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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung des Betriebszustandes der einzelnen Zylinder einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, bei welcher Einrichtung für jeden Zylinder ein Druckmesswandler mit nachgeschaltetem Verstärker vorhanden ist, und den Verstärkern eine getriggerte Umschalteinrichtung in Form eines Zählers zugeordnet ist, der eine Messeinrichtung für den Verbrennungsspitzendruck nachgeschaltet ist, wobei eine Auswerteinrichtung für die Messergebnisse vorhanden ist.
Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen für stationären Antrieb oder Schiffsantrieb müssen in Anbetracht der hohen Reparaturkosten und der erheblichen Ausfallkosten bei Motorschäden besonders betriebssicher sein. Die Überlastung einzelner Zylinder infolge eines gegenüber dem Normalbetriebszustand veränderten
Verbrennungsablaufes kann zu einer Beschädigung von Triebwerksteilen führen, die einen sehr kostspieligen
Betriebsausfall zur Folge hat. Es empfiehlt sich daher, die Belastung und den Verbrennungsablauf der einzelnen
Zylinder laufend zu überwachen, um allfällige Abweichungen vom normalen Zustand noch vor Eintritt eines
Schadens zu erkennen und Gegenmassnahmen ergreifen zu können.
Ein Mass für die Belastung der einzelnen Zylinder einer Brennkraftmaschine ist der mittlere indizierte
Druck. Weiters wird der Verbrennungsablauf charakterisiert durch Verbrennungsspitzendruck sowie die Lage des
Zylinderdruckverlaufes der einzelnen Zylinder zum zugeordneten oberen Totpunkt.
Für Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Motorenbau sind Messeinrichtungen für die Erfassung der absoluten Grössen dieser für den Verbrennungsablauf charakteristischen Daten bekannt, doch sind diese
Einrichtungen für die Überwachung von Motoren im praktischen Einsatz zu aufwendig und vor allem nicht ausreichend robust. Insbesondere erfordert eine Absolutmessung des mittleren indizierten Druckes eine sehr genaue Erfassung des oberen Totpunktes und des Kurbelwinkels bei jedem einzelnen Zylinder durch geeignete
Geber. Für die Anbringung solcher Geber sind aber besondere konstruktive Massnahmen an den zu überwachenden Motoren erforderlich, die nicht nur kostspielig, sondern auch an vorhandenen Motoren nachträglich nicht durchführbar sind.
Ausserdem wird die Störungsanfälligkeit einer solchen Überwachungsanlage erhöht, wenn für die Erfassung des oberen Totpunktes und des Kurbelwinkels für jeden Zylinder ein eigener
Geber verwendet werden muss.
Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Überwachung des Betriebszustandes der einzelnen Zylinder einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine zu schaffen, die sich von den bekannten, für
Forschungszwecke eingesetzten Einrichtungen durch einen wesentlich verringerten baulichen Aufwand und grössere Robustheit vorteilhaft abhebt, und die dennoch Abweichungen einzelner Zylinder vom normalen Betriebszustand mit grosser Zuverlässigkeit erfasst und anzeigt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Ausgang jedes Verstärkers mit einem Eingang eines Diagrammzahl-Vorwahlzählers verbunden ist, der von einer zum Verstärkerausgang des ersten Zylinders parallelgeschalteten Zeitschalter- und Triggereinheit schaltbar ist, dass dem Vorwahlzähler eine Messeinrichtung für den Verbrennungsspitzendruck und parallel zu dieser ein für alle Zylinder gemeinsamer Pegel-Detektor nachgeschaltet ist, der für die Abgabe von Triggersignalen bei über- und Unterschreiten eines voreingestellten Druckpegels an drei ihm nachgeschaltete Digitalzeitzähler eingerichtet ist, von welchen Digitalzeitzählern der erste für die Registrierung der Dauer der Druckpegelüberschreitung,
der zweite für die Registrierung des Intervalles zwischen den Anfangszeitpunkten und der dritte für die Registrierung des Intervalles zwischen den Endzeitpunkten der Druckpegelüberschreitung jeweils aufeinanderfolgender Zylinder eingerichtet ist, dass die von der Messeinrichtung für den Verbrennungsspitzendruck und die von den Digitalzeitzählern gelieferten Daten über einen Datenspeicher einer Recheneinheit zugeführt sind, welche für die Bildung der Mittelwerte der Daten sämtlicher Zylinder eingerichtet ist, und dass der Recheneinheit ein die Abweichungen der Daten jedes Zylinders von den zugehörigen Mittelwerten bestimmender Sollwert-Komparator und diesem die Auswerteinrichtung nachgeschaltet sind.
Eine solche überwachungseinrichtung, welche ohne Geber zur Erfassung des oberen Totpunktes auskommt, erfasst also nicht die absoluten Grössen der für den Belastungszustand und den Verbrennungsablauf in den einzelnen Zylindern massgeblichen Grössen, sondern die relativen Abweichungen dieser Daten der einzelnen Zylinder von Mittelwerten der entsprechenden Daten sämtlicher Zylinder der Brennkraftmaschine. Alle Abweichungen, die ein vorbestimmtes zulässiges Ausmass überschreiten, werden daher von der Einrichtung zuverlässig angezeigt, u. zw. unabhängig von der jeweiligen Drehzahl und Belastung des Motors, weil der Einfluss dieser Grössen durch die relative Datenbildung ausgeschaltet ist.
Die Einrichtung gibt also für jeden Last- und Drehzahlzustand die perzentuellen Abweichungen der charakteristischen Punkte der Verbrennungsdruckverläufe von deren mittleren Lage oder einer gegebenen Sollage an. Aus der Grösse der Abweichungen von den Mittelwerten können alle kritischen Veränderungen des Verbrennungsablaufes rechtzeitig erkannt und beseitigt werden, bevor noch kostspielige Schäden an den Triebwerksteilen entstanden sind.
Von den von der Überwachungseinrichtung erfassten Daten ist der Spitzenwert des Verbrennungsdruckes jedes einzelnen Zylinders für den Verbrennungsbeginn in diesem Zylinder charakteristisch. Die vom ersten Digitalzeitzähler erfasste Dauer der Überschreitung des am Pegel-Detektors eingestellten Druckpegels, welche der Breite des Druckdiagrammes des betreffenden Zylinders entspricht, stellt ein Mass für die Belastung dedes zugehörigen Zylinders dar.
Das vom zweiten Digitalzeitzähler registrierte Intervall zwischen
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den Anfangszeitpunkten der Druckpegelüberschreitung aufeinanderfolgender Zylinder, welches im
Druckdiagramm als Abstand der Kompressionslinien der aufeinanderfolgenden Zylinder erscheint, ergibt sich einerseits aus den unveränderlichen Winkelversetzungen der Kurbelwellenkröpfungen und anderseits aus den veränderlichen Verläufen der Verdichtungsdrücke und stellt daher ein Bewertungsmass für die Gleichmässigkeit der Verdichtungsvorgänge in den einzelnen Zylindern dar.
Das Intervall zwischen den Endzeitpunkten der
Druckpegelüberschreitung aufeinanderfolgender Zylinder, welches der dritte Digitalzeitzähler registriert, und das im Druckdiagramm den Abstand der Expansionslinien aufeinanderfolgender Zylinder entspricht, kennzeichnet die jeweilige Lage des Verbrennungsablaufes in bezug auf den oberen Totpunkt.
Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die dem Sollwert-Komparator nachgeschaltete
Auswerteinrichtung ein Datensichtgerät, z. B. ein Drucker, und bzw. oder eine unzulässige Abweichungen von
Daten einzelner Zylinder von den zugehörigen Mittelwerten signalisierende Warneinrichtung. Die Wahl der zur
Kenntlichmachung abnormaler Betriebszustände verwendeten optischen oder akustischen Signaleinrichtungen kann dann den unterschiedlichen Betriebserfordernissen entsprechend vorgenommen werden.
Besonders vorteilhaft ist es schliesslich, wenn nach einem weiteren Erfindungsmerkmal die dem
Sollwert-Komparator nachgeschaltete Auswerteinrichtung eine beim Auftreten unzulässiger Abweichungen von
Daten einzelner Zylinder von den zugehörigen Mittelwerten die Brennkraftmaschine selbsttätig stillsetzende
Abstelleinrichtung ist. Es wird daher auch bei Brennkraftmaschinen, z. B. stationären Motoren, die ohne personelle Beaufsichtigung betrieben werden, ein Höchstmass an Sicherheit gegen Triebwerksschäden durch
Abweichungen des Belastungszustandes und Verbrennungsablaufes einzelner Zylinder vom normalen
Betriebszustand erreicht.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Gesamtübersicht einer Überwachungseinrichtung nach der
Erfindung und Fig. 2 nach der Zündfolge geordnete Zylinderdruckdiagramme der einzelnen Zylinder der in Fig. 1 schematisch dargestellten Vierzylinder-Brennkraftmaschine.
In Fig. 1 sind mit--l bis 4--die Motorzylinder einer Brennkraftmaschine --5-- bezeichnet, deren
Betriebszustand laufend überwacht werden soll. Jedem Zylinder ist zur Erfassung des Druckverlaufes ein
Druckmesswandler --6-- mit nachgeschaltetem Verstärker--7--zugeordnet. Die Ausgänge der Verstärker - sind jeweils mit einem Eingang eines Diagrammzahl-Vorwahlzählers --8-- verbunden. Am Ausgang des zum Zylinder--l--gehörigen Verstärkers--7--ist eine Zeitschalter-und Triggereinheit--9-- angeschlossen, welche den Vorwahlzähler --8-- in wählbaren Zeitabständen einschaltet.
Dem Vorwahlzähler --8-- sind eine Messeinrichtung--10--für den Verbrennungsspitzendruck --p-- und ein für sämtliche Zylinder gemeinsamer Pegel-Detektor--11--nachgeschaltet. Am Ausgang des Pegel-Detektors--11--sind ein Digitalzeitzähler --12-- und zwei Triggereinheiten--15 und 16-angeschlossen, deren Ausgänge jeweils mit einem weiteren Digitalzeitzähler--13 bzw. 14--verbunden sind.
Die von der Messeinrichtung --10-- und den Digitalzeitzählern--12 bis 14--gelieferten Daten werden von einem Datenspeicher--17--aufgenommen und von diesem einer Recheneinheit--18--zugeführt, welche die Mittelwerte aus den Daten sämtlicher Zylinder--l bis 4-- der Brennkraftmaschine --5-- bildet. Ein der Recheneinheit --18-- nachgeschalteter Sollwert-Komparator --19-- bestimmt die Abweichungen der Daten jedes Zylinders von den zugehörigen Mittelwerten und gibt die entsprechenden Verhältniszahlen an ein nachgeschaltetes Datensichtgerät, z. B. einen Drucker-20-, weiter. Der Sollwert-Komparator --19-- steuert zugleich auch eine optische oder akustische Warneinrichtung--21--.
Mit Bezugnahme auf Fig. 2 ergibt sich für die Überwachungseinrichtung nach Fig. 1 die nachstehende Arbeitsweise. Die Druckmesswandler--6--nehmen die Zylinderdruckverläufe der einzelnen Zylinder--l bis 4--, nach der Zündfolge geordnet, auf, wie im Diagramm der Fig. 2 ersichtlich.
Der auf einen einem vorbestimmten Druckwert entsprechenden Pegel--22--voreingestellte Pegel-Detektor--11--gibt sowohl beim Überschreiten als auch beim Unterschreiten des Druckpegels--22--ein Triggersignal an die nachgeschalteten Digitalzeitzähler --12 bis 14-ab. Der erste Digitalzeitzähler --12-- registriert die Dauer der Druckpegelüberschreitung bei den einzelnen aufeinanderfolgenden Zylindern, entsprechend den Diagrammbreiten--bi bis b4-- in Fig. 2. Diese Diagrammbreite ist gleichzeitig ein Mass für die Belastung des jeweiligen Zylinders.
Der von der Triggereinheit --15-- gesteuerte Digitalzeitzähler --13-- erfasst das Zeitintervall zwischen den Anfangszeitpunkten der Druckpegelüberschreitung jeweils aufeinanderfolgender Zylinder, entsprechend den Abständen--Kl bis K4--der Kompressionslinien aufeinanderfolgender Zylinder gemäss Fig. 2. Die Abstände --Ki bis K4--sind gegeben durch die unveränderlichen Winkelabstände der Kurbelwellenkröpfungen und die veränderlichen Verläufe der Verdichtungsdrücke der entsprechend der Zündfolge aufeinanderfolgenden Zylinder. Sie werden zur Bewertung der Gleichmässigkeit der Verdichtungsvorgänge in den einzelnen Zylindern herangezogen.
Der von der Triggereinheit --16-- gesteuerte Digitalzeitzähler --14-- erfasst schliesslich das Zeitintervall zwischen den Endzeitpunkten der Druckpegelüberschreitung bei aufeinanderfolgenden Zylindern, entsprechend den Abständen-Ei bis Ender Expansionslinien aufeinanderfolgender Zylinder gemäss Fig. 2.
Diese Werte kennzeichnen die jeweilige Lage des Verbrennungsablaufes in bezug zum oberen Totpunkt.
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Die von der Messeinrichtung-10-gelieferten Spitzenwerte-pi bis p4-des Verbrennungsdruckes jedes einzelnen Zylinders sind für den Verbrennungsbeginn in den einzelnen Zylindern kennzeichnend.
Die anfallenden Daten-p, b, K und E-werden dem Datenspeicher --17-- eingegeben. Die Recheneinheit --18-- bildet aus diesen Daten die Mittelwerte-p', b', K'und E'--der Daten sämtlicher Zylinder und berechnet die Abweichungen der Einzelwerte von den zugehörigen Mittelwerten und gibt diese an den Sollwert-Komparator --19-- weiter, der die Zulässigkeit dieser Abweichungen durch Vergleich mit entsprechenden Sollwerten überprüft.
Liegt eine unzulässig hohe Abweichung der charakteristischen Punkte der Verbrennungsdruckdiagramme von deren mittlerer Lage bzw. vorbestimmten Sollage vor, so wird die Warneinrichtung--21--eingeschaltet, die dann die überwachende Person zu einem Eingriff veranlasst, bevor noch irgendein Schaden an den Triebwerksteilen entstanden ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Überwachung des Betriebszustandes der einzelnen Zylinder einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, bei welcher Einrichtung für jeden Zylinder ein Druckmesswandler mit nachgeschaltetem Verstärker vorhanden ist, und den Verstärkern eine getriggerte Umschalteinrichtung in Form eines Zählers zugeordnet ist, der eine Messeinrichtung für den Verbrennungsspitzendruck nachgeschaltet ist, wobei eine
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ist, dass dem Vorwahlzähler (8) die Messeinrichtung (10) für den Verbrennungsspitzendruck (p) und parallel zu dieser ein für alle Zylinder (1 bis 4) gemeinsamer Pegel-Detektor (11) nachgeschaltet ist, der für die Abgabe von Triggersignalen bei Über- und Unterschreiten eines voreingestellten Druckpegels (22) an drei ihm nachgeschaltete Digitalzeitzähler (12 bis 14) eingerichtet ist,
von welchen Digitalzeitzählern der erste (12) für die Registrierung der Dauer (b) der Druckpegelüberschreitung, der zweite (13) für die Registrierung des Intervalles (K) zwischen den Anfangszeitpunkten und der dritte (14) für die Registrierung des Intervalles (E) zwischen den Endzeitpunkten der Druckpegelüberschreitung jeweils aufeinanderfolgender Zylinder eingerichtet ist, dass die von der Messeinrichtung (10) für den Verbrennungsspitzendruck (p) und die von den Digitalzeitzählern (12 bis 14) gelieferten Daten (b.
K, E) über einen Datenspeicher (17) einer Recheneinheit (18) zugeführt sind, welche für die Bildung der Mittelwerte (p', b', K', E') der Daten sämtlicher Zylinder (1 bis 4) eingerichtet ist, und dass der Recheneinheit (18) ein die Abweichungen der Daten jedes Zylinders von den zugehörigen Mittelwerten bestimmender Sollwert-Komparator (19) und diesem die Auswerteinrichtung (20,21) nachgeschaltet sind.
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