DE69811984T2

DE69811984T2 - Methode und Gerät zur Bestimmung des indizierten Durchschnittsdruckes einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69811984T2
Application number: DE69811984T
Authority: DE
Inventors: Pierre Porot
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1998-04-16
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: EP0881478B1; FR2764061B1; FR2764061A1; ATE234459T1; DE69811984D1; EP0881478A1

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der mit einem Motor verbundenen Messungen, um dessen Leistungsfähigkeiten einzuschätzen.
Es handelt sich genauer darum, zu versuchen, einen der Parameter abzuschätzen, welche charakteristisch für den Betrieb eines Motors sind, namentlich der mittlere angezeigte Druck (PMI), an verschiedenen Betriebspunkten. Dieser Parameter ist daher gut repräsentativ für die momentanen Betriebsbedingungen des Motors, da er eine direkte Anzeige der Nutzarbeit der Gase im Verlauf eines Verbrennungszyklus angibt. Der PMI ermöglicht so Vergleiche zwischen verschiedenen Motoren.
Man kann den PMI als den konstanten Druck definieren, welcher auf den Kolben über seinen gesamten Entspannungsverlauf angewandt, die gleiche Arbeit für einen Zyklus liefern würde. Anders ausgedrückt handelt es sich um die Messung der thermodynamischen Arbeit, die von den Kolben bei einem Motorzyklus bezogen auf den Hubraum geliefert wird. Die mathematische Definition ist:
mit Vcyl = Hubraum = von dem Kolben zwischen dem oberen Todpunkt und dem unteren Todpunkt verdrängtes Volumen
Pcyl = Momentandruck in einem Zylinder
dV = Volumendifferenzial der Kammer
dθ = Kurbelwellenwinkeldifferenzial
Diese Formel betrifft einen Zylinder. Der PMI des Motors wird erhalten, indem das Mittel der für jeden der Zylinder des Motors erhaltenen PMI genommen wird.
In bekannterweise wird der Druck in einem Zylinder durch einen Sensor gemessen; die Ableitung des Volumens kann ausgehend von kinematischen Formeln berechnet werden, die die Bewegung des Kolbens in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels angeben.
Zahlreiche Verfahren sind auf diesem Prinzip gegründet worden. Veranschaulichend beschreibt die Patentanmeldung EP 0742359-A2 einen Regelungsmodus des Betriebs eines Motors, bei dem der PMI berechnet wird. Gemäß diesem Stand der Technik wird der PMI dank einer Druckmessung bestimmt, die einer Messung des Kurbelwellenwinkels zu einem spezifischen vorgegebenen Moment zugeordnet ist.
Gleichermaßen offenbart das französische Patent FR 2 711 185 ein Regelungssystem von Motoren, das auf diesen Messungen basiert.
Es handelt sich daher gemäß diesem Stand der Technik darum, den Kurbelwellenwinkel θ zum gleichen Zeitpunkt wie den Druck P in einem Zylinder zu messen. Die bekannten Winkelcodierer sind genügend genau, um die Winkel ausgehend von einem vorbestimmten, vorgegebenen Nullpunkt zu bestimmen. Die Schwierigkeit liegt in der Bestimmung des Nullpunktes, was sich in der Praxis als sehr schwierig erweist. Das Problem ist es daher, mit Genauigkeit und Zuverlässigkeit das Passieren des Kolbens bei einem vorgegebenen Punkt, zum Beispiel dem oberen Todpunkt zu bestimmen. Aktuell ermöglichen es die zugeordneten Verfahren und die Ausrüstungen, eine Genauigkeit von mehr oder weniger 0,25ºV (Kurbelwellenwinkelgrad) zu erreichen.
Tatsächlich trifft die Bestimmung des PMI im Wesentlichen auf die folgenden Probleme:
- die Präzision des Drucksensors
- die Präzision der Kurbelwellenwinkelmessung
- die Verwendung einer kinematischen Formel und nicht einer Messung der Ableitung des Volumens
- die Integralrechnung durch angenäherte numerische Verfahren.
Diese Ungenauigkeiten sind im Großteil der Fälle nicht direkt schädlich. Hingegen können sie Probleme bereiten, wenn man versucht, den mittleren Druck aufgrund der Reibungen (PMF) zu bestimmen. Per Definition PMF = PMI - PME.
Der PMF stellt die thermodynamische Arbeit des Kolbens dar, welche nicht auf der Motorwelle gewonnen wird. Dies ist die im Wesentlichen durch Reibungen verlorene Arbeit.
Der PME ist der effektive mittlere Druck und stellt die auf der Welle erhaltene Arbeit bezogen auf den Hubraum dar. Man berechnet ihn im allgemeinen mit Hilfe der Drehmomentmessung.
So kann der mittlere Druck aufgrund der Reibungen (PMF) schwache Werte annehmen. Er ist systematisch auf dem PMI und auf dem PME mit Fehlern behaltet.
Es ist daher interessant, die Präzision auf dem PMI zu verbessern, wenn man den PMF berechnet.
Im übrigen teilen die bekannten Berechnungsmethoden des PMI die Hypothese, gemäß der die Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle unabhängig von der Motordrehzahl konstant ist. Tatsächlich ist dies nicht exakt, die Momentangeschwindigkeit des Kolbens variiert und ist nicht konstant, vor allem bei schwachen Lasten. Diese Näherung gemäß dem Stand der Technik induziert daher eine Ungenauigkeitsquelle.
Die vorliegende Erfindung hat im wesentlichen zur Aufgabe, die Präzision auf dem PMI zu verbessern.
Diese Ziele werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, die ein Verfahren zur Bestimmung des mittleren angezeigten Drucks (PMI) eines Verbrennungsmotors zum Gegenstand hat. Dieses Verfahren besteht für jeden Zylinder des Motors darin:
- die augenblickliche Geschwindigkeit eines dem Zylinder des Motors zugeordneten Kolbens zu bestimmen;
- den augenblicklichen Druck in dem Zylinder zu messen;
- das Integral über die Zeit von dem Produkt des augenblicklichen Drucks mal der augenblicklichen Geschwindigkeit zu berechnen;
- dieses Integral durch den Hub des Kolbens Lp in dem Zylinder zu teilen,
um den PMI in einem vorgegebenen Zylinder zu erhalten und dann ggf. das Mittel der so in jedem der Zylinder des Motors erhaltenen PMI zu bilden, um den PMI des Motors zu erhalten.
Gemäß der Erfindung wird die Stufe zur Bestimmung der augenblicklichen Geschwindigkeit unter Messen der Beschleunigung und unter Integrieren dieses Beschleunigungssignals erhalten.
Vorteilhaft verwendet man einen Rechner, der die augenblickliche Geschwindigkeit bestimmt oder empfängt, den augenblicklichen Druck empfängt und diese Werte bearbeitet, um am Ausgang den PMI anzugeben.
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung synchronisiert man die Messungen von Druck und von Geschwindigkeit oder von Beschleunigung auf jedem Zylinder. Es ist auch möglich, die Messungen auf der Gesamtheit der Zylinder des Motors zu synchronisieren.
Die Erfindung zielt außerdem auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des mittleren angezeigten Drucks (PMI) eines Verbrennungsmotors ab, umfassend wenigstens eine durch einen Zylinder begrenzte Brennkammer, einen Kolben und einen Zylinderkopf, wenigstens ein Mittel, das darauf ausgerichtet ist, den augenblicklichen Druck in der Brennkammer zu messen.
Die Vorrichtung umfasst außerdem:
- wenigstens ein Mittel, das darauf ausgerichtet ist, die augenblickliche Geschwindigkeit eines Kolbens in der Brennkammer zu bestimmen;
- ein Mittel zur Berechnung des Integrals über die Zeit des Produkts des Drucks mal der augenblicklichen Geschwindigkeit;
- ein Mittel zur Berechnung des PMI in dem Zylinder, der unter Division des Integrals durch den Hub des Kolbens erhalten wird;
- ein Mittel zur Berechnung des PMI auf wenigstens einem der Zylinder des Motors.
Speziell umfasst das Mittel zur Bestimmung der augenblicklichen Geschwindigkeit ein Mittel zur Messung der augenblicklichen Beschleunigung, das einem Mittel zur Integration von der Beschleunigung über die Zeit zugeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung außerdem ein Mittel zur Synchronisierung der Messungen von Druck und von Geschwindigkeit oder von Beschleunigung in der Brennkammer eines Zylinders.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung außerdem ein Mittel zur Synchronisierung der Messungen auf der Gesamtheit der Zylinder des Motors umfassen.
Die Erfindung wird besser verstanden, andere Details und Charakteristika und Besonderheiten werden beim Lesen der folgenden Beschreibung, die veranschaulichend und keinesfalls begrenzend gemacht ist, in Bezug auf die anliegenden Zeichnungen klarer werden, darunter:
Die Fig. 1 ist ein prinzipielles Schema, das einen gemäß der Erfindung ausgerüsteten Motor zeigt;
die Fig. 2 ist ein Organisationsdiagramm, das die Organisation der Berechnung des PMI gemäß der Erfindung veranschaulicht;
die Fig. 3 betrifft Kurven, die ausgehend von synchronisierten Messungen einer Beschleunigung des Kolbens und des Drucks in der Brennkammer erhalten sind.
Es ist bekannt, den PMI ausgehend von der kinematischen Formel der Ableitung des Volumens zu berechnen
wie am Anfang der Beschreibung gesagt.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein unterschiedliches Vorgehen vor, um die gewöhnlichen Fehlerquellen zu beseitigen.
Daher durch Definition:
mit Scyl = Zylinderquerschnitt
Lp = Vcyl/Scyl = Kolbenlauf
xp = Momentanposition des Kolbens
dxp/dt = Vp = Momentangeschwindigkeit des Kolbens
Unter Messung der Momentangeschwindigkeit (d. h. der verschiedenen Momente des Motorzyklusses) des Kolbens gleichzeitig zum Druck in dem Zylinder ist es nicht notwendig, eine Messung des Kurbelwellenwinkels zu haben. Dies vermeidet daher die mit der oben genannten Winkeleinstellung erwähnten Probleme.
Es ist daher gemäß der Erfindung notwendig, die Geschwindigkeits- und Druckmessungen dank eines geeigneten Aufzeichnungssystems zu synchronisieren.
Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Motors, der geeignet ist, die Erfindung auszuführen. Dieser umfasst eine Brennkammer 1, begrenzt durch einen Kolben 2, einen Zylinder 3 und den Zylinderkopf 4. Ein Drucksensor 10 ist zum Beispiel auf dem Niveau des Zylinderkopfes 4 angeordnet, um den Momentandruck anzugeben, der in der Brennkammer 1 herrscht.
Im übrigen kann ein Geschwindigkeitssensor 20 auf dem Kolben selbst platziert werden, um Geschwindigkeitswerte zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Motorzyklusses zu liefern. Ein Beschleunigungsmesser kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, verwendet werden: ein Integrator wird dann verwendet, um die entsprechende Momentangeschwindigkeit zu bestimmen. Eine Hochfrequenzfilterung kann notwendig sein, um "parasitäre" Geschwindigkeitsdaten des Kolbens zu entfernen.
Die momentanen Druck- und Geschwindigkeitswerte werden an ein Aufzeichnungs- und Bearbeitungssystem 30 geliefert, das die Berechnung des PMI in einem Zylinder und dann auf der Gesamtheit der Zylinder des Motors durchführen wird.
Die Fig. 2 zeigt Hauptstufen der Bearbeitung. Es handelt sich zuerst darum, den Druck (p&sub1;) bei einem vorgegebenen Zeitpunkt (ti) des Zyklus und gleichzeitig die Geschwindigkeit (V&sub1;) oder die Beschleunigung (a&sub1;) des Kolbens aufzunehmen. Wenn man über einen Beschleunigungsmesser verfügt, ist daher ein numerischer oder elektronischer Integrator notwendig, um die entsprechende Geschwindigkeit zu erhalten. Das Aufnahmesystem 30 speichert daher (p&sub1;), (V&sub1;) und berechnet das Produkt (pix, V1x, t&sub1;) für einen Moment ti und dann, wenn der Motorzyklus nicht vollbracht ist, wird ti um einen Schritt (Δti) inkrementiert und eine neue Aufnahme von pi und V&sub1; wird vorgenommen ..... gefolgt von einer Berechnung des neuen Produkts (p&sub1; · v&sub1; · Δt&sub1;) zu dem Zeitpunkt (t&sub1; + Δt&sub1;). Eine Summierung wird über die Gesamtheit der Produkte (p&sub1; · vi · ti) vorgenommen.
Man erhält so einen Wert S = Σ pi v&sub1; Δti über einen Motorzyklus.
Der PMI kann erhalten werden, indem S durch Lp, Lauf des Kolbens beim Speicher in dem System 30 geteilt wird.
Man erhält so den PMI in einem Zylinder für einen vorgegebenen Zyklus. Man kann anschließend das Mittel der erhaltenen PMI bilden, um den PMI von Zyklus zu Zyklus des Zylinders zu haben.
Es ist auch möglich, das Mittel der PMI jedes Zylinders zu bilden, um einen "Motor- "PMI zu erhalten, der charakteristisch für den Motorbetrieb ist.
Was dargelegt werden wird, ist ein Verfahren, das es ermöglicht, das Integral P·V dt zu berechnen.
Die Fig. 3 betrifft gemäß der Erfindung erhaltene Kurven. Die gepunktete Kurve A ergibt die Beschleunigung (γ) des Kolbens zu verschiedenen Zeitpunkten eines Motorzyklusses.
Die Beschleunigung ist hier ausgedrückt in m/s².
Der relative Druck wird auf der Kurve P dargestellt und variiert hier von -2,5 bar bis 22 bar.
Diese beiden Messungen sind simultan zu Zeitpunkten t&sub1; aufgenommen, wie in Bezug mit Fig. 2 erklärt.
Gegenüber bekannten Verfahren ermöglicht es die vorliegende Erfindung daher, die Ungenauigkeiten auf der Messung des Kurbelwellenwinkels zu vermeiden. Sie ermöglicht es im übrigen, nicht eine kinematische Formel zu verwenden und daher mehrere Fehlerquellen zu entfernen.
Die zur Erfindung notwendigen Aufzeichnungen, nämlich der augenblickliche Druck und die Geschwindigkeit oder die entsprechende augenblickliche Beschleunigung sind relativ leicht und kaum Quellen von Fehlern.
Die Behandlung an sich ist genauso einfach. Sie kann in Realzeit während des Motorbetriebs durchgeführt werden. Dies ermöglicht es so, permanent den PMI des Motors zu kennen.
Die Behandlung gemäß der Erfindung kann dann nach der Aufzeichnungsphase durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des mittleren angezeigten Drucks (PMI) eines Verbrennungsmotors, das für jeden Zylinder des Motors darin besteht:

a. die augenblickliche Geschwindigkeit eines dem Zylinder des Motors zugeordneten Kolbens zu bestimmen;

b. den augenblicklichen Druck in dem Zylinder zu messen;

c. das Integral über die Zeit von dem Produkt des augenblicklichen Drucks mal der augenblicklichen Geschwindigkeit zu berechnen;

d. dieses Integral durch den Hub des Kolbens in dem Zylinder zu teilen,

um den PMI in einem vorgegebenen Zylinder zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem darin besteht, das Mittel der in jedem der Zylinder des Motors erhaltenen PMI zu bilden, um den PMI des Motors zu erhalten.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe zur Bestimmung der augenblicklichen Geschwindigkeit unter Messen der Beschleunigung und unter Integrieren dieses Beschleunigungssignals erhalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Rechner verwendet, der die augenblickliche Geschwindigkeit bestimmt oder empfängt, den augenblicklichen Druck empfängt und diese Werte bearbeitet, um am Ausgang den PMI anzugeben.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Messungen von Druck und von Geschwindigkeit oder von Beschleunigung auf jedem Zylinder synchronisiert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Messungen auf der Gesamtheit der Zylinder des Motors synchronisiert.

7. Vorrichtung zur Bestimmung des mittleren angezeigten Drucks (PMI) eines Verbrennungsmotors, umfassend wenigstens eine durch einen Zylinder (3) begrenzte Brennkammer (1), einen Kolben (2) und einen Zylinderkopf (4), wenigstens ein Mittel (10), das darauf ausgerichtet ist, den augenblicklichen Druck in der Brennkammer (1) zu messen, welche Vorrichtung außerdem umfasst:

a. wenigstens ein Mittel (20), das darauf ausgerichtet ist, die augenblickliche Geschwindigkeit eines Kolbens in der Brennkammer (1) zu bestimmen;

b. ein Mittel (30) zur Berechnung des Integrals über die Zeit des Produkts des Drucks mal der augenblicklichen Geschwindigkeit;

c. ein Mittel (30) zur Berechnung des PMI in dem Zylinder, der unter Division des Integrals durch den Hub des Kolbens erhalten wird;

d. ein Mittel zur Berechnung des PMI auf wenigstens einem der Zylinder des Motors.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (30) zur Berechnung es ermöglicht, den PMI auf der Gesamtheit der Zylinder des Motors zu berechnen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (20) zur Bestimmung der augenblicklichen Geschwindigkeit ein Mittel zur Messung der augenblicklichen Beschleunigung umfasst, das einem Mittel zur Integration von der Beschleunigung über die Zeit zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem ein Mittel zur Synchronisierung der Messungen von Druck und von Geschwindigkeit oder von Beschleunigung in der Brennkammer (1) eines Zylinders umfasst.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem ein Mittel zur Synchronisierung der Messungen auf der Gesamtheit der Zylinder des Motors umfasst.