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DE102015102249A1 - Method and device for determining the power distribution of an internal combustion engine - Google Patents

Method and device for determining the power distribution of an internal combustion engine Download PDF

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DE102015102249A1
DE102015102249A1 DE102015102249.4A DE102015102249A DE102015102249A1 DE 102015102249 A1 DE102015102249 A1 DE 102015102249A1 DE 102015102249 A DE102015102249 A DE 102015102249A DE 102015102249 A1 DE102015102249 A1 DE 102015102249A1
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cylinder
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Maridis GmbH
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Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Leistungsverteilung einer Verbrennungskraftmaschine unter Nutzung des Drehungleichförmigkeitsverlaufs der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem erstmaligen Ausführen des Verfahrens zur Verbrennungskraftmaschine gehörende Daten wie z.B. Massen, Federkonstanten, Dämpfungen, die Zündfolge der Zylinder und andere Verbrennungskraftmaschinen-relevante Daten in einem Kennfeld in einer Verarbeitungseinheit bereitgestellt werden und sodann permanent mit Hilfe der Daten aus dem Kennfeld nach der Feststellung des Drehungleichförmigkeitsverlaufs an der Kurbelwelle eine Umrechnung in den Beschleunigungsverlauf an der Messstelle erfolgt, der Beschleunigungsverlauf einer Ordnungsanalyse unterzogen wird, eine Berechnung der Wechselanteile des Gesamtdrehmoments auf Basis der Ordnungsanalyse erfolgt, durch die Zündfolge eine Zuordnung der Wechselanteile auf die Zylinder erfolgt und so die prozentualen Leistungsanteile bei einer bestimmten Drehzahl über ein Gleichungssystem für die Zylinder ermittelt werden.Method for determining the power distribution of an internal combustion engine using the rotational irregularity curve of the crankshaft of the internal combustion engine, characterized in that data belonging to the internal combustion engine for the first time, such as e.g. Masses, spring constants, damping, the firing order of the cylinder and other combustion engine-relevant data are provided in a map in a processing unit and then permanently using the data from the map after the determination of the rotational irregularity curve at the crankshaft, a conversion into the acceleration curve at the measuring point takes place, the acceleration profile of an order analysis is subjected to a calculation of the alternating components of the total torque based on the order analysis is done by the ignition sequence, an assignment of the alternating components to the cylinder and thus determines the percentage power components at a certain speed via a system of equations for the cylinder.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Leistungsverteilung einer Verbrennungskraftmaschine. Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.  The invention relates to a method for determining the power distribution of an internal combustion engine. In addition, the invention relates to a device with which the method can be performed.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Durch die steigenden Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen in Bezug auf Ökonomie, Ökologie und Sicherheit steigen auch die Anforderungen an die Betriebsführung der Maschinen. Besonders die Einhaltung der vom Hersteller vorgegebenen Betriebsparameter und damit die rechtzeitige Erkennung von Abweichungen zum Normalbetrieb werden immer wichtiger. Besonders wichtig ist in diesem Zusammenhang die gleichmäßige Verteilung der Zylinderleistung. Abweichungen führen hier zu erhöhtem Brennstoffverbrauch, zur Steigerung des Schadstoffausstoßes und zu einer erhöhten Belastung der Bauteile der Verbrennungskraftmaschine. Due to the increasing demands on internal combustion engines in terms of economy, ecology and safety, the requirements for the operation management of the machines are also increasing. In particular, compliance with the operating parameters specified by the manufacturer and thus the timely detection of deviations from normal operation are becoming increasingly important. Particularly important in this context is the even distribution of the cylinder output. Deviations lead here to increased fuel consumption, to increase pollutant emissions and to an increased load on the components of the internal combustion engine.

Die Bestimmung der Leistungsverteilung von Verbrennungskraftmaschinen erfolgt meist über die Messung des Zylinderdruckverlaufes der einzelnen Zylinder des Motors und der anschließenden Berechnung der indizierten Zylinderleistung. Bei dem in der DE 10 2010 051 370 A1 offenbarten Verfahren zur Bestimmung des indizierten Momentes einer Brennkraftmaschine wird auf einen Zylinderdruck des Führungszylinders zurückgegriffen, um die Momente der anderen Zylinder aus dem gemessenem Drehzahlverlauf zu bestimmen. Das erfordert relativ teure Mess- und Auswertetechnik. Gerade dadurch wird der Vorteil, den die Messung und Auswertung der Drehungleichförmigkeit mit ihrer einfachen und preiswerten Mess- und Auswertetechnik bietet, aufgehoben. Da viele Motoren keine Möglichkeit zur Druckmessung mehr haben, ist dieses Verfahren in der Praxis nur bedingt einsetzbar. The determination of the power distribution of internal combustion engines is usually via the measurement of the cylinder pressure curve of the individual cylinders of the engine and the subsequent calculation of the indicated cylinder power. In the in the DE 10 2010 051 370 A1 disclosed method for determining the indicated torque of an internal combustion engine is used on a cylinder pressure of the guide cylinder to determine the torque of the other cylinders from the measured speed profile. This requires relatively expensive measuring and evaluation technology. Precisely because of this, the advantage offered by the measurement and evaluation of the rotational nonuniformity with its simple and inexpensive measurement and evaluation technology is canceled out. Since many engines no longer have the ability to measure pressure, this method is only partially usable in practice.

Auch in der Patentschrift DE 10 2006 053 255 B3 wird ein Verfahren zur Bestimmung des Zylinderinnendrucks einer Brennkraftmaschine aus dem Drehungleichförmigkeitsverlauf vorgestellt. Hierbei wird über ein adaptives Verfahren der Zylinderinnendruck bestimmt, allerdings nicht die Leistungsverteilung der Zylinder. Für das Verfahren ist ein relativ genaues und damit aufwändiges Innenprozessmodell erforderlich, von dem eine große Anzahl Modellparameter des Motors bekannt sein müssen. Diese Parameter stehen in der Praxis oft nicht zur Verfügung. Weiterhin wird beim vorgestellten Verfahren auf eine Berücksichtigung eines elastischen Drehschwingungssystems verzichtet. Damit ist dieses Verfahren nur an kleineren Motoren mit einem relativ starren Drehschwingungssystem einsetzbar. Bei Großdieselmotoren mit elastischen Drehschwingungssystemen ist dieses Verfahren in der Praxis zu ungenau. Also in the patent DE 10 2006 053 255 B3 A method for determining the internal cylinder pressure of an internal combustion engine from the rotational irregularity curve is presented. In this case, the cylinder internal pressure is determined via an adaptive method, but not the power distribution of the cylinders. For the method, a relatively accurate and therefore expensive internal process model is required, of which a large number of model parameters of the engine must be known. These parameters are often not available in practice. Furthermore, the consideration of an elastic torsional vibration system is dispensed with in the presented method. Thus, this method can only be used on smaller engines with a relatively rigid torsional vibration system. In large diesel engines with elastic torsional vibration systems, this method is too imprecise in practice.

Eine Bewertung der Leistungsverteilung mit Hilfe der gemessenen Abgastemperaturen ist sehr ungenau. Da die Abgastemperatur eines Zylinders neben der Zylinderleistung auch stark vom Zündzeitpunkt abhängig ist, verursachen Früh- oder Spätzündungen starke Verfälschungen des Ergebnisses.  An assessment of the power distribution using the measured exhaust gas temperatures is very inaccurate. Since the exhaust gas temperature of a cylinder is also heavily dependent on the ignition point in addition to the cylinder output, causing premature or spark ignitions strong distortions of the result.

Durch die in den vergangenen Jahren vorangetriebene Entwicklung der Sensorik und der Mikrokontroller ist es möglich, den Drehungleichförmigkeitsverlauf an der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine mit einfachen und preiswerten Systemen zu messen. Mit dieser Messung wird ein Drehzahlverlauf über ein Arbeitsspiel der Verbrennungskraftmaschine aufgenommen. Dieser Drehzahlverlauf ist das Ergebnis der durch die einzelnen Zylinder eingebrachten Drehmomente. Betrachtet man die Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine als starres System, so ist die durch die Momente hervorgerufene Winkelbeschleunigung und damit die Winkelgeschwindigkeit an jeder Stelle der Kurbelwelle gleich.  Due to the development of sensors and microcontrollers that has been driven forward in recent years, it is possible to measure the rotational irregularity profile on the crankshaft of an internal combustion engine with simple and inexpensive systems. With this measurement, a speed curve is recorded over a cycle of the internal combustion engine. This speed curve is the result of the torques introduced by the individual cylinders. Considering the crankshaft of the internal combustion engine as a rigid system, so caused by the moments angular acceleration and thus the angular velocity at each point of the crankshaft is the same.

In der Praxis ist die Kurbelwelle jedoch als elastisches System mit Massen, Federkonstanten und Dämpfungen zu betrachten. Deshalb ist die an einer Stelle der Kurbelwelle gemessene Winkelgeschwindigkeit nicht an allen Stellen der Kurbelwelle identisch. Eine genaue Rückrechnung der Drehmomente der einzelnen Zylinder mit nur einer Messstelle ist aufgrund der Komplexität der Drehschwingungssysteme von Mehrzylindermotoren nicht direkt möglich.  In practice, however, the crankshaft is to be regarded as an elastic system with masses, spring constants and damping. Therefore, the angular velocity measured at one location of the crankshaft is not identical at all locations of the crankshaft. An accurate recalculation of the torques of the individual cylinders with only one measuring point is not directly possible due to the complexity of the torsional vibration systems of multi-cylinder engines.

Beispielhaft dürfen mehrere Schriften genannt werden. So ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2009 049 544 A1 ein Verfahren zur Erkennung von Zündaussetzern bei Verbrennungskraftmaschinen auf der Basis der Messung der Drehungleichförmigkeit an der Kurbelwelle beschrieben. Bei diesem Verfahren wird jeweils nur die Fehlfunktion eines Zylinders bewertet. Eine Bestimmung der Verteilung der Leistung der Zylinder erfolgt nicht. Im Verfahren sind weitere Messwerte z.B. von der Lambda-Sonde für die Validierung erforderlich. By way of example several fonts may be mentioned. Such is in the published patent application DE 10 2009 049 544 A1 a method for detecting misfiring in internal combustion engines on the basis of the measurement of rotational irregularity at the crankshaft described. In this method, only the malfunction of a cylinder is evaluated. A determination of the distribution of the power of the cylinder does not take place. In the procedure, further readings, eg from the lambda probe, are required for validation.

In dem in der Patentschrift: DE 41 22 139 C2 beschriebenen Verfahren wird die Messung der Drehungleichförmigkeit dazu genutzt, um die eingespritzten Kraftstoffmengen für einen optimalen Rundlauf des Motors abzugleichen. Auf eine Bestimmung der Leistungsverteilung wird verzichtet. Es handelt sich dabei um ein adaptives Verfahren zu Minimierung der Laufunruhe, bei dem nur einzelne Abschnitte des Drehungleichförmigkeitsverlaufes genutzt werden. In the patent document: DE 41 22 139 C2 described method, the measurement of rotational nonuniformity is used to adjust the injected fuel quantities for optimum concentricity of the engine. A determination of the power distribution is waived. It is an adaptive method to minimize the uneven running, in which only individual sections of the rotational irregularity course are used.

In der Schrift DE 10 2006 003 264 A1 wird ein Verfahren vorgestellt, mit denen das von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene Drehmoment durch Messung der Drehungleichförmigkeit ermittelt wird. Bei diesem Verfahren wird besonders der Einfluss von externen Momenten berücksichtigt. Eine Bestimmung der Leistungsverteilung des Motors erfolgt auch hier nicht. In Scripture DE 10 2006 003 264 A1 A method is presented with which the output from the internal combustion engine torque is determined by measuring the rotational irregularity. In this method, especially the influence of external moments is considered. A determination of the power distribution of the engine is not made here.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich die Leistungsverteilung von Verbrennungskraftmaschinen genauer und kostengünstiger ermitteln lässt. Zudem ist es Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.  The object of the invention is therefore to provide a method with which the power distribution of internal combustion engines can be determined more accurately and more cost-effectively. In addition, it is an object to provide a device with which the method can be carried out.

Die erste Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 4 stellen ergänzende Verfahrensschritte dar. Die zweite Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch 5 gelöst, wobei die Unteransprüche 6 bis 8 Verbesserungen der Vorrichtung enthalten.  The first object is achieved by the method according to claim 1. The subclaims 2 to 4 represent additional method steps. The second object is solved by the independent claim 5, wherein the subclaims contain 6 to 8 improvements of the device.

Zur Lösung des Verfahrens wird an der Verbrennungskraftmaschine der Drehungleichförmigkeitsverlauf deren Kurbelwelle mit einer geeigneten Messeinrichtung über ein Arbeitsspiel aufgenommen. Dieser gemessene Drehungleichförmigkeitsverlauf wird in den Beschleunigungsverlauf an der Messtelle umgerechnet. Mit Hilfe einer Ordnungsanalyse werden danach die Fourierordnungen des Beschleunigungsverlaufes bestimmt. Sodann erfolgt die Berechnung des Momentenverlaufes, wofür angenommen wird, dass die einzelnen Schwingungsordnungen durch das Drehschwingungssystem durch drehzahlabhängige Faktoren im Betrag und durch drehzahlabhängige Phasendrehungen im Phasenwinkel verändert werden. Über diese Faktoren und Phasenwinkel kann der gemessene Beschleunigungsverlauf in einen Beschleunigungsverlauf für die „Starre Kurbelwelle“ zurückgerechnet werden, der dem Gesamtdrehmomentverlauf für alle Zylinder entspricht. Die drehzahlabhängigen Faktoren und Phasenwinkel können beispielsweise mit Hilfe von Drehschwingungsrechnungen zuvor ermittelt und in einem Kennfeld gespeichert werden. Über Interpolationsverfahren können die für die Rückrechnung benötigten Parameter für die gemessene Drehzahl ermittelt werden.  To solve the method, the rotational irregularity curve of the crankshaft is recorded on the internal combustion engine with a suitable measuring device via a working cycle. This measured rotational irregularity curve is converted into the acceleration curve at the measuring point. With the help of an order analysis, the Fourier orders of the acceleration curve are determined. Then, the calculation of the torque curve, for which it is assumed that the individual vibration orders are changed by the torsional vibration system by speed-dependent factors in the amount and by speed-dependent phase rotations in the phase angle. Using these factors and phase angle, the measured acceleration curve can be recalculated into a "rigid crankshaft" acceleration curve, which corresponds to the total torque curve for all cylinders. The speed-dependent factors and phase angle can be determined in advance, for example, by means of torsional vibration calculations and stored in a map. Interpolation methods can be used to determine the parameters required for retroactive accounting for the measured speed.

Durch die Multiplikation des zurückgerechneten Beschleunigungsverlaufes mit dem Massenträgheitsmoment der rotierenden Massen erhält man die Wechselanteile des Gesamtdrehmomentes. Das für eine Bestimmung des Gesamtdrehmomentes erforderliche mittlere Drehmoment ist direkt aus der Messung zu bestimmen. Hierzu können verschiedene Möglichkeiten genutzt werden. Bei Motoren mit kleinen Zylinderzahlen kann die Amplitude der ersten Hauptharmonischen ein Maß für das mittlere Drehmoment sein. Bei Motoren mit größeren Zylinderzahlen kann das mittlere Drehmoment aus direkten oder indirekten Messungen und Kennfeldern bestimmt werden.  By multiplying the recalculated acceleration curve with the mass moment of inertia of the rotating masses, one obtains the alternating parts of the total torque. The mean torque required to determine the total torque must be determined directly from the measurement. For this purpose, various options can be used. For engines with small numbers of cylinders, the amplitude of the first main harmonics may be a measure of the mean torque. For engines with larger numbers of cylinders, the average torque can be determined from direct or indirect measurements and maps.

Aus den Wechselanteilen und dem mittleren Drehmoment kann das Gesamtdrehmoment berechnet werden. Dieses Gesamtdrehmoment ist die Summe aller an der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine eingeleiteten Drehmomente. Das sind im Wesentlichen die durch die bei der Verbrennung der einzelnen Zylinder erzeugten und über den Kurbeltrieb eingebrachten Zylindermomente.  From the alternating parts and the average torque, the total torque can be calculated. This total torque is the sum of all introduced at the crankshaft of the internal combustion engine torques. These are essentially the cylinder torques generated by the combustion of the individual cylinders and introduced via the crank drive.

Für die Bestimmung der Leistungverteilung der Verbrennungskraftmaschine müssen die Zylindermomente aus dem Gesamtmoment der Kurbelwelle extrahiert werden. Hierzu wird angenommen, dass das Gesamtmoment die Summe der Zylindermomente ist und dass die an der Kurbelwelle eingebrachten Zylindermomente einen ähnlichen Verlauf haben. Da die Summe der Verdichtungs- und Expansionarbeit und die Summe der oszillierenden Momente über ein Arbeitsspiel gleich null ist, kann dieser Verlauf ohne Verdichtungs-/Expansionsarbeit und ohne oszillierende Momente der Kolben betrachtet werden. Damit bleibt der reine Leistungsanteil des Zylinders.  To determine the power distribution of the internal combustion engine, the cylinder torques must be extracted from the total torque of the crankshaft. For this purpose, it is assumed that the total torque is the sum of the cylinder torques and that the cylinder torques introduced at the crankshaft have a similar course. Since the sum of the compression and expansion work and the sum of the oscillating moments over a working cycle is zero, this course can be considered without compression / expansion work and without oscillating moments of the pistons. This leaves the pure power component of the cylinder.

Um die Anteile der einzelnen Zylinder am Verlauf des Gesamtdrehmoments der Verbrennungskraftmaschine zu ermitteln, wird in einzelne Flächenabschnitte geteilt. Die oberen Totpunkte der Zylinder bilden dabei die Grenzen der Einzelflächen. Weiterhin wird auch der Momentenverlauf der Zylinder in Flächen mit den gleichen Grenzen, wie das Gesamtmoment aufgeteilt. Beim Verlauf des Zylindermoments kann dann der Anteil jedes Flächenabschnittes am Zylindermoment, der Gesamtfläche des Verlaufes, bestimmt werden.  In order to determine the proportions of the individual cylinders in the course of the total torque of the internal combustion engine, divided into individual surface sections. The upper dead centers of the cylinders form the boundaries of the individual surfaces. Furthermore, the torque curve of the cylinder is divided into areas with the same limits as the total moment. During the course of the cylinder torque, the proportion of each surface section on the cylinder moment, the total surface of the course, can then be determined.

Man erhält die Fläche eines Abschnittes des Gesamtmomentenverlaufes durch die entsprechend der Zündfolge der Verbrennungskraftmaschine gebildete Summe der Flächenanteile der Zylinder. Auf dieser Grundlage kann ein Gleichungssystem aufgestellt werden, mit dem die Anteile der Zylinder am Gesamtdrehmoment der Verbrennungskraftmaschine berechnet werden können. The area of a section of the overall torque curve is obtained by the sum of the area proportions of the cylinders formed in accordance with the firing order of the internal combustion engine. On this basis, an equation system can be set up, with which the proportions of the cylinders can be calculated on the total torque of the internal combustion engine.

Durch eine Normierung der berechneten Zylinderanteile kann dann die Leistungsverteilung der Verbrennungskraftmaschine berechnet werden. Bei genauer Bestimmung des mittleren Drehmomentes können hiermit auch die Zylinderleistungen berechnet werden.  By normalizing the calculated cylinder components, the power distribution of the internal combustion engine can then be calculated. With accurate determination of the mean torque, it is also possible to calculate the cylinder power.

Ausführungsbeispiel embodiment

Für die Bestimmung der Leistungsverteilung ist an einer geeigneten Stelle der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine der Drehungleichförmigkeitsverlauf für ein Arbeitsspiel zu messen. Aus den Messdaten ist danach der Beschleunigungsverlauf an der Messstelle zu berechnen. For the determination of the power distribution, the rotational nonuniformity course for a working cycle is to be measured at a suitable point of the crankshaft of the internal combustion engine. From the measured data, the acceleration curve at the measuring point must then be calculated.

Da der Kurbeltrieb von Verbrennungskraftmaschinen kein starres System ist, kann aus dem gemessenen Beschleunigungsverlauf nicht direkt der Gesamtmomentenverlauf berechnet werden. Vorher sind die Veränderungen durch das Drehschwingungssystem zurückzurechnen. Hierfür wird angenommen, dass die einzelnen Schwingungsordnungen durch einen Faktor im Betrag und durch einen Winkel in der Phasenlage verändert werden. Weiterhin wird angenommen, dass der Faktor und der Phasenversatz drehzahlabhängig sind.  Since the crank mechanism of internal combustion engines is not a rigid system, the overall torque curve can not be calculated directly from the measured acceleration profile. Before that, the changes due to the torsional vibration system have to be calculated back. For this purpose, it is assumed that the individual oscillation orders are changed by a factor in magnitude and by an angle in the phase position. Furthermore, it is assumed that the factor and the phase offset are speed-dependent.

Damit können für jede Schwingungsordnung ein drehzahlabhängiger Faktor und ein drehzahlabhängiger Phasenwinkel bestimmt werden mit dem eine Rückrechnung auf den Beschleunigungsverlauf der „starren Kurbelwelle“ möglich ist. Dazu werden mit Hilfe einer Ordnungsanalyse die Schwingungsordnungen des gemessenen Beschleunigungsverlaufes berechnet.  This allows a speed-dependent factor and a speed-dependent phase angle can be determined for each vibration order with a back calculation on the acceleration curve of the "rigid crankshaft" is possible. For this purpose, the vibration orders of the measured acceleration curve are calculated by means of an order analysis.

Den folgenden mathematischen Ausführungen kann folgende Formelzeichenliste zu Grunde gelegt werden:

Mt
Drehmoment
Θ
Massenträgheitsmoment
α
Winkelbeschleunigung
n
Drehzahl
ki(n)
drehzahlabhängiger Faktor (i-te Schwingungsordnung)
∆φi(n)
drehzahlabhängiger Phasenwinkel (i-te Schwingungsordnung)
Paz
Leistungsanteil des Zylinders z
zab
Flächenanteil Bereich b des Zylinderdrehmomentes
MAb
Flächenanteil Bereich b des Gesamtdrehmomentes
Pnz
normierter Leistungsanteil des Zylinder z an der Gesamtleistung in %
The following mathematical explanations can be based on the following formula list:
M t
torque
Θ
Moment of inertia
α
angular acceleration
n
rotation speed
k i (n)
speed-dependent factor (ith order of oscillation)
Δφ i (n)
speed-dependent phase angle (ith order of vibration)
Pa z
Power share of the cylinder z
za b
Area ratio range b of the cylinder torque
MA b
Area ratio area b of the total torque
Pn z
normalized power component of the cylinder z to the total power in%

Mit Hilfe der Beziehung Mt = Θ·α (1) kann aus der Winkelbeschleunigung das Gesamtdrehmoment berechnet werden. With the help of the relationship M t = Θ · α (1) can be calculated from the angular acceleration, the total torque.

Die Ordnungen des Gesamtdrehmomentes werden nach den folgenden Korrekturgleichungen bestimmt: |Mti| = ki(n)·Θ·|αi| (2a) γ(Mti) = γ(αi) + ∆φi(n) (2b) The orders of the total torque are determined according to the following correction equations: | M ti | = K i (n) · Θ · | α i | (2a) γ (M ti ) = γ (α i ) + Δφ i (n) (2b)

Aus den einzelnen Ordnungen des Moments und dem mittleren Drehmoment kann mit Hilfe einer Fouriersynthese der Gesamtmomentenverlauf der Verbrennungskraftmaschine berechnet werden.  From the individual orders of the moment and the average torque, the total moment characteristic of the internal combustion engine can be calculated with the aid of a Fourier synthesis.

Die Faktoren und die Phasenwinkel können über Drehschwingungsrechnungen oder über Versuche ermittelt und über Kennfelder bei der Berechnung des Drehmomentes genutzt werden. Weiterhin ist die Bestimmung der Faktoren und Phasenwinkel über Drehschwingungsrechnungen auch zur Laufzeit möglich. Das mittlere Drehmoment kann aus einer direkten Momenten- oder Leistungsmessung oder aus einer indirekten Bestimmung aus geeigneten Kennfeldern, wie z.B. Turboladerdrehzahl, Abgastemperaturen, Ladeluftdruck o.ä., erfolgen. Bei Motoren mit wenigen Zylindern kann das mittlere Drehmoment auch aus den Wechselanteilen des Momemtenverlaufes bestimmt werden. Hierzu kann die Amplitude der ersten Hauptharmonischen verwendet werden. The factors and the phase angles can be determined by means of torsional vibration calculations or through tests and can be used via maps in the calculation of the torque. Furthermore, the determination of the factors and phase angle via torsional vibration calculations is also possible at runtime. The mean torque can be from a direct torque or power measurement or from an indirect determination of suitable maps, such as turbocharger speed, exhaust gas temperatures, charge air pressure, etc., take place. For engines with a few cylinders, the average torque can also be determined from the alternating parts of the Momemtenverlaufes. For this purpose, the amplitude of the first main harmonics can be used.

Der berechnete Gesamtmomentenverlauf ist die Summe der einzelnen durch die Zylinder über den Kurbeltrieb eingebrachten Drehmomente. Um die Leistungsverteilung zu bestimmen müssen die Anteile der Einzelmomente am dem Gesamtmomentenverlauf ermittelt werden.  The calculated total torque curve is the sum of the individual torques introduced by the cylinders via the crank drive. In order to determine the power distribution, the proportions of the individual moments in the overall torque curve must be determined.

Dazu wird er Gesamtmomentenverlauf in Flächenanteile geteilt, die durch die oberen Totpunkte der einzelnen Zylinder begrenzt sind. Die Fläche des Momentenverlaufes in jedem Intervall wird durch die Summe der Teilflächen der Einzelmomente der Zylinder im gleichen Kurbelwinkelintervall gebildet. Da das Moment aus der Verdichtung, der Expansion und das oszillierende Moment in der Summe null sind, wird bei der Bestimmung der Teilflächen des Zylindermomentes nur das Drehmoment aus dem Überdruckanteil, also ohne Verdichtung, Expansion und oszillierende Massen, verwendet (2). Damit ist die Fläche dieses Verlaufes ein direktes Maß für die Zylinderleistung. For this purpose, it is divided overall moment course in area proportions, which are limited by the top dead centers of the individual cylinders. The area of the torque curve in each interval is formed by the sum of the partial areas of the individual moments of the cylinders in the same crank angle interval. Since the moment of the compression, the expansion and the oscillating moment in the sum are zero, only the torque from the overpressure component, ie without compression, expansion and oscillating masses, is used in the determination of the partial surfaces of the cylinder torque ( 2 ). Thus, the area of this course is a direct measure of cylinder performance.

Aus den Flächenanteilen und den Teilflächen der Einzelmomente der Zylinder kann unter Beachtung der Zündfolge ein Gleichungssystem aufgestellt werden, mit dessen Hilfe die Anteile der Zylinder am Gesamtmoment berechnet werden können.  From the area proportions and the partial areas of the individual moments of the cylinder, a system of equations can be set up, taking into account the firing sequence, with the aid of which the proportions of the cylinders can be calculated on the total moment.

Das folgende System zeigt ein Beispiel für einen Motor mit der Zündfolge 1-3-5-6-4-2: za1·Pa1 + za2·Pa2 + za6·Pa3 + za3·Pa4 + za5·Pa5 + za4Pa6 = MA1 za2·Pa1 + za3·Pa2 + za1·Pa3 + za4·Pa4 + za6·Pa5 + za5Pa6 = MA2 za3·Pa1 + za4·Pa2 + za2·Pa3 + za5·Pa4 + za1·Pa5 + za6Pa6 = MA3 za4·Pa1 + za5·Pa2 + za3·Pa3 + za6·Pa4 + za2·Pa5 + za1Pa6 = MA4 za5·Pa1 + za6·Pa2 + za4·Pa3 + za1·Pa4 + za3·Pa5 + za2Pa6 = MA5 za6·Pa1 + za1·Pa2 + za5·Pa3 + za2·Pa4 + za4·Pa5 + za3Pa6 = MA6 The following system shows an example of an engine with the firing order 1-3-5-6-4-2: za 1 · Pa 1 + za 2 · Pa 2 + za 6 · Pa 3 + za 3 · Pa 4 + za 5 · Pa 5 + za 4 Pa 6 = MA 1 za 2 · Pa 1 + za 3 · Pa 2 + za 1 · Pa 3 + za 4 · Pa 4 + za 6 · Pa 5 + za 5 Pa 6 = MA 2 za 3 · Pa 1 + za 4 · Pa 2 + za 2 · Pa 3 + za 5 · Pa 4 + za 1 · Pa 5 + za 6 Pa 6 = MA 3 za 4 · Pa 1 + za 5 · Pa 2 + za 3 · Pa 3 + za 6 · Pa 4 + za 2 · Pa 5 + za 1 Pa 6 = MA 4 za 5 · Pa 1 + za 6 · Pa 2 + za 4 · Pa 3 + za 1 · Pa 4 + za 3 · Pa 5 + za 2 Pa 6 = MA 5 za 6 · Pa 1 + za 1 · Pa 2 + za 5 · Pa 3 + za 2 · Pa 4 + za 4 · Pa 5 + za 3 Pa 6 = MA 6

Mit der Lösung des Gleichungssystems können die Anteile Pai der Zylinder am Gesamtdrehmoment der Verbrennungskraftmaschine berechnet werden. With the solution of the equation system, the proportions Pa i of the cylinders can be calculated on the total torque of the internal combustion engine.

Der prozentuale Einzelanteil eines Zylinders am Gesamtmoment kann dann mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

Figure DE102015102249A1_0002
The percentage of a cylinder's percentage of total momentum can then be calculated using the following equation:
Figure DE102015102249A1_0002

Bei ausreichend genauer Messung der Leistung oder des mittleren Drehmomentes der Maschine kann neben den Leistungsanteilen der Zylinder zusätzlich die Zylinderleistung jedes Zylinders berechnet werden.  If the performance or average torque of the engine is measured sufficiently accurately, the cylinder power of each cylinder can be calculated in addition to the power shares of the cylinders.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch einen an einer Stelle der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine angebrachten Drehwinkelgeber gekennzeichnet, mit dem aus den gemessenen Drehungleichförmigkeitsverlauf über das beschriebene mehrstufige Verfahren die relativen Anteile der Zylinderleistungen an der Gesamtleistung und die Leistungsverteilung der Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden können. Damit ist eine schnelle und zuverlässige Bewertung der Leistungsverteilung und damit der Motoreinstellung durch den Betreiber möglich. Besonders Störungen im Einspritzsystem von Dieselmotoren sind damit schnell und zuverlässig zu erkennen.  The device according to the invention is characterized by a rotary encoder mounted at a position of the crankshaft of an internal combustion engine, with which the relative proportions of the cylinder outputs to the total output and the power distribution of the internal combustion engine can be determined from the measured rotational irregularity profile via the multistage method described. This allows a quick and reliable evaluation of the power distribution and thus of the engine setting by the operator. In particular, malfunctions in the injection system of diesel engines can be recognized quickly and reliably.

Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung Embodiment of the device according to the invention

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen The invention will be explained in more detail with reference to drawings. Show

1: eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine, mit den einzelnen Komponenten des Drehschwingungssystems 1 an internal combustion engine according to the invention, with the individual components of the torsional vibration system

2: den gemessenen Drehschwingungsverlauf (gestrichelt) und den daraus berechneten Gesamtmomentenverlauf (durchgezogen) in einem Diagramm und 2 : the measured torsional vibration course (dashed line) and the calculated total torque curve (solid line) in a diagram and

3: ein Diagramm des Momentenverlaufs eines Zylinders mit Verdichtung, Expansion und oszillierenden Moment (gestrichelt) und durch die Verbrennung erzeugten Moment (durchgezogen). 3 : a diagram of the torque curve of a cylinder with compression, expansion and oscillating moment (dashed) and moment produced by the combustion (solid).

Die in 1 dargestellte Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Kurbelwelle 1, mit der Zylinder 2 in Wirkverbindung stehen. Daneben sind auf der Kurbelwelle 1 ein Schwungrad 3 und ein Schwingungsdämpfer 4 angeordnet. Zudem verfügt die Verbrennungskraftmaschine im Ausführungsbeispiel über einen Abnehmer der erzeugten Kraft, einen Schiffspropeller 9. Die für das Verfahren erforderlichen Daten werden z.B. durch Encoder 5, eine Leistungsmessanlage 6, eine Einrichtung 7 zur Messung von Nulldurchgängen und Winkeldurchgängen bzw. eine Schaft-Power-Messanlage 8 erhoben. Zudem kann eine Zylinderdruckmesseinrichtung 10 vorgesehen werden. Die an den unterschiedlichen Stellen ermittelten Daten werden einer Verarbeitungseinheit 11 zugeführt, in der Parameter und ein oder mehrere Kennfelder mit z.B. grundlegenden Daten über die Verbrennungskraftmaschine gespeichert sind. In the 1 illustrated internal combustion engine comprises a crankshaft 1 , with the cylinder 2 in operative connection. Next to it are on the crankshaft 1 a flywheel 3 and a vibration damper 4 arranged. In addition, the internal combustion engine in the embodiment has a buyer of the generated force, a ship's propeller 9 , The data required for the procedure, for example, by encoders 5 , a power measurement system 6 , An institution 7 for measuring zero crossings and angular passages or a shaft power measuring system 8th levied. In addition, a cylinder pressure measuring device 10 be provided. The data determined at the different locations become a processing unit 11 fed, are stored in the parameters and one or more maps with eg basic data about the internal combustion engine.

Die ermittelten Daten werden dazu genutzt, den Gesamtmomentenverlauf zu berechnen. Dazu kann wie in 2 gezeigt, das Drehmoment über den Kurbelwinkel über die Winkelbeschleunigung gemessen werden. Es zeigt sich, dass das gemessene Moment, in 2 gestrichelt dargestellt, einen anderen Verlauf zeigt als das korrigierte Moment für die „Starre Kurbelwelle“, durchgezogen dargestellt, hat. Die Korrektur wir in der Verarbeitungseinheit 11 nach dem beschriebenen Verfahren durchgeführt. The determined data are used to calculate the overall moment course. This can be done as in 2 shown, the torque over the crank angle over the angular acceleration are measured. It turns out that the measured moment, in 2 shown in phantom, a different course shows than the corrected torque for the "rigid crankshaft", shown in solid lines, has. The correction is in the processing unit 11 carried out according to the described method.

Im weiteren Ablauf des Verfahrens wird dann der in 2 dargestellte korrigierte Gesamtmomentenverlauf in Flächenteile geteilt und auf die einzelnen Zylinder anteilsmäßig verteilt. Dann werden über das beschriebene Gleichungssystem die Anteile der Zylinderleistungen 3 berechnet. In the further course of the procedure then the in 2 shown corrected total moment course divided into areas and distributed proportionally to the individual cylinders. Then the proportions of the cylinder powers are calculated via the equation system described 3 calculated.

Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen [0038] um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der 1 in anderer Form als in der hier beschriebenen folgen. Ebenso kann der [0038] in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw. designerischen Gründen notwendig ist. Weiter schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. As the foregoing embodiments described in detail are exemplary embodiments, they may be modified in a conventional manner to a wide extent by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. In particular, the concrete embodiments of 1 in a different form than that described here. Likewise, the [0038] can be configured in another form, if this is necessary for space reasons or designerischen reasons. Further, the use of the indefinite article "on" does not preclude that the features in question may also be duplicated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Kurbelwelle crankshaft
2 2
Zylinder cylinder
3 3
Schwungrad flywheel
4 4
Schwingungsdämpfer vibration
5 5
Encoder encoder
6 6
Leistungsmessanlage Power Meter
7 7
Einrichtung Facility
8 8th
Schaft-Power-Messanlage Shaft power measurement system
9 9
Schiffspropeller ship propellers
1010
Zylinderdruckmesseinrichtung  Cylinder pressure measuring device
1111
Verarbeitungseinheit  processing unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (8)

Verfahren zur Bestimmung der Leistungsverteilung einer Verbrennungskraftmaschine unter Nutzung des Drehungleichförmigkeitsverlaufs der Kurbelwelle (1) der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungsmaschine ein Messelement und eine Verarbeitungseinheit (11) aufweist und im Verfahren nach der Feststellung des Drehungleichförmigkeitsverlaufs an der Kurbelwelle mit Hilfe des Messelements und Ermittlung des mittleren Drehmoments eine Berechnung des Gesamtdrehmoments vorgenommen wird, und die relativen oder absoluten Leistungsanteile der Zylinder ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem erstmaligen Ausführen des Verfahrens zur Verbrennungskraftmaschine gehörende Daten wie z.B. Massen, Federkonstanten, Dämpfungen, die Zündfolge der Zylinder (2) und andere Verbrennungskraftmaschinen-relevante Daten in einem Kennfeld in der Verarbeitungseinheit (11) bereitgestellt werden und sodann permanent mit Hilfe der Daten aus dem Kennfeld nach der Feststellung des Drehungleichförmigkeitsverlaufs an der Kurbelwelle (2) eine Umrechnung in den Beschleunigungsverlauf an der Messstelle erfolgt, der Beschleunigungsverlauf einer Ordnungsanalyse unterzogen wird, eine Berechnung der Wechselanteile des Gesamtdrehmoments auf Basis der Ordnungsanalyse erfolgt, durch die Zündfolge eine Zuordnung der Wechselanteile auf die Zylinder (2) erfolgt und so die prozentualen Leistungsanteile bei einer bestimmten Drehzahl für die Zylinder (2) über ein Gleichungssystem ermittelt werden. Method for determining the power distribution of an internal combustion engine using the rotational irregularity curve of the crankshaft ( 1 ) of the internal combustion engine, wherein the internal combustion engine is a measuring element and a processing unit ( 11 ) and in the method after the determination of the rotational irregularity pattern on the crankshaft with the aid of the measuring element and determination of the average torque, a calculation of the total torque is made, and the relative or absolute power proportions of the cylinder are determined, characterized in that prior to the first execution of the method data relating to the internal combustion engine, such as masses, spring constants, damping, the firing order of the cylinders ( 2 ) and other engine-related data in a map in the processing unit ( 11 ) and then permanently using the data from the map after the determination of the rotational irregularity curve on the crankshaft ( 2 ) a conversion into the course of the acceleration takes place at the measuring point, the acceleration curve is subjected to an order analysis, a calculation of the alternating parts of the total torque takes place on the basis of the order analysis, by the ignition sequence an assignment of the alternating parts to the cylinders ( 2 ) and so the percentage of power at a certain speed for the cylinder ( 2 ) are determined via a system of equations. Verfahren zur Bestimmung der Leistungsverteilung einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Umrechnung in den Beschleunigungsverlauf benötigten Faktoren und Phasenwinkel für die „starre Welle“ durch Versuche oder durch Drehschwingungsrechnungen vorher bestimmt oder zur Laufzeit durch Drehschwingungsrechnungen permanent bereitgestellt werden. Method for determining the power distribution of an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the factors required for conversion into the acceleration curve and phase angle for the "rigid wave" by tests or by torsional vibration calculations previously determined or permanently provided by rotary vibration calculations at runtime. Verfahren zur Bestimmung der Leistungsverteilung einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Drehmoment durch direkte oder indirekte Messungen mit einer Schaft-Power-Messanlage (8), einer Leistungsmessanlage (6) oder Zylinderdruckmessanlage (10) festgestellt wird. Method for determining the power distribution of an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the mean torque is determined by direct or indirect measurements with a shaft power measuring system ( 8th ), a power measurement system ( 6 ) or cylinder pressure measuring system ( 10 ) is detected. Verfahren Bestimmung der Leistungsverteilung einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Drehmoment durch Bestimmung der Amplitudenhöhen des Beschleunigungsverlaufs oder des Drehmomentenverlaufs des einzelnen Zylinders (2) ermittelt wird. Method Determining the power distribution of an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the mean torque is determined by determining the amplitude levels of the acceleration curve or the torque curve of the individual cylinder ( 2 ) is determined. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Bestimmung der Leistungsverteilung an Verbrennungskraftmaschinen dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine an einer geeigneten Position der Kurbelwelle ein Element zur Ermittlung der Drehungleichförmigkeit und eine Verarbeitungseinheit (11) aufweist, wobei die Verarbeitungseinheit (11) in elektrischer Verbindung zum Element zur Ermittlung der Drehungleichförmigkeit steht. Device for carrying out the method according to claim 1 for determining the power distribution in internal combustion engines, characterized in that the internal combustion engine at a suitable position of the crankshaft, a component for determining the rotational nonuniformity and a processing unit ( 11 ), wherein the processing unit ( 11 ) is in electrical connection with the element for determining rotational nonuniformity. Vorrichtung zur Bestimmung der Leistungsverteilung an Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (11) die Methoden nach Anspruch 1 bis 5 auszuführt und damit die Leistungsverteilung der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellt. Device for determining the power distribution of internal combustion engines according to claim 5, characterized in that the processing unit ( 11 ) carries out the methods of claim 1 to 5 and thus to provide the power distribution of the internal combustion engine. Vorrichtung zur Bestimmung der Leistungsverteilung an Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Ermittlung der Drehungeichförmigkeit ein Encoder (5) an der Kurbelwelle (1) oder an der Schaftrolle ist. Device for determining the power distribution of internal combustion engines according to claim 5, characterized in that the element for determining the rotational identity is an encoder ( 5 ) on the crankshaft ( 1 ) or on the sheep roll. Vorrichtung zur Bestimmung der Leistungsverteilung an Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Ermittlung des Der Drehungleichförmigkeit ein Element zur Kennzeichnung eines Nullpunktes und zur Kennzeichnung einer diskreten Zahl von Winkeln einer Winkeleinteilung sowie eine Einrichtung (7) zur Messung des Nullpunktdurchganges und aller Winkeldurchgänge aufweist. Device for determining the power distribution of internal combustion engines according to claim 5, characterized in that the element for determining the rotational nonuniformity comprises an element for marking a zero point and for marking a discrete number of angles of an angular graduation and a device ( 7 ) for measuring the zero point crossing and all angular passages.
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