DD228583A1

DD228583A1 - Verfahren zur ueberwachung der auslassventile von dieselmotoren

Info

Publication number: DD228583A1
Application number: DD26951984A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Vilbrandt; Christian Peters; Frank Riechmann
Original assignee: Seefahrt Inghochschule
Priority date: 1984-11-15
Filing date: 1984-11-15
Publication date: 1985-10-16

Abstract

Verfahren zur Ueberwachung der Auslassventile von Dieselmotoren betrifft ein Verfahren zur Feststellung des unvollstaendigen Abdichtens des Brennraums gegenueber dem Abgaskanal. Es stellt eine Konkretisierung des "Verfahrens zur Bestimmung des Zustandes der Ventile von Motoren" mittels Analyse des von der turbulenten Stroemung in einer Undichtigkeit des Auslassventils angeregten Koerperschalls dar. Das Verfahren realisiert eine Frueherkennung der Ventilschaeden. Erfindungsgemaess wird zur Signalisierung von Undichtigkeiten der von der turbulenten Stroemung angeregte Koerperschall waehrend der Kompression und/oder die Expansion in Kurbelwinkelbereichen analysiert, die ausserhalb des Kurbelwinkelbereichs des Verbrennungsvorganges liegen. Die Frequenz der Schallsignale, die eine messbare Schallsignalsumme liefern, die Laenge der Ueberwachungsbereiche und die dort vorliegende Schallsignalsumme werden an einer am Auslassventil simulierten Undichtigkeit mit einem noch nicht die Funktionstuechtigkeit beeintraechtigendem Querschnitt bestimmt und in einem Rechner gespeichert. Sind die waehrend des Motorbetriebes in den Ueberwachungsbereichen gemessenen Schallsignalsummen groesser oder gleich denen, die bei simulierter Undichtigkeit gemessen wurden, so wird das signalisiert.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung des unvollständigen Abdichtens des Brennraums gegenüber dem Abgaskanal durch ein oder mehrere Auslaßventile eines oder mehrerer Zylinder von Dieselmotoren während des Motorbetriebes.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Durch den zunehmenden Einsatz von Kraftstoffen mit sinkender Qualität werden an den Auslaßventilen von Dieselmotoren in steigendem Maße Undichtigkeiten in Form sogenannter Schußkanäle festgestellt. Schußkanäle sind radial verlaufende kanalartige Einkerbungen am Ventilrand oder Ventilsitz, die durch ein Herausbrennen des Venti!werkstoffs durch die ausströmenden heißen Verbrennungsgase entstehen. Ein einmal entstandener Schußkanal führt durch das weitere Ausströmen der Verbrennungsgase schließlich zum weitgehenden Funktionsausfall des Auslaßventils und kann durch die örtlich starke thermische Belastung Folgeschäden am Zylinderkopf verursachen. Beispielsweise kann ein Folgeschaden dadurch hervorgerufen werden, daß durch das Verziehen des Zylinderkopfs Wasser in den Zylinder eintritt. Aber auch ohne Folgeschäden bedeutet eine unvollständige Abdichtung des Brennraums gegenüber dem Abgaskanal einen teilweise uneffektiven Kraftstoffverbrauch.

Die beginnende Ausbildung von Schußkanälen ist bisher nur zufällig durch eine Besichtigung des Auslaßventils während einer Demontage des Motors oder bei stillstehendem Motor unter bestimmten Bedingungen durch Besichtigung des Ventilrandes mittels eines in den Brennraum eingeführten Endoskops feststellbar. Undichtigkeiten auf dem Ventilsitz lassen sich durch eine Endoskopie kaum erfassen.

Demontagelos lassen sich Schußkanäle während des Motorbetriebes durch einen Abfall des Zünd- oder Kompressionsdrucks erst dann nachweisen, wenn die Undichtigkeiten bereits so groß sind, daß Folgeschäden zu erwarten sind.

Die Bildung von Schußkanälen, bevor eine wesentliche Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Auslaßventile oder Folgeschäden eingetreten sind, läßt sich durch eine Analyse des Schalls nachweisen, der von den durch den Schußkanal strömenden Verbrennungsgasen emittiert wird.

Die der Erfindung nächstliegende Lösung ist das „Verfahren zur Bestimmung des Zustandes der Ventile von Motoren" (WP 152163 der Klasse F 01 L 3/24). Bei dem genannten Verfahren wird davon ausgegangen, daß sich die Frequenz f_max des Maximums des Schalleistungspegels des Schalls, der von den durch den Schußkanal strömenden Verbrennungsgasen emittiert wird, nach der Gleichung

f_m~_x'='§" 'Sr'.'

wobei v_D die Strömungsgeschwindigkeit an der engsten Stelle des Schußkanals, D den Durchmesser des Schußkanals und Sr die Strouhal-Zahl bedeuten, berechnen läßt. Da sich die Strömungsgeschwindigkeit v_D bei einer Laval-Düse aus der Temperatur T der Verbrennungsgase im Zylinder, ihrem Isentropenexponenten 9? und ihrer Gaskonstanten R mittels der Gleichung

— ί. — www w

bestimmen läßt, sollte es möglich sein, bei annähernder Kenntnis von Sr den Durchmesser D des Schußkanals über eine Frequenzanalyse zu ermitteln bzw. bei einer Überwachung des emittierten Schalls mit einem Resonanzschallwandler den Zeitpunkt zu bestimmen, bei dem der zunehmende Schußkanalquerschnitt einen Wert erreicht, bei dem noch keine wesentliche Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit des Auslaßventils oder Folgeschäden zu erwarten sind. Es wird in der Erfindungsbeschreibung angegeben, daß durch Auswertung des Ausgangssignals des verwendeten Schallmeßgerätes in der Nähe des oberen Totpunktes des Zylinders der Zustand des Auslaßventils signalisiert wird, bei dem der Durchmesser des Schußkanals einen vorgegebenen Wert erreicht.

Durch dieselbe Erfindungsbeschreibung wird ein Verfahren geschützt, das durch eine Untersuchung des von der turbulenten Strömung im Schußkanal angeregten Körperschalls eine Feststellung der Bildung von Schußkanälen ermöglichen soll. Der Mangel der der Erfindung nächstliegenden Lösung ist vor allem, daß zum Verfahren zur Feststellung des Zustandes der Ventile von Motoren durch Analyse des von der turbulenten Strömung im Schußkanal angeregten Körperschalls keine konkreten Aussagen gemacht werden und sich die unmittelbare Nähe des oberen Totpunktes des Zylinders für eine Auswertung des Ausgangssignals des verwendeten Schallmeßgerätes als unzweckmäßig erwiesen hat.

Ziel der Erfindung

Durch das Verfahren zur Überwachung der Auslaßventile von Dieselmotoren wird das „Verfahren zur Bestimmung des Zustandes der Ventile von Motoren" mittels Analyse des von der turbulenten Strömung im Schußkanal oder in einer entsprechenden Undichtigkeit des Auslaßventils angeregten Körperschalls konkretisiert. Dadurch werden die im „Verfahren zur Bestimmung des Zustandes der Ventile von Motoren" genannten Ziele, d. h. die mit der Früherkennung der Ventilschäden verbundene Vermeidung von Folgeschäden und die Senkung von Betriebs- und Reparaturkosten realisiert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das „Verfahren zur Bestimmung des Zustandes der Ventile von Motoren" mittels Analyse des von der turbulenten Strömung im Schußkanal angeregten Körperschalls zu konkretisieren. Um den Nachweis der Bildung von Schußkanälen an einem bestimmten Auslaßventil eines mehrzylindrigen Motors zu gewährleisten, sind die emittierten Körperschallsignale in möglichst hohen Frequenzbereichen zu analysieren, da dadurch wegen der mit der dritten Potenz der Frequenz des Schalls zunehmenden Dämpfung weiter entfernte Störschallquellen bei der Registrierung des zu analysierenden schallemittierenden Strömungsvorganges weitgehend unterdrückt werden. Prinzipiell ist der Nachweis der Bildung von Schußkanälen oder entsprechender Undichtigkeiten der Auslaßventile auf den Kurbelwinkelbereich beschränkt, in dem das Auslaßventil bei funktionsgerechtem Verhalten geschlossen ist. Da in diesem Kurbelwinkelbereich weitere Schallquellen wirksam sind, ist der gesamte Kurbelwinkelbereich, bei dem das Auslaßventil geschlossen ist, nicht geeignet, um eine beginnende Bildung von Schußkanälen nachzuweisen. Im Gegensatz zu der im „Verfahren zur Bestimmung des Zustandes der Ventile von Motoren" für den im Gas durch die turbulente Schußkanalströmung angeregten Schall gemachten Aussage, daß in der Umgebung des oberen Totpunktes des Zylinders neben der zu analysierenden Schallquelle des durchströmten Schußkanals keine weiteren wesentlichen Störschallquellen registriert werden, wurde experimentell nachgewiesen, daß das Verbrennungsgeräusch in einem erheblichen Kurbelwinkelbereich in der Umgebung des oberen Totpunktes eine wesentliche Störschallquelle für den von der turbulenten Schußkanalströmung angeregten Körperschall darstellt. In Fig. 1 ist die Schallsignalrate R des Verbrennungsgeräusches in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel KW dargestellt. Der Kurbelwinkelbereich, in dem das Verbrennungsgeräusch als Störschallquelle registriert wird, nimmt mit steigender Füllung bzw. der abgegebenen Motorleistung zu.

Es ist demzufolge nicht oder nur mit einer relativ großen Unsicherheit möglich, bei gleichzeitiger Schallemission durch den Verbrennungsvorgang die Bildung von Schußkanälen in Auslaßventilen nachzuweisen.

Während der Kompression und während der Expansion durchläuft die turbulente Strömung im Schußkanal jeweils in einem bestimmten Kurbelwinkelbereich vor bzw. nach dem oberen Totpunkt des Zylinders einen gleichen Strömungszustand. Wird zur Analyse des Körperschalls ein Frequenzbereich verwendet, der für die Aufnahme der hochfrequenten Anteile des von der turbulenten Schußkanalströmung angeregten Körperschalls bei einem genügend kleinen Schußkanalquerschnitt in Kurbelwinkelbereichen geeignet ist, die außerhalb des Kurbelwinkelbereichs des Verbrennungsvorganges liegen, so wird in einem Kurbelwinkelbereich, der unmittelbar vor dem Verbrennungsvorgang liegt, und in einem Kurbelwinkelbereich nach dem Kurbelwinkelbereich des Verbrennungsvorganges Schall registriert, der im wesentlichen nur durch die turbulente Schußkanalströmung angeregt wird.

Experimentell wurde mittels simulierter Schußkanäle an Auslaßventilen bei Verwendung eines geeigneten Frequenzbereiches nachgewiesen, daß im Kurbelwinkelbereich vor und nach dem Kurbelwinkelbereich, in dem der Verbrennungsvorgang registriert wird, Schußkanäle an Auslaßventilen oder entsprechende Undichtigkeiten durch eine wesentliche Schallemission (gestrichelte Linien) feststellbar sind (Fig.2). Die Länge der Kurbelwinkelbereiche, in denen die Schußkanäle nachweisbar sind, und die in diesen Kurbelwinkelbereichen registrierte Schallsignalsumme sind im wesentlichen neben den charakteristischen Abmessungen des Schußkanals von der Füllung bzw. der abgegebenen Motorleistung und der Konstruktion des Motors abhängig. Erfindungsgemäß wird zur Signalisierung von Schußkanälen oder entsprechender Undichtigkeiten an Auslaßventilen von Dieselmotoren während des Motorbetriebes ständig oder zeitweilig der von der turbulenten Strömung durch einen Schußkanal oder durch eine entsprechende Undichtigkeit des Auslaßventils angeregte Körperschall während der Kompression und/oder der Expansion des Zylinders in Kurbelwinkelbereichen analysiert, die außerhalb des Kurbelwinkelbereichs des Verbrennungsvorganges liegen.

Erfindungsgemäß werden die Frequenz der Schallsignale, die in den Kurbelwinkelbereichen unmittelbar vor dem Verbrennungsvorgang und nach dem Verbrennungsvorgang zu einer zuverlässig meßbaren Schallsignalsumme führen, die Länge der zu überwachenden Kurbelwinkelbereiche und die in diesen Kurbelwinkelbereichen oder Teilbereichen von ihnen bei Auftreten eines Schußkanals oder einer entsprechenden Undichtigkeit des Auslaßventils zu signalisierende Schallsignalsumme dadurch bestimmt, daß an einem Auslaßventil des Motortyps, dessen Auslaßventile überwacht werden sollen, ein Schußkanal

mit einem Querschnitt, bei dem noch keine wesentliche Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Auslaßventile oder Folgeschäden zu erwarten sind, simuliert wird und bei kleinster sinnvoller Motorleistung durch Variation der Frequenz an einem von den elektrischen Signalen, die von den Schallsignalen am Schallwandler erzeugt werden, durchlaufenen Frequenzfilter die Frequenz ausgewählt wird, bei der der von der turbulenten Strömung durch den simulierten Schußkanal angeregte Körperschall in den Kurbelwinkelbereichen unmittelbar vor dem Verbrennungsvorgang und nach dem Verbrennungsvorgang zu einer zuverlässig meßbaren Schallsignalsumme führt.

Erfindungsgemäß werden die in den zu überwachenden Kurbelwinkelbereichen unmittelbar vor dem Verbrennungsvorgang und nach dem Verbrennungsvorgang des Zylinders bei Simulation eines Schußkanals mit einem Querschnitt, bei dem noch keine wesentliche Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Auslaßventile oder Folgeschäden zu erwarten sind, bei kleinster sinnvoller Motorleistung gemessenen Schallsignalsummen gemeinsam mit den zu überwachenden Kurbelwinkelbereichen für alle Zylinder des Motors in einem Rechner gespeichert, während des späteren Motorbetriebes ständig oder zeitweilig mit den in den zu überwachenden Kurbelwinkelbereichen gemessenen aktuellen Schallsignalsummen verglichen und das Übereinstimmen der in einem oder mehreren zu überwachenden Kurbelwinkelbereichen gemessenen Schallsignalsummen mit den im Rechner gespeicherten Signalsummen oder das Überschreiten der im Rechner gespeicherten Schallsignalsummen durch die in den zu überwachenden Kurbelwinkelbereichen gemessenen aktuellen Schallsignalsummen zur Signalisierung der Bildung von Schußkanälen oder entsprechender Undichtigkeiten an den Auslaßventilen verwendet.

Ausführungsbeispiel

Das zur Überwachung der Auslaßventile von Dieselmotoren verwendete Meßsystem (Fig. 3) besteht aus den Ultraschallwandlern W₁ bis W_n, wobei η die Anzahl der Zylinder bedeutet, die die empfangenen Ultraschallsignale in elektrische Signale umwandeln, dem Vorverstärker W, der die elektrischen Signale zur Übertragung über eine größere Entfernung verstärkt, einem Frequenzfilter F zur Auswahl von Signalen eines bestimmten Frequenzbandes, einem Hauptverstärker HV zur wahlweisen weiteren Verstärkung der elektrischen Signale, einer Diskriminatorschaltung DS zur Unterdrückung von Signalamplituden, die unterhalb eines wählbaren Pegels liegen, einem Rechner R, in dem unter anderem die elektrischen Signale gezählt werden, einem Startimpulsgeber SG zur Startung des vom Rechnergesteuerten Meßwerterfassungsprogramms in einer markanten Zyklusphase des Motors (beispielsweise in der Kurbelwinkelstellung, in der das Auslaßventil des ersten Zylinders schließt), einem Kurbelwinkelgeber WG, mit dem die einzelnen Kurbelwinkelintervalle bezüglich der markanten .

Zyklusphase des Motors gezählt werden und der gleichzeitig den Zählvorgang der Schallsignale während des vorliegenden Kurbelwinkelintervalls startet und beendet, und eventuell einem Leistungs- oder Füllungsgeber, der die momentane Leistung des Motors an den Rechner R gibt.

In dem Rechner werden die in den einzelnen Kurbelwinkelintervallen gemessenen Schallsignalsummen den entsprechenden Kurbelwinkelintervallen zugeordnet, während einer wählbaren Anzahl von Arbeitsspielen für die einzelnen Kurbelwinkelintervalle aufsummiert, danach mit den ihnen entsprechenden Kurbelintervallen gespeichert und können über einen Drucker D oder eine andere Ausgabeeinheit gemeinsam mit den ihnen entsprechenden Kurbelwinkelintervallen ausgegeben werden.

Die Ultraschallwandler werden an den Zylinderköpfen des Motors oder in deren unmittelbarer Umgebung in jeweils gleicher Weise schalleitend befestigt.

Als Ultraschallwandler eignen sich breitbandige Schallwandler oder Resonanzschallwandler, die mehrere Resonanzfrequenzen in unterschiedlichen Frequenzbereichen aufweisen.

An dem Motortyp, dessen Auslaßventile überwacht werden sollen, werden bei ungeschädigten Auslaßventilen während des Motorbetriebes bei höchster Motorleistung mit dem beschriebenen Meßsystem oder auf andere Weise die Kurbelwinkelbereiche bestimmt, in denen die Verbrennungsgeräusche der einzelnen Zylinder liegen und die deshalb nicht als Kurbelwinkelbereiche zur Überwachung der Auslaßventile auf beginnende Schußkanalbildung oder entsprechende Undichtigkeiten in Betracht kommen.

Danach wird bei diesem Motortyp an einem Auslaßventil ein Schußkanal von einem Querschnitt simuliert, bei dem noch keine wesentliche Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Auslaßventile oder Folgeschäden zu erwarten sind. Während des Motorbetriebes wird bei kleinster sinnvoller Motorleistung (oder bei einer häufig gefahrenen Motorleistung) durch Variation der Frequenz am Frequenzfilter die Frequenz ausgewählt, bei der der von der turbulenten Schußkanalströmung angeregte Körperschall in den Kurbelwinkelbereichen unmittelbar vor dem Verbrennungsvorgang und nach dem Verbrennungsvorgang des Zylinders, bei dem das Auslaßventil mit einem simulierten Schußkanal versehen ist, zu einer zuverlässig meßbaren Schallsignalsumme in den Kurbelwinkelbereichen führt.

Die Kurbelwinkelbereiche unmittelbar vor dem Verbrennungsvorgang und nach dem Verbrennungsvorgang oder Teilbereiche von diesen Kurbelwinkelbereichen bilden die Überwachungsbereiche, die sich entsprechend der Zylinderzahl und der Zündfolge des Motors für die einzelnen Zylinder in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel wiederholen.

Die Länge der Überwachungsbereiche und die bei kleinster sinnvoller Motorleistung (oder bei einer häufig gefahrenen Motorleistung) in den Überwachungsbereichen bei der Simulation des Schußkanals gemessene Schallsignalsumme werden im Rechner gespeichert.

Während des späteren Motorbetriebes wird ständig oder zeitweilig die in den Überwachungsbereichen gemessene aktuelle Schallsignalsumme mit der Schallsignalsumme, die im Rechner bei der Simulation des Schußkanals gespeichert wurde, im Rechner verglichen. Stimmen diese beiden Signalsummen innerhalb einer Toleranz überein oder überschreitet die gemessene aktuelle Schallsignalsumme die im Rechner bei der Simulation des Schußkanals gespeicherte Schallsignalsumme in den Überwachungsbereichen, so wird durch den Rechner die Bildung von Schußkanälen für den oder die entsprechenden Zylinder signalisiert.

Claims

-1- 695 19

Erfindungsansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung der Auslaßventile von Dieselmotoren mittels der von der turbulenten Strömung durch einen Schußkanal oder durch eine entsprechende Undichtigkeit des Auslaßventils angeregten Körperschalls, gekennzeichnet dadurch, daß während des Motorbetriebes ständig oder zeitweilig der von der turbulenten Strömung durch einen Schußkanal oder durch eine entsprechende Undichtigkeit des Auslaßventils angeregte Körperschall während der Kompression und/oder der Expansion des Zylinders in Kurbelwinkelbereichen analysiert wird, die außerhalb des Kurbelwinkelbereichs des Verbrennungsvorganges des Zylinders liegen.
2. Verfahren zur Überwachung der Auslaßventile von Dieselmotoren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Frequenz der Schallsignale, die in den Kurbelwinkelbereichen unmittelbar vor dem Verbrennungsvorgang und nach dem Verbrennungsvorgang zu einer zuverlässig meßbaren Schallsignalsumme führen, die Länge der zu überwachenden Kurbelwinkelbereiche und die in diesen Kurbelwinkelbereichen oder Teilbereichen von ihnen bei Auftreten eines Schußkanals oder einer entsprechenden Undichtigkeit des Auslaßventils zu signalisierende Schallsignalsumme dadurch bestimmt werden, daß an einem Auslaßventil des Motortyps, dessen Auslaßventile überwacht werden sollen, ein Schußkanal mit einem Querschnitt, bei dem noch keine wesentliche Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Auslaßventile oder Folgeschäden zu erwarten sind, simuliert wird und bei kleinster sinnvoller Motorleistung durch Variation der Frequenz an einem von den elektrischen Signalen, die von den Schallsignalen am Schallwandler erzeugt werden, durchlaufenen Frequenzfilter die Frequenz ausgewählt wird, bei derdervon der turbulenten Strömung durch den simulierten Schußkanal angeregte Körperschall in den Kurbelwinkelbereichen unmittelbar vor dem Verbrennungsvorgang und nach dem Verbrennungsvorgang zu einer zuverlässig meßbaren Schallsignalsumme führt.
3. Verfahren zur Überwachung der Auslaßventile von Dieselmotoren nach den Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die in den zu überwachenden Kurbelwinkelbereichen unmittelbar vor dem Verbrennungsvorgang und nach dem Verbrennungsvorgang des Zylinders bei Simulation eines Schußkanals mit einem Querschnitt, bei dem noch keine wesentliche Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit der Auslaßventile oder Folgeschäden zu erwarten sind, bei kleinster sinnvoller Motorleistung gemessenen Schallsignalsummen gemeinsam mit den zu überwachenden Kurbelwinkelbereichen für alle Zylinder des Motors in einem Rechner gespeichert werden, während des späteren Motorbetriebes ständig oder zeitweilig die in den zu überwachenden Kurbelwinkelbereichen gemessenen aktuellen Schallsignalsummen mit den Schallsignalsummen, die im Rechner bei der Simulation des Schußkanals gespeichert wurden, verglichen werden und das Übereinstimmen der in einem oder mehreren zu überwachenden Kurbelwinkelbereichen gemessenen Schallsignalsummen mit den im Rechner gespeicherten Schallsignalsummen oder das Überschreiten der im Rechner gespeicherten Schallsignalsummen durch die in den zu überwachenden Kurbelwinkelbereichen gemessenen aktuellen Schallsignalsummen zur Signalisierung der Bildung von Schußkanälen oder entsprechender Undichtigkeiten an den Auslaßventilen verwendet wird.