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.
Method for monitoring internal combustion engines and device for
Implementation of this procedure
There is a need for a method for the preventive maintenance of engines which allows the sum of the costs caused by a drop in performance or excessive fuel consumption, repairs, general overhauls, etc., to be as low as possible. It is essential that an engine monitoring system is able to analyze each individual cylinder separately, since otherwise slight deviations from the norm in a single cylinder would not be detectable in a multi-cylinder engine. For engines that have no power output on their output shaft, such as B.
Compressor systems, the compressor connecting rods of which are linked to a common crankshaft, have no other monitoring option than indexing the individual working cylinders.
The individual cylinder monitoring system should prevent the piston from seizing up in good time, monitor the ignition or injection system, enable fuel savings and determine the economic time for service. Since the application of the door monitoring system will primarily relate to large machines, it must also be possible to read the relevant data remotely.
The classic method of mechanical recording of the indicator diagram and its planimization is therefore no longer an option. Rather, what is needed is a device that electronically displays the indexing performance directly without any further invoice, with remote reading of the data being possible and a larger number of cylinders being able to be checked within a very short time. The indicated power results from the time average of the force acting on the piston and the piston speed.
The area of a pv indicator diagram therefore represents the useful indicator work of the work cycle. For an engine of given dimensions, the size of this work depends on the cycle process used, the degree of compression, the quality of the combustion, the excess air ratio and other factors that affect the work process of the Motors affect, be different. In the case of an engine or cylinder of certain dimensions, the indicator work thus characterizes the quality of the work process from the standpoint of the developed indicator work. For given cylinder dimensions, i.e. H. for a given displacement, this work is proportional to the mean indicated pressure and can be expressed as the product Li = pi vh, where Pl is the mean indicated pressure.
The mean indicated pressure is an assumed, constant pressure that acts on the piston during an expansion stroke and thus performs work that is equal to the indicated work. Since the size of the mean indicated pressure is proportional to the indicated work for a given stroke volume, the quality of the work process in relation to the developed indicated work of the engine can be assessed according to the value of the mean indicated pressure. The higher the mean indicated pressure, the greater the degree of utilization of the stroke volume of a cylinder will consequently be.
For the electronic indexing of a motor or a cylinder, two input variables are necessary:
1. The measurement of the pressure curve in the combustion chamber,
2. The piston travel or volume above the piston corresponding to each measured pressure value.
The electrical measurement of rapidly changing pressures under mechanically and thermally unfavorable conditions can now be regarded as solved. The measurement of the second parameter of the piston movement, however, causes difficulties. Since it is generally not possible to measure the piston travel or the piston speed directly on this component in a convenient manner, the main part of the difficulties arises which cause a measurement uncertainty.
So far, piston displacement sensors or piston speed sensors have mostly been attached to the crankshaft of the engine. The task of these transmitters is to provide a signal for the piston travel or piston speed that is analogous to the rotational position of the crankshaft. The major inaccuracies in this method are mainly due to the fact that there are a number of transmission links between the piston and the encoder mounted on the crankshaft. Bearing clearances, compression of the connecting rod, torsional vibration of the crankshaft, etc. cause considerable errors. The connecting rod of a diesel engine z. B. is stressed during the combustion up to a peak value of 1.5 t / cm2, which corresponds to a change in length of about 0.075%.
This change in the connecting rod length can result in volume errors in the order of magnitude of 2% in the area of the top dead center. In addition, no mechanical method is known to date which would ensure the exact position display of the top dead center with an error of less than + 02%.
From what has been said, it can be seen that the indexing error here alone will be around + 5% in total. Indexing methods that use encoder elements connected to the crankshaft are therefore ruled out. In addition, it is often difficult in practice to bring such devices to a free shaft end of the machine to be examined.
Another method that has become known to circumvent the aforementioned difficulties is the use of a function generator which is synchronized by the engine and which supplies an electrical analog signal which corresponds to the piston movement. The generator can be designed so that the corresponding values can be entered for the various connecting rod ratios that occur. The connecting rod ratio is the same
Length of connecting rod
Piston travel The disadvantage of such generators is that they only provide ideal values for the piston movement and do not reflect bearing clearances, connecting rod upsetting, etc. In addition, this method requires precise knowledge of the top dead center, which in turn raises considerable metrological problems.
Ultimately, such a function generator is a very expensive electronic device.
It is the aim of the present invention to reduce in some cases substantially all of the disadvantages described above and associated with the measurement of the piston movement, in some cases to avoid them entirely. The invention is based on the idea of making a direct determination of the respective piston positions from the pressure profile in the cylinder. The pressure curve of a pure compression diagram without a combustion process is to be used as a basis. Investigations show that the pressure curve in the cylinder during a pure compression process without combustion can be used to deduce the piston position assigned to each pressure or the cylinder volume enclosed above the piston with great accuracy.
Accordingly, the method according to the invention is characterized in that the measurement is based exclusively on the pressure profiles during a complete cycle comprising compression and expansion without explosion and a complete cycle comprising compression and expansion with combustion. In this case you are completely independent of any mechanical, indirect path measurements, and the entire evaluation can be carried out purely electronically, whereby it is possible to record the pressure curve or complete pressure and work diagrams using an oscilloscope and with various possibilities for the formation of integrals, for absolute or comparatively relative determination of the indexed work of each cylinder exist.
A major advantage is that only a single pressure measuring element needs to be present on the cylinder. It is no longer necessary to set the value beforehand, which is a major advantage in V engines with a secondary connecting rod arrangement.
For the specified method, both the display of the diagrams on the screen of a cathode ray oscillograph and the display of the indicator work using a pointer instrument result as a display option. As many instruments can be connected in parallel as there are monitored cylinders, which makes it easier to assess and compare the status of all cylinders. Another advantage of the method described is that, in addition to the displayed indicator work Li, other display values are also available, namely the maximum compression pressure pv and the maximum ignition pressure pz. Knowing these values not only enables the determination of whether a cylinder is working properly, but also allows conclusions to be drawn about the type of error that has occurred.
If z. B. on one of the parallel instruments, which shows the indicator work, a deviation of a cylinder was determined, the pressures py and pz can be displayed by triggering an additional device. When the aforementioned three values Li, pv and pz are present, e.g. B. Conclusions about the injection quantity, the ignition point, the compression, the air value, etc. possible.
In the following, the invention is explained in more detail, for example, using the diagrams shown in the drawing.
On each cylinder of the engine to be examined, a measured value transmitter, for example a piezoelectric transmitter, is arranged in a manner known per se, which supplies an electrical measurement signal proportional to the pressure prevailing in the cylinder. Suitable valves can be provided which allow the transducer to be connected to the cylinder only during the actual measurement. Furthermore, there is a control device which on the one hand optionally connects individual transducers to the actual electronic evaluation device during the measurement and at the same time allows the operation of the cylinders to be controlled in such a way that certain cylinders work with or without combustion. In the case of diesel engines, the injection is prevented for this purpose, while in Otto engines the ignition can be switched off.
In a first embodiment of the mentioned control device or a first type of implementation of the monitoring according to the invention, the procedure is that the measurement is based on two geometrically identical and synchronously operating cylinders of the engine, one cylinder operating without ignition and the other cylinder with ignition. The pressure curves with and without combustion on which the measurement is based, designated Pv or Pk in the drawing, are available in phase and at the same time, which considerably simplifies the evaluation.
In this case, the actual evaluation device can consist of an integrator known per se, which forms an integral of the indicated work on the basis of a function corresponding to the piston travel and a function corresponding to the pressure curve. It is now clear, however, that the pressure profile in the cylinder operating without combustion or the measurement signal derived from the same by a linear transmitter does not correspond to the piston travel. There is a known functional relationship between the pressure curve with pure compression and the piston travel or the cylinder volume. It is therefore necessary to convert the signal derived from the cylinder operating without combustion in a computer amplifier in order to obtain a signal which corresponds to the piston travel and which can be fed to the integrator.
In this case the integrator forms an integral which corresponds to the actual indicated work in the cylinder operating with combustion. The measurement is free from all of the above-mentioned sources of error that occur when the piston travel signal is derived from the motor shaft. The pressure in the cylinder operating without combustion is a direct measure of the volume enclosed above the piston or for the piston position at all times. It is therefore only necessary to carry out the conversion in the aforementioned computer amplifier with the required accuracy.
The known integrators mentioned generally work so that a during compression, i. H. The integral formed up to reaching the top dead center is subtracted from the integral formed during the expansion. The same result can also be achieved if the piston travel signal is still differentiated and multiplied and integrated with the pressure signal, that is to say, to a certain extent, a power integral is formed, with negative values occurring before TDC.
If a cylinder is checked in this way, the measuring circuit can be changed so that the checked cylinder now works without combustion and supplies the piston travel comparison signal, while the other cylinder works with combustion and is checked. The circuit is then modified to examine another pair of synchronously operating cylinders.
The procedure described so far is only suitable for engines with pairs of similar, synchronously operating cylinders. Proceed differently for all other engines. In principle, it is also possible to base the measurement on two cylinders at the same time, whereby the measured value corresponding to the pressure curve in one cylinder must be stored and then taken from the memory synchronously with the measured value assigned to the pressure curve in the other cylinder and superimposed in the aforementioned manner for integration can be. The beginning and end of each measurement period are to be controlled by the measured pressure, e.g. B. to trigger.
In this case, however, it is preferable to limit the examination to one cylinder. If the investigation is carried out on a single cylinder, this cylinder is to be controlled by the above-mentioned control device in such a way that it works once with and once without combustion in successive work cycles. The pressure profile recorded first is stored and fed to the integrator during the second working cycle together with the pressure profile recorded directly during this working cycle, whereby the pressure profile can be converted into a piston travel or piston speed function in the described manner with pure compression before or after storage.
So far it has been assumed that a piston travel or piston speed function is derived from the pressure curve in pure compression in order to form an integral corresponding to the absolute value of the indicated work. In general, however, it is sufficient to check the condition of the engine to determine whether all cylinders give the same results. If this is the case, it can be assumed with a high degree of probability that all cylinders and thus the entire machine are working normally. Absolute values of the indexed work do not necessarily have to be available for such a comparative investigation, but approximate relative values can suffice. So it can z.
For example, it is quite sufficient to first form the time integral of the pressure curve with combustion (Pv) for each cylinder during a normal working cycle and, in the following cycle, the time integral of the pressure curve with pure compression without combustion (Pk) and subtract the two integrals, which is a comparison value for the indexed work is obtained. Of course, the integrating device can be switched so that the individual integral values are counted in during the first work cycle with combustion and the integral values are counted out during the second work cycle without combustion, so that the difference appears directly in the counter.
Although the difference between the two integrals mentioned here does not represent an absolute measure for the indicated work, it can be used for the evaluation, because a comparison with the results of all other cylinders of the machine shows whether all cylinders are most likely working normally or whether certain cylinders are working normally Show irregularities.
Furthermore, the integral values determined in this way can be compared with integral values previously determined on the same machine, which enables an analysis of the state of the machine that is just as precise as if the integrals formed indicated absolute values of the indicated work.
Similar comparison integrals can also be formed in a somewhat simplified arrangement if the measurement signal corresponding to the pressure curve in the case of pure compression is not converted into a piston travel or piston speed function, but is fed directly to the integrator without further conversion. Likewise, the differentiated measurement signal of the pressure curve can be fed to the integrator without further conversion in the case of pure compression, in order to form a comparison integral.
In the above-mentioned formation of pure time integrals, it should be noted that when the ignition starts before top dead center, the work corresponding to the area JF of the diagram shown in the drawing is counted as useful work, while it actually has to be done additionally by the engine. Nonetheless, the comparison integrals formed can of course provide useful information about the condition of the individual cylinders, and significant deviations from the norm can in any case identify the cylinders with inconsistencies.
To make the analysis easier, other auxiliary devices known per se may be available, for example cathode ray oscillographs for recording the pressure curves or complete work diagrams, as well as peak value indicators for determining the peak pressures in pure compression and in the work cycle with combustion. These additional devices can only be switched on if the integral values determined in accordance with the above show deviations from the norm for a specific cylinder in order to be able to determine the reasons for the deviation from various displays.
While it is generally sufficient for diesel engines to base the measurement on a single compression cycle without combustion and one working cycle with combustion per cylinder, it may be necessary for gasoline engines, especially high-speed engines, to determine mean values over a number of working cycles. In this case, work and integration can preferably be carried out alternately with and without combustion.
The device according to the invention can have a switchover and command device for time-ordered interrogation of the individual cylinders and there can be correspondingly separate, preferably digital display devices for each cylinder, which are switched on during the measurement of the assigned cylinder.