umdrehungen die Beziehung D 2 2 # .
= #0 . Tm + D . Tm² (8) Wird nun aus m aufeinanderfolgenden Umdrehungen eine erste
Zeit Tm1 als Summe von m Umlaufzeiten gebildet
und aus m sich direkt anschließenden Umdrehungen eine zweite Zeit T m2
so erhält man analog den Gl. (3) und (4) als Drehmoment T 2 (2 T (2# m - #0 - Tm1)
(9) Tm1² D = 2 9 . (2# m m Mm Tm2) (10) Tm2² wobei
#p #m die Winkeklgeschwindigkeit
nach m ersten Umdrehungen bei einer Ausgangswinkelgeschwindigkeit Co ist: #m = Zo
+ G . Tmi (11) Analog zur Berechnung für 2 aufeinanderfolgende Umdrehungen erhält
man bei Zusammenfassung von jeweils m Umdrehungen die das Kennzeichen des Anspruches
2 bildende Beziehung: T D = . m . 9 ml m2 (12) Tm1 . Tm2 Tm1 + Tm2 Wird G1. (12)
als Näherungslösung im Fall drehzahlabhängigem Drehmoments benutzt, so ist das errechnete
Drehmoment auf eine mittlere Winkelgeschwindigkeit Co bzw.
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mittlere Drehzahl ñ zu beziehen:
Bei einer praktischen Auswertung gemäß Gl. (12) und G1. (13) stellt sich jedoch
die Frage, wieviel Umdrehungen zusammenzufassen sind, um das Drehmoment möglichst
genau zu bestimmen. Da G1. (12) exakt nur für konstantes
Drehmoment
gilt, ist es zweckmäßig möglichst wenig Umdrehungen zusammenzufassen, weil in einem
kleinen Drehzahlbereich noch am ehesten mit praktisch konstantem Drehmoment gerechnet
werden kann. Die beschränkte Genauigkeit, mit der die Umdrehungsdauer bestimmt werden
kann, zwingt andererseits die Zahl der Umdrehungen größer zu wählen, weil dann die
Differenz Tml - Tm2 wächst und somit der relative Meßfehler sinkt.
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Bei gegebenem Drehmomentverlauf gibt es jedoch für jeden Drehzahlbereich
ein Optimum. Eine zweckmäßige Bedingung zur Bestimmung der Anzahl m in G1. (12)
ist die Forderung, daß der relative Zeitfehler bei der Messung der Zeitdifferenzen
Tm1 - Tm2 ein vorgegebenes Verhältnis G nicht überschreiten sollte. Auf diese Weise
werden z.B. bei Auswertung des Hochlaufs im unteren Drehzahlbereich nur wenige Umdrehungen
(beispielsweise 2, d.h. m = 1) zur Auswertung nach G1. (12) und G1. (13) herangezogen,
weil die Änderung der Umdrehungsdauer hier am größten ist. Mit wachsender Drehzahl
verringert sich die Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen
und es werden dann zunehmend mehr Umdrehungen zur Auswertung zusammengefaßt, d.h.
m größer gleich 2.
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Ist A T die Zeitauflösung der Umdrehungsdauer, d.h. die Kurbelwellenumdrehung
wird mit einer absoluten Genauigkeit von - T gemessen, so sollte im gesamten Drehzahlbereich
die das Kennzeichen des Anspruches 4 bildende Bedingung gelten: G 2 . tT (14) Tm1
Tm2
wobei G ccl und aT ungefähr 1 bis 3 Mikrosekunden zu wählen
sind.
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Um jedoch eine Beeinflussung der Drehmomentmessung durch Drehschwingungen
- welche eindeutig aus halbzahligen Harmonischen resultieren - zu vermeiden oder
zumindest auf ein Minimum zu begrenzen, werden bei der Berechnung des Drehmomentverlaufs
desweiteren aus den gemessenen Umlaufzeiten der Kurbelwelle stets 2 Werte zusammengefaßt.
Für die Gl. (12) und (13) bedeutet dies, daß neben m = 1 m nur noch ein anderer
geradzahliger ganzer Wert sein kann.
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Um eine eindeutige Motordiagnose erstellen zu können, ist neben der
Ermittlung des Drehmomentes aus den Umlaufzeiten der Kurbelwelle und eine noch feiner
unterteilte Drehmomentermittlung aus den Umlaufzeiten der Zähne des Kurbelwellenzahnrades
erforderlich. Analog der Drehmomentermittlung durch Zusammenfassung von m aufeinanderfolgenden
Umdrehungen der Kurbelwelle erhält man bei der Drehmomentermittlung durch Zusammenfassung
von m* Zähnen folgende Beziehungen: m* gemessene Zeiten Tzi werden zu einer Zeit
Tm* zusammengefaßt
Durch Zusammenfassung weiterer m* gemessener Zeiten wird Tm*2
gebildet
Entsprechend Gl. (12) erhält man bei einer Zahnkranzauswertung über 2 m* Einzelwerte
die den Gegenstand des Anspruches 5 bildende Beziehung
wobei z die Anzahl der Zähne des Kurbelwellenzahnrades ist. Dieser Wert entspricht
dann einem mittleren Drehmoment in der Zeit Tz1 + Tz2 + ...... + Tzm*.
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Aufgrund ungleichmäßiger Zahnteilung und bedingt durch den Zählfehler
(Zähltakt) werden die Zeiten T zi mit einem Fehler T* gemessen. Dieser Zeitfehler
1IT* führt zu einem Drehmomentfehler D und es gilt näherungsweise
Bei gegebenen A T* und geeignet gewähltem aD (N 0,5 Nm) kann aus dieser Beziehung
m* optimal bestimmt werden.
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Nach diesen Erläuterungen wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand einer Zeichnung beschrieben.
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Die in der Figur dargestellte und mit 1 bezeichnete Vorrichtung besteht
im wesentlichen aus einer Zählerschaltung 2, einem Rechner mit Speicher 3 mit angeschlossenem
Monitor 4 und Drucker 5 und einem Steckeranschluß 6.
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Dieser Steckeranschluß 6 wird bei der Motorprüfung an einer Kupplung
7 des Motors angeschlossen und beim Prüflauf des im Fahrzeug eingebauten Motors
werden über die Leitungsverbindung 6, 7 einerseits der Zählerschaltung 2 über die
Signalleitung 8 Drehzahlsignale von einem die Kurbelwellenzahnradumdrehungen erfaßbaren
Drehzahlgeber, beispielsweise Induktivgeber und über die Signalleitung 9 DT-Signale
von einem den OT-Punkt (oberen Totpunkt) der Kurbelwelle erfaßbaren OT-Drehzahlgeber
und andererseits dem Rechner 3 ebenfalls über die Signalleitung 9 die OT-Signale
und über die Signalleitung 10 ein Auslösesignal von einem den Motorzylinder -1-
erfaßbaren Trigger zugeführt. In der Zählerschaltung 2 werden zum einen aus den
OT-Signalen die Umlaufzeiten T1, , Tk jeder Kurbelwellenumdrehung und zum anderen
aus den Drehzahlsignalen die Teilumlaufzeiten Tz1, , Tzk, in welchen jeweils zwei
benachbarte Zähne des Kurbelwellenzahnrades am Drehzahlgeber vorbeigeführt wurden,
ermittelt und über die Leitungen 11, 12 dem Rechner 3 zugeführt. Im Rechner 3 werden
dann zunächst aus den zugeführten Zeiten und den Speicherwerten (G, aT) und (D,
z, O,aT*) die Werte m und m* bestimmt und in Abhängigkeit von diesen gegebenenfalls
Einzelzeiten zu Gesamtumlaufzeiten
und Teilumlaufzeiten
zusammengefaßt.
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Sodann wird mit den jeweiligen Werten (m, Tm) und (m*, Tm*) das Drehmoment
und die Drehzahl errechnet. Über ein Rechnerprogramm wird hierbei die Drehmomentdarstellung
dem Prüflauf des Motors wie folgt zugeordnet. Im Leerlauf des Motors wird das Drehmoment
als Funktion der Zeit D=f (t) und des Kurbelwellendrehwinkels D = f (typ) auf Basis
der Werte (m*, Tm*) dargestellt, wobei t = 0 und t = = 0 dem oberen Totpunkt des
ersten Zylinders zugeordnet sind und welche Signale dem Rechner 3 über die Signalleitungen
9 und 10 zugeführt werden. Im Hochlaufbereich des Motors bis zu einer Maximaldrehzahl,
wobei das Hochlaufen manuell oder über eine von der Vorrichtung angesteuerte Hilfsvorrichtung
durch plötzliches Durchtreten des Gaspedals ausgelöst wird, wird das Drehmoment
in einem ersten Hochlaufbereich als Funktion der Zeit D = f (t) auf Basis der Werte
(m*, Tm* ) und in einem zweiten, gegebenenfalls auch im gesamten Hochlaufbereich
als Funktion der Drehzahl D = f(n ) auf Basis der Werte (m, Tm) dargestellt. Sobald
die vom Rechner jeweils errechnete Drehzahl n den Speicherwert nmax erreicht hat,
was durch einen Vergleicher im Rechner festgestellt wird, gibt der Rechner über
die Signalleitung 13 ein Signal an ein Stellglied im Motor ab, welches das Stellglied
zur Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr und Zündung aktiviert. In dem dann folgenden
Auslauf des Motors wird das Drehmoment in einem ersten Auslaufbereich als Funktion
der Drehzahl D = f (n) auf Basis der Werte (m, Tm) und in einem zweiten Auslaufbereich
als Funktion der Zeit D = f(t) und des Kurbelwellendrehwinkels D = f(y ) auf Basis
der Werte (m*, Tm*) dargestellt.
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Da zu den ermittelten und dargestellten Drehmomentwerten stets auch
die aus dem Speicher abgerufenen SOLL-Werte des Motors dargestellt werden, sind
durch den SOLL-IST-Vergleich der Meßwerte folgende Analysen möglich.
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Im Leerlaufbereich weisen im Drehmomentverlauf feststellbare Drehmomentschwankungen
auf eine Laufunruhe im Motorrundlauf hin und werden als Fehler in der Gemischbildung
(Luftzahl) lokalisiert. Im ersten Hochlaufbereich weisen im Drehmomentverlauf feststellbare
Drehmomentschwankungen auf schlechte Gasannahme und Drehmomenteinbrüche auf falschen
Zündzeitpunkt oder Zündaussetzer hin und werden als Fehler in der Gemischbildung
und Zündung lokalisiert, da in dieser Gasannahmephase die Zündanlage am stärksten
belastet wird.
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Im zweiten Hochlaufbereich weisen im Drehmomentverlauf feststellbare
Drehmomentschwankungen auf ein vermindertes Motordrehmoment hin und werden ebenfalls
als Fehler in der Gemischbildung und Zündung lokalisiert. Im ersten Auslaufbereich
weisen im Drehmomentverlauf feststellbare Abweichungen auf ein schlechtes Schleppmoment
(= Reibmoment, Schub) hin und im zweiten Auslaufbereich weisen Abweichungen auf
eine verminderte Kompression hin - verminderte Kompression erhöht sowohl das Schleppmoment
als auch die Laufunruhe - und werden als Fehler in der Mechanik (Luftdurchsatz)
des Motors lokalisiert.
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Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens gestatten, in einem sekundenschnellen Prüflauf das Drehmoment indirekt
zu ermitteln, Motorfehler zu erkennen und entsprechend den Hauptgruppen Zündung
- Gemischbildung - Mechanik zu lokalisieren. Ebenso sind zylinderspezifische Aussagen
möglich.