Verfahren zur Überwachung von Verbrennungsmotoren und Einrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens
Es besteht das Bedürfnis nach einem Verfahren zur vorbeugenden Instandhaltung von Motoren, das die Summe der Kosten, die verursacht werden durch Leistungsabfall bzw. übermässigen Brennstoffverbrauch, Reparaturen, Generalüberholung usw., so gering wie möglich werden lässt. Dabei ist es unerlässlich, dass ein Motorüberwachungssystem jeden einzelnen Zylinder getrennt zu analysieren vermag, da sonst bei einem Vielzylinder-Motor geringe Abweichungen von der Norm in einem einzelnen Zylinder nicht erkennbar wären. Bei Motoren, die keine Leistungsabgabe an ihrer Abtriebswelle haben, wie z. B.
Kompressoranlagen, deren Verdichterpleuel an eine gemeinsame Kurbelwelle angelenkt sind, besteht gar keine andere Überwachungsmöglich- keit, als die Indizierung der einzelnen Arbeitszylinder.
Das Einzelzylinder-Überwachungssystem soll rechtzeitig das Festfressen von Kolben verhindern, das Zünd- oder Einspritzsystem überwachen, Brennstoffeinsparung ermöglichen und den wirtschaftlichen Service-Zeitpunkt feststellen. Da sich die Anwendung des tÇberwachungs- systems in erster Linie auf Grossmaschinen beziehen wird, muss auch eine Fernablesung der entsprechenden Daten möglich sein.
Die klassische Methode der mechanischen Aufzeichnung des Indikator-Diagramms und dessen Planimetrierung kommt daher nicht mehr in Frage. Es wird vielmehr ein Gerät benötigt, das die Indizierleistung elektronisch ohne weitere Rechnung direkt anzeigt, wobei eine Fernablesung der Daten möglich ist und eine grössere Anzahl von Zylindern innerhalb kürzester Zeit überprüft werden kann. Die indizierte Leistung ergibt sich als zeitlicher Mittelwert aus der Kraft, die auf den Kolben wirkt, und der Kolbengeschwindigkeit.
Die Fläche eines pv-Indikatordiagramms stellt demnach die nützliche Indikatorarbeit des Arbeitsspieles dar. IFür einen Motor gegebener Abmessungen wird die Grösse dieser Arbeit in Abhängigkeit von dem angewendeten Kreisprozess, dem Verdichtungsgrad, der Güte der Verbrennung, der Luftüberschusszahl und anderen Faktoren, die den Arbeitsprozess des Motors beeinflussen, verschieden sein. Die Indikatorarbeit charakterisiert somit bei einem Motor bzw. Zylinder bestimmter Abmessungen den Gütegrad des Arbeitsprozesses vom Standpunkt der entwickelten Indikatorarbeit. Für gegebene Zylinderabmessungen, d. h. für einen gegebenen Hubraum, ist diese Arbeit dem mittleren indizierten Druck proportional und kann als Produkt Li = pi vh, worin Pl der mittlere indizierte Druck ist, ausgedrückt werden.
Als mittleren indizierten Druck bezeichnet man einen angenommenen, konstanten Druck, der auf den Kolben während eines Expansionshubes wirkt und dadurch eine Arbeit leistet, die der indizierten Arbeit gleich ist. Da bei gegebenem Hubvolumen die Grösse des mittleren indizierten Druckes der indizierten Arbeit proportional ist, kann man nach dem Wert des mittleren indizierten Druckes den Gütegrad des Arbeitsprozesses in bezug auf die entwickelte indizierte Arbeit des Motors beurteilen. Je höher der mittlere indizierte Druck ist, desto grösser wird folglich auch der Ausnutzungsgrad des Hubvolumens eines Zylinders sein.
Zur elektronischen Indizierung eines Motors bzw. eines Zylinders sind demnach zwei Eingabegrössen nötig:
1. Die Messung des Druckverlaufes im Brennraum,
2. der jedem gemessenen Druckwert entsprechende Kolbenweg bzw. Volumen über dem Kolben.
Die elektrische Messung der rasch veränderlichen Drücke unter mechanisch und thermisch ungünstigen Verhältnissen ist heute als gelöst zu betrachten. Die Messung des zweiten Parameters der Kolbenbewegung hingegen verursacht Schwierigkeiten. Da es im allgemeinen nicht möglich ist, den Kolbenweg oder die Kolbengeschwindigkeit direkt an diesem Bauelement auf bequeme Weise zu messen, entsteht der Hauptteil der Schwierigkeiten, welche eine Messunsicherheit bewirken.
Bisher wurden meist Kolbenweggeber oder Kolbengeschwindigkeitsgeber an der Kurbelwelle des Motors befestigt. Aufgabe dieser Geber ist es, ein der Drehstellung der Kurbelwelle analoges Signal für den Kolbenweg bzw. die Kolbengeschwindigkeit zu liefern. Die grossen Ungenauigkeiten entstehen bei dieser Methodik vor allem dadurch, dass eine Zahl von Übertragungsgliedern zwischen Kolben und auf der Kurbelwelle montiertem Geber liegt. Lagerspiele, Stauchung der Pleuelstange, Torsionsschwingung der Kurbelwelle usw. verursachen beachtliche Fehler. Die Pleuelstange eines Diesel-Motors z. B. wird während der Verbrennung bis zu einem Spitzenwert von 1,5 t/cm2 beansprucht, was einer Längenänderung von etwa 0, 075 % entspricht.
Diese Veränderung in der Pleuellänge kann Volumenfehler in der Grössenordnung von 2 % im Bereich des oberen Totpunktes ergeben. Darüber hinaus ist bis heute keine mechanische Methode bekannt, welche die exakte Positionsanzeige des oberen Totpunktes mit einem Fehler kleiner als + 0 2 % gewährleisten würde.
Aus dem Gesagten geht hervor, dass der Fehler bei der Indizierung allein hier schon etwa insgesamt + 5 % betragen wird. Indiziermethoden, welche an der Kurbelwelle angeschlossene Geberelemente benützen, scheiden daher aus. Ausserdem ist es oft schwierig, derartige Einrichtungen in der Praxis an ein freies Wellenende der zu untersuchenden Maschine zu bringen.
Eine weitere Methode, die bekannt wurde, um die genannten Schwierigkeiten zu umgehen, ist die Verwendung eines Funktionsgenerators, welcher vom Motor synchronisiert wird und ein elektrisches Analogsignal liefert, das der Kolbenbewegung entspricht. Der Generator kann so ausgelegt sein, dass für die verschiedenen vorkommenden Pleuelstangenverhältnisse die entsprechenden Werte eingegeben werden können. Das Pleuelstangenverhältnis ist gleich
Länge der Pleuelstange
Kolbenweg Der Nachteil derartiger Generatoren liegt darin, dass sie nur ideale Werte für die Kolbenbewegung liefern und Lagerspiele, Pleuelstauchung usw. nicht wiedergeben. Ferner wird bei diesem Verfahren die genaue Kenntnis des oberen Totpunktes erforderlich, was wie derum beachtliche messtechnische Probleme aufwirft.
Letzten Endes ist ein derartiger Funktionsgenerator eine sehr teure elektronische Einrichtung.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung alle oben geschilderten, mit der Messung der Kolbenbewegung verbundenen Nachteile teils wesentlich herabzusetzen, teils ganz zu vermeiden. Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine direkte Ermittlung der jeweiligen Kolbenpositionen aus dem Druckverlauf im Zylinder vorzunehmen. Es ist hierbei der Druckverlauf eines reinen Kompressionsdiagramms ohne Verbrennungsprozess zugrunde zu legen. Untersuchungen zeigen, dass aus dem Druckverlauf im Zylinder während eines reinen Kompressionsvorganges ohne Verbrennung mit grosser Genauigkeit auf die jedem Druck zugeordnete Kolbenposition bzw. das über dem Kolben eingeschlossene Zylindervolumen geschlossen werden kann.
Demgemäss ist das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Messung ausschliesslich die Druckverläufe während eines vollständigen, Kompression und Expansion umfassenden Zyklus ohne Explosion und eines vollständigen, Kompression und Expansion umfassenden Zyklus mit Verbrennung zugrundegelegt werden. Man wird in diesem Falle völlig unabhängig von irgendwelchen mechanischen, indirekten Wegmessungen, und die ganze Auswertung kann rein elektronisch erfolgen, wobei es möglich ist, oszillographisch den Druckverlauf oder vollständige Druck- und Arbeitsdiagramme aufzuzeichnen und wobei verschiedene Möglichkeiten zur Bildung von Integralen, zur absoluten oder vergleichsweisen relativen Bestimmung der indizierten Arbeit jedes Zylinders bestehen.
Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass nur ein einziges Druckmesselement am Zylinder vorhanden sein muss. Eine vorherige Einstellung des wertes wird nicht mehr erforderlich, was vor allem von grossem Vorteil bei V-Motoren mit Nebenpleuelanordnung ist.
Für das angegebene Verfahren ergibt sich als Anzeigemöglichkeit sowohl die Darstellung der Diagramme auf dem Bildschirm eines Kathodenstrahloszillographen als auch die Anzeige der Indikatorarbeit mittels Zeigerinstrument. Es können so viele Instrumente parallel geschaltet werden wie überwachte Zylinder vorhanden sind, was die Beurteilung und den Vergleich des Zustandes aller Zylinder erleichtert. Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass neben der angezeigten Indikatorarbeit Li auch noch weitere Anzeigewerte zur Verfügung stehen, nämlich der maximale Kompressionsdruck pv und dzr maximale Zünddruck pz. Die Kenntnis dieser Werte gestattet nicht nur die Feststellung, ob ein Zylinder ordnungsgemäss arbeitet, sondern lässt auch schon Schlüsse auf die Art eines aufgetretenen Fehlers zu.
Wenn z. B. auf einem der Parallelinstrumente, welches die Indikatorarbeit anzeigt, ein Abweichen eines Zylinders festgestellt wurde, können durch Auslösen einer Zusatzeinrichtung die Drücke py und pz angezeigt werden. Wenn die vorerwähnten drei Werte Li, pv und pz vorliegen, sind z. B. Rückschlüsse auf die Einspritzmenge, den Zündpunkt, die Kompression, den Luftwert usw. möglich.
Im folgenden ist die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Diagramme beispielsweise näher erläutert.
An jedem Zylinder des zu untersuchenden Motors ist in an sich bekannter Weise ein Messwertgeber, beispielsweise ein piezo-elelqtrischer Geber angeordnet, der ein dem im Zylinder herrschenden Druck proportionales elektrisches Messsignal liefert. Es können geeignete Ventile vorgesehen sein, die den Messwertgeber nur während der eigentlichen Messung mit dem Zylinder zu verbinden gestatten. Ferner ist eine Steuervorrichtung vorhanden, die während der Messung einerseits wahlweise einzelne Messwertgeber mit der eigentlichen elektronischen Auswertungseinrichtung verbindet und zugleich die Arbeitsweise der Zylinder in der Weise zu steuern gestattet, dass wahlweise bestimmte Zylinder ohne oder mit Verbrennung arbeiten. Bei Dieselmotoren wird zu diesem Zweck die Einspritzung unterbunden, während bei Ottomotoren die Zündung ausgeschaltet werden kann.
In einer ersten Ausführungsform der erwähnten Steuervorrichtung bzw. einer ersten Durchführungsart der erfindungsgemässen Überwachung wird nun so vorgegangen, dass der Messung je zwei geometrisch gleiche und synchron arbeitende Zylinder des Motors zugrundegelegt werden, wobei der eine Zylinder ohne und der andere Zylinder mit Zündung arbeitet. Die der Messung zugrunde zu legenden Druckverläufe mit und ohne Verbrennung, in der Zeichnung mit Pv bzw. Pk bezeichnet, stehen hierbei phasengleich und gleichzeitig zur Verfügung, was die Auswertung erheblich vereinfacht.
Die eigentliche Auswertungseinrichtung kann in diesem Falle aus einem an sich bekannten Integrator bestehen, der unter Zugrundelegung einer dem Kolbenweg entsprechenden Funktion und einer dem Druckverlauf entsprechenden Funktion ein Integral der indizierten Arbeit bildet. Nun ist es aber klar, dass der Druckverlauf in dem ohne Verbrennung arbeitenden Zylinder bzw. das aus demselben durch einen linear arbeitenden Geber abgeleitete Messsignal nicht dem Kolbenweg entspricht. Zwischen dem Druckverlauf bei reiner Kompression und dem Kolbenweg bzw. dem Zylindervolumen besteht ein funktioneller Zusammenhang, der bekannt ist. Es ist somit erforderlich, das von dem ohne Verbrennung arbeitenden Zylinder abgeleitete Signal in einem Rechenverstärker umzurechnen, um ein dem Kolbenweg entsprechendes Signal zu erhalten, das dem Integrator zugeführt werden kann.
In diesem Falle bildet der Integrator ein Integral, das der wirklichen indizierten Arbeit in dem mit Verbrennung arbeitenden Zylinder entspricht. Die Messung ist frei von allen oben erwähnten Fehlerquellen, die bei Ableitung des Kolbenwegsignals an der Motorwelle auftreten. Der Druck in dem ohne Verbrennung arbeitenden Zylinder stellt jederzeit ein direktes Mass für das über dem Kolben eingeschlossene Volumen bzw. für die Kolbenposition dar. Es ist also lediglich erforderlich, die Umrechnung im erwähnten Rechenverstärker mit der erforderlichen Genauigkeit vorzunehmen.
Die erwähnten bekannten Integratoren arbeiten allgemein so, dass ein während der Kompression, d. h. bis zum Erreichen des oberen Totpunkts gebildetes Integral von dem während der Expansion gebildeten Integral subtrahiert wird. Dasselbe Ergebnis kann aber auch erzielt werden, wenn das Kolbenwegsignal noch differenziert und mit dem Drucksignal multipliziert und integriert, also gewissermassen ein Leistungsintegral gebildet wird, wobei vor dem OT anfallende Werte negativ eingehen.
Ist ein Zylinder in dieser Weise geprüft, kann die Messschaltung so geändert werden, dass nun der geprüfte Zylinder ohne Verbrennung arbeitet und das Kolbenweg Vergleichssignal liefert, während der andere Zylinder mit Verbrennung arbeitet und geprüft wird. Hierauf wird die Schaltung abgeändert, um ein weiteres Paar von synchron arbeitenden Zylindern zu untersuchen.
Das bisher beschriebene Vorgehen eignet sich nur für Motoren mit Paaren von gleichartigen, synchron arbeitenden Zylindern. Für alle übrigen Motoren ist anders vorzugehen. Grundsätzlich ist es dabei auch möglich, zwei Zylinder gleichzeitig der Messung zugrundezulegen, wobei der dem Druckverlauf im einen Zylinder entsprechende Messwert gespeichert werden muss und dann synchron mit dem dem Druckverlauf im anderen Zylinder zugeordneten Messwert aus dem Speicher entnommen und in der erwähnten Weise zur Integration überlagert werden kann. Anfang und Ende jeder Messperiode sind hierbei durch den gemessenen Druck zu steuern, z. B. zu triggern.
Es ist jedoch in diesem Falle vorzuziehen, die Untersuchung auf einen Zylinder zu beschränken. Wird die Untersuchung an einem einzigen Zylinder durchgeführt, so ist dieser Zylinder durch die oben erwähnte Steuervorrichtung so zu steuern, dass er in aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen einmal mit und einmal ohne Verbrennung arbeitet. Der zuerst aufgenommene Druckverlauf wird gespeichert und während des zweiten Arbeitszyklus zusammen mit dem während dieses Arbeitszyklus direkt aufgenommenen Druckverlauf dem Integrator zugeführt, wobei in der beschriebenen Weise der Druckverlauf bei reiner Kompression vor oder nach der Speicherung in eine Kolbenweg- oder Kolbengeschwindigkeitsfunktion umgewandelt werden kann.
Bisher wurde davon ausgegangen, dass aus dem Druckverlauf bei reiner Kompression eine Kolbenwegoder Kolbengeschwindigkeitsfunktion hergeleitet wird, um ein dem Absolutwert der indizierten Arbeit entsprechendes Integral zu bilden. Im allgemeinen genügt es aber für eine Überprüfung des Zustandes des Motors, wenn festgestellt wird, ob alle Zylinder gleiche Resultate ergeben. Trifft dies zu, so darf mit grosser Wahrscheinlichkeit angenommen werden, dass alle Zylinder und somit die ganze Maschine normal arbeiten. Für eine solche vergleichende Untersuchung brauchen daher nicht unbedingt Absolutwerte der indizierten Arbeit zu Verfügung zu stehen, sondern es können angenäherte Relativwerte genügen. Es kann also z.
B. durchaus genügen, für jeden Zylinder zuerst während eines normalen Arbeitstaktes das Zeitintegral des Druckverlaufs mit Verbrennung (Pv) und im folgenden Takt das Zeitintegral des Druckverlaufs bei reiner Kompression ohne Verbrennung (Pk) zu bilden und die beiden Integrale zu subtrahieren, womit ein Vergleichswert für die indizierte Arbeit erhalten wird. Natürlich kann die Integriervorrichtung so umgeschaltet werden, dass die einzelnen Integralwerte während des ersten Arbeitstaktes mit Verbrennung eingezählt und die Integralwerte während des zweiten Arbeitstaktes ohne Verbrennung ausgezählt werden, womit direkt die Differenz im Zählwerk erscheint.
Obwohl die hier erwähnte Differenz der beiden Integrale kein absolutes Mass für die indizierte Arbeit darstellt, kann sie zur Auswertung verwendet werden, denn ein Vergleich mit den Ergebnissen aller übrigen Zylinder der Maschine lässt feststellen, ob mit grösster Wahrscheinlichkeit alle Zylinder normal arbeiten oder ob bestimmte Zylinder Unregelmässigkeiten zeigen.
Ferner können die in dieser Weise ermittelten Integralwerte mit an der gleichen Maschine früher ermittelten Integralwerten verglichen werden, womit eine ebenso genaue Analyse über den Zustand der Maschine möglich ist, wie wenn die gebildeten Integrale Absolutwerte der indizierten Arbeit anzeigen würden.
Ähnliche Vergleichsintegrale können in einer etwas vereinfachten Anordnung auch gebildet werden, wenn das dem Druckverlauf bei reiner Kompression entsprechende Messsignal nicht in eine Kolbenweg- oder Kolbengeschwindigkeitsfunktion umgewandelt wird sondern ohne weitere Umrechnung direkt dem Integrator zugeführt wird. Desgleichen kann das differenzierte Messsignal des Druckverlaufs bei reiner Kompression ohne weitere Umwandlung dem Integrator zugeführt werden, um ein Vergleichsintegral zu bilden.
Bei der oben erwähnten Bildung reiner Zeitintegrale ist zu beachten, dass beim Einsetzen der Zündung vor dem oberen Totpunkt die der Fläche JF des in der Zeichnung dargestellten Diagramms entsprechende Arbeit als nützliche Arbeit eingezählt wird, während sie tatsächlich vom Motor zusätzlich aufgebracht werden muss. Trotzdem können natürlich die gebildeten Vergleichsintegrale nützliche Aufschlüsse über den Zustand der einzelnen Zylinder geben, und wesentliche Abweichungen von der Norm lassen jedenfalls die Zylinder ermitteln, die Unstimmigkeiten aufweisen.
Zur Erleichterung der Analyse können weitere, an sich bekannte Hilfsgeräte vorhanden sein, beispielsweise Kathodenstrahloszillographen zur Aufzeichnung der Druckverläufe oder vollständiger Arbeitsdiagramme, sowie Spitzenwertanzeiger zur Ermittlung der Spitzendrücke bei reiner Kompression und beim Arbeitstakt mit Verbrennung. Diese zusätzlichen Geräte können gegebenenfalls nur dann eingeschaltet werden, wenn die gemäss obenstehendem ermittelten Integralwerte für einen bestimmten Zylinder Abweichungen von der Norm zeigen, um die Gründe der Abweichung aus verschiedenen Anzeigen ermitteln zu können.
Während es bei Dieselmotoren im allgemeinen genügt, der Messung einen einzigen Kompressionszyklus ohne Verbrennung und einen Arbeitstakt mit Verbrennung pro Zylinder zugrunde zu legen, kann es bei Ottomotoren, insbesondere hochtourigen Motoren, erforderlich werden, Mittelwerte über eine Anzahl von Arbeitstakten zu ermitteln. In diesem Falle kann vorzugsweise abwechslungsweise mit und ohne Verbrennung gearbeitet und integriert werden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung kann eine Umschalt- und Kommandoeinrichtung zur zeitlich geordneten Abfragung der einzelnen Zylinder aufweisen und es können entsprechend getrennte, vorzugsweise digitale Anzeigegeräte für jeden Zylinder vorhanden sein, die während der Messung des zugeordneten Zylinders angeschaltet werden.