DE4020681C2

DE4020681C2 - Vorrichtung zur Ermittlung mindestens eines Maschinenparameters bei einer Verbrrennungsmaschine

Info

Publication number: DE4020681C2
Application number: DE4020681A
Authority: DE
Inventors: Akira Demizu; Hitoshi Inoue
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-06-27
Filing date: 1990-06-25
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2010-06-26
Also published as: DE4020681A1; KR910001234A; KR940006052B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind Vorrichtungen zur Ermittlung von Maschinenparametern bei Mehrzylindermaschinen bekannt, wie in Fig. 1 gezeigt ist, in der eine Maschine 1, Zylinder (Nr. 1 bis Nr. 4) 2 bis 5, Drucksensoren 6 bis 9 zur Erfassung des Druckes in den jeweiligen Zylindern 2 bis 5, ein Kurbelwinkelsensor 10 zur Erzeugung von Impulsen in Abhängigkeit des Kurbelwinkels der Maschine 1 für die Bestimmung des Zeitpunktes der Druckerfassung und eine Zylinderinnendruck-Meßeinrichtung 11 zum Empfang der Ausgangssignale der Drucksensoren 6 bis 9 und des Kurbelwinkelsensors 10 für die Messung der Drücke in den Zylindern dargestellt sind. Die Meßeinrichtung 11 enthält Schnittstellen 12 bis 15 zur Umwandlung der Ausgangssignale der Drucksensoren 6 bis 9 in Spannungswerte, eine das Ausgangssignal des Kurbelwinkelsensors 10 empfangende Zeitgeberschnittstelle 16, Analog/Digital- Wandler 17 bis 20 zur Umwandlung der Ausgangssignale der Schnittstellen 12 bis 15 in Digitalwerte, Speicher 21 bis 24 zum Speichern der von den Analog/Digital- Wandlern 17 bis 20 gelieferten Digitalwerte und eine Datensammel-/Analysestation 25, die die Ausgangssignale der Zeitgeberschnittstelle 16 und der Speicher 21 bis 24 empfängt, Ausgangssignale an die Analog/Digital- Wandler 17 bis 20 und die Speicher 21 bis 24 abgibt, um die Anzahl der Datenproben sowie den Beginn und die Beendigung der Messung zu steuern, und eine Analyse der gemessenen Daten durchführt. Die Datensammel-/Analysestation 25 kann beispielsweise durch einen Personal- Computer gebildet sein und die Meßeinrichtung 11 ist auf dem Markt erhältlich.

Bei der vorbeschriebenen Vorrichtung erfassen die Drucksensoren 6 bis 9 die Drücke in den Zylindern 2 bis 5 und der Kurbelwinkelsensor 10 erzeugt einen Grundwinkelimpuls für jedes vorbestimmte Intervall (z.B. Intervall von 1° des Kurbelwinkels). Die Ausgangssignale der Drucksensoren 6 bis 9 werden über die Schnittstellen 12 bis 15 und die Analog/Digital-Wandler 17 bis 20 in die Speicher 21 bis 24 eingegeben und in diesen als Digitalwerte gespeichert, und weiterhin der Datensammel-/ Analysestation 25 zugeführt. Das Ausgangssignal des Kurbelwinkelsensors 10 wird über die Zeitgeberschnittstelle 16 in die Datensammel-/Analysestation 25 eingegeben. Gemäß diesen Eingaben sammelt die Datensammel-/ Analysestation 25 kontinuierlich Daten bei vorbestimmten Kurbelwinkelintervallen, wobei die Anzahl der Prüfungen durch die Kapazität der Speicher 21 bis 24 bestimmt wird, analysiert die Daten nach Beendigung der Sammlung und liefert Bewertungsgrößen, die die Eigenschaften der Maschine anzeigen, wie Druckänderung im P(R)-Diagramm (Beziehung zwischen dem Druck und dem Kurbelwinkel), im P-V-Diagramm (Beziehung zwischen dem Hubvolumen und dem Druck), den angezeigten mittleren Arbeitsdruck Pi, und so weiter.

Bei der vorbeschriebenen bekannten Vorrichtung ist es jedoch im wesentlichen unmöglich, eine Echtzeitmessung durchzuführen, denn die Druckdaten werden kontinuierlich gesammelt und gespeichert und dann für die Bildung der Bewertungsgrößen zur Analyse der Eigenschaften angeordnet. Die bekannte Vorrichtung ist somit beispielsweise nicht geeignet, eine Maschinensteuerung durchzuführen, derart, daß die Maschinenarbeitseigenschaften erfaßt und korrigiert oder modifiziert werden, wenn sie sich verschlechtern. Es bestehen weitere Probleme in der Weise, daß, um die Maschinenleistung zu bewerten, es notwendig ist, eine gewisse Anzahl von Verbrennungszyklen für die Datensammlung vorzusehen, zum Beispiel sind wenigstens 30 Zyklen für einen Beschleunigungstest aus dem Leerlaufzustand von 750 U/min bis 6000 U/min notwendig, und dies erfordert eine Kapazität der Speicher 21 bis 24 von 21,6 Kilobyte (30 (Zyklen)×720 (Kurbelwinkel der 4-Zylindermaschine bei einem Hub) ×1 Byte (Kapazität für die Speicherung der gewöhnlichen Menge der Druckdaten)). Wenn zur Speicherung der Druckdaten 2 Byts erforderlich sind, muß die Kapazität verdoppelt werden und die Kosten steigen entsprechend.

Aus der DE 37 21 162 A1 sowie aus der DE 37 21 010 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Detektieren des Winkels des maximalen Zylinderdrucks bei einer Brennkraftmaschine bekannt. Dieser Winkel dient als Basis für die ausschließliche Steuerung des Brennkraftmaschinenbetriebs.

Weiterhin offenbart die DE 36 41 130 C2 eine Vorrichtung zur Detektion des Zylinderdrucks einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel, bei der der detektierte Zylinderdruck mit einer zeitlich veränderbaren Referenzgröße verglichen wird. Diese wird während eines Detektionsintervalls solange verändert, bei sie den maximalen Zylinderdruck hinreichend bestimmt.

Schließlich zeigt die DE 29 16 583 A1 eine Einrichtung zum Messen der Parameter des Indikatordiagramms von Kolbenmaschinen, beispielsweise des mittleren Indikatordruckes in den Zylindern eines Verbrennungsmotors. Diese weist Druckerfassungseinrichtungen zur Erfassung des Druckes in jedem der Zylinder, eine Kurbelerfassungseinrichtung zur Erfassung des Kurbelwinkels des Verbrennungsmotors, eine Signalauswahleinrichtung zur Auswahl eines Drucksignals aus den Druckerfassungseinrichtungen und eine Recheneinrichtung zur Berechnung beispielsweise des mittleren Indikatordruckes auf. Die Signalauswahleinrichtung ist ein manuell betätigbarer Schalter, so daß jeweils nur ein Zylinder untersucht werden kann. Die Recheneinrichtung enthält einen Impulsbreitenwandler, mehrere Zähler, Decodierer für OT- sowie UT-Signale, eine logische Schaltung und weitere logische Bausteine. Die bekannte Einrichtung ist somit sehr aufwendig.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Ermittlung mindestens eines Maschinenparameters bei einer Verbrennungsmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern auf der Grundlage des bei vorgegebenen Kurbelwinkeln gemessenen Zylinderinnendrucks für jeden Meßkurbelwinkel sowie zur Ermittlung mindestens eines Maschinenparameters für einen Verbrennungszyklus auf der Grundlage sämtlicher bei den vorgegebenen Kurbelwinkeln gemessener Zylinderinnendrücke, mit je einer Druckerfassungseinrichtung zur Erfassung des Druckes in dem jeweiligen Zylinder, einer Kurbelwinkelerfassungseinrichtung zur Erfassung eines Kurbelwinkels der Verbrennungsmaschine zur Erzeugung eines Grundzeitsignals auf der Basis einer Kurbelwinkeleinheit, einer Signalauswahleinrichtung zur aufeinanderfolgenden Auswahl jeweils eines Drucksignals aus den Druckerfassungseinrichtungen, und einer Recheneinrichtung zur Berechnung des mindestens einen Maschinenparameters zu schaffen, mit der die mehreren Zylinder im Echtzeitbetrieb gleichzeitig untersucht werden können und die einen einfachen Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Weise ausgebildet, daß die Signalauswahleinrichtung aufeinanderfolgend das Drucksignal für jeweils einen der Zylinder für einen bestimmten Kurbelwinkel gemäß dem Grundzeitsignal auswählt und direkt zur Recheneinrichtung liefert, und daß die Recheneinrichtung den Maschinenparameter auf der Grundlage des bei dem bestimmten Kurbelwinkel gemessenen Zylinderinnendrucks für den Zylinder bis zum vom Grundzeitsignal abhängigen Eintreffen des nächsten Drucksignals des Zylinders berechnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bekannten Vorrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungs gemäßen Vorrichtung,

Fig. 3(a) bis 3(d) Diagramme der Zylinderinnendruck eigenschaften und Wellenformen von Zylinderidentifikations-, Kurbelwinkel- und Analog/Digital- Umwandlungszeitsignalen bei der Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 4(a) bis 4(c) Diagramme einer Folge zur Erfassung des Zylinderinnendruckes,

Fig. 5 ein die Zylindervolumeneigen schaften illustrierendes Diagramm,

Fig. 6 eine Kartendateneigenschaften zeigendes Diagramm,

Fig. 7 und 8 ein Flußdiagramm und ein Zeit diagramm zur Darstellung des Vorganges zur Berechnung des angezeigten mittleren Arbeits druckes, und

Fig. 9(a) bis 9(f) Wellenformen darstellende Dia gramme zur Erläuterung einer anderen Prüfzeitvorgabe.

Fig. 2 stellt ein Blockschaltbild dar, das eine Vorrichtung zur Erfassung des Zylinderinnendruckes einer Verbrennungsmaschine illustriert. Hierbei sind Komponenten, die denen in Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Vorrichtung enthält einen Einchip-Mikrocomputer 26 mit einem Analog/Digital-Wandler 27 und einem Speicher 28, und eine Multiplexschaltung 29 mit einer Mehrzahl von Durchgangstoren für die Auswahl und Ansteuerung der Ausgänge der Schnittstellen 12 bis 15. Die Schnittstellen 12 bis 16, die Multiplexschaltung 29 und der Mikrocomputer 26 bilden eine Zylinder innendruckmeßstation 30.

Bei der vorbeschriebenen Vorrichtung werden die Ausgangssignale der Drucksensoren 6 bis 9 über die Schnittstellen 12 bis 15 der Multiplex schaltung 29 zugeführt, durch die in Aufeinander folge eines der Signale von den Schnittstellen ausgewählt und dem Mikrocomputer 26 zugeleitet wird. Die Fign. 3(a) bis 3(d) zeigen Änderungen des Druckes im Zylinder 2 in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel einer 4-Taktmaschine und die Wellen formen der Hauptabschnitte hiervon. Die Abkürzung TDC bedeutet den oberen Totpunkt des Zylinders 2 und die Abkürzung BDC dessen unteren Totpunkt. Die Druckänderungen in den anderen Zylindern 3 bis 5 sind gleichartig mit denen im Zylinder 2, jedoch in der Phase um 180° gegeneinander verschoben. Der Kurbelwinkelsensor 10 erfaßt die Kurbelwinkel und erzeugt ein den Zylinder 2 (Nr. 1) identifi zierendes Signal für jedes Intervall von 720° sowie ein Kurbelwinkelsignal mit einem Intervall von 1°, wie die Fig. 3(b) und 3(c) zeigen. Das Kurbelwinkelsignal wird als Grundzeitsignal der Station 30 verwendet. Diese Signale werden über die Zeitgeberschnittstelle 16 in den Mikrocomputer 26 eingegeben. In Abhängigkeit hiervon steuert der Mikrocomputer 26 die Multiplexschaltung 29 für die Ausgabe des Drucksignals von der Schnittstelle 12 zum Analog/Digital-Wandler 27 während eines ersten Zyklus 0 bis 720° und der Analog/Digital- Wandler 27 wandelt das empfangene Analogsignal für jedes Intervall eines vorgegebenen Kurbelwinkels, z.B. ein Intervall von 2° gemäß Fig. 3(d), in ein entsprechendes Digitalsignal um. Die so umgewandelten Drucksignale werden dann im Speicher 28 ge speichert und vom Mikrocomputer 26 analysiert.

Eine derartige Folge mit einem Intervall von 720° wird nach einem Intervall von 180° wiederholt, wie in Fig. 4(a) gezeigt ist. Somit werden die Druckdaten des Zylinders 2 (Nr. 1) in einem Verbrennungszyklus vom Ansaugtakt bis zum Ausstoß takt einer Analog/Digital-Umwandlung unterzogen, und die Daten werden im nachfolgenden Intervall von 180° verarbeitet. In gleicher Weise werden die Analog/Digital-Umwandlung und Datenverarbeitung in Intervallen von 720°+180° in der Reihenfolge der Zylinder 4 (Nr. 3), 5 (Nr. 5) und 3 (Nr. 2) erzielt. Somit erfolgt die Datensammlung für jeden der Zylinder 2 bis 5 aufeinanderfolgend, jedoch intermittierend einmal in vier Intervallen. Im Fall der Verwendung von n-Zylindern findet der Meßzyklus für jeden Zylinder einmal in n-Inter vallen statt, und das Kurbelwinkelintervall zwischen einem bestimmten Sammlungsintervall und dem nachfolgenden Sammlungsintervall ist 720°/n.

Die vom Mikrocomputer 26 gesammelten und analysierten Zylinderinnendruckinformationen enthalten (1) einen Parameter, der in jedem Meßkurbelwinkel (in diesem Fall 2°) berechnet wird, zum Beispiel dP/dR, worin R den Kurbelwinkel und P den Zylinder innendruck bedeuten, (2) einen Parameter, der bei der Beendigung der Messung eines Verbrennungs zyklus, zum Beispiel der angezeigte mittlere Arbeitsdruck Pi, berechnet wird, und so weiter. Im Fall von (1) führt der Mikrocomputer 26 die Berechnung des Differentials dP/dR nach der Beendigung der Analog/Digital-Umwandlung im Analog/ Digital-Wandler 27 durch und speichert das Er gebnis im Speicher 28. Im Fall von (2) wird, basierend auf der im Speicher 28 gespeicherten Information dP/dR, eine Bewertungsgröße, bei spielsweise Pi, durch Umwandlung der dP/dR-Information in der Periode bis zum nächsten Signalsammlungs intervall erhalten.

Die Kapazität des Speichers 28 zur Speicherung der Informationen entspricht der Anzahl der Zylinder multipliziert mit der Anzahl der Prüfungen (zum Beispiel 4×720 = 2880 Byts, selbst wenn das Signal für jedes Intervall von 1° geprüft wird) plus α (Kapazität eines temporären Registers zur Verwendung während der Umwandlung in jeweilige Bewertungsgrößen), und somit kann die Kapazität im Vergleich zur bekannten Vor richtung beträchtlich verringert werden. Die Fig. 4(b) und 4(c) zeigen wiederum die Ausgangs signale des Kurbelwinkelsensors 10, wie in Fig. 3(b) und 3(c) illustriert ist.

Nachfolgend wird die Berechnung des angezeigten mittleren Arbeitsdruckes Pi als Druckparameter im einzelnen beschrieben. Eine angezeigte Arbeit Wi, die von der Maschine in einem Verbrennungs zyklus geleistet wird, wird dargestellt durch Wi = ∫ P×dV worin P den Zylinderinnen druck und V das Zylindervolumen (cm³) bedeuten. Der angezeigte mittlere Arbeitsdruck Pi wird durch Teilung der angezeigten Arbeit Wi durch ein Hubvolumen Vh (cm³) erhalten: Pi = Wi/Vh. Die praktisch verwendete Berechnungsformel lautet wie folgt:

worin CA den Kurbelwinkel, P_AD einen Wert des durch Analog/Digital-Wandlung gewonnenen Ausgangssignals des Drucksensors 6, 7, 8 oder 9 bei jedem Kurbelwinkel von 1°, und M_CA einen Wert entsprechend dV ausgelesen aus der Karte in bezug auf den Kurbelwinkel R bedeuten. Der Wert M_CA (dV/dR) wird wie folgt erhalten: Fig. 5 zeigt die Charakteristik des Volumens V eines Zylinders relativ zum Kurbelwinkel R, und die Beziehung der Änderungsgeschwindigkeit des Volumens zum Kurbelwinkel gemäß Fig. 6 ist aus der Beziehung gemäß Fig. 5 erhalten. Die Beziehung gemäß Fig. 6 wird als Karteninformation im Speicher 28 des Mikrocomputers 26 vorgespeichert und die vorge speicherten Karteninformationen werden als Wert M_CA in Übereinstimmung mit dem Kurbelwinkel R ausgelesen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen ein Fluß- und Zeitdiagramm zur Durchführung der Berechnung des angezeigten mittleren Arbeitsdruckes Pi. In Fig. 7 wird im Schritt 100 ein PI-Zähler zurückgesetzt und die Kartenadresse wird initialisiert. Weiterhin werden alle Komponenten mit dem Ansaug-TDC des Zylinders 2 (Nr. 1) synchronisiert. Im Schritt 101 beginnt die Analog/Digital-Umwandlung gemäß Fig. 8(b) in Übereinstimmung mit einem Anstieg im Kurbel winkelsignal gemäß Fig. 8(a), wodurch die Sammlung der Drucksignale gestartet wird. Im Schritt 102 werden die Kartendaten ausgelesen, wie in Fig. 8(c) gezeigt ist. Im Schritt 103 erfolgt eine Entscheidung darüber, ob die Analog/ Digital-Umwandlung bei einem Kurbelwinkel R (1°-720°) beendet ist oder nicht, und wenn dies der Fall ist, dann werden die durch die Analog/Digital-Umwandlung gewonnenen Druckdaten P_AD mit den im Schritt 102 ausgelesenen Kartendaten M_CA multipliziert und das resultierende Produkt wird im temporären Register Temp im Schritt 104 gespeichert. Im Schritt 105 wird der Wert von Temp zum PI-Zähler addiert und der addierte Wert setzt den PI-Zähler neu. Im Schritt 106 erfolgt eine Entscheidung, ob der Kurbelwinkel CA 720° erreicht hat oder nicht, und wenn diese Entscheidung "nein" lautet, geht das Programm zum Schritt 101 zurück und die beschriebene Routine wird für einen Verbrennungs zyklus vom Kurbelwinkel 1 bis 720° wiederholt, um den angezeigten mittleren Arbeitsdruck Pi zu berechnen. Im Schritt 107 wird der erhaltene Wert von Pi im PI-Zähler gespeichert. Es kann auch das Zylindervolumen anstelle der Änderung des Zylindervolumens als Karteninformation gespeichert werden. In diesem Fall ist im Schritt 104 die Berechnung von dV/dt erforderlich.

Obgleich das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel so ausgestaltet ist, daß die jeweiligen Ausgänge der Drucksensoren 6 bis 9 bei jedem Verbrennungs zyklus aufeinanderfolgend angesteuert werden und die Signale dann zum Mikrocomputer 26 geleitet werden, ist es möglich, daß die Sensorausgänge von vier Zylindern bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel, zum Beispiel 1° umgeschaltet werden, wie in Fig. 9(a) bis 9(f) gezeigt ist, und die Signale dann zum Mikrocomputer 26 geliefert werden. Wenn der Zylinderinnendruck in einer solchen Folge gemessen wird, kann die entsprechende Information für alle Zylinder bei jedem Intervall von 720° erhalten werden.

Es ist weiterhin in dieser Folge erforderlich, den angezeigten mittleren Arbeitsdruck Pi zu berechnen, so daß der berechnete Wert bei Beendigung der Messung in einem Verbrennungs zyklus vom Ansaugen zum Ausstoßen für jeden Zylinder die Beurteilungsgröße darstellt.

In diesem Fall ist die Kapazität des Speichers 28 gleich der Anzahl der Prüfungen (720 Bytes, wenn die Abfrage in jedem Intervall von 1° durchgeführt wird) plus α, so daß die Speicher kapazität weiter gesenkt werden kann.

Obgleich im dargestellten Fall die Kurbelwinkel sensoren so ausgebildet sind, daß sie eine Genauigkeit von 1° für die Winkelerfassung besitzen, ist augenscheinlich, daß, wenn die Genauigkeit der Winkelerfassung der Kurbelwinkel sensoren für eine n-Zylindermaschine gleich x° ist, die Zylinderinnendruckinformation in einem Inter vall von (n/x)° für jeden Zylinder gemessen werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Ermittlung mindestens eines Maschinenparameters bei einer Verbrennungsmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern auf der Grundlage des bei vorgegebenen Kurbelwinkeln gemessenen Zylinderinnendrucks für jeden Meßkurbelwinkel sowie zur Ermittlung mindestens eines Maschinenparameters für einen Verbrennungszyklus auf der Grundlage sämtlicher bei den vorgegebenen Kurbelwinkeln gemessener Zylinderinnendrücke, mit je einer Druckerfassungseinrichtung zur Erfassung des Druckes in dem jeweiligen Zylinder, einer Kurbelwinkelerfassungseinrichtung zur Erfassung eines Kurbelwinkels der Verbrennungsmaschine zur Erzeugung eines Grundzeitsignals auf der Basis einer Kurbelwinkeleinheit, einer Signalauswahleinrichtung zur aufeinanderfolgenden Auswahl jeweils eines Drucksignals aus den Druckerfassungseinrichtungen, und einer Recheneinrichtung zur Berechnung des mindestens einen Maschinenparameters, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswahleinrichtung (29) aufeinanderfolgend das Drucksignal für jeweils einen der Zylinder (2 bis 5) für einen bestimmten Kurbelwinkel gemäß dem Grundzeitsignal auswählt und direkt zur Recheneinrichtung (26) liefert, und daß die Recheneinrichtung (26) den Maschinenparameter auf der Grundlage des bei dem bestimmten Kurbelwinkel gemessenen Zylinderinnendrucks für den Zylinder bis zum vom Grundzeitsignal abhängigen Eintreffen des nächsten Drucksignals des Zylinders berechnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswahleinrichtung (29) innerhalb eines Verbrennungszyklus nur die Drucksignale eines Zylinders auswählt und daß die Recheneinrichtung (26) den Maschinenparameter für einen Verbrennungszyklus auf der Grundlage sämtlicher bei den vorgegebenen Kurbelwinkeln gemessener Zylinderinnendrücke innerhalb eines Intervalls von 720°/n nach Beeindigung eines Verbrennungszyklus berechnet, wobei n die Anzahl der Zylinder ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswahleinrichtung (29) innerhalb eines Verbrennungszyklus die Drucksignale sämtlicher Zylinder (2 bis 5) alternierend auswählt und zur Recheneinrichtung (26) liefert.