DE4431720C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Drehzahl von Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Verbrennungskraftma­ schine, die mit einer Wechselstrom-Lichtmaschine gekoppelt ist, mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Messung der Drehzahl von Verbrennungskraftmaschinen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8, jeweils als bekannt zu entnehmen aus Patent Abstracts of Japan, Vol. 11, No. 87 (P 557), 17. März 1987 zu JP-OS 61-241667 mit JP-OS 61-241667.

Es ist bekannt, die Drehzahl einer Verbrennungs­ kraftmaschine z. B. dadurch zu bestimmen, daß mittels eines lichtoptischen Sensors die Wiederholfrequenz des von einer Reflexmarke erzeugten Signals gemessen wird. Es ist jedoch schwierig und problematisch, den Sensor zu plazieren, da mit der Kurbelwellendrehzahl rotierende Reflexmarken oft nur mit Schwierigkeit oder überhaupt nicht angebracht werden können.

Es ist auch bekannt, die Drehzahl einer Verbren­ nungskraftmaschine aus akustischen Signalen, die von der Verbrennungskraftmaschine ausgehen, zu bestim­ men, siehe z. B. US 44 52 079 und GB 21 74 499 A.

Bei Verwendung akustischer Signale gelingt es je­ doch nicht, bei Verbrennungskraftmaschinen beliebiger Bauart über den gesamten Drehzahlbereich befriedi­ gende Signale zu gewinnen.

Darüber hinaus ist das dynamische Verhalten einer akustischen Messung wegen der niedrigen Signalfre­ quenzen (etwa 20 . . . 200 Hz) für Beschleunigungsmes­ sungen von Leerlauf auf Maximaldrehzahl unzurei­ chend. Das bekannte Verfahren der Gewinnung eines drehzahlrelevanten Signals aus der Frequenz der Zünd­ impulse scheidet aus, da es nicht auf Dieselmotoren an­ wendbar ist, siehe z. B. EP 0315 357 B1.

Das für Dieselmotoren bekannte Verfahren, als dreh­ zahlrelevantes Signal die Kraftstoffeinspritzung mittels geeigneter Sensoren zu erfassen, scheidet aus, da die Einspritzanlage bei modernen Motoren nicht oder nur schwer zuganglich ist.

Es ist auch bekannt, die Drehzahl von Verbrennungs­ kraftmaschinen dadurch zu bestimmen, daß die Fre­ quenz der Lichtmaschine, die als Restwelligkeit dem Bordnetz überlagert ist, zur Messung herangezogen wird. Aufgrund der unbekannten Übersetzung der Lichtmaschine zur Motordrehzahl ist es erforderlich, je­ weils eine fahrzeugspezifische Kalibrierung vorzuneh­ men.

So wird z. B. gem. EP 01 88 403 A2 die Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine aus der Frequenz bzw. Restwelligkeit einer mit diesem Motor gekoppelten Lichtmaschine abgeleitet.

Andererseits wird die Drehzahl auch über einen mit dem Schwungrad des Motors direkt gekoppelten induk­ tiven Drehzahlgebers ermittelt. Die beiden ermittelten Drehzahlen werden ständig verglichen, um beim Ausfall eines Meßprinzips sicherstellen zu können, daß die aus der Motordrehzahl abgeleitete vorgegebene Arbeits­ weise des Motors nicht gefährdet wird.

Gemäß DE 39 23 532 A1 wird die Drehzahl der Ver­ brennungskraftmaschine aus der Frequenz F1 der Rest­ welligkeit der Lichtmaschine ermittelt, wobei die Kali­ brierung mit einem Signal der Frequenz F2 erfolgt, mit dem die Frequenz F1 frequenzmoduliert ist. Die Fre­ quenzmodulation entsteht durch die inhomogene Dreh­ geschwindigkeit der Lichtmaschine, bedingt durch die auf die Kurbelwelle wirkenden Explosionsstöße.

Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß die­ ses Verfahren nur bei Dieselmotoren anwendbar ist, da bei dem ruhigen Lauf von Ottomotoren nur eine unzu­ reichende Frequenzmodulation auftritt. Gemäß DE 40 36 713 A1 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem man aus dem Laufgeräusch der Tachometerwelle die für die Drehzahl der Welle charakteristische Fre­ quenz herausfiltert, wofür u. a. auch die Fouriertransfor­ mation herangezogen wird.

Auf eine Kalibrierung mit einem unabhängigen für die Drehzahl repräsentativen Signal wird verzichtet.

Bekannte Vorrichtungen dieser Art lassen eine für alle Motortypen anwendbare Kalibrierung zur Erlan­ gung einer betriebssicheren Anzeige der Drehzahl nicht zu.

In Patent Abstracts of Japan, Vol. 11, no. 87 (P 557), 17. März 1987 zu JP-OS 61-241667 ist eine Einrichtung zur Erfassung der Motordrehzahl eines Dieselfahrzeugs beschrieben, bei der die Schwingungen des Motorblocks, die der Motordrehzahl im Leerlauf entsprechen, mittels eines piezoelektrischen Sensors in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.

Ein Wechselstromgenerator liefert über einen 3-Phasen-Vollweggleichrichter ein Signal, das durch den Glättungseinfluß der aufzuladenden Batterie in einen pulsierenden Gleichstrom ver­ wandelt wird. Eine Erfassungseinheit erfaßt die Welligkeitskomponente aus dem Signal des Sensors und das pulsierende Gleichstromsignal und erzeugt ein der Signalform entsprechendes Eingangssignal. Durch einen Mikrocomputer wird aus beiden Signalen eine korrigierte Motor­ drehzahl ermittelt und angezeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Drehzahlmessung von Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, die insbesondere in einfacher Weise angewandt und an­ gebracht werden können, um bei Verbrennungskraft­ maschinen aller Arten die Drehzahl betriebssicher zu bestimmen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß verfahrensmäßig mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsge­ mäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 8 beschrieben.

Die höheren Frequenzen der Signalspannung der Restwelligkeit des Bordnetzes (etwa 1 . . . 6 KHz) begün­ stigen dynamische Messungen, wie sie zum Beispiel bei der Dieselmotor-Abgasuntersuchung erforderlich sind.

Voraussetzung ist, daß die Verbrennungskraftmaschi­ ne mit einer Wechselstrom-Lichtmaschine verbunden ist, und daß man zum Zweck der Kalibrierung für kurze Zeit zum Beginn der Messung ein Mikrofon in der Nähe des Auspuffs positioniert.

Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in Form eines Blockschaltbildes die An­ ordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine be­ vorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 3 zeigt ein typisches Frequenzspektrum.

Beschreibung der Funktionsweise

Die Beschreibung stellt nur ein mögliches Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung dar. Details, die zum allge­ meinen Stand der Technik gehören, sind nur insoweit dargestellt oder beschrieben, als dadurch die Funktions­ weise besser erkannt wird. Viele technische Details sind im Mikrocontroller integriert oder werden durch die Software in bekannter Weise abgearbeitet. Teil der Software ist auch der Algorithmus zur schnellen Fou­ rier-Transformation (FFT). Wesentlich für die Realisie­ rung eines handlichen Meßgerätes ist hier die geeignete Modifikation des Algorithmus, der die Signalverarbei­ tung bei ausreichender Genauigkeit und bei vertretba­ rem Hardwareaufwand gestatten soll.

Das Bordnetz (±) einer Verbrennungskraftmaschine 1, mit der in üblicher Weise eine Wechselstromlichtma­ schine gekoppelt ist, ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 verbunden.

Mittels eines Mikrofons 3 wird der Vorrichtung 2 außerdem ein Schallsignal zugeführt, wobei das Mikro­ fon in der Nähe des Auspuffs ange­ ordnet sein kann.

Die dem Bordnetz überlagerte Restwelligkeit, weiter­ hin als Signalspannung bezeichnet, der gleichgerichte­ ten Wechselspannung der Wechselstromlichtmaschine wird über das Filter 4 von der Gleichspannung getrennt und mittels des Verstärkers 5 auf einen ausreichenden Pegel gebracht und über den A/D-Wandler 6 dem Mi­ kroprozessor 7 zugeführt. Mittels einer geeigneten Soft­ ware, deren wesentlicher Bestandteil der FFT-Algorith­ mus ist, wird das Frequenzspektrum der Signalspan­ nung aufgelöst, vgl. Fig. 3.

Im allgemeinen repräsentiert hierbei die erste mar­ kante Frequenzlinie (Spektrallinie) die Grundfrequenz der Lichtmaschine.

Die ganzzahligen Vielfachen (Harmonische) dieser Grundfrequenz können mehr oder weniger gut ausgeprägt sein. Die harmonischen Spektrallinien werden zur Plausibilitätskontrolle heran­ gezogen.

Die Amplitude der dem Bordnetz überlagerten Si­ gnalspannung steigt, wenn die Lichtmaschine belastet wird. Es ist deshalb von Vorteil, während der Messung diese Belastung, z. B. durch Einschalten des Lichts vor­ zunehmen.

Da die Spektrallinie, die die Grundfrequenz (Dreh­ zahl) der Lichtmaschine repräsentiert, noch kein absolu­ tes Maß für die Drehzahl sein kann, da die Übersetzung der Lichtmaschine zur Drehzahl der Kurbelwelle nicht bekannt ist erfolgt erfindungsgemäß die Zuordnung zur absoluten Drehzahl (Kalibrierung) durch gleichzeitige Messung der Drehzahl über ein akustisches Signal, das in der Nähe des Auspuffs z. B. mit­ tels eines Mikrofons 3 aufgenommen werden kann.

Die vom Mikrofon 3 aufgenommenen, akustischen Signale werden über ein Filter 9, einen Verstärker 10 und den A/D-Wandler 11 ebenfalls dem Mikroprozes­ sor 7 zugeführt und in einem schnellen Wechseltakt mit dem gleichen FFT-Algorithmus analysiert.

Das akustische Signal ergibt für die Leerlaufdrehzahl in praktisch allen Fällen eine eindeutig die Drehzahl repräsentierende Spektrallinie, so daß die Kalibrierung des an den Mikroprozessor 7 angeschlossenen Dreh­ zahlmessers 8 vorzugsweise bei der Leerlaufdrehzahl erfolgt. Sollte in Ausnahmefällen bei der Leerlaufdreh­ zahl über das akustische Signal keine eindeutige Spek­ trallinie erkannt werden, was dadurch festgestellt wird, daß bei Verifizierung mit harmonischen Spektrallinien keine Übereinstimmung gefunden wird, so wird eine höhere Drehzahl zur Kalibrierung herangezogen.

Die Plausibilitätskontrolle erfolgt stets automatisch, was durch ständige Auswertung der statistischen Ver­ teilung der relevanten Spektrallinien erfolgt. Die auto­ matische Kalibrierung erfolgt z. B. über eine Dauer von 1-3 Sekunden in einer Häufigkeit von 15-50 mal. Ist hierbei der Kalibrierkoeffizient stets gleich (bei statisti­ scher Auswertung), so wird die Kalibrierung als richtig erkannt Treten Abweichungen auf, so wird in geeigne­ ter Weise darauf aufmerksam gemacht, daß die Kali­ brierung wiederholt werden muß, das heißt z. B., indem das Mikrofon günstiger plaziert wird.

Die alleinige Ableitung der Drehzahl durch Analyse der akustischen Signale ist nicht in allen Fällen eindeu­ tig, da es z. B. eintreten kann, daß bei hoher Motordreh­ zahl in weiten Bereichen keine signifikanten, die Dreh­ zahl repräsentierenden Frequenzen erkannt werden können.

Dagegen liefert das aus der Restwelligkeit des Bord­ netzes abgeleitete Frequenzspektrum stets eindeutig separierbare Frequenzen, die für die Drehzahl der Ver­ brennungskraftmaschine repräsentativ sind.

Im Bereich geringer Drehzahlen, vorzugsweise bei der Leerlaufdrehzahl, enthalten jedoch die akustischen Signale, die von der Verbrennungskraftmaschine ausge­ hen, wenn auch nur in einem eng begrenzten Drehzahl­ bereich, Frequenzanteile, die eindeutig und absolut für die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine repräsen­ tativ sind. Deshalb ergänzen sich beide Methoden, was erfindungsgemäß ausgenutzt wird.

Die genaue Drehzahl wird auf dem Display als Zahl 8 angezeigt und kann von der beschriebe­ nen Vorrichtung über eine oder mehrere Schnittstellen an andere Meßgeräte übertragen wer­ den.

Das Display 8 kann auch gleichzeitig zur Bedienerführung verwendet werden, u. a. zur Ein­ gabe der Zylinderzahl der untersuchten Verbrennungskraftmaschinen.

Die prinzipielle Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung ist wie folgt:

Die Vorrichtung zur Drehzahlmessung besteht aus zwei Kanälen:

• 1. dem Kanal, der das elektrische Signal der Licht­ maschine nutzt und
• 2. dem Kanal, der das akustische Signal nutzt (Aus­ puff oder Motorraum).

Der Kanal 1 liefert zwar eine relative Drehzahl be­ triebssicher über den gesamten Bereich, jedoch enthält der Meßwert einen unbekannten Koeffizienten zur wahren (absoluten) Drehzahl.

Der Kanal 2 liefert dagegen die wahre (absolute) Drehzahl vorzugsweise im Leerlauf, jedoch im allgemei­ nen nicht betriebssicher über den gesamten Bereich.

Genutzt wird deshalb die Kalibrierung von Kanal 1 mit Kanal 2 vorzugsweise bei der Leerlaufdrehzahl.

Claims (8)

1. Verfahren zur Messung der Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine, die mit einer Wechselstrom-Lichtmaschine gekoppelt ist, indem man die Frequenz des von der Lichtma­ schine erzeugten Wechselstroms bei mindestens einem Wert mittels eines unabhängigen, Schwingungen aufnehmenden Sensorsystems mit der wahren Drehzahl der Verbrennungs­ kraftmaschine unter Einsatz eines Mikrocomputers vergleicht und auf diese Weise einen Kalibrierkoeffizienten ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß als unabhängiges Sensorsy­ stem ein in der Nähe des Auspuffs angeordneter akustischer Sensor verwendet wird und das vom akustischen Sensor aufgenommene Frequenzspektrum des Klangbilds in der Nähe des Auspuffs mittels eines FFT-Meßsystems analysiert wird, wobei das gleiche Meßsystem auch zur Analyse der Frequenz der Lichtmaschine verwendet wird, und im Frequenzspektrum des elektrischen und akustischen Signals jeweils mehrere charakteristische Spektrallinien, näm­ lich Harmonische, zur Verifizierung der gesuchten Drehzahl herangezogen werden und so­ wohl die am unabhängigen Sensorsystem als auch die an der Lichtmaschine abgenommenen Signale in digitalisierter Form unter Verwendung statistischer Methoden verarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalibrierkoeffizient über eine kurze Zeitspanne von z. B. 1 bis 3 Sekunden bei häufiger Wiederholung im Abstand von z. B. 50 bis 100 ms mit statistischen Mitteln auf Gleichheit geprüft wird und bei Abweichun­ gen der Kalibriervorgang wiederholt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Wiederholung des Kali­ briervorgangs die Position des akustischen Sensors verändert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung vorzugsweise bei der Leerlaufdrehzahl erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fre­ quenz der Lichtmaschine aus den der Bordnetzspannung überlagerten Halbwellen des gleichgerichteten Wechselstroms der Lichtmaschine ermittelt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Frequenz der Lichtma­ schine über eine Induktions- oder Hall-Sonde in der Nähe der Lichtmaschine abnimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmaschine während der Messung mittels einer zuschaltbaren Last einen ausreichenden Strom liefert, der die Rest­ welligkeit der Generatorspannung besser hervortreten läßt.

8. Vorrichtung zur Messung der Drehzahl von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem an das Bordnetz der Verbrennungskraftmaschine angeschlossenen Filter, welches nur den von der Lichtma­ schine erzeugten Wechselspannungsanteil an einen Verstärker weiterleitet, sowie einem Schwingungen aufnehmenden Sensorsystem mit einem daran angeschlossenen Filter und ei­ nem daran anschließenden Verstärker, wobei die von den Verstärkern abgegebenen Signale einem Mikroprozessor zugeführt werden, welcher aus den zugeführten Signalen eine kali­ brierte Drehzahl ermittelt, die mittels eines Displays angezeigt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sensorsystem als im Bereich des Auspuffs angeordneter, akustischer Sensor (3) ausgebildet ist und die Ausgänge der Verstärker (5, 10) jeweils über einen A/D-Wandler (6, 11) an den Mikroprozessor (7) angeschlossen sind und der Mikroprozessor (7), der mit ei­ ner Software ausgerüstet ist, deren wesentlicher Bestandteil der FFT-Algorithmus ist, das Frequenzspektrum der beiden ihm zugeführten Signale, aus dem jeweils mehrere charakte­ ristische Spektrallinien, nämlich Harmonische, zur Verifizierung der gesuchten Drehzahl herangezogen werden, unter Verwendung statistischer Methoden analysiert, vergleicht und die kalibrierte Drehzahl ermittelt.